U形金屬波紋管成型液壓機的研制*

□ 黃慶華 □ 呂航鷹

浙江廣廈職業技術大學 智能制造學院 浙江東陽 322100

1 研制背景

金屬波紋管應用廣泛,特別是在各類測量儀器儀表中,其主要用途是在壓力、溫度、流量等儀表中作為測量元件,通過金屬波紋管位移、力或體積的變化將位移、力或體積轉換成壓力、溫度和流量等指標。為了提高波紋管的生產效率,研制了一臺多波自動成型的U形金屬波紋管成型液壓機。

2 U形金屬波紋管基本參數

根據機械行業標準JB/T 6169—2006《金屬波紋管》,以U形金屬波紋管為例,其基本參數如圖1所示,實物如圖2所示。U形金屬波紋管整體參數有內徑(通徑)d、外徑D、波紋管單層壁厚δ0、波距q、波高H1、內波紋圓角半徑Rn、外波紋圓角半徑Rw、總長度(自由長度)L、內配合接口長度L1、外配合接口長度L2、波紋數n等。

3 U形金屬波紋管成型原理

U形金屬波紋管成型設備主要功能是將前期通過拉伸后的管坯進行水壓成型,成型方法采用內高壓成型法,其成型原理如圖3所示。內高壓成型模具主要由模頭、模片及上模板等組成,成型的主要工作過程是上料、壓模、內高壓成型、壓縮等幾個步驟。首先將管坯放置于波紋形狀的腔體中,放置好后先將兩端密封,密封段通過模頭使管坯內一次充滿加壓膨脹液,在內壓的作用下,U形金屬波紋管坯膨脹,貼合在成型模片的表面,脹壓成U形金屬波紋管的基本形狀。接著給U形金屬波紋管內腔二次加壓,并壓縮模片,使U形金屬波紋管成型為所需的結構形狀。

▲圖1 U形金屬波紋管基本參數▲圖2 U形金屬波紋管實物

▲圖3 U形金屬波紋管成型原理

4 U形金屬波紋管管坯計算

U形金屬波紋管的管坯長度按照成型基本原理,通常有三種計算方法。

(1) 按照U形金屬波紋管弧長展開計算。按照U形金屬波紋管弧長展開計算,通常是按照U形金屬曲線管管坯長度與U形金屬波紋管邊界母線長度相等進行計算,即:

L0=[(π-1)Rw+(π-1)Rn+2H1]n

+L1+L2

(1)

式中:L0為波紋管管坯長度。

按照U形金屬波紋管弧長來計算U形金屬波紋管管坯長度是基于在成型過程中,U形金屬波紋管的壁厚不發生變化,即截面壁厚不發生改變。在實際的計算過程中,一般可以通過繪圖軟件繪制出邊界截面,并測量出邊界長度。

(2) 按照表面積相等原理展開計算。按照U形金屬波紋管成型后的外表面積與U形金屬波紋管管坯的表面積相同的原理計算,表面積的計算按照U形金屬波紋管的外表面側面積相等原理,成型后的U形金屬波紋管管坯計算式為:

S1={[(D-2Rw)2-(d+2Rn)2+πRw(D-2Rw)

+πRn(d+2Rn)]K1n/2d+L1+L2}πd

(2)

S2=πdL

(3)

S1=S2

(4)

L0=[(D-2Rw)2-(d+2Rn)2+πRw(D-2Rw)

+πRn(d+2Rn)]×K1n/2d+L1+L2

(5)

式中:S1為成型后U形金屬波紋管的外表面側面積;S2為U形金屬波紋管管坯的外表面側面積;K1為縮短因數。

在實際計算中,可以應用三維軟件完成U形金屬波紋管的三維造型,測量出成型后U形金屬波紋管的側面積,按照式(6)計算出管坯長度:

(6)

(3) 經驗公式估算。經驗公式估算是通過大量設計加工過程中的經驗得到的一種簡化計算方法,通常計算如下:

L0=[(D-d)K2+q]n+L1+L2

(7)

