基于精度要求的液压连续拉伸模设计探究

作者简介：刘志强（1977-），男，苗族，湖南沅陵，本科，工程师，研究方向：工程机械的结构优化及受力计算，结构件加工工艺

摘要：在制造业对零部件精度要求不断提升的背景下，液压连续拉伸模的设计对保证零件成型精度至关重要。本文围绕基于精度要求的液压连续拉伸模设计展开深入研究，详细阐述模具结构、液压系统工作原理，对比弹簧顶料与液压顶料机构对精度的影响，通过实际案例分析、模拟优化设计等手段，探索提高模具成型精度的方法与策略，为相关领域的模具设计与制造提供理论支持与实践参考。

关键词：液压连续拉伸模；精度要求；模具设计；顶料机构；模拟优化

一、引言

拉伸模作为将平板毛坯加工成空心零件的关键模具，在制造业中应用广泛。随着汽车、航空航天、电子等行业的快速发展，对拉伸零件的精度要求愈发严苛。传统拉伸模设计在精度控制方面逐渐难以满足需求，而液压连续拉伸模凭借独特优势，在提升拉伸零件精度上潜力巨大。深入研究基于精度要求的液压连续拉伸模设计，对提高产品质量、降低成本、增强企业竞争力意义深远。

二、液压连续拉伸模结构剖析

2.1 模具整体架构

液压连续拉伸模主要由如下几部分组成：1.上模；2.压边圈；3.固定下模；4.活动下模；5.底座；6.定位芯棒；7.液压系统（如图一）。上模在压制过程中直接作用于工件，与活动下模协作完成拉伸成型；压边圈在拉伸时压紧工件边缘，防止起皱现象发生；固定下模为整个模具提供稳定支撑，确保各部件的相对位置精准；活动下模在液压系统驱动下实现上下运动，深度参与拉伸成型；底座承载模具整体重量，保证模具工作时的稳定性；定位芯棒用于精准放置工件，保障工件在拉伸过程中的初始位置精度。

2.2 各部件对精度的影响

上模与活动下模的配合精度对拉伸件的尺寸精度起着决定性作用。若二者配合间隙不均匀，拉伸件的壁厚会出现不一致的情况。例如在汽车发动机罩内板的拉伸成型中，若上、下模配合精度欠佳，可能致使内板局部过薄或过厚，不仅影响零件强度，还会降低其外观质量。压边圈的压力分布均匀性直接关系到拉伸件的精度。当压边力不均匀时，工件在拉伸过程中变形不一致，容易出现起皱或拉裂现象。以制造洗衣机内胆为例，压边力不均可能导致内胆边缘出现褶皱，影响内胆的密封性和美观度。定位芯棒的定位精度决定了工件在模具中的初始位置准确性。一旦定位出现偏差，拉伸件的各部分尺寸就会与设计要求产生偏差，进而降低产品合格率。

三、液压系统工作原理及精度关联

3.1 液压系统构成

液压系统由单7-1——单作用油缸；7-2——溢流阀；7-3——节流阀：7-4——手动换向阀7-5——单向阀；7-6——压力表构成（如图二）。单作用油缸作为实现活动下模升降运动的执行元件；溢流阀用于设定系统压力，保障在拉伸过程中活动下模能够稳定保压；节流阀通过调节油液流量，控制活动下模的运动速度；手动换向阀负责控制油液流向，实现油缸的伸缩动作；单向阀防止油液倒流，确保系统工作的稳定性；压力表实时显示系统压力，便于操作人员监控。

3.2 工作原理与精度控制

工作时，首先将油压机主缸及压边缸抬升，带动件1（上模）及件2（压边圈）上升，开启模具。再将7-3（手动换向阀）开启，将7-1（单作用油缸）顶升，带动件4（活动下模）上升至最高位置，关闭7-3（手动换向阀）。此时装入工件，利用件6（定位芯棒）定位。压边缸下降压紧工件边缘。主缸下降，件1（上模）下降，当件1（上模）与件4（活动下模）合模时，7-1（单作用油缸）利用7-2（溢流阀）的设定压力保压，第一次成型压制出底边球冠。当主缸继续向下运动时，7-1（单作用油缸）压力超过7-2（溢流阀）设定压力，件4（活动下模）下降，当运动到最底部时，第二次成型拉伸出周边圆柱直段。主缸及压力缸上升，带动件1（上模）及件2（压边圈）上升，开启模具。再将7-3（手动换向阀）开启，将7-1（单作用油缸）顶升，带动件4（活动下模）上升至最高位置，顶出工件。整个压制成型结束。

