张清林：在金属塑性成形行业高质量发展中大显身手的伺服压力机（系列二）

2024-03-11 09:20:13 来源：

导读：

原创张清林·兴锻智能

伺服压力机为什么要优选低速大扭矩直驱方式

伺服压力机诞生不过三十年，与机械式压力机近两百年的历史相比，还非常短暂，但是在压力机发展史上，却是一个非常有价值的革命性突破。

在第一章中提到，由于种种原因制约，伺服压力机在中国没能健康茁壮成长，没能像在发达国家那样问世后很快就大行其道。但是，不可否认的是，伺服压力机依然在中国的金属塑性成形行业高质量发展中已经多处大显身手。伺服压力机不再仅仅是一个时髦的概念，而是被行业专家、科研院所的学者、研发人员、实际用户和潜在用户认真考虑其使用价值，对不同类型的伺服压力机按照自己的需求务实比较，正确选择和使用合适的机型，用于实验、研究和生产。

机械伺服压力机，简而言之，就是用伺服电机对速度、位置和扭矩三种矢量进行闭环控制，驱动曲轴、肘节式或多连杆式转动结构带动滑块上下运动，做出多种多样的运动模式，正由于这些随意多样性的运转模式，使得滑块可实现无限多样的向下加压的可能性：可在下死点实现类似油压机一样的停顿保压功能；可实现正逆往返运动等加压方式等等。

制造厂家通常把九种的最常用的运转模式（图 1 所示）显示在控制显示屏上，事实上，并非只有这九种模式，而是可以根据产品的特点，在设计范围内不断地去调试数据，实现无限种运转模式。

图1伺服压力机丰富的滑块行程曲线可以应对多种加工环境

伺服压力机可以通过事先编程的方式，让滑块在行程的范围实现任意可编程的压力曲线，使得以下各种优势可以淋漓尽致地发挥出来：

伺服压力机降低噪音，改善工作环境。机器本身振动大大减小，滑块与模具柔性接触，也同样降低了噪音，冲压车间不再是喧闹的场所，操作员工不再长时间被持续巨大的噪声折磨以致于身心疲惫，听力受损。这对吸引新世代的年轻员工至关重要；

伺服压力机提高了模具的使用寿命。冲压过程中，滑块加速上行和下行，在接触模具前减速，柔性接触，保压成形，减少剧烈的碰撞，延缓了模具的损坏速度，摊低了在每个工件上的模具费用，直接增效降本；

伺服压力机更有利于数字化和自动化生产。它大大提高塑性加工的生产性，便于加工过程中的数据精确采集，非常容易建立起可视、可调、可管控的精益化生产管理体系；

伺服压力机拓展了冲压材料的加工范围。对难加工的特殊材料，或者只能液压成形的材料，如高强度钢、铝合金、复合材料可以高效、低能耗地成形，为汽车零部件的轻量化作出了巨大的贡献；

伺服压力机能有效节能。对具体加工过程中的回馈电流可以加以储存和释放，提高电能利用率，再加上伺服电机没有空转的优点，节能减排的效果非常可观；

伺服冲压多样性的特点可以实现更先进和复杂的冲压工艺。如一些特殊的加工工艺如精冲、拉深和冷挤等也能在机械伺服压力机上实现，加工精度和材料的利用率更高，明显降低了产品加工的成本。

以上伺服压力机的这些优势在理论上应该兼而有之的，但是，在实际使用中难免会有一些偏差，有些优点会突出一点，有些则没有那么明显，取决于设备的驱动方式、配置以及使用水平、设置偏好等诸多因素。我们不能因为没有实现全部上述的优点，就攻击伺服压力机是在吹牛皮。好比顶级的汽车可以具有震动小、动力足、起步快、扭矩大、通过性好、重心低、安全好、油耗低等诸多优点，但是你不能把所有这些优点集中在同一辆车上。

同理，我们在伺服压力机的选型和工艺策划制定时，就一定要想清楚自己真正在乎的优点，在保持核心诉求实现之后，尽可能地考虑到使其他优势也能发挥出来，这就到达了使用伺服压力机的真正目的。

近几年来，在中国市场上，1000 吨以下的中小型的压力机中出现了不同结构的机型，有些机型并没有完全表现出来伺服成形的优越性，让用户和观望者对伺服技术产生了怀疑。笔者希望理论结合实际，做出一些正本清源的解释：

