超高压管材液压成形控制系统的研制.pdf

第 3期 总第 1 6 6期 2 0 1 1年 6月 机 械 工 程 与自 动 化 M ECHANI CAL ENGI NEERI NG ＆ AUTOMAT1 0N NO ． 3 J u n ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 1 0 3 0 0 9 0 ． 0 3 超高压管材液压成形控制系统的研制 孟 艳 敏 ，林 小 波 1 ．佛 山广播 电视大学 ，广东 佛 山 5 2 8 0 0 0 ；2 ．东北 大学 机械工程学院，辽-7 沈阳 1 l o o o 4 摘要 介绍 了管材液压成形工艺，根据液压成形原理， 自主研制 出具备高压发生器 、阀门管路 等配件的超高 压液压 系统 ，同时通过可编 程控 制器 实现对 电磁 元件的控制 ，有效地解决 了管材在液压成形过程 中的端 口密 封 、进给补料等关键问题，为管材液压成形的实验研 究奠定 了基础。 关键 词 管 材 ；液压 成 形 ；超 高 压 ；液压 控 制 系统 中 图 分类 号 T P 2 7 3 文 献 标 识码 A 0 引言 管材液 压成形 是 一种 以液体介 质代替模 具传 递力 以实现金属塑性加工成形的方法，是利用管内液体产 生的高压 工作压力通 常为 1 0 0 MP a～ 4 0 0 MP a ，最 高达 1 0 0 0 MP a 使金 属管坯 变 形成 为具 有 三维 形状 零 件 的现 代塑 性加工 技术 ，属 于液力成 形的 范畴。 国际上能够 提供 管材液 压成形 成套 技术 与设 备 的 制造 商 多 数 集 中在 欧 洲 ，其 中， 以 德 国 舒 勒 公 司 、 S P S 公 司 和瑞 典 A P T公 司为 主要 代表 ⋯ 。这些 公 司 的成套 液压成 形设 备价 格 昂贵 ，对 于一般 的实验研 究 而言 ，大大超 出 了实验经 费 的要求 。哈尔滨工业 大 学 是国内最早开展 内高压成形技术研究和设备研制的单 位 ，但是 国内其 他研 究机 构或高校 在此 方面 的研究 投 入相对过少，主要是高压发生器、阀门管路配件等的 自动化水平 还较低 。本 文针 对 国内相关制 造技术不 足 的现状 ， 自行 研 制 了成形 超 高压液 压系统 ，开发数 据 测试采 集及 闭环控 制系统 。 1 管材 液压成 形工 艺特 点 管材 液压成 形又 称 内高压成 形 ，是在 传统 液压胀 形 工艺 的基础上 发展起 来 的一种 先进 的现 代塑性 加工 技 术 ，是 以无缝 管件 、焊接 管件 、异形截 面的挤 压型 管 为原料 ，通过专 门的液压设 备 向管材 内注入液体 并 逐渐增 加 管内液体 的压 力 ，同时在 管材 的两端施加 轴 向的载荷进行 补料 。在 两种外 力 的共 同作用 下使管 材 在给定 的型腔 内发 生塑性 变形 ，最终 管壁与模 具型 腔 内壁贴 合 ，得 到形状 与精 度均符 合技术 要求 的中空零 件 。 如 图 1所示 ，管 材液压 成形 的工 艺过 程可 分 为 3 个阶段 ①填充阶段，将管材放入下模 内，然后 闭合上模 ，锁模后 向管材 内充入 液体 直 至填充满 ，并 排除管内气体，同时将管的两端用水平冲头密封；② 成 形阶段 ，管材 内充 满液 体并 密封好 后 ，通过 增压 缸 的作用对 管 内液体 加压 ，使 管材 逐渐胀 形 ，同时两端 冲头按照设定 曲线 向 内推 进补料 ，在内压 和轴 向补料 的联合作用下使管材基本贴靠模具 内壁，此时除过渡 区圆角外的大部分区域已经成形 ；③整形阶段，继续 提高成形压力 使过 渡区 圆角完全 贴模成 形 为所 需 的工 件 。 b成形阶段 收稿 日期 2 0 1 1 ． 0 3 ． 3 0 作者简介 孟艳敏 1 9 6 7 - ， 女 ， 辽宁鞍山人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要研究方向 计算机控制与自动化。 c 整形阶段 图 l 液 压 成 形 原 理 图 头 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 3期 盂艳敏 ，等 超高压管材液压成形控制 系统的研制 9l 2管材 液压 成形 系统 的设 计 2 ． 1 双 介质供 油回路 的设计 超 高 压液 压系统 是液压 成形设 备 必不 可 少 的重 要 组 成部 分 ，管材 液压成 形过 程 能否顺 利进行 并 最终 生 产出合格的工件在很大程度上取决于液压 系统 的设 计 。本 文设 计 的超高 压液压 系统 主要 用 于管 材液压 成 形 的实 验研 究 。