邢玉龍

(天津理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，天津 300384)

粉末冶金液壓機(jī)壓制精度控制研究

邢玉龍

(天津理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，天津 300384)

基于粉末冶金液壓機(jī)行程控制實驗，針對粉末冶金零件在成形生產(chǎn)中壓坯尺寸精度不高的問題，提出了容積介入式控制的概念。采用PLC控制的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動，將精度輔助控制單元的輔助液壓缸與粉末冶金液壓機(jī)主液壓缸并聯(lián)，切斷主油路使輔助油缸與主油缸形成封閉的容積。通過對輔助油缸的精確控制使主油缸在關(guān)泵狀態(tài)下達(dá)到0.001 mm的控制精度。

粉末冶金液壓機(jī)；容積介入式控制；封閉容積

0 前言

粉末冶金技術(shù)是將松散的金屬粉末放入模具中制成具有一定幾何形狀、尺寸、密度和強(qiáng)度的半成品或成品的工藝工程[1]，因其具有節(jié)省材料、節(jié)約能源、生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染小、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點，主要應(yīng)用于各種金屬粉末、磁性粉末、陶瓷粉末、硬質(zhì)合金粉末的加工成形[2][3]。用于生產(chǎn)粉末冶金零件的壓機(jī)主要分為兩部分：一部分是機(jī)械壓機(jī)，即由電機(jī)驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)實現(xiàn)模具的開模、加料、閉模、加壓等過程[4]。它的特點是響應(yīng)速度快，生產(chǎn)效率高，但壓力較小,沖程短，沖壓不夠平穩(wěn),保壓時間短，不利于高精度產(chǎn)品的壓制[5]。與機(jī)械壓機(jī)相比，粉末冶金液壓機(jī)具有工作壓力大、壓制行程長、運(yùn)行過程平穩(wěn)且可以無級調(diào)速、長時間保壓等優(yōu)點，近幾年發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于高精度、高強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的粉末冶金零件的生產(chǎn)[6]。

高品質(zhì)的粉末冶金零件對粉末液壓機(jī)主液壓缸壓力要求很高，要求穩(wěn)定保壓工作范圍4～25 MPa且主液壓缸的定位精度要達(dá)到0.01 mm，重復(fù)定位精度≤0.01 mm[7]，然而我國大多數(shù)粉末冶金工藝還是依靠普通的液壓機(jī)來完成，操作過程由工人扳動機(jī)械手柄來完成，易產(chǎn)生疲勞，影響產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率，不能滿足高精度、復(fù)雜形狀粉末制品的加工要求，致使我國粉末冶金工業(yè)發(fā)展緩慢[8]。在一些發(fā)達(dá)國家如英國、美國、韓國、日本等，其粉末冶金工藝在汽車配件中的應(yīng)用已達(dá)到37%，而我國僅達(dá)到10%，還有很大差距[9]。故主粉末液壓機(jī)主液壓缸的壓力(位置)精度控制是決定粉末冶金工藝水平的關(guān)鍵[10]。

1 粉末冶金液壓機(jī)精度控制方案

粉末冶金液壓機(jī)由主油缸、滑動導(dǎo)軌、模具模架、頂出缸和液壓控制系統(tǒng)等組成[11]。其工作過程為：開始時主油缸驅(qū)動滑塊帶動上模沖向下快速移動，接近指定位置后減速，按照給定的速率對陰模里的金屬粉末加壓，使金屬粉末發(fā)生塑性變形，保壓一段時間后主油缸緩慢上行實現(xiàn)脫模，脫模完成后快速上行，并進(jìn)行裝料操作，為下一次壓制做準(zhǔn)備[12]。壓制的關(guān)鍵是控制金屬粉末的壓縮量和壓制速率，壓縮量決定零件的強(qiáng)度和密度，壓制速率則主要影響粉末分布的均勻程度，高精度的位移(速度)控制對壓坯的尺寸精度非常重要[13]。因為粉末壓制過程是非線性，且液壓系統(tǒng)本身的壓力波動和參數(shù)變化使得主油缸的位移和速度精確控制非常困難。目前國際上比較先進(jìn)的液壓控制方法是采用伺服控制，即利用先進(jìn)的傳感器實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制，將計算機(jī)采集到的電信號傳給電液比例伺服閥，通過伺服閥的動態(tài)調(diào)節(jié)達(dá)到對液壓缸的精確控制[14]，這種控制方式雖然能夠滿足精度要求但是成本太高、維修困難、適用范圍小。

