前言
      近年隨著科技的發展，市場對高精度、高質量、低價格產品的需求越來越大，用于制造產品的材料越來越豐富，使得制造業的國際競爭越來越激烈。由于新型材料的出現以及產品形狀趨于復雜，為此制造業對于能夠高精度加工復合材料、難加工材料的壓力機的需求越來越強烈。
      伺服壓力機的一個重要特點，就是其可以根據成形工藝的要求，在計算機控制下任意調整滑塊的行程、移動速度、停止位置和保壓時間，還具有可進行復合加工的功能。伺服壓力機是一種高附加值的塑性加工設備。
曲柄連桿式伺服壓力機
加工工作特性
      傳統的曲柄連桿式壓力機的傳動方式，主要是由電機的轉動經過飛輪、離合器、曲軸連桿機構轉變成滑塊的直線運動，由于電動機不能隨意頻繁地啟停，不能隨意變轉速，滑塊只能按正弦運動規律，在一定的行程范圍和行程次數作上下運動。而對于伺服壓力機，如圖1所示的一種小型曲柄連桿式伺服壓力機，其特點是沒有飛輪和離合器，伺服電機通過一級齒輪傳動直接驅動曲柄連桿機構，滑塊的運動速度和位置可以被任意精準地控制。由于沒有離合器和飛輪，其結構比傳統壓力機簡單得多，維護成本只有傳統壓力機的60%。
      圖1 曲柄連桿式伺服壓力機傳動系統圖
      如圖2所示，伺服壓力機特有的滑塊運動-時間曲線模式，比傳統壓力機減少了每一個沖壓循環周期的時間，提高了生產效率。如圖3所示，可通過計算機程序設定不同的滑塊運動模式，進一步提高生產效率。

      圖3 采用不同的運動模式既滿足工藝要求又減少周期時間
      滑塊的運動模式可以設計成如圖４所示的多種形式，其類型大致可分為傳統曲軸連桿運動模式（曲軸運動）、仿肘桿傳動運動模式（肘桿運動）、緩慢接觸運動模式（軟運動）、低頻脈沖運動模式（脈沖１運動）、按程序設計的運動模式（程序運動）、高頻脈沖運動模式（脈沖２運動）、仿鐘擺運動模式（擺錘運動）、下死點附近整形運動模式（整形運動）和大幅度的往復上下運動模式（往復運動）等９種運動模式類型。用戶根據工藝要求選擇其中一種類型后，根據實際工況選擇設定其最佳運動參數。選擇設定好的類型和參數可以存入工藝數據庫以備隨時調用。
      隨著低速高扭矩伺服電機與電力平均化系統的開發，消除了壓力機在低速加工時的能量不足問題，在減速90%時也能釋放出100%的工作能量。結果使其能夠實現低頻脈沖成形、拉深成形、多級成形、溫成形等要求有速度變化且動作復雜的功能。如采用緩慢接觸運動模式還可降低沖裁噪聲。電源容量也跟傳統壓力機的一樣，無需另外配置節省成本。
      應用效果
      所謂低頻脈沖成形，是將滑塊上升與下降量設定在0.01mm的上下往復運動同時還變速的脈沖運動成形技術。對于脈沖1，在滑塊下降的過程中當被加工板材接觸到模具之時滑塊瞬間上升，伴隨著這種反復的上下運動的同時逐漸進行成形加工的過程，使載荷造成的模具和機身框架的變形減小，同時也發生去除模具與工件間積留的空氣（油），防止阻斷加工油的效果。此時板材的延展性提高、壁厚也均勻，易于提高成形精度，最終使拉深率提高。此時無論用什么種類的潤滑油以及涂覆量多少，其效果都是一樣的。
      對于脈沖2，在加工領域可用低/高速往復旋轉加工，在成形加工中可實現減少沖擊痕跡提高品質，由于加工載荷降低而提高了模具壽命。在沖裁加工時可減緩破斷現象從而降低加工噪聲。
（1）降低噪聲的效果。
