液壓式伺服拉伸墊:基于Taguchi法的拉深成形工藝參數(shù)優(yōu)化
原創(chuàng)譚偉峰，陳鵬鍛造與沖壓2024-01-23 11:15發(fā)表于北京
文章來源：《鍛造與沖壓》2023年第22期
譚偉峰，陳鵬·廣汽本田汽車有限公司
伺服壓力機(jī)自二十世紀(jì)問世以來，以其優(yōu)秀的生產(chǎn)加工能力及控制柔性，迅速受到?jīng)_壓生產(chǎn)廠商們的關(guān)注與青睞。在實踐中，為安定化、高速化生產(chǎn)提供了更多保障。其中，伺服拉伸墊技術(shù)更是因其快速響應(yīng)、高精度主動壓力控制、低沖擊低噪聲、節(jié)能性好等特點(diǎn)，給傳統(tǒng)壓力機(jī)生產(chǎn)工藝帶來了翻天覆地的變化。
隨著伺服拉伸墊技術(shù)在沖壓生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的落地開花，用戶們從陌生到熟悉，也逐漸總結(jié)出了該技術(shù)使用中的各種特點(diǎn)。筆者將站在使用方的角度，分享不同類型伺服拉伸墊類型的使用特性，希望給使用或即將使用伺服壓力機(jī)的同行們一點(diǎn)有益的參考，同時也希望設(shè)備廠家能夠不斷優(yōu)化改善，給用戶提供更多更好的使用體驗。
傳統(tǒng)壓力機(jī)拉伸墊多采用氣墊。生產(chǎn)時，氣墊與滑塊上模具接觸后向下運(yùn)動，在底部氣缸的反作用力下形成對坯料邊緣的夾持力，幫助零件拉深成形。盡管氣墊仍在廣泛應(yīng)用，但隨著生產(chǎn)制造要求的不斷提高，其局限性也愈發(fā)凸顯：
⑴工藝柔性、控制精度差。由于氣墊是被動動作，藉由滑塊下壓發(fā)力，過程不可調(diào)，難以適應(yīng)愈發(fā)復(fù)雜的沖壓工藝需求。并且，夾持力靠氣缸反作用力提供，隨著氣墊下行氣缸容積不斷縮小，盡管可通過控制氣缸排氣閥實時調(diào)整壓力，但總體壓力仍不穩(wěn)，峰值后的壓力波動超過±10%。
⑵模具設(shè)計要求高。氣墊接觸時強(qiáng)烈的沖擊載荷會加速模具壽命縮減，一旦超過模具疲勞壽命或者單次沖壓產(chǎn)生了超過模具材質(zhì)能承受的最大載荷時，模具結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)就有可能開裂、斷裂，導(dǎo)致模具故障。對此，模具設(shè)計通常會增大設(shè)計冗余來應(yīng)對沖擊疲勞或者拆分模具功能增加模具及工序數(shù)量以降低設(shè)計載荷。
?、巧a(chǎn)噪聲大。氣墊接觸沖擊伴隨巨大的噪聲，即使采用了隔音措施，但實測噪聲值仍難以降至85dB以下。巨大的噪聲無疑是對產(chǎn)線工人健康的重要危害。
伺服拉伸墊的出現(xiàn)似乎成為了解決氣墊短板的完美方案。伺服控制本身屬于高精度控制技術(shù)，其位置精度可達(dá)微米級，運(yùn)用在拉伸墊上可使與滑塊的接觸碰撞過程達(dá)到最佳同步狀態(tài)，減緩接觸沖擊，同時，強(qiáng)大的控制柔性使其能夠適應(yīng)當(dāng)前各種拉延工藝的需求。此外伺服拉伸墊一般還具有重復(fù)精度高、能源利用率高、生產(chǎn)環(huán)境噪聲小等特點(diǎn)。
伺服拉伸墊的基本控制邏輯是在滑塊從上死點(diǎn)下降至預(yù)定接觸位置之前進(jìn)行位置控制，此階段伺服拉伸墊實時獲取滑塊的位置信息，當(dāng)滑塊運(yùn)動至接觸前某一設(shè)定高度時，類似于接力賽接棒前的起跑，伺服拉伸墊預(yù)先啟動加速，降低與滑塊的相對速度，進(jìn)而減小接觸沖擊。隨后滑塊與伺服拉伸墊接觸，位置控制切換為壓力控制，在壓力傳感器的反饋下，伺服拉伸墊主動控制并動態(tài)調(diào)整對坯料的夾持力，維持設(shè)定夾持力或者按照夾持力設(shè)定插值動態(tài)調(diào)整直至成形完成，如圖1所示。滑塊回程階段，為了便于自動化取件，伺服拉伸墊可切換回位置控制，一般可設(shè)置下死點(diǎn)閉鎖、取件輔助提升、跟隨滑塊回程等模式直至返回生產(chǎn)等待位，準(zhǔn)備下一循環(huán)的生產(chǎn)。
