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伺服压力机在冲压生产中的应用

现代制造技术的发展要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负荷的运转,而且要求其具有更大的柔性,能根据不同材料、不同工艺要求设计滑块运动曲线。伺服压力机由于是在摒弃传统机械压力机的飞轮和离合器等耗能部件的基础上,采用交流伺服电机直接作为压力机的动力源,通过螺旋、曲柄连杆等执行机构将电机的旋转运动转化为滑块的直线运动,实现滑块运动可控,以满足冲压加工柔性化、智能化的需求。伺服压力机能够提高复杂形状冲压件、高强度板及铝合金板成形加工的技术水平和制造能力,充分体现了锻压力机床未来的发展趋势。


传统压力机生产现状

机械压力机是金属塑性加工领域中应用最广泛的冲压设备,采用的是直流电机、交流电机或者变频调速电机作为动力源,以曲柄、多连杆为执行机构,通过空载情况下飞轮高速运转储存能量,负载阶段释放能量来完成冲压过程。传统机械压力机有以下缺点。


生产效率低、安全隐患大

图1为常见的流水线生产模式,操作人员负责上下料,人员在操作过程中劳动强度大,易疲劳,安全隐患大;同时在生产过程中由于是手工操作,制件在生产、转运过程中存在一定量的变形,对制件的符合率和装配性能有非常大的影响。由于是流水线作业,当其中一道工序出现问题时,整条线全部面临停线,生产效率得不到保障。


能效消耗大

常规曲柄压力机驱动电机一直旋转,带动飞轮旋转,靠飞轮转动的惯性,通过离合器控制滑块运动,同时大功率电机释放的能量的利用率只有65%,很多能量在运动过程中浪费掉,增加了生产制造成本。


噪声大,振动大、模具寿命降低

曲柄连杆机床产生噪声有以下几种:第一种是机械压力机在板材加工成形时所产生的噪声会高于90dB,最高达93dB;第二种是电机空运转引起的噪声;第三种是压力机离合器和制动器工作时冲击运动变化引起的噪声。所以操作人员在工作时必须佩带防噪声耳塞,避免听力受损。同时滑块在运动过程中会产生大幅度的振动,对模具的工作部件有着非常大的影响,模具在振动频繁的环境下长时间工作,会严重影响其使用寿命。


产品质量、性能不能保证

常温下进行的冷冲压工艺会有很多的质量缺陷,例如开裂、起皱、缩颈、滑移线等,所涉及的影响因素包括:成形工艺、板料性能、模具参数、工艺参数、设备精度及工况条件等。在成形工艺条件相同的情况下,拉延速度的合理性也是产生上述缺陷不可忽略的因素,传统的压力机不能够有效的控制拉延速度,经常会出现产品生产不稳定、质量不一致的问题。


伺服压力机在冲压生产中的优势

提高生产效率

由于伺服压力机保留了曲柄压力机的优点,尤其是其生产效率远高于液压力机,体现了“液压力机的加工质量,机械压力机的生产效率”。不仅如此,伺服电机驱动曲柄压力机还可以根据工件的不同,调整滑块行程,在一个循环中无须完成360°旋转,而只进行一定角度的摆动来完成冲压生产,这就进一步缩短了循环时间,最大限度地减少了无效行程,大大提高了生产效率,由于伺服压力机的高精度及稳定性,大大保证了制件的质量,减少了模具维修时间;同时,伺服压力机的出现还降低了工作人员的操作风险。


节能环保

常规曲柄压力机驱动电机旋转来带动飞轮旋转,靠飞轮转动的惯性,通过离合器控制滑块运动。而伺服电机驱动压力机(图2),完全靠电机的扭矩工作,通过混合(丝杆、多连杆等)增力机构,实现小电机发挥出大的力量,没有离合器,由电机驱动单元控制电机的起停。由于省去了飞轮,电机只有在冲压时才旋转,普通曲柄压力机的电机和飞轮空转耗能得以节省。由于没有了离合器,也减少了离合器的能耗。同吨位的传统压力机与伺服压力机相比,伺服压力机节能35%以上。

噪声低、模具使用寿命长

由于采用进口伺服电机和CNC控制系统,可以设计特殊的工作特性曲线,控制冲裁时冲头的速度,从而减少冲裁的振动和噪声,提高模具使用寿命。日本小松公司的研究结果表明,伺服电机驱动数控压力机的冲裁噪声较常规曲柄压力机降低20dB以上。同时,由于没有电机和飞轮的空转,不冲裁时,完全没有噪声。


伺服压力机的生产应用

压力机与坯料的关系

压力机工作速度在宏观上表现为板料的拉延速度,在微观上表现为板料的应变速率。根据塑性成形理论,应变速率增大会引起材料硬化,但当变形速度进一步加大时,塑性变形过程中产生的热量又会使得硬化效应有所下降(图3)。根据板料的塑性随应变速率变化的一般趋势显示,当应变速率不是很大时(ab段),由应变速率增大引起的塑性下降大于温度效应引起的塑性增加,即板料的塑性随应变速率增大而减小;当应变速率较大时(cd段),由于温度效应显著,由温度效应引起的塑性增加与应变速率引起的塑性下降相当。即此时板料塑性下降并不显著;而当应变速率增加到一定程度时(de段),板料塑性急剧下降,板料接近开裂边缘。


从上述分析得出,随着压力机工作速度的增加,由于板料变形区域的变形抗拉力增大而导致塑性下降,使拉延件传力区的应力增大,将导致该处开裂的可能性增大;为此针对不同板材允许的最大拉延速度,拉延成形时必须校核拉延过程中的压力机速度,以保证压力机的工作速度在板料允许的最大拉延速度内。

伺服压力机实际的应用

    在高生产效率的前提下,如何保证制件的成形性、稳定性困扰着很多企业。汽车B柱加强板是车身中非常重要的承力结构件,B柱零件的结构特点:成形深度大、零件截面变化复杂、屈服强度高的原材料、零件高低差大,这样的零件在模具制造、生产中容易造成开裂、起皱、偏载等问题,因这些问题在工艺和模具设计上无法完全规避,在投产后间接对压力机的使用要求提高了很多。汽车B柱加强板从坯料到成品件,中间共有五道加工工序(图4),伺服压力机的出现解决了B柱加强板无法高效率、高精度、高稳定性、高质量生产的问题;同时在生产过程中伺服压力机的智能监控系统,能够实时采集每道工序的应力变化,一旦出现不合格产品或模具异常故障就会报警(图5),现场人员会及时处理,避免不良品批量产出和安全事故的发生。

结束语

交流伺服电机驱动压力机可大大提高设备的柔性化和智能化水平,改善伺服压力机的垄断特性,是新一代成形设备的发展方向。鉴于其广阔的应用前景,国内压力机制造企业应加快这项新技术的研究,开发出我国具有完全自主知识产权的大型伺服压力机。



 

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