CN105729877A - 一种可变合模力的内高压成形机及内高压成形加工方法 - Google Patents

一种可变合模力的内高压成形机及内高压成形加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可变合模力的内高压成形机，包括机身、液压系统和充液系统，机身上部设有长行程油缸，其活塞杆的前端连接有上滑块；上滑块的下表面安装上模；机身底部设有短行程油缸，其包括一个柱塞油缸和四个辅助活塞油缸，其上端安装下滑块，下滑块的上表面安装下模；机身上部的左右两侧壁上分别安装水平定位油缸，其活塞杆前端安装定位块；机身下部左右两侧壁上分别安装轴向补料进给油缸，轴向补料进给油缸的活塞杆前端安装密封冲头；充液系统设有增压缸；液压系统供给驱动所有油缸工作的工作介质。本发明还公开了一种内高压成形加工方法。本发明能够使合模力按照给定的加载曲线跟随管材内部高压的变化而变化，提高成形零件质量和生产效率。

Description

一种可变合模力的内高压成形机及内高压成形加工方法
技术领域
本发明涉及一种内高压成形机及加工方法，特别涉及一种可变合模力的内高压成形机及内高压成形加工方法。
背景技术
目前，内高压成形技术是以高压液体作为媒介，利用管件两端的轴向补料进给力和管材内部高压胀形的共同作用使管件在模具中成形为所需形状的一种新型加工工艺技术。该成形方法相对于传统成形方法具有减轻工件重量、提高材料利用率和降低制造成本等一系列的优点。
内高压成形机是实现管坯内高压成形的设备，主要包括合模压力机、轴向进给补料油缸、高压源、液压系统、水压系统和控制系统。合模压力机实现模具开闭并提供内高压成形时的合模力，轴向进给补料油缸实现管坯两个端头的密封和轴向补料进给，高压源提供超高压液体，控制系统实现对整个系统的控制。
传统的管材内高压成形机基本上都是利用普通液压机提供合模力，成形过程中始终施加最大合模力。对于大吨位内高压成形机来说，这种合模方式需要合模压力机长时间处于高压状态，不仅会严重浪费液压能，也会对各个液压元件造成一定的损害。在成形过程初期，管材内部液体压力很低，最大合模力几乎完全作用在上下模具接触面上，因此需要模具的设计尺寸很大，长期的工作会导致模具的变形和破坏，增加模具的制造成本。同时，恒定的最大合模力往往造成管坯与模具表面摩擦力大，使管材零件补料、走料困难，使薄壁、变形大、形状复杂的零件容易产生破裂，降低了成形零件的质量和生产效率。传统的内高压成形机在成形过程中，始终保持最大合模力，造成能源浪费，模具变形和破坏，使得产品质量和生产效率低下。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可变合模力的内高压成形机及内高压成形加工方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种可变合模力的内高压成形机，包括机身、液压系统和充液系统，所述机身包括上横梁、下横梁和四根立柱，所述机身上部设有长行程油缸，所述长行程油缸的活塞杆的前端连接有上滑块，所述上滑块的下表面安装上模，所述上滑块由所述四根立柱进行导向；所述机身底部设有短行程油缸，所述短行程油缸包括一个柱塞油缸和四个辅助活塞油缸，在所述柱塞油缸的柱塞上端和四个所述辅助活塞油缸的活塞杆上端安装下滑块，所述下滑块的上表面安装下模；所述下滑块由所述四根立柱进行导向；所述机身上部的左右两侧壁上分别安装水平定位油缸；所述水平定位油缸的活塞杆前端安装定位块；所述机身下部的左右两侧壁上分别安装轴向补料进给油缸，其中左侧为左轴向补料进给油缸，右侧为右轴向补料进给油缸，所述轴向补料进给油缸的活塞杆前端安装密封冲头；所述充液系统设有增压缸，所述增压缸包括高压腔和低压腔；所述液压系统供给驱动所述长行程油缸、所述短行程油缸、所述水平定位油缸、所述轴向补料进给油缸和所述增压缸的工作介质，所述柱塞油缸和所述四个辅助活塞油缸的无杆腔进出油路中连接三级电液伺服阀。
