液氣式數(shù)控拉伸墊的若干計(jì)算

沈 揚(yáng)，于海飛，張冠軍，石 磊，李 陽，杜若愚

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

目前，我國汽車生產(chǎn)廠家使用的數(shù)控液壓墊全部依賴進(jìn)口，導(dǎo)致設(shè)備價(jià)格大幅攀升，汽車制造成本隨之增加。需要開發(fā)具有我國自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)控液壓墊技術(shù)，盡快裝備于汽車工業(yè)，并參與到國際市場的競爭中去，才能進(jìn)一步帶動(dòng)工業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新。

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

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(nèi)的油液回油經(jīng)過伺服閥，通過控制伺服閥開口量大小達(dá)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(huán)伺服控制方式，兩者都能保證高精度。

液壓、氣壓式數(shù)控液壓墊的優(yōu)勢為：

（1）降低系統(tǒng)功耗，液壓墊的非工作過程是通過氣壓實(shí)現(xiàn)的（液壓只提供補(bǔ)油），所以相對(duì)于液壓式方案來講，可以大量降低功耗；

（2）相對(duì)于博世力士樂液壓墊，日本川崎重工方案中對(duì)于液壓油過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)象為液氣式數(shù)控拉伸墊。

1 液氣式數(shù)控拉伸墊液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程分析（圖1）

1.1 預(yù)加速運(yùn)動(dòng)

作用：預(yù)加速運(yùn)動(dòng)是當(dāng)模具上腔向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了減少與工件瞬間接觸時(shí)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(yù)加速速度，mm/s；

Vx——滑塊速度，mm/s。

圖1 液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程

原理：當(dāng)控制器檢測到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到紅框處起始位置時(shí)，預(yù)加速泵提供的液壓油通過鎖緊伺服閥和預(yù)加速伺服閥向鎖緊液壓缸供油，控制泵產(chǎn)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(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(gè)壓邊液壓缸，經(jīng)過伺服閥回油。預(yù)加速運(yùn)動(dòng)中，液壓墊快速下降導(dǎo)致鎖緊液壓缸運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)需要大量液壓油，為減小液壓系統(tǒng)功率，采用蓄能器作為輔助動(dòng)力源，兩個(gè)伺服閥并聯(lián)供油，保障液壓油及時(shí)供應(yīng)，也可以根據(jù)實(shí)際情況決定兩個(gè)伺服閥的是否開啟和開啟量大小。

預(yù)加速運(yùn)動(dòng)的作用是緩沖工件沖擊，同時(shí)也提高加工效率。在實(shí)際加工過程中，可以根據(jù)實(shí)際需要決定是否采用預(yù)加速運(yùn)動(dòng)。

1.2 壓邊力控制

作用：工件成形是靠滑塊和液壓墊接觸產(chǎn)生的擠壓力作用。壓邊液壓缸在拉伸工件過程中，可以根據(jù)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(jì)算機(jī)控制伺服閥從而調(diào)節(jié)壓邊力大小，達(dá)到復(fù)雜和深拉伸等高質(zhì)量零件的要求。4個(gè)壓邊液壓缸可以單獨(dú)進(jìn)行控制，并且每個(gè)壓邊液壓缸可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)改變壓邊力。壓邊力控制是板料成形的關(guān)鍵技術(shù)。

原理：循環(huán)冷卻泵向4個(gè)壓邊液壓缸供油，為了保證液壓油流向，在壓邊液壓缸進(jìn)油口處安裝單向閥，液壓油回油通過伺服閥節(jié)流形成壓力。通過檢測壓邊液壓缸內(nèi)壓力與設(shè)定壓力的差值來決定伺服閥開口量，形成閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)。為保障液壓系統(tǒng)安全，可控制與伺服閥并聯(lián)的溢流閥使系統(tǒng)卸荷。為控制液壓油流向和滿足系統(tǒng)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(shí)，為了工件與滑塊分離，液壓墊在一定時(shí)間內(nèi)保持原位置不動(dòng)。

原理：控制泵控制插裝閥不通油，當(dāng)控制器檢測到液壓墊位置變化時(shí)，預(yù)加速泵提供的液壓油通過鎖緊伺服閥進(jìn)入鎖緊液壓缸。循環(huán)冷卻泵提供的液壓油進(jìn)入4個(gè)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(duì)工件成形質(zhì)量的影響。

原理：控制泵控制插裝閥不通油，預(yù)加速泵提供液壓油，液壓油經(jīng)過鎖緊伺服閥向鎖緊液壓缸供油，此時(shí)預(yù)加速伺服閥關(guān)閉。循環(huán)冷卻泵向4個(gè)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(gè)工作周期。

原理：預(yù)加速伺服閥和鎖緊伺服閥關(guān)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(dòng)液壓缸。循環(huán)冷卻泵提供的液壓油快速向鎖緊液壓缸和4個(gè)壓邊液壓缸供油，液壓墊將迅速提升。

