国内外冲压领域伺服技术及设备的发展现状

文/司大强·江苏兴锻智能装备科技有限公司

刘丽旻·中国锻压协会

随着环保政策的深入和制造业竞争的日益激烈，高效率、高精度、高可靠性的伺服压力机的市场需求越来越强烈。伺服压力机所具有的高效性、高精度、高柔性、低噪声、节能环保等优点，充分体现了压力机的未来发展趋势。伺服压力机可根据不同的生产需要设定不同的行程和成形速度，提高产品质量、提高模具寿命。通用伺服机的结构如图1 所示，本文就兴锻伺服压力机在家电、汽车零部件领域的应用进行介绍。

图1 通用伺服压力机结构和运动曲线

伺服压机设备及生产线

伺服压力机单机线

为了克服传统机械压力机冲击速度过高、不能冲压深拉延件与液压机生产效率低、故障率高的缺陷，采用大扭矩永磁同步伺服电机取代传统机械压力机中的电机和飞轮、离合器部分，利用大功率伺服控制器来控制扭矩电机的转速、位置和扭矩，从而控制压力机滑块的运动曲线，伺服压力机可以在冲压时降低速度，在回程中增加速度来提高效率，或在下死点停顿保压来抑制回弹，提高产品精度。多台阶的拉深类零件根据不同的模具可灵活修改滑块的运动曲线实现冲压过程中高的灵活性和柔性化(图2)。

图2 伺服压力机(200t)和代表产品

伺服压力机大型多工位生产线

多工位冲压生产线是压力机、多工位模具、快速换模系统、上料系统、多工位机械手、电气控制系统的集成，其相对于单机生产或者多机连线生产的最大特点就是：压力机在完成一次冲压后，不需要停在上死点等待送料机械手进行工位间移送，而是压力机连续工作，同时送料机械手进行工位间移送，即以连续冲程工作，取代单机单次工作方式，提高了生产效率、降低了冲压件综合成本。

伺服压力机通过调整不同角度位置的滑块速度，滑块可以在上死点附近缓慢回转，使压力机和多工位机械手的运动能更好匹配，特别是伺服压力机+多工位冲压深拉深生产线(图3)对于提高生产效率、降低成本和提升质量有很好地帮助。

图3 伺服压力机(1250t)多工位生产线

伺服与机械压力机混合自动化冲压生产线

伺服机械混合的自动化冲压生产线通常是第一序(拉延序)采用伺服压力机，后面的工序采用机械压力机，中间采用高柔性化的机器人搬运，整线运用自动化集成技术的生产线。如图4 所示，在生产线的第一工序(拉延工序)采用伺服压力机，利用压力机的伺服性能提升拉延品质和模具寿命，解决了机械压力机难以使用复杂冲压工艺以及生产效率难以提升等问题，同时可降低冲压噪声，实现高质量冲压。而在后续的切边、翻边、冲孔等工序可以采用机械压力机，在节省设备投资的同时实现伺服和机械压力机匹配协调。

图4 伺服600t+机械400t 混合生产线

伺服精冲生产线

精密冲裁技术(简称精冲)是一种基于普通冲裁技术发展而来的塑性加工技术，采用齿圈压边，引入压边力和反压力，抑制冲裁过程中原材料的撕裂，从而得到尺寸精度高、断面质量好的精冲件。精冲设备是决定精冲能力的重要因素之一，我国精冲机通过进口和自主研发相结合，在高刚性的伺服压力机上加装液压模垫等方式进行开发研制。通过不断改进，取得了很大进展。图5 为兴锻自主研发的200t 和300t 伺服肘杆式压力机加装上下液压模垫已经在精冲领域得到成功运用。

图5 肘杆式伺服压力机和精冲产品

伺服锻造生产线

冷锻模具寿命与模具同坯料的接触速度密切相关。速度过大，形成冲击，会缩短模具寿命。采用伺服直驱技术，可以对滑块的速度进行控制，保证模具同坯料之间实现柔性接触，从而有效地提高模具寿命。相应的，热锻模具寿命与模具同坯料的接触时间密切相关，时间过长，热量从坯料传导到模具上，会大大缩短模具寿命。采用伺服直驱技术设置滑块曲线，尽量缩短模具同坯料的接触时间，可减少坯料向模具的热量传递，从而提高热锻模具寿命。锻压机械上采用的伺服电机为低速大扭矩伺服电机，直接同减速机构的齿轮连接，不再需要离合器、飞轮等易发生故障的部件，结构变得简单，运行故障率低，维护方便。

伺服相关控制系统及软件的应用

伺服控制系统是一种能对目标装置的机械运动按预定要求进行自动控制的操作系统。伺服电机发出有关回转角度、回转方向、回转力(力矩)等的指令，再把动作的结果与指令值的差别相比较，然后再做出修改或不修改的指令内容并反映到下一个指令中，从而控制压力机的动作。

