（机械电子工程专业论文）多工位压力机数控液压垫液压系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 上世纪8 0 年代以来，汽车工业中大型覆盖件冲压生产对冲压设备提出了越 来越高的要求，促进了大型多工位压力机技术迅速发展。数控液压垫是实现多工 位压力机高效工作的关键设备。在多工位压力机加工工件时，依据板料成形工艺 要求，通过液压垫实时控制压边力。本文在研究产生压边力的方案基础上，对液 压垫液压系统进行设计与分析，建立液压垫液压系统的数学模型，并对液压垫液 压系统进行仿真分析和优化。论文主要内容： 第一章：介绍了数控液压垫在汽车工业发展中的重要性，分别探讨了多工位 压力机、压边力技术的发展现状和趋势，最后概括了文章选题的意义和主要研究 内容。 第二章：介绍了液压成形技术和压边力等重要概念，对比、总结三种产生压 边力的方案。在深入研究三种方案的基础上，对液压垫液压系统的设计提出合理 化建议。 第三章：对应液压垫液压系统的控制曲线，并结合各动作液压原理图，对液 压系统工作原理进行了分析，着重分析了预加速运动过程和压边力控制过程。对 液压系统进行了静态计算和主要元件选型，并对辅助动力系统和系统产生的热量 进行了计算。 第四章：对常见的仿真方法进行了介绍。建立液压垫液压系统中关键动作一 预加速运动过程和压边力控制过程的数学建模。通过仿真分析并对控制方法进行 优化，验证设计的液压系统满足实际工作要求。 第五章：对全文进行总结，并对下一步工作进行展望。 本文在深入研究产生压边力方案的基础上，对液压垫液压系统进行设计，通 过仿真分析及优化，证明所设计的液压系统满足现代汽车工业生产要求，并对后 续研究工作提出展望。 关键词： 板料成形，液压垫，压边力，建模与仿真 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e19 8 0 s ，t h eh i g h e rr e q u i r e m e n to fp r e s s e sf o rh u g es h e e tm e t a lf o r m i n gi n a u t oi n d u s t r y , w h i c hp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fm u l t i - p o i n td i e c u s h i o no f h y d r a u l i cp r e s s e s t h ek e ye q u i p m e n to fm u l t i - p o i n tp r e s s e s i sn cc o n t r o l l e d h y d r a u l i cd i e - c u s h i o n b a s e d o l ls h e e tf o r m i n gr e q u i r e m e n t ，f o r c ea l w a y sb e c o n t r o l l e db yh y d r a u l i cd i e - c u s h i o n i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gt h e p r o g r a mo fb l a n kh o l d e rf o r c e ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fh y d r a u l i cd i e - c u s h i o ni s d e s i g n e d b ym a t hm o d e la n ds i m u l a t i n g ，w ee n s u r et h eh y d r a u l i cs y s t e mw o r k sw e l l t h ep a p e r sm a i nc o n t e n t ： i n c h a p t e rl ，t h ei m p o r t a n c eo fn cc o n t r o l l e dh y d r a u l i cd i e - c u s h i o n i s i n t r o d u c e d t h e n ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do fp r e s s e sa led i s c u s s e d t h eb l a n k h o l d e rf o r c ei sa l s oi n t r o d u c e d i nt h ee n d ，t h em e a n i n ga n dt h em a i nc o n t e n to ft h i s p a p e ra r es u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，t h ek e yc o n c e p t i o no fh y d r a u l i cp r e s s u r ef o r m i n ga