(1.天津理工大學材料科學與工程學院，天津 300384; 2.天津市電工銅質(zhì)線材企業(yè)重點實驗室，天津 300384;3.天津市精密級進模具成型技術(shù)工程中心，天津 300384)

(1.天津理工大學材料科學與工程學院，天津 300384; 2.天津市電工銅質(zhì)線材企業(yè)重點實驗室，天津 300384;3.天津市精密級進模具成型技術(shù)工程中心，天津 300384)

為了研究鎂合金棒材經(jīng)擠壓后的組織變化，設計了該擠壓機。論文介紹了運用PLC技術(shù)的鎂合金等通道剪切變形溫擠液壓機的設計思路，分別對其擠壓過程、機架結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和PLC控制過程進行了分析和說明。該結(jié)構(gòu)的構(gòu)建使擠壓動作更具準確性，擠壓完成的工件更符合要求。

擠壓過程;液壓結(jié)構(gòu);PLC控制

0 前言

鎂合金作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)較理想的結(jié)構(gòu)材料，近年來已廣泛使用。但是鎂合金的密排六方晶體結(jié)構(gòu)導致其塑性變形能力較差，很難使產(chǎn)品成型，嚴重限制了其應用領(lǐng)域。實踐證明通過等通道側(cè)向擠壓技術(shù)(ECAP)細化晶粒來加強其塑性變形能力是關(guān)鍵之處［1］。設計特制擠壓機對鎂棒材進行擠壓是具有研究意義的。用ECAP使材料大塑性變形，能擠壓出紋路更致密的精細鎂合金，用液壓系統(tǒng)來鎖模，擠壓過程更穩(wěn)定［2］。如今的制造產(chǎn)業(yè)對生產(chǎn)效率和安全系數(shù)的要求日益增高，把全自動化技術(shù)引進到精加工環(huán)節(jié)勢在必得。該擠壓機靈活運用了PLC程序來控制整個擠壓過程，使作業(yè)簡單，安全性高。

1 機械主體結(jié)構(gòu)的設計

等通道剪切變形擠壓機的機械構(gòu)圖如圖1所示，它由兩個油缸控制，垂直油缸產(chǎn)生鎖模力，水平油缸產(chǎn)生擠壓力。主體結(jié)構(gòu)可分為垂直壓力系統(tǒng)和水平壓力系統(tǒng)。垂直壓力系統(tǒng)的作用是對模具產(chǎn)生鎖模力，由上橫梁、下橫梁、垂直立柱等組成，垂直油缸裝置于上橫梁，連接部分采用鋼板焊接。水平壓力系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生擠壓力，它采用四圓柱拉桿結(jié)構(gòu)，由裝在左右的兩個支承梁和四個拉桿組成，水平油缸裝于右邊的支承梁上。右側(cè)裝支架的目的是承擔油缸等部件的重量。垂直壓力系統(tǒng)和水平壓力系統(tǒng)是連接為一體的。由于本機所選的垂直油缸較水平油缸的理論推力大，所以選擇垂直油缸為鎖模油缸。主機部分強度設計的許用應力為80 MPa［3］。

其凸模細桿被安裝在液壓機右縱梁的卡槽上，凹模由型腔的軸線分為可開合的兩部分，上模安裝在上橫梁主板上，下模安裝在下橫梁工作臺上，上、下模組成合模，構(gòu)成一個彎曲通道，用于工件安放。此彎曲通道是由專用模具的兩段形成的金屬型腔，直徑均15 mm，此兩部分的軸線成135°的夾角。上下模分開時可以將原坯料鎂合金棒材放置在其中，也可通過凸?；钊麠U將坯料頂入。上橫梁、右縱梁為活動橫梁。

圖1 等通道剪切變形擠壓機的機械構(gòu)圖Fig.1Mechanical drawing of equal channel shear deformation extrusion hydraulic press

