粉末冶金液压机压制精度控制研究

邢玉龙

(天津理工大学工程训练中心，天津 300384)

粉末冶金液压机压制精度控制研究

邢玉龙

(天津理工大学工程训练中心，天津 300384)

基于粉末冶金液压机行程控制实验，针对粉末冶金零件在成形生产中压坯尺寸精度不高的问题，提出了容积介入式控制的概念。采用PLC控制的步进电机作为驱动，将精度辅助控制单元的辅助液压缸与粉末冶金液压机主液压缸并联，切断主油路使辅助油缸与主油缸形成封闭的容积。通过对辅助油缸的精确控制使主油缸在关泵状态下达到0.001 mm的控制精度。

粉末冶金液压机；容积介入式控制；封闭容积

0 前言

粉末冶金技术是将松散的金属粉末放入模具中制成具有一定几何形状、尺寸、密度和强度的半成品或成品的工艺工程[1]，因其具有节省材料、节约能源、生产效率高、环境污染小、适合大批量生产等优点，主要应用于各种金属粉末、磁性粉末、陶瓷粉末、硬质合金粉末的加工成形[2][3]。用于生产粉末冶金零件的压机主要分为两部分：一部分是机械压机，即由电机驱动曲柄连杆机构或凸轮机构实现模具的开模、加料、闭模、加压等过程[4]。它的特点是响应速度快，生产效率高，但压力较小,冲程短，冲压不够平稳,保压时间短，不利于高精度产品的压制[5]。与机械压机相比，粉末冶金液压机具有工作压力大、压制行程长、运行过程平稳且可以无级调速、长时间保压等优点，近几年发展迅速，广泛应用于高精度、高强度、形状复杂的粉末冶金零件的生产[6]。

高品质的粉末冶金零件对粉末液压机主液压缸压力要求很高，要求稳定保压工作范围4～25 MPa且主液压缸的定位精度要达到0.01 mm，重复定位精度≤0.01 mm[7]，然而我国大多数粉末冶金工艺还是依靠普通的液压机来完成，操作过程由工人扳动机械手柄来完成，易产生疲劳，影响产品质量和加工效率，不能满足高精度、复杂形状粉末制品的加工要求，致使我国粉末冶金工业发展缓慢[8]。在一些发达国家如英国、美国、韩国、日本等，其粉末冶金工艺在汽车配件中的应用已达到37%，而我国仅达到10%，还有很大差距[9]。故主粉末液压机主液压缸的压力(位置)精度控制是决定粉末冶金工艺水平的关键[10]。

1 粉末冶金液压机精度控制方案

粉末冶金液压机由主油缸、滑动导轨、模具模架、顶出缸和液压控制系统等组成[11]。其工作过程为：开始时主油缸驱动滑块带动上模冲向下快速移动，接近指定位置后减速，按照给定的速率对阴模里的金属粉末加压，使金属粉末发生塑性变形，保压一段时间后主油缸缓慢上行实现脱模，脱模完成后快速上行，并进行装料操作，为下一次压制做准备[12]。压制的关键是控制金属粉末的压缩量和压制速率，压缩量决定零件的强度和密度，压制速率则主要影响粉末分布的均匀程度，高精度的位移(速度)控制对压坯的尺寸精度非常重要[13]。因为粉末压制过程是非线性，且液压系统本身的压力波动和参数变化使得主油缸的位移和速度精确控制非常困难。目前国际上比较先进的液压控制方法是采用伺服控制，即利用先进的传感器实现液压系统的闭环控制，将计算机采集到的电信号传给电液比例伺服阀，通过伺服阀的动态调节达到对液压缸的精确控制[14]，这种控制方式虽然能够满足精度要求但是成本太高、维修困难、适用范围小。

针对粉末冶金液压机压制过程的特点，本文采用了容积介入式控制办法，将压制过程分为两部分：第一部分为开模及闭模过程，主油缸的快速移动由主油路的液压阀门进行控制，快速移动过程对主油缸的速度和精度要求不高，普通的液压油路完全可以满足；第二部分为加压及脱模过程，这部分主油缸移动的位移很小，控制精度要求很高，采用在主油缸上并联一个辅助油缸的办法来实现，其基本控制原理如图1所示。

