微成形系统（精选6篇）
微成形系统 篇1
近年来,产品微型化的趋势日益明显,对微零件加工技术也提出了挑战。传统的依赖超精密机械加工、LIGA及准LIGA技术、光刻蚀刻等微细加工技术已无法满足三维微小型零件的加工以及批量生产,也限制了加工材料的多样性。而微塑性成形技术[1]作为一种近净成形技术,具有优质高效、高精度、低成本、适合批量生产等优点。在微塑性成形领域里,微挤压成形是一重要的分支,其应用范围非常广泛,从微电机、微齿轮、导线框、插槽到微泵等微器件都可以通过微挤压来成形,满足批量生产的要求,尤其适合成形形状复杂的微器件。但是在微塑性成形中,由于难成形材料应用(在高温高压等恶劣的特殊环境)的拓宽,以及微型化使得材料行为更恶化(例如延伸率的降低、分散性的增加),需要发展新的方法。考虑到温成形结合冷成形和热成形的优点,例如具有冷成形中良好的表面质量和应变硬化,以及热成形中较低的成形力和更好的成形能力。另外,和冷成形工艺相比温成形中变形更趋于各向同性,因为在较高的温度下更容易激活一些滑移系,因此,分散性更小。这从温压缩实验中获得的结果就证实了这些假设的可实性[1]。由此,为了克服冷热挤压微成形中的缺陷和不足,在微挤压成形中考虑采用温挤压微成形工艺。目前国内外有关温挤压微成形的研究还鲜有报道,基于此现状,本文在对温挤压微成形工艺相关研究的基础上进行了基于激光加热的温挤压微成形系统设计。为了探索坯料在微挤压筒内的流动行为,利用ABAQUS/Explicit模块对温挤压微成形进行了数值模拟,从而为其模具优化设计提供科学的理论依据。
1 温挤压微成形系统
1.1 微成形系统的发展
微型零件尺寸的减小,对微成形设备提出了更高的要求,例如工模具的高精度、工件的装夹以及整体设备的控制和运行等。因此各国学者进行了相关的研究,但是基本上处于起步阶段。Saotome等[2]对微挤压成形进行了相关研究,并设计和制造了一套反挤压微成形机械系统。该系统主要由微型模具、模具加热器、载荷施加单元和控制单元等组成。成功反挤压出模数为0.1mm,齿数为10μm的微型齿轮。王春举等[3]设计了一套精密微塑性成形系统,该系统主要包括了宏动和微动相结合的驱动系统、数据采集系统、成形工艺控制系统、加热系统以及模具系统,利用该系统成功成形了材料为纯铝L5的微型齿轮件。此外,X.Peng等[4]在微冲压成形系统中设计了一种管状冲头。采用管状冲头,激光束可以通过管状冲头的内孔到达工件的表面,从而对工件进行预定的加热。但是对于一般的透明材料来说,其没有足够的抗压强度。Yasunori等[5]设计了对薄片不锈钢材料的微深拉伸装置,整个装置放在了压缩实验机上。该系统中采用了CCD对中系统,其中的一个CCD通过凹模孔来观测到凸模的上端来实现凸凹模的对中,另一个CCD用来对中毛坯和凹模。在上述系统中,传统的坯料热电偶式加热工序复杂而且不易控制,管状冲头可以为激光提供通路但是对冲头材料要过高,从而增加了成本。
1.2 温挤压微成形系统
针对所提出的温挤压微成形工艺,在借鉴现有微成形系统的基础上设计了基于激光加热的温挤压微成形系统,其总体结构如图1所示。该系统主要包括(a)激光加热部分、(b)挤压模具、(c) 带温控的凹模加热组件、(d)压力施加机构、(e)进给机构和(f)三维微动平台等部分。首先通过三维微动平台和图像处理技术(CCD摄像头等)来实现凸凹模的对中。通过电热棒加热和温控组件来实现凹模的恒温加热,采用激光照射的非接触式加热方式对毛坯进行加热,再由进给机构实现挤压头的进程,步进电机带动螺杆运动,推动压力施加机构和挤压凸模运动,然后由压力施加机构的超磁致伸缩微致动器作为动力源提供成形力,完成温挤压微成形过程。模具的顶出机构和激光束通道布置在模具组件的左底座上。整个温挤压微塑性成形过程由微型计算机来控制,加快了工艺流程,还保证了成形件的质量。本系统采用激光照射的非接触式加热方式对毛坯进行加热,通过控制激光功率和光斑直径可对毛坯实现有选择性的加热,可控性好且效率高。
2 温挤压微成形的数值模拟
微塑性成形由于微器件尺寸微型化存在一个不可避免的“尺度效应”问题,由此导致了微塑性成形规律不同于传统的塑性成形,例如流动应力随着工件微小化呈现出减小的趋势;晶粒尺度导致不均匀的材料变形行为;工件与模具之间的摩擦力等成为了不得不考虑的重要因素;延伸率以及材料的成形极限也受到严重的影响。同时微小工模具的设计制造也极大地区别于传统的塑性成形,因为并没有一定的标准来规范设计要求,只能凭借设计者的经验来进行。由于对微塑性变形机理和力学行为本质还没有深刻认识,所以有必要采用相关的实验法和数值模拟技术来加强其研究。目前基本上都从实验的角度来研究微塑性成形[5,6,7,8],如常用的微压缩实验、弯曲实验、微挤压以及微压痕实验等。本工作从数值模拟的角度来认识研究温挤压微成形规律,从而为温挤压微成形模具的优化设计提供可靠的理论依据。
