一种可变合模力内高压成形机

摘要

本发明公开了一种可变合模力内高压成形机，属于管材成形加工设备领域，包括第二合模油缸比例伺服阀(43)与第一合模油缸比例伺服阀(15)，第二合模油缸比例伺服阀(43)的一个油口与柱塞缸(3901)的柱塞腔(41)和活塞缸(3902)的活塞腔(44)连通，另一个油口密封；第一合模油缸比例伺服阀(15)的一个油口与活塞缸(3902)的活塞杆腔(42)连通，另一个油口密封，第二合模油缸比例伺服阀(43)和第一合模油缸比例伺服阀(15)同时控制柱塞腔(41)和活塞腔(44)、活塞杆腔(42)的油压。该成形机适用于最大合模力大于等于20000KN的情况，在合模力从零至最大合模力区间均具有较高的合模力控制精度，同时压力控制精度高，不存在液压冲击。

说明书

技术领域

本发明属于管材成形加工设备领域，具体涉及一种可变合模力内高压成形机。

背景技术

管材内高压成形技术是一种先进的变截面空心构件制造方法，已广泛的应用于汽车结构件的生产中，也用于航空航天工业中的大直径封闭变截面管材成形。其主要工艺过程为：首先向管材内部填充液体，同时通过轴向冲头实现管材两端密封，然后通过外部增压器提高管材内部液体压力，利用液压力使管材发生塑性变形，从而获得变截面管件。

内高压成形机是实现管材内高压成形的塑性成形设备，主要包括两个水平油缸、增压器与合模油缸。两个水平油缸分别安装轴向冲头提供管材两个端头密封和轴向进给，通过增压器提供高压液体，合模油缸实现模具开闭并提供合模力，合模力的作用是平衡内高压成形过程中内压作用在管材上产生的开模力，保证成形过程中模具闭合紧密，从而确保最终成形零件的尺寸精度。

早期的内高压成形机合模油缸的液体压力由普通溢流阀控制，即溢流阀设定压力决定油缸最大合模力，在内高压成形过程中合模力只能保持在一个恒定的数值上，即成形过程中所需最大合模力。这种恒定合模力的内高压成形机的主要缺点是：当成形初始时管材内部无液体或液体压力很小时，内压所产生开模力为零或非常小，此时合模油缸最大合模力全部施加在模具上，使模具产生较大的弹性变形，缩短模具寿命，同时影响零件尺寸精度。对最大合模力20000KN以下的情况，可以通过增大模具尺寸减小弹性变形来克服上述问题，但这样会造成模具体积庞大，成本大幅增加；对于最大合模力20000KN以上的情况，即使增大模具尺寸也无法根本解决弹性变形对模具寿命和零件尺寸精度的影响。

要解决这一问题，需要实现变形过程中内高压成形机合模力能够随内压可变。

大吨位内高压成形机一般采用大吨位柱塞缸与小吨位活塞缸组合(如图1所示)的方式来提供合模力与回程力，这样可以大大降低大吨位合模油缸的加工难度与制造成本，原因是：内高压成形机的合模力需要克服内压产生的开模力，所需合模力高达50000KN-60000KN，而回程力仅需克服模具、垫板及滑块重量，一般仅需4000KN-5000KN，因此大吨位内高压成形机合模力远远大于回程力。如果仅采用活塞缸提供合模力，由于油缸吨位大，活塞与缸筒直径大，加工难度大，成本高。虽然该活塞缸能够提供很大的回程力，但是内高压成形工艺并不需要，这就造成极大的浪费。

采用比例溢流阀控制合模油缸液压，实际上是控制柱塞腔和活塞腔的液压，可以近似实现合模力的连续调节，但是由于比例溢流阀存在较大的死区和饱和区，在满量程的前20％区间(死区)与后15％区间(饱和区)无法实现连续调节，控制特性不好。以50000KN内高压成形机为例，满量程的前20％区间对应着合模力0-10000KN，满量程的后15％区间对应着合模力42500KN-50000KN，在这两个区间无法精确控制合模力，不能满足实际生产的要求。同时，大流量比例溢流阀的响应速度低于比例伺服阀的响应速度，这样合模力的响应速度低于管材内压的响应速度，这将延长内高压成形的节拍时间，严重影响生产效率。

