包松東，戴善輝，葛 奇，繆海楠

（金豐（中國）機(jī)械工業(yè)有限公司，浙江 寧波 315221）

1 引言

隨著中國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，用戶對(duì)汽車的造型、外觀質(zhì)量等要求越來越高。沖壓模具技術(shù)、新材料研究以及沖壓設(shè)備的發(fā)展為產(chǎn)品上述要求提供了技術(shù)保證。沖壓鈑金外覆蓋件作為汽車造型、外觀質(zhì)量的重要表現(xiàn)，其生產(chǎn)制造也顯得尤其重要，而拉伸工藝作為鈑金沖壓成形的關(guān)鍵工藝應(yīng)引起高度重視。大型汽車鈑金伺服拉伸墊作為汽車鈑金生產(chǎn)線的第一工位，是鈑金拉伸成形必不可少的部件。也是高端汽車鈑金生產(chǎn)線皇冠上的明珠。然而現(xiàn)階段，國產(chǎn)大型伺服拉伸墊應(yīng)用還是空白，幾乎全部被歐盟和日本等幾個(gè)發(fā)達(dá)國家所壟斷。

如圖1 所示，伺服拉伸墊應(yīng)當(dāng)具備如下的基本功能：①預(yù)加速功能。大型鋼板拉伸件剛開始拉伸最大速度可達(dá)約450mm/s。為了減小滑塊和拉伸墊的接觸速度，減小沖擊和噪聲，延長模具使用壽命，拉伸墊必須預(yù)先向下運(yùn)動(dòng)，使拉伸墊與滑塊的相對(duì)速度減小到約50mm/s；②自動(dòng)地、低沖擊地從位置控制到力控制（或位置和力同時(shí)控制）轉(zhuǎn)換過渡；③因?yàn)閴哼叧跏紶顟B(tài)時(shí)壓邊面積最大，所需壓邊力也最大。隨著拉伸的進(jìn)行，板材變薄，周邊的材料逐漸流入拉伸區(qū)域，所需的壓邊力逐漸變小。所以拉伸墊應(yīng)當(dāng)具備通過數(shù)個(gè)線性插補(bǔ)力點(diǎn)和位置支持點(diǎn)，所需壓邊力可自由設(shè)定。另外非對(duì)稱拉伸件和激光拼焊板拉伸件，各個(gè)區(qū)域所需壓邊力不同，可自由設(shè)定。避免同樣的壓邊力情況下，造成局部拉裂或起皺的狀況。所以拉伸墊各個(gè)模塊應(yīng)當(dāng)相對(duì)獨(dú)立，可以設(shè)定不同的壓邊力；④下死點(diǎn)拐點(diǎn)（力控制轉(zhuǎn)換到位置控制或位置和力同時(shí)控制轉(zhuǎn)換為位置控制）；⑤下死點(diǎn)位置閉鎖下沉以防止材料彈回；⑥脫模移動(dòng)至機(jī)械手拾取位置；⑦滑塊跟隨；⑧回到初始位置等待下一個(gè)沖壓行程。

圖1 拉伸墊功能示意圖

除此之外，伺服拉伸墊還應(yīng)具有能力大、重復(fù)精度高、體積小、瞬間功率大、能量回收、維修便捷快速、使用成本低、綠色環(huán)保等技術(shù)要求。

2 拉伸墊技術(shù)路線對(duì)比分析

2.1 純液式伺服拉伸墊

純液式伺服拉伸墊代表廠商有力士樂。如圖2所示，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和回饋系統(tǒng)組成。

圖2 純液式伺服拉伸墊

動(dòng)力系統(tǒng)是由液壓油箱、循環(huán)冷卻器、電動(dòng)機(jī)、主液壓泵、控制液壓泵、冷卻液壓泵和蓄能器等元器件組成的封閉系統(tǒng)，其根據(jù)MAC8 指令提供相應(yīng)的輸出液壓油。執(zhí)行系統(tǒng)一般由四、六或八個(gè)液壓缸構(gòu)成，每個(gè)液壓缸提供的壓邊力可以單獨(dú)設(shè)置，壓力波動(dòng)為±10%?？刂葡到y(tǒng)由若干個(gè)方向控制閥、壓力控制閥、壓力轉(zhuǎn)換器和一個(gè)可編程邏輯控制器MAC8等元件構(gòu)成。拉伸時(shí)液壓缸內(nèi)的油液經(jīng)過比例伺服閥回油，MAC8 輸出指令控制比例伺服閥開口量大小達(dá)到最終控制壓邊力的大小?；仞佅到y(tǒng)分為壓力回饋和位置回饋，前者由壓力傳感器、放大器等組件構(gòu)成；后者由線性編碼器等組件構(gòu)成，可以有效保證液壓拉伸墊在工作中的穩(wěn)定性。

