楊 茜

(1. 河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河南洛陽 471023；2. 河南科技大學(xué)有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南洛陽 471023)

引言

精密塑性成形技術(shù)是支撐航空航天、動力能源、交通等領(lǐng)域金屬部件生產(chǎn)加工的關(guān)鍵基礎(chǔ)支撐技術(shù)，獲得了大量的應(yīng)用[1-3]。隨著金屬產(chǎn)品尺寸、性能要求的不斷提高，成形用液壓機(jī)的噸位越來越大。例如大直徑制件的擠壓成形，變形程度大時變形抗力大，但壓力行程并不大，壓力行程速度也不高，只是制件高度高，要求壓機(jī)空程下行或回程的行程大、速度高，需要足夠的操作空間。還有些零件的成形，前中期所需載荷較小，可采用較快的速度進(jìn)行成形，以提高生產(chǎn)效率；而后期所需載荷較大，采用較慢的速度成形，以降低最大載荷，即先快后慢的成形方法能夠兼顧成形載荷與生產(chǎn)效率[4]。再例如大型制件的液態(tài)模鍛成形，合金澆注及制件脫模時需要較大的操作空間，壓機(jī)工作時需要較大的快速合模行程、減速充模過程以及慢速保壓過程，該保壓過程壓力高，行程很小，為毫米級，故要求壓機(jī)兼?zhèn)涞蛪焊咚俅笮谐?、低壓中速中行程和高壓慢速小行程的加壓功能，但是目前國?nèi)外沒有專用液壓系統(tǒng)實現(xiàn)此類功能。

油缸作為液壓機(jī)的動力輸出部件，其輸出力決定了設(shè)備噸位[5]，而油缸的輸出力與其直徑及油壓相關(guān)。增加油缸的直徑或數(shù)量是增加液壓機(jī)壓力的有效途徑，但必然造成液壓機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，液壓系統(tǒng)復(fù)雜，工作效率和設(shè)備可靠性降低，制造成本增加；且易發(fā)生液壓沖擊，產(chǎn)生振動和噪聲，維護(hù)成本升高。增大油缸的油壓，可以顯著減小油缸及液壓機(jī)尺寸，但受到現(xiàn)有的油泵和液壓系統(tǒng)技術(shù)的限制，液壓機(jī)的額定油壓通常不大于25 MPa，主要有三個原因：一是液壓機(jī)一般采用柱塞泵或齒輪泵，柱塞泵產(chǎn)生的壓力一般不大于40 MPa，常規(guī)柱塞泵的工作壓力為31.5 MPa，而齒輪泵的壓力小于30 MPa[6]，為了保證油泵的使用壽命，設(shè)計時要有一定的安全系數(shù)，同時考慮結(jié)構(gòu)技術(shù)、處理治漏、噪聲控制、可靠性要求及后期維護(hù)等；二是液壓機(jī)液壓系統(tǒng)壓力一般為21～31.5 MPa，為安全起見，一般選擇為25 MPa[7]；三是通過在液壓系統(tǒng)中加裝增壓回路為油缸提供增壓油，可以使工作油壓增大，但其結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，后端管路容易出現(xiàn)泄漏，制造成本和維護(hù)成本高，一般不用于液壓機(jī)。

目前針對超高壓油缸的研究設(shè)計已有一些進(jìn)展。楊升[8]設(shè)計了一種超高壓增力油缸，由主油缸和增壓缸組成，通過增壓缸為主油缸提供增壓油，每個油缸都有2個油口，當(dāng)液壓系統(tǒng)通過增壓缸為主油缸提供增壓油時壓機(jī)進(jìn)行高壓運動(額定壓力)，當(dāng)液壓系統(tǒng)直接為主油缸提供壓力油時壓機(jī)進(jìn)行低壓運動，該油缸結(jié)構(gòu)簡單，但缸體中的2個單向閥與增壓缸的高壓腔連通，影響了操作性能和壽命。華萬紅等[9]設(shè)計了一種超高內(nèi)增壓復(fù)合式油缸，也是利用增壓缸為主油缸提供增壓油，增壓缸內(nèi)設(shè)置有雙向啟閉閥和節(jié)流調(diào)節(jié)桿，通過雙向啟閉閥和節(jié)流調(diào)節(jié)桿的配合增壓實現(xiàn)壓力轉(zhuǎn)換；該油缸結(jié)構(gòu)只有2個油口，液壓系統(tǒng)與油缸高壓腔隔離，但油缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且壓力轉(zhuǎn)換是被動的，低壓變高壓時需要壓力達(dá)到臨界值，高壓變低壓只有在壓機(jī)回程結(jié)束后才能完成，空行程較長，工作效率較低。

