新型高效液壓沖壓設備的研制

王鵬超 蘇元飛 徐 慧

（1.臺州職業技術學院，臺州 318000；2.臺州百思哲企業管理咨詢有限公司，臺州 318000）

液壓技術作為一種應用廣泛的工程技術，憑借質量輕、結構緊、慣性小、無級調速范圍廣、響應迅速等眾多優點，近年來得到了迅猛發展。隨著科技的進步和人們對環境保護的重視，液壓技術的發展方向在不斷調整和優化。在工程機械領域，液壓技術已經實現了從小型設備到大型設備，從陸地、海洋到天空的全方位應用[1]。在航空航天、船舶制造等領域，液壓技術發揮著重要作用，同時在新能源、環保等領域也取得了顯著成果，如太陽能發電、風力發電等。

1 技術背景及應用現狀

早期的液壓機笨重、結構復雜且效率低下，通常由大型鋼構件制成，需要大量的人力和物力進行操作和維護。由于科技水平有限，這些設備的性能也受到了很大限制，不但速度慢、精度低，而且容易發生故障。盡管存在很多缺點，液壓機在工業生產中還是發揮了重要的作用，主要用于金屬加工，如鍛造、沖壓和焊接等。

隨著科技的進步和社會的發展，液壓機發生了翻天覆地的變化。現代的液壓機以輕便、高效和精確的特點受到大眾歡迎，它們主要由高強度合金或鋼材制成，結構更加緊湊，操作更加簡單[2]。此外，現代的液壓機還引入許多先進的技術，如自動化、智能化和數字化等，大大提高了其性能和效率。例如，現代的液壓機可以自動調整壓力和速度，以滿足不同的生產需求，還可以通過計算機控制系統進行精確的操作，從而保證產品的質量和一致性。

液壓沖壓技術在各個領域都有著廣泛的應用。在汽車制造領域，液壓沖壓技術被用于生產車身結構件、發動機零部件等。在航空航天領域，液壓沖壓技術被用于生產飛機機身、火箭發動機等重要部件。在建筑領域，液壓沖壓技術被用于生產鋼筋混凝土構件等。同時，液壓沖壓技術還在電子、醫療、能源等領域得到了大力推廣。

2 液壓機工作原理及優點

液壓沖壓是一種利用液體在密閉容器中產生的壓力來驅動機械運動的制造工藝，其基本原理是通過將液體注入一個密閉的缸體，使液壓力增大，從而驅動活塞或柱塞等部件運動，進而實現對金屬板材的加工。當液體被注入一個密閉的缸體時，其體積不變，但質量增加，從而產生較大的液壓力。液壓力的大小與液體的密度、重力加速度以及液體被壓縮的程度有關。在液壓缸中，液壓油被推動，通過調節液體的注入速度和壓力來驅動模具和切割的刀具運動，以完成零部件和成品的成形與加工，實現對金屬板材的精確加工[3]。目前，高效的液壓沖壓設備還可以與計算機數控技術結合使用，從而實現更高精度和更快速的生產目標。計算機數控技術可以將設計圖轉化為沖壓程序，并通過計算機控制液壓系統的運作，達到精確的操作和工藝控制。

液壓沖壓技術具有很多優點。第一，高效性。液壓沖壓過程中，液體的壓力是連續可調的，可以實現對金屬板材的高速加工。第二，高精度性。液壓沖壓過程中，液壓力的控制非常精確，可以實現對金屬板材的高精度加工。第三，環保性。在加工過程中，采用液壓沖壓技術不會產生大量的切屑和廢料，對環境的影響較小。

3 液壓機設計步驟及要點

全自動高效液壓沖壓設備的設計原理主要是利用先進的控制技術和傳感器技術，實現對設備的自動化控制和精確操作。一方面，通過傳感器獲取設備的運行狀態信息，然后通過控制器處理這些信息，實現對設備的自動控制。另一方面，通過優化設備的結構和工作方式，提高設備的操作精度和工作效率。

液壓機的主要設計步驟如下。首先，需要對市場進行深入調研，了解用戶對液壓沖壓設備的需求，明確設備的功能和性能指標。其次，根據需求分析的結果設計出多種可能的方案，然后通過比較和評估選擇最優的設計方案。再次，設計方案確定后，對設備的各個部分進行詳細設計，包括設備的結構設計、電氣設計和控制系統設計等。最后，在完成詳細設計后，進入制造設備階段，并進行嚴格的測試，確保設備的性能達到設計要求。

全自動高效液壓沖壓設備需要注意以下3 個設計要點。第一，自動化控制。全自動高效液壓沖壓設備的核心是自動化控制技術，設計出能夠自動識別、處理和執行任務的控制系統。第二，精確操作。采用高精度的傳感器和執行器提高設備的操作精度，同時優化設備的結構和工作方式。第三，節能環保。在設計和制造設備時，考慮設備的節能環保性能，盡可能減少能源消耗和環境污染問題。

