內(nèi)高壓成形機(jī)鎖模缸合模過程建模與仿真

金榮志，麥云飛

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

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內(nèi)高壓成形機(jī)鎖模缸合模過程建模與仿真

金榮志，麥云飛

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)內(nèi)高壓成型機(jī)的合模過程中的鎖模力控制，由于過大的軸向力作用下，主缸無法提供足夠大的鎖模力，造成產(chǎn)品的飛邊和表面起皺，變形不均勻。以靜載力控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，模擬鎖模缸合模過程，建立內(nèi)高壓成形機(jī)的鎖模力控制系統(tǒng)模型。采用Matlab中仿真工具進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)模型可以提供足夠的鎖模力，具有可行性。

內(nèi)高壓成形；閥控非對(duì)稱缸；電液力控制；Simulink仿真

內(nèi)高壓成形工藝廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天等工業(yè)中的空心變截面輕體構(gòu)件加工生產(chǎn)。與傳統(tǒng)沖壓工藝相比，內(nèi)高壓成形技術(shù)由于模具數(shù)量較少且能一次成形，既節(jié)約材料、減輕重量、降低成本，也提高了整體的剛度與使用壽命[1-3]。目前，歐洲是內(nèi)高壓成形成套技術(shù)與設(shè)備制造商最為集中的地區(qū)，其中又以德國的舒勒公司和SPS公司，瑞典AP&T公司為主[4]。內(nèi)高壓成形加工過程中，成形模具的進(jìn)口處起皺是不可避免的，其皺紋可以通過整形階段內(nèi)壓的升高而漲平，當(dāng)軸向力過大時(shí)，鎖模力不足，模板受力不均勻，易出現(xiàn)產(chǎn)品飛邊等現(xiàn)象。合模裝置的作用即保證成型磨具可靠的閉緊。通過對(duì)液壓缸可靠性設(shè)計(jì)出發(fā)，基于液壓缸組成結(jié)構(gòu)及工作原理，校核液壓缸強(qiáng)度，分析了鎖模缸合模過程中的靜載壓力控制，并建立了相應(yīng)的流量方程，基于能量守恒規(guī)律建立了液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程活塞力平衡方程。本文通過Simulink建模仿真求得液壓缸在靜載下壓力-時(shí)間特性。

1 內(nèi)高壓技術(shù)成形原理及特點(diǎn)

1.1 內(nèi)高壓成形原理

在液壓傳動(dòng)中，一般把液體工作壓力高于31.5～35 MPa時(shí)，稱為超高壓[5-7]。內(nèi)高壓成形技術(shù)通常是用管坯作為坯料，通過施加液體壓力和軸向加力補(bǔ)料，將管坯壓入到模具型腔使其成形為所需工件[5-7]。

液壓合模裝置的動(dòng)力是由合模液壓缸中的高壓液壓油產(chǎn)生的，液壓油的壓力推動(dòng)合?；钊麕?dòng)動(dòng)模安裝板及動(dòng)模進(jìn)行合模動(dòng)作，并起到鎖緊作用。

內(nèi)高壓成形機(jī)的鎖模力控制系統(tǒng)主要由鎖模裝置、伺服閥、液壓缸、力傳感器和放大器等主要部分組成。當(dāng)系統(tǒng)接到合模指令時(shí)，變量泵經(jīng)伺服閥調(diào)節(jié)輸出平穩(wěn)的，連續(xù)變化的流量驅(qū)動(dòng)模架按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模架由快速移動(dòng)到最后緩慢平穩(wěn)的合模。內(nèi)高壓成形機(jī)系統(tǒng)提供的合模力和合模機(jī)構(gòu)的質(zhì)量均較大，鎖模缸合并后，在測推力缸的作用下，封閉管坯兩端，其原理如圖1所示。

圖1 內(nèi)高壓成形工藝流程圖

1.2 內(nèi)高壓成形技術(shù)特點(diǎn)

(1)從工藝技術(shù)角度來看，內(nèi)高壓成形技術(shù)可以加工不同尺寸的封閉空心截面零件，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化、節(jié)約材料和簡化工藝的目的。內(nèi)高壓成形結(jié)構(gòu)件相對(duì)于沖壓件可以減輕，提高產(chǎn)品利用率[8]；(2)減少零件和模具的數(shù)量。對(duì)于內(nèi)高壓成形件而言，只需一套模具就可以完成，而沖壓件通常需要多套模具；(3)減少后續(xù)工作。以散熱器支架為例，焊接點(diǎn)由原來 個(gè)減少到 個(gè)，組裝工序由原來 道減少到 道；(4)提高成形件剛度和強(qiáng)度。內(nèi)高壓成形過程中的加工硬化作用，提高零件強(qiáng)度和剛度在 之間[9]；(5)提高材料的利用率；(6)節(jié)約成本。

2 內(nèi)高壓機(jī)鎖模缸力控制系統(tǒng)

(1)搭建鎖模缸力控制系統(tǒng)圖。依據(jù)合模系統(tǒng)的液壓原理及具體的壓力控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 鎖模缸合模力控制伺服系統(tǒng)