n db l a n kh o l d e r f o r c ea r ei n t r o d u c e d ，t h ep r o g r a m so fg e n e r a t i n gb l a n kh o l d e rf o r c ea l ec o n c l u d e db y c o n t r a s t i nc h a p t e r3 ，t h ec o n t r o lc u r v eo fh y d r a u l i cs y s t e mw a sp r e s e n t e d ，t h ew o r k p r i n c i p l eo fe a c hs e q u e n c e ，e s p e c i a lt h ep r e a c c e l e r a t i o na n dt h eb l a n kh o l d e rf o r c e p r o c e s s i n g a r ea n a l y z e d t h eh y d r a u l i cs y s t e mi sc a l c u l a t e da n dt h em a i nc o m p o n e n t s a lec h o s e n a u x i l i a r yp o w e rs y s t e ma n dt h er e l e a s i n gh e a to fh y d r a u l i cs y s t e ma r e c a l c u l a t e d i nc h a p t e r4 ，t h em e t h o d so fs i m u l a t i o na r ei n t r o d u c e d t os a t i s f yt h ew o r k r e q u i r e m e n t ，t h ep r e - a c c e l e r a t i o np r o c e s s i n ga n db l a n kh o l d e rf o r c ep r o c e s s i n ga l e m o d e l e da n ds i m u l a t e d i nc h a p t e r5 ，s u mu pt h ew h o l ep a p e ra n dp r o s p e c tt h en e x ts t e pw o r k o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gp r o g r a m so fb l a n kh o l d e rf o r c e ，f i r s t l y , t h eh y d r a u l i c s y s t e mi sd e s i g ni nt h i sp a p e r ；t h e n ，b ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，t h eh y d r a u l i cs y s t e m t h a ts a t i s f i e dt h ew o r kr e q u i r e m e n ti sb u i l tu p ；i nt h ee n d ，w ep r o s p e c tt h en e x ts t e p w o r k k e y w o r d s ：s h e e tm e t a lf o r m i n g ，d i e c u s h i o n , b l a n kh o l d e rf o r c e ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 学号2 q 鱼9 81 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究： 作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同：基对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：圣：建室伟签字日期：一z 悱7 , 目7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权监 姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一 ， 学位论文作一：啦传黜名：气彬白 签字日期：瑚年 呵月7 7 日签字日期：五彬年7 月j ，7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 渐ij 大学l # 位论i 第一章绪论 1 1 数控液压垫技术的研究背景 随着汽车工业的发展，汽车工业丌益呈现生产规模化、车型个性化、车型变 化快、多车型兆线生产、车身覆盖件大型化、体化等特征，对冲压拉伸设各的 控制精度和生产效率不断提出更高的要求，普通m 力机在性能上已经不能满足高 精度汽车覆盖件的制造要求。 可进行柔性冲压生产的多工位压力机集机械、电子、控制和检测技术为一体， 仝自动化、智能化，操作安全。