伺服主驅動是金屬成形機床的必選

中國鍛壓協會監事長/齊俊河

金屬成形是指利用有源動力，在工裝模具的限制范圍內，使金屬材料發生變形而得到所需形狀零件的過程。金屬成形零件主要包括鍛件、沖壓件、鈑金制作件等，消耗金屬板材、管材、棒材、線材和型材等所有金屬材料總量的70%。整個金屬成形行業從業大軍1000多萬人，每年創造工業增加值達2萬億元，采購成形技術裝備800億元，消耗工模具1000億元。在鍛造、沖壓和鈑金制作三大金屬成形行業中，生產工藝、技術設備、工模具和原材料四大要素缺一不可。其中，以金屬成形機床為主的技術裝備提供了成形能量，在保證產品質量，提高生產效率，減少操作人員，控制生產成本，環保節能，可否持續發展等各方面都起到關鍵作用。

當今這個年代，網絡化、信息化和智能化不僅改變了我們的工作和生活方式，而且也在顛覆制造和金屬成形行業。目前，金屬成形企業自動化、信息化和智能化建設已是當務之急，而采用智能化機床，又是使用自動化生產，建設信息化工廠，實現智能化制造的先決條件，反之，沒有智能化機床，就很難或者說不可能實現企業的自動化、信息化和智能化。所以，金屬成形企業采用智能化機床或進行機床智能化改造，是企業智能化建設的必修課。在智能化金屬成形機床中，主驅動的智能化十分重要；而解決金屬成形機床主驅動智能化的核心就是采用伺服主驅動。

下面基于金屬成形機床的應用行業，分別就鍛造、沖壓和鈑金制作行業成形機床的主驅動方式伺服化問題做一下分析展望，以便各金屬成形機床企業規劃自己的發展方向，幫助各金屬成形零部件制造企業選擇采購機床，提高產品質量，降低生產成本，提高綜合競爭力。

金屬成形機床發展到今天，無論是鍛造機床，還是沖壓和鈑金制作機床；無論是機械機床，還是液壓機床，向伺服主驅動方向發展已勢在必行。金屬成形機床采用伺服主驅動的優點，已得各行業生產實踐的充分證明，采用伺服主驅動的金屬成形機床不僅工藝性好，而且節能，容易實現自動化集成、信息化聯網和智能化控制，是未來金屬成形企業的必選。

鍛造生產的四種成形機床中，鍛錘已經從蒸汽驅動、空氣驅動發展到當下最常用的電液驅動，有的機床企業，未雨綢繆，已經研發出機械伺服驅動的鍛錘（圖1），完全顛覆了傳統鍛錘采用流體介質傳動的理念，是鍛錘驅動方式的革命性變化。螺旋壓力機從飛輪摩擦驅動發展到當前最常用的變頻（或永磁）電機直接驅動，目前也有企業已開發了機械伺服電動直驅方式（圖2），效率更高、性能更好。機械壓力機，俗稱模鍛壓力機，驅動電機也從普通異步交流電機升級為伺服電機驅動方式（圖3），省掉了減速和制動結構，使壓力機結構更加簡單，便于維護，甚至是造價更加便宜。只是受伺服驅動電機功率的制約，目前還很難制造重型鍛造機床。鍛造液壓機由水壓機發展到當下最常用的油壓機，油壓機也從傳統的伺服閥控方式（需要蓄能器）向伺服泵控方式（不需要蓄能器）（圖4）發展，大大提高了液壓機的能效和沖次，在液壓機與機械壓力機的性能對比中，提高了綜合競爭力。另外，鍛造制坯機床輥鍛機和楔橫軋機，也采用了機械伺服直驅方式（圖5和圖6），結構簡單，制造容易，能耗降低，性能優越。此外，還有菲賽普、新威奇、凌頂等企業也生產采用伺服驅動的設備。

