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1、伺服压力机的特点与应用当今,由于能源与资源的限制,减少碳排放量已成为社会的共识,建立绿色节约型企业和国家,越来越多地被企业和国家认可,成为企业和国家发展追求的目标.现代制造技术的发展要求压力机不仅能够高速度,高精度,大负荷的运转,而且要求其具有更大的柔性,能根据不同材料,不同工艺要求设计滑块运动曲线,更好地适应粉末成形,难成形材料成形,复杂形状零件成形,复合成形,以及高强度板材成形等行业的要求.伺服压力机由于其无离合器,制动器及飞轮,减轻了重量,加之伺服电动机工艺性广泛,符合低碳经济要求,所以成为压力机的一个重要的发展方向.1998年,la本中川威雄教授开发出一种用滚珠丝杠直接驱动的粉末成形伺
2、服压力机.此后El本会田(AIDA),日本小松(KOMATSU),日本网野(AMINO),德国舒勒(SCHULER),西班牙发格(FAGE)等开始研发使用伺服压力机,经过十几年研发,在伺服压力机的理论研究方面取得了很大进展.日本网野公司率先推出了钣金JnT_大型伺服压力机,2004年又推出2400t机械伺服压力机,2005年成功推出了世界最大级多连杆伺服压力机.其开发的机械连杆伺服压力机,曲柄多连杆伺服压力机,直动式伺服压力机,液压式精密伺服压力机和液压式伺服压力机等,压力在4025000kN之间.在伺服压力机方面,日本处于世界领先位置.目前,日本几乎所有的压力机厂家都在开发研制伺服压力机,在
3、日本国内已进入了相对普及期,被越来越多地应用在汽车零件,电子零件等高精度,难成形的加工领域中,而且有一部分伺服压力机已销售到中国.我国伺服压力机研制起步较晚,目前济南第二机床厂,齐齐哈尔第二机床厂,西安交通大学,广_一!丝型塑竺丝堕参磊工热加工东工业大学,南京理工大学,以及徐州锻压,扬州锻压,广州锻压,杨力锻压等少数科研院校,企业开始研制.据了解,只有几家进行了产业化,而且因产品可靠性及用户认知等原因,产品销售不是很好.下面结合我公司伺服电动机驱动数控精密压力机(江苏省科技成果转化专项资金项目)研制过程,阐述伺服压力机特点及今后的发展方向.一国外伺服压力机的几种典型结构(1)日本会田公司研制的
4、伺服机械压力机,由伺服电动机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构(见图1).此种结构以原开式单点机械压力机为基础,改变其动力源,省掉原飞轮离合器等相关部件,保留齿轮箱,机身外形及滑块等结构.因伺服电动机经过了一级齿轮变比,能有效降低电动机的额定转矩,降低电动机图1AIDA伺服电动机直接驱动机械压力机功率,从而更方便地采用已经市场化的交流伺服电动机(见图2).又因为此种机构保留很多原开式单点部件,所以很方便在原机床上改制,但因结构及传动方式所限,双点,大吨位机床不适宜采用此机构.(2)日本网野公司研制的机械连杆伺服压力机.图2伺服电动机外形此机采用AC伺服电动机作为驱动源,通过减速器驱动特殊螺杆,
5、对称连杆,带动滑块运动(见图3,图4).图3对称连杆结构图4整机外观(3)日本ENOMOTO公司生产的伺服压力机.结构为单伺服电动机直驱滚珠丝杠,该公司伺服压力机最大压力为15000kN(见图5).图5日本ENOMOTO伺服压力机二,徐锻研制伺服压力机情况作为江苏省重大科技成果转化资金项目,我厂,I竺堡竺目前研制有DP2163,DP3l一80,DP31100及DP20NCT等伺服压力机.其中DP2163是我公司与东南大学共同研制的第一台伺服压力机.采用伺服电动机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构的伺服机械压力机结构,具有自主知识产权的控制系统.DP2163,DP20NCT,DP318O分别见图
