CN1181332C - 变压边力和变冲压速度的薄板成形方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明为变压边力和变冲压速度的单动薄板液压试验机，主要用于应用钢板、铝板等薄板材料来冲压成形复杂拉深件的场合，也可用于车身覆盖件的小比例模拟件进行成形试验的场合。该试验机以上滑块位移为自变量，根据预设工作曲线，由压力传感器和速度传感器实时采样压力数据和速度数据供PLC控制器进行闭环控制，实现在150KN～1250KN范围内连续改变压边力和在4～20mm/s范围内调节冲压速度；采用本装置可以很好实现复杂拉深件成形过程中的压边力变化和上滑块冲压速度变化，从而控制板料流动的方向和大小、薄板应变速率，最终得到符合成形质量要求(破裂、起皱、回弹、刚性不足等缺陷控制在误差范围内)的复杂拉深件。

Description

变压边力和变冲压速度的薄板成形方法及其装置

所属技术领域

本发明涉及机械成形加工领域，特指一种复杂拉深件成形的变压边力和变冲压速度的薄板成形方法及其装置，主要用于应用钢板、铝板等薄板材料来冲压成形复杂拉深件的场合，也可用于车身覆盖件的小比例模拟件进行成形试验的场合。采用本装置可以很好实现复杂拉深件成形过程中的压边力变化和上滑块冲压速度变化，从而控制板料流动的方向和大小、薄板应变速率，最终得到符合成形质量要求(破裂、起皱、回弹、刚性不足等缺陷控制在误差范围内)的复杂拉深件。

背景技术

复杂拉深件或车身覆盖件的小比例模拟件，具有普通拉深件所没有的特点，具体表现在：(a).零件尺寸较大，几何型面多为空间自由曲面；(b).坯料上各部分的变形状态复杂，一个零件的成形往往兼有拉深、胀形、翻边、弯曲等多种形式；(c).模具压料面常为曲面，所承受的压边力不仅是时间的函数，还是压边位置的函数，复杂的工艺边界条件导致冲压时金属流动和变形的不均匀性……影响成形质量的因素有冲压方向、冲压速度、工艺补充面、压边力、拉延筋、模具圆角、摩擦系数等多种因素，因为调整液压机工作参数与调整拉深模具参数相比具有简单、快捷的优点，而且压边力对成形质量的整体影响效果强、调节能力大，而冲压速度对成形质量也有很大影响，所以在调模过程中经常通过调整液压机工作参数(即压边力和冲压速度)来对金属流动和变形进行有效控制。

在复杂拉深件成形过程中，通常需要压边装置产生足够的摩擦抗力，以增加板料中的拉应力、控制材料的流动、避免起皱。一般来说，压边力过小，无法有效地控制材料的流动，板料很容易起皱；而压边力过大，虽然可以避免起皱，但板料拉破的趋势会明显增加，同时因为模具和板料的表面受损可能性增大而影响模具寿命和板料拉深成形质量。对于复杂拉深件成形来说，压边力过大或过小都不好，而且压边力不是恒定的，有一定的规律。一般讲，压边力控制曲线的加载模式主要有四种，为压边力数值恒定模式、增加模式、减小模式和混合模式。

冲压速度对塑性变形的影响比较复杂。当冲压速度不大时，随着速度的提高塑性是降低的；而在冲压速度较大时，塑性随冲压速度的提高反而改善。冲压速度与成形件的变形路径和应变分布情况有关，影响到成形件的应变速率大小，是保证复杂拉深件成形质量的重要因素。一般的机械压机或液压机，其滑块运动速度都由机床机械结构或液压机构确定，在一次成形过程中无法根据成形工艺需要改变冲压速度。

随着薄板冲压设备的更新以及计算机控制技术的进一步推广和应用，拉深成形变压边力和变冲压速度控制技术在复杂拉深件零件或车身覆盖件成形领域中的应用成为可能。

传统上有两种压边装置：(a).弹性压边装置；(b).液压或气压装置。弹性压边装置最常见的是橡胶、弹簧，压边力随着橡胶和弹簧压缩量的增加而增大，与成形工艺要求相反，而且压缩量有限。液压和气压装置的压边力可调，但在一次成形过程中难以根据成形工艺要求进行变化，如果不采取特殊措施，凸缘部分单位压边力的数值将随着冲头行程的增加而增大。

Hardt等人设计的可调控压边力控制设备(D.E Hardt，et.al.，Real-time controlof binder force during stamping，proceedings of the 16th Biennial Congress of theIDDRG[J].International Deep Drawing research group，1990：17-27)，用来得到恒定的单位压边力，单位压边力自始至终被保持在不起皱的最小值上以防破裂。该设备的主要缺点用冷轧钢板成形杯形件，零件比较简单，而且压边力不能根据拉深成形中的实际需要进行变化、控制和调节。

