文/張星，巫亮·合肥合鍛機(jī)床股份有限公司技術(shù)中心

HSHP系列高速熱沖壓成形液壓機(jī)的新發(fā)展

文/張星，巫亮·合肥合鍛機(jī)床股份有限公司技術(shù)中心

熱沖壓成形裝備的研發(fā)背景

當(dāng)今全球的汽車制造業(yè)正朝著綠色、低碳、節(jié)能、環(huán)保和安全的方向快速發(fā)展，汽車輕量化是實現(xiàn)這一發(fā)展方向的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。根據(jù)歐洲材料協(xié)會調(diào)查表明，汽車重量每降低100kg，每百公里至少可節(jié)約1.6L燃油。汽車車身覆蓋件和結(jié)構(gòu)件的重量約占汽車總重量的30%以上，所以車身的輕量化對降低汽車整備質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性從而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保具有至關(guān)重要的意義。

此外，汽車輕量化的實現(xiàn)不能以削弱汽車安全性為代價。如何設(shè)計和制造節(jié)能且安全的車，是國際汽車設(shè)計和制造業(yè)不斷追求的目標(biāo)。用高強(qiáng)鋼熱沖壓成形技術(shù)來制造車身結(jié)構(gòu)件，既可以減輕車體重量，又能提高碰撞安全性，被國際汽車界公認(rèn)為是同時實現(xiàn)車體輕量化和提高碰撞安全性的最好途徑。事實上，高強(qiáng)度鋼已成為頗具競爭力的汽車輕量化材料，它在抗碰撞性能、耐蝕性能和成本方面較其他材料仍具有較大的優(yōu)勢。

源于歐洲的高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)，近年來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅猛，但該裝備生產(chǎn)廠家少、價格昂貴、對外技術(shù)保密嚴(yán)格，國內(nèi)已使用的生產(chǎn)線全部為高價進(jìn)口。采用熱沖壓成形集成控制成套裝備生產(chǎn)線生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)件，具有超高強(qiáng)度、高硬度、輕量化（厚度比普通鋼板減薄率可達(dá)35%）、幾乎無回彈（制造精度高）等諸多優(yōu)點，技術(shù)優(yōu)勢十分明顯。此外，冷沖壓中需要多套模具多次成形的沖壓件在熱成形工藝中可以一次成形，從而減少模具數(shù)量和成形工序。

熱沖壓成形技術(shù)需要在成形的同時，給予足夠的冷卻速度進(jìn)行淬火，因而對設(shè)備和模具方面都有特定的要求。國內(nèi)僅有很少數(shù)廠家在高檔轎車上采購這種高強(qiáng)度沖壓件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國內(nèi)汽車行業(yè)的市場需要?；谄囍圃鞓I(yè)大批量、無間隔生產(chǎn)的特點，本公司在開發(fā)研制HSHP系列高速熱沖壓成形液壓機(jī)的過程中，一開始就明確定位保證國際先進(jìn)水準(zhǔn)，各項技術(shù)參數(shù)要達(dá)到國際先進(jìn)水平。該產(chǎn)品的研制成功，提高了國內(nèi)熱沖壓成形工藝的技術(shù)水平，為熱沖壓成形工藝提供了先進(jìn)的生產(chǎn)加工設(shè)備，對汽車制造業(yè)具有極其重要的意義。

液壓機(jī)主體部分設(shè)計方案

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的高速熱沖壓成形液壓機(jī)還存在著很多技術(shù)難點，包括：需要解決從加熱到?jīng)_壓過程中的溫度控制，即送料機(jī)構(gòu)與高速壓機(jī)的節(jié)拍控制問題；鋼板和零件的傳送時間控制、熱沖壓成形速率與控制，要求高速壓機(jī)的速度能夠安全高速穩(wěn)定的控制；模具冷卻速率控制、加熱爐與水冷模具的熱疲勞耐久性實驗等方面。