进一步地，所述液压系统包括第一液压系统和第二液压系统，所述第一液压系统由恒压变量泵供给驱动所述长行程油缸、所述短行程油缸和所述水平定位油缸的工作介质；所述第二液压系统由所述负载敏感泵供给驱动所述轴向补料进给油缸和所述增压缸的工作介质。
进一步地，所述四个辅助活塞油缸的有杆腔进出油路中连接减压-溢流阀组。
进一步地，所述长行程油缸的进出油路中连接电液比例阀，所述长行程油缸的有杆腔的进出油口与所述电液比例阀之间的油路中连接缓冲阀组。
进一步地，所述左轴向补料进给油缸的进出油口依次连接二级电液伺服阀A和左两位四通电液换向阀,所述右轴向补料进给油缸的进出油口依次连接二级电液伺服阀B和右两位四通电液换向阀。
进一步地，所述增压缸的低压腔的进出油口依次连接二级电液伺服阀C和两位四通电磁换向阀。
进一步地，所述恒压变量泵吸油口连接油箱A，出油口依次连接单向阀A和过滤器A。
进一步地，所述负载敏感泵的吸油口连接油箱B，出油口依次连接单向阀B、过滤器B、截止阀和蓄能器。
本发明还提供一种利用上述可变合模力的内高压成形机的内高压成形加工方法，包括如下步骤：
准备步骤：将处理好的管坯放入下模；
合模步骤：驱动长行程缸，闭合上模和下模，并施加一定的预成形压力，将定位块推入上滑块和上横梁之间，锁紧系统，然后长行程油缸卸压，成为悬浮状态，并且短行程油缸加压到一定压力；
充液步骤：轴向补料进给油缸横向进给，对管坯两端进行密封，利用高速充液系统向管坯内进行充液，并加压到一定压力；
成形与整形步骤：增压缸和轴向补料进给油缸按设定的加载曲线实现加压和补料，同时短行程油缸根据管件内部压力的变化，通过三级电液伺服阀的闭环控制方式，使合模力随管件内部高压的变化而逐渐增加，直到管件内压达到目标值后，继续保压一段时间；
卸压与开模步骤：管材成形结束后，进行卸压和开模，取出成形后的零件。
进一步地，所述成形与整形步骤中，在所述增压缸的高压腔设有压力传感器，所述压力传感器采集的压力信号反馈给所述三级电液伺服阀，与给定的输入信号形成压力闭环控制，使合模力根据给定加载曲线进行加载，保证在成形过程中可变合模力始终与管件内部压力作用在模具上的力的差为某一设定值或范围。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、内高压成形机合模力通过伺服阀闭环控制方式，使合模力随管件内部高压的变化而逐渐增加，保证在成形过程中可变合模力始终与管件内部压力作用在模具上的力的差为某一设定值或范围，在保证模具紧密闭合的情况下，既避免了能源的浪费，又使上下模具之间的相互作用力不大。
2、成形过程中，上下模具之间的相互作用力始终保持在某一设定值或范围之间，从而可以减小模具设计的尺寸和避免模具的变形和破坏，又使管坯与模具表面之间的摩擦力减小，对于薄壁、变形大、形状复杂的零件而言更容易成形，提高了成形零件的质量和生产效率。
3、短行程油缸采用一个大柱塞油缸和四个小的辅助活塞油缸组合，且伺服阀只控制柱塞油缸和四个辅助活塞油缸下腔，活塞缸上腔连接减压-溢流阀组，避免了伺服阀换向时短行程油缸的上腔压力波动大的问题。下模上行时，短行程油缸上腔有一个恒定的背压，使运动更加平稳，下模回程时，主要靠下模、下滑块自量和活塞缸上腔恒定的压力带动下模下行。
附图说明
图1是本发明内高压成形机合模前初始状态的结构示意图；
