（机械电子工程专业论文）多通管件挤压成形液压机技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 全文摘要 随着国民经济的迅猛发展，人民生活水平的快速提高，铜管以其优良的性能， 不仅在国内的空调行业、建筑领域中越来越得到广泛的应用，而且其出口量也与 日俱增。 本文介绍了一种以液压油或皂化水为介质的、基于无芯挤压原理的多通管件 成形液压机技术。阐述了该新型液压机的工作原理和对挤压同步控制性能的动态 数字仿真及试验研究。 第一章绪论中，首先对以下几方面的内容进行了综述：铜管压机的发展现 状、多通管件加工技术以及液压同步控制系统。在此基础上，论述了本课题的选 题意义和主要研究内容。 第二章分别从液压原理和电气控制两方面对液压机进行了全面的设计。特 别是同步挤压系统，综合对比了几种常用的液压同步回路，最后选用闭环比例流 量阀同步控制回路。 第三章分别在频域和时域内，建立了构成同步挤压系统的主要元件一一液 压源、比例流量阀、双液压缸及负载的数学模型，在此基础上建立了同步挤压系 统的频域分析模型和时域仿真模型。并仿真了在参数确定后的同步精度。 第四章通过试验测定了液压机样机的各项性能指标，特别是同步精度。 第五章总结了全文的主要研究成果，并展望今后需要进一步开展的工作。 关键词：无芯挤压原理；同步控制；多通管件成形技术 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o l l o wt h eo r d e ro fs u b j e c t ，ah y d r a u l i cm a c h i n ew a sd e s i g n e d ，u s e dt op r e s s i n g p i p e s t h em a c h i n ei sb a s e do nt h et h e o r yo fn o - c o r ee x t r u d i n ga n du s e dh y d r a u l i c p o w e ro i la st h em e d i u m t h e r ea r ef v ep a r t si nt h i ss u b j e c t i ti sv e r yc o m m o nt h a tu s i n gt h ep r e s s i n gt e c h n o l o g yt ot p i p ep r o d u c t i o n t h e r e a r em a n ym e r i t so fp r e s s i n gt e c h n o l o g y , b u tt h e r ea r ea l s om u c hs h o r t c o m i n gi n t r a d i t i o n a lp r o d u c ep r o c e s s t h et r a d i t i o n a lw a yu s e dp l u m b u mo rp a r a f f i n sa st h e m e d i u m i tb r o u g h tc o m p l e xt e c h n i c a lp r o c e s s ，l o we f f i c i e n c ya n dp o o rp r o d u c t i o n c o n d i t i o n an e wm e t h o dh a sb r o u g h tf o r w a r di nt h er e s e a r c h t h em a c h i n eu s e h y d r a u l i cp o w e ro i l a st h em e d i u m i tc a ni m p r o v et h ep r o d u c t i o ns p e e da n d e f f i c i e n c yw i t hw i d e r a n g e ，e c o n o m i z ep r i m a r ym a t e r i a la n ds i m p l i f yt h ep r o c e s s i n c h a p t e r1 ，t h ef o l l o w i n gi t e m s a r eo v e r v i e w e d f i r s t l y r e s e a r c h e s o f d e v e l o p m e n to fh y d r a u l i cp r e s s ，t e c h n i c a lo fp i p ee x t r u s i o na n dh y d r a u l i cs y n c h r o c o n t r 0 1 b a s e do nt h r e eo v e r v i e w s ，t h es i g n i f i c a n c ea n da i m so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e p r