由于該種液壓機(jī)應(yīng)用于熱沖壓成形工藝，成形工藝特殊且要求高，結(jié)合國外同行業(yè)熱沖壓成形設(shè)備的特點，本產(chǎn)品提出了較高的要求。在控制系統(tǒng)方面，要求電氣控制采用工業(yè)控制計算機(jī)加PLC聯(lián)合控制，并調(diào)節(jié)速度、壓力和位移等參數(shù)。因此在設(shè)計方案制定中，液壓系統(tǒng)采用了最先進(jìn)的雙比例插件閉環(huán)控制技術(shù)。不僅如此，針對壓機(jī)的特點對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)，充分發(fā)揮了比例控制技術(shù)的柔性，按工藝要求制定了設(shè)備的技術(shù)方案，經(jīng)過有關(guān)專家和用戶的反復(fù)論證，確定了具體技術(shù)參數(shù)及技術(shù)方案，見表1。具體的設(shè)計方案，包括下面的7方面：

■ 表1 高速熱沖壓成形液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

⑴主機(jī)機(jī)身部分。機(jī)身采用分體框架式結(jié)構(gòu)，上橫梁、下橫梁、四根立柱通過拉桿緊固并通過預(yù)緊裝置預(yù)緊。機(jī)身主要結(jié)構(gòu)件的設(shè)計均采用有限元進(jìn)行分析，確保整機(jī)剛性。液壓機(jī)的滑塊采用斜楔式四角八面導(dǎo)軌導(dǎo)向，調(diào)整方便且調(diào)整精度高，調(diào)整后不易發(fā)生精度跑調(diào)現(xiàn)象、精度保持性好、抗偏載能力強(qiáng)?；瑝K側(cè)導(dǎo)向要求采用低摩擦系數(shù)的耐磨材料，滿足滑塊高速運行的要求?；瑝K行程范圍內(nèi)位置指示采用了進(jìn)口的直線位移傳感器，位置顯示精度達(dá)到0.1mm?；瑝K導(dǎo)軌潤滑采用可調(diào)稀油程控潤滑，確?；瑝K高速安全運行。

⑵動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)——油缸。在油缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封設(shè)計中，充分考慮了加工能力及機(jī)器超高速運行的岢刻要求，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化組合，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，油缸設(shè)計為三活塞缸結(jié)構(gòu)形式，中間設(shè)置為平衡缸，滿足高速回程速度的要求。

⑶動力機(jī)構(gòu)——液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)采用了先進(jìn)的二通插裝閥系統(tǒng)，設(shè)計專用的高速液壓機(jī)液壓系統(tǒng)，采用動態(tài)壓力分級功能，工作壓力分為三級壓力，提高了工作速度的同時壓機(jī)裝機(jī)功率不增加。壓機(jī)采用了先進(jìn)的壓力檢測、位置檢測元件與特殊設(shè)計的液壓系統(tǒng)有機(jī)的組合，通過工控機(jī)進(jìn)行精密控制。

⑷各運動機(jī)構(gòu)的潤滑系統(tǒng)。壓機(jī)的運行速度非?？?，滑塊導(dǎo)軌的潤滑系統(tǒng)采用獨立的潤滑系統(tǒng)，與液壓系統(tǒng)分開，潤滑裝置采用電腦程序控制可回收自動稀油潤滑方式，可設(shè)定潤滑量及潤滑間隔時間，系統(tǒng)自動進(jìn)行工作。啟動機(jī)器時必須先啟動潤滑裝置，否則主電機(jī)不能啟動。潤滑系統(tǒng)和主機(jī)動作設(shè)有互鎖和故障顯示裝置，如潤滑裝置出現(xiàn)堵塞等故障，則機(jī)器報警。

