CN100423933C - 工程复合材料精密成形数字制造装备 - Google Patents
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Abstract
一种工程复合材料精密成形数字制造装备，包括硫化机台架、推力液压缸、液压加压系统、感应加热模压系统、PLC数字集成测控系统。硫化机台架安装简单、操作方便。推力液压缸和液压系统能够实现工作平台自由升降及其对硫化中工件进行动态加压。感应加热模压系统对工件进行感应加热。PLC数字集成测控系统能分别对感应加热模压系统、有效硫化工艺体系、液压加压系统等进行伺服控制，在线记录存储并即时反馈加工现场的实际工艺数据给计算机控制系统，使工件的成形过程始终控制在所优化设计的有效硫化工艺体系内一次性完成后，就能完全达到产品的尺寸公差精度，可大大提高产品质量和生产效率。本发明具有高效、节能、节材、环境友好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种工程复合材料精密成形数字制造装备。
背景技术
近年来，用新型工程复合材料替代传统金属材料作为机械传动系统中的关键零部件，用自然水或固体润滑材料替代矿物油作为机械传动系统中的润滑介质，基于资源节约与环境友好的高效传动系统中的轴承、密封件、联轴器、减震器等重要基础件，因具有减震、降噪、耐磨、可靠、高效、节能、节材和环保等显著优点，被广泛运用于机械、船舶、车辆、航空、航天、石油、化工、水利和农业等工程领域。
工程复合材料制品典型的传统生产工艺是采用蒸汽热压式电阻传导热压，即通过上下加热平板进行模压加热，手工控制操纵液压系统对工件进行升降和加压等过程，其缺点是：1.硫化成形工程复合材料制品各部位热压不均匀，热压硫化时间长，有效热量利用少；2.对硫化中的工件不能进行稳定的保压控制；3.对于硫化体系的温度、压力、时间等参数不能进行监控和测量，工艺参数不能在线存储，对生产过程不能实现伺服测控，工件的模压硫化过程无法控制在优化设定的有效硫化工艺参数范围内进行，从而使工件在经过模压硫化成形工艺后不能一次性达到要求的尺寸公差精度，产品表面不光滑、不平整、有分层存在毛刺和裂纹等问题，还要经过反复精加工等后续处理；4.且产品的承载能力、工作速度、摩擦因素、尺寸稳定性、表面粗糙度等关键技术性能指标很难达到要求；5.硫化机安装不方便，生产效率低，操作强度大，可靠性较差，不能确保安全生产。
发明内容
本发明的目的就是设计一种快速、均匀硫化感应加热，模具压力可控，对有效硫化工艺体系进行计算机伺服控制，产品仅需要一次性模压硫化成形就能达到尺寸公差精度并使其关键技术性能指标有显著提高的工程复合材料精密成形数字制造装备。
本发明所涉及的一种工程复合材料精密成形数字制造装备，包括硫化机台架、推力液压缸、液压加压系统、感应加热模压系统和PLC数字集成测控系统等五部分。硫化机台架由底座1、升降平台25、顶盖20和四根圆柱15等四部分构成，圆柱15的下端台阶压在底座1凹槽内形成间隙配合，顶盖20的凹槽压在圆柱15的上端台阶形成间隙配合，上端螺母19和下端螺母13把圆柱15锁紧在顶盖20和底座1上，圆柱15的两头开有花键槽，在圆柱15上有下端位置传感器16和上端位置传感器18。推力液压缸由液压缸5、下端盖8、上端盖12、柱塞7组成，液压缸5上开有液压缸螺纹孔6和螺纹油孔4，下端螺纹油管2连接液压缸5和底座1，螺纹孔6内装有压力传感器29，柱塞7外端面装有液压缸密封圈3，上端盖12内端面装有柱塞密封圈26和上端盖密封圈10，柱塞7可以沿垂直方向上下运动，下端盖8底端面装有下端盖密封圈11和开设了上端盖螺纹孔27，上端螺纹油管28安装在上端盖螺纹孔27内，下端盖8和上端盖12通过6个周向均匀分布的螺钉9连接。液压加压系统包括降油路高压泵30、升油路高压泵31、溢流阀32、升油路电磁比例阀33、升油路电控开关阀34、升油路单向阀35、降油路单向阀36、降油路电控开关阀37、降油路电磁比例阀38和降油路溢流阀39等十部分。