李兆東，袁文生，王忠雷

（山東建筑大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

新一代電動(dòng)伺服模墊技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

李兆東，袁文生，王忠雷

（山東建筑大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

拉伸墊與壓力機(jī)滑塊相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)工件的拉深變形，引進(jìn)“伺服直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)”是實(shí)現(xiàn)拉伸功能的最理想方案。尤其是伺服拉伸墊與伺服壓力機(jī)的結(jié)合在高精度、難成形的汽車零件、電子零件等加工領(lǐng)域中的應(yīng)用，已經(jīng)顯示出以前壓力機(jī)無法比擬的優(yōu)越性，同時(shí)提高了拉深件的質(zhì)量并具有優(yōu)良的節(jié)能性。

機(jī)械制造；拉伸墊；壓力機(jī)；伺服驅(qū)動(dòng)

1 引言

板料拉深是一種常見的沖壓工藝，由于具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、產(chǎn)品重量輕、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，因此，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，特別是航空航天、汽車制造、造船、電器制造等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。

板料拉深過程可能出現(xiàn)的主要質(zhì)量問題是拉裂和起皺，拉裂因?yàn)槔瓚?yīng)力過大造成，起皺則是由于材料失穩(wěn)而出現(xiàn)。為了充分發(fā)揮材料的性能并保證零件的質(zhì)量，因此，對(duì)拉深工藝參數(shù)進(jìn)行控制是有必要的。板料拉深工藝過程涉及很多參數(shù)，主要包括模具的形狀和結(jié)構(gòu)、板料的性能參數(shù)、成形設(shè)備的性能參數(shù)等，一般認(rèn)為，在拉深過程中只有成形裝備的參數(shù)可以調(diào)節(jié)，比如拉深力、拉深速度和壓邊力等，在這些參數(shù)中以壓邊力的影響為最大。

壓邊力通過壓邊圈作用于板料，使板料在壓邊圈和模具之間產(chǎn)生摩擦力，以控制材料的流動(dòng)，避免起皺，但同時(shí)材料中的拉應(yīng)力也會(huì)提高。壓邊力過小，無法有效地控制材料的流動(dòng)，板料容易起皺；壓邊力過大，雖然可以避免板料出現(xiàn)起皺，但拉應(yīng)力也會(huì)增加，拉裂的趨勢(shì)明顯提高，同時(shí)模具和板料表面受損的可能性亦增大，進(jìn)而影響模具壽命和拉深件的成形質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高拉深件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，一般要求盡可能地一次成形出工件。因此，壓邊力的合理取值、調(diào)整和控制就成為控制金屬流動(dòng)、防止出現(xiàn)起皺和拉裂最重要的手段。對(duì)拉深工藝過程的控制，實(shí)際上就是對(duì)其壓邊力的控制。

拉伸墊是壓力機(jī)的一個(gè)附屬系統(tǒng)，其功能是在拉深之前壓住板料，并在成形過程中進(jìn)行壓邊，以防止板料成形時(shí)材料流動(dòng)過快造成起皺。使用早期的壓力機(jī)進(jìn)行板料大型覆蓋件成形時(shí)，通常采用雙動(dòng)（或三動(dòng)）壓力機(jī)，外滑塊壓邊，內(nèi)滑塊拉伸。隨著大噸位拉伸墊的技術(shù)發(fā)展，壓力機(jī)外滑塊的壓邊功能逐漸被拉伸墊所取代，即在進(jìn)行大型覆蓋件的成形時(shí)，單動(dòng)壓力機(jī)取代了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙動(dòng)（或三動(dòng)）壓力機(jī)。

