（机械电子工程专业论文）极异方型多级磁环成形液压机电液比例系统研究.pdf

武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 摘要 作为粉末冶金件生产线上最关键的设备，粉末成形液压机的性能决定了粉末冶金件产 品的品质。目前，关于粉末成形液压机的研究热点是电液比例技术在粉末成形液压机中的 应用。德国、美国等发达国家现已有基于电液比例技术的成熟的粉末成形液压机产品，但 其技术处于封锁状态。国内从事高性能粉末成形液压机研究的高校和研究所很少，目前还 没有关于基于电液比例技术的粉末成形液压机产品的报道。国内外有关粉末成形液压机性 能的研究大多集中在提高粉末成形液压机的运行精度上，而很少见有文献运用综合压制压 力、压制速度和粉末的成形机理的方法研究粉末成形液压机的液压系统。笔者结合粉未的 成形原理，对极异方型多级磁环成形过程中压制压力和速度的设计与控制进行了研究。 本文主要研究内容如下： 1 改进了普通粉末成彤液压机的液压系统、液压缸结构；提出了具有防裂功能的上模 头一弹簧结构，克服了产品易裂缺陷；优化了粉末成形液压机p l c 控制程序；采集并分析 了液压机运行参数，优化液压机的运行状态；分析了导致产品缺陷的原因，总结开关液压 机不可避免的缺陷，提出研究电液比例成形液压机的必要性。 2 分析了金属粉末压坯密度的变化规律和极异方型多级磁环压制曲线，根据压制压力 和压制密度、压制密度和压制位移之间的关系以1 3 4 型号极异方型多级磁环为对象，推 导了其压制压力与压制位移的关系；分析了压制速度和采集的数据，推导了密度变化公式 和曲线。根掘压制压力曲线和压制速度曲线，提出了变速压制和变力压制概念。 3 设计了极异方型多级磁环成形液压机的电液比例控制系统，建立了上模缸上腔的数 学模型。根据粉末成形工艺，设计了压制工序的压制速度变化曲线，确定了比例方向阀的 设定信号。以1 3 4 产品的压制压力和压制位移的关系式为比例压力阀的设定信号和压制压 力的目标函数，结合设定的速度信号，对电液比例成形液压机的压制过程进行了仿真研究。 4 应用p i d 算法对仿真曲线进行目标函数逼近，以提高液压机压制压力的控制精度。 关键词：粉未成形；电液比例技术；液压机；极异方型；压制压力 第1 l 页武汉科技大学 硕士学位论文 a b s 。i r a c i t h eq u a l i t yo fp o w d e rm e t a l l u r g yp r o d u c t sa r ed e c i d e db yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o w d e r f o r m i n gh y d r a u l i cp r e s s ，w h i c hi st h em o s te s s e n t i a le q u i p m e n to nt h el i n eo fm a k i n gp o w d e r m e t a l l u r g yp r o d u c t i o n a tp r e s e n t ，t h eh o tr e s e a r c hs p o ta b o u tt h ep o w d e rf o r m i n gh y d r a u l i c p r e s si st h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g yi nt h ep o w d e rf o r m i n g h y d r a u l i cp r e s s g e r m a n y , u s a n do t h e rd e v e l o p e dc o u n t r i e sa l r e a d yh a sh a d ep o w d e rf o r m i n g h y d r a u l i cp r e s sp r o d u c t sb a s e do nt h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g y , b u tw h i c hw a s a tt h eb l o c k e ds t a t e t h ed o m e s t i cu n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t e sw h i c ha r ee n g a g e di nt h e r e a c ho fh i g hp e r f o r m a n c ep o w d e rf o r m i n gh y d r a u l i cp r e s sa r ev e r yl e s s ，a tp r e s e n tt h e r ei sn o r e p o r t a b o u tp o w d e r f o r m i n gh y d r a u l i cp r e s sp r o d u c t s b a s e do nt h e e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g