式中:K2為經驗因數。

在實際加工過程中,除了計算管坯長度外,還需要增加預留量。

因為通過水壓成型的U形金屬波紋管完成成型后,對U形金屬波紋管的端口需要增加切口的工序,切口的預留長度一般為6～10 mm。

5 U形金屬波紋管成型壓力計算

根據理論分析,管坯成型壓力時主應力值需大于管坯材料的屈服強度δs,管坯壁才開始屈服進行流動,根據實踐經驗,成型壓力P為:

(8)

以0.1 mm壁厚、16 mm內徑的錫青銅QSn6.5-1U形金屬波紋管為例,根據GB/T 2059標準,錫青銅QSn6.5-1半硬材料強度極限δs不小于440 MPa,則P為1.94 MPa。

6 U形金屬波紋管成型液壓機機械結構

U形金屬波紋管液壓成型機主要包括機座、左模架、鎖鉤液壓缸、左螺旋插、鎖鉤片、左模片、復位彈簧、下壓柱、下壓液壓缸、右模片、右螺旋分模片、齒輪、右模架、開合模液壓缸、分模片液壓缸、油管、右模架、齒條、轉動軸、模頭、下模頭拖板等,機械結構如圖4所示,成型部分如圖5所示,實物外形如圖6所示。左模架和右模架呈E字形結構安裝在機座上,左、右模架與開合模液壓缸相連,開模狀態呈V字形。左、右模架的下部設有下模頭拖板,下模頭拖板可以前后拉伸,下模頭拖板上安裝有模頭,待成型的U形金屬波紋管管坯安裝于模頭上,成型后的U形金屬波紋管從模頭上取出。下模頭拖板與油管相連,U形金屬波紋管成型過程中的內壓通過該油管加壓。以U形金屬波紋管為中心,從里往外安裝的分別為左右成型模片、左右螺旋分模片,其各自呈中心對稱安裝,左右螺旋分模片中心軸底部與齒輪相連,齒輪與齒條嚙合,齒條通過連桿與分模片液壓缸連接。鎖鉤液壓缸固定在機座前端左側,鎖鉤片與鎖鉤液壓缸相連。U形金屬波紋管中心上方與機座相連的分別為下壓柱、復位彈簧及下壓液壓缸。

▲圖4 U形金屬波紋管成型液壓機機械結構

▲圖5 U形金屬波紋管成型液壓機成型部分▲圖6 U形金屬波紋管成型液壓機實物外形

7 U形金屬波紋管成型液壓機工作原理

U形金屬波紋管液壓成型機的工作原理主要包括十個基本步驟:

(1) 初始狀態開合模液壓缸縮回,此時左模架和右模架呈打開的V字形狀態。拉出下模頭拖板,將管坯插入模頭,再將下模頭拖板內推,推至左右模片的工作位置上。

(2) 開合模液壓缸伸出,推動V字形連桿,并帶動左右模架合攏,左右螺旋分模片,以及左右模片也一起合攏。

(3) 鎖鉤液壓缸伸出,帶動鎖鉤片勾住右側模片,使左右模片連成一體。

(4) 分模片液壓缸縮回,帶動齒條向后運動,齒條帶動齒輪旋轉,同時帶動左右螺旋分模片分開左右模片,左右模片沿軸向均勻分開。

(5) 皂化液經油管通過下模頭拖板向模頭填充,并充滿管坯內,此時U形金屬波紋管管坯在內部高壓皂化液的加壓下,貼合成型模片的表面,脹壓成U形金屬波紋管的基本形狀。

(6) 分模片液壓缸的液壓桿伸出,帶動齒條前推,使左右螺旋分模片按逆時針方向退出左右模片。

(7) 皂化液經油管通過下模頭拖板向模頭的U形金屬波紋管二次加壓,同時下壓液壓缸的液壓桿向下伸出,推動下壓柱下移,下壓模片推動左右成型模片下壓,下壓過程中,在U形金屬波紋管內壓和下壓的雙重作用下,U形金屬波紋管完成塑性變形成型。