一般来说，中小型压力机不同于大型压力机，其使用范围集中在汽车功能零部件和电子产品等精密零部件领域。国外有经验的用户在选择这类压力机时，一般都会首选低速大扭矩伺服电机直驱型压力机，其特点如图 2、3、4。

图 2 低速大扭矩伺服电机直驱的结构示意图

图 3 速度位置扭矩完全实现闭环控制示意图

图 4 金属塑性成形过程速度变换的特性

从图 2、3、4 可以看出，金属塑性成形过程不管什么模式，对其速度的要求是极为敏感的。滑块控制精度要求极高，响应速度一定要又快又稳，这就需要驱动模式一定是直接驱动才能不失真，才能更精确地确保控制精度。低速大扭矩电机通过一级齿轮传动直接驱动曲柄滑块机构，缩短系统传动链。

相比其它驱动方式 , 伺服压力机的机械结构紧凑，综合间隙大为减小，传动系统刚度及下死点精度会得到保证，因而使成形精度会得到大幅度提升。而且，齿轮无反向间隙，在复杂运动过程中也不会产生齿轮异响等撞击声，确保伺服压力机在特有的钟摆式运转时，也不会出现正反逆转的差异噪声。

由于伺服压力机在滑块低速时加压能力也必须达到公称能力，这就要求驱动传动机构的伺服电机也必须是低速的，好比一个金庸笔下的武林高手，看似出拳很慢，却掩藏出常人极速击打才能产生的巨大力量，让人碰到就被打飞。

低速，同时又能实施相应的加压能力，这是市场上标准的高速伺服电机远远不能满足的。只能找电机厂家定制低速大扭矩的电机才行，其中所涉及的技术复杂，制造成本高昂，但是压力机客户的价格承受能力又是有限度的。长期以来，伺服电机厂商和压力机制造厂商一直设法解决这种矛盾，从各自的角度来降低成本，实现技术与成本的均衡。

就这样，伺服电机厂商积极研制低成本的低速大扭矩伺服电机，伺服压力机厂商则转换思路，试图研制不同的减速机构，配套现成的廉价高速伺服电机来驱动滑块，达到同样的成形效果。

实际上，自伺服压力机问世以来，就陆陆续续有多种多样减速结构形式的伺服压力机投入到市场，各显神通。例如有通过二级齿轮传动的减速机构，有多级齿轮传动的，有星形齿轮的，有螺旋运动甚至皮带传动的减速结构等等，不一而足。

但是，通过长期收集的客户反馈和兴锻的实践证明，可以归纳出以下几种结论：

在大型伺服压力机上，采用减速结构的伺服压力机，比较实用，对大件的冲压精度影响甚微，完全可以满足产品精度要求，成本可以降低许多，又可以完全发挥伺服压力机的功能和优势，值得提倡和推广。

对于精度要求不太高的冲压方式，完全也可以采用这些不同类型减速机构的伺服压力机。但这样的话，用普通压力机就行，何必采用投资成本更高的伺服压力机来生产呢？对此，需要具体情况，具体分析。

对于中小型精密冲压领域，如果要使用伺服压力机，则必须使用低速大扭矩伺服电机直驱的伺服压力机！这些精密冲压零件是应用在汽车、家电、电子、通讯乃至航空航天的功能零部件，附加值高，精度要求高，发挥的作用大，也是最需要发挥伺服冲压的各种优势和功能的一个重要的领域。

在这个领域，不论是精密冲压、精密冷挤压、精密深拉伸，还是精冲以及部分替代油压的保压等等，都是伺服压力机的强项。要确保产品的高精度、高质量和高效率，那就一定要首选低速大扭矩伺服电机直驱的压力机，不要采用任何减速机构的伺服压力机，这是无数成功和失败积累的经验之谈，是最有价值和最合算的正确选择。

十多年来，笔者所创立的兴锻智能公司一直秉承“做让中国客户用得起、用得放心的国产伺服压力机”的理念，为客户量身定制研发下图所示的 60 ～ 1600T 的多种多样的伺服压力机，包含了普通曲轴式、肘节式、偏心齿轮式、高速精密机和单电机、双电机以及四电机等等不同方式的机械压力机，也全部都是低速大扭矩并且直驱的伺服压力机。许多案例也都会在后面章节里分别介绍出来，既可以看出这些领域采用伺服压力机的必要性和重要性，又可以了解到如何选用伺服压力机的基本判断依据。