图2是本发明内高压成形机合模后成形过程中的结构示意图；
图3是本发明内高压成形机液压系统原理图；
图4是本发明中驱动短行程缸工作的液压系统原理图；
图5是内高压成形合模力和内高压加载曲线示意图。
图中：1、电机A；2、恒压变量泵(设定25MPa)；3、单向阀A；4、过滤器A；5、安全溢流阀A；6、减压阀A(设定16MPa)；7、油箱A；8、插装阀组；9、减压阀B(设定2MPa)；10、三级电液伺服阀；11、辅助活塞油缸(共四个)；12、溢流阀(设定2.5MPa)；13、柱塞油缸；14、下滑块；15、二级电液伺服阀B；16、右两位四通电液换向阀；17、右轴向补料进给油缸；18、右密封冲头；19、右三位四通电液换向阀；20、右水平定位油缸；21、右定位块；22、缓冲阀组；23、电液比例阀；24、长行程油缸；25、上滑块；26、左三位四通电液换向阀；27、左水平定位油缸；28、左定位块；29、二级电液伺服阀A；30、左两位四通电液换向阀；31、左轴向补料进给油缸；32、左密封冲头；33、管坯；34、二级电液伺服阀C；35、两位四通电磁换向阀；36、增压缸；37、蓄能器；38、截止阀；39、油箱B；40、过滤器B；41、电机B；42、负载敏感泵(设定25MPa)；43、单向阀B；44、安全溢流阀B；45、下横梁；46、下模；47、上模；48、上横梁；49、立柱；50、充液系统；51、液压系统；52、控制系统；F、合模力；Ps、为液压系统泵源压力。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1～图5，一种可变合模力的内高压成形机，包括机身、液压系统51和充液系统50，以及控制系统52，所述机身包括上横梁45、下横梁48和四根立柱49，所述机身上部设有长行程油缸24，所述长行程油缸24的活塞杆的前端连接有上滑块25，所述上滑块25的下表面安装上模47，所述上滑块25由四根立柱49进行导向；所述机身底部设有短行程油缸，所述短行程油缸包括一个柱塞油缸13和四个辅助活塞油缸11，其中柱塞油缸13为主，四个辅助活塞油缸11比柱塞油缸13小，在所述柱塞油缸13的柱塞上端和四个所述辅助活塞油缸11的活塞杆上端安装下滑块14，所述下滑块14的上表面安装下模46，所述下滑块由四根立柱49进行导向；四个辅助活塞油缸11在下滑块14四角均匀分布，下滑块14的上表面安装下模46，下滑块14由四根立柱49进行导向；所述机身上部的左右两侧壁上分别安装水平定位油缸，分别为左水平定位油缸27和右水平定位油缸20；所述水平定位油缸的活塞杆前端安装定位块，其中左水平定位油缸27的活塞杆前端安装左定位块28，右水平定位油缸20的活塞杆前端安装右定位块21；所述机身下部的左右两侧壁上分别安装轴向补料进给油缸，其中左侧为左轴向补料进给油缸31，右侧为右轴向补料进给油缸17，所述补料进给油缸的活塞杆前端安装密封冲头，其中左轴向补料进给油缸31的活塞杆前端安装左密封冲头32，右轴向补料进给油缸17的活塞杆前端安装右密封冲头18；所述充液系统50设有增压缸36；所述液压系统51供给驱动所述长行程油缸24、所述短行程油缸、所述水平定位油缸、所述轴向补料进给油缸和所述增压缸36的工作介质，所述柱塞油缸13和所述四个辅助活塞油缸11的无杆腔进出油路中连接三级电液伺服阀10。
进一步地，所述液压系统51可包括第一液压系统和第二液压系统，所述第一液压系统可由恒压变量泵2供给驱动所述长行程油缸24、所述短行程油缸和所述水平定位油缸的工作介质；所述第二液压系统可由所述负载敏感泵42供给驱动所述轴向补料进给油缸和所述增压缸36的工作介质。恒压变量泵2由电机A1驱动；负载敏感泵42由电机B41驱动。
