液壓補償型低應力精密斷料教學實驗平臺開發

張立軍，金永山，張軍偉，張天力，繆俊杰，王旱祥，李小朋

（中國石油大學（華東）機電工程學院，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用[1]。在“機械加工概論”“現代制造技術”“切削原理與刀具”等課程中均有講述。在斷料成形的教學實踐中，學生通常只能接觸到剪切或者車削等設備。為了提高學生對于金屬斷料方法的了解和認識，感受低應力精密成形技術優勢，在原有高速離心斷料機的基礎上[2]，開發了液壓補償型低應力精密斷料教學實驗平臺。該平臺通過自動控制和液壓補償系統實現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量低，很難獲得理想的品質和精度，消耗能量大，浪費原材料嚴重。近年來，出現了許多新的斷料方法，包括電化學、線切割、精剪等，雖然存在一定優勢，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與斷裂力學理論基礎上提出了“低應力斷料方法”。低應力斷料技術是通過裂紋來實現物料分離和切割的一種綠色新型的斷料方法，和傳統斷料方法相比可以節省材料、節能高效，且具有較高的斷面質量等優點，這種新型高效斷料方式逐漸受到行業內的高度重視，具有十分廣闊的應用前景[5]。

1 教學實驗平臺的工作原理

該液壓補償型低應力精密斷料教學實驗平臺主要由斷料機械結構、自動控制系統和液壓補償系統構成。其中，斷料機械結構主要由移動夾持機構、斷料模具、雙向推力機構和帶輪-主軸傳動機構等模塊組成。通過各個機械模塊的互相配合，在自動控制系統和液壓補償系統的作用下實現斷料所需的各種機械運動。自動控制系統主要由人機交互界面、PLC、變頻器和伺服電機組成，可以控制三相異步電機的轉速，并能控制液壓元件實現斷料規定的液壓傳動；通過人機交互界面能夠處理速度、液壓力和頻率等參數來保證精確控制。液壓補償系統的基本功能: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償滑塊的離心力。

1.1 液壓補償型低應力斷料原理

低應力斷料技術的基本原理是在金屬棒料圓周的表面預先加工一個環狀V 型槽，對棒料施加周向載荷之后，利用環狀V 型槽的彎曲效應和缺口效應，在棒料V 型槽底部尖端的局部區域產生裂紋，通過裂紋的擴展實現分離。在低應力條件下讓棒料發生脆性斷裂，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，通過斷料機主軸的旋轉帶動連接在主軸上模具的運動實現對棒料一端加載[8-9]，但是單一地通過調節主軸轉速控制棒料上的加載力，很難解決加載力偏大，以及轉速過高導致加載力不穩定的問題[10]。為此，本文設計了液壓補償型低應力精密斷料教學實驗平臺，其結構簡圖如圖2 所示。

圖2 液壓補償型低應力精密斷料結構簡圖

在雙向推力機構中，液壓缸產生的液壓力推動斷料模具中的三角-連桿機構產生轉動，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行補償，保證棒料在較低轉速下起裂。可移動夾持機構使得棒料在起裂后對棒料加載力臂的大小動態調整，施加在棒料上的載荷能從起裂階段平滑地向著裂紋擴展階段過渡，從而實現裂紋穩定擴展。

1.2 實驗平臺的工作流程

該實驗平臺斷料的基本流程：首先實驗平臺系統初始化，將預制有環狀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構將棒料送入到斷料模具中，保證棒料和軸承孔充分接觸；調節液壓系統，使液壓力傳遞到與雙向推力機構連接的斷料模具；再調節變頻電機，利用帶輪-主軸傳動系統驅動主軸轉動，與主軸連接的斷料模具中的滑塊對棒料產生一定的離心力；根據棒料斷料過程中的裂紋情況，實時地調節變頻系統和液壓系統，以改變液壓補償力和加載力臂；一旦棒料V 型槽尖端出現裂紋后，自動控制系統可控制液壓卡盤的夾緊、松開和移動夾持機構的進給，從而動態調節棒料的加載力臂，保證棒料從裂紋起裂到裂紋擴展平穩過渡，最終棒料斷裂，得到高質量的斷面。完成一根棒料斷料后，液壓卡盤1 松開，液壓卡盤2 夾緊，推動棒料向前進給；當棒料到達預定位置后，松開的液壓卡盤1 重新夾緊棒料。此時液壓卡盤2 松開退回到原來位置之后再重新夾緊，等待下一次棒料進給，實現自動連續斷料。基本的斷料流程如圖3 所示。

