王隆太

(扬州大学机械学院，江苏 扬州 225009)

金属板材成形机床最新技术发展

王隆太

(扬州大学机械学院，江苏 扬州 225009)

结合当前金属成形机床产业现状以及2012 EuroBlech汉诺威国际金属板材加工技术展览会，从数字化、高速化、智能化以及成套自动化等方面阐述金属成形机床的最新技术发展。

成形机床;技术发展;2012 EuroBlech

由于金属板材成形机床具有生产效率高、材料耗废少、可改善制件内部组织和机械性能等特点，因此在汽车、机械、家电、能源、交通、电器仪表、航天航空等行业得到了广泛的应用，现已成为国民经济发展的重要制造装备之一，占有整个机床总量的1/4～1/3之多。近20多年来，随着数字技术、信息与控制技术的快速发展，整个机床行业呈现高精、高速、复合、环保、可持续发展的产业特色。

本文根据扬州地区金属板材成形机床产业现状以及2012 EuroBlech汉诺威国际金属板材加工技术展览会所收集的资料，从驱动过程数字化、成形速度高速化、成形制造智能化、成形装备成套化等几方面阐述金属板材成形机床的最新技术发展。

1 驱动过程数字化

当前，数字化技术已渗透到制造业各个领域，同样在金属成形机床装备业也得到成功的应用，这里侧重介绍伺服压力机相关技术。

1.1 伺服压力机技术发展

由于大功率伺服电机的技术原因，金属成形机床的数字化进程要比金属切削机床迟40年之久，直至20世纪80年代末随着大功率伺服电机技术的成熟，人们才开始着手伺服压力机的研究和开发。1992年美国俄亥俄大学Yossifon S和Shivpuri R用木头研制出一台30t双肘杆伺服压力机样机［1］;1997日本小松公司推出第一台80t商品化双点伺服压力机 HCP3000，如图1所示［2］。

由于伺服压力机具有工艺范围宽、加工效率高、成形质量好、能耗低等特点，近10多年来得到了快速的发展，众多不同结构类型的伺服压力机在不同领域得到成功的应用。在欧美、日本等先进工业国家和地区，伺服压力机应用占有率已达20%～40%。近年来，我国也加快了伺服压力机的开发进程，如广东锻压机床公司与广东工业大学合作研制了多种类型伺服压力机;浙江锻压机床公司与河海大学成功开发了600kN伺服压力机;扬力集团与扬州大学合作开发了SDP1600伺服压力机;黄石锻压机床公司与华中科技大学合作开发了螺旋式伺服压力机等。

图1 小松公司伺服压力机HCP3000

1.2 机械伺服压力机

目前，机械式伺服压力机主导着整个用户市场，伺服电机经不同的机械传动机构对滑块位置和速度进行控制和调节。就传动结构而言，机械伺服压力机主要有如下传动结构型式:

a.直接驱动型。伺服电机通过传动齿轮减速后直接驱动滑块运动。图2所示为一种典型的单点直驱式伺服压力机，低速大转矩伺服电机通过一对齿轮和曲柄连杆机构直接驱动滑块完成上下直线运动。图3为2012 EuroBlech博览会上台湾SEYI公司展出的一台160t单点伺服压力机，其电机输出轴自带小齿轮，传动结构更为简化。这类传动结构传动链短，综合间隙小，滑块下死点精度高。

图2 AIDA直驱伺服压力机

图3 SEYI直驱型伺服压力机

b.多杆增力型。伺服压力机没有飞轮，是靠伺服电机瞬时扭矩提供压制力，所需电机功率较大，多杆增力型伺服压力机借助于肘杆或多杆机构的增力作用，可用小功率伺服电机实现大吨位压制力。图4所示为笔者与某公司合作开发的单点肘杆式伺服压力机传动系统，增力效果明显，其电机功率仅为同吨位直驱式伺服压力机的40%～50%。图5为笔者基于双曲柄机构所开发的双点伺服压力机传动系统结构，也有明显的增力效果。这类压力机在下死点附近具有较低的运动速度、较大急回特性、电机功率消耗少等优点，但也存在传动结构复杂、综合间隙大的不足。

