國內機械式粉末成形壓機發展歷程及展望

沈福保，許云燦

(南京東部精密機械有限公司，江蘇 南京 211100)

粉末成形壓機是專門為壓制粉末制品而設計制造的專用設備，廣泛運用于粉末冶金、硬質合金、磁性材料、精細陶瓷、電碳等粉末制品行業的壓制成形。在以粉末壓機壓制的制品中粉末冶金機械零件為數最多，這部分粉末冶金機械零件中，鐵基粉末冶金機械零件運用最廣。

1 國內機械式粉末成形壓機的發展現狀

我國的粉末冶金專用成型設備—粉末壓機制造事業是伴隨著我國粉末冶金工業的發展而建立的。早期的粉末冶金成型設備基本上都采用液壓機，這些液壓機由下列廠家研發及制造：

1) 江陰市利港電力工程設備廠引進開發生產YA792125型粉末制品液壓機，1995年開發了YA792160，YA792630，YA792400等型號。

2) 北京鍛壓機床廠研制開發機械&液壓混合式BDD012200型粉末成形壓機、機械式BD022200KN型粉末精整壓機。

3) 南通鍛壓機床廠(南通電子專用設備廠)開發和研制NDE79263，NDZ792100，NPH2100，NFH2200，NPH2315型液壓式粉末成形壓機。

4) 廣東華金合金材料實業有限公司與廣東佛山康思達液壓機械公司共同設計的YA622630型粉末冶金制品全自動壓機。

5) 天津鍛壓機床廠消化吸收了曼內斯曼(Mannes&mann)技術，生產出YT70E2250型全自動液壓式粉末成形壓機。

6) 重慶江東機械廠生產YJ79E系列全自動粉末制品液壓機。

自20世紀80年代開始，隨著我國粉末冶金工業的快速發展，國內眾多企業引進了德國、美國、日本、瑞士等發達工業國家的粉末冶金成型設備，同時，國內的粉末冶金專用設備制造通過引進--消化吸收—再創造，在機械式粉末成形壓機的研發方面也得到了快速發展，從而有力地促進了我國粉末冶金行業的再發展。

以下從幾個方面論述國內機械式干粉成型壓機制造業的發展歷程：

1.1 行業規模及市場占有

20世紀90年代，一些在粉末制品行業從事技術、設備工作的人員，通過股份制合資、合作等形式，成立了國內機械式干粉成型壓機專業制造企業。

1) 南通鍛壓機床廠(南通電子專用設備廠)引進和消化吸收國外先進技術，1993年開發和研制TPA6.1，NPA20，NPA50系列機械式粉末成形壓機。

2) 海寧三強精密機械有限公司于1995年制造出了C35160型機械式全自動干粉壓機，其后該公司還和日本玉川機械(株)技術合作制造S系列機械式壓機和T-HS系列高速壓機。

3) 南京東部精密機械有限公司于1997年開始也是通過消化吸收再創造研發成功C35系列機械式全自動干粉壓機。

4) 波匯眾粉末機械制造有限公司于1999年開始研發FY系列機械式干粉壓機。

發展至今全國已有大約40多家機械式干粉壓機專業制造廠家，其中大部分集中在江、浙一帶。年銷售額在5 000萬元以上的有寧波匯眾粉末機械制造有限公司、海寧天通吉成機器技術有限公司、南京東部精密機械有限公司等。

目前，國內機械式粉末成形壓機總的市場規模大約有3～4億元，這其中國產占80%左右，其余為進口。

1.2 產品研發與技術進步

制約粉末冶金工業發展的兩個主要因素是粉末材料和粉末冶金的專用設備。近年來，由于高精度、高強度、復雜形狀零件產量在粉末冶金零件中所占比重增加，并將逐漸占主導地位，對粉末冶金壓力機的壓制精度和性能提出了更高的要求。粉末冶金壓力機應具備更多的功能，完成更復雜的動作。

