逐點(diǎn)機(jī)械液壓撓度補(bǔ)償技術(shù)的研究

曹光榮，王志明，魏雪梅，張子?xùn)|，劉 沖，李 峰

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇江都225200；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094）

板料折彎?rùn)C(jī)是一種使用廣泛的板材加工設(shè)備，該機(jī)使用最簡(jiǎn)單的通用折彎模具，能折出各種各樣的復(fù)雜零件，配備相應(yīng)的工藝設(shè)備，還可以用作沖槽、淺拉伸、沖孔、壓波紋等。其具有模具簡(jiǎn)單、通用性好、調(diào)整和更換方便的特點(diǎn)，通過調(diào)整滑塊的壓深距離，能進(jìn)行各種角度的折彎成形。

從20世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)陸續(xù)開發(fā)研制的數(shù)控板材成形設(shè)備，經(jīng)過多年的不斷完善，正日趨成熟[1]。國(guó)內(nèi)壓力機(jī)械傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，是將機(jī)床大幅度簡(jiǎn)化后進(jìn)行應(yīng)力和變形的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果試制出產(chǎn)品，再根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際使用情況進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法效率低，也增加了成本。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)折彎?rùn)C(jī)的精度要求越來越高，故需采用更為準(zhǔn)確的方法，對(duì)折彎?rùn)C(jī)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[2]。

在實(shí)際生產(chǎn)加工中，當(dāng)折彎?rùn)C(jī)在滿載或接近滿載時(shí)，滑塊和工作臺(tái)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，即滑塊中間向上拱起，工作臺(tái)中間向下凹，改變了板料折彎時(shí)中間部位的凸模進(jìn)入凹模的深度，導(dǎo)致工作臺(tái)上壓力的不均勻，嚴(yán)重影響了折彎工件的角度及直線精度[3]。這種誤差是必須解決的，且可以通過補(bǔ)償機(jī)構(gòu)來進(jìn)行補(bǔ)償[4]。

1 撓度變形的產(chǎn)生

折彎?rùn)C(jī)的下模安裝在工作臺(tái)上（下橫梁），上模安裝在滑塊上（如圖1）。

在工作過程中，折彎?rùn)C(jī)的上滑塊受到一個(gè)向上的均布載荷，而工作臺(tái)會(huì)受到一個(gè)向下的均布載荷，在均布載荷的作用下，滑塊和工作臺(tái)都將沿受力方向產(chǎn)生撓曲變形，從而產(chǎn)生撓度。

圖1 折彎?rùn)C(jī)模型

撓度的產(chǎn)生，使上模與下模在全長(zhǎng)范圍內(nèi)的距離、壓力都發(fā)生了變化。中間部位因?yàn)閾隙鹊脑颍辶瞎ぜ某尚徒嵌葧?huì)比兩頭大。隨著工件越長(zhǎng)，這種撓曲變形也越大。同時(shí)，伴隨著影響負(fù)載的材料強(qiáng)度增加，或者板料增厚，都將會(huì)導(dǎo)致工件在全長(zhǎng)范圍內(nèi)的角度誤差增大，嚴(yán)重影響到工件的角度和直線精度。

折彎?rùn)C(jī)在加工過程中，處于最大負(fù)荷狀態(tài)的同時(shí)而要求加工精度，保證角度和直線精度的難度比較大。為了解決折彎?rùn)C(jī)的撓度問題，可以借助研制出的各種撓度補(bǔ)償裝置[5]。

2 撓度的補(bǔ)償技術(shù)

由于工作臺(tái)在工作過程中產(chǎn)生撓曲變形，影響折彎精度和品質(zhì)，因此必須采取相應(yīng)措施來消除或彌補(bǔ)折彎?rùn)C(jī)產(chǎn)生的撓曲變形。撓度補(bǔ)償裝置，就是要在上?；蛳履９ぷ髋_(tái)上預(yù)置一個(gè)與受力方向相反的變形量，這個(gè)變形量又與實(shí)際工作時(shí)產(chǎn)生的變形量相似（如圖2）。

圖2 撓度補(bǔ)償前后效果對(duì)比示意圖

2.1 幾何補(bǔ)償技術(shù)

在制造時(shí)，把工作臺(tái)工作平面加工成中間稍微凸起的弧形，以補(bǔ)償折彎時(shí)產(chǎn)生的撓度。上模進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚沟蒙夏Ｖ虚g部位略帶弧形。當(dāng)滑塊發(fā)生向上的撓曲變形時(shí)，上?；沮呌谄街?，保持沿折彎線方向各點(diǎn)對(duì)板材的作用力基本一致。

