復(fù)合精沖成形裝備研發(fā)及應(yīng)用

文/華林，劉艷雄·武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院

精沖壓力機是專為完成精沖工藝而設(shè)計制造的精沖裝備，它必需充分滿足精沖工藝的特定要求。精沖成形是零件在精沖力、壓邊力和反頂力共同作用下實現(xiàn)剪切分離的工藝，因此必須能同時提供三種單獨的作用力。隨著復(fù)合精沖的發(fā)展，精沖機還需提供第四、第五力，甚至第六、第七力。另外精沖機還需要滿足沖裁速度可調(diào)、機架剛度高、導(dǎo)向精度高、滑塊重復(fù)定位精度高以及具有靈敏可靠的模具保護裝置等特點。

圖1 KHF全自動精沖成形生產(chǎn)線

為了提高生產(chǎn)效率，精沖已向著全自動生產(chǎn)方向發(fā)展。本項目組和黃石華力鍛壓設(shè)備有限公司合作研發(fā)的典型KHF1000型全自動精沖生產(chǎn)線如圖1所示。全自動生產(chǎn)流程主要包括開卷-校平-復(fù)合精沖工序。由于精沖材料一般為卷料，因此首先要進行開卷。板料卷曲后會發(fā)生彎曲塑性變形，為了保證精沖零件的平面度，板料需要校平，然后通過精沖機的自動送料系統(tǒng)將條料送進。在自動送進系統(tǒng)中含有條料自動潤滑系統(tǒng)，條料的上下兩面會被涂抹潤滑油。涂有潤滑油的條料進入模具型腔后，滑塊上行，模具閉合，在模具中進行精沖成形。在一次精沖成形結(jié)束后，模具打開，高壓氣體將零件及廢料吹出到傳送帶上，將零件及廢料運送到料箱，或者通過機械手將零件和廢料取出。剩余的條料廢料在每隔一定沖次后由廢料剪剪斷，獲得一定長度的廢料，便于回收處理。

全自動液壓精沖機

總體結(jié)構(gòu)

圖2所示為KHF1200型全自動液壓式精沖機主機三維立體結(jié)構(gòu)簡圖。KHF1200型精沖機是國內(nèi)噸位最大的全自動液壓精沖機。該精沖機采用下傳動式，主油缸布置在機架的下部，壓邊油缸布置在精沖機的上方，反頂油缸嵌入主沖壓油缸的內(nèi)部，這種布置使精沖機結(jié)構(gòu)緊湊。同時為了滿足滑塊的快速工進和快速回程，主滑塊下還設(shè)計有快速閉合油缸。快速缸體積小、運行速度快。精沖過程中，快速閉合油缸首先推動滑塊快速上行，位移傳感器檢測到滑塊運行到設(shè)定位置后進行廢料檢測。如果不存在廢料，滑塊繼續(xù)上行進行沖裁，此時主油缸開始工作，提供大的沖裁力。同時壓邊缸和反頂缸的活塞被傳力桿頂著往后退，壓邊缸和反頂缸為背壓缸，活塞后退過程中能穩(wěn)定的提供壓邊力和反頂力。

圖2 KHF1200型液壓精沖機主機三維立體結(jié)構(gòu)簡圖

該精沖機具有雙重導(dǎo)向，第一重導(dǎo)向為主油缸的活塞與缸體之間的導(dǎo)向，第二重導(dǎo)向為主滑塊與機架上的導(dǎo)軌導(dǎo)向。目前應(yīng)用最多的為八面導(dǎo)軌導(dǎo)向，具有很強的抗偏載能力，因此導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對加工精度要求非常高。對于精沖工藝，要求滑塊具有高的重復(fù)定位精度，液壓式精沖機上設(shè)計有限位塊，限位塊限制主油缸活塞向上運行的上死點。限位塊位置可通過伺服電機驅(qū)動螺母旋轉(zhuǎn)進行調(diào)節(jié)。