      如圖5所示，可控制滑塊在材料被沖剪開始斷裂的瞬間降低運動速度。這樣既不會大幅降低生產率又能實現低噪聲沖裁加工。而且如圖5c所示，如果使滑塊一邊產生振動一邊進行沖裁，可是噪聲降得更低。
（2）消除沖裁件毛刺。
      對于沖裁加工，如何減少或完全消除被沖裁工件斷口處的毛刺是個永恒的課題。在伺服壓力機上，只要采用設置有反向沖頭裝置的沖裁模具如圖6所示，使用如圖7所示滑塊的程序運動模式。
      圖6 有反向沖頭裝置的沖裁模具
      由圖7可以看到第一步為半沖裁，凸模沖入板材深度約為板厚的30～40%。此時材料處于塑性變形還未被切斷狀態。第二步凸模與反向沖頭夾持材料做反向回程，回程量為板厚的20%。第三步最終沖下工件。整個過程只用一道工序就能沖出無毛刺的工件。
      圖8是用該方法加工的工件切口斷面照片，可以看出，無論是孔的切口面還是落料件的切口面都有一點塌角，且均沒有出現毛刺。
      圖7 滑塊運動的程序運動模式 圖8 沖裁得到的落料件及落料孔的
切口斷面照片
（3）拉深與減薄拉深實驗的效果。
      如圖9所示為筒形件拉深模具，凸模在下凹模在上，凸模直徑60mm；凹模內徑61.6mm；圓角半徑均為5mm；被加工材料為A1050純鋁板材；板厚為0.6mm。壓邊板通過頂桿與工作臺下方的氣動模墊連接。在工作中壓邊板與凹模始終壓緊工件凸緣，上模座帶著凹模在伺服壓力機滑塊驅動下，如圖10所示以脈沖運動模式，一邊下行一邊做上下往復的脈沖運動拉深筒形件。
      圖9筒形件拉深模具 圖10滑塊的脈沖運動模式
      加工中采用如圖10所示滑塊的脈沖運動模式時，滑塊上升移動量Ud設定在3.5mm≤Ud≤4.5mm，下降移動量Dd設定在4mm≤Dd≤5mm的范圍效果最佳。其相當于脈沖頻率2.9～12.4Hz。加工中采用水溶性潤滑油（S-1330，動力粘度：275mm2/s，日本加工油）做潤滑。
      實驗結果如圖11（a）所示，在傳統方式拉深下，最大拉深比：LDR=2.2；此時不發生起皺的最小壓邊力30kN。而如圖11（b）所示，在伺服壓力機的上述脈沖運動模式下拉深，獲得最大拉深比：LDR=2.35；此時不發生起皺的最小壓邊力8kN。
（a）傳統方式拉深的筒形件 （b）伺服壓力機拉深的筒形件
      圖11 伺服壓力機與傳統壓力機的最大拉伸高度比較
      如圖12所示為減薄拉深模具。凸模在上凹模在下，凸模直徑25mm；凹模錐角12°；被加工材料為A1050純鋁板材；板厚為0.6mm；被加工件事先用1.7的拉深比預制成筒形件，加工時將預制件放入模具進行減薄拉深。減薄拉伸率采用δ=59.3%，以如圖10所示的脈沖運動模式，一邊下行一邊做上下往復的脈沖運動拉深筒形件。滑塊上升移動量Ud設定在0.01mm≤Ud≤0.5mm，下降移動量Dd設定在0.1mm≤Dd≤0.6mm的范圍效果最佳。其相當于脈沖頻率12.1～12.4Hz。加工中采用水溶性潤滑油（S-1330，動力粘度：275mm2/s，日本加工油）做潤滑。
      實驗結果如圖13所示，對于傳統方法最好的減薄拉深率為δc=46.9%。而采用脈沖運動模式進行加工，滑塊上升移動量Ud設定在0.01mm；下降移動量Dd設定在0.3mm。獲得的最好減薄拉深率為δp=59.3%，比傳統方法提高了12.4%。
