大型機(jī)械伺服壓力機(jī)在熱成形工藝中的應(yīng)用

馮 翔，馮 濤，時(shí) 欣，吳書森，嚴(yán) 惠

（揚(yáng)州精善達(dá)伺服成形裝備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

無(wú)論是燃油汽車還是電動(dòng)汽車，輕量化的車身都是汽車制造企業(yè)的研制重點(diǎn)，目的是為了降低油耗或者增加電池的續(xù)航里程。汽車的輕量化使得重量輕、強(qiáng)度高的沖壓件需求日益增加。近些年，高強(qiáng)度鋼板熱成形技術(shù)已成為汽車車身輕量化的主要途徑之一。世界各國(guó)的相關(guān)企業(yè)和研究院所均在高強(qiáng)度鋼板成形加工的研究中投入了大量的精力。

高強(qiáng)板熱沖壓成形是金屬成形工藝中的一種方式，其生產(chǎn)線相較于冷沖壓生產(chǎn)線最明顯的區(qū)別就是，在此生產(chǎn)線上把含硼鋼等板料先加熱再?zèng)_壓成形，在模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)保壓淬火冷卻，從而獲得更高的強(qiáng)度、抗變形性與硬度,成形零部件的抗拉強(qiáng)度高達(dá)1600～2000MPa，其相關(guān)裝備和核心技術(shù)的研究也將成為沖壓界新的研究熱點(diǎn)[1，2]。全自動(dòng)化的熱成形生產(chǎn)線包括拆垛裝置、加熱爐、快速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、沖壓主機(jī)和其他周邊設(shè)備。作為生產(chǎn)線的主機(jī)，熱成形壓力機(jī)的重要程度不言而喻。

1 熱成形壓力機(jī)的要求與分類

熱成形工藝要求加熱后的工件被送入壓力機(jī)后，滑塊需快速下降，在鋼板仍具有很高的延展性時(shí)進(jìn)行快速?zèng)_壓、合模、保壓，通過(guò)水冷卻模具進(jìn)行快速的循環(huán)冷卻，使得鋼板經(jīng)淬火后得到的均勻的馬氏體組織，進(jìn)而得到強(qiáng)度很高的熱沖壓承力件。這就要求熱成形壓力機(jī)滑塊具有快速?zèng)_壓合模、成形后具有長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的保壓功能，也就是需同時(shí)具備機(jī)械壓力機(jī)的快速運(yùn)轉(zhuǎn)能力和液壓機(jī)的保壓能力。

隨著熱成形工藝的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，熱成形工件尺寸將越來(lái)越大，為提高生產(chǎn)效率，大部分廠家采用一模多件的生產(chǎn)模式，圖1所示為一模四件生產(chǎn)的模具。一模多件的生產(chǎn)模式對(duì)壓力機(jī)提出大臺(tái)面、大成形力以及壓力均勻性的要求。同時(shí)，不同的材料、不同的鍍層其成形工藝都不盡相同，對(duì)成形設(shè)備的要求也隨之變化，高精度、高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大成形工藝范圍成為熱成形壓力機(jī)未來(lái)的主要發(fā)展方向。

圖1 一模四件生產(chǎn)的模具

總的來(lái)說(shuō)，用于熱沖壓成形工藝的沖壓設(shè)備還應(yīng)具備以下條件：

（1）滑塊的行程必須要大。熱成形零件的成形高度一般較高，加上機(jī)械手取料需要的空間，故滑塊的行程一般在800mm～1000mm之間。

（2）滑塊空行程時(shí)間短?；瑝K上模從上死點(diǎn)開(kāi)始下行直到接觸鋼板這段行程不做功，屬于空行程。為了保證加熱好的鋼板從放入模具后到成形開(kāi)始前的溫度損失小，在這段滑塊空行程內(nèi)消耗時(shí)間必須要很小，故需要滑塊具有很高的運(yùn)行速度，最高速度應(yīng)能達(dá)到1000mm/s。快速回程的能力同樣重要，也是提高生產(chǎn)效率的重要保證。