为解决这种情况，可以采用比例伺服阀代替比例溢流阀进行合模力的控制。采用比例伺服阀控制普通活塞式油缸输出力的原理图如图2所示，比例伺服阀通过控制A腔与B腔的液压值，来控制活塞缸实际输出力，此时：

油缸实际输出力＝A腔液压×A腔液压作用面积－B腔液压×B腔液压作用面积

比例溢流阀控制油缸输出力时，只能控制油缸一腔的压力，而比例伺服阀控制油缸输出力时，实质上是通过控制油缸两腔的液压，来控制油缸出力，因此控制效果明显优于比例溢流阀控制力的方法，可以获得更高的合模力控制精度与响应速度。

但是采用一个比例伺服阀控制大吨位内高压成形机合模力，仍存在较大的问题。从液压原理角度可以将这种小吨位活塞缸与大吨位柱塞缸组合油缸简化成两腔面积严重非对称活塞缸，从图3中可以看出，此时活塞腔(A腔)液压作用面积要远远大于活塞杆腔(B腔)作用面积。比例伺服阀可以调节A腔与B腔的压力实现所需的合模力，但是由于A腔容积远远大于B腔容积，极容易造成B腔超压，对活塞杆腔冲击很大，严重影响油缸密封寿命，甚至损坏油缸。

发明内容

为解决大吨位内高压成形机采用一个比例伺服阀控制大吨位柱塞缸与小吨位活塞缸组合输出合模力的缺点，本发明提出了一种新结构的可变合模力内高压成形机，该内高压成形机的合模力可随内压变化，适用于最大合模力大于等于20000KN的情况，对于最大合模力大于等于50000KN的内高压成形机，在合模力从零至最大合模力区间均具有较高的合模力控制精度，同时压力控制精度高，不存在液压冲击。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可变合模力内高压成形机，包括：合模油缸、上垫板5与下垫板24、上模6与下模14、左侧冲头7与右侧冲头25、右侧冲头中的孔道26、左侧水平油缸8、左侧水平油缸位移传感器9、控制器11、输入模块10、输出模块13、左侧水平油缸比例伺服阀16与右侧水平油缸比例伺服阀20、油泵17与油箱18、注水泵22与水箱21、右侧水平油缸27、右侧水平油缸位移传感器28、超高压传感器33、水介质19、增压器36、增压器比例伺服阀23；所述合模油缸包括柱塞缸3901和多个活塞缸3902，该内高压成形机还包括第二合模油缸比例伺服阀43与第一合模油缸比例伺服阀15，第二合模油缸比例伺服阀43的一个油口与柱塞缸3901的柱塞腔41和活塞缸3902的活塞腔44连通，另一个油口密封；第一合模油缸比例伺服阀15的一个油口与活塞缸3902的活塞杆腔42连通，另一个油口密封，第二合模油缸比例伺服阀43和第一合模油缸比例伺服阀15同时控制柱塞腔41和活塞腔44、活塞杆腔42的油压；所述油泵17与第一合模油缸比例伺服阀15、第二合模油缸比例伺服阀43连接；所述第一合模油缸比例伺服阀15和第二合模油缸比例伺服阀43均与输出模块13连接。

所述第二合模油缸比例伺服阀43的额定流量大于第一合模油缸比例伺服阀15的额定流量。

所述第二合模油缸比例伺服阀43的一个油口通过第一油管1与柱塞腔41和活塞腔44连通；所述第一合模油缸比例伺服阀15的一个油口通过第二油管3与活塞杆腔42连通。

所述第一油管1上安装有第一压力传感器2，第二油管3上安装有第二压力传感器4。

所述第一压力传感器2、第二压力传感器4均与输入模块10连接。

所述的可变合模力内高压成形机在最大合模力大于等于20000KN的内高压成形中的应用。

所述最大合模力大于等于50000KN。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的可变合模力内高压成形机合模力随内压变化，降低了模具受力，从而减小了模具体积，减轻了模具弹性变形，提高了零件尺寸精度，延长模具寿命，降低了生产成本；

2)本发明的可变合模力内高压成形机适用于合模力大于等于20000KN的情况，尤其适用于合模力大于等于50000KN的情况，在合模力由零至最大合模力整个区间均具有较高的合模力控制精度和响应速度，能够保证合模力可以随内压快速变化，从而缩短成形时间，满足高效率生产的要求；

