變壓邊力控制實驗系統的實現

張旭東 張 娟 劉 礡 吳建軍

（①西北工業大學365所，陜西 西安710065;②西安航空制動科技有限公司，陜西西安710065;③西北工業大學機電學院，陜西西安 710072）

拉深是一種十分典型的工件成形方法，在傳統的成形過程中，恒定的壓邊力作用在整體壓邊圈上。對于像矩形件這類典型的非軸對稱拉深件，由于其結構的不對稱性，不同部位的材料在拉深過程中由于其流動性實際上是不同的，因此恒定壓邊力作用在整體壓邊圈上實際上對材料的成形性能是有很大影響的，從而影響了產品的質量。因此，現在很多學者開始研究對工件的不同部位在拉深過程中施加不同大小的壓邊力，以此來解決這個問題，這就是變壓邊力技術。由于現實生產的設備等因素，目前各種研究大多是處于理論研究和數值模擬仿真過程中，對于所研究的各種結果缺乏有效的驗證手段。

本文即從現有實際出發，對一臺原有100 t四柱液壓機進行可控變壓邊力技術改造，并以矩形件為代表，設計專門的分塊壓邊模具，以此實現變壓邊力控制實驗。

1 變壓邊力實驗的拉深裝置設計

為了實現分塊變壓邊力的拉深，我們將傳統的整體壓邊圈按照長直邊（2塊）、短直邊（2塊）和圓角區（4塊）分成了8塊獨立的小壓邊塊，每個壓邊塊均由一個獨立的油缸來提供壓邊力。按照這樣的方案，設計開發了一套拉深裝置（如圖1）。

為了監控每個壓邊塊所受的壓邊力大小，在每個壓邊油缸的活塞桿上安裝了一個壓力傳感器，壓邊塊直接頂在壓力傳感器上，這樣壓邊塊上所受的壓邊力就能夠實時地被計算機所監控。控制過程中的壓邊力是將液壓壓力通過壓邊活塞桿經由壓力傳感器傳遞到壓邊塊，經過壓邊塊的均勻化，在各個區域對應的壓邊塊與凹模之間的板材上形成相對獨立控制的壓邊力。

2 模具裝置的結構設計

圖2所示為可控壓邊力的矩形件拉深模具結構，模具采用拉深凹模位于上模，凸模置于下模的倒裝式結構。

在壓邊裝置的設計上，為了保證在拉深過程中壓邊塊運動時不發生偏移，設計了一個托盤以約束壓邊塊在水平方向的位移，在垂直方向壓邊塊與蓋板之間可相對運動（如圖3），將8個壓邊塊放置在托盤內。通過在托盤上加裝導柱，在下模板上加裝與之配合的導套，來實現對壓邊塊的整體定位。

3 控制系統工作原理設計

為了實現分區變壓邊力控制，在拉深模具上設置與各控制區域對應的壓力控制單元。每個單元獨立控制壓邊力，并隨著測量的拉深位移由控制算法提供控制量，通過控制系統操作相應的閥門以及比例放大部件，通過液壓部件完成工藝動作和壓邊力的調整。同時控制系統通過對液壓機控制系統的操作，控制100 t四柱液壓機配合拉深模具完成拉深成形。

整個系統的實時控制部分的基本工作原理和實施步驟如下:

（1）首先將數值模擬得到的最優壓邊力曲線輸入工控機;

（2）工控機根據拉深過程中實時壓邊力傳感器反饋的數值利用控制算法計算出各個壓邊力的控制量;

（3）通過串口通訊將控制量寫入相應的PLC通道;

（4）PLC D/A模塊將控制電壓信號的數字量轉換為模擬量后進入比例放大板;

（5）比例放大板將控制電壓信號轉換為控制電流信號，控制比例溢流閥開啟量的大小，從而控制系統壓力;

（6）通過控制電流信號去控制壓邊油缸內的壓力（亦即控制壓邊力）。

變壓邊力控制系統工作的原理如圖4所示。

4 變壓邊力拉深實驗

按照上述方案，整個變壓邊力控制系統的實驗裝置已經基本建立完成（如圖5）。

表1 拉深模擬與實驗結果

為了調試設備的需要，筆者用厚度為1.5 mm的08F鋼板進行了拉深實驗，其毛坯尺寸為500 mm×300 mm。對此毛坯的拉深過程進行了數值模擬，將模擬所加載壓邊力曲線輸入工控機，結果如表1和圖6所示。

圖6為模擬結果的厚度分布顯示結果。圖7為實驗結果實物圖，圖8為沿OA方向厚向應變的分布圖。從模擬與實驗結果對比看，模擬的結果與實驗結果基本一致。

5 結語

矩形件拉深成形變壓邊力控制實驗系統的建立，為壓邊力理論的系統研究奠定了實踐基礎，同時對模具設計過程和實際生產中的工藝調整都具有重要的指導意義。建立矩形件變壓邊力拉深成形控制實驗系統，為進一步研制并改造復雜工件壓邊力控制設備提供了充分的理論依據和實驗資料。

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［4］王孝培.沖壓設計資料［M］.北京:機械工業出版社，1988.