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MFC推荐冲压-内高压成形机关键技术研究
2019-09-28 15:57:45 来源： 网络
导读：
引言
内高压成形是一种制造空心轻体结构件的先进制造技术，通过内部加压和轴向进给补料使管材成形，现已发展成为塑性加工领域中的一个热点研究方向。在成形过程中，两轴向进给必须高精度同步，否则产品会产生起皱或破裂等缺陷。因此，两轴向油缸的高精度同步就成为内高压成形机关键技术，如何实现“同步精度”就成为本文研究和解决重点。
内高压成形设备组成
内高压成形设备具备成形工艺所需的全部功能，属于专用设备。其主要由内高压成形机、液压系统、高压源、水压系统和计算机控制系统等五部分组成，其中最重要的设备是内高压成形机。具体详见图1 所示。
内高压成形机是提供模具和轴向推力油缸的安装空间，以及成形时所需的合模力和轴向推力。根据工艺要求，内高压成形机可设计成各种结构形式，例如传统的四柱结构、整体框架结构和组合预紧式框架结构等。为确保产品精度，结构形式多采用组合预紧式框架结构。
液压系统为内高压成形机和高压源提供动力源。液压传动控制系统采用先进的整体式二通插装阀集成块，具有结构紧凑、动作灵敏、通流能力大等优点。高压源、水压系统是产生高内压的核心部件，直接影响到加工能力，最大内压力应根据零件的工艺性决定。
内高压成形机关键技术
内高压成形最主要的工艺因素有：合模力、内压、轴向进给（或轴向推力）。合模力由主缸提供，通过系统压力的比例调节，可实现合模力的线性比例调节。内压由单向或往复式增压器提供，液体工作内压通过超高压传感器进行检测，并反馈给电气系统进行闭环检测。轴向进给（或轴向推力）由两轴向推力油缸提供，轴向油缸的数量、位置、推力、行程等参数根据产品工艺要求来决定，多采用水平布置。
在成形过程中，内压和轴向进给必须合理匹配，若轴向进给过大，内压不足，管坯会出现失稳起皱；反之，则会出现壁厚过度减薄，甚至破裂。所以，轴向进给的“同步精度”就成为内高压成形机的关键技术。合模力、内压与轴向进给随时间变化曲线如图2所示。
内高压成形机研究
内高压成形机的关键技术就是两轴向油缸的“同步精度”。本文从机身结构、液压系统和控制系统三个方面加以研究。首先机身结构的刚性直接影响同步的精度，其次液压系统的流量控制精度和抗偏载能力起到决定性的作用，最后控制方法和调节方式的选择也至关重要。
组合预紧式框架结构
内高压成形机机身采用组合预紧式框架结构，上横梁、立柱、下横梁通过液压涨紧装置组成封闭式框架结构。主缸安装于上横梁上，用于提供成形所需合模力。轴向油缸安装在立柱上，用于轴向推力和进给补料。顶出缸安装在下横梁上，用于成形后产品的顶出。这一结构的特点是各零件结构和工艺性简单，单件重量较小，加工工艺性较好。
组合预紧式框架结构主要工作载荷有：合模力、轴向公称力和顶出力等。其中立柱是研究的重点，立柱承受液压预紧力、轴向公称力、滑块作用的水平力等。立柱的刚性直接影响到轴向位移的“同步精度”要求，现通过ANSYS 有限元分析软件对立柱进行优化设计，确保立柱的变形控制在规定的范围之内，分析结果如图3 所示。
液压系统由能量转换装置、能量调节控制装置、辅助装置及液压附件组成，借助电气系统的控制完成各种动作的循环。动力系统采用比例流量泵，可以实现10％～ 90％的无级调速（按程序控制）。液压传动控制系统采用先进的整体式二通插装阀集成块,具有响应快、流阻小、通流能力强等有点。两轴向油缸分别采用独立的液压动力源和控制集成块，可以有效把两轴向油缸之间的相互作用减到最少。首先通过比例流量泵将两轴向油缸液压油流量和流速调至相近，再通过比例流量阀对两轴向油缸液压油流量进行精确控制，达到“同步精度”要求。
由于液压系统的泄漏、轴向油缸的非线性摩擦阻力、控制元件间的性能差异、各执行元件间负载的差异等因素的影响，将造成执行机构的同步误差，如果液压系统不能有效地加以控制并克服这种同步误差，系统将不能正常工作。液压系统通过AMESim软件创建系统模型，进行运动仿真，对得出的同步曲线和误差曲线进行分析，对液压同步系统进行检验。
双液压缸位移同步的PID 控制设计
内高压成形机的控制系统采用“同等方式”控制，即指两轴向推力油缸同时跟踪设定的理想输出，分别受到控制而达到同步驱动的目的。这种控制方式能把两轴向油缸之间的相互作用减小到最小，且调整时间短，系统的动态性能稳定，便于获得较高的“同步精度”。
PLC 在控制模拟量时，与被控量组成闭环控制系统，进行PID 调节。详见图4 所示。PID 控制过程：首先对液压系统建立数学模型，根据工艺需要设定轴向推力油缸的理想位移曲线，将这个曲线输入到PLC 内部进行处理，通过位移传感器测量出实际位移值，理想值和实际值经过PID 控制处理，得出的输出值传给A/D 模块，进而控制比例流量阀的开口大小，控制轴向油缸的精确位移，两轴向油缸按照初始设定的位移时间曲线进行进给，最终达到同步精确控制。
效果
额定工作载荷下，立柱与轴向油缸处的最大变形为0.25mm （技术要求不大于0.8mm），侧缸中心线转角为0.02°/m（技术要求不大于0.05° /m）。机身采用组合预紧式框架结构合理可行，结构刚性满足成形工艺要求。
采用比例流量泵+ 比例流量阀的液压系统和“同等方式”的控制方案，两轴向油缸同步精度能控制在0.3mm之内，同时运用PID 控制，能保证其定位精度在0.2mm 之内，充分满足工艺要求的0.5mm 之内的技术要求。
结论
两轴向油缸“同步精度”的实现，对内高压成形机的进步具有重大意义，合理控制加载路径，避免产品出现起皱、破裂等失效现象。
机身采用组合预紧式框架结构，结构刚性好；两轴向油缸分别采用独立的液压动力源和控制集成块，可把油缸之间的相互作用减到最少；控制系统采用“同等方式”的PID 控制，调整时间短，系统的动态性能稳定，便于实现高同步精度要求。
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