大吨位全自动液压精冲机的研制.pdf

2 0 1 1 年 9月 第 3 9卷 第 1 8期 机床与液压 MAC HI NE TO0L ＆ HYDRAULI CS S e p ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 8 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 8 ． 0 0 1 大吨位全 自动液压精冲机的研制 黄重九 ，杨帅帅。 ，陈渊 ，李小华 ，夏巍。 1 ．华中科技 大学材料科 学与工程 学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 ； 2 ．武汉华夏精 冲技术有限公司， 湖北武汉 4 3 0 4 1 5 ； 3 ．武汉一冶钢结构有 限责任公 司，湖北武汉 4 3 0 4 1 5 摘要介绍一种用于精密冲裁成形的大型液压精冲机的研制。其机身采用焊接的框架式对称结构以保证良好的刚度 ； 滑块导向采用中心导向／ J o e l 面导轨辅助定位以提高抗偏载能力；液压系统采用充液阀、蓄能器和先进的插装阀系统，实现 压力与流量的精确控制 ；电气控制系统采用工业触摸屏加 P L C联合控制。把各项先进技术和研究方法集成创新，应用于精 冲机的研制之中，提出精冲机的设计方案。 关键词机械制造；精冲机；液压控制 中图分类号T G 3 8 5 ． 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 8 0 0 1 3 Re s e a r c h a n d M a nu f a c t ur e o f La r g e - - t o n na g e Au t o ma t i c Hy d r a u l i c Fi n e - - b l a nk i n g Pr e s s H U A N G C h o n g j i u ， Y A N G S h u a i s h u a i ，C H E N Y u a n ， L I X i a o h u a ， X I A We i 1 ． C o l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 7 4，C h i n a ；2 ． Wu h a n Hu i a F i n e b l a n k i n g T e c h n o l o g y C o ．，L t d ．，Wu h a n Hu b e i 4 3 0 41 5，C h i n a ； 3 ． Wu h a n Y i y e S t e e l S t r u c t u r e C o ． ，L t d ． ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 4 1 5 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r e s e a r c h a n d ma n u f a c t u r e o f a l a r g e s c a l e h y d r a u l i c fin e b l a n k i n g p r e s s w a s i n t r o d u c e d ． W e l d i n g f r a me s t r u c t u r e w a s a d o p t e d t o e n s u r e g o o d s t i f f n e s s ． C e n t e r o rie n t e d a n d 8 - s i d e s g u i d e r a i l we r e u s e d f o r t h e gu i d i n g me c h a n i s m t o i mp r o v e t h e c a p a c - i t y o f e c c e n t r i c l o a d i n g ． T h e p r e fi l l e d v alv e ，a c c u mu l a t o r a n d