锻件伺服成形的节能节材与智能数控技术（上）

文/赵婷婷·山东理工大学

贾明全，袁德超·山东科汇电力自动化有限公司

崔来胜·淄博奥瑞科机电科技有限公司

锻件伺服成形的节能节材与智能数控技术（上）

文/赵婷婷·山东理工大学

贾明全，袁德超·山东科汇电力自动化有限公司

崔来胜·淄博奥瑞科机电科技有限公司

传统锻压成形工艺采用锤或老式压力机，重复精度差、可控性差、锻件飞边大、加工余量大、能耗高，难以实现近净成形，存在严重的耗能耗材问题。锻压行业是工业的重要基础产业，近净成形与节能节材是锻压行业的发展目标。

为了实现近净成形，提升锻压行业的技术水平，满足节能节材、智能信息化、数控自动化和工业互联网的需求，必须发展新型锻压装备技术。为此，国家提出了发展伺服压力机的行业规划与目标。国家《工业节能“十二五”规划》中，“机械行业重点工艺和产品节能措施与目标”，针对锻压行业的规划是：“发展直驱式螺旋压力机及锻造与冲压数字化伺服压机技术”，“推广冷锻设备、近净成形锻造等工艺”。国家《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》把“智能化成形和加工成套设备”列入发展规划，要求“加快传统生产设备的数字化、智能化、网络化改造”，“加快传统产业技术创新，发展低能耗高附加值产业。加大先进技术、工艺和装备的研发，加快运用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业装备水平，促进信息化和工业化深度融合”。

在国家政策的支持下，山东科汇电力自动化有限公司和山东理工大学联合压力机生产企业，研发了开关磁阻伺服压力机及其伺服成形技术。开关磁阻伺服压力机从无到有，目前已经研发的吨位从63t到4000t，包括了直驱和电机减速直驱等螺旋、曲柄各系列机型，所开发的伺服成形技术获得大规模应用，取得了显著的节能节材、智能数控自动化的社会效益和经济效益。

采用开关磁阻伺服锻压装备进行伺服成形、智能成形、近净成形，取代陈旧压力加工设备和传统生产方式，能够有效解决传统锻压行业的耗能耗材问题。

耗能耗材问题分析

耗能的原因是主机设备能耗大，耗材的原因是锻件飞边大和加工余量大。传统锻压工艺采用锤或老式压力机，锻件飞边大、加工余量大，模具寿命低，能耗高。

锻件飞边问题

锻件飞边是影响耗材的主要因素。锻件飞边大，耗材大；锻件飞边小或无飞边，耗材低，节材效果显著。影响锻件飞边大小的因素主要有设备、模具和坯料。

⑴设备问题。锻压设备按主运动形式，可分为直线运动设备和旋转运动设备。直线运动设备有锤和压力机之分；旋转运动设备有轧机、辊锻机、旋压机等。传统锻压设备由老式电机驱动，主运动可控性差，成形精度低。锤类设备的压力重复性差、没有顶出系统，是造成锻件飞边大的主要原因。

⑵模具问题。模具按主运动形式，可分为直线运动模具和旋转运动模具。直线运动的锻造模具有开式锻模、闭式锻模、闭塞锻模和挤压模具等；旋转运动的锻造模具有辊锻模、楔横轧模等。开式锻模，锻件飞边很大，材料利用率低，材料浪费严重。

⑶坯料问题。坯料的下料分为有屑和无屑两类。有屑下料锯口损失1～5mm，效率低，耗材大，材料浪费严重。

锻件加工余量问题

锻件加工余量大，需要安排粗加工、半精加工、精加工，浪费巨大的人力、物力、财力。减小锻件加工余量，实现近净成形，不仅节约锻件耗材，同时节约后续切削加工，直接促进零配件生产方式的变革，是节能节材的发展目标。影响锻件加工余量的因素主要有设备、模具和坯料，包括设备压力精度、模具磨损程度和坯料精度。

⑴设备压力精度问题。对于相同锻件，压力越大，锻件变形量越大，压力越小，锻件变形量越小。传统锻压设备，不具备压力可控功能，造成相同锻件的变形量大小不一、锻件精度低，锻件加工余量大。

⑵模具磨损程度问题。模具磨损程度越小，锻件精度越高，锻件加工余量越小。模具安装在设备上，除了工件变形产生磨损之外，设备压力过载是导致模具磨损和报废的主要因素。因此，设备压力可控是降低模具磨损程度的重要保障。传统锻压设备，不具备压力可控功能，造成压力过载，易导致模具磨损和报废。

⑶坯料精度问题。坯料精度越高，则锻件精度越高。精准下料和少无氧化加热才能保证锻件精度高，锻件加工余量小。锯床下料，锯条存在磨损现象，难以保证下料精度。

能耗问题

锻压生产过程中，除了加热能耗大之外，主机耗能是能耗的另一主要部分，降低主机运动能耗是节能的关键。

传统锻压设备因驱动系统不具备控制能力，不得不通过机械方式进行操控，机械操控存在摩擦损失，导致主运动耗能大。图1以摩擦压力机为例，进行能耗问题分析。

图1 摩擦压力机

滑块在下止点附近时，飞轮的位置在摩擦盘半径的最大点，压下瞬间，摩擦盘保持功率输出，而滑块与飞轮速度为0，此时的能量损失为100%，后续飞轮线速度逐渐接近摩擦盘线速度，速度增大。从100%能量损失到速度接近一致的过程中，摩擦消耗的能量接近50%。因此，摩擦压力机在运行过程中飞轮和摩擦盘产生严重打滑，耗能严重。