2.1 模型的建立
挤压塑性成形过程中,弹性变形部分远小于塑性变形部分(弹性应变与塑性应变之比通常在1/100~1/1000),因此可以忽略弹性变形,从而将材料模型简化为刚塑性模型。本工作结合刚塑性有限元理论,采用非线性分析软件ABAQUS/Explicit模块对温挤压微成形进行了数值模拟。根据温挤压微成形系统中挤压模具尺寸要求,试件尺寸定为ϕ0.8mm×1.2mm,取试件的1/2并建立了二维轴对称模型,坯料材料模型中的塑性参数来源于温压缩实验获得的真实应力应变曲线。凸模和凹模先选用可变形体然后再赋予刚性。工件的单元选为轴对称线性减缩积分单元CAX4RT,并加强了沙漏控制,该类型单元对位移求解较精确、网格在大的变形下不会影响分析精度且适于接触分析问题。摩擦对微挤压成形的影响是很剧烈的,摩擦公式采用的是罚函数式,并考虑了工模具之间的热传导。工件和凸凹模的接触为采用了有限滑移公式的面接触,保证了工件和凸凹模的良好接触。温挤压微成形过程是一个包括了边界条件非线性、材料非线性和几何条件非线性的非线性过程,其塑性变形属于大变形,所以材料网格在流经口模处容易发生网格畸变或者网格干涉,因此在分析中采用了自适应网格技术。对工件共划分为了300个单元,341个节点。
2.2 模拟结果的分析
2.2.1 温挤压微成形过程中的应力分布
温挤压成形中的变形温度通常认为是室温以上完全再结晶温度以下的温度范围。本工作选用的材料为铝合金,其温挤压成形温度为室温到250℃。通过分析激光加热状态下的坯料温度分布,发现在激光功率800mW、加热时间0.09s时坯料的温差很小,仅为8.3℃,然后将坯料温度场导入ABAQUS/Explicit作为热力耦合的初始温度场,并进行了温挤压数值模拟,对其应力分布进行了说明。图2所示为挤压进行到第10步、第15步以及最后一步时的应力分布图。可知:最大应力值为111MPa,主要集中在坯料流经凹模圆角的区域,因为在该区域的材料受到强烈的挤压,同时在径向上急剧减小,是挤压过程中的集中变形区。从图2各图中还可看出:在坯料上部的中心处存在一低应力区域,其应力值约在几十兆帕,随着变形量的增大,该区域越来越小。因为在微成形中摩擦力对成形的影响更为突出,坯料和模具接触处存在摩擦,导致靠近凹模壁处的坯料难于流动,而处于中间部分的坯料易于流动,这从图中各工件的挤出端部就可以看出,中间部分呈现出一定的凸状。
2.2.2 摩擦条件对成形过程的影响分析
尺寸微型化后,由于“尺度效应”的存在,摩擦对微塑性成形的影响和传统塑性成形相比产生了很大的差异,带来了摩擦力的增大,同时润滑机理也发生了明显的变化。N.Tiesler等[9]通过理论和实验证实了在微塑性成形中摩擦导致了成形力的增大,即在工件尺寸减小到一定的程度,宏观上可以忽略的微小力(如摩擦力等)必须加以考虑。本工作对不同摩擦条件下温挤压微塑性成形进行了数值模拟。其中温挤压温度为210℃,摩擦系数分别为0,0.06和0.1。图3为在相同变形量(对数应变均为0.4)下不同摩擦系数的速度场量分布图。可知,随着摩擦的增大,速度场量越来越小,变形越来越困难。从图3a中可见整个坯料的速度场分布很均匀,随着摩擦的增大,坯料中间的速度场量明显高于和凹模相接触的边缘部分,说明了摩擦在一定程度上阻碍了坯料边缘部分的流动。图4为不同摩擦条件下凸模挤压力随行程的变化图,可知:随着摩擦系数的增大,挤压力出现了明显的增大。在摩擦系数为0时最大挤压力为531.6N,在摩擦系数为0.06时挤压力增大为772N,而摩擦系数为0.1时挤压力增大为934N,可见此时有一半的挤压力用来克服摩擦对材料流动的阻碍。由此可知:在温挤压微塑性成形中采用一定的润滑可有效的降低挤压力,对整个成形过程是极为有利的。
3 结论
(1)提出了一新型温挤压微成形系统,该系统主要包括了激光加热部分、挤压模具、带温控的凹模加热组件、压力施加机构、进给机构和三维微动平台等部分。其实微成形系统的精度是应该特别关注的问题,目前很难完成其高精度,这也正是微成形还停留在试验研
究阶段的原因之一。提高微成形系统精度的思路之一就是采用高精度的成形工具,但是成本比较高。今后微成形系统的发展趋势就是需要将概念样机推向实际工程应用。
(2)通过温挤压微成形的数值模拟研究发现微成形中摩擦力对成形的影响更为突出。在摩擦系数为0.1时约有半数的挤压力用来克服摩擦对材料流动的阻碍。从挤压件应力分布中得出最大应力集中在坯料流经凹模圆角的区域,由于摩擦的作用,使靠近凹模壁处的坯料难于流动而处于中间部位的坯料易于流动,挤压件的挤出端呈现出一定的凸状。数值模拟是一有效的工具,随着微塑性理论的进展,数值模拟对微成形工艺设计及后序的模具设计制造可以提供更为有效的信息。
参考文献
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微成形系统 篇2