本研究針對大型液壓機(jī)油缸直徑大導(dǎo)致設(shè)備尺寸大、泵站規(guī)格大和工作效率低的問題，設(shè)計了一種具有增壓功能的復(fù)合油缸，對該種油缸液壓機(jī)的原理、特點、設(shè)計方法及用途進(jìn)行了分析。

1 液壓機(jī)的工作過程分析

圖1為一般液壓機(jī)和本研究設(shè)計復(fù)合油缸液壓機(jī)的工作周期對比示意圖。一般大中型液壓機(jī)采用油泵直接為液壓機(jī)主油缸供油，其工作周期如圖1的曲線1所示，主要由以下幾個階段組成：

(1) 停止(上始點靜止階段) ，形成操作空間，用于取出制件和放置坯料或澆注熔體或填充粉末材料；

(2) 充液行程(快速空程下行階段) ，此階段依靠主油缸活塞、活動橫梁及其上安裝的模具的重力快速下行，通過充液閥從油箱中吸油，其下行速度可達(dá)400～600 mm/s[10]。因為油缸直徑大，下行時需油量大，增大了充液閥及管路的規(guī)格及油箱的容積；

(3) 工作行程(慢速下行、壓制與保壓階段) ，為防止對模具產(chǎn)生沖擊，合模時需要關(guān)閉充液閥，改由油泵給主油缸供油，壓機(jī)慢速下行，該下行速度由油泵的流量決定，約10～30 mm/s。壓到工件后進(jìn)入成形階段，此時設(shè)備壓力取決于坯料的變形抗力，當(dāng)變形抗力小于設(shè)備額定壓力時，設(shè)備的下行速度由油泵的流量決定；當(dāng)變形抗力大于設(shè)備額定壓力時，設(shè)備的下行速度會降低，并進(jìn)入保壓階段；

(4) 回程(快速返程階段)，采用較高的回程速度以提高效率。

以上，快速空程及快速回程是為了提高液壓機(jī)的工作效率，而慢速壓制則是為了保證制件的加工質(zhì)量。

油泵直接供油的普通液壓機(jī)，其油泵要滿足液壓機(jī)最大工作速度和工作壓力的要求[10]，但在一個完整的工作周期內(nèi)，油泵滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)的時間很短，而在充液行程、回程、輔助工序和所需工作壓力較小時，其能力得不到充分利用[11]，尤其是大噸位的液壓機(jī)，其利用系數(shù)很低。造成泵站裝機(jī)容量大，無功損耗大，運行成本高。

圖1 液壓機(jī)工作周期對比Fig.1 Comparison of working cycle of hydraulic press

本研究設(shè)計的復(fù)合油缸，通過液壓系統(tǒng)對其進(jìn)行控制，可以實現(xiàn)如圖1曲線2所示的工作過程，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理詳述見圖3。與曲線1相比，其特點如下：

(1) 快速下行和回程速度更高，耗時短；

(2) 具有慢進(jìn)和低壓成形功能，需油量少，可以降低油泵的流量負(fù)荷，而油壓得到充分利用；

(3) 高壓低速成形階段液壓機(jī)壓力提高，但油泵供油壓力沒有增加；

(4) 回程速度加快。

整體效果上，復(fù)合油缸液壓機(jī)比傳統(tǒng)液壓機(jī)的成形周期變短，各階段速度壓力按需配置，油泵的利用系數(shù)高，泵站裝機(jī)容量小。