沖壓生產的兩大類主要成形機床中，機械壓力機的伺服驅動（圖7、圖8、圖9、圖10和圖11）將逐步取代傳統的異步電機驅動，從而完成沖壓成形機床和生產工藝的一次革命。在歐、美、日沖壓行業，機械伺服壓力機已被廣泛使用，據悉像舒勒、小松這樣的世界頂級沖壓機床公司，對于大型壓力機用戶，已不再推薦使用傳統式機械壓力機；根據中國鍛壓協會了解到的信息，世界頂級汽車公司在中國的合資企業，其主機廠沖壓車間，今后也不再采用傳統式機械壓力機。液壓機的液壓伺服直驅技術（圖12）也將推動液壓機的技術變革，降低能耗，提高沖次，進一步提升液壓機的綜合性能，從而拓寬液壓機的應用范圍。精沖壓力機也在由目前普遍采用的伺服閥控液壓（帶有蓄勢器和大油箱）壓力機向伺服泵控液壓（沒有蓄勢器，只用小油箱）驅動方式，甚至是向機械伺服驅動方式（目前僅用于200t以下的小型壓力機）發展。熱沖壓壓力機與精沖壓力機的發展思路同出一轍，也正在由閥控液壓壓力機向泵控伺服驅動方式，甚至是向機械伺服驅動方式發展（圖13、圖14和圖15）。此外，還有揚鍛、徐鍛等企業也生產采用伺服驅動的設備。

鈑金加工的兩大類機床中，數控沖床由雛形的步沖機，跨越式發展到機械式數控沖床，又逐代發展到液壓伺服數控沖床，最后發展到今天最為流行的機械伺服數控沖床（圖16），不僅更加節能、降低振動和噪聲；而且還大大提高數控沖床的適應性，不僅僅可以用于沖裁，而且還可以實現更多的板材成形，同時提高沖模的使用壽命，加強了自身與激光切割相比的工藝優勢。在各種金屬成形機床中，數控沖床的發展可謂神速，在短短的幾十年，數控沖床就發生了四代的變化，未來的數控沖床會是什么樣子？值得期待。鈑金加工的另外一款關鍵機床，數控折彎機與數控沖床一樣，在短短的幾十年，經歷了從數控液壓、數控液壓伺服折彎機到今天普遍采用的數控伺服混動折彎機（圖17），機床不僅環保節能，而且機床工藝性好，便于實現自動化、智能化生產。另外，值得大家關注的是，在小型數控折彎機中，采用數控機械伺服驅動（圖18）成為一種趨勢，它相比前幾代折彎機，除了具有伺服混動折彎機的各種優點外，驅動結構更加簡單、便于保養維護，制造成本更低。

金屬管材和線材的兩大類成形機，管材折彎機和線材彎曲機也由早期的普通液壓主驅動和液壓伺服進給，發展到純機械伺服主驅動和機械伺服進給全電動化方式（圖19和圖20），使機床結構更加簡單，更加容易實現自動化，便于維護保養，操作安全可靠，可實現節能、綠色生產。

總之，金屬成形機床主驅動的伺服化，使設備性能更優，工藝性更好；更適合實現自動化生產、信息化管理、數據化診斷；更加節能環保，人文綠色，可持續發展。其中，機械伺服直接驅動是目前最先進的驅動方式。受伺服控制系統、伺服電機制造技術和成本的制約，大型金屬成形機床采用機械伺服直驅方式仍十分困難，在電機與滑塊之間，仍需一套機械傳動結構，但都是采用機械式剛性連接，能量傳遞效率高，運動控制精度高，結構簡單便于制造和維護。

就拿金屬成形機床中的機械伺服壓力機來講，20年前，日本和德國主要鍛壓機床公司已開始研發機械伺服主驅動壓力機，10年前，日本和德國汽車行業開始使用機械伺服壓力機。迄今為止，日本和德國主要汽車公司，大型汽車車身沖壓件生產，基本采用機械伺服壓力機線或多工位壓力機，一級供應商也開始使用機械伺服壓力機進行生產。我國機械伺服壓力機的研發始于15年前，但是迄今為止，還沒有得到很好地應用，原因是國產機械伺服壓力機所用的伺服控制系統和伺服電機主要靠進口，使得國產機械伺服壓力機價格昂貴，各沖壓企業很難承受。從而也制約了我國機械伺服壓力機的推廣和應用，影響到我國沖壓企業的長遠發展。

希望各金屬成形機床企業能與協會一道，積極爭取國家產業政策的支持，廣泛開展產學研合作，加大研發伺服驅動系統和低轉速大扭矩伺服電機的力度，制造出中國金屬成形企業用得起的機械伺服成形機床。同時，也呼吁各鍛造、沖壓和鈑金制作企業，積極采用國產機械伺服成形機床，不僅可以為自己打開一個更加廣闊的市場，而且還能夠承擔更大的社會責任，為企業、為行業，為國家、為社會打造一個更加美好的生存空間。