一种胀形压力脉动加载的中小型内高压成形机的制作方法

本发明涉及一种内高压成形机，特别是一种胀形压力脉动加载的中小型内高压成形机。

背景技术：

内高压成形技术是用于生产复杂截面薄壁金属构件的一种先进的、特殊的、精密(半精密)的净成形技术，是一种实现零部件结构整体化和轻量化的先进等材制造技术，具有成本低、工序少、质量轻、强度高等特点，被广泛应用于航空、汽车、家电等领域。如航空发动机多通油管，汽车的排气管、副车架、底盘等，空调内的多支铜管，均以内高压成形方法逐渐替代传统方法成形。该项技术的基本工艺流程为:首先对胚料进行预处理，然后将管坯置于下模内正确位置，上模闭合锁模；轴向进给缸驱动冲头密封管坯的端部，同时冲头充液孔中排出的液体成形介质排尽管内空气；随后两端的冲头同时进给补料，同时内压力增大；在压力和轴向推力的联合作用下，管坯贴紧模具内腔而成形为所需复杂形状的构件；成形完成后冲头退回泄压，上模开模，取出工件。

加载路径通常指成形过程中轴向进给量与胀形压力的匹配关系。加载路径对内高压成形产品质量有重要影响，合理的加载路径能显著地提高材料的成形性能，避免或减少产品屈曲、破裂、起皱等。现有的内高压成形机胀形压力加载方式多为线性加载。2001年日本学者T Rikimaru研究发现，若使管材内部的成形压力按一定的脉动方式循环变化，则可用较小压力得到足够的胀形量，并使变形更加均匀，可以延缓破裂的产生。该新技术简称为管材脉动液压成形技术，国内也称作波动加载内高压成形技术。该技术一经发现，立即引起了国内外众多学者的研究兴趣。国外日本丰桥技术科学大学Mori教授、早稻田大学的Hama教授，国内桂林电子科技大学的杨连发教授、中国科学院沈阳金属研究所的张士宏研究员等开展了相关研究。日本Mori教授的研究发现脉动加载方式下，管材在成形过程中会产生微小皱纹，且皱纹具有反复产生、胀平的特点，使得管材变形区壁厚变化更均匀，可有效的预防产品破裂的产生，因此提高管材成形性能。桂林电子科技大学杨连发教授对脉动液压加载下不锈钢管的塑性成形过程进行研究，结果显示：当时间一定时，随着压力脉动频率的增加，管材的壁厚分布越均匀，模具的填充性越好。

以上学者所使用的研究设备，几乎都是在传统内高压成形机上加装脉动液压产生装置，或者自制简易的脉动液压成形试验装置。目前，国内外鲜有胀形压力脉动加载的内高压成形机。中国专利CN102182728 A公开了一种脉动压力的产生方法，该方法是在密闭的液体容腔中，通过设置一个活塞作直线运动线性加压、另一个活塞作往复运动产生脉动压力的方式获得预设的脉动压力。该方法简单易行，所需的设备成本较低，但该方法没有详细公开是如何控制两个活塞按预定的规律运动的，且该方法仅适用于中低压力的试验研究，不适于较高胀形压力、较高自动化程度的内高压成形机。中国专利CN102451868A公开了一种波动型内压控制加载方式的液压成形方法，该方法依靠波动型油源控制内压,成形出符合要求的产品，工艺范围包括管材液压成形、壳体液压成形、板材液压成形，油源控制加载方式为正弦波、矩形波、三角波或复合波形。但该专利仅仅提出了波动型内压加载方式，没有涉及到具体的压力脉动加载内高压成形设备，也未公开如何具体实现脉动压力的产生机理与控制方式。中国专利CN202123142U公开了一种波动加载管材液压成形超高压系统,该系统可以实现成形压力波动加载，并且密封效果好、成形效率高。该专利是通过PID控制器控制先导式比例电磁溢流阀的溢流压力，并通过压力传感器闭环反馈控制实现压力脉动，压力线性加载与脉动加载同时实现。但此系统增压缸低压油输入端压力不断波动，造成系统压力的不稳定；普通的先导式比例电磁溢流阀动态性能难以达到高频脉动要求，同时长时间的溢流导致能量利用效率较低。同时，该专利仅仅公开脉动加载液压系统，对整机设备也未明确说明。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决现有的内高压成形机只能实现胀形压力线性加载，不能实现脉动方式加载的问题，进而提出一种以电液伺服阀控制增压缸常规线性加载、以伺服电机驱动液压缸活塞往复运动产生脉动压力的组合式加载中小型内高压成形机。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的一种胀形压力脉动加载的中小型内高压成形机，包括：上横梁、导柱、快速缸、主缸、活动横梁、上模、轴向进给缸和与之数量一致的冲头、工作台、机架、下模、下缸、电气控制柜、PLC、伺服驱动器、多个按钮开关、控制面板、触摸屏、低压充液系统、主机液压系统、系统油管、增压缸、压力变送器、脉动液压产生装置、高压水管和压力变送器；

