汽車橋殼液壓脹形工藝增壓系統設計＊

吳 娜 劉 超

（①唐山學院交通與車輛工程系，河北 唐山 063000；②唐山學院河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室，河北 唐山 063000）

管材液壓脹形是制造機械零部件的先進方法，已廣泛應用于機械、電子、航天航空和交通運輸等領域。液壓脹形工藝的關鍵技術之一是精確控制脹形過程中管坯內液體壓力和管端軸向進給量的關系（即加載路徑）[1]。Filic L[2]設計的液壓脹形系統在側壓頭推動工件軸向補料的同時，壓縮管坯內的液體以提供脹形壓力，適用于脹形壓力低、管件容積變化小的液壓脹形過程。宋楠等[3]設計的液壓脹形增壓系統由增壓器向管坯內補液，通過比例溢流閥控制增壓器低壓腔的壓力從而控制管坯內壓，屬于開環控制，壓力控制精度較低。劉剛等[4]研發的內壓控制系統采用壓力反饋控制，以預設的管坯內壓力加載曲線為目標，通過反饋管坯內液體的壓力，向執行機構發出動作指令，由于執行元件響應速度慢，且軸向補料造成管坯內壓波動，故內壓控制精度不高。李建平[5]研究的超高壓液壓脹形系統也采用壓力反饋控制，用響應快、精度高的伺服閥控制管坯內壓，壓力控制精度較高，但價格昂貴、對脹形介質的清潔度要求高。Gelin J C等[6]提出控制進入管坯內液體的體積，間接控制管坯內液體的壓力，避免脹形中管坯內壓和壁厚急劇變化，并進行了儲氫箱的液壓脹形工藝試驗。徐明等[7]針對某載荷汽車橋殼復合脹形裝置的液壓系統，結合位移、速度和壓力反饋進行了閉環控制，實現了開槽加熱管坯的試制。左維等[8]針對脹形液壓機進行了升級改造，研究了脹形過程中壓力的控制過程，進行了成形件的試驗，成形件符合工藝要求。針對大變形汽車橋殼脹形工藝的裝備及液壓系統的研究尚未見報道。

本文在分析液壓脹形工藝的基礎上，設計了脹形模具和液壓系統，確定了壓力控制路徑和增壓器位移路徑，給出了基于位移控制為主、壓力控制為輔的控制策略，進行了生產性試驗，得到了成形性較好的液壓脹形汽車橋殼管件。

1 液壓脹形工藝

汽車橋殼脹壓成形工藝，即將一定規格的無縫鋼管，經縮徑、液壓脹形，成形為接近軸對稱狀的預成形管坯，再對預成形管坯內部充液后進行壓制成形為橋殼管件。圖1為某載重5 t脹壓成形橋殼預成形工藝：管坯初始長度為1 345 mm、外徑為180 mm、壁厚為7 mm、材料為Q345B，縮徑后管坯長度為1 380 mm，兩端部外徑為146 mm，內徑為130 mm，中間部分外徑為180 mm。第一次脹形后，管坯外徑為260 mm，管坯長度為1 273 mm，管坯單側軸向進給量為53.5 mm。

圖1 某載重5 t汽車橋殼預成形工藝

圖2為液壓脹形工藝原理簡圖，其具體過程為：將縮徑后管坯2放入液壓脹形模具內并密封，然后經進液口5向管坯2內部快速充液至某一定壓力后，再用增壓系統繼續補液，當管坯2內壓達到起脹壓力時，左側模具3、右側模具4在推力F的作用下，開始對向推壓管端進行液壓脹形工藝補料，在模具到位合模后，繼續向管坯的內部充液增壓完成校形，脹形結束后經出液口1快速泄壓。

圖2 液壓脹形工藝原理簡圖

2 液壓脹形裝置結構及工作原理

2.1 液壓脹形裝置結構工作原理

液壓脹形模具由出液口、左右固定模、上下固定模、左右滑動模和進液口組成，如圖3所示。脹形模具采用水平滑動方式，左右固定模與液壓機左右液壓缸相固連，左右滑動模固定在左右固定模上，沿著設置在上下固定模上的軌道滑動。出液口安裝在左固定模端部，實現液體壓力卸載，進液口安裝在右固定模，實現向管坯內快速充液及增壓系統補液。左右固定模內部加工錐形密封結構，與管坯端部內壁實現高壓密封。當縮徑后的管坯放入脹形模具內后，左右固定模進給并密封，向管坯內快速充液，之后用增壓系統補液，當管坯內壓達到初始壓力時，左、右滑動模進給補料，合模后繼續增壓完成校形，脹形結束后快速泄壓。

