一种数控转塔冲床的液压系统及其工作方法技术领域
本发明涉及一种高速数控冲压机床的液压系统及其工作方法，特别是涉及一种高速数控转塔冲床冲压头驱动液压系统及其工作方法。
背景技术
随着时代的进步，科技的发展，生产力的提高，普通的机械式数控转塔冲床由于冲压速度慢、噪声大等缺点，逐渐有被液压式数控转塔冲床所取代的趋势。由于技术条件和工业水平的限制，国产数控转塔冲床液压系统难以满足设计要求，生产厂家大多从德国某著名的液压公司进口数控转塔冲床液压系统。
高速数控转塔冲床的冲头的动作如下：快进（空进，无载荷）、工进（接触板料至切断板料）、快退（空退）；在满足该三个工作流程的情况下，对速度要求也非常严格，最高工作频率达1000-1200次/分钟。
为满足以上工作要求，该著名液压公司的液压系统采用高、低压双联泵作为动力源，在二代产品中增加了蓄能器作为能源储备装置。系统具有流量大，冲压速度快的特点。系统中采用高压阀、低压阀进行高低压对快进、工进进行控制。
具体工作原理如下：
1）、油缸停止：高低压双联泵通过低压阀为蓄能器充液，充满后卸荷；
2）、油缸快进：蓄能器和高低压双联泵同时为油缸快进提供低压油；
3）、油缸工进：当模具接触到板料时，油缸自动从快进转为工进，高压泵为油缸工进提供高压油，低压泵为蓄能器充液。
4）、油缸快退：蓄能器和高低压双联泵同时为油缸快退提供低压油。
存在的问题是：
1）、采购成本高；目前，该公司的该产品在国际上处于垄断地位，价格由其控制，使得采购成本昂贵，最终导致整机成本增加；
2)、油路复杂，故障率高；由于采用双联泵、蓄能器三个“动力源”，这三个“动力源”的油路需要通过若干液压元件与主缸构成工作回路，使得整个油路特别复杂，故障率高；
3）、回油震动大，需要安装缓冲器；由于采用有大流量泵，使得回油流量大，容易在回程时产生较大的振动；
4）、流量大，需要采用大通径阀；高压泵输出高压小流量液压油，低压泵输出低压大流量液压油，需要大口径液压管路才能满足油路的需求；而液压管路口径大时，相应的设备成本、占用空间也高；
5）、能率低；采用了两个泵，使得整体运行的能耗大，能效转化率低。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种在满足三个工作流程、高频率工作要求的前提下，结构更加简单、能耗更低，且能取代进口产品的数控转塔冲床的液压系统及其工作方法。
本发明的技术方案：包括打击头驱动油缸和液压驱动回路，
所述打击头驱动油缸包括缸体和多台肩的活塞；
所述缸体包括工进油口、快进油口、快退油口、回油口和设在所述缸体内壁中部的一圈凸台；
所述活塞包括活塞体和设在所述活塞体下端的驱动杆，所述活塞体的顶端面外缘设有一圈上凸肩、底端面外缘设有一圈下凸肩；
所述液压驱动回路包括油箱、液压泵、三位四通电磁换向阀、二位三通液控换向阀、单向阀一、单向阀二、插装阀和溢流阀；所述三位四通电磁换向阀具有A1、B1、P1、T1口、线圈Y01和线圈Y02；所述二位三通液控换向阀具有A2、T2、P2口及控制口X2；所述插装阀具有A3、B3口和控制口X3；
所述三位四通电磁换向阀的P1口和二位三通液控换向阀的P2口分别连接液压泵；
所述三位四通电磁换向阀的A1口连接所述快退油口，B1口连接快进油口，B1口还通过控制油路连接所述二位三通液控换向阀的控制端口X2，T1口连接所述单向阀二的进口、插装阀的A3口和所述回油口；
所述二位三通液控换向阀的A2口通过所述单向阀一连接所述工进油口和所述插装阀的B3口；
所述插装阀的X3口通过控制油路连接所述二位三通液控换向阀的A2口；
所述溢流阀与所述二位三通液控换向阀呈并联结构，且所述溢流阀的出油口连接所述二位三通液控换向阀的T2和油箱；
所述单向阀二的出油口连接油箱。
所述上凸肩顶面与所述缸体内顶面之间构成工进油腔，所述工进油腔连接所述工进油口；
所述上凸肩的底面与所述凸台上端面之间构成快退油腔，所述快退油腔连接所述快退油口；
