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摘要:為獲得連續(xù)變截面的輕合金細(xì)長構(gòu)件達(dá)到從材料和結(jié)構(gòu)同時對產(chǎn)品實現(xiàn)輕量化的目的，將擠壓模具底部的擠出模口設(shè)計成由固定凹模和活動凹模組成的組合模口結(jié)構(gòu)。根據(jù)材料變形過程中的體積不變定律，建立了活動凹模運動位置控制與擠壓凸模運動位移之間的控制數(shù)學(xué)模型。利用擠壓凸模的位移作為輸入控制信號，通過電液伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動活動凹模，對活動凹模的位置進行實時控制，連續(xù)改變擠壓模具的模口截面尺寸，從而獲得具有完整纖維組織的連續(xù)變截面細(xì)長構(gòu)件。擠壓實驗表明，獲得的連續(xù)變截面構(gòu)件的輪廓形狀與理論設(shè)計形狀具有較高的吻合度。

關(guān)鍵詞:連續(xù)變截面;擠壓成形;細(xì)長構(gòu)件;模具設(shè)計;輕合金

目前，產(chǎn)品輕量化設(shè)計的手段主要有2個技術(shù)途徑:一是選用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，如常用的鋁合金、鎂合金等工程材料;二是對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，如根據(jù)載荷分布情況采用等強度、等剛度理論，設(shè)計出變截面結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。在產(chǎn)品輕量化設(shè)計方面，文獻(xiàn)［1］指出材料選用的貢獻(xiàn)率在70%左右，結(jié)構(gòu)設(shè)計的貢獻(xiàn)率在30%左右。因此，構(gòu)件采用變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化不可忽視的重要技術(shù)途徑之一。文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［9］介紹了幾種變截面構(gòu)件的成形方法，如板料縱向變截面輥軋彎曲、變截面棒料或管料的無模拉伸、變截面管的內(nèi)高壓成形、階梯變截面軸的多套可卸式凹模擠壓、多向模鍛等技術(shù)方法，這些成形技術(shù)對所研究零件的成形都是比較適合的。但是，對于截面是連續(xù)變化的細(xì)長桿類構(gòu)件或毛坯的成形，采用上述成形方法會造成工序多，模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對不同截面形狀的變截面桿件的成形適應(yīng)性較差，尤其不太適應(yīng)截面變化大的細(xì)長類桿狀零件或毛坯的成形。本文針對某連續(xù)變截面細(xì)長桿件的預(yù)制坯的擠壓成形，借鑒文獻(xiàn)［10］～文獻(xiàn)［12］的基本原理，設(shè)計了由電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動組合擠壓凹模中的活動模塊實現(xiàn)連續(xù)變截面構(gòu)件擠壓成形的模具，在通用油壓機上擠壓出了連續(xù)變截面的輕合金細(xì)長桿件，擠壓出的構(gòu)件預(yù)制毛坯在性能、形狀及尺寸精度上都能滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求，擠壓成形模具還能較好地適應(yīng)具有不同連續(xù)變截面形狀構(gòu)件或毛坯的擠壓成形。

1擠壓成形裝置的設(shè)計

圖1為設(shè)計的連續(xù)變截面構(gòu)件擠壓成形裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，其中，Δh為擠壓凸模的運動位移。主要由擠壓凸模、擠壓筒、擠壓模墊、墊環(huán)、墊板等結(jié)構(gòu)零件和電液伺服控制系統(tǒng)組成，模具的擠出模口設(shè)計成由1個固定凹模和1個活動凹模組成的組合模口結(jié)構(gòu)。擠壓成形時，將加熱后的圓柱坯料放入擠壓筒內(nèi)，坯料在擠壓凸模的推擠下先流經(jīng)擠壓模墊上的固定模口，再從由固定凹模和活動凹模構(gòu)成的可變模口流出。活動凹模在伺服油缸的驅(qū)動下相對于固定凹模做橫向移動，使坯料的最終流出模口的截面大小產(chǎn)生連續(xù)變化，從而得到連續(xù)變截面構(gòu)件。活動凹模相對于固定凹模的實時位置的控制方案為:為了提高活動凹模位置的控制精度，利用擠壓凸模位移傳感器檢測出的擠壓凸模位移作為伺服控制系統(tǒng)的輸入信號，控制器按照金屬變形過程中體積不變的規(guī)律并根據(jù)構(gòu)件截面形狀和縱向輪廓形狀進行計算，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為輸入到電液伺服閥的位置控制信號，同時，活動凹模位移傳感器又將檢測到的伺服油缸實際輸出位置反饋回控制器，控制器再判斷伺服油缸的實際輸出位置是否與伺服閥的輸入位置控制信號一致，構(gòu)成對活動凹模位置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。模具中專門設(shè)計了1個帶有固定模口的擠壓模墊，其作用是對坯料預(yù)先進行縮頸變形，同時承受擠壓凸模施加在坯料上的主要變形力，從而減小因材料變形而直接作用在活動凹模上的力，降低變形力對伺服油缸的干擾，達(dá)到進一步提高活動凹模位置的控制精度的目的。