感应加热模压系统包括感应加热电源14、温度传感器23和感应线圈24等三部分，温度传感器23插入工件22内，感应线圈24盘绕在工件22的外表面。PLC数字集成测控系统中温度传感器23、压力传感器29、下端位置传感器16和上端位置传感器18等四个传感器的数据线直接与PLC工控机I/O端口相连，感应加热电源14、降油路高压泵30、升油路高压泵31、升油路电磁比例阀33、升油路电控开关阀34、降油路电控开关阀37、降油路电磁比例阀38、按钮继电器装置17通过A/D转换模块和D/A转换模块与PLC工控机I/O端口相连，PLC工控机通过适配器转换与计算机通讯。
本发明所涉及的工程复合材料精密成形数字制造装备，硫化机台架安装方便可靠，工作平台升降快速平稳。工件的硫化工艺采用感应加热和液压动态加压，硫化的成形橡胶制品各部位热压均匀，热压硫化时间短，热量能够得到有效利用。同时，工件的硫化工艺采用PLC数字集成测控系统能分别对感应加热模压系统、有效硫化工艺体系、液压加压系统等进行伺服控制，在线记录存储并即时反馈加工现场的实际工艺数据给计算机控制系统，使工件的成形过程始终控制在所优化设计的有效硫化工艺体系内一次性完成后，就能完全达到产品的尺寸公差精度，工程复合材料表面光滑、平整、无分层，没有裂纹、杂质、毛刺、气泡、胶瘤及脱壳等问题，大大提高产品质量和生产效率。本发明具有工件质量容易控制，操作安全可靠，高效、节能、节材、环境友好等优点。
附图说明
图1是工程复合材料精密成形数字制造装备的主视图，它也是图3的A-A截面图。
图2是工程复合材料精密成形数字制造装备的右视图。
图3是工程复合材料精密成形数字制造装备的结构示意图。它也是图1的B-B截面图
图4是推力液压缸结构示意图，也是图5的E-E截面图。
图5是推力液压缸结构示意图，也是图4的C-C截面图。
图6是推力液压缸结构示意图。也是图4的D-D截面图。
图7是液压加压系统的液压原理图。
图8是PLC数字集成测控系统控制原理图。
图9是工件水润滑复合橡胶轴承端面图
图10是工件水润滑复合橡胶轴承结构示意图，也是图9的F-F截面图
图中1.底座，2.下端螺纹油管，3.液压缸密封圈，4.螺纹油孔，5.液压缸，6.液压缸螺纹孔，7.柱塞，8.下端盖，9.螺钉，10.上端盖密封圈，11.下端盖密封圈，12.上端盖，13.下端螺母，14.感应加热电源，15.圆柱，16.下端位置传感器，17.按钮继电器装置，18.上端位置传感器，19.上端螺母，20.顶盖，21.装夹模具，22.工件，23.温度传感器，24.感应线圈，25.升降平台，26.柱塞密封圈，27.上端盖螺纹孔，28.上端螺纹油管，29.压力传感器，30.降油路高压泵，31.升油路高压泵，32.升油路溢流阀，33.升油路电磁比例阀，34.升油路电控开关阀，35.升油路单向阀，36.降油路单向阀，37.降油路电控开关阀，38.降油路电磁比例阀，39.降油路溢流阀。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：
本发明所涉及的一种工程复合材料精密成形数字制造装备，包括硫化机台架、推力液压缸、液压加压系统、感应加热模压系统、PLC数字集成测控系统。如图1所示，硫化机台架由底座1、升降平台25、顶盖20、四根圆柱15构成。圆柱15的下端台阶压在底座1凹槽内形成间隙配合。顶盖20的凹槽压在圆柱15的上端台阶形成间隙配合。圆柱15通过上端螺母19和下端螺母13锁紧在顶盖20和底座1上，及其顶盖20调整水平和对中。圆柱15的两头开有花键槽，方便安装台架。在圆柱15上有下端位置传感器16和上端位置传感器18检测升降平台25运动下限和上限。