大噸位拉伸墊的研發(fā)經(jīng)歷了純氣氣墊、數(shù)控液—?dú)饣旌侠靿|、數(shù)控液壓墊等幾個(gè)階段。

2 純氣氣墊

純氣氣墊是最早的拉伸墊，其結(jié)構(gòu)和原理比較簡(jiǎn)單（圖1）。向氣缸通入壓縮空氣，使氣墊在行程上位置等待，然后滑塊向下運(yùn)動(dòng)并在接觸到頂桿后使其隨滑塊一同向下運(yùn)行，缸體內(nèi)氣壓產(chǎn)生一定的壓邊力，從而實(shí)現(xiàn)壓邊。設(shè)置閉鎖功能時(shí)，可通過曲柄凸輪機(jī)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)下死點(diǎn)鎖緊，待滑塊回程至一定位置后，閉鎖松開，氣墊回程到行程上位置。純氣氣墊可以配置氣墊行程調(diào)整裝置，對(duì)于不同拉伸深度的工件設(shè)置不同的氣墊工作行程。

使用大噸位氣墊時(shí)，當(dāng)氣墊力調(diào)整范圍大（400kN～4000kN），而緩沖缸緩沖間隙不可調(diào)整，在壓縮空氣進(jìn)入氣缸頂冠上行至上位時(shí)，氣墊會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊和噪聲；滑塊下行時(shí)，由于氣墊無預(yù)加速功能，因此，具有一定速度的滑塊與氣墊接觸的瞬間也會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊和噪聲。

由于氣體的可壓縮特性，缸體內(nèi)的氣體受壓時(shí)壓力波動(dòng)較大，從而導(dǎo)致壓邊力不穩(wěn)定，工件可能會(huì)起皺或拉裂。

純氣氣墊的工作壓力不高，一般在0.6MPa以下，最高也只能達(dá)到1MPa。大噸位氣墊的缸體由于直徑過大，安裝空間受限，因此，應(yīng)用也受到一定限制。

由于純氣氣墊使用氣體的可壓縮性及儲(chǔ)能特性，控制方式簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，因此，在一些簡(jiǎn)單應(yīng)用場(chǎng)合仍有使用。

3 數(shù)控液壓墊

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，高強(qiáng)度鋼、復(fù)合成形材料、鋁合金、難成形材料等在汽車車身制造上的推廣應(yīng)用對(duì)拉伸墊壓邊性能提出了更高的要求，純氣氣墊已難以滿足大型覆蓋件復(fù)雜的成形要求。在成形高強(qiáng)度板及復(fù)合材料時(shí)，以數(shù)控液壓墊代替純氣氣墊對(duì)工件進(jìn)行壓邊已成為目前的發(fā)展趨勢(shì)。

在拉深復(fù)雜工件時(shí)，各個(gè)部位成形不均勻，使用同一壓邊力壓邊時(shí)，某些部位能夠順利成形，而另一些部位則可能出現(xiàn)起皺或者拉裂。使用數(shù)控液壓墊，可以依據(jù)板料成形工藝要求實(shí)時(shí)控制壓邊力，即各點(diǎn)的壓邊力可以設(shè)置不同值并可以對(duì)壓邊力進(jìn)行分段控制，使各個(gè)部位的壓邊力值恰好能夠抑制起皺的發(fā)生，使極限拉深比達(dá)到最大，充分發(fā)揮材料的成形極限。

數(shù)控液壓墊主要由頂冠、壓邊缸、蓄能器、控制閥塊、液壓系統(tǒng)及循環(huán)系統(tǒng)等組成（圖2）。液壓墊一般采用4～8缸，壓邊缸分布在液壓墊頂冠的四角，每個(gè)壓邊缸的壓邊力可以根據(jù)工藝要求單獨(dú)設(shè)定，以保證最佳的壓邊力分配。壓邊力通過曲柄凸輪機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)編程控制進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，其數(shù)據(jù)可以存入模具的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并可以與模具數(shù)據(jù)一起調(diào)出，這極大改善了壓邊裝置的功能。

液壓拉伸墊也可以設(shè)定多段壓力，在拉深過程中可以根據(jù)工藝需求在不同的拉深行程改變每個(gè)壓邊缸的壓邊力，即壓邊力可以隨行程的變化而變化。行程由位移傳感器測(cè)量，液壓墊控制器控制伺服閥根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)壓邊力，從而可以實(shí)現(xiàn)大型覆蓋件復(fù)雜的工藝要求。

