汽車橋殼液壓脹形工藝增壓系統(tǒng)設(shè)計＊

吳 娜 劉 超

（①唐山學(xué)院交通與車輛工程系，河北 唐山 063000；②唐山學(xué)院河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)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(jìn)方法，已廣泛應(yīng)用于機械、電子、航天航空和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。液壓脹形工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一是精確控制脹形過程中管坯內(nèi)液體壓力和管端軸向進(jìn)給量的關(guān)系（即加載路徑）[1]。Filic L[2]設(shè)計的液壓脹形系統(tǒng)在側(cè)壓頭推動工件軸向補料的同時，壓縮管坯內(nèi)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(shè)計的液壓脹形增壓系統(tǒng)由增壓器向管坯內(nèi)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(nèi)壓，屬于開環(huán)控制，壓力控制精度較低。劉剛等[4]研發(fā)的內(nèi)壓控制系統(tǒng)采用壓力反饋控制，以預(yù)設(shè)的管坯內(nèi)壓力加載曲線為目標(biāo)，通過反饋管坯內(nèi)液體的壓力，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出動作指令，由于執(zhí)行元件響應(yīng)速度慢，且軸向補料造成管坯內(nèi)壓波動，故內(nèi)壓控制精度不高。李建平[5]研究的超高壓液壓脹形系統(tǒng)也采用壓力反饋控制，用響應(yīng)快、精度高的伺服閥控制管坯內(nèi)壓，壓力控制精度較高，但價格昂貴、對脹形介質(zhì)的清潔度要求高。Gelin J C等[6]提出控制進(jìn)入管坯內(nèi)液體的體積，間接控制管坯內(nèi)液體的壓力，避免脹形中管坯內(nèi)壓和壁厚急劇變化，并進(jìn)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(fù)合脹形裝置的液壓系統(tǒng)，結(jié)合位移、速度和壓力反饋進(jìn)行了閉環(huán)控制，實現(xiàn)了開槽加熱管坯的試制。左維等[8]針對脹形液壓機進(jìn)行了升級改造，研究了脹形過程中壓力的控制過程，進(jìn)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(tǒng)的研究尚未見報道。

本文在分析液壓脹形工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計了脹形模具和液壓系統(tǒng)，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(jìn)行了生產(chǎn)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(guī)格的無縫鋼管，經(jīng)縮徑、液壓脹形，成形為接近軸對稱狀的預(yù)成形管坯，再對預(yù)成形管坯內(nèi)部充液后進(jìn)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(yù)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(nèi)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(cè)軸向進(jìn)給量為53.5 mm。

圖1 某載重5 t汽車橋殼預(yù)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(nèi)并密封，然后經(jīng)進(jìn)液口5向管坯2內(nèi)部快速充液至某一定壓力后，再用增壓系統(tǒng)繼續(xù)補液，當(dāng)管坯2內(nèi)壓達(dá)到起脹壓力時，左側(cè)模具3、右側(cè)模具4在推力F的作用下，開始對向推壓管端進(jìn)行液壓脹形工藝補料，在模具到位合模后，繼續(xù)向管坯的內(nèi)部充液增壓完成校形，脹形結(jié)束后經(jīng)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(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 液壓脹形裝置結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shè)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(xiàn)液體壓力卸載，進(jìn)液口安裝在右固定模，實現(xiàn)向管坯內(nèi)快速充液及增壓系統(tǒng)補液。左右固定模內(nèi)部加工錐形密封結(jié)構(gòu)，與管坯端部內(nèi)壁實現(xiàn)高壓密封。當(dāng)縮徑后的管坯放入脹形模具內(nèi)后，左右固定模進(jìn)給并密封，向管坯內(nèi)快速充液，之后用增壓系統(tǒng)補液，當(dāng)管坯內(nèi)壓達(dá)到初始壓力時，左、右滑動模進(jìn)給補料，合模后繼續(xù)增壓完成校形，脹形結(jié)束后快速泄壓。

圖3 液壓脹形模具簡圖

2.2 液壓系統(tǒng)及工作原理

汽車橋殼液壓脹形雙級增壓系統(tǒng)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(tǒng)可以實現(xiàn)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(jīng)控制開關(guān)（3-5）給管坯（3-8）充液；快速充液結(jié)束后，小水泵（2-4）啟動，經(jīng)控制開關(guān)（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(jīng)控制開關(guān)（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(nèi)壓，節(jié)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(guān)（1-9）進(jìn)入低壓腔，左右兩個高壓腔仍由小水泵經(jīng)控制開關(guān)（2-7）充液，活塞雙向運動均可對液體增壓。校形結(jié)束后，控制開關(guān)（1-7）換向，管坯內(nèi)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(tǒng)原理圖

2.3 內(nèi)壓控制策略

管坯內(nèi)壓受外載或其他因素的影響常出現(xiàn)較大波動，內(nèi)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(dǎo)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(xiàn)實際壓力超出壓力成形區(qū)。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(yīng)的增壓器位移為控制目標(biāo)，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(qū)內(nèi)。

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(jié)流閥和比例溢流閥的開口，判斷模塊的輸入信號為管坯內(nèi)壓，當(dāng)管坯內(nèi)壓在成形區(qū)域內(nèi)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(dāng)內(nèi)壓調(diào)回成形區(qū)域時，重新切換至位移控制。

圖5 內(nèi)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(jù)ABAQUS進(jìn)行有限元仿真探索出了成形性最佳狀態(tài)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(jìn)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(nèi)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(shè)溫度不變，則氣液混合物的體積壓縮系數(shù)僅與壓力有關(guān)。結(jié)合生產(chǎn)統(tǒng)計的壓力數(shù)據(jù)和補液量數(shù)據(jù)如表1所示，可以得到氣液混合物的體積壓縮系數(shù)β與壓力P的關(guān)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(zhì)的壓縮特性，進(jìn)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(chǎn)試驗

管坯液壓脹形在專用液壓機及液壓脹形系統(tǒng)中進(jìn)行。變形時，管坯在縱向主缸、左右側(cè)缸液壓力及高壓乳化液的聯(lián)合作用下，脹形成最終的產(chǎn)品樣件。為提高產(chǎn)品的成品率，同時防止脹形過程中出現(xiàn)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(yù)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(chǎn)中，第一次液壓脹形系統(tǒng)包括外載系統(tǒng)和內(nèi)壓系統(tǒng)，外載系統(tǒng)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(nèi)壓系統(tǒng)主要由泵、增壓器、比例溢流閥、比例節(jié)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(shè)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(biāo)進(jìn)行生產(chǎn)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(chǎn)試驗中統(tǒng)計的管坯內(nèi)壓與軸向進(jìn)給量的關(guān)系。試驗表明：利用本文提出的內(nèi)壓控制策略能夠控制管坯內(nèi)壓在成形區(qū)域內(nèi)，管坯內(nèi)壓的波動幅度最大為1.2 MPa，成形性較好，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗證了模型和控制策略的正確性。

圖11 管坯內(nèi)壓變化曲線

4 結(jié)語

（1）設(shè)計的雙級增壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(yīng)的增壓器位移為控制目標(biāo)，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(qū)內(nèi)。

（3）得到增壓器位移曲線，并進(jìn)行汽車橋殼生產(chǎn)性試驗，制得了合格樣件。