大吨位管件液压成形设备的设计与研制

1、,=>>,8)Q/$机床与液压%$""4Q大吨位管件液压成形设备的设计与研制郑再象/!樊黎霞/!辛文秀$"/Q南京理工大学!南京$/""W.%$Q山西省机电设计研究院!太原"!"""W#摘要!管件液压成形技术作为一种结构轻量化的先进的塑性加工技术"在国外科研机构和大型企业得到了广泛的应用"但由于设备投资极其昂贵"至今尚未在国内投入生产应用!为降低制造成本"在笔者所设计的液压成形设备中采用了经专利技术加固处理过的框架式结构作为合模支撑平台"用二通

2、插装阀集成块替换电磁比例伺服阀"内压和轴向进给之间的关系匹配合理"且相互独立可控"在大幅降低整台设备制造成本的同时"可满足副车架等大型结构件的成形加工!关键词!管件液压成形$液压系统$插装阀$副车架中图分类号!,6/!#00文献标识码!U00文章编号!/""/2!33/"$""4#/$2/$2!K/C/6"41/#*)#,K/0%&#"$)(&/M9/2-,("2$"(1%#&AY%41/#*/A678fA&&*:18&

3、;&>8d9*&<$"_"C%/Q"8$8*;&*:J*&K9IL&MN)HDE&9*E9*+,9EF*)G):N*;&*:$/""W."5F&*$QDF*&7G9EMI)(9EF*&EGc9L9IEF*+%9L&:*>*LM&M<M9&N<*"!"""W"5F&*",&,890*():*<P9FN+I)2H)I(&

4、;*:M9EF*)G):N&L*9RGLM&EI)E9LL&*:M9EF*)G):NRF&EF(O9LLMI<EM<IGIMLFK9H9R9IR9&:FML"*+&LR&+9GN<L9+&*LE&9*M&H&EI9L9IEF&*LM&M<M&)*L*+GI:99*M9II&L9LPI)+QI:9M<P9FN+I)2H)I(&*:9g<&(9*MLI9LM&GG*)M<L9+MF)(9P9E<L9

5、MF9NI9K9IN(<EF99*L&K9Q>*)I+9IM)E<MPEO(*<HEM<I&*:E)LM)HFN+I)H)I(&*:9g<&(9*M"*9RM<P9FN+I)2H)I(&*:9g<&(9*MRL+9L&:*9+EI9M&K9GNF&EF+)MLHI(9+LMI<EM<I9LMI9*:MF9*9+PNMF9M9*MM9EF*)G):N*+"R"GI:9g<*M&M&9L)HEIMI&+:9&

6、amp;*L9IM9+KGK9LM)I9GE99G9EMI)(:*9M&EI)IM&)*GL9IK)2KG<9LQ1GMF)<:F&*M9I*G)&GI9LL<I9)HM<P9*+G)*:&M<+&*G+&LGE9(9*ML)HMF9MR)&GENG&*+9ILI9(<M<GGN&*+99*+9*M*+E)*MI)GG9+"MF9N(&*M&*I)9II9GM&)*L&*MF9H)I(&*:I)E9LLQ%<9M)G)

7、R(*<HEM<I&*:E)LM*+(99M&*:KI&)<LI9g<&I9(9*MLM)H)I(LMI<EM<IGIMLL<EFLL<PHI(9F9*9R"M9g<&(9*ME*P9R&+9GN<L9+Q;/-<"(,0<P9FN+I)2H)I(&*:N+I<G&ELNLM9(IMI&+:9&*L9IM9+KGK9I(9,$6$5$D<PH!"引言管件液压成形又称内高压成形"是在传统液压胀形

8、工艺的基础上发展起来的一种先进的现代塑性加工技术"它以管材为坯料"借助专用设备向管腔内注入超高压液体"同时在轴向施加负荷"把管坯压入给定模具型腔使其成形为所需工件*/"$+!与传统的冲压焊接工艺相比"液压成形件具有重量轻#机械性能好#形状和尺寸精度高#加工工序少#成本低等优点*!".+"因此欧#美#日等国都对该技术进行了大量研究"并且广泛地应用于航空#航天#汽车#化工#医疗#卫浴等行业!在国内"对液压成形技术的研究虽然起步较晚"但发展很快"已在成形机理#模具设计#数值仿真#实