y t h em o s td o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e l a t e dt op o w d e rf o r m i n g h y d r a u l i cp r e s sp e r f o r m a n c em o s t l yc o n c e n t r a t e s i ne n h a n c i n gt h em o v e m e n tp r e c i s i o no f p o w d e rf o r m i n gh y d r a u l i cp r e s s ，b u tr a r e l y s e e nt h el i t e r a t u r eo fr e s e a r c hc o m b i n i n gt h e s u p p r e s s e dp r e s s u r e ，t h es u p p r e s s e ds p e e dw i t ht h ep o w d e rf o r m i n gm e c h a n i s m u n i f i e dt h e p o w d e rf o r m i n gp r i n c i p l e ，t h ea u t h o rm a d et h ed i s c u s s i o nr e s e a r c h0 nt h ed e s i g na n dc o n t r o lo f s u p p r e s s e dp r e s s u r ea n ds p e e di nt h ef o r m i n gp r o c e s so fh e t e r o p o l a r i t ym u l t i l e v e lm a g n e t i c r i n g t h em a l nc o n t e n t so f t h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： 1 i m p r o v e d t h eh y d r a u l i cs y s t e m ，t h eh y d r a u l i cc y l i n d e ro fo r d i n a r yp o w d e rf o r m i n g h y d r a u l i cp r e s s ；p r o p o s e da n du s e dg u a r d sa g a i n s tt h ec r a c kf u n c t i o n o nd i eh e a d s p r i n g s t r u c t u r e ；o p t i m i z e dt h ep l cc o n t r o l l i n gp r o c e d u r eo fp o w d e rf o r m i n gh y d r a u l i cp r e s s ；g a t h e r e d a n da n a l y z e dt h ed a t ao ft h eh y d r a u l i cp r e s sr u n n i n gs t a t u s ，o p t i m i z e dt h er u n n i n gs t a t u so ft h e h y d r a u l i cp r e s s ；a n a l y z e dt h er e a s o no fc a u s i n gt h ep r o d u c tf l a w , s u m m a r i z e dt h ei n e v i t a b l ef l a w o fs w i t c hh y d r a u l i cp r e s s ，p r o p o s e dt h en e c e s s i t yo fr e s e a r c h i n gp o w d e rf o r m i n gh y d r a u l i cp r e s s b a s e do ne l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g y 2 a n a l y z e dt h ec h a n g er u l eo fp r o d u c td e n s i t yo fm e t a lp o w d e ra n dt h et h es u p p r e s s i o n c u r v eo fh e t e r o p o l a r i t ym u l t i l e v e lm a g n e t i cr i n g ，t a k e nt h eh e t e r o p o l a r i t ym u l t i l e v e lm a g n e t i c r i n go f13 4m o d e la sa no b j e c t ，i n f e r r