3)本发明的可变合模力内高压成形机通过两个不同额定流量的比例伺服阀分别控制合模油缸柱塞腔和活塞腔、活塞杆腔油压，压力控制平稳无冲击，实现了全量程合模力的精确控制，又能够更好地保护活塞缸，延长活塞缸的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中大吨位内高压成形机合模油缸组合方式；

图2为现有技术中比例伺服阀控制普通活塞缸的原理图；

图3为现有技术中比例伺服阀控制两腔面积严重非对称活塞缸的原理图；

图4为本发明的可变合模力内高压成形机的结构示意图；

图5为本发明的可变合模力内高压成形机在内高压成形过程中合模力随内压决定的开模力的变化示意图。

附图标记说明

1 第一油管 2 第一压力传感器

3 第二油管 4 第二压力传感器

5 上垫板 6 上模

7 左侧冲头 8 左侧水平油缸

9 左侧水平油缸位移传感器 10输入模块

11控制器 12左侧水平油缸活塞杆

13输出模块 14下模

15第一合模油缸比例伺服阀 16左侧水平油缸比例伺服阀

17油泵 18油箱

19水介质 20右侧水平油缸比例伺服阀

21水箱 22注水泵

23增压器比例伺服阀 24下垫板

25右侧冲头 26孔道

27右侧水平油缸 28右侧水平油缸位移传感器

29右侧水平油缸活塞杆 30水管

31超高压单向阀 32高压水管路

33超高压传感器 34第一增压器油管

35第二增压器油管 36增压器

37管材 38活塞杆

3901柱塞缸 3902活塞缸

40柱塞杆 41柱塞腔

42活塞杆腔 43第二合模油缸比例伺服阀

44活塞腔

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图4所示，本发明的合模力随内压变化的可变合模力内高压成形机，包括：合模油缸、控制合模油缸柱塞腔和活塞腔压力的第二合模油缸比例伺服阀43与控制合模油缸活塞杆腔压力的第一合模油缸比例伺服阀15、第一油管1与第二油管3、第一压力传感器2与第二压力传感器4、上垫板5与下垫板24、上模6与下模14、左侧冲头7与右侧冲头25、右侧冲头中的孔道26、左侧水平油缸8、左侧水平油缸位移传感器9、控制器11、输入模块10、输出模块13、左侧水平油缸比例伺服阀16与右侧水平油缸比例伺服阀20、油泵17与油箱18、注水泵22与水箱21、右侧水平油缸27、右侧水平油缸位移传感器28、水管30、超高压单向阀31、高压水管路32、超高压传感器33、管材内提供变形力的水介质19、增压器36、增压器比例伺服阀23、第一增压器油管34与第二增压器油管35。

所述上模6连接在上垫板5上，下模14连接在下垫板24上，下模14和下垫板24均固定不动，管材37放置在下模14上。

所述左侧水平油缸8与右侧水平油缸27均水平布置，分别由左侧水平油缸比例伺服阀16与右侧水平油缸比例伺服阀20控制。左侧水平油缸8内安装有左侧水平油缸位移传感器9，右侧水平油缸27内安装有右侧水平油缸位移传感器28。左侧水平油缸活塞杆12为左侧水平油缸8的组件之一，左侧冲头7安装在左侧水平油缸活塞杆12上，随左侧水平油缸活塞杆12动作；右侧水平油缸活塞杆29为右侧水平油缸27的组件之一，右侧冲头25安装在右侧水平油缸活塞杆29上，随右侧水平油缸活塞杆29动作，右侧冲头25中心加工有孔道26。

所述增压器36由增压器比例伺服阀23通过第一增压器油管34与第二增压器油管35控制，增压器36高压出口的一侧连接超高压管路32的一端，超高压管路32的另一端与右侧冲头25中心的孔道26连接，超高压管路32上安装有超高压传感器33，增压器36高压出口的另一侧与水管30的一端连接，水管30的另一端连接注水泵22，注水泵22与水箱21连接，注水泵22将水箱21中的水经过水管30输送至增压器36内部，增压器36内部产生高压的水介质19并通过超高压管路32与孔道26进入管材37中，水管30上安装有流向为从注水泵22到增压器36的超高压单向阀31，防止高压水介质19流入管道30。

