液压式伺服拉伸垫:基于Taguchi法的拉深成形工艺参数优化

　　原创谭伟峰，陈鹏锻造与冲压2024-01-23 11:15发表于北京

　　文章来源：《锻造与冲压》2023年第22期

　　谭伟峰，陈鹏·广汽本田汽车有限公司

　　伺服压力机自二十世纪问世以来，以其优秀的生产加工能力及控制柔性，迅速受到冲压生产厂商们的关注与青睐。在实践中，为安定化、高速化生产提供了更多保障。其中，伺服拉伸垫技术更是因其快速响应、高精度主动压力控制、低冲击低噪声、节能性好等特点，给传统压力机生产工艺带来了翻天覆地的变化。

　　随着伺服拉伸垫技术在冲压生产领域应用的落地开花，用户们从陌生到熟悉，也逐渐总结出了该技术使用中的各种特点。笔者将站在使用方的角度，分享不同类型伺服拉伸垫类型的使用特性，希望给使用或即将使用伺服压力机的同行们一点有益的参考，同时也希望设备厂家能够不断优化改善，给用户提供更多更好的使用体验。

　　传统压力机拉伸垫多采用气垫。生产时，气垫与滑块上模具接触后向下运动，在底部气缸的反作用力下形成对坯料边缘的夹持力，帮助零件拉深成形。尽管气垫仍在广泛应用，但随着生产制造要求的不断提高，其局限性也愈发凸显：

　　⑴工艺柔性、控制精度差。由于气垫是被动动作，藉由滑块下压发力，过程不可调，难以适应愈发复杂的冲压工艺需求。并且，夹持力靠气缸反作用力提供，随着气垫下行气缸容积不断缩小，尽管可通过控制气缸排气阀实时调整压力，但总体压力仍不稳，峰值后的压力波动超过±10%。

　　⑵模具设计要求高。气垫接触时强烈的冲击载荷会加速模具寿命缩减，一旦超过模具疲劳寿命或者单次冲压产生了超过模具材质能承受的最大载荷时，模具结构薄弱环节就有可能开裂、断裂，导致模具故障。对此，模具设计通常会增大设计冗余来应对冲击疲劳或者拆分模具功能增加模具及工序数量以降低设计载荷。

　　⑶生产噪声大。气垫接触冲击伴随巨大的噪声，即使采用了隔音措施，但实测噪声值仍难以降至85dB以下。巨大的噪声无疑是对产线工人健康的重要危害。

　　伺服拉伸垫的出现似乎成为了解决气垫短板的完美方案。伺服控制本身属于高精度控制技术，其位置精度可达微米级，运用在拉伸垫上可使与滑块的接触碰撞过程达到最佳同步状态，减缓接触冲击，同时，强大的控制柔性使其能够适应当前各种拉延工艺的需求。此外伺服拉伸垫一般还具有重复精度高、能源利用率高、生产环境噪声小等特点。

　　伺服拉伸垫的基本控制逻辑是在滑块从上死点下降至预定接触位置之前进行位置控制，此阶段伺服拉伸垫实时获取滑块的位置信息，当滑块运动至接触前某一设定高度时，类似于接力赛接棒前的起跑，伺服拉伸垫预先启动加速，降低与滑块的相对速度，进而减小接触冲击。随后滑块与伺服拉伸垫接触，位置控制切换为压力控制，在压力传感器的反馈下，伺服拉伸垫主动控制并动态调整对坯料的夹持力，维持设定夹持力或者按照夹持力设定插值动态调整直至成形完成，如图1所示。滑块回程阶段，为了便于自动化取件，伺服拉伸垫可切换回位置控制，一般可设置下死点闭锁、取件辅助提升、跟随滑块回程等模式直至返回生产等待位，准备下一循环的生产。

