文/謝桂平·黃石職業(yè)技術(shù)學(xué)院

黃時明·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

楊光友·湖北工業(yè)大學(xué)

數(shù)控精沖液壓機的研發(fā)與應(yīng)用

文/謝桂平·黃石職業(yè)技術(shù)學(xué)院

黃時明·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

楊光友·湖北工業(yè)大學(xué)

數(shù)控精沖液壓機是在近二十年間迅猛發(fā)展的一種板材精密、高效、復(fù)合成形的機床裝備。精沖與普沖同屬分離工藝，但因其是包含特殊工藝參數(shù)的加工方法，所以生產(chǎn)的零件也具有不同的質(zhì)量特征。隨著現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)量不斷遞增，這就對關(guān)鍵零部件的產(chǎn)量和質(zhì)量提出了更高的要求。為適應(yīng)現(xiàn)在企業(yè)的需求，開發(fā)研制的數(shù)控精沖液壓機與彎曲、拉深、翻邊、鐓擠、壓沉孔、半沖孔和擠壓等冷成形工藝相結(jié)合，在精沖機上一次沖壓就能獲得尺寸公差等級IT6～IT9，粗糙度Ra為0.4～3.2μm的零件，在生產(chǎn)大批量立體成形零件、復(fù)雜幾何形狀零件、厚板料零件等方面具有很大的優(yōu)勢。

數(shù)控精沖液壓機應(yīng)用范圍

在應(yīng)用數(shù)控精沖液壓機以前，進行大批量復(fù)雜幾何形狀零件和厚板料零件的生產(chǎn)主要采用傳統(tǒng)的強力壓邊精沖，塑性變形主要集中在凸、凹模間隙所限的極窄范圍內(nèi)，材料存在可精沖的厚度極限。

數(shù)控精沖液壓機的應(yīng)用

工藝與模具

⑴厚板精沖工藝研究。由于精沖零件形狀越來越復(fù)雜，精沖復(fù)合工藝成為精沖工藝的發(fā)展和延伸，但是厚板復(fù)合精沖時，模具的壽命通常較低，需要優(yōu)化工藝參數(shù)來提高模具壽命。針對典型的厚板零件，通過工藝試驗和數(shù)值模擬，確定成形過程中應(yīng)力場、應(yīng)變場以及成形缺陷，研究精沖工藝參數(shù)對精沖件質(zhì)量的影響。

如湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司開發(fā)設(shè)計的數(shù)控精沖液壓機，通過運用有限元軟件Deform3D對精沖的工藝過程進行模擬，通過精沖模具模型的建立確定模型參數(shù)，模擬出精沖變形過程中齒圈壓入、精沖分離過程中以及精沖完成的全過程應(yīng)力應(yīng)變，對精沖的塑性變形進行量化，對精沖件的成形質(zhì)量進行預(yù)測。同時，為精沖零件成形質(zhì)量成因提供理論基礎(chǔ)，給出工件成形過程中每個瞬間的位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布，不僅可以預(yù)測工件的回彈、起皺和模具所承受的成形力，還可以預(yù)測工件的破裂、檢驗?zāi)＞咴O(shè)計和工藝設(shè)計的合理性，并為改進設(shè)計提供重要依據(jù)。

⑵厚板精沖模具制造方法研究。主要內(nèi)容包括：精沖模具材料選擇及熱處理工藝的優(yōu)化，精沖模具材料的表面處理研究、如PVD、CVD工藝研究；以及精沖模具壽命綜合研究。國際先進經(jīng)驗表明：在模具尺寸到位的基礎(chǔ)上，模具表面磨削、表面噴丸和表面涂層的綜合處理是提高模具壽命的關(guān)鍵之一。將采用表面加工處理、微觀分析、力學(xué)與疲勞測試、軟件分析、現(xiàn)場試沖等集成手段，研發(fā)出最優(yōu)模具表面加工參數(shù)與規(guī)范。

⑶精沖模具快速設(shè)計數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)。隨著精沖技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，成形的復(fù)合模和多工步復(fù)雜級進模的設(shè)計速度愈來愈成為瓶頸，同時對成形模具的設(shè)計提出的要求也愈來愈高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計與制造方法已不能適應(yīng)這樣的要求，模具CAD/CAE/CAM技術(shù)是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)。它使技術(shù)人員能借助于計算機對產(chǎn)品、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及成本等進行設(shè)計和優(yōu)化。從而提高模具設(shè)計和制造的水平和質(zhì)量，縮短新模具的開發(fā)和設(shè)計研究周期，大大提高模具技術(shù)在整個工業(yè)中的地位。

主機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

⑴結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。本機床的機身采用鋼板焊接框架結(jié)構(gòu)，主要承力板為前后兩塊整體面板，筋板布置和板厚的選擇均經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，其強度、剛度好，尤其是焊接工藝性好，框架承受全部工作載荷，齒圈缸嵌在機架上部焊接成一個整體，這使機床結(jié)構(gòu)更為緊湊，且使上工作臺面的剛性更高。與拼接式結(jié)構(gòu)相比其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、精度保持性好。

