文/謝桂平·黃石職業(yè)技術(shù)學(xué)院

黃時(shí)明·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

楊光友·湖北工業(yè)大學(xué)

數(shù)控精沖液壓機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用

文/謝桂平·黃石職業(yè)技術(shù)學(xué)院

黃時(shí)明·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

楊光友·湖北工業(yè)大學(xué)

數(shù)控精沖液壓機(jī)是在近二十年間迅猛發(fā)展的一種板材精密、高效、復(fù)合成形的機(jī)床裝備。精沖與普沖同屬分離工藝，但因其是包含特殊工藝參數(shù)的加工方法，所以生產(chǎn)的零件也具有不同的質(zhì)量特征。隨著現(xiàn)代汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)產(chǎn)量不斷遞增，這就對(duì)關(guān)鍵零部件的產(chǎn)量和質(zhì)量提出了更高的要求。為適應(yīng)現(xiàn)在企業(yè)的需求，開(kāi)發(fā)研制的數(shù)控精沖液壓機(jī)與彎曲、拉深、翻邊、鐓擠、壓沉孔、半沖孔和擠壓等冷成形工藝相結(jié)合，在精沖機(jī)上一次沖壓就能獲得尺寸公差等級(jí)IT6～I(xiàn)T9，粗糙度Ra為0.4～3.2μm的零件，在生產(chǎn)大批量立體成形零件、復(fù)雜幾何形狀零件、厚板料零件等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

數(shù)控精沖液壓機(jī)應(yīng)用范圍

在應(yīng)用數(shù)控精沖液壓機(jī)以前，進(jìn)行大批量復(fù)雜幾何形狀零件和厚板料零件的生產(chǎn)主要采用傳統(tǒng)的強(qiáng)力壓邊精沖，塑性變形主要集中在凸、凹模間隙所限的極窄范圍內(nèi)，材料存在可精沖的厚度極限。

數(shù)控精沖液壓機(jī)的應(yīng)用

工藝與模具

⑴厚板精沖工藝研究。由于精沖零件形狀越來(lái)越復(fù)雜，精沖復(fù)合工藝成為精沖工藝的發(fā)展和延伸，但是厚板復(fù)合精沖時(shí)，模具的壽命通常較低，需要優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)提高模具壽命。針對(duì)典型的厚板零件，通過(guò)工藝試驗(yàn)和數(shù)值模擬，確定成形過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)以及成形缺陷，研究精沖工藝參數(shù)對(duì)精沖件質(zhì)量的影響。

如湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的數(shù)控精沖液壓機(jī)，通過(guò)運(yùn)用有限元軟件Deform3D對(duì)精沖的工藝過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)精沖模具模型的建立確定模型參數(shù)，模擬出精沖變形過(guò)程中齒圈壓入、精沖分離過(guò)程中以及精沖完成的全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變，對(duì)精沖的塑性變形進(jìn)行量化，對(duì)精沖件的成形質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，為精沖零件成形質(zhì)量成因提供理論基礎(chǔ)，給出工件成形過(guò)程中每個(gè)瞬間的位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布，不僅可以預(yù)測(cè)工件的回彈、起皺和模具所承受的成形力，還可以預(yù)測(cè)工件的破裂、檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的合理性，并為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

⑵厚板精沖模具制造方法研究。主要內(nèi)容包括：精沖模具材料選擇及熱處理工藝的優(yōu)化，精沖模具材料的表面處理研究、如PVD、CVD工藝研究；以及精沖模具壽命綜合研究。國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)表明：在模具尺寸到位的基礎(chǔ)上，模具表面磨削、表面噴丸和表面涂層的綜合處理是提高模具壽命的關(guān)鍵之一。將采用表面加工處理、微觀分析、力學(xué)與疲勞測(cè)試、軟件分析、現(xiàn)場(chǎng)試沖等集成手段，研發(fā)出最優(yōu)模具表面加工參數(shù)與規(guī)范。

⑶精沖模具快速設(shè)計(jì)數(shù)字化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。隨著精沖技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，成形的復(fù)合模和多工步復(fù)雜級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)速度愈來(lái)愈成為瓶頸，同時(shí)對(duì)成形模具的設(shè)計(jì)提出的要求也愈來(lái)愈高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造方法已不能適應(yīng)這樣的要求，模具CAD/CAE/CAM技術(shù)是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)。它使技術(shù)人員能借助于計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及成本等進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。從而提高模具設(shè)計(jì)和制造的水平和質(zhì)量，縮短新模具的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)研究周期，大大提高模具技術(shù)在整個(gè)工業(yè)中的地位。

主機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

⑴結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。本機(jī)床的機(jī)身采用鋼板焊接框架結(jié)構(gòu)，主要承力板為前后兩塊整體面板，筋板布置和板厚的選擇均經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其強(qiáng)度、剛度好，尤其是焊接工藝性好，框架承受全部工作載荷，齒圈缸嵌在機(jī)架上部焊接成一個(gè)整體，這使機(jī)床結(jié)構(gòu)更為緊湊，且使上工作臺(tái)面的剛性更高。與拼接式結(jié)構(gòu)相比其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度保持性好。

