伺服主驅(qū)動(dòng)是金屬成形機(jī)床的必選

中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)監(jiān)事長(zhǎng)/齊俊河

金屬成形是指利用有源動(dòng)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(guò)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(gè)金屬成形行業(yè)從業(yè)大軍1000多萬(wàn)人，每年創(chuàng)造工業(yè)增加值達(dá)2萬(wàn)億元，采購(gòu)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(jī)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(dāng)今這個(gè)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(dòng)化、信息化和智能化建設(shè)已是當(dāng)務(wù)之急，而采用智能化機(jī)床，又是使用自動(dòng)化生產(chǎn)，建設(shè)信息化工廠，實(shí)現(xiàn)智能化制造的先決條件，反之，沒(méi)有智能化機(jī)床，就很難或者說(shuō)不可能實(shí)現(xiàn)企業(yè)的自動(dòng)化、信息化和智能化。所以，金屬成形企業(yè)采用智能化機(jī)床或進(jìn)行機(jī)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(jī)床中，主驅(qū)動(dòng)的智能化十分重要；而解決金屬成形機(jī)床主驅(qū)動(dòng)智能化的核心就是采用伺服主驅(qū)動(dòng)。

下面基于金屬成形機(jī)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(jī)床的主驅(qū)動(dòng)方式伺服化問(wèn)題做一下分析展望，以便各金屬成形機(jī)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(gòu)機(jī)床，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

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

鍛造生產(chǎn)的四種成形機(jī)床中，鍛錘已經(jīng)從蒸汽驅(qū)動(dòng)、空氣驅(qū)動(dòng)發(fā)展到當(dāng)下最常用的電液驅(qū)動(dòng)，有的機(jī)床企業(yè)，未雨綢繆，已經(jīng)研發(fā)出機(jī)械伺服驅(qū)動(dòng)的鍛錘（圖1），完全顛覆了傳統(tǒng)鍛錘采用流體介質(zhì)傳動(dòng)的理念，是鍛錘驅(qū)動(dòng)方式的革命性變化。螺旋壓力機(jī)從飛輪摩擦驅(qū)動(dòng)發(fā)展到當(dāng)前最常用的變頻（或永磁）電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，目前也有企業(yè)已開發(fā)了機(jī)械伺服電動(dòng)直驅(qū)方式（圖2），效率更高、性能更好。機(jī)械壓力機(jī)，俗稱模鍛壓力機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)也從普通異步交流電機(jī)升級(jí)為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式（圖3），省掉了減速和制動(dòng)結(jié)構(gòu)，使壓力機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，甚至是造價(jià)更加便宜。只是受伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的制約，目前還很難制造重型鍛造機(jī)床。鍛造液壓機(jī)由水壓機(jī)發(fā)展到當(dāng)下最常用的油壓機(jī)，油壓機(jī)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(jī)的能效和沖次，在液壓機(jī)與機(jī)械壓力機(jī)的性能對(duì)比中，提高了綜合競(jìng)爭(zhēng)力。另外，鍛造制坯機(jī)床輥鍛機(jī)和楔橫軋機(jī)，也采用了機(jī)械伺服直驅(qū)方式（圖5和圖6），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)的設(shè)備。

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

鈑金加工的兩大類機(jī)床中，數(shù)控沖床由雛形的步?jīng)_機(jī)，跨越式發(fā)展到機(jī)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(jī)械伺服數(shù)控沖床（圖16），不僅更加節(jié)能、降低振動(dòng)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(shí)現(xiàn)更多的板材成形，同時(shí)提高沖模的使用壽命，加強(qiáng)了自身與激光切割相比的工藝優(yōu)勢(shì)。在各種金屬成形機(jī)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(lái)的數(shù)控沖床會(huì)是什么樣子？值得期待。鈑金加工的另外一款關(guān)鍵機(jī)床，數(shù)控折彎?rùn)C(jī)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?rùn)C(jī)到今天普遍采用的數(shù)控伺服混動(dòng)折彎?rùn)C(jī)（圖17），機(jī)床不僅環(huán)保節(jié)能，而且機(jī)床工藝性好，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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?rùn)C(jī)中，采用數(shù)控機(jī)械伺服驅(qū)動(dòng)（圖18）成為一種趨勢(shì)，它相比前幾代折彎?rùn)C(jī)，除了具有伺服混動(dòng)折彎?rùn)C(jī)的各種優(yōu)點(diǎn)外，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、便于保養(yǎng)維護(hù)，制造成本更低。

金屬管材和線材的兩大類成形機(jī)，管材折彎?rùn)C(jī)和線材彎曲機(jī)也由早期的普通液壓主驅(qū)動(dòng)和液壓伺服進(jìn)給，發(fā)展到純機(jī)械伺服主驅(qū)動(dòng)和機(jī)械伺服進(jìn)給全電動(dòng)化方式（圖19和圖20），使機(jī)床結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，更加容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，便于維護(hù)保養(yǎng)，操作安全可靠，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能、綠色生產(chǎn)。

總之，金屬成形機(jī)床主驅(qū)動(dòng)的伺服化，使設(shè)備性能更優(yōu)，工藝性更好；更適合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)械伺服直接驅(qū)動(dòng)是目前最先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)方式。受伺服控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)制造技術(shù)和成本的制約，大型金屬成形機(jī)床采用機(jī)械伺服直驅(qū)方式仍十分困難，在電機(jī)與滑塊之間，仍需一套機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但都是采用機(jī)械式剛性連接，能量傳遞效率高，運(yùn)動(dòng)控制精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于制造和維護(hù)。

就拿金屬成形機(jī)床中的機(jī)械伺服壓力機(jī)來(lái)講，20年前，日本和德國(guó)主要鍛壓機(jī)床公司已開始研發(fā)機(jī)械伺服主驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)，10年前，日本和德國(guó)汽車行業(yè)開始使用機(jī)械伺服壓力機(jī)。迄今為止，日本和德國(guó)主要汽車公司，大型汽車車身沖壓件生產(chǎn)，基本采用機(jī)械伺服壓力機(jī)線或多工位壓力機(jī)，一級(jí)供應(yīng)商也開始使用機(jī)械伺服壓力機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)。我國(guó)機(jī)械伺服壓力機(jī)的研發(fā)始于15年前，但是迄今為止，還沒(méi)有得到很好地應(yīng)用，原因是國(guó)產(chǎn)機(jī)械伺服壓力機(jī)所用的伺服控制系統(tǒng)和伺服電機(jī)主要靠進(jìn)口，使得國(guó)產(chǎn)機(jī)械伺服壓力機(jī)價(jià)格昂貴，各沖壓企業(yè)很難承受。從而也制約了我國(guó)機(jī)械伺服壓力機(jī)的推廣和應(yīng)用，影響到我國(guó)沖壓企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

希望各金屬成形機(jī)床企業(yè)能與協(xié)會(huì)一道，積極爭(zhēng)取國(guó)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(dòng)系統(tǒng)和低轉(zhuǎn)速大扭矩伺服電機(jī)的力度，制造出中國(guó)金屬成形企業(yè)用得起的機(jī)械伺服成形機(jī)床。同時(shí)，也呼吁各鍛造、沖壓和鈑金制作企業(yè)，積極采用國(guó)產(chǎn)機(jī)械伺服成形機(jī)床，不僅可以為自己打開一個(gè)更加廣闊的市場(chǎng)，而且還能夠承擔(dān)更大的社會(huì)責(zé)任，為企業(yè)、為行業(yè)，為國(guó)家、為社會(huì)打造一個(gè)更加美好的生存空間。