圖2 川崎重工油箱設(shè)計(jì)

2 液壓系統(tǒng)靜態(tài)計(jì)算

2.1 液壓缸的計(jì)算

式中：F——壓邊液壓缸承受力；

P——壓邊液壓缸內(nèi)的壓強(qiáng)；

A——壓邊液壓缸承受油壓面積；

D——為壓邊液壓缸直徑；

ηm——機(jī)械效率，取0.92。

2.2 液壓缸所需流量計(jì)算

液壓墊上升速度v達(dá)到最大值，液壓油要補(bǔ)充到4個(gè)壓力液壓缸和鎖緊液壓缸內(nèi)。

系統(tǒng)流量

式中：S——液壓缸面積；

V——液壓缸運(yùn)動(dòng)最大速度。

式中：S1——4個(gè)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(dòng)液壓缸。

液壓墊下降時(shí)，下降速度為V2，液壓油流入鎖緊液壓缸。

系統(tǒng)流量

2.3 泵選型時(shí)的計(jì)算

2.3.1 預(yù)加速泵

鎖緊液壓缸預(yù)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，預(yù)加速泵給鎖緊液壓缸供油。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：SP，VP。

預(yù)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間

式中：Sp——預(yù)加速行程；

VP——預(yù)加速速度。

預(yù)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(tǒng)的作用，分別為控制4個(gè)壓力液壓缸的伺服閥提供液動(dòng)力，為預(yù)加速伺服閥和鎖緊伺服閥提供液動(dòng)力，控制插裝閥動(dòng)作。頻率即行程次數(shù)n，取調(diào)速范圍最大值，所有受控對(duì)象動(dòng)作一次所需液壓油估算為1L，動(dòng)作次數(shù)平均估算為2次。可知所需液壓油約為2nL/min。

2.3.3 循環(huán)冷卻泵

液壓墊上升時(shí)，循環(huán)冷卻泵提供液壓油給4個(gè)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(shí)間

式中：Sc——液壓墊的有效行程；

Vc——液壓墊上升最大速度。

循環(huán)冷卻泵流量

2.4 液壓系統(tǒng)的熱量計(jì)算

在液壓墊液壓系統(tǒng)中，液壓油具有傳遞動(dòng)力、潤滑、冷卻等多種功能。即使是設(shè)計(jì)良好的液壓系統(tǒng)在理想工作狀態(tài)下，也有比例較大的輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量。液壓墊工作時(shí)間長，流量大，通過4個(gè)伺服閥進(jìn)行壓邊力控制，節(jié)流損失大。液壓墊液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)化為液壓墊動(dòng)能外，絕大部分都轉(zhuǎn)化為熱能。液壓墊最大上升速度為V，液壓墊運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為m，液壓墊的動(dòng)能，在一個(gè)周期內(nèi)液壓墊的勢能不變。由于液壓墊的動(dòng)能相對(duì)于泵提供的能量非常小，可以忽略，即認(rèn)為泵提供的能量最終都轉(zhuǎn)化為熱量。

液壓泵由預(yù)加速泵、循環(huán)冷卻泵、控制泵組成。泵轉(zhuǎn)化的熱量Q1為各自的動(dòng)力和。

2.4.2 伺服閥節(jié)流發(fā)熱量

壓制工件過程中，滑塊機(jī)構(gòu)通過工件對(duì)液壓墊做的功以伺服閥的節(jié)流形式轉(zhuǎn)化為熱量。

式中：n1——變速壓力機(jī)的計(jì)算行程次數(shù)；

L——壓邊液壓缸行程。

2.4.3 氣壓做功發(fā)熱量

氣壓對(duì)液壓墊做的功也轉(zhuǎn)化為熱量。液壓墊液壓系統(tǒng)熱量來源由泵轉(zhuǎn)換的熱量、4個(gè)伺服閥節(jié)流產(chǎn)生的熱量和鎖緊缸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)氣壓做功轉(zhuǎn)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(shí)鎖緊液壓缸下側(cè)容量V1，液壓缸下降時(shí)液壓缸內(nèi)壓差

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

由①、②發(fā)熱量

總發(fā)熱量：

據(jù)此選擇冷卻器型號(hào)。

3 結(jié)束語

本文首先根據(jù)液壓墊液壓系統(tǒng)的控制曲線，分別對(duì)各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)目的和原理進(jìn)行了分析。然后依據(jù)液壓墊液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，介紹了液壓墊液壓系統(tǒng)靜態(tài)計(jì)算。在液壓墊液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為確保液壓油溫度正常，最后對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行計(jì)算并專門用冷卻器進(jìn)行冷卻。希望能夠?qū)庖菏綌?shù)控液壓墊的具體設(shè)計(jì)提供一定的借鑒幫助。