拉伸垫形式及选型注意事项

作者:长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心 李统 侯志栋 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2019-10-25
拉伸垫作为压力机设备中重要设备的组成部分,在冲压拉伸工序中起到关键作用。本文通过介绍影响拉伸垫性能的性能参数,探讨了拉伸垫的选用原则,同时介绍了气垫、液压垫、伺服拉伸垫的原理结构及特点。

随着汽车产业的高度发展,用户对汽车造型、外观质量等要求越来越高,各汽车制造商为保证市场份额和利润的增长,通过不断地进行产品研发、技术创新来加快产品的更新换代。与此同时,模具技术、材料研究以及冲压设备的发展为上述产品要求提供了技术施行的保证。
冲压外覆盖件作为汽车造型、外观质量的重要体现,其生产制造亦显得尤为重要,而拉伸工艺作为制件冲压成形的关键工艺应引起高度重视。制件拉伸由两个力作用实现:一是成形力,用于板料变形;二是压边力,用于夹持板料并控制板料进料速度,由拉伸垫提供。

常见拉伸垫介绍
如图1所示,在拉伸过程中,压力机滑块带着上模下降,将待拉伸板料夹持在上模和压边圈之间,在下模(凸模)的作用下将材料挤入上模,实现板料拉伸成形。在此过程中必须以最佳控制力夹持板料,否则力过小会导致拉伸部件容易起皱,力过大又会造成板料撕裂。而最佳控制力由拉伸垫提供,通过顶杆传递给压边圈。常见拉伸垫的形式主要有气垫、液压垫和伺服拉伸垫。

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1.气垫
气垫是较早时期拉伸垫的形式,相比于其他两种拉伸垫,其投资成本低、使用维护方便,因此直至现在仍是部分用户的首选。但受限于其压力波动范围大、噪声大、冲击大、运动曲线固定、系统控制精度差、模具设计要求复杂和调试周期长等缺点,随着工艺需求的不断提升,其劣势愈加凸显。当前大型气垫结构分为图2(单顶冠—双顶起—双闭锁—双调整)和图3(单顶冠—双顶起——单闭锁—单调整)两种结构。

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气垫一般由一个顶冠、两套主缸、滞后闭锁缸和一套行程调整机构等组成一体,通过螺栓安装在底座内。拉伸垫行程调整是由电动机驱动蜗杆,蜗轮带动调节螺杆上下移动实现的。调整过程中,若系统受阻过载,过载保护联轴器可保护机构不受损坏。行程调整量的大小,由位移传感器测量并通过右前立柱上的指示器数码显示出来。调节量超过最大或最小极限位置时,会分别接通限位开关,停止电动机运转。调节螺杆的端部设有缓冲腔,拉伸垫行程临近上限位置时,装在滞后闭锁缸活塞杆轴端上的缓冲块便楔入缓冲腔,使压力油从隙缝中慢慢挤出来,从而吸收能量,减小冲击,直到行程停止。
图2所示气垫结构的局限性是要达到两套闭锁缸的同时,同步闭锁困难较大且部分模具偏载,因此气垫频繁发生连接螺栓弯曲、断裂等故障,但是其结构、振动相对较小。由于安装在底座内,后期维护保养工作相对较少。
图3所示气垫结构主要存在两个问题,一是起闭锁功能的回油管采用拼装焊接形式安装,在闭锁动作时,高压油会冲击管路,造成开焊漏油;二是滞后闭锁缸体通过螺栓安装在压机底座下部,由于生产过程中频繁振动,造成螺栓松动,需加强日常维护管理工作。

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2.液压垫
液压垫作为近年兴起的拉伸垫形式,由于压力曲线可编程、冲击力减小可提高模具寿命和工件质量的特点而广泛被各大汽车主机厂用户所使用,其主要由动力系统、执行系统、控制系统和回馈系统组成,如图4所示。

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动力系统是由油箱、冷却器、电动机、液压泵和蓄能器等元器件组成的自闭系统, 它根据指令提供相应的输出流。执行系统一般由四个主缸构成,四个主缸提供的压边力可以单独设置,压力波动(非接触时的压力波动)为±5%。控制系统由若干个方向控制阀、压力控制阀、压力转换器和一个可编程逻辑控制器等元件构成,实现电子定置及冲压过程的正常运行。回馈系统分为压力回馈和位置反馈,前者由压力传感器、放大器等组件构成;后者由位置感应传感器、线性编码器等组件构成,可以有效保证液压垫在工作中的稳定性。
图5所示为气垫及液压垫运动曲线对比。可见液压垫相对于气垫来说,其技术性能的优势非常明显,但它的投资较大、系统结构复杂、维修费用高、能耗高。例如400 t液压垫,电动机总功率达到500 kW。如果用户的工艺需求有限,则有可能在使用过程中无法完全发挥其技术优势,因此应根据实际生产需要合理选择。