e s e n t e d i nc h a p t e r2 ，d e s i g nt h eh y d r a u l i cp r e s so nt w op a r t s ：h y d r a u l i cp r i n c i p l ea n d e l e c t r i cc o n t r 0 1 i n c h a p t e r3 ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fp u m p ，v a l v e ，a c t u a t o ra n dl o a da r e e s t a b l i s h e ds e p a r a t e l yi nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n b a s e do nt h e s em o d e l s o fc o m p o n e n t s ，t h es i m u l a t i o nm o d e li nt i m ed o m a i no fs e q u e n t i a lc o n t r o ls y s t e m a n du s em a t l a bi nt h es y s t e ms i m u l a t i o n i nc h a p t e r4 t e s tt h em o d e lm a c h i n e ，i n c l u d e st h eo v e r a l lp e r f o r m a n c et e s ta n d t h es y n c h r o n i z e dc o n t r o lt e s t i nc h a p t e r 5 ，a l lo fa c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r k , w h i c hw i l lb ed o n e ，i sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：c o r e l e s se x t r u s i o n ；s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ；p i p ee x t r u s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：1 卦冬浠 签字只期： 妒6 年岁月尸同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权迸姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇、；1 粥 签字f 1 期：卅6 年多月夕同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 幻 签字同期：“年) 月c 7 只 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 致谢 本论文是在导师邱敏秀老师的悉心指导和热情关怀、鼓励下完成的。两年多 以来，邱老师不但为我提供了良好的学习环境和科研条件，而且在生活上给予了 我无微不至的关怀。从课题一开始，我就得到了邱老师的悉心指导和帮助，邱老 师渊博的学识，丰富的经验，注重理论与实践相结合的教学方式，以及爱学生如 子女般的师德，给我留下了很深的印象，并将在今后的工作和生活中继续给我鼓 励和指导。在硕士学业即将完成之际，在此谨向敬爱的邱老师表示深深的谢意和 敬意。我相信，邱老师严谨的治学态度和正直的为人将会使我今后的工作中也受 益无穷。 同时，衷心感谢邱老师、傅林坚师兄在试验和论文撰写的过程中给予我的指 导和帮助。感谢同实验室的孔晓武师兄、刘湘琪师姐、毛江军师兄、傅林孥师兄、 王进军、廖玲玲以及本班同学在工作中给予我的帮助。 特别要感谢我的父母，在我近2 0 年的求学过程中，一直用他们那勤劳的双 手给予我支持、信心和温暖。感谢我的父母多年来对我的艰辛付出，没有他们的 支持，也许就没有我的今天的学业。 田恕倩 2 0 0 6 年1 月于浙大求是园 u l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 铜管压机的发展现状 1 1 i 国内外铜管市场现状 管件在社会生产的各个领域都有着十分普遍的应用，其材料的选定首先要考 虑的因素是在规定的使用压力下具有足够的机械强度，且对管内流动的流体有好 的耐腐蚀性，此外还要保证工程的经济性嘲。以i i 由于人民生活水平较低，铜又 是紧缺物资，故其应用少b 0 1 。但随着我国国民经济的发展，铜加工材的年产量飞 速增长，铜管以其适当的强度、好的耐蚀性、优良的焊接性能以及易于进行塑性 加工的特点，已经在石化、船舶、水道等行业中得到了广泛的应用伽。近年来， 为进一步提高人们的居住条件以及满足兴建城市公共建筑和旅游设施的需要，在 建筑行业开始使用薄壁铜管代替镀锌管。