图4 单点肘杆伺服压力机传动结构

图5 双曲柄双点伺服压力机传动结构

c.螺旋驱动型。这类压力机是通过滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转换为滑块的直线运动。图1中HCP3000伺服压力机即采用这种传动结构(图6)，其最大特点是在滑块全行程范围内均可获得最大的压制力和相同的运动速度，这是其他传动结构无法比拟的，尤其适用于如深拉伸大行程成形加工，但存在伺服电机需频繁换向、滚珠丝杠成本高的不足。

图6 螺旋驱动型传动结构

d.混合传动型。混合传动型结构为上述不同结构的组合，如图7(a)所示的双点伺服压力机，由滚珠螺母副将伺服电机的旋转运动转换为滚珠丝杠的水平往复运动，再经肘杆增力机构驱动滑块上下直线运动。图7(b)为网野1 250t伺服压力机，两伺服电机通过蜗轮蜗杆副驱动滚珠丝杠旋转，再由滚珠螺母经左右对称的肘杆增力机构驱动滑块运动［3］。

图7 混合传动型伺服压力机

对于大吨位机械式伺服压力机，常采用多只小功率伺服电机同步驱动结构。在2012 EuroBlech博览会上德国Helmerding公司展示的一台800t伺服压力机采用了如图8所示的4只伺服电机同步驱动型式，这种结构除了能够降低压力机制造成本之外，还可有效提高压力机的加减速特性。

图8 多只小功率伺服电机同步驱动

近年来随着伺服力矩电机技术的成熟，更多伺服压力机采用力矩伺服电机+行星减速器的直驱型传动结构，德国EBU公司伺服压力机即采用了这种结构型式(图9)，具有结构简化、传动精度高特点。

图9 行星齿轮减速器直驱结构

1.3 液压伺服压力机

液压机具有驱动力大、工作平稳、压力和速度与行程无关等特点，在工业生产中得到广泛应用，尤其在大件深拉伸工艺中具有独特的优势。传统液压机通常借助于伺服节流阀或伺服变量泵的阀控或泵控系统，用于对滑块速度和位移进行控制，存在着对液体介质要求高、工作效率低和价格成本高的不足。

随着交流伺服技术的成熟，近年来推出了通过伺服电机转速的改变直接控制液压泵的输出流量，即所谓伺服直驱泵控液压技术(Direct Drive Volume Control Servo System，DDVC)，其原理如图 10所示［4］。

图10 DDVC技术原理图

在2012 EuroBlech博览会上，VOITH公司展出了DDVC液压伺服驱动单元产品，该展品包括伺服电机、液压泵、压缩补偿罐以及基础阀块等，如图11所示。德国PME公司展出了一台应用DDVC技术的250t伺服液压机(图12)，其最大空程速度可达6m/s，不用任何液压阀即可对滑块行程、速度和压力进行精确控制。

基于DDVC技术的伺服液压机具有如下特点:(1)节能高效，在空转和保压时几乎不消耗能量，避免了传统液压机溢流和节流时的能量损耗;(2)系统可靠性高，由伺服电机和定量泵作为液压系统控制执行元件，对液体介质要求不高;(3)油路简化、体积小、质量轻、集成度高，便于系统维护。

图11 VOITH液压伺服驱动单元

图12 PME 250t伺服液压机

2 成形速度高速化

随着大规模集成电路、电器元件、微电机芯片等高精密元器件的规模化生产，有力推动了高速压力机的快速发展。目前国际市场上高速压力机行程次数普遍达到了800～1 500spm，甚至有高于1 500spm的超高速水平，日本电产京利公司100kN高速压力机速度可达4 000spm，成为当今世界上冲压行程次数最高的压力机。

高速压力机又是高精密压力机，如日本能率制作所要求1 250kN以下高速压力机下死点误差不大于±3μm［5］。为此，高速压力机在结构上需有惯性力平衡、高精度导向、下死点精度自动调节等精度保证措施。

