液壓式伺服拉伸墊:基于Taguchi法的拉深成形工藝參數優化

　　原創譚偉峰，陳鵬鍛造與沖壓2024-01-23 11:15發表于北京

　　文章來源：《鍛造與沖壓》2023年第22期

　　譚偉峰，陳鵬·廣汽本田汽車有限公司

　　伺服壓力機自二十世紀問世以來，以其優秀的生產加工能力及控制柔性，迅速受到沖壓生產廠商們的關注與青睞。在實踐中，為安定化、高速化生產提供了更多保障。其中，伺服拉伸墊技術更是因其快速響應、高精度主動壓力控制、低沖擊低噪聲、節能性好等特點，給傳統壓力機生產工藝帶來了翻天覆地的變化。

　　隨著伺服拉伸墊技術在沖壓生產領域應用的落地開花，用戶們從陌生到熟悉，也逐漸總結出了該技術使用中的各種特點。筆者將站在使用方的角度，分享不同類型伺服拉伸墊類型的使用特性，希望給使用或即將使用伺服壓力機的同行們一點有益的參考，同時也希望設備廠家能夠不斷優化改善，給用戶提供更多更好的使用體驗。

　　傳統壓力機拉伸墊多采用氣墊。生產時，氣墊與滑塊上模具接觸后向下運動，在底部氣缸的反作用力下形成對坯料邊緣的夾持力，幫助零件拉深成形。盡管氣墊仍在廣泛應用，但隨著生產制造要求的不斷提高，其局限性也愈發凸顯：

　　⑴工藝柔性、控制精度差。由于氣墊是被動動作，藉由滑塊下壓發力，過程不可調，難以適應愈發復雜的沖壓工藝需求。并且，夾持力靠氣缸反作用力提供，隨著氣墊下行氣缸容積不斷縮小，盡管可通過控制氣缸排氣閥實時調整壓力，但總體壓力仍不穩，峰值后的壓力波動超過±10%。

　　⑵模具設計要求高。氣墊接觸時強烈的沖擊載荷會加速模具壽命縮減，一旦超過模具疲勞壽命或者單次沖壓產生了超過模具材質能承受的最大載荷時，模具結構薄弱環節就有可能開裂、斷裂，導致模具故障。對此，模具設計通常會增大設計冗余來應對沖擊疲勞或者拆分模具功能增加模具及工序數量以降低設計載荷。

　　⑶生產噪聲大。氣墊接觸沖擊伴隨巨大的噪聲，即使采用了隔音措施，但實測噪聲值仍難以降至85dB以下。巨大的噪聲無疑是對產線工人健康的重要危害。

　　伺服拉伸墊的出現似乎成為了解決氣墊短板的完美方案。伺服控制本身屬于高精度控制技術，其位置精度可達微米級，運用在拉伸墊上可使與滑塊的接觸碰撞過程達到最佳同步狀態，減緩接觸沖擊，同時，強大的控制柔性使其能夠適應當前各種拉延工藝的需求。此外伺服拉伸墊一般還具有重復精度高、能源利用率高、生產環境噪聲小等特點。

　　伺服拉伸墊的基本控制邏輯是在滑塊從上死點下降至預定接觸位置之前進行位置控制，此階段伺服拉伸墊實時獲取滑塊的位置信息，當滑塊運動至接觸前某一設定高度時，類似于接力賽接棒前的起跑，伺服拉伸墊預先啟動加速，降低與滑塊的相對速度，進而減小接觸沖擊。隨后滑塊與伺服拉伸墊接觸，位置控制切換為壓力控制，在壓力傳感器的反饋下，伺服拉伸墊主動控制并動態調整對坯料的夾持力，維持設定夾持力或者按照夾持力設定插值動態調整直至成形完成，如圖1所示。滑塊回程階段，為了便于自動化取件，伺服拉伸墊可切換回位置控制，一般可設置下死點閉鎖、取件輔助提升、跟隨滑塊回程等模式直至返回生產等待位，準備下一循環的生產。