先前由于國內機械式粉末成形壓機制造水平距國外發達國家有相當大的差距，企業開始時走了引進—消化吸收—再創造之路，經過十幾年的不懈努力，發展至今已建立了比較完整的產品門類及系列。

1) 已有機械式干粉成型壓機、整型壓機、快速壓機、旋轉壓機、數控壓機、HVC高速壓機等產品門類，壓制噸位系列從1t到800t。壓機的機械結構形式有偏心滑塊式(類似于德國DORST型)，曲柄連桿式(類似于日本YOSHIZUKA型)，偏心肘桿式(類似于日本TAMAGAWA型)等。基本上國外生產的壓機國內都 有同類替代機型。

2) 整體已達到國外20世紀90年代及本世紀初制造能力及水平，這其中HVC高速、高密度壓制技術，壓機專用多關節機器人技術，雙向脫模技術，伺服仿形技術，精整壓機的影像定位及測量控制技術，浮動精整技術，壓機專用開放式數控系統及嵌入式PC+運動浮點控制技術等均達到或接近目前國際上機械式粉末成形壓機及整形壓機行業的前沿技術及水平，上述技術目前已成功地運用于粉末制品壓制中。

南京東部精密機械有限公司是目前國內壓機技術開發方面走在前列的廠家，至今已研發出了8大系列30多個品種，包括偏心滑塊型、曲柄連桿型、偏心肘桿型機械式成形壓機，標準型、沖床改造的簡易型機械式整形壓機，幾乎涵蓋了市面上所有種類。在國內率先制造出了壓制噸位達到8000kN的EPM-800C型數控機械式干粉壓機，該機配置可成形上三下五多層臺階產品的模架，有5個數控軸，能實現伺服送料及多軸關節式機器人取坯、稱重、分揀、碼垛等自動生產線壓制。圖 1為PM-800C型數控機械式干粉壓機，該機已投入市場。

圖 1 EPM-800C型數控機械式干粉壓機

該公司與瑞典的合資企業希頓—東部精密機械有限公司研發出了當今世界最先進的HVC高速壓機。它所運用的高速壓制技術是一項低成本、高效率成形高密度(7.4g/cm3～7.8g/cm3)粉末冶金零件的新技術。HVC壓機錘頭速度高達2～30m/s，粉末在0.02s之內通過高能量沖擊進行壓制，壓制時產生強烈的沖擊波。通過附加間隔0.3s的多重沖擊能達到更高的密度。錘頭的質量和它在沖擊瞬間的速度決定了壓制能量的大小和材料致密的程度，其密度甚至達到了最高理論密度7.8g/cm3。圖 2為HVC的基本原理示意圖。

圖 2 HVC基本原理示意圖[1]

在成形大零件(質量高達5kg) 方面具有獨到的優勢，適于大批量工業生產，具有廣闊的應用前景，在不遠的將來其實用性將不斷取得突破，圖 3為HVC高速壓機壓制成形的齒輪。

寧波匯眾粉末機械制造有限公司和海寧天通吉成機器技術有限公司是目前國內銷售額最高的兩家壓機制造廠家。他們通過引進—消化吸收—再創造之路，分別將曲柄連桿式(類似于日本YOSHIZUKA型)，偏心肘桿式(類似于日本TAMAGAWA型)壓機做到了在品質上與進口機不相上下的程度，同時利用地域優勢，為用戶做好售前售后服務，進行個性化改造及優化，形成了大批量生產能力。

他們的產品已完全能夠替代同類進口壓機。

對某些特殊的粉末壓制件的成形，如氣門導管。揚州鍛壓集團有限公司的FSP系列數控高效精密粉末成形壓機能夠做到一模六出成形，并且保持六件很好的一致性。揚州鼎隆機械有限公司制造的氣門導管專用壓機，其獨特的壓制技術、模架結構以及送粉方式使得壓制出的氣門導管的密度差能夠做到0.15～0.2g/cm3范圍內，高出國家標準一倍以上。

