一种超塑成形设备的控制与应用

潘信强，刘红梅，顾玉宏

（合肥海德数控液压设备有限公司，安徽 合肥 230601）

一种超塑成形设备的控制与应用

潘信强，刘红梅，顾玉宏

（合肥海德数控液压设备有限公司，安徽 合肥 230601）

超塑成形是制造难变形材料复杂零部件的一种精密成形技术，超塑成形设备通过温度加热和测控系统以及成形速度和压力控制系统，使特殊材料在温度和气压作用下发生超塑变形。

超塑成形；应变速率；精密气体；温度控制

1 采用数值模型研究超塑成形工艺

超塑成形工艺可大幅减轻构件质量，降低制造成本。在凹模胀形中，压边圈下的材料不能向模腔补料，模腔内材料的变形依赖于板厚变薄。对复杂深腔类零件，成形过程中板料各点的应力状态均不相同且随时间变化，导致成形件壁厚均匀性差，改善壁厚均匀性是超塑成形研究的重要内容之一。目前，改善壁厚均匀性实用的超塑成形技术主要有正反胀形法、动模成形法等。成形压力是影响超塑胀形过程的主要工艺参数之一。以Backofen方程的Mises条件为前提导出的铝合金材料本构关系为

式中：u——应变速率敏感性指数，也是衡量材料超塑性能的重要指标之一。超塑性材料具有对应变速率的高度敏感性，应变速率敏感性指数u值与应变速率密切相关，对应于u值最大时的应变速率即为材料的最佳应变速率εy。超塑成形过程中必须控制材料应变速率在超塑性范围内，同时尽量使材料应变速率在εy附近，此时材料超塑性能最佳。

实践中发现，采用最大应变速率恒定法进行压力优化控制，亦即以材料的最佳变速率εy，作为实际变形过程中工件最大应变速率的目标值，控制成形过程工件最大应变速率恒定，并以此进行压力迭代，计算P-T曲线。在工艺控制软件研制过程中，还针对有模具约束的复杂边界条件约束下工艺设计困难问题，考虑到实际零件的需要，设计了专用的压力控制及厚度预测模块，可自动计算并输出P-T曲线和厚度分布曲线，并最终形成下面气压和时间最优控制曲线，如图1所示。

图1 气压和时间工艺曲线

2 超塑成形设备的应用控制

2.1 基于工控机和PLC的主从控制方法

电气控制系统采用工控机和PLC主从控制方法，实现超塑成形设备位移和压力闭环精密控制。从工控机对压制力值进行设定和显示，工控机向PLC发出工作指令，PLC控制整个机床协调有序动作，同时PLC检测各系统状况，返回到工控机，在屏幕上实时显示机床的工作状态。工控机记录加工数据，完成数据存储，便于工艺分析。PLC选用西门子新型产品和温度控制模块。PLC对各种开关量、温度传感器、气压闭环控制等控制量进行控制。

在液压系统中设置有压力传感器，与PLC构成闭环控制系统，实现主缸压力精密控制，控制精度达到±1.6%。压力控制过程如下：首先从显示器对压力值进行数字设定，传入PLC进行数据转换和计算，直接控制数据，经数模（D/A）转换，由模拟量输出通道输出一个电压值，到信号放大卡，经过PID计算，输出一个电压值给比例电磁铁，电压值与电磁铁吸力成正比，比例阀的压力随电磁铁吸力改变。压力实际值经力传感器采样后，进入模拟量输入通道，模数转换后与设定值进行比较，并输出信号，不断采样、比较、控制、输出控制，为一带负反馈闭环控制系统。压力反馈系统如图2所示。

图2 压力反馈系统

压机位移控制采用位置传感器和PLC构成闭环控制系统，位移传感器选用巴鲁夫产品，其定尺安装在主机上，动尺滑块安装在动梁上，将压机信号实时传递到PLC模拟量模块，PLC经PID控制后，输出给比例伺服阀，实现动梁位移的精密控制，重复定位精度0.02mm，保证了每次超塑成形合模位置的准确性。

2.2 精密模具温度在线控制系统设计

热压机采用电加热管加热模具，通过向加热板内插入电加热管，使加热板加热，在加热板内设有多点热电阻元件来测控加热板温度。加热板采用分块控制技术，电加热管的布局运用了计算机热场效应分析，采用46路温度控制器，调节确保了大面积加热板的热均匀性。加热控制系统具有自调节功能，可自动优选PID参数，保证了大台面加热板的控温精度。电加热存在温度容易耗散，耗电功率大，温度不容易恒定。经过与用户探讨，在主机设计中，采取了以下方案：先在主机滑块和工作台面上放一层1800mm×2500mm、厚度100mm的隔热板，保证加热过程中热量不传递到主机上，避免主机产生热变形。该隔热板采用进口隔热材料制成。

图3 加热炉的设计

在隔热板上安装耐火砖，耐火砖下是加热板，如图3所示。加热板为板式结构，具有加热速度快、加热均匀性好等优点，加热板内上下各布置46组温度传感器，测量加热板的温度，保证温度均匀。将传感器数据输入温度控制器中，进行综合判断，对电阻丝进行控制，实现加热板的恒温，由加热板温度传递到模具上，最终实现模具和被加工件的温度精密控制。

在动梁行程范围内，压机四周安装保温层，由石棉层、耐火砖层、安装板等构成，防止炉内温度散失。

设计中考虑到电气线路的发热问题，所有线路采用热防护管保护，提高了设备的可靠性。

3 结论

本文所述超塑成形设备的研制是综合机械、电气控制、计算机、精密检测、液压伺服等多学科知识的复杂机电系统。此设备的研制可解决大型铝合金薄壁结构件超塑成形的多项关键技术问题，并可提高超塑成形工艺自动化水平，提高产品质量，具有很好的应用前景。

[1]王祝堂，田荣璋.白柯芬（Backofen）超塑性本构方程式[M].湖南：中南大学出版社，2002.

[2]张海平.液压速度控制技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

Control and Application of a Superplastic Equipment

PAN Xinqiang,LIU Hongmei,GU Yuhong
（Hefei Haide Hydraulic Press Co.,Ltd.,Hefei 230601,Anhui China）

Superplastic forming （SPF） is a precision forming technology for making complex parts of difficult-to-deform materials.SPF equipment through temperature heating and monitoring and control system,gas forming speed and pressure control system,so that special materials in the temperature and pressure under the action of superplastic Deformation.

Strain rate;Precision gas;Temperature control

文献标识码：A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.019

1672-0121（2017）03-0068-02

2017-01-05；

2017-02-27

潘信强（1982-），男，助工，从事电气机械设备设计研发。E-mail：16738895@qq.com