⑸電氣控制系統(tǒng)。采用PLC＋分站的方案，實現(xiàn)分散控制集中管理。PLC采用歐洲公司的高性能控制器，指令執(zhí)行速度為約0.1μs，CPU數(shù)據(jù)寬度為32位，完全能夠滿足高速度運行的系統(tǒng)要求。由于壓機(jī)的速度非常快，要求配備高性能的電氣元件，位置檢測需采用進(jìn)口高性能位移傳感器，反饋時間短，控制精度高。PLC置于機(jī)器現(xiàn)場，檢測現(xiàn)場的各過程變量，通過總線、加熱爐、取料機(jī)器人和送料機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對加熱爐的溫度、動作及機(jī)器人的動作進(jìn)行安全控制，實現(xiàn)與壓機(jī)各種工藝動作的安全配合，生產(chǎn)合格的產(chǎn)品。

⑹安全控制系統(tǒng)。采用安全PLC對急停、安全門、閥芯檢測及機(jī)器人等安全信號進(jìn)行集中控制，安全系統(tǒng)滿足歐洲CE認(rèn)證。

⑺遠(yuǎn)程診斷功能。由于整個系統(tǒng)的信號多、動作復(fù)雜，專門設(shè)計了一套遠(yuǎn)程診斷功能，在辦公室就能對現(xiàn)場的各個信號、動作進(jìn)行監(jiān)控，對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳分析，對現(xiàn)場程序修改、節(jié)省費用。

創(chuàng)新設(shè)計

HSHP800高速熱沖壓成形液壓機(jī)如圖1所示，具備這些特點：該機(jī)為分體框架式結(jié)構(gòu)；滑塊導(dǎo)軌采用四角八面均可調(diào)式導(dǎo)軌；機(jī)床精度高；液壓系統(tǒng)采用比例閉環(huán)控制；電氣采用觸摸屏與PLC組合進(jìn)行控制，可實現(xiàn)對滑塊位置預(yù)先設(shè)定，對工件壓制過程中的壓力、位置、溫度、保壓時間等參數(shù)進(jìn)行記錄保存和打??；具備故障診斷功能、液壓支撐保險回路、過載保護(hù)、壓力閉環(huán)控制回路、快速下降控制回路；具有壓力分級功能，滑塊平衡系統(tǒng)；可實現(xiàn)人機(jī)對話功能，便捷地在工控機(jī)的顯示器上預(yù)置滑塊的運行位置、運行速度、設(shè)定壓力、選擇保壓方式、設(shè)定保壓時間等技術(shù)參數(shù)，真正實現(xiàn)了數(shù)字化控制。

圖1 HSHP800高速熱沖壓成形液壓機(jī)

圖2 液壓機(jī)高速控制液壓系統(tǒng)示意圖

高速熱沖壓液壓機(jī)的主要液壓原理見圖2，該液壓系統(tǒng)的設(shè)計首要滿足壓機(jī)的高速工作運行速度，提高壓機(jī)工作效率，但不能增加液壓機(jī)的能耗。如何提高壓機(jī)的工作效率是本液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵。

高速熱沖壓成形液壓機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵創(chuàng)新點，有以下4方面：

⑴動態(tài)壓力分級功能。壓力分級功能具有手動分級和動態(tài)自動分級兩種，分為三級壓力，如本臺800t設(shè)備分級可以實現(xiàn)300t、500t、800t的壓制力。

手動分級，根據(jù)工件需要的壓制力，通過開關(guān)選擇單缸工作、雙缸工作、三缸工作。動態(tài)壓力分級，液壓機(jī)在沖壓過程中，大部分行程時的拉伸力均遠(yuǎn)小于設(shè)定的壓力，只有在行程結(jié)束前幾毫米才能達(dá)到設(shè)定壓力。所以，在液壓系統(tǒng)中采用分級加壓技術(shù)，在壓機(jī)負(fù)載小時液壓油只向中間主油缸供油，當(dāng)負(fù)載大于中間油缸噸位的70%后，系統(tǒng)再向兩邊側(cè)油缸供油，中間主油缸接通充液箱進(jìn)行吸油，最后當(dāng)負(fù)載大于兩邊側(cè)油缸噸位的70%后，系統(tǒng)同時向三個油缸供油。動態(tài)分級功能可大幅提高拉伸速度，減少拉伸工作時間。壓力分級功能通過圖2的液壓原理可以實現(xiàn)。

