一種大噸位管材內高壓成形裝置的製作方法

2023-05-15 08:01:41 1

專利名稱：一種大噸位管材內高壓成形裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於管材內高壓成形裝備領域，特別涉及一種大噸位管材內高壓成形裝置。
背景技術：
當前，隨著汽車、航空、航天和機械行業對機構整體化和輕量化的需求越來越高， 內高壓成形技術得到了較廣泛的應用，逐漸成為工業生產中製造複雜異形截面輕體構件的一種先進成形技術。尤其是在汽車生產中，如汽車的排氣系統異形管件、副車架、儀錶盤支架等，都在以內高壓成形加工方法逐漸替代原來的傳統加工方法。該項技術的基本工藝過程為首先將管坯放在下模內，然後閉合上模，將管的兩端用水平軸向衝頭密封，並使管坯內充滿液體，在加壓膨脹成形的過程中，兩端的軸向衝頭同時向內推進補料，這樣在內壓和軸向力的聯合作用下是管坯貼靠模具內部行腔而成行為所需的工件。由於管坯是在內部高液壓和軸向力共同作用下成形，高壓源在零件內部要產生上百兆帕的內壓，因此上下模具間要有足夠的合模力，消除成形過程中內高壓對模具產生的反向推動力，這時因為合模力過大，則會導致模具變形和磨損嚴重；同時，隨著成形過程的進行，管坯不斷變形，為了保證管坯整體形變均勻，要精確的控制管坯的進給，所以內高壓成形的關鍵就是成形過程中模具鎖緊和精確的管坯進給速度。近幾年，由於內高壓成形件整體化和高精度化發展，使內高壓成形件的尺寸逐漸增加，管件圓角逐漸變小，進而導致成形用內高壓源和鎖模力大幅增加。內高壓源的技術問題已經得以解決，國外超高壓系統現在可提供SOOMPa的超高壓，然而，目前鎖模機構均採用油壓機，其巨大的鎖模力要求不斷增大液壓缸及其本體結構，同時，考慮到更換模具所需空間，液壓缸的行程較大，因此，液壓機製造成本高。內高壓成形過程中，傳統的幾千噸液壓機，模具的開合和鎖緊採用同一油缸實現，由於模具的開合行程較大，而且鎖模需要的壓力極高，導致油缸的規模很大，然而模具的在成形起始階段合模力較小，造成不必要的資源浪費；在成形過程中液壓缸推動滑塊使模具一步到位直接鎖緊，模具間承受極大的合模壓力，且合模力始終保持在最大合模力附近，因此整個成形過程都需要極高的油壓來維持合模力，由於模具上始終承受著巨大的合模壓力，模具形變較大，使得零件質量和精度低。此種液壓鎖模設備投資巨大，體積龐大，耗能高，模具壽命低，生產效率低，噪聲大，滑塊移動控制精度低，而且鎖緊力比較有限，尤其對大型零件不太適用。傳統的內高壓成形裝置，軸向進給系統也由液壓系統進行驅動，軸向進給系統和內壓的匹配無法精確控制，造成成形零件精度差，系統零漂嚴重，控制複雜等問題。因此，在內高壓成形中使用液壓缸機構沒有明顯的優勢。

發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種大噸位管材內高壓成形裝置，能夠提供5000噸及其以上的鎖模力，鎖模力大且可變，軸向進給精度高，具有控制方便、結構簡單、成本低的優點。為了達到上述目的，本發明採用的技術方案為一種大噸位管材內高壓成形裝置，包括上橫梁1、滑塊2和下橫梁3，上橫梁1、滑塊2和下橫梁3通過拉杆4連接，牙套6套在拉杆4上，在上橫梁1和滑塊2之間設置有肘杆增力機構，肘杆增力機構由一組左右對稱的連接頭12、小連杆13、肘杆14和大連杆15組成，大連杆15、小連杆13和肘杆14均以機器的中線對稱鉸接，並與連接頭12連接，肘杆14 