2 擠壓加工過程簡述

當按下可編程控制器的啟動按鈕時，上橫梁沿著垂直導軌移動到擠壓工作臺板上，與下橫梁接觸。這時由縱向的鎖模油缸驅(qū)動圓柱頂桿頂住上橫梁的大小筋板，不斷加壓，產(chǎn)生足夠的鎖模力使上下合模可靠地閉合。然后，水平液壓油缸啟動右縱梁慢慢向左移動，凸模的端面與合模后的凹模在工件分型面處緊緊貼合，通過推動頂桿對棒材實施擠壓。擠壓過程結(jié)束后，上橫梁經(jīng)驅(qū)動又回升到上限位置，右縱梁帶動頂桿也隨即回到右側(cè)極限位置。

該擠壓機采用了液壓傳動系統(tǒng)同溫擠壓和等通道擠壓相結(jié)合，來提高材料的力學性能。在擠壓力的驅(qū)動下，當鎂合金的棒材強制進入模具彎曲通道的轉(zhuǎn)角時，其材料內(nèi)部的金屬晶格將產(chǎn)生剪切變化。此通道是互成135°的兩個等截面通道，其交界處的變形是近乎理想的純剪切變形。這樣的金屬晶格變化會使材料具有某些特異的性質(zhì)，這大大提高了現(xiàn)有鎂合金的機械性能，并且經(jīng)反復擠壓后工件的組織將更加精細均勻。制備出這種高性能低成本的鎂合金是人類所向往的，該液壓機就是為了開發(fā)出新型鎂合金而設計的。

3 液壓系統(tǒng)的設計

該擠壓機的液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 擠壓液壓機的液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2Schematic diagram of hydraulic system

液壓系統(tǒng)由主油缸、柱塞泵、閥(單向閥、調(diào)速閥、換向閥等)、油管及各種液壓開關(guān)等組成［4］;鎖模作用的垂直油缸采用前法蘭結(jié)構(gòu)，油缸內(nèi)徑φ200 mm，行程200 mm，額定工作壓力25 MPa，理論推力1 535 kN。側(cè)壓油缸也采用前法蘭結(jié)構(gòu)，油缸內(nèi)徑φ280 mm，行程200 mm，額定工作壓力25 MPa，理論推力785 kN。

作為液壓源核心的液壓泵有兩個，油泵A是柱塞泵，排量為4 cm3/r，配備電動機功率4 kW，轉(zhuǎn)速1 450 r/min，此電機裝有變頻器，可無級調(diào)速。當油泵A供油時，垂直油缸的速度可以在18～180 mm/min進行無級調(diào)節(jié)。油泵B是齒輪泵，排量為40 cm3/r，配裝電動機功率4 kW，轉(zhuǎn)速1 450 r/min。油泵B用于垂直油缸與側(cè)壓油缸的無載荷快速移動。此時垂直油缸的速度為3 cm/s;側(cè)壓油缸的速度為1.5 cm/s，當行程為200 mm時所用時間約為12 s。

當將三位四通電磁閥8撥向右邊時，垂直油缸推動橫梁向下走。而將9撥向右邊時液壓缸往右頂著走。側(cè)壓油缸的推力行程裝有液控單向閥4和蓄能器5，可保證鎖模保壓時油缸推力的穩(wěn)定。壓力繼電器7的作用是，只有當垂直油缸的鎖模達到預定值時，側(cè)壓油缸才可進入工作行程。當采用電機調(diào)速不能滿足速度要求時，可啟用單向調(diào)速閥3調(diào)整運行速度。卸荷閥12、13的作用是當不需加壓時，多余的液壓油經(jīng)此閥流回油缸，從而鎖緊下模。

4 電氣程序的設計——PLC程序控制

該擠壓機的電氣系統(tǒng)選擇裝有位移傳感器的可編程控制器(PLC)來自動控制，本系統(tǒng)采用三菱FX2N-48MR-001型號［5］，其外部接線如圖3所示。包括操作上橫梁沿導軌上下行啟動、右縱梁的左右行啟動、上橫梁的上下限行程、右縱梁的左右限行程、遠程調(diào)速，手動移動等指令。在擠壓機水平、垂直兩側(cè)的機架上分別裝有八個傳感器，用以檢測上下橫梁的啟動與停止，并給予反饋。