2 可控式增壓復(fù)合油缸設(shè)計

本研究設(shè)計一種可控式增壓復(fù)合油缸結(jié)構(gòu)，簡稱可控復(fù)合油缸，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作性能穩(wěn)定和效率高等優(yōu)點，可以為大型金屬部件的擠壓成形及液態(tài)模鍛成形提供高效可靠的液壓設(shè)備，推動精密成形技術(shù)的發(fā)展。為了論述方便，下面將油泵產(chǎn)生的工作油壓定義為低壓，通過增壓缸提供的油壓定義為高壓。

該可控式復(fù)合油缸能夠產(chǎn)生較大的工作壓力，具有快速開合模行程，根據(jù)工藝要求實現(xiàn)高低壓快速轉(zhuǎn)換，能夠滿足大型金屬零件大變形塑性成形的需求。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示為可控式復(fù)合油缸(簡稱復(fù)合油缸)結(jié)構(gòu)示意圖，由一體連接的主油缸、增壓缸和控制缸組成。主油缸為設(shè)備提供動力；增壓缸和主油缸設(shè)計為相同直徑D，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊；增壓缸活塞連接主油缸上腔A，為主油缸提供增壓油；增壓缸活塞中有連通增壓缸上腔和主油缸上腔的主通道T，控制缸活塞下端為錐臺結(jié)構(gòu)，與主通道T上端的錐孔相符，控制缸活塞能夠進(jìn)入增壓缸的上腔B，并與主通道的錐孔配合，組成隨動錐閥機(jī)構(gòu)。當(dāng)控制缸處于上始點不動時，錐閥開啟，T通道暢通，壓力油由油口b1進(jìn)入增壓缸的B腔，再經(jīng)T通道直接進(jìn)入主油缸A腔，增壓缸下腔油液經(jīng)油口a2排回油箱，使壓機(jī)低壓下行；壓力油經(jīng)油口c1進(jìn)入控制缸上腔C，油口c2排油，控制活塞下行，并隨增壓缸活塞下行，此時錐閥閉合，T通道關(guān)閉，同時油口b1進(jìn)油，b2排油，壓力油由進(jìn)入增壓缸的B腔后，推動增壓缸活塞下行，對A腔提供增壓油，使壓機(jī)高壓下行。

圖2 可控式增壓復(fù)合油缸結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Configuration of controllable pressurized compound oil cylinder

2.2 工作原理

通過液壓系統(tǒng)對復(fù)合油缸進(jìn)行控制，液壓機(jī)可以實現(xiàn)如下動作過程(見圖3)：

(1) 停止 液壓機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下，液壓系統(tǒng)將各油口進(jìn)行封閉，各油缸活塞均處于上始點位置；

(2) 快速下行 如圖3a所示，控制缸不動，油口b1和a2打開，液壓系統(tǒng)充液閥打開，主油缸活塞(簡稱主活塞)受重力快速下行，油箱中的油通過充液閥、油口b1進(jìn)入增壓缸B腔，再經(jīng)T通道快速流入主油缸的上腔A中，下腔中的油通過油口a2流回油箱；同時油泵輸出的壓力油也經(jīng)油口b1充油，加速主活塞下行；

圖3 可控式增壓復(fù)合油缸工作過程原理圖Fig.3 Working process of controllable pressurized compound oil cylinder

(3) 慢速下行 如圖3b所示，充液閥關(guān)閉，液壓系統(tǒng)的壓力油通過油口b1進(jìn)入增壓缸上腔B，再經(jīng)通道T進(jìn)入主油缸的上腔A中， 使主活塞加壓慢速下行， 直至模具閉合，下腔中的油通過油口a2流回油箱；