四、弹簧顶料与液压顶料机构精度对比

4.1 弹簧顶料机构精度缺陷

弹簧顶料机构的弹力曲线呈斜线，随着行程增加弹力逐渐增大，这一特性使其不适合进行保压。在拉伸过程中，不稳定的保压会导致拉伸件在成型过程中受力不均，进而产生尺寸偏差。例如在制造薄壁金属管件时，由于弹簧弹力变化，管件在保压阶段可能出现局部变形，影响管件的圆度和壁厚均匀性。弹簧顶料机构的压力无法调节，难以适应不同批次材料弹性模量的细微差别。不同批次材料的弹性模量差异会导致在相同拉伸工艺下的变形程度不同，而弹簧顶料机构无法根据材料特性调整压力，从而造成成型误差较大。在脱模时，弹簧顶料机构会随着压力缸上升直接将工件顶出，操作人员无法直观检查工件的成型效果。若工件存在内部缺陷或尺寸偏差，难以及时发现和处理，增加了废品率。

4.2 液压顶料机构精度优势

液压顶料机构压力恒定，低于设定压力时与行程无关，能够为拉伸过程提供稳定的保压环境，保证拉伸件在保压阶段的尺寸精度。例如在生产高精度铝合金外壳时，液压顶料机构的稳定保压确保了外壳各部分尺寸精确，表面平整光滑。液压顶料机构可通过调节溢流阀等元件灵活调整压力，能很好地适应不同批次材料的弹性模量差异。在实际生产中，可根据材料特性及时调整压力，有效降低成型误差，提高产品质量的一致性。在不操作时，工件会留在凹模内，便于操作人员直观检查工件的成型效果，如拉伸件的表面质量、尺寸是否符合要求等。一旦发现问题，可及时调整模具参数或工艺条件，减少废品的产生。

五、基于精度提升的模具设计优化策略

5.1 模具制造工艺优化

模具制造工艺是影响液压连续拉伸模精度的基础环节。在模具制造过程中，高精度加工设备和先进加工工艺的选用至关重要。数控加工中心凭借其精确的编程和刀具路径控制功能，成为保障模具零件尺寸精度和表面质量的关键设备。通过编写精细的加工程序，数控加工中心能够按照设计要求精确地切削模具零件，将尺寸误差控制在极小范围内。在加工复杂形状的模具零件时，其刀具路径可根据三维模型进行优化，确保零件表面光滑平整，避免出现加工纹路或凹凸不平的情况，从而提高模具零件的表面质量。

对于上下模等关键部件，慢走丝线切割加工技术发挥着不可替代的作用。该技术利用电极丝与工件之间的脉冲放电产生的电蚀作用进行加工，能获得极高的尺寸精度和表面粗糙度。在切割过程中，电极丝以较慢的速度移动，可减少加工过程中的振动和热影响，使加工出的模具部件尺寸精度更高，表面粗糙度更低。这不仅有助于减小模具配合间隙，还能保证在拉伸过程中，上下模对工件的作用力更加均匀，进而提升拉伸件的精度。

模具装配环节同样不容忽视，严格把控装配精度是确保模具整体性能的关键。运用三坐标测量仪等高精度测量工具，能够对模具零件的尺寸进行精确测量。在装配前，对每个零件的关键尺寸进行测量和记录，确保其符合设计要求。在装配过程中，通过合理的装配工艺来保证各部件装配位置准确无误。采用定位销定位，可使模具部件在装配时迅速找到准确位置，避免装配偏差。利用调整垫片控制间隙，能够根据实际测量结果精确调整模具部件之间的间隙，保证模具在工作时各部件之间的配合精度，最终提高模具整体的装配精度，为保证拉伸件的精度奠定坚实基础。

5.2 液压系统参数优化

液压系统参数的优化对于提高拉伸件精度起着决定性作用。依据拉伸工艺要求和材料特性，精确计算并调整液压系统参数是首要任务。通过精确计算拉伸力来确定单作用油缸的缸径和行程，确保油缸能够提供足够的推力使工件顺利成型。选择合适的溢流阀设定压力也至关重要，压力过低无法使工件充分成型，而压力过高则可能导致工件拉裂。因此，需要综合考虑工件材料的强度、拉伸工艺的要求等因素，确定合理的溢流阀设定压力。

节流阀在液压系统中用于调节油液流量，从而控制活动下模的运动速度。不同形状和尺寸的拉伸件在拉伸过程中的变形特点各异，需要根据这些特点确定合适的运动速度曲线。如果运动速度过快，会产生冲击，导致工件变形不均匀，出现局部变薄或起皱等缺陷；若速度过慢，则会影响生产效率。通过对拉伸件变形过程的深入分析，结合实际生产经验，制定出合理的运动速度曲线，并利用节流阀精确调节油液流量来实现这一曲线，可有效提高拉伸件的质量。

