伺服主驅(qū)動是金屬成形機床的必選

中國鍛壓協(xié)會監(jiān)事長/齊俊河

金屬成形是指利用有源動力，在工裝模具的限制范圍內(nèi)，使金屬材料發(fā)生變形而得到所需形狀零件的過程。金屬成形零件主要包括鍛件、沖壓件、鈑金制作件等，消耗金屬板材、管材、棒材、線材和型材等所有金屬材料總量的70%。整個金屬成形行業(yè)從業(yè)大軍1000多萬人，每年創(chuàng)造工業(yè)增加值達2萬億元，采購成形技術(shù)裝備800億元，消耗工模具1000億元。在鍛造、沖壓和鈑金制作三大金屬成形行業(yè)中，生產(chǎn)工藝、技術(shù)設(shè)備、工模具和原材料四大要素缺一不可。其中，以金屬成形機床為主的技術(shù)裝備提供了成形能量，在保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減少操作人員，控制生產(chǎn)成本，環(huán)保節(jié)能，可否持續(xù)發(fā)展等各方面都起到關(guān)鍵作用。

當今這個年代，網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化不僅改變了我們的工作和生活方式，而且也在顛覆制造和金屬成形行業(yè)。目前，金屬成形企業(yè)自動化、信息化和智能化建設(shè)已是當務(wù)之急，而采用智能化機床，又是使用自動化生產(chǎn)，建設(shè)信息化工廠，實現(xiàn)智能化制造的先決條件，反之，沒有智能化機床，就很難或者說不可能實現(xiàn)企業(yè)的自動化、信息化和智能化。所以，金屬成形企業(yè)采用智能化機床或進行機床智能化改造，是企業(yè)智能化建設(shè)的必修課。在智能化金屬成形機床中，主驅(qū)動的智能化十分重要；而解決金屬成形機床主驅(qū)動智能化的核心就是采用伺服主驅(qū)動。

下面基于金屬成形機床的應(yīng)用行業(yè)，分別就鍛造、沖壓和鈑金制作行業(yè)成形機床的主驅(qū)動方式伺服化問題做一下分析展望，以便各金屬成形機床企業(yè)規(guī)劃自己的發(fā)展方向，幫助各金屬成形零部件制造企業(yè)選擇采購機床，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高綜合競爭力。

金屬成形機床發(fā)展到今天，無論是鍛造機床，還是沖壓和鈑金制作機床；無論是機械機床，還是液壓機床，向伺服主驅(qū)動方向發(fā)展已勢在必行。金屬成形機床采用伺服主驅(qū)動的優(yōu)點，已得各行業(yè)生產(chǎn)實踐的充分證明，采用伺服主驅(qū)動的金屬成形機床不僅工藝性好，而且節(jié)能，容易實現(xiàn)自動化集成、信息化聯(lián)網(wǎng)和智能化控制，是未來金屬成形企業(yè)的必選。

鍛造生產(chǎn)的四種成形機床中，鍛錘已經(jīng)從蒸汽驅(qū)動、空氣驅(qū)動發(fā)展到當下最常用的電液驅(qū)動，有的機床企業(yè)，未雨綢繆，已經(jīng)研發(fā)出機械伺服驅(qū)動的鍛錘（圖1），完全顛覆了傳統(tǒng)鍛錘采用流體介質(zhì)傳動的理念，是鍛錘驅(qū)動方式的革命性變化。螺旋壓力機從飛輪摩擦驅(qū)動發(fā)展到當前最常用的變頻（或永磁）電機直接驅(qū)動，目前也有企業(yè)已開發(fā)了機械伺服電動直驅(qū)方式（圖2），效率更高、性能更好。機械壓力機，俗稱模鍛壓力機，驅(qū)動電機也從普通異步交流電機升級為伺服電機驅(qū)動方式（圖3），省掉了減速和制動結(jié)構(gòu)，使壓力機結(jié)構(gòu)更加簡單，便于維護，甚至是造價更加便宜。只是受伺服驅(qū)動電機功率的制約，目前還很難制造重型鍛造機床。鍛造液壓機由水壓機發(fā)展到當下最常用的油壓機，油壓機也從傳統(tǒng)的伺服閥控方式（需要蓄能器）向伺服泵控方式（不需要蓄能器）（圖4）發(fā)展，大大提高了液壓機的能效和沖次，在液壓機與機械壓力機的性能對比中，提高了綜合競爭力。另外，鍛造制坯機床輥鍛機和楔橫軋機，也采用了機械伺服直驅(qū)方式（圖5和圖6），結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，能耗降低，性能優(yōu)越。此外，還有菲賽普、新威奇、凌頂?shù)绕髽I(yè)也生產(chǎn)采用伺服驅(qū)動的設(shè)備。