高速压力机滑块惯性力的平衡常采用图13所示的副滑块平衡技术，传动系统常采用双点或四点传动结构以抵消水平方向及前后方向的惯性力。

在2012 EuroBlech博览会上日本YAMADA公司展出的一台NXT－50高速压力机，为双连杆对称传动结构，两柱塞四导柱滑块导向(图14)，下死点自动调节，冷却润滑油温自动控制，其最高行程参数达1 000spm，振动噪声仅为70dB左右。

图13 常用副滑块平衡结构

图14 YAMADA NXT－50高速压力机传动结构图

著名瑞士博瑞达(BRUDERER)公司的BSTA_500高速压力机，其机身和滑块是具有温度自动补偿功能的对称结构，四导柱导向，传动系统上下、左右以及前后方向惯性力均得到平衡，应用特殊杠杆结构可实现下死点实时调节(图15)，冲压精度高于±0.005mm，最高速度达1 100spm。

图15 BRUDERER BSTA_500高速压力机传动结构

美国Minster PM3 110t高速压力机，采用八面导向的静压导轨，静压曲轴支承，具有较高动平衡特性，下死点精度高达±0.001mm，最高速度为800spm。

3 成形制造智能化

所谓智能即具有自我感知、分析、推理和决策的能力。所谓制造智能化即采用位移、压力、温度等不同检测装置对制造过程中的振动、位移、压力、速度、温升等参数进行实时检测，经与设定值分析比较后，自我规划并及时调整机床设备的动作行为和工艺参数，使制造过程以最佳状态或最高效率进行加工作业。智能制造是当今制造业的重要发展方向，不少机床制造商已开始注重智能化机床装备的研究和开发。

如图15所示的BRUDERER公司BSTA_500高速压力机，在左右机身上设置有多只位移传感器用于检测滑块下死点的位移，当由于温升或速度变化所引起的下死点漂移超过设定值时，便启动调模机构对装模高度进行实时调节;在润滑油箱内设置有温度传感器和温度调节装置，保证润滑油温的恒定;在4根立柱以及滑块上分别设置有压力传感器，用于检测立柱和滑块受力状态，并以图示和数字形式在人机界面上予以显示(图16)。

4 成形装备成套化

成形装备成套自动化可大大提高生产效率，减轻劳动强度，保证产品质量，提高生产安全性。目前，冲压设备成套自动化有两种不同发展形式，一是压力机+物料自动传送装置的串联冲压自动生产线;另一是由多工位压力机组成的高效自动成形装备。

图16 BRUDERER BSTA_500压力机压力监控界面

4.1 串联冲压自动生产线

串联冲压自动生产线是通过自动物料传送装置或工业机器人将一台台冲压设备连接构成的金属板材自动成形装备。这种自动化成形装备组成灵活，制造成本低，适用面广，是当前成形装备自动化的主要形式。图17所示为笔者为某公司开发的双料台拆垛单元和两轴机械手所构建的自动冲压生产线。

图17 两轴机械手连线的串联自动冲压生产线

对于汽车覆盖件等大型冲压成形设备通常采用通用或专用工业机器人作为机间物料传送装置。图18(a)为德国舒勒(Schueler)公司采用通用机器人+横杆工具作为自动线机间传送装置;图18(b)为德国固特尔(Guedel)以专用机器人作为自动线机间传送装置。

在2012 EuroBlech博览会上，ABB公司展出了用两部5轴机器人+两横杆机构构建的机间物料传送装置，如图19所示，两横杆之间活动连接，其端部各设置一只伺服电机可使两横杆独自翻转，该装置运动范围大，适用面范围广，灵活方便。

4.2 多工位压力机

多工位压力机，尤其用于汽车覆盖件的大型多工位压力机，是当前冲压成形领域最先进、最高效的冲压自动化装备，是高自动化、高柔性化成形机床的典型代表。多工位压力机通常由拆垛机、大型压力机、三轴送料机和码垛机等组成，生产节拍可达16～25/min，其效率是手工送料生产线的4～5倍，是串联自动生产线的2～3倍，是当今世界汽车制造业首选的最先进冲压设备。

