淺談伺服壓力機的技術與應用

文/王芳祺·金豐機器工業股份有限公司業務部

淺談伺服壓力機的技術與應用

文/王芳祺·金豐機器工業股份有限公司業務部

伺服壓力機的開發背景

在傳統金屬成形壓力機的應用上，沖壓件制造商所使用的壓力機，其機械式傳動系統讓模具必須遷就于設備。那么，不同模具如下料、拉深、壓印、精密下料、多工位自動化等，客戶就需購入不同的設備壓力機來滿足模具的需求。這一切都會影響沖壓車間的規劃與設備成本，影響客戶對壓力機設備投資。

當前，沖壓件制造商也面臨了更多的競爭，包括市場競爭更加激烈，高強度鋼需要新工藝，工件頻繁更換，下游客戶對質量要求更高，品質要求也更高，總產量增加，單批數量減少等。以上這些需求，是機械式傳動壓力機無法克服的。壓力機使用者面臨的種種挑戰，就要求制造商開發更符合市場需求的壓力機，因此伺服壓力機應運而生。

伺服壓力機的涵義

伺服壓力機與曲柄式壓力機有一定的差異，伺服壓力機行程與旋轉方向可變，再加上伺服壓力機速度可變，可根據沖壓零件下料及拉深產生不同進行組合以提升效率，如伺服壓力行程200mm，加工速度是40次/min。如果零件的模具設計僅需100mm即可沖壓成形，此時操作者可設定沖壓行程為100mm，沖壓速度可提高至80次/min，使產能大為提升。

一般泛用性曲柄式與伺服壓力機傳動機構差異，主要體現在以下幾方面：

⑴一般泛用性曲柄式傳動機構壓力機動力來源是，AC馬達→皮帶輪→皮帶→飛輪→傳動軸→主齒輪→曲軸→滑塊。

⑵伺服壓力機傳動機構壓力機動力來源是，伺服馬達→傳動軸→主齒輪→曲軸→滑塊。伺服壓力機的馬達取代了一般泛用性曲柄式傳動機構的AC馬達、皮帶輪、皮帶、離合煞車裝置、飛輪等，簡化了傳動系統。

⑶伺服馬達（伺服電動機）在切削工具機等自動化機械上，大量而且廣泛性被采用。但伺服壓力機所需的伺服馬達，有別于切削工具機，需要低轉速高扭力的馬達，見圖1。金豐公司在2012工具展所推出iLS1-2000kN伺服壓力機，使用的伺服馬達功率為55kW，一般2000kN壓力機其使用AC馬達功率為15kW。

圖1 傳動機構對比

伺服壓力機的優點

伺服壓力機的優點從生產、加工、環境對應性的三方面變革來說明，具體內容見圖2。伺服壓力機具備多用途的一機多用，為模具設計者提供最好的壓力機，對壓力機操作者來講使用便捷，并且降低環境噪音。臺灣工具機展對伺服壓力機詢價最多客戶是少量多樣的代工者，這些沖壓制造商正期待伺服壓力機可以具備多樣化的沖壓曲線。其中，伺服壓力機操作模塊，可以選定九大運動曲線模塊來適用客戶目前壓力機各項沖壓條件，滿足模具設計者需求，如200組模具，操作者可根據模具特性輸入20組智能曲線模塊，將設定數據儲存于操作面板，發揮沖壓最大效益，延長模具壽命提升產品精度，這是伺服壓力機優點，如圖3所示。

圖2 伺服壓力機的優點

圖3 操作模塊選定

伺服壓力機的應用

鎂鋰合金模內加熱沖壓

使用伺服壓力機進行難加工材料鎂合金、鎂鋰合金等輕合金成形，輕合金模內加熱沖壓過程見圖4，當上模具接觸工件后滑塊即停止，使上模具維持與工件接觸但不進入沖壓狀態，同時對模具與工件加熱至220℃保持約3s，達到最適合的加工溫度后，再驅動壓力機進行沖壓。傳統壓力機因其單一行程速度無法變動，所以滑塊無法停止。不僅如此，上模具要保持與工件接觸并控制在未沖壓的高度，需要精準的滑塊位置控制，這都是傳統壓力機無法達到的。

多工位沖壓(三次元移送沖壓)

在多工位沖壓（三次元移送沖壓）的加工過程中，使用11000kN連桿式壓力機進行沖壓生產，每完成一件產品用時5s，加工速度是12次/min。而同樣模具和同樣噸位伺服壓力機情況下，每完成一件產品用時3.16s，加工速度是19s，生產效率提高了58%。在生產過程中，應用伺服壓力機特性改變沖壓行程和滑塊速度改變使產品產能大為提升。

汽車高強鋼熱沖壓

汽車工業對輕量化及安全性的要求，使得高強度鋼的應用日益增加。但高強度鋼板成形性不好且容易破裂，尺寸精度不易控制，沖壓成形后容易回彈。一般冷沖壓方式能夠生產的汽車高強度組件，一般限制在強度1200MPa以下。以熱成形技術，可制造出強度超過1470MPa的汽車沖壓件。

圖4 鎂鋰合金模內加熱沖壓曲線

在使用伺服壓機進行沖壓加工時，高強鋼需要預先加熱，模具于下死點進行板材成形后模內須以冷卻水加速冷卻，此時壓力機須設定下死點不動，讓鋼板有足夠的時間冷卻，防止鋼板回彈，而下死點停留不動是伺服壓力機的獨有性能。

伺服壓力機在實際應用過程中，模具內加熱或模具內冷卻工藝，應根據伺服壓力機曲線模塊設定。如伺服壓力機曲線模塊設定可變行程、速度可大幅提升沖壓的效率，伺服壓力機九大模塊曲線設定（標準模式、壓印模式、拉深模式、模內加熱“冷卻”模式、送料機模式、精密下料模式、脈沖模式、鍛打模式、鐘擺模式）等，讓伺服壓力機具有優于一般泛用機械式壓力機的性能，一機多用讓伺服壓力機附加價值大為提升。

■ 表1機械壓力機與伺服壓力機的投資成本分析

伺服壓力機效益分析

從1995年低轉速大扭力伺服電機開發以來，伺服壓力機發展迅速，到了2008年末公稱能力2000kN、200次 /min，30000kN、30次 /min的伺服壓力機就制造出來了，尤其以歐、美、日居多。近年來被廣泛應用于不同產品零件沖壓，汽車沖壓件應用最為廣泛，伺服壓力機期初購入成本雖較高，但其發揮效益高于機械式壓力機。對伺服壓力機成本效益分析，見表1。壓力機在正常稼動率的情況下，對機械壓力機與伺服壓力機進行投資成本分析，平均約三年可收回購入成本，而3年后伺服壓力機將以高效率低成本進行沖壓生產。

結束語

伺服壓力機近十年來于歐、美、日地區已經廣泛應用，臺灣金豐公司雖然自2002年即投入伺服壓力機設備的研發，最大制造能力是雙軸10000kN以下。目前已持續出口到了日本、美國與墨西哥等國家，但臺灣地區對于伺服壓力機的實際應用仍欠缺，需要大力推廣與宣傳。伺服壓力機本身具有精密復合、智能成形、高效率與節能環保等特性，應用將越來越廣泛。在產業發展強調智能控制與綠色環保的大趨勢下，伺服壓力機正符合十二五計劃中對高端先進沖壓設備的要求。