一种热成形液压机多功能模具辅助液压系统

文章来源：锻造与冲压 . 2025 (02) : 21-24

文/张海杰·合肥合锻智能制造股份有限公司(高端成型机床成套设备安徽省技术创新中心)

摘要：本文介绍了一种热成形液压机使用的多功能模具液压辅助系统，该系统是在分析现有热成形生产工艺条件下，适配工艺需求而研发的液压辅助系统。之后阐述了热成形液压机多功能模具液压辅助系统的组成、设计的关键技术条件，包括液压系统参数特点及设计优化、电气控制系统等内容，并指出该种模具辅助液压系统将极大提高生产效率。

关键词：液压系统设计、液压机、模具辅助、热成形。

1 引言

   热冲压成形工艺是目前应用最广泛的轻量化工艺之一。随着节能减排和轻量化的深入推进，热成形工艺也迅速普及推广，迅猛发展。随着热成形工艺的推广和发展，具体工艺流程也在不断优化和更新。热成形模具自身具备的功能越来越多，对模具辅助的要求也越来越高。   从早期的简单零件成形加淬火，到后来的浅拉伸成形加淬火，再到复杂型面成形加淬火；现在最新的工艺又增加了模内冲孔工序，相当于复杂型面成形、冲孔、淬火均需要在同一副模具内一次性完成，这就对模具辅助系统的功能和精度提出了更高的要求。多功能模具辅助液压系统的功能需求为：下模顶针匀速顶出，下模顶针快速退回，上模打料杆快速打料，模具压边圈快速顶出和退回，模具液压垫功能，冲孔缸冲孔，冲孔缸快速退回。这些功能还需要满足以下要求：压边圈和打料杆的运动速度要快，下模顶针的速度需要可调，液压垫功能的压力需要无级可调，冲孔缸冲孔速度和压力可调。

2 模具多功能液压辅助系统工艺简介

图1.模具辅助系统参考图

   模具多功能液压辅助系统的典型工艺流程如下：模具压边圈快速顶出到位并上压→自动化上料→上模快速接近工件→带压边的冲压成形→滑块保压同时冲孔缸冲孔→慢速开模同时上模打料缸打料→滑块快速回程同时下模顶针顶出并保持位置→自动化下料→下模顶针快速退回→模具压边圈快速顶出到位并上压。

3 模具多功能液压辅助系统的主要组成部分和技术特点

    3.1
、独立的液压动力站
   多功能模具辅助液压系统配有独立的液压动力源，有独立的动力站提供液压动力，不与压机主系统共用动力站（如图
2
）。独立动力站配有独立主油泵电机组给液压辅助系统提供动力。配有独立冷却过滤装置给独立动力站的液压油进行冷却、过滤。配有独立的油温、液位报警装置进行油温和液位监控。

   主油泵电机组从油箱吸油后经主泵P增压，经过高压油过滤器过滤后进入辅助系统泵源控制阀组（P口为阀组进油口）。主泵出口的高压油过滤器的过滤精度不小于5μm。主油泵推荐使用轴向柱塞泵，轴向柱塞泵的最大工作压力更高，轴功率可调，能更好的适应工艺需求，还可以降低系统装机功率。

   冷却泵电机组从油箱吸油后经冷却泵Pc增压，经过低压油过滤器过滤油进入冷却器降温，然后回油箱。冷却泵出口的低压油过滤器的过滤精度不小于10μm。冷却泵电机组持续运行，不间断的对独立动力站的液压油进行过滤；冷却器是否工作受油温控制，当油温高于45℃时，冷却器开始工作，对液压油进行冷却；当油温低于43℃时，冷却器停止工作，液压油从冷却器通过后直接回油箱。油温达到60℃时，在完成压机主机当前工作循环后，辅助系统主油泵停止工作，并发出油温过高报警，同时冷却泵和冷却器持续工作，对液压油进行冷却。冷却泵推荐使用低压大流量的螺杆泵，流量大、抗污染能力强。

   由于模具多功能液压辅助系统是半开放液压系统，不能完全杜绝外部污染物进入液压系统，外加热成形工艺的环境粉尘较大，因此辅助系统极易受污染；而压机主系统为封闭系统，正常运行时不会收到外部污染，因此设置独立动力站可以有效防止模具辅助系统的污染物进入压机主系统，降低压机主系统的故障率。
图
2.
独立动力站原理图
     3.2
、油泵
-
蓄能器复合驱动动力系统

   多功能模具辅助液压系统的动力源采用油泵-蓄能器复合驱动的动力系统，该系统以油泵作为主动力源、蓄能器作为辅助动力源，可以实现主油泵直驱、蓄能器单独驱动、主油泵+蓄能器混合驱动三种驱动方式，以适应不同的功能需求，工艺柔性更好。整套系统拥有完善的压力过载保护，在任意元器件故障的情况下都能防止系统压力超过允许工作范围，动力系统的泵源控制功能全部集成在泵源控制阀组上，P口为阀组进油口，接主油泵，S口为阀组出油口，接辅助功能执行阀组。泵源控制阀组包含以下功能模块（如图3所示）：

