基于PLC的油壓機(jī)的自動(dòng)化改造設(shè)計(jì)

［關(guān)鍵詞］油壓機(jī)；自動(dòng)化；PLC

［中圖分類號］TP273 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0096–03

粉末冶金是以金屬或非金屬粉末的混合物為原料，經(jīng)過成型和燒結(jié)，制取金屬材料、復(fù)合材料及各種類型制品的工業(yè)技術(shù)。其中成型是將混料裝入模具，重壓制成具有一定形狀、尺寸及密度的型坯的過程。在油壓機(jī)生產(chǎn)的過程中，工人需要連續(xù)拆裝、移動(dòng)近20kg的模具，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且工人距離油壓機(jī)較近，生產(chǎn)過程中的安全、粉塵、噪聲等問題也難以解決。另外，由于工人操作水平參差不齊、人員定期輪崗等因素，產(chǎn)品良率難以穩(wěn)定，增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。因此對該型油壓機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，是提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保障生產(chǎn)安全的必由之路，也是現(xiàn)代制造業(yè)提升競爭力的關(guān)鍵所在。

1總體設(shè)計(jì)方案

YT70-500型油壓機(jī)包含了料倉、給料器、布料器、布料模組、脫模劑噴嘴、壓機(jī)、脫模墊塊、氣動(dòng)手指、取料直線模組、料盤移動(dòng)模組、成品料盤等主要部件。其工作過程為：設(shè)備通電自檢→給料器按照設(shè)定的重量稱量粉料至秤斗→秤斗放料至布料器料槽內(nèi)的同時(shí)，脫模劑噴嘴向模腔內(nèi)均勻噴入脫模劑→布料模組帶動(dòng)布料器下料的同時(shí)，在模腔內(nèi)來回移動(dòng)，將粉料均勻散入模腔→布料器退回后，壓機(jī)主缸下降壓制產(chǎn)品，壓制完畢主缸退回→左右脫模氣缸將脫模墊塊推入→壓機(jī)主缸再次下壓，壓機(jī)沖頭通過脫模墊塊將模具中的模板下壓，完成產(chǎn)品脫模→夾取手指在取料直線模組驅(qū)動(dòng)下，與料盤移動(dòng)模組聯(lián)動(dòng)完成產(chǎn)品擺盤→料盤移動(dòng)模組將料盤移出，等待更換空盤。至此，完成由粉料到產(chǎn)品的全過程。

結(jié)合改造后的油壓機(jī)工作過程，設(shè)計(jì)油壓機(jī)控制系統(tǒng)，以SIMATICS7-1200PLC為核心控制器，通過稱重傳感器、光電傳感器、中間繼電器、交流接觸器及電磁閥等器件，監(jiān)測控制稱料重量、布料速度、布料均勻性、壓頭位置、脫模劑噴灑的均勻性、氣動(dòng)手指夾取的準(zhǔn)確性及擺盤位置等參數(shù)行為。

根據(jù)該型油壓機(jī)的功能，將其細(xì)化為稱量模塊、布料模塊、壓制脫模模塊及取料擺盤模塊4部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

2稱量模塊

穩(wěn)定且精確的自動(dòng)化稱量是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為此特研發(fā)了專用于鉬金屬粉末的稱量模塊。稱量模塊主要由給料器、稱量斗、稱量支架及稱重傳感器構(gòu)成。當(dāng)稱量模塊進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)后，稱重控制系統(tǒng)啟動(dòng)給料器通過振動(dòng)以物料流的方式向稱量斗給料，稱量斗下方的稱重傳感器則將粉料重量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌鬏斀oPLC控制器。當(dāng)物料重量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止給料，完成動(dòng)態(tài)稱重過程。此時(shí)系統(tǒng)通過光電傳感器檢測到布料模組到達(dá)放料位置，PLC控制器發(fā)出控制信號打開稱量斗卸料，物料進(jìn)入布料器料槽內(nèi)，卸料完畢后稱量斗自動(dòng)復(fù)位。給料器設(shè)置快、慢兩級給料方式，其快、慢給料的速度均可單獨(dú)調(diào)整，從而保證稱重傳感器滿足計(jì)量的準(zhǔn)確度和速度要求。

3布料模塊

均勻布料是確保壓制出合格鉬坯的重要因素。鉬粉顆粒在運(yùn)動(dòng)形式上具備與液體相似的流動(dòng)性，但是由于顆粒間相對移動(dòng)時(shí)存在摩擦，以及顆粒間的相互楔持，粉末的流動(dòng)又在一定程度上受到限制。松散的粉末以散狀流動(dòng)的方式裝入模腔時(shí)，因粉末間的摩擦和粉末與模腔側(cè)壁的摩擦，使得粉末在模腔中很容易產(chǎn)生顆粒間的“拱橋”現(xiàn)象，導(dǎo)致布料不均。在壓制初期，鉬坯各橫截面上的粉末受力相同，鉬粉顆粒只產(chǎn)生柱式流動(dòng)，不產(chǎn)生橫向流動(dòng)。然而到了壓制后期，特別是接近壓制成型的瞬間，因壓制壓力極大，鉬坯中某一橫截面上的鉬粉顆?？赡軐ο噜徑孛娈a(chǎn)生足夠大的側(cè)壓力，使其發(fā)生橫向滑動(dòng)。這種滑動(dòng)的出現(xiàn)，使得鉬粉顆粒與模壁之間的側(cè)壓力增大，成型的靜壓力減小，導(dǎo)致脫模阻力增大。此外，這種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致鉬坯內(nèi)部出現(xiàn)滑動(dòng)面，造成鉬坯一出模就有裂紋，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)掉角、掉邊等現(xiàn)象。