      圖13 伺服壓力機與傳統方法拉深結果比較
機械肘桿式伺服壓力機
加工工作特性
      如圖14所示為機械肘桿式伺服壓力機，其傳動系統為：采用AC伺服電機作為驅動源，通過減速器驅動特殊螺桿，推動對稱的肘桿式連桿，帶動滑塊運動。即，將伺服電機的旋轉運動通過螺桿機構轉換為滑塊的直線運動。由于采用對稱的連桿布置結構，使壓力機抗偏載能力強，同時可保證滑塊機械同步。在沖裁加工時無過沖問題，在成形加工時滑塊對導軌的側壓載荷小，因而能長期保持壓力機的精度。
      可依據材料成形工藝的要求，實現多種多樣的滑塊運動曲線。拉深比提高了20%～30%。可控制滑塊間歇停止運動施行保壓。大幅減少振動降低噪音，最低可降到75dB（A），比傳統機械壓力機和油壓機低10～20dB（A），因此降低了對模具的沖擊，使模具壽命提高到3倍以上。由于沒有飛輪、制動器和離合器，以及液壓閥等部件等損耗品，使得維修量是傳統機械壓力機和油壓機的1/3。
      圖14 日本網野公司的機械肘桿式伺服壓力機
應用效果
（1）帽形高強鋼結構件冷成形。
如圖15所示的常見飛鏢形帽形斷面件，為日本會田工程公司的一個案例。其屈服極限為590MPa級的高強鋼。對于高強鋼板材的冷成形，由于回彈嚴重，在傳統機械壓力機上，要用兩道工序兩套模具成形。
      圖15 用兩道工序加工成形的飛鏢形帽形件
      如圖16所示，為飛鏢形帽形件的兩道加工工序斷面形狀。圖16（a）所示為第一道得到的斷面形狀，圖16（b）為第二道工序得到的斷面形狀，H為最終成形件高度。第一道工序通過彎曲拉深得到H0＞H、D0＜D的斷面尺寸；第二道工序通過整形加工方法，將H0-H的直壁部分被壓彎，而在第一道工序成形的圓角部分（C面）被回彎成法蘭面。這種方法的特點是減少直壁和法蘭部分的殘余應力，從而減少回彈提高尺寸精度。其成形機理即所謂的包辛格效應。即：在對材料進行拉伸超過屈服極限后再向相反的方向壓縮該材料就會出現屈服極限降低的現象，且載荷同時降低10%。
（a）第一道工序加工的斷面 （b）第二道工序加工的斷面
      圖16 用兩道工序加工得到的斷面形狀
采用伺服壓力機的滑塊可以任意改變行程、位置和速度的特性，加上如圖17所示的模具改造，即可只用一道工序一套模具來完成上述飛鏢形帽形件的加工成形。
      圖17 伺服壓力機用飛鏢形帽形件加工模具
為了能夠在滑塊的一個行程內用一套模具完成彎曲拉深和整形兩道工序，在模具內裝有移動墊塊的氣缸。工作時，在如圖17（a）所示的彎曲拉深工序階段，下模的頂出桿和上模的打料桿均處于原位，氣缸無動作；在如圖17（b）所示的整形階段，上下模具中的氣缸活塞桿均伸出將墊塊送到位。用這套模具可實現在彎曲拉深工序階段將工件深度拉到大于最終產品深度，即H0＞H，然后在整形工序階段往回壓縮使工件達到最終產品深度H。
      用如圖18所示的滑塊工作曲線圖，描述一個行程內完成兩道工序的動作。這個曲線圖可以看到有如下幾個特點：⑴在模具接觸板材前滑塊減速，使模具能夠與板材軟接觸；⑵在彎曲拉深階段采用慢速；⑶用兩次回到下死點完成兩道工序；⑷在整形工序階段滑塊在下死點附近有兩次往復運動，克服材料的回彈。