如图1和图4所示，推力液压缸由液压缸5、下端盖8、上端盖12、柱塞7组成。液压缸5上开有液压缸螺纹孔6和螺纹油孔4。如图2和图6所示，液压缸螺纹孔6内装有压力传感器29来检测推力液压缸中的油压。如图1所示，柱塞7外端面装有密封圈3，防止柱塞7上下腔的液压油互相泄漏。上端盖12内端面装有柱塞密封圈26和上端盖密封圈10以及下端盖8底端面装有下端盖密封圈11，都是防止液压油泄漏出去。柱塞7可以沿垂直方向上下运动。下端盖8开设了上端盖螺纹孔27。液压油通过安装在上端盖螺纹孔27内的上端螺纹油管28和连接液压缸5和底座1的下端螺纹油管2进出推力液压缸。6个周向均匀分别的螺钉9将下端盖8和上端盖12压紧在一起。
如图7所示，液压加压系统包括降油路高压泵30、升油路高压泵31、溢流阀32、升油路电磁比例阀33、升油路电控开关阀34、升油路单向阀35、降油路单向阀36、降油路电控开关阀37、降油路电磁比例阀38、降油路溢流阀39。推力液压缸内储存有液压油，通过柱塞7的下端面把推力液压缸内腔分割为上腔和下腔。当要升降平台25上升时，液压加压系统实施柱塞7上升方案，即是升油路电控开关阀34关闭，降油路电控开关阀37打开，升油路高压泵31把上腔的液压油通过升油路电磁比例阀33泵送到下腔，从而使柱塞7向上移动；反之，当要升降平台25下升时，液压加压系统实施柱塞7下升方案，即是升油路电控开关阀34打开，降油路电控开关阀37关闭，降油路高压泵30把下腔的液压油通过降油路电磁比例阀38泵送到上腔，从而使柱塞7向下移动。工件在硫化过程中，硫化压力要稳定在设定的工艺压力值范围内，如硫化中压力升高，液压加压系统就实施柱塞7下升方案，同时通过调节降油路电磁比例阀38改变液压油流量大小来稳定的降低工件受到的硫化压力；反之如硫化中工件受到的压力降低，液压加压系统就实施柱塞7上升方案，同时通过调节升油路电磁比例阀33改变液压油流量大小来稳定的降低工件受到的硫化压力。
如图1所示，感应加热模压系统包括感应加热电源14、温度传感器23、感应线圈24。温度传感器23插入工件22内，感应线圈24盘绕在工件的外表面，通过计算机控制感应加热电源14输出的不同频率的电流到感应线圈24，从而能够根据需要产生不同的热量对工件22进行快速、均匀的加热。
如图8所示，PLC数字集成测控系统中温度传感器23、压力传感器29、下端位置传感器16和上端位置传感器18的数据线直接与PLC工控机I/O端口相连。感应加热电源14、降油路高压泵30、升油路高压泵31、升油路电磁比例阀33、升油路电控开关阀34、降油路电控开关阀37、降油路电磁比例阀38、按钮继电器装置17通过A/D转换模块和D/A转换模块与PLC工控机I/O端口相连，PLC工控机通过适配器转换与计算机通讯。PLC数字集成测控系统能够实现对硫化温度、硫化压力和硫化时间等硫化工艺参数的控制。通过上端位置传感器18和下端位置传感器16数据传送到PLC工控机中，能够控制升降平台的运动上限和下限。通过温度传感器23和压力传感器29数据传送到PLC工控机中，分别实现对感应加热模压系统和液压加压系统的温度和压力的监测，与设定的工艺参数进行对比，产生的变化差值通过PLC工控机软件编制的程序进行处理补偿到各自的系统中去，从而实现了生产过程的伺服控制，使工件的硫化过程始终控制在设定的工艺参数范围内进行，保证了产品的质量。同时在生产过程中的重要工艺参数能够及时的保存到数据库中。
实施例：
如图9～10所示，所硫化的工程复合材料工件制品是内径20～160mm、外径35～205mm、长度为40～320mm范围的水润滑复合橡胶轴承，其内衬为复合橡胶、外壳为海军黄铜。如图1和图3所示，将复合橡胶挤压到工件模具内，用夹具将其工件模具夹紧定位并安装放置在升降平台25上。温度传感器23安装在工件22内，将感应线圈24盘绕在工件外表面上。PLC工控机硬件组采用西门子S7-300PLC，CPU314，16位的I/O端口，PS307等组件。数字量输出的温度传感器23、压力传感器29、下端位置传感器16和上端位置传感器18直接与PLC工控机的DI端口相接。感应加热电源14、降油路高压泵30、升油路高压泵31、升油路电磁比例阀33、升油路电控开关阀34、降油路电控开关阀37、降油路电磁比例阀38、按钮继电器装置17通过A/D转换模块和D/A转换模块与PLC工控机I/O端口相连，PLC工控机通过适配器和计算机相连，采用STEP7软件进行程序编制。
