大型機械伺服壓力機在熱成形工藝中的應用

馮 翔，馮 濤，時 欣，吳書森，嚴 惠

（揚州精善達伺服成形裝備有限公司，江蘇 揚州 225000）

無論是燃油汽車還是電動汽車，輕量化的車身都是汽車制造企業的研制重點，目的是為了降低油耗或者增加電池的續航里程。汽車的輕量化使得重量輕、強度高的沖壓件需求日益增加。近些年，高強度鋼板熱成形技術已成為汽車車身輕量化的主要途徑之一。世界各國的相關企業和研究院所均在高強度鋼板成形加工的研究中投入了大量的精力。

高強板熱沖壓成形是金屬成形工藝中的一種方式，其生產線相較于冷沖壓生產線最明顯的區別就是，在此生產線上把含硼鋼等板料先加熱再沖壓成形，在模具內實現保壓淬火冷卻，從而獲得更高的強度、抗變形性與硬度,成形零部件的抗拉強度高達1600～2000MPa，其相關裝備和核心技術的研究也將成為沖壓界新的研究熱點[1，2]。全自動化的熱成形生產線包括拆垛裝置、加熱爐、快速運轉機構、沖壓主機和其他周邊設備。作為生產線的主機，熱成形壓力機的重要程度不言而喻。

1 熱成形壓力機的要求與分類

熱成形工藝要求加熱后的工件被送入壓力機后，滑塊需快速下降，在鋼板仍具有很高的延展性時進行快速沖壓、合模、保壓，通過水冷卻模具進行快速的循環冷卻，使得鋼板經淬火后得到的均勻的馬氏體組織，進而得到強度很高的熱沖壓承力件。這就要求熱成形壓力機滑塊具有快速沖壓合模、成形后具有長時間穩定的保壓功能，也就是需同時具備機械壓力機的快速運轉能力和液壓機的保壓能力。

隨著熱成形工藝的應用范圍越來越廣，熱成形工件尺寸將越來越大，為提高生產效率，大部分廠家采用一模多件的生產模式，圖1所示為一模四件生產的模具。一模多件的生產模式對壓力機提出大臺面、大成形力以及壓力均勻性的要求。同時，不同的材料、不同的鍍層其成形工藝都不盡相同，對成形設備的要求也隨之變化，高精度、高生產效率、擴大成形工藝范圍成為熱成形壓力機未來的主要發展方向。

圖1 一模四件生產的模具

總的來說，用于熱沖壓成形工藝的沖壓設備還應具備以下條件：

（1）滑塊的行程必須要大。熱成形零件的成形高度一般較高，加上機械手取料需要的空間，故滑塊的行程一般在800mm～1000mm之間。

（2）滑塊空行程時間短。滑塊上模從上死點開始下行直到接觸鋼板這段行程不做功，屬于空行程。為了保證加熱好的鋼板從放入模具后到成形開始前的溫度損失小，在這段滑塊空行程內消耗時間必須要很小，故需要滑塊具有很高的運行速度，最高速度應能達到1000mm/s。快速回程的能力同樣重要，也是提高生產效率的重要保證。

（3）成形階段降速緩行。合適的變形速度對金屬材料的塑形的影響比較復雜，熱變形時，變形速度的提高，會引起抗力明顯增大[1]。

（4）具有下死點保壓一段時間的功能，同時能提供模具冷卻水的接口和下模頂出的液壓系統。

（5）具有關鍵部位的監控。冷卻水的壓力、流量和溫度，板料成形前后的溫度等。

大型熱成形壓力機多以8000kN、12000kN和16000kN三種公稱壓力為最常用，滑塊行程在1000mm～1200mm之間，常用的整機結構按動力源不同分為的是快速液壓機和機械式伺服壓力機。

以快速液壓機作為熱成形主機的廠家有德國SCHULER、瑞典AP&T和我國的合鍛等，為了保證壓力均勻性和提高抗偏載能力，快速液壓機的驅動部分采用一個主缸加四個輔助缸的五缸結構。天津鍛壓的則采用液壓缸+肘桿復合驅動結構，以高精度小通徑低阻尼復合液壓油缸為動力源帶動副滑塊驅動四個對稱的肘桿機構，再通過肘桿機構驅動主滑塊上下運動。值得注意的是，熱沖壓加工時板料的溫度為900℃左右，為了安全生產，應使用抗燃液壓油來替代傳統的液壓油。圖2所示為AP&T公司生產的用于熱成形工藝的液壓機。

圖2 AP&T熱成形伺服液壓機[4]

