趙升噸，陳 超，崔敏超，孟德安，景 飛，張 宇

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710049）

0 引言

鍛壓設(shè)備是指利用錘頭、砧塊、沖頭或通過模具對坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的工件的成形加工設(shè)備。鍛壓設(shè)備主要包括成形用的鍛錘、液壓機(jī)、螺旋壓力機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)和伺服壓力機(jī)等。隨著我國鋼鐵、有色冶金、航空航天、鐵路高速機(jī)車、船舶、核電、風(fēng)電和軍工等行業(yè)的發(fā)展，高性能工件的需求量越來越大，對鍛壓設(shè)備的要求也越來越高。鍛壓設(shè)備已成為工業(yè)領(lǐng)域必不可少的成形設(shè)備，在加工生產(chǎn)中的作用越來越重要。

鍛壓加工的工件材料的塑性抗力及質(zhì)量與鍛壓時的應(yīng)變速率密切相關(guān)。在鍛壓加工過程中，材料的應(yīng)變速率越小，塑性越好，變形抗力越小，越有利于產(chǎn)品的順利成形。能夠?qū)崿F(xiàn)低速鍛沖的鍛壓設(shè)備的滑塊在下死點附近停留時間長，保壓時間長，有利于提高工件的鍛壓質(zhì)量，減小工件對模具的沖擊，提高模具的使用壽命。如果鍛壓時的速度過快，會使工件產(chǎn)生較大的塑性抗力，容易使工件產(chǎn)生裂紋，不利于工件的加工成形，同時會使設(shè)備產(chǎn)生振動，加劇鍛壓設(shè)備和模具的磨損，產(chǎn)生較大的沖擊噪聲，污染工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。以拉延工藝為例，如果滑塊的速度過高，將會引起工件破裂。表1 為拉延工藝的合理速度范圍，進(jìn)行拉延工藝的壓力機(jī)的滑塊速度不應(yīng)超過表中數(shù)值。

表1 拉延工藝合理速度范圍[1]

鍛壓設(shè)備在鍛壓時的低速特性影響著工件的質(zhì)量，因此工件在塑性變形時要求設(shè)備能夠低速運(yùn)行。但為了提高生產(chǎn)率，節(jié)省加工時間，工業(yè)生產(chǎn)又要求設(shè)備的滑塊在空程和回程時具有較高的速度，縮短鍛壓設(shè)備在非鍛壓階段的運(yùn)行時間。既有低速鍛沖特性，同時又能高速空程和回程運(yùn)行的性能已成為衡量一臺鍛壓設(shè)備優(yōu)良的重要指標(biāo)之一。

為了指導(dǎo)工程人員合理選擇鍛壓設(shè)備，同時也為了促進(jìn)鍛壓設(shè)備的發(fā)展，本文以螺旋壓力機(jī)、液壓機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)和伺服壓力機(jī)等為例對鍛壓設(shè)備實現(xiàn)低速鍛沖方式的合理性進(jìn)行了探討。

1 螺旋壓力機(jī)低速鍛沖特性

螺旋壓力機(jī)是指通過一組以上的螺母螺桿傳動機(jī)構(gòu)在機(jī)架內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生加壓力的壓力機(jī)械的總稱?？煞譃閮煞N，一種是向螺母螺桿傳動機(jī)構(gòu)上施加扭矩而產(chǎn)生靜壓的螺旋壓力機(jī)，一種是通過電機(jī)帶動飛輪旋轉(zhuǎn)儲蓄能量，并在鍛壓時將能量集中釋放用于工件成形的螺旋壓力機(jī)[2]。通常所講的螺旋壓力機(jī)是指后者，這種螺旋壓力機(jī)用螺桿和螺母作為主要傳動機(jī)構(gòu)，通過螺旋傳動帶動飛輪轉(zhuǎn)動，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)將飛輪的正反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的上下往復(fù)運(yùn)動，并通過滑塊帶動模具鍛打工件，使工件產(chǎn)生塑性變形。