e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u p p r e s s e dp r e s s u r ea n dt h e s u p p r e s s e dd i s p l a c e m e n ta c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u p p r e s s e dp r e s s u r ea n dt h e s u p p r e s s e dd e n s i t yo rt h es u p p r e s s e dd e n s i t ya n dt h es u p p r e s s e dd i s p l a c e m e n t ；a n a l y z e dt h e s u p p r e s s i o ns p e e da n dg a t h e r e dd a t a ，i n f e r r e dt h ef o r m u l ao fd e n s i t yc h a n g ea n dc h i v e p r o p o s e d t h es p e e da n dp r e s s u r ec h a n g e ds u p p r e s s i o nt h e o r ya c c o r d i n gt ot h es u p p r e s s i o np r e s s u r ec u r v e a n dt h es u p p r e s s i o nv e l o c i t yc u r v e 3 d e s i g n e da s e to fe l e c t r o , h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e mo ff o r m i n gh y d r a u l i cp r e s so f h e t e r o p o l a r i t ym u l t i l e v e lm a g n e t i cr i n g ，e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h et o pp l u n g e r c y l i n d e r a c c o r d i n g t ot h ep o w d e rf o r m i n gc r a f t ，d e s i g n e ds u p p r e s s i o nw o r k i n gp r o c e d u r e 武汉科技大学硕士学位论文篼i i i 页 s u p p r e s s i o ns p e e dc h a n g e dc u r v e ，d e f i n i t e dp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o nv a l v eh y p o t h e s i ss i g n a l t a k e n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u p p r e s s e dp r e s s u r e sa n dd i s p l a c e m e n to ft h e13 4p r o d u c ta st h e h y p o t h e s i ss i g n a lo f p r o p o r t i o n a ld e l i v e r yv a l v e c o m b i n e dw i t ht h eh y p o t h e s i sr a t es i g n a l ，m a d e as i m u l a t e dr e s e a r c hf o rt h e s u p p r e s s e dp r o c e s s o ft h e f o r m i n gh y d r a u l i cp r e s sb a s e do n e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e m 4 u s i n gt h ep i da l g o r i t h m ，c a r r i e do i lt h es i m u l a t i o nc u r v et oa p p r o a c ht h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ， e n h a n c e dt h ec o n t r o l l i n gp r e c i s i o no f t h es u p p r e s sp r e s s u r eo f t h eh y d r a u l i cp r e s s k e y w o r d s ：p o w d e rf o r m i n g ；e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lt e c h n o l o g y ；h y d r a u l i cp r e s s h e t e r o p o l a r i t y ；s u p p r e s s e dp r e s s u r e 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 粉末成形液压机概述 国内汽车工业近些年的迅猛发展，带动粉末冶金行业的产量快速增长。