冷鍛壓力機的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

文/河本 基一郎·KOMATSU(小松)株式會社

譯/王欣·蘇州漢金模具技術(shù)有限公司

鍛造成形中使用的鍛造壓力機種類很多，為此需要充分理解各種壓力機的特性，根據(jù)鍛件的形狀及加工方法等選擇使用。

鍛造壓力機按大類可以分成機械壓力機和液壓機，小松產(chǎn)機株式會社（以下簡稱小松產(chǎn)機）生產(chǎn)銷售機械壓力機。近幾年，隨著鍛件高精度化的要求，小松產(chǎn)機前瞻地開發(fā)完成了與以前機械壓力機具有不同性能的鍛造用伺服壓力機，并被廣泛應用，從而在壓力機的研發(fā)制造方面處于世界的前沿。

小松產(chǎn)機于1994年將油壓式伺服壓力機投入市場，開始了鍛件高精度化的研發(fā)工作。之后，開發(fā)了電動式伺服壓力機，并于1998年開發(fā)完成了直動式的伺服驅(qū)動壓力機，2001年著眼于壓力機的大型化，進一步開發(fā)連桿機構(gòu)并用的連桿式伺服壓力機，2002年在小型通用壓力機上普遍實現(xiàn)了伺服驅(qū)動，2005年又開始銷售鍛造成形用的伺服壓力機，伺服驅(qū)動式壓力機的市場化得到迅速發(fā)展?；仡欁罱氖畮啄?，僅小松產(chǎn)機就制造銷售了2300多臺伺服驅(qū)動式壓力機。

現(xiàn)在就常用鍛造壓力機的種類、結(jié)構(gòu)以及適合于冷鍛成形的KOMATSU MAYPRESS L1C系列產(chǎn)品，同時就最新的鍛造用H1C系列伺服驅(qū)動式壓力機進行介紹。

壓力機的種類與特征

鍛造壓力機是利用成對的模具通過對固體材料的整體或者一部分進行壓縮或者鍛打，使材料按模具的形狀進行成形的機器。

圖1 壓力機的發(fā)展歷史

圖2 鍛造壓力機的種類

圖2是鍛造壓力機的分類圖表，壓力機可以大致分為機械壓力機和液壓機兩大類，如果進一步詳細分析，還可以按照壓力機的驅(qū)動方式以及機構(gòu)的特點進行分類，實際生產(chǎn)中要充分考慮壓力機的各自特性，以正確、高效地選擇使用。

液壓機

鍛造壓力機中，歷史悠久的液壓機有水壓式和油壓式兩種，進展到現(xiàn)在水壓機幾乎不使用了，油壓機仍然在制造、銷售和使用。油壓機上使用油壓作為驅(qū)動能源，通過高壓油缸產(chǎn)生加壓力，并能夠在行程的任何位置產(chǎn)生最大壓力。

空氣錘

長期以來，熱鍛中使用的空氣錘利用氣缸提升錘頭(滑塊)通過落下的運動能量來成形鍛件，由于錘頭的落下速度及打擊次數(shù)影響成形的效果，因此,要求生產(chǎn)人員具有一定的操作技能。另外，在錘頭的下死點位置，上下模具要實現(xiàn)接觸碰擊，從而產(chǎn)生很大的振動和噪聲。

螺旋壓力機

該機與鍛錘相同，主要使用在熱鍛加工中，通過螺桿的正反旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)滑塊的上下運動。驅(qū)動力的傳遞是由摩擦盤的旋轉(zhuǎn)通過摩擦力傳遞到與螺桿同軸上的慣性飛輪，所以也叫做摩擦壓力機。

曲柄壓力機

通常的機械壓力機由主電機、慣性飛輪、離合器與制動器及減速機構(gòu)等組成，由曲軸、肘桿、連桿等不同的驅(qū)動機構(gòu)，構(gòu)成不同方式的機械壓力機。

典型的曲柄壓力機作為通用壓力機被廣泛使用，曲軸的回轉(zhuǎn)運動通過連桿轉(zhuǎn)化為上下運動，結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)效率高，并且易于實現(xiàn)自動化，作為生產(chǎn)設備，適用的成形范圍廣，從冷鍛直到熱鍛被廣泛使用。特別是，在熱鍛中要求材料與模具的接觸時間短，曲柄壓力機具有下死點接觸時間短的特點，因而被大量應用。

