汽車板材零件充液成形液壓機(jī)生產(chǎn)線

文/趙娜·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

李學(xué)言·天津睿科達(dá)汽車技術(shù)有限公司

本文主要研究充液成形工藝，充液成形液壓機(jī)以及生產(chǎn)線組成部分，并著重探究了充液成形生產(chǎn)線的控制及充液成形液壓機(jī)生產(chǎn)線動作。最后，介紹了天鍛壓力機(jī)公司研制開發(fā)管板復(fù)合式充液成形生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線是我國自主研發(fā)的具有國際先進(jìn)水平的板材零件充液成形生產(chǎn)線，真正實現(xiàn)了設(shè)備、模具工藝技術(shù)、機(jī)電液一體化，實現(xiàn)了板材成形的數(shù)字化信息精準(zhǔn)傳遞。

國內(nèi)目前大噸位充液成形裝備與關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，已具備研制智能化充液成形生產(chǎn)線的能力和在自主白車身上應(yīng)用的條件，因此無論是從自主車型零件制造的需要，還是從填補(bǔ)國內(nèi)空白降低進(jìn)口整線購買和應(yīng)用成本的現(xiàn)實意義來講，都需要盡快啟動研制國產(chǎn)智能化充液成形液壓機(jī)生產(chǎn)線，實現(xiàn)應(yīng)用，填補(bǔ)國內(nèi)空白，趕上世界先進(jìn)水平。

基于充液成形工藝，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型充液成形設(shè)備及柔性化生產(chǎn)線，促進(jìn)充液成形生產(chǎn)線技術(shù)的發(fā)展，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文詳細(xì)探討了基于充液成形工藝的智能化液壓機(jī)的研制和柔性化生產(chǎn)線技術(shù)。

充液成形工藝

充液成形工藝相比較傳統(tǒng)工藝具有生產(chǎn)效率高，能實現(xiàn)一次成形，工序少，零件的整體性高、質(zhì)量更好，再現(xiàn)性高，幾乎件件具有相同的性能，特別適合于生產(chǎn)批量大的零件如管接頭，汽車，摩托車等交通運(yùn)輸工具零部件以及飛機(jī)上零部件，性能質(zhì)量相比鑄造及焊接的高得多，尤其是在汽車零部件生產(chǎn)上，提高零部件的整體質(zhì)量的同時減輕零部件的重量。所以現(xiàn)在汽車生產(chǎn)中開始大量流行這種工藝。對于減輕汽車重量，增加汽車的安全性很重要。開始慢慢替代傳統(tǒng)的焊接、鑄造工藝。

板材充液成形工藝

板材充液拉深是在凹模中充一定的柔性液體，當(dāng)凸模下行時，凹模中的液體產(chǎn)生相對壓力，從而將板材緊緊地貼在凸模上，并可在凹模與毛坯板料下表面之間產(chǎn)生流體潤滑和摩擦保持效果，從而可以得到高精度的工件，如圖1 所示。

圖1 充液拉深成形技術(shù)

充液成形技術(shù)具有以下的特征：(1)以液體或其他的柔性體來代替凹模。(2)摩擦保持效果。(3)摩擦降低效果即溢流潤滑效果。(4)形成軟拉深筋。

管材充液成形工藝

如圖2 所示，管材充液成形是將一根直的或預(yù)彎曲的管材放入模具型腔內(nèi)，兩端注入液體介質(zhì)、密封、閉合模具，在均勻的內(nèi)部液壓力和加在管材兩端的軸向力的共同作用下使管坯材料發(fā)生塑性變形，并成形為模具型腔的形狀，得到高精度的中空零件。管材充液成形又稱內(nèi)高壓成形，具體可分為內(nèi)高壓純脹形和帶軸向進(jìn)給內(nèi)高壓成形。一般零件成形內(nèi)壓力可以達(dá)到150 ～400MPa。

圖2 管材充液成形工藝

充液成形液壓機(jī)生產(chǎn)線組成

充液成形液壓機(jī)生產(chǎn)線由兩臺以上的充液設(shè)備和機(jī)器人單元及其他輔助設(shè)備組成，可分為板式充液成形生產(chǎn)線、管式充液成形生產(chǎn)線和管板復(fù)合充液成形生產(chǎn)線。通常，充液成形液壓機(jī)生產(chǎn)線基本組成單元有：充液成形液壓機(jī)、機(jī)器人、機(jī)器人抓手、自動上下料、工件定位裝置等。

液壓機(jī)單元

基于充液成形工藝特點(diǎn)及流程，研發(fā)充液成形液壓機(jī)。和傳統(tǒng)液壓機(jī)最大的區(qū)別在于充液成形液壓機(jī)具有蓄能器。另外，由于充液成形工藝對滑塊的運(yùn)動精度要求很高，故主機(jī)機(jī)身采用三梁四柱兩滑塊的結(jié)構(gòu)，即上橫梁、下橫梁、立柱、拉深滑塊、壓邊滑塊、移動工作臺、充液成形系統(tǒng)、檢修平臺組成，圖3 為天鍛研發(fā)的充液成形液壓機(jī)。

