波动加载管材液压成形系统关键问题的研究.pdf

第 6 期 总第 1 6 9期 2 0 1 1年 1 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG 8 L AUT MAT1 0N NO ．6 De c ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 1 0 6 0 0 9 0 0 3 波动加载管材液压成形 系统关键 问题的研究 林 小波 ，王炳 德 ，刘 莹 东北大学 机械工程与 自动化学院，辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 4 摘要 分析 了液压 成形设备 的组成 以及在研发波动加载管材液压成形 系统过程中涉及 的关键 问题，并对每个 问题都提 出了合理的解决方案，实现 了系统的设计要求。 关键词 波动加载；管材 ；液压成形 系统 ；超高压；P L C 中图分类号 T G 3 8 6 ． 4 3 TP 2 7 3 文献标识码 A O 引言 提高零部件使用性能、减轻零部件重量、节约材 料是现代先进制造技术追求的 目标和发展趋势[ 1 ] 。管 材液压成形技术因其轻量化和一体化的特征在汽车行 业和航空航天等领域得到了广泛应用。 目前 ，欧美等 国的科研单位和企业都对该技术进行了深入研究，并 在轻量化构件的制造 中进行 了广泛应用L 2 ] 。由于管材 内高压成形设备的要求较高、投资昂贵，目前 国内可 独立制造成套内高压成形设备的机构还不多 ，这在一 定程度上限制了国内内高压成形技术 的研究和发展 。 为更深入地研究管材成形技术 ，本文设计了一套可实 现波动加载的管材液压成形系统，并对其中的关键问 题进行了深入的研究和探讨。 1 管材液压成形设备的组成 管材液压成形设备 由合模压力机 、模具系统、充 液增压系统、数据采集和控制系统 4部分组成L 3 ] 。 1 ． 1 合模 压 力机 合模压力机在管材液压成形时提供合模力，将模 具锁紧，保证在成形过程中不会因模具开缝造成零件 飞边或引起管端密封失败。由于液压机可在其全行程 的任意位置输出系统的最大压力 ，并易于实现调压和 保压，故本系统采用液压机作为合模压力机。 1 ． 2模具 系统 本系统采用的模具沿工件的分型面分为上模和下 模，上模固定在可滑动横梁上 ，随横梁移动开闭模具 ， 下模固定在液压机的工作台上，模具中间部分可更换 不同的型腔，以满足不同的实验要求，如图 1 所示。 1 ． 3 充液增 压 系统 此部分是管材液压成形系统的核心部分。当模具 锁紧后 ，侧推缸开始进给，推动冲头进给对管材进行 预密封 ；之后 ，乳化液充液系统向管材内填充乳化液 并排出管内气体；乳化液填充完毕后超高压增压系统 工作 ，管材内液体压力升高，完成管材 的胀形。图 2 为液压系统工作原理图。 上模 图 1 管材 液 压 成 形 系统 模 具 1 。 4数据 采集 和控制 系统 数据采集部分 由传感器、计算机 、数据采集卡等 组成 。传感器将检测到的不同信号转换成电压信号， 经数据采集卡 A／ D转换后输入计算机，计算机 内的 记录和显示程序将上述物理量以数据文件形式保存在 计算机 内，以备后续 的实验结果 处理、存储、打 印 等。控制部分由计算机、数据采集卡 、P I D调节器、 比例伺服阀等组成。压力传感器将检测到的实时压力 通过数据采集卡反馈给计算机并与设定的压力值相比 较 ，通过 P I D调节器调节后作用 于比例伺服 阀，直 至系统压力符合设定值 ，控制部分实现了对系统 的闭 环控制和管材液压成形的 自动化。 2 关键 问题 的研究 在系统的研发过程 中，涉及到很多影响整个系统 可行性 、稳定性和安全性的因素。本文对这些因素进 行了深入的研究并提出了合理的解决方案。 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 1 6 作者简介 林小波 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东临沂人 ， 在读硕士研究生 ， 主要研究方 向； 管材内高压成形系统的设计研发 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 i年第 6 期 林小波 ，等波动加栽 管材液压成形 系统关键 问题 的研 究 9 i 2 ． 1 密 封 泄漏是液压 系统 的 “ 通病” ，外泄会污染环境 ， 还会影响液压泵的工作性能和液压执行元件运动的平 稳性 ；内泄严重时，会造成系统容积效率过低及油液 温升过高，导致系统不能正常工作L 4 ] 。密封是解决液 压系统泄漏问题的有效手段之一，由于本系统内压较 高，做好系统的密封工作对整个系统至关重要。本文 将侧推缸的进给设置为一静一动，先手动调整左侧 冲 头的位置 ，即分配液压缸 l 6 先 向左侧水平缸 1 7内充 液，推动左侧冲头进给到预设的位置 ，之后启动开始 按钮，分配缸只向右侧 的水平缸无杆腔 内填充液压 油 ，推动右侧冲头进给，左侧冲头静止。在右侧冲头 接触管坯后推动管坯向左进给，直到管坯左端接触左 侧冲头并形成一定压力后停止。当乳化液填充满管材 后 ，两端冲头再同步进给 ，密封好管材两端。