9、验研究等方面取得了较大的进展"为产业化奠定了基础!但由于国内对液压成形设备特别是大吨位液压成形设备和液压成形技术成果转化等方面的研究涉及甚少"所建的实验台或经旧液压机改造的成形设备"主要是适应实验的需要而不是面向工业化的生产要求!为了促进液压成形技术在国内的推广应用"拟开发成套大吨位液压成形设备!该设备由移动式工作台#预应力框架合模机构#液压系统#测量反馈系统和计算机控制系统等部分组成"结构简单"成本低"可用于副车架等大型结构件的成形加工%如图/所示&!图/0副车架#"液压成形设备的总体设计原则和主要技术参

10、数/Q/0总体设计原则液压成形设备的总体设计必须遵循以下原则%/&设备制造成本要低"可减少制造商的初期投资"有利于液压成形技术的迅速推广!%$&设备应具备较高的生产效率"能完成小批量的生产!%!&设备既可用于前期工艺开发和实验研究"也可适应产业化后的批量生产!%.&设备应能实现柔性化生产"满足多品种#小批量#个性化的生产要求"使生产具有较大的灵活性"缩短产品的制造周期"提高设备的利用率!%Y&设备的自动化程度要高"可极大地提高生产效率!%4&内压与轴向进给之

11、间#轴向左右进给之间的关系匹配合理"各自应独立可控"以适应不同工艺条件下的加工要求!%#&设备系统压力和行程的控制精度要高"能满足实际生产的要求!%3&设备应工作可靠"能完成常见故障诊断!%W&设备8)Q/$机床与液压%$""4Q,=>?,/Q!0设备的总体设计方案依据上述确定的总体设计原则和技术参数"所设计的液压成形设备由移动式工作台#框架合模支撑平台#液压系统#测量反馈系统和计算机控制系统等部分组成!该合模支撑平台采用预紧式框架结构"在框架外还运用独特的专利技术进行加固处理&quo

12、t;使其有足够的强度和刚度"以满足承载的要求!同时"还可极大地减少合模支撑平台的自重"降低制造成本!整个成形工序的大致顺序如图$所示!操作应简单方便!/Q$0设备的技术参数设备是以成形副车架等大型结构件为目的"对比分析多种轿车副车架成形前后的几何参数以及所用材料的机械性能参数"按如下方法可确定设备所应具备的技术指标!先依据塑性成形#厚壁圆筒等相关理论推导出式%/&#式%$&和式%!&"然后将副车架的几何参数和所用材料的机械性能参数代入各式中"估算管件最终成形所需的压力#合模力和轴向进给*Y+"

13、;最后综合各种因素"确定液压成形设备的主要技术参数如表/所示!$%$-%3&"G*3%"%22%/&%$&4<$7Z2/%22&$%!&24$#%,&#>Z/&6/H9$()图$0液压成形加工工序#4式中$#47>分别为成形压力#合模力和轴向推#2#%力$2/分别为管坯初始壁厚和成形后壁厚$%/分别为模具最小圆弧半径和管件成形半径"%!V$3Y&2分别为初始应变和平均应变$-为强化系%"#3数$"为材料的硬化指数$<为分模面处的形腔投影#&

14、面积$H为端部进料位移$,为摩擦系数$&96分别为流动应力和轴向应力!表/0液压成形设备主要技术参数最高内压力X=-O8最大合模力X(合模油缸行程X最大轴向推力XO8轴向进给油缸行程X(%(&工作台面X(j(加工零件最大长度X生产效率X%件,F2/&$.".""""$""!"""!""/Y""j/!Y"!Y""4"V/""$"液压控制系统设备的液压系统主要由压力控

15、制回路#换向回路和快慢转换回路等组成"所要实现的基本功能是完成合模以及提供成形所需要的液压力和轴向进给"其原理如图!所示!各油缸和充液系统能实现的动作循环如下%/&合模油缸快速上行%泵和充液系统供油&2加压%增压缸供油&2保压2释压2快速返回2原位停止$%$&轴向进给油缸快速右行%左行&2慢速右行%左行&2停止%保压&2慢速左行%右行&2停止%管坯释压&2快速左行%右行&2原位停止$%!&管坯内腔快速充液%泵和充液系统供油&2慢速加压%增压缸供油&2保压快速释压!在满足成

