伺服压力机在汽车制造领域的优势及设计要求

孔德宇

（一重集团 天津重工有限公司，天津 300301）

压力机是金属成形加工领域中广泛使用的锻压设备，其中以机械式压力机应用最为普遍，主要用于汽车覆盖件薄板冲压、拉伸、整形、翻边、修边冲孔和落料等。伺服压力机是20世纪90年代发展起来的一种新型冲压设备，具有复合高效、高精度、高柔性和低噪环保等特点，是冲压设备的发展方向。伺服压力机采用伺服电机作为驱动源，其加工工艺轨迹柔性可控，弥补了传统压力机冲压模式固定和冲压工艺适应性差等缺点，能够显著提高复杂形状零件、深拉深零件以及高强度钢板冲压加工的成形质量和生产效率，在模具制造厂和汽车制造厂有广泛的应用前景。

随着汽车制造厂对冲压生产效率（采用伺服压力机可以提高生产效率）、生产成本（伺服压力机低速拉深可以有效避免破裂缺陷，从而达到降低板材规格的目的）、节能减排（伺服压力机采用能量管理模式，可以降低能耗）、高强度钢板应用普及（采用伺服压力机可以降低回弹，提高成形质量）等方面的追求进一步提高，伺服压力机将是汽车制造厂首选的冲压生产设备。

1 国内外伺服压力机的生产现状

目前，德国、日本等汽车制造大国相继推出公称压力25000kN、30000kN的伺服压力机，其传动机构也有曲柄滑块、双曲柄、六连杆等，主要应用于宝马、丰田等公司生产线上。国内只有一流主机厂全套引进国外伺服冲压生产线，其他主机厂都是引进一台作为试模压力机使用或冲压线首台采用伺服压力机。国内具备大型伺服压力机制造能力的厂家目前有中国一重和济南二机床，济南二机床为奇瑞汽车开发的伺服试模压力机于2012年11月19日调试成功，其公称压力为16000kN，公称压力行程为13mm，滑块行程为1000mm，其能力较中国一重开发的25000kN伺服压力机（公称压力行程为13mm，滑块行程为1200mm）还有一定的差距。

随着各汽车厂对伺服压力机技术的了解越来越深刻，对伺服压力机提出的技术条件也很高，其中绝大多数厂家要求传动机构为曲柄滑块机构或六连杆和八连杆机构。

2 伺服压力机优势

传统压力机依靠飞轮储能和做功，伺服压力机采用伺服电机直接作为压力机的动力源，使滑块运动特性可控，以满足冲压加工柔性化和智能化需求。传统压力机机构组成：电机＋飞轮＋离合器制动器＋传动机构＋工作机构；伺服压力机机构组成：伺服电机＋传动机构＋工作机构。机械压力机机构按照功能可分为：能源系统（电机和飞轮）、操纵系统（离合器、制动器及其控制部件）、传动系统（皮带轮、齿轮、传动轴）、工作机构（曲柄滑块机构）以及支承部分（床身各大部件）；伺服压力机用伺服控制系统替代了传统压力机的能源系统（电机和飞轮）和操纵系统（离合器、制动器及其控制部件），结构如图1所示。

图1 伺服压力机结构

2.1 三种机械压力机的性能比较

机械压力机的发展主要经历了曲柄滑块压力机、多连杆压力机和伺服压力机。曲柄压力机接触板料时滑块速度高，主要用于冲裁、翻边、弯曲、修边和浅拉延；多连杆压力机接触板料时滑块速度低，主要用于深拉延；伺服压力机接触板料时滑块速度可控，主要用于复杂形状零件深拉延、高强度钢板成形、难变形材料成形和精密成形等。伺服压力机拉延速度可控并可实现下死点保压，可以很好地抑制破裂、回弹等缺陷。

2.2 伺服压力机的优点

与传统压力机相比，伺服压力机具有以下优点。

2.2.1 优点一

由于没有飞轮，电机的运动和力矩直接传递给传动机构和工作机构，使滑块运动曲线、电机输出力矩可控，因此伺服压力机具有以下优点：可以降低板材级别；提高板材成形性能，拉深比可提高30%；提高零件成形质量和生产效率；降低对模具的冲击，使模具寿命提高3倍。

2.2.2 优点二

由于去除了飞轮和离合器等机械部件，因此伺服压力机具有以下优点：减少震动，降低噪声，低于75dB；采用能量管理模式进行节能；上梁中仅有主传动机构，提高设备维护性；采用数字手轮调整滑块位置，可直接试模，提高设备操作性。

2.2.3 优点三

伺服压力机一般配备数控液压拉伸垫，具有以下功能：可实现变压边力控制，改善成形工艺条件，抑制破裂和起皱缺陷；具备预加速功能，减少对工件的滑动冲击，减少噪音和碰撞冲击；具备无残留压力的锁定功能（位置精确控制），可实现下死点拉深垫零回弹，避免了由于顶料引起的产品精度不良缺陷。

3 伺服压力机设计要求

伺服压力机研发、设计主要依赖伺服控制系统与机械传动机构的完美结合，在技术上必须相互协调，优化出最合理的配置。交流伺服系统包括伺服驱动器、伺服电机和反馈传感器，是高响应的全闭环控制系统。

在覆盖件拉延成形过程中，电机负载扭矩是波动的。由于机械系统的弹性变形及惯量较大，机械传递或反应时间大于交流伺服系统响应时间，系统处于振荡状态，导致系统产生噪音、磨损和不稳定现象。设计时应增加系统刚性和减少惯性，减少机械传动响应时间，降低伺服系统响应速度和减少伺服系统的控制带宽。

传统机械压力机高速轴的扭矩是飞轮通过离合器提供的，而伺服压力机传动系统所需的扭矩直接由电机提供。当压力机行程次数和电机转数确定后，传动机构的传动比也就确定了，这时工作机构作用在主轴上的扭矩越大，电机的输出扭矩也越大。因此，机构设计时要尽量降低最大扭矩，以减小所需的伺服电机扭矩，进而降低伺服电机的功率。机构最大扭矩产生位置为公称压力行程点，所以机构的特性和公称压力行程决定了伺服电机的最终功率。

伺服压力机对交流伺服电机选型要求：高精度、快速响应、可以频繁启动和制动、启动电压小、转动惯量较小、堵转扭矩较大、过载能力强以及时间常数小。

伺服压力机机构设计过程中除了考虑以上特点外，还要注意以下问题：一是压力机拉伸阶段的出力能力，也就是压力机的能力曲线特性。例如，肘杆机构在下死点附近增力比较大，降低了对伺服电机扭矩的需求，但是距离下死点较远处增力比较小，不适宜作为深冲零件成形设备。二是机构设计时要限制运动机构的最大加速度，加速度过大会造成设备振动和噪音增大。三是传动系统折算到电机轴的机械传动间隙，间隙值过大会降低机械精度和电机的增益，从而降低电机的控制特性。

4 结论

伺服压力机相比于传统的机械压力机，具有复合高效、高精度、高柔性和低噪环保等特点，必将成为汽车、航空航天、电子和家用电器等领域金属加工成型的首要选择。基于伺服电机控制精度高且可调速等优点，依据伺服压力机设计要求，人们既可以提高产品质量又可以提高生产效率，在自动化水平提高的条件下，生产效率有进一步提高的空间。