螺旋壓力機(jī)的工作過程主要有空程向下運(yùn)動、工件塑性變形和回程向上運(yùn)動。螺旋壓力機(jī)在空程向下階段儲蓄能量，將電機(jī)輸出的能量轉(zhuǎn)化成傳動機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)的動能，在鍛壓工件過程中一次性釋放，完成鍛壓工作。如圖1 所示，螺旋壓力機(jī)在工作時，電動機(jī)帶動飛輪旋轉(zhuǎn)儲存能量，同時通過螺母螺桿機(jī)構(gòu)帶動滑塊向下運(yùn)動，當(dāng)滑塊接觸工件時，飛輪將被迫減速或者停止，飛輪旋轉(zhuǎn)所儲蓄的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊能，該能量通過螺母螺桿機(jī)構(gòu)傳遞給滑塊，從而使滑塊鍛打工件，使工件發(fā)生塑性變形。鍛打結(jié)束后，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動飛輪反向旋轉(zhuǎn)，通過螺母螺桿機(jī)構(gòu)帶動滑塊上升，回到初始位置。

螺旋壓力機(jī)在鍛壓加工中具有十分重要的地位，根據(jù)調(diào)查，目前螺旋壓力機(jī)是我國應(yīng)用最為廣泛的模鍛設(shè)備，占全部模鍛設(shè)備的37%，超過蒸空模鍛錘（31.4%）及熱模鍛壓力機(jī)（3.4%）的總和[3]。

螺旋壓力機(jī)工作行程長，沒有固定的下死點位置，也沒有嚴(yán)格的行程限制。對于較大的工件，螺旋壓力機(jī)可以進(jìn)行多次打擊成形，并且可以單打、連打和寸動，因此在設(shè)備缺乏的情況下，可以利用小設(shè)備干大活。螺旋壓力機(jī)實際鍛沖工件的行程可控可調(diào)，模具安裝和更換都很方便。

螺旋壓力機(jī)的滑塊速度較低（約0.5m/s，僅為鍛錘的1/10），非常適于鍛造一些對變形速度非常敏感的鋁銅等合金材料。但是螺旋壓力機(jī)在空程上、下時，螺桿和飛輪一起加速，慣性質(zhì)量大，因而加速時間長，加速行程占滑塊總行程的絕大部分，使滑塊每分鐘行程次數(shù)難以有較大提高，導(dǎo)致螺旋壓力機(jī)的機(jī)械效率和生產(chǎn)率較低。一臺好的鍛壓設(shè)備，其滑塊在空程和回程時應(yīng)具有較高速度，縮短非鍛壓階段的運(yùn)行時間，以提高生產(chǎn)率，節(jié)省加工時間。但螺旋壓力機(jī)空程和回程速度慢，因此螺旋壓力機(jī)并不能有效滿足工業(yè)生產(chǎn)對低速鍛沖設(shè)備的要求。

圖1 螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓機(jī)的低速鍛沖特性

液壓機(jī)是一種利用液體的壓力能，通過油缸驅(qū)動滑塊做往復(fù)直線運(yùn)動，依靠靜壓作用使工件發(fā)生變形的鍛壓設(shè)備。液壓機(jī)的基本工作原理是帕斯卡原理，它通常由本體（本機(jī)）、操縱控制系統(tǒng)及液壓泵站三大部分組成。

液壓機(jī)的壓力與速度可以在大范圍內(nèi)方便地進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，而且可按工藝要求在某一行程作長時間的保壓。液壓機(jī)容易獲得最大壓力和大的工作空間，并且能獲得大的工作行程。其適應(yīng)性強(qiáng)，可以在行程的任意位置施加全壓，適合要求工作行程大的場合，適于壓制大型工件和較長較高的工件。

液壓機(jī)需要復(fù)雜的液壓管路和泵站等，對液壓元件的精度要求比較高。液壓機(jī)的高壓液體存在泄漏的風(fēng)險，不僅浪費(fèi)了壓力油，增加生產(chǎn)成本，還會污染環(huán)境，甚至引發(fā)生產(chǎn)事故。

目前的巨型壓力機(jī)主要以液壓機(jī)為主，當(dāng)前最大的液壓機(jī)是中國二重生產(chǎn)的8 萬噸級模鍛油壓機(jī)。巨型模鍛液壓機(jī)是象征重工業(yè)實力的國寶級戰(zhàn)略裝備。美國F15、F16、F22、F35 戰(zhàn)斗機(jī)的鈦/鋁合金機(jī)身框架、起落架、發(fā)動機(jī)渦輪盤；美國波音747-787 客機(jī)的鈦合金起落架構(gòu)件；俄國蘇27、蘇33、T50戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金結(jié)構(gòu)件；歐洲空客A320-380 客機(jī)的鈦合金結(jié)構(gòu)件；烏克蘭GT25000 艦用燃?xì)廨啓C(jī)直徑1.2 米渦輪盤等，都需要用巨型壓機(jī)模鍛成形。