而且，现在我国对空调的需求很大，空 调铜管又是制冷装置的重要原材料”1 。 从铜管的发展历史和现状来看，其生产和消费主要起源于西方工业发达国 家。冰箱、空调器的出现及逐渐普及、汽车制造及其它设备制造业的不断发展导 致了对各种铜管需求的稳步增长。铜管的需求量是与社会经济发展紧密相关的， 它随着经济的发展和人民生活水平的提高逐渐扩大。a c r 铜管( 空调制冷用管) 作 为热交换器主要材料被广泛用于空调、冰箱等工业产品中。国内每年消耗量在 1 0 万吨左右，因家电市场随着人民生活水平的提高而不断扩大，铜管的需求也 逐年增长，国内科技含量高的薄壁铜管生产能力还不能满足需求，每年仍需大量 进口。随着国内经济发展，工业与民用空调制冷用精密铜管的需求会不断增加。 薄壁精密铜管的市场无论是国内还是国际市场都有较大的发展空间，生产这一具 有相当技术含量的产品有广阔的发展前景。 早在8 0 年代，国外发达国家就开始在住宅的给水、燃气系统中使用铜管， 现已十分普及。当前，在发达国家中，铜制供水供暖系统已占很大比重：美国占 8 5 ；加拿大占8 5 ；澳大利亚占8 5 ；英国占9 5 ；香港占7 5 ；新加坡占 8 0 多。并且美国、英国、澳大利亚等国在住宅中使用的燃气管中约7 0 也采 用铜管。 i 1 2 国内外铜管加工现状 经过4 0 多年的发展，我国的铜材加工业从无到有、从小到大，逐步发展成 浙江大学硕士学位论文 品种规格比较齐全、生产手段比较完善、能基本满足经济发展需要的完整的生产 体系。进入9 0 年代以来，随着国民经济的持续增长，人民生活水平的不断提高， 家用电器业迅速发展，增加了对铜管的需求，促进了我国铜管材加工逐步向世界 先进水平迈进，我国的铜加工工业得到了较快的发展。 从5 0 年代到6 0 年代中期，世界上发达国家，如美国、日本、德国等大力发 展铜管材生产，突出表现为纷纷新建或扩建铜管厂，以增加管材产量。进入6 0 年代中期，则侧重于设备的技术改造，以提高质量、降低成本、增强市场竞争能 力为主。进入7 0 年代以来，致力于提高产品质量和精度，改善产品性能，开发 新品种，发展深加工。铜管的壁厚也日趋交薄。法国、德国、日本已普遍生产巾 1 2 0 3 岫、由9 5 2 0 3 姗、由7 0 2 5 m 的薄壁管材。随着空调制冷管新产品， 新技术的不断出现，近年来，世界铜材产量以i i 所未有速度增长，美国、欧洲等 国的铜管加工逐渐向大吨位发展。 1 2 多通管件挤压技术 多通管件中，t 型管是被广泛使用的一种基础元件。t 型管的生产可通过铸造、 锻造、焊接和挤压的工艺方法。 铸造三通一般需再加工且其机械性能较差，日趋淘汰：锻造三通加工余量大、 成本高，应用受限；焊接三通应用虽多，但高应力区处于焊缝位置上，容易留下 事故隐患。将挤压技术应用于三通生产可以说是一项突破，挤压三通在大弯曲应 力区无焊缝、肩部挤压增厚，改善了其强度”1 。 挤压三通的制造是根据金属的塑性变形原理，在原始管坯中填充固体或液体 介质，通过轴向挤压使管坯金属在模腔内产生塑性流动，再辅以其他整形工序加 工而成。按挤压工艺不同可分为以下三种： 热挤压：将加热处理后的无缝管坯放到模具上进行轴向热挤压，主管增厚并 获支管胀突，将胀突开孔且二次加热，热拔出支管，并热整形，最后经加工坡口 得成品。挤压成形体积较大或形状非常复杂的制品时，应采用热挤压方法，还可 以利用热挤压变形时的高压力及热态金属的良好塑性，进行大挤压比热挤压，以 消除用轧制方法不能彻底改善的某些合金铸锭的铸态组织。但热挤压有氧化、脱 碳及热膨胀问题，一般其产品精度和机械性能均比冷挤压低。 冷挤压：冷挤三通是在专用的多向模锻液压机上采用液压胀突成形的原理， 将一定的介质注入密闭的管腔内，在常温下使管坯沿闭合的上下模具内腔胀突成 形。冷挤压具有生产率高、节约原材料和降低生产成本的特点，所获产品尺寸精 度高、机械性能好，外形美观。 温挤压：温挤压是在冷挤压基础上发展起来的新工艺。它是将管坯加热到金 2 浙江大学硕士学位论文 属再结晶温度以下某个适当温度进行挤压，这样管坯就不必先退火。温挤压虽然 要加热，但由于是在再结晶温度以下，金属并没有产生强烈的氧化，故被挤出的 零件精度和光洁度与冷挤相差甚少。并且由于金屑在高温下硬度低，塑性变形性 能好，所以挤压变形力可大大降低，模具所受的应力减小，有利于提高模具的使 用寿命。然而，不同的材料其挤压温度不同，这就要求模具也有所不同，还需考 虑模具的冷却方式，而且，温挤压后会有硬度分布不均匀的情况。 1 3 液压同步控制系统川 当一个驱动源不能满足大功率应用场合，或者要求几个部件同步运动时，就 要采用同步驱动。同步驱动按功能要求可分为速度同步、位置同步和力同步；按 传动形式又可分为机械传动同步、电传动同步和液压传动同步。其中液压同步驱 动占据了非常重要的位置，这是因为与其他同步驱动方式相比，液压同步驱动具 有结构简单、组成方便和适宜于大功率场合的特点。 实现液压同步驱动一般主要有开环控制和闭环控制两种基本形式。由于液压 系统的泄漏、执行元件等存在的非线性摩擦阻力、控制元件问的性能差异、负载 和系统各组成部分的制造误差等因素的影响，使得液压同步的高精度还未得到完 全解决。