液氣式數控拉伸墊的若干計算

沈 揚，于海飛，張冠軍，石 磊，李 陽，杜若愚

（江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200）

目前，我國汽車生產廠家使用的數控液壓墊全部依賴進口，導致設備價格大幅攀升，汽車制造成本隨之增加。需要開發具有我國自主產權的數控液壓墊技術，盡快裝備于汽車工業，并參與到國際市場的競爭中去，才能進一步帶動工業技術的創新。

全球范圍內的伺服液壓墊有兩種形式：（1）全液壓式：以博世力士樂設計的液壓墊為代表，功能由液壓系統來實現；（2）液壓、氣壓式：以日本川崎重工設計的液壓墊為代表，功能由液壓和氣壓共同作用實現。

液壓式方案和液壓、氣壓式方案的原理基本一致的，都是通過液壓缸內的油液回油經過伺服閥，通過控制伺服閥開口量大小達到最終控制壓邊力。從控制精度方面，液壓式方案和液壓、氣壓式方案都通過伺服閥來控制壓邊力，采用閉環伺服控制方式，兩者都能保證高精度。

液壓、氣壓式數控液壓墊的優勢為：

（1）降低系統功耗，液壓墊的非工作過程是通過氣壓實現的（液壓只提供補油），所以相對于液壓式方案來講，可以大量降低功耗；

（2）相對于博世力士樂液壓墊，日本川崎重工方案中對于液壓油過濾系統的設計更為簡單。

（3）提供的壓邊力范圍較大。由于采用了氣、液共同作用，很大程度提高了液壓墊的工作能力。

因此，本文的研究對象為液氣式數控拉伸墊。

1 液氣式數控拉伸墊液壓系統運動過程分析（圖1）

1.1 預加速運動

作用：預加速運動是當模具上腔向下運動時，為了減少與工件瞬間接觸時的沖擊力，從而用與滑塊速度成比例的速度來控制液壓墊的位置下降。即：

式中：Vdx——預加速速度，mm/s；

Vx——滑塊速度，mm/s。

圖1 液壓系統運動過程

原理：當控制器檢測到曲柄滑塊機構運動到紅框處起始位置時，預加速泵提供的液壓油通過鎖緊伺服閥和預加速伺服閥向鎖緊液壓缸供油，控制泵產生高壓液壓油通過換向閥和單向閥作用于插裝閥底部使插裝閥不通液壓油，液壓油只能進入鎖緊液壓缸上腔，液壓力作用于鎖緊液壓缸上腔，鎖緊液壓缸向下運動，鎖緊液壓缸下腔由插裝閥組成邏輯閥（壓力大小約為0.4MPa）起背壓作用，液壓油通過插裝閥回油。增壓泵提供的液壓油通過4個壓邊液壓缸，經過伺服閥回油。預加速運動中，液壓墊快速下降導致鎖緊液壓缸運動瞬時需要大量液壓油，為減小液壓系統功率，采用蓄能器作為輔助動力源，兩個伺服閥并聯供油，保障液壓油及時供應，也可以根據實際情況決定兩個伺服閥的是否開啟和開啟量大小。

預加速運動的作用是緩沖工件沖擊，同時也提高加工效率。在實際加工過程中，可以根據實際需要決定是否采用預加速運動。

1.2 壓邊力控制

作用：工件成形是靠滑塊和液壓墊接觸產生的擠壓力作用。壓邊液壓缸在拉伸工件過程中，可以根據板料成形工藝需求，在不同拉伸行程提供不同壓邊力，行程由位移傳感器測量，由計算機控制伺服閥從而調節壓邊力大小，達到復雜和深拉伸等高質量零件的要求。4個壓邊液壓缸可以單獨進行控制，并且每個壓邊液壓缸可以根據需要實時改變壓邊力。壓邊力控制是板料成形的關鍵技術。

原理：循環冷卻泵向4個壓邊液壓缸供油，為了保證液壓油流向，在壓邊液壓缸進油口處安裝單向閥，液壓油回油通過伺服閥節流形成壓力。通過檢測壓邊液壓缸內壓力與設定壓力的差值來決定伺服閥開口量，形成閉環壓力控制系統。為保障液壓系統安全，可控制與伺服閥并聯的溢流閥使系統卸荷。為控制液壓油流向和滿足系統大流量要求，用插裝閥起單向閥的作用。

1.3 鎖緊控制

作用：滑塊與液壓墊分離時，為了工件與滑塊分離，液壓墊在一定時間內保持原位置不動。

原理：控制泵控制插裝閥不通油，當控制器檢測到液壓墊位置變化時，預加速泵提供的液壓油通過鎖緊伺服閥進入鎖緊液壓缸。循環冷卻泵提供的液壓油進入4個壓邊液壓缸，通過壓邊伺服閥回油。

