内高压成形机可变合模力系统研究

李立丰 姜万录

(①齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔 161005;②燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004)

内高压成形技术是汽车底盘、车身和动力总成各种空心变截面构件的先进制造技术。内高压成形装备包括合模压力机、内高压成形系统和内高压成形模具3大部分。大吨位短行程液压机是一种结构较为复杂的液压机、合模和开模过程大部分行程由提升油缸(200 t)来完成，而仅仅锁模过程由主油缸(6 000 t)来完成，如图1所示。

这种压力机合模与开模速度较快，主缸行程小，因此容积小，可快速建立合模力，生产效率较高。以往内高压成形装备不改变合模力，在初始合模时就施加了最大的合模力，对于大吨位内高压成形装备来说，需增加模具的体积才能避免模具变形和破坏，增加了模具成本。

1 内高压成形原理及过程

(1)成形原理

管材内高压成形技术通常用管坯作为原材料，通过对管坯型腔内施加高压液体压力，轴向施加载荷作用，使其在给定模具型腔内发生塑性变形，管壁与模具内表面贴合，从而得到所需形状零件的技术。

(2)成形过程

管材内高压成形过程如图2所示。模具由上模和下模组成。下模固定在工作台上，先将管坯弯曲到要求的形状，在成形工艺中成为预成形，由单独的一台油压机完成这一道工序，然后放入下模腔内，闭合压力机。

管的两端用左右冲头密封，同时施加适当的预推力。胀形用乳化液由b经右冲头内中间孔道，引入管坯腔内，管坯内气体经左冲头上部孔道由a排出，管坯内充满乳化液即完成冲液过程。接着将a孔封住，由b孔向管坯内充以高压。与此同时，左右冲头同步向内推进补料，这样在内压和轴向力联合作用下使管坯贴靠模具而成形。左右冲头推制到位，内压到一定值后，b孔停止供压，冲头后撤放掉乳化液，上模抬起，取出工件即可。

(3)可变合模力

以往内高压成形装备不改变合模力，在初始合模时就施加了最大的合模力，对于大吨位内高压成形装备来说，需增加模具的体积才能避免模具变形和破坏，增加了模具成本。

因此本设备采用可变合模力技术，通过传感器检测管材内的压力和主缸内的压力，并根据内高压成形过程中管材内部的液体压力变化调整伺服阀动作，实现合模力可变，合模力跟随内压在成形过程中的变化见图3。

由于管材内的压力是逐渐建立起来的，并根据工艺要求按一定的加载曲线上升，采用可变合模力后，合模力平衡内压反力的部分随内压增大，使模具受到的压力保持在一个较低的水平，可避免模具体积过大，因此可降低模具成本，如图4所示。

2 系统组成

压力机床身上安装有双动短行程液压缸，这种设计与传统压力机比较显著地降低了工作时液压油的使用量。所有的缸采用厚壁材料并且采用小摩擦密封，为了提高使用寿命，活塞是经过硬化处理、精磨并且抛光的。液压缸的行程为25 mm。

2.1 SSC系统构成

成形机短行程缸SSC系统主要控制工作台的运动，并形成最大合模压力，因此控制系统采用1个主柱塞缸和4个活塞缸组成。

如图5所示，SSC系统坐落在底座上，主柱塞缸在中间，为主要的成形合模力元件，4个活塞缸在4角，在工作台回程时提供回程力。

根据计算，最后选定6 000 t液压成形机，主活塞直径为1 600 mm，面积20 106.19 cm2，壁厚为200 mm，4个辅助活塞油缸直径160 mm，面积201 cm2，活塞面积总和20 910.19 cm2，油压压强P=60 000/20 910.19=28.7 MPa

根据《液压传动》、《材料理学》、《设计手册》等资料有:

式中:σ为缸壁厚度;Py为缸内压强;D为缸直径。

根据机械手册，材质为20号钢σs=245 MPa;40号钢σs=355 MPa。

如采用20号钢，则安全系数:

如采用40号钢，则安全系数:

根据手册可查，液压缸的安全系数2.5(2～3)左右，所以选择油缸的材质为45号钢。

2.2 液压原理

SSC系统动力源和成形机滑块长行程缸运动采用同一泵源，泵组选用为压力控制的柱塞变量泵，可控制系统的最大压力。如图6油缸的布置原理，另外在工作台上还安装有位移传感器。

图7为工作台在内高压成形整个工序中的运动过程，工作台在初始压力(500 t)启动，当合模结束后，位移达到最大，合模力达到最小合模力要求(800 t)，在此压力下内高压系统完成充液，随后合模力随工件内压变化，直至成形完成。卸压后，工作台返回，开始下一个循环。

工作台运动和压力控制主要靠阀块来控制，阀块集成了控制和检测用元件，在成形过程中，根据工艺要求，合模过程要实现工作台的快速进给和合模压力精确跟随内高压成形力的大小。阀块原理见图8。

图8a中阀块功能主要实现工作台缸的上、下运动和模具的预压紧，工作台在滑块实现锁紧后，完成设备的合模和开模动作，合模速度和初始合模力的大小由系统电子泵实现，开模速度由电子泵完成，系统中插装阀块实现工作台缸的运动方向控制，电磁阀4YV1在工作台合模时为工作台缸下腔供油，电磁阀4YV2在工作台开模时为工作台缸上腔供油。

具体过程是:电磁阀4YV1得电时，主油路油液通过插装阀进入工作台缸底部，实现模具闭合。插装阀底部的梭阀盖板具有防止油液倒流的功能，可以保持系统无压力波动。电磁阀4YV1和上腔溢流阀互锁，此时上腔溢流插装阀底部压力油通过电磁阀4YV1卸荷，这样实现工作台缸上腔压力油卸荷。电磁阀4YV2得电时，主油路油液通过插装阀进入工作台缸上腔，实现模具开启。电磁阀4YV2和下腔溢流阀互锁，此时下腔溢流插装阀底部压力油通过电磁阀4YV2卸荷，这样实现工作台缸下腔压力油的卸荷，实现工作台返回。

本设备采用可变合模力控制技术，合模力的大小随着管材内高压成形压力的变化而变化。本系统中由限压式变量柱塞泵和伺服阀直接植入工作台运动控制系统中实现，要实现两种系统的连接需要解决两大问题:一是系统耦合结合时产生的压力波动;二是内高压成形后的系统压力卸荷。

为了解决压力波动问题，在伺服阀出口管路上采用液控换向阀，当伺服阀压力达不到模具预压力时，此路不通;当系统压力和预压力相等时，系统介入。此系统还能防止两种系统的交叉现象。

合模完成后，系统压力通过伺服阀卸荷，卸荷至系统预紧压力后，伺服阀不起作用，工作通过电子泵快速返回，这样可以减小压力冲击。

3 结语

现有中、小吨位合模压力机为长行程液压机，均由主缸完成模具开闭与施加合模力，因为主缸体积大、不适于大吨位合模压力机。所以本设备采用短行程液压机方案，由位于压力机上方的长行程小吨位提升油缸完成模具开闭，由位于下横梁内的短行程大吨位油缸施加合模力，该装备结构比较复杂，但是能够迅速建立大吨位合模力，且合模力可随内压变化进行控制，避免了模具在内压较低时受到过大的合模力作用造成变形和损坏。

［1］宋楠.管材内高压成形技液压控制系统的研究［J］.机电工程技术，2007，36(2):21 －23.

［2］朱伟成，徐成林.内高压成形汽车管件技术［J］.汽车工艺与材料，2004(1):12－14.

［3］苑世剑，王仲仁.轻量化结构内高压成形技术［J］.材料科学与工艺，1999，7(增刊):139－142.