尤其是采用开环控制的液压同步驱动，因为其完全靠液压控制元件( 如 同步阀、节流阀、调速阀以及液压泵，液压马达等) 本身的精度来控制执行元件 的同步驱动，而不对执行元件的输出进行检测与反馈来构成闭环控制，所以它不 能消除或抑制对高精度同步的不利因素的影响，这就大大限制了开环控制的实际 应用范围。与此相比，尽管液压同步闭环控制系统组成较复杂、造价偏高，但由 于它是对输出量进行检测、反馈，在很大程度上能消除干扰因素的影响，可望获 得高精度的同步驱动。故液压同步闭环控制已经越来越得到人们的重视，特别是 随着现代控制理论、传感器以及计算机技术的发展，这种控制形式几乎在所有需 要高精度液压同步驱动的各类主机上都得到了较好的应用。 1 3 1 影响同步控制性能的因素 1 ) 液压同步方式分析 液压同步方式有多种多样，它根据液压系统的流量规模、液压缸行程、对同 步精度的要求等因素来考虑和选择合适的同步方案。 液压速度同步有多种方式。例如；采用两个手动调速阀等量配油来实现同步 运动，其同步精度取决于调速阀的等流量特性。它与“双联等排量液压马达同步 回路”、。双液压泵等量供油同步回路”等方案类似，均属于速度同步系统。其优 3 浙江大学硕士学位论文 点是：不需检测两液压缸的位置，而以等量供( 排) 油来保证两液压缸的同步， 此类方案成本低、可靠性高。但是，对液压缸而言，由于误差的积累，其位置同 步精度变得较差。 液压位置同步也有多种方式。例如，在“双电液比例( 伺服) 液压泵同步控 制”、“双电液比例( 伺服) 阀同步控制”系统中，增加被控两液压缸位置检测、 反馈系统，对两液压缸的位置同步进行动态调整。该液压同步控制系统的位置同 步控制精度在很大程度上，取决于位移传感器的精度，当然，其控制策略也是非 常重要的。 采用两侧位置独立检测，常用的有旋转式位移传感器、光电编码器、感应同 步电机、自整角机等方案。 2 ) 不同的控制元件对同步控制性能的影响1 由于本论文的同步控制的液压系统流量比较小，在此仅讨论阀控同步控制。 与其他控制阀相比，电液伺服阀是一种高精度、高频响的电液控制元件。由 它组成的液压同步闭环控制系统不仅具有较高的响应速度，而且同步控制精度 高。由于电液伺服阀的运动副配合同隙小、精度高，其造价高且抗污染能力差， 所以，电液伺服阀一般适用于高同步精度要求的场合。 电液比例流量阀是一种新型的电液控制元件，虽然比电液伺服阀的频率响应 低，但因其造价低、抗污染能力高、性能良好，所以由它组成的同步闭环控制系 统已大量应用于系统频率响应适中而又需要较高同步精度的场合，具有良好的工 业应用前景。 数字控制阀是上世纪8 0 年代初期才逐渐发展起来的另一种机电液一体化控 制元件。它最大的特点就是能直接采用数字量来进行控制，从而省去了一般计算 机控制系统中所必备的d a 转换器。另外该阀也具有较高的抗污染能力。因此， 由它组成的液压同步闭环控制系统控制方便、可靠性高、重复精度高、结构简单， 易于实现计算机直接控制。目前，该种同步闭环控制已开始在一些高精度的位置 和速度同步驱动的主机上得到了应用。当然，这种同步控制的精度要受到步进电 机驱动信号的脉冲数、脉宽占空比及计算机硬件和软件的影响。 由机液伺服阀组成的同步闭环控制的一个明显特点就是它采用机械反馈检 测形式构成闭环控制。因此其组成简单、造价低，一般适用于控制精度不高、系 统频响不高但需同步驱动的主机。该同步闭环控制的最大缺点是不能实现电控和 计算机控制，另外机械反馈装置的误差是直接导致同步精度不高的原因。 3 ) 执行元件的不同安装形式对同步性能的影响 在卧式液压缸同步闭环控制中，由于液压缸水平安装且活塞杆或缸筒水平方 4 浙江大学硕士学位论文 向运动不存在重力负载的作用，也不会造成两个运动方向上的动力学性能的不一 致而使同步精度发生变化。相比之下，立式液压缸同步闭环控制就存在因液压缸 垂直安装导致的重力负载的作用，且会引起油缸在两个运动方向的动态特性不一 致，给正反两方向上的高精度同步控制带来困难。此重力负载的“干扰”现象对 大负载的同步提升或下降尤为严重。 4 ) 执行元件的作用形式对同步性能的影响 单作用( 或非对称) 液压缸是单杆伸出的液压缸，其结构的最大特点是进回 油腔的承压面积不相等。最主要优点是结构简单、制造容易、单边滑动密封的效 率及可靠性高、工作空间小。双作用( 或对称) 液压缸是双杆双向输出的液压缸， 其结构的最大特点是进回油腔的承压面积相等，但结构复杂、滑动摩擦阻力大、 需要的运行空间也大。鉴于两种液压缸的上述特性，单作用液压缸的液压同步闭 环控制在正反向的同步控制性能就存在很大差异( 一般要求工作方向同步精度高 而快速回程同步要求不高) ，这给分析和控制实现存在不利影响。相反，双作用 液压缸( 或液压马达) 的液压同步闭环控制就不存在这一同步控制性能上的差异。 1 3 2 液压同步控制技术的研究现状 采用液压同步闭环控制的目的，就是要利用闭环控制的自身特点来获得被控 多个执行元件与负载的输出量的高精度同步。对液压同步闭环控制来说，“等同 方式”和“主从方式”是通常采用的控制策略“”1 。“等同方式”即指多个需同 步控制的执行元件同时跟踪设定的理想输出而都受到控制并达到同步驱动。“主 从方式”是指多个需同步控制的执行元件以其中一个的输出为理想输出，而其余 的执行元件均受到控制来跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动。 