工作原理：液壓缸有上下兩個(gè)腔室，上腔的作用面積相對(duì)下腔較小。液壓缸的上腔是持續(xù)受壓的，所以活塞的上下運(yùn)動(dòng)主要靠向下腔加油壓或靠比例伺服閥把下腔的油放回。在拉伸的范圍內(nèi)，每個(gè)液壓缸用戶可以定義最多10 個(gè)點(diǎn)的不同壓力。每個(gè)液壓缸單元都配有專用的液壓調(diào)節(jié)閥塊，拉伸過程中每個(gè)液壓缸都可以單獨(dú)調(diào)節(jié)壓力。由MAC8 控制打開比例伺服閥，利用比例伺服閥來控制反力，即壓邊力。預(yù)加速和下死點(diǎn)位置閉鎖下沉?xí)r，則需要蓄能器內(nèi)液壓油快速進(jìn)入液壓缸上腔，以達(dá)到拉伸墊向下運(yùn)動(dòng)預(yù)加速或閉鎖下沉。

純液式伺服拉伸墊四缸能力可達(dá)450t，最大拉伸線速度可達(dá)500mm/s。工作能量可達(dá)約900kJ，瞬間功率可達(dá)約1800kW?？蛇m應(yīng)斷續(xù)、連續(xù)生產(chǎn)模式。液壓缸體積小，控制閥組與油缸高度集成在一起結(jié)構(gòu)緊湊，維修空間充裕。

液壓油箱容積約10000L，5 個(gè)主液壓泵電動(dòng)機(jī)75kW，2 個(gè)循環(huán)冷卻泵電動(dòng)機(jī)37kW，1 個(gè)控制液壓泵電動(dòng)機(jī)30kW，整機(jī)的電容量相對(duì)較小。主系統(tǒng)液壓油清潔度NAS 7 級(jí)，先導(dǎo)系統(tǒng)液壓油清潔度NAS5 級(jí)。液壓油清潔度要求高，更換液壓油費(fèi)用高，沖洗時(shí)間長。拉伸過程產(chǎn)生大量的熱量，通過循環(huán)冷卻水帶走。冷卻水流量約2700L/min 能源浪費(fèi)嚴(yán)重，客戶冷卻設(shè)備投資大，使用成本較高。液壓油一旦泄露容易造成環(huán)境污染。

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)純液式拉伸墊

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純液式拉伸墊，其代表廠商有AIDA 等。

如圖3 所示，其主要由4 個(gè)液壓油缸、管路、柱塞泵、伺服電機(jī)、蓄能器、伺服模塊能量回收裝置等組成。伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)可以控制油缸上升和下降。當(dāng)拉伸時(shí)，油缸向下運(yùn)動(dòng)，通過液壓油驅(qū)動(dòng)柱塞泵和伺服電機(jī)。伺服電機(jī)發(fā)電通過能量回收裝置，回饋工廠電網(wǎng)，節(jié)約能源。伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)可以達(dá)到預(yù)加速和下死點(diǎn)閉鎖下沉等功能。

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)純液式拉伸墊示意圖

圖4 氣液混合式伺服拉伸墊示意圖

拉伸墊四缸總共由12 個(gè)60kW 的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大能力可達(dá)500t，最大拉伸線速度可達(dá)400mm/s，瞬間功率可達(dá)1600kW。且無液壓油箱，內(nèi)部封閉液壓油容積只需230L。所以整個(gè)拉伸墊體積非常緊湊，給擁擠的地坑爭取到了很大的空間，極大地方便了日常點(diǎn)檢、保養(yǎng)和維修。同時(shí)使用了能量回收技術(shù)，大大降低了拉伸時(shí)能源的浪費(fèi)，只有少部分的能源轉(zhuǎn)發(fā)為熱量。相比純液式伺服拉伸墊，只需少量的冷卻水就可以冷卻傳動(dòng)液壓油，保證穩(wěn)定運(yùn)行。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純液式拉伸墊最大拉伸線速度為400mm/s，相對(duì)較低。對(duì)于適合高節(jié)拍生產(chǎn)的中小型拉伸零件，可能由于拉伸線速度的限制，需要降低節(jié)拍生產(chǎn)。但是如果在伺服壓機(jī)上生產(chǎn)，伺服壓機(jī)可以在拉伸前降低滑塊的運(yùn)行速度低于400mm/s，再進(jìn)行拉伸，同時(shí)保證生產(chǎn)節(jié)拍，提高效率。