关键词：304不锈钢,尺寸效应,单向拉伸
随着现代工业的飞速发展,产品的微型化已成为工业界不可阻挡的趋势。新的挑战应运而生,微机电系统的加工质量、加工方式、加工批量等面临着新的考验。相对于宏观大尺寸零件,微型零件在一个或多个尺寸处于毫米或以下级别时,其力学性能表现出一定的尺寸效应,随着尺寸的减小,这种尺寸效应也更加明显。
国内外学者在微塑性成形技术方面的研究越来越多。德国的Engel等学者[1]通过对零件进行单向拉伸试验和翻边试验,发现随着尺寸的减小,一些几何相似材料的流动应力也相应减小;而Giger等人[2]也进行了单向拉伸试验,发现了关于材料的应力-应变变化的相关规律,即材料的延伸率、抗拉强度等相关塑性性能都随试样尺寸的减小而减小,但具体影响因素还有待探究。哈尔滨工业大学的郭斌、单德彬等教授[3]对塑性微成形变形规律进行了研究,对薄板成形中尺寸效应产生的机理进行了理论分析;上海交通大学董湘怀教授等[4]开展了塑性微成形技术和理论研究,对Cu Zn37黄铜板料微塑性成形中的尺寸效应进行了研究。
文章通过单向拉伸试验,对304不锈钢在试验中表现出的尺寸效应进行了理论分析。
1 单向拉伸试验
1.1 试验过程
首先将304不锈钢薄板材料通过线切割切割成试验所需的试样,试样厚度分别为200μm,100μm,50μm,20μm,以氨气为保护气体,加热到1000℃,采用退火处理方式得到均匀的晶粒组织。本实验采用KEYENCE VH-600晶粒度测量方法测量晶粒尺寸,测量较薄试样时,考虑到厚度方向上晶粒数目少,因此选取试样长度方向的晶粒测量数目。通过金相试验观察晶粒状态,试样晶粒尺寸见表1。由表1可得,试样晶粒大小随厚度的增加,无明显变化。
在CMT4000系列电子万能试验机上对不同厚度的试样进行单向拉伸试验,试验时选取合适的夹头固定试样,试样厚度20、50、100、200μm对应的拉伸速度分别为400、1000、2000、4000μm/min。在试验过程中,同种厚度试样的拉伸试验不少于3次,对3次试验数据取平均值。
1.2 应力-应变曲线分析
三次重复的单向拉伸试验获得的数据构成的曲线是位移-力曲线,经过数据处理获得各种厚度试样的真实应力-真实应变曲线,如图1所示。
由应力-应变曲线,得到试样的屈服应力,各厚度对应的屈服应力见表2。
由图1和表1可得,试样的初始屈服应力试验值随着厚度的减小,呈现出增加的趋势,表现出“越薄越强”的尺寸效应现像。
1.3 材料延伸率分析
延伸率是指材料在拉伸试验时断裂瞬间的最大应变量,材料的延伸率越大,塑性成形性能就越好[5],因此延伸率是表征材料塑性性能的重要指标。
式中:△L-拉伸后试样的变形长度(μm);L-试样原长度(μm)
根据公式计算并处理试验数据,可获得材料延伸率和厚度关系曲线图,如图2所示。
由观察图2可得,材料延伸率随试样的变薄呈降低趋势,且试样越薄这种趋势越明显,在试样厚度超过50μm后增加速度趋于平缓,但仍比较显著,呈现出延伸率“越薄越弱”的尺寸效应现像。
2 结束语
文章通过对304不锈钢薄板进行单向拉伸试验,主要研究了屈服应力、延伸率这两项指标,主要结果有:随着试样厚度的减薄,表层晶粒数目的减少加强了钝化膜的效果,使屈服应力增强;塑性成形方面,材料的延伸率随着试样变薄而减小,表现出“越薄越弱”的尺寸效应现像。
参考文献
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微成形系统 篇3
关键词：面曝光快速成形,光照度测量,硅光电池,灰度
快速成形 (rapid prototyping) 技术是20世纪 80年代后期发展起来的一种新型制造技术, 其基本思想是离散/堆积成形[1].传统的快速成形技术多数以激光作为光源, 为深入研究激光对零件固化质量的影响, 需要测量激光的能量, 而对激光能量的测量主要靠激光功率计.目前已发展成熟的激光功率计有光电型, 热释电型和量热型等[2,3,4].面曝光快速成形技术能以可见光作为光源, 其原理为:将计算机上制作的三维零件模型进行分层, 并存储分层数据, 再根据各层的数据信息在计算机上生成对应层的二维轮廓, 二维轮廓通过光路中的视图发生器, 在树脂表面形成零件截面视图, 曝光后便可实现对树脂的选择性固化[5].通常激光器以及激光功率计的成本均较高, 相比之下, 面曝光快速成形工艺不仅成本低, 且能实现整层一次曝光固化, 显著缩短制作时间, 提高制作效率.
面曝光固化工艺对整个零件截面视图同时曝光固化, 单层的翘曲变形比较严重[6], 影响了制作精度, 而单层的翘曲变形与截面视图的辐照度分布有关.同时辐照度的不均匀分布也将导致零件的固化深度存在差异, 致使制作精度降低.为高精度地制作微小结构, 必须准确测量截面视图的辐照度大小, 为后续优化曝光工艺提供数据依据和理论模型.因此, 需要研发能用于面曝光快速成形系统中的光照度测量系统.