所述下凸肩的顶面与所述凸台下端面之间构成快进油腔，所述快进油腔连接所述快进油口；
所述下凸肩的底面与所述缸体内底面之间构成回油腔，所述回油腔连接所述回油口；
所述快退油腔和回油腔的工作面积之和大于所述工进油腔的工作面积；
所述快进油腔和工进油腔的工作面积之和大于所述回油腔的工作面积；
所述活塞在上限位时，所述快退油腔高度等于所述快进油腔和回油腔高度之和，所述快退油腔高度大于所述回油腔高度；
所述活塞在下限位时，所述快进油腔高度等于所述工进油腔和快退油腔高度之和，所述快进油腔高度大于所述工进油腔高度。
所述活塞体的上端固定连接有工进工作面积调整的活塞杆，所述缸体上端设有中孔，所述活塞杆与所述中孔通过油路密封件活动连接。
所述缸体具有上端盖和下端盖，所述上端盖和下端盖朝向缸体内腔的端面中间部分别设有突出于端面的锥形台。
所述缸体内壁中部的一圈凸台将所述缸体分为上腔和下腔；所述凸台的内径小于上腔和下腔的内径；所述上腔和下腔内径相等；
所述活塞体的上凸肩与所述上腔液密封配合、所述活塞体的下凸肩与所述下腔液密封配合、所述上凸肩与下凸肩之间的活塞体部分与所述一圈凸台液密封配合。
所述活塞体的上凸肩与下凸肩的上、下端面的外边缘均设有倒角。
所述液压驱动回路还包括回油过滤器；所述回油过滤器串接在单向阀二与油箱之间。
本发明的工作方法，按以下步骤进行：
1）、初始工位；活塞处于所述活塞缸顶部；系统卸荷；
2）、活塞快进；液压油进入油缸快进油腔，实现活塞快进；
3）、油缸工进；当所述活塞底端的模具接触到板料时，驱动杆随即产生负载，油缸快进油腔的压力升高，液压油对快进油腔和工进油腔同时加压，实现油缸自动由快进转工进；
4）、油缸快退；达到行程后，三位四通电磁换向阀换向，液压油进入油缸快退油腔，实现油缸快退；
完成一个工作循环。
本发明在油缸结构方面，独创性地提出了采用了四腔结构，设计精巧，动作轻盈，步骤合理，能够满足三工作流程的动作需求。围绕该独创性的油缸结构，提供了专门的液压油路，该液压油路仅需一个油泵以及少量的液压元件；由于仅需一个油泵，因此相对于国外技术更加节能；并且采用单泵作为动力源时，流量小，回油震动小，无需选用大通径阀，也大大降低了设备的成本。由于液压元件少，使得本发明的油路简单，故障率低，故障排除简单。本发明结构简单、成本低，本技术的实现的操作率高，易于国产化；此外本液压系统的外部控制原件仅需一个三位四通电磁换向阀，使得整个系统运行时控制简单（其它元件相互之间通过设定参数，实现联动互控），运动更加流畅，系统更加稳定、可靠。最后，本发明在高速数控板材加工设备领域突破了国外的技术壁垒、打破了国外垄断的现状，填补了国内的技术空白。
附图说明
图1是本发明的结构原理图，
图2是本发明油缸的结构示意图，
图3是本发明缸体的结构示意图，
图4是本发明缸体另一种形式的结构示意图，
图5是本发明活塞的结构示意图，
图6是本发明快进动作的示意图，
图7是本发明工进动作的示意图，
图8是本发明快退动作的示意图，
图9是本发明油缸的具体实施结构示意图；
图中1是缸体，10是凸台，11是工进油腔，110是工进油口，12是快进油腔，120是快进油口，13是回油腔，130是回油口，14是快退油腔，140是快退油口，15是驱动杆孔，16是活塞杆孔，18是上端盖，180是上端盖凸台，181是上腔槽，19是下端盖，190是下端盖凸台，191是下腔槽；
2是活塞，20是活塞体，201是驱动杆， 202是活塞杆， 21是下凸肩，211是快进工作面， 212是回油工作面，22是上凸肩，221是工进工作面，222是快退工作面，
31是溢流阀，32是二位三通液控换向阀，33是三位四通电磁换向阀，34是电机，35是液压泵，36是单向阀一，37是插装阀，38是单向阀二，39是回油过滤阀，40是油箱。
具体实施方式
本发明专利如图1-9所示，包括打击头驱动油缸和液压驱动回路，所述打击头驱动油缸包括缸体1多台肩的活塞2
所述缸体1包括工进油口110、快进油口120、快退油口140、回油口130和设在所述缸体1内壁中部的一圈凸台10；
