10MN/16MN數(shù)控高性能拉深液壓機液壓系統(tǒng)研究

葉 臻，王晉撫

（1.揚州捷邁鍛壓機械有限公司，江蘇 揚州 225127；2.揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 揚州 225000）

1 前言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，作為交通工具的汽車和各種日用不銹鋼制品走進千家萬戶，市場需求量日趨增大，更換周期越來越短。在滿足多品種小批量生產(chǎn)的同時，對大型汽車覆蓋件和不銹鋼制品件的質(zhì)量、成形精度和生產(chǎn)效率提出了更高的要求。雙動液壓機是大型金屬薄板拉深和塑性材料壓制成形的液壓設(shè)備，由于具有壓力、行程和速度等工藝參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜形狀工件、不對稱工件和高強度材料工件的成形，廣泛用于汽車、船舶、航空航天、交通運輸和能源設(shè)備等制造行業(yè)，應用前景十分廣闊。因此，研制實用性強、速度快和成形精度高的雙動液壓機已成為裝備制造業(yè)發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)，而保證這些性能實現(xiàn)的關(guān)鍵在于液壓控制系統(tǒng)的研究。根據(jù)市場需求和趕超世界液壓機先進技術(shù)水平的理念，我公司研制了16MN/10MN 大型數(shù)控雙動薄板拉深液壓機，以此推動國內(nèi)液壓機行業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)對該設(shè)備液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)作如下探討，以供讀者參考。

2 主要技術(shù)性能的設(shè)計參數(shù)

①合模力：16000kN；②拉深力：10000kN；③壓邊力：6000kN；④液壓墊力：4000kN；⑤工作臺尺寸：4500mm×2500mm；⑥滑塊快下及回程速度：600mm/s；⑦滑塊工作速度：30～50mm/s；⑧位置精度：±0.03 mm；⑨壓力精度：±0.5%；⑩具有四角調(diào)壓功能。

3 液壓系統(tǒng)快速化技術(shù)研究

由于普通液壓機存在工作臺面小、運行速度慢、生產(chǎn)效率低的缺點，嚴重制約著產(chǎn)能增加，所以提高液壓機整個周期中的運行速度、縮短運行輔助時間、加大設(shè)備應用范圍和提高自動化水平是解決目前生產(chǎn)效率低的有效途徑。

3.1 滑塊空載快速下行和快速回程充排液技術(shù)

充液閥是液壓機液壓系統(tǒng)中常見的一種液控單向閥，主要用于液壓機活塞油缸無桿腔或柱塞油缸內(nèi)腔的快速充液和排液，目的是減少泵的設(shè)計流量，獲得較快的空載下行速度，從而提高設(shè)備的工作效率。當滑塊靠自重快速下行時，油缸內(nèi)腔形成一定的負壓，充液閥通過自吸將主錐閥芯打開，油箱內(nèi)大量油液注入油缸內(nèi)腔。當滑塊快速回程時，控制油口的低壓油先打開充液閥里的預卸閥芯進行卸壓，然后打開主閥芯使油缸內(nèi)腔油液快速排回油箱。

16MN/10MN 液壓機拉深滑塊為三缸驅(qū)動，空程快速下行速度為600mm/s。按1.5m/s 的吸油流速計算時，主缸充液流量為8862L/min，所需的充液閥通徑需要?350mm。為了達到快速充液效果，自主研發(fā)了一種通徑大（通徑?350mm）、工作壓力高（最大工作壓力31.5MPa）、充液流量大（2.0m/s 流速時充液流量為11600L/min）的充液閥。在研發(fā)過程中，對關(guān)鍵零件進行了優(yōu)化設(shè)計，同時對其材料和熱處理工藝作了深入研究。通過多次實驗，檢測的數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求，實現(xiàn)了超大流量的快速低壓充液功能，并具有開啟壓力低，自吸性能好；流道設(shè)計通暢，流阻小；控制壓力低，復位可靠等特點，徹底解決了大容腔油缸快速充液和排液的難題。另一方面，由于主缸油液自吸充分，大大縮短了壓制工作時的升壓時間。充液閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3.2 滑塊快速轉(zhuǎn)慢速的液壓穩(wěn)態(tài)技術(shù)

由于大臺面的雙動液壓機滑塊、油缸活塞和模具等零部件重量大，下行速度快，導致運動部件的慣性大，在快速下行轉(zhuǎn)減速工進時產(chǎn)生很大的沖擊，如何解決600mm/s 的快速運行的平順剎車是液壓控制系統(tǒng)的重點問題。通過對液壓控制系統(tǒng)的反復研究，采用節(jié)流調(diào)速控制大通徑快速排油插裝閥控制腔的油液流量，有效控制插件的啟閉特性，從而實現(xiàn)大流量到零流量過渡時插件的快速和平穩(wěn)關(guān)閉，減小了快轉(zhuǎn)慢時液壓系統(tǒng)的沖擊力度，降低了設(shè)備的振動程度。

