文/趙娜，王娜·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

基于充液成形工藝的液壓機(jī)及柔性生產(chǎn)線

文/趙娜，王娜·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

趙娜，碩士，助理工程師，主要從事充液成形液壓機(jī)和自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)工作，已發(fā)表論文2篇。

本文研究了柔性沖壓生產(chǎn)線中的工藝分析、裝備設(shè)計(jì)和機(jī)器人技術(shù)。著重探究了板材充液成形工藝，針對(duì)汽車鋁合金覆蓋件為研究對(duì)象，進(jìn)行了充液成形數(shù)值模擬?；诔湟撼尚喂に嚕兄屏烁叨藬?shù)控充液成形雙動(dòng)液壓機(jī)，其中主機(jī)系統(tǒng)采用組合框架式設(shè)計(jì)。最后，針對(duì)柔性沖壓生產(chǎn)線的設(shè)備配置和機(jī)器人離線編程技術(shù)，詳細(xì)介紹了天鍛壓力機(jī)公司研制開發(fā)的管板復(fù)合式充液成形生產(chǎn)線。同時(shí)，基于此生產(chǎn)線對(duì)汽車鋁合金發(fā)蓋內(nèi)板進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該生產(chǎn)線的投入使用標(biāo)志著天鍛壓力機(jī)公司具有自主研發(fā)先進(jìn)水平的鈑金零件充液成形生產(chǎn)線的能力。

汽車輕量化發(fā)展

汽車輕量化是通過(guò)車身優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用輕體材料如高強(qiáng)度鋁合金、鎂合金等，以先進(jìn)的制造技術(shù)如板材/管材充液成形技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而在車身上還鮮有應(yīng)用鋁合金板材、管材和型材的，這主要是因?yàn)闆](méi)有支撐這些鋁合金材料成形的先進(jìn)大型裝備，雖然開始采用剛性模具成形一些鋁合金的板材零件，但由于鋁合金成形性能差、表面硬度低、容易失穩(wěn)、連續(xù)多道次成形需要中間退火、模具質(zhì)量要求高等原因，嚴(yán)重阻礙了鋁合金板材在汽車整體車身上的應(yīng)用，現(xiàn)代充液成形技術(shù)為汽車鋁合金板材成形提供了途徑。

汽車鋁合金覆蓋件充液成形工藝

板材充液成形工藝簡(jiǎn)介

板材充液成形是在凹模中充滿液體，利用凸模（帶動(dòng)板料）進(jìn)入凹模時(shí)建立反向液壓的成形方法。由于反向液壓的作用，可減小普通拉深成形中凸、凹模之間坯料的懸空區(qū)，使該部分坯料緊貼凸模，零件形狀尺寸最終靠凸模來(lái)保證，還可產(chǎn)生“摩擦保持效果”，緩和板料在凸模圓角處（傳統(tǒng)拉深時(shí)的危險(xiǎn)斷面）的徑向應(yīng)力，提高傳力區(qū)的承載力，抑制坯料減薄和開裂，可有效提高成形極限、減少成形道次。液體從坯料與凹模上表面間溢出，在板料與凹模表面間形成流體潤(rùn)滑，摩擦減小。油液保護(hù)作用使得成形零件表面無(wú)劃傷，緩解了零件表面的劃傷，同時(shí)使法蘭變形所需的徑向應(yīng)力減小。

充液拉深與普通拉深對(duì)比如圖1所示，先在液壓室（凹模）內(nèi)充滿液體，放上拉深坯料，施加一定的壓邊力，凸模下行進(jìn)行拉深，同時(shí)開動(dòng)液壓泵使液體保持一定的壓力，直到拉深結(jié)束，然后抬起凸模、壓邊圈，取出成形零件。

圖1 充液拉深和普通拉深對(duì)比

基于充液成形工藝的數(shù)控液壓機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)板材充液成形工藝特點(diǎn)及流程，適用的設(shè)備需具有以下特點(diǎn)：

⑴專用液壓機(jī)為雙滑塊配置，即雙動(dòng)液壓機(jī)。

⑵液壓機(jī)的壓邊力為拉深力的0.3～0.4倍。這一點(diǎn)區(qū)別于傳統(tǒng)雙動(dòng)液壓機(jī)的壓邊力為拉深力的0.6～0.7倍。

⑶專用液壓機(jī)受力集中在主機(jī)中心處，主機(jī)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)雙動(dòng)液壓有區(qū)別。

⑷板材充液成形一般為小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍慢，故油缸速度可適當(dāng)降低。

⑸板材充液成形對(duì)拉深滑塊相對(duì)工作臺(tái)的垂直度要求較高。

⑹板材充液成形設(shè)備對(duì)壓邊力要求實(shí)時(shí)可調(diào)。

⑺壓邊滑塊及拉深滑塊具有各自獨(dú)立控制系統(tǒng)，防止成形過(guò)程中有干擾。

⑻根據(jù)工件成形的工藝及材料特性，拉深成形速度一般為1～10mm/s。

⑼成形過(guò)程中充液成形液體四處噴濺，設(shè)備需具有防水及回收過(guò)濾裝置。

根據(jù)以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用中小型板材充液成形液壓機(jī)。

主機(jī)設(shè)計(jì)