为了更好地解决高精度同步驱动问题，一方面，近年来人们在控制系统的前 馈和反馈通路上通过增加多种多样的校正环节来提高同步闭环控制系统的性能； 如采用：动态特性一致性校正和同步误差比例微分校正。“、同步误差比例微分积 分校正嘲、加速度小闭环校正与瞬态速度反馈校正删、加强的状态差值反馈与加 速度微分瞬馈补偿等，并都在不同程度上获得了较满意的效果。另一方面，现 代控制理论自上世纪7 0 年代以来有了迅速的发展，尤其是最优控制理论、自适 应控制理论、鲁棒控制理论和各种智能控制理论的发展及其在工业控制中的成功 应用，给液压同步闭环控制提供了丰富的控制策略，人们已经开始采用最优控制 理论、自适应控制理论和智能控制理论来设计同步控制策略和各式各样的控制 器。如有：p i 与p i d 优化调节器“1 、模型跟踪自适应控制器( a m f c ) 、参考 模型自适应控制器( m r a c ) 伽、自适应学习控制器、模拟学习控制器嘲，模糊 5 浙江大学硕士学位论文 学习控制器和基于逆传递函数矩阵辨识的控制器。这些新理论的采用以及新型 控制器的实际应用，使得液压同步闭环控制的性能有了很大程度的改善与提高， 有的已取得了明显的工业应用效果。 1 4 本文的选题意义及主要研究内容 1 4 1 选题意义 随着国民经济的发展，尤其是家用电器、仪器仪表、汽车、电子电气及电力 行业的高速发展，我国铜加工材的年产量飞速增长，铜管需求大幅度增加。由于 人民的生活水平逐渐提高，空调已经成为一种生活必需品进入了大众的日常生 活，空调铜管的需求势必大大增加。而且，为了改善居住条件及旅游设施、城市 公共建筑的大量兴建，铜管作为公认的性能优异的管材，也将得到大量使用。 于是，如何高效、快速地生产出高质量的铜管就成了所必须解决的问题。本 课题就是基于上述理由的基础上，与企业合作开发g j y j _ 1 6 0 型多通管件挤压成 形液压机，通过改善生产工艺、采用电液比例控制以及全自动控制控制程序使铜 管生产技术更加先进。 1 4 2 主要研究内容 本课题来源于企业，需要对多通管件挤压成形液压机进行研究，期望能够更 好地解决铜管挤压生产现存的问题。本课题的主要研究内容包括： 1 液压机控制系统设计。分析铜管加工的步骤，根据需要设计合适的液压回路。 使所设计的液压系统既可以充分发挥其工作性能，又要注重工作状态的绝对 可靠。 2 为了加工出高质量的三通管件，要求压机挤压铜管时，左右两个侧液压缸必 须同步对中，才可以保证产品的对称性。如此，需选择合适的同步回路，并 采用闭环控制使其精度大大提高。 3 建立合适、有效的理论模型，通过使用软件仿真模拟真实情况，来检测侧液 压缸同步控制系统设计是否满足精度要求。 4 选用p l c 对加工工序编写自动控制程序，以实现全自动操作，提高生产率、 减小劳动强度。 6 ， 浙江大学硕士学位论文 2 1 加工方法 第二章系统设计 多通铜管件挤压方案 生产厂家对课题所研制的多通管件压力机的三点基本要求： 1 、三通铜管件的挤压成形采用冷挤压； 2 、冷挤压的技术方案要低污染、工艺简单、效率高； 3 、挤压同步技术工作高效、可靠、操作方便。 1 ) 冷挤压原理：图2 1 是液压位置同步闭环控制原理图，在垂直缸、左右 水平缸、顶出缸联合作用下，利用增压器向铜管坯内注入一定量的高压液体，通 过左、右水平缸的不断推进，增压器逐渐向管坯内增压，这时置于胀形模中的管 坯便开始向模具中的空腔“流动”，最终胀成三通管件。 1 、左水平缸 2 、垂直缸3 、成形模4 ，右水平缸 5 、顶出缸6 、三通件7 ，增压器8 ，比例压力阀 图2 - - 1 液压位置同步闭环控制原理图 7 浙江大学硕士学位论文 上模 - 目 z 3 、 箭 图2 2 冷挤压三通工艺流程 图2 - 3 三通管成型及模具示意图 袖向力 如图2 2 、2 3 所示的是冷挤压三通工艺流程和管件成型及模具示意图。 根据所采用的胀形介质不同，在1 m n 油压机上用外径为1 6 m m 、内径为1 4 m m 的t u p 退火紫铜管坯进行了实验。实验中采用橡胶、尼龙、铅、黄油、蓖麻油 等为胀形介质，用弹性挤胀所得到的长径比不到2 。而塑性体及流体则达到3 6 以上，且表面质量较好。 根据上一章的介绍，与热挤压、温挤压相比，选用冷积压的方法生产多通铜 管具有更多的优势。现有以下两种方案： 8 浙江大学硕士学位论文 方案一：传统的挤压技术是以铅或石蜡作为挤压介质。 首先将熔化状态下的铅或石蜡注入原始管坯中，待冷却后放入模具进行挤 压。由于在挤压过程中，时有铅屑产生，铅屑容易嵌附在铜管的内壁。介质在挤 压后需要加温融化取出，并需对管件内侧进行清洗。生产工艺复杂，工作效率低， 生产条件恶劣。特别是铜管壁内残留的铅屑，不仅影响成品的光洁度而且对操作 者及环境造成污染。固态的铅棒或石蜡，其可压缩性基本为零，因而挤压速度受 负载的影响非常明显。若铅的变形跟不上挤压缸的速度时，会产生较大的阻力， 使挤压速度自动降低。以铅或石蜡作为挤压介质的传统加工方法虽然比较成熟， 应用广泛，但在环保及制造效率不理想。 方案二：基于无芯挤压原理的成形工艺。 以清洁的液压油或皂化水作为挤压介质，利用介质的不可压缩性在挤压机上 挤压成形。