(8) 下壓液壓缸的液壓桿回縮,下壓柱在彈簧力的作用下實現復位。

(9) 鎖鉤裝置打開,并脫離右模片,開合模液壓缸回縮,帶動V字形連桿,同時帶動左、右模架打開,左右模片也呈V字形打開。

(10) 拉出下模頭拖板并獲取成型后的U形金屬波紋管,動作結束。

8 液壓系統

液壓系統主要由動力部分、控制部分、執行部分、輔助部分等四部分組成。U形金屬波紋管液壓成型機液壓系統原理如圖7所示,由兩個液壓回路組成,主回路分別控制鎖鉤油缸等四個動作液壓缸,次回路主要控制加壓油缸,實現皂化液缸的二級壓力輸出。

▲圖7 U形金屬波紋管成型液壓機液壓系統原理

液壓系統的動力部分是液壓泵站,主要由油箱、過濾器、液位計、三相電機及兩個軸向柱塞泵等組成,軸向柱塞泵1提供壓力給四個動作液壓缸,軸向柱塞泵2提供壓力給加壓油缸。控制部分中,軸向柱塞泵1的控制回路主要是通過先導式溢流閥為液壓缸提供穩定的供油壓力,并通過四個三位四通電磁換向閥來分別控制液壓缸的伸出和回縮,從而實現對動作的控制。軸向柱塞泵1的控制回路壓力由先導式溢流閥和減壓閥控制,實現二次加壓供給,再通過一個三位四通電磁換向閥實現加壓油缸的工進和工退。二位三通電磁換向閥主要控制U形金屬波紋管內壓的加壓和泄壓。執行部分主要由五個液壓缸組成,分別是鎖鉤液壓缸、開合模液壓缸、分模片液壓缸、下壓液壓缸、加壓油缸。鎖鉤液壓缸的主要作用是帶動鎖鉤片勾住右側模片,將左右模片連成一體。開合模液壓缸的主要作用是推動V字形連桿,V字形連桿帶動左右模架合攏。分模片液壓缸的主要作用是通過齒條帶動齒輪旋轉,從而使左右螺旋分模片旋轉,實現分模片的旋進和退出。下壓油缸的作用是推動下壓柱下移,從而推動左右成型模片下壓。加壓油缸與皂化液缸通過聯軸器直連,為皂化液缸提供壓力,使皂化液缸在加工過程中產生壓力穩定的皂化液,保證U形金屬波紋管完成內壓膨脹成型。

U形金屬波紋管成型液壓機液壓系統的電磁鐵動作順序見表1,+表示得電。電磁鐵YA1控制四個工作液壓缸的系統壓力,電磁鐵YA2和YA13控制加壓油缸的系統壓力。電磁鐵YA3～YA10分別控制主回路當中的四個動作液壓缸,電磁鐵YA11和YA12控制加壓油缸的工進和工退,電磁鐵YA14控制下模頭U形金屬波紋管工件的加壓和泄壓。

表1 電磁鐵動作順序表

9 電氣系統

9.1 動作過程

U形金屬波紋管液壓成型系統的動作過程為:手動裝夾管坯,推動下模頭拖板觸發自動循環開關ST1,完成工作循環加工,拉出下模頭拖板,手動松卸工件。

9.2 控制要求

管坯安裝完成后,推動下模頭拖板,觸發自動循環開關ST1,完成U形金屬波紋管的成型加工。

液壓系統主回路四個液壓缸分別實現工進和工退的動作控制,次回路實現加壓、泄壓的動作。其中,電磁鐵YA1～YA14分別控制相關動作。

U形金屬波紋管成型液壓機可實現自動循環操作和手動調整操作的功能,同時各主要運動動作可在手動調整時實現點動操作。在進行手動調整操作時,可以實現主回路四個液壓缸的運動,但次回路液壓缸沒有加壓動作。

10 液壓系統接線

U形金屬波紋管成型液壓機外部電機接線原理如圖8所示,繼電器主電路和控制電路。主電路包括繼電器KM1控制液壓軸向柱塞泵驅動三相異步電機M1,KM2控制液壓軸向柱塞泵驅動三相異步電機M2。控制電路中,SB1～SB4為兩臺電機的啟閉開關。按動啟動按鈕SB1,KM1線圈同時通電自鎖,電機M1啟動工作。按動SB2,KM1線圈斷電,電機M1停止工作。同理,按動啟動按鈕SB3,KM2線圈同時通電自鎖,電機M2起動工作。按動SB4,KM2線圈斷電,電機M2停止工作。SB0為急停開關,按動按鈕SB0,KM1、KM2線圈均斷電,主電路、控制電路均斷電,控制系統急停。

