□ 黃慶華 □ 呂航鷹

浙江廣廈職業(yè)技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院 浙江東陽 322100

1 研制背景

金屬波紋管應(yīng)用廣泛,特別是在各類測(cè)量儀器儀表中,其主要用途是在壓力、溫度、流量等儀表中作為測(cè)量元件,通過金屬波紋管位移、力或體積的變化將位移、力或體積轉(zhuǎn)換成壓力、溫度和流量等指標(biāo)。為了提高波紋管的生產(chǎn)效率,研制了一臺(tái)多波自動(dòng)成型的U形金屬波紋管成型液壓機(jī)。

2 U形金屬波紋管基本參數(shù)

根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6169—2006《金屬波紋管》,以U形金屬波紋管為例,其基本參數(shù)如圖1所示,實(shí)物如圖2所示。U形金屬波紋管整體參數(shù)有內(nèi)徑(通徑)d、外徑D、波紋管單層壁厚δ0、波距q、波高H1、內(nèi)波紋圓角半徑Rn、外波紋圓角半徑Rw、總長度(自由長度)L、內(nèi)配合接口長度L1、外配合接口長度L2、波紋數(shù)n等。

3 U形金屬波紋管成型原理

U形金屬波紋管成型設(shè)備主要功能是將前期通過拉伸后的管坯進(jìn)行水壓成型,成型方法采用內(nèi)高壓成型法,其成型原理如圖3所示。內(nèi)高壓成型模具主要由模頭、模片及上模板等組成,成型的主要工作過程是上料、壓模、內(nèi)高壓成型、壓縮等幾個(gè)步驟。首先將管坯放置于波紋形狀的腔體中,放置好后先將兩端密封,密封段通過模頭使管坯內(nèi)一次充滿加壓膨脹液,在內(nèi)壓的作用下,U形金屬波紋管坯膨脹,貼合在成型模片的表面,脹壓成U形金屬波紋管的基本形狀。接著給U形金屬波紋管內(nèi)腔二次加壓,并壓縮模片,使U形金屬波紋管成型為所需的結(jié)構(gòu)形狀。

▲圖1 U形金屬波紋管基本參數(shù)▲圖2 U形金屬波紋管實(shí)物

▲圖3 U形金屬波紋管成型原理

4 U形金屬波紋管管坯計(jì)算

U形金屬波紋管的管坯長度按照成型基本原理,通常有三種計(jì)算方法。

(1) 按照U形金屬波紋管弧長展開計(jì)算。按照U形金屬波紋管弧長展開計(jì)算,通常是按照U形金屬曲線管管坯長度與U形金屬波紋管邊界母線長度相等進(jìn)行計(jì)算,即:

L0=[(π-1)Rw+(π-1)Rn+2H1]n

+L1+L2

(1)

式中:L0為波紋管管坯長度。

按照U形金屬波紋管弧長來計(jì)算U形金屬波紋管管坯長度是基于在成型過程中,U形金屬波紋管的壁厚不發(fā)生變化,即截面壁厚不發(fā)生改變。在實(shí)際的計(jì)算過程中,一般可以通過繪圖軟件繪制出邊界截面,并測(cè)量出邊界長度。

(2) 按照表面積相等原理展開計(jì)算。按照U形金屬波紋管成型后的外表面積與U形金屬波紋管管坯的表面積相同的原理計(jì)算,表面積的計(jì)算按照U形金屬波紋管的外表面?zhèn)让娣e相等原理,成型后的U形金屬波紋管管坯計(jì)算式為:

S1={[(D-2Rw)2-(d+2Rn)2+πRw(D-2Rw)

+πRn(d+2Rn)]K1n/2d+L1+L2}πd

(2)

S2=πdL

(3)

S1=S2

(4)

L0=[(D-2Rw)2-(d+2Rn)2+πRw(D-2Rw)

+πRn(d+2Rn)]×K1n/2d+L1+L2

(5)