在设定好工艺参数硫化温度、硫化压力、硫化时间后，PLC数字集成测控系统先控制液压加压系统升油路电控开关阀34关闭，降油路电控开关阀37打开，启动升油路高压泵31把推力液压缸中上腔的液压油依次通过上端螺纹油管28、升油路电磁比例阀33和下端螺纹油管2泵送到下腔，使柱塞7向上推动升降平台25把工件模具21顶压在顶盖20上，通过上端位置传感器18保证升降平台25的过上升，液压油的输出压力直到设定的硫化压力值为止，升油路电磁比例阀33关闭。然后，PLC数字集成测控系统控制感应加热电源14对感应线圈24通电，使工件达到设定的硫化温度。工件在硫化工作中，温度传感器和压力传感器把硫化时产生的温度和压力数据传输到PLC工控机中，与设定的硫化工艺参数进行对比，产生的变化差值通过PLC工控机软件STEP7编制的程序进行处理，把差值分别补偿到感应加热电源14，改变输出电流的频率，使感应线圈24对工件产生设定的加热温度和液压加压系统，改变比例电磁阀的开口量来调整推力液压缸的压力到设定的硫化压力。同时，把硫化过程中的工艺参数保存到数据库中。在设定的硫化时间结束后，PLC数字集成测控系统控制感应加热电源14关闭，停止对工件的加热。然后，控制液压加压系统升油路电控开关阀34打开，降油路电控开关阀37关闭，降油路高压泵30把下腔的液压油泵送到上腔中推动柱塞7，通过下端位置传感器16检测从而使升降平台25平稳可靠的降到起始点，从而完成了工件硫化过程。
工件经过硫化工艺成形后，工件的尺寸公差就能一次性达到规定的要求精度，不需要再进行磨削加工(如表1所示)。轴承的橡胶表面粗糙度为Ra0.025μm，表面光滑、平整、无分层，没有裂纹、杂质、毛刺、气泡、胶瘤及脱壳等问题，硫化时间从传统的硫化时间40～150分钟缩短到10～80分钟，工件各部位热压均匀，硫化过程中硫化温度和压力容易控制。
表1 工程复合材料精密成形工件内衬径向厚度尺寸公差精度
| 不同内径尺寸规格的工件 | 工件内衬径向厚度尺寸公差精度(mm) |
| 20～35mm3/4″～1-3/8″in | ±0.025～±0.05 |
| 35～45mm1-7/16″～1-7/8″in | ±0.03～±0.06 |
| 50～120mm2″～2-3/8″in | ±0.04～±0.08 |
| 60～75mm2-1/2″～3″in | ±0.05～±0.10 |
| 80～95mm3-1/8″～3-3/4″in | ±0.06～±0.12 |
| 100～105mm3-7/8″～4-1/4″in | ±0.07～±0.14 |
| 110～125mm4-3/8″～4-7/8″in | ±0.09～±0.16 |
| 125～135mm5″～5-3/8″in | ±0.11～±0.18 |
| 150～160mm6″～6-3/8″in | ±0.15～±0.22 |
表2、3、4分别对所硫化出的工件内衬材料的物化性能、吸收性及其工件的承载能力、工作速度、摩擦因素等关键技术性能指标进行了实验检测，该工件各项性能指标都达到且部分超过了美国国防部MIL-B-17901B(船舶)军用标准.使用寿命比金属轴承提高了十倍以上、并比国外同类轴承使用寿命使提高了约为三倍，具有显著的综合性能优势。
表2 硫化出的工件内衬材料的物化性能
表3 硫化出的工件内衬材料的吸收性(收缩率)
| 时间 | 液体 | 温度 | 该工件 | 美国军标 |
| 70hrs | ASTM#30i 1 | 100℃ | +2.9％ | +4.0％ |
| 70hrs | ASTM#30i 1 | 38℃ | ＜+1％ | ＜+1％ |
| 70hrs | ASTM#30i 1 | 22℃ | 忽略 | 忽略 |
| 70hrs | H0 | 100℃ | +1.8％ | +2.6％ |
| 70hrs | H0 | 38℃ | 忽略 | 忽略 |