圖3 天鍛研發(fā)的充液成形液壓機(jī)

超高壓系統(tǒng)主要由油箱、水箱、電機(jī)、液壓泵、增壓缸、液壓閥、傳感器、壓力表和過濾裝置等組成，為板材充液成形提供0 ～60MPa 的液壓源。

超高壓源控制系統(tǒng)主要由控制柜、分線盒、計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和電氣接口等組成，可以實現(xiàn)板材充液成形過程的實時計算機(jī)控制。

增壓器系統(tǒng)為板材充液成形提供超高壓壓力源，系統(tǒng)由油箱、變量柱塞泵、增壓器、液壓閥和過濾裝置等組成。

以250MPa 增壓器為例，常用液壓系統(tǒng)額定工作壓力為25MPa，故其增壓器比為10:1。為滿足壓力隨工藝參數(shù)控制，增壓器需配置數(shù)顯尺，顯示精度可達(dá)0.01mm，增壓器的出口接壓力傳感器，檢測精度可達(dá)0.01MPa，為控制系統(tǒng)提供位移和壓力信號，用于控制增壓器。

機(jī)器人(圖4)本身剛度是滿足機(jī)器人作業(yè)單元的重要性能指標(biāo)。然而，注意到機(jī)器人的剛度隨其位形變化，因此需在概念設(shè)計階段快速預(yù)估出末端剛度在工作空間內(nèi)的變化規(guī)律，以便為機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計提供必要的理論依據(jù)。機(jī)器人關(guān)節(jié)變形的一個直接影響是引起末端的靜態(tài)變形誤差。在機(jī)器人的自重和外部負(fù)載的作用下，各關(guān)節(jié)會發(fā)生相應(yīng)的變形，而這種變形又會累積到機(jī)器人的末端。對串聯(lián)機(jī)器人，這種作用尤為明顯。機(jī)器人關(guān)節(jié)變形的另一個影響是引起末端的動態(tài)變形誤差，即振蕩，從而降低了機(jī)器人的動態(tài)性能。當(dāng)機(jī)器人高速運(yùn)行時，這種影響較為顯著。因此，若要提高機(jī)器人的位置精度和動態(tài)性能，必須減小關(guān)節(jié)變形的影響。機(jī)器人帶件運(yùn)行時本身會有晃動，再加上抓手都有負(fù)載重量，所以對機(jī)器人的剛度有一定的要求，要滿足機(jī)器人在運(yùn)動時加速和停止的瞬間不會超過誤差精度。

圖4 機(jī)器人單元

康熙·《行書柳條邊望月周》紙本、行書北京故宮博物院藏康熙的母親對書法頗有研究，尤其喜歡當(dāng)時書法大家趙涵的一些字帖，康熙私訪回京，想試試母親對書法的眼力，就把在周至大街上寫的字拿給她看。母親拿起字來端詳了一會兒，說：“康熙學(xué)字?jǐn)?shù)十年，只有一點(diǎn)像趙涵?！辈掩w涵添上的一點(diǎn)指給康熙。康熙聽后對母親更加敬重，從此也堅定了他學(xué)習(xí)趙涵書法的決心。

機(jī)器人的精度，機(jī)器人本身存在重復(fù)定位精度的問題，當(dāng)機(jī)械手重復(fù)運(yùn)動到同一位置點(diǎn)時，與最初定位位置存在相應(yīng)的誤差，根據(jù)產(chǎn)品工藝要求，必須保證機(jī)械手重復(fù)定位精度達(dá)到0.1mm，而且在機(jī)械手使用一段時間后也存在誤差增加的情況，時間長了可能會超出定位精度，所以在選擇機(jī)械手時一定要對機(jī)械手進(jìn)行全面的了解，本項目選擇ABB 機(jī)械手，能同時達(dá)到高精度和高穩(wěn)定性。

抓手單元

抓手(圖5)是機(jī)械手機(jī)器人抓料的工具，同一個機(jī)器人對應(yīng)不同的工件可以選擇不同抓手，在機(jī)械手第六軸上的工具法蘭盤上對接不同的機(jī)械抓手，可與機(jī)器人匹配，可實現(xiàn)不同工料不同抓手機(jī)器人自動切換，此時為保證精度問題，機(jī)器人與抓手的接口一定要有定位，保證機(jī)械手反復(fù)更換抓手時的重復(fù)定位精度不會超過誤差，并且在機(jī)器人高速移動或做加速度運(yùn)動時抓手跟隨機(jī)器人移動不會出現(xiàn)超過誤差精度的晃動幅度。同時抓手的剛度也要有相應(yīng)的要求，根據(jù)工件的質(zhì)量還有機(jī)器人需要的速度，計算好抓手的制作材料剛度，避免剛度過低引起晃動幅度過大導(dǎo)致抓取和放置時偏離指定位置抓歪或放歪。

