李立豐 姜萬錄

(①齊齊哈爾二機床(集團)有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161005;②燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

內(nèi)高壓成形技術(shù)是汽車底盤、車身和動力總成各種空心變截面構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。內(nèi)高壓成形裝備包括合模壓力機、內(nèi)高壓成形系統(tǒng)和內(nèi)高壓成形模具3大部分。大噸位短行程液壓機是一種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的液壓機、合模和開模過程大部分行程由提升油缸(200 t)來完成，而僅僅鎖模過程由主油缸(6 000 t)來完成，如圖1所示。

這種壓力機合模與開模速度較快，主缸行程小，因此容積小，可快速建立合模力，生產(chǎn)效率較高。以往內(nèi)高壓成形裝備不改變合模力，在初始合模時就施加了最大的合模力，對于大噸位內(nèi)高壓成形裝備來說，需增加模具的體積才能避免模具變形和破壞，增加了模具成本。

1 內(nèi)高壓成形原理及過程

(1)成形原理

管材內(nèi)高壓成形技術(shù)通常用管坯作為原材料，通過對管坯型腔內(nèi)施加高壓液體壓力，軸向施加載荷作用，使其在給定模具型腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，管壁與模具內(nèi)表面貼合，從而得到所需形狀零件的技術(shù)。

(2)成形過程

管材內(nèi)高壓成形過程如圖2所示。模具由上模和下模組成。下模固定在工作臺上，先將管坯彎曲到要求的形狀，在成形工藝中成為預(yù)成形，由單獨的一臺油壓機完成這一道工序，然后放入下模腔內(nèi)，閉合壓力機。

管的兩端用左右沖頭密封，同時施加適當(dāng)?shù)念A(yù)推力。脹形用乳化液由b經(jīng)右沖頭內(nèi)中間孔道，引入管坯腔內(nèi)，管坯內(nèi)氣體經(jīng)左沖頭上部孔道由a排出，管坯內(nèi)充滿乳化液即完成沖液過程。接著將a孔封住，由b孔向管坯內(nèi)充以高壓。與此同時，左右沖頭同步向內(nèi)推進(jìn)補料，這樣在內(nèi)壓和軸向力聯(lián)合作用下使管坯貼靠模具而成形。左右沖頭推制到位，內(nèi)壓到一定值后，b孔停止供壓，沖頭后撤放掉乳化液，上模抬起，取出工件即可。

(3)可變合模力

以往內(nèi)高壓成形裝備不改變合模力，在初始合模時就施加了最大的合模力，對于大噸位內(nèi)高壓成形裝備來說，需增加模具的體積才能避免模具變形和破壞，增加了模具成本。

因此本設(shè)備采用可變合模力技術(shù)，通過傳感器檢測管材內(nèi)的壓力和主缸內(nèi)的壓力，并根據(jù)內(nèi)高壓成形過程中管材內(nèi)部的液體壓力變化調(diào)整伺服閥動作，實現(xiàn)合模力可變，合模力跟隨內(nèi)壓在成形過程中的變化見圖3。

由于管材內(nèi)的壓力是逐漸建立起來的，并根據(jù)工藝要求按一定的加載曲線上升，采用可變合模力后，合模力平衡內(nèi)壓反力的部分隨內(nèi)壓增大，使模具受到的壓力保持在一個較低的水平，可避免模具體積過大，因此可降低模具成本，如圖4所示。

2 系統(tǒng)組成

壓力機床身上安裝有雙動短行程液壓缸，這種設(shè)計與傳統(tǒng)壓力機比較顯著地降低了工作時液壓油的使用量。所有的缸采用厚壁材料并且采用小摩擦密封，為了提高使用壽命，活塞是經(jīng)過硬化處理、精磨并且拋光的。液壓缸的行程為25 mm。

2.1 SSC系統(tǒng)構(gòu)成

成形機短行程缸SSC系統(tǒng)主要控制工作臺的運動，并形成最大合模壓力，因此控制系統(tǒng)采用1個主柱塞缸和4個活塞缸組成。

如圖5所示，SSC系統(tǒng)坐落在底座上，主柱塞缸在中間，為主要的成形合模力元件，4個活塞缸在4角，在工作臺回程時提供回程力。

根據(jù)計算，最后選定6 000 t液壓成形機，主活塞直徑為1 600 mm，面積20 106.19 cm2，壁厚為200 mm，4個輔助活塞油缸直徑160 mm，面積201 cm2，活塞面積總和20 910.19 cm2，油壓壓強P=60 000/20 910.19=28.7 MPa

根據(jù)《液壓傳動》、《材料理學(xué)》、《設(shè)計手冊》等資料有:

式中:σ為缸壁厚度;Py為缸內(nèi)壓強;D為缸直徑。

根據(jù)機械手冊，材質(zhì)為20號鋼σs=245 MPa;40號鋼σs=355 MPa。

如采用20號鋼，則安全系數(shù):

如采用40號鋼，則安全系數(shù):

