液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)

張立軍，金永山，張軍偉，張?zhí)炝?，繆俊杰，王旱祥，李小?/p>

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

斷料作為加工金屬材料的第一道工序，在加工備料工序中得到了廣泛應(yīng)用[1]。在“機(jī)械加工概論”“現(xiàn)代制造技術(shù)”“切削原理與刀具”等課程中均有講述。在斷料成形的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生通常只能接觸到剪切或者車削等設(shè)備。為了提高學(xué)生對于金屬斷料方法的了解和認(rèn)識，感受低應(yīng)力精密成形技術(shù)優(yōu)勢，在原有高速離心斷料機(jī)的基礎(chǔ)上[2]，開發(fā)了液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺通過自動控制和液壓補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對棒管料的精密斷料，讓斷料過程更具直觀性。

棒料的傳統(tǒng)斷料方式有很多，比如鋸切斷料、剪切斷料和氣割斷料等[3]，但是這些斷料方法得到的棒料斷口質(zhì)量低，很難獲得理想的品質(zhì)和精度，消耗能量大，浪費(fèi)原材料嚴(yán)重。近年來，出現(xiàn)了許多新的斷料方法，包括電化學(xué)、線切割、精剪等，雖然存在一定優(yōu)勢，卻也有不少弊端[4]，例如斷料效率低、成本高等問題。因此，研究人員在材料力學(xué)與斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)上提出了“低應(yīng)力斷料方法”。低應(yīng)力斷料技術(shù)是通過裂紋來實(shí)現(xiàn)物料分離和切割的一種綠色新型的斷料方法，和傳統(tǒng)斷料方法相比可以節(jié)省材料、節(jié)能高效，且具有較高的斷面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，這種新型高效斷料方式逐漸受到行業(yè)內(nèi)的高度重視，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[5]。

1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺的工作原理

該液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺主要由斷料機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動控制系統(tǒng)和液壓補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)成。其中，斷料機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由移動夾持機(jī)構(gòu)、斷料模具、雙向推力機(jī)構(gòu)和帶輪-主軸傳動機(jī)構(gòu)等模塊組成。通過各個(gè)機(jī)械模塊的互相配合，在自動控制系統(tǒng)和液壓補(bǔ)償系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)斷料所需的各種機(jī)械運(yùn)動。自動控制系統(tǒng)主要由人機(jī)交互界面、PLC、變頻器和伺服電機(jī)組成，可以控制三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并能控制液壓元件實(shí)現(xiàn)斷料規(guī)定的液壓傳動；通過人機(jī)交互界面能夠處理速度、液壓力和頻率等參數(shù)來保證精確控制。液壓補(bǔ)償系統(tǒng)的基本功能:一是控制液壓三爪卡盤的夾緊和改變夾持棒料的力臂，二是提供液壓力來補(bǔ)償滑塊的離心力。

1.1 液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力斷料原理

低應(yīng)力斷料技術(shù)的基本原理是在金屬棒料圓周的表面預(yù)先加工一個(gè)環(huán)狀V 型槽，對棒料施加周向載荷之后，利用環(huán)狀V 型槽的彎曲效應(yīng)和缺口效應(yīng)，在棒料V 型槽底部尖端的局部區(qū)域產(chǎn)生裂紋，通過裂紋的擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)分離。在低應(yīng)力條件下讓棒料發(fā)生脆性斷裂，得到斷面良好、無畸變、不用倒角的毛坯[6]。斷料過程中棒料V 型槽尖端模型的受力示意[7]如圖1 所示。

圖1 棒料受力示意圖

在斷料過程中，通過斷料機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)帶動連接在主軸上模具的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對棒料一端加載[8-9]，但是單一地通過調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速控制棒料上的加載力，很難解決加載力偏大，以及轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致加載力不穩(wěn)定的問題[10]。為此，本文設(shè)計(jì)了液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。

圖2 液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料結(jié)構(gòu)簡圖

在雙向推力機(jī)構(gòu)中，液壓缸產(chǎn)生的液壓力推動斷料模具中的三角-連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而帶動燕尾槽中的滑塊上下移動，把沿著主軸方向的液壓力轉(zhuǎn)化為沿著軸頭燕尾槽方向上的棒料加載力，在斷料過程中對斷料離心力進(jìn)行補(bǔ)償，保證棒料在較低轉(zhuǎn)速下起裂?？梢苿訆A持機(jī)構(gòu)使得棒料在起裂后對棒料加載力臂的大小動態(tài)調(diào)整，施加在棒料上的載荷能從起裂階段平滑地向著裂紋擴(kuò)展階段過渡，從而實(shí)現(xiàn)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺的工作流程