节能节材途径—伺服成形与智能数控技术

节能的目标是降低主设备的能耗；节材的目标是近净成形，即减小锻件飞边和锻件加工余量。节能节材的目标可以通过对成形的有效控制即伺服成形来实现。

伺服成形是指在伺服压力机上成形。压力机有曲柄压力机、螺旋压力机和液压机等，伺服压力机也可分为伺服螺旋压力机、伺服曲柄压力机和伺服液压机。伺服压力机是由计算机控制的伺服电机驱动的压力机，伺服电机可分为有永磁体的伺服电机和无永磁体的开关磁阻伺服电机。考虑到锻压工况属于冲击性负载，剧烈冲击对永磁体寿命影响严重，因此，压力机的伺服电机应选用无永磁体的开关磁阻伺服电机。

伺服曲柄压力机及其智能数控技术

开关磁阻伺服曲柄压力机分有离合器式和无离合器式两种，伺服电机的旋转运动通过曲柄连杆工作机构转化成滑块的直线运动，通过数控电机运动，实现滑块运动特性的数字化控制。

无离合器式开关磁阻伺服曲柄压力机是在传统的曲柄压力机上，摒弃飞轮和离合器等耗能部件，用计算机控制的开关磁阻伺服电机替代传统电动机，通过曲柄连杆执行机构将电机的旋转运动转化为滑块的直线运动，在不改变工作机构的前提下，利用伺服控制技术数控滑块运动特性曲线，对滑块的运动进行闭环控制，实现滑块运动特性可控，彻底解决压力机的故障问题，更好地满足冲压加工高效节能、智能数控和高可靠性的需求。

开关磁阻伺服曲柄压力机与传统曲柄压力机结构不同之处是可以没有飞轮、离合器、平衡缸及其控制系统。结构组成为：开关磁阻伺服电机经过减速驱动曲柄连杆滑块运动；电机轴设置电磁制动器，电机轴与曲轴端设置位置传感器；制动器和位置传感器连接电机控制器（图2）。开关磁阻伺服电机减速驱动曲轴旋转，通过曲柄连杆机构获得滑块的直线运动；通过控制伺服电机的转速和扭矩，使滑块的运动特性曲线可调；通过角位移传感器，实现滑块的位移和速度反馈控制。

图2 伺服曲柄压力机原理图

结构件的连接关系为：伺服电机输出轴连接齿轮减速传动，继而连接曲柄机构。

工作原理为：开关磁阻伺服电机在滑块上止点起动，以大起动转矩由零速加速旋转，通过减速传动带动曲柄连杆滑块运动，电机在起动加速过程提供的能量储存于系统转动惯量，压力行程时，电机速降释放能量E，能量E大于等于额定工作能量Eg，实施冲压；位置传感器给出滑块上止点的位置，通过电机控制器传给伺服电机。单击状态下，当滑块靠近上止点时，伺服电机减速，制动器实施制动，滑块停在上止点，电机制动能量反馈利用，完成一个工作循环。

伺服螺旋压力机及其智能数控技术

开关磁阻伺服螺旋压力机分直驱式（图3）和减速直驱式两种，按螺杆运动形式，分为螺杆螺旋运动式和螺杆定轴转动式。伺服电机的旋转运动通过螺旋副工作机构转化成滑块的直线运动，通过数控电机运动，实现滑块运动特性的数字化控制。只要控制电机转速即可实现打击能量和打击力的数字化智能化控制（图4）。

图3 开关磁阻伺服直驱式螺旋压力机结构

图4 打击能量和打击力数控原理

伺服螺旋压力机工作原理为：通过触摸屏输入每次打击的电机转速和滑块行程，按下启动按钮后，PLC可编程控制器发出开关信号，松开制动器、启动KSC控制器，电机接到KSC控制器的启动控制信号及其转速信号，带动螺杆螺旋运动，惯量加速积蓄电机提供的能量，利用积蓄的能量压制工件。打击结束后，电机反转返回，脉冲信号和行程开关信号给控制系统，电机与制动器实施制动。

小常识

电动螺旋压力机使用

设备安装调试运行后一周需要完成的工作

⑴检查强制润滑油泵供油压力，保证供油正常，检查导轨油泵供油量及每个导轨的供油情况。

⑵压力机本体所有的连接螺栓紧固一遍。

生产过程中每班检查项目

⑴油泵供油压力正常，油箱油位保持在正常位置（停机后滑块停止在出模位，油箱油位保持在中上部位）。

⑵检查滑块导轨间隙，螺栓紧固（滑块导轨间隙在0.2mm以内）。

⑶检查皮带松紧度。

⑷检查电机架、电机、刹车架、刹车气缸、刹车气缸接头等所有螺栓的紧固情况。

⑸检查气源处理器的油杯油位、水位。油杯内正常保持有油，气缸工作时保证润滑油能混入到压缩空气管路中。

⑹检查机身导轨油泵油位、供油情况。间隔供油时间为每小时一次，一次供油20s。调试好机身分油器，保证每条立柱导板都有润滑油流出。