因液压油或皂化水在受挤压时压力分布均匀，使管件变形量十分匀称， 从而可提高产品质量，降低废品率。不仅大幅提升了挤压速度，简化工艺过程， 使生产效率明显提高；并可节约2 0 铜材消耗量；改善工作条件；更重要的是彻 底消除铅棒对工人身体的损害和对环境的污染。但油和水往往会混入部分气体， 实际上还是有一定的可压缩性的。管件容易因挤压速度过高而破裂，需要对挤压 速度进行控制。该技术具有工艺流程短、挤压速度快、生产效率高、节约原材料、 生产成本低以及无污染等特点，生产产品可广泛应用于石化、船舶、水道等行业 的薄壁多通管件的挤压成形。 比较以上两方案，采用方案二能够满足课题的第1 、2 条要求。即以高压油 做为本压机的挤压介质。 2 2 液压系统工作原理呲4 捌 根据课题要求，为了将二通管件挤压成三通，液压机主要需要完成压紧工件、 挤压成形和顶出工件三个步骤。整个系统共有四个承担了不同任务的液压缸，包 括一个主缸、一个顶出缸和两个挤压缸。分成两部分进行设计：一部分包括主缸 和顶出缸，采用四柱液压机；另一部分包括两个挤压缸，进行同步挤压，采用同 步控制。 2 2 1 四柱液压机 9 浙江大学硕士学位论文 图2 4 四柱液压机油路图 从原理上讲，四柱液压机要求液压系统完成的主要动作有：主缸活塞需要实 现“快速下行一慢速加压一保压延时一快速返回一原位停止”的顺序动作；顶出 缸需要实现“向上顶出一停留一向下退回”的动作循环。其工作循环图如图2 5 所示。 停止悟行慢速加压保压延时快速返回l原位停止 1 l 一 v ? j旦下j 原位停止 停留 向上顶t i l 下滑块 图2 - - 5 液压机动作循环图 回 浙扛大学硕士学位论文 图2 4 为四柱液压机液压系统图。该系统由电动机驱动一个轴向柱塞变量 泵供油，主缸2 0 是柱塞缸和活塞缸串联组成，以便实现快速下行。其运动速度 由改变泵的流量来调节。系统压力由溢流阀l o 、1 2 、1 3 调定，当系统压力大于 溢流阀的调定压力，插装阀9 阀心打开，实现溢流。 1 主缸运动 1 快速下行 在图2 4 的位置上开启电动机i 使变量泵2 为系统供油，此时电磁换向阀 l l 处于中位，插装阀9 的阀心打开，泵卸荷。按动工作按钮，给电磁铁y a 7 通 电，使系统加压；y a 5 通电，使电磁换向阀1 7 右位机能起作用；此时控制油路 为： 泵2 一电磁换向阀1 7 右位一液控换向阀1 8 ( 处于上位机能) y a l 通电，电磁换向阀1 5 右位机能起作用，此时主油路接通，油流路线为： 进油路：泵2 一电磁换向阀1 5 右位一单向阀1 6 - - 主缸柱塞缸； 回油路：主缸2 0 有杆腔一单向阀1 4 一电磁换向阀1 5 右位一油箱。 这样，活塞在桂塞以及自重的作用下迅速下降。由于阀1 8 处于上位，压力 油无法进入主缸2 0 上腔，因而上腔形成局部真空。于是，在大气压的作用下， 液控单向阀2 7 被打开，主干上腔从油箱补油，使之充满油液，以便在活塞下降 到接触工件时，能进行加压。 2 慢速压模 当主缸上安装的上模具触到行程开关s q l ，使电磁铁y a 5 断电，阀1 7 回到左 位，阀1 8 下位机能有效，压力油通过单向阀1 6 后，分为两路，一路通过阀1 8 下位的单向阀进入主缸上腔，主缸上腔压力迅速升高，液控单向阀2 7 关闭。主 缸活塞的运动速度变得很慢。主油路油流路线： 进油路：泵2 一电磁换向阀1 5 右位一单向阀1 6 一主缸柱塞缸； 阀1 8 下位一主缸上腔； 回油路：主缸2 0 有杆腔一单向阀1 4 一电磁换向阀1 5 右位一油箱。 3 保压 当主缸上安装的上模具触到行程开关s q 9 ，主缸进入保压状态，油路与慢速 压模时一致。系统利用密封的压力管道和压力油的弹性交形实现保压，主要为了 保证模具和被加工管件无间隙，保压时间可由p l c 控制。 l l 浙江大学硕士学位论文 4 卸压、快速回程 铜管压制结束，使电磁铁y a 2 通电，阀1 5 左位机能起作用，主缸处于上升 回程状态。若此时主缸上腔及柱塞缸立即与回油相通，则系统内压力油积蓄的压 力将突然释放出来，产生液压冲击，造成机器和管路的剧烈振动，发生很大的噪 声。所以，保压后必须先卸压然后再回程。故系统设置了液控单向阀2 7 和背压 阀1 9 ，缓解液压冲击。 电磁铁y a 2 、y a 6 通电后，使阀1 5 的左位接入主油路，阀1 1 左位机能起作 用。压力油接入阀2 7 将其阀心打开，主缸上腔泻压，然后阀1 9 阀心打开，通柱 塞缸的油液也泻压。压力油通过单向阀1 4 进入主缸下腔，使主缸快速回程。压 力油也经过阀1 1 左位和阀1 2 ，然后通过阀9 卸荷。 主油路回程时油流路线： 进油路：泵2 一电磁换向阀1 5 左位一单向阀1 4 一主缸2 0 下腔； 回油路：主缸2 0 上腔一液控单向阀2 7 - - 油箱； 柱塞缸一溢流阀1 9 一液控单向阀2 7 一油箱。 2 顶出缸运动 1 顶出缸( 活塞) 顶出 当左右缸回程到预定位置碰到行程开关s q 5 、s q 8 ，电磁铁y a 2 、y a 6 断电， y a 7 通电后，阀1 5 回复中位，主缸被锁，活塞和柱塞皆停止运动，系统加压， 回程结束。 顶出缸的初始位置是活塞处于最下端。