節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型工藝優(yōu)化設(shè)計

于翠翠

摘要：隨著機(jī)械制造業(yè)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(jī)等信息技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)上的快速利用，逐漸形成一門新的交叉工藝：內(nèi)高壓水脹成型。節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型工藝保證了工件定位準(zhǔn)確，在節(jié)能的額度內(nèi)實(shí)現(xiàn)高壓水脹成型快速周轉(zhuǎn)，促成良性發(fā)展，成形工序少，。同時進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計在高壓水脹成型設(shè)計中的應(yīng)用，為各類水脹成形工藝改進(jìn)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：節(jié)能型;內(nèi)高壓;水脹成型;工藝;設(shè)計

自動化生產(chǎn)線的日漸智能化，其應(yīng)用都離不開機(jī)電一體化。它通過自動化輸送、加工、安裝、儲運(yùn)等系統(tǒng)及其他輔助裝置，使整個工作系統(tǒng)按設(shè)計的程序自動工作，穩(wěn)定高效地制造出符合客戶技術(shù)要求的產(chǎn)品。節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型是近年來快速發(fā)展的“以空代實(shí)”減重的一種新工藝，是復(fù)雜異形管件及復(fù)雜空心變截面構(gòu)件加工成型的關(guān)鍵技術(shù)，其工藝成型復(fù)雜多樣，適用于各類內(nèi)高壓脹型產(chǎn)品，且產(chǎn)能高，近年來，在節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型工藝領(lǐng)域，得益于計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代設(shè)計方法和手段已經(jīng)可以滿足節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型工藝的設(shè)計要求。現(xiàn)代設(shè)計工作已經(jīng)越過以前的靠經(jīng)驗(yàn)和直覺判斷確定方案的設(shè)計思路，而是通過計算機(jī)的幫助，使用一些高精度的機(jī)械數(shù)值分析方法（如有限元法等），來確定各種可行方案中的最優(yōu)方案。用理論設(shè)計和精確計算取代經(jīng)驗(yàn)設(shè)計，這就是傳統(tǒng)設(shè)計理念向現(xiàn)代設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變。

1、帶補(bǔ)壓功能的新型節(jié)能水脹工藝設(shè)計

1. 1水脹工藝設(shè)計

應(yīng)國家水脹成型基地、廣東某特種設(shè)備制造公司邀請，對新型不銹鋼直通管接頭內(nèi)高壓水脹機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以解決工藝送料難以精確到位，導(dǎo)致貼壁不均、成型質(zhì)量不高等問題。水脹工藝設(shè)計的控制系統(tǒng)與早先研發(fā)的繼電-接觸器控制系統(tǒng)比具有較高的優(yōu)點(diǎn)。例如控制精度更高，可靠性更強(qiáng)，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(zhǔn)確描述出不同設(shè)計厚度得模具，各部位在注塑壓力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變情況。由于水脹工藝模具處于工作狀態(tài)的時候，水脹工藝模具型腔反復(fù)受到壓力，使型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位和凹角等強(qiáng)度較為薄弱的部位發(fā)生不同程度的形變和出現(xiàn)裂痕，造成無法修復(fù)的狀況，以至于導(dǎo)致水脹工藝模具的報廢。因此，展開節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型零件的靜剛度的分析和研究，對于模具的優(yōu)化設(shè)計和降低成本有著重要的意義。其可以實(shí)現(xiàn)通過液壓控制系統(tǒng)能完成部分工藝過程的切換，再由電氣控制系統(tǒng)來對電磁閥進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制整個工藝流程的優(yōu)化目的。

1. 2液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型液壓控制系統(tǒng)設(shè)計是系統(tǒng)開發(fā)的核心，其開發(fā)過程就是將系統(tǒng)需求分析中的目標(biāo)系統(tǒng)的構(gòu)思轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際。根據(jù)課題的要求，液壓控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)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(tǒng)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(jī)完成各個工序流程是十分簡單、方便、高效的。液壓控制系統(tǒng)中采用了自動和手動控制兩種方式，使其能滿足一般任務(wù)要求的智能化控制設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)中涉及到液壓與氣壓傳動、傳感器、PLC、自動控制原理、機(jī)電傳動技術(shù)等知識，在本工位加工完成后，若整體加工未結(jié)束，則需要對所有機(jī)床進(jìn)行卸料操作并向指定區(qū)域裝料，若整體加工結(jié)束，則只進(jìn)行卸料操作，一個完整的工作流程完成為依據(jù)，開啟下一次工作流程的循環(huán)。

2、優(yōu)化設(shè)計在內(nèi)高壓水脹成型設(shè)計中的應(yīng)用

2.1形狀尺寸優(yōu)化

內(nèi)高壓水脹成型件尺寸優(yōu)化是不改變結(jié)構(gòu)的組成部分之間的相互關(guān)系，僅對某部分的尺寸進(jìn)行尋優(yōu)化，如管材內(nèi)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(yōu)化方法，設(shè)計變量和剛度矩陣一般為線性關(guān)系，優(yōu)化目標(biāo)一般是降低結(jié)構(gòu)的重量。形狀優(yōu)化是對內(nèi)高壓水脹成型件結(jié)構(gòu)的邊界外形進(jìn)行調(diào)整，以滿足性能不變的情況下節(jié)省材料的目的。一般使用一組幾何曲線來描述連續(xù)體的結(jié)構(gòu)邊界，曲線參數(shù)可調(diào)整。調(diào)整參數(shù)即可改變邊界形狀。如卿子友利用 ANSYS 的優(yōu)化模塊，對轉(zhuǎn)臺加強(qiáng)筋的數(shù)量，尺寸和位置進(jìn)行了優(yōu)化，使得內(nèi)高壓水脹成型轉(zhuǎn)臺總質(zhì)量減少了2.09%。

2.2拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是在給定的設(shè)計范圍里，在滿足性能和功能要求的情況下，對內(nèi)高壓水脹成型件材料分布進(jìn)行優(yōu)化。此種方法發(fā)展迅速，在承力結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)等多種功能結(jié)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計中獲得了成功應(yīng)用[22]，已經(jīng)成為創(chuàng)新設(shè)計的有效方法。如蔣維旭等[23]利用 ANSYS對內(nèi)高壓水脹成型安裝平板進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后安裝平板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度幾乎沒有改變，重量卻減少了68.3%。對內(nèi)高壓水脹成型結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到內(nèi)高壓水脹成型結(jié)構(gòu)支撐桿力的傳遞路徑，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對內(nèi)高壓水脹成型骨架所有方管區(qū)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(nèi)高壓水脹成型件進(jìn)行減重，此舉不但沒有降低骨架整體的剛強(qiáng)度，甚至還提高了剛強(qiáng)度。

結(jié)束語

節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型工藝優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展方向，主要是圍繞提高生產(chǎn)率和增大通用性、靈活性而展開。為適應(yīng)多品種生產(chǎn)的需要，節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型工藝將發(fā)展成為能快速調(diào)整的可調(diào)自動化生產(chǎn)線，更能滿足生產(chǎn)者適時變化的生產(chǎn)要求。近年來，數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和電子計算機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展，以及成組技術(shù)的應(yīng)用，提升了節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型件在生產(chǎn)過程中的靈活性，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能型內(nèi)高壓水脹成型件批量生產(chǎn)的自動化。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鋼，王克環(huán)，何祝斌，苑世劍.鈦合金鈑金構(gòu)件高壓氣脹成型技術(shù)研究進(jìn)展[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2013（06）：25-28.

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