所述脉动液压产生装置包括：伺服电机、丝杠、滚珠、螺母、沉头螺钉、连接法兰、脉动缸活塞杆、脉动缸缸体、进液口高压单向阀、压力变送器、截止阀和出液口高压单向阀。伺服电机与丝杠固定连接；丝杠、多颗滚珠、螺母共同构成滚珠丝杠传动副；螺母底座圆周均匀分布多个通孔，连接法兰圆周对应位置也分布相同数量的通孔，通过对应数量的沉头螺钉将二者连接；脉动缸活塞杆上端部与连接法兰固定连接，下端与缸体形成可变容腔；缸体两侧分别连接高压单向阀，控制高压液体单向流动；脉动液压缸出液口通过截止阀与压力变送器连接；

所述主机液压系统包括：主机油箱、主电机、远程调压阀、恒压变量泵、系统溢流阀、至少一个蓄能器、电液伺服阀、二位四通电磁换向阀和压力表，主机油箱装有液压油，主电机通过联轴器与恒压变量泵连接；恒压变量泵的进油口与油箱连接，出油口至系统四通接头一个接口；四通接头另外三个接口分别于蓄能器、电液伺服阀的进油口P、主机其他油路连接；电液伺服阀的A、B油口分别对应与电磁换向阀的P、T油口连接；电磁换向阀的A、B油口分别对应与增压缸的中部油口、端部油口连接；

所述低压充液系统包括：高压单向阀、溢流阀、充液电机、充液泵、过滤器和水箱，水箱中装有成形液体介质；低压大流量充液泵进液口安装过滤器，出液口向增压缸快速充液；溢流阀作充液系统安全阀，高压单向阀防止增压缸中的高压液体反向流入低压充液泵。

所述圆柱形导柱为4个，分别穿过活动横梁对应四个孔，上端与上横梁固定连接、下端与工作台固定连接；主缸为大直径柱塞缸，两个快速缸对称分布在主缸左右两侧；主缸、两个快速缸的缸体固定连接在上横梁下端面，主缸柱塞杆、快速缸活塞杆末端固定连接在活动横梁上端面；上模上端面固定连接在活动横梁下端面中部，下模固定在工作台上端面与上模对应位置；轴向进给缸为两个或三个，分别固定在工作台左、右、后侧，第三个固定于后侧，冲头水平连接在其活塞杆端面上；工作台固定于机架上，下缸设置在机架内；

所述控制面板固定连接在上横梁上，触摸屏与按钮开关均安装于其内；电气控制柜固定连接在机架右侧，PLC(含AD/DA模块)与伺服驱动器均安装于其内部；

所述增压缸固定连接在机架右侧，其低压腔两油口、通过系统油管与主机液压系统连接，其高压腔进液口通过高压水管与低压充液系统连接，其出液口通过高压水管与脉动液压产生装置连接；压力变送器插装在增压缸出液口处；脉动液压产生装置的出液口与冲头中的通液孔通过高压水管连接；