該實(shí)驗(yàn)平臺斷料的基本流程：首先實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)初始化，將預(yù)制有環(huán)狀V 型槽的棒料放入液壓三爪卡盤中夾緊，然后通過移動夾持機(jī)構(gòu)將棒料送入到斷料模具中，保證棒料和軸承孔充分接觸；調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，使液壓力傳遞到與雙向推力機(jī)構(gòu)連接的斷料模具；再調(diào)節(jié)變頻電機(jī)，利用帶輪-主軸傳動系統(tǒng)驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動，與主軸連接的斷料模具中的滑塊對棒料產(chǎn)生一定的離心力；根據(jù)棒料斷料過程中的裂紋情況，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)變頻系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，以改變液壓補(bǔ)償力和加載力臂；一旦棒料V 型槽尖端出現(xiàn)裂紋后，自動控制系統(tǒng)可控制液壓卡盤的夾緊、松開和移動夾持機(jī)構(gòu)的進(jìn)給，從而動態(tài)調(diào)節(jié)棒料的加載力臂，保證棒料從裂紋起裂到裂紋擴(kuò)展平穩(wěn)過渡，最終棒料斷裂，得到高質(zhì)量的斷面。完成一根棒料斷料后，液壓卡盤1 松開，液壓卡盤2 夾緊，推動棒料向前進(jìn)給；當(dāng)棒料到達(dá)預(yù)定位置后，松開的液壓卡盤1 重新夾緊棒料。此時(shí)液壓卡盤2 松開退回到原來位置之后再重新夾緊，等待下一次棒料進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)自動連續(xù)斷料?；镜臄嗔狭鞒倘鐖D3 所示。

圖3 本實(shí)驗(yàn)平臺工作流程圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

該實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)主要包括斷料實(shí)驗(yàn)平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)和自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物見圖4，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是由帶輪-主軸傳動機(jī)構(gòu)、液壓控制柜、變頻電機(jī)、控制面板、移動夾持機(jī)構(gòu)、斷料模塊、雙向推力機(jī)構(gòu)等組成。

圖4 液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖

變頻電機(jī)固定在整體基座的張緊板上。從圖4 中可以看出，在實(shí)驗(yàn)平臺的右側(cè)，變頻電機(jī)的輸出軸和同步帶的小帶輪聯(lián)結(jié)。帶輪-主軸傳動機(jī)構(gòu)包括大帶輪、小帶輪和同步皮帶，小帶輪與大帶輪的傳動比為3∶1。大帶輪安裝在主軸的一端，主軸的主體部分在軸承座內(nèi)固定。將軸頭和主軸的另一端利用螺栓擰緊。在主軸的軸頭位置設(shè)計(jì)了燕尾槽，能夠讓斷料模塊中軸頭和滑塊配合工作，保證滑塊可以順著開槽的方向來回移動。雙向推力機(jī)構(gòu)由固定在主軸外接的軸承外殼上的擋板和2 個(gè)液壓缸通過螺栓固定組成。在液壓缸的驅(qū)動下，雙向推力機(jī)構(gòu)能夠驅(qū)動斷料模具的三角-連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，帶動滑塊在燕尾槽中來回移動，提供液壓補(bǔ)償力。在實(shí)驗(yàn)平臺的左側(cè)安裝有斷料機(jī)的控制面板，可以控制機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動和液壓補(bǔ)償系統(tǒng)工作。棒料的移動夾持機(jī)構(gòu)主要由2 個(gè)液壓缸和2 個(gè)液壓三爪卡盤組成，通過安裝在機(jī)床底部的液壓控制柜來實(shí)現(xiàn)其夾緊、松開和進(jìn)給的運(yùn)動要求。通過上述機(jī)械結(jié)構(gòu)的精確配合可以滿足斷料的工作要求。

2.2 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓補(bǔ)償系統(tǒng)的精確控制是實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力精密斷料的關(guān)鍵。斷料過程中，需要控制變頻器驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，以及控制液壓缸帶動滑塊對棒料施加載荷，并對滑塊的反作用力進(jìn)行檢測，從而動態(tài)調(diào)整滑塊位置。本實(shí)驗(yàn)平臺通過閉環(huán)控制系統(tǒng)保證斷料過程的精確性。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺的基本控制方案如圖5 所示。本實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面、PLC、變頻器和伺服電機(jī)。

