劉弘焱

（廣汽豐田汽車有限公司，廣東 廣州 511455）

1 沖壓工藝的基本分類和工藝條件

在沖壓拉延成形中，基本的工藝條件包括：材料屈服強度、材料抗拉強度、材料表面摩擦系數(shù)、壓邊力、潤滑條件、沖壓速度、拉延筋的長度、圓角半徑等，也有些技術(shù)方案中，還包括拉延模具表面溫度、潤滑油油膜厚度、材料定位精度、拉延凸模和凹模間隙等。其中，壓邊力是在成形條件中的重要邊界條件之一。

傳統(tǒng)的拉延模具設(shè)計中，壓邊力分為恒壓邊力（預先設(shè)定壓力）和可控變壓邊力。可控變壓邊力可以按照成形過程的需求預先設(shè)定變壓幅度，實現(xiàn)改善拉延成形的精度和變薄率的目的。在很多可控變壓邊力系統(tǒng)中，不但可以提供較大的壓邊力，而且可以采用借助數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)變壓邊力的實時控制，已成為拉延工藝技術(shù)設(shè)計的主要發(fā)展方向。

2 恒壓邊力控制的技術(shù)路線

在傳統(tǒng)拉深工藝中，壓邊力多來源于沖壓手冊等計算預測，并采用預先設(shè)定的方式設(shè)定在工藝設(shè)備上；從沖壓工藝的設(shè)計中，壓邊力也理論上視為在沖壓過程中為恒定值，在拉延變形過程中保持不變。當然，在制造實踐中，恒壓邊力壓邊的假設(shè)條件基本上可以滿足大部分沖壓拉延成形的設(shè)計需求，因此，大量的工藝方法采用恒壓邊力的前提進行設(shè)計。在恒壓邊力系統(tǒng)的工藝設(shè)計中，主要采取的工藝路線有：（1）采用彈性元件提供壓邊力，主要是彈簧和橡膠（含聚氨酯）。

彈簧和橡膠的缺點是壓邊力隨拉深行程增加而近似線性增大，壓邊力的這種變化與成形過程中實際需要的壓邊力和變形力的波動無法一一匹配，可能導致拉延過程中的開裂和起皺難于控制。

采用氣墊提供壓邊力，主要是壓縮空氣提供壓力的機械氣墊和添加液壓調(diào)壓裝置的電液氣墊。機械氣墊氣缸固定在機身工作臺的底面上，當氣缸下腔進入壓縮空氣時，活塞和托板向上移動到上限位置，氣墊進入工作狀態(tài)。當壓力機滑塊向下運動、上模接觸毛坯時，氣墊活塞通過托板、頂桿和壓邊圈將毛坯邊緣壓緊，并隨滑塊向下移動；當滑塊回程時，氣墊活塞隨同滑塊上升到上極限位置。這種裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，活塞內(nèi)部空腔大，氣動系統(tǒng)可以不另備儲氣罐；它的缺點是由于氣壓波動和管道節(jié)流損失，氣墊提供的壓邊力大小也不易準確控制。如圖1 所示，要實現(xiàn)近似與理論模型的相同的恒壓力控制拉延過程，需要控制成形的速度，即控制沖壓速度。從制造工藝來看，實現(xiàn)穩(wěn)定近似的恒壓力需要一定的時間，不易實現(xiàn)快速的沖壓成形，導致生產(chǎn)效率降低。

圖1 空氣氣墊壓力輸出推移圖

采用液壓墊提供壓邊力，滑塊帶動凹模下行，通過板料的凸緣部分和壓邊圈向下推動液壓墊活塞，缸內(nèi)液體由溢流閥排回油箱，缸內(nèi)液體壓力即壓邊壓力由溢流閥調(diào)節(jié)。

采用外滑塊提供壓邊力，外滑塊壓邊用在雙動壓力機上，工作時外滑塊將板料邊緣壓緊，內(nèi)滑塊拉深。另外，也可以直接用液壓調(diào)節(jié)方法，即安放液壓缸驅(qū)動外滑塊，液壓缸內(nèi)的壓力大小由液壓閥調(diào)節(jié)。

3 變壓邊力的技術(shù)路線

T.Yagami 和K.Manabe 等開發(fā)了一套帶有分段壓邊圈的拉深裝置，并進行了方盒形零件拉深成形實驗研究，該裝置的變壓邊力液壓控制系統(tǒng)壓邊圈由多個模塊組成，各模塊均由獨立小液壓缸支撐，作用在壓邊圈各模塊上的壓邊力通過計算機控制伺服閥調(diào)節(jié)。變壓邊力的高性能控制，隨著計算機性能的不斷提高和控制理論的發(fā)展成熟，應用計算機將各種控制方法編制成程序控制變壓邊力已成為提高變壓邊力控制性能的主要手段。

4 伺服電機技術(shù)的發(fā)展，為沖壓拉延成形的壓邊力的精確控制成為可能

小松和豐田汽車聯(lián)合開發(fā)了由伺服電機進行控制的可變壓邊力成形系統(tǒng)。伺服壓力機技術(shù)也在日本各制造廠家中得到了越來越多的運用（圖2）。

通過伺服沖壓機的控制系統(tǒng)，對沖壓過程中的滑塊位置，氣墊頂桿的位置、壓力輸出值等數(shù)據(jù)進行實時的收集和運算，再得到控制信號輸入至伺服壓力機滑塊的伺服電機和氣墊的伺服電機中，實現(xiàn)全成形過程的伺服控制。但是，單單實現(xiàn)這一過程，而沒有與模具設(shè)計原理有機結(jié)合，也不能達到降低模具設(shè)計風險、降低制造成本和實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。因此，利用現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，結(jié)合實際的生產(chǎn)零件，本文對伺服壓力機的電機伺服氣墊運用進行了研究。