a d v a n c e d c a r t r i d g e v a l v e s y s t e m we r e u s e d t o a c h i e v e p r e c i s e c o n t r o l o f t h e p r e s s u r e a n d fl o w i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m． C o mb i n a t i o n c o n t r o l o f P L C a n d t o u c h p an e l we r e a d o p t e d for t h e e l e c t ri c c o n t r o l s y s t e m． Th r o u g h a p p l y i n g t h e a d v a n c e d t e c h n o l o g i e s a n d me t h o d s t o t h e r e s e arc h a n d ma n u f a c t u r e o f t h e fi n e - b l a n k i n g p r e s s ，t h e d e s i g n s c h e me wa s p r o p o s e d． Ke y wo r ds Me c h a n i c al ma n ufa c t u r e ； F i n e b l an k i n g p r e s s ；Hy d r a u l i c c o n t r o l 精冲属于无切削加工技术，是在普通冲压技术基 础上发展起来的一种精密冲裁方法，能在一次冲压行 程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高、冲裁面光洁、 翘曲小且互换性好的优质精冲零件，并以较低的成本 达到产品质量的改善。精冲机是实现精冲工艺的专用 设备。大型精冲压力机是精冲工艺与模具技术、机电 液与控制技术、基础元器件与可靠性技术高度集成的 技术密集 型数控加 工设备 ，是 汽车 、航 空航 天 、兵器 等高科技领域 必备 的基础 、先进 制造装 备 ，是保证 经 济发 展和国防安全而必须 自主掌握 的重大装备之一 。 国内 目前进 口精 冲机的最 大冲 压力 为8 8 0 0 k N， 无法制造大型精冲件 ，特别是不能满足大型精冲件 如汽车发动机法 兰、大 飞机刹车 片等 制造 能力 的 要求 ，而且价格昂贵 ，维修费用颇高。国内在 1 0 0 0 0 k N以上大吨位精冲设备 的研发方面处 于空 白状态 ， 因此研制大 吨位全 自动液压精 冲机 ，发展我 国先进制 造设备 ，打破 国外在此领域 的垄 断势 在必行 。 1 机床主要技术参数 以 1 0 0 0 0 k N的大 吨位全 自动液 压精 冲机为 例 ， 其机床主要技术参数见表 1 。 表 1 1 0 0 0 0 k N大吨位全自动液压精冲机的技术参数 技术项 目 技术参数 最 大总压 力／ k N 1 0 0 0 0 最大齿 圈力／ k N 5 0 0 0 最大反压 力／ k N 3 0 0 0 ‘ 最 大滑块 行程／ m m 3 0 0 齿圈行程／ m m 4 0 反压行 程／ m m 4 0 冲裁速度／ m m s 8 4 0 快进速度／ m m s 1 8 0 快退速度／ m m s 1 8 0 最大模具安装高度／ m m 6 0 0 最小模具安装高度／ ra m 4 5 0 模具闭合高度调节显示精度／ mm 0 ． 0 1 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 2 9 基金项 目武汉市科 技计划项 目 2 0 1 0 1 0 6 2 1 2 3 3 作者简介黄重九 1 9 5 1 一 ，男，高级工程师，主要从事螺旋压力机、电动压力机、大吨位液压机、精冲机等新型压机的 研制及锻压工艺的研究 。Em a i l h u a n g c h o n g j i u h x f b ． c o rn ． c n 。 