式中:S1為成型后U形金屬波紋管的外表面?zhèn)让娣e;S2為U形金屬波紋管管坯的外表面?zhèn)让娣e;K1為縮短因數(shù)。

在實(shí)際計(jì)算中,可以應(yīng)用三維軟件完成U形金屬波紋管的三維造型,測(cè)量出成型后U形金屬波紋管的側(cè)面積,按照式(6)計(jì)算出管坯長度:

(6)

(3) 經(jīng)驗(yàn)公式估算。經(jīng)驗(yàn)公式估算是通過大量設(shè)計(jì)加工過程中的經(jīng)驗(yàn)得到的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法,通常計(jì)算如下:

L0=[(D-d)K2+q]n+L1+L2

(7)

式中:K2為經(jīng)驗(yàn)因數(shù)。

在實(shí)際加工過程中,除了計(jì)算管坯長度外,還需要增加預(yù)留量。

因?yàn)橥ㄟ^水壓成型的U形金屬波紋管完成成型后,對(duì)U形金屬波紋管的端口需要增加切口的工序,切口的預(yù)留長度一般為6～10 mm。

5 U形金屬波紋管成型壓力計(jì)算

根據(jù)理論分析,管坯成型壓力時(shí)主應(yīng)力值需大于管坯材料的屈服強(qiáng)度δs,管坯壁才開始屈服進(jìn)行流動(dòng),根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),成型壓力P為:

(8)

以0.1 mm壁厚、16 mm內(nèi)徑的錫青銅QSn6.5-1U形金屬波紋管為例,根據(jù)GB/T 2059標(biāo)準(zhǔn),錫青銅QSn6.5-1半硬材料強(qiáng)度極限δs不小于440 MPa,則P為1.94 MPa。

6 U形金屬波紋管成型液壓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

U形金屬波紋管液壓成型機(jī)主要包括機(jī)座、左模架、鎖鉤液壓缸、左螺旋插、鎖鉤片、左模片、復(fù)位彈簧、下壓柱、下壓液壓缸、右模片、右螺旋分模片、齒輪、右模架、開合模液壓缸、分模片液壓缸、油管、右模架、齒條、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、模頭、下模頭拖板等,機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示,成型部分如圖5所示,實(shí)物外形如圖6所示。左模架和右模架呈E字形結(jié)構(gòu)安裝在機(jī)座上,左、右模架與開合模液壓缸相連,開模狀態(tài)呈V字形。左、右模架的下部設(shè)有下模頭拖板,下模頭拖板可以前后拉伸,下模頭拖板上安裝有模頭,待成型的U形金屬波紋管管坯安裝于模頭上,成型后的U形金屬波紋管從模頭上取出。下模頭拖板與油管相連,U形金屬波紋管成型過程中的內(nèi)壓通過該油管加壓。以U形金屬波紋管為中心,從里往外安裝的分別為左右成型模片、左右螺旋分模片,其各自呈中心對(duì)稱安裝,左右螺旋分模片中心軸底部與齒輪相連,齒輪與齒條嚙合,齒條通過連桿與分模片液壓缸連接。鎖鉤液壓缸固定在機(jī)座前端左側(cè),鎖鉤片與鎖鉤液壓缸相連。U形金屬波紋管中心上方與機(jī)座相連的分別為下壓柱、復(fù)位彈簧及下壓液壓缸。

▲圖4 U形金屬波紋管成型液壓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

▲圖5 U形金屬波紋管成型液壓機(jī)成型部分▲圖6 U形金屬波紋管成型液壓機(jī)實(shí)物外形

7 U形金屬波紋管成型液壓機(jī)工作原理

U形金屬波紋管液壓成型機(jī)的工作原理主要包括十個(gè)基本步驟:

(1) 初始狀態(tài)開合模液壓缸縮回,此時(shí)左模架和右模架呈打開的V字形狀態(tài)。拉出下模頭拖板,將管坯插入模頭,再將下模頭拖板內(nèi)推,推至左右模片的工作位置上。

