液压气垫的设计与应用

文/孟微·营口锻压机床有限责任公司

液压气垫的设计与应用

文/孟微·营口锻压机床有限责任公司

气垫在压力机进行拉深工艺时，起压边及卸件打料作用；在压力机进行冲裁工艺时，起顶件作用。由于压力机在装置气垫之后，单动压力机能进行较深的拉深工艺，扩大了压力机的工艺范围，在中型以上压力机上，大都设置了气垫装置。

气垫种类很多，根据结构形式不同，可分为：单活塞式、双活塞式、三活塞式；固定气缸式、活动气缸式；气垫自身导向式、工作台导向式；可调行程式、不可调行程式等等。根据气垫的工作介质不同，可将气垫分为纯气式和液压气动式。目前，国内在一些大、中型压力机上广泛采用了液压气动式气垫。这种气垫结构比较紧凑，在进行拉深工艺时，能产生较大的压边力。

根据我公司与包头北方实业签订的J31-1250闭式单点压力机的技术协议要求，现对该设备的部件液压气动式气垫进行设计。

液压气垫的结构及动作原理

气垫的结构

气垫上方装有托板1，托板采用钢板焊接结构，刚度好。托板上镶有导轨板2，材料为耐磨性较好的酚醛层压布板。此件限制气垫活塞旋转，并对气垫行程起导向作用。气垫缸体上镶有铜导套，对气垫行程起导向作用，在气垫的下部装有增压系统。

气垫的动作原理

当机床进行拉深工艺时，压力机滑块下行，当与气垫托板接触时，气垫随滑块下行，此时增压系统通气使气垫增压阀口闭锁，气垫处于压边状态。当滑块运行到下死点时，气垫托板处于静止保压状态，当滑块回程超过拉深工件高度时，增压系统换向阀换向排气，托板上行将工件顶出。当进行冲裁工艺时，气垫随滑块上、下往复动作，无滞后动作。当然也可根据实际工艺要求设置不同的动作规范。液压气垫的具体参数如表1所示。

表1 液压气垫的参数

液压气垫的设计

根据液压气垫的使用参数，经计算得出气垫的结构尺寸：工作缸活塞直径Dg=113cm，单层缸结构活塞直径太大，无法装入压力机底座，故采用双层活塞结构。取活塞杆直径dg=26cm，则储气筒油压为P2=4.6kg/cm2，工作缸油压P1=13.8kg/cm2。考虑到气垫顶出时充油时间应控制在0.3～0.4T(T:滑块一次行程时间)以内要求，推荐用阀口面积为气垫压紧时阀缝隙面积的5～7倍，即πd2/4=（5～7）fmax，则阀口直径d=23～28cm,取d=24cm。统计现有阀座，D/d=1.05～1.2，阀座比压为20～45kg/cm2。

据前面分析，阀座宽度应尽量减小，阀与阀座材料为钢质时允许比压可取800kg/cm2，阀为钢质，阀座为铜合金时，允许比压取300kg/cm2。可现用阀座宽度太大，推荐用D/d=1.04～1.05，取D=25cm D/d=1.04。压紧时的最大行程hmax=1.56cm，阀及油管处，压紧时的液流速度：V1max=7.8m/s，许用值[V1]≤10m/s，满足要求。阀缝隙液流速度：V2=41.8m/s,许用值[V2]≤80m/s，满足要求。管道液流平均流速：Vcp=4.7m/s ,许用值[Vcp]≤5～7m/s，满足要求。控制缸活塞全行程，在下行阻尼式气垫中一般在30mm左右，在回程阻尼式气垫中为(2～3)hmax,计算充油时间t2=1.92s,许用值[t2]≤(0.3～0.4)T=1.8～2.4s，满足要求。

阀的力平衡计算，若按照阀在开启状态下进行，控制活塞的重量G为Pk的3%～5%，在采用“Y”形或“O”形密封圈时，PDμ约为Pk的5%，当阀开启时，可视为G被PDμ平衡，由于液动力是变量，应采用阻尼予以抵消。则可计算出控制缸活塞直径Dk=45cm。

根据以上计算数据，确定液压气垫的具体结构尺寸如图1所示。

气垫的优化设计

气垫模型的初步建立

气垫的结构尺寸确定后，用SolidWorks三维实体建模软件对各零件进行建模。然后把各零件组装在一起，形成气垫装配体，计算其总重为11600kg。

气垫的优化设计

用SolidWorks软件中附带的Cosmos实体受力分析软件对各主要受力件进行受力分析。各零件经优化后，该强化的地方进行强化，该削弱的地方进行减重，使材料的利用率大大提高。优化后的总重为11000kg，在保证材料更合理应用的同时，为公司节省了上万元的制造成本。图2为气垫上活塞经Cosmos分析软件优化分析后的结果。

图1 液压气垫结构图

图2 气垫上活塞经Cosmos分析软件优化分析后的结果

气垫使用过程中结构的异常与改善措施

气垫在使用过程中出现下行缓慢，影响工艺流程。经研究发现，由于气垫是双缸结构，不能精确保证两个缸装配时配合公差一致，两侧导轨的间隙也无法保证一致，导致压力缸在液压推动下运行不一致，这样导致两个缸在自重作用下，下行动作迟缓，经研究决定增加气路辅助推动，帮助下行，整改方案图3所示。另外考虑现场出现问题后能及时了解动力缸内的压力，增加一路压力检测管路，接到地面以上，连接一块压力表，可实时显示缸内压力，方便监测。经整改试验后，出现的问题得到了有效解决。

图3 气垫整改图

结束语

使用气垫时应注意：应尽量避免在偏心载荷下使用，避免气垫因承受偏心载荷而产生力矩导致压边力不同，出现制件壁厚不均，厚度公差超差，表面质量差以及突耳等缺陷，增加制件的废品率。

双点压力机由于台面较大，适合安装级进模以配合自动化送料系统，从而提高生产效率。但这必然会导致压力机处于偏载工作状态。因此压力机在设计的时候考虑到具备一定的抗偏载能力。在压力机的使用说明书中都注有压力机允许的最大偏心载荷数值，设计生产工艺时不得超过此数值。使用压力机时最大负荷为公称压力的70%～75%。设计生产工艺时需用调整制件工序，增加废料加工，余料切断等方法平衡负荷的分布。

孟微，工程师。主要从事冲压机床的设计研发，曾独立完成开式压力机新结构形式的设计，精压机整体结构的改进，多工位压力机的产品改进等。获得3项实用新型专利。