目前，以機械伺服壓力機為熱成形生產線主機的廠家有西班牙的FAGOR和臺灣的SEYI公司，國內來說，徐州鍛壓和揚州精善達也以機械伺服壓力機作為熱成形生產線的主機。前兩者以偏心齒輪驅動連桿（即四連桿機構）作為傳動結構，后兩者以絲杠螺母驅動多連桿機構作為傳動結構。圖3所示為SL4-12000型機械伺服熱成形壓力機的絲杠螺母驅動多連桿的傳動機構三維模型。

圖3 絲杠螺母驅動多連桿機構模型

2 大型機械伺服熱成形壓力機的應用

按照市場占比來說，目前國內外熱成形生產線主機多為液壓機，其優勢是實現成本較低，但是整線生產效率和可靠性都難以提升。而且液壓機的一些特點限制了其在熱成形工藝中的應用，比如滑塊運行速度低、液壓系統的噪聲、較高的能耗等。而由于伺服電機的特性，機械伺服壓力機可提供最合適的成形速度和加工曲線，可在下死點保壓，能耗是相同輸出壓力的油壓機的30%[6]。

由于機械伺服壓力機沒有飛輪等儲能機構，所以同樣噸位的機械壓力機，傳動桿系不變的情況下，伺服壓力機的電機功率比普通壓力機的電機功率要大得多。現階段，大功率的伺服電機及大功率的伺服驅動器的采購成本仍舊居高不下，這是限制小型伺服壓力機發展的重要因素，而大型機械伺服壓力機驅動部分的成本占比則相對較小，故大型機械伺服壓力機的推廣和應用已經初見成效。

機械伺服壓力機在熱沖壓成形中的應用，對提高熱沖壓成形性能具有重要意義[7]。無論采用偏心齒輪驅動結構還是以絲杠螺母多連桿機構作為傳動結構，其核心的技術難點都是一致的，主要有兩個方面：多伺服電機同步驅動技術和下死點保壓控制技術。

2.1 多伺服電機同步驅動技術

熱成形壓力機的噸位大，需要的主伺服電機的功率也很大，受限于大功率伺服電機和伺服驅動器的采購渠道及成本，現在大型機械伺服壓力機均采用了多伺服電機的驅動形式，即采用多臺小功率的驅動器控制多臺伺服電機。

多伺服電機驅動技術具有以下優勢：①減小伺服電機功率要求，擴大采購渠道、降低制造成本，縮短生產周期；②某個伺服電機出現故障時可以降低總噸位繼續生產，避免了單電機故障引起的停機風險與損失；③雖然采用了電容儲能模式，但是單臺大功率伺服驅動器的啟動瞬間需要在極短的時間內，為直流母線充電，對電網的瞬時沖擊非常大。而采用多電機方式，可在控制中采用智能選用方式，根據實際工況以及工藝，可以自動切換任意一臺或幾臺電機，避免了多臺驅動器同時充電從而對電網產生巨大沖擊。圖4所示為SL4-12000多伺服電機安裝現場,圖5為多伺服電機控制流程原理圖。

2.2 下死點保壓控制技術

熱成形工藝最顯著的特點就是合模后保壓，在保壓的同時對板料進行模內淬火。液壓機為了保持合模壓力，即保持滑塊在下死點靜止，需要保持幾個液壓泵的連續運轉，同時也消耗了大量的電能。

圖4 多伺服電機安裝現場

機械伺服壓力機通過電氣部分與機械部分的配合，可以自由控制滑塊的運動，獨特的保壓控制技術在下死點保壓過程中保持滑塊靜止不動，此時的伺服電機不轉動，從而可以不用消耗能量或者消耗較少的能量。

作為數字化的設備，機械伺服壓力機的控制系統可以采集在生產過程中的各種數據，可以得到熱成形一個循環周期中時間與滑塊位移、主電機電流的關系，以SL4-12000型機械伺服熱成形壓力機為例，其工作過程中的相關曲線如圖6所示。圖6中的電流曲線是單個伺服電機的電流曲線，可以看到，除了電機加速階段，其余階段（尤其保壓階段）的電流都比較低，消耗的電能較少。

圖5 多伺服電機控制流程原理圖

圖6 SL4-12000型機械伺服熱成形壓力機工作曲線

3 結論

雖然國內熱成形主機市場總的需求量很大，但是大型機械伺服壓力機的占比很小，仍舊以液壓驅動的壓機為主，這是由于大型機械伺服壓力機的技術門檻很高，相關的專業技術人才較少，愿意投入精力從研發、試制、優化直到到推廣量產的壓力機生產廠家也很少。

熱成形工藝的特性對壓力機提出更高的要求，其可變且精確的滑塊位移曲線和精準的下死點保壓能力在機械壓力機中均只能通過大功率伺服驅動技術實現。從適用性、易用性、可維修性和投入產出比等方面來說，采用大型機械伺服壓力機來作為熱成形生產線的主機都是值得的。