(2) 開合模液壓缸伸出,推動(dòng)V字形連桿,并帶動(dòng)左右模架合攏,左右螺旋分模片,以及左右模片也一起合攏。

(3) 鎖鉤液壓缸伸出,帶動(dòng)鎖鉤片勾住右側(cè)模片,使左右模片連成一體。

(4) 分模片液壓缸縮回,帶動(dòng)齒條向后運(yùn)動(dòng),齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn),同時(shí)帶動(dòng)左右螺旋分模片分開左右模片,左右模片沿軸向均勻分開。

(5) 皂化液經(jīng)油管通過下模頭拖板向模頭填充,并充滿管坯內(nèi),此時(shí)U形金屬波紋管管坯在內(nèi)部高壓皂化液的加壓下,貼合成型模片的表面,脹壓成U形金屬波紋管的基本形狀。

(6) 分模片液壓缸的液壓桿伸出,帶動(dòng)齒條前推,使左右螺旋分模片按逆時(shí)針方向退出左右模片。

(7) 皂化液經(jīng)油管通過下模頭拖板向模頭的U形金屬波紋管二次加壓,同時(shí)下壓液壓缸的液壓桿向下伸出,推動(dòng)下壓柱下移,下壓模片推動(dòng)左右成型模片下壓,下壓過程中,在U形金屬波紋管內(nèi)壓和下壓的雙重作用下,U形金屬波紋管完成塑性變形成型。

(8) 下壓液壓缸的液壓桿回縮,下壓柱在彈簧力的作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

(9) 鎖鉤裝置打開,并脫離右模片,開合模液壓缸回縮,帶動(dòng)V字形連桿,同時(shí)帶動(dòng)左、右模架打開,左右模片也呈V字形打開。

(10) 拉出下模頭拖板并獲取成型后的U形金屬波紋管,動(dòng)作結(jié)束。

8 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力部分、控制部分、執(zhí)行部分、輔助部分等四部分組成。U形金屬波紋管液壓成型機(jī)液壓系統(tǒng)原理如圖7所示,由兩個(gè)液壓回路組成,主回路分別控制鎖鉤油缸等四個(gè)動(dòng)作液壓缸,次回路主要控制加壓油缸,實(shí)現(xiàn)皂化液缸的二級(jí)壓力輸出。

▲圖7 U形金屬波紋管成型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)的動(dòng)力部分是液壓泵站,主要由油箱、過濾器、液位計(jì)、三相電機(jī)及兩個(gè)軸向柱塞泵等組成,軸向柱塞泵1提供壓力給四個(gè)動(dòng)作液壓缸,軸向柱塞泵2提供壓力給加壓油缸?？刂撇糠种?軸向柱塞泵1的控制回路主要是通過先導(dǎo)式溢流閥為液壓缸提供穩(wěn)定的供油壓力,并通過四個(gè)三位四通電磁換向閥來分別控制液壓缸的伸出和回縮,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作的控制。軸向柱塞泵1的控制回路壓力由先導(dǎo)式溢流閥和減壓閥控制,實(shí)現(xiàn)二次加壓供給,再通過一個(gè)三位四通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)加壓油缸的工進(jìn)和工退。二位三通電磁換向閥主要控制U形金屬波紋管內(nèi)壓的加壓和泄壓。執(zhí)行部分主要由五個(gè)液壓缸組成,分別是鎖鉤液壓缸、開合模液壓缸、分模片液壓缸、下壓液壓缸、加壓油缸。鎖鉤液壓缸的主要作用是帶動(dòng)鎖鉤片勾住右側(cè)模片,將左右模片連成一體。開合模液壓缸的主要作用是推動(dòng)V字形連桿,V字形連桿帶動(dòng)左右模架合攏。分模片液壓缸的主要作用是通過齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn),從而使左右螺旋分模片旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)分模片的旋進(jìn)和退出。下壓油缸的作用是推動(dòng)下壓柱下移,從而推動(dòng)左右成型模片下壓。加壓油缸與皂化液缸通過聯(lián)軸器直連,為皂化液缸提供壓力,使皂化液缸在加工過程中產(chǎn)生壓力穩(wěn)定的皂化液,保證U形金屬波紋管完成內(nèi)壓膨脹成型。