所述活塞2包括活塞体20和设在所述活塞体20下端的驱动杆201，所述活塞体20的顶端面外缘设有一圈上凸肩22、底端面外缘设有一圈下凸肩21；形成所述的多台肩活塞体结构。
所述液压驱动回路包括油箱40、液压泵35、三位四通电磁换向阀33、二位三通液控换向阀32、单向阀一36、单向阀二38、插装阀37和溢流阀31；所述三位四通电磁换向阀33具有A1、B1、P1、T1口及线圈Y01、线圈Y02；所述二位三通液控换向阀32具有A2、T2、P2口及控制端X2；所述插装阀37具有A3、B3口和控制端X3；
所述三位四通电磁换向阀33的P1口和二位三通液控换向阀32的P2分别连接液压泵35；所述三位四通电磁换向阀33的A1口连接所述快退油口140，B1口连接快进油口120，B1口还通过控制油路连接所述二位三通液控换向阀32的控制端口X2，T1口连接所述单向阀二38的进油口、插装阀37的A3口和所述回油口130；所述二位三通液控换向阀32的A2口通过所述单向阀一36连接所述工进油口110和所述插装阀37的B3口；所述插装阀37的X3口通过控制油路连接所述二位三通液控换向阀32的A2口；所述溢流阀31与所述二位三通液控换向阀32呈并联结构，且所述溢流阀31的出油口（图1中溢流阀31的T口）连接所述二位三通液控换向阀32的T2和油箱40；
所述单向阀二38的出油口连接油箱40。
本发明的油缸通过缸体与多台肩结构的活塞形成了四个工作腔：
所述上凸肩22顶面与所述缸体1内顶面之间构成工进油腔11，所述工进油腔11连接所述工进油口110；所述上凸肩22的底面与所述凸台10上端面之间构成快退油腔14，所述快退油腔14连接所述快退油口140；所述下凸肩21的顶面与所述凸台10下端面之间构成快进油腔12，所述快进油腔连接所述快进油口120；所述下凸肩21的底面与所述缸体1的内底面之间构成回油腔13，所述回油腔13连接所述回油口130；所述快退油腔14和回油腔13的工作面积之和大于所述工进油腔11的工作面积；所述快进油腔12和工进油腔11的工作面积之和大于所述回油腔13的工作面积；所述活塞2在上限位时，所述快退油腔14的高度等于所述快进油腔12和回油腔13的高度之和，所述快退油腔14的高度大于所述回油腔13的高度；所述活塞2在下限位时，所述快进油腔12的高度等于所述工进油腔11和快退油腔14的高度之和，所述快进油腔12的高度大于所述工进油腔11的高度。
为实现上述四个腔的结构，在具体制作时，所述缸体1内壁中部的一圈凸台10将所述缸体1分为上腔和下腔；所述凸台10的内径小于上腔和下腔的内径；所述上腔和下腔内径相等；
所述活塞体20的上凸肩22与所述上腔液密封配合、所述活塞体20的下凸肩21与所述下腔液密封配合、所述上凸肩22与下凸肩21之间的活塞体部分（该部分外径小于上凸肩22与下凸肩21的外径）与所述一圈凸台10液密封配合。
出于导向和调整工作压力考虑，所述活塞体20的上端固定连接有工进工作面积调整的活塞杆202，所述缸体1上端设有中孔（即活塞杆孔16），所述活塞杆202与所述中孔通过油路密封件活动连接。当然，缸体1上端也可以不设中孔，如图4所示。
出于加工方便、设定活塞行程以及工作腔油量的考虑，所述缸体1具有上端盖18和下端盖19，所述上端盖18和下端盖19朝向缸体1内腔的端面中间部分别设有突出于端面的锥形台（即上端盖凸台180、下端盖凸台190）。设置了两凸台以后，在活塞与缸体1装配后，会形成下腔槽191和上腔槽181（由凸台的斜边、活塞端面和缸体内壁构成），使得开设在缸体内壁上的工进油口110和回油口130具有进油空间，换句话说，可以减少缸体的体积、减少用油量、增加行程。
所述活塞体的上凸肩与下凸肩的上、下端面的外边缘均设有倒角。同样是出于对快进油腔12和快退油腔14进油空间的优化，即保证上极限位置与下极限位置行程的情况下，留有足够的进、出油空间；换句话说，可以减少活塞的体积、减少用油量、增加行程。
