壓鑄機(jī)鎖模力測(cè)量新技術(shù)及其驗(yàn)證

蔡加軍，蔡恒志，徐文靜，盧 軍，張建軍，4，張 陽(yáng)

（1.深圳中研塑力科技有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳領(lǐng)威科技有限公司，廣東 深圳 518000；3.濟(jì)南鑄鍛所檢驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司，山東 濟(jì)南 250399；4.國(guó)家鑄造鍛壓機(jī)械質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250399；5.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230000）

近期新能源汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展導(dǎo)致了超大一體零件設(shè)計(jì)技術(shù)的普及應(yīng)用。與常規(guī)使用的小型零件相比，超大型結(jié)構(gòu)零件功能和設(shè)計(jì)更復(fù)雜，產(chǎn)生了厚度相差太大和流動(dòng)融液走動(dòng)不對(duì)稱的問(wèn)題，這些對(duì)于鎖模力提出了更高的要求。

鎖模力是否達(dá)到預(yù)定值以及四根哥林柱是否受力均勻是評(píng)價(jià)壓鑄機(jī)的重要指標(biāo)之一，哥林柱的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中圖1a 表示的是未受力時(shí)的哥林柱，圖1b 表示的是哥林柱受力后的位移云圖。如果鎖模力設(shè)置過(guò)小，那么制品就會(huì)產(chǎn)生飛邊的問(wèn)題，反之如果鎖模力設(shè)置過(guò)大，會(huì)影響模具排氣，增加能耗，縮短模具和設(shè)備的使用壽命，不符合經(jīng)濟(jì)性的要求[1]。而只有受力均勻分布的壓鑄機(jī)才能確保制品品質(zhì)并能對(duì)模具和壓鑄機(jī)本身起到保護(hù)作用，延長(zhǎng)模具和壓鑄機(jī)的壽命。此外，四根哥林柱是否平行也影響著機(jī)器本身的壽命和壓鑄件的質(zhì)量。如果模板或者模具不平行，那么會(huì)導(dǎo)致每根哥林柱受力相差較大，進(jìn)而發(fā)生斷裂，導(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行下去。因此生產(chǎn)中需要時(shí)刻控制四根哥林柱的受力大小在可接受范圍內(nèi)。通常的做法是在壓鑄機(jī)上安裝測(cè)量裝置，傳統(tǒng)的測(cè)量方式是用粘貼式應(yīng)變片[2]來(lái)測(cè)量哥林柱的應(yīng)變，然后計(jì)算每根的受力大小，最后將它們加起來(lái)得到鎖模力大小。但是粘貼工作很麻煩，比較耗時(shí)[3]，膠水對(duì)于哥林柱來(lái)說(shuō)本身就是一種破壞，會(huì)影響測(cè)量的精確度，此外應(yīng)變片只能使用一次，并且在機(jī)器快速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易脫落，因此該方法在精度和成本上都存在很大問(wèn)題，不適合長(zhǎng)期使用?，F(xiàn)在一種新的鎖模力測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)解決了這些問(wèn)題。

圖1 哥林柱結(jié)構(gòu)

1 新型鎖模力測(cè)量裝置

深圳中研塑力科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱中研塑力）研發(fā)了一款新的應(yīng)變傳感器，不但可以用于注塑機(jī)上，也可以用于壓鑄機(jī)上。這款傳感器適用于測(cè)量固定或移動(dòng)機(jī)器部件上的動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)力，和傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量原理一樣，也是先測(cè)出機(jī)器或結(jié)構(gòu)表面的力比例應(yīng)變，從而間接得到鎖模力。高靈敏度和加速度補(bǔ)償設(shè)計(jì)使得它可以對(duì)快速運(yùn)行的機(jī)械（例如壓力機(jī)、自動(dòng)裝配機(jī)）進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控，并且安裝十分方便，僅用一顆M6 螺釘固定，不會(huì)產(chǎn)生脫落的風(fēng)險(xiǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)

安裝時(shí)，需要先將傳感器與機(jī)器結(jié)構(gòu)對(duì)齊，然后在測(cè)量點(diǎn)加工M6 螺紋，如圖3 所示。靠近傳感器的電纜應(yīng)盡可能不受推力或拉力的影響。 電纜應(yīng)夾緊到位，以避免應(yīng)變或振動(dòng)傳輸。在安裝好以后，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校準(zhǔn)。與其他的線應(yīng)變計(jì)技術(shù)相比，其特殊優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)以及即使在負(fù)載波動(dòng)的情況下也幾乎可以無(wú)限使用。另外，由于依靠螺釘進(jìn)行固定，即使在有連續(xù)沖擊載荷的在線生產(chǎn)監(jiān)測(cè)環(huán)境下，該傳感器也能夠很好地進(jìn)行工作。

