PLC控制型镁合金等通道剪切变形挤压机的结构设计

(1.天津理工大学材料科学与工程学院，天津 300384; 2.天津市电工铜质线材企业重点实验室，天津 300384;3.天津市精密级进模具成型技术工程中心，天津 300384)

(1.天津理工大学材料科学与工程学院，天津 300384; 2.天津市电工铜质线材企业重点实验室，天津 300384;3.天津市精密级进模具成型技术工程中心，天津 300384)

为了研究镁合金棒材经挤压后的组织变化，设计了该挤压机。论文介绍了运用PLC技术的镁合金等通道剪切变形温挤液压机的设计思路，分别对其挤压过程、机架结构、液压系统和PLC控制过程进行了分析和说明。该结构的构建使挤压动作更具准确性，挤压完成的工件更符合要求。

挤压过程;液压结构;PLC控制

0 前言

镁合金作为现代工业生产较理想的结构材料，近年来已广泛使用。但是镁合金的密排六方晶体结构导致其塑性变形能力较差，很难使产品成型，严重限制了其应用领域。实践证明通过等通道侧向挤压技术(ECAP)细化晶粒来加强其塑性变形能力是关键之处［1］。设计特制挤压机对镁棒材进行挤压是具有研究意义的。用ECAP使材料大塑性变形，能挤压出纹路更致密的精细镁合金，用液压系统来锁模，挤压过程更稳定［2］。如今的制造产业对生产效率和安全系数的要求日益增高，把全自动化技术引进到精加工环节势在必得。该挤压机灵活运用了PLC程序来控制整个挤压过程，使作业简单，安全性高。

1 机械主体结构的设计

等通道剪切变形挤压机的机械构图如图1所示，它由两个油缸控制，垂直油缸产生锁模力，水平油缸产生挤压力。主体结构可分为垂直压力系统和水平压力系统。垂直压力系统的作用是对模具产生锁模力，由上横梁、下横梁、垂直立柱等组成，垂直油缸装置于上横梁，连接部分采用钢板焊接。水平压力系统的作用是产生挤压力，它采用四圆柱拉杆结构，由装在左右的两个支承梁和四个拉杆组成，水平油缸装于右边的支承梁上。右侧装支架的目的是承担油缸等部件的重量。垂直压力系统和水平压力系统是连接为一体的。由于本机所选的垂直油缸较水平油缸的理论推力大，所以选择垂直油缸为锁模油缸。主机部分强度设计的许用应力为80 MPa［3］。

其凸模细杆被安装在液压机右纵梁的卡槽上，凹模由型腔的轴线分为可开合的两部分，上模安装在上横梁主板上，下模安装在下横梁工作台上，上、下模组成合模，构成一个弯曲通道，用于工件安放。此弯曲通道是由专用模具的两段形成的金属型腔，直径均15 mm，此两部分的轴线成135°的夹角。上下模分开时可以将原坯料镁合金棒材放置在其中，也可通过凸模活塞杆将坯料顶入。上横梁、右纵梁为活动横梁。

图1 等通道剪切变形挤压机的机械构图Fig.1Mechanical drawing of equal channel shear deformation extrusion hydraulic press

2 挤压加工过程简述

当按下可编程控制器的启动按钮时，上横梁沿着垂直导轨移动到挤压工作台板上，与下横梁接触。这时由纵向的锁模油缸驱动圆柱顶杆顶住上横梁的大小筋板，不断加压，产生足够的锁模力使上下合模可靠地闭合。然后，水平液压油缸启动右纵梁慢慢向左移动，凸模的端面与合模后的凹模在工件分型面处紧紧贴合，通过推动顶杆对棒材实施挤压。挤压过程结束后，上横梁经驱动又回升到上限位置，右纵梁带动顶杆也随即回到右侧极限位置。

该挤压机采用了液压传动系统同温挤压和等通道挤压相结合，来提高材料的力学性能。在挤压力的驱动下，当镁合金的棒材强制进入模具弯曲通道的转角时，其材料内部的金属晶格将产生剪切变化。此通道是互成135°的两个等截面通道，其交界处的变形是近乎理想的纯剪切变形。这样的金属晶格变化会使材料具有某些特异的性质，这大大提高了现有镁合金的机械性能，并且经反复挤压后工件的组织将更加精细均匀。制备出这种高性能低成本的镁合金是人类所向往的，该液压机就是为了开发出新型镁合金而设计的。

3 液压系统的设计

该挤压机的液压系统原理图如图2所示。

图2 挤压液压机的液压系统原理图Fig.2Schematic diagram of hydraulic system

液压系统由主油缸、柱塞泵、阀(单向阀、调速阀、换向阀等)、油管及各种液压开关等组成［4］;锁模作用的垂直油缸采用前法兰结构，油缸内径φ200 mm，行程200 mm，额定工作压力25 MPa，理论推力1 535 kN。侧压油缸也采用前法兰结构，油缸内径φ280 mm，行程200 mm，额定工作压力25 MPa，理论推力785 kN。