给电磁铁y a 4 通电，是电磁换向阀8 右位机能起作用，顶出缸7 油路接通，其油液路线为： 进油路：泵2 一电磁换向阀8 右位一单向阀6 一顶出缸7 下腔； 回油路：顶出缸7 上腔一电磁换向阀8 右位一油箱。 2 顶出缸( 活塞) 退回 经过一段时间，可由控制面板设定。y a 3 通电，阀8 左位机能起作用，顶出 缸活塞下降、退回。顶出缸下腔工作压力经溢流阀5 由远程调压阀3 调整。然后 再延时，y a 3 断电，阀8 回复中位，一个工作循环完成。 2 2 2 同步控制 在管件挤压成形过程中，同步控制是非常重要的。若左右两方向的挤压不同 步会影响制成管件的壁厚均匀度和对称度，即直接影响产品的外观和内在质量。 浙江大学硕士学位论文 所以，必须慎重选择同步控制方式。 一般，同步方式按传动形式可分为机械传动同步、电动传动同步和液压传动 同步；为了更好地完成设计要求，机、电、液往往相互结合使用。按功能要求又 可分为速度同步、位置同步和力同步。速度同步指各执行元件的运动速度相等， 而位置同步指各元件在运动、静止时都保持相同的位移量。衡量同步运动的优劣 的指标是同步精度。以位置绝对误差a 或相对误差6 表示： a f f i i s a - s 小扣2 。渊订懈 由于负载不均衡，摩擦阻力不等，液压缸泄漏量不同，空气混入和制造误差等因 素会影响同步精度。如果两缸负载差别较大会因偏载造成活塞和活塞杆、工件与 导轨间卡死现象。 1 同步方案 1 ) 机液同步 图2 6 机液同步控制原理图 如图2 6 所示为机、液结合的同步控制原理，采用液压驱动与机械连杆机 构传递动力的同步位置、挤压速度复合控制。由位于下方的液压缸驱动管件两端 的机械四连杆机构，控制管件两端挤压的位簧同步精度；调节液压缸的速度可以 控制挤压的最佳速度。 机械同步简单可靠，但结构复杂，同步精度主要取决于制造精度和结构刚性。 此种同步方案在机械零部件设计正确、加工精度高的情况下，同步精度可以基本 保证且重复性好；但是由于四连杆机构不能过于庞大，导致挤压力也不可能很大， 限制了其在大功率系统的应用。 2 ) 液压同步” 浙江大学硕士学位论文 液压同步方式主要是速度同步和位移同步。可以通过控制进入或流出液压缸 的流量来实现液压缸的速度同步当系统为开环时，累计误差较大，特别不适于 工作行程较长的液压系统。也可以通过将两相等容积的油液分配到尺寸相同的两 液压缸，实现两缸位移同步，称容积同步回路。这种回路可允许较大的偏载，偏 载造成的压差不影响流量的改变，只影响微量的压缩和泄漏。在开环条件下与速 度同步回路相比同步精度较高，系统效率较高。 l 并联双液压泵等量供油同步回路 一 图2 7 并联双液压泵等量供油同步回路 如图2 7 所示，在这种回路中，以同一电动机带动两个相同流量的定量泵， 分别将油液送至两个油缸，以实现两个油缸的同步运动。该系统属于开环速度同 步回路。其原理简单，易于实现；但存在累积误差，无法消除。两个定量泵的容 积效率及流量差异，是影响同步精度的主要因素。 2 双联等排量液压马达同步回路 图2 8 双联等捧量液压马达同步回路 如图2 8 所示，双联液压马达是由尺寸相同的两个液压马达将输出轴连接 在一起组成的。相同的尺寸和较高的加工精度，使得两个液压马达的流量基本相 同，对两液压缸等量供油，从而实现速度同步。同步精度主要取决于液压马达和 1 4 浙江大学硕士学位论文 液压缸的加工精度以及负载的均匀性。由于加工误差总是存在，故同步误差是不 可避免的。因此，在液压同步马达内部每一条油路上都设有一个溢流阀和单向阀 组成的阀组，用于消除位置不同步误差。当一个液压缸先到达终点时，随着马达 继续转动，已到终点的液压缸的压力油就通过溢流阀回到油箱；同样，在液压缸 回程时，也必然有一个缸首先到达终点，随着马达继续转动，该油缸与其马达之 问会产生真空，这时通过单向阀对该支路进行补油。这样，通过溢流和补油来实 现同步，从而消除累积误差。 3 采用分流集流阀的同步回路 图2 9 分流集流阀同步回路 如图2 9 所示，采用分流集流阀实现同步，两活塞对中时阀起分流作用， 回程时起集流作用。分流集流阀可用于两液压缸负载相差较大的同步回路，在完 全偏载时仍能保持速度同步。此回路结构简单、造价低，适于同步精度要求不高 的设备。 前面提出的几种回路都是开环系统，随着科技进步，采用电反馈的闭环控制 越来越多地得到应用。闭环系统必然要考虑稳定性问题，系统的精度越高就越不 稳定。而系统的精度取决于传感器的检测精度和阀的响应特性。如何在精度和稳 定性之间取得平衡是设计闭环系统时需解决的关键问题。下面提出的是闭环位置 同步回路，理论上不存在累积误差。 4 比例流量阀同步回路 浙江大学硕士学位论文 图2 一l o 比例流量阀同步回路 如图2 一1 0 所示，该回路是用单液压泵加比例流量阀和方向阀实现同步。在 两液压缸上分别装有位移传感器( 未画出) 来检测两缸位移，然后在比较电路中 得到位移偏差值，将其反馈给比例流量阀，调节其输出流量进而调节缸的位移。 5 比例方向阀的同步回路 图2 - - 1 1 比例方向阀同步回路 如图2 一l l 所示，采用比例方向阀控制进油的同步回路。在两液压缸上分别 装有位移传感器( 未画出) ，根据其反馈信号。