数控高速冲床液压系统设计

王伟 宋源

【摘要】 开发设计适应我国实际环境的高速冲床液压系统是当前我国科技工作的一个重要课题。本文将比例伺服控制的原理应用到高速数控冲床液压系统的开发设计中，这样设计出的冲床液压系统不仅安全可靠、结构简单，而且具有较高的冲压频率。

【关键词】 冲压设备 高速数控冲床 液压系统

随着我国工业逐步向现代化方向加速发展，现代工业体系逐步形成，国内市场对于高速冲压设备的需求愈加迫切，对其各方面的性能要求也越来越高。目前我国几乎还不具备自主生产高速冲压设备的液压系统的能力，造成我国生产冲压设备的成本很高，且进口的液压系统不能很好的适应我国的实际情况，所以，根据我国目前的实际情况，研制出适合我国国情的高速数控冲床液压系统是一个亟待解决的课题。

一、冲压设备的概述

要使冲压技术得到更大发展，拥有更先进的冲压设备是一个必备的前提，冲压系统是冲压设备重要的组成部分，是目前世界各国冲的压系统主要采用机械式和液压式，机械式是一种比较传统的冲压方式，其主要通过曲柄压力机这一设备实现冲压，曲柄压力机的主要零部件有滑块、曲轴、连杆等。液压式冲压机应用液压传动系统来实现冲压功能，其基本工作原理为YA1中有电流通过时液压油在泵的作用下经过电磁换向阀流入液压缸下腔，这时液压缸上腔的液压油就会经由单向阀3、电磁换向阀2后流回油箱，滑块在活塞的带动下向上运动；这时对YA2通电，电磁换向阀2的右位开始工作，滑块会在活塞的带动下向下运动，对工件进行冲压，实现冲压功能。

二、数控高速冲床液压系统的设计

2.1系统的工况分析及方案的确定

设计的该款高速冲床不仅可以冲压金属，还能够进行冲孔加工。对工件冲压式，滑块快速下降，接触到工件时，滑块速度降低，但压力变大，以保证工件准确的成形，完成冲压过程后，滑块快速上升。该液压系统为达到快速冲压的目的，设计系统的回路时采用了蓄能器+双泵供油+差动连接的组合。选定比例伺服方向阀作为冲床液压系统的控制元件，以满足系统工作时需快速频繁换向的要求。下图是高速数控冲床液压系统的原理图。

1、电机 2、高压大流量泵 3、低压小流量泵 4、压力表5、过滤器 6、空气滤清器 7、冷却器 8、液动换向阀 9、电磁换向阀 10、15.单向阀11、16.蓄能器 12、溢流阀 13、比例伺服阀 14、液压缸

由上图可知系统的工作原理：比例伺服阀的右位工作，泵2排除的液压油和泵3排出后经过液动换向阀8的液压油一起流经比例伺服阀，流入液压缸的上腔，同时，缸上腔的油依次流经8和13两阀后也流进上腔，这样就构成差动回路，冲头产生一个向下的快速运动。冲头接触到工件时，收到的压力增大，达到阀8的最大承受压力时，阀8的左位接通，泵3停止工作，差动回路中断，此时泵2排出的高压油流经阀13 后进入液压杆上腔，冲头缓慢向下运动，冲压工件。冲压到规定的极限时，SQ2发出信号，比例阀接到负的输入电压信号，左位接通，同时系统的压力自动降低，接通阀8的右位后，泵2和泵3一起将油泵如入液压缸的下腔，上腔的油流经阀13 后回到油箱，冲头在活塞的带动下迅速向上运动，至此就是一个工作循环的全过程。

2.2液压系统基本工作参数

系统的额定最大工作载荷F= 200 Kn.系统由两个泵供油，低压泵额定压力为7 Mpa，高压泵额定压力31.5 MPa。冲床的最大行程S为40mm，冲压周期随行程的变化而变化，当冲压行程设为12mm时，冲压周期T为0.2s。

（1）计算缸筒内径D。已知系统最大负载为200KN，最大压力P为0.8pn=25Mpa，设所受阻力f为25KN，根据公式D≥4（Fmax+ f）pπ得D=110mm。（2）活塞杆直径d。活塞向下时的速度为v1=4qπd2，上升时速度为v2=4qπ（D2-d2），求v1+v2=V的最大值，发现22D=d=77.8时活塞完成一个工作循环用时最少。所以取d=80mm。（3）泵的排量。在一个工作循环中，油箱的出油量应等于其进油量，所以一个工作循环的需要的总流Q=8πDSf= 34.2 L/min，所以低压泵的理论流量为qt2= 30 L/min，高压泵的为qt1= 10 L/min设定两个泵的转速均为1500 r/min。

根据公式qt= Vn得，高压泵排量V1= 6.7 mL/r，低压泵排量V2== 20 mL/r

根据以上计算，低压泵决定选用排量V2= 20 mL/r，额定压力pn2= 7 Mpa

的GFZB-5型齿轮泵，高压泵选用排量V1= 6.3 mL/r，额定压力pn1=31.5 MPa的GFZB-6阀配流轴向柱塞。

2.3速度验算

以行程为12 mm，冲压板的厚度为1 mm的条件下进行速度验算。当活塞下行时v1=4（q1+ q2）π d2= 13.09 cm/s，活塞上行时v2=4（q1+ q2）π（D2- d2）= 14.68 cm/s，这时的频率为4.25HZ，即每分钟内可对工件冲压265次。可见当S=10mm，对厚度为1mms的工件冲压时，可以实现f达到300/min以上的预定目标。

三、结语

本文对冲床液压系统进行了设计，采用比例伺服方向控制阀作为系统的控制元件，压力系统根据负载的变化自动调整，且采用了双泵交替供油的设计方案。其次根据冲床的使用要求，确定冲程、周期、频率、压力等工作参数，然后设计计算出了液压系统的主要元件液压缸的各个数据，最后经过验算，确定可以实现最初的设计目标。

参 考 文 献

[1]臧贻娟.数控高速冲床液压系统设计及仿真[ D].山东：山东大学，2006.

[2]吴宗泽.机械设计师手册[ M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]李勇.新一代冲压技术[ J].新技术新工艺，2003（4）： 31。