鍛件伺服成形的節(jié)能節(jié)材與智能數(shù)控技術(shù)（上）

文/趙婷婷·山東理工大學(xué)

賈明全，袁德超·山東科匯電力自動(dòng)化有限公司

崔來(lái)勝·淄博奧瑞科機(jī)電科技有限公司

鍛件伺服成形的節(jié)能節(jié)材與智能數(shù)控技術(shù)（上）

文/趙婷婷·山東理工大學(xué)

賈明全，袁德超·山東科匯電力自動(dòng)化有限公司

崔來(lái)勝·淄博奧瑞科機(jī)電科技有限公司

傳統(tǒng)鍛壓成形工藝采用錘或老式壓力機(jī)，重復(fù)精度差、可控性差、鍛件飛邊大、加工余量大、能耗高，難以實(shí)現(xiàn)近凈成形，存在嚴(yán)重的耗能耗材問(wèn)題。鍛壓行業(yè)是工業(yè)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，近凈成形與節(jié)能節(jié)材是鍛壓行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)近凈成形，提升鍛壓行業(yè)的技術(shù)水平，滿足節(jié)能節(jié)材、智能信息化、數(shù)控自動(dòng)化和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求，必須發(fā)展新型鍛壓裝備技術(shù)。為此，國(guó)家提出了發(fā)展伺服壓力機(jī)的行業(yè)規(guī)劃與目標(biāo)。國(guó)家《工業(yè)節(jié)能“十二五”規(guī)劃》中，“機(jī)械行業(yè)重點(diǎn)工藝和產(chǎn)品節(jié)能措施與目標(biāo)”，針對(duì)鍛壓行業(yè)的規(guī)劃是：“發(fā)展直驅(qū)式螺旋壓力機(jī)及鍛造與沖壓數(shù)字化伺服壓機(jī)技術(shù)”，“推廣冷鍛設(shè)備、近凈成形鍛造等工藝”。國(guó)家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄》把“智能化成形和加工成套設(shè)備”列入發(fā)展規(guī)劃，要求“加快傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化改造”，“加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)展低能耗高附加值產(chǎn)業(yè)。加大先進(jìn)技術(shù)、工藝和裝備的研發(fā)，加快運(yùn)用高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)裝備水平，促進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合”。

在國(guó)家政策的支持下，山東科匯電力自動(dòng)化有限公司和山東理工大學(xué)聯(lián)合壓力機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，研發(fā)了開關(guān)磁阻伺服壓力機(jī)及其伺服成形技術(shù)。開關(guān)磁阻伺服壓力機(jī)從無(wú)到有，目前已經(jīng)研發(fā)的噸位從63t到4000t，包括了直驅(qū)和電機(jī)減速直驅(qū)等螺旋、曲柄各系列機(jī)型，所開發(fā)的伺服成形技術(shù)獲得大規(guī)模應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能節(jié)材、智能數(shù)控自動(dòng)化的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

采用開關(guān)磁阻伺服鍛壓裝備進(jìn)行伺服成形、智能成形、近凈成形，取代陳舊壓力加工設(shè)備和傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，能夠有效解決傳統(tǒng)鍛壓行業(yè)的耗能耗材問(wèn)題。

耗能耗材問(wèn)題分析

耗能的原因是主機(jī)設(shè)備能耗大，耗材的原因是鍛件飛邊大和加工余量大。傳統(tǒng)鍛壓工藝采用錘或老式壓力機(jī)，鍛件飛邊大、加工余量大，模具壽命低，能耗高。

鍛件飛邊問(wèn)題

鍛件飛邊是影響耗材的主要因素。鍛件飛邊大，耗材大；鍛件飛邊小或無(wú)飛邊，耗材低，節(jié)材效果顯著。影響鍛件飛邊大小的因素主要有設(shè)備、模具和坯料。

⑴設(shè)備問(wèn)題。鍛壓設(shè)備按主運(yùn)動(dòng)形式，可分為直線運(yùn)動(dòng)設(shè)備和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備。直線運(yùn)動(dòng)設(shè)備有錘和壓力機(jī)之分；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)備有軋機(jī)、輥鍛機(jī)、旋壓機(jī)等。傳統(tǒng)鍛壓設(shè)備由老式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)可控性差，成形精度低。錘類設(shè)備的壓力重復(fù)性差、沒(méi)有頂出系統(tǒng)，是造成鍛件飛邊大的主要原因。

⑵模具問(wèn)題。模具按主運(yùn)動(dòng)形式，可分為直線運(yùn)動(dòng)模具和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模具。直線運(yùn)動(dòng)的鍛造模具有開式鍛模、閉式鍛模、閉塞鍛模和擠壓模具等；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的鍛造模具有輥鍛模、楔橫軋模等。開式鍛模，鍛件飛邊很大，材料利用率低，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。

⑶坯料問(wèn)題。坯料的下料分為有屑和無(wú)屑兩類。有屑下料鋸口損失1～5mm，效率低，耗材大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。