6、6,图7,图8.主要参数见表1,表2.伺服压力机曲线与传统压力机曲线对比见图9.图6DP2163DP2ONCT6图8DP3180伺服压力机1.工作台2.滑块部件3.曲柄连杆机构4.机身部件5反馈系统6.伺服电动机驱动系统7.计算机控制系统在研制伺服压力机的过程中,由于国产伺服电动机扭矩小,质量与国外相比有一定差距,且伺服系统软参磊工热加工垫丝里堡!_432圜:苎表1DP20NCT伺服压力机主要参数名称高精度伺服主传动数控转塔冲床型号DP20NCT公称力/kN200公称力行程/mm2正反转模式/mm3/5/10滑块行程连续运转模式/mm30行程次数正反转模式400/30O,250(SPM)连续运
7、转模式200最大行程长度/mm30一次加工范围/mmmm25001250加工精度/mm0.1控制轴数3模具工位16/24主电动机额定转矩/N?In700主电动机额定转速/r?min200数控送料系统型号Fagor8055喉口深度/mm1290表2DP3180伺服压力机主要参数型号DP3180伺服压力机公称力/kN8oo公称力行程/mm5正反转模式/mm60/10o/130滑块行程正常模式/mm160无负荷连续正反转模式108/85/73行程次数(SPM)正常模式65最大封高度/mm320封闭高度调节量/mm80工作台尺寸/mmmm900600滑块尺寸/mmXmm70H0x460主电动机功率(A
8、C伺服),kw25模柄尺寸/mmXfilm50X65立柱间距离/mm920自程拉深时速度可自由设定置式的运动状态,降低冲压时的噪声和冲击通过下死点停顿,可提高成形时的精度图9伺服压力机曲线与传统压力机曲线对比_型箜丝塑垫丝遮磊工热加工件开发满足不了用户工艺要求.购买进口伺服电动机及伺服系统售价是国产的510倍,这就使得开发速度减慢,只能进行小吨位的研制.三伺服压力机的优点(1)提高了压力机的通用性及智能化水平由于具有伺服功能,滑块运动曲线不再仅仅是正弦曲线,而是可以根据工艺要求进行优化设计的任意曲线.例如,可以在控制器中预存适于冲裁,拉深,压印,弯曲等工艺,以及不同材料的特性曲线.使用时,不同
9、工艺,材料调用不同曲线,大幅提高了压力机的加工性能,扩大了加工范围,其加工性能完全可以与液压机相媲美.(2)提高了压力机滑块运动精度由于采用位置全闭环控制,在曲轴,滑块上分别装有测量曲轴位置和滑块位置的传感器,滑块在压力机工作全程中都具有高.的运动控制精度.尤其在下死点附近,即使存在偏载,滑块和导轨也可以保证10nl的精度.(3)提高了压力机生产率由于其保留了曲柄压力机的优点,而生产率远高于液压机,体现了液压机的加工质量与机械压力机的生产效率.不仅如此,伺服电动机驱动曲柄压力机还可以根据工件的不同,调整滑块行程.在一个工作循环中无需完成360.旋转,只需进行一定角度的摆动来完成冲压工作,这就进
10、一步缩短了循环时间,生产率提高了61%.(4)节能常规曲柄压力机中驱动电动机旋转,带动飞轮旋转,靠飞轮转动惯性,通过离合器控制滑块运动.而伺服电动机驱动压力机,完全靠电动机的扭矩工作,无离合器,由电动机驱动单元控制电动机的起停.因省去了飞轮,电动机在冲压时才旋转,又由于没有离合器,使普通曲柄压力机电动机和飞轮空转的耗能得以节省,同时也减少了离合器的能耗.与普通压力机相比,连续行程伺服压力机节能60%,单次行程廿_n一69%,理论分析和试验研究表明,成形设备采用伺服驱动技术可达到25%70%的节能效果.2006年投产的广州丰田汽车公司,其冲压车间采用了全球最先进的伺服压力机生产线,具有年产12万
11、台冲压件的能力.与传统的机械压力机相比,设备占用空间减少近50%,能耗降低36%.川崎制作所使用小松H2W300伺服压力机,通过控制加工速度与运动模式,原来一定要使用加工油,现在基本不需要了,且不用担心破裂问题,节能且质量高.日本小松公司曾进行过3000kN伺服压力机(见图l0)连续工作功耗对比试验结果证明伺服压力机节能32%42%.图10小松K2W300压力机(5)减少噪声,提高模具寿命由于可以设计特殊的工作特性曲线,进而控制冲裁时的冲头速度,便减少了冲裁的振动及噪声,提高了模具使用寿命.机械连杆式伺服压力机可大幅减少振动,降低噪声,最低可降75dB,比传统机械压力机及油压机低1020dB.