▲圖8 U形金屬波紋管成型液壓機外部電機接線原理▲圖9 可編程序控制器接線原理

11 可編程序控制器控制系統

U形金屬波紋管成型液壓機控制系統選用可編程序控制器控制,其接線原理如圖9所示,其輸入、輸出地址分配見表2、表3。其它輸入地址采用觸摸屏虛擬按鈕,其觸摸屏功能界面、參數設置界面分別如圖10、圖11所示。

▲圖10 控制系統觸摸屏功能界面▲圖11 控制系統參數設置界面

U形金屬波紋管成型液壓機的自動循環過程如下:手動裝夾管坯后,推動下模頭拖板,觸發自動循環開關ST1,YA1、YA6線圈得電0.5 s,合模液壓缸伸出,YA1、YA3線圈得電0.25 s,鎖鉤液壓缸伸出,YA1、YA7線圈得電0.85 s,合模片液壓缸回縮,YA2、YA11線圈得電0.6 s,加壓油缸伸出,第一次加壓,YA1、YA8線圈得電0.5 s,合模片液壓缸伸出,YA2、YA11、YA13線圈得電0.7 s,加壓油缸繼續伸出,第二次加壓,同時YA1、YA10線圈得電0.55 s,下壓液壓缸伸出,YA1、YA9線圈得電0.15 s,下壓液壓缸縮回,YA2、YA12、YA14線圈得電3 s,加壓油缸回縮,同時完成U形金屬波紋管內腔泄壓,YA1、YA4線圈得電0.25 s,鎖鉤液壓缸回縮,YA1、YA5線圈得電0.35 s,合模液壓缸回縮,一次自動循環完成,拉出下模頭拖板,手動松卸獲取工件。

表2 可編程序控制器輸入地址分配

12 操作說明

為了便于調整與操作,U形金屬波紋管成型液壓機的電氣控制設有手動調整與自動循環兩種控制方式,以滿足調整檢修和加工的需要。

手動調整模式時,點按SB5按鈕或者點按觸摸屏上手動/自動按鈕,即可實現手動和自動的切換。當選擇手動時,可以分別點按觸摸屏上的各項參數按鈕,實現各個功能的手動控制,手動命令主要應用于U形金屬波紋管成型液壓的參數調整和檢修調整。

自動循環方式時,再次點按SB5按鈕或者點按觸摸屏上手動/自動按鈕,當選擇自動模式時,加工過程中各工作過程按照預設的時間和動作實現自動進給。安裝好U形金屬波紋管管坯后,推動下模頭拖板,下模頭拖板壓下自動循環開關ST1,開始循環加工,每循環一次,完成一次加工過程。

表3 可編程序控制器輸出地址分配

在加工過程中,若由于前序加工的管坯存在質量問題,導致加壓過程中管坯開裂,此時皂化液會產生飛濺,需要快速按急停按鈕,以免發生U形金屬波紋管開裂卡住模具,從而損壞模具。

U形金屬波紋管成型液壓機操作順序為:通電源,啟動電氣系統,觸摸屏亮起,按SB1、SB3啟動電機,控制面板電源指示燈亮,選擇自動工作方式,拉出下模頭拖板放置U形金屬波紋管管坯,推動下模頭拖板下壓,自動開始U形金屬波紋管成型加工,待成型加工結束后,拉出下模頭拖板并取出U形金屬波紋管,然后繼續裝夾U形金屬波紋管管坯,完成下一次加工。

13 結束語

通過優化U形金屬波紋管成型液壓機的機械結構和液壓系統,將傳統的手動控制改進為自動控制,并將多個模片組合成成型模組,在U形金屬波紋管水壓成型的加工過程中較大地提高了生產效率。通過近幾年的投入使用,證明該液壓機的維護、調試與保養均較為方便。