基本上，我们把这种信号一次又一次发出，然后反映到控制结果的方法叫做反馈控制，现在的伺服压力机基本上是用这种预先设定好结果来控制的方法。要达到伺服控制的目的，就是要将期望的性能得到更好地发挥应用，除了机械精度外，控制软件也起着非常重要的作用。伺服产品的设计需要机械设计者、电气设计者和计算机软件设计者具备协调性很好的综合技术能力。

一般的伺服冲压机械所用的伺服控制系统，是在电脑程序内设定一个加速度理论公式，在控制盘内固定下来。各种参数是在伺服压力机装配完毕调试时使用压力机机械的GD2 实际值把伺服系统调整到最佳状态。这些都与伺服电机的特性和控制盘的功率特性有着很大的关系。

伺服压机生产线相关辅助设施

伺服拉伸垫

伺服压力机和伺服拉伸垫相结合可以实现工件的复杂拉深变形，成形深度大、零件截面变化复杂、屈服强度高的原材料、生产中容易造成开裂、起皱、偏载等问题，这些问题在工艺和模具设计上无法完全规避。传统的气压式缓冲垫和液压式缓冲垫存在着稳定性差、效率低和压力机匹配性差等问题。伺服压力机与伺服拉伸垫的结合在高精度、难成形零件等加工领域中的应用，已经显示出以前压力机无法比拟的优越性，同时提高了拉深件的质量并具有优良的节能性。

伺服多工位机械手和机器人

与传统机械压力机自动化输送线相比较，伺服生产线的自动化部分基本类似，上下料机构基本上都采用六轴机器人较多，压力机间的板料和中间产品的传输，涉及到取件角度、压力机行程以及压力机自动化匹配信息等诸多因素，通常采用多工位机械手或七轴机器人设备。对于高速冲压线需要采用单臂或者双臂机械手才能实现其所需生产节拍需求。伺服压力机可以随意地改变速度，滑块可以在上死点附近缓慢回转，为自动化装置的运行争取了时间，更有利于自动化的实现。

快速换模系统

为了提高压力机的生产效率、减少生产准备时间以及减轻操作者的劳动强度、改善工作环境、降低人工换模过程中的安全隐患等，快速换模系统已被世界各压力机使用厂家广泛使用。伺服压力机采用整线集成后，可实现整条生产线无人化操作、“一键式”快速换模，大幅削减人员投资和提高生产效率，实现智能高效生产。

企业冲压生产线应用改造案例分析

轴瓦压弯整形——保压模式

某客户原来加工汽油机轴瓦使用普通机械式压力机进行冲压加工，对于轴瓦双金属复合材料进行弯曲加工的特性而言，成形效果并不好。具体表现为：产品贴合面不稳定，贴合面一侧有部分留白，轴瓦压弯后半径高跳动大。更换使用轴杆式伺服压力机(图6)后，通过更改压力机动作曲线。使得压力机在下死点可以停顿1.5s 甚至更久，在停顿时间内，轴瓦双金属材料将得到充分的时间进行各自的金属流动。图7中轴瓦的整体壁厚将会更均匀，贴合面的贴合度更高。

图6 300t 肘杆伺服生产线

图7 轴瓦产品贴合度检测

方形电池壳盖板、硅钢片冲压——钟摆模式+保压模式

这类薄片型的零件，生产时要求压力机速度快，行程可以小，以提高生产效率；模具检修拆装时要求滑块有较大行程以方便模具拆装。伺服压力机的钟摆模式可以满足该类型产品的需求。同时不锈钢类的零件冲压加工后会有较大的回弹，伺服压力机的保压模式可有效抑制产品的回弹量，提高产品精度。图8 所示的弹簧片在普通压机上生产时由于回弹量不能精确控制，折弯角度不稳定，产品的不良率居高不下。使用伺服压力机的钟摆+保压模式后，有效解决了产品精度问题，还提高了生产效率。

图8 弹簧片、电池壳盖板

伺服冲压技术未来发展与思考

由于工艺、习惯、模具及技术、成本等方面的制约，尤其是成本制约，冲压行业在今后的一段时间会是传统冲压方式和伺服冲压方式的混合并存，这也是非常正常的现象。但是，我们相信在不远的将来，使用伺服压力机的领域、工艺环节和数量等的比重将会越来越多，这一定是大势所趋。

在我国伺服压力机才刚刚起步，生产的实例还比较少，其优势还会不断地被发现，相对而言传统的曲轴压力机也会从伺服压力机的性能中得到启发，在性能上不断改进，因此又会推动伺服压力机向更加智能化的方向发展。随着国内相关技术的开发以及与进口产品的竞争，市场价格会逐步降低，伺服技术在成形装备的应用领域也会越来越广。