圖3 液壓脹形模具簡圖

2.2 液壓系統及工作原理

汽車橋殼液壓脹形雙級增壓系統由油箱、電機、增壓器、柱塞泵、回油單向閥、三位四通換向閥、比例溢流閥及高壓傳感器和控制器等組成，該系統可以實現低壓快速充液、補液增壓、高壓校形以及快速泄壓，其工作原理如圖4所示。低壓快速充液由大水泵（3-3）經控制開關（3-5）給管坯（3-8）充液；快速充液結束后，小水泵（2-4）啟動，經控制開關（2-6）給單腔增壓器（1-11）的高壓腔充液，同時，油泵（1-4）將油箱（1-1）中的油液經控制開關（1-8）泵入單腔增壓器的低壓腔，溢流閥（1-5）控制油壓間接控制管坯內壓，節流閥（1-6）控制增壓器位移間接控制管坯的補液量。高壓校形用到雙腔增壓器（1-12），它的工作原理與單腔增壓器類似，油液通過控制開關（1-9）進入低壓腔，左右兩個高壓腔仍由小水泵經控制開關（2-7）充液，活塞雙向運動均可對液體增壓。校形結束后，控制開關（1-7）換向，管坯內液體通過泄壓增壓器（1-10）泄壓并流回水箱（2-1）。

圖4 汽車橋殼液壓脹形雙級增壓系統原理圖

2.3 內壓控制策略

管坯內壓受外載或其他因素的影響常出現較大波動，內壓的不均勻性也會造成壓力檢測的誤差，故單獨采用壓力控制精度不高。管坯容積通過逆向方法近似獲得，導致增壓器補液量及增壓器位移的計算存在誤差，故單獨采用位移控制可能出現實際壓力超出壓力成形區。本文提出位移控制為主、壓力控制為輔的控制策略：以理想壓力加載路徑對應的增壓器位移為控制目標，給出壓力上下限加載路徑，在控制增壓器位移的同時，保證壓力始終在成形區內。

圖5為該控制策略的原理圖，位移控制器和壓力控制器分別控制比例節流閥和比例溢流閥的開口，判斷模塊的輸入信號為管坯內壓，當管坯內壓在成形區域內時，判斷模塊的輸出為0，采用位移控制；否則輸出為1，切換到壓力控制；當內壓調回成形區域時，重新切換至位移控制。

圖5 內壓控制策略原理圖

2.4 壓力控制路徑和增壓器位移路徑的確定

2.4.1 壓力控制路徑

以圖1中汽車橋殼第一次液壓脹形為例，可以依據ABAQUS進行有限元仿真探索出了成形性最佳狀態時的理想壓力加載路徑[9?10]，同時得到滿足成形要求的上限、下限壓力加載路徑，如圖6a所示。針對上述3條加載路徑的脹形管坯分別進行逆向，得到變形過程中的管坯容積，如圖6b所示。

圖6 成形加載路徑

2.4.2 增壓器位移路徑

脹形前管坯內有空氣，脹形開始后充入的乳化液與空氣會形成氣液混合物，假設溫度不變，則氣液混合物的體積壓縮系數僅與壓力有關。結合生產統計的壓力數據和補液量數據如表1所示，可以得到氣液混合物的體積壓縮系數β與壓力P的關系：

表1 增壓器位移與管坯壓力

由變形過程中的管坯容積變化路徑，考慮到脹形介質的壓縮特性，進而得到增壓器位移控制路徑，如圖7所示。

圖7 增壓器位移曲線

3 生產試驗

管坯液壓脹形在專用液壓機及液壓脹形系統中進行。變形時，管坯在縱向主缸、左右側缸液壓力及高壓乳化液的聯合作用下，脹形成最終的產品樣件。為提高產品的成品率，同時防止脹形過程中出現偏載損傷模具，要求外載同步，即要求液壓缸位置同步誤差控制在±0.35 mm。圖8所示為預成形專用液壓機液壓站。

圖8 液壓脹形專用液壓機

實際生產中，第一次液壓脹形系統包括外載系統和內壓系統，外載系統由液壓機和模具組成，模具移動靠液壓機來推動，如圖9a所示；內壓系統主要由泵、增壓器、比例溢流閥、比例節流閥及泄壓閥等組成，如圖9b所示。

圖9 橋殼第一次液壓脹形硬件設備

采用位移控制為主、壓力控制為輔的控制策略，以壓力控制路徑和增壓器位移路徑為控制目標進行生產試驗。脹形前的管坯如圖10a所示，脹形后的合格樣件如圖10b所示。

圖10 第一次液壓脹形的試驗樣件

圖11為生產試驗中統計的管坯內壓與軸向進給量的關系。試驗表明：利用本文提出的內壓控制策略能夠控制管坯內壓在成形區域內，管坯內壓的波動幅度最大為1.2 MPa，成形性較好，試驗結果與仿真結果基本吻合，驗證了模型和控制策略的正確性。

圖11 管坯內壓變化曲線

4 結語

（1）設計的雙級增壓系統可以實現低壓快速充液、補液增壓、高壓校形以及快速泄壓，能夠滿足汽車橋殼液壓脹形工藝的需求。

（2）提出位移控制為主、壓力控制為輔的控制策略：以理想壓力加載路徑對應的增壓器位移為控制目標，給出壓力上下限加載路徑，在控制增壓器位移的同時，保證壓力始終在成形區內。

（3）得到增壓器位移曲線，并進行汽車橋殼生產性試驗，制得了合格樣件。