冲压件的综台成本低，劳动生产率高，工件质量 高。多工位压力机满足了汽车工业人批量生产的需要，也代表了当今国际锻压技 术的最高水平，是目酊世界上大型覆盖件冲压设备的最高级发展阶段，也是车身 覆盖件冲压成形生产的发展方向。多工位压力机是汽车上业的重大技术装备它 的技术水平影响和制约着汽车工业的发展ij 。 配备有数控液压挚的多工位压力机进行t 件拉伸，可提高工件拉伸质量，满 足复杂工件的拉延要求，延长设备使用寿命，提高没备利用率，从而进一步提高 经济效益。 凹1 1 多i 。位压力机及数控液压挚 采用人型多上位压力机生产轿车是我幽汽车工业发展的必经之路。数控液压 垫技术是大型多工位压力机的关键技术。在使用液压挚压制工件时，依据板料成 浙江大学硕士学位论文 形工艺要求实时控制压边力( b l a n kh o l d i n gf o r c e ，b h f ) 。 目前，大型多工位压力机技术被国外少数压力机制造商垄断，技术空白使得 我国汽车生产厂家使用的数控液压垫全部依赖进口，致使设备价格大幅攀升，汽 车制造成本随之增加。要摆脱国外技术垄断的束缚，使我国民族工业得到进一步 发展，需要开发具有我国自主产权的数控液压垫技术，尽快装备于汽车工业，并 参与到国际市场的竞争中去，才能进一步带动工业技术的创新。 1 2 多工位压力机发展现状和趋势 1 2 1 多工位压力机发展现状 多工位压力机是一种以普通单机串联加上机械送料机构组成的自动冲压线 为基础而发展起来的自动化设备。2 0 世纪8 0 年代，随着国际市场竞争日益激烈， 国外汽车工业中大型覆盖件冲压生产对冲压自动线设备提出了越来越高的要求， 促进了大型多工位板料自动压力机技术迅速发展，成为当今汽车车身件冲压车 间的先进冲压机械，并显示出广阔的发展前景【2 】【3 1 。 世界工业发达国家的轿车大型覆盖件的冲压生产，2 0 世纪主要经历了如下 五个发展阶段 4 1 。 ( 1 ) 第一阶段：5 0 年代以前，采用一台双动拉伸压力机和数台单动压力机 组成的冲压流水线，手工上下料，全线一般长5 0 米左右。这种生产线生产率低 ( 3 6 件分) 、工作环境恶劣、劳动强度大、产品质量差。 ( 2 ) 第二阶段：6 0 年代，这时的生产线设备组成没有什么变化，只是在每 台压力机上配备了下料机械手，以减轻工人劳动强度，减少在线操作工人数，劳 动生产率有所提高。 ( 3 ) 第三阶段：7 0 年代，生产线有较大改进，在多台压力机上配备拆垛装 置、上下料机器人、压力机中间翻转或穿梭传送装置，并设有专用电控系统。该 线仅需1 2 人操作，生产率明显提高制件质量好，操作安全可靠，线长仍在5 0 米左右。 这种全自动冲压生产线有两种型式：一种是以一台双动拉伸压力机为首加 上数台单动压力机组成，双动压力机与第一台单动压力机间配有翻转装置；另一 种是全部由单动多连杆压力机组成，压机间只设置单动穿梭送料装置，而不需翻 转机构。 ( 4 ) 第四阶段：8 0 年代，由于多工位压力机的出现，采用了一台双动拉伸 压力机加一台普通多工位压力机组成冲压生产线。该线多工位压力机的主夹板机 构可穿人双动拉伸压力机的模区内，且在两压力机间配备有翻转机构，用以传送 工件。该线生产节拍可达1 0 件分左右，线长缩短为4 0 米左右。 浙江大学硕士学位论文 ( 5 ) 第五阶段：进人9 0 年代以来，由于数控液压垫的出现，大型多工位自 动压力机第一工位要利用这种拉伸垫替代双动压力机拉伸压边，从而仅需台配 备有数控液压垫的多工位自动压力机，即可组成一条柔性冲压生产线。这条生产 线生产效率高、制件质量好，且占地小。 目前，我国的冲压设备生产及使用水平，总体上与国际先进水平尚有不小的 差距。我国汽车工业的冲压设备技术水平基本上处于工业发达国家的五、六十年 代水平，也有一些合资企业的冲压设备技术水平达到了工业发达国家的七、八十 年代水平。但大型多工位自动压力机在我国汽车工业中的应用仍几乎是空白。我 国多工位压力机总体发展起步较晚，具有一定的差距。由于国内也越来越意识到 大型多工位压力机在汽车工业中的重要性，近年来国内发展势头迅猛。 1 2 2 多工位压力机发展趋势 随着我国综合工业技术水平的进步，制约大型多工位自动压力机使用的一些 因素，如人员素质、模具水平、产品产量和质量，以及人们的思想认识等因素， 都己发生了很大变化。特别是汽车工业，尤其是轿车行业的快速发展，把汽车冲 压件的产量和质量都提到了前所未有的高度，而且同行业之间的竞争也日趋激 烈，因此正在促使汽车制造厂和汽车配件厂把目光转向大型多工位自动压力机这 样的先进高效冲压设备。可以这样说，今后大批量、高质量的冲压件将取决于大 型多工位自动压力机，谁先掌握和使用大型多工位自动压力机，谁将在产品的产 量、质量、成本等方面占据优势。按目前我国汽车工业的发展现状，采用大型多 工位自动压力机生产轿车覆盖件是必经之路。统计到2 0 0 5 年国内约有2 0 台左右 的大型多工位自动压力机的市场需求。按照国外的经验，一个年产3 0 万辆轿车 的汽车厂，只要拥有7 台大型多工位自动压力机，就可以完成轿车覆盖件的全部 冲压工作。 多工位压力机的发展趋势如下1 4 1 ： ( 1 ) 保持大型化方向 国外大型多工位压力机的吨位已由6 0 年代的46 m n ，7 0 年代的5 0 m n ，8 0 年 代的6 0 m n 发展到9 0 年代的6 8 m n 级水平。