CN102172704A - 一种大吨位管材内高压成形装置 - Google Patents

Abstract

一种大吨位管材内高压成形装置，包括上横梁，上横梁、滑块和下横梁通过拉杆连接，在上横梁和滑块之间设置有肘杆增力机构，在上横梁上设有两套对称放置的合模伺服驱动机构，装置的信号检测反馈机构由标尺光栅等组成，在滑块和下横梁之间设置有管坯轴向伺服进给机构，合模伺服电机驱动肘杆增力机构进行合模，合模过程中根据模具内腔所受渐增的管材成形内压力精确的增大合模压力，保证成形过程中模具始终闭合的同时使模具在受力作用下的变形量小，从而提高模具寿命，采用伺服电机驱动的管坯轴向进给机构在成形过程中精确控制管坯进给速度，保证管材均匀形变，本发明锁模力大且可变，轴向进给精度高，具有控制方便、结构简单、成本低的优点。

Description

一种大吨位管材内高压成形装置

技术领域

本发明属于管材内高压成形装备领域，特别涉及一种大吨位管材内高压成形装置。

背景技术

当前，随着汽车、航空、航天和机械行业对机构整体化和轻量化的需求越来越高，内高压成形技术得到了较广泛的应用，逐渐成为工业生产中制造复杂异形截面轻体构件的一种先进成形技术。尤其是在汽车生产中，如汽车的排气系统异形管件、副车架、仪表盘支架等，都在以内高压成形加工方法逐渐替代原来的传统加工方法。该项技术的基本工艺过程为：首先将管坯放在下模内，然后闭合上模，将管的两端用水平轴向冲头密封，并使管坯内充满液体，在加压膨胀成形的过程中，两端的轴向冲头同时向内推进补料，这样在内压和轴向力的联合作用下是管坯贴靠模具内部行腔而成行为所需的工件。由于管坯是在内部高液压和轴向力共同作用下成形，高压源在零件内部要产生上百兆帕的内压，因此上下模具间要有足够的合模力，消除成形过程中内高压对模具产生的反向推动力，这时因为合模力过大，则会导致模具变形和磨损严重；同时，随着成形过程的进行，管坯不断变形，为了保证管坯整体形变均匀，要精确的控制管坯的进给，所以内高压成形的关键就是成形过程中模具锁紧和精确的管坯进给速度。

近几年，由于内高压成形件整体化和高精度化发展，使内高压成形件的尺寸逐渐增加，管件圆角逐渐变小，进而导致成形用内高压源和锁模力大幅增加。内高压源的技术问题已经得以解决，国外超高压系统现在可提供800MPa的超高压，然而，目前锁模机构均采用油压机，其巨大的锁模力要求不断增大液压缸及其本体结构，同时，考虑到更换模具所需空间，液压缸的行程较大，因此，液压机制造成本高。内高压成形过程中，传统的几千吨液压机，模具的开合和锁紧采用同一油缸实现，由于模具的开合行程较大，而且锁模需要的压力极高，导致油缸的规模很大，然而模具的在成形起始阶段合模力较小，造成不必要的资源浪费；在成形过程中液压缸推动滑块使模具一步到位直接锁紧，模具间承受极大的合模压力，且合模力始终保持在最大合模力附近，因此整个成形过程都需要极高的油压来维持合模力，由于模具上始终承受着巨大的合模压力，模具形变较大，使得零件质量和精度低。此种液压锁模设备投资巨大，体积庞大，耗能高，模具寿命低，生产效率低，噪声大，滑块移动控制精度低，而且锁紧力比较有限，尤其对大型零件不太适用。传统的内高压成形装置，轴向进给系统也由液压系统进行驱动，轴向进给系统和内压的匹配无法精确控制，造成成形零件精度差，系统零漂严重，控制复杂等问题。因此，在内高压成形中使用液压缸机构没有明显的优势。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大吨位管材内高压成形装置，能够提供5000吨及其以上的锁模力，锁模力大且可变，轴向进给精度高，具有控制方便、结构简单、成本低的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大吨位管材内高压成形装置，包括上横梁1、滑块2和下横梁3，上横梁1、滑块2和下横梁3通过拉杆4连接，牙套6套在拉杆4上，在上横梁1和滑块2之间设置有肘杆增力机构，肘杆增力机构由一组左右对称的连接头12、小连杆13、肘杆14和大连杆15组成，大连杆15、小连杆13和肘杆14均以机器的中线对称铰接，并与连接头12连接，肘杆14由四个两端配有铰接孔且中间两两连在一起的连杆构成，大连杆15由五个两端配有铰接孔且中间两两连在一起的连杆构成，对称放置的肘杆14与上横梁1铰接形成的四个铰接点的左右距离大于对称放置的大连杆15与滑块2铰接形成的四个铰接点的左右距离，上横梁1、肘杆14、大连杆15、滑块2、小连杆13之间通过销轴35连接；