幾何補(bǔ)償中弧形修正量的大小，要進(jìn)行縝密計(jì)算，既要滿足各種板料的補(bǔ)償技術(shù)要求，又不能太大，否則會(huì)帶來“矯枉過正”的后果，影響到板料折彎時(shí)的精度。這種方法雖然能起到一定的補(bǔ)償效果，但是補(bǔ)償量的計(jì)算和工作表面加工比較困難。

2.2 機(jī)械補(bǔ)償技術(shù)

加凸楔塊，是由一組帶斜面的加凸斜楔塊組成，每個(gè)加凸楔塊是根據(jù)滑塊、工作臺(tái)有限元分析的撓度曲線設(shè)計(jì)而成。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)工件折彎時(shí)的負(fù)載力的大?。ㄔ摿?dǎo)致滑塊和工作臺(tái)立板產(chǎn)生撓度變形），計(jì)算所需的補(bǔ)償量，自動(dòng)控制加凸楔塊的相對(duì)移動(dòng)量，從而有效地補(bǔ)償滑塊和工作臺(tái)立板產(chǎn)生的撓度變形，能得到理想的折彎工件（如圖3所示）。

圖3 機(jī)械補(bǔ)償結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械撓度補(bǔ)償是以控制位置的方式實(shí)現(xiàn)“預(yù)凸起”[6]，由一組楔塊在工作臺(tái)長(zhǎng)度方向上形成一條與實(shí)際撓度相吻合的曲線，使得在折彎時(shí)上下模具之間的間隙一致，確保折彎工件在長(zhǎng)度方向上的角度一致。機(jī)械補(bǔ)償可以在工作臺(tái)全長(zhǎng)上獲得精確的撓度補(bǔ)償。

機(jī)械撓度補(bǔ)償使用穩(wěn)定性持久，減少液壓補(bǔ)償（如漏油）的維修頻率，在機(jī)床壽命期內(nèi)免維護(hù)。機(jī)械撓度補(bǔ)償因?yàn)檠a(bǔ)償點(diǎn)比較多，使折彎?rùn)C(jī)在工作時(shí)折彎工件更能夠達(dá)到線性補(bǔ)償方式，更能提高工件折彎效果。機(jī)械補(bǔ)償是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，作為一個(gè)數(shù)控軸，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，使補(bǔ)償值更加精確。

機(jī)械補(bǔ)償只能在折彎結(jié)束后滑塊回到上死點(diǎn)，才能夠調(diào)節(jié)位移量，然后在二次折彎，折彎精度無法得到有效的控制和保證。機(jī)械補(bǔ)償有使用長(zhǎng)時(shí)間磨損的問題，還有最大補(bǔ)償量的限制。其制造成本較高，安裝難度大，通用性不好；而且，由于調(diào)整出的補(bǔ)償曲線種類有限，也就無法滿足各種彎曲條件所要求的直線精度。

2.3 液壓補(bǔ)償技術(shù)

下工作臺(tái)液壓自動(dòng)撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，它是由一組安裝在下工作臺(tái)里的油缸組成，每個(gè)補(bǔ)償油缸的位置、大小是根據(jù)滑塊、工作臺(tái)有限元分析的撓度補(bǔ)償曲線設(shè)計(jì)而成，如圖4、圖5所示。

圖4 液壓撓度補(bǔ)償工作臺(tái)變形圖

圖5 下橫梁撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)示意圖

液壓補(bǔ)償是通過前中后3塊立板之間的相對(duì)位移，來實(shí)現(xiàn)中立版的凸起補(bǔ)償，其原理是通過鋼板本身的彈性變形實(shí)現(xiàn)凸起，所以其補(bǔ)償量可以在工作臺(tái)的彈性范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)折彎工件的數(shù)據(jù)，計(jì)算負(fù)載的大小，計(jì)算所需的補(bǔ)償量，并通過調(diào)節(jié)比例減壓閥的壓力大小，來控制補(bǔ)償油缸的壓力，從而控制工作臺(tái)的撓度變形量。啟動(dòng)液壓撓度補(bǔ)償時(shí)，使得工作臺(tái)面是連續(xù)、平滑的變形曲線，能夠得到理想的折彎工件。