由四個兩端配有鉸接孔且中間兩兩連在一起的連杆構成，大連杆15由五個兩端配有鉸接孔且中間兩兩連在一起的連杆構成，對稱放置的肘杆14與上橫梁1鉸接形成的四個鉸接點的左右距離大於對稱放置的大連杆15與滑塊2鉸接形成的四個鉸接點的左右距離，上橫梁 1、肘杆14、大連杆15、滑塊2、小連杆13之間通過銷軸35連接；在上橫梁1上設有兩套對稱放置的合模伺服驅動機構，其由合模伺服電機7、同步帶9、滾珠絲槓8構成，合模伺服電機7通過同步帶9與滾珠絲槓8連接；裝置的信號檢測反饋機構由標尺光柵11、光柵讀數頭10、合模壓力傳感器16、軸向進給壓力傳感器33組成，標尺光柵11固定在滾珠絲槓8上，光柵讀數頭10固定在上橫梁1上，合模壓力傳感器16固定在上模具17和滑塊2中間，軸向進給壓力傳感器33安裝在衝頭30和螺母滑塊四中間，光柵讀數頭10、合模壓力傳感器16和軸向進給壓力傳感器 33都與總控制系統連接；在滑塊2和下橫梁3之間設置有兩套左右對稱的管坯軸向伺服進給機構，管坯軸向伺服進給機構包括一軸向進給機構U型基座21，軸向進給機構U型基座21的U型腔內配置一軸向進給伺服電機22，軸向進給伺服電機22的輸出端與軸向進給絲槓23連接，軸向進給絲槓23與螺母滑塊四通過螺旋副連接，螺母滑塊四的另一端連接有衝頭30，在衝頭30 上設有進液裝置31。所述的肘杆增力機構在工作時，肘杆14和大連杆15所處的位置應滿足二者之間的夾角為4-6度，隨著零件成形的進行，角度減小至2-3度。本發明的工作原理為本發明裝置採用了肘杆增力機構和伺服進給系統相互配合以達到精確控制管坯的內高壓成形過程，合模前，合模伺服電機7帶動滑塊2快速移動使模具閉合，並產生較小的合模力，在成形過程中合模壓力傳感器16將檢測到的模具間的不斷增大的成形內壓力信號傳動給總控制系統，此時裝置整體會發生微小形變，為保證模具閉合，總控制系統發出控制信號控制合模伺服電機7繼續推動滑塊2下移，滾珠絲槓8的軸向驅動力小於150噸， 通過肘杆增力機構放大幾十倍變成合模力作用於上模具17上使模具始終閉合；同時，在成形過程中，總控制系統根據進給壓力傳感器33產生的壓力信號，控制軸向進給伺服電機22 的轉動，精確的推動衝頭30移動，保證管坯18的進給與內壓相匹配。由於伺服電機能夠隨時的精確控制，從而滑塊2的移動量和管坯18的進給量能精確控制，進而能夠精確控制合模力和變形率；開模時合模伺服電機7和軸向進給伺服電機22分別反轉，需要很小的力便可以取出成形完畢的零件。本發明具有以下優點一、採用了具有肘杆增力機構的伺服電機控制機械鎖模裝置，相對於傳統液壓成形設備，此種機械鎖模裝置整體結構簡單，製造成本低，特別是在大噸位內高壓成形中，該機械裝置的優勢更加明顯。二、採用了具有肘杆增力機構可將驅動力放大幾十倍，因此鎖模力大，驅動力相對較小，降低了設備運行時的能耗，並且機械機構開模時，滑塊的行程大，易於進行換模。三、本設備採用了四個伺服電機直接驅動滑塊運動以及管坯兩端的軸向進給，通過光柵尺和力傳感器等信號反饋元件使伺服控制系統對伺服電機進行閉環控制，進而實現高精密的成形，製造工件質量高。與傳統液壓合模和軸向進給系統相比，伺服電機控制系統具有控制簡單，控制精度高，響應速度快，以及可進行速度控制和力矩控制兩種形式的優點ο四、傳統的液壓鎖模方法，成形過程中鎖模力不變，使成形初期階段模具所受壓應力過大、變形量大、磨損嚴重且壽命低。而採用機械增力機構可以通過精確控制伺服電機來實現隨成形過程變化的鎖模力，可以顯著提高模具壽命長。五、採用伺服電機和滾珠絲槓的肘杆增力機構，易於提高滑塊的移動速度，使成形模具閉合開啟速度快，成形效率高，在合模瞬間降低滑塊速度可以大幅度降低合模噪音。六.裝置採用了預應力機身機構，U型水平進給機構，以及呈直角傳動的減速器， 使裝置整體具有良好的剛度、強度，整體機構緊湊，工作性能平穩可靠。


