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液压英才网用心专注、服务专业液压英才网用心专注、服务专业一、引言目前，板材拉深成形过程中最常见的缺陷是起皱和拉破。在板料拉深成形过程中，最终影响板料成形质量的影响因素有很多，如大多数研究重点主要集中在诸如拉深环境、拉深成形件形状、压边力大小、凸凹模圆角半径、拉深材料机械性能参数、拉深模具参数、摩擦润滑条件以及板坯形状和大小等因素上。而在这当中，压边力(BlankHolderForce，BHF)的大小对板料拉深成形质量影响尤为明显，并且上述这么多影响参数中，最易于控制和调节的当数变化压边力大小。因此，如何优化板料拉深成形过程的压边力大小为最优成为诸多板料拉深成形工艺研究者们眼中的热点研究方向当中的重点。很多的不规则零件都是通过拉深工艺成形来获得的。尤其对于成形质量和尺寸要求越来越高的汽车复杂覆盖件来说，传统拉深工艺中那种原有的恒定压边力工作方式已经越来越无法满足生产实际产品的需求。到目前为止，已开发了一些新的拉深工艺方法，诸如液压拉深法、差温拉深法、加径向力拉深法、脉动拉深法等。这些拉深工艺方法均不同程度地提高了板料的最终拉深质量。然而，这些新工艺都需要采用专门的设备或装置，使其在实际生产中应用受到了很大的限制。在国外，一些汽车工业较为发达的国家，如日本，已经在原有的液压机的基础上改造出了一种新型的变压边力拉深液压机，并由此研究出了一种所谓的变压边力拉深工艺，即压边力在整个拉深过程的不同阶段对应要求有不同的数值大小。压边力大小数值能随板料起皱的可能性大小而在整个拉深过程中合理变化。这样才能充分发挥材料的成形极限，提高拉深件的成形质量和降低工业成本。现理论及实践研究也表明：诸如圆筒件拉深时，板料凸缘处最容易失稳起皱的时刻为半径R＝(O．7-0．9)Ro时(这里R为凸缘半径，Ro为板坯最初半径)。因此，压边力的大小在拉深初期压边力应逐渐增大，而当毛坯外径减小至R=(O．7～O．9)Ro时，压边力应达到其最大值，在随后拉深过程则应逐渐减小。因此，如何在原有的传统拉深设备和工艺的基础上研究出一种既能够提高板材成形极限和质量，又可方便地在实际生产中得到应用的新设备和新工艺的共识已成为我国板料拉深研究者们研究、关注的焦点。总的来说，提供板料冲压成形过程中所需的压边力的压力机的种类很多，按照不同的观点基本上可以把压力机分为不同的类别。如习惯上常按驱动滑块力的种类分为机械压力机、电磁压力机、气动压力机以及目前最常用的液压力机等几大类。在这其中，液压力机又可按照其结构的不同，分为单动液压机、双动液压机和三动液压机。三者之间最明显的区别在于：双动液压机内部有两处滑动块，可分别控制拉深力和压边力；三动液压机则还要加上可独立控制的顶出装置。本文所要改造的是型号为HHP28—120的双动薄板拉深液压机。二、液压机的类型当前大多数液压机产品中的液压控制系统分为以下3种类型：(1)以继电器为主控元件的传统型这种类型的液压机其电路简单，技术指标要求不高，其相应的成本也较低，相应的控制功能也较简单。它主要用于单机工作，适应性不强，比较适合于对产品精度要求不高的大批量生产。目前，国内的许多液压机多属于此种类型。本文所要改造的双动液压机即属于继电器类型的设备。(2)采用可编程控制器(PLC)控制系统这种系统是在继电器控制技术和计算机控制技术发展的基础上开发出来的。它是一种以微处理器为核心，其中融合了自动化控制技术、计算机技术以及通迅技术方面的最新成果，目前正广泛被应用的新型工业自动控制系统。它不仅可以进行数字逻辑控制，而且还可对模拟量进行控制。可编程控制器与继电器相比有更高的稳定性和灵活性。但与工业控制机的精度和灵活性还是有一定的差距。然而考虑到本次改造液压机时，要使顶出缸作为压边力装置时所施加在压边圈上的压边力能够按照事先设定的任意曲线高精度地实时变化，并且考虑到时间延时，没有采用PLC对设备进行改造。