在整形壓機方面，南京東部精密機械有限公司研發的EPS系列精整機，運用影像定位及控制系統，配合機械手自動送料，可完成定位要求甚高的零件整形要求。由于其利用影像定位代替傳統的機械定位方式，實現了定位柔性化，極大地降低了成本，同時實現了快捷化。圖 4所示為影像定位及控制系統。該系統由奧地利獨資的蘇州—米巴精密零部件(中國)有限公司用于BMW、AUDI等高檔小型乘用車的粉末冶金制品整形。

圖4 影像定位及控制系統

3) 計算機控制的粉末冶金制品壓力機

我國從20世紀80年代初開始，數控技術在粉末壓機以及鍛壓設備上的應用發展很快。數控系統的控制模式從集中式控制開始，然后發展為分布式控制，相應CNC的控制系統模式有：集中式控制模式、STD總線結構的網絡分布式控制模式、以ISA總線工控機為平臺的分布式控制模式、計算機的虛擬分布式控制模式等。所有這些控制系統與所使用的硬件有關，隨著高性能芯片的發展，性能價格比的提高，為性能更高的控制系統的開發創造了條件。

計算機的虛擬分布式控制模式是當前粉末冶金制品壓機控制系統體系結構的發展方向。虛擬分布式數控系統利用高性能計算機，用軟件的方法實現在分布式數控系統中用硬件實現的功能，縮小了硬件規模，降低了成本，提高了可靠性和可維護性，從而更易開發、升級和擴充。

典型的粉末冶金制品壓機的控制系統選用586工控機，控制面板由8051單片機管理。系統有位置、速度控制和壓力控制兩個閉環控制回路。系統操作方式有調整、手動、單次、自動等四種方式。系統軟件由數據處理系統，監控系統與智能控制系統組成。其中數據處理系統對輸入數據進行錯誤檢查和排除，存貯以往操作數據，統計分析關鍵數據，計算存儲顯示其平均值和方差值。監控系統監測參數有：上缸壓制位置、下缸壓制位置、零件質量或系統壓力偏差值；智能控制系統對液壓系統的電液比例位置控制系統進行智能控制。

專用壓機數控系統，采用開放式結構，由嵌入式PC機輔以高質量運動控制卡，在嵌入式操作系統下編制壓機控制程序、觸摸屏截面等構成，具有功能擴充方便、維護簡單、升級容易等特點。

為提高壓機滑塊運動精度，采用位置全閉環控制，在曲軸、肘桿、滑塊和各浮動沖上分別裝有測量曲軸位置、肘桿、滑塊和各浮動沖位置的傳感器，使滑塊、各浮動沖在整個壓機工作全程都具有高的運動控制精度。此外，在自主研發的專用數控系統上，還可以增加力反饋，以保證壓制產品的質量。

4) 各企業已獲得了200多項國家專利證書，其中發明專利占30%左右，并以每年20%的幅度遞增。

5) 編制了國家、行業及企業標準，其中行業標準《機械式干粉壓力機通用技術條件》獲得了國家標準創新貢獻獎。

6) 通過產、學、研合作方式，不斷提高產品設計水平、工藝水平。

1.3 替代進口并出口返銷

由于技術水平及產品品質的提高，目前普通的機械式干粉壓機國家已基本不進口，需求由國產替代。替代同類型進口壓機產品，為粉末冶金制品行業提供了高性價比(主要性能與國外相當，價格為國外的1/3～1/4)的壓制成型設備，使相關制品的成本降低、品質提高，從而大大提高了市場競爭力。