電氣部分主要由供電柜、操作臺、PLC可編程控制器、交流接觸器、顯示屏等組成。本機配有專用的電氣控制柜，其主要功能是油泵電機A的啟動控制和變頻調(diào)速控制、油泵電機B的啟動控制、兩個電磁換向閥的控制。本程序支持模具的加熱控制系統(tǒng)，加熱方式為直插式電熱管加熱，加熱溫度為250～400℃。

圖3 可編程控制器外部接線圖Fig.3External wiring diagram of programmable controller

PLC具體控制過程如下:按下“啟動按鈕1”，上橫梁從起始位置往下移動，等接觸下橫梁，上下模進行合模，上橫梁繼續(xù)運動達到鎖模作用，當運動到上橫梁下限行程位置時，EL5指示燈亮，然后右縱梁向左運動，當凸凹模緊貼時擠壓過程開始進行，達到左限行程時EL8亮。然后上橫梁接收到傳感器信號后返回最高點，這時EL6亮，緊接著右縱梁也受驅(qū)動開始向右運動，直至右限行程處EL7亮，整個過程運行完畢。若中間出現(xiàn)故障，緊急停止指示燈會亮起，這時可以按下手動操作按鈕對各步驟進行檢查。若需要遠程調(diào)速，可以按下遠程調(diào)速按扭，實現(xiàn)遠距離全自動調(diào)控。由外部接線圖設計的PLC梯形圖如圖4所示。

5 結(jié)論

該擠壓機運用了先進的機、液、電一體化研究方案，在機械方面該擠壓機運用垂直、水平雙向掌控，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。采用雙油缸控制，能對整個擠壓過程起到穩(wěn)固加強作用，精度保持性好，使用壽命長［6］。采用PLC程序控制液壓系統(tǒng)，很大程度上提高了擠壓的連貫性和精準性，簡化了以往的手動操作過程。作為研究材料經(jīng)擠壓后屬性變化的專用設備，其對提高鎂合金的機械性能具有重大的指導意義。

［1］路國祥.鎂合金等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)技術(shù)的研究和展望［J］.材料導報，2008(4):84-87.

［2］彭渝麗.等通道擠壓鎂合金工藝的研究［J］.鑄造技術(shù)，2010(10):1317-1319.

［3］宋錦春.液壓技術(shù)實用手冊［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［4］左建民.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［5］初航，師忠秀，田洪剛.PLC入門與應用實例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［6］謝東鋼.現(xiàn)代擠壓裝備的發(fā)展［J］.中國材料進展，2013(5):264-268.

PLC控制型鎂合金等通道剪切變形擠壓機的結(jié)構(gòu)設計

李慧1，付麗1，敖茜1，宋憲通1，劉德寶1，2，3

The structure design of magnesium alloy equal channel shear deformation extrusion hydraulic press controlled by PLC program

LI Hui1，F(xiàn)U Li1，AO Qian1，SONG Xian-tong1，LIU De-bao1，2
(1.School of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 2.Tianjin Electrical Copper Wire Enterprise Key Laboratory，Tianjin 300384，China; 3.Tianjin Precision Progressive Die Molding Technology Engineering Center，Tianjin 300384，China)

This press is projected to study the organization change of the magnesium alloy rod after extrusion.It introduced the design of magnesium alloy equal channel shear deformation warm extrusion hydraulic press.Hydraulic press extrusion process，structure of devices，hydraulic system and PLC control process are also analyzed and illustrated.The planning of the structure make the squeezing action more accuracy，and the extrusion finished workpiece conforms to the requirements.

extrusion process;hydraulic structure;PLC control

TH137

A

1001-196X(2014)05-0056-04

2014-04-12;

2014-06-04

國家自然科學基金項目(51271131)

李慧(1989-)，女，天津理工大學，碩士研究生，專業(yè)方向為材料加工工程。