圖1滑塊運(yùn)行模式
在實現(xiàn)伺服拉伸墊運(yùn)動及壓力控制的具體方式上，存在以下分支，且在業(yè)內(nèi)都有著相當(dāng)?shù)氖褂脤嵖儯?/p>
?、乓簤菏揭砸簤河蜑閯恿橘|(zhì)，利用比例伺服閥或伺服電機(jī)精準(zhǔn)控制油缸的動作及壓力輸出。
?、茩C(jī)械式主要為絲桿或齒輪齒條形式。由電機(jī)直接驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動拉伸墊動作并進(jìn)行壓力輸出。
?、腔旌鲜綄鈮骸⒁簤?、機(jī)械式混合使用，揉合了各形式的優(yōu)勢特點(diǎn)，但與此同時也會提高結(jié)構(gòu)及控制上的復(fù)雜性。
液壓式伺服拉伸墊的應(yīng)用較為廣泛，結(jié)構(gòu)上由驅(qū)動系統(tǒng)(油箱、電機(jī)、油泵)、液壓執(zhí)行及控制系統(tǒng)(控制閥組、油缸)、反饋系統(tǒng)(壓力反饋、位置反饋)組成。在具體形式上又分為比例伺服閥式及伺服電機(jī)式，如圖2所示。前者代表廠商是力士樂，通過控制器實時調(diào)整比例伺服閥的供油進(jìn)行夾持力及行程的控制。后者代表廠商是會田，通過伺服電機(jī)精準(zhǔn)控制油缸的進(jìn)出油量及夾持力。兩類產(chǎn)品的相同之處在于最大噸位能力能達(dá)到較大水平、成形時壓力波動較小，所以能夠從容應(yīng)對深拉深、復(fù)雜型面或者大型沖壓零件的生產(chǎn)，但初始壓力響應(yīng)較慢，并且需要專門配制油液冷卻系統(tǒng)。不過，兩者之間也存在著顯著差異，比例伺服閥式液壓墊要占用龐大的地坑空間用以安置油箱(10000L)及冷卻水系統(tǒng)，并且油液的使用量、清潔度、冷卻均要求較高，導(dǎo)致使用成本高，同時該類液壓墊不配置能源再生功能；相較而言，伺服電機(jī)式液壓墊用油量、冷卻需求量均較小，且結(jié)構(gòu)緊湊，所以地坑使用空間小，并且具備能源再生功能，能夠降低生產(chǎn)時的能源消耗，不過在最大壓力能力下的拉深線速度相對較低。
圖2液壓式、伺服拉伸墊模型示意
液壓式伺服拉伸墊因為其位置控制全部依靠液壓油的進(jìn)出調(diào)節(jié)，成形階段完全以滑塊作用于拉伸墊的壓力進(jìn)行油量的精準(zhǔn)控制，而非以位置主導(dǎo)，因此，一旦發(fā)生模具載荷偏置或接觸位置設(shè)置錯誤等情況，特別是拉伸墊發(fā)力位置高于滑塊上模與下模壓邊圈接觸位置時，由于滑塊還未產(chǎn)生下壓負(fù)荷，而油泵為保持設(shè)定的壓力會自動供油提升油腔壓力，此時就會導(dǎo)致拉伸墊在極短時間內(nèi)異常頂起進(jìn)而沖擊模具的嚴(yán)重故障(圖3)。后續(xù)優(yōu)化中盡管將液壓伺服拉伸墊的位置和速度作為了安全互鎖進(jìn)行監(jiān)測，但若發(fā)生并檢測出異常，油泵仍需要10～30ms作出急停反應(yīng)(視CPU與伺服控制器的信號交換時間而定)。這段時間已經(jīng)足夠讓拉伸墊瞬間在高壓液壓油的作用下向上竄起大于30mm的距離，且沖擊力一般能達(dá)到設(shè)定夾持力的50%以上。出現(xiàn)這種異常時，即使拉伸墊有機(jī)械上限保護(hù)，但對于下模內(nèi)腔頂桿避空空間不足的模具，同樣可能造成致命的損傷。為了應(yīng)對這個問題，廠家設(shè)置了沖床校正功能，讓壓力機(jī)在非生產(chǎn)模式下以極低速情況模擬下沖并與拉伸墊接觸，通過傳感反饋對比確認(rèn)設(shè)置的接觸點(diǎn)是最佳發(fā)力點(diǎn)，從而精準(zhǔn)獲取發(fā)力位置信息。
圖3伺服墊異常頂起沖擊模具示意