2 0 0 2 年，中 国粉末冶金行业共生产粉末冶金零件3 9 0 2 5 吨，l e 2 0 0 1 年增长2 5 1 ，其中，铁基零件为 2 6 5 1 9 吨，铜基零件为1 1 7 2 u 屯，分别比上年度增长t 3 9 1 与1 9 2 1 倍“1 1 2 1 1 3 】。尽管如此，和 我国2 0 0 2 年汽车产量增长3 9 ，达到了3 2 5 万多辆相比，粉末冶金零件的产量仍然远远落后 于汽车工业的要求【2 id 1 。而且，目前国产汽车中的粉末冶金零件比例还大大低于西方发达 国家。目前我国粉末冶金行业骨干企业近十家，包括其他非骨干厂家近百家，年产粉末冶 金零件不到2 万吨，远远不能满足市场需求i2 1 d 1 1 4 1 。二十一世纪初的中国正在努力实现从制 造大国到制造强国的转变，对高性能粉末冶金产品的需求量已经大幅度增加。 随着产品的越来越广泛的应用，产品的性能也越来越受人们关注。 粉末成形液压机作为生产粉末冶金产品的专业设备，其性能直接影响到粉末冶金产品 的质量。国产粉末成形设备落后，液压机的性能和可靠性普遍不高，从而导致粉末冶金产 品的性能不高，而且生产效率低，制造成本高，这无疑制约了我国粉末冶金行业的发展。 所以，提高粉末冶金设备的性能已成为当务之急。 粉末成形液压机是粉末冶金件生产线上最关键的设备，产品的性能最易受到液压机系 统性能的影响，如液压系统的可靠性，液压机运行精度的高低，振动的大小等。 粉末成形液压机由液压系统、控制系统、模架三部分组成。因此，对液压机系统性能 的研究分为以上三部分。模架部分总体上属于机械设计与制造范畴，目前国外和国内都己 研制出多台面模架，且其加工精度和运行精度都能通过控制策略保证在所要求的精度范围 以内。所以，对粉末成形液压机性能的研究又主要集中在液压系统的研究和其控制系统的 研究。 我国虽然有天津锻压机床厂、南通锻压机床厂、上海第二锻压机床厂等少数几个厂家 生产粉末成形液压机，但其产品的性能和档次基本处于相当国外7 0 年代水平，控制方式大 都采用p l c + 机械挡块，很难满足压制高精度复杂零件的需要。 国内部分零件生产厂家通过引进国外模架，经过消化移植到国产老型号压机和冲床 上，或对传统的锻压设备改造，配备特制的模架以适应复杂多台阶零件的生产需要。还有 部分企业和中外合资企业引进了国外先进压机或自动生产线。目前己从德国、美国、r 本 等国家引进了5 t ，2 0 t ，4 0 t ，5 0 t ，l o o t ，2 0 0 t ，2 5 0 t ，5 0 0 t 等型号的压机。 从八十年代起，我国自行研制和丌发的较高水平的粉术冶金压机有1 5 】1 6 1 ： 1 北京锻压机床厂( 1 9 8 7 年) 的机械液压混合式b d d 0 1 2 0 0 k n 粉末成形压力机，b d f 0 2 2 0 0 k n 粉末精整机械式压机； 2 天津锻压机床厂( 1 9 9 1 年) 的y t 7 9 z 一2 5 0 k n 粉术成形液压机； 3 南通锻压机床厂( 1 9 9 5 年) 的n t d y 7 9 z 一2 5 0 粉末成形液压机； 4 华南理工大学( 1 9 9 6 年) 的y a 6 2 6 3 0 粉末成形全自动液压机； 第j 页。武汉科技大学硕士学位论文 5 重庆的y d ? 9 系列半自动型粉末制品液压机，电气系统采用p l c 可编程序控制器。 由以上可看出，国内粉末成形液压机基本上还是基于开关阀液压系统的液压机1 5 胴， 其性能远远低于因外粉末压机产品。 目前比较先进的粉末成形液压机所应用的液压系统都是基于电液比例阀的电液比例 控制液压系统【5 】1 6 1 。国外已经有基于电液比例系统的液压机系列的产品，而国内基于电液 比例系统的粉末成形液压机还处于研究阶段1 7 】，未见到基于电液比例技术的粉末成形液压 机的相关报道。 1 2 基于电液比例系统的粉末成形液压机研究现状 1 2 1 电液比例控制技术概述 2 0 世纪6 0 年代末期，随着微电了集成技术和计算机技术的迅速发展，诞生了一种新型 的电液控制技术电液比例控制技术。电液比例控制技术作为连接现代微电子技术和大 功率工程控制设备之间的桥梁，己经成为现代控制工程的基本技术构成之一，在近3 0 年中 得到了迅速发展，并逐步走向成熟。与传统的电液伺服技术( 液压控制，间接控制) 相比， 它能较好地解决传统的电液开关控制系统精度低、电液伺服控制系统价格昂贵、维护费用 高等不足，具有可靠、节能等明显优点，己经在机床工业、冶金工业、工程机械等领域得 到了广泛应用，形成颇具特色的技术分支，在机电一体化和工程设备实现计算机控制的技 术进步过程中，将会获得更加广泛的应用i 引1 9 1 。 作为- i 3 交叉学科，电液比例控制技术的发展主要有两个方面。