伺服壓力機(jī)控制條件與成形性關(guān)系研究

劉弘焱

（廣汽豐田汽車(chē)有限公司，廣東 廣州 511455）

1 沖壓工藝的基本分類(lèi)和工藝條件

在沖壓拉延成形中，基本的工藝條件包括：材料屈服強(qiáng)度、材料抗拉強(qiáng)度、材料表面摩擦系數(shù)、壓邊力、潤(rùn)滑條件、沖壓速度、拉延筋的長(zhǎng)度、圓角半徑等，也有些技術(shù)方案中，還包括拉延模具表面溫度、潤(rùn)滑油油膜厚度、材料定位精度、拉延凸模和凹模間隙等。其中，壓邊力是在成形條件中的重要邊界條件之一。

傳統(tǒng)的拉延模具設(shè)計(jì)中，壓邊力分為恒壓邊力（預(yù)先設(shè)定壓力）和可控變壓邊力?？煽刈儔哼吜梢园凑粘尚芜^(guò)程的需求預(yù)先設(shè)定變壓幅度，實(shí)現(xiàn)改善拉延成形的精度和變薄率的目的。在很多可控變壓邊力系統(tǒng)中，不但可以提供較大的壓邊力，而且可以采用借助數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變壓邊力的實(shí)時(shí)控制，已成為拉延工藝技術(shù)設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。

2 恒壓邊力控制的技術(shù)路線(xiàn)

在傳統(tǒng)拉深工藝中，壓邊力多來(lái)源于沖壓手冊(cè)等計(jì)算預(yù)測(cè)，并采用預(yù)先設(shè)定的方式設(shè)定在工藝設(shè)備上；從沖壓工藝的設(shè)計(jì)中，壓邊力也理論上視為在沖壓過(guò)程中為恒定值，在拉延變形過(guò)程中保持不變。當(dāng)然，在制造實(shí)踐中，恒壓邊力壓邊的假設(shè)條件基本上可以滿(mǎn)足大部分沖壓拉延成形的設(shè)計(jì)需求，因此，大量的工藝方法采用恒壓邊力的前提進(jìn)行設(shè)計(jì)。在恒壓邊力系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)中，主要采取的工藝路線(xiàn)有：（1）采用彈性元件提供壓邊力，主要是彈簧和橡膠（含聚氨酯）。

彈簧和橡膠的缺點(diǎn)是壓邊力隨拉深行程增加而近似線(xiàn)性增大，壓邊力的這種變化與成形過(guò)程中實(shí)際需要的壓邊力和變形力的波動(dòng)無(wú)法一一匹配，可能導(dǎo)致拉延過(guò)程中的開(kāi)裂和起皺難于控制。

采用氣墊提供壓邊力，主要是壓縮空氣提供壓力的機(jī)械氣墊和添加液壓調(diào)壓裝置的電液氣墊。機(jī)械氣墊氣缸固定在機(jī)身工作臺(tái)的底面上，當(dāng)氣缸下腔進(jìn)入壓縮空氣時(shí)，活塞和托板向上移動(dòng)到上限位置，氣墊進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)壓力機(jī)滑塊向下運(yùn)動(dòng)、上模接觸毛坯時(shí)，氣墊活塞通過(guò)托板、頂桿和壓邊圈將毛坯邊緣壓緊，并隨滑塊向下移動(dòng)；當(dāng)滑塊回程時(shí)，氣墊活塞隨同滑塊上升到上極限位置。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，活塞內(nèi)部空腔大，氣動(dòng)系統(tǒng)可以不另備儲(chǔ)氣罐；它的缺點(diǎn)是由于氣壓波動(dòng)和管道節(jié)流損失，氣墊提供的壓邊力大小也不易準(zhǔn)確控制。如圖1 所示，要實(shí)現(xiàn)近似與理論模型的相同的恒壓力控制拉延過(guò)程，需要控制成形的速度，即控制沖壓速度。從制造工藝來(lái)看，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定近似的恒壓力需要一定的時(shí)間，不易實(shí)現(xiàn)快速的沖壓成形，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。

圖1 空氣氣墊壓力輸出推移圖

采用液壓墊提供壓邊力，滑塊帶動(dòng)凹模下行，通過(guò)板料的凸緣部分和壓邊圈向下推動(dòng)液壓墊活塞，缸內(nèi)液體由溢流閥排回油箱，缸內(nèi)液體壓力即壓邊壓力由溢流閥調(diào)節(jié)。