液壓機(jī)在工作時可實現(xiàn)無級調(diào)速，速度范圍寬，能夠滿足低速鍛沖的要求，適合用于要求在大壓力工作情況下實現(xiàn)低速鍛沖的場合。液壓機(jī)的滑塊運(yùn)行速度比較低，一般為1～200mm/s，滑塊每分鐘的行程次數(shù)僅為幾次至幾十次，效率較低，導(dǎo)致液壓機(jī)生產(chǎn)率低，在要求生產(chǎn)率高的場合，容易被行程次數(shù)更高的機(jī)械壓力機(jī)所代替。

3 機(jī)械壓力機(jī)的低速鍛沖特性

機(jī)械壓力機(jī)是一種利用機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線往復(fù)運(yùn)動，對坯料進(jìn)行成形加工的鍛壓機(jī)械。機(jī)械壓力機(jī)工作可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，在鍛壓領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)生產(chǎn)中使用的機(jī)械壓力機(jī)在數(shù)量上約占各類鍛壓機(jī)械總數(shù)的一半以上。機(jī)械壓力機(jī)幾乎可以進(jìn)行所有的鍛壓工藝，如板料沖壓、擠壓、模鍛和粉末冶金等。

機(jī)械壓力機(jī)的運(yùn)動部分主要有傳動系統(tǒng)和工作機(jī)構(gòu)組成。傳動系統(tǒng)主要包括帶傳動和齒輪傳動，它的作用是將電動機(jī)輸出的運(yùn)動和能量傳遞到工作機(jī)構(gòu)，以帶動工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動。工作機(jī)構(gòu)的主要作用是將傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榛瑝K的往復(fù)直線運(yùn)動，從而帶動模具完成鍛壓工作。

機(jī)械壓力機(jī)的工作機(jī)構(gòu)由很多種，不同的工作機(jī)構(gòu)具有不同的低速鍛沖特性。下面將重點對公稱壓力為4000kN、滑塊最大行程為180mm 的機(jī)械壓力機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、肘桿機(jī)構(gòu)、串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)和橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行仿真和分析。

3.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

很多機(jī)械壓力機(jī)的工作機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。如圖2 所示，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要由曲柄、連桿和滑塊組成。曲柄旋轉(zhuǎn)時，連桿作擺動和上下運(yùn)動，從而帶動連接在連桿下端的滑塊作上下往復(fù)直線運(yùn)動[1]。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)可靠、生產(chǎn)效率高、操作簡便成為傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)最主要的工作機(jī)構(gòu)。

圖2 曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖

按照滑塊結(jié)點位置可將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分為結(jié)點正置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和結(jié)點偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其中結(jié)點偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)還分為正偏置和負(fù)偏置機(jī)構(gòu)。結(jié)點偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有利于改善曲柄壓力機(jī)的受力狀態(tài)和運(yùn)動特性，從而提高鍛壓精度，適應(yīng)不同的工藝要求。平鍛機(jī)多采用正偏置機(jī)構(gòu)，而熱模鍛壓力機(jī)和冷擠壓機(jī)多采用負(fù)偏置機(jī)構(gòu)。如圖3 所示，該機(jī)構(gòu)為節(jié)點正置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊的位移方程為：

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊的速度方程為：

圖4 滑塊位移曲線

圖5 滑塊速度曲線

根據(jù)以上分析，做出如圖5 和圖6 所示的滑塊位移和速度曲線。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在工作過程中的位移和速度總是按照正弦曲線的規(guī)律變化，在鍛壓過程中運(yùn)行的速度、加速度較大，使得滑塊速度變化規(guī)律不理想，公稱壓力行程較小，在下死點附近的低速鍛沖特性差。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作曲線不能滿足實際生產(chǎn)對低速鍛沖的要求。此外，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的增力效果不明顯，導(dǎo)致曲軸上所需的輸出扭矩比較大，傳動機(jī)構(gòu)的尺寸要求比較大，結(jié)構(gòu)笨重，生產(chǎn)效率低。

3.2 肘桿機(jī)構(gòu)

圖6 肘桿機(jī)構(gòu)

