四個不同工業(yè)時代的鍛壓設備及其特點
工業(yè)1.0是指從18世紀60年代至19世紀中葉的第一次工業(yè)革命，瓦特改良了蒸汽機，從而開創(chuàng)了機器代替人工的工業(yè)浪潮，創(chuàng)造了機器工廠的“蒸汽時代”。工業(yè)1.0使用的機器都是以水力和蒸汽機作為動力驅(qū)動，雖然效率并不高，但是因為首次使用機械生產(chǎn)代替了手工勞動，經(jīng)濟社會從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎轉(zhuǎn)型到以工業(yè)、機械制造帶動經(jīng)濟發(fā)展的新模式，因此具有重大的劃時代意義。
工業(yè)2.0是指從19世紀70年代至20世紀初的第二次工業(yè)革命。在工業(yè)1.0中，使用水力和蒸汽的機器滿足不了人類社會高速發(fā)展的需求，新的能源動力和機器引導了第二次工業(yè)革命的發(fā)生。在工業(yè)2.0中，得益于內(nèi)燃機和發(fā)電機的問世，電器得到了廣泛的使用，將人類帶入分工明確、大批量生產(chǎn)的流水線模式和“電氣時代”，機械設備由繼電器、電氣自動化控制，交流異步電動機驅(qū)動。通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的高效新模式。汽車、輪船、飛機等交通工具得到了飛速發(fā)展，機器的功能也變得更加多樣化。并且，得益于電話機的發(fā)展，人類之間的通訊變得簡單快捷，信息在人類之間的傳播為第三次工業(yè)革命奠定了基礎。
工業(yè)3.0是指從20世紀50年代開始一直延續(xù)至今的第三次工業(yè)革命。在升級工業(yè)2.0的基礎上，廣泛應用電子與信息技術，使制造過程自動化控制程度進一步提高。生產(chǎn)效率、良品率、分工合作、機械設備壽命都得到了前所未有的提高。在此階段，工廠大量采用由PC、PLC/單片機等電子、信息技術自動化控制的機械設備進行生產(chǎn)。自此，機器能夠逐步替代人類作業(yè)，不僅接管了相當比例的體力勞動，還接管了部分腦力勞動。
工業(yè)4.0概念是德國政府2013年《高技術戰(zhàn)略2020》確定的十大未來項目之一，并已上升為國家戰(zhàn)略，旨在支持工業(yè)領域新一代革命性技術的研發(fā)與創(chuàng)新。工業(yè)4.0代表著一種新的生產(chǎn)技術和生產(chǎn)方式，被定義為“萬物互聯(lián)環(huán)境下的智能生產(chǎn)”，通過信息流與實物流的深度融合建立一種新的生產(chǎn)方式。工業(yè)4.0以及智能制造是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
如果說工業(yè)1.0是蒸汽機驅(qū)動的“蒸汽時代”，那么工業(yè)2.0就是交流異步電動機驅(qū)動的“電氣時代”，工業(yè)3.0則是交流伺服同步電動機驅(qū)動的“數(shù)控時代”，而工業(yè)4.0將開啟一個精彩的產(chǎn)品全生命周期的信息物理系統(tǒng)的“網(wǎng)絡智能化時代”。事實上，中國目前仍處于工業(yè)2.0的后期。對中國企業(yè)來講，工業(yè)1.0要淘汰，工業(yè)2.0要補課，工業(yè)3.0要普及，工業(yè)4.0要在有條件的情況下盡可能做一些示范。
工業(yè)1.0的蒸汽錘
蒸汽錘是工業(yè)1.0——“蒸汽時代”鍛壓設備的典型代表，如圖1所示。它利用蒸汽作為動力，能量利用率非常低，通常僅為3%左右，為了提供驅(qū)動錘頭所需的蒸汽，需要燃燒大量的煤用以產(chǎn)生蒸汽，同時也會消耗大量的水資源，并且會排放出大量的二氧化碳（CO2）及其他有害氣體，不但資源、能量利用率低，而且還會污染空氣。蒸汽錘工作環(huán)境惡劣，配套設施龐大且復雜，日常維修、保養(yǎng)工作量較大，工作效率低。因鍋爐、管路、鍛錘等系統(tǒng)多而復雜，加上設備老化，故障率極高，更可怕的是易出現(xiàn)突然停氣現(xiàn)象，致使錘頭下落或無法抬起，易造成人身事故。在工作中，系統(tǒng)氣壓偏低時，鍛錘無法操縱；系統(tǒng)氣壓過高時，錘頭又會出現(xiàn)移動不穩(wěn)定的情況，難以控制其運動。因此，生產(chǎn)加工環(huán)境相當惡劣，不利于技術人員長期正常工作，工作效率低，能源耗費大，難以適應正常生產(chǎn)工藝的要求。目前，蒸汽錘設備已經(jīng)基本被淘汰或者改造為電液錘。
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工業(yè)2.0的機械壓力機與液壓機