2 机床与液压 第 3 9卷 2总体设计方案 大吨位 全 自动液压精 冲机主要 由三部分组 成 ，即 主机部分 、液压部分和 电气控制部 分。 主机部分包括 机身 ，上 、下工作 台 ，封 闭高度 调节装置 ，进料装置 ，出料装置 ，喷油装置 ，剪料装 置等 。 液压部 分 包 括 液 压 站 包 括 各 种 插 装 阀块 、 液压 阀 ，主油 缸 ，齿 圈油 缸 ，反 压油 缸 ，充 液 阀 ， 快速 油缸 ，自动锁 模油缸 、送料夹紧油缸等 。 电气控 制部分包 括 P L C ，触 摸屏 ，上 、下探测 活塞 叠料保护 ，位置检测装置 位置传感器 、接 近开关等 及各类 电子元器件等 。 2 ． 1 主机 部 分 大吨位全 自动液压精冲机是一种高精密的冲压设 备，它除了具有普冲机床的冲裁力外，还应具有齿圈 力 、反压力。由于精冲件对断面的要求很高 ，故精冲 模具凸凹模间隙一般都取得很小，同时，还要求在零 件冲裁过程中机身变形很小。如果在精冲过程中精冲 机机身变形量过大 ，它将直接影响精冲件的质量甚至 叮能使凸模与凹模发生冲撞。大吨位的精冲机更是如 此 。由于大 吨位 的精 冲机 的加 工对象 是较 厚 的材料 ， 精 冲设备在具有各 种力的性能 、速度等必备功能 的同 时 ，机 身刚度 的要求应放在首要位置 ，因此机身设 计 的好坏 ，将直接影响设备研制 的成 功与否。 为保证大 吨位 全 自动 液压 精 冲机 的各项 性 能 指 标，设计采用框架式对称结构的焊接机身，选用合理 的主筋板厚度 ，并在机身两侧加焊加强筋，以增强机 身承受偏载 的能力 。设计过程 中，应用有限元分析方 法 ，对机身结构进行计算仿真 ，可以了解机身结构的 变形 和应力分布状态 ，以进行优化处 理。在 满足机身 刚度 的前提下 ，力求尽量减少 质量 ，从而达到缩短设 计和试制周期 、降低生 产成本 的 目的 。 机身在加工 过程 中 ，应经整体退火处理 ，以达 到 较 高的刚度和较小 的均匀延伸 。 机身还应最大限度地考虑操作时的简单高效，在 机身前后左右均布置开 口，以便 于模具 安装 、进出材 料 、取 出零件及设备维修 。 主机设计 中 ，上工作 台固定 在机身上部 ，与其他 部件组成齿 圈缸 ，通 过传力杆将齿圈力和卸料力传递 给模具 。主油缸 安装 在机身支座 内，主活塞杆采用滑 块 导向加 活塞杆导 向的中心导 向方式 ，在 主油 缸内上 下运动 ，冲裁时的总压力 由主油缸产生 。下工 作台固 定 在主活塞杆 的上端 ，固定在机 身上 的可调的八面导 轨为其提供辅助导 向 ，可 大大提高其抗偏心负荷 的能 力 。主活塞杆上端 内部置 有反压油缸 ，用于产生反压 力与顶件 力 。 主活塞杆 与蜗 轮 一蜗杆 传动 系相 连接 ， 蜗轮旋合在 活塞杆 上 ，蜗杆带动涡轮上下运动 ，实现 封闭高度的精确调节 。随蜗轮 同步上下移 动的刚性限 位块 ，则保证主活塞上死点 的精确度 。主活塞杆 具有 很高 的导 向精度及 承受偏 载的能力 ，从而可保持模具 均匀的工作间隙，提高模具的使用寿命。 设计上 、下垫板及锁模缸 ，用来实现模具 的 自动 定位 、装夹、锁紧功能。 辊式进料机构可由伺服电机驱动 ，通过控制进料 辊转角来调节进料距离 。下进 料辊应 固定 ，上进料辊 应可调，通过液压缸实现夹紧送料。出料机构与进料 机构结构 可以完 全相 同。 喷油装置宜安装在精冲机进料一侧 ，可同时对精 冲材料的上下表面涂敷润滑剂，提高模具寿命。 剪料装置设计为液压驱动 ，根据工作需要可定剪 裁废料 大吨位全 自动液压精 冲机 主机示 意图见图1 。 l 2 I I 9 8 [ 3 I 7 6 口 8 一 一 昌 。 口 I 4 l 1 一 机 身 1 r 2 一 齿 圈} 3 一 上 工f 4 一 下 工 5 s - 主油 口 6 一 进料 7 一 喷油 { 8 一 出料 剪料 l 缸 台 台 构 构 构 构 图 1 大吨位全自动液压精冲机主机示意图 2 ． 2液压 系统 大吨位全 自动液压精冲机液压系统 的设计 ，采用 高精度的位置闭环控制系统、压力闭环控制系统和速 度闭环控制系统 ，充分考虑液压 阀的启 闭特性 ，对液 压 阀供应商应提 出合理可行 的要求 ，以保证 系统的快 速性 、稳定性 、可靠性和精确性 ，从液压 系统设 计上 确保 目标 的实 现。 