在上横梁1上设有两套对称放置的合模伺服驱动机构，其由合模伺服电机7、同步带9、滚珠丝杠8构成，合模伺服电机7通过同步带9与滚珠丝杠8连接；

装置的信号检测反馈机构由标尺光栅11、光栅读数头10、合模压力传感器16、轴向进给压力传感器33组成，标尺光栅11固定在滚珠丝杠8上，光栅读数头10固定在上横梁1上，合模压力传感器16固定在上模具17和滑块2中间，轴向进给压力传感器33安装在冲头30和螺母滑块29中间，光栅读数头10、合模压力传感器16和轴向进给压力传感器33都与总控制系统连接；

在滑块2和下横梁3之间设置有两套左右对称的管坯轴向伺服进给机构，管坯轴向伺服进给机构包括一轴向进给机构U型基座21，轴向进给机构U型基座21的U型腔内配置一轴向进给伺服电机22，轴向进给伺服电机22的输出端与轴向进给丝杠23连接，轴向进给丝杠23与螺母滑块29通过螺旋副连接，螺母滑块29的另一端连接有冲头30，在冲头30上设有进液装置31。

所述的肘杆增力机构在工作时，肘杆14和大连杆15所处的位置应满足二者之间的夹角为4-6度，随着零件成形的进行，角度减小至2-3度。

本发明的工作原理为：

本发明装置采用了肘杆增力机构和伺服进给系统相互配合以达到精确控制管坯的内高压成形过程，合模前，合模伺服电机7带动滑块2快速移动使模具闭合，并产生较小的合模力，在成形过程中合模压力传感器16将检测到的模具间的不断增大的成形内压力信号传动给总控制系统，此时装置整体会发生微小形变，为保证模具闭合，总控制系统发出控制信号控制合模伺服电机7继续推动滑块2下移，滚珠丝杠8的轴向驱动力小于150吨，通过肘杆增力机构放大几十倍变成合模力作用于上模具17上使模具始终闭合；同时，在成形过程中，总控制系统根据进给压力传感器33产生的压力信号，控制轴向进给伺服电机22的转动，精确的推动冲头30移动，保证管坯18的进给与内压相匹配。由于伺服电机能够随时的精确控制，从而滑块2的移动量和管坯18的进给量能精确控制，进而能够精确控制合模力和变形率；开模时合模伺服电机7和轴向进给伺服电机22分别反转，需要很小的力便可以取出成形完毕的零件。

本发明具有以下优点：

一、采用了具有肘杆增力机构的伺服电机控制机械锁模装置，相对于传统液压成形设备，此种机械锁模装置整体结构简单，制造成本低，特别是在大吨位内高压成形中，该机械装置的优势更加明显。

二、采用了具有肘杆增力机构可将驱动力放大几十倍，因此锁模力大，驱动力相对较小，降低了设备运行时的能耗，并且机械机构开模时，滑块的行程大，易于进行换模。

三、本设备采用了四个伺服电机直接驱动滑块运动以及管坯两端的轴向进给，通过光栅尺和力传感器等信号反馈元件使伺服控制系统对伺服电机进行闭环控制，进而实现高精密的成形，制造工件质量高。与传统液压合模和轴向进给系统相比，伺服电机控制系统具有控制简单，控制精度高，响应速度快，以及可进行速度控制和力矩控制两种形式的优点。