系统 采用 了液 压油 和乳化 液 的双介 质 供油 系统 ，其 主要原 因是 ① 在系统 的高压 端 ，成形 过程 中管材 内的油液 在密 封不佳 的情 况下 会 有少许 的 泄漏 ，这样 会对 试验 台造 成污 染 ；② 用 于实 验 的管材 体积较 小 ，所 以填充 到管 材 内的液体 比较 少 ，在 实验 结束后如果回收，净化过滤会 比较繁琐 ；③超高压部 分 如果采 用液 压油 ，从长 远 的角度 看 ，会 大 大提 高实 验 成本 ，而乳 化液 作为水 基溶 液 同样可 以实 现管 材 的 胀形 ，并 且其 价格 要 比液 压 油低廉 ，所 以在 管材 液压 成 形过程 中采用 了乳化 液作 为液体 介质 ；④ 在 系统 的 低 压端 ，各 种液压 电磁 阀需 要黏度 和 纯度较 高 的液 压 油 作为 液体介 质 ，这样 既能使 控制 精度 提高 ，又可 以 增 加 电磁 阀的使用 寿命 。 双介 质供 油 回路 如图 2所 示 ，液压 系统 工作 时 的 动作 次序 为 在 两端 冲头进 给 到接触 管端 口时 ，电磁 换 向阀 2的左 侧 电磁 铁 3 D T 以及 换 向 阀 3左 侧 的 电 磁铁 1 D T通 电 ，液 压 油 进 入 充 液 缸 5的低 压端 推 动 活塞进给。此时充液缸 5的高压腔的乳化液在活塞杆 的推动下流出，通过单向阀 l 1 之后一部分注入管材 ， 另一 部分进 入超 高压增 压缸 的 高压腔 ，将其 活 塞杆 推 至底端 ，为后 面超高 压缸 的工作作 准 备 。当一 次管 材 成形 结束后 ，换 向 阀 2的右 侧 电磁 铁 4 D T通 电 ，充 液缸 5的 活塞在 回程 的时候 单 向阀 9开启 ，乳 化液 从 乳化 液油 箱 8内被 吸出到充 液缸 的高 压腔 ，为 下一 次 的管材成形做好准备。 2 ． 2水平 缸进 给 系统的设 计 在管 材成形 的过 程 中 ，随 着管 材 在 径 向 的 膨胀 ， 轴 向也会 有 收缩 。如果两端 的冲头不 能及 时地 跟进 补 料 ，一方 面不 能很好 地密封 住 管材 的两个 端 口，一 旦 造 成泄漏 ，系统压力 将无法 达 到预设 值 ，从而 会影 响 管材 的成 形质 量 ；另 一方 面 ，管壁在 胀形 中会 过度 减 薄 ，严重 时管 材在还 没有 完全 贴模 时就会 胀破 ，影 响 成 形 的效 果 。所 以 为保 证 管 材 的 成 形 质 量 和 成 形 效 率 ，所设 计 的液压 系统必 须能 在管材 胀形 过程 中及 时 地 推动 冲头进 给补料 。本设 计 采用压 力检 测 的方法 及 时地 反馈 给系统 进行 补料 ，既保 证 了成形 过程 中对 管 材端 口的密 封 ，又 防止 了 管材 在胀 形 过 程 中过 度 减 薄 ，保证 了管材 成形 的质量 。 水平 缸进 给系统 如图 3所示 ，在进 行 管材 胀形 实 验 时 ，当管材 内充满 乳化液 后 电磁 换 向 阀 3右侧 电 磁 铁 2 D T通 电 ，超 高 压 增 压 缸 6开 始 工 作 。 随着 管 内 乳化 液压 力 的逐渐 增大 ，管 材开 始胀 形 ，管材 的轴 向 收缩 打破 了管 材端 口处 原有 的受 力平衡 。本 设计 在超 高压 工 作 回路 上 设 置 了 一 条 支 路 ，通 过 溢 流 阀 1 4 、 电磁换 向阀 l 3与 分配 液压 缸 1 5的 A腔 接通 。 当受 力 平衡 被打 破 时 ，液 压 油 通 过 支 路进 入 A腔 ，此 时 两 水平 缸 的活塞 杆在 液压 油 的推动 下及 时进 给 ，直 至在 端 口处建 立新 的受 力平 衡 。两 端 冲头 的及 时进给 既保 证 了对管 材端 口的密封 ，也及 时 地完成 了补料 ，防止 了管 壁 的过分 减薄 ，保证 了管材 的成形 质量 。 l ，4一溢流阀 ；2 ，3一三位 四通电磁换向阀 5一乳化液充液缸 ；6一 超高压增压缸 ；7一液压油油箱 8一乳化液油箱 ；9，1 l 一单 向阀；1 0一压力表 图 2双 介 质 供 油 回路 1 ，1 4一溢 流 ；3，1 2，1 3一三 位 四通 电磁 换 向 阀 ；6一超 高 压增 压 缸 1 5一分配液压缸 ；1 6，1 7一电压表 ；1 8 ，1 9一水平侧推缸 图 3 水 平缸 进 给 系统 由于系统 最 高输 出压力 可 达 3 0 0 MP a ，在 超高 压 增压缸 6工作时 ，为保证其他管路的安全以及其输 出 的乳化 液完 全进 入 到 管 内，在 系 统 中必 须 设 置 单 向 阀 ，但 是要 承受最 大可 达 3 0 0 MP a的油 压 ，国内市场 上销 售 的单 向阀远 远不 能满 足要求 ，而进 口元件价 格 十分 昂贵 、采 购周 期长 。 