新型高效液壓沖壓設(shè)備的研制

王鵬超 蘇元飛 徐 慧

（1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州百思哲企業(yè)管理咨詢(xún)有限公司，臺(tái)州 318000）

液壓技術(shù)作為一種應(yīng)用廣泛的工程技術(shù)，憑借質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊、慣性小、無(wú)級(jí)調(diào)速范圍廣、響應(yīng)迅速等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了迅猛發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，液壓技術(shù)的發(fā)展方向在不斷調(diào)整和優(yōu)化。在工程機(jī)械領(lǐng)域，液壓技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從小型設(shè)備到大型設(shè)備，從陸地、海洋到天空的全方位應(yīng)用[1]。在航空航天、船舶制造等領(lǐng)域，液壓技術(shù)發(fā)揮著重要作用，同時(shí)在新能源、環(huán)保等領(lǐng)域也取得了顯著成果，如太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。

1 技術(shù)背景及應(yīng)用現(xiàn)狀

早期的液壓機(jī)笨重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且效率低下，通常由大型鋼構(gòu)件制成，需要大量的人力和物力進(jìn)行操作和維護(hù)。由于科技水平有限，這些設(shè)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(fā)生故障。盡管存在很多缺點(diǎn)，液壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中還是發(fā)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(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，液壓機(jī)發(fā)生了翻天覆地的變化?，F(xiàn)代的液壓機(jī)以輕便、高效和精確的特點(diǎn)受到大眾歡迎，它們主要由高強(qiáng)度合金或鋼材制成，結(jié)構(gòu)更加緊湊，操作更加簡(jiǎn)單[2]。此外，現(xiàn)代的液壓機(jī)還引入許多先進(jìn)的技術(shù)，如自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化等，大大提高了其性能和效率。例如，現(xiàn)代的液壓機(jī)可以自動(dòng)調(diào)整壓力和速度，以滿足不同的生產(chǎn)需求，還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行精確的操作，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。

液壓沖壓技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，液壓沖壓技術(shù)被用于生產(chǎn)車(chē)身結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等。在航空航天領(lǐng)域，液壓沖壓技術(shù)被用于生產(chǎn)飛機(jī)機(jī)身、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等重要部件。在建筑領(lǐng)域，液壓沖壓技術(shù)被用于生產(chǎn)鋼筋混凝土構(gòu)件等。同時(shí)，液壓沖壓技術(shù)還在電子、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域得到了大力推廣。

2 液壓機(jī)工作原理及優(yōu)點(diǎn)

液壓沖壓是一種利用液體在密閉容器中產(chǎn)生的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的制造工藝，其基本原理是通過(guò)將液體注入一個(gè)密閉的缸體，使液壓力增大，從而驅(qū)動(dòng)活塞或柱塞等部件運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板材的加工。當(dāng)液體被注入一個(gè)密閉的缸體時(shí)，其體積不變，但質(zhì)量增加，從而產(chǎn)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(guān)。在液壓缸中，液壓油被推動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)液體的注入速度和壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)模具和切割的刀具運(yùn)動(dòng)，以完成零部件和成品的成形與加工，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板材的精確加工[3]。目前，高效的液壓沖壓設(shè)備還可以與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)結(jié)合使用，從而實(shí)現(xiàn)更高精度和更快速的生產(chǎn)目標(biāo)。計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)可以將設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)化為沖壓程序，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制液壓系統(tǒng)的運(yùn)作，達(dá)到精確的操作和工藝控制。

液壓沖壓技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，高效性。液壓沖壓過(guò)程中，液體的壓力是連續(xù)可調(diào)的，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板材的高速加工。第二，高精度性。液壓沖壓過(guò)程中，液壓力的控制非常精確，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板材的高精度加工。第三，環(huán)保性。在加工過(guò)程中，采用液壓沖壓技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生大量的切屑和廢料，對(duì)環(huán)境的影響較小。

3 液壓機(jī)設(shè)計(jì)步驟及要點(diǎn)

全自動(dòng)高效液壓沖壓設(shè)備的設(shè)計(jì)原理主要是利用先進(jìn)的控制技術(shù)和傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化控制和精確操作。一方面，通過(guò)傳感器獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，然后通過(guò)控制器處理這些信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制。另一方面，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作方式，提高設(shè)備的操作精度和工作效率。