（3）成形階段降速緩行。合適的變形速度對(duì)金屬材料的塑形的影響比較復(fù)雜，熱變形時(shí)，變形速度的提高，會(huì)引起抗力明顯增大[1]。

（4）具有下死點(diǎn)保壓一段時(shí)間的功能，同時(shí)能提供模具冷卻水的接口和下模頂出的液壓系統(tǒng)。

（5）具有關(guān)鍵部位的監(jiān)控。冷卻水的壓力、流量和溫度，板料成形前后的溫度等。

大型熱成形壓力機(jī)多以8000kN、12000kN和16000kN三種公稱壓力為最常用，滑塊行程在1000mm～1200mm之間，常用的整機(jī)結(jié)構(gòu)按動(dòng)力源不同分為的是快速液壓機(jī)和機(jī)械式伺服壓力機(jī)。

以快速液壓機(jī)作為熱成形主機(jī)的廠家有德國(guó)SCHULER、瑞典AP&T和我國(guó)的合鍛等，為了保證壓力均勻性和提高抗偏載能力，快速液壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分采用一個(gè)主缸加四個(gè)輔助缸的五缸結(jié)構(gòu)。天津鍛壓的則采用液壓缸+肘桿復(fù)合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以高精度小通徑低阻尼復(fù)合液壓油缸為動(dòng)力源帶動(dòng)副滑塊驅(qū)動(dòng)四個(gè)對(duì)稱的肘桿機(jī)構(gòu)，再通過(guò)肘桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主滑塊上下運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，熱沖壓加工時(shí)板料的溫度為900℃左右，為了安全生產(chǎn)，應(yīng)使用抗燃液壓油來(lái)替代傳統(tǒng)的液壓油。圖2所示為AP&T公司生產(chǎn)的用于熱成形工藝的液壓機(jī)。

圖2 AP&T熱成形伺服液壓機(jī)[4]

目前，以機(jī)械伺服壓力機(jī)為熱成形生產(chǎn)線主機(jī)的廠家有西班牙的FAGOR和臺(tái)灣的SEYI公司，國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，徐州鍛壓和揚(yáng)州精善達(dá)也以機(jī)械伺服壓力機(jī)作為熱成形生產(chǎn)線的主機(jī)。前兩者以偏心齒輪驅(qū)動(dòng)連桿（即四連桿機(jī)構(gòu)）作為傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，后兩者以絲杠螺母驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖3所示為SL4-12000型機(jī)械伺服熱成形壓力機(jī)的絲杠螺母驅(qū)動(dòng)多連桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型。

圖3 絲杠螺母驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)模型

2 大型機(jī)械伺服熱成形壓力機(jī)的應(yīng)用

按照市場(chǎng)占比來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外熱成形生產(chǎn)線主機(jī)多為液壓機(jī)，其優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)成本較低，但是整線生產(chǎn)效率和可靠性都難以提升。而且液壓機(jī)的一些特點(diǎn)限制了其在熱成形工藝中的應(yīng)用，比如滑塊運(yùn)行速度低、液壓系統(tǒng)的噪聲、較高的能耗等。而由于伺服電機(jī)的特性，機(jī)械伺服壓力機(jī)可提供最合適的成形速度和加工曲線，可在下死點(diǎn)保壓，能耗是相同輸出壓力的油壓機(jī)的30%[6]。

由于機(jī)械伺服壓力機(jī)沒(méi)有飛輪等儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，所以同樣噸位的機(jī)械壓力機(jī)，傳動(dòng)桿系不變的情況下，伺服壓力機(jī)的電機(jī)功率比普通壓力機(jī)的電機(jī)功率要大得多。現(xiàn)階段，大功率的伺服電機(jī)及大功率的伺服驅(qū)動(dòng)器的采購(gòu)成本仍舊居高不下，這是限制小型伺服壓力機(jī)發(fā)展的重要因素，而大型機(jī)械伺服壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的成本占比則相對(duì)較小，故大型機(jī)械伺服壓力機(jī)的推廣和應(yīng)用已經(jīng)初見(jiàn)成效。

機(jī)械伺服壓力機(jī)在熱沖壓成形中的應(yīng)用，對(duì)提高熱沖壓成形性能具有重要意義[7]。無(wú)論采用偏心齒輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)還是以絲杠螺母多連桿機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其核心的技術(shù)難點(diǎn)都是一致的，主要有兩個(gè)方面：多伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)和下死點(diǎn)保壓控制技術(shù)。