如圖6 所示，肘桿機(jī)構(gòu)由上肘桿、下肘桿、連桿和曲軸四部分組成，肘桿機(jī)構(gòu)在冷擠壓機(jī)和精壓機(jī)中使用較多。由于冷擠壓件的工藝要求，冷擠壓機(jī)的上模在接觸工件之前應(yīng)降低速度，使模具和工件接觸時的擠入速度降低，保持低速鍛沖，以減少沖擊，提高模具的使用壽命。在擠壓的過程中，擠壓速度應(yīng)盡量保持均勻，防止有較大波動，一般認(rèn)為較好的擠壓速度在0.1～0.4m/s 范圍內(nèi)。精壓工藝的特點是工件變形量小，但精度要求高，因此要求精壓機(jī)工作速度平穩(wěn)，工件加壓保壓時間長，以利于工件的金屬流動。

肘桿機(jī)構(gòu)中滑塊的位移方程為：

肘桿機(jī)構(gòu)中滑塊的速度方程為：

其中

繪制如圖7、8 所示的肘桿機(jī)構(gòu)中滑塊的位移和速度曲線，并對兩條曲線進(jìn)行分析。采用肘桿機(jī)構(gòu)可增加機(jī)械壓力機(jī)滑塊的公稱壓力行程。該機(jī)構(gòu)的滑塊在下死點附近具有較低的鍛壓速度，在下死點附近停留的時間長，可有效延長保壓時間。由于具有低速鍛沖的特性，工件的鍛壓質(zhì)量明顯提高。該機(jī)構(gòu)還可降低工件對上、下模具的沖擊，延長模具使用壽命。

圖7 肘桿機(jī)構(gòu)中滑塊位移曲線

圖8 肘桿機(jī)構(gòu)中滑塊速度曲線

3.3 串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)

串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)在拉延壓力機(jī)中應(yīng)用較多。一般低碳鋼鋼板的允許拉延速度為18～20m/min，在拉延作業(yè)過程中壓力機(jī)的滑塊速度不能太高，并應(yīng)保持基本均勻，否則會引起拉延件破裂[4]。實際生產(chǎn)中的雙動拉延壓力機(jī)，由于受到板料拉延速度的限制，其滑塊每分鐘行程次數(shù)，較同一生產(chǎn)線的單動壓力機(jī)為低，因而成為板沖生產(chǎn)線提高勞動生產(chǎn)率的主要障礙。為提高雙動拉延壓力機(jī)的每分鐘行程次數(shù)，提高滑塊的空行程速度，同時又能保證拉延壓力機(jī)的低速鍛沖特性，很多拉延壓力機(jī)采用了串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)作為其主要工作機(jī)構(gòu)。

如圖9 所示，串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)一般采用三組四連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)。串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的主動曲軸和從動搖桿間有較大的減速比，當(dāng)多個四連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)在一起，且均在共線位置附近工作時，減速效果可以逐級疊加，因此整個串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)可以獲得很大的減速比。

串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)中滑塊的位移方程為：

圖9 串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)

其中：

串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)中滑塊的速度方程為：

其中：

繪制如圖10、11 所示的串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)中滑塊的位移和速度曲線，并對兩條曲線進(jìn)行分析。串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的滑塊具有良好的低速鍛沖特性，并且在下死點附近停留的時間長，具有較好的保壓效果，有利于工件的成形。較低的鍛壓速度也減少了工件與模具之間的沖擊，有利于保證工件成形質(zhì)量，延長模具使用壽命。但串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，桿件較多，需要占據(jù)較大的安裝空間。

圖10 串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)中滑塊位移曲線

圖11 串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)中滑塊速度曲線

3.4 橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)

普通齒輪傳動中，齒輪節(jié)圓相互嚙合，兩齒輪保持滾動接觸，齒輪間的傳動比不能改變。橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)的節(jié)圓是橢圓形狀，在傳動過程中兩橢圓回轉(zhuǎn)中心距離保持不變，并保持滾動接觸[5]。橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)的傳動比為變數(shù)，具有產(chǎn)生變速運(yùn)動的性能，可以協(xié)調(diào)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀況。將橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)應(yīng)用到機(jī)械壓力機(jī)上，使機(jī)械壓力機(jī)曲軸在不同轉(zhuǎn)角處的角速度可以變化，以實現(xiàn)低速鍛沖和快速空程運(yùn)行的要求。

