随着近几年汽车制造业的飞速发展, 成为现代汽车冲压工厂的关注要点。作者在长期从事国内主要汽车冲压工厂的设计时, 收集整理了目前国内外较为先进的新型冲压生产设备并对其主要的性能进行了简要的说明。
1 传统的曲柄压力机与框架式液压机
曲柄压力机是利用电机带动飞轮高速转动, 并储存能量, 然后由离合器把能量传递给减速-曲柄系统的机械压力机, 如图1所示。
其能量公式可表示为:
式中:E为输出的能量;
J为系统的的转动惯量;
ω1为冲压前的飞轮转速;
ω2为冲压后的飞轮转速。
按照国际通行的设计规范, 曲柄压力机冲压时最大允许电机转速下降1 5%～20%。按照20%计算, 则曲柄压力机此时的最大输出能为E=0.18 Jω12, 可见飞轮的转速变化对最大输出能产生指数倍的影响。而滑块的速度v与飞轮转速ω的对应关系为:
式中:i为飞轮至曲柄的减速比;
R为曲柄半径;
L为连杆长度;
α为曲柄的相位角。
根据现场实测, 对于某种典型拉伸深度大、成型复杂的车身覆盖件拉伸时的最佳速度在20～35mm/s左右, 增大压边力后可提高至200mm/s左右。按照国内通行的大吨位多连杆单动压力机进行反拉伸时计算, 滑块速度200mm/s时, 压力机循环速度为11rpm, 飞轮转速约为150rpm。若循环速度为12rpm, 飞轮转速约为166rpm, 最大输出能差了1.2倍。而且当拉伸速度快时, 需要的压边力就大, 这又增加了飞轮克服气垫提供的压边力耗能。因而对于单动反拉伸多连杆机械压力机而言, 输出能量/输出力与拉伸速度存在着矛盾关系。
快速液压机则利用油泵将液压油注入油缸, 使滑块运动, 并获得能量, 如图2所示。
目前较为先进的液压机普遍采用恒功率变量泵+比例阀或者比例泵的控制模式, 即保持泵的功率恒定, 当总冲压力小时, 流量大、滑块速度快;当总冲压力大时, 流量小、滑块速度慢, 而且油泵的输出压力也可数控限制。这样的话理论上就可以实现各种冲压速度和压力的组合, 并能够实现任意时间的保压, 对冲压工艺的实用性极高, 特别适于复杂零件的拉伸。
快速液压机的滑块运动受到泵的功率、阀的响应速度、液压油的水击现象等多种因素影响, 具体的运行过程是:加速下行 (约0.1s) -快速下行 (速度可达400mm/s-500mm/s) -减速下行 (约0.2s) -拉伸-保压/系统卸压及阀换向 (约需0.7-1s) -加速回程 (约需0.1s) -快速回程 (速度可达350mm/s-500mm/s) -减速回程 (约需0.2s) 。
如快速液压机与8连杆机械压力机按照同样的工艺拉伸时, 按照同样的滑块行程, 则快速液压机要比8连杆机械压力机在10spm时每次行程慢约2s。实际上按照动力学计算, 8连杆机械压力机之所以采用1100mm～1200mm的行程主要是为了满足公称力和300mm左右的拉伸行程的需要。如采用自动化上下料, 快速液压机可采用800mm行程即可满足生产需要, 此时二者每行程的时间基本一致。
快速液压机的最大缺点是使用能耗较大, 机械压力机即使在最高产量的情况下, 能耗也比快速液压机少30%左右。
2 冲压生产提升效率的手段
早期的自动化装置依靠压力机与机械手之间顺序控制实现上下料, 这种模式和有光电保护装置的人工线生产较为类似, 即压力机回到上死点停止后, 机械臂或人工进行上下料作业, 待全线的上下料完成后, 压力机才进入下一次循环。由图3可以看出, 在8连杆机械压力机的全行程中, 最多有1.6s是用于冲压生产 (对应300mm拉伸行程) , 只占冲压循环的27%, 这样即使采用自动化上下料装置, 平均生产节拍似乎也只能达到略大于6spm的水平, 这样高额的自动化装置的投入并未体现出与人工操作的明显优势。图4反映了冲压生产中各种动作占总时间的比例关系, 可见实际的冲压时间只占总冲压循环的16%以下, 如何减少辅助时间是提高冲压线效率的主要方向。
随着压力机和自动化装置的控制水平提高, 近年来出现的冲压线同步控制技术大大提升了整线的循环节拍。简单的说, 同步运动控制是由伺服驱动技术延伸发展而来的, 利用伺服驱动器驱动伺服电机并采集反馈信号到驱动器的核心控制单元实现高动态响应的运动控制, 从而将压力机动作与各自动化装置的动作按照反馈信号进行解算, 从而将下料化装置、上料装置按照主从关系插入压力机滑块的位置和速度中, 并使整线的自动化装置和压力机顺次协同动作。仍以机械压力机压力机采用10spm为例, 由于自动化装置的动作插入了滑块的上行、下行之间, 整线的冲压循环时间缩短至7s以内, 使整线效率提高30%。
