沈 扬，于海飞，张冠军，石 磊，李 阳，杜若愚

（江苏亚威机床股份有限公司，江苏 扬州 225200）

目前，我国汽车生产厂家使用的数控液压垫全部依赖进口，导致设备价格大幅攀升，汽车制造成本随之增加。需要开发具有我国自主产权的数控液压垫技术，尽快装备于汽车工业，并参与到国际市场的竞争中去，才能进一步带动工业技术的创新。

全球范围内的伺服液压垫有两种形式：（1）全液压式：以博世力士乐设计的液压垫为代表，功能由液压系统来实现；（2）液压、气压式：以日本川崎重工设计的液压垫为代表，功能由液压和气压共同作用实现。

液压式方案和液压、气压式方案的原理基本一致的，都是通过液压缸内的油液回油经过伺服阀，通过控制伺服阀开口量大小达到最终控制压边力。从控制精度方面，液压式方案和液压、气压式方案都通过伺服阀来控制压边力，采用闭环伺服控制方式，两者都能保证高精度。

液压、气压式数控液压垫的优势为：

（1）降低系统功耗，液压垫的非工作过程是通过气压实现的（液压只提供补油），所以相对于液压式方案来讲，可以大量降低功耗；

（2）相对于博世力士乐液压垫，日本川崎重工方案中对于液压油过滤系统的设计更为简单。

（3）提供的压边力范围较大。由于采用了气、液共同作用，很大程度提高了液压垫的工作能力。

因此，本文的研究对象为液气式数控拉伸垫。

1 液气式数控拉伸垫液压系统运动过程分析（图1）

1.1 预加速运动

作用：预加速运动是当模具上腔向下运动时，为了减少与工件瞬间接触时的冲击力，从而用与滑块速度成比例的速度来控制液压垫的位置下降。即：

式中：Vdx——预加速速度，mm/s；

Vx——滑块速度，mm/s。

图1 液压系统运动过程

原理：当控制器检测到曲柄滑块机构运动到红框处起始位置时，预加速泵提供的液压油通过锁紧伺服阀和预加速伺服阀向锁紧液压缸供油，控制泵产生高压液压油通过换向阀和单向阀作用于插装阀底部使插装阀不通液压油，液压油只能进入锁紧液压缸上腔，液压力作用于锁紧液压缸上腔，锁紧液压缸向下运动，锁紧液压缸下腔由插装阀组成逻辑阀（压力大小约为0.4MPa）起背压作用，液压油通过插装阀回油。增压泵提供的液压油通过4个压边液压缸，经过伺服阀回油。预加速运动中，液压垫快速下降导致锁紧液压缸运动瞬时需要大量液压油，为减小液压系统功率，采用蓄能器作为辅助动力源，两个伺服阀并联供油，保障液压油及时供应，也可以根据实际情况决定两个伺服阀的是否开启和开启量大小。

预加速运动的作用是缓冲工件冲击，同时也提高加工效率。在实际加工过程中，可以根据实际需要决定是否采用预加速运动。

1.2 压边力控制

作用：工件成形是靠滑块和液压垫接触产生的挤压力作用。压边液压缸在拉伸工件过程中，可以根据板料成形工艺需求，在不同拉伸行程提供不同压边力，行程由位移传感器测量，由计算机控制伺服阀从而调节压边力大小，达到复杂和深拉伸等高质量零件的要求。4个压边液压缸可以单独进行控制，并且每个压边液压缸可以根据需要实时改变压边力。压边力控制是板料成形的关键技术。

原理：循环冷却泵向4个压边液压缸供油，为了保证液压油流向，在压边液压缸进油口处安装单向阀，液压油回油通过伺服阀节流形成压力。通过检测压边液压缸内压力与设定压力的差值来决定伺服阀开口量，形成闭环压力控制系统。为保障液压系统安全，可控制与伺服阀并联的溢流阀使系统卸荷。为控制液压油流向和满足系统大流量要求，用插装阀起单向阀的作用。

1.3 锁紧控制

作用：滑块与液压垫分离时，为了工件与滑块分离，液压垫在一定时间内保持原位置不动。

原理：控制泵控制插装阀不通油，当控制器检测到液压垫位置变化时，预加速泵提供的液压油通过锁紧伺服阀进入锁紧液压缸。循环冷却泵提供的液压油进入4个压边液压缸，通过压边伺服阀回油。

