液壓成型是一個使用流體壓力來塑造金屬零件的過程。板材液壓成型的變化可以生產(chǎn)的零件是不可能由沖壓生產(chǎn)來替代的。此外,板材液壓成型的形狀是由單一操作完成的,而沖壓可能需要多次操作。
液壓成型的另一個優(yōu)點(diǎn)是工具成本通常要少得多,基本上是使用金屬沖壓的十分之一成本。這使得液壓成型對小批量應(yīng)用更具吸引力。
金屬制造工藝流程的使用已經(jīng)超過了半個世紀(jì)。隨著五、六十年代航空航天的繁榮引發(fā)了新機(jī)器和技術(shù)創(chuàng)新,然而在二十世紀(jì)隨后的歲月中被冷落。最近,由于引進(jìn)精密運(yùn)動控制,液壓成型技術(shù)已經(jīng)有了可衡量的復(fù)蘇。
典型的案例是被稱為特力壓力機(jī)的新板材液壓成型機(jī)生產(chǎn)線,該機(jī)器由俄克拉荷馬州塔爾薩的Pryer技術(shù)集團(tuán)制造。這些成型機(jī)上,充滿液壓油的容器圍繞工件臺面。液壓缸驅(qū)動的沖床沖壓模具和金屬板材到容器中,完成與所需的形狀相符合。
當(dāng)容器中的流體壓力形成后,就夾住材料并迫使其反向及成形。同時,液壓缸擠壓容器成形、彎曲金屬板材來與模具相符合。重要的是要控制材料彎的速度。否則,根據(jù)密蘇里州Fenton的Beckwood壓力機(jī)公司技術(shù)總監(jiān)Darrell Harrelson所述,會導(dǎo)致工件的撕裂或皺褶,他是Pryer新特力液壓成型機(jī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)合作伙伴。
板材液壓成型需要幾個變量的管理,以確保質(zhì)量零件:沖頭的位置和速度;容器的流體壓力;潤滑部分是比較容易控制的;此外還有材料的差異,這可以通過與金屬供應(yīng)商合作來控制。
Pryer技術(shù)集團(tuán)總裁Scott Pryer認(rèn)為,當(dāng)制造傳統(tǒng)的內(nèi)高壓成型壓力機(jī)中的復(fù)雜零件時,操作員就面對著周期壓力的差異,該差異導(dǎo)致沖頭的位置改變。從歷史上看,技術(shù)嫻熟,經(jīng)驗(yàn)豐富的機(jī)器操作員需要處理這些變化。
而通常來說,這樣也不夠的。一些較老的機(jī)器使用兩個操縱桿來控制并在監(jiān)控室里顯示壓力。操作員不能看到實(shí)際的過程,導(dǎo)致同一操作員制造工件的一致性較差;并且不同的操作員生產(chǎn)的工件也不統(tǒng)一。“金屬制造要求每一次都執(zhí)行一致的機(jī)器,以便操作員可以集中精力改善其他因素,如材料和潤滑。”Pryer說道。
位置和壓力??控制
為了解決控制問題,工程師在特力壓力機(jī)上設(shè)計(jì)了由華盛頓州Battle Ground的Delta計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司出品的RMC電液運(yùn)動控制器。其可在整個過程中精確控制位置和壓力,在生產(chǎn)周期中減少成型步驟。
在更小的特力機(jī)上,Delta公司的RMC控制兩個運(yùn)動軸:推動模具進(jìn)入容器的沖頭缸,以及變更容器內(nèi)壓的缸體。在較大的成型機(jī)上,其也控制工裝夾具和靠近液壓容器及工件的上部腔室。在最大的32英寸型號成型機(jī)機(jī)器上,還掌控八軸閉環(huán)控制。
運(yùn)動控制器的程序開發(fā)可讓操作員選擇生產(chǎn)的“菜單”,在一個生產(chǎn)周期里包含多達(dá)30個不同的步驟。每個步驟都對應(yīng)于目標(biāo)液壓容器的壓力和沖壓位置。除了目標(biāo)值,運(yùn)動指令將特定機(jī)器完成下一個目標(biāo)。