由于可见光的波长分布范围是390～780 nm, 因此不便直接测量其辐照度大小.对于可见光而言, 辐照度与光照度之间存在一定关系[7], 可通过测量光照度来间接反映其辐照度的大小及其分布.文中以硅光电池作为光信号探测元件, 开发了用于面曝光快速成形系统的光照度测量系统.
1 光照度测量系统总体设计
针对面曝光快速成形技术的需求, 开发了光照度测量系统.该系统主要由MCU、硅光电池、增益调整电路、I/V转换及放大电路、通信接口RS-232、LCD模块和键盘等组成.系统的结构框图如图1所示.
由图1可知, 硅光电池将接收到的光信号转换成微弱的电流信号输出, 电流信号经过I/V转换和放大后以电压信号传送至MCU进行处理.选用的MCU内部自带10位A/D模块, 可以直接将接收到的模拟电压信号转换为相应的数字信号, 同时根据数字信号和硅光电池的线性灵敏度计算出实际光照度值, 测量结果通过LCD显示或通过RS-232接口发送到上位机, 以满足实时测量和记录的需求.为扩大光照度的测量范围、提高A/D的利用率, 采用可编程数字电位器作为放大电路的反馈元件, 根据弱信号用高增益, 强信号用低增益的原则, 由MCU自动调整放大电路的放大增益.
2 硬件设计
2.1 光电检测器选择
目前, 光照度测量系统主要采用的光信号探测器有硅光电池和集成光照度传感器.集成光照度传感器的优势主要体现在其响应的波长范围宽, 内部自带A/D, 输出为数字量, 便于操作.但其成本较高、不能实现增益自动调整, 应用范围受限.硅光电池不需要外加电源便可直接将光信号转换成电信号, 并且产生的短路电流和光照度成线性关系;同时它有响应时间短、性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、耐高温辐射、价格低廉等优点.通过比较, 硅光电池是理想的光信号探测器件.故选用OSRAM公司的BPW34B硅光电池作为该系统的光信号检测器件.BPW34B可测的波长范围为350～1 100 nm, 而面曝光快速成形工艺中的光源波长范围为400～720 nm, 且BPW34B输出的短路电流与光照度有良好线性关系, 因此能满足光照度测量系统的需求.
2.2 主控模块
主控模块由ATMEL公司的高性能、低功耗单片机ATmegal16L构成, 主要完成放大电路增益调整、A/D转换、软件滤波、标尺转换、数据显示及发送等工作.该微处理器采用了先进的RISC结构, 数据吞吐率高达1 MIPS/MHz, 大多数指令执行时间为单个时钟周期.内部有16 K字节的可编程Flash, 10位A/D等丰富的内部资源.此外, 该微处理器支持ISP下载, 可以方便地对终端软件进行更新[9].
2.3 放大电路设计
放大电路主要由运放和可编程数字电位器组成.考虑到BPW34B硅光电池输出的是弱电流信号, 因此应选用超低失调、超低温漂、高增益、高输入阻抗、共模抑制比高、噪声小的运算放大器.系统中选用ICL7650作为运算放大器, ICL7650是采用CMOS工艺集成的斩波稳零高精度运放, 25℃时输入失调电压为0.7 μV、偏置电流为1.5 pA, 失调电压的温漂为0.01 μV/℃, 输入电阻为1012 Ω, 共模抑制比为130 dB.
弱电流信号由ICL7650的同相端输入, 反相端接地, 这样根据运算放大器“虚短”的理论, 硅光电池恰好被短接, 就保证了输入放大电路的电流信号与光照度成线性关系.通过反馈电阻将输入的电流信号转换为电压信号输出, 即实现I/V转换, 这样放大电路输出的信号便可直接被MCU使用.
反馈元件的选择将直接影响到整个放大电路的放大增益.通常要求测量系统既能测量弱信号, 又能测量较强信号, 这就需要采用弱信号选用高放大倍数、强信号选用低放大倍数的策略来实现.因此系统选用了Intersil公司的可编程数字电位器X9C104P作为反馈元件, 其最大阻值为100 kΩ.根据信号强弱, 通过MCU控制X9C104P的输出电阻, 动态地调整放大增益[8].电路原理图如图2所示.
在图2中,
2.4 LCD模块
考虑到系统采用电池和USB可选方式供电, 因此采用低功耗的1602LCD作为显示屏.1602LCD可显示2行、每行16个字符, 支持对比度可调、黄绿色背光、功耗低、体积小、质量轻等其他显示模块无法比拟的优点.
2.5 系统供电模块
该系统要求电源提供稳定的±5 V电压.为使该系统能灵活使用, 设计了电池 (9 V) 和USB (5 V) 可选供电方式.若采用9 V电池供电, 则由稳压芯片LM7805 (输入电压范围为7～20 V) 将输出电压稳定在+5 V.再通过Intersil公司的电压反相芯片ICL7660SCAP将+5 V电压转换成-5 V电压.
3 软件设计
整个系统的软件部分由增益调整程序、A/D转换程序、标尺转换程序、LCD显示程序、数据发送程序5部分组成.所有的数据处理都在主控MCU中完成, 软件采用单片机C语言编写[9].软件流程如图3所示.
系统启动时先将放大增益调整到最大, 再进行试测, 根据试测数据调整数字电位器的输出电阻, 进而改变放大增益直到合适为止.判断增益是否合适的依据是:输入A/D的信号值应落在A/D的线性特性区之内, 并尽可能在1/2满刻度与接近满刻度的区域内;若增益最大时, 输入A/D的信号值仍不在1/2满刻度与接近满刻度的区域内, 则就在增益最大时进行测量;若增益最小时, 输入A/D的信号值仍大于A/D的满刻度值, 则由系统发出错误提示, 并停止运行.增益调整合适后可编程数字电位器X9C104P保存输出电阻, 进而确定增益.