由于成形對(duì)滑塊的精度要求較高，因此，主機(jī)機(jī)身采用整體框架式結(jié)構(gòu)。主機(jī)主要由機(jī)身、拉深滑塊、壓邊滑塊、移動(dòng)工作臺(tái)及各種油缸組成。機(jī)身及滑塊和工作臺(tái)采用優(yōu)質(zhì)Q235-A鋼板，用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接工藝焊接，焊接完成后進(jìn)行高溫退火消除內(nèi)應(yīng)力。整機(jī)的設(shè)計(jì)全部采用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)并經(jīng)有限元應(yīng)力分析，機(jī)床的強(qiáng)度高，剛度好，外形美觀。

本機(jī)滑塊分為拉深滑塊和壓邊滑塊。拉深滑塊和壓邊滑塊以機(jī)身左右支柱的導(dǎo)軌為導(dǎo)向做上下運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向形式為直角八面，導(dǎo)軌間隙可調(diào)，導(dǎo)板采用復(fù)合材料，具有自潤(rùn)滑功能。滑塊的位置控制采用進(jìn)口位移傳感器檢測(cè)，顯示精度達(dá)到0.01mm。在滑塊下平面及工作臺(tái)上平面布置有T形槽，方便固定模具。

同時(shí)本機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)增加了機(jī)械鎖緊結(jié)構(gòu)，可拓展機(jī)器的使用范圍，實(shí)現(xiàn)單動(dòng)功能，需要時(shí)可人工更換，切換單、雙動(dòng)功能。液壓機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

油缸缸體均采用35#鍛鋼，以保證材質(zhì)的均勻性。柱塞桿采用45#鍛鋼，經(jīng)退火處理后粗加工，表面硬化處理、精加工而成，精度高，耐磨性好。拉深缸采用單一的活塞式油缸，而壓邊缸采用四個(gè)油缸組成，兩個(gè)活塞缸，兩個(gè)柱塞缸，四角對(duì)稱布置，在保證壓邊力均勻的同時(shí)可以降低生產(chǎn)成本。

柔性沖壓生產(chǎn)線

機(jī)器人柔性生產(chǎn)線作為一個(gè)靈活、可靠、通用的加工單元，可以長(zhǎng)時(shí)間保證工作的穩(wěn)定性和安全性，只要通過(guò)更換端拾器和機(jī)器人程序，模具就可以加工板材和管材零件。

生產(chǎn)線設(shè)備配置

沖壓生產(chǎn)線根據(jù)生產(chǎn)線工藝的不同，一般由兩臺(tái)以上的充液設(shè)備組成。其典型的工藝組程序?yàn)槔?、沖裁、沖孔和翻邊。第一臺(tái)設(shè)備主要進(jìn)行拉延序，因?yàn)槔有枰獕哼吜?，因此第一臺(tái)設(shè)備是整條生產(chǎn)線中噸位最大的設(shè)備。

薄板沖壓生產(chǎn)線設(shè)備如圖3所示。垛料小車開進(jìn)（左右兩側(cè)垛料小車自動(dòng)更換）；拆垛裝置上進(jìn)行磁性分張后，拆垛機(jī)器人取料后，每次將1片板料放至皮帶線并進(jìn)行雙料檢測(cè)；板料經(jīng)過(guò)渡磁性皮帶機(jī)清洗、涂油后送至沖壓線首工位的機(jī)械自動(dòng)對(duì)中平臺(tái)，對(duì)中后進(jìn)行二次雙料檢測(cè)；上料機(jī)器人送料至首臺(tái)壓機(jī)沖壓，傳送機(jī)器人取料、送料，進(jìn)入下一壓機(jī)沖壓；根據(jù)工序數(shù)量循環(huán)，傳送機(jī)器人取料、送料后至末端壓機(jī)沖壓；線尾機(jī)器人取料、放料至伸縮皮帶機(jī)輸送，后進(jìn)行人工碼垛。

圖3 薄板沖壓生產(chǎn)線設(shè)備

機(jī)器人離線編程技術(shù)

采用基于RobotStudio軟件的離線編程技術(shù)，通過(guò)對(duì)機(jī)器人視覺(jué)標(biāo)定、路徑規(guī)劃、碰撞檢測(cè)、在線編程，及壓機(jī)和周邊的設(shè)備模擬仿真，實(shí)現(xiàn)了所有設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)，安全互鎖，為生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)提供了可靠驗(yàn)證，縮短了調(diào)試周期，節(jié)約了生產(chǎn)周期，提高了效率又保證了準(zhǔn)確和安全。薄板沖壓生產(chǎn)線模擬圖如圖4所示。

圖4 薄板沖壓生產(chǎn)線模擬

結(jié)論

⑴ 探究了板材充液成形工藝，以汽車鋁合金覆蓋件為研究對(duì)象，進(jìn)行了充液成形數(shù)值模擬。

⑵基于充液成形工藝，研制了高端數(shù)控充液成形雙動(dòng)液壓機(jī)，該液壓機(jī)真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液一體化。

⑶針對(duì)柔性沖壓生產(chǎn)線的設(shè)備配置和機(jī)器人離線編程技術(shù)，詳細(xì)介紹了薄板沖壓生產(chǎn)線。