12、日本小松公司的研究结果表明,伺服电动机驱动数控压力机的冲裁噪声比常规曲柄压力机降低了40dB.同时,由于没有电动机,飞轮的空转,非工作状态时完全没有噪声.KOSMEK公司声称,采用伺服压力机可以消除冲裁噪声能量99%.(6)维修性好伺服压力机的维修量是机械压力机和油压机的1/3,因为不使用飞轮,制动器,离合器及液压阀等,所以没有损耗品.同时,可以实现生产现场总线和远程在线服务.万一发生故障时,可通过在线服务,及时掌握伺服压力机的状况并迅速对应处理.(7)操作性好采用了CNC数字化控制,不但可以在触摸屏上进行滑块位置,速度,压力的设定和编辑,还可以像工作机械一样,利用手动进行最小送进量0.1mm
13、与0.01mm的切换,进行故障诊断等.(8)满足新材料成形航空,航天,航海,核电及汽车工业的发展,涌现出许多先进的高强度板材及铝合金板材.成形这些板材,需要伺服压力机来完成,特别是高强钢(如表3所示),用伺服压力机来完成,节能,成本低,质量高.数控伺服压力机典型产品有:直线伺服电动机直接驱动压力机,电动数控伺服折弯机,伺服曲柄压力机,伺服螺旋精密压力机,伺服电动螺旋压力机,伺服多连杆压力机等.IR,l竺堡堡表3高强钢成形参数钢等级屈服极限/MPa抗拉强度/MPa总伸长率(%)HSLA350/4503504502337DP300/5003005003034DP350/6003506002430T
14、RIP45O/8004508002632CP700/8007008001O15MSl250/l5201250152046四,伺服压力机常用工艺(1)常规冲裁,电动机不变速如同普通压力机,滑块按正弦规律运动,制做工件精度高.(2)薄板高速冲裁曲柄周期摆动角度180.,行程小于额定行程,提高效率.(3)静音冲裁滑块在空程和回程时快速运动,凸模进入工件后变速运动(减速),减少冲裁的振动及噪声,延长模具寿命.(4)变速高效拉深滑块在空行程时快速运动,拉深开始后减速,可提高单次工序的变形程度,减少工件开裂.(5)压印滑块在下死点做少许停留,然后高速回程,提高压制精度.(6)两级压制相当于一模两击,满足粉末压制等特殊工艺需要.五伺服压力机的应用前景目前,伺服压力机主要用于拉深,冲裁,弯曲,冷锻等生产线及试模,采用计算机控制,利用数字技术(以及反馈控制方法)达到高精度控制.即对滑块位置进行控制(滑块位置重复控制精度为0.01mm),也对滑块速度进行控制.同时,还可对滑块的输出力进行控制,从而使汽车制造中采用高强度钢板,铝合金板材的大型覆盖件的成形成为可能.控制压力机滑块运动轨迹,不但使模具寿命提高数倍,而且改善了压力机的工作环境,