一个方面是立足于电 液比例控制系统本身，从构成电液比例控制系统的基本单元的性能提高、工作方式等方面 进行深入研究，来提高整个系统的控制性能，如：通过开发出多品种、高性能的电液转换 元件来构成新型的比例控制系统，进一步改善比例控制系统的性能，如提高抗干扰能力， 降低成本以及改善负载特性等。另一方面，就是从控制方式和手段上，通过引入各种先进 的控制技术，针对电液比例控制系统存在的问题，提出新的控制思想和策略，以及在控制 环节中引入计算机构成数字控制器等先进技术手段，提高和改善电液比例控制系统的性 能。从目前情况来看，后一个研究和发展方向十分迅速【8 1 1 训。 目前，国外电液比例控制技术在电液比例控制单元性能和系统控制技术方面都优于国 内，在控制技术运用方面，己能够对电液比例阀自身实现闭环控制，并应用于其它控制系 统的闭环中，形成双闭环，使被控元件运动精度更高，响应更快9 1 1 0 l 1 1 1 。目前德国、意大 利等国的双闭环控制技术己比较成熟，但电液比例阀自身闭环控制的结构及参数尚未对外 公开f l l 】【j 2 】。 现在国产电液比例阀自身应用的都是丌环控制技术，因此它在大的控制系统中应用， 形成的是单闭环控制。 1 2 2 国外研究现状 国外从7 0 年代术将电液比例技术应用在液压机上1 1 4 l 。近几年，国外的一些液压气动 公司女l b s o c hr e x r o t hg r o p e 、p a r k e r 等丌发出种数字泵，其压力、流量、功率均可通 过比例放大器调节，压力和流晕控制精度可达0 5 ，这种泵的出现大大简化了液压机的液 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 压系统，利用该泵，在不需要比例压力阀和比例流量阀的情况下也可以实现压力和速度的 比例调节。 目前，国际上比较知名、其产品在国内用户较多的粉末冶金成形液压机的制造厂家是： 德国d o r s t 机器设备公司，同本良冢精机( 株) ，同本玉川机械( 株) ，美国g a s b a r r ep r o d u c t i n c 等1 1 4 j 【1 5 j 。 1 ) 德国生产的粉末冶金制品压力机，配备整体式封闭模架，整个模架与模具先行调整 好以后，再与压机连接。压坯精度主要靠模架和压模本身保证。另外，如果压坯成形工艺 需要，还可以在模具本身装配动力源来驱动自身的相应动作，这就增加了制品沿高度方向 的台阶成形数量。这种模架实质上等于一台小型压机，结构相对比较复杂，制造精度较高， 费用也高。 德国m a n n e s m a n n 公司九十年代开发的h p m e 2 系列粉末成形液压机代表了当今世界 先进水平，在压机、控制、操作等方面的设计上都有显著的特点：采用多个3 2 位微处理器 和伺服比例阀完成所有运动轴的位置和速度的闭环控制【1 6 】【1 7 】。 h p i d e 2 系列粉末成形液压机采用电液比例控制，上、下滑块可实现连续的过程控制。 2 ) 日本生产的粉末制品液压力机，配备开式模架，需要将模架的各个部分分别安装 在压力机的相关位置上，再由机器来配合模具的调整。压坯的精度由机器的精度和模架的 精度共同保证。 3 ) 美国g a s b a r r e 公司是国际知名压机制造商，占有北美粉末冶金市场8 成的市场 份额，主要生产和制造5 1 2 0 0 吨机械式和液压式的粉末成形压机和精整压机。 4 ) 美国的b e s t p r e s s c n c 液压数控压机，产品特点为：闭环c n c 计算机控制：重复 精度和定位精度高；触摸屏计算机操作，功能强大。 国外粉末压机的特点为1 1 8 1 1 9 1 2 0 1 ： 1 ) 高精度、复杂结构、计算机控制的模架研制和应用，使压制更加复杂的零件、研 发新的压制方法和成形工艺成为可能。 2 ) 在机械设计上，以合成的机械一液压压力机或液压一机械压力机代替单纯的机械 式压机或液压式压机。 3 ) 辅助自动化装置的开发，不断完善操作性能。 1 2 3 国内研究现状 国内是在8 0 年代末期开始将电液比例技术应用在液压机上的，比国外晚了1 0 年1 1 3 1 【2 1 1 1 2 2 1 。近年来，国内的研究学者对电液比例技术在液压机上的应用取得了一定的成果2 3 1 1 2 4 1 。 1 9 9 9 年，昆明理工大学的杨灏泉对热压机电液比例控制系统进行了设计与研究。该文 以一种特殊的木材试验机械热压机的电液比例控制系统作为研究对象，介绍了一种全闭环 的电液比例位置、压力控制系统，并以流体力学和控制理论为基础，建立了系统的数学模 型，讨论了系统的稳定性和工作精度，并对系统进行了数字仿真，其位置控制精度达到 0 1 0m m ，压力控制精度达到了5 i ”j 。 2 0 0 0 年，华中理工大学的陈伯金进行了锻造液压机组液压控制系统研究，该文从锻造 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 液压机的快速性、平稳性与可靠性要求出发，结合机、电、液技术的最新发展趋势，研制了 一种既具有高性能价格比，又具高可靠性和可维护性的锻造液压机系统【2 6 l 2 7 】f 2 引。 2 0 0 0 年，武汉科技大学的张志等人对液压拉升机的电液比例系统采用模糊控制策略进 行了研究2 9 1 。 