圖12 為橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)的傳動原理圖，兩個橢圓齒輪的大小相同，從動橢圓齒輪與壓力機(jī)的曲軸相連。橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)連接的滑塊的運(yùn)動速度主要取決于橢圓的偏心率ε 和曲軸的安裝角θ（θ 是指被動橢圓齒輪的橢圓長軸所在直線與曲柄R 之間的最小夾角）。橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)的滑塊的速度是可變的，在空程向下和回程向上時具有較高的速度。當(dāng)滑塊接近工件時，滑塊的速度較低，低速鍛沖特性好，工件成形質(zhì)量高。

圖12 橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)

但是，橢圓齒輪的加工制造難度比較大，成本高。橢圓齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時存在偏心，導(dǎo)致慣性力大，不適合用于對轉(zhuǎn)速要求較高的鍛壓設(shè)備上。采用了橢圓齒輪傳動機(jī)構(gòu)的鍛壓設(shè)備造價一般比較高，結(jié)構(gòu)笨重，不利用維護(hù)保養(yǎng)。在橢圓齒輪的加工難度沒有得到降低之前，這種機(jī)構(gòu)難以用在現(xiàn)有的機(jī)械壓力機(jī)上。

以上四種機(jī)械壓力機(jī)的低速鍛沖特性采用的電機(jī)都是不能變速的交流異步電動機(jī)，所以要實現(xiàn)急速鍛沖特性，必須依靠工作機(jī)構(gòu)桿系的不同組合來實現(xiàn)。

下面要討論的伺服壓力機(jī)，可通過電機(jī)的變速和桿系的變速兩種方式及其組合來實現(xiàn)。

4 伺服壓力機(jī)的低速鍛沖特性

傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)采用的是交流異步電機(jī)、離合器、制動器、齒輪減速系統(tǒng)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等的機(jī)械傳動方式。因為交流異步電機(jī)啟動電流是額定電流的5～7 倍，并且交流異步電機(jī)不能頻繁啟停。為滿足每分鐘啟停十幾次或幾十次的沖壓工作的要求，機(jī)械壓力機(jī)必須帶有所謂的心臟部件——離合器和制動器。因為有離合器和制動器，機(jī)械壓力機(jī)要多消耗20%左右的離合與制動能量。此外，離合器和制動器還需要更換磨損過度的摩擦材料，因此使用和維護(hù)費(fèi)用比較高。機(jī)械壓力機(jī)采用了離合器等，存在飛輪空轉(zhuǎn)時消耗的能量，造成嚴(yán)重的能量損耗。采用交流異步電機(jī)的機(jī)械壓力機(jī)結(jié)構(gòu)笨重，性能較差，生產(chǎn)率低，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)中對模鍛設(shè)備的節(jié)能化、伺服化、精密化的要求。

伺服壓力機(jī)是指采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制的壓力機(jī)。伺服壓力機(jī)不同于普通的機(jī)械壓力機(jī)，其去掉了傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)中的核心部件——?dú)鈩幽Σ岭x合器，傳動系統(tǒng)簡單，消除了離合器結(jié)合過程中的能耗，伺服電機(jī)可隨滑塊停止而停止，節(jié)能效果顯著。伺服壓力機(jī)的鍛壓能量可以實現(xiàn)伺服控制，可以在需要的范圍內(nèi)數(shù)字設(shè)定滑塊工作曲線，有效提高伺服壓力機(jī)的工藝范圍和加工性能。鍛壓參數(shù)可實現(xiàn)實時記錄，易于實現(xiàn)壓力機(jī)的信息化管理。伺服壓力機(jī)操作簡單可靠，生產(chǎn)率高。

目前國外常見的伺服壓力機(jī)種類很多，其中，最低公稱壓力為40kN，最高公稱壓力可達(dá)25000kN[6]。目前日本生產(chǎn)的伺服壓力機(jī)占據(jù)了較大的市場份額。如圖13 所示，日本的AMINO 公司研制了25000kN機(jī)械連桿伺服壓力機(jī)，是當(dāng)時世界上公稱壓力最大的伺服壓力機(jī)。AMADA 公司、AIDA公司等也先后研制了伺服壓力機(jī)并有不錯的市場表現(xiàn)。圖14 所示為小松公司開發(fā)的800kN 任意曲線伺服壓力機(jī)HCP3000。圖15 所示為小松公司研制的H2F、H4F 系列伺服壓力機(jī)。圖16 所示為2002年小松公司推出的H1F 系列伺服壓力機(jī)。