圖5 斷料機(jī)控制方案

2.2.1 人機(jī)交互界面的選型

設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面的目的是能夠觀察斷料機(jī)各個(gè)工作階段的運(yùn)行情況，以便對斷料流程精確控制。本文的控制系統(tǒng)需要對三相電機(jī)和液壓補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行控制，所以對界面配置要求高。PLC 上位機(jī)選擇的型號為背鎖式人機(jī)界面MT8071Ier1，之所以選擇此人機(jī)界面是因?yàn)樵谇度胧綉?yīng)用環(huán)境中容易安裝，利用固定支撐架可以將其全平面放置在不同型號的控制箱中。在實(shí)際斷料中需要使用冷卻液，而 MT8071Ier1 型號的人機(jī)界面在防水能力上達(dá)到了IP65 防水的級別，保證不受冷卻液的干擾。設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面見圖6。

圖6 人接交互界面

在觸屏界面設(shè)定變頻電機(jī)的頻率，設(shè)計(jì)多種頻率加載曲線控制主軸轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對棒料的精密斷料。位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)給部分的位移。如果遇到緊急情況，可以使用急停來停止斷料機(jī)的工作。控制箱旋鈕的設(shè)計(jì)功能：斷料電機(jī)啟動、停止；油泵電機(jī)啟動、停止、急停；一號夾緊缸伸出、退回；二號送料缸伸出、退回；三號卡盤夾緊、松開；四號卡盤夾緊、松開。

2.2.2 PLC 的選型

為了對斷料過程中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，需要選擇PLC 模塊來掃描、讀取和處理觸摸屏中所有數(shù)據(jù)和輸出狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)在控制2 個(gè)變頻器的同時(shí)，根據(jù)起裂和擴(kuò)展情況來處理液壓泵的輸出流量和三相電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于控制液壓補(bǔ)償系統(tǒng)工作需要多個(gè)I/O 口處理數(shù)據(jù)[11]，因此本實(shí)驗(yàn)平臺選擇的PLC模塊是西門子公司S7-200 SMART 可編程控制器，型號為ST40，PLC 的詳細(xì)接線如圖7 所示。

2.2.3 電機(jī)和變頻器的選型

為了實(shí)現(xiàn)斷料過程中實(shí)驗(yàn)平臺所需的主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，需要選取符合低應(yīng)力斷料標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)和變頻器。變頻器和電機(jī)的詳細(xì)接線如圖8 所示。

圖7 PLC 接線圖

變頻器可以改變電機(jī)的工作頻率，從而改變主軸的轉(zhuǎn)速。通過計(jì)算，選擇三相異步電機(jī)的型號為Y160L-2 三相異步交流電機(jī)；斷料要求變頻器的額定容量為 15 kW 左右，因此選定的變頻器為 MBK300-015GT4。在斷料過程中實(shí)驗(yàn)平臺的液壓缸的位移單位為mm，所需的最大功率是1 kW，所以選擇液壓泵電機(jī)的功率為1.1 kW，型號是 Y100L1-4；選擇的變頻器是功率為1.5 kW 的MBK100-1R5GT4，其額定功率為1.5 kW。

2.3 液壓補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的液壓補(bǔ)償系統(tǒng)主要包括2 個(gè)功能：一是通過液壓力對棒料的加載力臂長度進(jìn)行控制，并且實(shí)現(xiàn)液壓三爪卡盤夾緊、松開的功能；二是對滑塊所需的離心力通過液壓力進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3.1 液壓模塊的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)液壓補(bǔ)償系統(tǒng)的基本功能，設(shè)計(jì)的液壓補(bǔ)償模塊主要由液壓三爪卡盤、液壓缸與液壓泵等組成。在選擇液壓三爪卡盤時(shí)，需要考慮棒料的夾持直徑范圍和所需夾持力的大小等因素。為方便在實(shí)驗(yàn)中對不同直徑的棒料進(jìn)行斷料，本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)定最大的夾持棒料的直徑為25 mm，最大夾持力為4500 N，綜合考慮選用符合標(biāo)準(zhǔn)的液控三爪卡盤的型號為中控立式三爪卡盤VH-305，活塞面積為6600 mm2，卡爪行程為5.4 mm，最高使用壓力 294 N/cm2（30 kgf/cm2）。

圖8 變頻器與電機(jī)接線圖

對液壓缸選型，包括對移動夾持機(jī)構(gòu)中的液壓缸選型和對斷料模塊的液壓缸選型。實(shí)現(xiàn)棒料進(jìn)給的液壓缸只需要測得直線位移，所以可以考慮與斷料模塊處相同的液壓缸；對于斷料模塊處的液壓缸根據(jù)需要提供的最大液壓力、最大工作壓力進(jìn)行計(jì)算得到桿腔直徑為22.6 mm，圓整后為25 mm，選定液壓缸的型號為WYX01-70L-1-FB。