16、形工艺要求的前提下"为了降2低成本"选用密封性能好#通流能力大#压力损失小#价格低的二通插装阀集成块结构控制泵#充液系统以及各油缸的动作!由于该设备用于加工副车架这类构件"管坯内腔容积较大"注入液体介质往往会占图!0管件液压成形设备的液压原理图,=>,用较长时间"为了缩短合模#轴向进给#充液等辅助工序的时间"提高生产效率"系统采用了高速高压充液系统"将充液箱安装在设备的顶部"在合模和轴向进给初始阶段#管坯内腔初始充液过程中由高压充液系统和液压泵联合供油!轴向左#右进给油缸进油管路以及管坯内腔充液增压

17、管路均与电磁比例溢流阀相连"由它们对管坯内压#轴向进给位移进行实时控制"按给定的工艺参数完成成形加工!增压管路上的各单向阀用于保压#锁模#增压整形时"可防止高压液体回流损坏换向阀!整个成形过程中通过对各换向8)Q/$机床与液压%$""4Q&"结束语该设备采用经加固处理过的框架机构作为合模支撑平台"用二通插装阀集成块替换电磁比例伺服阀"在满足加工条件要求的前提下"可极大地降低整台设备的制造成本!同时"该设备可对内压#轴向进给位移#合模力#流量#流速等参数进行计算机控制"能实现工艺

18、参数预置#工序实时监控#常见故障诊断等多种功能"完全能满足副车架#后轴#纵梁等大型结构件的成形加工!由于管腔内压#轴向左右进给等均独立控制"可适应不同加工工艺的生产要求!该设备阀的电磁铁进行通#断电控制来实现分别向合模油缸#合模增压油缸#轴向进给油缸#管坯#管坯充液增压缸#高压充液系统供油或同时向它们供油!%"计算机控制系统管件液压成形过程中需要控制的元件包括所有换向阀和电磁比例溢流阀"同时还需要检测管坯内的液压力和轴向进给活塞位移!计算机控制系统结构如图.所示"位移传感器#压力传感器将各自采集到的信号经1X%卡输入工业控制计算机"各

19、瞬时的内压力和轴向左#右进给量被作为反馈信号"与计算机内部存储的内压力2时间#轴向位移2时间#内压力2位移等曲线数据相比较"控制程序计算内压力和轴向位移以及相应的液压缸流量"并发出信号给溢流阀以控制开启量大小"而比例溢流阀开启量大小直接影响油缸的压力大小"由此得到按给定曲线变化的内压力和轴向进给位移!合理控制内压与轴向进给位移之间的变化关系"可极大提高管坯的塑性变形能力"减少起皱#开裂#屈曲和折叠等缺陷的产生!控制策略由有限元模拟和工艺实验得出"通过有限元模拟分析找出理论上的最佳控制策略"再通过实验调整&

20、quot;对策略进行修正"直至成形出合格零件为止*#+!图.0计算机控制系统结构图研制成功对促进管件液压成形技术在我国的生产应用具有极其重要的意义!参考文献./%)F(*_"6IMG5,<P96N+I)H)I(&*:c9L9IEF*+-IEM&EG1G&EM&)*?+?)<I*G)H=M9I&GL-I)E9LL&*:,9EF*)G):N"/WW#"#/#.2/34Q.$/b)E="1GM*,Q1*)K9IGGI9K&9R)HMF9M<P9FN+I)H)I(&*:%

21、,6_&M9EF*)G):N*?+Q?)<I*G)H=M9I&GL-I)E9LL&*:,9EF*)G):N"$""/%/"3&!3.2!W!Q.!/UI9RLM9Ib"D<MM9Ib"1F(9M):G<("9MGQ6N+I)H)(&*:,<P9*?+Q,F9,<P9p-&9k<IM9IGN"/WW4"#%.&!.2."Q./DFFD"UI<:9(*5Q6N+I)H)I(&*:-I)