多工位压力机的技术发展仍将继续 保持大型化方向。 ( 2 ) 提供成套设备 9 0 年代国外大型多工位压力机制造厂商都将以研制与提供成套设备为努力 方向。虽然巳有不少自动化装置的专业生产厂商从事大型多工位压力机的配套装 置研究与生产，但主要压力机制造厂商也已开始在生产与提供主机的同时研制与 配备各种自动化装置，如送料装置、开卷装置、矫直装置、快速换模装置和模具 等，以成套供应来扩大市场。 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 加大工位间距 据报道国外许多特大或特殊形状的汽车覆盖件板材长度已达3 米，现有大型 多工位压力机都无法满足这么大的工位间距，致使大型多工位压力机与传统冲压 自动线在汽车覆盖件冲压生产方面各占5 0 ，形成l ：1 的局面。为了适应汽车工 业中特大件的冲压生产需求，大型多工位压力机的工位间距将不断加大，甚至超 过3 米。 ( 4 ) 开发辅助装置 在自动冲压过程中，大型多工位压力机可对工件的裂纹、起皱、收缩、模具 断裂而引起的切边缺陷或尺寸偏差进行持续地自动检测，借助摄像机和数据处理 系统来描绘冲压件轮廓和切边缺陷的检验情况，及借助控制系统进行百分之百的 工件合格检验与劣质工件分离。在9 0 年代中，将对外罩冲压件的表面质量加以 考虑，即识别出轻度不平的波形与防止漏检，以及开发物美价廉且适合于冲压车 间应用的各种优化辅助功能装置。另外，仍将加强大型多工位压力机无故障安全 可靠连续运行的研究，确保整个冲压生产系统的重复再现，并对模具进行优化设 计。 1 3 压边力技术发展现状和趋势 影响冲压件成形质量的因素很多，其中包括板料性能参数、模具设计、制造 和安装、冲压工艺条件的选择和控制等，且他们彼此相互关系也十分复杂。而压 边力是其中一个十分重要的参数。 在板料拉伸成形的过程中，通常需要压边装置产生足够的摩擦抗力，以增加 板料中的拉应力，从而控制材料的流动避免起皱。压边力( b l a n kh o l d i n gf o r c e ， b h f ) 的大小是板料成形中重要的工艺参数，也是板料成形中的重要控制手段。 一般来讲，压边力过小，无法有效的控制材料的流动，板料容易起皱；压边力过 大，虽然可以避免起皱，但拉破趋势会明显增加，同时，模具和板料的表面受损 可能性亦增大，影响模具寿命和板料拉伸成形质量。在实际的生产过程中，为了 提高生产效率，或者因为产品的质量要求较高，要求尽可能的一次成形，这样压 边力的合理取值、调整和控制，则成为控制金属流动、防止出现起皱和破裂的最 重要的手段之一。 压边力加载模式主要经历以下两个阶段1 6 j ： ( 1 ) 恒定压边力加载模式 压边装置通常有弹性压边和刚性压边两种。刚性压边即在双动压力机上利用 外滑块压边，压边力不随压力机的行程变化，拉伸效果好，但不适用于普通压力 机。一般工厂的压力机，多采用弹簧或橡皮压边，这种压边形式，压边力是随压 边行程变化的。随着凹模行程向下，压边力逐渐增加，压边力的这种变化正好与 浙江大学硕士学位论文 压边工艺要求相反。因为压边初始状态时压边面积最大，所需压边力也最大，但 此时弹性压边装置能给出的力则较小。随着凹模向下，毛坯逐渐被拉入凹模，压 边面积减小，但弹性压边装置此时给出的力却增加了，所以压边效果不好。弹簧 或橡皮压边只适用于形状简单的浅拉伸件。 j 心、心、心心、? 、j ij 、? 足心心n 心心一、j 0 0 j 图卜2 恒定压力边加载液压垫 1 压边圈2 凹模3 上模座4 工件5 凸模6 顶出杆7 下模腔8 辅工作台 9 顶出板1 0 顶出箱1 1 连接装置1 2 项出缸活塞1 3 项出缸 如图1 - 2 所示，顶出箱内设一顶出板，该项出板与顶出箱缸的活塞固定在一 起。顶出箱上再紧固一个辅助工作平台，其上开设燕尾槽，作为压模用。另外， 根据模具的凸模及起皱危险情况，在辅助工作台上打出顶出眼，以便插入顶出杆， 用以支撑压边圈。在顶出缸的的下缸( 顶出用) 油路上加设压力表和一个与油泵流 量相匹配的溢流阀，这样改进之后，这台单动压力机就可以用于较深拉伸件的拉 伸。 根据所需压边力大小调整好溢流阀的溢流压力，在工作过程中，该顶出压力 ( 即溢流压力也即压边力) 只受溢流阀控制，不随行程的增加而变化，满足压边力 始终保持一致的要求。在实际应用中，该顶出箱有极强的通用性，当模具改变时， 只需改变顶出箱上辅助工作平台的顶出眼位置即可。这样一来，不仅简化拉伸模 具的设计与制造，而且方便实用、工作可靠，产品质量稳定。 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 变压边力加载模式 2 0 世纪9 0 年代中期德国压力制造商舒勒( s c h u l e r ) 公司开发研制出一种液 压压边装置，四个液压缸的压边力可以根据工作需要自动进行调整，极大地改进 了拉伸压边装置的压边功能。这种带4 个单独调节缸的新型液压拉伸压边装置优 点为： ( a ) 可以避免振动。因为当活塞运动开始时才建立压力，所以当冲击速度最高 时，压边圈才产生一个一次性且相当小的力峰值。这样一来为了在整个拉伸过程 中以恒定的压边力工作，模具上的压边圈只需作较小的初始行程就够了。 ( b ) 在拉伸行程期间，经微机控制装置可以对拉伸垫上的力进行任意调节。4 个缸的压力可以根据拉伸过程的实际需要在2 5 - - 1 0 0 之间进行单独调节，因 此在整个拉伸过程中可以对模具4 个角的压边力分别进行单独控制。 ( c ) 对材料流动产生有利的影响。通过自动操作和调节工艺参数的可编程控制 器( p c ) 控制压力调节缸的压力，运动接通可关断点时间的角度设定，压边力的大 小和压力曲线的设定，升降缸的运动和速度控制及顶料速度大小和曲线的设定， 拉伸垫上升时极限位置缓冲的设定，拉伸垫普通升降的控制信号以及利用理论值 与实际值的比较进行行程调节。 以上特点可以在进行复杂零件冲压成形时，针对不同位置的需要，施加不同 的压边力。这种新型的液压压边装置特别是对于行程次数高、拉伸深度大的单动 压力机有较大的使用价值。 图l - 3 变压力加载液压拉伸模具的分段结构 图1 3 所示新型液压拉伸压边装置的压边圈。压边力是借助压边圈下8 个液 6 浙江大学硕士学位论文 压缸建立的。压边圈由8 个单独元件组成，4 个为角向元件，另4 个为直向元件， 其中每个元件均支靠在液压缸上。4 个角向元件彼此机械连接，组成刚性框架。 角向元件的液压缸彼此相联，并用一个伺服阀控制。压边圈直向元件下的液压缸 彼此成对相联，并组成两个独立组，其中每组由自己的伺服阀控制。 国外拉伸压边力技术研究已取得一定的进展，而国内，相对来讲这方面的研 究工作还刚刚起步。 压边力技术今后的研究方向为： ( 1 ) 建立精确、可靠、实用合理的筒形件临界压边力的数学模型。 ( 2 ) 确定盒形件最优的变压边力控制曲线。 ( 3 ) 根据盒形件的成形特点，对压边圈进行分割，采用分段压边技术实现 变压边力的控制。 ( 4 ) 建立复杂件多分段变压边力的智能控制系统。 以前，压边力控制方法仅仅局限于定常压边力的情况。这种方法无法考虑复 杂拉伸件成形不均匀的问题，有时拉伸件在某些部位能顺利成形，而在另一些部 位则可能出现起皱、翘曲，严重的还会产生破裂。目前，变压边力控制技术研究 已经取得了广泛的重视，但绝大部分仍处于试验研究阶段。一个具体的拉伸件如 何确定最优的变行程压边力加载模式以获得最佳成形效果，仍是一个难题。国内 外对进行变压边力控制曲线的预测和优化研究尚存在很多有待解决的问题。这当 中，压边力的大小对板料拉伸成形质量影响作用尤为明显，并且在现实生产中最 易于控制和调节的是实时变化压边力的大小。理论和实践均表明：抑制起皱的压 边力大小在整个拉伸过程中应尽量越小越好，所施加的压边力大小数值最好能够 随着板料起皱的可能性趋势而相应的在整个拉伸过程中合理变化，最好能使压边 力数值恰好能够抑制起皱趋势的发生，从而使极限拉伸比达到最大。这样也就能 充分发挥材料的成形极限，提高拉伸件的成形质量和降低工业成本。由于在拉仲 的过程中，板坯的面积是不断变化的，因此起皱的趋势也不尽相同，所需的最小 压边力也在时时地不断变化。因此，如何优化出最优变压边力加载曲线，以成为 板料拉伸工艺研究者眼中的热点。 1 4 研究内容和选题意义 目前，重型数控压力机技术被国外少数压力机制造商所垄断，技术空白使得 我国汽车生产厂家使用的数控液压垫全部依赖进口，为摆脱国外技术垄断的束 缚，将数控液压垫技术尽快应用于汽车工业提供技术参考与尝试。 数控液压垫技术是大型多工位压力机上的关键技术，本文对数控液压垫液压 系统设计进行了分析研究以及优化设计。在对液压垫液压系统研究的过程中，需 要对其重要工况进行仿真。意义如下： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 节约成本，为液压系统的改造提供参考。由于此设备国内数量有限， 而且系统庞大复杂，液压系统的仿真可以节省时间和成本，提高工作效率。 ( 2 ) 为液压系统的控制系统的设计提供了依据。由于控制系统可以对液压 系统中的任何阀进行精确的控制，因此需要知道各个工况阀的开启顺序以及开启 量的大小别可达到要求。 ( 3 ) 对于液压提供的调试阶段也具有指导性的意义，调试人员可以根据仿 真结果来配置各个参数。 本文以数控液压垫液压系统为研究对象。文章主要内容为： 第一章对课题进行调研，分别对多工位压力机和压边力技术的发展现状及趋 势进行介绍，阐述论文的研究背景和意义。 第二章对液压成形和压边力等重要概念进行介绍。对比总结产生压边力三种 方案的特点，为今后液压垫的设计提供参考。 第三章详细分析数控液压垫液压系统控制过程，对液压系统进行计算和元件 选型。对辅助动力系统和液压系统产生的热量进行计算。对电控系统进行介绍。 第四章介绍各种仿真方法，建立液压系统中的关键动作预加速运动过程和 压边力控制过程的数学模型。通过控制方法优化以及仿真分析，确保设计的液压 系统满足工作要求。 第五章对全文进行总结和展望。 8 浙江大学硕士学位论文 2 1 压边力方案类型 第二章压边力方案 液压成形是指采用液态的水、油作为传力介质，代替刚性的凹模或凸模，使 坯料在传力介质的压力作用下贴合凸模或凹模成形。随着成形设备及相关控制技 术的发展，以流体作为传力介质的液压成形技术在国外发展迅速，广泛应用在汽 车制造业，并开始在许多其他工业领域引起人们的重视，前景十分广阔。 