内高压成形机锁模缸合模过程建模与仿真

金荣志，麦云飞

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)



内高压成形机锁模缸合模过程建模与仿真

金荣志，麦云飞

(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

针对内高压成型机的合模过程中的锁模力控制，由于过大的轴向力作用下，主缸无法提供足够大的锁模力，造成产品的飞边和表面起皱，变形不均匀。以静载力控制系统为基础，模拟锁模缸合模过程，建立内高压成形机的锁模力控制系统模型。采用Matlab中仿真工具进行仿真分析，结果表明该系统模型可以提供足够的锁模力，具有可行性。

内高压成形；阀控非对称缸；电液力控制；Simulink仿真

内高压成形工艺广泛应用于汽车、航空、航天等工业中的空心变截面轻体构件加工生产。与传统冲压工艺相比，内高压成形技术由于模具数量较少且能一次成形，既节约材料、减轻重量、降低成本，也提高了整体的刚度与使用寿命[1-3]。目前，欧洲是内高压成形成套技术与设备制造商最为集中的地区，其中又以德国的舒勒公司和SPS公司，瑞典AP&T公司为主[4]。内高压成形加工过程中，成形模具的进口处起皱是不可避免的，其皱纹可以通过整形阶段内压的升高而涨平，当轴向力过大时，锁模力不足，模板受力不均匀，易出现产品飞边等现象。合模装置的作用即保证成型磨具可靠的闭紧。通过对液压缸可靠性设计出发，基于液压缸组成结构及工作原理，校核液压缸强度，分析了锁模缸合模过程中的静载压力控制，并建立了相应的流量方程，基于能量守恒规律建立了液压缸往复运动过程活塞力平衡方程。本文通过Simulink建模仿真求得液压缸在静载下压力-时间特性。

1 内高压技术成形原理及特点

1.1 内高压成形原理

在液压传动中，一般把液体工作压力高于31.5～35 MPa时，称为超高压[5-7]。内高压成形技术通常是用管坯作为坯料，通过施加液体压力和轴向加力补料，将管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件[5-7]。

液压合模装置的动力是由合模液压缸中的高压液压油产生的，液压油的压力推动合模活塞带动动模安装板及动模进行合模动作，并起到锁紧作用。

内高压成形机的锁模力控制系统主要由锁模装置、伺服阀、液压缸、力传感器和放大器等主要部分组成。当系统接到合模指令时，变量泵经伺服阀调节输出平稳的，连续变化的流量驱动模架按预定的运动移动，实现模架由快速移动到最后缓慢平稳的合模。内高压成形机系统提供的合模力和合模机构的质量均较大，锁模缸合并后，在测推力缸的作用下，封闭管坯两端，其原理如图1所示。

图1 内高压成形工艺流程图

1.2 内高压成形技术特点

(1)从工艺技术角度来看，内高压成形技术可以加工不同尺寸的封闭空心截面零件，可以达到结构轻量化、节约材料和简化工艺的目的。内高压成形结构件相对于冲压件可以减轻，提高产品利用率[8]；(2)减少零件和模具的数量。对于内高压成形件而言，只需一套模具就可以完成，而冲压件通常需要多套模具；(3)减少后续工作。以散热器支架为例，焊接点由原来 个减少到 个，组装工序由原来 道减少到 道；(4)提高成形件刚度和强度。内高压成形过程中的加工硬化作用，提高零件强度和刚度在 之间[9]；(5)提高材料的利用率；(6)节约成本。

2 内高压机锁模缸力控制系统

(1)搭建锁模缸力控制系统图。依据合模系统的液压原理及具体的压力控制系统图如图2所示。

图2 锁模缸合模力控制伺服系统

(2)设置参数。根据工况及设计要求，在合模过程中锁模缸的有杆腔为高压油腔，提供660 T合模力通过液压锁的结构。

参数要求：合模力660 T，锁模缸的公称力8 000 kN，锁模缸的最大工作压力25 MPa。锁模缸最大行程500 mm，液压系统流量36 L/min，总功率56 kW。