四、传统的液压锁模方法，成形过程中锁模力不变，使成形初期阶段模具所受压应力过大、变形量大、磨损严重且寿命低。而采用机械增力机构可以通过精确控制伺服电机来实现随成形过程变化的锁模力，可以显著提高模具寿命长。

五、采用伺服电机和滚珠丝杠的肘杆增力机构，易于提高滑块的移动速度，使成形模具闭合开启速度快，成形效率高，在合模瞬间降低滑块速度可以大幅度降低合模噪音。

六.装置采用了预应力机身机构，U型水平进给机构，以及呈直角传动的减速器，使装置整体具有良好的刚度、强度，整体机构紧凑，工作性能平稳可靠。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的轴向进给结构示意图。

图3是本发明的肘杆增力机构与上横梁1和滑块2的连接示意图。

图4是本发明的成形过程中参数控制示意图，其中：横坐标表示合模后滑块继续移动的距离；纵坐标表示肘杆增力机构放大倍数。

图5是本发明合模后肘杆增力机构的放大倍数与滑块位移的关系图，其中：横坐标表示成形过程时间；纵坐标表示成形过程中锁模力F的大小、内压力P的大小、轴向进给量S的大小、肘杆增力放大倍数R的大小。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种大吨位管材内高压成形装置，包括上横梁1、滑块2和下横梁3，上横梁1、滑块2和下横梁3通过拉杆4、螺母5连接，牙套6套在拉杆4上，拉杆4发生拉伸变形产生约为锁模力1.2倍的预紧力，预紧力通过上横梁1和下横梁3作用在牙套6上，牙套6在预紧力作用下产生微小变形，成形阶段时，作用在上横梁1和下横梁3的力通过螺母5使拉杆4产生更大的拉伸形变，因而牙套6受力减小，但仍然受到上下横梁的压力，因此整个过程拉杆4、牙套6变形相对较小，保证了成形装置具有良好的刚度、强度和整体工作性能，在上横梁1和滑块2之间设置有肘杆增力机构，肘杆增力机构由一组左右对称的连接头12、小连杆13、肘杆14和大连杆15组成，大连杆15、小连杆13和肘杆14均以机器的中线对称铰接，并与连接头12连接，参照图3，肘杆14由四个两端配有铰接孔且中间两两连在一起的连杆构成，大连杆15由五个两端配有铰接孔且中间两两连在一起的连杆构成，对称放置的肘杆14与上横梁1铰接形成的四个铰接点的左右距离大于对称放置的大连杆15与滑块2铰接形成的四个铰接点的左右距离，左右对称形成的八个铰接点相对传统单个、两个或四个铰接点可以使滑块在成形过程中受力更加均匀，刚性和强度更好，上横梁1、肘杆14、大连杆15、滑块2、小连杆13之间通过销轴35连接，小连杆13起到机构运行灵活、避免应力、响应快等作用；

在上横梁1上设有两套对称放置的合模伺服驱动机构，保证工作时轴向力的平衡，合模伺服驱动机构由合模伺服电机7、同步带9、滚珠丝杠8构成，合模伺服电机7通过同步带9与和滚珠丝杠8连接，同步带9起增大电机输出扭矩和降低转速的作用；

装置的信号检测反馈机构由标尺光栅11、光栅读数头10、合模压力传感器16、轴向进给压力传感器33组成，标尺光栅11固定在滚珠丝杠8上，光栅读数头10固定在上横梁1上，合模压力传感器16固定在上模具17和滑块2中间，轴向进给压力传感器33安装在冲头30和螺母滑块29中间，光栅读数头10、合模压力传感器16和轴向进给压力传感器33都与总控制系统连接，标尺光栅11和光栅读数头10用来检测滚珠丝杠8的移动距离，其信号传输给总控制系统，总控制系统通过控制合模伺服电机7达到同步带9和滚珠丝杠8同步转动，合模压力传感器16、轴向进给压力传感器33分别用来检测锁模力和轴向进给力；