鍛件加工余量問(wèn)題

鍛件加工余量大，需要安排粗加工、半精加工、精加工，浪費(fèi)巨大的人力、物力、財(cái)力。減小鍛件加工余量，實(shí)現(xiàn)近凈成形，不僅節(jié)約鍛件耗材，同時(shí)節(jié)約后續(xù)切削加工，直接促進(jìn)零配件生產(chǎn)方式的變革，是節(jié)能節(jié)材的發(fā)展目標(biāo)。影響鍛件加工余量的因素主要有設(shè)備、模具和坯料，包括設(shè)備壓力精度、模具磨損程度和坯料精度。

⑴設(shè)備壓力精度問(wèn)題。對(duì)于相同鍛件，壓力越大，鍛件變形量越大，壓力越小，鍛件變形量越小。傳統(tǒng)鍛壓設(shè)備，不具備壓力可控功能，造成相同鍛件的變形量大小不一、鍛件精度低，鍛件加工余量大。

⑵模具磨損程度問(wèn)題。模具磨損程度越小，鍛件精度越高，鍛件加工余量越小。模具安裝在設(shè)備上，除了工件變形產(chǎn)生磨損之外，設(shè)備壓力過(guò)載是導(dǎo)致模具磨損和報(bào)廢的主要因素。因此，設(shè)備壓力可控是降低模具磨損程度的重要保障。傳統(tǒng)鍛壓設(shè)備，不具備壓力可控功能，造成壓力過(guò)載，易導(dǎo)致模具磨損和報(bào)廢。

⑶坯料精度問(wèn)題。坯料精度越高，則鍛件精度越高。精準(zhǔn)下料和少無(wú)氧化加熱才能保證鍛件精度高，鍛件加工余量小。鋸床下料，鋸條存在磨損現(xiàn)象，難以保證下料精度。

能耗問(wèn)題

鍛壓生產(chǎn)過(guò)程中，除了加熱能耗大之外，主機(jī)耗能是能耗的另一主要部分，降低主機(jī)運(yùn)動(dòng)能耗是節(jié)能的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)鍛壓設(shè)備因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不具備控制能力，不得不通過(guò)機(jī)械方式進(jìn)行操控，機(jī)械操控存在摩擦損失，導(dǎo)致主運(yùn)動(dòng)耗能大。圖1以摩擦壓力機(jī)為例，進(jìn)行能耗問(wèn)題分析。

圖1 摩擦壓力機(jī)

滑塊在下止點(diǎn)附近時(shí)，飛輪的位置在摩擦盤半徑的最大點(diǎn)，壓下瞬間，摩擦盤保持功率輸出，而滑塊與飛輪速度為0，此時(shí)的能量損失為100%，后續(xù)飛輪線速度逐漸接近摩擦盤線速度，速度增大。從100%能量損失到速度接近一致的過(guò)程中，摩擦消耗的能量接近50%。因此，摩擦壓力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中飛輪和摩擦盤產(chǎn)生嚴(yán)重打滑，耗能嚴(yán)重。

節(jié)能節(jié)材途徑—伺服成形與智能數(shù)控技術(shù)

節(jié)能的目標(biāo)是降低主設(shè)備的能耗；節(jié)材的目標(biāo)是近凈成形，即減小鍛件飛邊和鍛件加工余量。節(jié)能節(jié)材的目標(biāo)可以通過(guò)對(duì)成形的有效控制即伺服成形來(lái)實(shí)現(xiàn)。

伺服成形是指在伺服壓力機(jī)上成形。壓力機(jī)有曲柄壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)和液壓機(jī)等，伺服壓力機(jī)也可分為伺服螺旋壓力機(jī)、伺服曲柄壓力機(jī)和伺服液壓機(jī)。伺服壓力機(jī)是由計(jì)算機(jī)控制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)，伺服電機(jī)可分為有永磁體的伺服電機(jī)和無(wú)永磁體的開關(guān)磁阻伺服電機(jī)?？紤]到鍛壓工況屬于沖擊性負(fù)載，劇烈沖擊對(duì)永磁體壽命影響嚴(yán)重，因此，壓力機(jī)的伺服電機(jī)應(yīng)選用無(wú)永磁體的開關(guān)磁阻伺服電機(jī)。

伺服曲柄壓力機(jī)及其智能數(shù)控技術(shù)

開關(guān)磁阻伺服曲柄壓力機(jī)分有離合器式和無(wú)離合器式兩種，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)曲柄連桿工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)數(shù)控電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)字化控制。

無(wú)離合器式開關(guān)磁阻伺服曲柄壓力機(jī)是在傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)上，摒棄飛輪和離合器等耗能部件，用計(jì)算機(jī)控制的開關(guān)磁阻伺服電機(jī)替代傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)曲柄連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，在不改變工作機(jī)構(gòu)的前提下，利用伺服控制技術(shù)數(shù)控滑塊運(yùn)動(dòng)特性曲線，對(duì)滑塊的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)滑塊運(yùn)動(dòng)特性可控，徹底解決壓力機(jī)的故障問(wèn)題，更好地滿足沖壓加工高效節(jié)能、智能數(shù)控和高可靠性的需求。

