潘信強(qiáng)，劉紅梅，顧玉宏

（合肥海德數(shù)控液壓設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230601）

一種超塑成形設(shè)備的控制與應(yīng)用

潘信強(qiáng)，劉紅梅，顧玉宏

（合肥海德數(shù)控液壓設(shè)備有限公司，安徽 合肥 230601）

超塑成形是制造難變形材料復(fù)雜零部件的一種精密成形技術(shù)，超塑成形設(shè)備通過溫度加熱和測控系統(tǒng)以及成形速度和壓力控制系統(tǒng)，使特殊材料在溫度和氣壓作用下發(fā)生超塑變形。

超塑成形；應(yīng)變速率；精密氣體；溫度控制

1 采用數(shù)值模型研究超塑成形工藝

超塑成形工藝可大幅減輕構(gòu)件質(zhì)量，降低制造成本。在凹模脹形中，壓邊圈下的材料不能向模腔補(bǔ)料，模腔內(nèi)材料的變形依賴于板厚變薄。對復(fù)雜深腔類零件，成形過程中板料各點的應(yīng)力狀態(tài)均不相同且隨時間變化，導(dǎo)致成形件壁厚均勻性差，改善壁厚均勻性是超塑成形研究的重要內(nèi)容之一。目前，改善壁厚均勻性實用的超塑成形技術(shù)主要有正反脹形法、動模成形法等。成形壓力是影響超塑脹形過程的主要工藝參數(shù)之一。以Backofen方程的Mises條件為前提導(dǎo)出的鋁合金材料本構(gòu)關(guān)系為

式中：u——應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，也是衡量材料超塑性能的重要指標(biāo)之一。超塑性材料具有對應(yīng)變速率的高度敏感性，應(yīng)變速率敏感性指數(shù)u值與應(yīng)變速率密切相關(guān)，對應(yīng)于u值最大時的應(yīng)變速率即為材料的最佳應(yīng)變速率εy。超塑成形過程中必須控制材料應(yīng)變速率在超塑性范圍內(nèi)，同時盡量使材料應(yīng)變速率在εy附近，此時材料超塑性能最佳。

實踐中發(fā)現(xiàn)，采用最大應(yīng)變速率恒定法進(jìn)行壓力優(yōu)化控制，亦即以材料的最佳變速率εy，作為實際變形過程中工件最大應(yīng)變速率的目標(biāo)值，控制成形過程工件最大應(yīng)變速率恒定，并以此進(jìn)行壓力迭代，計算P-T曲線。在工藝控制軟件研制過程中，還針對有模具約束的復(fù)雜邊界條件約束下工藝設(shè)計困難問題，考慮到實際零件的需要，設(shè)計了專用的壓力控制及厚度預(yù)測模塊，可自動計算并輸出P-T曲線和厚度分布曲線，并最終形成下面氣壓和時間最優(yōu)控制曲線，如圖1所示。

圖1 氣壓和時間工藝曲線

2 超塑成形設(shè)備的應(yīng)用控制

2.1 基于工控機(jī)和PLC的主從控制方法

電氣控制系統(tǒng)采用工控機(jī)和PLC主從控制方法，實現(xiàn)超塑成形設(shè)備位移和壓力閉環(huán)精密控制。從工控機(jī)對壓制力值進(jìn)行設(shè)定和顯示，工控機(jī)向PLC發(fā)出工作指令，PLC控制整個機(jī)床協(xié)調(diào)有序動作，同時PLC檢測各系統(tǒng)狀況，返回到工控機(jī)，在屏幕上實時顯示機(jī)床的工作狀態(tài)。工控機(jī)記錄加工數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)存儲，便于工藝分析。PLC選用西門子新型產(chǎn)品和溫度控制模塊。PLC對各種開關(guān)量、溫度傳感器、氣壓閉環(huán)控制等控制量進(jìn)行控制。

在液壓系統(tǒng)中設(shè)置有壓力傳感器，與PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)主缸壓力精密控制，控制精度達(dá)到±1.6%。壓力控制過程如下：首先從顯示器對壓力值進(jìn)行數(shù)字設(shè)定，傳入PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和計算，直接控制數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出通道輸出一個電壓值，到信號放大卡，經(jīng)過PID計算，輸出一個電壓值給比例電磁鐵，電壓值與電磁鐵吸力成正比，比例閥的壓力隨電磁鐵吸力改變。壓力實際值經(jīng)力傳感器采樣后，進(jìn)入模擬量輸入通道，模數(shù)轉(zhuǎn)換后與設(shè)定值進(jìn)行比較，并輸出信號，不斷采樣、比較、控制、輸出控制，為一帶負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力反饋系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 壓力反饋系統(tǒng)