例如,在機(jī)器周期的開始,快速移動的指令把沖頭液壓缸帶到其開始位置。在同一時間,液壓容器被預(yù)充電到指定壓力。然后,在成型過程中的周期中,沖頭軸接收位置指令帶有過程中每個步驟的加速度值和減速度值。同時,為控制液壓容器壓力和協(xié)調(diào)其沖壓軸運(yùn)動的操作,RMC承擔(dān)了傳動使命。建立沖頭軸作為主站,促使容器壓力跟隨沖頭。為了理順各步驟之間的運(yùn)動,使用S-曲線運(yùn)動指令,各軸的加速度逐漸斜線上升和下降。
增強(qiáng)氣缸加壓液壓容器。其工作原理就如注射器在位置和壓力下注入或移除油體。壓力傳感器監(jiān)測容器壓力并將數(shù)據(jù)發(fā)送到運(yùn)動控制器。換能器通常讀取1和10,000 psi之間的數(shù)值。 RMC還指令定向閥來控制增壓缸的位置。一個的線性磁致伸縮位移傳感器(LMDT)安裝在氣缸內(nèi)提供位置反饋。第二個LMDT監(jiān)測沖壓位置。為了確保精確的沖壓操作,從運(yùn)動控制器的輸出驅(qū)動伺服質(zhì)量比例閥來控制沖床液壓。
“液壓成型過程中的技巧是首先彎曲工件板材邊角,避免褶皺板材。”Harrelson說道。要做到這一點(diǎn),在每一個沖壓周期中的大部分可編程運(yùn)動步驟要出現(xiàn)在沖壓行程中的第一英寸內(nèi)。沖壓周期時間會有所不同,具體取決于工件的配置和所需的壓力。本機(jī)的操作員界面通過從RMC調(diào)用一個預(yù)編程菜單,鎖定所有工件的信息。毫無置疑。
在一些較大型的機(jī)器中,運(yùn)動控制器是用來在加壓周期開始之前關(guān)閉外殼的。此操作的閉環(huán)位置控制用于確保運(yùn)動平穩(wěn),避免任何可能隨著時間的推移而造成維修問題的撞擊。該控制器還監(jiān)視外殼位置用于反饋檢測到的任何故障或錯誤。例如,如果一個留在機(jī)器內(nèi)扳手將阻止夾裝外殼正常關(guān)閉,隨后這個故障(目標(biāo)運(yùn)動與實(shí)際運(yùn)動之間不匹配)將標(biāo)示為修理的問題。
類似的控制出現(xiàn)在32英寸的深沖壓機(jī)上激活蓋子。四個角上的四個氣缸,每一個有自帶的比例閥,來掀開蓋子。與這些缸的運(yùn)動相聯(lián)系的Delta控制器有的使用多軸同步功能,以避免令人頭大或者堵塞蓋架。
“開發(fā)特力機(jī)的最大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是傳動液壓容器壓力到?jīng)_壓位置。” Harrelson說。讓它們進(jìn)行同步,需要在開環(huán)部分計(jì)算適當(dāng)?shù)膬A斜次數(shù)。Beckwood的工程師使用Delta計(jì)算機(jī)系統(tǒng)RMCTools軟件,測試設(shè)計(jì)和調(diào)整以獲得最佳性能。包括一個繪圖管理和壓力位置調(diào)整軟件分析系統(tǒng)響應(yīng)來控制輸出,并為控制環(huán)路方程產(chǎn)生適當(dāng)?shù)脑鲆妗arrelson說:“這簡化了該系統(tǒng)調(diào)節(jié)以獲得最佳性能。”
結(jié)論
特力機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是允許有經(jīng)驗(yàn)的操作員花費(fèi)更少的時間來控制機(jī)器,并有更多的時間來提高的過程,同時也讓沒有經(jīng)驗(yàn)的操作員通過很少的培訓(xùn)和使用菜單能讓復(fù)雜的零件保持一致性。
精確控制提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。Scott Pryer說:“過去在中等難度的成型工作中,由于缺乏精確度,有10%的材料往往會被浪費(fèi)。”在復(fù)雜的成型操作下,浪費(fèi)則可能高達(dá)25%。現(xiàn)在,即使反復(fù)沖壓,廢品率也幾乎為零。