图20(a)所示为德国舒勒公司1 250t多工位压力机，采用两端驱动的横杆式三轴送料机(图20(b))。该送料机X，Y，Z 3根轴分别由4个伺服电机同步驱动，前后横杆左右两端采用永磁自动对接装置，能够快捷方便更换横杆夹钳工具，并附设有传感器检测连接状态，安全可靠。

图21(a)为美国WAYNETRAIL公司三轴送料机，其机身可以安装在多工位压力机前后立柱上(图21(b))，视压力机规格大小和需要，可以配置1套、2套或4套三轴送料机，较为灵活。

图18 机间物料传送工业机器人

图19 ABB公司机间物料传送装置

图20 舒勒公司1250t多工位压力机

5 结束语

扬州是我国重要的金属板材成形机床产业基地，产品包括精密压力机、数控转塔冲床、数控折弯机、数控剪板机、激光切割机、自动化生产线等十多个系列上百个品种，占有国内整个成形机床市场20% ～25%、数控成形机床市场40% ～45%的份额，江苏扬力集团、江苏亚威机床股份有限公司、江苏金方圆数控机床有限公司、扬州锻压机床集团公司4个成形机床生产企业年销售额和利税已连续几年分列同行业1～4位。可以说，扬州金属成形机床可代表我国成形机床的技术水平。

然而，与世界先进水平相比较，扬州成形机床产品大多仍处于中、低档水平，高端技术产品不多，如伺服压力机还刚起步，高速压力机在速度和精度方面与国际先进水平比较还有较大差距，连线成套技术不强。

图21 WAYNETRAIL三轴送料机及其应用

为此，笔者认为可从如下几方面着手赶超世界先进水平:

a.积极培养或引进高层次专业技术人才和管理人才，不断提高企业技术人员素质和企业管理者的经营管理水平。

b.瞄准当前成形机床最新技术发展和趋势，采用先进设计工具和手段，加大产品开发投入，加速新产品开发进程，逐步提高高端产品比例，改变当前企业产品的层次结构。

c.采用先进制造工艺和设备，满足高效、自动和柔性化生产需求，提高产品制造质量，提高产品精密化、专业化、自动化以及信息化制造水平。

d.重视现有企业员工，包括基层技术人员技术再教育和操作工人的技术培训，满足企业现代化生产需求。

［1］Yossifon S，Shivpuri R.Design considerations for the electric servomotor driven 30 Ton Double knuckle press［J］.Int.J.Mach.Tools Manufacture，1993，33(2):209 －222.

［2］Osakada K，Mori K，Altan T，et al.Mechanical servo press technology for metal forming［J］.CIRP Annals － Manufacturing Technology，2011(60):651 －672.

［3］吕言，周建国，阮澍.最新伺服压力机的开发以及今后的动向［J］.锻压装备与制造技术，2006(1):11－14.

［4］冼灿标，孙友松，黎勉，等.泵控伺服液压驱动系统动态性能分析及试验研究［J］.液压与气动，2011(12):11－15.

［5］范宏才.现代锻压机械［M］.北京:机械工业出版社，1994.

Technical Developments of Sheet Metal Forming Machine Tools

WANG Longtai
(Yangzhou University，Jiangsu Yangzhou，225009，China)

Based on current status of the metal forming machinery industry and innovative products exhibited in 2012 EuroBlech，it introduces the latest technical development in sheet metal forming machine tools from the perspectives of digitalization，high－speed，intelligence and complete automation.

Forming Machine Tools;Technical Development;2012 EuroBlech

TG38

A

2095－509X(2013)03－0001－07

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.03.001

2013－02－14

王隆太(1949—)，男，江苏扬州人，扬州大学教授，硕士，主要研究方向为数控技术及现代制造装备技术。