液壓原理如圖2 所示。實現(xiàn)過程為：滑塊快速下行時2YA3、2YA4 得電，主缸下腔快速排液，當滑塊行程檢測裝置發(fā)訊時2YA3 斷電，滑塊由空程快下速度轉(zhuǎn)入工作壓制速度。由于單向節(jié)流閥與插件2C4 控制腔相通，可調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口大小來實現(xiàn)對插件的關(guān)閉速度控制，同時，插件2C4 上開有節(jié)流槽，使插件啟閉過程中流量變化均勻，減小了快轉(zhuǎn)慢時產(chǎn)生的液壓沖擊。另一方面，通過調(diào)節(jié)插件2C4控制蓋板上節(jié)流調(diào)節(jié)桿來控制插件開口大小，從而有效控制滑塊快下速度，避免主缸上腔吸空出現(xiàn)滑塊加壓停頓現(xiàn)象。當插件2C4 快速關(guān)閉后，油液通過插件2C3 背壓下行，先導溢流閥為工作壓制時的下腔支撐閥，可根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)到合適的支撐壓力。

3.3 主缸卸壓時間與防沖擊的液壓技術(shù)

大型液壓機在壓制行程結(jié)束或進入保壓狀態(tài)后，油缸和機身儲存了相當大的彈性勢能（油液壓縮和機架的彈性變形所產(chǎn)生的能量）。若滑塊突然轉(zhuǎn)入回程，勢必產(chǎn)生很大的液壓沖擊，從而造成設(shè)備和管路的劇烈振動，降低了系統(tǒng)的安全可靠性和系統(tǒng)的壽命。而且過度延長卸壓時間會增加周期，降低設(shè)備的生產(chǎn)效率。因此，隨著液壓系統(tǒng)的高速化發(fā)展，對液壓系統(tǒng)的卸荷時間與沖擊進行了深入研究，全面提高該系列液壓機的綜合性能和技術(shù)水平。

該液壓機的卸壓與沖擊液壓回路如圖3 所示。該回路包括兩部分功能，即保壓和快速卸壓功能。從圖中可以看出，當電磁閥2YA5 和3YA6 斷電時，插裝閥2C6 和充液閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，主缸上腔進行保壓。當主缸進行卸壓時，電磁閥2YA5 得電，插裝閥2C6 開啟，其開口量大小可通過調(diào)節(jié)螺桿進行調(diào)節(jié)，從而可控制卸壓的快慢，當主缸壓力降到壓力傳感器所設(shè)定值或達到延時繼電器所設(shè)時間時，電磁閥3YA6 得電，充液閥控制活塞被開啟，對主缸上腔進行充分卸荷，從而減少了卸荷時的液壓沖擊。對于不同的充液閥，由于控制活塞的直徑與行程不同，所以其腔內(nèi)容積不同，因此，將減壓閥3F1 的壓力和節(jié)流閥3F2 的流量匹配好也是減少沖擊和縮短卸壓時間的關(guān)鍵點。

4 壓邊滑塊四角調(diào)壓技術(shù)

該設(shè)備壓邊滑塊采用的四角調(diào)壓技術(shù)是一項國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)，由于能使滑塊各點受力較均勻，具有抗偏載、調(diào)平精度高、泄壓時間短等優(yōu)異性能，使得該設(shè)備適合高精密零件的成形工藝，可避免在成形過程中壓邊滑塊出現(xiàn)偏載和不同步的情況，從而有效提高精密零件在成形過程中的精度。其四角調(diào)壓的工作原理為：對工件進行壓邊時，壓邊滑塊的四角均安裝一個相同噸位的液壓油缸，通過電液比例調(diào)壓系統(tǒng)單獨控制其壓力，壓力值由壓力傳感器測量并換算成實際壓邊力，然后將實際總壓邊力數(shù)據(jù)傳到PLC 控制器，由PLC 控制器對實際總壓邊力和預設(shè)理論總壓邊力曲線進行閉環(huán)調(diào)整。其四角調(diào)壓液壓原理如圖4 所示。

通過該技術(shù)的運用，雙動液壓機在拉深壓邊過程中，液壓機在偏載的情況下使壓邊滑塊周邊壓力平衡工作，其調(diào)平精度達0.05mm 以內(nèi)，提高了工件的成形精度。

5 結(jié)論

通過對大型高性能拉深液壓機液壓系統(tǒng)的研究，結(jié)合實際工作需要，順利完成了10MN/16MN 雙動液壓機的試制工作，并成功交付用戶使用。該設(shè)備很好地解決了液壓系統(tǒng)中諸多技術(shù)難題，對速度控制、壓力控制和精度調(diào)整等關(guān)鍵液壓技術(shù)進行研究，最終確定了合理的液壓控制方案，并對液壓系統(tǒng)元件進行了精心選擇。實現(xiàn)了壓機整個液壓系統(tǒng)快速、平穩(wěn)、可靠地運行，并大大縮短了設(shè)備的運行周期時間，減輕了沖擊與振動力度，提高了工作效率和設(shè)備壽命，改善了工人的工作環(huán)境，同時也增強了企業(yè)在同行業(yè)中的產(chǎn)品競爭力。

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