　　图1滑块运行模式

　　在实现伺服拉伸垫运动及压力控制的具体方式上，存在以下分支，且在业内都有着相当的使用实绩：

　　⑴液压式以液压油为动力介质，利用比例伺服阀或伺服电机精准控制油缸的动作及压力输出。

　　⑵机械式主要为丝杆或齿轮齿条形式。由电机直接驱动机械结构带动拉伸垫动作并进行压力输出。

　　⑶混合式将气压、液压、机械式混合使用，揉合了各形式的优势特点，但与此同时也会提高结构及控制上的复杂性。

　　液压式伺服拉伸垫的应用较为广泛，结构上由驱动系统(油箱、电机、油泵)、液压执行及控制系统(控制阀组、油缸)、反馈系统(压力反馈、位置反馈)组成。在具体形式上又分为比例伺服阀式及伺服电机式，如图2所示。前者代表厂商是力士乐，通过控制器实时调整比例伺服阀的供油进行夹持力及行程的控制。后者代表厂商是会田，通过伺服电机精准控制油缸的进出油量及夹持力。两类产品的相同之处在于最大吨位能力能达到较大水平、成形时压力波动较小，所以能够从容应对深拉深、复杂型面或者大型冲压零件的生产，但初始压力响应较慢，并且需要专门配制油液冷却系统。不过，两者之间也存在着显著差异，比例伺服阀式液压垫要占用庞大的地坑空间用以安置油箱(10000L)及冷却水系统，并且油液的使用量、清洁度、冷却均要求较高，导致使用成本高，同时该类液压垫不配置能源再生功能；相较而言，伺服电机式液压垫用油量、冷却需求量均较小，且结构紧凑，所以地坑使用空间小，并且具备能源再生功能，能够降低生产时的能源消耗，不过在最大压力能力下的拉深线速度相对较低。

　　图2液压式、伺服拉伸垫模型示意

　　液压式伺服拉伸垫因为其位置控制全部依靠液压油的进出调节，成形阶段完全以滑块作用于拉伸垫的压力进行油量的精准控制，而非以位置主导，因此，一旦发生模具载荷偏置或接触位置设置错误等情况，特别是拉伸垫发力位置高于滑块上模与下模压边圈接触位置时，由于滑块还未产生下压负荷，而油泵为保持设定的压力会自动供油提升油腔压力，此时就会导致拉伸垫在极短时间内异常顶起进而冲击模具的严重故障(图3)。后续优化中尽管将液压伺服拉伸垫的位置和速度作为了安全互锁进行监测，但若发生并检测出异常，油泵仍需要10～30ms作出急停反应(视CPU与伺服控制器的信号交换时间而定)。这段时间已经足够让拉伸垫瞬间在高压液压油的作用下向上窜起大于30mm的距离，且冲击力一般能达到设定夹持力的50%以上。出现这种异常时，即使拉伸垫有机械上限保护，但对于下模内腔顶杆避空空间不足的模具，同样可能造成致命的损伤。为了应对这个问题，厂家设置了冲床校正功能，让压力机在非生产模式下以极低速情况模拟下冲并与拉伸垫接触，通过传感反馈对比确认设置的接触点是最佳发力点，从而精准获取发力位置信息。

　　图3伺服垫异常顶起冲击模具示意

　　机械式伺服拉伸垫使用机械结构传递动力，同样主要由三部分组成：驱动部分(伺服电机、变速器结构)、机械执行部分、压力及行程反馈部分。常见的具体形式有丝杆式和齿轮齿条式，前者以小松为代表厂商，伺服电机经过同步带变速后将动力传递给丝杆带动拉伸垫运动，如图4(a)所示。后者以福井为代表厂商，伺服电机经减速箱变速后通过齿轮齿条结构带动拉伸垫运动[图4(b)]，同时结构配备平衡气缸用来平衡拉伸垫自重。相较于液压式伺服拉伸垫，机械式伺服拉伸垫往往具备以下特点：⑴不使用液压油作为动力介质，对环境友好；⑵结构组成简单、紧凑，便于进行维保及故障排查；⑶动力传递刚性强，响应快，但是夹持力峰值波动较大；⑷最大压力能力下的拉伸线速度较大；⑸均具备能源再生系统，能源节约性强。尽管看似优势尽显，但机械式伺服拉伸垫也有其制约因素，即拉伸垫最大能力普遍低于液压式，若生产工艺上长期为大吨位夹持力需求时，机械结构的疲劳寿命则会急剧缩短。而谈到对机械结构的疲劳寿命影响，预加速功能及拉伸垫能力曲线同样影响巨大。

　　图4机械式伺服拉伸垫模型示意

　　预加速功能(图5)能够显著减小模具的接触冲击及噪声，起到稳定生产品质、降低设备故障及噪声危害的作用。但是，预加速行程延长了拉伸垫建压的响应时间，如果预加速行程超过了模具应当的发力点位置，则在接触瞬间拉伸垫提供的夹持力是达不到成形要求的，此时就会发生坯料流料，造成零件起皱品质异常，特别是模具压边圈为方形筋条设计的，此情形下的长时间生产甚至会造成压边圈筋条磨损或崩裂。而如果设置预加速时将坯料等待位提高，虽然可以补偿预加速运动距离，但根据模具设计的不同，可能导致投料后坯料在模具型腔内呈现下凹状态，如此一来坯料边缘容易出现夹持不到位或折弯的问题，尽管部分厂商会针对性增加坯料尺寸以吸收边缘部分的流动，但这样会直接导致单件成本的上升。