22、+<EML*+-I)E9LLc9g<&I9(9*ML*+>(G9(9*MM&)*5+Q-I)E99+&*:)HMF9$*+1*<G1<M)()M&K9,<P95)*H9I9*E9"Q3Y"%9IP)I*"=&EF&:*"=N/!2/."/WW#Q.Y/?&IMF9I*MDQ1+K*E9+(9MF)+LH)IH&*&M99G9(9*ML&(<GTM&)*H)IIM*+I)E9LL+9L&:*&*M<

23、;P9FN+I)H)I(&*:*%+,F9BF&)DMM9J*&K9IL&MN"$"".Q.4/章宏甲"黄宜"王积伟Q液压与气压传动*=+Q北京机械工业出版社"$"""QYQ.#/阳林"章争荣"等Q复杂冲压件液压成形装备的设计与制造*?+Q模具工业"$""Y"$W"%.&/.2/4Q作者简介!郑再象%/W#$0&"男"湖北麻城人"博士生"研究方向管件

24、液压成形设备#工艺和成形过程数值仿真研究!72(&GSSnE;e/4!QE)(!收稿日期$""Y2/"2$#766666666666666666666666欢迎订购!机床与液压"光盘版66为满足广大读者和企业的要求"本杂志6社精心筹备"推出7机床与液压8年度合订66光盘版!现征订$"".#$""Y年光盘版"每年6度光盘一张%含包装#邮费&"定价Y"元"66欢迎订购!7666666666666666666666666666666677大吨位管

25、件液压成形设备的设计与研制作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：郑再象， 樊黎霞， 辛文秀， ZHENG Zaixiang， FAN Lixia， XIN Wenxiu郑再象,樊黎霞,ZHENG Zaixiang,FAN Lixia(南京理工大学,南京,210094)， 辛文秀,XINWenxiu(山西省机电设计研究院,太原,030009)机床与液压MACHINE TOOL & HYDRAULICS2006，""(12)1次参考文献(7条)1.Dohmann F.Hartl C Tube Hydroforming:Research and Prac

26、tical Application 19972.Koc M.Altan T An overall review of the tube hydroforming(THF) technology 2001(108)3.Brewster K.Sutter K.Ahmetoglu m Hydrofoming Tube 1996(04)4.Shah S.Bruggemann C Hydroforming Products and Process Requirements and Implementation 19975.Jiratheranat S Advanced methods for finit

27、e element simulation for part and process design in tubehydroforming 20046.章宏甲.黄宜.王积伟 液压与气压传动 20007.阳林.章争荣 复杂冲压件液压成形装备的设计与制造期刊论文-模具工业 2005(04)相似文献(3条)1.期刊论文 郑再象.樊黎霞.辛文秀.ZHENG Zai-xiang.FAN Li-xia.XIN Wen-xiu 大吨位管件液压成形设备液压系统的设计和研究 -液压与气动2006,""(8)管件液压成形技术作为一种结构轻量化的先进的塑性加工技术,在国外科研机构和大型企业中得到了

28、广泛的应用,因其设备投资极为昂贵,在我国仍步履维艰.文中在分析了大吨位管件液压成形工艺流程的基础上,对液压系统进行了优化设计.所采用的低压大流量充液和高压小流量增压的双联泵供液模式可极大地提高设备的生产效率;所设计的二级卸荷回路可使系统的超高压液体顺序平稳卸载;所配置的电液比例伺服系统使设备具有良好的动态性能、较高的控制精度和响应速度,完全能满足仪表梁、副车架、桥轴等大型复杂空心变截面构件的塑性成形加工.2.期刊论文 郑再象.辛文秀.樊黎霞.ZHENG Zai-xiang.XIN Wen-xiu.FAN Li-xia 复杂管件液压成形设备液压控制系统的设计 -机械工程与自动化2006,""(6)在简要介绍管件液压成形技术原理及其优点后,针对副车架等大型复杂空心结构件的成形特点和要求,确定了设备的主要技术参数及总体设计方案,并对液压系统和控制系统进行了优化设计.所采用的低压大流量充液和高压小流量增压的双联泵供液模式可极大地提高设备的生产效率,所设计的二级卸荷回路可使系统的超高压液体能顺序平稳卸荷,所配置的电液比例伺服闭环控制系统使设备具有良好的动态性能、较高的控制精度和响应速度,完全能满足副车架等复杂空心变截面构件的塑性成形要求.3.学位论文 郑再象