液壓泵的選擇需要滿足上述多個(gè)液壓缸同步工作，且液壓泵的流量要大于所有液壓缸的流量之和，斷料所需液壓泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速1400 r/min，液壓缸的最大行程為56 mm，選定額定工作壓強(qiáng)為 50 MPa，額定流量為10.8 L/min 的液壓泵：CBWmb-F7.8-AL1P1。

2.3.2 液壓線路設(shè)計(jì)

圖9 液壓工作路線圖

如圖9 所示，本實(shí)驗(yàn)平臺包括4 個(gè)支路的液壓線路：如加載力補(bǔ)償線路(支路一)，斷料過程中為離心力提供液壓補(bǔ)償力；送進(jìn)線路（支路二），能夠改變棒料的夾持力臂和實(shí)現(xiàn)棒料的進(jìn)給要求；夾持線路1,2（支路三與支路四），實(shí)現(xiàn)卡盤的夾緊和松開。液壓送進(jìn)線路和加載力補(bǔ)償線路均采用對稱布置的一對液壓缸，保證提供均勻的液壓力，避免機(jī)械機(jī)構(gòu)由于受力不均而產(chǎn)生卡頓。在夾持線路和送給線路，通過減壓閥對線路流量控制棒料夾持力的大小和進(jìn)給速度[12]。

3 實(shí)驗(yàn)平臺的測試與結(jié)果分析

3.1 棒料斷面質(zhì)量的評價(jià)方法

針對棒料的斷面特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了合理的斷料質(zhì)量評價(jià)方法，參數(shù)如圖10 所示。該評價(jià)方法有以下3 個(gè)衡量參數(shù)：瞬斷區(qū)相對于棒料橫截面圓心的偏心量z，代表V 型槽所在斷面上周向裂紋的擴(kuò)展均勻程度；瞬斷區(qū)的最大高度差h1與瞬斷區(qū)域面積S，分別代表了棒料裂紋擴(kuò)展與頻率變化曲線的符合程度。

圖10 斷面質(zhì)量評價(jià)方法

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用該實(shí)驗(yàn)平臺對直徑D=15 mm、V 型槽底角半徑ρ=0.2 mm、槽深d=2 mm、張角為60°的45 鋼棒料進(jìn)行斷料實(shí)驗(yàn)，加載參數(shù)：夾持力臂L1=15 mm，加載力臂L2=30 mm。設(shè)置好實(shí)驗(yàn)平臺斷料過程所需的參數(shù)后，進(jìn)行3 組斷料實(shí)驗(yàn)，得到的樣品如圖11(a)；無液壓補(bǔ)償?shù)母咚匐x心斷料機(jī)得到的3 組棒料斷面[13]如圖11(b)，實(shí)驗(yàn)斷料得到的棒料數(shù)據(jù)見表1 和表2。

圖11 斷料實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖

表1 有液壓補(bǔ)償斷料數(shù)據(jù)

表2 無液壓補(bǔ)償斷料數(shù)據(jù)

從表1 與表2 中的數(shù)據(jù)可知，本實(shí)驗(yàn)平臺斷料所需時(shí)間t=2.97 s，無液壓補(bǔ)償所需時(shí)間t=2.5 s，斷料所需時(shí)間略長；瞬斷區(qū)面積S=15.58 mm2，無液壓補(bǔ)償?shù)玫降腟=42.74 mm2，減小了63%；瞬斷區(qū)最大高度差h1=0.96 mm，無液壓補(bǔ)償?shù)玫絟1=1.14 mm，降低了15.8%；瞬斷區(qū)偏心量z=0.342 mm，無液壓補(bǔ)償?shù)玫降膠=0.369 mm，減小了7%。綜合上述參數(shù)分析來看，液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺得到的斷料結(jié)果與原有的高速離心斷料機(jī)斷料結(jié)果相比，棒料斷面質(zhì)量較好，斷料效果明顯提升。

4 結(jié)語

本文開發(fā)的液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，利用“消強(qiáng)增脆”的思想，將應(yīng)力集中效應(yīng)和液壓補(bǔ)償技術(shù)引入精密分離斷料中，充分利用V 型槽的應(yīng)力集中效應(yīng)和疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的低應(yīng)力精密斷料。該實(shí)驗(yàn)平臺直觀地展示了液壓補(bǔ)償型低應(yīng)力精密斷料技術(shù)的工作原理和斷料流程。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以熟悉棒管料的低應(yīng)力斷料原理、變頻控制器和PLC 控制程序的編寫和應(yīng)用，提高學(xué)生對機(jī)械加工制造的興趣和解決實(shí)際工程問題的能力，豐富了學(xué)生對“現(xiàn)代制造技術(shù)”“液壓傳動技術(shù)”和“切削原理與刀具”等課程的理解和認(rèn)識，得到了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。