目前，國產壓機還已出口到了世界上30多個國家和地區，某些企業的出口值達到了總產值的1/3以上。特別是出口到了傳統上壓機制造強國如德國、美國、日本等國。

1.4 職業培訓造就人才

伴隨著國內粉末冶金制品行業的發展，機械式干粉壓機制造企業也發展壯大起來，在龍頭企業的帶動下，多數廠家建立了自己的研發部門和加工基地，并培養、引進了專門人才。同時，為了更好地為用戶廠服務，還培訓了不少粉末冶金行業的工程技術人員和現場操作人員，對于引領、推動企業從使用液壓機發展到機械壓機，進而加快企業技術進步及產品升級換代起到了重要的作用。

2 國內外發展比較分析

國外機械式干粉壓機制造業始于20世紀40年代，最早是由美國的蓋斯巴爾(Gasbarre)將其制造的沖床改造成曲柄連桿式粉末壓機。目前主要廠家有德國的道爾斯特(Dorst)公司，美國的蓋斯巴爾(Gasbarre)、辛辛那提(Cincinnati)

日本的良冢(Yoshizuka)、玉川(Tamagawa)、上瀧(Kohtaki)，瑞士的奧斯特瓦爾德(Osterwalder)、SMS Meer等。

國外的壓機廠家經過產業更新換代目前幾乎不生產傳統意義上的機械式粉末成形壓機，而向產業鏈的高端發展，其產品技術有以下特點：

1) 高精度壓制成型：精度可達微米(μm)級，代表廠家道爾斯特(Dorst)公司；

2) 數控機械液壓混合式成型壓機及整形壓機：通過CNC控制+液壓力+雙肘桿機構，其特點是減少傳動鏈，使運動平穩，傳動精度高，并利用較小的液壓力驅動機械雙肘桿增力機構，同時不降低速度，代表廠家-日本上瀧精機(Kohtaki)；

3) CNC+機械傳動+伺服仿形技術：機械主體傳動，運用計算機控制伺服模架，利用高精度位移傳感器和電液比例控制技術，能壓制高精度，多臺階制品，代表廠家-德國SMS Meer；

4) 大噸位壓制成型：最大壓制噸位達16500kN，不但壓制噸位大，且精度高并且保持性好，代表廠家-美國的辛辛那提(Cincinnati)、日本的良冢(Yoshizuka)；

5) 高速、高密度壓制成型技術：利用高速錘頭沖擊壓制(30m/s),可壓制密度達到7.6 g/cm3以上，代表廠家-瑞典希頓公司。

綜合起來，國外先進壓機在技術上具有的共同特征：

a) 壓制及精整精度高，其壓機及模架本身的幾何精度均很高，模架多數經過冷凍處理，精度保持性好，不易變形。

b) 技術規格及參數合理、先進，工藝適應性廣，基本能夠滿足制品廠家要求。

c) 品質上乘，尺寸及形位公差一致性好，通常其CPK值都能達到1.67。

d) 壓機工作穩定，耐用度高，故障率低，大修理周期均超過20年，這與材料及熱處理水平均有密切關系。

e) 技術先進：CNC閉環控制技術、電液比例伺服控制技術、專用機器人生產線運用技術、數控機械液壓復合一體機技術、多層模架多臺階成型技術等均達到很高水平。該領域國際上處于領先的是歐洲的四家公司，按字母順序為Dorst，Komage，Osterwalder，SMS Meer。這些壓機大多數是以開式預應力四柱拉桿框架為基礎。

2.1 CNC機械-液壓混合式壓機

由于伺服液壓位置控制軸與適當位置編碼器能使壓機的軸向精度達到了機械系統無法企及的程度，同時因為混合式壓機既有機械式壓機的高生產率，又隨著多層板伺服液壓模架的進展該壓機能夠成形幾何形狀復雜的零件。圖 5為SMS Meer混合式與液壓式壓機的比較。圖中右側所示是機械式上沖頭驅動的壓機，而包括模具在內的所有其他功能都是用液壓驅動的。Osterwalder公司制造的混合式壓機上部的主壓頭驅動和下部的驅動裝置，后者用于拉下陰模和若陰模板與壓機框架連接的話，用于下模沖組件脫出壓坯。所有其他模具用模板都是由流行的閉環控制的伺服液壓模架提供的。處于壓制位置時，各個模沖都是支撐在可調的機械擋塊上或者用液壓支撐著。為支撐整個壓機質量，機械擋塊要有足夠高的強度。