為了實現(xiàn)全自動精沖，精沖機上還配有送料機構(gòu)，送料機構(gòu)送進步距誤差不能超過0.1mm，否則由于誤差累計，在級進復(fù)合精沖成形時導(dǎo)致零件不能精確定位，損壞零件和模具。目前送料結(jié)構(gòu)一般采用伺服電機驅(qū)動，此外精沖機上還配有廢料剪，當(dāng)條料送進到設(shè)定距離后自動將廢料剪斷，便于廢料的收集。

機械部分設(shè)計

精沖機機架通常采用厚板焊接的整體框架式結(jié)構(gòu)，其加工流程為：首先將不同厚度（通常為20～400mm）的鋼板焊接在一起，然后進行整體去應(yīng)力退火，最后進行整體數(shù)控精加工，保證機架的尺寸精度。這種結(jié)構(gòu)的機架具有較高的強度和剛度，并且可以為滑塊提供間隙可調(diào)的平面導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向精度高、抗偏載能力強，可以滿足精沖的工藝要求。此外機架經(jīng)拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化后，可以達到節(jié)省材料、減輕重量且便于制造的目的。

KHF型精沖機導(dǎo)向采用油缸與滑塊雙重導(dǎo)向機構(gòu)。主油缸采用導(dǎo)向帶滑動導(dǎo)向，在油缸和活塞之間設(shè)置導(dǎo)向帶，起導(dǎo)向作用的同時也防止了活塞與油缸直接接觸造成的磨損；主滑塊采用八面導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，具有很強的抗偏載能力，確保偏載作用下精沖零件的成形精度。KHF型液壓式精沖機抗偏載性能測試結(jié)果如表1所示，這種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，其液壓缸滑塊環(huán)形導(dǎo)軌和滑塊平面導(dǎo)軌應(yīng)嚴(yán)格對中且間隙要均勻，加工精度要求極高。

表1 KHF型液壓式精沖機抗偏載性能測試結(jié)果

高性能節(jié)能液壓系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)液壓精沖機為保證沖壓效率，其快速合開模回路及主沖壓回路均常采用比例-伺服閥控制系統(tǒng)，然而閥控系統(tǒng)低效率、高能耗等缺點在液壓精沖機上尤為突出。為改善液壓精沖機高能耗問題以及實現(xiàn)低碳制造，對傳統(tǒng)精沖機液壓系統(tǒng)進行了改進。本項目組提出了一種多蓄能器混合液壓控制系統(tǒng)，其中快速合開模回路采用比例-伺服閥控制系統(tǒng)，主沖壓回路采用伺服電機-泵控制系統(tǒng)，且在兩個回路中安裝多個液壓蓄能器，分別起到儲蓄能量、壓力補償與能量回收的作用。該混合液壓控制系統(tǒng)同時具有閥控液壓系統(tǒng)響應(yīng)快、伺服電機泵控制效率高的優(yōu)點，液壓蓄能器的合理利用使其系統(tǒng)能量的利用效率進一步提高。改進前與改進后系統(tǒng)性能、能耗及利用效率分別如圖3和圖4所示。

圖3 優(yōu)化前后的精沖機液壓系統(tǒng)性能對比

圖4 不同負荷率下精沖機液壓系統(tǒng)能量利用率

圖3 中，對液壓系統(tǒng)改進后，其精沖機滑塊在快上、檢測、沖壓階段響應(yīng)速度幾乎相同，而對卸壓及快返階段改進后，系統(tǒng)滑塊響應(yīng)運動速度明顯加快，導(dǎo)致工作循環(huán)周期減小，進一步提高了精沖機工作效率。另外整機的液壓系統(tǒng)振動非常小，在復(fù)合精沖成形過程中，豎立放置的硬幣可以保持不倒。

圖4中，當(dāng)負荷率較小時（＜10%），改進后與改進前液壓系統(tǒng)能量利用率相差不大，然而隨著負荷率升高，改進后的液壓系統(tǒng)相比改進前能量利用率平均提高25%。以一臺650t液壓精沖機為例，其功率為145kW，沖頻30次/min，16小時/天，300天/年，電費1.2元/度，閥控系統(tǒng)能量利用效率25%，泵控系統(tǒng)能量利用效率50%。則生產(chǎn)同批量產(chǎn)品，泵控系統(tǒng)比閥控系統(tǒng)每年多節(jié)約電能為：E=(145-145×25%/50%）×16×300=348000kW·h。每年多節(jié)約：348000kW·h×1.2元/kW·h=417600元。