為解決該問題，設(shè)計(jì)了直線模組與布料器組合的布料模塊，布料器負(fù)責(zé)將料槽內(nèi)的粉料均勻穩(wěn)定地送出，借助適配于模腔寬度的料槽出口，使粉料可以在寬度范圍內(nèi)均勻落入模腔。由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線模組帶動(dòng)布料器在模腔長度范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過PLC核心控制器對其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化控制，使得粉料能夠在模腔長度范圍內(nèi)均勻散布。二者經(jīng)PLC控制聯(lián)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)可以使模腔內(nèi)粉料均勻分布，從而保證壓制出的成品達(dá)到工藝要求。

4壓制脫模模塊

壓制脫模模塊是該型壓機(jī)的核心模塊，改造過程中主要面臨兩個(gè)問題：①手動(dòng)組合模具可以拆開，方便脫模，而改為自動(dòng)化壓制脫模則需設(shè)計(jì)新的專用模具，并制作專用脫模劑，方可實(shí)現(xiàn)原本功能；②更換新模具后產(chǎn)生的產(chǎn)品開裂問題，以設(shè)計(jì)全新模腔結(jié)構(gòu)的辦法得以解決。

4.1新型專用模具

此次改造是基于原有油壓機(jī)做自動(dòng)化升級，原油壓機(jī)適用于手動(dòng)組合模具生產(chǎn)，只有一個(gè)主缸，并未設(shè)置下缸，且該壓機(jī)結(jié)構(gòu)上并不允許增加下液壓缸，常規(guī)的自動(dòng)化壓機(jī)工作原理并不適用。因此設(shè)計(jì)制作了新型專用模具，其操作流程如下：在布料模塊將粉料充填入模腔后，主缸下壓，帶動(dòng)上沖頭進(jìn)入模腔進(jìn)行預(yù)壓→預(yù)壓后，上沖頭四周圍板與模架接觸，隨著主缸繼續(xù)下壓，上沖頭與模架同時(shí)下移，完成強(qiáng)制浮動(dòng)壓制→壓制并保壓后，主缸退回，帶動(dòng)上沖頭復(fù)位，模架在彈簧作用下隨之復(fù)位→模具兩側(cè)氣缸將脫模墊塊推入，主缸再次下壓，通過脫模墊塊將模架下壓至脫模位置，使得成品完全露出模具→由氣動(dòng)手指夾走鉬坯，主缸退回，兩側(cè)脫模墊塊復(fù)位。至此，完成一次壓制循環(huán)。

專用模具的使用后無須對油壓機(jī)進(jìn)行大的改動(dòng)，可利用主液壓缸連續(xù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的壓制和脫模。

4.2專用脫模劑

對于改造后的自動(dòng)化壓機(jī)來說，要將壓好的鉬坯從模腔中脫出，除應(yīng)設(shè)計(jì)合理的脫模機(jī)構(gòu)外，還應(yīng)具備足夠的脫模力，這是鉬坯完整脫模的必要條件。在一般的壓制條件下，脫模力的大小與壓制壓力呈一定的線性關(guān)系，而制約這種關(guān)系的則是鉬坯與模壁的摩擦系數(shù)。對于相同基體的粉末而言，如使用適量且適配的脫模劑，則能大幅降低鉬坯與模壁間的相對摩擦系數(shù)，減小脫模力。

在測得該油壓機(jī)所使用的鉬粉費(fèi)氏粒度為3.5～3.8μm、松裝密度約為1.5g/cm3后，經(jīng)過大量試驗(yàn)，配制了專用脫模劑并設(shè)計(jì)了合理的噴涂方式。該型脫模劑沒有采用粉料中混合脫模劑的方式，而是將脫模劑噴涂于模具表面，因此用量極少，且脫模劑在高壓釋放后分解的產(chǎn)物是氣體，因此不會(huì)影響成品質(zhì)量。在實(shí)際使用過程中，能減少50%～60%脫模力，提高了產(chǎn)品的良率，延長了模具的使用壽命。

4.3模腔設(shè)計(jì)

在使用新型模具和脫模劑的試運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)鉬粉在壓制過程中開裂分層，經(jīng)分析，開裂原因主要是鉬坯的彈性后效。