圖5 全液壓CNC壓機與混合式壓機的示意圖比較，二者都使用多層板模架 (SMS Meer)

圖6為Osterwalder公司的壓機與模架。

混合式壓機之所以適用于成形幾何形狀復雜的零件，這要歸功于近年來多層板伺服液壓模架的進展，所有液壓功能都為編程提供了高度的自由度。在大多數情況下上壓頭的行程是模具的所有其他動作的參照基準，在壓制時，模具的一切動作都應該和上壓頭同步于成比例。

圖6 新一代壓機的典型壓機框架與相應的模架 (Osterwalder)

鑒于混合式壓機功能優越，這種設計原理在歐洲得到了普遍認同。現在歐洲主要的粉末壓機制造廠商都可提供系列的混合式壓機。經過若干改進后，在噸位較小的粉末壓機市場中，占主導地位是，采用機械主壓頭驅動和利用伺服液壓驅動模沖與裝粉靴的粉末壓機。

圖 7所示為多層板伺服液壓模架在壓制過程中的位置。

圖7 多層板伺服液壓模架在壓制過程中的位置 (Osterwalder)

表 1所示現有壓機的型號與其一些特性概況。所有壓機都附帶有像保護模具的安全墊上模沖壓緊荷載，連續監控力及調節零件高度之類的上模沖功能。

表1 多層板混合式壓機

2.2 液壓式壓機

目前硬質合金刀片壓制已改用全液壓式CNC壓機，這種壓機的軸向精度現已達到迄今無法想象的程度，成型的刀片的全部幾何形狀已不再需要研磨加工。

現代液壓式壓機能夠成形的零件壓坯精度最高，形狀復雜以及沒有裂紋，已為整個市場采納。以前，所有大噸位液壓式壓機的運行速度慢，這在生產率方面，是一個主要缺欠。近年來，壓機制造廠商成功地解決了這個問題，為了使整個系統的彈性柔性最小，將所有閥都密集地緊挨著必須控制的油缸進行安裝。現在，在許多情況下，其高速已可與混合式壓機相競爭，這種高速通過對于上壓頭和模具采用低壓、快速動作油缸與蓄壓器實現的。實際上，粉末壓制成形時的所有行程都是利用蓄壓器完成的。對每個油缸所需液壓動力的先期計算是減小液壓式壓機能耗的另外一種方法，液壓式壓機的能耗現已接近可與之比擬的混合式壓機。這種顯著進展可能是由于采用較快、功率較大的微信息處理機和利用高靈敏度伺服比例閥技術取得的。圖8所示為KOMAGE公司制造的頂出式壓機。

圖8 頂出式壓機的從動模架和頂部與下部有巨大油缸體的主動模架的比較，頂出式壓機中裝的所有柱塞都是操控壓機框架中模架模板的。

表2匯集了CNC液壓式壓機與其能力的一些數據。

表2 液壓式壓機

關于伺服液壓上模沖的行程，已不再需要單獨的上模沖壓緊載荷，這是由于用液壓支撐在壓制位置，每個模沖都能單獨補償所有的彈性撓曲。圖9所示為Dorst公司液壓式壓機及多層模板。

圖9 組合式多模板模架，浮動芯桿由壓機控制 (Dorst)