液壓墊在“行程”模式時(shí)，可以自動(dòng)升至上死點(diǎn)位置，等待滑塊向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行拉伸。壓邊圈在滑塊下降到上下模相接觸時(shí)受到向下的壓力，并通過頂桿傳到液壓墊的頂冠，這時(shí)與頂冠連接的壓邊缸產(chǎn)生拉伸過程所需要的壓邊力。

數(shù)控液壓墊可設(shè)置預(yù)加速功能，啟動(dòng)該功能時(shí)，當(dāng)滑塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉伸墊不是停留在上限位置，而是先于滑塊向下運(yùn)動(dòng)，滑塊向下運(yùn)行距壓邊圈一定距離時(shí)（該距離可編程控制）液壓缸活塞加速運(yùn)動(dòng)，在給定的距離內(nèi)加速至接近滑塊的速度，此時(shí)，滑塊壓住壓邊圈。液壓缸活塞只是在與滑塊接觸的瞬間產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)小的一次性力峰值，因此，在整個(gè)拉伸過程中壓邊力穩(wěn)定。壓邊力一般可在50%～100%之間進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。每個(gè)液壓缸內(nèi)進(jìn)油和回油都經(jīng)過伺服閥，通過控制伺服閥開口量大小即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓邊力的控制。

數(shù)控液壓墊設(shè)置有位移傳感器，對(duì)拉伸墊運(yùn)行行程進(jìn)行監(jiān)控并調(diào)整工藝所需的成形行程。頂升油缸的壓力和運(yùn)行速度通過編程控制，使拉伸墊上升至行程上位置時(shí)進(jìn)行緩沖，減小沖擊。下死點(diǎn)閉鎖功能通過凸輪角度設(shè)定實(shí)現(xiàn)。

液壓拉伸墊是通過伺服閥節(jié)流方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸內(nèi)壓力的控制，并最終轉(zhuǎn)化為對(duì)壓邊力的控制，這種控制壓邊力的方式能耗較大。采用閉環(huán)伺服控制方式控制精度高，但伺服控制比較復(fù)雜，且對(duì)油液的清潔度和油溫的要求高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

數(shù)控液壓墊工作過程中將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，所以系統(tǒng)需要大流量的冷卻裝置。工作油及冷卻系統(tǒng)功率較大，比如4000kN的液壓墊，電機(jī)總功率高達(dá)500kW。

4 電動(dòng)伺服模墊

近年來，由于對(duì)生產(chǎn)安全、節(jié)能、綠色環(huán)保的要求越來越高，數(shù)控液壓墊壓邊力的可編程控制特性雖然能夠充分滿足大型覆蓋件的復(fù)雜成形要求，但數(shù)控液壓墊系統(tǒng)能耗大、污染大、且維修復(fù)雜。為此，工程師們研發(fā)了電動(dòng)伺服模墊。

電動(dòng)伺服模墊是一種運(yùn)用齒輪、齒條或絲杠可逆運(yùn)行的特性驅(qū)動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)見圖3。一般采用伺服電機(jī)通過同步帶將動(dòng)力傳遞到絲杠，在絲杠作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與螺母固定在一起的頂冠作上下移動(dòng)，螺母與頂冠之間設(shè)置的液壓保護(hù)裝置起壓力緩沖及過載卸荷功能。通過絲杠將模墊頂冠受到的加壓力轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使伺服電機(jī)發(fā)電，回饋電網(wǎng)。絲桿軸端和伺服電機(jī)設(shè)有位置編碼器，可以反饋位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模墊位置的控制，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模墊頂冠，可以相對(duì)于滑塊頂冠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

數(shù)控系統(tǒng)可以控制位置和速度。運(yùn)行過程控制如下：預(yù)加速行程為位置控制，速度信號(hào)；拉伸行程為壓力控制，壓力信號(hào)，壓力建立，至下死點(diǎn)；閉鎖、回程為位置控制，位置信號(hào)；壓力釋放至閉鎖結(jié)束，模墊回程。

