復(fù)合精沖成形裝備研發(fā)及應(yīng)用

文/華林，劉艷雄·武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院

精沖壓力機(jī)是專(zhuān)為完成精沖工藝而設(shè)計(jì)制造的精沖裝備，它必需充分滿足精沖工藝的特定要求。精沖成形是零件在精沖力、壓邊力和反頂力共同作用下實(shí)現(xiàn)剪切分離的工藝，因此必須能同時(shí)提供三種單獨(dú)的作用力。隨著復(fù)合精沖的發(fā)展，精沖機(jī)還需提供第四、第五力，甚至第六、第七力。另外精沖機(jī)還需要滿足沖裁速度可調(diào)、機(jī)架剛度高、導(dǎo)向精度高、滑塊重復(fù)定位精度高以及具有靈敏可靠的模具保護(hù)裝置等特點(diǎn)。

圖1 KHF全自動(dòng)精沖成形生產(chǎn)線

為了提高生產(chǎn)效率，精沖已向著全自動(dòng)生產(chǎn)方向發(fā)展。本項(xiàng)目組和黃石華力鍛壓設(shè)備有限公司合作研發(fā)的典型KHF1000型全自動(dòng)精沖生產(chǎn)線如圖1所示。全自動(dòng)生產(chǎn)流程主要包括開(kāi)卷-校平-復(fù)合精沖工序。由于精沖材料一般為卷料，因此首先要進(jìn)行開(kāi)卷。板料卷曲后會(huì)發(fā)生彎曲塑性變形，為了保證精沖零件的平面度，板料需要校平，然后通過(guò)精沖機(jī)的自動(dòng)送料系統(tǒng)將條料送進(jìn)。在自動(dòng)送進(jìn)系統(tǒng)中含有條料自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，條料的上下兩面會(huì)被涂抹潤(rùn)滑油。涂有潤(rùn)滑油的條料進(jìn)入模具型腔后，滑塊上行，模具閉合，在模具中進(jìn)行精沖成形。在一次精沖成形結(jié)束后，模具打開(kāi)，高壓氣體將零件及廢料吹出到傳送帶上，將零件及廢料運(yùn)送到料箱，或者通過(guò)機(jī)械手將零件和廢料取出。剩余的條料廢料在每隔一定沖次后由廢料剪剪斷，獲得一定長(zhǎng)度的廢料，便于回收處理。

全自動(dòng)液壓精沖機(jī)

總體結(jié)構(gòu)

圖2所示為KHF1200型全自動(dòng)液壓式精沖機(jī)主機(jī)三維立體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。KHF1200型精沖機(jī)是國(guó)內(nèi)噸位最大的全自動(dòng)液壓精沖機(jī)。該精沖機(jī)采用下傳動(dòng)式，主油缸布置在機(jī)架的下部，壓邊油缸布置在精沖機(jī)的上方，反頂油缸嵌入主沖壓油缸的內(nèi)部，這種布置使精沖機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。同時(shí)為了滿足滑塊的快速工進(jìn)和快速回程，主滑塊下還設(shè)計(jì)有快速閉合油缸。快速缸體積小、運(yùn)行速度快。精沖過(guò)程中，快速閉合油缸首先推動(dòng)滑塊快速上行，位移傳感器檢測(cè)到滑塊運(yùn)行到設(shè)定位置后進(jìn)行廢料檢測(cè)。如果不存在廢料，滑塊繼續(xù)上行進(jìn)行沖裁，此時(shí)主油缸開(kāi)始工作，提供大的沖裁力。同時(shí)壓邊缸和反頂缸的活塞被傳力桿頂著往后退，壓邊缸和反頂缸為背壓缸，活塞后退過(guò)程中能穩(wěn)定的提供壓邊力和反頂力。

圖2 KHF1200型液壓精沖機(jī)主機(jī)三維立體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該精沖機(jī)具有雙重導(dǎo)向，第一重導(dǎo)向?yàn)橹饔透椎幕钊c缸體之間的導(dǎo)向，第二重導(dǎo)向?yàn)橹骰瑝K與機(jī)架上的導(dǎo)軌導(dǎo)向。目前應(yīng)用最多的為八面導(dǎo)軌導(dǎo)向，具有很強(qiáng)的抗偏載能力，因此導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)加工精度要求非常高。對(duì)于精沖工藝，要求滑塊具有高的重復(fù)定位精度，液壓式精沖機(jī)上設(shè)計(jì)有限位塊，限位塊限制主油缸活塞向上運(yùn)行的上死點(diǎn)。限位塊位置可通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)精沖，精沖機(jī)上還配有送料機(jī)構(gòu)，送料機(jī)構(gòu)送進(jìn)步距誤差不能超過(guò)0.1mm，否則由于誤差累計(jì)，在級(jí)進(jìn)復(fù)合精沖成形時(shí)導(dǎo)致零件不能精確定位，損壞零件和模具。目前送料結(jié)構(gòu)一般采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，此外精沖機(jī)上還配有廢料剪，當(dāng)條料送進(jìn)到設(shè)定距離后自動(dòng)將廢料剪斷，便于廢料的收集。