彈性后效是指在卸載壓制壓力，并把板坯脫模之后，板坯自發(fā)發(fā)生的彈性膨脹現(xiàn)象。粉料在壓制過程中，粉料顆粒受到壓制壓力發(fā)生彈性形變。因此，在成型板坯中就存在因彈性形變而貯有的彈性勢能，從而聚集起較大的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)壓制壓力卸載后，聚集起的內(nèi)應(yīng)力就會(huì)改變顆粒間的接觸狀態(tài)和外形，使粉末顆粒的彈性變形得以恢復(fù)，于是板坯就產(chǎn)生了彈性膨脹的現(xiàn)象。而板坯的彈性膨脹又會(huì)直接導(dǎo)致顆粒接觸區(qū)域應(yīng)力的降低和顆粒間接觸面積的減少，這種變化不是在所有的顆粒間均勻進(jìn)行，所以局部區(qū)域的顆粒間黏結(jié)就會(huì)遭到破壞。最終，這種不均勻的彈性膨脹就會(huì)導(dǎo)致板坯出現(xiàn)裂紋和分層。

采用新型模具壓制時(shí)，模腔為整體結(jié)構(gòu)，壓力卸載后，板坯受模腔限制，應(yīng)力無法釋放。在脫模時(shí)，板坯上半部分脫出模腔，由于彈性膨脹尺寸增大，而下半部分受模腔約束不能形變，極易產(chǎn)生極大的剪切力。當(dāng)剪切力超過鉬坯強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)垂直于脫模方向產(chǎn)生裂紋，甚至?xí)?dǎo)致鉬坯開裂為上下兩半。

為解決該問題，設(shè)計(jì)試驗(yàn)采用3種壓力對同一規(guī)格的產(chǎn)品分別進(jìn)行壓制，每種壓力抽樣5塊，取密度平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，板坯在壓制過程中，壓力上升，板坯強(qiáng)度與密度均增加，但當(dāng)壓強(qiáng)調(diào)節(jié)至21MPa時(shí)，部分產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對壓機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對模腔做出改進(jìn)，將模腔分為成型段和脫模段。成型段按照鉬坯外形尺寸加工，在脫模段加工出拔模錐度，并對模腔上邊沿做倒圓角處理。使用改進(jìn)后的模腔進(jìn)行試驗(yàn)，在脫模過程中，彈性后效發(fā)生的過程變得緩慢而均勻，逐漸向四周釋放應(yīng)力，在脫出模腔時(shí)，鉬坯內(nèi)應(yīng)力基本釋放完畢，鉬坯達(dá)到工藝要求。

5取料擺盤模塊

為提高生產(chǎn)效率、保障工人安全，在鉬坯脫模后，設(shè)計(jì)了取料擺盤模塊。該模塊采用氣動(dòng)手指作為抓取機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)氣源壓力控制抓取力的大小，避免因抓取力過小導(dǎo)致鉬坯墜落，或抓取力過大使得鉬坯產(chǎn)生裂紋。另外還對氣動(dòng)手指進(jìn)行了改造，在與鉬坯接觸的部位采用柔性材料，以保護(hù)其表面不會(huì)受損。

料盤則采用由PLC控制器控制的十字模組，與氣動(dòng)手指聯(lián)動(dòng)，將鉬坯整齊擺放于料盤中，料盤內(nèi)鋪設(shè)柔性材料以保護(hù)鉬坯不會(huì)因碰撞而受損。當(dāng)料盤擺放滿后，自動(dòng)移出并暫停，由工人對鉬坯進(jìn)行清理和檢驗(yàn)后，更換空置料盤，繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。

6改進(jìn)結(jié)果

6.1降低勞動(dòng)強(qiáng)度

改造前，工人需要手動(dòng)完成鉬粉稱量、清理并組合模具、裝粉刮平、推入油壓機(jī)壓制、拆模取出產(chǎn)品等一系列復(fù)雜操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

改造后，工人只需加料和更換料盤，其他動(dòng)作均由設(shè)備自動(dòng)完成，大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

6.2提高安全性

改造前，工人工作中肢體會(huì)進(jìn)入壓機(jī)沖頭行程空間，如果油壓機(jī)控制系統(tǒng)失靈或誤操作，均存在被夾傷的風(fēng)險(xiǎn)。另外，該型油壓機(jī)最大壓力為500t，在生產(chǎn)過程中工人緊挨油壓機(jī)站立，一旦油壓機(jī)或模具損傷，飛濺的物體均有傷人的風(fēng)險(xiǎn)。此外，長期在粉塵空間進(jìn)行重體力勞動(dòng)，對個(gè)人正常的生活、工作都會(huì)有較大的影響。

改造后，生產(chǎn)過程避免工人參與，減少了操作失誤和意外造成的安全問題，也保護(hù)了工人的身體健康。

6.3提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率

改造前，因工人操作水平不一導(dǎo)致產(chǎn)品良率波動(dòng)較大。通過對油壓機(jī)改造，全程由設(shè)備自動(dòng)完成生產(chǎn)，且可以由1人值守多臺(tái)設(shè)備，大幅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品良率。

7結(jié)束語

針對YT70-500型油壓機(jī)，以PLC為核心對其進(jìn)行了自動(dòng)化改造，通過各模塊的聯(lián)動(dòng)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)由鉬粉到鉬坯的全自動(dòng)生產(chǎn)，大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品良率和生產(chǎn)效率，為同類型設(shè)備的自動(dòng)化改造提供了參考。