變壓邊力控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張旭東 張 娟 劉 礡 吳建軍

（①西北工業(yè)大學(xué)365所，陜西 西安710065;②西安航空制動(dòng)科技有限公司，陜西西安710065;③西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)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(tǒng)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(jié)構(gòu)的不對稱性，不同部位的材料在拉深過程中由于其流動(dòng)性實(shí)際上是不同的，因此恒定壓邊力作用在整體壓邊圈上實(shí)際上對材料的成形性能是有很大影響的，從而影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，現(xiàn)在很多學(xué)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(gè)問題，這就是變壓邊力技術(shù)。由于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的設(shè)備等因素，目前各種研究大多是處于理論研究和數(shù)值模擬仿真過程中，對于所研究的各種結(jié)果缺乏有效的驗(yàn)證手段。

本文即從現(xiàn)有實(shí)際出發(fā)，對一臺(tái)原有100 t四柱液壓機(jī)進(jìn)行可控變壓邊力技術(shù)改造，并以矩形件為代表，設(shè)計(jì)專門的分塊壓邊模具，以此實(shí)現(xiàn)變壓邊力控制實(shí)驗(yàn)。

1 變壓邊力實(shí)驗(yàn)的拉深裝置設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)分塊變壓邊力的拉深，我們將傳統(tǒng)的整體壓邊圈按照長直邊（2塊）、短直邊（2塊）和圓角區(qū)（4塊）分成了8塊獨(dú)立的小壓邊塊，每個(gè)壓邊塊均由一個(gè)獨(dú)立的油缸來提供壓邊力。按照這樣的方案，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套拉深裝置（如圖1）。

為了監(jiān)控每個(gè)壓邊塊所受的壓邊力大小，在每個(gè)壓邊油缸的活塞桿上安裝了一個(gè)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?qū)崟r(shí)地被計(jì)算機(jī)所監(jiān)控?？刂七^程中的壓邊力是將液壓壓力通過壓邊活塞桿經(jīng)由壓力傳感器傳遞到壓邊塊，經(jīng)過壓邊塊的均勻化，在各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的壓邊塊與凹模之間的板材上形成相對獨(dú)立控制的壓邊力。

2 模具裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

在壓邊裝置的設(shè)計(jì)上，為了保證在拉深過程中壓邊塊運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生偏移，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(yùn)動(dòng)（如圖3），將8個(gè)壓邊塊放置在托盤內(nèi)。通過在托盤上加裝導(dǎo)柱，在下模板上加裝與之配合的導(dǎo)套，來實(shí)現(xiàn)對壓邊塊的整體定位。

3 控制系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)分區(qū)變壓邊力控制，在拉深模具上設(shè)置與各控制區(qū)域?qū)?yīng)的壓力控制單元。每個(gè)單元獨(dú)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(tǒng)操作相應(yīng)的閥門以及比例放大部件，通過液壓部件完成工藝動(dòng)作和壓邊力的調(diào)整。同時(shí)控制系統(tǒng)通過對液壓機(jī)控制系統(tǒng)的操作，控制100 t四柱液壓機(jī)配合拉深模具完成拉深成形。

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制部分的基本工作原理和實(shí)施步驟如下:

（1）首先將數(shù)值模擬得到的最優(yōu)壓邊力曲線輸入工控機(jī);

（2）工控機(jī)根據(jù)拉深過程中實(shí)時(shí)壓邊力傳感器反饋的數(shù)值利用控制算法計(jì)算出各個(gè)壓邊力的控制量;

（3）通過串口通訊將控制量寫入相應(yīng)的PLC通道;

（4）PLC D/A模塊將控制電壓信號(hào)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量后進(jìn)入比例放大板;

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

（6）通過控制電流信號(hào)去控制壓邊油缸內(nèi)的壓力（亦即控制壓邊力）。

變壓邊力控制系統(tǒng)工作的原理如圖4所示。

4 變壓邊力拉深實(shí)驗(yàn)

按照上述方案，整個(gè)變壓邊力控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)基本建立完成（如圖5）。

表1 拉深模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了調(diào)試設(shè)備的需要，筆者用厚度為1.5 mm的08F鋼板進(jìn)行了拉深實(shí)驗(yàn)，其毛坯尺寸為500 mm×300 mm。對此毛坯的拉深過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬所加載壓邊力曲線輸入工控機(jī)，結(jié)果如表1和圖6所示。

圖6為模擬結(jié)果的厚度分布顯示結(jié)果。圖7為實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)物圖，圖8為沿OA方向厚向應(yīng)變的分布圖。從模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比看，模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

5 結(jié)語

矩形件拉深成形變壓邊力控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立，為壓邊力理論的系統(tǒng)研究奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)，同時(shí)對模具設(shè)計(jì)過程和實(shí)際生產(chǎn)中的工藝調(diào)整都具有重要的指導(dǎo)意義。建立矩形件變壓邊力拉深成形控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為進(jìn)一步研制并改造復(fù)雜工件壓邊力控制設(shè)備提供了充分的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)資料。

［1］邢忠文，楊玉英.盒形件拉深時(shí)法蘭變形區(qū)的剪應(yīng)力與剪切變形［J］.材料科學(xué)與工藝，1993，1（1）:82－87.

［2］Wang Y，Majlessi S A.The design of an optimum binder force system for improving sheet metal formability［C］.Proceedings of the 18th Biennial Congress IDDRG，International Deep Drawing Research Group，Lisbon，Portugal，1994，:491－502.

［3］張旭東，吳建軍.矩形件拉深成形變壓邊力的數(shù)值模擬研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2007（8）:41－43.

［4］王孝培.沖壓設(shè)計(jì)資料［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.