機(jī)械部分設(shè)計(jì)

精沖機(jī)機(jī)架通常采用厚板焊接的整體框架式結(jié)構(gòu)，其加工流程為：首先將不同厚度（通常為20～400mm）的鋼板焊接在一起，然后進(jìn)行整體去應(yīng)力退火，最后進(jìn)行整體數(shù)控精加工，保證機(jī)架的尺寸精度。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)架具有較高的強(qiáng)度和剛度，并且可以為滑塊提供間隙可調(diào)的平面導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向精度高、抗偏載能力強(qiáng)，可以滿足精沖的工藝要求。此外機(jī)架經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化后，可以達(dá)到節(jié)省材料、減輕重量且便于制造的目的。

KHF型精沖機(jī)導(dǎo)向采用油缸與滑塊雙重導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。主油缸采用導(dǎo)向帶滑動(dòng)導(dǎo)向，在油缸和活塞之間設(shè)置導(dǎo)向帶，起導(dǎo)向作用的同時(shí)也防止了活塞與油缸直接接觸造成的磨損；主滑塊采用八面導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的抗偏載能力，確保偏載作用下精沖零件的成形精度。KHF型液壓式精沖機(jī)抗偏載性能測(cè)試結(jié)果如表1所示，這種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，其液壓缸滑塊環(huán)形導(dǎo)軌和滑塊平面導(dǎo)軌應(yīng)嚴(yán)格對(duì)中且間隙要均勻，加工精度要求極高。

表1 KHF型液壓式精沖機(jī)抗偏載性能測(cè)試結(jié)果

高性能節(jié)能液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)液壓精沖機(jī)為保證沖壓效率，其快速合開(kāi)?；芈芳爸鳑_壓回路均常采用比例-伺服閥控制系統(tǒng)，然而閥控系統(tǒng)低效率、高能耗等缺點(diǎn)在液壓精沖機(jī)上尤為突出。為改善液壓精沖機(jī)高能耗問(wèn)題以及實(shí)現(xiàn)低碳制造，對(duì)傳統(tǒng)精沖機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。本項(xiàng)目組提出了一種多蓄能器混合液壓控制系統(tǒng)，其中快速合開(kāi)?；芈凡捎帽壤?伺服閥控制系統(tǒng)，主沖壓回路采用伺服電機(jī)-泵控制系統(tǒng)，且在兩個(gè)回路中安裝多個(gè)液壓蓄能器，分別起到儲(chǔ)蓄能量、壓力補(bǔ)償與能量回收的作用。該混合液壓控制系統(tǒng)同時(shí)具有閥控液壓系統(tǒng)響應(yīng)快、伺服電機(jī)泵控制效率高的優(yōu)點(diǎn)，液壓蓄能器的合理利用使其系統(tǒng)能量的利用效率進(jìn)一步提高。改進(jìn)前與改進(jìn)后系統(tǒng)性能、能耗及利用效率分別如圖3和圖4所示。

圖3 優(yōu)化前后的精沖機(jī)液壓系統(tǒng)性能對(duì)比

圖4 不同負(fù)荷率下精沖機(jī)液壓系統(tǒng)能量利用率

圖3 中，對(duì)液壓系統(tǒng)改進(jìn)后，其精沖機(jī)滑塊在快上、檢測(cè)、沖壓階段響應(yīng)速度幾乎相同，而對(duì)卸壓及快返階段改進(jìn)后，系統(tǒng)滑塊響應(yīng)運(yùn)動(dòng)速度明顯加快，導(dǎo)致工作循環(huán)周期減小，進(jìn)一步提高了精沖機(jī)工作效率。另外整機(jī)的液壓系統(tǒng)振動(dòng)非常小，在復(fù)合精沖成形過(guò)程中，豎立放置的硬幣可以保持不倒。