圖1是本發明的結構示意圖。圖2是本發明的軸向進給結構示意圖。圖3是本發明的肘杆增力機構與上橫梁1和滑塊2的連接示意圖。圖4是本發明的成形過程中參數控制示意圖，其中橫坐標表示合模後滑塊繼續移動的距離；縱坐標表示肘杆增力機構放大倍數。圖5是本發明合模後肘杆增力機構的放大倍數與滑塊位移的關係圖，其中橫坐標表示成形過程時間；縱坐標表示成形過程中鎖模力F的大小、內壓力P的大小、軸向進給量S的大小、肘杆增力放大倍數R的大小。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做詳細描述。參照圖1，一種大噸位管材內高壓成形裝置，包括上橫梁1、滑塊2和下橫梁3，上橫梁1、滑塊2和下橫梁3通過拉杆4、螺母5連接，牙套6套在拉杆4上，拉杆4發生拉伸變形產生約為鎖模力1. 2倍的預緊力，預緊力通過上橫梁1和下橫梁3作用在牙套6上，牙套6 在預緊力作用下產生微小變形，成形階段時，作用在上橫梁1和下橫梁3的力通過螺母5使拉杆4產生更大的拉伸形變，因而牙套6受力減小，但仍然受到上下橫梁的壓力，因此整個過程拉杆4、牙套6變形相對較小，保證了成形裝置具有良好的剛度、強度和整體工作性能， 在上橫梁1和滑塊2之間設置有肘杆增力機構，肘杆增力機構由一組左右對稱的連接頭12、 小連杆13、肘杆14和大連杆15組成，大連杆15、小連杆13和肘杆14均以機器的中線對稱鉸接，並與連接頭12連接，參照圖3，肘杆14由四個兩端配有鉸接孔且中間兩兩連在一起的連杆構成，大連杆15由五個兩端配有鉸接孔且中間兩兩連在一起的連杆構成，對稱放置的肘杆14與上橫梁1鉸接形成的四個鉸接點的左右距離大於對稱放置的大連杆15與滑塊2鉸接形成的四個鉸接點的左右距離，左右對稱形成的八個鉸接點相對傳統單個、兩個或四個鉸接點可以使滑塊在成形過程中受力更加均勻，剛性和強度更好，上橫梁1、肘杆14、大連杆15、滑塊2、小連杆13之間通過銷軸35連接，小連杆13起到機構運行靈活、避免應力、 響應快等作用；在上橫梁1上設有兩套對稱放置的合模伺服驅動機構，保證工作時軸向力的平衡，合模伺服驅動機構由合模伺服電機7、同步帶9、滾珠絲槓8構成，合模伺服電機7通過同步帶9與和滾珠絲槓8連接，同步帶9起增大電機輸出扭矩和降低轉速的作用；裝置的信號檢測反饋機構由標尺光柵11、光柵讀數頭10、合模壓力傳感器16、軸向進給壓力傳感器33組成，標尺光柵11固定在滾珠絲槓8上，光柵讀數頭10固定在上橫梁1上，合模壓力傳感器16固定在上模具17和滑塊2中間，軸向進給壓力傳感器33安裝在衝頭30和螺母滑塊四中間，光柵讀數頭10、合模壓力傳感器16和軸向進給壓力傳感器 33都與總控制系統連接，標尺光柵11和光柵讀數頭10用來檢測滾珠絲槓8的移動距離， 其信號傳輸給總控制系統，總控制系統通過控制合模伺服電機7達到同步帶9和滾珠絲槓 8同步轉動，合模壓力傳感器16、軸向進給壓力傳感器33分別用來檢測鎖模力和軸向進給力；參照圖2，在滑塊2和下橫梁3之間設置有兩套左右對稱管坯軸向伺服進給機構， 管坯軸向伺服進給機構包括軸向進給伺服電機22，軸向進給伺服電機22裝在軸向進給機構U型基座21上，並與聯軸器M輸入端連接，聯軸器M輸出端與軸向進給絲槓23連接， 軸向進給絲槓23與螺母滑塊四通過螺旋副連接，螺母滑塊四放置在導軌支架觀上，衝頭 30和螺母滑塊四通過螺杆32連接，管坯18放在衝頭30的前端，圓錐滾子軸承25安裝在固定板26上，固定板沈裝有肋板27，軸承端蓋34將圓錐滾子軸承25固定在固定板沈上， 