所述按钮开关、触摸屏、低压充液系统、主机液压系统、脉动液压产生装置与压力变送器分别通过电缆与PLC的输入或输出接口连接；伺服驱动器的输入端通过电缆与PLC输出接口连接，其输出端与脉动液压产生装置中的伺服电机连接；

所述触摸屏可手动输入内高压成形压力加载程序，压力线性加载部分与脉动部分独立输入参数；程序参数通过PLC处理，分别控制各系统与部件动作；电信号输入电液伺服阀，通过控制伺服阀的流量来控制增压缸的进给；低压充液系统补充的液体成形介质经过增压缸加压流入脉动液压产生装置，经脉动液压产生装置中的活塞杆循环往复运动加压形成压力脉动，最终流入管材。增压缸出口端插装压力变送器检测压力，并将压力转换为电信号反馈输入PLC中，通过PLC中的PID控制器形成压力的半闭环调节。

本发明的有益效果是：

1、本发明涉及的中小型内高压成形机可以实现成形过程中的胀形压力常规线性加载、正弦波脉动加载、三角波脉动加载、矩形波脉动加载以及以上四种加载方式分时段组合式加载，扩大了设备的成形工艺适用范围，提高了产品的成形质量。

2、本发明涉及的中小型内高压成形机脉动压力的频率和振幅在较大范围内连续可调，并且两参数相互独立调整。

3本发明所设置的压力脉动装置采用独立的电气控制，不依赖主系统压力的波动或者增压缸的小幅颤振形成压力脉动，提高了系统稳定性。

4、本发明使用PLC、伺服驱动器控制伺服电机形成压力脉动，结构简单，成本相对较低，使用与维护较为方便。

4、本发明涉及的内高压成形机主机液压系统使用恒压变量泵和蓄能器组合作为动力源，保证了主机液压系统压力的稳定，减小了电机装机功率，提高了能量利用效率。

附图说明

图1为本发明的主机结构示意图；

图2为本发明主机合模状态示意图；

图3为本发明的液压系统原理图；

图4为本发明的胀形压力控制流程图；

图5为本发明的增压缸内部结构示意图；

图6为本发明的脉动液压产生装置内部结构示意图；

图7为本发明的胀形压力正弦脉动加载与常规线性加载对比曲线图；

图8为本发明的成形压力矩形脉动加载与常规线性加载对比曲线图；

图9为本发明的成形压力三角脉动加载与常规线性加载对比曲线图；

图中：1.上横梁；2.导柱；3.快速缸；4.主缸；5.活动横梁；6.上模；7.冲头；8.轴向进给缸；9.工作台；10.机架；11.下模；12.下缸；13.电气控制柜；14.PLC(含AD/DA模块)；15.伺服驱动器；16.按钮开关；17.控制面板；18.触摸屏；19.低压充液系统；20.主机液压系统；21.系统油管；22.增压缸；23.脉动液压产生装置；24.高压水管；25.压力变送器；26.管材；27.主机油箱；28.主电机；29.远程调压阀；30.恒压变量泵；31.溢流阀；32.蓄能器；33.电液伺服阀；34.二位四通电磁换向阀；35.压力表；36.高压单向阀；37.溢流阀；38.充液电机；39.低压泵；40.过滤器；41.水箱；42.出液口；43.进液口；44.高压腔；45.中部油口；46.活塞杆；47.缸体；48.端部油口；49.伺服电机；50.丝杆；51.滚珠；52.螺母；53.沉头螺钉；54.连接法兰；55.脉动缸活塞杆；56.脉动缸缸体；57.进液口高压单向阀；58.压力变送器；59.截止阀；60.出液口高压单向阀。

其中：部件27-35组成图1中的主机液压系统20，部件36-41组成图1中的低压充液系统19，图3中，除与溢流阀37连接的图标为水箱外，其他未标注油箱图标均为主机油箱27。

具体实施方式：

以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，如轴向进给缸增多为3个或以上，改变主缸合模方式、改变增压缸、脉动液压缸的数量与尺寸，伺服电机的规格等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1：