3 电液力控制系统数学建模

3.1 阀控非对称缸的建模

伺服阀的流量方程：伺服阀[10]的流量为

QL1=KqKv-KcPL

(1)

式中，Kq为伺服阀在稳态工作点附近的流量增益，0.13 m3/(s·A)；Kc为伺服阀在稳态工作点附近的流量-压力系数，2.324×10-8m3s/Pa；PL为负载压降，PL=17.32×106Pa。

液压缸连续性方程

(2)

在本文的电液伺服系统中，由于活塞杆与负载固联，故负载力包括惯性力、粘性阻尼力和弹性力。则液压缸的输出力与负载力的平衡方程为

(3)

式中，m为活塞及负载折算到活塞上的总质量，500 kg；Bm为活塞及负载的粘性阻尼系数，8.8×10-5N·m/(rad/s)；K为加载油缸和负载的等效刚度，3.6×108N/m。

3.2 伺服阀模型

系统伺服阀选用力士乐4WRHM先导式比例方向阀，其主要参数：负载流量为870 L/min，最大工作压力为35 MPa，内泄漏为2.8 L/min[11]，额定电流为20 mA。本系统中执行元件固有频率低于50 Hz,伺服阀的传递函数可用一阶环节表示，即

(4)

式中，I为伺服阀输入电流；Ksv为伺服阀增益系数；Tsv为伺服阀时间常数。

3.3 伺服阀放大器环节

伺服放大器动态忽略不计，可视为一个比例环节，其输出电流为

I=Ka(Ur-UF)

(5)

式中，ΔI为放大器输出电流；Ka为放大器增益系数；Uf为系统设定输入电压；Uf为力传感器的输出反馈电压。

3.4 力传感器环节

UF=KFFc

(6)

式中，KF为力传感器的增益；Fc为液压缸输出力。

3.5 合模模拟系统框图及传递函数

其开环传递函数为

(7)

图3 合模模拟系统框图

4 系统仿真与分析

4.1 仿真模型的建立

在建立系统数学模型后，需要对系统模型进行频域和时域分析Simulink可以方便地对系统进行建模、仿真与分析，从而使一个复杂模型的建立和仿真变得相当简单和直观[12-15]。本文利用Simulink仿真平台对本文建立的模型进行仿真与分析。

4.2 系统仿真结果分析

通过Simulink仿真，可得到系统的频域特性曲线和时域特性曲线，如图4和图5所示。

图4 力控制系统开环频率特性

图5 力控制系统时域阶跃响应曲线

由图4可知，幅值穿越频ωc=88.1 Hz。本系统的开环系统为最小相位系统。若开环对数幅频特性达到0 dB时，其对数相频特性还在-180°线以上，即相位还

不足-180°，则闭环系统稳定[12-15]。因此，本系统是闭环稳定的。由图5可知，本系统主要的时域性能指标为：无最大超调量；调整时间为0.057 2 s。

5 结束语

针对内高压液压机锁模缸的电液伺服力控制系统建立了数学模型，并利Simulink对数学模型进行了仿真，对该系统进行了频域特性和时域特性分析。结果表明，本系统是闭环稳定的, 但在系统响应快速性方面仍有不足，需要后续进一步优化，以提高系统性能。

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Modeling and Simulation of Cylinder Clamping Process in Ultra-high Forming Machine

JIN Rongzhi，MAI Yunfei

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Take the mold clamping system of ultrahigh forming machine as research object. Wrinkling of the model happened due to too much under the action of axial force and insufficient hydraulic pressure. Through based on the static and residual control system, and do simulation of clamping cylinder clamping process, established the system application for controlling mold clamping. Through using MATLAB simulation tools for simulation analysis, the result show that the system model can provide adequate clamping force, indicating that the strategy is feasible and effective.

ultra-high forming；valve controlled asymmetric cylinder；force servo control；Simulink simulation

2016- 09- 13

金荣志(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：液压与虚拟控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.015

TP391.9;TH137

A

1007-7820(2017)08-056-03