2 0 0 0 年，昆明理工大学研究了电液比例控制技术在整形机上的应用，并对电液比例系 统建模，研究了电液比例系统的时域特征和频域特征，分析了其稳定性和误差1 3 小。 2 0 0 1 年，佛山科学技术学院的汪建晓研究了电液比例技术在自动液压压砖机中的应用 p l 。不过自动液压压砖机的控制精度等各项性能指标和粉末冶金工艺的指标有很大差异， 所以液压压砖机和粉末成形液压机的系统精度要求不一样。 2 0 0 1 年，李忠国和龚烈航研究了电液比例系统在金刚石压机上的应用【32 1 。 2 0 0 2 年，合肥工业大学对液压压药机控制系统做了研究，其控制策略采用数控技术。 论文深入研究w i n d o w s 平台下实现数控系统功能的两项关键技术：多线程与实时控制系统 的精确定时【”j 。 2 0 0 3 年，陕西科技大学的王芸生对自动陶瓷液压机做过研究，该液压机液压系统采用 的是电液比例系统。该文研究了液压系统采用插装阀和电液比例控制阀的动态特性，分析 了影响液压机控制性能的工作特性，使其更好满足液压机的快速性和平稳性指标。其次研 究了液压系统的集成体内部通道几何关系。应该说陶瓷和粉末冶金件还是有一定的共性 的，但该论文研究重点放在了液压集成块的设计上面，对液压系统未做详细介绍【3 4 1 。 2 0 0 3 年，沈阳工业大学对电液比例系统在模具研配液压机中的应用进行过研究，主要 研究了p l c 的应用l j ”。 近几年，国内一些学者也针对粉末成形液压机电液比例系统做过一些研究工作。 1 9 9 8 年，华中理工大学的熊晓红等人进行了智能型粉末成形液压机的研究，讨论了现 代粉末成形液压机液压系统、模架、控制系统三个方面的设计要求，提出了控制系统的结 构，讨论了基于规则的智能p i d 控制和自动装粉校正【3 “。1 9 9 9 年，熊晓红等人讨论了粉末 成形液压机c n c 控制系统，针对粉末成形液压机的特点，提出了其控制系统的结构；给出了 控制系统的软件功能；详细讨论了基于系统压力曲线的自动装粉校正方法【3 ”。2 0 0 0 年，熊 晓红做了塑性成形设备通用数控系统及粉末成形液压机控制技术研究，该文对塑性成形设 备通用数控系统的体系结构、软件组成和功能以及全自动粉末成形液压机的计算机数字控 制技术这两个领域进行了研究【5 】。2 0 0 1 年，华中科技大学做过粉末成形液压机的研究，液 压系统采用开关阀组和比例阀组配合的系统控制方式，即在空程和压制初期的情况下，采 用开关阀系统大流量控制，而在压制状态下，根据液压机状念和工艺程序，控制比例阀的 开度，从而控制压机的行程和速度。该控制系统采用c n c 技术进行控制。 2 0 0 4 年，华南理工的何晖和夏伟分别做过粉未成形液压机的研究，研究重点分别放在 模架的有限元分析和控制系统的设计上面，其控制策略采用p i d 闭环控制模架的运动精度， 对其控制策略的设计做了简单的介绍。该课题的研究目的是为粉末冶会精密成形压机设计 和制造一套先进的控制系统，以及一套结构合理的模架，以便能够加工复杂的高质量粉术 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 冶金零件1 6 l 【3 8 1 。 2 0 0 4 年，哈尔滨工业大学的于韶辉对干粉自动成型液压机双闭环模糊控制系统进行了 研究，本文以实现干粉自动成型液压机顶出缸的控制为核心，分析了影响顶出缸位置的准 确度及达到稳念时间的因素，建立了顶出缸控制系统的数学模型，并对项出缸控制系统进 行了仿真，研究其动态响应性能，提出了采用模糊控制实现顶出缸位置控制的技术方案， 并采用计算机控制实现了顶出缸位置控制模糊控制器，解决了顶出缸位置控制精度和稳态 时间问题p w 。 1 3 课题来源和研究意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于一个实际的粉末成形液压机液压系统改造项目。在改造的过程中，通过 对工艺要求的分析，笔者发现，利用现有的基于普通阀的液压机只能满足压制工序要求， 却难以生产出高性能的粉末冶金产品。利用成熟的电液比例系统控制技术，可以满足压制 工艺，能够生产出比现有粉末产品性能更高的产品。因此，笔者决心致力于该课题的研究。 1 3 2 课题研究意义 从目前的压机行业来看，国外和国内已经有了基于电液比例系统的液压机系列产品产 品，国内外一部分高校也在从事电液比例系统液压机的研究与开发工作，也取得了一定的 成果。但从粉末冶金行业来看，基于电液比例系统的粉末成形液压机少之又少。国外有用 于粉末成形的比例液压机，但产品系列很少，而且其技术还出于封锁状态【1 2 】1 1 3 】，所以应用 受到了限制；国内一部分从事粉末成形液压机生产与制造的厂家也仅仅是有生产与制造电 液比例粉末成形液压机的能力，还未见其生产出系列产品；国内专门从事粉末成形比例液 压机研究的高校很少，而且也还是处于研究阶段，未见其研究成果转化为实际产品，可见 其成果仍有一定的局限性。 粉末成形比例液压机研究的重点和难点有2 点：提高液压机稳定性和可靠性，提高 其运行精度【4 1 l 【4 2 l ；将液压系统与粉末成形原理结合起来，制定特定的压制压力【4 3 j 【4 5 】 4 h 4 7 1 和压制速度1 4 2 l 【4 8 】1 4 9 1 i5 0 1 ，使成形产品密度分布更均匀。