板料成形是利用金属板料的塑性，通过模具及外力作用，在被加工的板料上 制成零件的一种加工方法。与切削加工等方法相比，板料成形不仅具有更高的生 产效率，产品质量稳定，易于实现自动化生产，因而在实际生产过程中得到了极 广泛的应用。 压边力( b h f b l a n kh o l d e rf o r c e ) 是板料零件成形过程中的一个重要的工艺参 数。压边力主要是产生摩擦阻力，以增加板料中的拉应力、控制材料流动、避免 起皱。压边力过小，板料很容易起皱；压边力过大，虽然可以避免起皱，但拉破 的趋势会明显增加，同时模具和板料表面受损可能性亦增大，影响模具寿命和板 料成形质量。因此，对拉伸过程的控制，实际就是对拉伸过程压边力的控制。为 了解决在拉伸过程中的失稳问题，需要在模具上安装压边装置。 产生压边力的方案主要有三种形式： ( 1 ) 气压式：功能由气压实现。 ( 2 ) 液压式：以博世力士乐设计的液压垫为代表。功能由液压实现。 ( 3 ) 液压、气压式：以日本川崎重工设计的液压垫为代表。功能由液压和气 压共同作用实现。 2 2 压边力方案对比 对三种方案进行比较： ( 1 ) 压边力产生原理 ( a ) 气压式方案 气压式压边力产生原理图如图2 1 。 9 浙江大学硕士学位论文 最罱液面 i 廿i 口 图2 1 气压式压边力产生示意图 滑块下压工件产生的力通过工件作用于气压垫时，使液压缸内的压力随之增 大，在液压缸内的油压与气垫液压缸内的油压共同作用下，所产生的力大于增压 储气罐产生的力，液压油由液压缸通过控制油口流到气垫液压缸内。由于气垫液 压缸内油液的增多，缸内的压强升高，加工完工件后，换向阀换向，控制油口打 开，气垫液压缸内的油液便会流入液压缸。压制工件的力主要是靠比例溢流阀来 控制。 气压式方案充分应用气体的可压缩性及储能特性，控制方式简单，易于实现。 滑块在下压气垫时，将液压油压进气垫液压缸内，由于气体的可压缩比大，压力 波动较大。 我国工厂通常采用的压缩空气压力较低( 0 7 m p a 以下) ，纯气式气垫压边装 置的压边力受到限制。因此对于大型的单动压力机，由于工作台台孔尺寸的限制， 即使采用多层气缸的纯气式气垫压边装置( 比单活塞式气垫能提供更大压力) ，也 不易满足要求，故要求拉伸吨较大时位往采用液压气垫压边装置。 ( b ) 液压式方案 液压式方案压边力产生原理如图2 - 2 ： 1 0 05 m p a 浙江大学硕士学位论文 图2 - 2 液压式压边力产生原理图 当滑块机构向下运动压制工件时，产生的力由工件传递给液压缸，液压缸内 的油液经过换向阀控制，经过伺服阀节流回油。根据实际所需压力来控制伺服阀 开口量大小，从而控制实际输出压制力的大小。 液压式方案压边力控制液压缸共4 个，液压垫的升降要靠四个压边液压缸的 相互配合，控制精度要求高。4 个压力液压缸具有单独控制和实时控制的特点， 在压制工件过程中可根据工艺需要来控制各个伺服阀。 ( c ) 液压、气压方案 图2 3 气压、液压式压边力产生原理图 当曲柄滑块机构下降时，对工件作用力传递给液压垫，由于力的作用液压垫 向下运动，迫使液压油经过伺服阀回油，控制系统通过检测液压缸内实际的油压 浙江大学硕士学位论文 与理论输入油压的比较来控制伺服阀的开口量的大小，从而来控制液压缸内油压 的大小，最终达到控制压边力的大小。 在压制工件的过程中，4 个液压缸相互独立，且所需要压边力的大小可以实 时控制，保证元件的加工质量。液压垫的升降是靠一个主液压缸完成的，其余四 个压边液压缸只是从动，所以控制方式较为简单。在主液压缸下面有气压的作用。 从上面的三种方案对比中可以知道：液压式方案和液压、气压式方案的原理 基本一致的，都是通过液压缸内的油液回油经过伺服阀，通过控制伺服阀开口量 大小达到最终控制压边力。气压式方案中靠工作液压缸中的比例溢流阀来保证压 边力的大小，压力不稳定。 从控制精度方面，液压式方案和液压、气压式方案都通过伺服阀来控制压边 力，采用闭环伺服控制方式，显然伺服控制精度高，气压式方案由于气体的可压 缩能力强，在压制的过程中，压力容易波动，精度较差。 从控制复杂度方面，采用伺服控制方式除了控制复杂外，同时要考虑到油液 的清洁度和油温等因素，系统设计较为复杂，而气压式控制方式简单，易于实现。 从功耗方面，采用液压式和液压、气压式都是通过伺服阀节流方式来控制压 边力，功耗大；而气压式将液压能转化为气压能，然后再将气压能转化为液压能， 过程中能量损失较少，功耗小。 ( 2 ) 系统的设计：控制方式、系统功率、滤油系统设计。 ( a ) 控制曲线 行程 ， 、鑫 一。 l ， i) 。 | 3 to 。 曲辅角度 图2 - 4 曲柄角度与液压垫位移关系 液压式方案和液压、气压式方案都可以实现如图2 4 的控制方式。 图2 4 中3 - 4 为预加速运动过程，即在曲柄滑块机构下降到一定位置，液压 垫开始以与曲柄滑块成一定比例的速度下降，这样减少曲柄滑块机构与工件接触 时的冲击，有利于提高工件加工质量。 1 2 浙江大学硕士学位论文 图2 4 中5 - 6 为压边力控制过程，四个伺服阀通过对液压油的节流作用来实 现对液压缸内压力的控制，最终转化为对压边力的控制，四个伺服阀可以实时、 独立的控制。压边力控制过程是压制工件成形的过程，决定产品质量高低。 图2 - 4 中6 7 为辅助下降过程，确保在曲柄滑块机构加工完工件后与工件顺 利分离开。 