先進制造工藝的發展趨勢與伺服沖床

文/許進鴻·協易機械工業股份有限公司

先進制造工藝的發展趨勢與伺服沖床

文/許進鴻·協易機械工業股份有限公司

從未來沖壓產業的發展趨勢、汽車沖壓行業的技術難點、技術動向、沖壓成形業者面臨的難題與對裝備提出的技術要求，來看待伺服壓機的發展、理解伺服壓機的技術優勢、技術特色與應用案例。

板材加工行業所面臨的挑戰

金屬成形是一種與生活息息相關的科技。隨著科技的日新月異，生活水平的不斷提升，人類的生活需求驅動金屬加工的技術層次越來越走向高難度的境界。一般來講，板材加工有以下幾種工藝：分離、裁切、切邊、翻孔、沖壓、沖孔、起伏成形、拉延、分離切斷等。進行這些加工工藝的沖壓設備，已經研究發展超過150年之久了。從單機生產依賴人力的操作方式，到全線自動化的高速生產模式，裝備的供應者為了行業的需要，在持續不斷地為產業界提供價值，無論消費性電子用品（如計算機、手機、手表等），家用電氣用品（如電視、冰箱、洗衣機、烤箱等），還是汽車、機車等交通工具的成車制造/售后零件等。

然而，明確板材加工未來的角色到底是什么，首先必須要了解的是，成形業者所面臨的挑戰。見表1，各類成形加工的從業者，未來會有一些不盡相同以及共同的挑戰。

■ 表1 不同的成形工藝面臨的不同挑戰

板材加工的行業現狀與調整方向

中國的板材加工行業，伴隨著改革開放的三十年，制造業的興起吸引了世界的眼球。在這個過程中，引進、吸收、消化國外先進的科學技術，同時也在進行著企業自身先進技術的積累和人員的培訓。堅持自主創新，開發新型技術和設計新的實用產品，進行智力和創新型輸出的轉變，實現由制造業大國向制造業強國的轉變，也在不斷堅持。然而，板材成形行業在世界同行中所處的地位，過去的三十年都屬于在制造產品，甚至是別人的代工廠，在產品質量、定價上沒有任何話語權，那么付出就不可能獲得合理的回報。不僅如此，國內同類企業繁多，低端競爭激烈，企業間相互壓價，使企業陷入微利狀態。特別是加工企業，絕大多數都是規模小的專業化制造企業，設備投資較大，技術含量相對較高，市場針對性強，生產不易轉型，市場風險較高。

針對目前行業的這種狀況，企業可從以下幾個方面加以改進和提高：⑴改進現有工藝設備，滿足產品質量和供貨要求；⑵盡可能采用先進的制造工藝和設備，提高精密化、專業化、自動化制造水平，滿足柔性生產要求；⑶不斷完善、提高企業的生產和銷售管理水平，不斷降低自己的管理成本，真正做到向管理要質量、要效益，提高企業的綜合競爭力；⑷重視人才隊伍的建設，引進企業所需要的高素質人才，重視現有職工隊伍的再教育和培訓，保持其技術和管理水平與時代同步；⑸加強國際交流與合作，了解國內外行業水平，搜集重要行業情報，開闊決策領導層的視野，提高決策的前瞻性和正確性；⑹培養堅實的誠信觀念，承諾保證兌現，在市場上樹立企業的良好信譽，爭做百年企業；⑺樹立全局觀念，建立合理的上下游供求關系；⑻引進、培養國際化人才，了解其他國家的風土人情、法律法規、語言文化，保證企業與國外企業無阻礙的溝通，提高合作成功率。

板材加工行業的技術動向

在中國鍛壓制造行業未來的發展上，為了提升工業附加值，提高投入產出比，需要改進現有工藝設備，滿足產品質量和供貨要求。采用先進的制造工藝和設備，提高精密化、專業化、自動化制造水平、滿足柔性生產要求是最重要的一項工作。為了長遠的發展，優先且持續地關注和聚焦在綠色與智能兩方面，也是不可或缺的一環。其中，“綠色”意味著節省能源，減少碳排放，節省材料，減少粉塵和廢棄物，降低噪聲等。“智能”意味著更高的生產效率和產品精度、更穩定的重復精度、更加柔性化的生產方式、較低的勞動強度、更快的市場響應速度、更加全面的企業信息化系統等。

