40MN核级粉末成型油压机关键技术研究

郭晓锋，段丽华，苏振华，房志远，柴 星

（1.金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032；2.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032）

0 引言

近年来，我国粉末冶金材料和技术取得了快速发展[1]，粉末压制成型及其装备也得到了快速发展。粉末成型压制工艺是用模冲对封闭模腔内的粉体施加压力，致使粉体变形、粉体之间不断机械啮合，最终固结为具有一定尺寸、形状以及一定密度和强度的零件或待烧结压坯。粉末压力成形机是完成粉末冶金件模压成形的基础性设备，其压制的零件近净成形，在机械制造、汽车、航空航天、核工业和国防军工等领域得到了广泛应用和飞速发展[2]。

核燃料芯体是反应堆中实现核裂变的核心部件，也是反应堆的能量源泉，工况也最苛刻[3]。因粉末压制成型工艺能够对粉体形成超大负载，能够满足金属核燃料芯体的高密度要求，成为金属核燃料芯体制备的重要方法。粉末成型压机是压制核燃料芯体的关键核心设备，文中重点介绍了由中国重型机械研究院研制的40MN 核级粉末成型油压机的关键技术。

1 压机的结构形式及参数

1.1 40MN 核级粉末成型油压机结构形式

40MN 核级粉末成型压机主机采用三梁四柱油缸上推式结构，上梁和下梁通过四组拉杆压套组成预应力框架。主缸采用柱塞缸，安装在上横梁内，主缸柱塞与活动横梁连接。侧缸包括两个活塞缸，安装在上横梁内，分布在主缸左右两侧，活塞杆与活动横梁相连。活动横梁在侧缸的作用下，实现空程快速上下运动。活动横梁与立柱压套之间设有8 组可调节导向机构，起到运动导向作用。下梁上设有一个三工位的固定工作台，工作台上设有两个可移动模架，移动模架可在中间压制位和两侧的布料位移动。

40MN 核级粉末成型油压机如图1 所示。

图1 40MN 核级粉末成型压机结构示意图

1.2 40MN 核级粉末成型油压的技术参数

该粉末成型压机采用油泵直接传动阀控系统，采用了变量泵加比例阀的控制策略，应用速度闭环控制技术和压力闭环控制技术，实现了速度、压力可调可控。40MN 核级粉末成型油压机主要参数如表1所示。

表1 40MN 核级粉末成型油压机参数

2 核级粉末成型压机的关键技术

2.1 全预应力框架结构

常见的拉杆压套预应力结构有压套插入式和压套平接式两种形式[6]，如图2 所示。插入式结构抗偏载能力更强，而核燃料芯体粉末压制成型基本处于中心载荷状态，所以本文所述压机采用平接式结构。在框架预紧时采用液压拉伸器对压机的四个拉杆进行拉伸，最终使拉杆总共有1.25 倍的公称吨位的预紧力，即每根拉杆上有12.5MN 预加的拉力。在工作时，拉杆会继续拉长，拉杆的拉应力增加，而压套的压应力会有一定程度的释放。但预紧力能够保证在设备公称压力时，压套仍处于压应力状态，拉杆伸长量仅为非预应力结构拉杆伸长量的25%左右，对于保证制品尺寸精度具有重要意义。

“填词首重音律，而予独先结构”，李渔的戏剧创作非常重视结构，与承自西方小说体系的现当代小说创作中的“结构”概念不同，李渔所说的结构，其实是在强调行文的紧密性，他认为戏剧的创作应该“立主脑”且“密针线”。

采用预应力结构对提高框架刚度、抗疲劳和防松等是非常有利，能大大提高液压机的承载能力，在现代液压机设计理论中，全预紧组合框架结构是目前液压机本体结构的首选形式[4-5]。拉杆压套预应力框架结构是拉杆穿过上下横梁和处于上下横梁之间的压套，通过液压拉伸或加热使拉杆拉长后把螺母旋紧一定角度，使拉杆处于拉应力状态而压套处于压应力状态。