1.4 辅助提升

作用：避免在工件压制成形后，由于迅速提升对工件成形质量的影响。

原理：控制泵控制插装阀不通油，预加速泵提供液压油，液压油经过锁紧伺服阀向锁紧液压缸供油，此时预加速伺服阀关闭。循环冷却泵向4个压边液压缸提供液压油。

1.5 锁紧释放

作用：液压垫提升到初始位置，完成一个工作周期。

原理：预加速伺服阀和锁紧伺服阀关闭，控制泵通过换向阀来控制锁紧液压缸上下两腔相通，锁紧液压缸形成差动液压缸。循环冷却泵提供的液压油快速向锁紧液压缸和4个压边液压缸供油，液压垫将迅速提升。

图2 川崎重工油箱设计

2 液压系统静态计算

2.1 液压缸的计算

式中：F——压边液压缸承受力；

P——压边液压缸内的压强；

A——压边液压缸承受油压面积；

D——为压边液压缸直径；

ηm——机械效率，取0.92。

2.2 液压缸所需流量计算

液压垫上升速度v达到最大值，液压油要补充到4个压力液压缸和锁紧液压缸内。

系统流量

式中：S——液压缸面积；

V——液压缸运动最大速度。

式中：S1——4个压力液压缸面积；

S2——锁紧液压缸面积，在上升过程中锁紧液压缸形成差动液压缸。

液压垫下降时，下降速度为V2，液压油流入锁紧液压缸。

系统流量

2.3 泵选型时的计算

2.3.1 预加速泵

锁紧液压缸预加速运动时，预加速泵给锁紧液压缸供油。

液压系统设计要求：SP，VP。

预加速运动时间

式中：Sp——预加速行程；

VP——预加速速度。

预加速泵提供流量

2.3.2 控制泵

控制泵主要起控制液压系统的作用，分别为控制4个压力液压缸的伺服阀提供液动力，为预加速伺服阀和锁紧伺服阀提供液动力，控制插装阀动作。频率即行程次数n，取调速范围最大值，所有受控对象动作一次所需液压油估算为1L，动作次数平均估算为2次。可知所需液压油约为2nL/min。

2.3.3 循环冷却泵

液压垫上升时，循环冷却泵提供液压油给4个压力控制液压缸和锁紧液压缸，液压油部分供给控制泵。

液压垫上升时间

式中：Sc——液压垫的有效行程；

Vc——液压垫上升最大速度。

循环冷却泵流量

2.4 液压系统的热量计算

在液压垫液压系统中，液压油具有传递动力、润滑、冷却等多种功能。即使是设计良好的液压系统在理想工作状态下，也有比例较大的输入功率转化为热量。液压垫工作时间长，流量大，通过4个伺服阀进行压边力控制，节流损失大。液压垫液压系统热量来源：

2.4.1 液压泵的热量

液压泵提供的能量除了少部分转化为液压垫动能外，绝大部分都转化为热能。液压垫最大上升速度为V，液压垫运动部件质量为m，液压垫的动能，在一个周期内液压垫的势能不变。由于液压垫的动能相对于泵提供的能量非常小，可以忽略，即认为泵提供的能量最终都转化为热量。

液压泵由预加速泵、循环冷却泵、控制泵组成。泵转化的热量Q1为各自的动力和。

2.4.2 伺服阀节流发热量

压制工件过程中，滑块机构通过工件对液压垫做的功以伺服阀的节流形式转化为热量。

式中：n1——变速压力机的计算行程次数；

L——压边液压缸行程。

2.4.3 气压做功发热量

气压对液压垫做的功也转化为热量。液压垫液压系统热量来源由泵转换的热量、4个伺服阀节流产生的热量和锁紧缸上下运动时气压做功转化的热量。

变化体积

式中：L1——锁紧液压缸行程；

D2——锁紧液压缸大径；

d1——锁紧液压缸下腔小径；

d2——锁紧液压缸上腔小径。

①液压缸下降时锁紧液压缸下侧容量V1，液压缸下降时液压缸内压差

②锁紧释放上升，锁紧液压缸上侧容量V2，液压缸上升最大速度时的锁紧缸体的压损Δpb时，Q3b=V2·n1·Δpb/60 （19）

由①、②发热量

总发热量：

据此选择冷却器型号。

3 结束语

本文首先根据液压垫液压系统的控制曲线，分别对各动作的运动目的和原理进行了分析。然后依据液压垫液压系统设计要求，介绍了液压垫液压系统静态计算。在液压垫液压系统设计中为确保液压油温度正常，最后对液压系统产生的热量进行计算并专门用冷却器进行冷却。希望能够对气液式数控液压垫的具体设计提供一定的借鉴帮助。