从以上的文献综述来看， 目前大多数关于粉末成形液压机的研究都是针对第一点所作的研究，而没有见到有关按照 压制工艺要求来制定压制压力和压制速度的研究。 笔者的研究课题：“极异方型多极磁环成形液压机电液比例系统研究”正是将液压系 统与粉末成形原理结合起来研究，为研制出高性能的粉末成形液压机打下峰实的基础，打 破国外垄断技术，缩小我国在高性能粉末成形液压机上和国外发达国家的差距。 纵观整个液压机行业，电液比例系统在液压机中已经有很多应用，但在粉味冶金行业， 基于电液比例技术的粉末成形液压机的研究还不多见。在为数不多的基于电液比例系统的 粉末成形液压机的研究案例中，笔者没有发现对极异方型多极磁环成形液压机液压系统的 压制过程的仿真研究，也没有发现对压制过程加载信号的研究，同时也没有发现设定压制 压力目标函数，并运用某个算法去逼近压制压力目标函数的研究。所以，笔者的研究具有 一定的创新意义。 第6 页武汉科技大学 硕士学位论文 1 4 本课题主要研究内容 本课题主要目的是从基于开关阀的磁环成形液压机出发，研究出一套高性能极异方型 多级磁环成形液压机的电液比例系统，其主要内容包括： 1 改进普通粉末成形液压机的液压系统、液压缸结构：提出具有防裂功能的上模头一 弹簧结构，克服产品易裂缺陷；优化粉末成形液压机p l c 控制程序；采集并分析液压机运 行参数，优化液压机的运行状态；分析导致产品缺陷的原因，总结开关液压机不可避免的 缺陷，提出研究电液比例成形液压机的必要性。 2 分析金属粉末压制时压坯密度的变化规律和极异方型多级磁环压制曲线，根掘压制 压力和压制密度、压制密度和压制位移之间的关系，以1 3 4 型号极异方型多级磁环为对象， 推导压制曲线和压制压力与压制位移的关系；分析压制速度和采集的数据，推导密度变化 曲线。根据压制压力曲线和压制速度曲线，提出变速压制和变力压制理论。 3 设计极异方型多级磁环成形液压机的电液比例控制系统，建立上模缸上腔的数学模 型。根据粉末成形工艺，设计压制工序的压制速度变化曲线，确定比例方向阀的设定信号。 以1 3 4 产品的压制压力和压制位移的关系式为比例压力阀的设定信号和压制压力的目标函 数，结合设定的速度信号，对电液比例成形液压机的压制过程进行仿真研究。 4 应用p i d 算法对仿真曲线进行目标函数逼近，以提高液压机压制压力的控制精度。 武汉科技大学 硕士学位论文第7 页 第二章极异方型多级磁环成形液压机改进设计 2 1 引言 某公司专门生产各种磁环，如：各向同性多极磁环，各向异性多极磁环等。该磁环主 要做小型电机的转子、收音机磁环、微波炉磁环、扬声器磁环等。目前该公司的产品大多 数出口欧美和同本。随着电子产品在国内的普及和小型化，其产品在国内也将有广阔的市 场。 产能的不足限制了该厂产品的市场占有率，因此该厂要求增加液压机数量。由于预先 的设计方案不合理，该厂新购进的一台粉末成形液压机压制力大，压制速度不可调，压制 出来的样品很容易破裂，成型率很低，完全不能正常生产，所以必须对原有系统加以改进 和优化。该液压机的液压系统中多采用插装阀，但该系统所需流量很小，故不需用插装阀 s l l 1 5 2 】【5 3 1 ，但厂家要求尽量减少改造成本，故不能摒弃原有液压系统，只能在原基础上加 以改进。 原液压机上模头设计不周全，模架部分布局不合理，芯杆缸设计在顶出缸活塞杆里面， 阴模上升时，芯杆也随着上升，这样的工序会导致填料不均匀，不利于产品的成形【5 0 】 s 4 1 5 5 1 。 原控制系统在一部分工序程序设训5 0 】时考虑不够周全，也需加以改进。 原液压机采用接近开关调定粉末的填料高度。接近开关精度高，重复性好，也便于安 装，但是其测量精度和安装后的调节方式有很大关系。原压机系统接近开关的调节偏差很 大，给填料高度的调节带来极大的不便，因此需加以改进。 2 2 极异方型多级磁环成形液压机机械结构、技术参数及工艺规程 2 2 1 极异方型多级磁环成形液压机机械结构 图2 1 为粉末成形液压机结构图，图2 2 为液压机实物图。在图2 1 中，1 为机架， 机架上安装有滑块导轨2 和阴模导轨6 各4 个，分别用来控制滑块和阴模的垂直位移；滑 块导轨和阴模导轨上都装有位置调节螺栓，当上模头5 和下模头8 中心不在同一直线上时， 可通过螺栓调节同心；上模头5 、上模板4 、滑块和上模缸活塞杆3 用螺栓联成一个整体， 由上模缸驱动其上下运动。下模头8 和固定工作平面9 在整个工艺中都处于静止状态，为 压机产品的压制提供支撑力。阴模7 、导杆1 0 ( 导杆下端开有止口) 、阴模支撑板1 3 和阴 模缸1 5 的活塞杆联成一体，三者随阴模缸活塞的运动而运动。芯杆支撑板1 2 下平面用螺 纹连接芯杆缸活塞杆1 6 ，上平面用螺纹连接芯杆1 1 ，当芯杆缸活塞上下移动时，芯杆支撑 板带动芯杆沿导杆自由滑动。芯杆从下模头内孔穿出，下模头又从阴模内孔穿出。可通过 行程开关调节下模头、芯杆、阴模处于同一平面。 2 2 2 极异方型多级磁环成形液压机技术参数 下表2 1 是有关该厂引进的1 0 0 极异方型多级磁环成形液压机的主要技术参数。 2 2 3 极异方型多级磁环成形液压机工艺规程 根据粉末冶金生产工艺，所采用的压机要求有2 种工况，即手动工况和自动工况。 