所述油泵17与油箱18连接，油泵17与左侧水平油缸比例伺服阀16、右侧水平油缸比例伺服阀20、增压器比例伺服阀23、第一合模油缸比例伺服阀15、第二合模油缸比例伺服阀43连接，将油箱18中的液压油供给至左侧水平油缸比例伺服阀16、右侧水平油缸比例伺服阀20、增压器比例伺服阀23、第一合模油缸比例伺服阀15、第二合模油缸比例伺服阀43。

所述合模油缸包括柱塞缸3901和多个活塞缸3902，活塞缸3902对称布置于柱塞缸3901的两侧，其中，柱塞缸3901的吨位大于等于20000KN，活塞缸3902的吨位小于等于5000KN，活塞缸3902的回程力为2000KN-3000KN，柱塞缸3901和活塞缸3902共同用于提供合模力，活塞缸3902用于提供回程力。采用小吨位活塞缸3902与大吨位柱塞缸3901组合的方式提供合模力与回程力，大大降低大吨位合模油缸的加工难度与制造成本。

所述柱塞缸3901和活塞缸3902均竖直放置，柱塞杆40为柱塞缸3901的组件之一，活塞杆38为活塞缸3902的组件之一，上垫板5连接在活塞杆38和柱塞杆40上，随着活塞杆38和柱塞杆40运动。

第二合模油缸比例伺服阀43的一个油口通过第一油管1与柱塞腔41和活塞腔44连通，另一个油口密封，第一合模油缸比例伺服阀15的一个油口通过第二油管3与活塞杆腔42连通，另一个油口密封，两个比例伺服阀同时控制柱塞腔和活塞腔、活塞杆腔的油压，调节合模油缸输出力，从而控制合模力。第二合模油缸比例伺服阀43的额定流量远大于第一合模油缸比例伺服阀15的额定流量。

所述柱塞腔41和活塞腔44的总面积大于活塞杆腔42的总面积，且柱塞腔41和活塞腔44的总面积与活塞杆腔42的总面积的比等于最大合模力与回程力的比，所述柱塞腔41和活塞腔44的总面积与活塞杆腔42的总面积之比大于等于15，优选为15-20，这是因为对于内高压成形机来说，最大合模力远远高于回程力，将柱塞腔41和活塞腔44的总体积设计为大于活塞杆腔42的总体积在保证最大合模力和回程力的基础上可以更好地节约，降低油缸制造成本。

柱塞腔41和活塞腔44的总面积由最大合模力决定，最大合模力越大，柱塞腔41和活塞腔44的总面积越大；活塞杆腔42的总面积只要液压作用在活塞杆腔42的总面积上产生的回程力足以提升模具即可，一般为2000KN-3000KN，与最大合模力无关。对于最大合模力大于等于50000KN的内高压成形机，柱塞腔41和活塞腔44的总面积约为活塞杆腔42的总面积的20倍左右，随内高压成形机最大合模力的增大，柱塞腔41和活塞腔44的总面积与活塞杆腔42的总面积比将继续变大。

所述第一油管1上安装有第一压力传感器2，第二油管3上安装有第二压力传感器4。

本发明的可变合模力内高压成形机采用第二合模油缸比例伺服阀43和第一合模油缸比例伺服阀15两个比例伺服阀来控制柱塞缸3901和活塞缸3902的原因是：如果仅采用一个比例伺服阀来控制柱塞缸3901和活塞缸3902，其实质是控制如附图3所示的一个两腔面积严重非对称的活塞缸，调节柱塞腔与活塞腔油压的同时会造成活塞杆腔严重超压，液压冲击大，缩短活塞缸密封寿命。

所述第一压力传感器2、第二压力传感器4、超高压传感器33、左侧水平油箱位移传感器9和右侧水平油箱位移传感器28均与输入模块10连接，左侧水平油缸比例伺服阀16、右侧水平油缸比例伺服阀20、增压器比例伺服阀23、第一合模油缸比例伺服阀15和第二合模油缸比例伺服阀43均与输出模块13连接。左侧水平油箱位移传感器9、右侧水平油箱位移传感器28、第一压力传感器2、第二压力传感器4、超高压传感器33的信号均通过输入模块10传送至控制器11，控制器11的输出信号均经输出模块13分别发送至左侧水平油缸比例伺服阀16、右侧水平油缸比例伺服阀20、增压器比例伺服阀23、第一合模油缸比例伺服阀15和第二合模油缸比例伺服阀43，进而控制左侧水平油缸8、右侧水平油缸27、增压器36和合模油缸动作。

