基于充液成形工藝的液壓機及柔性生產(chǎn)線

文/趙娜，王娜·天津市天鍛壓力機有限公司

基于充液成形工藝的液壓機及柔性生產(chǎn)線

文/趙娜，王娜·天津市天鍛壓力機有限公司

趙娜，碩士，助理工程師，主要從事充液成形液壓機和自動化生產(chǎn)線技術(shù)工作，已發(fā)表論文2篇。

本文研究了柔性沖壓生產(chǎn)線中的工藝分析、裝備設(shè)計和機器人技術(shù)。著重探究了板材充液成形工藝，針對汽車鋁合金覆蓋件為研究對象，進(jìn)行了充液成形數(shù)值模擬?；诔湟撼尚喂に?，研制了高端數(shù)控充液成形雙動液壓機，其中主機系統(tǒng)采用組合框架式設(shè)計。最后，針對柔性沖壓生產(chǎn)線的設(shè)備配置和機器人離線編程技術(shù)，詳細(xì)介紹了天鍛壓力機公司研制開發(fā)的管板復(fù)合式充液成形生產(chǎn)線。同時，基于此生產(chǎn)線對汽車鋁合金發(fā)蓋內(nèi)板進(jìn)行了試驗驗證。該生產(chǎn)線的投入使用標(biāo)志著天鍛壓力機公司具有自主研發(fā)先進(jìn)水平的鈑金零件充液成形生產(chǎn)線的能力。

汽車輕量化發(fā)展

汽車輕量化是通過車身優(yōu)化設(shè)計，采用輕體材料如高強度鋁合金、鎂合金等，以先進(jìn)的制造技術(shù)如板材/管材充液成形技術(shù)來實現(xiàn)。然而在車身上還鮮有應(yīng)用鋁合金板材、管材和型材的，這主要是因為沒有支撐這些鋁合金材料成形的先進(jìn)大型裝備，雖然開始采用剛性模具成形一些鋁合金的板材零件，但由于鋁合金成形性能差、表面硬度低、容易失穩(wěn)、連續(xù)多道次成形需要中間退火、模具質(zhì)量要求高等原因，嚴(yán)重阻礙了鋁合金板材在汽車整體車身上的應(yīng)用，現(xiàn)代充液成形技術(shù)為汽車鋁合金板材成形提供了途徑。

汽車鋁合金覆蓋件充液成形工藝

板材充液成形工藝簡介

板材充液成形是在凹模中充滿液體，利用凸模（帶動板料）進(jìn)入凹模時建立反向液壓的成形方法。由于反向液壓的作用，可減小普通拉深成形中凸、凹模之間坯料的懸空區(qū)，使該部分坯料緊貼凸模，零件形狀尺寸最終靠凸模來保證，還可產(chǎn)生“摩擦保持效果”，緩和板料在凸模圓角處（傳統(tǒng)拉深時的危險斷面）的徑向應(yīng)力，提高傳力區(qū)的承載力，抑制坯料減薄和開裂，可有效提高成形極限、減少成形道次。液體從坯料與凹模上表面間溢出，在板料與凹模表面間形成流體潤滑，摩擦減小。油液保護作用使得成形零件表面無劃傷，緩解了零件表面的劃傷，同時使法蘭變形所需的徑向應(yīng)力減小。

充液拉深與普通拉深對比如圖1所示，先在液壓室（凹模）內(nèi)充滿液體，放上拉深坯料，施加一定的壓邊力，凸模下行進(jìn)行拉深，同時開動液壓泵使液體保持一定的壓力，直到拉深結(jié)束，然后抬起凸模、壓邊圈，取出成形零件。

圖1 充液拉深和普通拉深對比

基于充液成形工藝的數(shù)控液壓機設(shè)計

根據(jù)板材充液成形工藝特點及流程，適用的設(shè)備需具有以下特點：

⑴專用液壓機為雙滑塊配置，即雙動液壓機。

⑵液壓機的壓邊力為拉深力的0.3～0.4倍。這一點區(qū)別于傳統(tǒng)雙動液壓機的壓邊力為拉深力的0.6～0.7倍。

⑶專用液壓機受力集中在主機中心處，主機機構(gòu)與傳統(tǒng)雙動液壓有區(qū)別。

⑷板材充液成形一般為小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍慢，故油缸速度可適當(dāng)降低。