该设计 既解决了冲头对管端的密封问题 ，又减少了冲头同步 进给引起的冲击 ，从而减少 了管材的屈曲率 ，提高了 管材的使用率。 1 一轴 向柱塞泵 ；2 一电动机 ；3 ，2 4 一溢流阀 ；4 ，1 5 ，2 1 一压力表 ；5 ，6 ，7 ，1 l ，1 2 ，1 9 ，2 3 一三位四通 电磁换向阀 ； 8 ，2 8 ，2 9 一单 向阀 ；9 ，1 0 ，1 3 ，1 4 ，2 5 一压力 继电器 ；1 6 一分配液压缸 ；1 7 。1 8 一水平侧推缸 ；2 O 一先导 比例电磁溢流阀 ； 2 2 一增 压缸 ；2 6 一乳化液缸；2 7 一乳化液油箱 ；3 O 一反馈放大器 ；3 1 一P I D调节器 ；3 2 一比例放大器 ；3 3 一计算机 图 2 液压系统 工作原理图 2 ． 2进 给补料 管材胀形时轴向会出现收缩，此时如果两侧冲头不 能及时进给补料，一方面会造成管端密封不严引起泄 漏，另一方面会使管壁过度减薄，严重时管坯破裂，降 低管材胀形成功率。因此在管材胀形的过程中，两端冲 头要及时地进给、补料。本系统在增压回路上添加了一 条支路，该支路由换 向阀 1 1 、分配液压缸 1 6 、侧推缸 1 7 、1 8 组成 。在增压 缸 2 2工作 时，通过换 向阀的油 液 一 部分经支路流入分配缸的A腔。在内压力升高，管材 胀形收缩时，油液通过换 向阀 1 1 右侧进入分配缸的 A 腔，推动分配缸 l 6的活塞进给向两水平侧推缸无杆腔 内注入油液，从而推动两端冲头及时进给补料。 2 ． 3 超 高压 的 实现 本文设计的液压系统要求最大输 出内压达到 3 0 0 MP a ，由于 目前常规液压 系统 的最高压力只能达 到 3 2 MP a 4 0 MP a ，所以要实现超高压必须采用增压 缸进行增压。为减轻系统低压端的压力同时实现系统 的超高压输出，本文设计 了一个增压比为 1 2 1的单 动增压缸，即增压缸 2 2 。 2 ． 4双介 质供 油 乳 化 液既能克 服液压 油在 高压 下压缩量 大 、成本 高、难清理的缺点 ，又具有防锈作用 ，因此管材液压 成形系统采用乳化液作为加压介质。本文在设计乳化 液的充液 、吸液时采用 了独特的思路，在乳化液缸 2 6的输出端设置 了两个单 向阀 2 8和 2 9 。管材成形 时 ，单 向阀 2 9右侧 的压力较高 ，左侧的较低 ，该阀 作为隔离高压和超高压的元件，隔离开左 、右两侧 ， 以保护整个系统的安全运行 ；单向阀 2 8则在乳化液 充液时封闭 ，管材胀形完成后 ，乳化液缸 回程时打 开 ，以满足乳化液缸从乳化液油箱 2 7中吸液。该设 计省略了独立的乳化液充液系统，在满足系统双介质 供油的同时，使整个液压系统 结构更加简单、紧凑 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 1 年 第 6期 节省了设备空间和系统设计成本。 2 ． 5 自动 化 的 实现 本文设计的系统采用了较多的压力继电器 ，这些 继电器在 P L C的控制下实现不 同支路 的动作转换。 另外 ，由于管成形过程 中系统 的压力比较高，所以对 系统的控制精度要求也高。为达到控制精度的要求 ， 本文设计的液压 系统采用闭环控 制，由压力传感器 、 反馈放大器 3 O 、计算机 3 3 、P I D控制器 3 1 、比例放 大器 3 2以及先导电磁比例溢流阀等实现对 内压力的 自动控制 。系统闭环控制框图如图 3 所示。 鲨 H H H 增 压 缸 L_ 一 H压 力 传 感 器I l 骣I l ／ J l ’ I I I l 图 3 系统 闭环控制框图 2 ． 6 波动加 载 的 实现 内压力的波动加载是本系统最关键的问题 。本文 在增压缸的低压端设置了先导 比例电磁溢流阀，从闭 环控制框图可以得到，增压缸高压端的压力传感器将 检测的实时压力转换成电压信号，经数据采集卡 A／ D转换后输入计算机 ， 与设定 的信号比较 ，经 D ／ A转 换后通过 P I D控制器调节，最后通过 比例放大器放 大后作用于先导比例电磁溢流阀，溢流阀阀口开启卸 荷实现增压缸低压端的压力波动，从而实现输出内压 力 的波 动 。 3 结束 语 本文在研究管材 内高压成形工艺的基础上 ，结合 实际的实验要求，自主研发的可波动加载的管材超高 压液压成形设备具有结构简单紧凑、工作可靠 、节能 高效、控制精度高等优点 ，可以满足管材液压成形实 验的内压力波动加载要求 ，同时也为国内液压成形设 备的研发提供 了参考。 参考文献 [ 1 ] 苑世剑 ， 王仲仁． 内高压成形的应 用进展 [ J ] ．中国机械工 程 ， 2 0 0 2， 1 3 9 7 8 3 7 8 6 ． E 2 ] K o c M，A k a n T．A n o v e r a l l r e v i e w o f t h e t u b e h y d r o f o r mi n g t e c h n o l o g y [ J] ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g Te c h n o l o g y，2 0 0 1 ，1 0 8 3 3 8 4 3 9 3 ． [ 3 J 袁 安营， 王忠堂 ， 程明 ， 等． 