      加工工作程序為：⑴開始滑塊以最大運行速度下行；⑵在距下死點上58mm處減速進入彎曲拉深工序階段；⑶滑塊經過下死點后回程至下死點上23mm處停止，此時第一道工序完成；⑷計算機檢測到滑塊停止即發信號使上下模具中的氣缸動作，活塞桿伸出推動墊塊到位；⑸墊塊到位即發信號，使滑塊從停止位置（下死點上23mm處）再一次向下死點方向下降，在比第一道工序的下死點高一點的位置停止，保持0.2s后向上提升一點后再回到原位保持0.2s，實現兩次沖壓整形完成第二道工序的加工過程；⑹整形工序完成后，滑塊以最大速度回升至原出發點；⑺數控模墊配合滑塊的上升將工件頂出模具。
      圖18 伺服壓力機滑塊行程對時間的運行曲線圖
      圖19所示為兩道加工工序分別得到的工件照片，如圖19b所示為第一道工序彎曲拉深成形后的工件，可以看到發生較大的回彈扭曲變形。圖19a為第二道工序整形后得到的最終成品件，可以看出已消除回彈變形，形狀固定了下來。對最終成品的高度檢測得到：高度最大值34.9mm；最小值34.5mm。高度差為0.4mm，可見克服了回彈的影響提高了成形精度。

      圖19 第一道彎曲拉深和第二道整形工序的制件照片
（2）汽車側圍覆蓋件的成形。
      日本網野公司在其開發的2500t機械式連桿伺服壓力機上，采用圖20所示的滑塊變速運動加工模式進行汽車側板（見圖21）的整體成形加工實驗。加工中滑塊在空行程時高速下行，在成形開始前減速到空行程速度的10%～30%，成形開始后回復高速運動加工，加工完成后高速回程。實驗證明：應用鍍膜或不鍍膜的普通金屬板材或合金鋁板材都能夠達到既提高了生產率又大幅提高了材料的成形性，還可提高模具壽命。
      圖20 肘桿式伺服壓力機滑塊運動曲線
      圖21 汽車側板整體成形件
（3）伺服壓力機在生產線上的應用。
      東風汽車股份有限公司汽車分公司，于2007年從網野（武漢）高科技有限公司引進由一臺10000kN、四臺6000kN機械連桿式伺服壓力機組成一條覆蓋件生產線，如圖22所示。
      圖22 由五臺伺服壓力機組成的汽車覆蓋件生產線
      主要承擔車身中小型沖壓件的生產任務。主要工藝包括下料、拉延、修邊、沖孔、斜切、校正、彎邊等。用戶可以通過伺服壓力機控制面板上的滑塊運動模式選擇界面，在如圖23所示的曲線調整界面上，設計最適合某個零件加工的滑塊運動模式和行程曲線。生產實際情況表明，在不改變原有模具結構的情況下，由伺服壓力機組成的生產線提高了加工質量、生產效率，給公司帶來了顯著的經濟效益和社會效益。
      圖23 滑塊運動曲線設置界面
1）提高了零件品質。
      通過如圖23所示的截面，優化設置滑塊運動曲線，調整模墊不同位置的壓邊力，提高了工件的成形性｡如圖24所示的伺服壓力機生產線與傳統機械壓力機生產線零件報廢率的比較，伺服壓力機生產線平均降低零件報廢率達0.3%。零件的表面質量也得到明顯改善。

      圖24 伺服壓力機生產線與傳統機械壓力機生產線零件報廢率對比
2）提高了生產率。
      通過合理設定零件的裝模高度，如圖25所示縮短滑塊行程，使伺服壓力機生產線的SPH值由原來的180上升到210，提高了16.7%。如按照90萬件的產量目標計算，加工時間由原來的5000h降為3750個h，可以節省715h的勞務及電力消耗。
      圖25 伺服壓力上對應加工零件滑塊行程的調整效果與傳統壓力機比較
（4）伺服壓力機在高強鋼熱成形上的應用。