⑸板材充液成形對拉深滑塊相對工作臺的垂直度要求較高。

⑹板材充液成形設(shè)備對壓邊力要求實時可調(diào)。

⑺壓邊滑塊及拉深滑塊具有各自獨立控制系統(tǒng)，防止成形過程中有干擾。

⑻根據(jù)工件成形的工藝及材料特性，拉深成形速度一般為1～10mm/s。

⑼成形過程中充液成形液體四處噴濺，設(shè)備需具有防水及回收過濾裝置。

根據(jù)以上特點，設(shè)計一種適用中小型板材充液成形液壓機。

主機設(shè)計

由于成形對滑塊的精度要求較高，因此，主機機身采用整體框架式結(jié)構(gòu)。主機主要由機身、拉深滑塊、壓邊滑塊、移動工作臺及各種油缸組成。機身及滑塊和工作臺采用優(yōu)質(zhì)Q235-A鋼板，用二氧化碳?xì)怏w保護焊接工藝焊接，焊接完成后進(jìn)行高溫退火消除內(nèi)應(yīng)力。整機的設(shè)計全部采用計算機優(yōu)化設(shè)計并經(jīng)有限元應(yīng)力分析，機床的強度高，剛度好，外形美觀。

本機滑塊分為拉深滑塊和壓邊滑塊。拉深滑塊和壓邊滑塊以機身左右支柱的導(dǎo)軌為導(dǎo)向做上下運動。導(dǎo)向形式為直角八面，導(dǎo)軌間隙可調(diào)，導(dǎo)板采用復(fù)合材料，具有自潤滑功能。滑塊的位置控制采用進(jìn)口位移傳感器檢測，顯示精度達(dá)到0.01mm。在滑塊下平面及工作臺上平面布置有T形槽，方便固定模具。

同時本機設(shè)計時增加了機械鎖緊結(jié)構(gòu)，可拓展機器的使用范圍，實現(xiàn)單動功能，需要時可人工更換，切換單、雙動功能。液壓機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

油缸缸體均采用35#鍛鋼，以保證材質(zhì)的均勻性。柱塞桿采用45#鍛鋼，經(jīng)退火處理后粗加工，表面硬化處理、精加工而成，精度高，耐磨性好。拉深缸采用單一的活塞式油缸，而壓邊缸采用四個油缸組成，兩個活塞缸，兩個柱塞缸，四角對稱布置，在保證壓邊力均勻的同時可以降低生產(chǎn)成本。

柔性沖壓生產(chǎn)線

機器人柔性生產(chǎn)線作為一個靈活、可靠、通用的加工單元，可以長時間保證工作的穩(wěn)定性和安全性，只要通過更換端拾器和機器人程序，模具就可以加工板材和管材零件。

生產(chǎn)線設(shè)備配置

沖壓生產(chǎn)線根據(jù)生產(chǎn)線工藝的不同，一般由兩臺以上的充液設(shè)備組成。其典型的工藝組程序為拉延、沖裁、沖孔和翻邊。第一臺設(shè)備主要進(jìn)行拉延序，因為拉延需要壓邊力，因此第一臺設(shè)備是整條生產(chǎn)線中噸位最大的設(shè)備。

薄板沖壓生產(chǎn)線設(shè)備如圖3所示。垛料小車開進(jìn)（左右兩側(cè)垛料小車自動更換）；拆垛裝置上進(jìn)行磁性分張后，拆垛機器人取料后，每次將1片板料放至皮帶線并進(jìn)行雙料檢測；板料經(jīng)過渡磁性皮帶機清洗、涂油后送至沖壓線首工位的機械自動對中平臺，對中后進(jìn)行二次雙料檢測；上料機器人送料至首臺壓機沖壓，傳送機器人取料、送料，進(jìn)入下一壓機沖壓；根據(jù)工序數(shù)量循環(huán)，傳送機器人取料、送料后至末端壓機沖壓；線尾機器人取料、放料至伸縮皮帶機輸送，后進(jìn)行人工碼垛。

圖3 薄板沖壓生產(chǎn)線設(shè)備

機器人離線編程技術(shù)

采用基于RobotStudio軟件的離線編程技術(shù)，通過對機器人視覺標(biāo)定、路徑規(guī)劃、碰撞檢測、在線編程，及壓機和周邊的設(shè)備模擬仿真，實現(xiàn)了所有設(shè)備之間的聯(lián)動，安全互鎖，為生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)提供了可靠驗證，縮短了調(diào)試周期，節(jié)約了生產(chǎn)周期，提高了效率又保證了準(zhǔn)確和安全。薄板沖壓生產(chǎn)線模擬圖如圖4所示。

圖4 薄板沖壓生產(chǎn)線模擬

結(jié)論

⑴ 探究了板材充液成形工藝，以汽車鋁合金覆蓋件為研究對象，進(jìn)行了充液成形數(shù)值模擬。

⑵基于充液成形工藝，研制了高端數(shù)控充液成形雙動液壓機，該液壓機真正實現(xiàn)了機電液一體化。

⑶針對柔性沖壓生產(chǎn)線的設(shè)備配置和機器人離線編程技術(shù)，詳細(xì)介紹了薄板沖壓生產(chǎn)線。