4 項目總體技術方案

項目研發的多模式高效高性能液壓沖壓設備是一套一體化、自動化的數控加工設備，其目的是滿足各種形狀產品的靈活生產[4-5]。通過設備內部優化及全自動出料裝置設計，實現整個生產過程的高度自動化，同時提高設備的可操作性，大幅降低設備的能耗。通過設計研發設備沖壓機構，實現一出四的效果，大大提升了設備效率。在成品沖壓中，通過壓模等組件結構設計，使得產品一次成形，沒有多余的飛邊，不僅免去傳統方法的分步加熱、切割、沖壓、去飛邊等工序，而且大幅節省了原材料，提升了壓制件的產品性能和合格率。

4.1 高效一出四液力沖壓裝置

本項目的沖壓機構由上沖壓裝置和下沖壓裝置組成，其中上沖壓裝置包括上套接主軸，下沖壓裝置包括下套接主軸。上套接主軸下端與上行星減速器連接，從下至上分別套接上環形托架、上偏心凸輪結構、上固定支架和上軸承。上偏心凸輪結構包括設于上套接主軸上的上偏心凸輪及設于上偏心凸輪外的上連接盤。連接盤上連接多組上連桿。上連桿的端部連接架設于環形托架上的滑塊，其端部均連接上模具。上套接主軸的端部通過上軸承連接上飛輪。下套接主軸上端部與減速器連接，從上至下分別套接下環形托架、下偏心凸輪結構、下固定支架和下軸承。下偏心凸輪結構包括設于下套接主軸上的下偏心凸輪及設于下偏心凸輪外的下連接盤，其上連接有多組下連桿[6-7]。下連桿的端部連接有架設于下固定支架上的下滑塊，各下滑塊的端部均連接下模具。下套接主軸的端部通過下軸承連接有下飛輪。

本技術基于一個動力系統安裝多個沖壓裝置，在上飛輪、下飛輪轉動一圈時，可以完成多次不同模具的沖壓作業。設備包含雙層沖壓結構，可以實現4 個不同工位狀態下同時運行，大大節省了工作時間，達到高效利用空間和時間的效果。該技術還可以將多種不同形狀的工件合理設計后整合到多個模板上，一次性沖壓4 種不同形狀的工件，從而使材料達到最大利用率，節省材料。

4.2 全自動出料優化

為了解決傳統的液壓沖壓設備在出料環節往往需要人工操作的問題，設計一種液壓沖壓設備自動出料系統。該系統能夠實現出料全程自動化，排除人工操作，從而減少了人工勞動強度并提高了工作效率，同時也有效避免了操作人員直接與高溫坯料接觸，消除了安全隱患。自動出料系統主要由機柜、擠壓機構、定模、進料機構、導柱、動模和加壓機構等部分組成[8]。其中，擠壓機構位于機柜底部，定模位于擠壓機構頂部，進料機構位于定模一側。4 個垂直固定在機柜頂部與定模之間并兩兩對稱排列的導柱，活動設置在4 個導柱間的動模，以及位于機柜頂部上方并能驅動動模上下移動的加壓機構，共同構成自動出料系統的基本框架。主機通過水平儀調平后，使用6 組地腳螺栓固定，必要時使用墊塊，以確保主機的穩定性，防止在工作過程中因振動等原因導致設備移位或者損壞。當機組動模與定模契合后，接料斗左移到底，驅動第二氣缸的伸縮端向外伸出，借助推頭推動滾輪，同時借助V 形塊帶動扭力軸轉動一定角度，進而帶動擋板向下擺動以離開出料口。此時的閥門坯料沿擋板下滑到出料槽中，最終向外輸出實現自動出料。

4.3 智能監測報錯技術

在設備主機4 個工位旁邊安裝齒輪編碼器來檢測沖頭進給距離，同時在各個關鍵位置由檢測器進行環境監測，如爐溫檢測、溫度篩選、銅料長度篩選和油溫檢測等。通過機組的控制系統讀取參數，一旦出錯，系統會發出提醒警報，再根據預設策略進行處理。

4.4 設備工作狀態仿真及結構優化

通過采用結構強度力學分析和模態分析相結合的有限元分析方法，進行產品核心部件的工作狀態仿真及結構優化設計，實現完整工作過程在數值模擬中的“可視化”[9]。有限元分析方法可以在樣機研發初期通過實驗獲取與實際工況一致的邊界條件，建立有限元分析模型，模擬裝配作業中各零件的實際工作狀態，從結構靜力學和模態兩個角度進行結構強度分析，根據分析結果綜合評判機械結構強度，并進行優化設計。同時，從運動學角度分析計算供料系統零件，確定最優送料方案。運用有限元法分析裝配結構，不僅能夠縮短設計周期，提高設計水平和效率，而且可以極大地降低研發成本。

5 結語

與傳統加熱工藝能耗相比，一體化提升熱鍛爐的設計節能效果良好。通過設備生產全自動化和智能檢測報錯設計，實現了液壓沖壓設備出料全程自動化，可以減少勞動強度，提高工作效率，避免操作人員直接接觸高溫原材料，消除安全隱患。通過研發一出四液力沖壓設備關鍵技術，在一個動力系統上安裝多個沖壓裝置，可以完成多次不同模具的沖壓作業，實現設備在完全密閉的空間內一次成型，一模四出，生產效率提升2.5 倍以上。隨著科技的發展，液壓沖壓技術也在不斷進步，未來的液壓沖壓技術將更加智能化、自動化。此外，隨著新材料的研究和應用，液壓沖壓技術還將拓展到更多領域，創造更多價值。