汽車產業是工業中的先行者，不論是在技術或是趨勢上，都可以這么說。因此，沖壓產業未來的趨勢，可以在先進汽車的制造上看到一些端倪。以國外大廠的最新消息為例，日本MAZDA公司已經宣布要采用1800MPa的超高強度鋼板，并且將整車的高強度鋼使用率提高到60%。在國內，一汽對沖壓材料發展的見解，也在一汽奔騰轎車車身材料高強度鋼板的應用上，提高到近50%，其中的B柱、防撞桿等超高強度鋼，也會采用等級1500MPa的材料。所以，隨著整車輕量化和安全法規碰撞安全性要求的日益提高，沖壓材料向著高強度的方向發展是必然的。高強度鋼板在汽車上的應用，發展相當快速。目前在歐洲輕量化概念車的用材中，高強度鋼板約占用80%左右，強度在270～780MPa應用的最多。因此，對于沖壓產業和裝備供應者來說，要看清楚未來的趨勢，就要特別重視材料的發展趨勢。

然而，如何確認鋼鐵依然會是最佳的制造汽車的優勢材料呢?雖然鋼鐵不是當今世界上最強壯的材料，但是其優勢來講，鋼鐵還是最好的汽車用材料。其優勢包括以下幾方面：

⑴設計可多樣化。

⑵成本的效率特性。

⑶制造過程中的低排放特性。

⑷可回收再利用的特性。

⑸產業規模最好，不斷投入并提升強度等級的研究。

近年來，汽車產業界最重要的一個課題就是致力于減少環境的負擔，還有就是持續提高安全性。最主要的對策之一就是輕量化，案例就是車輛骨骼部品的高張力材料化，這都使得高張力鋼板采用比例急速的增加。未來的技術艱難之處，仍是汽車制造的車體骨骼沖壓件。目前，高強度鋼材的使用使得成形噸數增加，模具壽命降低。輕量化的進一步實現，會要求使用更薄的鋼板，而這將使得車身的剛性強度下降。因此，沖壓件產品形狀就會更復雜以增加產品強度，這才能使材料抵抗變形的能力增加。沖壓設備的工程數目也要增加，使得制造廠需要購買更大噸數的沖床或壓機。同時模具也更容易損壞，需要維修保養和購新。

另一個課題是高強度鋼板的回彈現象，這是主導未來的技術動向主要方面。回彈現象的解決措施，包含幾個方向：

⑴成形速度與材料變形抵抗能力的對應關系。

⑵成形速度與材料的伸長能力的對應關系。

⑶使用伺服沖床的低速加工特性。

⑷使用伺服沖床的多次下死點通過特性。

⑸使用伺服沖床的加工振動抑制特性。

⑹使用伺服模墊的可變壓邊/壓皺能力特性等。

由此可知，現代化沖壓科技是需要一個可以編程的滑塊（沖頭），并需要能在任意位置停止、爬升、下降、加速或減速，才能成就最佳的成形工藝與生產目的。因此，傳統機械式沖床的基本原理需要做出改變，才能進化、蛻變成為可實現競爭優勢的現代化沖壓科技。

適用于未來板材加工行業的裝備

解讀行業需求

裝備供應商如何建立客戶的競爭優勢，總的來說包括以下幾方面：沖件品質、穩定性、精度高、模具壽命較長、產量較高、加工能力更高、工作環境更改善和總體生產成本降低。因此，板材加工未來的裝備的真正方向，是所有裝備供應者要捫心自問的首要問題。現有的板材加工裝備，因為設計的特性不同（如機械式、液壓式、多連桿式、螺桿式等），具有的優勢也不同。那么發展未來的裝備，首先要先認清沖壓產業未來的定位何在，未來的沖壓產業真正意義是帶動生活優質化的科技，如此才可以找到真正未來的沖壓裝備。