圖3 本實驗平臺工作流程圖

2 實驗平臺的搭建

該實驗平臺的設計主要包括斷料實驗平臺的機械結構設計、液壓補償系統設計和自動控制系統設計等。

2.1 機械結構設計

實驗平臺實物見圖4，其機械結構主要是由帶輪-主軸傳動機構、液壓控制柜、變頻電機、控制面板、移動夾持機構、斷料模塊、雙向推力機構等組成。

圖4 液壓補償型低應力精密斷料實驗平臺實物圖

變頻電機固定在整體基座的張緊板上。從圖4 中可以看出，在實驗平臺的右側，變頻電機的輸出軸和同步帶的小帶輪聯結。帶輪-主軸傳動機構包括大帶輪、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計了燕尾槽，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。雙向推力機構由固定在主軸外接的軸承外殼上的擋板和2 個液壓缸通過螺栓固定組成。在液壓缸的驅動下，雙向推力機構能夠驅動斷料模具的三角-連桿機構運動，帶動滑塊在燕尾槽中來回移動，提供液壓補償力。在實驗平臺的左側安裝有斷料機的控制面板，可以控制機械機構運動和液壓補償系統工作。棒料的移動夾持機構主要由2 個液壓缸和2 個液壓三爪卡盤組成，通過安裝在機床底部的液壓控制柜來實現其夾緊、松開和進給的運動要求。通過上述機械結構的精確配合可以滿足斷料的工作要求。

2.2 自動控制系統設計

對機械結構、液壓補償系統的精確控制是實現低應力精密斷料的關鍵。斷料過程中，需要控制變頻器驅動主軸旋轉，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行檢測，從而動態調整滑塊位置。本實驗平臺通過閉環控制系統保證斷料過程的精確性。設計的實驗平臺的基本控制方案如圖5 所示。本實驗平臺的控制系統包括人機交互界面、PLC、變頻器和伺服電機。

圖5 斷料機控制方案

2.2.1 人機交互界面的選型

設計人機交互界面的目的是能夠觀察斷料機各個工作階段的運行情況，以便對斷料流程精確控制。本文的控制系統需要對三相電機和液壓補償系統進行控制，所以對界面配置要求高。PLC 上位機選擇的型號為背鎖式人機界面MT8071Ier1，之所以選擇此人機界面是因為在嵌入式應用環境中容易安裝，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。在實際斷料中需要使用冷卻液，而 MT8071Ier1 型號的人機界面在防水能力上達到了IP65 防水的級別，保證不受冷卻液的干擾。設計的人機交互界面見圖6。

圖6 人接交互界面

在觸屏界面設定變頻電機的頻率，設計多種頻率加載曲線控制主軸轉速，實現對棒料的精密斷料。位移傳感器實時監測進給部分的位移。如果遇到緊急情況，可以使用急停來停止斷料機的工作。控制箱旋鈕的設計功能：斷料電機啟動、停止；油泵電機啟動、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時數據進行處理，需要選擇PLC 模塊來掃描、讀取和處理觸摸屏中所有數據和輸出狀態。本實驗平臺的控制系統在控制2 個變頻器的同時，根據起裂和擴展情況來處理液壓泵的輸出流量和三相電機的轉速。由于控制液壓補償系統工作需要多個I/O 口處理數據[11]，因此本實驗平臺選擇的PLC模塊是西門子公司S7-200 SMART 可編程控制器，型號為ST40，PLC 的詳細接線如圖7 所示。

2.2.3 電機和變頻器的選型

為了實現斷料過程中實驗平臺所需的主軸轉速和轉矩，需要選取符合低應力斷料標準的電機和變頻器。變頻器和電機的詳細接線如圖8 所示。

圖7 PLC 接線圖

變頻器可以改變電機的工作頻率，從而改變主軸的轉速。通過計算，選擇三相異步電機的型號為Y160L-2 三相異步交流電機；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。在斷料過程中實驗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 液壓補償系統設計