图1 容积介入式控制原理图

2 精密辅助控制单元的结构及工作原理

精密辅助控制单元[15]是将辅助油缸、传动系统、自动控制系统集成为一个单元模块的控制装置，该单元可直接与现有的粉末冶金液压机相连(只需要在主缸上增加一个进油口)，适用于多种型号的液压机，改造成本低、可移植性强，可大幅度提高现有设备的控制精度，精密辅助控制单元机械结构如图2所示。

图2 精密辅助控制单元机械部分结构图

精密辅助控制单元参与粉末冶金液压机压制过程如下：首先S7-200PLC控制的步进电机10按照给定的加压程序进行转动，同步进电机相连接的内三环减速器9在工作时可以实现大减速比(80∶1)，起到降速增扭的作用，与9相连接的单级齿轮减速器8的减速比为43∶7进一步降低了转速，从而保证液压缸能缓慢移动且输出较大的扭矩。7为螺母丝杠结构，丝杠的螺距为4 mm，可以将齿轮的旋转运动转化为液压缸的直线往复移动，通过压力传感器3的反馈信号可以实现步进电机的转速及转数的闭环控制，从而精确的控制辅助油缸的移动速度和位移量。根据容积介入式控制原理，在关闭主油缸进出油路后，主油缸和辅助油缸形成封闭的固定容积V，压强P不变的情况下辅助油缸的容积减少主油缸移动的距离 (S为主油缸有效横截面积)，由于步进电机可以实现转速和转数的精确控制，故主油缸的移动的位置和速度可以实现闭环控制从而达到很高的控制精度。压力曲线控制过程如图3所示。

图3 压力曲线控制过程图

3 粉末冶金液压机行程控制实验

3.1 实验设备

实验使用的基本设备构成如图4所示，主油缸采用的是双出杆的柱塞缸，缸径为90 mm，杆直径为45 mm，有效行程为500 mm，交流电动机的功率为22 KW，主油泵采用的是低压叶片泵型号为PV2R2-33，输出的额定压力为25 MPa，光栅传感器为长春精密光电设备生产的位移传感器，分辨率为0.001 mm。

图4 实验设备基本构成图

粉末冶金行程控制实验为了更好的模拟压制和脱模这两个过程，同时又不浪费金属粉末材料，采用直径为Φ58 mm的挠性钢棒(图5)作为被压试件，钢棒的支撑点间的跨距范围500～750 mm，通过调节支撑点的间距可以调节压制压力，在挠性钢棒的弹性变形范围内撤去压力后钢棒恢复原状，保证实验结果不因压制材料的不同而受到影响。

图5 粉末冶金液压机行程控制实验台

3.2 实验原理及实验过程

粉末冶金液压机行程控制实验液压原理如图6所示。

图6 粉末冶金液压机行程控制液压原理图

粉末冶金液压机行程控制实验尽可能的模拟粉末冶金的真实情景[16]，主要包括开模、闭模、加压、保压、脱模等压制过程。其中开模、闭模过程中为了方便加料、取件等操作，主液压缸需要长距离的移动，这一动作需要依靠主液压油路的电磁阀来控制，由液压原理图6可知，开模过程需要给主油缸下腔供油，此时两位四通电磁换向阀右位工作控制液控单向阀打开，使主油缸上腔与主油路联通，三位四通电磁换向阀右位工作，液压泵向主油缸下腔供油，上腔的油经调速阀回油箱，使柱塞杆快速向上移动实现快速开模过程。闭模过程则是三位四通电磁换向阀左位工作，向主油缸上腔供油下腔回油，柱塞杆快速下行。加压过程：三位四通电磁换向阀中位工作，主油缸下腔与油箱联通，两位四通电磁换向阀左位工作，液控单向阀关闭，主液压缸与主油路隔离开，此时精密辅助控制单元的辅助油缸与主液压缸构成封闭的容积，通过步进电机控制的辅助油缸按照给定的速度向主液压缸上腔供油，柱塞杆缓慢下行，完成压制过程。精密辅助控制单元的自动控制系统采用S7-200PLC控制，安装在主液压缸柱塞杆上的位移传感器将采集的位移信号实时反馈给PLC,实现对主液压缸位移和速度的闭环控制，从而达到一个很高的精度。保压过程：由于精密辅助控制单元采用的螺母丝杠机构具有自锁功能，在步进电机及主油路停止工作的情况下依然可以使主液压缸保持一定压力，大大节约了能源，同时避免了压力波动对工件精度造成的影响。脱模过程则是主液压缸缓慢泄压的过程，此时只需要辅助油缸向外抽油，降低主液压缸压力即可。