(3)应用工业控制计算机的高性能液压控制系统这种控制方式是一种采用全计算机反馈控制方式。它是以单片机作为主控处理单元，通过与外围的接口器件(如专用的A／D和D／A转换板)相连或直接应用一种所谓的数字阀实现对液压系统的实时控制，同时把各种传感器组成一个闭环式的回路，通过反馈控制系统，达到精确地控制液压系统动作的目的。这种控制思路的主要优势：具有非常友好的人机对话界面，操液压英才网用心专注、服务专业液压英才网用心专注、服务专业作简单，控制精度高，延时小，特别适合于对精度和延时要求较高的高速化生产，同时通过工控机还可瞬时地逐个地调整各影响工作参数的数值，可大大缩短由于调整参数所带来的滞后时间。不光如此，应用工控机还可通过软件调整来进行故障诊断和消除噪声，提高系统的稳定性。目前采用工业控制机的液压机在国外应用比较普及，国内还比较少。它唯一的不足是价格较昂贵。本课题研究是为了在板料拉深过程中精确地达到控制变化压边力的目地。因此，采用了工控机来控制液压系统的压边力装置的顶出缸。1．HHP28-120双动薄板拉深液压机的结构本次所要改造的设备型号为HHP28-120的双动薄板拉深液压机。此双动液压机主要由主缸和顶出缸两部分液压系统组成(图1所示)。主缸用于提供拉深力的动力，而顶出缸则用于提供顶出拉深件出模具的辅动动力。实际上，此设备也可以说成单动液压机。它是在单动液压机上经过把单动液压机的顶出缸控制系统稍加改动，使顶出缸在倒装拉深时提供压边力的动力而实现的。改造思路与文献[15]所述类似。但这种改造只是当时为了适应可提供压边力的构想。时至今日，这种在整个拉深成形过程中，提供的压边力是一个恒定值，不能最优地随着拉深高度变化而实时变化的设备已经不适合现代越来越复杂的零件的表面尺寸和形状要求的实际生产。为了尽可能地提高一些复杂汽车覆盖件的成形性能，有必要对现有设备进行一些改造以适合当前的生产需求。图1HHP28—120单动薄板拉深液压机整体结构不葸图2．单动液压机的压边力装置的计算机控制关键技术(1)定义最小压边力在变压边力拉深成形的研究中，要想实现压边力大小能随着冲头行程和坯料的拉人的改变而实时最优调节，必须能事先依据所用材料的性能参数和工艺工况参数的正确理论分析，得出最佳工艺参数的前期预测，并且能保证理论分析和预测的精度，这也就是相应地要求能够对所研究的拉深成形过程给出较为精确的数学模型定量描达式，即对整个拉深成形过程建立合理的摩擦力、压边力和拉伸力的数学模型。(2)传感器技术为了准确地采集到所需信息的真实大小，需针对不同的采集量研制出相应的传感器。如本课题自主研究出的用于实时测定能真实反映板坯表面摩擦系数大小的传感器，如图2所示。图2传感器探针受力示意图(3)摩擦与润滑技术如何考虑摩擦因子将直接决定了最小压边力的数学建模的繁与简]。所以必须对拉深过程中的摩擦进行系统的研究。(4)实时识别技术要实现计算机实时控制压边力大小这个模拟量，必须在计算机与压边力实施装置之间建立相应的比例控制电路和数模转换电路。具体涉及到A／D和D／A转换器以及数据采集器、动态应变仪和相应的控制技术。三、变压边力思路1．变压边力控制曲线的几种典型类型本次课题研究的主要目的是为了提高一些复杂零件，如汽车上的覆盖件(车f-j内板和前底板)等形状和结构尺寸异常复杂的拉深件的成形性能，避免在拉深成形过程当中，在某些局部点上出现的起皱问题。目前研究拉深成形过程的变压边力的变化类型有很多种，常见的主要有以下几种，如图3所示。(1)恒定压边力值型(图3a)。也即在整个拉深成形过程中压边力值是一个固定值，它不随主动模的行程而变化的，是事先根据经验公式计算而求得。(2)阶梯压边力值型(图3b)，又细分为阶梯型增加和阶梯型减少。这种阶梯型有时也称为多级压边力方法，级与级之间压边力值产生突变，为一不连续值。如文献[17]中作者也提出了一种多级压边力方法，即分级定压边力方法，允许拉深过程初期和中期法兰轻微起皱，而在拉深过程后期靠加大压边力来消除这种轻微起皱。