水胀成形液压系统分析.pdf

2 0 1 1 年 5月 第 3 9卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ma y 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 0 ． 0 2 2 水胀成形液 压系统分析 赵 杰 ，吴百海 广东．r-- ．_ lk 大学机电工程学院，广东广州 5 1 0 0 9 0 摘要 利用传统拉深成形方法加工真空杯等圆筒状件时存在很多弊端 ，而采用液压胀形技术则可克服传统工艺的缺 陷。介绍液压胀形系统工作原理及特点和此技术在实际生产中的应用。 关键词拉深成形 ； 胀形成形 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 0 0 7 73 An a l y s i s o f W a t e r Bu l g e Fo r mi n g o f Hy d r a u l i c S y s t e m Z HAO J i e．W U Ba i h a i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 9 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r e a r e ma n y d r a wb a c k s w h i l e ma c h i n i n g c y l i n d ri c a l p a r t s s u c h a s v a c u u m c u p s ， b y u s i n g t h e t r a d i t i o n al me tho d o f d e e p d r a wi n g ．Hy d r o f o r mi n g t e c h n o l o g y c a l l o v e r c o me t h e s h o r t c o mi n g s o f tra d i t i o n al t e c h n o l o gy．Th e wo r k i n g p ri n c i p l e an d c h a r a c t e r - i s t i c s o f t h e h y dra u l i c b u l g i n g s y s t e m w e r e d e s c rib e d ．T h e叩p l i c a t i o n o f thi s t e c h n o l o gy i n p r o d u c ti o n wa s i n t r o d u c e d ． Ke y wo r d s Dr a win g ；B u l g e s h a p e f o r mi n g 在过去 ，不锈钢、 铜、铝、铁 等材 质 的 真空杯、保 温瓶、水 壶 以及其他餐具、器 皿是采用传统 的拉深 模具加工 的。传统 的 拉深模具u 由刚性凸 模、压边 圈和凹模构 成 。如 图 1所 示 ，即 为平板毛坯拉 深成开 口空心件 的拉 深示 意 图。其 变 形 过 程 是 随着 凸模 的下行，留 在凹模端 面上 的毛坯 l 一 凸模 2 一压边圈 3 一 凹模 4 一坯料 5 一拉深件 图 1 传统拉深示意图 外径不断缩小 ，圆形毛坯逐渐被拉进凸模与凹模间的 间隙中形成直壁，而处于凸模底面下的材料则成为拉 深件的底，当板料全部拉人凸、凹模的间隙时，拉深 过程结束，平板毛坯就变成具有一定的直径和高度的 开 口空心件 。 但这种成形工艺，在以下问题上受到限制 1 极限拉深系数主要受筒壁传递拉应力能力 的限制； 2 在减少拉深工序上受到限制，拉深工艺的辅助 工序较多； 3 在提高拉深件尺寸精度和表面质量 上受到限制，一般都在 1 3 “ 1 2级以下 ； 4 在适用多 品种小批量生产等问题上受到限制。 因此采用液压水胀形技术对传统成形过程中存在 的多方面问题进行了完善和改进。 1 液压胀形系统工作原理及特点 液压胀形是通过模具采用液体 水、乳化液或 油作为传力介质使空心件或管状坯料 由内向外扩 张、在无摩擦状态下的成形方法 ，以胀出所需的凸起 曲面。近些年来 ，国外已广泛应用充液拉深法对板材 零件进行成形加工 ，这种工艺方法综合了胀形与拉深 两种变形方式的优点，可以成形非常复杂的中小批量 板材零件。其最大特点是胀形力传递均匀，能使材料 在最有利的情况下成形 ；成形后零件回弹少 ，精度 高，不仅可以节省后续的加工及组装费用，而且可将 原来需要多个零件组合的部件改成单个零件，即减少 了零件组合工作，节省模具投资和研制周期，尤其对 传统工艺没法成形的长筒形 ，阶梯形 ，斜纹形等结构 复杂形状的产品成形，更显出其优势 ；工艺过程简 单 ，成本低廉 ，零件表面光滑 ，与其它成型方法相 比，极少出现变形不均匀现象。因此最适用于生产表 面质量和精度要求较高的复杂形状零件。 2 液压 系统设计 液压胀形工作原理图如图2 示。 