U形金屬波紋管成型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)的電磁鐵動(dòng)作順序見表1,+表示得電。電磁鐵YA1控制四個(gè)工作液壓缸的系統(tǒng)壓力,電磁鐵YA2和YA13控制加壓油缸的系統(tǒng)壓力。電磁鐵YA3～YA10分別控制主回路當(dāng)中的四個(gè)動(dòng)作液壓缸,電磁鐵YA11和YA12控制加壓油缸的工進(jìn)和工退,電磁鐵YA14控制下模頭U形金屬波紋管工件的加壓和泄壓。

表1 電磁鐵動(dòng)作順序表

9 電氣系統(tǒng)

9.1 動(dòng)作過程

U形金屬波紋管液壓成型系統(tǒng)的動(dòng)作過程為:手動(dòng)裝夾管坯,推動(dòng)下模頭拖板觸發(fā)自動(dòng)循環(huán)開關(guān)ST1,完成工作循環(huán)加工,拉出下模頭拖板,手動(dòng)松卸工件。

9.2 控制要求

管坯安裝完成后,推動(dòng)下模頭拖板,觸發(fā)自動(dòng)循環(huán)開關(guān)ST1,完成U形金屬波紋管的成型加工。

液壓系統(tǒng)主回路四個(gè)液壓缸分別實(shí)現(xiàn)工進(jìn)和工退的動(dòng)作控制,次回路實(shí)現(xiàn)加壓、泄壓的動(dòng)作。其中,電磁鐵YA1～YA14分別控制相關(guān)動(dòng)作。

U形金屬波紋管成型液壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)操作和手動(dòng)調(diào)整操作的功能,同時(shí)各主要運(yùn)動(dòng)動(dòng)作可在手動(dòng)調(diào)整時(shí)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)操作。在進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整操作時(shí),可以實(shí)現(xiàn)主回路四個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng),但次回路液壓缸沒有加壓動(dòng)作。

10 液壓系統(tǒng)接線

U形金屬波紋管成型液壓機(jī)外部電機(jī)接線原理如圖8所示,繼電器主電路和控制電路。主電路包括繼電器KM1控制液壓軸向柱塞泵驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)M1,KM2控制液壓軸向柱塞泵驅(qū)動(dòng)三相異步電機(jī)M2。控制電路中,SB1～SB4為兩臺(tái)電機(jī)的啟閉開關(guān)。按動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB1,KM1線圈同時(shí)通電自鎖,電機(jī)M1啟動(dòng)工作。按動(dòng)SB2,KM1線圈斷電,電機(jī)M1停止工作。同理,按動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB3,KM2線圈同時(shí)通電自鎖,電機(jī)M2起動(dòng)工作。按動(dòng)SB4,KM2線圈斷電,電機(jī)M2停止工作。SB0為急停開關(guān),按動(dòng)按鈕SB0,KM1、KM2線圈均斷電,主電路、控制電路均斷電,控制系統(tǒng)急停。

▲圖8 U形金屬波紋管成型液壓機(jī)外部電機(jī)接線原理▲圖9 可編程序控制器接線原理

11 可編程序控制器控制系統(tǒng)

U形金屬波紋管成型液壓機(jī)控制系統(tǒng)選用可編程序控制器控制,其接線原理如圖9所示,其輸入、輸出地址分配見表2、表3。其它輸入地址采用觸摸屏虛擬按鈕,其觸摸屏功能界面、參數(shù)設(shè)置界面分別如圖10、圖11所示。

▲圖10 控制系統(tǒng)觸摸屏功能界面▲圖11 控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