液壓系統(tǒng)設(shè)有壓力傳感器，反饋壓力信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的控制，結(jié)合滑塊位置可以產(chǎn)生任意的加壓力。通過CNC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服拉伸墊的運(yùn)動(dòng)、位置和速度控制，并實(shí)現(xiàn)模墊預(yù)加速及預(yù)建壓功能，如圖所示4所示?；瑝K位移編碼器作為主軸信號(hào)，當(dāng)滑塊下行至一定位置時(shí)，通過CNC系統(tǒng)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)帶動(dòng)頂冠向下加速運(yùn)行，絲桿軸端和伺服電機(jī)位置編碼器反饋位置信號(hào)進(jìn)行預(yù)加速的控制和監(jiān)控，保證模墊在預(yù)加速行程內(nèi)與滑塊接觸時(shí)達(dá)到滑塊的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)伺服模墊與滑塊無沖擊接觸。接觸后滑塊壓住頂冠，帶動(dòng)模墊向下運(yùn)行，絲母帶動(dòng)絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，伺服電機(jī)產(chǎn)生反向力矩即處于發(fā)電狀態(tài)，結(jié)合滑塊運(yùn)行位置，在拉伸前建立壓邊力，繼而模墊由位置控制轉(zhuǎn)換為壓力控制，由液壓系統(tǒng)壓力傳感器反饋壓力信號(hào)，控制伺服電機(jī)的輸出力矩，從而進(jìn)行壓邊力的控制和調(diào)整，產(chǎn)生任意的加壓力。

電動(dòng)伺服模墊可根據(jù)工件對(duì)壓邊力的需要進(jìn)行任意的調(diào)整，防止在開始拉伸時(shí)起皺及最大變形時(shí)拉裂。而傳統(tǒng)的純氣式氣墊，在拉伸過程壓邊力為定值，二者比較見圖5。在滑塊回程時(shí)，伺服拉伸墊可以在下死點(diǎn)保壓一定的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)閉鎖功能，也可以隨滑塊一起或相對(duì)于滑塊獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)頂出工件并在等待位置取件后，回到拉伸墊上行程位置。通過控制伺服電機(jī)的輸出力矩和運(yùn)行速度，可任意調(diào)整拉伸墊任意位置上的壓邊力和拉伸墊的運(yùn)行速度，以適應(yīng)不同工件的拉深工藝，也可單獨(dú)調(diào)整各點(diǎn)的壓邊力，完全實(shí)現(xiàn)數(shù)控液壓墊的功能。關(guān)系曲線如圖6所示。

5 結(jié)論

和其他幾種結(jié)構(gòu)相比，電動(dòng)伺服模墊的優(yōu)勢(shì)是：①控制并提高材料的成形性；②提高生產(chǎn)性能，提高自動(dòng)化系統(tǒng)的周期性；③降低噪聲約15dBA；④節(jié)能降耗。以前氣墊的能量大部分都被空氣和油的阻力所消耗，而電動(dòng)伺服模墊可以利用伺服氣墊的反電動(dòng)勢(shì)，將消耗掉的電力回收，回收量可達(dá)90%。由于不需要使用高壓油，所以不需要進(jìn)行油的清潔度管理以及密封圈類的維修。綜上所述，電動(dòng)伺服模墊應(yīng)用前景十分看好。

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Recent development and prospective of electric-drive servo drawing cushion technique

LI Zhaodong，YUAN Wensheng，WANG Zhonglei
（1.School of Mechanical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101,Shandong China）

The combination of drawing cushion and slider on press can perform the drawing process，and the servo direct-drive technique is the ideal solution for that.The application of servo cushion and servo press in the production of automobile parts and electronic parts with high accuracy and difficulty has many advantages comparing with conventional press.Meanwhile the quality of the drawn parts has been raised with good energy-saving characteristics.

Deep drawing of sheet metal;Press；Slider；Servo direct-drive technique；Electric servo drawing cushion

TG315.5

B

1672－0121（2011）06－0066－04

2011-08-02

李兆東（1963-），男，副教授，從事材料塑性加工技術(shù)教學(xué)與研究