进一步地，所述四个辅助活塞油缸11的有杆腔进出油路中可连接减压-溢流阀组。减压-溢流阀组可由溢流阀12、减压阀A6和减压阀B9组合而成。
进一步地，所述长行程油缸24的进出油路中连接电液比例阀23，所述长行程油缸24的有杆腔的进出油口可与所述电液比例阀23之间的油路中连接缓冲阀组22。
进一步地，所述左轴向补料进给油缸31的进出油口可依次连接二级电液伺服阀A29和左两位四通电液换向阀30,所述右轴向补料进给油缸17的进出油口可依次连接二级电液伺服阀B15和右两位四通电液换向阀16。
进一步地，所述增压缸36的低压腔的进出油口可依次连接二级电液伺服阀C34和两位四通电磁换向阀35。
进一步地，所述恒压变量泵2的吸油口连接油箱A7，出油口可依次连接单向阀A3和过滤器A4，在单向阀A3和过滤器A4之间连接安全溢流阀A5。在过滤器A4之后连接插装阀组8。
进一步地，所述负载敏感泵42的吸油口连接油箱B39，出油口可依次连接单向阀B43、过滤器B40、截止阀38和蓄能器37。在单向阀B43和过滤器B40之间连接安全溢流阀B44。
控制系统52输出信号控制上述电机和各种电驱动阀类元件的工作。
本发明还提供一种利用上述可变合模力的内高压成形机的内高压成形加工方法的实施例，具体包括如下步骤：
准备步骤：使设备处于初始状态，将处理好的管坯放入下模46；
合模步骤：驱动长行程缸24，闭合上模47和下模46，并施加一定的预成形压力，将定位块推入上滑块25和上横梁48之间，锁紧系统，然后长行程油缸24卸压，成为悬浮状态，并且短行程油缸加压到一定压力；
充液步骤：两侧轴向补料进给油缸轴向进给，对管坯两端进行密封，利用高速充液系统向管坯内进行充液，并加压到一定压力；
成形与整形步骤：增压缸36和轴向补料进给油缸17按设定的加载曲线实现加压和补料，同时短行程油缸根据管件内部压力的变化，通过三级电液伺服阀的闭环控制方式，使合模力随管件内部高压的变化而逐渐增加，直到管件内压达到目标值后，继续保压一段时间；
卸压与开模步骤：管材成形结束后，进行卸压和开模，取出成形后的零件。
进一步地，所述合模步骤中，长行程油缸24可采用电液比例阀和缓冲阀组的共同控制，可使上模实现先加速、后匀速、再减速的下行运动，完成无冲击合模。
进一步地，进一步地，所述成形与整形步骤中，在所述增压缸36的高压腔设有压力传感器，所述压力传感器采集的压力信号反馈给所述三级电液伺服阀10，与给定的输入信号形成压力闭环控制，使合模力根据给定加载曲线进行加载，保证在成形过程中可变合模力始终与管件内部压力作用在模具上的力的差为某一设定值或范围。
具体以50MN内高压成形机为例，进一步详细说明本发明的基本工作过程如下：
(1)首先，内高压成形机处于原始位置，上模47处于最上端，下模46处于最下端，左定位滑块28、右定位滑块21分别处于左、右端原始位置，左密封冲头32、右密封冲头18分别处于左、右端原始位置，用机械手将处理好的管坯33放入下模46中。
(2)合模阶段，在电液比例阀23的位置闭环控制和缓冲阀组22的共同控制下，使上模47实现加速-匀速-减速的下行运动，完成无冲击合模，然后通过电液比例阀23的压力闭环控制对上滑块25施加1500KN的预成形压力，左三位四通电液换向阀26控制左水平定位油缸27把左定位块28推入上横梁48和上滑块25之间，右三位四通电液换向阀19控制右水平定位油缸20把右定位块21推入上横梁48和上滑块25之间，锁紧上模47，然后电液比例阀23控制释放预成形压力，使上滑块25为悬浮状态；短行程油缸(由一个大的柱塞油缸13和四个小的辅助活塞油缸11组成)在三级电液伺服阀10的闭环控制下上行并加压到一定压力。