　　圖1滑塊運行模式

　　在實現伺服拉伸墊運動及壓力控制的具體方式上，存在以下分支，且在業內都有著相當的使用實績：

　　⑴液壓式以液壓油為動力介質，利用比例伺服閥或伺服電機精準控制油缸的動作及壓力輸出。

　　⑵機械式主要為絲桿或齒輪齒條形式。由電機直接驅動機械結構帶動拉伸墊動作并進行壓力輸出。

　　⑶混合式將氣壓、液壓、機械式混合使用，揉合了各形式的優勢特點，但與此同時也會提高結構及控制上的復雜性。

　　液壓式伺服拉伸墊的應用較為廣泛，結構上由驅動系統(油箱、電機、油泵)、液壓執行及控制系統(控制閥組、油缸)、反饋系統(壓力反饋、位置反饋)組成。在具體形式上又分為比例伺服閥式及伺服電機式，如圖2所示。前者代表廠商是力士樂，通過控制器實時調整比例伺服閥的供油進行夾持力及行程的控制。后者代表廠商是會田，通過伺服電機精準控制油缸的進出油量及夾持力。兩類產品的相同之處在于最大噸位能力能達到較大水平、成形時壓力波動較小，所以能夠從容應對深拉深、復雜型面或者大型沖壓零件的生產，但初始壓力響應較慢，并且需要專門配制油液冷卻系統。不過，兩者之間也存在著顯著差異，比例伺服閥式液壓墊要占用龐大的地坑空間用以安置油箱(10000L)及冷卻水系統，并且油液的使用量、清潔度、冷卻均要求較高，導致使用成本高，同時該類液壓墊不配置能源再生功能；相較而言，伺服電機式液壓墊用油量、冷卻需求量均較小，且結構緊湊，所以地坑使用空間小，并且具備能源再生功能，能夠降低生產時的能源消耗，不過在最大壓力能力下的拉深線速度相對較低。

　　圖2液壓式、伺服拉伸墊模型示意

　　液壓式伺服拉伸墊因為其位置控制全部依靠液壓油的進出調節，成形階段完全以滑塊作用于拉伸墊的壓力進行油量的精準控制，而非以位置主導，因此，一旦發生模具載荷偏置或接觸位置設置錯誤等情況，特別是拉伸墊發力位置高于滑塊上模與下模壓邊圈接觸位置時，由于滑塊還未產生下壓負荷，而油泵為保持設定的壓力會自動供油提升油腔壓力，此時就會導致拉伸墊在極短時間內異常頂起進而沖擊模具的嚴重故障(圖3)。后續優化中盡管將液壓伺服拉伸墊的位置和速度作為了安全互鎖進行監測，但若發生并檢測出異常，油泵仍需要10～30ms作出急停反應(視CPU與伺服控制器的信號交換時間而定)。這段時間已經足夠讓拉伸墊瞬間在高壓液壓油的作用下向上竄起大于30mm的距離，且沖擊力一般能達到設定夾持力的50%以上。出現這種異常時，即使拉伸墊有機械上限保護，但對于下模內腔頂桿避空空間不足的模具，同樣可能造成致命的損傷。為了應對這個問題，廠家設置了沖床校正功能，讓壓力機在非生產模式下以極低速情況模擬下沖并與拉伸墊接觸，通過傳感反饋對比確認設置的接觸點是最佳發力點，從而精準獲取發力位置信息。

　　圖3伺服墊異常頂起沖擊模具示意

　　機械式伺服拉伸墊使用機械結構傳遞動力，同樣主要由三部分組成：驅動部分(伺服電機、變速器結構)、機械執行部分、壓力及行程反饋部分。常見的具體形式有絲桿式和齒輪齒條式，前者以小松為代表廠商，伺服電機經過同步帶變速后將動力傳遞給絲桿帶動拉伸墊運動，如圖4(a)所示。后者以福井為代表廠商，伺服電機經減速箱變速后通過齒輪齒條結構帶動拉伸墊運動[圖4(b)]，同時結構配備平衡氣缸用來平衡拉伸墊自重。相較于液壓式伺服拉伸墊，機械式伺服拉伸墊往往具備以下特點：⑴不使用液壓油作為動力介質，對環境友好；⑵結構組成簡單、緊湊，便于進行維保及故障排查；⑶動力傳遞剛性強，響應快，但是夾持力峰值波動較大；⑷最大壓力能力下的拉伸線速度較大；⑸均具備能源再生系統，能源節約性強。盡管看似優勢盡顯，但機械式伺服拉伸墊也有其制約因素，即拉伸墊最大能力普遍低于液壓式，若生產工藝上長期為大噸位夾持力需求時，機械結構的疲勞壽命則會急劇縮短。而談到對機械結構的疲勞壽命影響，預加速功能及拉伸墊能力曲線同樣影響巨大。

　　圖4機械式伺服拉伸墊模型示意

　　預加速功能(圖5)能夠顯著減小模具的接觸沖擊及噪聲，起到穩定生產品質、降低設備故障及噪聲危害的作用。但是，預加速行程延長了拉伸墊建壓的響應時間，如果預加速行程超過了模具應當的發力點位置，則在接觸瞬間拉伸墊提供的夾持力是達不到成形要求的，此時就會發生坯料流料，造成零件起皺品質異常，特別是模具壓邊圈為方形筋條設計的，此情形下的長時間生產甚至會造成壓邊圈筋條磨損或崩裂。而如果設置預加速時將坯料等待位提高，雖然可以補償預加速運動距離，但根據模具設計的不同，可能導致投料后坯料在模具型腔內呈現下凹狀態，如此一來坯料邊緣容易出現夾持不到位或折彎的問題，盡管部分廠商會針對性增加坯料尺寸以吸收邊緣部分的流動，但這樣會直接導致單件成本的上升。