　　图5预加速功能使用对比

　　通常，机械式伺服拉伸垫必须启用预加速功能，并且要达到对应生产状态下的最低预加速行程要求，其本质上是设备厂家对滑块与拉伸垫的瞬间接触相对速度要保持在一定的限度内控制，从而起到保护机械结构的效果。如果预加速不足，接触冲击会显著影响机械结构的寿命，如齿轮齿条式拉伸垫结构一般无法频繁承受来自滑块100吨以上的瞬间冲击，而丝杆结构瞬间承受较大冲击力时可能发生机构卡死的问题。

　　拉伸垫能力曲线(图6)则限制了拉伸垫行程及夹持力荷重条件对应的压机连续运转SPM值。一方面是出于对机械结构运行寿命保障的考虑，如大夹持力大拉伸行程时往往限制单机连续运转SPM值在较低的水平内。另一方面，更主要的是受到电机容量、循环运转间隔的限制。在能力曲线的限制下，一些大吨位深拉深零件，如汽车侧围，就要降速至10～14SPM生产。当然，压力机降速会直接导致整线生产节拍的下降，特别是断续生产线，考虑上死点的停止，整线节拍只能维持在6～8SPM，这对生产效率无疑是严重的影响。不过也有利用伺服压力机可变速的特点，通过调整不同阶段的滑块速度来提升整线节拍，但要实现成形开始前滑块速度从22SPM急减速至14SPM，对主电机的能力需求就呈几何级的上升，同时还要配备能力更大的冷却系统，这个方向的投入非常巨大，无异于提升压力机规格。不过，当机械式伺服垫配置在整线连续生产线上使用时，由于单机与整线节拍一致，即使如汽车侧围降速至10～14SPM也达到了行业中上等效率水平。

　　图6拉伸垫能力曲线示意

　　在尝试突破以上限制的努力中，厂家也开发出了混合式伺服拉伸垫，如IHI，它将气压、液压、机械揉合在一起，由油缸和气缸共同提供夹持力(以IHI为例，气缸最多提供40%，油缸最大提供60%)。通过帕斯卡原理，油缸变径后下端与丝杆和伺服电机连接，不仅实现了伺服电机容量的小型化，并且能够降低冲击，保护丝杆和伺服电机。气缸下端连接着气罐，便于气压的调整与稳定。拉深过程时，模垫下行，分散至油缸的部分能量经由丝杆、伺服电机再生为电能，气缸部分的能量存储在气罐的高压气体中。回程阶段，气罐释放能量，由气缸带动模垫上行，此时油缸上腔液压油返回油缸下腔，再次经由丝杆反向带动伺服电机再生电能。可以看到，在混合式伺服拉伸垫中对能源再生技术的运用十分广泛，减小了整个系统的最大功率。不过，同其他使用能源再生的伺服拉伸垫一样，再生电能在实际生产中并不明显，毕竟这个过程非常短，更多仅是用于伺服压力机主电机的启动补偿。

　　尽管揉合了各类型伺服垫实现了液压、机械、电控系统的小型化(图7)，并且在能源消耗上也有所降低，但也带来了系统复杂、故障排查难、维护成本高的问题，同时由于使用了大型气罐，在地坑空间占用上也不很理想，就实际而言，这类型伺服拉伸垫如果可以使体积小型化，也将是一款非常不错的产品。

　　图7混合式伺服拉伸垫模型示意

　　对于上述提及的各类伺服拉伸垫，相比传统的气垫，优点都是非常明显的，虽然存在性能间的差异，但只要在导入时着眼于生产模具的结构设计和生产零件的工艺需求就可以准确选择合适的拉伸垫类型。举例，如果模具结构简单，基本以拉深为主，且没有如平衡氮气缸和并列模具等特殊的设计和布局，机械式伺服拉伸垫即可满足需求；如果拉深模具存在较多补偿装置或有并模生产需求，且浅拉深成形要求较高，则液压式能更好的适应生产。从整线构造考虑，如果是连续式生产线，则机械式伺服拉伸垫在成本与稳定性上更佳。

　　综上所述，在选择不同伺服拉伸垫时，必须立足于自身生产规划和整线实际情况，并充分了解伺服拉伸垫间的性能差异，才能选择一款适合生产工艺的好产品。