壓機(jī)位移控制采用位置傳感器和PLC構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，位移傳感器選用巴魯夫產(chǎn)品，其定尺安裝在主機(jī)上，動尺滑塊安裝在動梁上，將壓機(jī)信號實時傳遞到PLC模擬量模塊，PLC經(jīng)PID控制后，輸出給比例伺服閥，實現(xiàn)動梁位移的精密控制，重復(fù)定位精度0.02mm，保證了每次超塑成形合模位置的準(zhǔn)確性。

2.2 精密模具溫度在線控制系統(tǒng)設(shè)計

熱壓機(jī)采用電加熱管加熱模具，通過向加熱板內(nèi)插入電加熱管，使加熱板加熱，在加熱板內(nèi)設(shè)有多點熱電阻元件來測控加熱板溫度。加熱板采用分塊控制技術(shù)，電加熱管的布局運(yùn)用了計算機(jī)熱場效應(yīng)分析，采用46路溫度控制器，調(diào)節(jié)確保了大面積加熱板的熱均勻性。加熱控制系統(tǒng)具有自調(diào)節(jié)功能，可自動優(yōu)選PID參數(shù)，保證了大臺面加熱板的控溫精度。電加熱存在溫度容易耗散，耗電功率大，溫度不容易恒定。經(jīng)過與用戶探討，在主機(jī)設(shè)計中，采取了以下方案：先在主機(jī)滑塊和工作臺面上放一層1800mm×2500mm、厚度100mm的隔熱板，保證加熱過程中熱量不傳遞到主機(jī)上，避免主機(jī)產(chǎn)生熱變形。該隔熱板采用進(jìn)口隔熱材料制成。

圖3 加熱爐的設(shè)計

在隔熱板上安裝耐火磚，耐火磚下是加熱板，如圖3所示。加熱板為板式結(jié)構(gòu)，具有加熱速度快、加熱均勻性好等優(yōu)點，加熱板內(nèi)上下各布置46組溫度傳感器，測量加熱板的溫度，保證溫度均勻。將傳感器數(shù)據(jù)輸入溫度控制器中，進(jìn)行綜合判斷，對電阻絲進(jìn)行控制，實現(xiàn)加熱板的恒溫，由加熱板溫度傳遞到模具上，最終實現(xiàn)模具和被加工件的溫度精密控制。

在動梁行程范圍內(nèi)，壓機(jī)四周安裝保溫層，由石棉層、耐火磚層、安裝板等構(gòu)成，防止?fàn)t內(nèi)溫度散失。

設(shè)計中考慮到電氣線路的發(fā)熱問題，所有線路采用熱防護(hù)管保護(hù)，提高了設(shè)備的可靠性。

3 結(jié)論

本文所述超塑成形設(shè)備的研制是綜合機(jī)械、電氣控制、計算機(jī)、精密檢測、液壓伺服等多學(xué)科知識的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。此設(shè)備的研制可解決大型鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件超塑成形的多項關(guān)鍵技術(shù)問題，并可提高超塑成形工藝自動化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]王祝堂，田榮璋.白柯芬（Backofen）超塑性本構(gòu)方程式[M].湖南：中南大學(xué)出版社，2002.

[2]張海平.液壓速度控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Control and Application of a Superplastic Equipment

PAN Xinqiang,LIU Hongmei,GU Yuhong
（Hefei Haide Hydraulic Press Co.,Ltd.,Hefei 230601,Anhui China）

Superplastic forming （SPF） is a precision forming technology for making complex parts of difficult-to-deform materials.SPF equipment through temperature heating and monitoring and control system,gas forming speed and pressure control system,so that special materials in the temperature and pressure under the action of superplastic Deformation.

Strain rate;Precision gas;Temperature control

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.019

1672-0121（2017）03-0068-02

2017-01-05；

2017-02-27

潘信強(qiáng)（1982-），男，助工，從事電氣機(jī)械設(shè)備設(shè)計研發(fā)。E-mail：16738895@qq.com