图2 4 中7 8 为辅助提升过程，工件脱离下模具时确保工件质量而短距离的 慢速提升。 图2 4 中9 点以后为锁紧释放过程，液压垫回归起始位置，准备预加速运动 过程。 气压式方案控制简单，通常只加工形状简单，质量要求不是非常高的工件。 气压式方案无法实现液压式方案中的辅助动作，在压制工件过程中压边力易波 动。对于结构比较复杂、加工质量要求较高的工件，往往采用液压式方案。 对于结构简单、加工质量要求不是很高的工件，在满足加工件加工的要求下， 可以采用气压式方案进行加工。 液压式方案和液压、气压式方案都采用了液压控制作为主要控制方式。相比 较液压、气压方案还具有如下优点： 1 ) 提高整个系统的拉伸吨位，由于气压作用于预加速液压缸的底部，向上 方向一直有作用力，所以在压制工件的过程中，气压所提供的气压力和液压所产 生的液压力之和作为系统的拉伸吨位，提高了系统的拉伸吨位，简化了液压系统 设计的难度，但结构相对较大。 2 ) 降低系统功耗，液压垫的非工作过程是通过气压实现的( 液压只提供补 油) ，所以相对于液压式方案来讲，可以大量降低装机功耗。 ( b ) 系统功率 气压式方案是三种方案中功耗最小的，在压制工件的过程中液压能通过气垫 液压罐转化为气压能，加工完工件后气压能又转化成液压能，实现能量的转化利 用。 液压式方案是功耗最大的，由于系统全部动作都是由液压控制来实现的，从 系统的原理图中我们可以看到：三个泵为四个压边力控制液压缸供油，两个泵为 控制液压垫的升降供油，两个泵为控制油路供油。 液压、气压式方案在应用液压控制的基础上又应用了气压储能的特性，因此 系统的功耗相对于液压式方案较低。从系统的原理图我们可以看到：两个泵为是 个压边力控制液压缸供油，二个泵为控制液压垫的升降供油，一个泵为控制油路 供油。 在液压、气压式方案中，为减少系统的功耗，应用蓄能器作为辅助动力源。 系统中的蓄能器分为三类：为四个压边力控制液压缸供油的增压蓄能器( 蓄能器 容量为5 0 l x 7 ) ；控制液压垫升降，为主液压缸供油的蓄能器( 蓄能器容量为5 0 l 浙江大学硕士学位论文 x 3 ) ：为控制油路供油的先导蓄能器( 蓄能器容量为3 0 l x1 ) 。 在液压式方案中，为控制液压垫升降的主液压缸供油的蓄能器一个，为四个 压边力控制液压缸供油的增压蓄能器一个，液压系统中的供油主要是靠液压泵提 供液压油来实现，因此系统的功耗大，装机功率大。 ( c ) 过滤系统的设计 液压伺服系统具有动态响应快、控制精度高、输出功率大的特点。液压伺服 系统的核心元件是伺服阀，伺服阀因其配合部分间隙小、尺寸精度高，是一种紧 密的元件。油液污染是伺服阀失效进而导致伺服系统不能正常工作的主要原因。 有效的设计油液的过滤系统是保证液压伺服系统正常工作的关键。 由于气压式方案没有用到伺服阀，在这里不做讨论。下面主要针对液压式方 案和液压、气压式方案进行分析。 液压式方案中，液压油过滤主要是在液压泵的出口处，是较为常见的方法。 在油液进入伺服阀前并没有进一步过滤。 在日本川崎重工的方案中，由于使用了伺服泵，故动作油的清洁度必须保持 n a s 8 级以内。油箱的设计采用了两侧是清洁侧，中间是不清洁侧的独特方式。 如图2 - 5 所示。 流入伺服阀的液压油首先经过循环冷却泵从清洁侧吸油，然后液压油由过滤 器过滤，( 过滤器使用过滤精度5 微米的过滤层，过滤器本身带有旁通阀，压差 升到0 5 m p a 以上，开始动作) 经过过滤器的油液部分分流到控制泵吸油的清洁 侧，油液再次经过控制油泵的过滤器过滤，过滤器使用过滤精度5 微米的过滤层， 油液进入伺服阀前又要经过过滤器过滤，过滤精度为5 微米的过滤层，如图2 - 6 ， 图2 7 ，由于液压油经过多次过滤并形成闭环的过滤系统，保证了流入伺服阀的 液压油清洁度，从而确保整个液压系统的正常工作。 1 4 拳魁g擦景七b张恹h嘲彗ii将皿，n匝 仪秘逍素二卜擎扑kil贳 浙江大学硕士学位论文 tttt 图2 - 6 日本川崎重工方案中过滤器设计 准备j j 芝互量袭 销擎阀块 图2 7 日本川崎重工方案中过滤器设计 ( 3 ) 输出参数 ( a ) 气压式方案 拉伸吨位：8 0 0 k n ； 工作腔最大工作压力：lo b a r ； 行程频率：3 s s m i m ： 气垫最大速度：2 6 0 - - - , 3 9 0 m m s 。 ( b ) 液压式方案 1 6 浙江大学硕士学位论文 以博世力士乐方案为参考。 拉伸吨位：6 0 0 0 k n ( 四个液压缸1 2 5 0 k n 4 ) ； 系统压力：1 5 0 b a r ； 工作强最大工作压力：2 8 0 b a r ； 行程频率：5 1 8 咖i m ； 回程速度：6 0 0 m m s 。 ( c ) 液压、气压式方案 以日本川崎重工方案为参考。 拉伸吨位：4 5 0 0 k n ( 包括空压压力9 0 0 k n 和液压压力3 6 0 0 k n ) ； 系统压力1 4 5 b a r ； 工作腔最大工作压力2 8 0 b a r ； 有效行程：1 0 - - 一3 1 5 m m ( m a x 3 8 5 m m ) ； 行程频率：8 1 7 s m i m ； 回程速度：7 0 0 m m s 。 