参照图2，在滑块2和下横梁3之间设置有两套左右对称管坯轴向伺服进给机构，管坯轴向伺服进给机构包括轴向进给伺服电机22，轴向进给伺服电机22装在轴向进给机构U型基座21上，并与联轴器24输入端连接，联轴器24输出端与轴向进给丝杠23连接，轴向进给丝杠23与螺母滑块29通过螺旋副连接，螺母滑块29放置在导轨支架28上，冲头30和螺母滑块29通过螺杆32连接，管坯18放在冲头30的前端，圆锥滚子轴承25安装在固定板26上，固定板26装有肋板27，轴承端盖34将圆锥滚子轴承25固定在固定板26上，固定板26安放在轴向进给机构U型基座21上，在冲头30上设有进液装置31，上模具17安装在滑块2上，下模具20固定在垫板19上，垫板19固定轴向进给机构U型基座21上在，轴向进给伺服电机22通过联轴器24带动轴向进给丝杠23旋转，进而带动螺母滑块29在螺母滑块导轨支架28左右移动，螺母滑块29带动冲头30移动，进而使得管坯18进给，左右两边对称放置的固定板26使由油压产生的轴向大压力通过圆锥滚子轴承25作用在其上的作用力通过轴向进给机构U型基座21相互平衡，保证整个装置受力平衡，肋板27起加强固定板26强度的作用，在成形过程中，管坯胀形用高压水通过进液装置31注入到管坯18内部。

所述的肘杆增力机构在工作时，肘杆14和大连杆15所处的位置应满足二者之间的夹角为4-6度，随着零件成形的进行，角度减小至2-3度。

本发明的工作原理为：

成形进给阶段，合模驱动装置和轴向进给伺服系统相互匹配控制。首先，合模伺服电机7通过同步带9带动滚珠丝杠8下移，同步带9可以起到增大转矩和降低转速的作用，进而推动连接头12下移，使得滑块2不断下移。两滚珠丝杠旁的检测装置，不断检测量丝杠滚珠的移动，二者的输出信号通过控制系统处理后传递给合模伺服电机7，通过不断的控制两合模伺服电机7的转速，确保滚珠丝杠的同步移动，避免侧向力的产生，滑块2可以快速移动到距合模位置30mm左右处，然后降低速度，再低速移动使模具闭合，这样可以大幅度降低合模噪音，此时合模力较小。随着管坯胀形用高压水从进液装置31不断注入管坯18，管坯18逐渐充填到模具内腔上，作用在模具上的力越来越大，使模具发生小变形，合模压力传感器16检测到作用在模具上的力不断增大，将信号传递给总控制系统，总控制系统将精确控制合模伺服电机7转动，产生更大的驱动力，进而推动滑块2下移，从合模处开始，滑块2移动的距离与增力机构放大倍数关系如图4所示，参照图4，可以看出，只需要相对较小的驱动力便可以达到锁模力，保证整个成形过程模具始终闭合；同时，随着成形过程的进行，参照图5，管坯18不断变形，填充到模具空腔中，内压力P不断增大，为保证模具闭合，通过肘杆增力机构把合模伺服进给机构输出力放大倍数R后的合模力F始终大于内压力P，此时，进给压力传感器33检测到轴向压力不断增大，总控制系统得到其信号后将根据其压力的大小对轴向进给伺服电机22进行速度控制或力矩控制，精确的保证管坯轴向进给量S，保证在成形过程中管坯整体形变均匀。参照图2，轴向液压力首先作用在冲头30上，通过螺母滑块29、轴向进给丝杠23将力作用圆锥滚子轴承25上，其装在固定板26上，固定板26装有肋板27，保证在大的轴向作用力下的强度和刚度，左右对称的固定板26最终将力施加在轴向进给机构基座21上，二力大小相等，方向相反，通过轴向进给机构基座21可以将巨大的轴向力平衡。轴承端盖34可将轴承固定在固定板26上，防止圆锥滚子轴承25轴向移动。在整个成形过程中，合模力F始终稍大于模具内部液压所施加给它的胀形力，使得模具形变小，管坯的进给速度与管坯形变相匹配，保证了零件整体变形较好，进而得到精度和质量高的成形零件。