連桿式壓力機

一般來說，在冷鍛成形時，下死點的成形速度越慢，越是能夠得到尺寸精度穩(wěn)定的產(chǎn)品。導致這個效果的主要原因是溫度一致性的影響，小松制造的具有連桿機構(gòu)的冷鍛壓力機，在下死點能夠?qū)崿F(xiàn)低速成形的效果。

小松制造的冷鍛壓力機，通過曲軸的轉(zhuǎn)動對連桿進行推拉，在下死點附近，滑塊的速度變得很慢，在該速度范圍中，適用于鐓粗、擠壓和切邊沖孔等加工成形工序。

冷鍛連桿壓力機與曲柄壓力機的比較

如前面敘述的那樣，與曲柄壓力機相比，連桿式壓力機具有在下死點附近能夠?qū)崿F(xiàn)滑塊慢速行進的特性。圖3顯示了滑塊驅(qū)動機構(gòu)不同時間，行程與滑塊速度的比較曲線。橫軸表示曲軸角度，縱軸表示滑塊的行程。

圖3 滑塊行程線圖與加工速度的關(guān)系

從圖3中可以看出，在相同的生產(chǎn)速度（SPM）條件下，上死點以上20mm開始成形的時候，曲柄壓力機的加壓在曲軸角度147°～180°范圍，平均加壓速度為181.8mm/s。與此相比，連桿式壓力機的加壓角度是在107°～180°范圍，平均加工速度為82.3mm/s，肘桿式壓力機則是在曲柄軸角度為113°～180°范圍內(nèi)加壓成形，平均加壓速度為89.7mm/s，從而可以看出，與曲柄壓力機相比，連桿和肘桿式壓力機加壓成形時的速度不到一半。

由于降低了加工速度，減少了加工熱能的發(fā)生，從而可以避免高溫導致的潤滑劑性能的減弱，因而在模具壽命和產(chǎn)品精度（熱脹冷縮的影響）的提高方面發(fā)揮了作用。

另外，從速度線圖看出，在模具接觸坯料的速度方面，曲柄壓力機大約是380mm/s，連桿式壓力機約為270mm/s，加壓速度大約減少了29%。與材料的接觸速度降低后，模具特別是沖頭側(cè)上產(chǎn)生的振動加速度降低，這一點對于延長模具的壽命具有一定效果。

最新的冷鍛伺服壓力機H1C

鍛造伺服壓力機H1C是開發(fā)完成的新型鍛造用成形設備，其主要為了實現(xiàn)兼有油壓機的高成形性能和機械壓力機高生產(chǎn)效率的目的。冷鍛用的伺服壓力機除實現(xiàn)了在加工成形時的滑塊速度與油壓機相當?shù)穆僖酝?，還具有高成形性和保持高生產(chǎn)效率的特點。

圖4顯示了鍛造用伺服驅(qū)動壓力機H1C的特性。

圖4 鍛造伺服壓力機的特點

自由運動的效果

冷鍛伺服壓力機H1C的最大特點是，滑塊的運動可以任意設定。

在壓力機的操作面板上，可以任意輸入1個行程循環(huán)中各工序(控制點)的目標角度及目標位置，以及該工序的速度和停止時間，并且運動模式可以自由設定，圖5、6上給出的模式圖中，滑塊可以實現(xiàn)自由運動。

以上是一個例子，實際使用中可根據(jù)成形零件的形狀、成形方法和模具結(jié)構(gòu)等設定最佳的運動模式。

在冷鍛工藝中，擠壓成形、拉伸加工和精整加工等成形工藝，可通過降低滑塊的運動速度提高成形精度。在沖裁工藝中，從剪斷到破斷的過程瞬間，實現(xiàn)滑塊瞬間停止，這種突破性的技術(shù)進步能夠減低噪聲和振動。壓印加工及精整加工中在下死點通過實現(xiàn)滑塊的停滯和保持，實現(xiàn)對形狀的“凍結(jié)”過程，能夠保證穩(wěn)定的尺寸精度。另外，還可以推遲成形后產(chǎn)品的頂出速度。