伺服沖床的技術特色

臺灣協易在2011年3月臺北機床展首次推出直驅式伺服沖床，圖1為其直驅式電機，具有世界領先的特性，新穎設計，完全針對未來沖壓產業開發。具備以下技術特色：

圖1 協易伺服沖床的直驅式電機

⑴極具造型的外觀，與普通機型進行差異化處理，并執行最先進的沖壓工程。使用最經濟、充足材料優化結構，達到高剛性又輕量化的特點。以3D CAE應力分析為基礎，建造低應力集中、高度可靠性，并加強耐用性的專用機身型式。

⑵真正的伺服沖床必須從頭開始進行設計，將傳統沖床安裝伺服馬達的拼裝方式，不是真正的伺服沖床。使用最先進的直驅式伺服控制技術，配備低轉速高扭矩的專用伺服馬達和控制系統，專為沖壓成形所開發，真正實現集合所有沖壓工作于一身的伺服成形機。

⑶操控簡捷/便利/輕便，符合人體工程，柔合友善的操作接口，清晰的觸控面板指令操控，連接人機及成形的制程。200組以上的模具信息可記憶，加速了換模和生產效能，監控生產、品質以及偵測異常。

⑷在極低的成形速度之下，能量還能充裕的提供出來，使得復合化成形機的特色100%實現。利用滿載負荷的氮氣彈簧進行測試，完全沒有回彈的現象，沖頭（滑塊）的運動沒有限制，各種成形需求均不遺漏。

⑸傳動和潤滑。驅動小齒輪與馬達驅動軸設計成一體，動力傳輸更有效率，將傳動距離最小化，有利于機構的平衡平穩，以獲得最佳精度。

⑹更高的精度標準設計，與傳統的沖床設計相比，最大的總合間隙值可以改善30%。

⑺導入了電子式過負載保護裝置（EOLP），在整段行程中保護沖床、模具及沖壓件等，并且使得下死點(BDC)的動態精度更好。

⑻獨家設計的電力平穩化裝置，可避免沖壓瞬間的高功率，節省能源和電力成本。

⑼伺服沖床將沖壓噪音最小化，減輕工作人員的環境壓力。以一般下料為例，噪音降低可超過15dB以上。

伺服沖床的應用經驗

協易精機具備伺服沖床豐富的加工經驗，有以下幾方面：

⑴級進模(圖2)。成功整合沖裁下料、彎曲、壓印、切邊在伺服沖床中的應用，改善平整度、精度及壓印效果。

圖2 直驅式伺服沖床在級進模上的應用

⑵壓印并沖擊（圖3），多次沖壓可使成形更加完美，很好的解決回彈問題。圖3左側是協易直驅式伺服沖床的成形產品，具有形狀完美、產能高的優點；右側是使用一般連桿低速沖床成形先進高強鋼先壓印后再沖壓成形產品。

圖3 不同設備成形小型載貨車的貨架鋼梁

⑶低速拉深＋持壓的滑塊運動模式釋放出高工作能量(圖4)，可進行深拉深的作業，并維持高質量的部件產出，如圖4所示，該沖壓件材質為SPCC，拉深深度為103mm，厚度大為1.2mm。使用SEYI 200t伺服沖床進行單工程深拉深，成形性比在一臺600t油壓機上精度更佳，產量更高，成本更低。

圖4 深拉深部件

⑷級進模配上往復式（鐘擺式）滑塊運動，可兼具產能倍增和節約能源的雙重效果。以往復式行程85mm，成形總負載30t的沖壓生產為例，實際測得能量消耗節約50%，每分鐘產能是原來的兩倍。

圖5 協易的直驅式伺服沖床單軸、雙軸系列

臺灣協易伺服沖壓秉持著綠色與智能的前提，以為客戶提高沖壓機附加值為最高追求。其單軸SD1和雙軸SD2系列（圖5），由內而外，從硬件到軟件，從機械設計到控制技術，從科技的含量到美學的展現，都做到行業領先。為板材成形行業提供最專業的沖壓成形能力，幫助制造商重新思考可能的成形方式。

許進鴻，成形技術處協理。專業方向：沖床研發技術、金屬成形技術與模具、自動化外圍規劃。