固定板26安放在軸向進給機構U型基座21上，在衝頭30上設有進液裝置31，上模具17安裝在滑塊2上，下模具20固定在墊板19上，墊板19固定軸向進給機構U型基座21上在， 軸向進給伺服電機22通過聯軸器M帶動軸向進給絲槓23旋轉，進而帶動螺母滑塊四在螺母滑塊導軌支架觀左右移動，螺母滑塊四帶動衝頭30移動，進而使得管坯18進給，左右兩邊對稱放置的固定板沈使由油壓產生的軸向大壓力通過圓錐滾子軸承25作用在其上的作用力通過軸向進給機構U型基座21相互平衡，保證整個裝置受力平衡，肋板27起加強固定板26強度的作用，在成形過程中，管坯脹形用高壓水通過進液裝置31注入到管坯18 內部。所述的肘杆增力機構在工作時，肘杆14和大連杆15所處的位置應滿足二者之間的夾角為4-6度，隨著零件成形的進行，角度減小至2-3度。本發明的工作原理為成形進給階段，合模驅動裝置和軸向進給伺服系統相互匹配控制。首先，合模伺服電機7通過同步帶9帶動滾珠絲槓8下移，同步帶9可以起到增大轉矩和降低轉速的作用，進而推動連接頭12下移，使得滑塊2不斷下移。兩滾珠絲槓旁的檢測裝置，不斷檢測量絲槓滾珠的移動，二者的輸出信號通過控制系統處理後傳遞給合模伺服電機7，通過不斷的控制兩合模伺服電機7的轉速，確保滾珠絲槓的同步移動，避免側向力的產生，滑塊2可以快速移動到距合模位置30mm左右處，然後降低速度，再低速移動使模具閉合，這樣可以大幅度降低合模噪音，此時合模力較小。隨著管坯脹形用高壓水從進液裝置31不斷注入管坯18，管坯18逐漸充填到模具內腔上，作用在模具上的力越來越大，使模具發生小變形，合模壓力傳感器16檢測到作用在模具上的力不斷增大，將信號傳遞給總控制系統，總控制系統將精確控制合模伺服電機7轉動，產生更大的驅動力，進而推動滑塊2下移，從合模處開始， 滑塊2移動的距離與增力機構放大倍數關係如圖4所示，參照圖4，可以看出，只需要相對較小的驅動力便可以達到鎖模力，保證整個成形過程模具始終閉合；同時，隨著成形過程的進行，參照圖5，管坯18不斷變形，填充到模具空腔中，內壓力P不斷增大，為保證模具閉合，通過肘杆增力機構把合模伺服進給機構輸出力放大倍數R後的合模力F始終大於內壓力P，此時，進給壓力傳感器33檢測到軸向壓力不斷增大，總控制系統得到其信號後將根據其壓力的大小對軸向進給伺服電機22進行速度控制或力矩控制，精確的保證管坯軸向進給量S， 保證在成形過程中管坯整體形變均勻。參照圖2，軸向液壓力首先作用在衝頭30上，通過螺母滑塊四、軸向進給絲槓23將力作用圓錐滾子軸承25上，其裝在固定板沈上，固定板沈裝有肋板27，保證在大的軸向作用力下的強度和剛度，左右對稱的固定板沈最終將力施加在軸向進給機構基座21上，二力大小相等，方向相反，通過軸向進給機構基座21可以將巨大的軸向力平衡。軸承端蓋34可將軸承固定在固定板沈上，防止圓錐滾子軸承25軸向移動。在整個成形過程中，合模力F始終稍大於模具內部液壓所施加給它的脹形力，使得模具形變小，管坯的進給速度與管坯形變相匹配，保證了零件整體變形較好，進而得到精度和質量高的成形零件。成形結束開模階段管坯成形完畢後，合模伺服電機7和軸向進給伺服電機22快速反轉，滑塊2快速上移，衝頭30外移，成形好的零件容易的順利取出。整個成形過程所需時間短，效率高。附圖中1為上橫梁；2為滑塊；3為下橫梁；4為拉杆；5為螺母；6為牙套；7為合模伺服電機；8為滾珠絲槓；9為同步帶；10為光柵讀數頭；11為標尺光柵；12為連接頭；13 為小連杆；14為肘杆；15為大連杆；16為合模壓力傳感器；17為上模具；18為管坯；19為墊板；20為下模具；21為軸向進給機構U型基座；22為軸向進給伺服電機；23為軸向進給絲杆為聯軸器；25為圓錐滾子軸承J6為固定板；27為肋板；觀為螺母滑塊導軌支架；四為螺母滑塊；30為衝頭；31為進液裝置；32為螺杆；33為進給壓力傳感器；34為軸承端蓋； 35為銷軸。