表4 硫化出的工件关键技术性能指标
| 实验项目 | 该工件 | 美国BFGoodrich | 英国BTR |
| 承载能力 | 0.382N/mm<sup>2</sup> | 0.246N/mm<sup>2</sup> | 0.25N/mm<sup>2</sup> |
| 工作速度 | 0.025-40m/s | 0.04-40m/s | 0.05-35m/s |
| 摩擦因素 | 0.008-0.015 | 0.0015-0.025 | 0.01-0.02 |
| 挠 度 | 0.1016-0.1143mm | 0.1139-0.1248mm | 0.1040-0.1235mm |
| 抗压强度 | 238N/mm<sup>2</sup> | 208N/mm<sup>2</sup> | 225N/mm<sup>2</sup> |
| 抗拉强度 | 54N/mm<sup>2</sup> | 49N/mm<sup>2</sup> | 51N/mm<sup>2</sup> |
| 外径收缩 | 0.0508-0.0635mm | 0.0569-0.0645mm | 0.0507-0.0673mm |
| 体积变化 | 小于1％ | 小于2.3％ | 1.5％ |
| 工作温度 | -20-86℃ | -20-80℃ | -20-86℃ |
| 使用寿命 | 4500.00 | 12500h | 1500h |
| 综合性能 | 第一 | 第二 | 第三 |
Claims (1)
1. 一种工程复合材料精密成形数字制造装备，包括硫化机台架、推力液压缸、液压加压系统、感应加热模压系统和PLC数字集成测控系统五部分；其特征为：硫化机台架由底座(1)、升降平台(25)、顶盖(20)和四根圆柱(15) 四部分构成，圆柱(15)的下端台阶压在底座(1)凹槽内形成间隙配合，顶盖(20)的凹槽压在圆柱(15)的上端台阶形成间隙配合，上端螺母(19)和下端螺母(13)把圆柱(15)锁紧在顶盖(20)和底座(1)上，圆柱(15)的两头开有花键槽，在圆柱(15)上有下端位置传感器(16)和上端位置传感器(18)；推力液压缸由液压缸(5)、下端盖(8)、上端盖(12)和柱塞(7)四部分组成，液压缸(5)上开有液压缸螺纹孔(6)和螺纹油孔(4)，下端螺纹油管(2)连接液压缸(5)和底座(1)，液压缸螺纹孔(6)内装有压力传感器(29)，柱塞(7)外端面装有液压缸密封圈(3)，上端盖(12)内端面装有柱塞密封圈(26)和上端盖密封圈(10)，柱塞(7)可以沿垂直方向上下运动，下端盖(8)底端面装有下端盖密封圈(11)和开设了上端盖螺纹孔(27)，上端螺纹油管(28)安装在上端盖螺纹孔(27)内，下端盖(8)和上端盖(12)通过6个周向均匀分布的螺钉(9)连接；液压加压系统包括降油路高压泵(30)、升油路高压泵(31)、升油路溢流阀(32)、升油路电磁比例阀(33)、升油路电控开关阀(34)、升油路单向阀(35)、降油路单向阀(36)、降油路电控开关阀(37)、降油路电磁比例阀(38)和降油路溢流阀(39)十部分；感应加热模压系统包括感应加热电源(14)、温度传感器(23)和感应线圈(24)三部分，温度传感器(23)插入工件(22)内，感应线圈(24)盘绕在工件(22)的外表面；PLC数字集成测控系统中温度传感器(23)、压力传感器(29)、下端位置传感器(16)和上端位置传感器(18)四个传感器的数据线直接与PLC工控机I/O端口相连，感应加热电源(14)、降油路高压泵(30)、升油路高压泵(31)、升油路电磁比例阀(33)、升油路电控开关阀(34)、降油路电控开关阀(37)、降油路电磁比例阀(38)和按钮继电器装置(17)八个部分通过A/D转换模块和D/A转换模块与PLC工控机I/O端口相连，PLC工控机通过适配器转换与计算机通讯。
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