⑵壓機(jī)設(shè)置快速下降回路。由于壓機(jī)的快降速度達(dá)到700mm/s以上，使用常規(guī)電磁換向閥控制插裝閥很難實現(xiàn)，原因是電磁換向閥或插裝閥的打開和關(guān)閉均存在時間置后問題，有的閥打開了關(guān)閉很慢，壓機(jī)在高速運行過程中很容易失控，從而對模具或壓機(jī)造成傷害。所以，在液壓系統(tǒng)主缸使用比例插裝閥有效地控制下腔排油，比例插裝閥是通過高頻響比例閥來控制插裝閥的開口大小，可快速地通過大流量的油液，同時打開關(guān)閉的反應(yīng)時間非?？臁Ｔ撓到y(tǒng)的使用，可以提高壓機(jī)的快降速度、減小緩沖距離和上?？焖俳咏臅r間，快降速度可以調(diào)節(jié)。

⑶壓機(jī)設(shè)置滑塊平衡系統(tǒng)。由于壓機(jī)的回程速度達(dá)到700mm/s以上，回程時需要的油流量很大，特別在壓機(jī)主噸位不是很大的情況下，滿足回程速度所需要的油流量可能是主泵系統(tǒng)的200%～300%。如果按照正常液壓系統(tǒng)配置，壓機(jī)的裝機(jī)功率將會增加200%～300%，使用廠家以后的用電量將會成倍增加。采用蓄能器平衡回路，可在提高壓機(jī)回程速度的同時減少液壓機(jī)耗電量。如圖2所示，中間主油缸的下腔與蓄能器組連接，主油缸就形成了一個平衡缸，平衡掉一部分滑塊的重量，兩邊側(cè)油缸的回程力就可以設(shè)計的小一點，使回程時所需的油流量和主系統(tǒng)供油量相當(dāng)，這時系統(tǒng)的匹配最為合理、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)。具體工作原理是：壓機(jī)最初工作時，蓄能器組沒有壓力，需要由小泵通過電磁換向閥Y4向蓄能器組提供能量；壓機(jī)正常工作時，滑塊快降勢能儲存于蓄能器內(nèi)，滑塊回程時蓄能器向中間主油缸下腔供油，此回路可節(jié)約電能10%～15%。

⑷柔性減速技術(shù)?；瑝K的快速下降及快速回程速度達(dá)到700mm/s以上，突然轉(zhuǎn)至慢速時會有強(qiáng)烈的振動，采用PID控制比例插裝閥能有效降低快轉(zhuǎn)慢的振動，PLC輸出模擬量控制比例插裝閥的開口，并且對比例插裝閥的開口大小進(jìn)行采樣跟蹤，后續(xù)模擬量的輸出會根據(jù)給定信號和比例插裝閥的開口反饋信號的差值進(jìn)行自動控制，實現(xiàn)滑塊柔性減速。

結(jié)束語

經(jīng)過幾個月時間用戶現(xiàn)場的大批量生產(chǎn)證明，該機(jī)運行平穩(wěn)，各項指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)協(xié)議的要求，無停頓和抖動等現(xiàn)象，用戶非常滿意。HSHP系列高速熱沖壓成形液壓機(jī)的研制成功，不僅滿足國內(nèi)各種高強(qiáng)度鋼板生產(chǎn)的需要，為國內(nèi)汽車行業(yè)的節(jié)能減排提供了基礎(chǔ)設(shè)備。同時，實現(xiàn)了對制造過程進(jìn)行實時監(jiān)控與國產(chǎn)液壓機(jī)的計算機(jī)控制，實現(xiàn)了機(jī)電一體化方面突破性的發(fā)展。并且，此項技術(shù)已轉(zhuǎn)化到汽車零部件生產(chǎn)線中，利用機(jī)器人的傳輸、高速壓機(jī)的效率使得整個生產(chǎn)線的節(jié)拍成倍提高，標(biāo)志著國內(nèi)液壓機(jī)行業(yè)已經(jīng)步入了世界的舞臺。