數控高速沖床液壓系統設計

王偉 宋源

【摘要】 開發設計適應我國實際環境的高速沖床液壓系統是當前我國科技工作的一個重要課題。本文將比例伺服控制的原理應用到高速數控沖床液壓系統的開發設計中，這樣設計出的沖床液壓系統不僅安全可靠、結構簡單，而且具有較高的沖壓頻率。

【關鍵詞】 沖壓設備 高速數控沖床 液壓系統

隨著我國工業逐步向現代化方向加速發展，現代工業體系逐步形成，國內市場對于高速沖壓設備的需求愈加迫切，對其各方面的性能要求也越來越高。目前我國幾乎還不具備自主生產高速沖壓設備的液壓系統的能力，造成我國生產沖壓設備的成本很高，且進口的液壓系統不能很好的適應我國的實際情況，所以，根據我國目前的實際情況，研制出適合我國國情的高速數控沖床液壓系統是一個亟待解決的課題。

一、沖壓設備的概述

要使沖壓技術得到更大發展，擁有更先進的沖壓設備是一個必備的前提，沖壓系統是沖壓設備重要的組成部分，是目前世界各國沖的壓系統主要采用機械式和液壓式，機械式是一種比較傳統的沖壓方式，其主要通過曲柄壓力機這一設備實現沖壓，曲柄壓力機的主要零部件有滑塊、曲軸、連桿等。液壓式沖壓機應用液壓傳動系統來實現沖壓功能，其基本工作原理為YA1中有電流通過時液壓油在泵的作用下經過電磁換向閥流入液壓缸下腔，這時液壓缸上腔的液壓油就會經由單向閥3、電磁換向閥2后流回油箱，滑塊在活塞的帶動下向上運動；這時對YA2通電，電磁換向閥2的右位開始工作，滑塊會在活塞的帶動下向下運動，對工件進行沖壓，實現沖壓功能。

二、數控高速沖床液壓系統的設計

2.1系統的工況分析及方案的確定

設計的該款高速沖床不僅可以沖壓金屬，還能夠進行沖孔加工。對工件沖壓式，滑塊快速下降，接觸到工件時，滑塊速度降低，但壓力變大，以保證工件準確的成形，完成沖壓過程后，滑塊快速上升。該液壓系統為達到快速沖壓的目的，設計系統的回路時采用了蓄能器+雙泵供油+差動連接的組合。選定比例伺服方向閥作為沖床液壓系統的控制元件，以滿足系統工作時需快速頻繁換向的要求。下圖是高速數控沖床液壓系統的原理圖。

1、電機 2、高壓大流量泵 3、低壓小流量泵 4、壓力表5、過濾器 6、空氣濾清器 7、冷卻器 8、液動換向閥 9、電磁換向閥 10、15.單向閥11、16.蓄能器 12、溢流閥 13、比例伺服閥 14、液壓缸

由上圖可知系統的工作原理：比例伺服閥的右位工作，泵2排除的液壓油和泵3排出后經過液動換向閥8的液壓油一起流經比例伺服閥，流入液壓缸的上腔，同時，缸上腔的油依次流經8和13兩閥后也流進上腔，這樣就構成差動回路，沖頭產生一個向下的快速運動。沖頭接觸到工件時，收到的壓力增大，達到閥8的最大承受壓力時，閥8的左位接通，泵3停止工作，差動回路中斷，此時泵2排出的高壓油流經閥13 后進入液壓桿上腔，沖頭緩慢向下運動，沖壓工件。沖壓到規定的極限時，SQ2發出信號，比例閥接到負的輸入電壓信號，左位接通，同時系統的壓力自動降低，接通閥8的右位后，泵2和泵3一起將油泵如入液壓缸的下腔，上腔的油流經閥13 后回到油箱，沖頭在活塞的帶動下迅速向上運動，至此就是一個工作循環的全過程。

2.2液壓系統基本工作參數

系統的額定最大工作載荷F= 200 Kn.系統由兩個泵供油，低壓泵額定壓力為7 Mpa，高壓泵額定壓力31.5 MPa。沖床的最大行程S為40mm，沖壓周期隨行程的變化而變化，當沖壓行程設為12mm時，沖壓周期T為0.2s。

（1）計算缸筒內徑D。已知系統最大負載為200KN，最大壓力P為0.8pn=25Mpa，設所受阻力f為25KN，根據公式D≥4（Fmax+ f）pπ得D=110mm。（2）活塞桿直徑d。活塞向下時的速度為v1=4qπd2，上升時速度為v2=4qπ（D2-d2），求v1+v2=V的最大值，發現22D=d=77.8時活塞完成一個工作循環用時最少。所以取d=80mm。（3）泵的排量。在一個工作循環中，油箱的出油量應等于其進油量，所以一個工作循環的需要的總流Q=8πDSf= 34.2 L/min，所以低壓泵的理論流量為qt2= 30 L/min，高壓泵的為qt1= 10 L/min設定兩個泵的轉速均為1500 r/min。

根據公式qt= Vn得，高壓泵排量V1= 6.7 mL/r，低壓泵排量V2== 20 mL/r

根據以上計算，低壓泵決定選用排量V2= 20 mL/r，額定壓力pn2= 7 Mpa

的GFZB-5型齒輪泵，高壓泵選用排量V1= 6.3 mL/r，額定壓力pn1=31.5 MPa的GFZB-6閥配流軸向柱塞。

2.3速度驗算

以行程為12 mm，沖壓板的厚度為1 mm的條件下進行速度驗算。當活塞下行時v1=4（q1+ q2）π d2= 13.09 cm/s，活塞上行時v2=4（q1+ q2）π（D2- d2）= 14.68 cm/s，這時的頻率為4.25HZ，即每分鐘內可對工件沖壓265次。可見當S=10mm，對厚度為1mms的工件沖壓時，可以實現f達到300/min以上的預定目標。

三、結語

本文對沖床液壓系統進行了設計，采用比例伺服方向控制閥作為系統的控制元件，壓力系統根據負載的變化自動調整，且采用了雙泵交替供油的設計方案。其次根據沖床的使用要求，確定沖程、周期、頻率、壓力等工作參數，然后設計計算出了液壓系統的主要元件液壓缸的各個數據，最后經過驗算，確定可以實現最初的設計目標。

參 考 文 獻

[1]臧貽娟.數控高速沖床液壓系統設計及仿真[ D].山東：山東大學，2006.

[2]吳宗澤.機械設計師手冊[ M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]李勇.新一代沖壓技術[ J].新技術新工藝，2003（4）： 31。