汽車板材零件充液成形液壓機生產線

文/趙娜·天津市天鍛壓力機有限公司

李學言·天津睿科達汽車技術有限公司

本文主要研究充液成形工藝，充液成形液壓機以及生產線組成部分，并著重探究了充液成形生產線的控制及充液成形液壓機生產線動作。最后，介紹了天鍛壓力機公司研制開發管板復合式充液成形生產線，該生產線是我國自主研發的具有國際先進水平的板材零件充液成形生產線，真正實現了設備、模具工藝技術、機電液一體化，實現了板材成形的數字化信息精準傳遞。

國內目前大噸位充液成形裝備與關鍵技術及機器人技術已基本成熟，已具備研制智能化充液成形生產線的能力和在自主白車身上應用的條件，因此無論是從自主車型零件制造的需要，還是從填補國內空白降低進口整線購買和應用成本的現實意義來講，都需要盡快啟動研制國產智能化充液成形液壓機生產線，實現應用，填補國內空白，趕上世界先進水平。

基于充液成形工藝，開發具有自主知識產權的大型充液成形設備及柔性化生產線，促進充液成形生產線技術的發展，為企業帶來巨大的經濟效益。因此，本文詳細探討了基于充液成形工藝的智能化液壓機的研制和柔性化生產線技術。

充液成形工藝

充液成形工藝相比較傳統工藝具有生產效率高，能實現一次成形，工序少，零件的整體性高、質量更好，再現性高，幾乎件件具有相同的性能，特別適合于生產批量大的零件如管接頭，汽車，摩托車等交通運輸工具零部件以及飛機上零部件，性能質量相比鑄造及焊接的高得多，尤其是在汽車零部件生產上，提高零部件的整體質量的同時減輕零部件的重量。所以現在汽車生產中開始大量流行這種工藝。對于減輕汽車重量，增加汽車的安全性很重要。開始慢慢替代傳統的焊接、鑄造工藝。

板材充液成形工藝

板材充液拉深是在凹模中充一定的柔性液體，當凸模下行時，凹模中的液體產生相對壓力，從而將板材緊緊地貼在凸模上，并可在凹模與毛坯板料下表面之間產生流體潤滑和摩擦保持效果，從而可以得到高精度的工件，如圖1 所示。

圖1 充液拉深成形技術

充液成形技術具有以下的特征：(1)以液體或其他的柔性體來代替凹模。(2)摩擦保持效果。(3)摩擦降低效果即溢流潤滑效果。(4)形成軟拉深筋。

管材充液成形工藝

如圖2 所示，管材充液成形是將一根直的或預彎曲的管材放入模具型腔內，兩端注入液體介質、密封、閉合模具，在均勻的內部液壓力和加在管材兩端的軸向力的共同作用下使管坯材料發生塑性變形，并成形為模具型腔的形狀，得到高精度的中空零件。管材充液成形又稱內高壓成形，具體可分為內高壓純脹形和帶軸向進給內高壓成形。一般零件成形內壓力可以達到150 ～400MPa。

圖2 管材充液成形工藝

充液成形液壓機生產線組成

充液成形液壓機生產線由兩臺以上的充液設備和機器人單元及其他輔助設備組成，可分為板式充液成形生產線、管式充液成形生產線和管板復合充液成形生產線。通常，充液成形液壓機生產線基本組成單元有：充液成形液壓機、機器人、機器人抓手、自動上下料、工件定位裝置等。

液壓機單元

基于充液成形工藝特點及流程，研發充液成形液壓機。和傳統液壓機最大的區別在于充液成形液壓機具有蓄能器。另外，由于充液成形工藝對滑塊的運動精度要求很高，故主機機身采用三梁四柱兩滑塊的結構，即上橫梁、下橫梁、立柱、拉深滑塊、壓邊滑塊、移動工作臺、充液成形系統、檢修平臺組成，圖3 為天鍛研發的充液成形液壓機。

圖3 天鍛研發的充液成形液壓機

超高壓系統主要由油箱、水箱、電機、液壓泵、增壓缸、液壓閥、傳感器、壓力表和過濾裝置等組成，為板材充液成形提供0 ～60MPa 的液壓源。

超高壓源控制系統主要由控制柜、分線盒、計算機監控系統和電氣接口等組成，可以實現板材充液成形過程的實時計算機控制。

增壓器系統為板材充液成形提供超高壓壓力源，系統由油箱、變量柱塞泵、增壓器、液壓閥和過濾裝置等組成。

以250MPa 增壓器為例，常用液壓系統額定工作壓力為25MPa，故其增壓器比為10:1。為滿足壓力隨工藝參數控制，增壓器需配置數顯尺，顯示精度可達0.01mm，增壓器的出口接壓力傳感器，檢測精度可達0.01MPa，為控制系統提供位移和壓力信號，用于控制增壓器。

機器人(圖4)本身剛度是滿足機器人作業單元的重要性能指標。然而，注意到機器人的剛度隨其位形變化，因此需在概念設計階段快速預估出末端剛度在工作空間內的變化規律，以便為機械結構的詳細設計提供必要的理論依據。機器人關節變形的一個直接影響是引起末端的靜態變形誤差。在機器人的自重和外部負載的作用下，各關節會發生相應的變形，而這種變形又會累積到機器人的末端。對串聯機器人，這種作用尤為明顯。機器人關節變形的另一個影響是引起末端的動態變形誤差，即振蕩，從而降低了機器人的動態性能。當機器人高速運行時，這種影響較為顯著。因此，若要提高機器人的位置精度和動態性能，必須減小關節變形的影響。機器人帶件運行時本身會有晃動，再加上抓手都有負載重量，所以對機器人的剛度有一定的要求，要滿足機器人在運動時加速和停止的瞬間不會超過誤差精度。