本实施例为胀形压力常规线性加载内高压成形，结合图1-6说明本实施方式。

本发明的一种胀形压力脉动加载的中小型内高压成形机，包括：上横梁1、四个导柱2、两个快速缸3、主缸4、活动横梁5、上模6、两个(或三个)轴向进给缸8和与之数量一致的冲头7、工作台9、机架10、下模11、下缸12、电气控制柜13、PLC(含AD/DA模块)14、伺服驱动器15、多个按钮开关16、控制面板17、触摸屏18、低压充液系统19、主机液压系统20、系统油管21、增压缸22、脉动液压产生装置23、高压水管24、压力变送器25。

所述脉动液压产生装置23包括：伺服电机49、丝杠50、多颗滚珠51、螺母52、多个沉头螺钉53、连接法兰54、脉动缸活塞杆55、脉动缸缸体56、进液口高压单向阀57、压力变送器58、截止阀59、出液口高压单向阀60。所述伺服电机49与丝杠50固定连接；丝杠50、多颗滚珠51、螺母52组成滚珠丝杠传动副；螺母52底座圆周均匀分布多个通孔，连接法兰圆周对应位置也分布相同数量的通孔，通过对应数量的沉头螺钉53将二者连接；脉动缸活塞杆55上端部与连接法兰54固定连接，下端与缸体56形成可变容腔；缸体56两侧分别连接高压单向阀57与60，控制高压液体单向流动；脉动液压缸出液口连接截止阀59，截止阀59上连接压力变送器58。

所述主机液压系统20包括：主机油箱27、主电机28、远程调压阀29、恒压变量泵30、系统溢流阀31、至少一个蓄能器32、电液伺服阀33、二位四通电磁换向阀34、压力表35。主机油箱27装有液压油，主电机28通过联轴器与恒压变量泵30连接；恒压变量泵30的进油口接油箱27，出油口至系统四通管接头一个接口；四通管接头另外三个接口分别与蓄能器32、电液伺服阀33的进油口P、主机其他油路连接；电液伺服阀33的A、B油口分别对应与电磁换向阀34的P、T油口连接；电磁换向阀34的A、B油口分别对应与增压缸22的中部油口45、端部油口48连接。

所述低压充液系统19包括：高压单向阀36、溢流阀37、充液电机38、充液泵39、过滤器40、水箱41。水箱41中装有成形液体介质；低压大流量充液泵39进液口安装过滤器40，出液口向增压缸22快速充液；溢流阀37作充液系统安全阀，高压单向阀36防止增压缸22中的高压液体反向流入低压充液泵39。

所述四个圆柱形导柱2穿过活动横梁5对应四个孔，上端与上横梁1固定连接、下端与工作台9固定连接；所述主缸4为大直径柱塞缸，两个快速缸3对称分布在主缸4左右两侧；主缸4、两个快速缸3的缸体固定连接在上横梁1下端面，主缸柱塞与快速缸活塞杆末端固定连接在活动横梁5上端面；所述上模6上端面固定连接在活动横梁5下端面中部，下模11固定在工作台9上端面与上模6对应位置；所述两个或三个轴向进给缸8固定在工作台9左、右、后侧(第三个固定于后侧)，冲头7水平连接在其活塞杆端面上；所述工作台9固定于机架10上，下缸12设置在机架10内；

所述控制面板17固定连接在上横梁1右侧，触摸屏18与按钮开关16均安装于其内；电气控制柜13固定连接在机架10右侧，PLC(含AD/DA模块)14与伺服驱动器15均安装于其内部；增压缸22固定连接在机架右侧，其低压腔两油口45、48通过系统油管21与主机液压系统20连接，其高压腔进液口43通过高压水管24与低压充液系统连接，其出液口42通过高压水管与脉动液压产生装置23连接；压力变送器25插装在增压缸出液口42处；脉动液压产生装置23的出液口与冲头7中的通液孔通过高压水管24连接；

