液壓氣墊的設計與應用

文/孟微·營口鍛壓機床有限責任公司

液壓氣墊的設計與應用

文/孟微·營口鍛壓機床有限責任公司

氣墊在壓力機進行拉深工藝時，起壓邊及卸件打料作用；在壓力機進行沖裁工藝時，起頂件作用。由于壓力機在裝置氣墊之后，單動壓力機能進行較深的拉深工藝，擴大了壓力機的工藝范圍，在中型以上壓力機上，大都設置了氣墊裝置。

氣墊種類很多，根據結構形式不同，可分為：單活塞式、雙活塞式、三活塞式；固定氣缸式、活動氣缸式；氣墊自身導向式、工作臺導向式；可調行程式、不可調行程式等等。根據氣墊的工作介質不同，可將氣墊分為純氣式和液壓氣動式。目前，國內在一些大、中型壓力機上廣泛采用了液壓氣動式氣墊。這種氣墊結構比較緊湊，在進行拉深工藝時，能產生較大的壓邊力。

根據我公司與包頭北方實業簽訂的J31-1250閉式單點壓力機的技術協議要求，現對該設備的部件液壓氣動式氣墊進行設計。

液壓氣墊的結構及動作原理

氣墊的結構

氣墊上方裝有托板1，托板采用鋼板焊接結構，剛度好。托板上鑲有導軌板2，材料為耐磨性較好的酚醛層壓布板。此件限制氣墊活塞旋轉，并對氣墊行程起導向作用。氣墊缸體上鑲有銅導套，對氣墊行程起導向作用，在氣墊的下部裝有增壓系統。

氣墊的動作原理

當機床進行拉深工藝時，壓力機滑塊下行，當與氣墊托板接觸時，氣墊隨滑塊下行，此時增壓系統通氣使氣墊增壓閥口閉鎖，氣墊處于壓邊狀態。當滑塊運行到下死點時，氣墊托板處于靜止保壓狀態，當滑塊回程超過拉深工件高度時，增壓系統換向閥換向排氣，托板上行將工件頂出。當進行沖裁工藝時，氣墊隨滑塊上、下往復動作，無滯后動作。當然也可根據實際工藝要求設置不同的動作規范。液壓氣墊的具體參數如表1所示。

表1 液壓氣墊的參數

液壓氣墊的設計

根據液壓氣墊的使用參數，經計算得出氣墊的結構尺寸：工作缸活塞直徑Dg=113cm，單層缸結構活塞直徑太大，無法裝入壓力機底座，故采用雙層活塞結構。取活塞桿直徑dg=26cm，則儲氣筒油壓為P2=4.6kg/cm2，工作缸油壓P1=13.8kg/cm2。考慮到氣墊頂出時充油時間應控制在0.3～0.4T(T:滑塊一次行程時間)以內要求，推薦用閥口面積為氣墊壓緊時閥縫隙面積的5～7倍，即πd2/4=（5～7）fmax，則閥口直徑d=23～28cm,取d=24cm。統計現有閥座，D/d=1.05～1.2，閥座比壓為20～45kg/cm2。

據前面分析，閥座寬度應盡量減小，閥與閥座材料為鋼質時允許比壓可取800kg/cm2，閥為鋼質，閥座為銅合金時，允許比壓取300kg/cm2。可現用閥座寬度太大，推薦用D/d=1.04～1.05，取D=25cm D/d=1.04。壓緊時的最大行程hmax=1.56cm，閥及油管處，壓緊時的液流速度：V1max=7.8m/s，許用值[V1]≤10m/s，滿足要求。閥縫隙液流速度：V2=41.8m/s,許用值[V2]≤80m/s，滿足要求。管道液流平均流速：Vcp=4.7m/s ,許用值[Vcp]≤5～7m/s，滿足要求。控制缸活塞全行程，在下行阻尼式氣墊中一般在30mm左右，在回程阻尼式氣墊中為(2～3)hmax,計算充油時間t2=1.92s,許用值[t2]≤(0.3～0.4)T=1.8～2.4s，滿足要求。

閥的力平衡計算，若按照閥在開啟狀態下進行，控制活塞的重量G為Pk的3%～5%，在采用“Y”形或“O”形密封圈時，PDμ約為Pk的5%，當閥開啟時，可視為G被PDμ平衡，由于液動力是變量，應采用阻尼予以抵消。則可計算出控制缸活塞直徑Dk=45cm。

根據以上計算數據，確定液壓氣墊的具體結構尺寸如圖1所示。

氣墊的優化設計

氣墊模型的初步建立

氣墊的結構尺寸確定后，用SolidWorks三維實體建模軟件對各零件進行建模。然后把各零件組裝在一起，形成氣墊裝配體，計算其總重為11600kg。

氣墊的優化設計

用SolidWorks軟件中附帶的Cosmos實體受力分析軟件對各主要受力件進行受力分析。各零件經優化后，該強化的地方進行強化，該削弱的地方進行減重，使材料的利用率大大提高。優化后的總重為11000kg，在保證材料更合理應用的同時，為公司節省了上萬元的制造成本。圖2為氣墊上活塞經Cosmos分析軟件優化分析后的結果。

圖1 液壓氣墊結構圖

圖2 氣墊上活塞經Cosmos分析軟件優化分析后的結果

氣墊使用過程中結構的異常與改善措施

氣墊在使用過程中出現下行緩慢，影響工藝流程。經研究發現，由于氣墊是雙缸結構，不能精確保證兩個缸裝配時配合公差一致，兩側導軌的間隙也無法保證一致，導致壓力缸在液壓推動下運行不一致，這樣導致兩個缸在自重作用下，下行動作遲緩，經研究決定增加氣路輔助推動，幫助下行，整改方案圖3所示。另外考慮現場出現問題后能及時了解動力缸內的壓力，增加一路壓力檢測管路，接到地面以上，連接一塊壓力表，可實時顯示缸內壓力，方便監測。經整改試驗后，出現的問題得到了有效解決。

圖3 氣墊整改圖

結束語

使用氣墊時應注意：應盡量避免在偏心載荷下使用，避免氣墊因承受偏心載荷而產生力矩導致壓邊力不同，出現制件壁厚不均，厚度公差超差，表面質量差以及突耳等缺陷，增加制件的廢品率。

雙點壓力機由于臺面較大，適合安裝級進模以配合自動化送料系統，從而提高生產效率。但這必然會導致壓力機處于偏載工作狀態。因此壓力機在設計的時候考慮到具備一定的抗偏載能力。在壓力機的使用說明書中都注有壓力機允許的最大偏心載荷數值，設計生產工藝時不得超過此數值。使用壓力機時最大負荷為公稱壓力的70%～75%。設計生產工藝時需用調整制件工序，增加廢料加工，余料切斷等方法平衡負荷的分布。

孟微，工程師。主要從事沖壓機床的設計研發，曾獨立完成開式壓力機新結構形式的設計，精壓機整體結構的改進，多工位壓力機的產品改進等。獲得3項實用新型專利。