因此本 系统 中所用 的高 压单 向阀 l 1以及各 种管 路 等 均 为 自行 研 制 的 可承 受 超 高 压 的元件 ，可 以大 大降低 了设 备 的制造成 本 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 1年第 3期 3控 制系统的 设计 本液 压系统 在设 计 时各换 向 阀电磁 铁的开 闭 由支 路 中的继 电器控制 ，在 工控机 中嵌入 了 P L C，通 过编 写程 序控 制 各 继 电 器 的 工作 状 态 ，既 节 省 了 电器 开 关 ，又实现 了系统 的 自动化 。另外在 与 管材连接 的管 路 中安装有 压力传感 器 ，在管 材成形 时 ，压 力传感 器 可 以将检测 到的管材 内的压力 实时地传 输 给工控机 中 的计算 机 ，通 过与提 前设定 的 压力 曲线 比较 ，计算 出 误差 ，再经过 P I D控制器进行数值优化 ，由比例放大 器反馈给系统 ，使系统能及时地 自动调节压力 ，保证 管材的压力能达到预期，顺利完成管材的胀形。控制 系统 原理见 图 4 。 4 结柬语 新研发 的管材液 压成 形系统 考虑 到实验 的环境 和 研究 的可行 性 ，采用 独特 的思路设 计 了双介质 供油 系 统，在保证管材成形实验完成的同时 ，节约了实验成 本 。新研 发 的系统采 用压力 检测反馈 的方法解 决 了对 管材端 口的密封问题。该 系统结构紧凑、工作合理、 成本 低 、 自动化程度 高 ，为国 内管材液 压成形的研究 提供 了 良好 的实验条 件 。 图 4 控 制系统原理图 参考文献 [ 1 ] 王强 ．内高压成形工 艺与设备 的新进展[ J ] ． 锻压装备与 制造技术 ， 2 0 0 3 ， 3 8 1 2 O ． 2 5 ． [ 2]D o h m a n n F ，H a r t l C ．T u b e h y d r o f o r m i n g r e s e a r c h a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n[ J ] ．J o u r n a l o f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g Te c hn o l o g y，1 9 9 7，711 7 4 1 8 6． [ 3 ] 苑世剑 ．现 代液压成 形技术 [ M] ． 北京 国防工业 出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 章宏 甲， 黄谊 ， 王积伟 ．液压 与气压传动[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． De v e l o p me n t o f Hy dr a u l i c S y s t e m o f Tu b e Hy dr o f o r mi ng M ENG Ya n． mi n ．LI N Xi a o． bo 。 1 ．F o s h a n R a d i o a n d T V U n i v e r s i t y ， F o s h a n 5 2 8 0 0 0 ，C h i n a ；2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r in g ， N o r t h e a s te r n U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g1 1 0 0 0 4 ， C h i n a A bs t r a c t Th e a r t i c l e i nt r o d u c e d t h e p r o c e s s o f t u b e h y dr o f o r m i n g． Ac c o r d i n g t o t h e me c h a n i s m o f h y d ro f o r mi n g，t h e hi g h p r e s s u r e s y s t e m i n c l ud i n g a p r e s s ur e i n t e ns i fie r a n d v a l v e s wa s de v e l o p e d． I n t h e s y s t e m ，t h e e l e c t r o ma g n e t i c c o mp o ne nt s we r e c o nt r o l l e d b y P LC，S O t h e pr o b l e ms s u c h a s t he s e a l o f t u b e e n d a n d t h e a x i a l f e e d o f t he p u n c h we r e s o l v e d e f fic i e n t l y ．