从提高大吨位全 自动液压精冲机液压系统的控制 精度及 节能的角度考虑 ，液压系统采用进 口的比例溢 流阀 、插装 阀、变 量柱 塞 泵 、充 液 阀和 蓄 能器 等 元 件。比例溢流阀可实现 冲裁力 、齿圈力和反压力 的独 立可调。插装 阀的阀芯结构简单 、动作灵敏 ，密封性 第 1 8期 黄重九 等大吨位全自动液压精冲机的研制 3 好 ，通流量大。变量 柱塞泵工作压 力高 ，可保证用户 要求的各挡工作速度及速度的任意调节性能的实现， 满足用户对最大装机功率的要求。精冲机主缸采用了 单缸布置 ，将油泵 供油和充液 阀补 油结合在一起 ，组 成快速 闭合系统。充液 阀实现在快速闭合 时直 接 向主 缸供油 、快退 时向油箱迅 速 回油 的功 能。蓄能器 在系 统中则起着 调节作用 。当低速运动 时，载荷需要 的流 量小于液压泵流量，液压泵多余的流量储入蓄能器； 当载荷要求流量大于液压泵流量时，液体则从蓄能器 释放 出来 ，以补液压泵流 量之不足。当设备停机仍 需 维持一定压力时，液压泵停止工作，由蓄能器补偿系 统的泄漏 ，以保持系统的压力恒定。同时，蓄能器可 吸收液压泵 的压力脉动或系统 中产生的液压冲击压力。 考虑到实 际的加工精度 问题 ，在液压 系统 的密封 设计中，进行优化设计和合理组合 ，采用世界上著名 的 P A R K E R公司生产的密封件 ，其具有高承载、低 磨损、极小的启动和运动摩擦力等特性 ，能够很好地 解决这一难题 。 液压冷却系统引入水冷装置，在 回油口进行水冷 却 ，可以有效地防止液压油温度的升高，保证液压控 制系统的正常运行 。 2 ． 3 电气控 制 系统 大吨位全 自动液压精冲机的电气控制系统采用具 有人机对话 功能 的 H MI 工业触 摸屏 加 P L C联 合 控制 。触摸屏 可用 于各 种 模具 工艺 参 数 的设定 和 存 储 、设备工作过程状态 的显示及精冲机故障 的在线诊 断。P L C可用于逻辑控制，使精冲机按工艺要求 ，完 成各种动作。在触摸屏上以菜单提示的方式预置精冲 操作的各项工艺参数 如总压力、齿圈力、反压力、 卸料力、顶件力等 ，并实时显示各种运行状态 如 快进 、工进 、快退 、上死点 、工进点 、下死点和叠料 点等 。此外 ，还可 以用 数字窗 口动态监 控和显 示系 统的压力值、滑块位置等信 息，形态逼真，一 目了 然。检测数据能够实现 自动存储、整理和打印，使精 冲机具备了故障诊断功能。 图 2 大吨位全自动液压精冲机电气控制系统示意图 3小 结 大吨位全 自动液压精冲机能够用于各种大型零件 的成型加工 ，1 0 0 0 0 k N的全 自动液 压精 冲机所 达到 的压力控制精度、位置控制精度、速度控制精度将大 大超过 国内现有 的有关标准 。 大 吨位全 自动液压精 冲机 的设计 和研 制 ，可 以使 我国跨进大型精冲设备的研制领域，使我国成为世界 上为数不多的能研制大型精冲设备的国家，标志着国 产的精冲机设计制造水平和机电液一体化控制水平又 上升到一个新 的高度 ，同时也是我 国的先进制造设备 摆脱国外技术垄断、降低引进成本的一个范例 ，将推 动我 国精 冲技术 的发 展。 参考文献 【 1 】王强． 国际精密锻造技术的新进展[ J ] ． 锻压装备与制 造技术 ， 2 0 0 4 ， 3 9 2 1 51 9 ． 【 2 】周开华， 幺廷先 ， 齐翔宪． 简明精冲手册[ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 3 】涂光淇． 精冲技术[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】汤建云， 黄尚宇 ， 周开华， 等． 精冲技术在汽车零件生产 中的应用[ J ] ． C ME T锻压装备与制造技术， 2 0 0 5 ， 4 0 1 2 52 7 ． 【 5 】陈永光， 陈旭 ， 郭钢， 等． 某型液压机工作台和上横梁有 限元分析研究[ J ] ． 计算机辅助工程， 2 0 0 1 4 1 4 ． 【 6 】 李贵闪 ， 翟华． 电液比例控制技术在液压机中的应用 [ J ] ． C ME T锻压装备 与制造 技术 ， 2 0 0 5， 4 0 6 2 83 0 ．