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3.伺服拉伸垫
伺服拉伸垫是一种运用齿轮、齿条或丝杠可逆运行特性的驱动方式,如图6所示。一般情况下伺服电动机通过同步带将动力传递到丝杠,在丝杠做旋转运动时,与螺母固定在一起的顶冠做上下运动,螺母与顶冠制件设置的液压保护装置起到压力缓冲及过载卸荷功能。通过丝杠将顶冠受到的加压力转换成回转运动,回转运动使伺服电动机发电,回馈电网。丝杠轴端和伺服电动机设置位置编码器,可以反馈位置信号,实现对伺服垫的位置控制,伺服电动机驱动伺服垫顶冠,可以相对于滑块独立运动。

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伺服拉伸垫通过控制伺服电动机的输出转矩和运行速度,可以任意调整拉伸垫在不同位置上的压边力和运行速度,以适应不同工件的拉伸工艺,也可以单独调整各点的压边力,其运行曲线与滑块运行曲线关系如图7所示。

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伺服拉伸垫在生产应用中可带来以下优势:①节省能源,通过可再生电能的伺服电动机与传统机械压力机相比,可节省约25%的能源;②提高材料利用率,由于拉伸压力的稳定化,可实现提高材料利用率0.5%~2%;③低噪声,伺服拉伸垫的预加速功能使顶料杆冲击时的相对速度减慢,从而降低了噪声;④成形性提高,减少甚至消除了制件表面的拉伸纹;⑤由于不使用高压油作为动力源,减少了油液泄漏造成的污染,提升了环境清洁度。
虽然伺服拉伸垫优势突出,但由于其投资成本高,发展较晚,目前在国内应用较少。但随着伺服技术的不断成熟及发展,伺服拉伸垫的前景可期。

拉伸垫选型注意事项
拉伸垫作为控制板料成形设备的重要组成部分,其选择除了考虑一次性投资成本、占地空间和维护使用成本等因素外,还需重点关注其性能参数,例如压力范围、压力波动、有效拉伸行程、行程次数、能量曲线、位置控制、冷却功能、节能措施和拉伸垫原理结构等,下文分别一一介绍。
(1)压力范围  通常拉伸垫的最大压力在压机公称压力的1/6~1/3之间,具体由该线体制件拉伸所需的最大压边力及最小压边力决定。由于拉伸垫压力由压力机克服,相当于在压力机上增加了拉伸垫吨位的负荷,故拉伸垫压力等于压力机可提供的力减去板料拉伸力,而压力机可提供的力需结合压力机吨位曲线确定,也就是在压力机吨位曲线不变的情况下,拉伸垫的压力越大,压力机的扭矩能力越大,但其有效拉伸力会越小,因此在拉伸垫压力选定时也需结合压力机吨位曲线进行参考,否则在极端情况下会造成拉伸垫顶起后无法下行或设备损坏。
(2)压力波动  压力波动是实际拉伸垫压力与设定压力之间的对比。压力机波动范围受动力形式和控制系统结构的影响较大。压边力的动力形式主要分为气压、液压和机械三种。一般情况下,压力波动在5%~20%之间,而液压垫的压力波动在不考虑接触峰值的情况下最高可达5%。
(3)有效拉伸行程  拉伸垫行程由车型制件的最大拉伸量确定,选取时需有一定的余量。
(4)行程次数  应与压力机行程次数保持一致,避免选择不当影响生产节拍。
(5)能量曲线  拉伸垫的能量曲线即拉伸垫在拉伸行程做的功(kJ)=拉伸垫的力(即压边力)(kN)×拉伸行程(m)。当制件拉伸深度与拉伸力形成的矩形面积超过拉伸垫能量曲线范围时,则需重新选择拉伸垫型号。
(6)位置控制  拉伸垫的位置控制一般通过位置传感器或伺服电动机编码器进行控制,其中气垫主要有最大、最小极限位置控制和无全行程位置控制。
(7)冷却功能  对于使用液压系统进行压力控制的拉伸垫,由于其工作过程中频繁压缩,释放出液压油做功而转化,从而释放出大量的热量。为保证其阀体、密封垫等性能,需要提供额外的冷却系统。而对于采用电动伺服形式的拉伸垫,则无须考虑系统的冷却功能。
(8)节能措施  对于使用液压、电动伺服形式的拉伸垫,由于系统能耗大,各设备制造商均附带了节能发电的功能来弥补此劣势,因此也需要考虑此项功能的结构和稳定性。
(9)拉伸垫原理结构  不同形式拉伸垫的原理及结构不同,即使同一种形式的拉伸垫,因为供应商的设计理念不同,也有很大区别。由于不同的原理、结构和优劣势会造成其投资成本和后期维护使用成本不同,因此在初期选择时需要重点关注。
  
结语
在液压垫选型前需要了解压力机生产制件的拉伸成形曲线或拉伸力及拉伸行程,并结合压力机公称力曲线和能量曲线进行分析。只有明确了解滑块运行曲线后才能够合理选择拉伸垫曲线进而确认拉伸垫的形式。因此,拉伸垫选型初期至少需要考察上述内容作为判定依据。为满足不断发展的工艺需求,拉伸垫还具备了一些其他功能及操作模式可供选用,例如预加速、闭锁等。   

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