陳超 ' 2，趙升噸1，崔敏超1，，2吳1凡，范淑琴1，石田徹2

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

2 ·德島大學(xué)先端技術(shù)科學(xué)教育部，日本德島770．8506）

摘要：在分析傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)的基礎(chǔ)上闡述了伺服式熱模鍛壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。伺服式熱模鍛壓力機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、工作機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)方案等。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)方面，分析了交流異步電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和交流伺服電機(jī)在伺服式熱模鍛壓力機(jī)上應(yīng)用的合理性。

在工作機(jī)構(gòu)方面，提出了將肘桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用于熱模鍛壓力機(jī)的新方法。

在傳動(dòng)方案方面，對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多齒輪分散傳動(dòng)和多套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步方案進(jìn)行了研究。

Abstract：The advantages of hot die forging servo press were described on the basis of analysis of traditional hot die forging. The key technologies Of hot die forging servo press included driving motor，working mechanism，transmlsslon scheme and so on. The rationality Of application Of AC asynchronous motor，frequency converslon motor，switched reluctance motor and AC servo motor in hot die forging servo press was analyzed in aspect Of driving motor. A new method which used the triangular connecting rod toggle mechanism on hot die forging servo press was proposed aspect Of working mechanism. Multi motor dnve，multi gear transrmsslon and multi drive mechanism synchronization scheme were studied in transrrnsslon scheme. At last，the key technologies Of hot die forging servo press were summarized.

Keywords · Hot die forging servo press；Motor；Working mecharllsm；Transrmsslon scheme

熱模鍛壓力機(jī)是借助模具實(shí)現(xiàn)金屬毛坯熱成形的先進(jìn)的鍛造設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。普通模鍛、偏心模鍛和擠壓等金屬型材的各種熱模鍛工藝都可以在熱模鍛壓力機(jī)上

如圖1所示，傳統(tǒng)的熱模鍛壓力機(jī)性能較差，生產(chǎn)率低，鍛件精度低，不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)模鍛設(shè)備的節(jié)能化、伺服化、精密化的要求 。

采用新型伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)熱模鍛壓力機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)在國(guó)內(nèi)尚屬空白。這種伺服式熱模鍛壓力機(jī)去掉了傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)中的核心部件氣動(dòng)摩擦離合器湖，傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，造價(jià)明顯降低，工業(yè)實(shí)際推廣前景巨大。

研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的伺服式熱模鍛壓力機(jī)產(chǎn)品，對(duì)提高我國(guó)熱模鍛壓力機(jī)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。

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1伺服式熱模鍛壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

伺服式熱模鍛壓力機(jī)相比于傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)具有很大的優(yōu)勢(shì)，它有以下幾個(gè)優(yōu)能量利用率高，節(jié)能環(huán)保。

傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括交流異步電機(jī)、離合器、飛輪、制動(dòng)器、齒輪減速系統(tǒng)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等[ 6]。

由于交流異步電機(jī)啟動(dòng)電流大，不能頻繁啟停，所以傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)必須帶有離合器和制動(dòng)器。

由于有離合器和制動(dòng)器，傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)不僅存在如飛輪空轉(zhuǎn)[ 7〕、離合和制動(dòng)等的能量浪費(fèi)，還需要定期更換離合器和制動(dòng)器上磨損過(guò)度的摩擦材料，維護(hù)不便，費(fèi)用較高[ 8 ]。

在工作狀態(tài)下，伺服式熱模鍛壓力機(jī)本身的耗能就比傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)低。此外，伺服式熱模鍛壓力機(jī)省去了離合器等部件，不再需要壓縮空氣驅(qū)動(dòng)離合器，同時(shí)也可以省去空氣壓縮機(jī)的能量消耗。伺服式熱模鍛壓力機(jī)不存在飛輪空轉(zhuǎn)的能量損耗，因此有利于提高能量利用率，節(jié)能環(huán)保[ 10]

滑塊行程次數(shù)高。滑塊的行程次數(shù)提高后，加熱毛坯在鍛壓過(guò)程中同上、下模具的接觸時(shí)間就短，有利于降低加工過(guò)程中模具的溫度，提高模具的使用壽命。

同時(shí)，由于接觸時(shí)間短，熱鍛件在單次行程中傳到模具上的熱量少，使熱模鍛壓力機(jī)可以連續(xù)工作，有利于提高生產(chǎn)率。

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修量少。伺服式熱模鍛壓力機(jī)不需要離合器和用于儲(chǔ)存能量的大飛輪等，傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)布局緊湊、維護(hù)保養(yǎng)方便、故障率低。