圖5 吸盤式抓手

本項目采用吸盤式抓手，抓手根部有手動鎖緊更換裝置保證每次自由更換，高速運(yùn)動時不會有晃動偏差。結(jié)構(gòu)內(nèi)部有加強(qiáng)筋，在機(jī)器人抓料后運(yùn)動時不會有太大的晃動。吸盤的壓力滿足吸合后緊緊固定，保證了在整個運(yùn)動過程中的晃動或甩動不會造成物料位置偏移。

自動定位裝置

通常充液成形零件尺寸較大，剛性差，放置時會出現(xiàn)較大的凹陷，這樣將會造成工藝的不穩(wěn)定和預(yù)成形變形量不足，從而造成零件質(zhì)量一致性差，成品率低；零件成形過程中，為了便于機(jī)械手自動抓取，零件的位置需要精確固定，所以開發(fā)自動定位裝置(圖6)。

圖6 自動定位裝置

充液成形生產(chǎn)線的控制

控制系統(tǒng)

通常生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)由開關(guān)控制、電液比例控制和伺服控制組成，對位置控制精度是各不相同的，這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關(guān)。

伺服剛度和機(jī)械剛度是兩個不同的概念，它是指整個伺服系統(tǒng)，從控制系統(tǒng)到機(jī)械結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的抵抗外力而不產(chǎn)生位置偏差的能力。當(dāng)引入控制系統(tǒng)，即伺服驅(qū)動裝置時，控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)也會影響整個系統(tǒng)抵抗變形的能力。以上一節(jié)的單自由度系統(tǒng)為例，引入PD控制律，對被控對象的位置進(jìn)行定點(diǎn)控制。

機(jī)械剛度與伺服剛度，一個典型的機(jī)電系統(tǒng)，由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。如圖7 所示，其中Ge為控制環(huán)節(jié)，Gm為機(jī)械環(huán)節(jié)，xd為期望值，xo為輸出值，F(xiàn) 為干擾。

圖7 機(jī)電系統(tǒng)簡圖

機(jī)械剛度是指機(jī)械部件產(chǎn)生單位變形所需載荷的大小，它反映了機(jī)械結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。在載荷的作用下，機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形主要有自身變形、局部變形和接觸變形，機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度即為各部分變形的綜合作用。

充液成形液壓機(jī)生產(chǎn)線動作

充液成形生產(chǎn)線布置如圖8 所示。待壓制零件經(jīng)涂油后放置于生產(chǎn)線首工位的自動定位裝置進(jìn)行定位對中后，進(jìn)行雙料檢測；上料機(jī)器人抓取送料至首臺預(yù)成形液壓機(jī)完成第一道工序的加工，下料機(jī)器人取料、送料至充液成形液壓機(jī)完成充液成形工藝；線尾機(jī)器人取料、放料至伸縮皮帶機(jī)輸送，后進(jìn)行人工碼垛。

圖8 充液成形生產(chǎn)線

試驗驗證

天鍛壓力機(jī)公司為某汽車公司研制開發(fā)的管板復(fù)合式充液成形生產(chǎn)線是我國自主研發(fā)的具有國際先進(jìn)水平的板材零件充液成形生產(chǎn)線，真正實現(xiàn)了設(shè)備、模具工藝技術(shù)、機(jī)電液一體化，實現(xiàn)了板材成形的數(shù)字化信息精準(zhǔn)傳遞。該生產(chǎn)線主要包括以下部分：

(1)包含搬運(yùn)機(jī)器人及配套抓手，主要負(fù)責(zé)設(shè)備的上下料搬運(yùn)。

(2)每臺機(jī)器人配備2 套抓手，抓手采用自動快換機(jī)構(gòu)。

(3)上料機(jī)構(gòu)采用兩個料車交替使用，一次裝填可放置多套零件。

(4)下料機(jī)構(gòu)采用料車形式，料車可用于清洗機(jī)直接清洗。

(5)自動化線采用集中中央CPU +總線通訊的控制結(jié)構(gòu)。

(6)上位機(jī)對整線設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，實時運(yùn)行狀態(tài)檢測。

(7)自動化控制系統(tǒng)能檢查機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要故障。

總結(jié)

(1)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。

(2)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(jī)，該液壓機(jī)真正實現(xiàn)了機(jī)電液一體化。

(3)針對柔性沖壓生產(chǎn)線的設(shè)備配置和機(jī)器人離線編程技術(shù)，詳細(xì)介紹了天鍛壓力機(jī)公司研制開發(fā)的管板復(fù)合式充液成形生產(chǎn)線。

(4)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。