根據(jù)手冊可查，液壓缸的安全系數(shù)2.5(2～3)左右，所以選擇油缸的材質(zhì)為45號鋼。

2.2 液壓原理

SSC系統(tǒng)動力源和成形機滑塊長行程缸運動采用同一泵源，泵組選用為壓力控制的柱塞變量泵，可控制系統(tǒng)的最大壓力。如圖6油缸的布置原理，另外在工作臺上還安裝有位移傳感器。

圖7為工作臺在內(nèi)高壓成形整個工序中的運動過程，工作臺在初始壓力(500 t)啟動，當(dāng)合模結(jié)束后，位移達(dá)到最大，合模力達(dá)到最小合模力要求(800 t)，在此壓力下內(nèi)高壓系統(tǒng)完成充液，隨后合模力隨工件內(nèi)壓變化，直至成形完成。卸壓后，工作臺返回，開始下一個循環(huán)。

工作臺運動和壓力控制主要靠閥塊來控制，閥塊集成了控制和檢測用元件，在成形過程中，根據(jù)工藝要求，合模過程要實現(xiàn)工作臺的快速進(jìn)給和合模壓力精確跟隨內(nèi)高壓成形力的大小。閥塊原理見圖8。

圖8a中閥塊功能主要實現(xiàn)工作臺缸的上、下運動和模具的預(yù)壓緊，工作臺在滑塊實現(xiàn)鎖緊后，完成設(shè)備的合模和開模動作，合模速度和初始合模力的大小由系統(tǒng)電子泵實現(xiàn)，開模速度由電子泵完成，系統(tǒng)中插裝閥塊實現(xiàn)工作臺缸的運動方向控制，電磁閥4YV1在工作臺合模時為工作臺缸下腔供油，電磁閥4YV2在工作臺開模時為工作臺缸上腔供油。

具體過程是:電磁閥4YV1得電時，主油路油液通過插裝閥進(jìn)入工作臺缸底部，實現(xiàn)模具閉合。插裝閥底部的梭閥蓋板具有防止油液倒流的功能，可以保持系統(tǒng)無壓力波動。電磁閥4YV1和上腔溢流閥互鎖，此時上腔溢流插裝閥底部壓力油通過電磁閥4YV1卸荷，這樣實現(xiàn)工作臺缸上腔壓力油卸荷。電磁閥4YV2得電時，主油路油液通過插裝閥進(jìn)入工作臺缸上腔，實現(xiàn)模具開啟。電磁閥4YV2和下腔溢流閥互鎖，此時下腔溢流插裝閥底部壓力油通過電磁閥4YV2卸荷，這樣實現(xiàn)工作臺缸下腔壓力油的卸荷，實現(xiàn)工作臺返回。

本設(shè)備采用可變合模力控制技術(shù)，合模力的大小隨著管材內(nèi)高壓成形壓力的變化而變化。本系統(tǒng)中由限壓式變量柱塞泵和伺服閥直接植入工作臺運動控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，要實現(xiàn)兩種系統(tǒng)的連接需要解決兩大問題:一是系統(tǒng)耦合結(jié)合時產(chǎn)生的壓力波動;二是內(nèi)高壓成形后的系統(tǒng)壓力卸荷。

為了解決壓力波動問題，在伺服閥出口管路上采用液控?fù)Q向閥，當(dāng)伺服閥壓力達(dá)不到模具預(yù)壓力時，此路不通;當(dāng)系統(tǒng)壓力和預(yù)壓力相等時，系統(tǒng)介入。此系統(tǒng)還能防止兩種系統(tǒng)的交叉現(xiàn)象。

合模完成后，系統(tǒng)壓力通過伺服閥卸荷，卸荷至系統(tǒng)預(yù)緊壓力后，伺服閥不起作用，工作通過電子泵快速返回，這樣可以減小壓力沖擊。

3 結(jié)語

現(xiàn)有中、小噸位合模壓力機為長行程液壓機，均由主缸完成模具開閉與施加合模力，因為主缸體積大、不適于大噸位合模壓力機。所以本設(shè)備采用短行程液壓機方案，由位于壓力機上方的長行程小噸位提升油缸完成模具開閉，由位于下橫梁內(nèi)的短行程大噸位油缸施加合模力，該裝備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是能夠迅速建立大噸位合模力，且合模力可隨內(nèi)壓變化進(jìn)行控制，避免了模具在內(nèi)壓較低時受到過大的合模力作用造成變形和損壞。

［1］宋楠.管材內(nèi)高壓成形技液壓控制系統(tǒng)的研究［J］.機電工程技術(shù)，2007，36(2):21 －23.

［2］朱偉成，徐成林.內(nèi)高壓成形汽車管件技術(shù)［J］.汽車工藝與材料，2004(1):12－14.

［3］苑世劍，王仲仁.輕量化結(jié)構(gòu)內(nèi)高壓成形技術(shù)［J］.材料科學(xué)與工藝，1999，7(增刊):139－142.