新一代電動伺服模墊技術與發展趨勢

李兆東，袁文生，王忠雷

（山東建筑大學 機電學院，山東 濟南 250101）

新一代電動伺服模墊技術與發展趨勢

李兆東，袁文生，王忠雷

（山東建筑大學 機電學院，山東 濟南 250101）

拉伸墊與壓力機滑塊相結合可以實現工件的拉深變形，引進“伺服直接驅動技術”是實現拉伸功能的最理想方案。尤其是伺服拉伸墊與伺服壓力機的結合在高精度、難成形的汽車零件、電子零件等加工領域中的應用，已經顯示出以前壓力機無法比擬的優越性，同時提高了拉深件的質量并具有優良的節能性。

機械制造；拉伸墊；壓力機；伺服驅動

1 引言

板料拉深是一種常見的沖壓工藝，由于具有生產效率高、材料利用率高、產品重量輕、易于實現自動化生產等特點，因此，在國民經濟各個部門，特別是航空航天、汽車制造、造船、電器制造等工業領域得到了廣泛地應用。

板料拉深過程可能出現的主要質量問題是拉裂和起皺，拉裂因為拉應力過大造成，起皺則是由于材料失穩而出現。為了充分發揮材料的性能并保證零件的質量，因此，對拉深工藝參數進行控制是有必要的。板料拉深工藝過程涉及很多參數，主要包括模具的形狀和結構、板料的性能參數、成形設備的性能參數等，一般認為，在拉深過程中只有成形裝備的參數可以調節，比如拉深力、拉深速度和壓邊力等，在這些參數中以壓邊力的影響為最大。

壓邊力通過壓邊圈作用于板料，使板料在壓邊圈和模具之間產生摩擦力，以控制材料的流動，避免起皺，但同時材料中的拉應力也會提高。壓邊力過小，無法有效地控制材料的流動，板料容易起皺；壓邊力過大，雖然可以避免板料出現起皺，但拉應力也會增加，拉裂的趨勢明顯提高，同時模具和板料表面受損的可能性亦增大，進而影響模具壽命和拉深件的成形質量。在實際生產中，為了提高拉深件的質量和生產效率，一般要求盡可能地一次成形出工件。因此，壓邊力的合理取值、調整和控制就成為控制金屬流動、防止出現起皺和拉裂最重要的手段。對拉深工藝過程的控制，實際上就是對其壓邊力的控制。

拉伸墊是壓力機的一個附屬系統，其功能是在拉深之前壓住板料，并在成形過程中進行壓邊，以防止板料成形時材料流動過快造成起皺。使用早期的壓力機進行板料大型覆蓋件成形時，通常采用雙動（或三動）壓力機，外滑塊壓邊，內滑塊拉伸。隨著大噸位拉伸墊的技術發展，壓力機外滑塊的壓邊功能逐漸被拉伸墊所取代，即在進行大型覆蓋件的成形時，單動壓力機取代了結構復雜的雙動（或三動）壓力機。

大噸位拉伸墊的研發經歷了純氣氣墊、數控液—氣混合拉伸墊、數控液壓墊等幾個階段。

2 純氣氣墊

純氣氣墊是最早的拉伸墊，其結構和原理比較簡單（圖1）。向氣缸通入壓縮空氣，使氣墊在行程上位置等待，然后滑塊向下運動并在接觸到頂桿后使其隨滑塊一同向下運行，缸體內氣壓產生一定的壓邊力，從而實現壓邊。設置閉鎖功能時，可通過曲柄凸輪機構控制實現下死點鎖緊，待滑塊回程至一定位置后，閉鎖松開，氣墊回程到行程上位置。純氣氣墊可以配置氣墊行程調整裝置，對于不同拉伸深度的工件設置不同的氣墊工作行程。

使用大噸位氣墊時，當氣墊力調整范圍大（400kN～4000kN），而緩沖缸緩沖間隙不可調整，在壓縮空氣進入氣缸頂冠上行至上位時，氣墊會產生較大的沖擊和噪聲；滑塊下行時，由于氣墊無預加速功能，因此，具有一定速度的滑塊與氣墊接觸的瞬間也會產生較大的沖擊和噪聲。