根据现场实测, 采用同步控制技术的自动化装置上下料的实际时间略大于3s～3.5s, 已经小于压力机上行和下行的时间只和约1s左右。而上行和下行行程又受到最大拉伸深度的限制而不能过小, 从而造成普通多连杆压力机无法进一步减少冲压总循环时间, 如需要进一步提高效率则只能减少滑块的上行和下行时间, 并保证冲压时的速度不能过快入手。
3 机械-液压复合压力机
该技术是将液压机复合在机械压力机的滑块内, 液压机部分采用蓄能器存储能量, 并采用闭环伺服阀控制二级滑块的压力和速度, 机械压力机只提供滑块的高速下行和上行, 滑块内的液压机则在下行时同时推动二级滑块下行, 及早接触工件后开始换阀加压拉伸。拉伸过程中, 比例阀也能够控制二级滑块的实际压力和“后退”速度, 从而获得需要的拉伸速度和拉伸力, 在机械压力机开始上行后, 还能够提供额外的保压时间和压力。复合压力机工作原理和二级滑块的运动曲线。由于受到蓄能器能力和滑块空间的限制, 这种压力机目前的吨位较小, 液压行程较短, 尚不能完全适用于车身大型覆盖件的生产。
4 伺服控制机械压力机
该技术被应用后很快在我国获得推广, 其制造技术也很快被国内主要压力机制造商突破, 伺服控制机械压力机依靠伺服电机直接驱动减速机构和曲柄, 取消了储能作用的飞轮, 从而可以实现在上行、下行阶段高速运动, 在拉伸阶段慢速运动。并且滑块也只需根据不同的拉伸深度上行至自动化装置可以取料的最小高度即可, 不再需要曲柄进行圆周运动, 只需在一定的相位角度内摆动即可。另外伺服压力机还可以控制滑块在一定位置悬停, 起到类似液压机的保压作用。从而使机械压力机具备了以前液压机才有的灵活的工艺性。甚至还可以进行振动频率数百赫兹, 振幅不足1mm的步冲及打击冲压的能力, 工艺灵活性极高。
相比较普通8连杆压力机, 对于同样的拉伸行程就不再需要过大的曲柄行程, 因而可以降低设备高度和重量, 并减少厂房的投资。
5 双电机机械压力机
由于伺服控制多连杆压力机采用超大功率的伺服电机直接驱动减速曲柄机构, 其造价高的惊人。如果现有飞轮储能结构在一定速度下满足拉伸的能量和速度需求, 那么采用全伺服控制就显得有些技术过剩。A B B公司最近推出了一种伺服控制的双电机普通干式离合器机械压力机改造技术, 称为DDC (动态驱动链) 技术, 简单地说该技术在普通的多连杆机械压力机之上增加另外一套电机-减速机机构直接减速-曲柄机构, 在滑块下行和上行时, 利用新增加的电机高速驱动曲柄的转动;在拉伸开始时利用原有的电机和飞轮储存的能量工作, 在伺服系统的精确控制下可以实现等速的电机转换, 从而实现离合-制动器的少无损耗使用。
6 采用伺服电机驱动的快速液压机
传统的快速液压机伺服阀和伺服泵控制, 可以实现压力、速度的数控, 但也存在着调节范围窄, 能量损失大, 高精度控制困难等缺点。采用伺服电机驱动的快速液压机采用改变伺服电机的转速和方向, 通过闭环控制液压机的压力、速度、位置等参数。由于伺服电机响应速度快, 速度调节范围宽, 可以有效的减少可以得到更优的控制性能。
通过改变伺服电机的转速, 实现压机压力、速度、位置的精确控制, 结合控制系统实现压力、速度、位置的数控功能。由于采用伺服电机控制滑块的快降和回程速度, 因此可以精确控制滑块的加减速, 滑块在速度转换时的冲击, 同时也可提高滑块快降和回程速度, 从而提高了液压机的效率, 其滑块行程的重复定位精度水平差不多达到了研配液压机的±0.05mm等级。这种伺服液压机还省去了液压系统中的调压回路、调速回路, 甚至可以省去换向回路, 液压系统变得很简单, 提高了液压机的维修保养性。另外还取消了比例伺服液压元件, 对液压油污染不敏感。液压泵断续工作, 液压油使用时间长, 可节约50%的液压油成本。但其速度赶上伺服机械压力机还需要进一步努力。
7 结语
通过以上介绍, 如果采用上述先进压力机组成的自动化冲压线, 对于机械压力机下行、上行速度达到24spm, 拉伸时的速度仍为10spm时, 各种设备的运动曲线对比。可见伺服机械压力机和D D C压力机在速度上远远领先于其它种类的压力机, 必然是未来的发展趋势。虽然其投资相对较高, 但随着高效、节能、柔性、环保和舒适的冲压环境越发的关注, 以后我们将见到越来越多的高性能压力机的出现。
摘要：本文作者多年从事对汽车冲压工厂的设计与研究, 本文主要介绍目前国内外较为先进的新型冲压生产设备, 并分析其主要性能特点及在大型覆盖件冲压厂的应用情况。
关键词：冲压,车身覆盖件,机械压力机,快速液压机,伺服压力机,复合压力机,双电机压力机
参考文献
[1] 德国舒勒股份公司.金属成形技术手册[M].1999.
[2] 上海ABB工程有限公司.DDC DynamicDrive Chain[Z].2010.
[3] 合肥锻压机床有限公司.伺服液压机技术说明[Z].2010.