(3)充液阶段，左两位电液换向阀30和右两位电液换向阀16通电，使左轴向补料进给油缸31和右轴向补料进给油缸17油路接通，二级电液伺服阀A29和二级电液伺服阀B15分别闭环控制左轴向补料进给油缸31和右轴向补料进给油缸17按要求前进，使左密封冲头32和右密封冲头18封堵管坯33两端，并施加一定的压力，充液系统向管坯33中快速充液并加压到一定压力。
(4)成形与整形阶段，两位四通电磁换向阀35通电，使增压缸36油路接通，二级电液伺服阀34对增压缸36进行压力闭环控制，使其按一定加载曲线增加管坯33的内部高压，三级电液伺服阀10对短行程油缸进行压力闭环控制，使合模力F随管坯33内部高压的变化而逐渐增加，保证在成形过程中可变合模力F始终比管坯33内部压力作用在模具上的力大2000kN～3000kN，内高压成形机合模力与内高压之间关系如图5所示；在保证模具紧密闭合的情况下上下模之间的作用力不大，二级电液伺服阀29A和二级电液伺服阀15B闭环分别对左轴向补料进给油缸31和右轴向补料进给油缸17进行压力闭环控制，使其按一定加载曲线进给补料，保证管坯33两端密封始终完好的情况下完成进给补料；直到管坯33内部高压达到目标值后，继续保压一段时间进行整形。
(5)卸压与开模阶段，两位四通电磁换向阀35断电，锁紧增压缸36控制油路，短行程油缸、左轴向补料进给油缸31和右轴向补料进给油缸17分别在三级电液伺服阀10、二级电液伺服阀A29和二级电液伺服阀B15的压力闭环控制下，在保证不开模的情况下使管件内部高压乳化液逐渐降压并从管件两端流出，直到短行程油缸和管件内部乳化液完全卸压。卸压之后，二级电液伺服阀A29和二级电液伺服阀B15分别控制左轴向补料进给油缸31和右轴向补料进给油缸17退回原始位置，左两位电液换向阀30和右两位电液换向阀16断电，油路锁紧；短行程油缸回程，在下模46、下滑块14的自量和四个辅助活塞油缸11上腔经减压阀9的恒定压力(2MPa)的作用下，利用三级电液伺服阀10对短行程油缸进行位置闭环控制，使其按一定加载曲线回到原始位置；左三位四通电液换向阀26和右三位四通电液换向阀19分别控制左水平定位油缸27和右水平定位油缸20退回到原始位置，然后在电液比例阀23的位置闭环控制和缓冲阀组22的共同控制下，使上模47实现加速-匀速-减速的回程运动，完成无冲击回到原始位置。
(6)最后，利用模具轴顶出成形管件，并利用机械手将成形管件取走。
本发明的工作原理：
内高压成形机合模力采用伺服阀控制，且伺服阀只控制柱塞油缸和四个辅助活塞油缸下腔，活塞缸上腔连接减压-溢流阀组(减压阀设2MPa，溢流阀12设2.5MPa)，保证短行程缸上行时上腔有一个恒定的背压2.5MPa。短行程缸回程时，主要靠下模、下滑块的自重和活塞缸上腔2MPa的恒定压力带动短行程油缸下行。成形过程中，通过伺服阀闭环控制方式，使合模力随管件内部高压的变化而逐渐增加，保证在成形过程中可变合模力始终比管件内部压力作用在模具上的力大2000kN～3000kN，既可使上下模具紧密的闭合，又能保证上下模具之间的作用力不大。