采用外滑塊提供壓邊力，外滑塊壓邊用在雙動(dòng)壓力機(jī)上，工作時(shí)外滑塊將板料邊緣壓緊，內(nèi)滑塊拉深。另外，也可以直接用液壓調(diào)節(jié)方法，即安放液壓缸驅(qū)動(dòng)外滑塊，液壓缸內(nèi)的壓力大小由液壓閥調(diào)節(jié)。

3 變壓邊力的技術(shù)路線(xiàn)

T.Yagami 和K.Manabe 等開(kāi)發(fā)了一套帶有分段壓邊圈的拉深裝置，并進(jìn)行了方盒形零件拉深成形實(shí)驗(yàn)研究，該裝置的變壓邊力液壓控制系統(tǒng)壓邊圈由多個(gè)模塊組成，各模塊均由獨(dú)立小液壓缸支撐，作用在壓邊圈各模塊上的壓邊力通過(guò)計(jì)算機(jī)控制伺服閥調(diào)節(jié)。變壓邊力的高性能控制，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高和控制理論的發(fā)展成熟，應(yīng)用計(jì)算機(jī)將各種控制方法編制成程序控制變壓邊力已成為提高變壓邊力控制性能的主要手段。

4 伺服電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為沖壓拉延成形的壓邊力的精確控制成為可能

小松和豐田汽車(chē)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了由伺服電機(jī)進(jìn)行控制的可變壓邊力成形系統(tǒng)。伺服壓力機(jī)技術(shù)也在日本各制造廠家中得到了越來(lái)越多的運(yùn)用（圖2）。

通過(guò)伺服沖壓機(jī)的控制系統(tǒng)，對(duì)沖壓過(guò)程中的滑塊位置，氣墊頂桿的位置、壓力輸出值等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集和運(yùn)算，再得到控制信號(hào)輸入至伺服壓力機(jī)滑塊的伺服電機(jī)和氣墊的伺服電機(jī)中，實(shí)現(xiàn)全成形過(guò)程的伺服控制。但是，單單實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，而沒(méi)有與模具設(shè)計(jì)原理有機(jī)結(jié)合，也不能達(dá)到降低模具設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、降低制造成本和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。因此，利用現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)零件，本文對(duì)伺服壓力機(jī)的電機(jī)伺服氣墊運(yùn)用進(jìn)行了研究。

圖2 日本壓力廠家種類(lèi)比例推移

（1）伺服壓力機(jī)的各大系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)沖壓設(shè)備與工藝定義，伺服壓力機(jī)的基本構(gòu)成與傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)相同，有機(jī)身、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、上滑塊、工作臺(tái)、氣墊系統(tǒng)、廢料回收系統(tǒng)等構(gòu)成。但“四點(diǎn)式伺服電機(jī)氣墊”“均壓化液電伺服系統(tǒng)”是其具有特色的先進(jìn)工藝，主要包括提供成形動(dòng)力的上滑塊伺服系統(tǒng)、氣墊伺服系統(tǒng)、均壓化系統(tǒng)。其中通過(guò)對(duì)氣墊伺服系統(tǒng)的精確控制，可以在材料成形過(guò)程中，根據(jù)不同成形階段所需要的壓邊力，提供精確的、可控的成形拉延壓邊力（如圖3）。當(dāng)然，全部成形過(guò)程的壓力控制，也需要上滑塊伺服系統(tǒng)提供滑塊運(yùn)動(dòng)位置、均壓化系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)壓力分配反饋及精確的壓力調(diào)整等系統(tǒng)配合。本文的主要研究對(duì)象，是在氣墊伺服系統(tǒng)中的預(yù)備加速度設(shè)置選項(xiàng)與成形條件的關(guān)系。

（2）伺服氣墊系統(tǒng)的工作過(guò)程。工作過(guò)程為：伺服馬達(dá)提供源動(dòng)力，經(jīng)由伺服系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制，經(jīng)過(guò)油壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸至均壓化系統(tǒng)，最后，由均壓化系統(tǒng)分配至各輸出點(diǎn)，提供給模具完成成形工作。當(dāng)模具工作出現(xiàn)異常，有可能導(dǎo)致壓力出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，伺服系統(tǒng)還會(huì)進(jìn)行異常保護(hù)，讓模具和設(shè)備不發(fā)生進(jìn)一步的損傷。