液壓機(jī)的主要設(shè)計(jì)步驟如下。首先，需要對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行深入調(diào)研，了解用戶(hù)對(duì)液壓沖壓設(shè)備的需求，明確設(shè)備的功能和性能指標(biāo)。其次，根據(jù)需求分析的結(jié)果設(shè)計(jì)出多種可能的方案，然后通過(guò)比較和評(píng)估選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。再次，設(shè)計(jì)方案確定后，對(duì)設(shè)備的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。最后，在完成詳細(xì)設(shè)計(jì)后，進(jìn)入制造設(shè)備階段，并進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，確保設(shè)備的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

全自動(dòng)高效液壓沖壓設(shè)備需要注意以下3 個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。第一，自動(dòng)化控制。全自動(dòng)高效液壓沖壓設(shè)備的核心是自動(dòng)化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出能夠自動(dòng)識(shí)別、處理和執(zhí)行任務(wù)的控制系統(tǒng)。第二，精確操作。采用高精度的傳感器和執(zhí)行器提高設(shè)備的操作精度，同時(shí)優(yōu)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作方式。第三，節(jié)能環(huán)保。在設(shè)計(jì)和制造設(shè)備時(shí)，考慮設(shè)備的節(jié)能環(huán)保性能，盡可能減少能源消耗和環(huán)境污染問(wèn)題。

4 項(xiàng)目總體技術(shù)方案

項(xiàng)目研發(fā)的多模式高效高性能液壓沖壓設(shè)備是一套一體化、自動(dòng)化的數(shù)控加工設(shè)備，其目的是滿足各種形狀產(chǎn)品的靈活生產(chǎn)[4-5]。通過(guò)設(shè)備內(nèi)部?jī)?yōu)化及全自動(dòng)出料裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化，同時(shí)提高設(shè)備的可操作性，大幅降低設(shè)備的能耗。通過(guò)設(shè)計(jì)研發(fā)設(shè)備沖壓機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一出四的效果，大大提升了設(shè)備效率。在成品沖壓中，通過(guò)壓模等組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品一次成形，沒(méi)有多余的飛邊，不僅免去傳統(tǒng)方法的分步加熱、切割、沖壓、去飛邊等工序，而且大幅節(jié)省了原材料，提升了壓制件的產(chǎn)品性能和合格率。

4.1 高效一出四液力沖壓裝置

本項(xiàng)目的沖壓機(jī)構(gòu)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(huán)形托架、上偏心凸輪結(jié)構(gòu)、上固定支架和上軸承。上偏心凸輪結(jié)構(gòu)包括設(shè)于上套接主軸上的上偏心凸輪及設(shè)于上偏心凸輪外的上連接盤(pán)。連接盤(pán)上連接多組上連桿。上連桿的端部連接架設(shè)于環(huán)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(guò)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(huán)形托架、下偏心凸輪結(jié)構(gòu)、下固定支架和下軸承。下偏心凸輪結(jié)構(gòu)包括設(shè)于下套接主軸上的下偏心凸輪及設(shè)于下偏心凸輪外的下連接盤(pán)，其上連接有多組下連桿[6-7]。下連桿的端部連接有架設(shè)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(guò)下軸承連接有下飛輪。

本技術(shù)基于一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)安裝多個(gè)沖壓裝置，在上飛輪、下飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，可以完成多次不同模具的沖壓作業(yè)。設(shè)備包含雙層沖壓結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)4 個(gè)不同工位狀態(tài)下同時(shí)運(yùn)行，大大節(jié)省了工作時(shí)間，達(dá)到高效利用空間和時(shí)間的效果。該技術(shù)還可以將多種不同形狀的工件合理設(shè)計(jì)后整合到多個(gè)模板上，一次性沖壓4 種不同形狀的工件，從而使材料達(dá)到最大利用率，節(jié)省材料。