(4) 低壓成形 坯料受力后進(jìn)入低壓成形階段，系統(tǒng)壓力升高到工作壓力，壓力油通過T通道進(jìn)入主油缸A腔，對坯料施壓成形；

(5) 高壓成形 如圖3c所示，油口c1供油，油口c2回油，控制缸活塞下行，隨動錐閥機(jī)構(gòu)閉合，主通道T斷開；油口b1供油，油口b2回油，油腔B和油腔C處于壓力狀態(tài)，控制活塞與增壓活塞同步下行，對主油缸A腔提供增壓油，迫使主活塞產(chǎn)生高壓行程，使坯料成形；

(6) 保壓 液壓系統(tǒng)慢速供油，使液壓機(jī)處于動態(tài)保壓狀態(tài)；或關(guān)閉各油口，油泵停止供油，液壓機(jī)處于靜態(tài)保壓狀態(tài)；

(7) 卸壓 油口b2，c2進(jìn)油，油口b1，c1回油，控制缸和增壓缸同步回程，A腔慢速減壓，然后隨動錐閥機(jī)構(gòu)開啟，T孔導(dǎo)通，控制缸和增壓缸復(fù)位；

(8) 回程 油口a2進(jìn)油，油口b1回油，主活塞回程(如圖3d所示)。

2.3 設(shè)計要求

為提高油缸的承壓能力，要求主油缸具有足夠的強(qiáng)度，還要考慮高壓腔的密封性。目前新型密封圈的耐壓能力已達(dá)到300 MPa[12-14]，可以為高壓油缸的應(yīng)用提供保障。為保證可控復(fù)合油缸的可靠運行，各油缸除進(jìn)行規(guī)范設(shè)計外，還要滿足以下要求：

(1) 油缸零件包括缸筒、缸蓋、缸底、活塞、活塞桿等，其尺寸參數(shù)應(yīng)滿足強(qiáng)度剛度等要求，具體設(shè)計可參照相關(guān)手冊及文獻(xiàn)[6,15-17]進(jìn)行;

(2) 增壓缸和主油缸設(shè)為相同的直徑，可保證結(jié)構(gòu)緊湊；

(3) 在保證主通道流量的前提下，盡可能減小主通道直徑，以實現(xiàn)隨動錐閥機(jī)構(gòu)的可靠密封并降低成本；

(4) 為避免高背壓時控制缸活塞后退造成泄漏，控制缸直徑與主通道直徑之比需大于增壓缸直徑與增壓活塞桿直徑之比。

3 可控式增壓復(fù)合油缸特征參數(shù)及液壓機(jī)工作性能分析

油缸的特征參數(shù)直接影響液壓機(jī)的工作性能。相同的系統(tǒng)壓力和設(shè)備壓力條件下，對比分析復(fù)合缸的直徑、行程、增壓比等特征參數(shù)及其對液壓機(jī)工作性能的影響，說明復(fù)合缸液壓機(jī)在行程、工作效率、供油量等方面均具有顯著優(yōu)勢。

3.1 復(fù)合缸增壓比

高壓成形時，控制活塞與增壓活塞隨動，起到增壓效果，當(dāng)控制缸直徑較小時，其輔助增壓效果的影響不明顯，可以忽略不計，則:

(1)

式中，D—— 增壓缸和主油缸直徑

d1—— 增壓活塞桿直徑

p—— 液壓系統(tǒng)的工作油壓

p1—— 增壓缸輸出的油壓

λ—— 增壓缸的增壓比

當(dāng)D不變時，減小d1，可以增大增壓比，使主油缸的輸出壓力增加。

3.2 油缸直徑

設(shè)備壓力為F，系統(tǒng)油壓為p，普通油缸(單缸)和復(fù)合油缸主油缸的直徑分別D0和D，則：

D0=2[F/(πp)]1/2

D=2[F/(πp1)]1/2

得：

D=D0/λ1/2

(2)

