節能型內高壓水脹成型工藝優化設計

于翠翠

摘要：隨著機械制造業的精度、傳感器精度與靈敏性的不斷提高，再加上微型計算機等信息技術在機械制造業上的快速利用，逐漸形成一門新的交叉工藝：內高壓水脹成型。節能型內高壓水脹成型工藝保證了工件定位準確，在節能的額度內實現高壓水脹成型快速周轉，促成良性發展，成形工序少，。同時進行優化設計在高壓水脹成型設計中的應用，為各類水脹成形工藝改進提供借鑒。

關鍵詞：節能型;內高壓;水脹成型;工藝;設計

自動化生產線的日漸智能化，其應用都離不開機電一體化。它通過自動化輸送、加工、安裝、儲運等系統及其他輔助裝置，使整個工作系統按設計的程序自動工作，穩定高效地制造出符合客戶技術要求的產品。節能型內高壓水脹成型是近年來快速發展的“以空代實”減重的一種新工藝，是復雜異形管件及復雜空心變截面構件加工成型的關鍵技術，其工藝成型復雜多樣，適用于各類內高壓脹型產品，且產能高，近年來，在節能型內高壓水脹成型工藝領域，得益于計算機的廣泛應用，現代設計方法和手段已經可以滿足節能型內高壓水脹成型工藝的設計要求。現代設計工作已經越過以前的靠經驗和直覺判斷確定方案的設計思路，而是通過計算機的幫助，使用一些高精度的機械數值分析方法（如有限元法等），來確定各種可行方案中的最優方案。用理論設計和精確計算取代經驗設計，這就是傳統設計理念向現代設計理念的轉變。

1、帶補壓功能的新型節能水脹工藝設計

1. 1水脹工藝設計

應國家水脹成型基地、廣東某特種設備制造公司邀請，對新型不銹鋼直通管接頭內高壓水脹機進行優化設計，以解決工藝送料難以精確到位，導致貼壁不均、成型質量不高等問題。水脹工藝設計的控制系統與早先研發的繼電-接觸器控制系統比具有較高的優點。例如控制精度更高，可靠性更強，安全性能更好，操作更方便，故障率更低等。采用這樣做法卻不能準確描述出不同設計厚度得模具，各部位在注塑壓力作用下的應力和應變情況。由于水脹工藝模具處于工作狀態的時候，水脹工藝模具型腔反復受到壓力，使型腔結構復雜的部位和凹角等強度較為薄弱的部位發生不同程度的形變和出現裂痕，造成無法修復的狀況，以至于導致水脹工藝模具的報廢。因此，展開節能型內高壓水脹成型零件的靜剛度的分析和研究，對于模具的優化設計和降低成本有著重要的意義。其可以實現通過液壓控制系統能完成部分工藝過程的切換，再由電氣控制系統來對電磁閥進行控制，從而達到控制整個工藝流程的優化目的。

1. 2液壓控制系統設計

節能型內高壓水脹成型液壓控制系統設計是系統開發的核心，其開發過程就是將系統需求分析中的目標系統的構思轉變為實際。根據課題的要求，液壓控制系統設計設計過程分成：手動操作、半自動操作、全自動操作，如下圖1所示。以全自動操作為例可以將其分成：擠料入模腔、保壓與冷卻、開模與頂出三個子模塊。

液壓控制系統有自動操作與手動操作兩種類型，手動操作即單步操作，用按鈕一步一步的完成各個工序。而自動操作是按下啟動按鈕后，各操作自動完成各個工序，自動操作又可分為全自動操作與半自動操作。用PLC來控制注塑機完成各個工序流程是十分簡單、方便、高效的。液壓控制系統中采用了自動和手動控制兩種方式，使其能滿足一般任務要求的智能化控制設備。控制系統中涉及到液壓與氣壓傳動、傳感器、PLC、自動控制原理、機電傳動技術等知識，在本工位加工完成后，若整體加工未結束，則需要對所有機床進行卸料操作并向指定區域裝料，若整體加工結束，則只進行卸料操作，一個完整的工作流程完成為依據，開啟下一次工作流程的循環。

2、優化設計在內高壓水脹成型設計中的應用

2.1形狀尺寸優化

內高壓水脹成型件尺寸優化是不改變結構的組成部分之間的相互關系，僅對某部分的尺寸進行尋優化，如管材內壁的截面、不銹鋼管三通和汽車用異形管件的厚度等。使用這種優化方法，設計變量和剛度矩陣一般為線性關系，優化目標一般是降低結構的重量。形狀優化是對內高壓水脹成型件結構的邊界外形進行調整，以滿足性能不變的情況下節省材料的目的。一般使用一組幾何曲線來描述連續體的結構邊界，曲線參數可調整。調整參數即可改變邊界形狀。如卿子友利用 ANSYS 的優化模塊，對轉臺加強筋的數量，尺寸和位置進行了優化，使得內高壓水脹成型轉臺總質量減少了2.09%。

2.2拓撲優化

拓撲優化是在給定的設計范圍里，在滿足性能和功能要求的情況下，對內高壓水脹成型件材料分布進行優化。此種方法發展迅速，在承力結構、散熱結構等多種功能結構的構型設計中獲得了成功應用[22]，已經成為創新設計的有效方法。如蔣維旭等[23]利用 ANSYS對內高壓水脹成型安裝平板進行了拓撲優化，優化后安裝平板的結構強度和剛度幾乎沒有改變，重量卻減少了68.3%。對內高壓水脹成型結構進行拓撲優化，得到內高壓水脹成型結構支撐桿力的傳遞路徑，根據優化結果，對內高壓水脹成型骨架所有方管區分為主和輔兩類，對主方管截面加大，對輔方管截面減小，從而對整個內高壓水脹成型件進行減重，此舉不但沒有降低骨架整體的剛強度，甚至還提高了剛強度。

結束語

節能型內高壓水脹成型工藝優化設計的發展方向，主要是圍繞提高生產率和增大通用性、靈活性而展開。為適應多品種生產的需要，節能型內高壓水脹成型工藝將發展成為能快速調整的可調自動化生產線，更能滿足生產者適時變化的生產要求。近年來，數控機床、工業機器人和電子計算機等相關領域的快速發展，以及成組技術的應用，提升了節能型內高壓水脹成型件在生產過程中的靈活性，實現了節能型內高壓水脹成型件批量生產的自動化。

參考文獻：

[1]劉鋼，王克環，何祝斌，苑世劍.鈦合金鈑金構件高壓氣脹成型技術研究進展[J].軍民兩用技術與產品，2013（06）：25-28.

[2]周富強， 多功能數控水脹成型液壓機研制及產業化. 廣東省，廣東思豪液壓機械有限公司，2013-12-02.

[3]張林優.三通管水脹成型機控制系統設計應用[J].科技致富向導，2013（18）：249+301.

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