權利要求
1.一種大噸位管材內高壓成形裝置，包括上橫梁(1)、滑塊( 和下橫梁(3)，上橫梁 (1)、滑塊( 和下橫梁C3)通過拉杆4連接，牙套(6)套在拉杆(4)上，其特徵在於在上橫梁(1)和滑塊( 之間設置有肘杆增力機構，肘杆增力機構由一組左右對稱的連接頭(12)、 小連杆(13)、肘杆(14)和大連杆(15)組成，大連杆(15)、小連杆(13)和肘杆(14)均以機器的中線對稱鉸接，並與連接頭(1 連接，肘杆(14)由四個兩端配有鉸接孔且中間兩兩連在一起的連杆構成，大連杆(1 由五個兩端配有鉸接孔且中間兩兩連在一起的連杆構成， 對稱放置的肘杆(14)與上橫梁(1)鉸接形成的四個鉸接點的左右距離大於對稱放置的大連杆(1 與滑塊( 鉸接形成的四個鉸接點的左右距離，上橫梁(1)、肘杆(14)、大連杆 (15)、滑塊(2)、小連杆(13)之間通過銷軸35連接；在上橫梁(1)上設有兩套對稱放置的合模伺服驅動機構，其由合模伺服電機(7)、同步帶(9)、滾珠絲槓⑶構成，合模伺服電機(7)通過同步帶(9)與和滾珠絲槓⑶連接；裝置的信號檢測反饋機構由標尺光柵(11)、光柵讀數頭(10)、合模壓力傳感器(16)、 軸向進給壓力傳感器(33)組成，標尺光柵(11)固定在滾珠絲槓(8)上，光柵讀數頭(10) 固定在上橫梁(1)上，合模壓力傳感器(16)固定在上模具(17)和滑塊O)中間，軸向進給壓力傳感器(3 安裝在衝頭(30)和螺母滑塊09)中間，光柵讀數頭(10)、合模壓力傳感器(16)和軸向進給壓力傳感器(3 都與總控制系統連接；在滑塊( 和下橫梁C3)之間設置有兩套左右對稱的管坯軸向伺服進給機構，管坯軸向伺服進給機構包括一軸向進給機構U型基座(21)，軸向進給機構U型基座的U型腔內配置一軸向進給伺服電機(22)，軸向進給伺服電機0 的輸出端與軸向進給絲槓03) 連接，軸向進給絲槓與螺母滑塊09)通過螺旋副連接，螺母滑塊09)的另一端連接有衝頭(30)，在衝頭(30)上設有進液裝置(31)。
2.根據權利要求1所述的一種大噸位管材內高壓成形裝置，其特徵在於所述的肘杆增力機構在工作時，肘杆(14)和大連杆(1 所處的位置應滿足二者之間的夾角為4-6度， 隨著零件成形的進行，角度減小至2-3度。
全文摘要
一種大噸位管材內高壓成形裝置，包括上橫梁，上橫梁、滑塊和下橫梁通過拉杆連接，在上橫梁和滑塊之間設置有肘杆增力機構，在上橫梁上設有兩套對稱放置的合模伺服驅動機構，裝置的信號檢測反饋機構由標尺光柵等組成，在滑塊和下橫梁之間設置有管坯軸向伺服進給機構，合模伺服電機驅動肘杆增力機構進行合模，合模過程中根據模具內腔所受漸增的管材成形內壓力精確的增大合模壓力，保證成形過程中模具始終閉合的同時使模具在受力作用下的變形量小，從而提高模具壽命，採用伺服電機驅動的管坯軸向進給機構在成形過程中精確控制管坯進給速度，保證管材均勻形變，本發明鎖模力大且可變，軸向進給精度高，具有控制方便、結構簡單、成本低的優點。
文檔編號B21D26/033GK102172704SQ20111002462
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月21日 優先權日2011年1月21日
發明者張琦, 趙升噸, 雷蕾, 馬海寬 申請人:西安交通大學