下死點高精度的實現(xiàn)

冷鍛伺服驅(qū)動壓力機H1C的特點之一是，模具閉合高度的變化量可以自動測定和補正，實現(xiàn)了產(chǎn)品的高精度化。圖7顯示了模具高度變化的模式圖。

圖5 低噪聲運動模式

圖6 階段性運動模式

圖7 模具高度變化的模式

通常，機械壓力機隨著時間的推移，將產(chǎn)生50～90μm的模具閉合高度的變化，這時候需要停止壓力機作業(yè)，通過調(diào)整模具閉合高度及檢驗后重新開始生產(chǎn)。然而，冷鍛伺服驅(qū)動壓力機可以自動檢測下死點位置，當超過生產(chǎn)開始時設定的規(guī)定變化量后，具有自動補償功能，從而得到穩(wěn)定精確的下死點位置。

通過下死點位置的補償功能，即使進行長時間的生產(chǎn)，也可以獲得穩(wěn)定的成形產(chǎn)品。

節(jié)省能源

通常，機械壓力機的主電機要時常轉(zhuǎn)動，成形加工以外也要消耗電能。與機械壓力機相比，冷鍛伺服驅(qū)動壓力機，滑塊停止時沒有電能的消耗，再則，通過伺服電動機的電能再生裝置，電機減速時可以進行發(fā)電且電能可以返回電網(wǎng)，耗電可以減少20%。

冷鍛壓力機專用框架

與本公司的其他冷鍛壓力機同樣，冷鍛伺服壓力機H1C采用高剛性的、整體厚板開窗框架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了壓力機的高耐久性和高可靠性。

冷鍛伺服壓力機H1C的結(jié)構(gòu)

冷鍛伺服壓力機H1C，采用本公司同樣的連桿式機構(gòu)，省掉了機械壓力機中的慣性飛輪，離合器和制動器，減少了驅(qū)動部分的零部件數(shù)量，結(jié)構(gòu)變得簡單，從而大大改善了維修保養(yǎng)性能。

可是，冷鍛伺服驅(qū)動壓力機，作為飛輪的替代部件伺服電機需要具有扭矩能力，需要有兩個伺服電機同時運轉(zhuǎn)驅(qū)動。圖8顯示了冷鍛伺服壓力機H1C的驅(qū)動機構(gòu)。

圖8 冷鍛伺服壓力機H1C的驅(qū)動機構(gòu)

結(jié)束語

以上介紹了小松公司壓力機制造的歷史以及鍛造壓力機中機械壓力機的結(jié)構(gòu)、冷鍛伺服壓力機的性能等，在此特別就冷鍛伺服驅(qū)動壓力機的最大特點，即自由運動模式強調(diào)說明如下：

⑴滑塊下降過程中可以在任意范圍減小滑塊的速度。

⑵能夠防止加工發(fā)熱原因引起的擦傷(咬合)，通過控制熱變形來提高鍛件的尺寸精度。

⑶可以使滑塊反復上下運動，并可以在下死點停止滑塊的運動。

⑷加工形狀穩(wěn)定，可以提高成形產(chǎn)品的精度。

除上述兩種發(fā)展趨勢外，作為今后的發(fā)展方向，加工過程中在停止滑塊運動的同時，開啟油壓加壓機構(gòu)，實現(xiàn)復合動作成形(即多向模鍛成形)。通過利用該特殊技術(shù)，解決復雜零部件的穩(wěn)定加工問題，縮短工序數(shù)，改善未充滿等缺肉不良現(xiàn)象，并期待各種各樣效果的實現(xiàn)。

以上這些功能，如果不是伺服壓力機而是在通常的機械壓力機上是不可能實現(xiàn)的。通過利用這些特殊功能進行零部件的成形，期待著通常被認為難于實現(xiàn)的高精度化、高生產(chǎn)性，成形工序的削減以及結(jié)構(gòu)簡單化帶來的設備投資金額的削減等得以實現(xiàn)。

盡管使用中可能會發(fā)生各種各樣不可預見的問題，進一步開發(fā)鍛造伺服驅(qū)動壓力機與特殊加工方法相融合的成形技術(shù)將成為今后的研發(fā)方向。