2.1 多伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)

熱成形壓力機(jī)的噸位大，需要的主伺服電機(jī)的功率也很大，受限于大功率伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器的采購(gòu)渠道及成本，現(xiàn)在大型機(jī)械伺服壓力機(jī)均采用了多伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式，即采用多臺(tái)小功率的驅(qū)動(dòng)器控制多臺(tái)伺服電機(jī)。

多伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：①減小伺服電機(jī)功率要求，擴(kuò)大采購(gòu)渠道、降低制造成本，縮短生產(chǎn)周期；②某個(gè)伺服電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)可以降低總噸位繼續(xù)生產(chǎn)，避免了單電機(jī)故障引起的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)與損失；③雖然采用了電容儲(chǔ)能模式，但是單臺(tái)大功率伺服驅(qū)動(dòng)器的啟動(dòng)瞬間需要在極短的時(shí)間內(nèi)，為直流母線充電，對(duì)電網(wǎng)的瞬時(shí)沖擊非常大。而采用多電機(jī)方式，可在控制中采用智能選用方式，根據(jù)實(shí)際工況以及工藝，可以自動(dòng)切換任意一臺(tái)或幾臺(tái)電機(jī)，避免了多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)充電從而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊。圖4所示為SL4-12000多伺服電機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng),圖5為多伺服電機(jī)控制流程原理圖。

2.2 下死點(diǎn)保壓控制技術(shù)

熱成形工藝最顯著的特點(diǎn)就是合模后保壓，在保壓的同時(shí)對(duì)板料進(jìn)行模內(nèi)淬火。液壓機(jī)為了保持合模壓力，即保持滑塊在下死點(diǎn)靜止，需要保持幾個(gè)液壓泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也消耗了大量的電能。

圖4 多伺服電機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)

機(jī)械伺服壓力機(jī)通過(guò)電氣部分與機(jī)械部分的配合，可以自由控制滑塊的運(yùn)動(dòng)，獨(dú)特的保壓控制技術(shù)在下死點(diǎn)保壓過(guò)程中保持滑塊靜止不動(dòng)，此時(shí)的伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以不用消耗能量或者消耗較少的能量。

作為數(shù)字化的設(shè)備，機(jī)械伺服壓力機(jī)的控制系統(tǒng)可以采集在生產(chǎn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，可以得到熱成形一個(gè)循環(huán)周期中時(shí)間與滑塊位移、主電機(jī)電流的關(guān)系，以SL4-12000型機(jī)械伺服熱成形壓力機(jī)為例，其工作過(guò)程中的相關(guān)曲線如圖6所示。圖6中的電流曲線是單個(gè)伺服電機(jī)的電流曲線，可以看到，除了電機(jī)加速階段，其余階段（尤其保壓階段）的電流都比較低，消耗的電能較少。

圖5 多伺服電機(jī)控制流程原理圖

圖6 SL4-12000型機(jī)械伺服熱成形壓力機(jī)工作曲線

3 結(jié)論

雖然國(guó)內(nèi)熱成形主機(jī)市場(chǎng)總的需求量很大，但是大型機(jī)械伺服壓力機(jī)的占比很小，仍舊以液壓驅(qū)動(dòng)的壓機(jī)為主，這是由于大型機(jī)械伺服壓力機(jī)的技術(shù)門檻很高，相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人才較少，愿意投入精力從研發(fā)、試制、優(yōu)化直到到推廣量產(chǎn)的壓力機(jī)生產(chǎn)廠家也很少。

熱成形工藝的特性對(duì)壓力機(jī)提出更高的要求，其可變且精確的滑塊位移曲線和精準(zhǔn)的下死點(diǎn)保壓能力在機(jī)械壓力機(jī)中均只能通過(guò)大功率伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。從適用性、易用性、可維修性和投入產(chǎn)出比等方面來(lái)說(shuō)，采用大型機(jī)械伺服壓力機(jī)來(lái)作為熱成形生產(chǎn)線的主機(jī)都是值得的。