所述液压驱动回路还包括回油过滤器39；所述回油过滤器39串接在单向阀二38与油箱40之间。
在试制时，本发明的油缸如图8所示，缸体部分采用了筒形的缸体1、下端盖19、上端盖18的组装结构；活塞部分采用活塞体20、驱动杆201、下凸肩21构成一整体结构，再与活塞杆202连接的结构；以便于加工、维修。
本发明的工作方法，如图1，按以下步骤进行：
本液压系统由液压泵35（通过电机34驱动）作为唯一动力源来驱动，并通过各种液压元器件来控制四个腔的液压油的流向来实现油缸的快进、工进和快退这三个工作流程；并通过所述的快进油腔12的压力油来控制二位三通液控换向阀32的换向，实现油缸自动的由快进转工进；通过插装阀37和单向阀二38的组合，来实现工进油腔11和回油腔13在快进和快退时液压油的互补。
1）、初始工位；活塞处于所述活塞缸顶部；系统卸荷；具体地说：三位四通电磁换向阀33处于中间位（不得电），液压泵35出口液压油通过电磁换向阀P1口流入T1口，再通过单向阀二38和回油过滤器39流回油箱，实现油缸停止、卸荷，节约能源（活塞处于初始工位）。
2）、油缸快进；液压油进入油缸快进油腔，实现活塞快进；具体地说：三位四通电磁换向阀33的线圈Y02得电，液压油通过电磁换向阀P1口流入B1口，进入油缸快进油腔12，实现活塞快进；当插装阀37控制端X3没有压力油时，其A3口和B3口处于接通状态。油缸快退油腔14的液压油通过三位四通电磁换向阀33的A1口流入T1口，再通过插装阀37的A3口流入B3口，进入工进油腔11；回油腔13的液压油通过插装阀37的A3口流入B3口，进入工进油腔11；油缸快退油腔14和回油腔13的液压油充满油缸工进油腔11后，多余液压油通过单向阀二38及回油过滤器39流回油箱40。
3）、油缸工进；当所述活塞底端的模具接触到板料时，驱动杆随即产生负载，油缸快进油腔的压力升高，液压油对快进油腔和工进油腔同时加压，实现油缸自动由快进转工进；具体地说：三位四通电磁换向阀33的线圈Y02保持得电，当模具接触到板料时，驱动杆201随即产生负载，油缸快进油腔12的压力升高，当压力达到二位三通液控换向阀的工作压力时（如：250bar），推动二位三通液控换向阀32换向；液压油通过二位三通液控换向阀32进入插装阀37的控制端X3，使插装阀A3、B3口断开，同时通过单向阀一36进入工进油腔11。这时液压油对快进油腔12和共进油腔11同时加压，实现油缸自动由快进转工进；油缸快退油腔14的液压油通过三位四通电磁换向阀33的A1口流入T1口，再通过单向阀二38及回油过滤器39流回油箱40；油缸回油腔13的液压油通过单向阀二38和回油过滤器39流回油箱40；当模具冲穿板料时，驱动杆201卸载，油缸快进油腔12压力降低，二位三通液控换向阀32的阀芯复位，油缸自动恢复成快进状态。
4）、油缸快退，达到行程后，三位四通电磁换向阀换向，液压油进入油缸快退油腔，实现油缸快退；具体地说：三位四通电磁换向阀33的线圈Y01得电，液压油通过位四通电磁换向阀33的P1口流入A1口，进入油缸快退油腔14，实现油缸快退；油缸快进油腔12的液压油通过三维四通电磁换向阀33的B1口流入T1口，进入油缸回油腔13；油缸工进油腔11的液压油通过插装阀37的B3口流入A3口，进入油缸回油腔13；油缸快进油腔12和工进油腔11的液压油充满油缸回油腔13后，多余液压油通过单向阀二38及回油过滤器39流回油箱40。完成一个工作循环。
经过试验，本发明与德国某品牌型号的液压系统的性能参数对比如表1；
表1：
本发明德国某品牌型号的液压系统
最大冲压力（kN）320330
快进速度(mm/s)255220
工进速度(mm/s)4424
快退速度(mm/s)255320
液压泵流量（L/min）30（单泵）19（高压泵）+48(低压泵)
电机功率（kW）1111
由上表可见，采用相同功率的电机，本发明在满足三动作的同时，运行参数基本达到进口液压系统的运行要求。相对于该进口液压系统，结构简单、更加节能。