國內制造的機械式粉末成形壓機、整形壓機雖經過十幾年的較快發展，具備了一定的產業規模及集群效益，產品的設計水平、工藝水平、產品質量已能夠滿足業內對同檔次產品的需求，具有較強的市場競爭力和市場占有率。但我們在技術上與國際先進水平還存在一定的差距，主要反映在：CNC控制水平，精度等級，壓機的穩定性，耐用度，以及受限于國內整體制造業水平所產生的材質、熱處理的落差。另外，裝配水平，細節處理，表面涂裝等在今后相當一段時間里仍舊會存在。

3 國內機械式粉末成形壓機的展望與對策

回顧國內機械式粉末成形壓機、整形壓機的發展歷程，取得了比較顯著的成就，僅僅用十幾年時間跨越了國外半個多世紀取得的進展，產品已大大縮短了與世界同類先進產品的距離，部分還取得了突破和超越。但憑心而論，在產品的先進性、實用性、耐用性等方面還有一定的差距。這要求我們必須正視自己面臨的挑戰，堅持技術創新和技術進步，堅持服務于制品生產制造企業，樹立以市場為導向，以用戶需求為最高宗旨的企業理念，通過不懈努力，盡快趕上或超過國際先進水平。

1) 瞄準當今國際上最前沿的粉末成形壓制技術及理念，研制出適合國情的先進制備，縮短與發達國家的差距并形成趕超能力。如上述四家歐洲公司開發的用于CNC機械液壓混合式以及CNC液壓式壓機及其可控沖頭模架，能根據位置或壓力對多達9個沖頭進行快速的、準確的閉環控制，從而解決由于變形塊回彈導致的壓裂縫等一系列問題。

2) 加強CNC控制和具有動力源的模架研制和開發，能壓制更加復雜的零件，開發新的壓制方法和工藝過程。

3) 進一步深入研制和開發溫壓系統。日本的豐田公司(Toyota)采用2000MPa的超高壓+模壁潤滑技術，壓制出密度達到7.84g/cm3的鐵基粉末冶金機械零件。德國的Fraunhofer應用材料研究所開發出了以溫壓技術為基礎并結合金屬注射成形工藝的優點發展，關鍵技術是提高混合粉末的流動性，可成形形狀非常復雜如垂直于壓制方向的凹槽、孔以及螺紋孔等。美國的EL2TEMP、MICRO2MET溫壓系統及其技術運用。

4) 鼓勵達到一定規模的企業，加快技術進步和產品的升級換代，重心向產業鏈的上游轉移，研發高端、高附加值產品，帶動行業技術進步。特別現在許多粉末冶金制品企業紛紛建立粉末冶金汽車機械零件生產線，由于其要求比較高，指定要進口壓機。這一塊的市場很大，必須爭取。

5) 加強行業自律行為，克服因無序競爭、惡意競爭、自殺性競爭帶來的偷工減料，以次充好，品質下降行為。惡性競爭也使得企業無法獲得合理的利潤，在開發上有心無力，減少了企業發展的后勁。

6) 在研發上加大投入，擁有自己的核心技術和知識產權，同時，建立自我知識產權保護機制，防止侵權行為。

7) 制定完整的國家及行業標準，指導、規范行業行為。(目前只有一項行業標準，健全后約有40多項)建立機械式粉末成形壓機、整形壓機標準化分委員會，提高行業影響力和話語權。

8) 利用本企業的人力成本優勢，為用戶定制特定產品，如高裝粉、大行程壓機，各種機器人技術、機械手、排坯機、碼垛機等，提高市場占有率。

9) 利用本企業的地域優勢，加強售后服務的及時性，經濟性，通過減少用戶的維修成本，(特別是“三包”期后的維修)打動用戶，贏得市場。

10) 利用多種方式宣傳粉末冶金成型壓制設備行業及產品，克服因產業相對封閉與社會產生的距離感。爭取國家及各級政府部門的關注和重視，爭取在產業政策、稅收減免，項目扶持，融資減息等方面予以相應地扶持。

11) 依托粉末冶金專業院所，開展產、學、研合作，提升產品檔次，加快技術進步。同時注意人才的培養及梯隊建設。

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