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种可变合模力的内高压成形机，其特征在于，包括机身、液压系统和充液系统，所述机身包括上横梁、下横梁和四根立柱，所述机身上部设有长行程油缸，所述长行程油缸的活塞杆的前端连接有上滑块，所述上滑块的下表面安装上模，所述上滑块由所述四根立柱进行导向；所述机身底部设有短行程油缸，所述短行程油缸包括一个柱塞油缸和四个辅助活塞油缸，在所述柱塞油缸的柱塞上端和四个所述辅助活塞油缸的活塞杆上端安装下滑块，所述下滑块的上表面安装下模，所述下滑块由所述四根立柱进行导向；所述机身上部的左右两侧壁上分别安装水平定位油缸；所述水平定位油缸的活塞杆前端安装定位块；所述机身下部的左右两侧壁上分别安装轴向补料进给油缸，其中左侧为左轴向补料进给油缸，右侧为右轴向补料进给油缸，所述轴向补料进给油缸的活塞杆前端安装密封冲头；所述充液系统设有增压缸，所述增压缸包括高压腔和低压腔；所述液压系统供给驱动所述长行程油缸、所述短行程油缸、所述水平定位油缸、所述轴向补料进给油缸和所述增压缸的工作介质，所述柱塞油缸和所述四个辅助活塞油缸的无杆腔进出油路中连接三级电液伺服阀。
2.根据权利要求1所述的可变合模力的内高压成形机，其特征在于，所述液压系统包括第一液压系统和第二液压系统，所述第一液压系统由恒压变量泵供给驱动所述长行程油缸、所述短行程油缸和所述水平定位油缸的工作介质；所述第二液压系统由所述负载敏感泵供给驱动所述轴向补料进给油缸和所述增压缸的工作介质。
3.根据权利要求1所述的可变合模力的内高压成形机，其特征在于，所述四个辅助活塞油缸的有杆腔进出油路中连接减压-溢流阀组。
4.根据权利要求1所述的可变合模力的内高压成形机，其特征在于，所述长行程油缸的进出油路中连接电液比例阀，所述长行程油缸的有杆腔的进出油口与所述电液比例阀之间的油路中连接缓冲阀组。
5.根据权利要求1所述的可变合模力的内高压成形机，其特征在于，所述左轴向补料进给油缸的进出油口依次连接二级电液伺服阀A和左两位四通电液换向阀,所述右轴向补料进给油缸的进出油口依次连接二级电液伺服阀B和右两位四通电液换向阀。
6.根据权利要求1所述的可变合模力的内高压成形机，其特征在于，所述增压缸的低压腔的进出油口依次连接二级电液伺服阀C和两位四通电磁换向阀。
7.根据权利要求1所述的可变合模力的内高压成形机，其特征在于，所述恒压变量泵吸油口连接油箱A，出油口依次连接单向阀A和过滤器A。
8.根据权利要求1所述的可变合模力的内高压成形机，其特征在于，所述负载敏感泵的吸油口连接油箱B，出油口依次连接单向阀B、过滤器B、截止阀和蓄能器。
9.一种利用权利要求1所述的可变合模力的内高压成形机的内高压成形加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备步骤：将处理好的管坯放入下模；
合模步骤：驱动长行程缸，闭合上模和下模，并施加一定的预成形压力，将定位块推入上滑块和上横梁之间，锁紧系统，然后长行程油缸卸压，成为悬浮状态，并且短行程油缸加压到一定压力；
充液步骤：轴向补料进给油缸横向进给，对管坯两端进行密封，利用高速充液系统向管坯内进行充液，并加压到一定压力；
成形与整形步骤：增压缸和轴向补料进给油缸按设定的加载曲线实现加压和补料，同时短行程油缸根据管件内部压力的变化，通过三级电液伺服阀的闭环控制方式，使合模力随管件内部高压的变化而逐渐增加，直到管件内压达到目标值后，继续保压一段时间；
卸压与开模步骤：管材成形结束后，进行卸压和开模，取出成形后的零件。
10.一种权利要求9所述的内高压成形加工方法，其特征在于，所述成形与整形步骤中，在所述增压缸的高压腔设有压力传感器，所述压力传感器采集的压力信号反馈给所述三级电液伺服阀，与给定的输入信号形成压力闭环控制，使合模力根据给定加载曲线进行加载，保证在成形过程中可变合模力始终与管件内部压力作用在模具上的力的差为某一设定值或范围。
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