機(jī)械式伺服拉伸墊使用機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞動力，同樣主要由三部分組成：驅(qū)動部分(伺服電機(jī)、變速器結(jié)構(gòu))、機(jī)械執(zhí)行部分、壓力及行程反饋部分。常見的具體形式有絲桿式和齒輪齒條式，前者以小松為代表廠商，伺服電機(jī)經(jīng)過同步帶變速后將動力傳遞給絲桿帶動拉伸墊運(yùn)動，如圖4(a)所示。后者以福井為代表廠商，伺服電機(jī)經(jīng)減速箱變速后通過齒輪齒條結(jié)構(gòu)帶動拉伸墊運(yùn)動[圖4(b)]，同時結(jié)構(gòu)配備平衡氣缸用來平衡拉伸墊自重。相較于液壓式伺服拉伸墊，機(jī)械式伺服拉伸墊往往具備以下特點(diǎn)：⑴不使用液壓油作為動力介質(zhì)，對環(huán)境友好；⑵結(jié)構(gòu)組成簡單、緊湊，便于進(jìn)行維保及故障排查；⑶動力傳遞剛性強(qiáng)，響應(yīng)快，但是夾持力峰值波動較大；⑷最大壓力能力下的拉伸線速度較大；⑸均具備能源再生系統(tǒng)，能源節(jié)約性強(qiáng)。盡管看似優(yōu)勢盡顯，但機(jī)械式伺服拉伸墊也有其制約因素，即拉伸墊最大能力普遍低于液壓式，若生產(chǎn)工藝上長期為大噸位夾持力需求時，機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命則會急劇縮短。而談到對機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響，預(yù)加速功能及拉伸墊能力曲線同樣影響巨大。
圖4機(jī)械式伺服拉伸墊模型示意
預(yù)加速功能(圖5)能夠顯著減小模具的接觸沖擊及噪聲，起到穩(wěn)定生產(chǎn)品質(zhì)、降低設(shè)備故障及噪聲危害的作用。但是，預(yù)加速行程延長了拉伸墊建壓的響應(yīng)時間，如果預(yù)加速行程超過了模具應(yīng)當(dāng)?shù)陌l(fā)力點(diǎn)位置，則在接觸瞬間拉伸墊提供的夾持力是達(dá)不到成形要求的，此時就會發(fā)生坯料流料，造成零件起皺品質(zhì)異常，特別是模具壓邊圈為方形筋條設(shè)計的，此情形下的長時間生產(chǎn)甚至?xí)斐蓧哼吶顥l磨損或崩裂。而如果設(shè)置預(yù)加速時將坯料等待位提高，雖然可以補(bǔ)償預(yù)加速運(yùn)動距離，但根據(jù)模具設(shè)計的不同，可能導(dǎo)致投料后坯料在模具型腔內(nèi)呈現(xiàn)下凹狀態(tài)，如此一來坯料邊緣容易出現(xiàn)夾持不到位或折彎的問題，盡管部分廠商會針對性增加坯料尺寸以吸收邊緣部分的流動，但這樣會直接導(dǎo)致單件成本的上升。
圖5預(yù)加速功能使用對比
通常，機(jī)械式伺服拉伸墊必須啟用預(yù)加速功能，并且要達(dá)到對應(yīng)生產(chǎn)狀態(tài)下的最低預(yù)加速行程要求，其本質(zhì)上是設(shè)備廠家對滑塊與拉伸墊的瞬間接觸相對速度要保持在一定的限度內(nèi)控制，從而起到保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的效果。如果預(yù)加速不足，接觸沖擊會顯著影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的壽命，如齒輪齒條式拉伸墊結(jié)構(gòu)一般無法頻繁承受來自滑塊100噸以上的瞬間沖擊，而絲桿結(jié)構(gòu)瞬間承受較大沖擊力時可能發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死的問題。