鍛壓過(guò)程數(shù)控伺服，可以實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)控化、信息化加工[ 11 ] 鍛壓時(shí)的工作曲線(xiàn)可以根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)置[ 12〕 對(duì)打擊能量進(jìn)行伺服控制[ 13」 可以有效拓寬伺服式熱模鍛壓力機(jī)的工藝范圍，提高熱模鍛壓力機(jī)的工藝性能。

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在工作時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄壓力機(jī)的鍛壓參數(shù)，對(duì)伺服式熱模鍛壓力機(jī)進(jìn)行信息化管理[ 14]

噪聲低。傳統(tǒng)的熱模鍛壓力機(jī)的離合器的排氣噪聲一般能達(dá)到110 dB ( A )，即便加了消聲器后也會(huì)超過(guò)國(guó)家規(guī)定的85 dB ( A)。伺服式熱模鍛壓力機(jī)不需要離合器等，采用伺服電機(jī)對(duì)滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)行伺服控制。

由于沒(méi)有了離合器，伺服式熱模鍛壓力機(jī)在工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生排氣噪聲和摩擦噪聲，降噪環(huán)保[巧」2伺服式熱模鍛壓力機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2 · 1伺服式熱模鍛壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究

目前在熱模鍛壓力機(jī)上可以采用的電機(jī)有交流異步電機(jī)、變頻調(diào)速電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和交流伺服電交流異步電機(jī)是目前工業(yè)設(shè)備上應(yīng)用最廣泛的電機(jī)。

交流異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[ 16] 價(jià)格便宜、牢固耐用07和] 維護(hù)方便[18〕 優(yōu)點(diǎn)，但也有電機(jī)頻繁啟停時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，啟動(dòng)電流過(guò)大等缺點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)都是采用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的，這種熱模鍛壓力機(jī)需要離合器和制動(dòng)器等，能量利用率低。

將交流異步電機(jī)直接應(yīng)用熱模鍛壓力機(jī)會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，由于不能實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)，嚴(yán)重影響了熱模鍛壓力機(jī)的控制性能。

變頻調(diào)速電機(jī)是利用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的總稱(chēng)。

變頻器主要通過(guò)控制半導(dǎo)體元件的通斷把電壓和頻率不變的交流電變成電壓和頻率可變化的交流電源[19] 變頻調(diào)速電機(jī)具有調(diào)速效率高[20)、噪聲低、調(diào)速范圍寬[ 21〕 適應(yīng)不同工況下的頻繁變速等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于需要頻繁啟?；蜃兯俚膱?chǎng)合。

但是，目前變頻調(diào)速電機(jī)技術(shù)也有很多的問(wèn)題。我國(guó)發(fā)電廠的電動(dòng)機(jī)供電電壓高于功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓水平，造成電壓上的不匹配。

變頻調(diào)速系統(tǒng)由于大量使用了電子元器件，造價(jià)較高。由于目前變頻調(diào)速電機(jī)主要應(yīng)用于小功率場(chǎng)合，因此變頻調(diào)速電機(jī)在熱模鍛壓力機(jī)上的應(yīng)用受到了限制，但隨著變頻調(diào)速電機(jī)的發(fā)展及相關(guān)電子元器件價(jià)格的降低，變頻調(diào)速系統(tǒng)在熱模鍛壓力機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)上將會(huì)得到更多的應(yīng)用。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種新型的調(diào)速電機(jī)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[22〕可靠性高、成本低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好[ 23 ] 優(yōu)點(diǎn)，但也具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、震動(dòng)和噪聲大等缺點(diǎn)。

西安交通大學(xué)的趙升噸教授等在將開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)應(yīng)用于熱模鍛壓力機(jī)方面做了很多研究工作。

由開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服式熱模鍛壓力機(jī)與傳統(tǒng)熱模鍛壓力機(jī)最大的區(qū)別是沒(méi)有離合器和飛輪等。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)通過(guò)一級(jí)或多級(jí)齒輪減速驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，由工作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑塊做上下往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，完成工件的鍛壓工作。

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交流伺服電機(jī)的控制速度和位置精度非常準(zhǔn)確，通過(guò)控制電壓信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)的抗過(guò)載能力強(qiáng)，非常適合應(yīng)用于有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)或快速起動(dòng)的場(chǎng)合。

伺服電機(jī)的響應(yīng)速度快[ 24 ]

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