确定增益后便可以连续测量, 为确保测量数据比较稳定, 在软件设计中采用了中位值平均滤波, 即连续测量多次, 保存每次的测量结果, 再将测量结果按由小到大顺序排列, 然后去掉最小和最大数据, 对剩下的数据取平均值.根据放大增益和BPW34B的线性灵敏度可以直接将A/D转换的数字量转换成对应的光照度值, 即标尺转换.最后再将实际照度值在LCD上显示或通过RS-232发送到上位机.
4 照度测量及模型建立
光照度的大小与视图发生器的灰度有直接关系.若建立了光照度与灰度的模型关系, 就可通过调整视图平面上的灰度改变相应视图上的光照度, 进而调整曝光量.灰度调整可通过对视图颜色的RGB值的设置来实现.R、G、B 3个分量相等时均为灰色, 分量值不同, 灰度就不同[10].
BPW34B硅光电池的感光面积为2.73 mm×2.73 mm, 因此在实际测量过程中以视图平面上的某一固定位置为测量点, 把测量点的灰度值Z设置成不同值, 依次测得不同Z值下对应的光照度值Ee.考虑到视图发生器光源存在微小的波动, 测得的光照度值不会很稳定, 因此, 在Z值一定时, 对测量点的光照度值连续进行n次读数 (本次测试中n=7) , 以测量数据的平均值
灰度值Z取不同值时, 测量点的平均光照度值
单位: LX
利用MATLAB中的cftool命令对表1中的测量数据进行3次曲线拟合, 得到式 (1) 所示的平均光照度
其中, 拟合相关系数 (R) 为
根据平均光照度
5 结 束 语
针对面曝光快速成形工艺, 开发了基于硅光电池的光照度测量系统.该系统具有放大增益自动调整、测量精度较高、操作简单、成本低廉等优点.利用该测量系统对面曝光快速成形工艺中不同灰度时的光照度进行测量, 建立了光照度与灰度的模型关系, 为通过灰度调制来控制光照度和优化曝光工艺提供了理论依据.
参考文献
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微成形系统 篇4
对于形状各异的薄板件的拉深成形来说,压边着力点施力大小及方位的调控是制造优质成品的关键。因而高性能的薄板成形液压机,应具备完善而有效的拉深压边系统。为此,需要突破传统的恒定压边力的输出方式,以先进电液元器件的有机结合实现四角压边力的程序调控。
2 拉深成形
在拉深成形过程中,必须使薄板坯料的周边置于压边圈之下,以保证模腔内的金属薄板在适当的摩擦压力和模间缝隙条件下,均衡地完成压缩与拉伸的塑性变形而实现拉深成形。其中,压边圈作用就是防止板料在拉深过程中产生“皱褶”、“拉裂”及壁厚不均等产品缺陷。由于拉深件形状与结构的不同,现代许多高品质的拉深成形制品,对于压边圈压边力的差异性分布、板料模具间的摩擦力等非直线性的参数,都有较高的跟踪设定压边力压力输出曲线的随动调控要求。所以现代新型高性能拉深成形液压机的压边系统,必须能够实现拉深成形压边力曲线输出的程序调控。
3 拉深成形的四角压边系统与程序调控
通常,液压机压边圈的四角压边力控制,是以液压独自调控压边力的压边系统,调定液压压力实现四角压边力的恒定输出。对于一般几何中心对称的圆形和浅拉深的薄板件,这种压边形式可以基本满足拉深成形要求。但对深拉深件以及几何中心不对称的异形件的拉深成形,以单独液压系统调定四角压边力恒定的压边圈,则难以适应随滑块位移而变的输出压边力的要求。
这里介绍一种电液结合的随动调控压边系统。其集成多种先进电液元器件为一体,通过多路信号采集、PC计算综合平衡、数据曲线显示和闭环反馈调控,实现四角压边力输出的随动调控。各压边缸在电液系统的调控下,按设定滑块位移对应压力输出的曲线界定,实施既相互独立又协调统一的程序化输出。其“电液集成压边系统”主要原理如图1所示。
压边滑块四角完全相同的液压缸,均采用各自的比例溢流阀控制输出压力,可独自实施液压压力的无级调节。按照控制显示触摸屏上先行设定的“滑块位移-压边力”关系曲线,电液集成压边系统依据滑块的位移传感器讯号,实时程序调控四角液压缸各自不同的输出压力。在自始至终的拉深成形工艺过程中,作为系统主控中心的可编程序控制器(PLC),连续不间断地采集处理来自四角压力传感器的反馈信号,时时与设定的程序曲线参数进行比对调控,比例溢流阀控制四角液压缸的随动液压压力,使各个液压缸对压边圈施加匹配合理的压边力。
1.缸1 2.缸2 3.缸3 4.缸4 5.光电编码器6.高速计数模块7.屏幕显示/数据输入8.可编程控制器9.油箱10.压力控制块11.压力传感器
4 结语
本文所述有别于液压机传统恒定输出的电液集成压边控制系统,适用于非中心对称和结构造型较复杂的薄板件的深拉深成形。当前,高强度金属薄板拉深成形日渐增多,产品改型更新速度越来越快,“无批量”多种类产品的需求越来越多。“电液程序调控压边系统”的研究应用,必将对满足新需求、新应用起到更大的促进作用。
参考文献
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微成形系统 篇5
