內(nèi)高壓成形機(jī)可變合模力系統(tǒng)研究

李立豐 姜萬(wàn)錄

(①齊齊哈爾二機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161005;②燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

內(nèi)高壓成形技術(shù)是汽車(chē)底盤(pán)、車(chē)身和動(dòng)力總成各種空心變截面構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。內(nèi)高壓成形裝備包括合模壓力機(jī)、內(nèi)高壓成形系統(tǒng)和內(nèi)高壓成形模具3大部分。大噸位短行程液壓機(jī)是一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的液壓機(jī)、合模和開(kāi)模過(guò)程大部分行程由提升油缸(200 t)來(lái)完成，而僅僅鎖模過(guò)程由主油缸(6 000 t)來(lái)完成，如圖1所示。

這種壓力機(jī)合模與開(kāi)模速度較快，主缸行程小，因此容積小，可快速建立合模力，生產(chǎn)效率較高。以往內(nèi)高壓成形裝備不改變合模力，在初始合模時(shí)就施加了最大的合模力，對(duì)于大噸位內(nèi)高壓成形裝備來(lái)說(shuō)，需增加模具的體積才能避免模具變形和破壞，增加了模具成本。

1 內(nèi)高壓成形原理及過(guò)程

(1)成形原理

管材內(nèi)高壓成形技術(shù)通常用管坯作為原材料，通過(guò)對(duì)管坯型腔內(nèi)施加高壓液體壓力，軸向施加載荷作用，使其在給定模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，管壁與模具內(nèi)表面貼合，從而得到所需形狀零件的技術(shù)。

(2)成形過(guò)程

管材內(nèi)高壓成形過(guò)程如圖2所示。模具由上模和下模組成。下模固定在工作臺(tái)上，先將管坯彎曲到要求的形狀，在成形工藝中成為預(yù)成形，由單獨(dú)的一臺(tái)油壓機(jī)完成這一道工序，然后放入下模腔內(nèi)，閉合壓力機(jī)。

管的兩端用左右沖頭密封，同時(shí)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)推力。脹形用乳化液由b經(jīng)右沖頭內(nèi)中間孔道，引入管坯腔內(nèi)，管坯內(nèi)氣體經(jīng)左沖頭上部孔道由a排出，管坯內(nèi)充滿(mǎn)乳化液即完成沖液過(guò)程。接著將a孔封住，由b孔向管坯內(nèi)充以高壓。與此同時(shí)，左右沖頭同步向內(nèi)推進(jìn)補(bǔ)料，這樣在內(nèi)壓和軸向力聯(lián)合作用下使管坯貼靠模具而成形。左右沖頭推制到位，內(nèi)壓到一定值后，b孔停止供壓，沖頭后撤放掉乳化液，上模抬起，取出工件即可。

(3)可變合模力

以往內(nèi)高壓成形裝備不改變合模力，在初始合模時(shí)就施加了最大的合模力，對(duì)于大噸位內(nèi)高壓成形裝備來(lái)說(shuō)，需增加模具的體積才能避免模具變形和破壞，增加了模具成本。

因此本設(shè)備采用可變合模力技術(shù)，通過(guò)傳感器檢測(cè)管材內(nèi)的壓力和主缸內(nèi)的壓力，并根據(jù)內(nèi)高壓成形過(guò)程中管材內(nèi)部的液體壓力變化調(diào)整伺服閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)合模力可變，合模力跟隨內(nèi)壓在成形過(guò)程中的變化見(jiàn)圖3。

由于管材內(nèi)的壓力是逐漸建立起來(lái)的，并根據(jù)工藝要求按一定的加載曲線上升，采用可變合模力后，合模力平衡內(nèi)壓反力的部分隨內(nèi)壓增大，使模具受到的壓力保持在一個(gè)較低的水平，可避免模具體積過(guò)大，因此可降低模具成本，如圖4所示。

2 系統(tǒng)組成

壓力機(jī)床身上安裝有雙動(dòng)短行程液壓缸，這種設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)壓力機(jī)比較顯著地降低了工作時(shí)液壓油的使用量。所有的缸采用厚壁材料并且采用小摩擦密封，為了提高使用壽命，活塞是經(jīng)過(guò)硬化處理、精磨并且拋光的。液壓缸的行程為25 mm。

2.1 SSC系統(tǒng)構(gòu)成

成形機(jī)短行程缸SSC系統(tǒng)主要控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并形成最大合模壓力，因此控制系統(tǒng)采用1個(gè)主柱塞缸和4個(gè)活塞缸組成。

如圖5所示，SSC系統(tǒng)坐落在底座上，主柱塞缸在中間，為主要的成形合模力元件，4個(gè)活塞缸在4角，在工作臺(tái)回程時(shí)提供回程力。

根據(jù)計(jì)算，最后選定6 000 t液壓成形機(jī)，主活塞直徑為1 600 mm，面積20 106.19 cm2，壁厚為200 mm，4個(gè)輔助活塞油缸直徑160 mm，面積201 cm2，活塞面積總和20 910.19 cm2，油壓壓強(qiáng)P=60 000/20 910.19=28.7 MPa

根據(jù)《液壓傳動(dòng)》、《材料理學(xué)》、《設(shè)計(jì)手冊(cè)》等資料有:

式中:σ為缸壁厚度;Py為缸內(nèi)壓強(qiáng);D為缸直徑。

根據(jù)機(jī)械手冊(cè)，材質(zhì)為20號(hào)鋼σs=245 MPa;40號(hào)鋼σs=355 MPa。

如采用20號(hào)鋼，則安全系數(shù):