所述按钮开关16、触摸屏18、低压充液系统19、主机液压系统20、脉动液压产生装置23与压力变送器25分别通过电缆与PLC14的输入或输出接口连接；伺服驱动器15的输入端通过电缆与PLC输出接口连接，其输出端与脉动液压产生装置中的伺服电机49连接；

所述触摸屏18可手动输入内高压成形压力加载程序，压力常规线性加载部分与脉动加载部分独立输入参数，本实施例中无脉动加载参数；程序参数通过PLC14处理，分别控制各系统与部件动作；电信号输入电液伺服阀33，通过控制伺服阀的流量来控制增压缸22的进给；低压充液系统19补充的液体成形介质经过增压缸22加压流入脉动液压产生装置23；脉动液压产生装置23中的活塞杆锁紧不动，高压成形介质最终流入管材26。增压缸22出口端插装压力变送器25检测压力，并将压力转换为电信号反馈输入PLC14中，通过PLC中的PID控制器形成压力的半闭环控制。

本实施例中，内压力随加载时间变化的一次函数为：

P₀(t)＝10t (0≤t<5)；

P₀(t)＝25t-75 (5≤t<15)；

P₀(t)＝300 (15≤t≤20)。

加工前，在触摸屏18中输入成形工艺程序如下表所示：

上表中，时间点为内压力线性加载的起始点或转折点；压力为该时刻的胀形压力；脉动方式为：0无脉动、1正弦波脉动、2矩形波脉动、3三角波脉动；振幅h为对应时刻脉动缸活塞杆46往返运动的振幅，频率为活塞杆46往复运动频率。

随后，将预处理的管材26置于下模11正确位置，按下控制面板17中的相应按钮开关16启动半自动成形，主缸4驱动活动横梁5先快速下行，至上模6接近下模11时转为慢速合模；轴向进给缸8快速轴向定位，与此同时充液系统电机38启动，泵39排出低压成形液体依次经过增压缸22与脉动液压产生装置23后，进入冲头7中的通液孔；轴向进给缸定位到预定位置后密封管材26各端部，并排尽其内部的空气；随后轴向进给缸8转为慢速进给，并按照设定程序进给；进给初始时刻，增压缸22的高压腔44处于最大体积状态并且充满低压液体；主电机28驱动恒压变量泵30为液压系统提供动力，PLC14根据设定程序控制电液伺服阀33的阀芯移动，同时换向阀34阀芯处于右位接通，液压油从油口38进入增压缸22低压腔，推动活塞杆46向高压腔44侧移动；高压腔44中的成形液体增压后依次流过脉动液压产生装置23中的单向阀57、60，此时伺服电机49处于停机状态，不产生脉动压力；高压液体最终通过冲头7中的充液孔进入管材26内部，在轴向进给的配合下使管材26贴紧模具上模6与下模11内壁，成形出所需形状产品。

此成形过程中，可通过调节远程调压阀29的压力来控制恒压变量泵30的输出压力；溢流阀31控制主机液压系统最高压力，起到限压安全作用；蓄能器32在主机工作间隙吸收液压油，在成形压力上升较快时向电液伺服阀33快速补大流量液压油，减小电机28的装机额定功率；压力表35可实时显示增压缸22低压腔的压力，便于设备操作者实时观测监控成形过程；压力变送器25实时采集增压缸22高压腔出液口42的压力，并转换为电信号反馈至PLC14中，形成压力闭环反馈控制，实时控制电液伺服阀33的阀芯移动；同时触摸屏18上实时显示胀形压力的变化；高压单向阀36防止高压成形液体反向回流至低压充液泵39。