為了滿足復(fù)合精沖多力系要求，精沖機需要提供第四、第五力，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。精沖機的主油缸提供精沖力與精沖運動，反頂油缸提供精沖反頂力和反頂運動，壓邊油缸提供壓邊力和壓邊運動。至于第四、第五力，則是根據(jù)零件成形特征，在模具中設(shè)計擠壓油缸和擠壓反頂油缸，其液壓力源來自精沖機的液壓系統(tǒng)。在精沖機液壓系統(tǒng)中設(shè)計有第四力、第五力的液壓油路，只需通過油管將模具上的液壓油缸和精沖機上的液壓油路連接起來即可。隨著精沖零件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，力系數(shù)量要求越來越多，第六、第七力系全自動液壓精沖機也已經(jīng)研發(fā)了出來。

圖5 復(fù)合精沖多力系結(jié)構(gòu)原理圖

高速機械伺服精沖機

為了實現(xiàn)高速精沖，本項目組還研發(fā)了機械伺服高速精沖機。其最大精沖成形力為3200kN，最大壓邊力為1600kN，最大反頂力為800kN，滑塊最大行程為70mm，沖壓頻率最高為220次/min，沖裁板料厚度為0.5～10mm，各參數(shù)指標(biāo)處于國際領(lǐng)先水平。

該精沖機主傳動采用曲柄肘桿結(jié)構(gòu)，為雙伺服電機驅(qū)動，其運動原理圖如圖6所示。其中伺服電機1快速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)精沖機主滑塊的快速上行，當(dāng)主滑塊快速上行到預(yù)備沖裁位置時，伺服電機2開始工作，提供足夠大的主沖裁力，實現(xiàn)慢速精沖，精沖完成后，伺服電機1再次高速運轉(zhuǎn)實現(xiàn)快速回程。采用雙伺服電機能夠有效避免單電機功率過大現(xiàn)象，可節(jié)約能源和制造成本，同時能夠高速平穩(wěn)的實現(xiàn)精沖成形。

圖6 雙伺服電機曲柄肘桿結(jié)構(gòu)

目前在精沖過程中常采用恒定壓邊力及頂出力，為了實現(xiàn)智能精沖，壓邊力及頂出力在精沖過程中智能可調(diào)，并對傳統(tǒng)液壓精沖機壓邊及反頂系統(tǒng)進行升級改造。反頂力液壓系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 智能伺服反頂缸液壓系統(tǒng)圖

與傳統(tǒng)反頂缸液壓系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用比例溢流插裝閥替換普通電磁溢流插裝閥。通過調(diào)節(jié)比例溢流閥溢流壓力值，能實現(xiàn)精沖過程中頂出力的伺服可調(diào)。根據(jù)研究表明壓邊力主要在精沖的初始階段，此時剪切變形區(qū)的壓應(yīng)力較大。隨著精沖行程的增加，剪切變形區(qū)壓應(yīng)力逐漸減小。因此在精沖初期可以適當(dāng)減小壓邊力和反頂力，隨著行程的增加再逐漸增加壓邊力和反頂力。這種設(shè)計一方面可以減小能耗，另一方面對于高強度難變形材料，動態(tài)調(diào)整壓邊力和反頂力，可以實現(xiàn)其全光亮帶的精沖成形。

結(jié)束語

精沖裝備作為精沖成形工藝的保證，其性能直接決定了復(fù)合精沖零部件的質(zhì)量，也反映了國家高端裝備的發(fā)展水平。本項目組和黃石華力鍛壓設(shè)備有限公司合作研發(fā)的KHF系列精沖機整體性能達到了國際先進水平，后續(xù)將繼續(xù)研發(fā)更高速度、更高精度的復(fù)合精沖機。