針對粉末冶金液壓機(jī)壓制過程的特點，本文采用了容積介入式控制辦法，將壓制過程分為兩部分：第一部分為開模及閉模過程，主油缸的快速移動由主油路的液壓閥門進(jìn)行控制，快速移動過程對主油缸的速度和精度要求不高，普通的液壓油路完全可以滿足；第二部分為加壓及脫模過程，這部分主油缸移動的位移很小，控制精度要求很高，采用在主油缸上并聯(lián)一個輔助油缸的辦法來實現(xiàn)，其基本控制原理如圖1所示。

圖1 容積介入式控制原理圖

2 精密輔助控制單元的結(jié)構(gòu)及工作原理

精密輔助控制單元[15]是將輔助油缸、傳動系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)集成為一個單元模塊的控制裝置，該單元可直接與現(xiàn)有的粉末冶金液壓機(jī)相連(只需要在主缸上增加一個進(jìn)油口)，適用于多種型號的液壓機(jī)，改造成本低、可移植性強(qiáng)，可大幅度提高現(xiàn)有設(shè)備的控制精度，精密輔助控制單元機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 精密輔助控制單元機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖

精密輔助控制單元參與粉末冶金液壓機(jī)壓制過程如下：首先S7-200PLC控制的步進(jìn)電機(jī)10按照給定的加壓程序進(jìn)行轉(zhuǎn)動，同步進(jìn)電機(jī)相連接的內(nèi)三環(huán)減速器9在工作時可以實現(xiàn)大減速比(80∶1)，起到降速增扭的作用，與9相連接的單級齒輪減速器8的減速比為43∶7進(jìn)一步降低了轉(zhuǎn)速，從而保證液壓缸能緩慢移動且輸出較大的扭矩。7為螺母絲杠結(jié)構(gòu)，絲杠的螺距為4 mm，可以將齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為液壓缸的直線往復(fù)移動，通過壓力傳感器3的反饋信號可以實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)數(shù)的閉環(huán)控制，從而精確的控制輔助油缸的移動速度和位移量。根據(jù)容積介入式控制原理，在關(guān)閉主油缸進(jìn)出油路后，主油缸和輔助油缸形成封閉的固定容積V，壓強(qiáng)P不變的情況下輔助油缸的容積減少主油缸移動的距離 (S為主油缸有效橫截面積)，由于步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)的精確控制，故主油缸的移動的位置和速度可以實現(xiàn)閉環(huán)控制從而達(dá)到很高的控制精度。壓力曲線控制過程如圖3所示。

圖3 壓力曲線控制過程圖

3 粉末冶金液壓機(jī)行程控制實驗

3.1 實驗設(shè)備

實驗使用的基本設(shè)備構(gòu)成如圖4所示，主油缸采用的是雙出桿的柱塞缸，缸徑為90 mm，桿直徑為45 mm，有效行程為500 mm，交流電動機(jī)的功率為22 KW，主油泵采用的是低壓葉片泵型號為PV2R2-33，輸出的額定壓力為25 MPa，光柵傳感器為長春精密光電設(shè)備生產(chǎn)的位移傳感器，分辨率為0.001 mm。

圖4 實驗設(shè)備基本構(gòu)成圖

粉末冶金行程控制實驗為了更好的模擬壓制和脫模這兩個過程，同時又不浪費(fèi)金屬粉末材料，采用直徑為Φ58 mm的撓性鋼棒(圖5)作為被壓試件，鋼棒的支撐點間的跨距范圍500～750 mm，通過調(diào)節(jié)支撐點的間距可以調(diào)節(jié)壓制壓力，在撓性鋼棒的彈性變形范圍內(nèi)撤去壓力后鋼棒恢復(fù)原狀，保證實驗結(jié)果不因壓制材料的不同而受到影響。