De v e l o p me n t o f t h e s y s t e m l a i d t h eu n da t i o n f o r t h e r e s e a r c h o n t h e e x p e r i me nt s o f t ub e h y d r o f o r mi n g ． Ke y wo r d st u b e；h y d r o f o r mi n g；hi g h pr e s s u r e；h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m 上接第 8 9页 能地满足润滑油的进 流量 ， 一 方面起润滑作用 ， 另一方 面 将热量 和磨屑等杂质及时带走 ， 保证离合器正 常工作。 4 结论 本 文针对定 轴式 动力换 档变速 箱在 工作 中出现 的 问题 进行 了全 面分析 ， 总结 了引起 故 障的原 因 ， 并 分别 进行了齿轮支撑方式和冷却润滑油路的改进设计。经 过 长期试 验 ， 解决 了变速 箱故 障问题 ， 延 长 了变速 箱 的 使用寿命 ， 最大限度地减少了该变速箱故障造成的经 济损失 ， 取得了良好的经济效益。 参考文献 [ 1 ] 张福生 ， 林慕 义 ．车辆 底盘构造设 计 [ M] ． 北京 冶金出 版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 成大 先 ．机械 设 计手 册 [ M] ． 北 京 化 学工 业 出版社 ， 2 00 2． Fa u l t An a l y s i s a n d S t r u c t u r e I mp r o v e me n t o f Fi x e d S h a ft Po we r S h i f t Tr a n s mi s s i o n Ge a r b o x W A NG You． 1 i ，D UAN Fe i ，LI U W e i ． na 。 ，HE Qi n g - h u a 1 ． T a i y u a n U n i v e rsi t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ； 2 ． Z h e n g z h o u Y u t o n g H e a v y I n d u s t r y C o ． ， L i d ． ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 1 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s p a p e r a n a l y z e s t he f a u l t o f fix e d s h a ft p o we r s hi ft t r a ns mi s s i o n g e a r bo x i n s e r v i c e，e s t a b l i s h e s a s c h e me i mp r o v i n g t h e g e a r s u pp o r t s y s t e m a n d t h e c o o l i n g a nd l u b r i c a t i o n o i l c i r c u i t ． S e r v i c e t e s t s h o ws t h e f a u l t o f g e a r b o x i s s o l v e d we l l wi t h t h i s i mp r o v e me n t ， i t s s e r v i c e l i f e i s p r o l o ng e d a n d f a v o r a b l e e c o n o mi c b e n e fit i s a c h i e v e d． Ke y wor dsg e a r bo x；g e a r s u p p o r t s y s t e m；c o o l i n g a n d l u b r i c a t i o n o i l c i r c u i t ；f a u l t a n a l y s i s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m