如采用40號(hào)鋼，則安全系數(shù):

根據(jù)手冊(cè)可查，液壓缸的安全系數(shù)2.5(2～3)左右，所以選擇油缸的材質(zhì)為45號(hào)鋼。

2.2 液壓原理

SSC系統(tǒng)動(dòng)力源和成形機(jī)滑塊長(zhǎng)行程缸運(yùn)動(dòng)采用同一泵源，泵組選用為壓力控制的柱塞變量泵，可控制系統(tǒng)的最大壓力。如圖6油缸的布置原理，另外在工作臺(tái)上還安裝有位移傳感器。

圖7為工作臺(tái)在內(nèi)高壓成形整個(gè)工序中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，工作臺(tái)在初始?jí)毫?500 t)啟動(dòng)，當(dāng)合模結(jié)束后，位移達(dá)到最大，合模力達(dá)到最小合模力要求(800 t)，在此壓力下內(nèi)高壓系統(tǒng)完成充液，隨后合模力隨工件內(nèi)壓變化，直至成形完成。卸壓后，工作臺(tái)返回，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。

工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)和壓力控制主要靠閥塊來(lái)控制，閥塊集成了控制和檢測(cè)用元件，在成形過(guò)程中，根據(jù)工藝要求，合模過(guò)程要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的快速進(jìn)給和合模壓力精確跟隨內(nèi)高壓成形力的大小。閥塊原理見(jiàn)圖8。

圖8a中閥塊功能主要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)缸的上、下運(yùn)動(dòng)和模具的預(yù)壓緊，工作臺(tái)在滑塊實(shí)現(xiàn)鎖緊后，完成設(shè)備的合模和開(kāi)模動(dòng)作，合模速度和初始合模力的大小由系統(tǒng)電子泵實(shí)現(xiàn)，開(kāi)模速度由電子泵完成，系統(tǒng)中插裝閥塊實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)缸的運(yùn)動(dòng)方向控制，電磁閥4YV1在工作臺(tái)合模時(shí)為工作臺(tái)缸下腔供油，電磁閥4YV2在工作臺(tái)開(kāi)模時(shí)為工作臺(tái)缸上腔供油。

具體過(guò)程是:電磁閥4YV1得電時(shí)，主油路油液通過(guò)插裝閥進(jìn)入工作臺(tái)缸底部，實(shí)現(xiàn)模具閉合。插裝閥底部的梭閥蓋板具有防止油液倒流的功能，可以保持系統(tǒng)無(wú)壓力波動(dòng)。電磁閥4YV1和上腔溢流閥互鎖，此時(shí)上腔溢流插裝閥底部壓力油通過(guò)電磁閥4YV1卸荷，這樣實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)缸上腔壓力油卸荷。電磁閥4YV2得電時(shí)，主油路油液通過(guò)插裝閥進(jìn)入工作臺(tái)缸上腔，實(shí)現(xiàn)模具開(kāi)啟。電磁閥4YV2和下腔溢流閥互鎖，此時(shí)下腔溢流插裝閥底部壓力油通過(guò)電磁閥4YV2卸荷，這樣實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)缸下腔壓力油的卸荷，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)返回。

本設(shè)備采用可變合模力控制技術(shù)，合模力的大小隨著管材內(nèi)高壓成形壓力的變化而變化。本系統(tǒng)中由限壓式變量柱塞泵和伺服閥直接植入工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)兩種系統(tǒng)的連接需要解決兩大問(wèn)題:一是系統(tǒng)耦合結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的壓力波動(dòng);二是內(nèi)高壓成形后的系統(tǒng)壓力卸荷。

為了解決壓力波動(dòng)問(wèn)題，在伺服閥出口管路上采用液控?fù)Q向閥，當(dāng)伺服閥壓力達(dá)不到模具預(yù)壓力時(shí)，此路不通;當(dāng)系統(tǒng)壓力和預(yù)壓力相等時(shí)，系統(tǒng)介入。此系統(tǒng)還能防止兩種系統(tǒng)的交叉現(xiàn)象。

合模完成后，系統(tǒng)壓力通過(guò)伺服閥卸荷，卸荷至系統(tǒng)預(yù)緊壓力后，伺服閥不起作用，工作通過(guò)電子泵快速返回，這樣可以減小壓力沖擊。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有中、小噸位合模壓力機(jī)為長(zhǎng)行程液壓機(jī)，均由主缸完成模具開(kāi)閉與施加合模力，因?yàn)橹鞲左w積大、不適于大噸位合模壓力機(jī)。所以本設(shè)備采用短行程液壓機(jī)方案，由位于壓力機(jī)上方的長(zhǎng)行程小噸位提升油缸完成模具開(kāi)閉，由位于下橫梁內(nèi)的短行程大噸位油缸施加合模力，該裝備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是能夠迅速建立大噸位合模力，且合模力可隨內(nèi)壓變化進(jìn)行控制，避免了模具在內(nèi)壓較低時(shí)受到過(guò)大的合模力作用造成變形和損壞。

［1］宋楠.管材內(nèi)高壓成形技液壓控制系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007，36(2):21 －23.

［2］朱偉成，徐成林.內(nèi)高壓成形汽車(chē)管件技術(shù)［J］.汽車(chē)工藝與材料，2004(1):12－14.

［3］苑世劍，王仲仁.輕量化結(jié)構(gòu)內(nèi)高壓成形技術(shù)［J］.材料科學(xué)與工藝，1999，7(增刊):139－142.