2活動凹模位置控制數(shù)學(xué)模型

活動凹模的運動控制將是決定連續(xù)變截面構(gòu)件輪廓形狀和精度的關(guān)鍵。由于活動凹模只存在橫向運動，因此，擠壓過程中只需要對活動凹模的橫向位置進行控制。擠壓過程中要達(dá)到所要求的輪廓形狀和精度，活動凹模某個時刻相對于固定凹模所處的位置與擠壓凸模運動速度、構(gòu)件的截面形狀、構(gòu)件縱向連續(xù)曲線、構(gòu)件初始斷面等因素有關(guān)。根據(jù)在擠壓過程中材料體積不變的規(guī)律，可認(rèn)為參與變形的金屬在流動時的體積流量是連續(xù)恒定的，即:當(dāng)擠壓凸模擠壓速度為v，某時刻毛坯流過擠壓筒橫截面的金屬體積與此時刻流過固定凹模與活動凹模構(gòu)成的模口截面的金屬體積相同。因此，可得到活動凹模橫向位置與擠壓沖頭運動之間的關(guān)系:式中:A為擠壓筒截面積;v為擠壓凸模的擠壓速度;S(z)為變截面構(gòu)件縱向上的截面面積函數(shù);vz為材料在可變模口截面的流動速度。經(jīng)過Δt時間后，擠壓筒擠出和模口流出的材料總體積關(guān)系為:為了方便對擠壓凸模和活動凹模的位置檢測和控制，將式(2)轉(zhuǎn)化成與坯料擠壓長度變化(金屬變形量)之間的關(guān)系式:截面面積函數(shù)S(z)與連續(xù)變截面構(gòu)件的截面幾何形狀、縱向輪廓形狀函數(shù)g(z)有關(guān)，對于1個確定的縱向輪廓形狀，截面面積函數(shù)是可以用函數(shù)表達(dá)的。如:截面形狀為寬度固定不變的連續(xù)變截面時，截面面積函數(shù)的幾何關(guān)系如圖2所示，g(z)截面的面積函數(shù)可表述為:式中:B為截面寬度;f(x)為圖1中初始坐標(biāo)系中活動凹模工作帶的截面形狀函數(shù);f(x')為x軸平移至x'后活動凹模工作帶的截面形狀函數(shù);A0為截面上活動凹模工作帶廓線與x'軸包圍的面積。由于活動凹模在y方向僅作平移，則:式(3)和式(4)表達(dá)了活動凹模運動位置與擠壓凸模位移之間的關(guān)系，通過控制器對其求解即可得到當(dāng)擠壓凸模運動位移Δh后，活動凹模按照縱向輪廓形狀函數(shù)g(z)變化在橫向y方向的具體位置。

3擠壓實驗

選用某連續(xù)變截面細(xì)長桿件的預(yù)制毛坯進行連續(xù)擠壓實驗，材料為變形鋁合金和變形鎂合金。其中，鋁合金構(gòu)件的預(yù)制坯形狀為一線性輪廓的實心矩形截面的連續(xù)變截面構(gòu)件，材料為2A12鋁合金。鎂合金構(gòu)件的預(yù)制坯形狀為由線性輪廓和圓弧輪廓組成的槽形截面的連續(xù)變截面構(gòu)件，結(jié)構(gòu)形狀如圖3所示，材料是專門研制的Mg-Gd-Y高強鎂合金。擠壓實驗條件為:擠壓模具(擠壓筒)溫度(400±10)℃，坯料擠壓溫度(420±10)℃，采用汽缸油+石墨做潤滑劑。實驗前，對位移傳感器位移值與電信號、伺服閥輸入電信號與伺服缸輸出位移值進行標(biāo)定，調(diào)整和設(shè)置好擠壓凸模和凸模位移傳感器的擠壓坯料的初始位置、擠壓終了位置，空載下預(yù)先對電液伺服控制系統(tǒng)進行PID校正，以提高活動凹模的運動軌跡精度。擠壓時，擠壓凸模以10mm•s－1的恒定速度在擠壓筒內(nèi)推擠坯料，用擠壓凸模位移傳感器檢測到的初始擠壓位置信號和擠壓終了位置信號作為電液伺服系統(tǒng)控制程序的啟動觸發(fā)和終止信號，根據(jù)給定的連續(xù)變截面形狀，通過控制程序?qū)κ?3)和式(4)進行實時求解，以控制活動凹模橫向運動。圖4為擠壓后獲得的兩種連續(xù)變截面構(gòu)件，構(gòu)件的截面變化率都達(dá)到了50%以上，其中鎂合金構(gòu)件的截面變化率達(dá)到了60%以上。經(jīng)校直后，對實際擠壓出的鎂合金變截面構(gòu)件的內(nèi)腔輪廓形狀和尺寸在三坐標(biāo)檢測儀上進行檢測，將檢測結(jié)果擬合成輪廓曲線與構(gòu)件的理論設(shè)計輪廓曲線進行比較，如圖5所示，可看出連續(xù)擠壓出的截面形狀與理論設(shè)計形狀吻合度較高。

4結(jié)語

利用電液伺服控制系統(tǒng)對擠壓模具中活動凹模的位置進行實時控制，能使擠出模口的截面大小產(chǎn)生連續(xù)變化，從而實現(xiàn)連續(xù)變截面構(gòu)件的擠壓成形，對具有不同縱向輪廓形狀的連續(xù)變截面細(xì)長構(gòu)件的擠壓成形具有較好的適應(yīng)性。將擠壓凸模的工作位移作為輸入控制信號，與活動凹模運動位置之間構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，在信號的檢測和對位置的控制等技術(shù)方面既方便又直接可靠，可提高活動凹模運動位置的控制精度，擠壓出與理論設(shè)計輪廓形狀吻合度較高的變截面構(gòu)件。

作者：唐全波 單位：重慶工商大學(xué)