从三种方案我们可以明显看出：博世力士乐方案和日本川崎重工方案的参数 基本接近，与气压式方案区别较大。 从拉伸吨位方面，气压方式与液压方式拉伸吨位几乎差一个数量级，由此可 见，当工件压制成形过程中需要较大压边力，则只能采用液压方式进行拉伸，气 压方式很难实现。由于气压方式是靠压缩气体实现的，而气体的压缩比较大，若 需要产生较大的压边力，则气体的压缩量就会非常的大，压力波动大，而液压方 式不会产生这种情况，可以平稳提供较大压边力。 在日本川崎重工方案中，我们可以看到拉伸吨位来源两方面：气压和液压两 部分。日本川崎重工以液压控制为主，并引进了气压进行辅助控制，从而在拉伸 吨位上实现了二者的结合。 从行程频率方面：气压方式很明显低于液压方式，产生这种现象的主要原因 也是由于系统的控制介质是气体，实现快速运动容易造成压力波动过大，控制更 加复杂。 液压方式中液压垫在各个阶段的速度是不同的，在液压垫回程时速度最快， 而在压制工件时则首先要保证工件的质量，分阶段控制可以在实现高效工作的同 时，又可保证工件的加工质量。 2 3 压边力方案总结 ( 1 ) 气压式方案 气压式方案优点：控制方式简单、功耗小、操作方便、易于实现。 气压式方案缺点： 1 7 浙江大学硕士学位论文 ( a ) 所能提供的压边力小。 由于我国工厂通常采用的压缩空气压力较低( o 7 m p a 以下) ，纯气式气垫压边 装置的压边力受到限制。因此对于大型的单动压力机，由于工作台台孔尺寸的限 制，即使采用多层气缸的纯气式气垫压边装置( 比单活塞式气垫能提供更大压 力) ，也不易满足要求，故往往采用液压气垫压边装置。 ( ”压边力稳定性差，不易控制。 由于气体压缩性强，因此在实际的控制中压边力容易引起波动。 ( 2 ) 液压式方案 液压式方案优点：结构紧凑。通过四个液压缸实现上升、下降、加工过程， 与液压、气压方案相比没有中间的大型液压缸和气压装置，从而在机械结构上更 为简单和易于实现。相对于气压式方案，通过优化的控制算法与策略可以使整个 液压垫的控制精度有较大提高，压制的产品的质量较高。 液压式方案缺点： ( a ) 同步性要求高，控制复杂。 由于采用四个液压缸进行复合控制，液压挚的上升和下降完全依靠四个液压 缸同步运动实现，对于复杂压力控制工况下的四点调平控制，其控制策略及算法 更为复杂并难于实现。 ( b ) 功耗较大。 在液压系统的整个控制过程中完全靠液压力实现，没有利用气压储能特性， 所以在液压垫运动过程中，整个机械装置的升降均需较大的功率，这些功率完全 依靠液压系统提供，增加系统的装机功率。 图2 - 8 博世力士乐液压垫工作示意图 1 8 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 液压、气压式方案 液压、气压式方案优点： ( a ) 提供的压边力范围较大。由于采用了气、液共同作用，很大程度提高 了液压垫的工作能力。 ( b ) 四个液压缸可以单独控制。四个液压缸在工件加工的过程中可以实现 压边力的单独控制，在液压垫上升和下降时是通过控制一个主液压缸实现的，其 余四个液压缸从动，从而避免了复杂的控制算法和策略。 ( c ) 应用气压控制，相对能耗低。由于对液压垫的非工作过程是通过气压 实现的( 液压只提供补油) ，所以相对液压系统来讲，可以降低装机功率。 ( d ) 液压垫系统采用了伺服控制，相对于博世力士乐方案，日本川崎重工 方案中对于液压油过滤系统的设计更为合理。 液压、气压式方案缺点：结构复杂，由于在系统既用到液压站又用到气压站， 整个系统结构相对较庞大。 在液压垫液压系统设计中，结合实际情况，充分应用以上三种方案的优点。 ( 1 ) 压边力 压边力是板料零件成形过程中的重要工艺参数。在压制零件的过程中，压边 力控制的合适与否决定了加工工件质量的高低。 应用伺服阀的伺服控制系统除了对压边力进行精确控制外，液压系统还增加 了多种辅助动作，如预加速运动可以缓冲曲柄滑块机构与工件瞬时接触的冲击， 有利于工件成形。对于形状简单的工件，通常采用气压式方案。对于复杂形状的 工件或需要压边力较大时，通常都需要采用液压来控制压边力。 ( 2 ) 装机功率和拉伸吨位 从上面的方案对比中可知道，应用气压不仅可以减少液压系统的装机功率还 可以提高系统的拉伸吨位。应用气压具有节能的特性，在液压系统设计中常把气 压系统作为辅助系统。 ( 3 ) 过滤系统 应用伺服阀的液压系统对有油液的清洁度和油温都有较高要求，在液压系统 设计过程中要充分考虑过滤系统和冷却系统，以保证液压系统的长期工作。在液 压系统必须对液压系统产生的热量进行计算，用冷却器进行冷却，从而达到控制 油温的目的。对于过滤系统，除了常规的在液压泵的出口处设置滤油器外，要充 分参考日本川崎重工过滤系统的设计，即在各个伺服阀进口处也设有滤油器，从 而形成对液压油的多次过滤并形成循环过滤系统。 ( 4 ) 节能、安全 从系统的节能角度出发，由于气压的节能特性，液压系统应采用气压作为辅 助系统。由于液压系统的流量非常大，液压系统应充分利用蓄能器作为辅助动力 源，达到节能的目的。 1 9 浙江大学硕士学位论文 液压系统的安全性在设备实际应用中是十分重要。 图2 - 9 液压系统原理图- 从图2 - 9 中可看出，插装阀上有螺丝式的行程限制器，行程限制器的拧紧度 可调节供给伺服阀的油