   1）电磁卸荷阀：电磁卸荷阀具备两个功能，第一个功能是开关控制，控制辅助系统是否参与工作；第二个功能是超载保护，用于控制主油泵的最高工作压力，防止主油泵超载。

   2）泵口控制组件：泵口控制组件具备两个功能，第一个功能是蓄能器中低压卸荷，在辅助系统停止工作后，蓄能器在中低压阶段快速卸荷；第二个功能是超载保护，用于控制辅助系统的最高工作压力，防止辅助系统由于元器件故障导致超载。

   3）蓄能器控制组件：蓄能器控制组件具备三个功能，第一个功能是蓄能器高压卸荷，在辅助系统停止工作后，蓄能器在高压阶段卸荷；第二个功能是超载保护，用于控制蓄能器的最高作压力，防止蓄能器超压。第三个功能是蓄能器手动泄压，用于蓄能器及相关管路拆卸维修前释放可能存在的残余压力，进一步确保安全。

   4）蓄能器开关：蓄能器开关的功能是开关控制，控制蓄能器是否参与工作。

   5）蓄能器Pn：蓄能器Pn的额定工作压力一般为31.5MPa；蓄能器的规格和数量由实际使用工况确定，按实际使用的工作容积核算蓄能器的规格和数量，工作容积较小可以选择囊式蓄能器，工作容积较大可以选择活塞式蓄能器。

图3.泵源控制阀组原理

   3.3
、多功能辅助液压系统执行阀组
   多功能辅助液压系统的执行阀组是实现模具辅助功能的关键阀组，可以实现模具下模顶针顶出、下模顶针退回、上模打料杆打料、模具压边圈快速顶出和退回、模具液压垫功能、冲孔缸冲孔、冲孔缸退回等工艺动作。
   阀组的回路数量需要根据所需的工艺进行确定，其中上模和下模的回路数量需要单独计算；顶针顶出
/
退回需要单独
1
个回路、打料需要单独
1
个回路、压边圈顶出
/
退回与液压垫共用
1
个回路、每个冲孔缸需要单独
1
个回路；对于多腔模具，每个型腔的回路数量需要单独计算。图
4
所示的为两回路的阀组。多功能辅助液压系统的执行阀组包含以下功能模块：

   1）比例方向阀：比例方向阀Pv*具备两个功能，第一个是动力油换向功能，控制功能油缸的顶出、退回，实现顶料、打料、压边圈顶出、冲孔等工艺动作；第二个是速度控制功能，控制功能油缸顶出、退回时的运动速度，实现需要匀速或快速的工艺动作，并保持运动平稳。

   2）比例溢流阀：比例溢流阀Prv*具备两个功能，第一个功能是比例调压功能，实现压边圈的液压垫功能，且压边力无级可调，可在HMI上设置；第二个功能是超载保护，用于控制A口油路的最高工作压力，防止油路压力超载。

   3）DBD安全阀：DBD安全阀的功能是超载保护，用于控制B口油路的最高工作压力，防止油路压力超载。

   4）油单向过滤器：高压油单向过滤器的功能是防止污染物通过快插接头进入液压系统，保证液压油清洁度，避免卡阀等故障。高压油过滤器的工作压力应大于系统最高压力。

图4.辅助液压系统执行阀组原理

4 多功能模具辅助液压系统的主要方案

1）下模顶针匀速顶出、快速退回功能：顶出时采用主泵直驱方式，在HMI上设置顶出速度和顶出、退回触发条件，通过比例方向阀Pv*控制顶出速度，并在适当位置加减速，使顶出动作平稳，防止工件顶起时移位；退回时采用泵直驱或蓄能器驱动方式，提高退回速度，节约时间。

   2）上模打料杆快速打料、快速退回功能：打料缸驱动采用蓄能器驱动方式，尽可能提高打料速度；在HMI上设置打料缸顶出触发条件，默认打料完成立即退回。

   3）模具压边圈快速顶出、退回功能：压边圈快速顶出采用主泵直驱方式，在HMI上设置顶出速度和顶出、退回触发条件，通过比例方向阀Pv*控制顶出速度，并在适当位置加减速，使顶出动作平稳，防止压边圈撞击模芯，顶出到位后切换至蓄能器实现位置和压力保持；主动退回时采用泵直驱方式，使退回动作平稳，防止压边圈撞击模芯。

   4）模具液压垫功能：模具液压垫功能的工艺动作为压边圈被动退回，主泵和蓄能器均不参与工作，在HMI上设置压边力，通过比例溢流阀Prv*调节压边力。

   5）冲孔缸冲孔、快速退回功能：冲孔缸冲孔时采用主泵+蓄能器混合驱动方式，尽可能提高冲孔缸的冲击速度，同时进行冲孔压力补偿；退回时没有速度要求，因此采用泵直驱方式，减少蓄能器的工作容积，降低蓄能器体积；在HMI上设置冲孔缸开始冲孔的触发条件，默认冲孔完成立即退回。

5 实践结果

   该多功能模具辅助液压系统研发成功，已应用在多个高速热成形生产线项目中。经过实际使用，确定该系统能够满足现有的所有模具工艺要求，对热成形工艺深入发展起到了重要作用。