（3）伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵條件。伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成，包括伺服馬達(dá)、伺服氣墊、均壓化裝置、伺服傳感系統(tǒng)。其中，對(duì)成形有控制作用的參數(shù)包括滑塊高度位置、氣墊高度位置、設(shè)定壓邊壓力值、預(yù)備加速高度、預(yù)備加速速度、氣墊響應(yīng)時(shí)間等。

（4）伺服氣墊系統(tǒng)的特殊條件。由于伺服系統(tǒng)的動(dòng)力輸出需要把信號(hào)反饋到系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)運(yùn)算再由系統(tǒng)反饋到馬達(dá)，才能對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。盡管這一過(guò)程非常短，但是，也超過(guò)了沖壓高速生產(chǎn)的需求。如果與機(jī)械式壓力機(jī)的構(gòu)造下，沖壓機(jī)上滑塊帶動(dòng)上模，高速度撞向下模時(shí)，對(duì)模具本體和伺服氣墊系統(tǒng)都造成了極大沖擊。在試驗(yàn)中，甚至能記錄到比成形壓力大3 ～4 倍的沖擊力，或者導(dǎo)致伺服系統(tǒng)出現(xiàn)補(bǔ)償行為，導(dǎo)致壓邊力出現(xiàn)急劇變化產(chǎn)生品質(zhì)不良。如圖4 所示，因?yàn)樵O(shè)定值得不合理，壓邊力產(chǎn)生不利于成形條件的瞬間變化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)蓋拉延件出現(xiàn)開(kāi)裂。

因此，伺服氣墊系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)備加速度設(shè)置的功能。預(yù)備加速度的基本原理，就是在成形過(guò)程開(kāi)始前，使用氣墊伺服系統(tǒng)的氣墊頂桿，將模具的下模壓邊圈先行抬高3 ～8mm，然后實(shí)時(shí)監(jiān)控上滑塊的高度，當(dāng)上滑塊的上模快要與下模接觸時(shí)，下模壓邊圈提前以上滑塊40%～60%的速度向下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)同步啟動(dòng)、差速運(yùn)動(dòng)的調(diào)整，既可以有效降低成形初期的沖擊力，又能保證成形初期壓邊圈上拉延筋的形成。

圖3 伺服壓力控制系統(tǒng)

圖4 53311(機(jī)蓋外板)壓邊力推移

圖5 預(yù)加速無(wú)、拉延、SPM8

（5）以53311（機(jī)蓋外板）部品為例的不同設(shè)定條件下的伺服氣墊變壓邊力變化（氣墊波形）。通過(guò)不同的伺服氣墊參數(shù)設(shè)置，可以對(duì)拉延過(guò)程中的壓邊力實(shí)現(xiàn)可控的、變化的、一致的輸出。以53311（機(jī)蓋外板）部品為例，通過(guò)設(shè)定不同的參數(shù)值，如圖5 ～7 分別實(shí)現(xiàn)了3 種不同的輸出圖形。

圖6 預(yù)加速無(wú)、拉延、SPM16

圖7 預(yù)加速8mm、沖突速度50%、脹形、SPM16

并且根據(jù)成形工藝的特點(diǎn)，還可以分別實(shí)現(xiàn)深拉延成形、淺拉延脹形兩種輸出模式。最終，根據(jù)豐田沖壓品質(zhì)良品條件判定、采用了圖9 的條件進(jìn)行量產(chǎn)。

（6）伺服壓力機(jī)系統(tǒng)的其他優(yōu)點(diǎn)。伺服壓力機(jī)的能耗優(yōu)越性：根據(jù)已知研究表明，伺服壓力機(jī)較傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)節(jié)約能源。

圖8 伺服壓力機(jī)與機(jī)械壓力機(jī)的節(jié)能比例[24]

5 結(jié)論與展望

伺服壓力機(jī)和伺服氣墊系統(tǒng)的運(yùn)用，在品質(zhì)控制、低碳減排、環(huán)境保護(hù)方面都有突出貢獻(xiàn)。但是，伺服系統(tǒng)的控制也有亟待解決的課題。另外，發(fā)展我國(guó)的伺服壓力機(jī)和伺服系統(tǒng)符合我國(guó)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。期待能在將來(lái)的伺服系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、管理提升方面作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。