說明在相同的設(shè)備壓力下，復(fù)合油缸直徑小于單缸油缸。

3.3 油缸行程

液壓機(jī)工作行程包括空載行程和壓力行程，空載行程包括快速空載行程和慢速空載行程，壓力行程又包括低壓行程和高壓行程。借助壓力機(jī)活動橫梁、模具的上模部分等重力作用，使油缸產(chǎn)生負(fù)壓吸油而快速空載下行，在合模前關(guān)閉充液閥，通過油泵提供油壓，進(jìn)行慢速空載行程；低壓行程用于前期合?；蝾A(yù)成形等不需要太大壓力的情況，如塑性成形的鐓粗階段、液態(tài)模鍛的充型階段、粉末冶金的合模及初始壓縮階段，此時所需壓力不高，并要求一定的下行速度；高壓行程階段按設(shè)備的額定壓力或設(shè)定壓力進(jìn)行成形，此階段行程較小，速度較低，如汽車輪轂的擠壓成形，其正擠壓行程約20～50 mm，液態(tài)模鍛、粉末冶金工藝，行程一般小于10 mm。單缸液壓機(jī)的不同行程是由同一個油缸完成，而對于復(fù)合缸液壓機(jī)，其低壓行程直接由主油缸完成，高壓行程階段是由增壓缸為主油缸提供高壓油。

設(shè)高壓行程為H，采用復(fù)合缸時需要的增壓缸行程為H1，則：

得：

H1=λH

(3)

與單缸液壓機(jī)相比，復(fù)合液壓缸因為多了增壓缸，其高度也相應(yīng)有所增加。由式(3)可以看出，增壓缸的行程與主油缸的高壓行程呈線性關(guān)系，比值為增壓比。由于高壓行程很小，所以增壓缸行程也不大，故對液壓缸的整體高度影響不大。至于控制缸，因為直徑很小，甚至可以置入增壓缸中，故對復(fù)合液壓缸的整體高度影響更小。

3.4 工作效率

當(dāng)液壓系統(tǒng)的供油量Q一定時，單缸液壓機(jī)在各種壓力的下行速度均為：

(4)

而復(fù)合油缸液壓機(jī)低壓和高壓下行時的速度為：

(5)

結(jié)合式(2)、式(4)、式(5)，得到復(fù)合油缸與單缸油缸下行速度之比：

(6)

式中，v0—— 單缸液壓機(jī)下行速度

v—— 復(fù)合油缸低壓和高壓下行時的速度

表明復(fù)合缸液壓機(jī)的高壓下行速度和單缸液壓機(jī)相同，而低壓下行速度是單缸液壓機(jī)的λ倍。考慮到高壓行程很短，而其他壓力行程很長，因此，復(fù)合缸液壓機(jī)的工作效率顯著提升。

3.5 供油量

在相同的下行速度條件下，復(fù)合油缸液壓機(jī)的主油缸和單缸液壓機(jī)液壓缸的供油量Q主和Q單分別為：

Q主=(πD2/4)v1

(7)

(8)

式中，v1—— 液壓機(jī)的下行速度

由式(2)、式(7)、式(8)得：

Q主=Q單/λ

(9)

低壓成形時，液壓系統(tǒng)直接為主油缸供油，兩種液壓機(jī)需要的供油量關(guān)系如式(9)；高壓成形時，復(fù)合油缸液壓機(jī)主油缸的增壓油是由增壓缸提供的，增壓缸的體積流量是主油缸的λ倍，故復(fù)合油缸液壓機(jī)需要的供油量Q增為：

Q增=Q單

(10)

表明在低壓快速行程時，復(fù)合缸液壓機(jī)需要的供油量是單缸液壓機(jī)供油量的1/λ，可以大大減小油泵的功率。特別是對于大型液壓機(jī)，可以明顯減少油泵的數(shù)量。

以一種鎂合金汽車車輪擠壓成形用50000 kN液壓機(jī)為例，其主要參數(shù)見表1，由此可得采用普通油缸液壓機(jī)和復(fù)合液壓缸(增壓倍數(shù)λ=4)液壓機(jī)時的相關(guān)參數(shù)，見表2，需要說明的是：