4.2 全自動(dòng)出料優(yōu)化

為了解決傳統(tǒng)的液壓沖壓設(shè)備在出料環(huán)節(jié)往往需要人工操作的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種液壓沖壓設(shè)備自動(dòng)出料系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)出料全程自動(dòng)化，排除人工操作，從而減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度并提高了工作效率，同時(shí)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(dòng)出料系統(tǒng)主要由機(jī)柜、擠壓機(jī)構(gòu)、定模、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、導(dǎo)柱、動(dòng)模和加壓機(jī)構(gòu)等部分組成[8]。其中，擠壓機(jī)構(gòu)位于機(jī)柜底部，定模位于擠壓機(jī)構(gòu)頂部，進(jìn)料機(jī)構(gòu)位于定模一側(cè)。4 個(gè)垂直固定在機(jī)柜頂部與定模之間并兩兩對(duì)稱(chēng)排列的導(dǎo)柱，活動(dòng)設(shè)置在4 個(gè)導(dǎo)柱間的動(dòng)模，以及位于機(jī)柜頂部上方并能驅(qū)動(dòng)動(dòng)模上下移動(dòng)的加壓機(jī)構(gòu)，共同構(gòu)成自動(dòng)出料系統(tǒng)的基本框架。主機(jī)通過(guò)水平儀調(diào)平后，使用6 組地腳螺栓固定，必要時(shí)使用墊塊，以確保主機(jī)的穩(wěn)定性，防止在工作過(guò)程中因振動(dòng)等原因?qū)е略O(shè)備移位或者損壞。當(dāng)機(jī)組動(dòng)模與定模契合后，接料斗左移到底，驅(qū)動(dòng)第二氣缸的伸縮端向外伸出，借助推頭推動(dòng)滾輪，同時(shí)借助V 形塊帶動(dòng)扭力軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，進(jìn)而帶動(dòng)擋板向下擺動(dòng)以離開(kāi)出料口。此時(shí)的閥門(mén)坯料沿?fù)醢逑禄匠隽喜壑?，最終向外輸出實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出料。

4.3 智能監(jiān)測(cè)報(bào)錯(cuò)技術(shù)

在設(shè)備主機(jī)4 個(gè)工位旁邊安裝齒輪編碼器來(lái)檢測(cè)沖頭進(jìn)給距離，同時(shí)在各個(gè)關(guān)鍵位置由檢測(cè)器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，如爐溫檢測(cè)、溫度篩選、銅料長(zhǎng)度篩選和油溫檢測(cè)等。通過(guò)機(jī)組的控制系統(tǒng)讀取參數(shù)，一旦出錯(cuò)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出提醒警報(bào)，再根據(jù)預(yù)設(shè)策略進(jìn)行處理。

4.4 設(shè)備工作狀態(tài)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度力學(xué)分析和模態(tài)分析相結(jié)合的有限元分析方法，進(jìn)行產(chǎn)品核心部件的工作狀態(tài)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)完整工作過(guò)程在數(shù)值模擬中的“可視化”[9]。有限元分析方法可以在樣機(jī)研發(fā)初期通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取與實(shí)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(yè)中各零件的實(shí)際工作狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和模態(tài)兩個(gè)角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，根據(jù)分析結(jié)果綜合評(píng)判機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析計(jì)算供料系統(tǒng)零件，確定最優(yōu)送料方案。運(yùn)用有限元法分析裝配結(jié)構(gòu)，不僅能夠縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)水平和效率，而且可以極大地降低研發(fā)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)加熱工藝能耗相比，一體化提升熱鍛爐的設(shè)計(jì)節(jié)能效果良好。通過(guò)設(shè)備生產(chǎn)全自動(dòng)化和智能檢測(cè)報(bào)錯(cuò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了液壓沖壓設(shè)備出料全程自動(dòng)化，可以減少勞動(dòng)強(qiáng)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(guò)研發(fā)一出四液力沖壓設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)，在一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)上安裝多個(gè)沖壓裝置，可以完成多次不同模具的沖壓作業(yè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在完全密閉的空間內(nèi)一次成型，一模四出，生產(chǎn)效率提升2.5 倍以上。隨著科技的發(fā)展，液壓沖壓技術(shù)也在不斷進(jìn)步，未來(lái)的液壓沖壓技術(shù)將更加智能化、自動(dòng)化。此外，隨著新材料的研究和應(yīng)用，液壓沖壓技術(shù)還將拓展到更多領(lǐng)域，創(chuàng)造更多價(jià)值。