其工作原理为当换向阀 1 0处于左位时，液压泵 的供油经换向阀进入左右两液压缸上腔，其活塞杆带 收稿日期2 0 1 0 0 4 2 0 作者简介赵杰，硕士研究生，研究方向为机电液智能控制。电话 1 3 4 2 7 5 6 6 8 0 5 ，Em a i l s o n g s h u l a o 1 6 3 ． c o m。 7 8 机床与液压 第 3 9卷 动活动横梁快速下行 同时送料 回路推动原工件进 入待加工的部位 ，继而换向阀1 1 处于右位 ，液压泵 供油经换向阀 l 1 、单 向阀 1 2进入 中间液压缸上腔， 其活塞杆带动活动横梁工进 ，然后换 向阀 1 O处于中 位，活动横梁在平衡阀的作用下固定住原工件。 1 6 1 1 一油箱2 、l 6 一空气滤清器 3 一液位油温计 4 一过滤器 5 一 电动机 6 一柱塞泵 7 一冷却器 8 、l O 一电磁换 向阀 9 、l 4 一压力表 l l 一二位四通换向阀 1 2 一单 向阀 1 3 一压力继电器 1 s 一电磁球 阀 1 7 -充液箱1 8 - --液控单 向阀 l 9 _ - 单向顺序阀 图2 液压胀形工作原理图 同时，如图3 ，当压板慢速工进，主油路压力达 到一定值后 ，水泵 1 8转动 ，将传力介质 水加乳化 液压入水缸 2 6和工件内腔中；当工件内腔充满传 力介质后 ，注水回路压力升高，达到压力设定值后 ， 压力继电器 2 2触发，换向阀 8左位工作 ，压力油进 入增压缸 2 5无杆腔中，增压缸 2 5慢速工进，由于水 缸 2 6活塞面积小 于增压 缸活塞 2 5面积 ，所 以注水 回 路获得增压回路数倍的压力 ；当增压动作完成后，即 传力介质将工件胀成模具型面形状后，电磁换向阀 8 右位工作，压力油进入增压缸 2 5有杆腔 ，增压缸活 塞杆快速退回；活塞杆退 回到一定位置时，触发行程 开关 ，换向阀中位工作，整个增压动作过程结束 ；然 后图2中换向阀 1 0处于右位 ，液压泵的供油经过单 向阀、进入中间液压缸下腔，其活塞杆带动活动横梁 快速退 回。 3 液压系统的重要回路 由于胀形加工需要较高的胀形压力 ，即注射压力 要达到5 0 MP a ，增压比要达到 2 ． 5 ，所以需要采用增 压回路；而在成形过程中要保持横梁固定，且对活塞 的闭锁要求不高 ，因此采用 由单向顺序阀组成的平衡 回路；并且负载压力不断变化，所以采用变量泵 ，由 电磁溢流 阀来卸 载。 1 、l 4 一油箱2 、l 6 一 空气滤滑器3 、l 5 _ - 液位汁4 、l 7 一过滤 器 5 、l 9 一电动机 6 一柱塞泵 7 一冷却器 8 一三位四通电磁换向阀 9 、2 O 一溢流阀 l 0 、2 1 、2 4 一单向阀 1 卜 二位_--通电磁阀 1 2 、2 卜 压力 继电器 1 3 、2 3 一压力表 1 8 一水泵 2 5 _ - 增压缸 2 6 一水缸 图3 增压回路图 1 增压回路 如图 3所示。将增压器分为左 右两缸 ，与传统的增压器相比，将增压缸活塞杆部分 外露了，从而可以通过在活塞杆上安装行程开关来控 制电气线路，实现要求的动作 ，更好地控制液压缸的 行程。当活塞杆快速退回的同时，水泵将传力介质充 入注射缸缸腔，省去了下次加工时需要重新注入的工 序，节约了加工时间，提高了生产效率。 2 平衡回路。如 图 2胀形回路所示 ，调整顺 序阀，使其开启压力与液压缸下腔作用面积的乘积大 于垂直运动部件的重力，活塞下行时，由于油路上存 在一定背压支承重力负载，活塞将平稳下落；换向阀 处于中位时 ，活塞停止运动 ，不再继续下行。 3 卸载回路。当电磁换 向阀处于中位，并且 变量泵的出口压力达到两个溢流阀遥控 口的调定压力 时 ，则变量泵卸荷 。 4 液压 系统主要元件计算 1 中间液压缸的相关计算 中间液压缸 ，或称为主液压缸 ，在加工过程中要 完成工进、保压，快进 和快退 由两边的液压缸来完 成。主液压缸的工作压力对液压元件的选择是很重要 的。 中间液压缸的工作压力 F F 5 0 0 _ 。 ,ff 2 5 0 1 0 ． 2 M P a 1 要确定泵的最大工作压力，其中执行元件即液压 缸的最高工作压力是必须的，再考虑执行元件进油路 第 1 O期 赵杰 等 水胀成形液压系统分析 7 9 上的压力损失就可以确定泵的最大工作压力，进而选 择泵 。 快速合模平均流量 。 g 3 0 子 2 5 0 1 ． 5 L ／ s 2 回程的平 均流量 9 一 手 d 7耵 - ／32 D 2 一 d 2 孚 3 0 0 2 5 0 一 2 4 0 1 ． 2 L ／ s 3 要确定泵的最大流量 ，需要考虑各执行元件即液 压缸所需流量之和的最大值 ，再考虑泄漏系数，就可 以确定泵的流量了。 根据系统的最大工作压力和通过阀的实际最大流 量由产品样本确定阀的规格和型号。 2 增压缸的相关计算 液压胀 型技术需 要配套 的液压机械来 完成 ，而其 中的增压 缸则 是 液 压胀 型过 程 中使液体获得所需高 压 的装 置 。 由增 压 缸 图 4 增压缸工进时受力图 与各种液压阀组成增压回路，使系统某一支路获得的 压力比系统压力高得多，其原理是利用液压缸中大小 活塞面积差异 ，根据帕斯卡原理及 力平衡原理 ， P P 。 A ／ A ，小活塞端的压力增大 A 。 ／ A 倍。图 4 是增压缸工进时受力图。要实现增压缸快速退 回功 能 ，速比 采用特殊要求 ，速比 5 。 ■ 叵 √ √ 0 ． 8 9 4 活塞杆以推力驱动工作负载时，由增压缸活塞杆 左右两端受力平衡可知 下,t r p D, 2 ． 叼 一 5 。 叼 g 一 _ 一 p 1 L 3 即 ／ 4 p 】 √ √ 23 2．2 114 2 0 9 5 0 1 m m 3 ． I 0 ． 一 ．5 一 o ．89 1 6 计算出D， 后，根据国家标准圆整为2 2 0 m m，通 过公式 D 2 2 00 ． 8 91 9 5 ． 8 m m进行圆整 为 2 0 0 m m。 5结论 水胀成形技术在未来有着广阔的市场空间，在国 家大力推广的绿色制造方针的带动下 ，水胀成形技术 有望取代传统的液压冷冲压技术 ，在制造业中大放光 彩。根据对已应用液压成形零件的统计分析，液压成 形件的生产成本比冲压件平均降低 1 5 ％ 一2 0 ％ ，模 具费用降低 2 0 ％ ～ 3 0 ％。近年来液压胀形技术开始 在各个工业领域得到广泛应用。特别是在汽车车壳的 制造、民用器皿的生产上，液压胀形技术已占有重要 地位 。 参考文献 【 1 】王东升． 金属工艺学[ M] ． 杭州 浙江大学出版社 ， 1 9 9 7 ． 【 2 】 许福玲 ， 陈尧明． 液压与气压传动[ M] ． 3 版． 北京 机械 工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 3 】陈尧 明， 许福玲． 液压与气压传动学习指导与习题集 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． 上接第 l 1 4页 杠副轴向静刚度的测试，通过碗型压力块实现轴向载 荷的均匀施加 ， 3根圆柱钢的运用可有效防止螺母转 动，保证位移传感器测量出的结果是滚珠丝杠副在外 加作用力下的弹性位移。通过改变便携式电感测微仪 的位置 ，不仅能测量螺母相对于丝杠的变形量 ，也可 以分别测量螺母和丝杠 自身的变形量 ，为后续研究 提供有力的数据支撑，同时夹具 的整体设计拆装方 便。 参考文献 【 1 】 吴长宏． 滚珠丝杠副轴向接触刚度的研究[ D ] ． 长春 吉 林大学， 2 0 0 7 ． 【 2 】 全国金属切削机床标准化技术委员会． G B ／ T 1 7 5 8 7 ． 4 2 0 0 8滚珠丝杠副第 4部分 轴向静刚度[ S ] ． 北京 中国 标准出版社， 2 0 0 8 ． 【 3 】 南京工艺装备厂． 样品目录[ M ] ． 2 0 0 9 一 O 1 0 1 ． 【 4 】K A Z U K I T a k a f u j i ， K A T U H I R O N a k a s h i m a ． S t i ff n e s s o f a B a l l S c r e w w i t h C o n s i d e r a t i o n o f D e f o r ma t i o n o f t h e S c r e w [ J ] ． J S ME I n t e rna t i o n al J o u rna1 ． S e r ． 3 ， V i b r a ti o n ， C o n t ml E n g i n e e ri n g ， E n g i n e e ri n g f o r I n d u s t ry， 1 9 9 0 ， 3 3一I I I 4 6 2 06 2 6 ． 【 5 】M E I X u e s o n g , T S U T S U M I M a s a o m i ， T A O T a o ， e t a1 ． S t u d y o n t h e L o a d D i s t ri b u t i o n o f B al l S c r e w w i t h E r r o r s 『 J ] ． Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y ， 2 0 0 3 ， 3 8 1 1 1 2 5 7 1 2 6 9 ． 【 6 】H U A N G H u al - T e T ， R A V A N I B ． C o n t a c t S t r e s s A n a l y s i s i n Ba l l S c r e w Me c h a n i s m U s i n g t h e T u b u l a r Me d i a l A x i s Re p r e s e n t a t i o n o f C o n t a c t i n g S u r f a c e s [ J ] ． J o u rna l o f Me c h a n i - c al D e s i g n ， 1 9 9 7 ， 1 1 9 1 81 4 ． 【 7 】 刘鸿文． 材料力学 上 [ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 4 ． 9 1 26 1 ．