连续地控制阀口开度，使之输出 与电磁方向阀相应的流量。当出现位置偏差，比例放大器得到一控制信号，调整 比例方向阀开口，使之朝减小偏差的方向变化，直至偏差消失 2 方案选择 为实现同步，无论是机械还是液压方式都还有许多方法，在此不一一阐述 浙江大学硕士学位论文 仅就以上提出的6 种同步回路进行比较选出合适课题要求的。 机械同步为达到精度要求其制造精度必须很高，这样就增加了加工难度；而 且要求侧液压缸的公称力为6 3 0 k n ，如此势必使其结构庞大。故不采用机液同步 方式。几种液压开环同步回路虽然已经采取措施消除累积误差，但是在对中过程 中很难保证其精度，也不宜选用。比例方向阀和比例流量阀同步回路都采用闭环 控制，对同步过程也都可以控制；不过相比之下，比例流量阀同步回路不仅在正 常使用时可以满足要求，而且即使出现故障，经适当调整仍具有开环的速度同步 能力，并且使用两个比例流量阀，在其中一个故障时，另一个具有备用功能。所 以最后决定选用比例流量阀同步回路。 输出1 输出2 图2 1 2 液压位置同步闭环控制原理图 液压同步控制一般分为等同方式和主从方式。所谓“等同方式”即多个需同 步控制的执行元件同时跟踪设定的理想输出而都分别受到控制并达到同步驱动； 所谓“主从方式”即多个需同步控制的执行元件以其中一个的输出为理想输出， 而其余的执行元件均受到控制来跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动。结合 课题要求，决定采用主从方式的位移同步，其原理图如图2 一1 2 所示。 分别检测两个液压缸的位移，然后在比较电路中得出位置偏差值，将该偏差 值反馈至电液比例流量阀加以控制。两个电液比例流量阀中，阀1 的控制电流恒 定，阀2 则受两液压缸位置偏差量的控制，使该阀所控制的液压缸2 精确地跟踪 液压缸l 的运动。采用“主从方式”的意义主要的一点是保证了控制系统更容易 稳定，系统更简单，因为系统中要控制的参数只有一个，单输入( 设定电流) 单 输出( 可变控制电流) 系统的控制当然较简单。如果让两个流量阀都受闭环控制， 则系统需要对两个参数( 流量阀的控制电流) 进行控制，而这两个参数间还存在 着耦合关系，要找到一个真正意义上的解耦控制器是很困难的。不仅如此，耦合 系统还容易造成系统振荡，易不稳定。一般电液比例流量阀的频响远大于该液压 系统的固有频率。所以其控制精度主要决定于位置检测系统的精度。从液压控制 原理出发，该系统只要采用一个普通的节流阀和一个电液比例流量阀即可完成上 述任务。但在重大设备中，应采用冗余设计以保证系统更加安全稳定。 1 7 浙江大学硕士学位论文 3 比例流量阀同步回路 图2 1 3 比例流量阀同步回路液压原理图 原理上，比例流量阀同步回路要完的主要动作有；两缸左右对中、管件内一 端通油一端放气、管内保压、挤压管件、管件放油、两缸回程。 如前所述，同步回路也是主油路的一个分支，在主缸保压后进行动作。 1 两缸左右对中 主缸保压2 秒后，给比例流量阀2 6 、2 8 输入相同的电信号，使其输出流量 相同；电磁铁y a 8 、1 3 通电，使电磁方向阀2 1 、2 9 左位机能起作用。压力油分 别通过比例流量阀2 6 、2 8 进入两缸的无杆腔，使他们快速对中，此时无负载。 2 管件内通油、放气 当两活塞杆压紧管件，拨动行程开关s q 3 、s q 6 ，使电磁铁y a 8 、1 3 断电，阀 2 l 、2 9 回复中位，两缸活塞静止不动；电磁铁y a l 2 通电，使电磁方向阀2 2 右 位机能起作用；延时0 2 秒给电磁铁y a i o 通电，使阀2 4 左位接入油路。这样， 管件右端进油，左端放气。 3 管内保压 延时一段时间，当管内气体都排出，已经充满液压油之后，将电磁铁y a l 2 断电，阀2 2 回复左位。由于油液通过减压阀2 3 才进入管件内，油液压力保持恒 定。 浙江大学硕士学位论文 4 挤压管件 分别从左右两端同时挤压管件，由于内部充满高压油，于是管件顺着模具变 形成要求的样子。这是同步回路的重要动作，采用位移反馈的闭环系统。与左右 对中时相同，电磁铁y a 8 、1 3 通电，使电磁方向阀2 l 、2 9 左位机能起作用，压 力油分别通过比例流量阀2 6 、2 8 进入两缸的无杆腔；不同的是，此时开始挤压 工件，会有负载。 5 管件放油 将管件挤压至预定形状时，触动行程开关s q 4 、s 0 7 ，电磁铁y a l 、7 、8 、1 0 、 1 3 断电，阀1 l 、1 5 、2 1 、2 4 、2 9 回复中位，系统卸荷，两缸停止运动；电磁铁 y a l 2 通电，阀2 2 右位接入，给管件放油。 6 两缸回程 主缸回程结束，电磁铁y a 2 、y a l 2 断电，阀1 5 、2 2 回复左位。给y a 9 、1 4 通电，阀2 1 、2 9 接入右位，液压油进入两缸有杆腔，两缸给自退回。碰到行程 开关s q 5 、s q 8 时，电磁铁y a 9 、1 4 断电，两缸静止。 2 2 3 挤压成形液压机 将四柱液压机和同步回路组合起来，就构成了课题要求的挤压成形液压机的 油路图，如图2 一1 4 所示。 图2 一1 4 挤压成形液压机油路图 浙江大学硬士学位论文 2 3 电气系统控制m u 近年来