圖5 實(shí)際案例外觀圖

2.3 氣液混合式伺服拉伸墊

氣液機(jī)電混合動(dòng)力式伺服拉伸墊，其代表廠商有IHI 等。

如圖4、5 所示，其主要包含氣壓、液壓、機(jī)械、電控四大系統(tǒng)。氣壓系統(tǒng)如傳統(tǒng)氣墊一樣，包含兩個(gè)上下兩層的氣缸，行程調(diào)整機(jī)構(gòu)，保證氣壓波動(dòng)的空氣桶。為了保證整線的ADC 時(shí)間小于90s，確?？焖僬{(diào)整氣壓，配置了兩個(gè)10000L 的空氣桶。液壓系統(tǒng)每個(gè)單元包含一組橫截面約2：1 且容積相等的大小液壓油缸和一體液壓閥座。機(jī)械系統(tǒng)每個(gè)單元包含一組與小油缸連接在一起的滑塊、兩根直徑80 的滾珠絲杠、兩個(gè)110kW 的水冷伺服電機(jī)、線性導(dǎo)軌和固定座等。電氣系統(tǒng)包含拉伸墊變頻器和整流器與整線節(jié)能系統(tǒng)連接。能量回收產(chǎn)生的電能供給壓機(jī)主電機(jī)使用或回饋到工廠電源。

工作原理：氣缸承受整個(gè)拉伸墊40%的能力，油缸承受整個(gè)拉伸墊60%的能力。拉伸過程中，60%的能量通過液壓油缸驅(qū)動(dòng)滑塊、滾珠絲杠、伺服電機(jī)產(chǎn)生電能。另外40%的能量通過壓縮氣體儲(chǔ)存在高壓氣體中。拉伸結(jié)束后，拉伸墊上升時(shí)，通過氣體膨脹拉動(dòng)大液壓油缸向上運(yùn)動(dòng)。大液壓油缸上腔中的液壓油通過一體式液壓閥座中的液控單向閥進(jìn)入小液壓油缸的下腔，反向驅(qū)動(dòng)滑塊、滾珠絲杠、伺服電機(jī)繼續(xù)產(chǎn)生電能。在拉伸和返程的空行程中，伺服電機(jī)都在產(chǎn)生電能。減小了整個(gè)系統(tǒng)的最大功率，實(shí)現(xiàn)了液壓、機(jī)械和電控系統(tǒng)小型化。液壓系統(tǒng)每個(gè)單元采用一組橫截面約2：1 且容積相等的大小液壓油缸。大油缸轉(zhuǎn)小油缸能力減小一半，行程增加一倍。進(jìn)一步減小機(jī)械系統(tǒng)的能力。同時(shí)由兩根滾珠絲杠同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)滑塊和油缸。大大減小了滾珠絲杠的載荷?？梢赃x用通用直徑的滾珠絲杠（直徑只有80mm），大大增加了滾珠絲杠和軸承的壽命，使整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)更加穩(wěn)定。液壓系統(tǒng)中的液壓油缸也降低滾珠絲杠和伺服電機(jī)所受沖擊和振動(dòng)。

混合動(dòng)力式伺服拉伸墊四缸能力可達(dá)400t，最大拉伸線速度可達(dá)600mm/s。工作能量可達(dá)約1200kJ，瞬間功率可達(dá)約2100kW?？蛇m應(yīng)斷續(xù)、連續(xù)生產(chǎn)模式。液壓油箱容積僅1000L，冷卻水量僅需約240L/min。

混合動(dòng)力式伺服拉伸墊整個(gè)系統(tǒng)較復(fù)雜，體積龐大，成本較高，維修空間較小。同時(shí)為了盡可能縮小整線的ADC 時(shí)間，配置了2 個(gè)10000L 的空氣桶，占用了寶貴的地坑空間。