E.Doege等人研制的设备(E.Doege，T.EI-Dsoki，Deep-Drawingcracks-stretching cracks：two different types of cracks in deep-drawing processes[J].Materials Processing Technology，32(1992)：161-168)的优点是能够考虑坯料尺寸、冲头尺寸和压边力对拉深失效的影响，把单位压边力控制在一个使制成品刚好不起皱的恒定数值上，得到了更大的极限拉深比；不足是仍然局限在定常压边力加载模式的研究上。

日本尼桑汽车公司和美国俄亥俄大学合作，用相似模拟的方法进行了汽车挡泥板拉深成形中压边力控制的研究(Yuji Hishida，Robert H.Wagoner，Experimental Analysis of Blank Holding Force Control in Sheet Forming[c]，SAEPaper，930285)。他们用一台1000KN的双动液压机和两套按比例缩小的汽车挡泥板(带轮罩和不带轮罩)模具及计算机、数据采集器等组成一个物理模拟系统。该系统的不足之一是压机滑块公称力仅为1000KN，与实际汽车挡泥板冲压成形所需的滑块公称力大小相差较大；不足之二是采用双动液压机，这与目前国际上流行使用单动压机不符；不足之三是压边力控制曲线仅为2段水平直线，状态较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过液压垫总压边力大小的闭环控制及优化分配、上滑块冲压速度的闭环控制的方法来满足复杂拉深件成形工艺的需要的变压边力和变冲压速度的单动薄板液压试验机。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

其特征为以上滑块位移为自变量，根据预设工作曲线，由压力传感器和速度传感器实时采样压力数据和速度数据供PLC控制器进行闭环控制，在150KN～1250KN范围内连续改变压边力和在4～20mm/s范围内调节冲压速度；且在液压试验机一次冲压成形中，变压边力和变冲压速度这二种方法可同时采用，也可只采用其中一种方法。

由顶出油缸产生大小随顶出油缸压力变化的总压边力，作用到液压垫上，再经液压机专用组合式顶出杆采取不同组合方式分担传递到压边圈上，形成二步可调的压边力。

同时通过调整顶出杆数量、位置和长度，针对某一总压边力可实现分压边力为时间和位置的函数。

上述液压机专用组合式顶出杆由力传感器、顶出杆上部、调整环、顶出杆下部四部分组成。

其工作过程为：

1)通过输入输出设备将预设总压边力控制曲线输入PLC控制器，PLC控制器按此曲线计算出针对某上滑块位置的预设理论总压边力；顶出油缸所装压力传感器测量油缸实际压力并换算成压边力，然后将实际总压边力数据传送到PLC控制器，由PLC控制器对实际总压边力和预设理论总压边力曲线进行闭环调整。

2)液压垫上安装多个(共12个)液压机专用组合式顶出杆，多个专用顶出杆顶出力之和为实际总压边力(即液压垫力)；使用时总压边力由多个专用组合式顶出杆分担，通过改变总压边力、顶出杆数量、位置和长度，来实现压边力为时间和位置的函数，满足成形过程中对压边力变化的需要。

3)通过输入输出设备将预设冲压速度控制曲线输入PLC控制器，PLC控制器按此曲线计算出针对某上滑块位置的预设冲压速度；速度传感器测得实际上滑块速度，将此数值传送至PLC控制系统，与预设理论冲压速度进行对比，实现冲压速度的闭环控制。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明在常规单动薄板液压机上，应用压边力和冲压速度闭环控制系统，以上滑块位移为自变量，由计算机、传感器和液压系统来实现压边力和冲压速度的变化。其中液压垫总压边力可以根据上滑块位移、按照预设压边力曲线进行闭环控制；液压垫总压边力按比例分配给多个(具体数量可根据需要调整)液压机专用组合式顶出杆，通过调整顶出杆的长度来改变其顶出力。同时上滑块冲压速度可以根据其位置、按照PLC控制器中预设的工作曲线进行变化，以满足复杂拉深件冲压成形时的工艺需要。

本发明的优势在于不改变常规单动薄板液压机的结构，既能够改变液压垫的总压边力，又能实现多点控制压边力，使每个分压边力成为时间(或压机行程)和位置的函数，来提高非对称零件的拉深性能；液压垫专用组合式顶出杆有多个，可以根据需要放置在不同的工作台顶出孔中，顶出杆的数量以及每个顶出杆的位置可以调整；压边力和冲压速度控制曲线可多至20段水平直线。

附图说明

图1为变压边力和变冲压速度的单动薄板液压试验机结构示意图

图2为液压试验机专用组合式顶出杆结构示意图

1凹模  2板料  3凸模  4压边圈  5导向板  6下模垫板7液压机工作台  8专用组合式顶出杆  9液压垫  10液压机框架11顶出油缸  12主油缸  13上滑块  14位移传感器  15速度传感器  16PLC控制器  17输入输出设备  18力传感器  19压力传感器  20顶出杆上部  21调整环  22顶出杆下部