本實驗平臺設計的液壓補償系統主要包括2 個功能：一是通過液壓力對棒料的加載力臂長度進行控制，并且實現液壓三爪卡盤夾緊、松開的功能；二是對滑塊所需的離心力通過液壓力進行補償。

2.3.1 液壓模塊的設計

為實現液壓補償系統的基本功能，設計的液壓補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，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。為方便在實驗中對不同直徑的棒料進行斷料，本實驗平臺設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準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 變頻器與電機接線圖

對液壓缸選型，包括對移動夾持機構中的液壓缸選型和對斷料模塊的液壓缸選型。實現棒料進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需要提供的最大液壓力、最大工作壓力進行計算得到桿腔直徑為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的轉速1400 r/min，液壓缸的最大行程為56 mm，選定額定工作壓強為 50 MPa，額定流量為10.8 L/min 的液壓泵：CBWmb-F7.8-AL1P1。

2.3.2 液壓線路設計

圖9 液壓工作路線圖

如圖9 所示，本實驗平臺包括4 個支路的液壓線路：如加載力補償線路(支路一)，斷料過程中為離心力提供液壓補償力；送進線路（支路二），能夠改變棒料的夾持力臂和實現棒料的進給要求；夾持線路1,2（支路三與支路四），實現卡盤的夾緊和松開。液壓送進線路和加載力補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，避免機械機構由于受力不均而產生卡頓。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給速度[12]。

3 實驗平臺的測試與結果分析

3.1 棒料斷面質量的評價方法

針對棒料的斷面特點，設計了合理的斷料質量評價方法，參數如圖10 所示。該評價方法有以下3 個衡量參數：瞬斷區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展均勻程度；瞬斷區的最大高度差h1與瞬斷區域面積S，分別代表了棒料裂紋擴展與頻率變化曲線的符合程度。

圖10 斷面質量評價方法

3.2 實驗結果與分析

利用該實驗平臺對直徑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 鋼棒料進行斷料實驗，加載參數：夾持力臂L1=15 mm，加載力臂L2=30 mm。設置好實驗平臺斷料過程所需的參數后，進行3 組斷料實驗，得到的樣品如圖11(a)；無液壓補償的高速離心斷料機得到的3 組棒料斷面[13]如圖11(b)，實驗斷料得到的棒料數據見表1 和表2。

圖11 斷料實驗結果對比圖

表1 有液壓補償斷料數據

表2 無液壓補償斷料數據

從表1 與表2 中的數據可知，本實驗平臺斷料所需時間t=2.97 s，無液壓補償所需時間t=2.5 s，斷料所需時間略長；瞬斷區面積S=15.58 mm2，無液壓補償得到的S=42.74 mm2，減小了63%；瞬斷區最大高度差h1=0.96 mm，無液壓補償得到h1=1.14 mm，降低了15.8%；瞬斷區偏心量z=0.342 mm，無液壓補償得到的z=0.369 mm，減小了7%。綜合上述參數分析來看，液壓補償型低應力精密斷料教學實驗平臺得到的斷料結果與原有的高速離心斷料機斷料結果相比，棒料斷面質量較好，斷料效果明顯提升。

4 結語

本文開發的液壓補償型低應力精密斷料教學實驗平臺，利用“消強增脆”的思想，將應力集中效應和液壓補償技術引入精密分離斷料中，充分利用V 型槽的應力集中效應和疲勞裂紋擴展機理，實現了高質量的低應力精密斷料。該實驗平臺直觀地展示了液壓補償型低應力精密斷料技術的工作原理和斷料流程。通過實驗，學生可以熟悉棒管料的低應力斷料原理、變頻控制器和PLC 控制程序的編寫和應用，提高學生對機械加工制造的興趣和解決實際工程問題的能力，豐富了學生對“現代制造技術”“液壓傳動技術”和“切削原理與刀具”等課程的理解和認識，得到了良好的實驗教學效果。