管材 内高压成形 系统的建立及 若 干问题 的探讨[ J ] ． 锻压装备与制造技术 ， 2 0 0 8 ， 4 3 1 8 O 一 84 ． [ 4 ] 刘延俊． 液压与气压传动 [ M] ． 第 2版 ．北 京 机械工业 出 版 社 ． 2 0 0 7 ． Cr i t i c a l Pr o b l e ms i n Tu b e Hy dr o f o r mi n g S y s t e m wi t h Fu n c t i o n o f Pu l s a t i ng Lo a d i ng LI N Xi a o - b o，W ANG Bi ng - d e，LI U Yi n g S c ho o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4，Ch i n a Ab s t r a c t Th e c o mp o s i t i o n o f a t u b e h y d r o f o r mi n g s y s t e ms i s a n a l y z e d a n d s o me c r i t i c a l p r o b l e ms i n t u b e h y d r o f o r mi n g s y s t e m wi t h t h e f u n c t i o n o f p u l s a t i n g l o a d i n g a r e d i s c u s s e d a n d a d d r e s s e d ，r e a l i z i n g t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s p u l s a t i n g 1 o a d i n g；t u b e ；h y d r o f o r mi n g s y s t e m ；u l t r a h i g h p r e s s u r e ；PLC 上 接第 8 9页 感器检测上模是否有电极被卡住 ，并 由蜂鸣器或闪光 灯警 示操作人员 。检测元件采用 O MR ON数字光纤 传感器 E 3 XZ D 1 1 ，NP N输 出型。 光纤传感器检测 电路见 图 4 。当模具 上升到位 行程开关 F C 时，F C触点闭合 ，当光纤传感器检 测到电极时，报警灯两端获得 2 4 V电压 ，灯亮警示 操作人员。 图4 光纤传感器检测电路接线图 Me c h a n i c a l De v i c e a n d E l e c t r i c C i r c u i t t o Av o i d Ma t e r i a l s - j a mme d LI Ro n g - f a ng De p a r t me n t o f Me c h a t r o n i c En g i n e e r i n g，Wu x i Tr a n s p o r t a t i o n I ns t i t ut e o f Vo c a t i o n 8 L Te c h n o l o g y，W u x i 21 4 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th e s t a n d a r d p r o c e s s o f a r a d i o f r e q u e n c y we l d i n g ma c h i n e i s p u t ma t e r i a l -- r o t a t e p l a t f o r m-- c l o s e mo u l d we l do p e n mo u l d --d i s c h a r g e ma t e r i a 1 ．S o me t i me ，t h e e l e c t r o d e ma y b e j a mme d a n d t h e mo u l d wi l l b e d a ma g e d ．I n o r d e r t o a v o i d t h i s t r o u b l e a n d r e mi n d t h e o p e r a t o r ，we u s e b a l l s p r i n g a n d o p t i c a l f i b e r s e n s o r t o d e s i g n t wo s e t s o f p r o t e c t i o n s y s t e ms ． Th e e f f e c t s a r e we l l a f t e r a l o n g t i me ’ s p r o d u c t i o n ． Ke y wo r d s b a l l s p r i n g；o p t i c a l f i b e r s e n s o r ；a n t i- j a mmi n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m