U形金屬波紋管成型液壓機(jī)的自動(dòng)循環(huán)過程如下:手動(dòng)裝夾管坯后,推動(dòng)下模頭拖板,觸發(fā)自動(dòng)循環(huán)開關(guān)ST1,YA1、YA6線圈得電0.5 s,合模液壓缸伸出,YA1、YA3線圈得電0.25 s,鎖鉤液壓缸伸出,YA1、YA7線圈得電0.85 s,合模片液壓缸回縮,YA2、YA11線圈得電0.6 s,加壓油缸伸出,第一次加壓,YA1、YA8線圈得電0.5 s,合模片液壓缸伸出,YA2、YA11、YA13線圈得電0.7 s,加壓油缸繼續(xù)伸出,第二次加壓,同時(shí)YA1、YA10線圈得電0.55 s,下壓液壓缸伸出,YA1、YA9線圈得電0.15 s,下壓液壓缸縮回,YA2、YA12、YA14線圈得電3 s,加壓油缸回縮,同時(shí)完成U形金屬波紋管內(nèi)腔泄壓,YA1、YA4線圈得電0.25 s,鎖鉤液壓缸回縮,YA1、YA5線圈得電0.35 s,合模液壓缸回縮,一次自動(dòng)循環(huán)完成,拉出下模頭拖板,手動(dòng)松卸獲取工件。

表2 可編程序控制器輸入地址分配

12 操作說明

為了便于調(diào)整與操作,U形金屬波紋管成型液壓機(jī)的電氣控制設(shè)有手動(dòng)調(diào)整與自動(dòng)循環(huán)兩種控制方式,以滿足調(diào)整檢修和加工的需要。

手動(dòng)調(diào)整模式時(shí),點(diǎn)按SB5按鈕或者點(diǎn)按觸摸屏上手動(dòng)/自動(dòng)按鈕,即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)的切換。當(dāng)選擇手動(dòng)時(shí),可以分別點(diǎn)按觸摸屏上的各項(xiàng)參數(shù)按鈕,實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的手動(dòng)控制,手動(dòng)命令主要應(yīng)用于U形金屬波紋管成型液壓的參數(shù)調(diào)整和檢修調(diào)整。

自動(dòng)循環(huán)方式時(shí),再次點(diǎn)按SB5按鈕或者點(diǎn)按觸摸屏上手動(dòng)/自動(dòng)按鈕,當(dāng)選擇自動(dòng)模式時(shí),加工過程中各工作過程按照預(yù)設(shè)的時(shí)間和動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給。安裝好U形金屬波紋管管坯后,推動(dòng)下模頭拖板,下模頭拖板壓下自動(dòng)循環(huán)開關(guān)ST1,開始循環(huán)加工,每循環(huán)一次,完成一次加工過程。

表3 可編程序控制器輸出地址分配

在加工過程中,若由于前序加工的管坯存在質(zhì)量問題,導(dǎo)致加壓過程中管坯開裂,此時(shí)皂化液會(huì)產(chǎn)生飛濺,需要快速按急停按鈕,以免發(fā)生U形金屬波紋管開裂卡住模具,從而損壞模具。

U形金屬波紋管成型液壓機(jī)操作順序?yàn)?通電源,啟動(dòng)電氣系統(tǒng),觸摸屏亮起,按SB1、SB3啟動(dòng)電機(jī),控制面板電源指示燈亮,選擇自動(dòng)工作方式,拉出下模頭拖板放置U形金屬波紋管管坯,推動(dòng)下模頭拖板下壓,自動(dòng)開始U形金屬波紋管成型加工,待成型加工結(jié)束后,拉出下模頭拖板并取出U形金屬波紋管,然后繼續(xù)裝夾U形金屬波紋管管坯,完成下一次加工。

13 結(jié)束語

通過優(yōu)化U形金屬波紋管成型液壓機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng),將傳統(tǒng)的手動(dòng)控制改進(jìn)為自動(dòng)控制,并將多個(gè)模片組合成成型模組,在U形金屬波紋管水壓成型的加工過程中較大地提高了生產(chǎn)效率。通過近幾年的投入使用,證明該液壓機(jī)的維護(hù)、調(diào)試與保養(yǎng)均較為方便。