引入先进的液压控制系统，如比例阀或伺服阀控制系统，能够进一步提升液压系统的控制精度。这些系统能够根据模具工作状态实时调整液压系统参数，实现更加精确的压力和流量控制。在拉伸过程中，当模具受到不同的负载或工件材料特性发生微小变化时，比例阀或伺服阀控制系统能够迅速做出响应，自动调整油液的压力和流量，使活动下模始终保持稳定的运动状态，从而进一步提高拉伸件的精度。

5.3 引入模拟分析技术

随着计算机技术的发展，模拟分析技术在模具设计中得到了广泛应用。运用有限元分析软件，如ANSYS、ABAQUS等，对拉伸过程进行模拟分析，为模具设计和工艺优化提供了有力支持。在设计阶段，通过建立模具和工件的三维模型，设置材料参数、工艺参数和边界条件，软件能够模拟拉伸过程中的应力、应变分布以及工件的变形情况。

根据模拟结果，能够提前预测可能出现的成型缺陷，如起皱、拉裂和尺寸偏差等。一旦发现潜在问题，就可以对模具结构和工艺参数进行优化调整，避免在实际生产中出现这些问题，从而提高产品开发效率和精度。通过模拟不同的模具结构参数和工艺参数组合，还可以深入分析其对拉伸件精度的影响规律。研究不同压边力、拉伸速度和模具间隙对拉伸件壁厚均匀性和尺寸精度的影响，能够为模具设计和工艺优化提供科学依据，实现基于精度要求的模具设计优化。

六、实际案例分析

6.1 案例背景

某汽车零部件制造企业生产一款用于高端车型的铝合金轮毂拉伸件，该轮毂对尺寸精度和表面质量要求极高。此前，企业采用传统拉伸模生产，废品率高达15%。主要问题是轮毂边缘起皱、壁厚不均匀以及尺寸偏差较大。边缘起皱影响外观和安全性，壁厚不均降低承载能力、增加成本，尺寸偏差使产品难以满足设计要求，这些问题严重影响产品质量和生产效率，增加生产成本，阻碍企业发展。为解决这些问题，企业决定采用新型液压连续拉伸模进行生产。

6.2 模具设计改进

企业与专业模具设计团队合作，依据轮毂形状和尺寸重新设计模具。对上模和活动下模的形状进行优化，通过模拟分析和经验计算，调整轮廓曲线，增加边缘过渡圆角和拔模斜度，改善材料流动，减小应力集中。选用高精度定位芯棒，采用先进制造工艺和材料，优化安装方式，用定位销和高精度配合公差确保定位精准，控制工件初始位置偏差。

全面升级液压系统，选用高精度单作用油缸、溢流阀和节流阀。单作用油缸加工精度和密封性能高，提供稳定推力；溢流阀精确设定和控制压力，保证保压精度；节流阀精准调节油液流量，控制活动下模运动速度。引入先进液压控制系统，配备多个高精度传感器，实时采集压力、流量等参数，经中央处理器分析处理，自动调整相关元件。如压力下降时自动调节溢流阀增压，速度异常时调整节流阀开度，确保液压系统稳定运行。

6.3 生产效果评估

新型液压连续拉伸模投入使用后，效果显著。废品率从15%大幅降至5%以内，降低了生产成本，提高了资源利用率。产品质量得到极大提升，轮毂边缘起皱现象得到有效抑制，表面光滑；壁厚均匀性明显提高，强度和承载能力增强；尺寸偏差控制在设计范围内，互换性和装配精度提高，满足汽车主机厂的高精度要求。

产品质量提升使企业获得更多订单和更高附加值，市场份额扩大，与客户合作更紧密。废品率降低和生产效率提高降低了成本，利润空间增大。生产效率方面，新型模具自动化程度和生产节奏优化，产量增加。企业经济效益增长，有更多资金投入研发创新和设备更新，形成良性发展循环。

七、结论

液压连续拉伸模在满足高精度拉伸件生产需求方面具有显著优势。模具各部件的精度以及液压系统的精确控制是保证拉伸件精度的关键因素。通过模具制造工艺优化、液压系统参数优化和模拟分析技术的应用等基于精度提升的模具设计优化策略，能够有效提高模具的设计水平和拉伸件的成型精度。实际案例表明，采用优化后的液压连续拉伸模可以显著降低废品率，提高产品质量和生产效率。在未来的模具设计与制造领域，应持续深入研究液压连续拉伸模的设计理论和技术，不断探索新的优化方法和工艺，以适应制造业对高精度拉伸件日益增长的需求，推动制造业的高质量发展。同时，随着科技的不断进步，如新型材料的应用、智能控制技术的发展等，液压连续拉伸模的设计也将面临新的机遇和挑战，需要行业内不断创新和突破，以实现更高效、更精准的模具设计与制造。

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