3.3 实验结果

实验跟据实际压制样件尺寸选取了两个位移量作为目标值，实验一的目标值为2.800 mm，实验二的目标值为22.000 mm。经过多次反复实验得到实验结果。利用精密辅助控制单元对主液压缸的行程精度及重复精度控制均可以达到≤0.001 mm，并可以在保压期间长时间的使主液压缸保持在任意位置而不产生压力波动。得到的实验数据如图7所示。

图7 实验数据图

4 结论

通过粉末冶金液压机行程控制实验验证了容积介入式控制原理的可行性，同时证明了采用外部并联辅助油缸的办法可以实现粉末液压机主液压缸的精密行程控制，这种方案相对与采用液压伺服系统控制可以达到更高的控制精度，并且具有升级成本低、能耗少、维修费用低、适应性强等优点，适合大面积推广使用。

[1] 徐波.粉末冶金CNC压机液压控制系统仿真分析[D].合肥：合肥工业大学,2010.

[2] 王保华.基于UG的粉末冶金模具成形模CAD系统的开发研究[D].南宁：广西大学,2005.

[3] 黄伯云,易健宏. 现代粉末冶金材料和技术发展现状(一)[J]. 上海金属,2007(03):1-7.

[4] 曹勇家,钟海林,郝权,等. 粉末冶金生产工艺的两大发展[J]. 粉末冶金工业,2011(01):45-53.

[5] 曲选辉,张国庆,章林.粉末冶金技术在航空发动机中的应用[J]. 航空材料学报,2014(01):1-10.

[6] 蔡一湘,李达人.粉末冶金钛合金的应用现状[J]. 中国材料进展,2010(05):30-38+24.

[7] 宋朝阳.全自动粉末压机电控系统的研究与开发[D].重庆: 重庆大学,2012.

[8] 吴士鹏,徐蕾,俞建卫.模糊PID在CNC粉末液压机控制系统中的应用研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2013(12):60-63+67.

[9] 叶途明.粉末冶金材料的温压行为及其致密化机理研究[D].长沙：中南大学,2007.

[10]熊晓红，卢怀亮，黄树槐.智能型粉末成形液压机的研究[D].武汉: 华中理工大学,1998.

[11]宋雨芳,蒙争争.一种粉末制品液压机的研制[J]. 锻压装备与制造术,2014(02):26-28.

[12]马志溪,刘录明.用PLC改造粉末冶金自动液压机[J]. 华侨大学学报(自然科学版),1997(02):132-137.

[13]任胜利,姜化雨.提高粉末制品压制精度的机构设计[J].粉末冶金业,2005(06):37-40.

[14]陈嘉桐,徐化平.铝箔轧机电液伺服系统的调试[J].液压与气动,2001(06):19-21.

[15]沈兆奎,刘艳玲,陈广来.一种液压缸精密行程驱动控制装置:CN201344166[P],2009-11-11.

[16]李双成.液压传动在机械设备的应用[J]. 装备制造技术,2013(05):190-192.

专利介绍

一种扇形段自由辊冷却水配管结构(CN102825226A)

目前，扇形段冷却水配管制造、加工工艺是：在扇形段框架热处理前，必须将冷却水配管提前制作完成，并焊接到框架上，随框架进行热处理 ( 热处理温度为 550 ～ 600℃ )。这样导致不锈钢管道在热处理过程中产生晶间腐蚀，强度下降，在使用过程中管道易产生裂缝，严重影响设备使用寿命和铸坯质量；而且结构复杂；制作工艺、焊接工艺复杂。本发明的目的是提供一种扇形段自由辊冷却水配管结构，克服现有技术存在的结构复杂的缺陷。

本发明为一种扇形段自由辊冷却水配管结构，包括多个设置有轴承座的底座及通过轴承设置在该多个底座上的自由辊，包括冷却水进水管、串接在各个底座之间的多个进水管和多个出水管，与自由辊的腔室的左端相接的冷却水回水管；该自由辊的腔室的右端与该多个出水管中的右端处的出水管相接。本发明避免了配管随框架热处理而导致的晶间腐蚀，提高了使用寿命和可靠性；结构简单；制作、焊接方便。

本发明的优点是：避免了配管随框架热处理而导致的晶间腐蚀，提高了使用寿命和可靠性； 结构简单；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专项(15ZXZNGX00220)

邢玉龙(1989-)，男，助理工程师/助理实验师，硕士，主要研究方向机械工程。

TG315

A

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