具体实施方式

下面结合所附图1和图2说明本发明提出的变压边力和变冲压速度二种途径来满足复杂拉深件成形工艺需要的细节。

如图1所示，模具安装在单动薄板液压试验机上，由凹模1、凸模3、压边圈4、导向板5、下模垫板6等零部件组成。其中凹模1安装在液压机上滑块13上，由主油缸12决定其运动；凸模3、压边圈4、导向板5、下模垫板6安装在液压机工作台7上；顶出油缸11推动液压垫9、液压垫9推动专用组合式顶出杆8、顶出杆8推动压边圈4产生压边力。

上滑块上安装位移传感器14和速度传感器15，液压机专用组合式顶出杆上安装力传感器18，顶出油缸上安装压力传感器19。传感器测量数据传送至PLC控制器16处理，数据的输入输出通过输入输出设备17进行。

如图2所示，液压机专用组合式顶出杆8由力传感器18、顶出杆上部20、调整环21、顶出杆下部22四部分组成。

其工作过程为：

1)变压边力：

(1).模具处于打开状态，板料2放在压边圈4上。

(2).顶出油缸11产生的力分二步传递到压边圈4上：压边圈所具有的总压边力由顶出油缸11产生，作用在液压垫9上，大小随顶出油缸压力变化；液压垫9所具有的总压边力经多个(共12个)液压机专用组合式顶出杆8(顶出杆数量、位置和长度可根据成形实际需要变化、调整)传至压边圈4。

(3).滑块13下行时凹模1压料面首先接触压边圈4上的板料，此时压边圈4所具有的总压边力由顶出油缸11产生，液压垫9采用独立驱动；冲压成形过程中位移传感器14将上滑块位置参数传送给PLC控制器16，PLC控制器按照预设总压边力控制曲线(以上滑块位移为自变量，压边力为应变量)计算出此时预设理论总压边力，顶出油缸11所装压力传感器19测量油缸实际压力并换算成压边力，然后将实际压边力数据传送到PLC控制器，由PLC控制器对实际总压边力和预设总压边力进行闭环调整；压边力系统为比例压力控制系统，压力在3～25MPa范围内可连续调节；可数显、数控，液压垫上限位保持时间可预置，行程可调。

(4).液压垫9上安装多个(共12个)液压机专用组合式顶出杆8，使用时多个专用顶出杆顶出力之和为总压边力(即液压垫力)，总压边力由多个专用组合式顶出杆分担；力传感器18安装在专用组合式顶出杆上端，传感器与PLC控制器16连接，显示屏显示其顶出力数值，根据数值大小，通过改变调整环21长度来改变顶出力分布情况；通过改变总压边力、顶出杆数量、位置和长度，来实现分压边力为时间和位置的函数，满足成形过程中对压边力变化的需要。

2)变冲压速度：

上滑块13带动凹模1下行。上滑块下行时，根据滑块不同位置，滑块冲压速度可在4～20mm/s范围内进行调节。在下行过程中，位移传感器14测量上滑块位置，并将数据传送给PLC控制器16；PLC根据预设上滑块冲压速度曲线(以上滑块位移为自变量，机床比例泵输出量为应变量)，计算比例泵输出量，由此决定上滑块冲压速度；速度传感器15测量上滑块实际速度，将此数据传送给PLC控制器，与预设冲压速度数值进行对比，进行闭环控制。

本实施例子仅用于说明本发明，而不进行限制。

Claims (4)

1变压边力和变冲压速度的薄板成形方法，其特征为以上滑块位移为自变量，根据预设工作曲线，由压力传感器和速度传感器实时采样压力数据和速度数据供PLC控制器进行闭环控制，在150KN～1250KN范围内连续改变压边力和在4～20mm/s范围内调节冲压速度；且在装置一次冲压成形中，变压边力和变冲压速度这二种方法可同时采用，也可只采用其中一种方法。

2根据权利要求1所述的变压边力和变冲压速度的薄板成形方法，其特征在于由顶出油缸产生大小随顶出油缸压力变化的总压边力，作用到液压垫上，再经装置专用组合式顶出杆采取不同组合方式分担传递到压边圈上，形成二步可调的压边力。

3根据权利要求2所述的变压边力和变冲压速度的薄板成形方法，其特征在于通过调整专用顶出杆数量、位置和长度，针对设定的总压边力可实现分压边力为时间和位置的函数。

4根据权利要求1所述的变压边力和变冲压速度的薄板成形装置，其特征为整个装置主要结构包括：装置工作台(7)、专用组合式顶出杆(8)、液压垫(9)、装置框架(10)、顶出油缸(11)、主油缸(12)、上滑块(13)、位移传感器(14)、速度传感器(15)、PLC控制器(16)、输入输出设备(17)、力传感器(18)和压力传感器(19)，液压垫上安装多个由力传感器(18)、顶出杆上部(20)、调整环(21)和顶出杆下部(22)四部分组成的专用组合式顶出杆(8)。

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