提高零部件使用性能、减轻零部件重量、节约材料是现代先进制造技术追求的目标和发展趋势[1]。管材液压成形技术因其轻量化和一体化的特征在汽车行业和航空航天等领域得到了广泛应用。目前,欧美等国的科研单位和企业都对该技术进行了深入研究,并在轻量化构件的制造中进行了广泛应用[2]。由于管材内高压成形设备的要求较高、投资昂贵,目前国内可独立制造成套内高压成形设备的机构还不多,这在一定程度上限制了国内内高压成形技术的研究和发展。为更深入地研究管材成形技术,本文设计了一套可实现波动加载的管材液压成形系统,并对其中的关键问题进行了深入的研究和探讨。
1管材液压成形设备的组成
管材液压成形设备由合模压力机、模具系统、充液增压系统、数据采集和控制系统4部分组成[3]。
1.1 合模压力机
合模压力机在管材液压成形时提供合模力,将模具锁紧,保证在成形过程中不会因模具开缝造成零件飞边或引起管端密封失败。由于液压机可在其全行程的任意位置输出系统的最大压力,并易于实现调压和保压,故本系统采用液压机作为合模压力机。
1.2 模具系统
本系统采用的模具沿工件的分型面分为上模和下模,上模固定在可滑动横梁上,随横梁移动开闭模具,下模固定在液压机的工作台上,模具中间部分可更换不同的型腔,以满足不同的实验要求,如图1所示。
1.3 充液增压系统
此部分是管材液压成形系统的核心部分。当模具锁紧后,侧推缸开始进给,推动冲头进给对管材进行预密封;之后,乳化液充液系统向管材内填充乳化液并排出管内气体;乳化液填充完毕后超高压增压系统工作,管材内液体压力升高,完成管材的胀形。图2为液压系统工作原理图。
1.4 数据采集和控制系统
数据采集部分由传感器、计算机、数据采集卡等组成。传感器将检测到的不同信号转换成电压信号,经数据采集卡A/D转换后输入计算机,计算机内的记录和显示程序将上述物理量以数据文件形式保存在计算机内,以备后续的实验结果处理、存储、打印等。控制部分由计算机、数据采集卡、PID调节器、比例伺服阀等组成。压力传感器将检测到的实时压力通过数据采集卡反馈给计算机并与设定的压力值相比较,通过PID调节器调节后作用于比例伺服阀,直至系统压力符合设定值,控制部分实现了对系统的闭环控制和管材液压成形的自动化。
2关键问题的研究
在系统的研发过程中,涉及到很多影响整个系统可行性、稳定性和安全性的因素。本文对这些因素进行了深入的研究并提出了合理的解决方案。
2.1 密封
泄漏是液压系统的“通病”,外泄会污染环境,还会影响液压泵的工作性能和液压执行元件运动的平稳性;内泄严重时,会造成系统容积效率过低及油液温升过高,导致系统不能正常工作[4]。密封是解决液压系统泄漏问题的有效手段之一,由于本系统内压较高,做好系统的密封工作对整个系统至关重要。本文将侧推缸的进给设置为一静一动,先手动调整左侧冲头的位置,即分配液压缸16先向左侧水平缸17内充液,推动左侧冲头进给到预设的位置,之后启动开始按钮,分配缸只向右侧的水平缸无杆腔内填充液压油,推动右侧冲头进给,左侧冲头静止。在右侧冲头接触管坯后推动管坯向左进给,直到管坯左端接触左侧冲头并形成一定压力后停止。当乳化液填充满管材后,两端冲头再同步进给,密封好管材两端。该设计既解决了冲头对管端的密封问题,又减少了冲头同步进给引起的冲击,从而减少了管材的屈曲率,提高了管材的使用率。
1-轴向柱塞泵;2-电动机;3,24-溢流阀;4,15,21-压力表;5,6,7,11,12,19,23-三位四通电磁换向阀; 8,28,29-单向阀;9,10,13,14,25-压力继电器;16-分配液压缸;17,18-水平侧推缸;20-先导比例电磁溢流阀; 22-增压缸;26-乳化液缸;27-乳化液油箱;30-反馈放大器;31-PID调节器;32-比例放大器;33-计算机
2.2 进给补料
管材胀形时轴向会出现收缩,此时如果两侧冲头不能及时进给补料,一方面会造成管端密封不严引起泄漏,另一方面会使管壁过度减薄,严重时管坯破裂,降低管材胀形成功率。因此在管材胀形的过程中,两端冲头要及时地进给、补料。本系统在增压回路上添加了一条支路,该支路由换向阀11、分配液压缸16、侧推缸17、18组成。在增压缸22工作时,通过换向阀的油液一部分经支路流入分配缸的A腔。在内压力升高,管材胀形收缩时,油液通过换向阀11右侧进入分配缸的A腔,推动分配缸16的活塞进给向两水平侧推缸无杆腔内注入油液,从而推动两端冲头及时进给补料。
2.3 超高压的实现
本文设计的液压系统要求最大输出内压达到300 MPa,由于目前常规液压系统的最高压力只能达到32 MPa～40 MPa,所以要实现超高压必须采用增压缸进行增压。为减轻系统低压端的压力同时实现系统的超高压输出,本文设计了一个增压比为12∶1的单动增压缸,即增压缸22。
2.4 双介质供油
乳化液既能克服液压油在高压下压缩量大、成本高、难清理的缺点,又具有防锈作用,因此管材液压成形系统采用乳化液作为加压介质。本文在设计乳化液的充液、吸液时采用了独特的思路,在乳化液缸26的输出端设置了两个单向阀28和29。管材成形时,单向阀29右侧的压力较高,左侧的较低,该阀作为隔离高压和超高压的元件,隔离开左、右两侧,以保护整个系统的安全运行;单向阀28则在乳化液充液时封闭,管材胀形完成后,乳化液缸回程时打开,以满足乳化液缸从乳化液油箱27中吸液。该设计省略了独立的乳化液充液系统,在满足系统双介质供油的同时,使整个液压系统结构更加简单、紧凑,节省了设备空间和系统设计成本。