圖4中，當(dāng)負(fù)荷率較小時(shí)（＜10%），改進(jìn)后與改進(jìn)前液壓系統(tǒng)能量利用率相差不大，然而隨著負(fù)荷率升高，改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)相比改進(jìn)前能量利用率平均提高25%。以一臺(tái)650t液壓精沖機(jī)為例，其功率為145kW，沖頻30次/min，16小時(shí)/天，300天/年，電費(fèi)1.2元/度，閥控系統(tǒng)能量利用效率25%，泵控系統(tǒng)能量利用效率50%。則生產(chǎn)同批量產(chǎn)品，泵控系統(tǒng)比閥控系統(tǒng)每年多節(jié)約電能為：E=(145-145×25%/50%）×16×300=348000kW·h。每年多節(jié)約：348000kW·h×1.2元/kW·h=417600元。

為了滿足復(fù)合精沖多力系要求，精沖機(jī)需要提供第四、第五力，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。精沖機(jī)的主油缸提供精沖力與精沖運(yùn)動(dòng)，反頂油缸提供精沖反頂力和反頂運(yùn)動(dòng)，壓邊油缸提供壓邊力和壓邊運(yùn)動(dòng)。至于第四、第五力，則是根據(jù)零件成形特征，在模具中設(shè)計(jì)擠壓油缸和擠壓反頂油缸，其液壓力源來(lái)自精沖機(jī)的液壓系統(tǒng)。在精沖機(jī)液壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有第四力、第五力的液壓油路，只需通過(guò)油管將模具上的液壓油缸和精沖機(jī)上的液壓油路連接起來(lái)即可。隨著精沖零件結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，力系數(shù)量要求越來(lái)越多，第六、第七力系全自動(dòng)液壓精沖機(jī)也已經(jīng)研發(fā)了出來(lái)。

圖5 復(fù)合精沖多力系結(jié)構(gòu)原理圖

高速機(jī)械伺服精沖機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)高速精沖，本項(xiàng)目組還研發(fā)了機(jī)械伺服高速精沖機(jī)。其最大精沖成形力為3200kN，最大壓邊力為1600kN，最大反頂力為800kN，滑塊最大行程為70mm，沖壓頻率最高為220次/min，沖裁板料厚度為0.5～10mm，各參數(shù)指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

該精沖機(jī)主傳動(dòng)采用曲柄肘桿結(jié)構(gòu)，為雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)原理圖如圖6所示。其中伺服電機(jī)1快速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精沖機(jī)主滑塊的快速上行，當(dāng)主滑塊快速上行到預(yù)備沖裁位置時(shí)，伺服電機(jī)2開(kāi)始工作，提供足夠大的主沖裁力，實(shí)現(xiàn)慢速精沖，精沖完成后，伺服電機(jī)1再次高速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)快速回程。采用雙伺服電機(jī)能夠有效避免單電機(jī)功率過(guò)大現(xiàn)象，可節(jié)約能源和制造成本，同時(shí)能夠高速平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)精沖成形。

圖6 雙伺服電機(jī)曲柄肘桿結(jié)構(gòu)

目前在精沖過(guò)程中常采用恒定壓邊力及頂出力，為了實(shí)現(xiàn)智能精沖，壓邊力及頂出力在精沖過(guò)程中智能可調(diào)，并對(duì)傳統(tǒng)液壓精沖機(jī)壓邊及反頂系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。反頂力液壓系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 智能伺服反頂缸液壓系統(tǒng)圖

與傳統(tǒng)反頂缸液壓系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用比例溢流插裝閥替換普通電磁溢流插裝閥。通過(guò)調(diào)節(jié)比例溢流閥溢流壓力值，能實(shí)現(xiàn)精沖過(guò)程中頂出力的伺服可調(diào)。根據(jù)研究表明壓邊力主要在精沖的初始階段，此時(shí)剪切變形區(qū)的壓應(yīng)力較大。隨著精沖行程的增加，剪切變形區(qū)壓應(yīng)力逐漸減小。因此在精沖初期可以適當(dāng)減小壓邊力和反頂力，隨著行程的增加再逐漸增加壓邊力和反頂力。這種設(shè)計(jì)一方面可以減小能耗，另一方面對(duì)于高強(qiáng)度難變形材料，動(dòng)態(tài)調(diào)整壓邊力和反頂力，可以實(shí)現(xiàn)其全光亮帶的精沖成形。

結(jié)束語(yǔ)

精沖裝備作為精沖成形工藝的保證，其性能直接決定了復(fù)合精沖零部件的質(zhì)量，也反映了國(guó)家高端裝備的發(fā)展水平。本項(xiàng)目組和黃石華力鍛壓設(shè)備有限公司合作研發(fā)的KHF系列精沖機(jī)整體性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，后續(xù)將繼續(xù)研發(fā)更高速度、更高精度的復(fù)合精沖機(jī)。