如圖17 所示，伺服壓力機(jī)的滑塊運(yùn)動曲線可根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)定。在鍛壓階段，可以降低滑塊的運(yùn)動速度，實現(xiàn)低速鍛沖工作要求。在回程階段，可提高滑塊運(yùn)動速度，實現(xiàn)滑塊對急回的工作要求，提高工作效率。伺服壓力機(jī)的滑塊具備良好的低速鍛沖特性[7]。通過伺服控制，有利于提高鍛件精度，延長模具壽命。

圖13 25000kN 機(jī)械連桿伺服壓力機(jī)

圖14 HCP3000 型壓力機(jī)簡圖

圖15 H2F、H4F 系列壓力機(jī)簡圖

隨著伺服電機(jī)技術(shù)的發(fā)展和伺服電機(jī)價格的降低，伺服電機(jī)將越來越多地用于鍛壓設(shè)備領(lǐng)域。伺服壓力機(jī)具有優(yōu)良的低速鍛沖和急回特性，將逐步替代傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)，成為新一代鍛壓設(shè)備的發(fā)展方向[8]。

圖16 H1F 系列伺服壓力機(jī)簡圖

圖17 伺服壓力機(jī)滑塊曲線

5 結(jié)論

（1）在鍛壓過程中工件產(chǎn)生塑性變形時要求鍛壓設(shè)備能夠低速運(yùn)行。同時為提高生產(chǎn)率，節(jié)省加工時間，又要求鍛壓設(shè)備的滑塊具有較高的空程和回程速度，縮短鍛壓設(shè)備在非鍛壓階段的運(yùn)行時間。既具有低速鍛沖特性，又具有高速空程和回程特性，已成為衡量一臺鍛壓設(shè)備優(yōu)良與否的重要指標(biāo)之一。

（2）螺旋壓力機(jī)的滑塊速度較低，非常適合于鍛造一些對變形速度敏感的鋁銅等合金材料。但螺旋壓力機(jī)的滑塊在空程上、下時速度慢，耗費(fèi)時間長，導(dǎo)致螺旋壓力機(jī)機(jī)械效率和生產(chǎn)率較低。

（3）液壓機(jī)在工作時可實現(xiàn)無級調(diào)速，速度范圍寬，能夠滿足低速鍛沖要求。液壓機(jī)的滑塊每分鐘行程次數(shù)僅為幾次至幾十次，效率較低，導(dǎo)致液壓機(jī)生產(chǎn)率低，在要求生產(chǎn)率高的場合，往往容易被行程次數(shù)更高的機(jī)械壓力機(jī)所代替。

（4）機(jī)械壓力機(jī)的工作機(jī)構(gòu)由很多種，不同的工作機(jī)構(gòu)具有不同的低速鍛沖特性。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的低速鍛沖特性較差；肘桿機(jī)構(gòu)和串聯(lián)四連桿機(jī)構(gòu)的低速鍛沖特性較好，但這些工作機(jī)構(gòu)需要占據(jù)較大的安裝空間；橢圓齒輪機(jī)構(gòu)具有較好的低速鍛沖特性，但橢圓齒輪的加工制造難度較大，耗費(fèi)成本高。

（5）伺服壓力機(jī)的滑塊具備良好的低速鍛沖特性，其運(yùn)動曲線可根據(jù)不同工件的加工需求進(jìn)行設(shè)定。在空程和回程階段，可提高滑塊的運(yùn)動速度，提高工作效率。伺服壓力機(jī)將逐步替代傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)，成為新一代鍛壓設(shè)備的發(fā)展方向。

[1]何德譽(yù).曲柄壓力機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[2]王 敏，方 亮，趙升噸，等.材料成形設(shè)備及自動化[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]孫友松，李明亮，魏 航.螺旋壓力機(jī)發(fā)展綜述[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（2）：18-21.

[4]李名堯.橢圓齒輪傳動的壓力機(jī)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003，38（3）：16-18.

[5]吳序堂.非圓齒輪及非勻速比傳動[M].北京：高等教育出版社，1983.

[6]孫友松，張宏超.金屬板材加工設(shè)備發(fā)展新動向——2004 上海國際金屬板材加工設(shè)備展覽會[J].鍛壓技術(shù)，2004，29（4）：1-4.

[7]趙升噸，何予鵬，王 軍.適用低速鍛沖塑性加工設(shè)備合理性的探討[J].機(jī)械工人，2005，7：25-28.

[8]趙升噸，張宗元，張貴成，等.回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)交流伺服直驅(qū)方式的研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（6）：19-22.