成形结束开模阶段：管坯成形完毕后，合模伺服电机7和轴向进给伺服电机22快速反转，滑块2快速上移，冲头30外移，成形好的零件容易的顺利取出。整个成形过程所需时间短，效率高。

附图中：1为上横梁；2为滑块；3为下横梁；4为拉杆；5为螺母；6为牙套；7为合模伺服电机；8为滚珠丝杠；9为同步带；10为光栅读数头；11为标尺光栅；12为连接头；13为小连杆；14为肘杆；15为大连杆；16为合模压力传感器；17为上模具；18为管坯；19为垫板；20为下模具；21为轴向进给机构U型基座；22为轴向进给伺服电机；23为轴向进给丝杆；24为联轴器；25为圆锥滚子轴承；26为固定板；27为肋板；28为螺母滑块导轨支架；29为螺母滑块；30为冲头；31为进液装置；32为螺杆；33为进给压力传感器；34为轴承端盖；35为销轴。

Claims (2)

1.一种大吨位管材内高压成形装置，包括上横梁(1)、滑块(2)和下横梁(3)，上横梁(1)、滑块(2)和下横梁(3)通过拉杆4连接，牙套(6)套在拉杆(4)上，其特征在于：在上横梁(1)和滑块(2)之间设置有肘杆增力机构，肘杆增力机构由一组左右对称的连接头(12)、小连杆(13)、肘杆(14)和大连杆(15)组成，大连杆(15)、小连杆(13)和肘杆(14)均以机器的中线对称铰接，并与连接头(12)连接，肘杆(14)由四个两端配有铰接孔且中间两两连在一起的连杆构成，大连杆(15)由五个两端配有铰接孔且中间两两连在一起的连杆构成，对称放置的肘杆(14)与上横梁(1)铰接形成的四个铰接点的左右距离大于对称放置的大连杆(15)与滑块(2)铰接形成的四个铰接点的左右距离，上横梁(1)、肘杆(14)、大连杆(15)、滑块(2)、小连杆(13)之间通过销轴35连接；

在上横梁(1)上设有两套对称放置的合模伺服驱动机构，其由合模伺服电机(7)、同步带(9)、滚珠丝杠(8)构成，合模伺服电机(7)通过同步带(9)与和滚珠丝杠(8)连接；

装置的信号检测反馈机构由标尺光栅(11)、光栅读数头(10)、合模压力传感器(16)、轴向进给压力传感器(33)组成，标尺光栅(11)固定在滚珠丝杠(8)上，光栅读数头(10)固定在上横梁(1)上，合模压力传感器(16)固定在上模具(17)和滑块(2)中间，轴向进给压力传感器(33)安装在冲头(30)和螺母滑块(29)中间，光栅读数头(10)、合模压力传感器(16)和轴向进给压力传感器(33)都与总控制系统连接；

在滑块(2)和下横梁(3)之间设置有两套左右对称的管坯轴向伺服进给机构，管坯轴向伺服进给机构包括一轴向进给机构U型基座(21)，轴向进给机构U型基座(21)的U型腔内配置一轴向进给伺服电机(22)，轴向进给伺服电机(22)的输出端与轴向进给丝杠(23)连接，轴向进给丝杠(23)与螺母滑块(29)通过螺旋副连接，螺母滑块(29)的另一端连接有冲头(30)，在冲头(30)上设有进液装置(31)。

2.根据权利要求1所述的一种大吨位管材内高压成形装置，其特征在于：所述的肘杆增力机构在工作时，肘杆(14)和大连杆(15)所处的位置应满足二者之间的夹角为4-6度，随着零件成形的进行，角度减小至2-3度。

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