⑵抗偏載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。多工位及厚板精沖中對(duì)機(jī)床的抗偏載能力提出了更高要求，僅靠油缸導(dǎo)向帶及滑塊導(dǎo)軌難以滿足高精度零件的要求，因此擬在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上另設(shè)了一套扭軸同步機(jī)構(gòu)，其由兩組無(wú)間隙齒條及齒輪軸機(jī)構(gòu)組成，齒條與機(jī)身固定在一起，齒輪軸與滑塊連接，在無(wú)偏載時(shí)正常運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到偏載此同步機(jī)構(gòu)可承載偏載力強(qiáng)制滑塊保持水平上行。其特點(diǎn)是抗偏載力大、結(jié)構(gòu)緊湊無(wú)需增大工作臺(tái)面。

⑶基于機(jī)身、模具耦合計(jì)算的抗偏載主機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。液壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性是保證精沖工藝是否合理的關(guān)鍵，需要用計(jì)算機(jī)輔助的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。通過(guò)有限元仿真分析可以做到在精沖壓力機(jī)開(kāi)發(fā)階段就能對(duì)壓力機(jī)設(shè)計(jì)的抗偏載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到不大于0.3mm（測(cè)定距離600mm,偏載力矩250kN·m）的預(yù)定目標(biāo)。

液壓系統(tǒng)研發(fā)

經(jīng)過(guò)多年生產(chǎn)液壓設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，在快速液壓系統(tǒng)中，除了要求液壓油的流量大外，另一個(gè)重要指標(biāo)是液壓閥的響應(yīng)速度要快，其中影響最大的便是充液閥，關(guān)閉與打開(kāi)需要消耗大量的時(shí)間，為此技術(shù)人員研發(fā)一種高頻響充液閥，是一種雙控、二級(jí)卸荷充液閥，使充液閥的開(kāi)閉時(shí)間成倍提高，目前已申報(bào)專(zhuān)利。

數(shù)控系統(tǒng)

⑴PC機(jī)、工控機(jī)、PLC集成控制系統(tǒng)。PC機(jī)自動(dòng)計(jì)算工藝過(guò)程中的參數(shù)（如工作壓力、壓邊力、反壓力、速度等）后，傳送到工控機(jī)、可編程控制器，工控機(jī)、可編程控制器按接收到的工藝過(guò)程對(duì)精沖機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行精確控制。

⑵沖裁壓力、速度數(shù)控程序開(kāi)發(fā)。數(shù)控系統(tǒng)能顯示滑塊工作位置（上死點(diǎn)、下死點(diǎn)、工進(jìn)點(diǎn)）、設(shè)備狀態(tài)（快進(jìn)、工進(jìn)、保壓、吹氣、彈料、快退）、力能參數(shù)（工進(jìn)壓力、齒圈力、反頂力）、班次產(chǎn)量等，并根據(jù)工藝要求對(duì)沖裁力、壓力等實(shí)現(xiàn)精確數(shù)字控制。

環(huán)保與安全

精沖中沖裁沖擊是實(shí)際的噪聲源，由于機(jī)床的電機(jī)功率較大，特別是吹料時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳聲音，接近100dB就會(huì)使人難以承受。在模具空間后部設(shè)有罩蓋，罩蓋頂部與油霧分離器相連，罩蓋一方面隔音，另一方面隔絕沖裁時(shí)產(chǎn)生的油霧，便于收集。此外機(jī)床外部設(shè)有防護(hù)罩，當(dāng)機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，若打開(kāi)防護(hù)罩門(mén)，機(jī)床便會(huì)自動(dòng)停止。為確保人身安全，防護(hù)罩采用夾層式，其中里面的一層呈網(wǎng)孔狀，在兩層鋼板中間增加隔音材料，通過(guò)網(wǎng)孔吸音使噪聲符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

先進(jìn)性

精沖機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

采用ANSYS有限元軟件對(duì)主軸、絲杠、機(jī)架等精沖機(jī)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。精沖機(jī)床身及對(duì)模具的有限元分析，通過(guò)建立壓力機(jī)的幾何計(jì)算模型，計(jì)算床身和模架的變形和受力，顯示床身的絕對(duì)變形量?；赟olidWorks平臺(tái)，開(kāi)發(fā)精沖模具CAD系統(tǒng)主體框架。利用ADAMS仿真分析軟件，建立精沖機(jī)虛擬樣機(jī)，并對(duì)其在各種工況下的運(yùn)動(dòng)和受力情況進(jìn)行仿真分析，觀察并試驗(yàn)各組成部件的相互運(yùn)動(dòng)情況，仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)精沖機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

精沖工藝及模具研究

用有限元方法對(duì)板料成形過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)精沖模具模型的建立，確定模型參數(shù)，模擬出精沖變形過(guò)程中齒圈壓入、分離過(guò)程以及精沖完成的全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變，對(duì)精沖的塑性變形進(jìn)行量化，對(duì)精沖件的成形質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，為精沖零件成形質(zhì)量成因提供理論基礎(chǔ)，給出工件成形過(guò)程中每個(gè)瞬間的位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)工件的回彈、起皺和模具所承受的成形力，預(yù)測(cè)工件的破裂、檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的合理性，并為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)技術(shù)日新月異的今天，我國(guó)的精沖業(yè)也在不斷地向前發(fā)展。相信在技術(shù)人員的不斷努力下，國(guó)產(chǎn)精沖壓力機(jī)在技術(shù)上也將不斷探索和創(chuàng)新，盡快縮短與國(guó)際高端精沖機(jī)在技術(shù)上的差距，為行業(yè)的用戶提供技術(shù)更為穩(wěn)定、效率更高、性能更為優(yōu)異的數(shù)控液壓精沖壓力機(jī)。