由于氣體的可壓縮特性，缸體內的氣體受壓時壓力波動較大，從而導致壓邊力不穩定，工件可能會起皺或拉裂。

純氣氣墊的工作壓力不高，一般在0.6MPa以下，最高也只能達到1MPa。大噸位氣墊的缸體由于直徑過大，安裝空間受限，因此，應用也受到一定限制。

由于純氣氣墊使用氣體的可壓縮性及儲能特性，控制方式簡單，易于實現，因此，在一些簡單應用場合仍有使用。

3 數控液壓墊

隨著汽車工業的迅速發展，高強度鋼、復合成形材料、鋁合金、難成形材料等在汽車車身制造上的推廣應用對拉伸墊壓邊性能提出了更高的要求，純氣氣墊已難以滿足大型覆蓋件復雜的成形要求。在成形高強度板及復合材料時，以數控液壓墊代替純氣氣墊對工件進行壓邊已成為目前的發展趨勢。

在拉深復雜工件時，各個部位成形不均勻，使用同一壓邊力壓邊時，某些部位能夠順利成形，而另一些部位則可能出現起皺或者拉裂。使用數控液壓墊，可以依據板料成形工藝要求實時控制壓邊力，即各點的壓邊力可以設置不同值并可以對壓邊力進行分段控制，使各個部位的壓邊力值恰好能夠抑制起皺的發生，使極限拉深比達到最大，充分發揮材料的成形極限。

數控液壓墊主要由頂冠、壓邊缸、蓄能器、控制閥塊、液壓系統及循環系統等組成（圖2）。液壓墊一般采用4～8缸，壓邊缸分布在液壓墊頂冠的四角，每個壓邊缸的壓邊力可以根據工藝要求單獨設定，以保證最佳的壓邊力分配。壓邊力通過曲柄凸輪機構和系統編程控制進行自動調整，其數據可以存入模具的數據庫中，并可以與模具數據一起調出，這極大改善了壓邊裝置的功能。

液壓拉伸墊也可以設定多段壓力，在拉深過程中可以根據工藝需求在不同的拉深行程改變每個壓邊缸的壓邊力，即壓邊力可以隨行程的變化而變化。行程由位移傳感器測量，液壓墊控制器控制伺服閥根據測量的數據自動調節壓邊力，從而可以實現大型覆蓋件復雜的工藝要求。

液壓墊在“行程”模式時，可以自動升至上死點位置，等待滑塊向下運動進行拉伸。壓邊圈在滑塊下降到上下模相接觸時受到向下的壓力，并通過頂桿傳到液壓墊的頂冠，這時與頂冠連接的壓邊缸產生拉伸過程所需要的壓邊力。

數控液壓墊可設置預加速功能，啟動該功能時，當滑塊向下運動時，拉伸墊不是停留在上限位置，而是先于滑塊向下運動，滑塊向下運行距壓邊圈一定距離時（該距離可編程控制）液壓缸活塞加速運動，在給定的距離內加速至接近滑塊的速度，此時，滑塊壓住壓邊圈。液壓缸活塞只是在與滑塊接觸的瞬間產生一個相當小的一次性力峰值，因此，在整個拉伸過程中壓邊力穩定。壓邊力一般可在50%～100%之間進行單獨調整。每個液壓缸內進油和回油都經過伺服閥，通過控制伺服閥開口量大小即可實現對壓邊力的控制。

數控液壓墊設置有位移傳感器，對拉伸墊運行行程進行監控并調整工藝所需的成形行程。頂升油缸的壓力和運行速度通過編程控制，使拉伸墊上升至行程上位置時進行緩沖，減小沖擊。下死點閉鎖功能通過凸輪角度設定實現。

液壓拉伸墊是通過伺服閥節流方式來實現對液壓缸內壓力的控制，并最終轉化為對壓邊力的控制，這種控制壓邊力的方式能耗較大。采用閉環伺服控制方式控制精度高，但伺服控制比較復雜，且對油液的清潔度和油溫的要求高，系統設計較為復雜。

數控液壓墊工作過程中將動能轉換成熱能，所以系統需要大流量的冷卻裝置。工作油及冷卻系統功率較大，比如4000kN的液壓墊，電機總功率高達500kW。

4 電動伺服模墊

近年來，由于對生產安全、節能、綠色環保的要求越來越高，數控液壓墊壓邊力的可編程控制特性雖然能夠充分滿足大型覆蓋件的復雜成形要求，但數控液壓墊系統能耗大、污染大、且維修復雜。為此，工程師們研發了電動伺服模墊。