作为液压源核心的液压泵有两个，油泵A是柱塞泵，排量为4 cm3/r，配备电动机功率4 kW，转速1 450 r/min，此电机装有变频器，可无级调速。当油泵A供油时，垂直油缸的速度可以在18～180 mm/min进行无级调节。油泵B是齿轮泵，排量为40 cm3/r，配装电动机功率4 kW，转速1 450 r/min。油泵B用于垂直油缸与侧压油缸的无载荷快速移动。此时垂直油缸的速度为3 cm/s;侧压油缸的速度为1.5 cm/s，当行程为200 mm时所用时间约为12 s。

当将三位四通电磁阀8拨向右边时，垂直油缸推动横梁向下走。而将9拨向右边时液压缸往右顶着走。侧压油缸的推力行程装有液控单向阀4和蓄能器5，可保证锁模保压时油缸推力的稳定。压力继电器7的作用是，只有当垂直油缸的锁模达到预定值时，侧压油缸才可进入工作行程。当采用电机调速不能滿足速度要求时，可启用单向调速阀3调整运行速度。卸荷阀12、13的作用是当不需加压时，多余的液压油经此阀流回油缸，从而锁紧下模。

4 电气程序的设计——PLC程序控制

该挤压机的电气系统选择装有位移传感器的可编程控制器(PLC)来自动控制，本系统采用三菱FX2N-48MR-001型号［5］，其外部接线如图3所示。包括操作上横梁沿导轨上下行启动、右纵梁的左右行启动、上横梁的上下限行程、右纵梁的左右限行程、远程调速，手动移动等指令。在挤压机水平、垂直两侧的机架上分别装有八个传感器，用以检测上下横梁的启动与停止，并给予反馈。

电气部分主要由供电柜、操作台、PLC可编程控制器、交流接触器、显示屏等组成。本机配有专用的电气控制柜，其主要功能是油泵电机A的启动控制和变频调速控制、油泵电机B的启动控制、两个电磁换向阀的控制。本程序支持模具的加热控制系统，加热方式为直插式电热管加热，加热温度为250～400℃。

图3 可编程控制器外部接线图Fig.3External wiring diagram of programmable controller

PLC具体控制过程如下:按下“启动按钮1”，上横梁从起始位置往下移动，等接触下横梁，上下模进行合模，上横梁继续运动达到锁模作用，当运动到上横梁下限行程位置时，EL5指示灯亮，然后右纵梁向左运动，当凸凹模紧贴时挤压过程开始进行，达到左限行程时EL8亮。然后上横梁接收到传感器信号后返回最高点，这时EL6亮，紧接着右纵梁也受驱动开始向右运动，直至右限行程处EL7亮，整个过程运行完毕。若中间出现故障，紧急停止指示灯会亮起，这时可以按下手动操作按钮对各步骤进行检查。若需要远程调速，可以按下远程调速按扭，实现远距离全自动调控。由外部接线图设计的PLC梯形图如图4所示。

5 结论

该挤压机运用了先进的机、液、电一体化研究方案，在机械方面该挤压机运用垂直、水平双向掌控，结构稳定可靠。采用双油缸控制，能对整个挤压过程起到稳固加强作用，精度保持性好，使用寿命长［6］。采用PLC程序控制液压系统，很大程度上提高了挤压的连贯性和精准性，简化了以往的手动操作过程。作为研究材料经挤压后属性变化的专用设备，其对提高镁合金的机械性能具有重大的指导意义。

［1］路国祥.镁合金等通道转角挤压(ECAP)技术的研究和展望［J］.材料导报，2008(4):84-87.

［2］彭渝丽.等通道挤压镁合金工艺的研究［J］.铸造技术，2010(10):1317-1319.

［3］宋锦春.液压技术实用手册［M］.北京:中国电力出版社，2011.

［4］左建民.液压与气压传动［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［5］初航，师忠秀，田洪刚.PLC入门与应用实例［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［6］谢东钢.现代挤压装备的发展［J］.中国材料进展，2013(5):264-268.

PLC控制型镁合金等通道剪切变形挤压机的结构设计

李慧1，付丽1，敖茜1，宋宪通1，刘德宝1，2，3

The structure design of magnesium alloy equal channel shear deformation extrusion hydraulic press controlled by PLC program

LI Hui1，FU Li1，AO Qian1，SONG Xian-tong1，LIU De-bao1，2
(1.School of Materials Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China; 2.Tianjin Electrical Copper Wire Enterprise Key Laboratory，Tianjin 300384，China; 3.Tianjin Precision Progressive Die Molding Technology Engineering Center，Tianjin 300384，China)

This press is projected to study the organization change of the magnesium alloy rod after extrusion.It introduced the design of magnesium alloy equal channel shear deformation warm extrusion hydraulic press.Hydraulic press extrusion process，structure of devices，hydraulic system and PLC control process are also analyzed and illustrated.The planning of the structure make the squeezing action more accuracy，and the extrusion finished workpiece conforms to the requirements.

extrusion process;hydraulic structure;PLC control

TH137

A

1001-196X(2014)05-0056-04

2014-04-12;

2014-06-04

国家自然科学基金项目(51271131)

李慧(1989-)，女，天津理工大学，硕士研究生，专业方向为材料加工工程。