逐點機械液壓撓度補償技術(shù)的研究

曹光榮，王志明，魏雪梅，張子東，劉 沖，李 峰

（1.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇江都225200；2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094）

板料折彎機是一種使用廣泛的板材加工設備，該機使用最簡單的通用折彎模具，能折出各種各樣的復雜零件，配備相應的工藝設備，還可以用作沖槽、淺拉伸、沖孔、壓波紋等。其具有模具簡單、通用性好、調(diào)整和更換方便的特點，通過調(diào)整滑塊的壓深距離，能進行各種角度的折彎成形。

從20世紀90年代以來，國內(nèi)陸續(xù)開發(fā)研制的數(shù)控板材成形設備，經(jīng)過多年的不斷完善，正日趨成熟[1]。國內(nèi)壓力機械傳統(tǒng)的設計方法，是將機床大幅度簡化后進行應力和變形的計算，根據(jù)計算結(jié)果試制出產(chǎn)品，再根據(jù)產(chǎn)品實際使用情況進行修改設計。這種設計方法效率低，也增加了成本。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對折彎機的精度要求越來越高，故需采用更為準確的方法，對折彎機的強度和剛度進行設計計算[2]。

在實際生產(chǎn)加工中，當折彎機在滿載或接近滿載時，滑塊和工作臺會產(chǎn)生彈性變形，即滑塊中間向上拱起，工作臺中間向下凹，改變了板料折彎時中間部位的凸模進入凹模的深度，導致工作臺上壓力的不均勻，嚴重影響了折彎工件的角度及直線精度[3]。這種誤差是必須解決的，且可以通過補償機構(gòu)來進行補償[4]。

1 撓度變形的產(chǎn)生

折彎機的下模安裝在工作臺上（下橫梁），上模安裝在滑塊上（如圖1）。

在工作過程中，折彎機的上滑塊受到一個向上的均布載荷，而工作臺會受到一個向下的均布載荷，在均布載荷的作用下，滑塊和工作臺都將沿受力方向產(chǎn)生撓曲變形，從而產(chǎn)生撓度。

圖1 折彎機模型

撓度的產(chǎn)生，使上模與下模在全長范圍內(nèi)的距離、壓力都發(fā)生了變化。中間部位因為撓度的原因，板料工件的成型角度會比兩頭大。隨著工件越長，這種撓曲變形也越大。同時，伴隨著影響負載的材料強度增加，或者板料增厚，都將會導致工件在全長范圍內(nèi)的角度誤差增大，嚴重影響到工件的角度和直線精度。

折彎機在加工過程中，處于最大負荷狀態(tài)的同時而要求加工精度，保證角度和直線精度的難度比較大。為了解決折彎機的撓度問題，可以借助研制出的各種撓度補償裝置[5]。

2 撓度的補償技術(shù)

由于工作臺在工作過程中產(chǎn)生撓曲變形，影響折彎精度和品質(zhì)，因此必須采取相應措施來消除或彌補折彎機產(chǎn)生的撓曲變形。撓度補償裝置，就是要在上模或下模工作臺上預置一個與受力方向相反的變形量，這個變形量又與實際工作時產(chǎn)生的變形量相似（如圖2）。

圖2 撓度補償前后效果對比示意圖

2.1 幾何補償技術(shù)

在制造時，把工作臺工作平面加工成中間稍微凸起的弧形，以補償折彎時產(chǎn)生的撓度。上模進行適當?shù)男拚沟蒙夏Ｖ虚g部位略帶弧形。當滑塊發(fā)生向上的撓曲變形時，上模基本趨于平直，保持沿折彎線方向各點對板材的作用力基本一致。

幾何補償中弧形修正量的大小，要進行縝密計算，既要滿足各種板料的補償技術(shù)要求，又不能太大，否則會帶來“矯枉過正”的后果，影響到板料折彎時的精度。這種方法雖然能起到一定的補償效果，但是補償量的計算和工作表面加工比較困難。

2.2 機械補償技術(shù)

加凸楔塊，是由一組帶斜面的加凸斜楔塊組成，每個加凸楔塊是根據(jù)滑塊、工作臺有限元分析的撓度曲線設計而成。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)工件折彎時的負載力的大小（該力將導致滑塊和工作臺立板產(chǎn)生撓度變形），計算所需的補償量，自動控制加凸楔塊的相對移動量，從而有效地補償滑塊和工作臺立板產(chǎn)生的撓度變形，能得到理想的折彎工件（如圖3所示）。

圖3 機械補償結(jié)構(gòu)示意圖

機械撓度補償是以控制位置的方式實現(xiàn)“預凸起”[6]，由一組楔塊在工作臺長度方向上形成一條與實際撓度相吻合的曲線，使得在折彎時上下模具之間的間隙一致，確保折彎工件在長度方向上的角度一致。機械補償可以在工作臺全長上獲得精確的撓度補償。

機械撓度補償使用穩(wěn)定性持久，減少液壓補償（如漏油）的維修頻率，在機床壽命期內(nèi)免維護。機械撓度補償因為補償點比較多，使折彎機在工作時折彎工件更能夠達到線性補償方式，更能提高工件折彎效果。機械補償是由電動機驅(qū)動，作為一個數(shù)控軸，實現(xiàn)數(shù)字化控制，使補償值更加精確。