拉伸墊能力曲線(圖6)則限制了拉伸墊行程及夾持力荷重條件對應(yīng)的壓機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)SPM值。一方面是出于對機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行壽命保障的考慮，如大夾持力大拉伸行程時往往限制單機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)SPM值在較低的水平內(nèi)。另一方面，更主要的是受到電機(jī)容量、循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)間隔的限制。在能力曲線的限制下，一些大噸位深拉深零件，如汽車側(cè)圍，就要降速至10～14SPM生產(chǎn)。當(dāng)然，壓力機(jī)降速會直接導(dǎo)致整線生產(chǎn)節(jié)拍的下降，特別是斷續(xù)生產(chǎn)線，考慮上死點(diǎn)的停止，整線節(jié)拍只能維持在6～8SPM，這對生產(chǎn)效率無疑是嚴(yán)重的影響。不過也有利用伺服壓力機(jī)可變速的特點(diǎn)，通過調(diào)整不同階段的滑塊速度來提升整線節(jié)拍，但要實現(xiàn)成形開始前滑塊速度從22SPM急減速至14SPM，對主電機(jī)的能力需求就呈幾何級的上升，同時還要配備能力更大的冷卻系統(tǒng)，這個方向的投入非常巨大，無異于提升壓力機(jī)規(guī)格。不過，當(dāng)機(jī)械式伺服墊配置在整線連續(xù)生產(chǎn)線上使用時，由于單機(jī)與整線節(jié)拍一致，即使如汽車側(cè)圍降速至10～14SPM也達(dá)到了行業(yè)中上等效率水平。
圖6拉伸墊能力曲線示意
在嘗試突破以上限制的努力中，廠家也開發(fā)出了混合式伺服拉伸墊，如IHI，它將氣壓、液壓、機(jī)械揉合在一起，由油缸和氣缸共同提供夾持力(以IHI為例，氣缸最多提供40%，油缸最大提供60%)。通過帕斯卡原理，油缸變徑后下端與絲桿和伺服電機(jī)連接，不僅實現(xiàn)了伺服電機(jī)容量的小型化，并且能夠降低沖擊，保護(hù)絲桿和伺服電機(jī)。氣缸下端連接著氣罐，便于氣壓的調(diào)整與穩(wěn)定。拉深過程時，模墊下行，分散至油缸的部分能量經(jīng)由絲桿、伺服電機(jī)再生為電能，氣缸部分的能量存儲在氣罐的高壓氣體中?；爻屉A段，氣罐釋放能量，由氣缸帶動模墊上行，此時油缸上腔液壓油返回油缸下腔，再次經(jīng)由絲桿反向帶動伺服電機(jī)再生電能?？梢钥吹?，在混合式伺服拉伸墊中對能源再生技術(shù)的運(yùn)用十分廣泛，減小了整個系統(tǒng)的最大功率。不過，同其他使用能源再生的伺服拉伸墊一樣，再生電能在實際生產(chǎn)中并不明顯，畢竟這個過程非常短，更多僅是用于伺服壓力機(jī)主電機(jī)的啟動補(bǔ)償。
盡管揉合了各類型伺服墊實現(xiàn)了液壓、機(jī)械、電控系統(tǒng)的小型化(圖7)，并且在能源消耗上也有所降低，但也帶來了系統(tǒng)復(fù)雜、故障排查難、維護(hù)成本高的問題，同時由于使用了大型氣罐，在地坑空間占用上也不很理想，就實際而言，這類型伺服拉伸墊如果可以使體積小型化，也將是一款非常不錯的產(chǎn)品。
圖7混合式伺服拉伸墊模型示意
對于上述提及的各類伺服拉伸墊，相比傳統(tǒng)的氣墊，優(yōu)點(diǎn)都是非常明顯的，雖然存在性能間的差異，但只要在導(dǎo)入時著眼于生產(chǎn)模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)零件的工藝需求就可以準(zhǔn)確選擇合適的拉伸墊類型。舉例，如果模具結(jié)構(gòu)簡單，基本以拉深為主，且沒有如平衡氮?dú)飧缀筒⒘心＞叩忍厥獾脑O(shè)計和布局，機(jī)械式伺服拉伸墊即可滿足需求；如果拉深模具存在較多補(bǔ)償裝置或有并模生產(chǎn)需求，且淺拉深成形要求較高，則液壓式能更好的適應(yīng)生產(chǎn)。從整線構(gòu)造考慮，如果是連續(xù)式生產(chǎn)線，則機(jī)械式伺服拉伸墊在成本與穩(wěn)定性上更佳。
綜上所述，在選擇不同伺服拉伸墊時，必須立足于自身生產(chǎn)規(guī)劃和整線實際情況，并充分了解伺服拉伸墊間的性能差異，才能選擇一款適合生產(chǎn)工藝的好產(chǎn)品。