圖5 粉末冶金液壓機(jī)行程控制實驗臺

3.2 實驗原理及實驗過程

粉末冶金液壓機(jī)行程控制實驗液壓原理如圖6所示。

圖6 粉末冶金液壓機(jī)行程控制液壓原理圖

粉末冶金液壓機(jī)行程控制實驗盡可能的模擬粉末冶金的真實情景[16]，主要包括開模、閉模、加壓、保壓、脫模等壓制過程。其中開模、閉模過程中為了方便加料、取件等操作，主液壓缸需要長距離的移動，這一動作需要依靠主液壓油路的電磁閥來控制，由液壓原理圖6可知，開模過程需要給主油缸下腔供油，此時兩位四通電磁換向閥右位工作控制液控單向閥打開，使主油缸上腔與主油路聯(lián)通，三位四通電磁換向閥右位工作，液壓泵向主油缸下腔供油，上腔的油經(jīng)調(diào)速閥回油箱，使柱塞桿快速向上移動實現(xiàn)快速開模過程。閉模過程則是三位四通電磁換向閥左位工作，向主油缸上腔供油下腔回油，柱塞桿快速下行。加壓過程：三位四通電磁換向閥中位工作，主油缸下腔與油箱聯(lián)通，兩位四通電磁換向閥左位工作，液控單向閥關(guān)閉，主液壓缸與主油路隔離開，此時精密輔助控制單元的輔助油缸與主液壓缸構(gòu)成封閉的容積，通過步進(jìn)電機(jī)控制的輔助油缸按照給定的速度向主液壓缸上腔供油，柱塞桿緩慢下行，完成壓制過程。精密輔助控制單元的自動控制系統(tǒng)采用S7-200PLC控制，安裝在主液壓缸柱塞桿上的位移傳感器將采集的位移信號實時反饋給PLC,實現(xiàn)對主液壓缸位移和速度的閉環(huán)控制，從而達(dá)到一個很高的精度。保壓過程：由于精密輔助控制單元采用的螺母絲杠機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，在步進(jìn)電機(jī)及主油路停止工作的情況下依然可以使主液壓缸保持一定壓力，大大節(jié)約了能源，同時避免了壓力波動對工件精度造成的影響。脫模過程則是主液壓缸緩慢泄壓的過程，此時只需要輔助油缸向外抽油，降低主液壓缸壓力即可。

3.3 實驗結(jié)果

實驗跟據(jù)實際壓制樣件尺寸選取了兩個位移量作為目標(biāo)值，實驗一的目標(biāo)值為2.800 mm，實驗二的目標(biāo)值為22.000 mm。經(jīng)過多次反復(fù)實驗得到實驗結(jié)果。利用精密輔助控制單元對主液壓缸的行程精度及重復(fù)精度控制均可以達(dá)到≤0.001 mm，并可以在保壓期間長時間的使主液壓缸保持在任意位置而不產(chǎn)生壓力波動。得到的實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 實驗數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

通過粉末冶金液壓機(jī)行程控制實驗驗證了容積介入式控制原理的可行性，同時證明了采用外部并聯(lián)輔助油缸的辦法可以實現(xiàn)粉末液壓機(jī)主液壓缸的精密行程控制，這種方案相對與采用液壓伺服系統(tǒng)控制可以達(dá)到更高的控制精度，并且具有升級成本低、能耗少、維修費(fèi)用低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，適合大面積推廣使用。

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專利介紹

一種扇形段自由輥冷卻水配管結(jié)構(gòu)(CN102825226A)

目前，扇形段冷卻水配管制造、加工工藝是：在扇形段框架熱處理前，必須將冷卻水配管提前制作完成，并焊接到框架上，隨框架進(jìn)行熱處理 ( 熱處理溫度為 550 ～ 600℃ )。這樣導(dǎo)致不銹鋼管道在熱處理過程中產(chǎn)生晶間腐蝕，強(qiáng)度下降，在使用過程中管道易產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響設(shè)備使用壽命和鑄坯質(zhì)量；而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；制作工藝、焊接工藝復(fù)雜。本發(fā)明的目的是提供一種扇形段自由輥冷卻水配管結(jié)構(gòu)，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷。

本發(fā)明為一種扇形段自由輥冷卻水配管結(jié)構(gòu)，包括多個設(shè)置有軸承座的底座及通過軸承設(shè)置在該多個底座上的自由輥，包括冷卻水進(jìn)水管、串接在各個底座之間的多個進(jìn)水管和多個出水管，與自由輥的腔室的左端相接的冷卻水回水管；該自由輥的腔室的右端與該多個出水管中的右端處的出水管相接。本發(fā)明避免了配管隨框架熱處理而導(dǎo)致的晶間腐蝕，提高了使用壽命和可靠性；結(jié)構(gòu)簡單；制作、焊接方便。

本發(fā)明的優(yōu)點是：避免了配管隨框架熱處理而導(dǎo)致的晶間腐蝕，提高了使用壽命和可靠性； 結(jié)構(gòu)簡單；制作、焊接方便。

Accuracy control of the powder metallurgy hydraulic press

XING Yu-long

( School of Engineering Training Center，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

This paper puts forward the concept of volume access control, it is based on the experiment of the powder metallurgy hydraulic press stroke control, which could over less dimensional accuracy. A PLC stepping motor is the drive, the auxiliary hydraulic cylinder of the precision auxiliary control unit is connected in parallel with the main hydraulic cylinder, it cut down the main oil passage to form a closed volume between the auxiliary and the main cylinder.Based on the accurate control, it could reach the control precision of 0.001 mm.

powder metallurgy hydraulic press; intervention volume control; closed volume

2016-12-26；

2017-01-25

天津市智能制造科技重大專項(15ZXZNGX00220)

邢玉龍(1989-)，男，助理工程師/助理實驗師，碩士，主要研究方向機(jī)械工程。

TG315

A

1001-196X(2017)03-0048-05