2.4 電動(dòng)伺服拉伸墊

電動(dòng)伺服拉伸墊，其代表廠商有小松等。

如圖6、7 所示，其主要由過負(fù)荷油缸、滾珠絲桿、同步帶、伺服電機(jī)和伺服模塊能量回收裝置等組成。

圖6 伺服模墊結(jié)構(gòu)圖

圖7 伺服模墊控制系統(tǒng)示意圖

電動(dòng)伺服拉伸墊是一種運(yùn)用滾珠絲杠可逆運(yùn)行特性的驅(qū)動(dòng)方式。螺母與頂板通過液壓保護(hù)裝置固定在一起。液壓保護(hù)裝置具有壓力緩沖和過載卸荷功能。伺服電動(dòng)機(jī)通過同步齒輪帶將動(dòng)力傳遞到滾珠絲杠，在滾珠絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺母和頂板一起做上下運(yùn)動(dòng)。拉伸時(shí)，通過滾珠絲杠將頂板受到的加壓力轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)電，回饋工廠電網(wǎng)或提供給沖壓設(shè)備主電機(jī)使用。在滾珠絲杠軸端或伺服電動(dòng)機(jī)尾部設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服墊的位置控制。4點(diǎn)4 個(gè)200kW 的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)伺服墊頂板。拉伸過程中，電動(dòng)伺服拉伸墊通過控制伺服電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，可以調(diào)整拉伸墊在4 個(gè)不同位置點(diǎn)上的壓邊力和運(yùn)行速度，以適應(yīng)不同工件的拉伸。也可以單獨(dú)調(diào)整各施力點(diǎn)的壓邊力，以避免局部起皺或局部拉裂的狀況。

電動(dòng)伺服拉伸墊同時(shí)使用了能量回收技術(shù)，大大降低了拉伸成型時(shí)浪費(fèi)的能源。與傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)相比，可節(jié)省約25%的能源。比起液壓式拉伸墊，由于不使用液壓油作為動(dòng)力源，所以不需要進(jìn)行液壓油的清潔度管理以及密封圈類的維修，減少了油液泄漏造成的污染，提升了環(huán)境清潔度，作業(yè)環(huán)境得到了改善。電動(dòng)伺服拉伸墊四缸能力可達(dá)400t，最大拉伸線速度可達(dá)600mm/s。工作能量可達(dá)約588kJ，瞬間功率可達(dá)約1440kW。滾珠絲桿體積小，整體結(jié)構(gòu)緊湊，維修空間充裕。無龐大的液壓油箱，地坑空間充裕。

由于液壓保護(hù)裝置的行程較短、滾珠絲桿的剛性較好，所以電動(dòng)伺服拉伸墊的拉伸能力波動(dòng)峰值相對(duì)較大，深拉伸過程中峰值可達(dá)設(shè)定值的2.5 倍。另外由于滾珠絲杠的制造工藝限制，當(dāng)拉伸墊總能力大于300t 時(shí)，滾珠絲桿的疲勞壽命會(huì)急劇縮短。

2.5 其他方式伺服拉伸墊

除以上幾種方式以外，法格、HF、川崎重工等公司都有相應(yīng)的伺服拉伸墊方案。如圖8 所示為法格采用齒條齒輪和行星齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)伺服方案。HF采用了齒條齒輪和齒輪直驅(qū)方案。川崎重工采用了氣液混合式方案。在此不再一一細(xì)述。

圖8 法格電動(dòng)伺服方案

2.6 綜合性能比較

如表1 所示為幾種方案的性能對(duì)比。

表1 拉伸墊綜合性能比較

3 結(jié)束語

近幾年，隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，各汽車生產(chǎn)廠家對(duì)鈑金沖壓設(shè)備的性能要求也越來越高。而伺服拉伸墊作為鈑金沖壓設(shè)備關(guān)鍵拉伸部件是汽車鈑金拉伸件高質(zhì)量的保證。然而現(xiàn)階段在國產(chǎn)大型伺服拉伸墊應(yīng)用還是空白。本文對(duì)國外幾家典型的伺服拉伸墊的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本的參數(shù)對(duì)比。希望能提供給有志于開發(fā)國產(chǎn)伺服拉伸墊的人員一些參考和借鑒。希望早日開發(fā)出性價(jià)比高、拉伸能力大、重復(fù)精度高、體積小、節(jié)能環(huán)保、維修方便的高性能伺服拉伸墊。