⑵抗偏載機構(gòu)設(shè)計。多工位及厚板精沖中對機床的抗偏載能力提出了更高要求，僅靠油缸導(dǎo)向帶及滑塊導(dǎo)軌難以滿足高精度零件的要求，因此擬在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上另設(shè)了一套扭軸同步機構(gòu)，其由兩組無間隙齒條及齒輪軸機構(gòu)組成，齒條與機身固定在一起，齒輪軸與滑塊連接，在無偏載時正常運動，當遇到偏載此同步機構(gòu)可承載偏載力強制滑塊保持水平上行。其特點是抗偏載力大、結(jié)構(gòu)緊湊無需增大工作臺面。

⑶基于機身、模具耦合計算的抗偏載主機結(jié)構(gòu)計算分析。液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性是保證精沖工藝是否合理的關(guān)鍵，需要用計算機輔助的方法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。通過有限元仿真分析可以做到在精沖壓力機開發(fā)階段就能對壓力機設(shè)計的抗偏載能力進行設(shè)計，達到不大于0.3mm（測定距離600mm,偏載力矩250kN·m）的預(yù)定目標。

液壓系統(tǒng)研發(fā)

經(jīng)過多年生產(chǎn)液壓設(shè)備的經(jīng)驗，在快速液壓系統(tǒng)中，除了要求液壓油的流量大外，另一個重要指標是液壓閥的響應(yīng)速度要快，其中影響最大的便是充液閥，關(guān)閉與打開需要消耗大量的時間，為此技術(shù)人員研發(fā)一種高頻響充液閥，是一種雙控、二級卸荷充液閥，使充液閥的開閉時間成倍提高，目前已申報專利。

數(shù)控系統(tǒng)

⑴PC機、工控機、PLC集成控制系統(tǒng)。PC機自動計算工藝過程中的參數(shù)（如工作壓力、壓邊力、反壓力、速度等）后，傳送到工控機、可編程控制器，工控機、可編程控制器按接收到的工藝過程對精沖機液壓系統(tǒng)進行精確控制。

⑵沖裁壓力、速度數(shù)控程序開發(fā)。數(shù)控系統(tǒng)能顯示滑塊工作位置（上死點、下死點、工進點）、設(shè)備狀態(tài)（快進、工進、保壓、吹氣、彈料、快退）、力能參數(shù)（工進壓力、齒圈力、反頂力）、班次產(chǎn)量等，并根據(jù)工藝要求對沖裁力、壓力等實現(xiàn)精確數(shù)字控制。

環(huán)保與安全

精沖中沖裁沖擊是實際的噪聲源，由于機床的電機功率較大，特別是吹料時會發(fā)出刺耳聲音，接近100dB就會使人難以承受。在模具空間后部設(shè)有罩蓋，罩蓋頂部與油霧分離器相連，罩蓋一方面隔音，另一方面隔絕沖裁時產(chǎn)生的油霧，便于收集。此外機床外部設(shè)有防護罩，當機床自動運行時，若打開防護罩門，機床便會自動停止。為確保人身安全，防護罩采用夾層式，其中里面的一層呈網(wǎng)孔狀，在兩層鋼板中間增加隔音材料，通過網(wǎng)孔吸音使噪聲符合國家有關(guān)標準的規(guī)定。

先進性

精沖機結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

采用ANSYS有限元軟件對主軸、絲杠、機架等精沖機部件進行結(jié)構(gòu)受力分析，根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。精沖機床身及對模具的有限元分析，通過建立壓力機的幾何計算模型，計算床身和模架的變形和受力，顯示床身的絕對變形量。基于SolidWorks平臺，開發(fā)精沖模具CAD系統(tǒng)主體框架。利用ADAMS仿真分析軟件，建立精沖機虛擬樣機，并對其在各種工況下的運動和受力情況進行仿真分析，觀察并試驗各組成部件的相互運動情況，仿真試驗不同的設(shè)計方案，對整個精沖機的結(jié)構(gòu)進行不斷改進，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案。

精沖工藝及模具研究

用有限元方法對板料成形過程進行模擬，通過精沖模具模型的建立，確定模型參數(shù)，模擬出精沖變形過程中齒圈壓入、分離過程以及精沖完成的全過程應(yīng)力應(yīng)變，對精沖的塑性變形進行量化，對精沖件的成形質(zhì)量進行預(yù)測。同時，為精沖零件成形質(zhì)量成因提供理論基礎(chǔ)，給出工件成形過程中每個瞬間的位移、應(yīng)變和應(yīng)力分布，預(yù)測工件的回彈、起皺和模具所承受的成形力，預(yù)測工件的破裂、檢驗?zāi)＞咴O(shè)計和工藝設(shè)計的合理性，并為改進設(shè)計提供重要依據(jù)。

結(jié)束語

在工業(yè)技術(shù)日新月異的今天，我國的精沖業(yè)也在不斷地向前發(fā)展。相信在技術(shù)人員的不斷努力下，國產(chǎn)精沖壓力機在技術(shù)上也將不斷探索和創(chuàng)新，盡快縮短與國際高端精沖機在技術(shù)上的差距，為行業(yè)的用戶提供技術(shù)更為穩(wěn)定、效率更高、性能更為優(yōu)異的數(shù)控液壓精沖壓力機。