電動伺服模墊是一種運用齒輪、齒條或絲杠可逆運行的特性驅動方式，其結構見圖3。一般采用伺服電機通過同步帶將動力傳遞到絲杠，在絲杠作旋轉運動時，與螺母固定在一起的頂冠作上下移動，螺母與頂冠之間設置的液壓保護裝置起壓力緩沖及過載卸荷功能。通過絲杠將模墊頂冠受到的加壓力轉換成回轉運動，回轉運動使伺服電機發電，回饋電網。絲桿軸端和伺服電機設有位置編碼器，可以反饋位置信號，實現對模墊位置的控制，伺服電機驅動模墊頂冠，可以相對于滑塊頂冠獨立運動。

數控系統可以控制位置和速度。運行過程控制如下：預加速行程為位置控制，速度信號；拉伸行程為壓力控制，壓力信號，壓力建立，至下死點；閉鎖、回程為位置控制，位置信號；壓力釋放至閉鎖結束，模墊回程。

液壓系統設有壓力傳感器，反饋壓力信號，實現對壓力的控制，結合滑塊位置可以產生任意的加壓力。通過CNC系統可以實現對伺服拉伸墊的運動、位置和速度控制，并實現模墊預加速及預建壓功能，如圖所示4所示?；瑝K位移編碼器作為主軸信號，當滑塊下行至一定位置時，通過CNC系統控制伺服電機驅動絲杠機構帶動頂冠向下加速運行，絲桿軸端和伺服電機位置編碼器反饋位置信號進行預加速的控制和監控，保證模墊在預加速行程內與滑塊接觸時達到滑塊的運行速度，實現伺服模墊與滑塊無沖擊接觸。接觸后滑塊壓住頂冠，帶動模墊向下運行，絲母帶動絲杠運轉，此時，伺服電機產生反向力矩即處于發電狀態，結合滑塊運行位置，在拉伸前建立壓邊力，繼而模墊由位置控制轉換為壓力控制，由液壓系統壓力傳感器反饋壓力信號，控制伺服電機的輸出力矩，從而進行壓邊力的控制和調整，產生任意的加壓力。

電動伺服模墊可根據工件對壓邊力的需要進行任意的調整，防止在開始拉伸時起皺及最大變形時拉裂。而傳統的純氣式氣墊，在拉伸過程壓邊力為定值，二者比較見圖5。在滑塊回程時，伺服拉伸墊可以在下死點保壓一定的時間，實現閉鎖功能，也可以隨滑塊一起或相對于滑塊獨立運行，實現頂出工件并在等待位置取件后，回到拉伸墊上行程位置。通過控制伺服電機的輸出力矩和運行速度，可任意調整拉伸墊任意位置上的壓邊力和拉伸墊的運行速度，以適應不同工件的拉深工藝，也可單獨調整各點的壓邊力，完全實現數控液壓墊的功能。關系曲線如圖6所示。

5 結論

和其他幾種結構相比，電動伺服模墊的優勢是：①控制并提高材料的成形性；②提高生產性能，提高自動化系統的周期性；③降低噪聲約15dBA；④節能降耗。以前氣墊的能量大部分都被空氣和油的阻力所消耗，而電動伺服模墊可以利用伺服氣墊的反電動勢，將消耗掉的電力回收，回收量可達90%。由于不需要使用高壓油，所以不需要進行油的清潔度管理以及密封圈類的維修。綜上所述，電動伺服模墊應用前景十分看好。

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Recent development and prospective of electric-drive servo drawing cushion technique

LI Zhaodong，YUAN Wensheng，WANG Zhonglei
（1.School of Mechanical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101,Shandong China）

The combination of drawing cushion and slider on press can perform the drawing process，and the servo direct-drive technique is the ideal solution for that.The application of servo cushion and servo press in the production of automobile parts and electronic parts with high accuracy and difficulty has many advantages comparing with conventional press.Meanwhile the quality of the drawn parts has been raised with good energy-saving characteristics.

Deep drawing of sheet metal;Press；Slider；Servo direct-drive technique；Electric servo drawing cushion

TG315.5

B

1672－0121（2011）06－0066－04

2011-08-02

李兆東（1963-），男，副教授，從事材料塑性加工技術教學與研究