手动工况下要求能够分别以不同的速度来控制上模头、阴模和芯杆的升降。设置手动 工况有以下几个目的： 第8 页武汉科技大学 硕士学位论文 1 ) 便于模具的安装和调整： 2 ) 便于上模板、阴模和芯模板的定位，以设定自动工况的初始状态 3 ) 便于压机系统的调试。 表2 i1 0 0 极异方型多级磁环成形液压机的主要技术参数 序号名称参数备注 l 公称力1 0 0 0 k n 2 系统最大工作压力 2 5 m p a 最大压制力 1 0 0 0 k n 最大行程 2 5 0 m m 3 滑块运行参数 快速下行速度 l o o 1 2 0 m m s可调 慢速下行速度4 1 0 m m s 可调 负荷下行速度o 5 m m s可调 4 顶出缸项出力2 0 0 k n 5顶出行距1 5 0 m m 顶出速度3 0 5 0 m m s 6 顶出缸运行参数 退回速度参照项出速度确定 7 芯杆缸顶出力 1 0 0 k n 8 芯杆缸行程1 5 0 m m 顶出速度 2 0 4 0 m m s 9芯杆缸运行参数 退回速度参照顶出速度确定 1 0滑块下平面距工作台面最大距离o 15 0 0 m m 自动工况的生产工序为： 1 ) 阴模上升，芯杆和下模头都不动。此步工艺后，在阴模腔内形成一个柱状空间； 2 ) 人工填料( 全自动成形压机中，此工序为自动填料) ，阴模上升高度即为填料高度； 3 ) 芯杆上升， 顶出一部分干粉。此步工艺后，所填粉末成圆环状空间； 4 ) 人工清扫平台，将芯杆顶出的粉末清扫干净； 5 ) 双手启动，阴模和芯杆微升。双手启动是出于人身安全考虑，2 个启动按钮设置在 压制范围之外，间隔0 6 0 8 米；阴模和芯杆微升是为了压制产品时防止粉末逸 出。自双手启动后的后续工艺都为自动工艺，直到完成一个周期。 6 ) 上模快降。微升完毕后，上模自动快降，直到滑块触碰到上模缸慢降开关； 7 ) 上模慢降。上模快降完毕后，转为慢降，直到滑块触碰到上模慢压开关； 8 ) 发讯充磁。此工序可以处于上模慢压工序之| j 也可和慢压同时进行，还可处于慢 压之后，视2 个行程开关的位胃而定； 9 ) 上模慢压( v ) ( 同时阴模v 2 下降) 。上模慢降完毕后，转为慢压，直到上模缸上 腔的压力达到电接点压力表的设定值； l o ) 保压( 退磁) 。慢压完毕后，丌始保压，保压时为充油保压，即保压时仍然给产 品施加压力，但压力保持在设定值不变，以防产品继续塑性变形，保压的作用是 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 防止产品尺寸回弹； 1 1 ) 泄压延时。将上模缸上腔压力泄掉一部分，因为保压之后，产品会减小尺寸回弹 率，但此刻如果突然泄压，产品仍会发生尺寸回弹； 1 2 ) 阴模下拉脱模； 1 3 ) 上模上升； 1 4 ) 芯杆下降。完成此步工序后，所有模具恢复到最初状态； 1 5 ) 人工取下工件成品。至此，一个工作循环完毕。 自动压制工艺过程图如图2 3 所示。 图2 1 改造后的极异方型多级磁环成形液压机机械结构图图2 2 液压机实物 1 一机架；2 一滑块导轨；3 一上模缸及滑块；4 一上模板：5 一上模头；6 一阴模导轨7 一阴模；8 一下模 头；9 一固定工作台；l o 一导杆；1 1 一芯杆；1 2 一芯杆支撑平面；1 3 一阴模支撑平面；1 4 一阴模高度 调竹法兰；1 5 一顶出缸；1 6 芯杆缸 上模头控制液压缸( 上缸) 、阴模控制液压缸( 项出缸) 和芯杆控制液压缸( 芯杆缸) 第1 0 页武汉科技大学 硕士学位论文 的时问位置曲线如图2 4 所示。根据l 述工艺过程分析，整个工作循环巾，对模具位胃、 速度、压力都有严格要求垆o j ： 1 ) 模具位置要求：阴模在准备位和装料位要求定位精确，停止位置误差0 3 r a m 以内， 芯杆在准备位和出芯位要求定位精度也较高，停止位置误差0 5 m m 以内。 2 ) 模具速度要求：上模头要求有快进、慢进、工进三档下移速度，阴模要求有浮动、 脱模、快下三档下移速度，芯杆要求有快下和脱模二档下移速度。 3 ) 模具压力要求：上模头要求慢进和工进时控制液压缸回油腔提供不同背压，使压 制力上升均匀，上模头脱模时应先进行二次泄压，保证脱模平稳；阴模和芯杆下降时要求 有背压平衡模具重量，使其运动平稳，另外还应分别设置安全阀，保护系统不受破坏【l2 1 。 上模 粉料 阴梗 下梗 芯梗 周囝团团 工件成品 准备装料出芯欠装科压制取伴 图2 3 磁环体密成型压制工艺过程示意图图2 4 液压缸时间位置曲线示意图 2 31 0 0 极异方型多级磁环成形液压机液压系统改进设计 2 3 1 原液压机液压系统原理 原液压系统可分为4 个控制油路：泵站控制油路、上模缸控制油路、顶出缸控制油路、 芯杆缸控制油路。原液压系统图如图2 5 所示 1 泵站控制油路 泵站的主要元件只有3 个：轴向柱塞泵、电机和一个插装阀。溢流阀l 、2 、换向阀3 和阀1 3 都为插装阀组件。溢流阀l 、2 、换向阀3 组成系统的压力控制油路，此控制油路 提供3 档压力：当电磁铁y a l 得电时，系统压力由溢流阀1 控制；当电磁铁y a 2 得电时， 溢流阀1 和2 都能控制系统压力，此时系统压力出设定值较小的溢流阀决定，一般将2 的 值设定的小；当