结合附图1-2，阐述本发明的可变合模力内高压成形机的工作过程如下：

1)管材37放置在下模14上，第二合模油缸比例伺服阀43与第一合模油缸比例伺服阀15共同控制柱塞缸3901和活塞缸3902的柱塞杆40和活塞杆38下行，并进一步带动上垫板5与上模6下行，至上模6与下模14闭合，控制器11通过输出模块13发出控制命令至第二合模油缸比例伺服阀43与第一合模油缸比例伺服阀15使柱塞缸3901和活塞缸3902的作用力上升至预设初始值，该预设初始值称为初始合模力，初始合模力相对于合模油缸的最大合模力来说非常小，约为合模油缸的最大合模力的5％左右，其作用是确保模具已完全闭合；

2)启动注水泵22，通过管道30与超高压管道32向增压器36与管材37内部填充水介质，在填充水介质的同时，由控制器11经输出模块13发出指令使左侧水平油缸比例伺服阀16控制左侧水平油缸8前进，右侧水平油缸比例伺服阀20控制右侧水平油缸27前进，使安装在左侧水平油缸8和右侧水平油缸27的左侧冲头7和右侧冲头25与管材37接触完成管材37两端的密封，左侧水平油缸8的位置由左侧水平油缸位移传感器9测量，右侧水平油缸27的位置由右侧水平油缸位移传感器28测量，从而保证左侧冲头7、右侧冲头25与管材37的两端刚好接触并保证密封；

3)通过增压器比例伺服阀23控制增压器36进行增压，管材37内部的水介质19压力升高，压力数值由超高压传感器33测量获得，并经输入模块10输送至控制器11，控制器11根据开模力计算公式获得开模力：

开模力＝管材内部液体压力×压力作用面积

然后根据合模力公式确定当前所需合模力：

合模力＝开模力+力差

其中，保留力差的目的是保证合模力大于开模力，以确保模具闭合，力差的数值一般为3000KN-4000KN，确定当前合模力后，控制器11经输出模块13将指令发送至第二合模油缸比例伺服阀43与第一合模油缸比例伺服阀15，调整合模油缸作用力；

4)随管材37内部的水介质19压力升高，合模油缸提供的合模力也不断增大，当管材37的内压达到峰值时，合模力也达到峰值，管材37变形为所需零件，通过第二合模油缸比例伺服阀43与第一合模油缸比例伺服阀15共同控制合模力，此时合模力＝柱塞腔液压×柱塞腔液压作用面积+活塞腔液压×活塞腔液压所用面积－活塞杆腔液压×活塞杆腔液压作用面积，可以获得高精度的合模力控制精度。

5)管材37结束变形后，通过控制增压器36的增压器比例伺服阀23降低增压器36的压力，即管材37内部水介质19的压力，同时控制合模油缸两个比例伺服阀降低合模力，但仍保证此时合模力大于开模力，并且差值为力差。

当水介质19压力首先降低为0后，合模力也降低为0，但是柱塞缸3901的柱塞杆40和活塞缸3902的活塞杆38未动作，即模具仍处于闭合状态；

6)按照控制器11的指令，左侧水平油缸比例伺服阀16控制左侧水平油缸8回程，右侧水平油缸比例伺服阀20控制右侧水平油缸27回程，管材37的两个端头分别与左侧冲头7与右侧冲头25脱开，此时第一合模油缸比例伺服阀15控制活塞缸3902提供回程力，柱塞缸3901和活塞缸3902回程，上模6向上移动，上模6与下模14打开，取出变形后的管材37，成形过程结束。

实施例1

实施例1的合模力随内压可变的内高压成形机，其增压器36的最大压力为400MPa，使用的左侧水平油缸比例伺服阀16、右侧水平油缸比例伺服阀20的额定流量为25L/min，增压器比例伺服阀23的额定流量125L/min，第二合模油缸比例伺服阀43的额定流量为1000L/min，第一合模油缸比例伺服阀15的额定流量为100L/min。合模油缸最大合模力为50000KN，回程力为3000KN，左侧水平油缸8和右侧水平油缸27的出力为2000KN，行程为200mm。油泵17的额定工作压力为25MPa，流量为120L/min。使用的控制器11为西门子系列PLC315-2DP。初始合模力为2500KN，可变合模力范围为2500KN-50000KN。