内高压成形程序执行完成后，轴向进给缸8快速退回初始位置，管材26泄压，快速缸3驱动活动横梁5快速上行开模，最后取出成形的管材26，准备进行下一个工件成形。

实施例2：

本实施例为胀形压力正弦脉动加载内高压成形，结合图1-7说明本实施方式。

本实施例中，内压力加载曲线函数为：

P₁(t)＝P₀(t)+ΔP·sin(2πω·t)。

式中，P₀(t)为实施例1中的常规线性加载曲线，ΔP为脉动波振幅，本实施例取5MPa；ω为脉动频率，本实施例中取1Hz。

与实施例2相比不同的是，脉动加载方式选择1，振幅h需要在零件成形前手动测定。因系统只反馈控制常规线性加载的压力，脉动压力部分开环控制，输入程序为脉动缸活塞杆振幅h，而非脉动压力振幅ΔP。已知成形介质流体力学属性，脉动缸、高压水管、管材尺寸等，可通过理论推导计算出振幅ΔP对应的活塞杆振幅h，但由于假设过多，系统存在泄露等不可控因素，导致存在较大误差。因此通过在设备上手动测定脉动缸活塞杆振幅较为准确。

本发明为中小型的内高压成形机，在压力脉动振幅ΔP不变、压力控制精度要求不高的情况下，可设定恒定的振幅h值。若成形后发现压力振幅ΔP衰减幅度超出要求的压力控制精度，则可以通过对比触摸屏18上记录的实时压力值，对脉动缸活塞杆振幅h进行补偿，各时段起始点设定不同的振幅，系统根据起始时刻的h值，按照线性插值法自动确定每一个脉动周期的活塞杆振幅。

手动测定脉动缸活塞杆46振幅的方法是：在触摸屏18中设定设备为手动运行状态；按下相应按钮开关16手动控制主缸4合模、冲头7快速定位；在触摸屏18上手动控制增压缸22点动增压，在保证管材不发生破裂失效情况下(管材破裂时压力有突变)，将理论计算得出的h值为基准输入触摸屏，然后手动控制脉动液压产生装置23运行，压力变送器25实时采集单向阀60出口压力并显示在触摸屏18上。观察实际压力脉动值并与理论值对比，多次反馈修正，最终确定h的合理值。

本实施例成形过程与实施例1相比另一处不同的是，在半自动成形过程中，脉动液压产生装置23处于运行状态，初始时刻脉动缸活塞杆55处于平衡点，高压液体从增压缸22进入后变为正弦脉动压力。正弦脉动压力产生的机理是：PLC14输出控制电信号，经过伺服驱动器15放大后驱动伺服电机49转动，其转动角速度为正弦规律变化，最大值根据脉动频率ω和活塞杆振幅h由系统自动计算获得。伺服电机49驱动滚珠丝杆螺母副将旋转运动转化为直线运动，螺母52驱动活塞杆46作上下往复正弦运动，使无杆腔压力脉动变化；单向阀57、60防止高压液体在脉动时反向流动，减小干扰；截止阀59在脉动加载成形时开启，在非脉动加载成形时关闭，提高压力变送器58的使用寿命。

实施例3

本实施例为胀形压力矩形脉动加载内高压成形，结合图1-9、图8说明本实施方式。

本实施例中内压力加载曲线函数为：

式中，P₀(t)为实施例1中的常规线性加载曲线，ΔP为脉动波振幅，本实施例取5MPa；ω为脉动频率，本实施例中取1Hz。

与实施例2相比不同的是，在每个脉动周期内，伺服电机49均以最大转速驱动活塞杆46运动。活塞杆46从平衡点处快速移动至最大振幅h处，暂停一段时间后下行至平衡点下h处，暂停相同时快速返回平衡点。

实施例4

本实施例为胀形压力三角脉动加载内高压成形，结合图1-6、图9说明本实施方式。

本实施例中的三角波，振幅ΔP＝5MPa，周期ω＝1Hz。与具体实施方式二相比不同的是，在每个脉动周期内，伺服电机46驱动活塞杆47从平衡点开始匀速上下移动。

实施例5

本实施例为多种加载方式分时段组合式加载，结合图1-9说明本实施方式。

输入程序如下表所示：

脉动液压产生装置在0-5s内输出正弦波脉动压力，5-15s内输出矩形波脉动压力，15-20s输出三角波脉动压力，实现多种加载方式分时段组合式加载。振幅h由5mm微调至5.3mm，对压力脉动的衰减进行适当补偿。