1.4 輔助提升

作用：避免在工件壓制成形后，由于迅速提升對工件成形質量的影響。

原理：控制泵控制插裝閥不通油，預加速泵提供液壓油，液壓油經過鎖緊伺服閥向鎖緊液壓缸供油，此時預加速伺服閥關閉。循環冷卻泵向4個壓邊液壓缸提供液壓油。

1.5 鎖緊釋放

作用：液壓墊提升到初始位置，完成一個工作周期。

原理：預加速伺服閥和鎖緊伺服閥關閉，控制泵通過換向閥來控制鎖緊液壓缸上下兩腔相通，鎖緊液壓缸形成差動液壓缸。循環冷卻泵提供的液壓油快速向鎖緊液壓缸和4個壓邊液壓缸供油，液壓墊將迅速提升。

圖2 川崎重工油箱設計

2 液壓系統靜態計算

2.1 液壓缸的計算

式中：F——壓邊液壓缸承受力；

P——壓邊液壓缸內的壓強；

A——壓邊液壓缸承受油壓面積；

D——為壓邊液壓缸直徑；

ηm——機械效率，取0.92。

2.2 液壓缸所需流量計算

液壓墊上升速度v達到最大值，液壓油要補充到4個壓力液壓缸和鎖緊液壓缸內。

系統流量

式中：S——液壓缸面積；

V——液壓缸運動最大速度。

式中：S1——4個壓力液壓缸面積；

S2——鎖緊液壓缸面積，在上升過程中鎖緊液壓缸形成差動液壓缸。

液壓墊下降時，下降速度為V2，液壓油流入鎖緊液壓缸。

系統流量

2.3 泵選型時的計算

2.3.1 預加速泵

鎖緊液壓缸預加速運動時，預加速泵給鎖緊液壓缸供油。

液壓系統設計要求：SP，VP。

預加速運動時間

式中：Sp——預加速行程；

VP——預加速速度。

預加速泵提供流量

2.3.2 控制泵

控制泵主要起控制液壓系統的作用，分別為控制4個壓力液壓缸的伺服閥提供液動力，為預加速伺服閥和鎖緊伺服閥提供液動力，控制插裝閥動作。頻率即行程次數n，取調速范圍最大值，所有受控對象動作一次所需液壓油估算為1L，動作次數平均估算為2次。可知所需液壓油約為2nL/min。

2.3.3 循環冷卻泵

液壓墊上升時，循環冷卻泵提供液壓油給4個壓力控制液壓缸和鎖緊液壓缸，液壓油部分供給控制泵。

液壓墊上升時間

式中：Sc——液壓墊的有效行程；

Vc——液壓墊上升最大速度。

循環冷卻泵流量

2.4 液壓系統的熱量計算

在液壓墊液壓系統中，液壓油具有傳遞動力、潤滑、冷卻等多種功能。即使是設計良好的液壓系統在理想工作狀態下，也有比例較大的輸入功率轉化為熱量。液壓墊工作時間長，流量大，通過4個伺服閥進行壓邊力控制，節流損失大。液壓墊液壓系統熱量來源：

2.4.1 液壓泵的熱量

液壓泵提供的能量除了少部分轉化為液壓墊動能外，絕大部分都轉化為熱能。液壓墊最大上升速度為V，液壓墊運動部件質量為m，液壓墊的動能，在一個周期內液壓墊的勢能不變。由于液壓墊的動能相對于泵提供的能量非常小，可以忽略，即認為泵提供的能量最終都轉化為熱量。

液壓泵由預加速泵、循環冷卻泵、控制泵組成。泵轉化的熱量Q1為各自的動力和。

2.4.2 伺服閥節流發熱量

壓制工件過程中，滑塊機構通過工件對液壓墊做的功以伺服閥的節流形式轉化為熱量。

式中：n1——變速壓力機的計算行程次數；

L——壓邊液壓缸行程。

2.4.3 氣壓做功發熱量

氣壓對液壓墊做的功也轉化為熱量。液壓墊液壓系統熱量來源由泵轉換的熱量、4個伺服閥節流產生的熱量和鎖緊缸上下運動時氣壓做功轉化的熱量。

變化體積

式中：L1——鎖緊液壓缸行程；

D2——鎖緊液壓缸大徑；

d1——鎖緊液壓缸下腔小徑；

d2——鎖緊液壓缸上腔小徑。

①液壓缸下降時鎖緊液壓缸下側容量V1，液壓缸下降時液壓缸內壓差

②鎖緊釋放上升，鎖緊液壓缸上側容量V2，液壓缸上升最大速度時的鎖緊缸體的壓損Δpb時，Q3b=V2·n1·Δpb/60 （19）

由①、②發熱量

總發熱量：

據此選擇冷卻器型號。

3 結束語

本文首先根據液壓墊液壓系統的控制曲線，分別對各動作的運動目的和原理進行了分析。然后依據液壓墊液壓系統設計要求，介紹了液壓墊液壓系統靜態計算。在液壓墊液壓系統設計中為確保液壓油溫度正常，最后對液壓系統產生的熱量進行計算并專門用冷卻器進行冷卻。希望能夠對氣液式數控液壓墊的具體設計提供一定的借鑒幫助。