　　圖5預加速功能使用對比

　　通常，機械式伺服拉伸墊必須啟用預加速功能，并且要達到對應生產狀態下的最低預加速行程要求，其本質上是設備廠家對滑塊與拉伸墊的瞬間接觸相對速度要保持在一定的限度內控制，從而起到保護機械結構的效果。如果預加速不足，接觸沖擊會顯著影響機械結構的壽命，如齒輪齒條式拉伸墊結構一般無法頻繁承受來自滑塊100噸以上的瞬間沖擊，而絲桿結構瞬間承受較大沖擊力時可能發生機構卡死的問題。

　　拉伸墊能力曲線(圖6)則限制了拉伸墊行程及夾持力荷重條件對應的壓機連續運轉SPM值。一方面是出于對機械結構運行壽命保障的考慮，如大夾持力大拉伸行程時往往限制單機連續運轉SPM值在較低的水平內。另一方面，更主要的是受到電機容量、循環運轉間隔的限制。在能力曲線的限制下，一些大噸位深拉深零件，如汽車側圍，就要降速至10～14SPM生產。當然，壓力機降速會直接導致整線生產節拍的下降，特別是斷續生產線，考慮上死點的停止，整線節拍只能維持在6～8SPM，這對生產效率無疑是嚴重的影響。不過也有利用伺服壓力機可變速的特點，通過調整不同階段的滑塊速度來提升整線節拍，但要實現成形開始前滑塊速度從22SPM急減速至14SPM，對主電機的能力需求就呈幾何級的上升，同時還要配備能力更大的冷卻系統，這個方向的投入非常巨大，無異于提升壓力機規格。不過，當機械式伺服墊配置在整線連續生產線上使用時，由于單機與整線節拍一致，即使如汽車側圍降速至10～14SPM也達到了行業中上等效率水平。

　　圖6拉伸墊能力曲線示意

　　在嘗試突破以上限制的努力中，廠家也開發出了混合式伺服拉伸墊，如IHI，它將氣壓、液壓、機械揉合在一起，由油缸和氣缸共同提供夾持力(以IHI為例，氣缸最多提供40%，油缸最大提供60%)。通過帕斯卡原理，油缸變徑后下端與絲桿和伺服電機連接，不僅實現了伺服電機容量的小型化，并且能夠降低沖擊，保護絲桿和伺服電機。氣缸下端連接著氣罐，便于氣壓的調整與穩定。拉深過程時，模墊下行，分散至油缸的部分能量經由絲桿、伺服電機再生為電能，氣缸部分的能量存儲在氣罐的高壓氣體中。回程階段，氣罐釋放能量，由氣缸帶動模墊上行，此時油缸上腔液壓油返回油缸下腔，再次經由絲桿反向帶動伺服電機再生電能。可以看到，在混合式伺服拉伸墊中對能源再生技術的運用十分廣泛，減小了整個系統的最大功率。不過，同其他使用能源再生的伺服拉伸墊一樣，再生電能在實際生產中并不明顯，畢竟這個過程非常短，更多僅是用于伺服壓力機主電機的啟動補償。

　　盡管揉合了各類型伺服墊實現了液壓、機械、電控系統的小型化(圖7)，并且在能源消耗上也有所降低，但也帶來了系統復雜、故障排查難、維護成本高的問題，同時由于使用了大型氣罐，在地坑空間占用上也不很理想，就實際而言，這類型伺服拉伸墊如果可以使體積小型化，也將是一款非常不錯的產品。

　　圖7混合式伺服拉伸墊模型示意

　　對于上述提及的各類伺服拉伸墊，相比傳統的氣墊，優點都是非常明顯的，雖然存在性能間的差異，但只要在導入時著眼于生產模具的結構設計和生產零件的工藝需求就可以準確選擇合適的拉伸墊類型。舉例，如果模具結構簡單，基本以拉深為主，且沒有如平衡氮氣缸和并列模具等特殊的設計和布局，機械式伺服拉伸墊即可滿足需求；如果拉深模具存在較多補償裝置或有并模生產需求，且淺拉深成形要求較高，則液壓式能更好的適應生產。從整線構造考慮，如果是連續式生產線，則機械式伺服拉伸墊在成本與穩定性上更佳。

　　綜上所述，在選擇不同伺服拉伸墊時，必須立足于自身生產規劃和整線實際情況，并充分了解伺服拉伸墊間的性能差異，才能選擇一款適合生產工藝的好產品。