液壓撓度補(bǔ)償不像機(jī)械補(bǔ)償那樣，在折彎之前預(yù)先調(diào)節(jié)凸起，然后再折彎工件，而是在滑塊進(jìn)入到夾緊點(diǎn)開始折彎工件的時(shí)候，液壓補(bǔ)償才開始起作用，所以液壓補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)在折彎保壓時(shí)在線閉環(huán)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償（做到折彎角度適時(shí)檢測(cè)并適時(shí)進(jìn)行角度誤差補(bǔ)償），這樣折彎出來的工件可以得到理想的精度。

改變滑塊在機(jī)床下死點(diǎn)的保壓時(shí)間時(shí)，工作臺(tái)實(shí)際變形量在保壓時(shí)間較短情況下和保壓時(shí)間稍長(zhǎng)的情況下，工件折彎的加工精度可能會(huì)產(chǎn)生一些誤差。長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，液壓油內(nèi)可能混有雜物，造成液壓比例閥的工作精度，使加工精度誤差增大。由于補(bǔ)償壓力是從整個(gè)系統(tǒng)壓力分出來的，所以當(dāng)補(bǔ)償閥工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)有壓力部分損耗，而且油泄漏還會(huì)造成污染[4]。

3 逐點(diǎn)機(jī)械液壓撓度補(bǔ)償技術(shù)

當(dāng)板材的材質(zhì)出現(xiàn)差異時(shí)，折彎后的角度在長(zhǎng)度方向上會(huì)出現(xiàn)大的偏差，這時(shí)由激光在線檢測(cè)，來檢測(cè)各個(gè)點(diǎn)的折彎角度，并要對(duì)各個(gè)點(diǎn)的角度誤差進(jìn)行逐點(diǎn)的補(bǔ)償，才能適應(yīng)高強(qiáng)度板高精度折彎的要求，而傳統(tǒng)的補(bǔ)償就不能夠?qū)崿F(xiàn)逐點(diǎn)的補(bǔ)償。

3.1 逐點(diǎn)機(jī)械液壓補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

機(jī)械補(bǔ)償和液壓補(bǔ)償，只能夠?qū)崿F(xiàn)工作臺(tái)的整體補(bǔ)償凸起，不能對(duì)局部的一點(diǎn)實(shí)行逐點(diǎn)的局部補(bǔ)償，所以就對(duì)機(jī)械液壓逐點(diǎn)撓度補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行研究。下工作臺(tái)配液壓自動(dòng)撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，其是由一組安裝在下工作臺(tái)里的斜楔塊組成，每組斜楔塊由單獨(dú)的油缸來驅(qū)動(dòng)，再由伺服比例閥來控制油缸的移動(dòng)，斜楔塊的位移由位移傳感器反饋給數(shù)控系統(tǒng)（如圖6所示）。

圖6 機(jī)械液壓逐點(diǎn)撓度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 逐點(diǎn)機(jī)械液壓撓度補(bǔ)償?shù)乃欧刂?/h3>

每個(gè)補(bǔ)償楔塊由比例伺服控制，通過補(bǔ)償放大卡進(jìn)行伺服比例閥與數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算負(fù)載的大小和折彎要求，自動(dòng)得到一個(gè)補(bǔ)償量，控制斜楔塊的相對(duì)位移，通過比例伺服閥來控制楔塊里的油缸的動(dòng)作。

啟動(dòng)機(jī)液撓度補(bǔ)償時(shí)，使得工作臺(tái)面是連續(xù)、平滑的變形曲線。數(shù)控系統(tǒng)還可以根據(jù)激光在線檢測(cè)裝置在全長(zhǎng)方向上檢測(cè)的角度誤差，進(jìn)行適時(shí)的逐點(diǎn)補(bǔ)償，保證折彎角度的精確（如圖7所示）。

圖7 激光檢測(cè)與逐點(diǎn)補(bǔ)償閉環(huán)控制圖

4 結(jié)束語

通過了解折彎?rùn)C(jī)工件的折彎過程，分析了工作臺(tái)的變形規(guī)律。通過對(duì)幾何補(bǔ)償、液壓補(bǔ)償和機(jī)械補(bǔ)償工作原理的分析及比較，總結(jié)單一補(bǔ)償方式的缺陷，不能滿足當(dāng)板材的材質(zhì)出現(xiàn)差異或工作狀況發(fā)生變化時(shí)，折彎后的角度在長(zhǎng)度方向上的精確要求，所以研究設(shè)計(jì)了逐點(diǎn)機(jī)械液壓撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，可以對(duì)各個(gè)點(diǎn)的角度誤差進(jìn)行逐點(diǎn)補(bǔ)償，能適應(yīng)高強(qiáng)度板高精度折彎的要求，提高了折彎?rùn)C(jī)的加工精度。

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