圖2 日本壓力廠家種類比例推移

（1）伺服壓力機的各大系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)沖壓設(shè)備與工藝定義，伺服壓力機的基本構(gòu)成與傳統(tǒng)機械壓力機相同，有機身、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、上滑塊、工作臺、氣墊系統(tǒng)、廢料回收系統(tǒng)等構(gòu)成。但“四點式伺服電機氣墊”“均壓化液電伺服系統(tǒng)”是其具有特色的先進工藝，主要包括提供成形動力的上滑塊伺服系統(tǒng)、氣墊伺服系統(tǒng)、均壓化系統(tǒng)。其中通過對氣墊伺服系統(tǒng)的精確控制，可以在材料成形過程中，根據(jù)不同成形階段所需要的壓邊力，提供精確的、可控的成形拉延壓邊力（如圖3）。當然，全部成形過程的壓力控制，也需要上滑塊伺服系統(tǒng)提供滑塊運動位置、均壓化系統(tǒng)提供實時壓力分配反饋及精確的壓力調(diào)整等系統(tǒng)配合。本文的主要研究對象，是在氣墊伺服系統(tǒng)中的預備加速度設(shè)置選項與成形條件的關(guān)系。

（2）伺服氣墊系統(tǒng)的工作過程。工作過程為：伺服馬達提供源動力，經(jīng)由伺服系統(tǒng)進行實時調(diào)節(jié)和控制，經(jīng)過油壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸至均壓化系統(tǒng)，最后，由均壓化系統(tǒng)分配至各輸出點，提供給模具完成成形工作。當模具工作出現(xiàn)異常，有可能導致壓力出現(xiàn)異常波動時，伺服系統(tǒng)還會進行異常保護，讓模具和設(shè)備不發(fā)生進一步的損傷。

（3）伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵條件。伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成，包括伺服馬達、伺服氣墊、均壓化裝置、伺服傳感系統(tǒng)。其中，對成形有控制作用的參數(shù)包括滑塊高度位置、氣墊高度位置、設(shè)定壓邊壓力值、預備加速高度、預備加速速度、氣墊響應時間等。

（4）伺服氣墊系統(tǒng)的特殊條件。由于伺服系統(tǒng)的動力輸出需要把信號反饋到系統(tǒng)中，經(jīng)過運算再由系統(tǒng)反饋到馬達，才能對輸出進行調(diào)節(jié)控制。盡管這一過程非常短，但是，也超過了沖壓高速生產(chǎn)的需求。如果與機械式壓力機的構(gòu)造下，沖壓機上滑塊帶動上模，高速度撞向下模時，對模具本體和伺服氣墊系統(tǒng)都造成了極大沖擊。在試驗中，甚至能記錄到比成形壓力大3 ～4 倍的沖擊力，或者導致伺服系統(tǒng)出現(xiàn)補償行為，導致壓邊力出現(xiàn)急劇變化產(chǎn)生品質(zhì)不良。如圖4 所示，因為設(shè)定值得不合理，壓邊力產(chǎn)生不利于成形條件的瞬間變化，導致發(fā)動機蓋拉延件出現(xiàn)開裂。

因此，伺服氣墊系統(tǒng)設(shè)計了一個預備加速度設(shè)置的功能。預備加速度的基本原理，就是在成形過程開始前，使用氣墊伺服系統(tǒng)的氣墊頂桿，將模具的下模壓邊圈先行抬高3 ～8mm，然后實時監(jiān)控上滑塊的高度，當上滑塊的上?？煲c下模接觸時，下模壓邊圈提前以上滑塊40%～60%的速度向下運動。通過同步啟動、差速運動的調(diào)整，既可以有效降低成形初期的沖擊力，又能保證成形初期壓邊圈上拉延筋的形成。

圖3 伺服壓力控制系統(tǒng)

圖4 53311(機蓋外板)壓邊力推移

圖5 預加速無、拉延、SPM8

（5）以53311（機蓋外板）部品為例的不同設(shè)定條件下的伺服氣墊變壓邊力變化（氣墊波形）。通過不同的伺服氣墊參數(shù)設(shè)置，可以對拉延過程中的壓邊力實現(xiàn)可控的、變化的、一致的輸出。以53311（機蓋外板）部品為例，通過設(shè)定不同的參數(shù)值，如圖5 ～7 分別實現(xiàn)了3 種不同的輸出圖形。

圖6 預加速無、拉延、SPM16

圖7 預加速8mm、沖突速度50%、脹形、SPM16

并且根據(jù)成形工藝的特點，還可以分別實現(xiàn)深拉延成形、淺拉延脹形兩種輸出模式。最終，根據(jù)豐田沖壓品質(zhì)良品條件判定、采用了圖9 的條件進行量產(chǎn)。

（6）伺服壓力機系統(tǒng)的其他優(yōu)點。伺服壓力機的能耗優(yōu)越性：根據(jù)已知研究表明，伺服壓力機較傳統(tǒng)的機械式壓力機節(jié)約能源。

圖8 伺服壓力機與機械壓力機的節(jié)能比例[24]

5 結(jié)論與展望

伺服壓力機和伺服氣墊系統(tǒng)的運用，在品質(zhì)控制、低碳減排、環(huán)境保護方面都有突出貢獻。但是，伺服系統(tǒng)的控制也有亟待解決的課題。另外，發(fā)展我國的伺服壓力機和伺服系統(tǒng)符合我國的長期戰(zhàn)略。期待能在將來的伺服系統(tǒng)開發(fā)、應用、管理提升方面作出應有的貢獻。