多级压边力拉深方法是利用最大拉深力和防皱压边力最大值出现的时间差，在拉深过程最大拉深力出现时刻前后适当降低压边力，使成形顺利通过这一危险时刻，并允许法兰区轻微起皱；而在防皱压边力最大值出现时刻前后，采用较大的压边力抑制起皱和消除初期产生的轻微皱纹。试验证明[18,19]：这种阶梯型压边力值型可有效地提高成形件的质量，避免出现起皱和拉破等缺陷的产生。液压英才网用心专注、服务专业液压英才网用心专注、服务专业(3)压边力值组合变化型(图3c)，也可细分为斜线八型和斜线V型。这种类型压边力变化要经过两个阶段，中间存在一个极值点。从表面上来看，变化曲线为一连续曲线，但其在极值点处的导数不连续。(4)压边力直线增大或减小型(如图3)。在实际拉深成形过程当中，由于各种影响因素的不确定作用，实际上最理想的变压边力控制曲线应该为文献[13]所示，在其上处处连续可导的光滑曲线如图4所示。因此，本次改造液压机时，为了能精确地得到任意曲线变化的变压边力大小的控制曲线，并且尽可能的减少由于液压系统所导致的滞后效应，采用了工业控制机来对顶出缸的液压控制部分进行计算机控制，通过事先设定好所要得到的变压边力控制曲线，实时研究在变化压边力的情况下，对一些典型拉深件(如圆筒件、方盒件)以及复杂的汽车覆盖件(如车门内板和前底板)的拉深成形极限进行研究，并由此得出该产品拉深的最优变压边力控制曲线。图3几种典型变压边力变化曲线2．多点变压边力光有变化整体压边力大小的思路还不足以满足实际生产的要求。实际上，随着用户对冲压件质量的要求越来越高，尤其对于一些汽车覆盖件来说，它不仅要求产品尺寸精度高，而且要求表面光洁、平整。这时如果还采用上述那种在整个拉深过程中，在拉深模周围同步变化压边力值的控制曲线有时还不能获得最佳的冲压件质量。本研究为了得到汽车门内板和前底板的最优压边力控制曲线，采取了可变化整体压边力的大小，同时还可在一些出现起皱位置的点上进行不同步控制压边力变化的改造思路，也即一种多点变压边力的控制思路。图4压边力与拉深深厦的关系图58小缸控制多点变压边力装置当前，关于多点变压边力的控制思路已经很多。但本文所介绍的改造思路是通过增加一系列(如图5所示的8个小液压缸)的小液压缸来单独控制各个分割开的压边圈上的压边力的大小的作法。这种改造思路尽管简单，但由于造价费用相对较高，而且要想在现有一些空间相对小的设备上进行改造也是十分困难的。不仅如此，由于各个小液压缸控制是相对独立的，给控制带来一系列的难题。如：如何进行同步动作以及如何消除各个小液压缸由于各自滞后而带来的不协同影响。因此，如果想要实现在拉深过程中，在几个边和角上实现不同的压边力变化率，而不是几个边上和角上的压边力变化在某一时刻只能是同一数值大小，同时又能达到在现有设备上最为经济，且具有可行性和可靠的改造，采用了以下改造方法，即通过在通常的板坯上施加两个压边圈，使与通常的坯料与压边圈(代号为A)之间再额外增加一层压边圈(代号为B)，再通过在压边圈(A)的几个边上和角上不同位置上，在A与B之间(A与B平行，均为水平放置)增加不同具有微小长度差(如0．1mm)的小顶柱垂直放置，利用这些有着微小长度变化的一系列小顶柱进行传递压边力，使压边圈B作用到坯料上的压边力在不同位置有着不同的大小数值。然后通过根据以往大型覆盖件在拉深成形过程中某些点出现的严重起皱现象，事先在相应的这些部位放置较长的小顶柱。通过这种方式不断置换小顶柱，便可找出最佳的配合。这样如再结合整体压边力可人为控制变化，即可得到不仅具有变化整体压边力的目的，而且还可实现多点控制的目标。凹模倒装时多点变压边力示意图如图6所示。图6凹模倒装时多点变压边力示意图四、结束语当前液压机的发展思路是进行智能化和自动化，也即柔性生产化。本次改造液压机即为了适应当前生产的实际需求而进行相应的自动化改造，使板料在拉深成形过程中，能够人为地实现控制在不同位置任意变化压边力的构想。本次设备经过浙江湖州机床厂改造后，实际实验结果证明是一种切实可行的改造方法。