圖4 機器人單元

康熙·《行書柳條邊望月周》紙本、行書北京故宮博物院藏康熙的母親對書法頗有研究，尤其喜歡當時書法大家趙涵的一些字帖，康熙私訪回京，想試試母親對書法的眼力，就把在周至大街上寫的字拿給她看。母親拿起字來端詳了一會兒，說：“康熙學字數十年，只有一點像趙涵。”并把趙涵添上的一點指給康熙。康熙聽后對母親更加敬重，從此也堅定了他學習趙涵書法的決心。

機器人的精度，機器人本身存在重復定位精度的問題，當機械手重復運動到同一位置點時，與最初定位位置存在相應的誤差，根據產品工藝要求，必須保證機械手重復定位精度達到0.1mm，而且在機械手使用一段時間后也存在誤差增加的情況，時間長了可能會超出定位精度，所以在選擇機械手時一定要對機械手進行全面的了解，本項目選擇ABB 機械手，能同時達到高精度和高穩定性。

抓手單元

抓手(圖5)是機械手機器人抓料的工具，同一個機器人對應不同的工件可以選擇不同抓手，在機械手第六軸上的工具法蘭盤上對接不同的機械抓手，可與機器人匹配，可實現不同工料不同抓手機器人自動切換，此時為保證精度問題，機器人與抓手的接口一定要有定位，保證機械手反復更換抓手時的重復定位精度不會超過誤差，并且在機器人高速移動或做加速度運動時抓手跟隨機器人移動不會出現超過誤差精度的晃動幅度。同時抓手的剛度也要有相應的要求，根據工件的質量還有機器人需要的速度，計算好抓手的制作材料剛度，避免剛度過低引起晃動幅度過大導致抓取和放置時偏離指定位置抓歪或放歪。

圖5 吸盤式抓手

本項目采用吸盤式抓手，抓手根部有手動鎖緊更換裝置保證每次自由更換，高速運動時不會有晃動偏差。結構內部有加強筋，在機器人抓料后運動時不會有太大的晃動。吸盤的壓力滿足吸合后緊緊固定，保證了在整個運動過程中的晃動或甩動不會造成物料位置偏移。

自動定位裝置

通常充液成形零件尺寸較大，剛性差，放置時會出現較大的凹陷，這樣將會造成工藝的不穩定和預成形變形量不足，從而造成零件質量一致性差，成品率低；零件成形過程中，為了便于機械手自動抓取，零件的位置需要精確固定，所以開發自動定位裝置(圖6)。

圖6 自動定位裝置

充液成形生產線的控制

控制系統

通常生產線的控制系統由開關控制、電液比例控制和伺服控制組成，對位置控制精度是各不相同的，這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關。

伺服剛度和機械剛度是兩個不同的概念，它是指整個伺服系統，從控制系統到機械結構表現出來的抵抗外力而不產生位置偏差的能力。當引入控制系統，即伺服驅動裝置時，控制系統的相關參數也會影響整個系統抵抗變形的能力。以上一節的單自由度系統為例，引入PD控制律，對被控對象的位置進行定點控制。

機械剛度與伺服剛度，一個典型的機電系統，由機械系統和控制系統兩部分組成。如圖7 所示，其中Ge為控制環節，Gm為機械環節，xd為期望值，xo為輸出值，F 為干擾。

圖7 機電系統簡圖

機械剛度是指機械部件產生單位變形所需載荷的大小，它反映了機械結構抵抗變形的能力。在載荷的作用下，機械結構的變形主要有自身變形、局部變形和接觸變形，機械結構的剛度即為各部分變形的綜合作用。

充液成形液壓機生產線動作

充液成形生產線布置如圖8 所示。待壓制零件經涂油后放置于生產線首工位的自動定位裝置進行定位對中后，進行雙料檢測；上料機器人抓取送料至首臺預成形液壓機完成第一道工序的加工，下料機器人取料、送料至充液成形液壓機完成充液成形工藝；線尾機器人取料、放料至伸縮皮帶機輸送，后進行人工碼垛。

圖8 充液成形生產線

試驗驗證

天鍛壓力機公司為某汽車公司研制開發的管板復合式充液成形生產線是我國自主研發的具有國際先進水平的板材零件充液成形生產線，真正實現了設備、模具工藝技術、機電液一體化，實現了板材成形的數字化信息精準傳遞。該生產線主要包括以下部分：

(1)包含搬運機器人及配套抓手，主要負責設備的上下料搬運。

(2)每臺機器人配備2 套抓手，抓手采用自動快換機構。

(3)上料機構采用兩個料車交替使用，一次裝填可放置多套零件。

(4)下料機構采用料車形式，料車可用于清洗機直接清洗。

(5)自動化線采用集中中央CPU +總線通訊的控制結構。

(6)上位機對整線設備進行監控，實時運行狀態檢測。

(7)自動化控制系統能檢查機器人控制系統的主要故障。

總結

(1)探究了板材充液成形工藝，針對汽車鋁合金覆蓋件為研究對象，進行了充液成形數值模擬。

(2)基于充液成形工藝，研制了高端數控充液成形雙動液壓機，該液壓機真正實現了機電液一體化。

(3)針對柔性沖壓生產線的設備配置和機器人離線編程技術，詳細介紹了天鍛壓力機公司研制開發的管板復合式充液成形生產線。

(4)基于此生產線對汽車鋁合金發蓋內板進行了試驗驗證。