沖壓生產(chǎn)的兩大類主要成形機床中，機械壓力機的伺服驅(qū)動（圖7、圖8、圖9、圖10和圖11）將逐步取代傳統(tǒng)的異步電機驅(qū)動，從而完成沖壓成形機床和生產(chǎn)工藝的一次革命。在歐、美、日沖壓行業(yè)，機械伺服壓力機已被廣泛使用，據(jù)悉像舒勒、小松這樣的世界頂級沖壓機床公司，對于大型壓力機用戶，已不再推薦使用傳統(tǒng)式機械壓力機；根據(jù)中國鍛壓協(xié)會了解到的信息，世界頂級汽車公司在中國的合資企業(yè)，其主機廠沖壓車間，今后也不再采用傳統(tǒng)式機械壓力機。液壓機的液壓伺服直驅(qū)技術(shù)（圖12）也將推動液壓機的技術(shù)變革，降低能耗，提高沖次，進一步提升液壓機的綜合性能，從而拓寬液壓機的應(yīng)用范圍。精沖壓力機也在由目前普遍采用的伺服閥控液壓（帶有蓄勢器和大油箱）壓力機向伺服泵控液壓（沒有蓄勢器，只用小油箱）驅(qū)動方式，甚至是向機械伺服驅(qū)動方式（目前僅用于200t以下的小型壓力機）發(fā)展。熱沖壓壓力機與精沖壓力機的發(fā)展思路同出一轍，也正在由閥控液壓壓力機向泵控伺服驅(qū)動方式，甚至是向機械伺服驅(qū)動方式發(fā)展（圖13、圖14和圖15）。此外，還有揚鍛、徐鍛等企業(yè)也生產(chǎn)采用伺服驅(qū)動的設(shè)備。

鈑金加工的兩大類機床中，數(shù)控沖床由雛形的步?jīng)_機，跨越式發(fā)展到機械式數(shù)控沖床，又逐代發(fā)展到液壓伺服數(shù)控沖床，最后發(fā)展到今天最為流行的機械伺服數(shù)控沖床（圖16），不僅更加節(jié)能、降低振動和噪聲；而且還大大提高數(shù)控沖床的適應(yīng)性，不僅僅可以用于沖裁，而且還可以實現(xiàn)更多的板材成形，同時提高沖模的使用壽命，加強了自身與激光切割相比的工藝優(yōu)勢。在各種金屬成形機床中，數(shù)控沖床的發(fā)展可謂神速，在短短的幾十年，數(shù)控沖床就發(fā)生了四代的變化，未來的數(shù)控沖床會是什么樣子？值得期待。鈑金加工的另外一款關(guān)鍵機床，數(shù)控折彎機與數(shù)控沖床一樣，在短短的幾十年，經(jīng)歷了從數(shù)控液壓、數(shù)控液壓伺服折彎機到今天普遍采用的數(shù)控伺服混動折彎機（圖17），機床不僅環(huán)保節(jié)能，而且機床工藝性好，便于實現(xiàn)自動化、智能化生產(chǎn)。另外，值得大家關(guān)注的是，在小型數(shù)控折彎機中，采用數(shù)控機械伺服驅(qū)動（圖18）成為一種趨勢，它相比前幾代折彎機，除了具有伺服混動折彎機的各種優(yōu)點外，驅(qū)動結(jié)構(gòu)更加簡單、便于保養(yǎng)維護，制造成本更低。

金屬管材和線材的兩大類成形機，管材折彎機和線材彎曲機也由早期的普通液壓主驅(qū)動和液壓伺服進給，發(fā)展到純機械伺服主驅(qū)動和機械伺服進給全電動化方式（圖19和圖20），使機床結(jié)構(gòu)更加簡單，更加容易實現(xiàn)自動化，便于維護保養(yǎng)，操作安全可靠，可實現(xiàn)節(jié)能、綠色生產(chǎn)。

總之，金屬成形機床主驅(qū)動的伺服化，使設(shè)備性能更優(yōu)，工藝性更好；更適合實現(xiàn)自動化生產(chǎn)、信息化管理、數(shù)據(jù)化診斷；更加節(jié)能環(huán)保，人文綠色，可持續(xù)發(fā)展。其中，機械伺服直接驅(qū)動是目前最先進的驅(qū)動方式。受伺服控制系統(tǒng)、伺服電機制造技術(shù)和成本的制約，大型金屬成形機床采用機械伺服直驅(qū)方式仍十分困難，在電機與滑塊之間，仍需一套機械傳動結(jié)構(gòu)，但都是采用機械式剛性連接，能量傳遞效率高，運動控制精度高，結(jié)構(gòu)簡單便于制造和維護。

就拿金屬成形機床中的機械伺服壓力機來講，20年前，日本和德國主要鍛壓機床公司已開始研發(fā)機械伺服主驅(qū)動壓力機，10年前，日本和德國汽車行業(yè)開始使用機械伺服壓力機。迄今為止，日本和德國主要汽車公司，大型汽車車身沖壓件生產(chǎn)，基本采用機械伺服壓力機線或多工位壓力機，一級供應(yīng)商也開始使用機械伺服壓力機進行生產(chǎn)。我國機械伺服壓力機的研發(fā)始于15年前，但是迄今為止，還沒有得到很好地應(yīng)用，原因是國產(chǎn)機械伺服壓力機所用的伺服控制系統(tǒng)和伺服電機主要靠進口，使得國產(chǎn)機械伺服壓力機價格昂貴，各沖壓企業(yè)很難承受。從而也制約了我國機械伺服壓力機的推廣和應(yīng)用，影響到我國沖壓企業(yè)的長遠發(fā)展。

希望各金屬成形機床企業(yè)能與協(xié)會一道，積極爭取國家產(chǎn)業(yè)政策的支持，廣泛開展產(chǎn)學(xué)研合作，加大研發(fā)伺服驅(qū)動系統(tǒng)和低轉(zhuǎn)速大扭矩伺服電機的力度，制造出中國金屬成形企業(yè)用得起的機械伺服成形機床。同時，也呼吁各鍛造、沖壓和鈑金制作企業(yè)，積極采用國產(chǎn)機械伺服成形機床，不僅可以為自己打開一個更加廣闊的市場，而且還能夠承擔(dān)更大的社會責(zé)任，為企業(yè)、為行業(yè)，為國家、為社會打造一個更加美好的生存空間。