(1) 增壓缸在空載和低壓下行時不工作，故無需參與計算；

(2) 油泵應(yīng)保證高壓低壓狀態(tài)均能正常工作，故其輸出功率應(yīng)按大值進(jìn)行選取。

表1 50000 kN液壓機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of 50000 kN hydraulic press

表2 液壓機(jī)油缸和油泵特征參數(shù)對比Tab.2 Comparison of characteristic parameters between oil cylinder and oil pump of hydraulic press

以上分析說明，與單缸液壓機(jī)相比，復(fù)合液壓缸的高度雖有少量增加，但直徑可以明顯減小。由此，在空載下行時，需要的供油量明顯減少，下行速度增加；慢速下行和低壓下行時，需要的供油量也大大減小，因而油泵和油路系統(tǒng)的負(fù)荷明顯降低；高壓成形時，兩種液壓機(jī)需要的供油量相同，此時液壓機(jī)處于低速下行狀態(tài)，所需供油量不會比低壓下行時增加。綜合起來，復(fù)合液壓缸的需油量明顯減小，可以減小油泵的功率，油路系統(tǒng)各元件的規(guī)格也可以減小。

4 可控式增壓復(fù)合油缸的用途

可控式增壓復(fù)合油缸液壓機(jī)具有快、慢速下行和高、低壓成形的特點，動作過程可按工藝要求隨時切換，可用于各類液壓機(jī)，尤其適合大開合模行程和高壓慢速小行程成形工藝。例如具有大變形量的大型制件的塑性成形，由小高度坯料擠壓變形成高度較大的制品，其高壓成形時壓下量較小，脫模時需要行程較大，其設(shè)備增壓缸的行程不必太大；如果需要先快速低壓后低速高壓或先鐓粗后擠壓成形工藝，可以采用低壓和高壓結(jié)合的方法；粉末冶金及液態(tài)模鍛時，開合模行程較大，而需要高壓保壓行程很小，也非常適合復(fù)合式油缸液壓機(jī)。對于高壓行程較大的成形工藝，同樣可以采用復(fù)合式油缸液壓機(jī)，只是其增壓缸的高度較高。

5 結(jié)論

本研究提供了一種可控式高增壓復(fù)合油缸結(jié)構(gòu)?？蓪崿F(xiàn)大的壓力輸出且便于高低壓轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)最優(yōu)工藝搭配。與單缸液壓機(jī)相比具有以下優(yōu)勢：

(1) 通過增壓缸提高主油缸的油壓，減小油缸直徑，可以有效縮小壓機(jī)橫梁尺寸，進(jìn)而減小液壓機(jī)整機(jī)尺寸，降低制造成本；

(2) 可以根據(jù)工藝需求隨時進(jìn)行高低壓轉(zhuǎn)換，具有較好的適用性和可操作性；

(3) 兼?zhèn)涞蛪焊咚俅笮谐獭⒌蛪褐兴僦行谐毯透邏郝傩⌒谐痰募訅汗δ?。低壓成形時，直接由主油缸提供壓力，需油量小，可以有效減小油泵負(fù)荷和液壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；同時還加快了壓機(jī)運動速度，對于大行程壓機(jī)具有更大技術(shù)優(yōu)勢。高壓成形時，行程速度低，采用增壓缸增壓，同樣不增加油泵負(fù)荷和液壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；

(4) 高壓輸出時，主油缸的高壓腔與液壓系統(tǒng)完全隔離，不會使液壓系統(tǒng)的壓力增加，安全性高，不易出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，工作壽命長；

(5) 該復(fù)合式油缸可以實現(xiàn)快速上下運動，適用于較大的開合模行程；在進(jìn)行成形工作時，具有較大的增壓作用和較慢的下行速度。這種工作特點符合塑性成形的工藝要求，有利于提高生產(chǎn)效率，節(jié)能降耗；

(6) 復(fù)合液壓缸的總體需油量明顯減小，可以減小油泵的功率，提高油泵的利用系數(shù)，油路系統(tǒng)各元件的規(guī)格也可以減小。