工業(yè)2.0——“電氣時代”鍛壓設備的主流產(chǎn)品是指采用交流異步電動機驅(qū)動的機械壓力機和液壓機。具體來講，圖2所示的機械壓力機以交流異步電動機為動力源，采用帶和齒輪組合的減速方式，通過飛輪存儲能量，根據(jù)離合器的接合與分離來控制機械壓力機滑塊的運動和停止，而電動機一直不停地旋轉(zhuǎn)。所以，滑塊運動特性曲線往往固定不變，通?；瑝K運動曲線為正弦曲線形式，難以滿足不同材料鍛壓時對滑塊運動曲線柔性化的需求。因為機械壓力機傳動系統(tǒng)中需要靠離合器和制動器完成滑塊的運動控制，會多消耗20%左右的離合與制動能量，而且飛輪空轉(zhuǎn)時也會消耗一定的能量，所以機械壓力機存在嚴重的能量損耗。此外，離合器和制動器內(nèi)部的摩擦材料屬于易消耗零部件，需要經(jīng)常更換和維護，導致使用和維護費用比較高。離合器和制動器的動作需要壓縮空氣作為動力源，動作過程中會產(chǎn)生較大的排氣噪聲。
工業(yè)2.0的液壓機是采用交流異步電動機驅(qū)動液壓泵，然后通過液壓閥控系統(tǒng)實現(xiàn)液壓機液壓缸的直線運動。液壓機按照機身的類型可分為三梁四柱式液壓機與框架式液壓機兩大類，如圖3和圖4所示。
工業(yè)2.0的液壓機采用交流異步電動機驅(qū)動，因為其啟動時間長，啟動電流是額定電流的5～7倍，電動機不能自動調(diào)速，從而造成工業(yè)2.0所使用的液壓機在工作時驅(qū)動液壓泵的交流異步電動機不停地進行旋轉(zhuǎn)，而液壓缸的運動與停止則通過液壓閥控制液壓泵輸出的油液流入液壓缸內(nèi)部或者流回油箱來實現(xiàn)，往往造成空載能耗大，液壓油容易發(fā)熱。
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工業(yè)3.0的交流伺服壓力機
交流伺服壓力機為工業(yè)3.0——“數(shù)控時代”的鍛壓設備，結構如圖5所示。依靠交流伺服電動機提供壓力機工作所需的驅(qū)動力，交流伺服電動機啟動時，啟動電流不會超過額定電流，而且具備頻繁啟停的物理特性，每分鐘可以允許啟停十幾次或幾十次，因此，傳動系統(tǒng)中不需要裝配控制滑塊運動和停止的離合器與制動器，從而大大簡化了交流伺服壓力機傳動系統(tǒng)的結構，避免了離合器與制動器動作時的能量消耗。伺服壓力機由簡潔的構造驅(qū)動系統(tǒng)和先進的伺服控制系統(tǒng)組成，交流伺服電動機驅(qū)動滑塊進行直線運動，依靠曲柄連桿等機構實現(xiàn)交流伺服電動機與滑塊之間的傳動。先進的伺服控制系統(tǒng)使壓力機保持了既有的機械驅(qū)動的優(yōu)點，改變了滑塊工作特性不可調(diào)的特點，使得機械驅(qū)動成形裝備具有了柔性化以及智能化的特性，工作性能和工藝適應性也得到了很大提升。
隨著交流伺服壓力機在汽車、電子等行業(yè)的推廣和應用，交流伺服壓力機的柔性和節(jié)能性等優(yōu)良特性在高精度、難成形零件加工方面表現(xiàn)出了其他壓力機無可比擬的優(yōu)越性。交流伺服鍛壓設備憑借其高效率、高智能、高柔性、高精度、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，成為國內(nèi)外先進鍛壓設備研究的熱點。但是，我國目前依然處于落后水平，主要表現(xiàn)在整體技術水平和產(chǎn)品競爭力方面。在高端沖壓裝備、產(chǎn)品種類、制造質(zhì)量、產(chǎn)品品質(zhì)控制、能源再利用以及環(huán)境保護等方面，我國的技術水平和世界先進水平之間的差距還非常大，尤其在大型交流伺服壓力機設計和制造技術等方面。具有自主知識產(chǎn)權的大噸位直驅(qū)型伺服式智能鍛壓設備的傳動機構構型設計、能量管理、伺服控制、沖壓加工工藝曲線優(yōu)化設計以及高速傳輸線設計等關鍵技術，在我國仍然屬于研究起步階段。
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工業(yè)4.0的智能鍛壓設備
伺服式智能鍛壓設備符合“智能一代”的思想，取代了傳統(tǒng)機械中的變速箱、飛輪等變量控制方式，實現(xiàn)動力源（包含位置、速度、力矩等進行數(shù)字化）的伺服控制，構建產(chǎn)品全生命周期的信息物理系統(tǒng)，由此實現(xiàn)制造裝備節(jié)能高效、智能可靠地運行?！稒C械工程學科發(fā)展戰(zhàn)略2011～2020》中對于“機械驅(qū)動與傳動科學”發(fā)展的論述認為：隨著材料、機械、電力電子及控制技術等學科的發(fā)展和制造技術的進步，機電系統(tǒng)的驅(qū)動方式將朝向以交流伺服為代表的智能化、節(jié)能化驅(qū)動方向發(fā)展。目前、隨著現(xiàn)代電動機設計理論的完善和永磁材料的應用發(fā)展，出現(xiàn)了不同拓撲結構的永磁電動機，通過合理的結構設計及優(yōu)化實現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)矩輸出和更低的保養(yǎng)費用。
這些關于電動機的研究為伺服驅(qū)動提供了很好的基礎。采用伺服電動機驅(qū)動，智能化精準控制，建立產(chǎn)品全生命周期的信息物理系統(tǒng)，構建高性能的塑性成形設備，是實現(xiàn)復雜工件高效、高性能成形的重要一環(huán)，是智能鍛壓設備的發(fā)展趨勢。
來源：摘自《鍛壓手冊》