2.5 自动化的实现
本文设计的系统采用了较多的压力继电器,这些继电器在PLC的控制下实现不同支路的动作转换。另外,由于管成形过程中系统的压力比较高,所以对系统的控制精度要求也高。为达到控制精度的要求,本文设计的液压系统采用闭环控制,由压力传感器、反馈放大器30、计算机33、PID控制器31、比例放大器32以及先导电磁比例溢流阀等实现对内压力的自动控制。系统闭环控制框图如图3所示。
2.6 波动加载的实现
内压力的波动加载是本系统最关键的问题。本文在增压缸的低压端设置了先导比例电磁溢流阀,从闭环控制框图可以得到,增压缸高压端的压力传感器将检测的实时压力转换成电压信号,经数据采集卡A/D转换后输入计算机,与设定的信号比较,经D/A转换后通过PID控制器调节,最后通过比例放大器放大后作用于先导比例电磁溢流阀,溢流阀阀口开启卸荷实现增压缸低压端的压力波动,从而实现输出内压力的波动。
3结束语
本文在研究管材内高压成形工艺的基础上,结合实际的实验要求,自主研发的可波动加载的管材超高压液压成形设备具有结构简单紧凑、工作可靠、节能高效、控制精度高等优点,可以满足管材液压成形实验的内压力波动加载要求,同时也为国内液压成形设备的研发提供了参考。
摘要：分析了液压成形设备的组成以及在研发波动加载管材液压成形系统过程中涉及的关键问题,并对每个问题都提出了合理的解决方案,实现了系统的设计要求。
关键词：波动加载,管材,液压成形系统,超高压,PLC
参考文献
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微成形系统 篇6
从控制角度来讲, 快速成形控制系统是一个复杂的多轴联动数控系统, 涉及的信号种类繁多。目前, 快速成形设备的数控系统分为两类:一类是将系统中所有信号高度集成到一个专用的数控系统中;另一类则是基于各种通用信号控制卡, 如A/D转换卡、I/O控制卡等, 由用户自主集成。相对来说, 专用数控系统功能完善、集成度高、结构简单;不足之处在于通用性较差、不易实现控制系统功能的扩展和移植, 且系统开发周期较长。而基于通用信号控制卡集成起来的系统结构复杂、系统繁琐、可靠性低、成本高, 且受计算机插槽数量、地址、中断资源的限制, 挂接设备数量不能太多。
本研究设计一个基于PLC的光固化快速成形数控系统。
1 基于PLC的光固化快速成形机数控系统
某些液态树脂材料被特定波长 (如325 nm或355 nm) 的光束照射时, 因发生聚合反应而具有迅速从液态变成固态的特性。利用树脂的这种特性, 有选择地逐层固化液态树脂, 从而成形三维实体的方法称为立体光固化成形法 (SLA) 。SLA是世界上最早出现并实现商品化和市场占有率最高的一种快速成形技术, 其研究最深入、应用最广泛。
光固化成形原理如图1所示, 首先, 控制系统读入制件的三维数据, 对文件进行必要的处理并转换成一系列很薄的模型截面数据文件;在获得制件特定高度的截面轮廓后, 根据截面轮廓生成该层的扫描路径。成形在计算机的控制下, 按生成的路径聚焦后的光束在工作面上进行二维扫描, 使扫描区域的液态树脂固化, 形成该面的固化层。然后工作台下降一层厚的高度, 刮板将光敏树脂均匀地涂覆在制件前一层的表面, 等树脂液面稳定之后, 进行第二层的扫描固化, 如此重复直到整个制件完成, 最终得到一个由多个二维截面叠层累加形成的三维实体。
SLA成形设备数控系统用于对光源、扫描装置、工作台机构、液面保持及涂敷装置 (刮板) 、树脂加热装置等进行控制。SLA成形设备扫描装置采用X-Y扫描方式, 由两台步进电机驱动相关机构, 带动光学系统, 沿工作面X-Y方向运动, 实现光束在工作面上的二维平面扫描, 对应的控制信号为脉冲信号及数字开关信号;此外, 在电磁铁的配合下, Y向步进电机还对涂敷装置的往返运动进行驱动。同时, 选用步进电机驱动相关机构, 实现对工作台的升降控制, 对应的控制信号为脉冲信号及数字开关信号;另外, 系统中光源控制信号、液面保持控制信号、树脂加热控制信号均为数字开关信号。
如上所述, SLA快速成形数控硬件系统的特点是信号数量繁多、种类多样。为了简化SLA成形设备数控系统的结构, 本研究结合所设计的成形设备特点, 设计了一个基于PLC的SLA成形数控系统, 如图2所示。上位机为工控机, 主要用于SLA工艺参数的设定、图形文件处理等操作。下位机PLC主要用于对光学扫描装置、工作台的升降运动、液面保持及涂敷装置、树脂加热装置等底层设备进行直接控制。
系统选用德国西门子公司的S7-200 CPU 224XP型PLC[1], 该型PLC由直流24 V供电, 除具有14个数字量输入点、10个数字量输出点、2个模拟量输入点、1个模拟量输出点外, 还提供两路高速PTO/PWM (Pulse Train Output/Pulse Width Modulation) 脉冲输出, 易于对步进电机进行控制[2,3]。