機械補償只能在折彎結(jié)束后滑塊回到上死點，才能夠調(diào)節(jié)位移量，然后在二次折彎，折彎精度無法得到有效的控制和保證。機械補償有使用長時間磨損的問題，還有最大補償量的限制。其制造成本較高，安裝難度大，通用性不好；而且，由于調(diào)整出的補償曲線種類有限，也就無法滿足各種彎曲條件所要求的直線精度。

2.3 液壓補償技術(shù)

下工作臺液壓自動撓度補償機構(gòu)，它是由一組安裝在下工作臺里的油缸組成，每個補償油缸的位置、大小是根據(jù)滑塊、工作臺有限元分析的撓度補償曲線設計而成，如圖4、圖5所示。

圖4 液壓撓度補償工作臺變形圖

圖5 下橫梁撓度補償機構(gòu)示意圖

液壓補償是通過前中后3塊立板之間的相對位移，來實現(xiàn)中立版的凸起補償，其原理是通過鋼板本身的彈性變形實現(xiàn)凸起，所以其補償量可以在工作臺的彈性范圍內(nèi)實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)折彎工件的數(shù)據(jù)，計算負載的大小，計算所需的補償量，并通過調(diào)節(jié)比例減壓閥的壓力大小，來控制補償油缸的壓力，從而控制工作臺的撓度變形量。啟動液壓撓度補償時，使得工作臺面是連續(xù)、平滑的變形曲線，能夠得到理想的折彎工件。

液壓撓度補償不像機械補償那樣，在折彎之前預先調(diào)節(jié)凸起，然后再折彎工件，而是在滑塊進入到夾緊點開始折彎工件的時候，液壓補償才開始起作用，所以液壓補償可以實現(xiàn)在折彎保壓時在線閉環(huán)的實時補償（做到折彎角度適時檢測并適時進行角度誤差補償），這樣折彎出來的工件可以得到理想的精度。

改變滑塊在機床下死點的保壓時間時，工作臺實際變形量在保壓時間較短情況下和保壓時間稍長的情況下，工件折彎的加工精度可能會產(chǎn)生一些誤差。長時間使用時，液壓油內(nèi)可能混有雜物，造成液壓比例閥的工作精度，使加工精度誤差增大。由于補償壓力是從整個系統(tǒng)壓力分出來的，所以當補償閥工作時，整個系統(tǒng)會有壓力部分損耗，而且油泄漏還會造成污染[4]。

3 逐點機械液壓撓度補償技術(shù)

當板材的材質(zhì)出現(xiàn)差異時，折彎后的角度在長度方向上會出現(xiàn)大的偏差，這時由激光在線檢測，來檢測各個點的折彎角度，并要對各個點的角度誤差進行逐點的補償，才能適應高強度板高精度折彎的要求，而傳統(tǒng)的補償就不能夠?qū)崿F(xiàn)逐點的補償。

3.1 逐點機械液壓補償機構(gòu)

機械補償和液壓補償，只能夠?qū)崿F(xiàn)工作臺的整體補償凸起，不能對局部的一點實行逐點的局部補償，所以就對機械液壓逐點撓度補償技術(shù)進行研究。下工作臺配液壓自動撓度補償機構(gòu)，其是由一組安裝在下工作臺里的斜楔塊組成，每組斜楔塊由單獨的油缸來驅(qū)動，再由伺服比例閥來控制油缸的移動，斜楔塊的位移由位移傳感器反饋給數(shù)控系統(tǒng)（如圖6所示）。

圖6 機械液壓逐點撓度補償結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 逐點機械液壓撓度補償?shù)乃欧刂?/h3>

每個補償楔塊由比例伺服控制，通過補償放大卡進行伺服比例閥與數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)計算負載的大小和折彎要求，自動得到一個補償量，控制斜楔塊的相對位移，通過比例伺服閥來控制楔塊里的油缸的動作。

啟動機液撓度補償時，使得工作臺面是連續(xù)、平滑的變形曲線。數(shù)控系統(tǒng)還可以根據(jù)激光在線檢測裝置在全長方向上檢測的角度誤差，進行適時的逐點補償，保證折彎角度的精確（如圖7所示）。

圖7 激光檢測與逐點補償閉環(huán)控制圖

4 結(jié)束語

通過了解折彎機工件的折彎過程，分析了工作臺的變形規(guī)律。通過對幾何補償、液壓補償和機械補償工作原理的分析及比較，總結(jié)單一補償方式的缺陷，不能滿足當板材的材質(zhì)出現(xiàn)差異或工作狀況發(fā)生變化時，折彎后的角度在長度方向上的精確要求，所以研究設計了逐點機械液壓撓度補償機構(gòu)，可以對各個點的角度誤差進行逐點補償，能適應高強度板高精度折彎的要求，提高了折彎機的加工精度。

[1]胡亞民，夏華，陳善民，李新龍.我國彎曲成形技術(shù)的發(fā)展狀況[J].鍛造與沖壓，2005，(4)：26-31.

[2]閔學熊，倪朋南.鍛壓機械的新發(fā)展[J].鍛壓機械，1997，(4):3-6.

[3]潘殿生，潘志華，阮康平，佘 健.折彎機機械補償裝置數(shù)值模擬結(jié)果分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（3）:29-31.

[4]張志兵，佘 健，陸聞海，等.數(shù)控折彎機兩種補償機構(gòu)的比較[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45(5):37-38

[5]吳國富.解析板料折彎機的撓度補償[J].裝備機械，2003，(03):19-21.

[6]賀建生.提高彎曲件折彎精度的工藝措施[J].電子工業(yè)專用設備，2003，32(5):78-80.