開關(guān)磁阻伺服曲柄壓力機(jī)與傳統(tǒng)曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)不同之處是可以沒(méi)有飛輪、離合器、平衡缸及其控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)組成為：開關(guān)磁阻伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)減速驅(qū)動(dòng)曲柄連桿滑塊運(yùn)動(dòng)；電機(jī)軸設(shè)置電磁制動(dòng)器，電機(jī)軸與曲軸端設(shè)置位置傳感器；制動(dòng)器和位置傳感器連接電機(jī)控制器（圖2）。開關(guān)磁阻伺服電機(jī)減速驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)獲得滑塊的直線運(yùn)動(dòng)；通過(guò)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，使滑塊的運(yùn)動(dòng)特性曲線可調(diào)；通過(guò)角位移傳感器，實(shí)現(xiàn)滑塊的位移和速度反饋控制。

圖2 伺服曲柄壓力機(jī)原理圖

結(jié)構(gòu)件的連接關(guān)系為：伺服電機(jī)輸出軸連接齒輪減速傳動(dòng)，繼而連接曲柄機(jī)構(gòu)。

工作原理為：開關(guān)磁阻伺服電機(jī)在滑塊上止點(diǎn)起動(dòng)，以大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由零速加速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)減速傳動(dòng)帶動(dòng)曲柄連桿滑塊運(yùn)動(dòng)，電機(jī)在起動(dòng)加速過(guò)程提供的能量?jī)?chǔ)存于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，壓力行程時(shí)，電機(jī)速降釋放能量E，能量E大于等于額定工作能量Eg，實(shí)施沖壓；位置傳感器給出滑塊上止點(diǎn)的位置，通過(guò)電機(jī)控制器傳給伺服電機(jī)。單擊狀態(tài)下，當(dāng)滑塊靠近上止點(diǎn)時(shí)，伺服電機(jī)減速，制動(dòng)器實(shí)施制動(dòng)，滑塊停在上止點(diǎn)，電機(jī)制動(dòng)能量反饋利用，完成一個(gè)工作循環(huán)。

伺服螺旋壓力機(jī)及其智能數(shù)控技術(shù)

開關(guān)磁阻伺服螺旋壓力機(jī)分直驅(qū)式（圖3）和減速直驅(qū)式兩種，按螺桿運(yùn)動(dòng)形式，分為螺桿螺旋運(yùn)動(dòng)式和螺桿定軸轉(zhuǎn)動(dòng)式。伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)螺旋副工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)數(shù)控電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)字化控制。只要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速即可實(shí)現(xiàn)打擊能量和打擊力的數(shù)字化智能化控制（圖4）。

圖3 開關(guān)磁阻伺服直驅(qū)式螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4 打擊能量和打擊力數(shù)控原理

伺服螺旋壓力機(jī)工作原理為：通過(guò)觸摸屏輸入每次打擊的電機(jī)轉(zhuǎn)速和滑塊行程，按下啟動(dòng)按鈕后，PLC可編程控制器發(fā)出開關(guān)信號(hào)，松開制動(dòng)器、啟動(dòng)KSC控制器，電機(jī)接到KSC控制器的啟動(dòng)控制信號(hào)及其轉(zhuǎn)速信號(hào)，帶動(dòng)螺桿螺旋運(yùn)動(dòng)，慣量加速積蓄電機(jī)提供的能量，利用積蓄的能量壓制工件。打擊結(jié)束后，電機(jī)反轉(zhuǎn)返回，脈沖信號(hào)和行程開關(guān)信號(hào)給控制系統(tǒng)，電機(jī)與制動(dòng)器實(shí)施制動(dòng)。

小常識(shí)

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)使用

設(shè)備安裝調(diào)試運(yùn)行后一周需要完成的工作

⑴檢查強(qiáng)制潤(rùn)滑油泵供油壓力，保證供油正常，檢查導(dǎo)軌油泵供油量及每個(gè)導(dǎo)軌的供油情況。

⑵壓力機(jī)本體所有的連接螺栓緊固一遍。

生產(chǎn)過(guò)程中每班檢查項(xiàng)目

⑴油泵供油壓力正常，油箱油位保持在正常位置（停機(jī)后滑塊停止在出模位，油箱油位保持在中上部位）。

⑵檢查滑塊導(dǎo)軌間隙，螺栓緊固（滑塊導(dǎo)軌間隙在0.2mm以內(nèi)）。

⑶檢查皮帶松緊度。

⑷檢查電機(jī)架、電機(jī)、剎車架、剎車氣缸、剎車氣缸接頭等所有螺栓的緊固情況。

⑸檢查氣源處理器的油杯油位、水位。油杯內(nèi)正常保持有油，氣缸工作時(shí)保證潤(rùn)滑油能混入到壓縮空氣管路中。

⑹檢查機(jī)身導(dǎo)軌油泵油位、供油情況。間隔供油時(shí)間為每小時(shí)一次，一次供油20s。調(diào)試好機(jī)身分油器，保證每條立柱導(dǎo)板都有潤(rùn)滑油流出。