PLC的输入信号包括:①上位机的控制指令流;②手动操作面板的按钮动作;③机械部分的各限位开关的状态信号。PLC的输出信号包括:①开关量:控制各功能继电器通断、步进电机正反转等;②脉冲信号:控制步进电机转轴的精确定位。通过适当的电路切换, 两路脉冲输出可以实现三台步进电机的驱动。
使用专用PC/PPI电缆将PLC的485串行端口与上位机的232串行端口连接, 实现上位机与PLC之间的数据交换。上位机与PLC之间的串行通信遵循自由口协议。在自由口模式下, 通信协议完全由用户程序控制, 用户程序通过接收中断、发送中断、发送指令和接收指令等来控制串行通信口的操作。
这种控制结构的最大优点在于充分利用PLC强大的控制功能、接口功能, 控制系统层次分明、开发简单、易于实现和维护。与专用数控系统相比, 本系统选用通用PLC作为开发平台, 采用梯形图编程, 对开发人员来说简单易学, 省时省力。在保持高集成度的前提下, 系统开发周期短、通用性较好、调试简便且易实现控制系统功能的扩展和移植;与基于通用信号控制卡集成起来的系统相比, 本系统充分利用了PLC本身具有的运动控制功能、接口功能, 省去多轴运动控制卡、数字输入/输出控制卡, 系统结构简单、集成度高、可靠性好、成本低。
2 上-下位机之间通信的实现
SLA数控系统是一个多任务运行系统, 为了保证通信的安全性, 在进行串行数据传输之前, 上位机与PLC之间必须达成握手协议, 只有握手协议成功以后, 两者之间才可以进行数据传输。如图3所示, 上位机每发送一帧数据前先发送握手信号, PLC收到握手信号后将其传送回上位机, 上位机只有收到PLC传送回来的握手信号后才开始发送一帧数据。PLC收到一帧数据后进行校验, 如果有误, 说明通信过程中发生了误码, 上位机应重新发送数据;若无误, 说明PLC收到的数据是正确的, PLC将收到的数据存入指定的存储区。这个工作过程一直重复持续到所有的数据传送完成。考虑到通信传输速率与PLC执行指令速度之间的不匹配, 在PLC内存中开辟数据缓冲区存放上位机传送来的数控代码, PLC对数控代码进行分析后执行相关指令, 驱动外部执行机构完成对应的数控动作。
由于RS-485为半双工电气标准硬件电路, 使用PC/PPI电缆进行串行通信时, 发送和接收之间要有一定的时间间隔。
2.1 上位机通讯程序设计
由于Visual C++在低层通信控制、图形处理和数据库管理等方面具有较强的功能, 本系统选用Visual C++作为上位机软件开发平台, 采用API (ation Program Interface) 函数实现上位机与PLC之间的串行通信[4,5,6,7]。
在CPU处理任务较繁重、与外围设备有大量通信数据时, Win32 API函数显示了强大的通信功能, 尤其适合多线程编程, 并且通信比较稳定。Win32 API包含一系列访问通信资源的通信函数, 通过函数CreateFile () 进行串行通信资源的配置;通过函数SetupComm () 进行缓冲区大小的设置;通过函数SetCommState () 、GetCommState () 进行修改和查询初始化设置;通过函数ReadFile () 、WriteFile () 完成串行通信数据资源的收发。
(1) API函数实现串行通讯的初始化程序如下:
(2) 发送程序:
WriteFile (m hComm, p buff, p size, &counts, NULL)
(3) 接收程序:
ReadFile (m hComm, p buff, p size, &count, NULL)
说明:m hComm为通信端口句柄;p buff为数据缓冲区地址;p size为缓冲区数据量;count为实际交换数据量。
2.2 PLC通信程序设计
在通信之前, S7-200CPU 224XPPLC通过改写特殊存储字节, 对通信端口进行初始化。通信过程中, 利用中断来实现数据接收和发送之间的切换。当接收数据完成时, 会产生接收信息完成中断;当数据发送完成时, 会产生发送完成中断。
以下是采用STEP 7-MicroWIN对PLC编程的部程序:
3结束语
本研究设计的基于PLC的快速成形数控系统在华中科技大学材料科学与工程学院快速成形中心所研发的光固化快速成形设备上得到了实现。
本系统充分利用了PLC本身具有的运动控制功能 (高速脉冲输出功能) 、丰富的输入/输出口功能, 结构简单、集成度高、可靠性好。同时, PLC采用梯形图编程, 简单易学、省时省力, 减轻了整个控制系统软件研制的工作量。
摘要：为简化光固化快速成形 (SLA) 数控系统的结构、降低系统开发的成本和难度, 结合所设计的成形设备特点, 利用可编程逻辑控制器 (PLC) 具有的开发简单、性能可靠等优点, 设计了一个基于PLC的光固化快速成形数控系统。该系统将数控系统中各类信号高度集成到一台PLC, 并采用串行通信方法, 在PLC开发平台上实现了对各底层设备的控制。研究结果表明, 此法缩短了快速成形数控系统的开发周期, 节省了开发成本。
关键词：光固化快速成形,可编程逻辑控制器,串行通信
参考文献
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