      高強度鋼板零件的成形方法，是將板料加熱到再結晶溫度以上某個溫度（對于鋼鐵材料，為奧氏體狀態）進行沖壓成形，利用板料高溫成形時流動應力的降低來提高板料的成形能力、減少成形件的回彈，降低所需設備的噸位。同時，沖壓成形后的快速冷卻淬火將大幅度提高成形板料的強度。熱沖壓成形工藝流程如圖26所示。
      圖26 高強度鋼板的熱沖壓成形工藝關鍵流程
      由于高強度鋼板的熱沖壓工藝特點，要求采用能夠滿足在下死點具有精確保壓的壓力機，同時應具有較高的剛度以控制回彈精度。為適應熱沖壓工藝的特點，要求壓下速度及成形力精確可控。目前國外主要采用伺服液壓機。
      華中科技大學開發了一種熱成形用數字式機械伺服壓力機如圖27所示。該伺服壓力機采用AC伺服。
      圖27 高強鋼熱成形伺服壓力機及其輔助裝置
      電機+減速器+螺桿+肘桿機構的驅動系統。通過數字控制伺服電機驅動螺桿推動肘桿機構實現精確控制滑塊運動，在下死點可實現保壓和位置控制，其定位精度高達0.02mm，對控制熱沖壓零件的尺寸精度以及工藝調整極為有利。
      對于加熱→預冷→熱成形→保壓冷卻的成形工藝，可以采用如圖28所示的滑塊運動模式。
      圖28 有預冷工序的熱成形時伺服壓力機滑塊的運動模式
其工藝過程為：將從加熱爐取出的毛坯在平模上預壓，進行急速冷卻，使溫度按照50～100℃的速率冷卻，材料的組織發生馬氏體相變（大量、均勻形核），然后在一定的速度下成形－保壓－冷卻。該方案的成形力較直接成形方案要高，但是這種“溫熱成形”過程的變薄將更加均勻，殘余應力也較低。該方案對模具和壓力機的控制性能要求更高，對形狀復雜、成形面高度差大的零件難以實現有效操作。
      圖29所示為高強鋼熱成形得到的汽車防撞結構件。
      圖29 用熱成形工藝得到的各種汽車身上的防撞結構件
結束語
      壓力機的歷史相對于機械工業來說非常長，但是它的革新進展卻非常慢。自從1960年歐洲和美國聯合開發了連桿機構與連桿運動以來，驅動機構與壓力機滑塊運動已經有40年沒有明顯的改變或進步。而近十幾年來出現的伺服壓力機由于其組成部分如交流伺服電機、主傳動系統和控制系統的發展，其應用范圍還在進一步擴大。相對于傳統壓力機的歷史，伺服壓力機的發展速度是相當高的。因此可以說近年來出現的伺服壓力機是一個劃時代的事件，將可能大幅度地改變和擴大壓力機生產技術。
      數字伺服壓力機的一個核心特點，就是其在計算機控制下滑塊可以動態地改變運動狀態，形成不同的運動模式以適應各種加工工藝的要求，也就是由加工裝備去適應配合加工工藝需要的生產節拍，而不像傳統的壓力機由工藝適應裝備。數字伺服壓力機的柔性給開發新工藝、新技術提供了一個創新的平臺。
      肘桿式多連桿傳動方式應用于大型伺服壓力機有許多優點，首先由于其具有力放大作用，更易于驅動大慣量的滑塊，以滿足變速沖壓成形工藝，其次可以使滑塊運動到下死點時實現保壓，有利于高強度鋼板、輕量化難變形板材的成形加工。
      從實際生產應用看，伺服壓力機比傳統壓力機節能50%以上，沖裁噪聲大幅度下降，是一種節能環保型壓力機；由于其在加工鋁合金板材、高強度鋼板、非等厚焊接鋼板的成形方面有獨特的優勢，為新材料的應用、推廣以及汽車輕量化降低能耗方面提供了重要的技術手段。可以預見今后伺服壓力機將會成為塑性加工裝備的主流。