(2)設(shè)置參數(shù)。根據(jù)工況及設(shè)計(jì)要求，在合模過程中鎖模缸的有桿腔為高壓油腔，提供660 T合模力通過液壓鎖的結(jié)構(gòu)。

參數(shù)要求：合模力660 T，鎖模缸的公稱力8 000 kN，鎖模缸的最大工作壓力25 MPa。鎖模缸最大行程500 mm，液壓系統(tǒng)流量36 L/min，總功率56 kW。

3 電液力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

3.1 閥控非對(duì)稱缸的建模

伺服閥的流量方程：伺服閥[10]的流量為

QL1=KqKv-KcPL

(1)

式中，Kq為伺服閥在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的流量增益，0.13 m3/(s·A)；Kc為伺服閥在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的流量-壓力系數(shù)，2.324×10-8m3s/Pa；PL為負(fù)載壓降，PL=17.32×106Pa。

液壓缸連續(xù)性方程

(2)

在本文的電液伺服系統(tǒng)中，由于活塞桿與負(fù)載固聯(lián)，故負(fù)載力包括慣性力、粘性阻尼力和彈性力。則液壓缸的輸出力與負(fù)載力的平衡方程為

(3)

式中，m為活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量，500 kg；Bm為活塞及負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)，8.8×10-5N·m/(rad/s)；K為加載油缸和負(fù)載的等效剛度，3.6×108N/m。

3.2 伺服閥模型

系統(tǒng)伺服閥選用力士樂4WRHM先導(dǎo)式比例方向閥，其主要參數(shù)：負(fù)載流量為870 L/min，最大工作壓力為35 MPa，內(nèi)泄漏為2.8 L/min[11]，額定電流為20 mA。本系統(tǒng)中執(zhí)行元件固有頻率低于50 Hz,伺服閥的傳遞函數(shù)可用一階環(huán)節(jié)表示，即

(4)

式中，I為伺服閥輸入電流；Ksv為伺服閥增益系數(shù)；Tsv為伺服閥時(shí)間常數(shù)。

3.3 伺服閥放大器環(huán)節(jié)

伺服放大器動(dòng)態(tài)忽略不計(jì)，可視為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，其輸出電流為

I=Ka(Ur-UF)

(5)

式中，ΔI為放大器輸出電流；Ka為放大器增益系數(shù)；Uf為系統(tǒng)設(shè)定輸入電壓；Uf為力傳感器的輸出反饋電壓。

3.4 力傳感器環(huán)節(jié)

UF=KFFc

(6)

式中，KF為力傳感器的增益；Fc為液壓缸輸出力。

3.5 合模模擬系統(tǒng)框圖及傳遞函數(shù)

其開環(huán)傳遞函數(shù)為

(7)

圖3 合模模擬系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)仿真與分析

4.1 仿真模型的建立

在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型后，需要對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行頻域和時(shí)域分析Simulink可以方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與分析，從而使一個(gè)復(fù)雜模型的建立和仿真變得相當(dāng)簡單和直觀[12-15]。本文利用Simulink仿真平臺(tái)對(duì)本文建立的模型進(jìn)行仿真與分析。

4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

通過Simulink仿真，可得到系統(tǒng)的頻域特性曲線和時(shí)域特性曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 力控制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性

圖5 力控制系統(tǒng)時(shí)域階躍響應(yīng)曲線

由圖4可知，幅值穿越頻ωc=88.1 Hz。本系統(tǒng)的開環(huán)系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng)。若開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性達(dá)到0 dB時(shí)，其對(duì)數(shù)相頻特性還在-180°線以上，即相位還

不足-180°，則閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定[12-15]。因此，本系統(tǒng)是閉環(huán)穩(wěn)定的。由圖5可知，本系統(tǒng)主要的時(shí)域性能指標(biāo)為：無最大超調(diào)量；調(diào)整時(shí)間為0.057 2 s。

5 結(jié)束語

針對(duì)內(nèi)高壓液壓機(jī)鎖模缸的電液伺服力控制系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，并利Simulink對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了頻域特性和時(shí)域特性分析。結(jié)果表明，本系統(tǒng)是閉環(huán)穩(wěn)定的, 但在系統(tǒng)響應(yīng)快速性方面仍有不足，需要后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化，以提高系統(tǒng)性能。

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Modeling and Simulation of Cylinder Clamping Process in Ultra-high Forming Machine

JIN Rongzhi，MAI Yunfei

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Take the mold clamping system of ultrahigh forming machine as research object. Wrinkling of the model happened due to too much under the action of axial force and insufficient hydraulic pressure. Through based on the static and residual control system, and do simulation of clamping cylinder clamping process, established the system application for controlling mold clamping. Through using MATLAB simulation tools for simulation analysis, the result show that the system model can provide adequate clamping force, indicating that the strategy is feasible and effective.

ultra-high forming；valve controlled asymmetric cylinder；force servo control；Simulink simulation

2016- 09- 13

金榮志(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：液壓與虛擬控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.015

TP391.9;TH137

A

1007-7820(2017)08-056-03