圖3 傳感器的安裝

2 哥林柱及鎖模力的測(cè)量原理

測(cè)量應(yīng)變的方法很多，但原理基本都是通過(guò)鎖模時(shí)哥林柱所受到的載荷發(fā)生形變量來(lái)進(jìn)行間接測(cè)量的[4]。鎖模力的計(jì)算公式如式1 所示。

式中：F鎖為鎖模力, 單位kN；Fi為第i 根拉桿上的軸向力, 單位kN；A 為拉桿測(cè)試處截面積, 單位cm2；E 為拉桿材料的彈性模量, 單位kN/cm2；μ為拉桿材料的泊松比，一般取值為0.28；εi為第i根拉桿的應(yīng)變儀讀數(shù)的應(yīng)變量；n 為拉桿的數(shù)量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有效性

選擇9232A 型應(yīng)變傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證傳感器的準(zhǔn)確性。深圳力勁公司提供了實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)際生產(chǎn)所用的標(biāo)準(zhǔn)鎖模力傳感器，目的是為了將中研塑力研發(fā)的傳感器與其進(jìn)行對(duì)比，看其測(cè)量的鎖模力值是否滿足線性關(guān)系。

在實(shí)驗(yàn)中，以2800 t 壓鑄機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并分別在它的動(dòng)模板和曲柄位置安裝了應(yīng)變傳感器，在它的四根哥林柱上安裝了標(biāo)準(zhǔn)鎖模力傳感器，如圖4 所示。

圖4 傳感器的安裝

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先對(duì)中研塑力的應(yīng)變傳感器進(jìn)行校零處理，然后分別在兩種安裝位置下各做了十一組實(shí)驗(yàn)，并記錄每一次用標(biāo)準(zhǔn)鎖模力傳感器得到的總鎖模力大小和用中研塑力傳感器檢測(cè)到的第一根哥林柱的鎖模力，結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 安裝在曲柄上的實(shí)驗(yàn)

表2 安裝在動(dòng)模板上的實(shí)驗(yàn)

理想情況下，每根哥林柱的受力大小應(yīng)該一樣，而且和總的鎖模力大小呈線性關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中，由于可以調(diào)節(jié)應(yīng)變力和電壓之間的比例，所以不能將哥林柱受力大小應(yīng)該是總鎖模力的四分之一這個(gè)約束作為傳感器檢測(cè)是否準(zhǔn)確的衡量標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)該觀察它們之間是否呈現(xiàn)線性關(guān)系。因此采用最小二乘回歸來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以此判斷中研塑力傳感器的準(zhǔn)確性。

在python 里面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪制圖像，得到的結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖6 安裝在動(dòng)模板上

從圖中不難看出，安裝在曲柄上的傳感器得到的第一根哥林柱的鎖模力與標(biāo)準(zhǔn)總鎖模力明顯存在很強(qiáng)的線性關(guān)系，而安裝在動(dòng)模板上的傳感器得到的第一根哥林柱的鎖模力與標(biāo)準(zhǔn)總鎖模力也具有一定的線性相關(guān)性。為了更有利說(shuō)明這一點(diǎn)，我們計(jì)算了最小二乘回歸方法的均方差MSE和相關(guān)性系數(shù)R，所得結(jié)果如表3 所示。

表3 均方差和相關(guān)性系數(shù)

從表中可以看出，安裝在曲柄上的實(shí)驗(yàn)方案所得到的均方差遠(yuǎn)小于安裝在動(dòng)模板上的試驗(yàn)方案所得到的均方差，而且前者的相關(guān)性系數(shù)更大，說(shuō)明安裝在曲柄上的方案更為可取，可能的原因是由于動(dòng)模板距離哥林柱太遠(yuǎn)，容易受到其他力的干擾，所以會(huì)造成測(cè)量上的更大誤差，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)首先考慮安裝在曲柄上的方案。

此外，不難發(fā)現(xiàn)，兩種方案中擬合的直線都沒(méi)有經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，可能是測(cè)量的組數(shù)太少以及在加工過(guò)程中機(jī)器的沖擊對(duì)于傳感器的測(cè)量有一定影響。

4 結(jié)論

中研塑力研發(fā)的新鎖模力測(cè)量應(yīng)變傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）相比于傳統(tǒng)粘貼式應(yīng)變片，安裝更加穩(wěn)固，而且可以重復(fù)使用。

（2）有方便的接口，可以直接從操作面板中讀取鎖模力值，操作性更強(qiáng)。

另外，需要注意安裝位置，應(yīng)該考慮裝在離哥林柱較近的位置，如曲柄上。