图2 压套与横梁连接简图

2.2 三工位双模架高效工作机制

核燃料芯体粉料对移动模架运动的平稳性有较高的要求，在运动过程中不允许有抖动、振动等现象。该压机采用高精度直线导轨作为移动模架的移动导轨，采用油缸推动移动模架在直线导轨上运动，保证了运动的平稳性。但直线导轨及其滑块无法承受压制时的巨大压力，为此专门设计了浮动式的移动模架。移动模架在不受压时，通过碟簧组浮起，与工作台面之间保持1mm 间隙，此时移动模架可以轻松平稳的移动。当移动模架移入中间压制工位压制成型时，受到压力的模架压缩碟簧，压缩量达到一定值时，模架与工作台面之间的间隙变为0，模架与工作台面接触；此时，压机继续加压，模具受到的压力通过模架直接传递到工作台上，而直线导轨和滑块受到的压力和仅相当于压缩碟簧的力，此力较小，能防止压坏直线导轨和滑块。浮动式移动模架结构示意如图3 所示。

冬季气温下降，柚子进入休眠期，冬梢不及时处理会受冻害，对明年开花结果会有影响。通过修剪能打破平衡，刺激春季树液的流动，利于营养吸收积累，促进根系生长。修剪方法：疏除病虫危害枝、细弱枝、内堂枝、交叉枝、着生部位过密枝条。修剪后，及时喷施清园药剂保护伤口。

2.3 高承压可移动模架技术

核燃料芯体的压制成型前，需要先将粉末布入模具型腔，因对布料均匀性有着很高的要求，其布料过程往往耗时较长。以前的核燃料成型压机只有中间一个工位，需要等布料好料之后才能压制，设备的布料等非压制时间很长，效率非常低。

本压机设计有一个三工位的工作台，其中压机中心的中间位为压制工位，左右两侧分别有一个布料工位，工作台上设有左右两个可移动模架，模架上安装模具。其中左移动模架可以在压制位和左侧布料位之间移动切换，右移动模架可以在压制位和右侧布料位之间移动切换。工作时，一个模架在压制位压制成型，另一个则在其一侧的布料位进行布料；压制完成后的模架则移出压制位到相应侧的布料位重新布料，而另一侧已布粉料的模架则移入中间压制位进行压制成型；如此左右交替，极大地缩短了非压制待机时间，提高了生产效率。

图3 浮动式移动模架结构示意图

这样就实现了移动模架既可以平稳的在布料位和压制位之间移动，又能在压制位承受压制成型时所产生的巨大压力，解决了布料和压制工序分工位执行的关键难题。

2.4 高稳定低速加压控制技术

核燃料芯体的压制成型要求的加压速度比较低，且要求速度可设定，并对速度的稳定性有很高的要求。主缸加压阀块主要由进油阀和高频响比例阀组成，进油阀采用插装开关阀，高频响比例阀用于旁路节流调速，主缸进液阀块原理如图4 所示。高频响比例阀选用力士乐4WRPEH10…3X 系列，该阀具有IO-Link 接口，并配备HNC 数位闭环控制器。

图4 主缸加压控制阀块

在该压机液压系统中，同时与主缸相连设有比例溢流阀和压力传感器。通过该比例溢流阀可实现压力设定，根据工艺要求可设定不同压力，防止压制时超压压毁产品和模具。

2.5 超长时间平稳保压技术

主机活动横梁上带有高精度高分辨率位移传感器，其信号直接接入HNC 数位闭环控制器，闭环控制器可对位移传感器的速度信号快速处理并向高频响阀发出操作指令，快速调整比例阀的开口来调节旁路排液速度，从而实现速度的闭环调整。因速度信号直接通过HNC 数位闭环控制向高频响阀分发指令，无需经过上位机处理，指令分发速度更快。同时，4WRPEH 高频响电磁阀的滞环精度小于0.2%，信号从0～100%的响应时间仅为25ms，采用以上液压控制回路，加压速度可以精确的控制在所设定的低速值，精度高达±0.02mm/s。实际使用来看，传感器输出的速度在上位机速度显示，显示值为小数点后1 位，速度显示值基本保持恒定不变，控制效果非常出色，完全满足使用要求。

粉末压制成型需要在达到一定压力后保持压力一定的时间，保压时的压力应尽可能保持稳定。该单位的老旧粉末压机在达到压力后即关闭进排液阀，但因系统泄漏等缘故，在保压过程中压力下降较大，有时候中途还需要人工判断并补压几次，这样的保压过程压力波动较大，对制品的品质有一定的影响。而本压机液压系统设有专门的小流量保压泵，并通过比例阀向主缸供保压油，与主缸的比例溢流阀共同实现压力闭环保压控制技术，即在压制压力达到设定值后即进入保压状态，此时主泵停止供油，仅保留小流量保压泵通过比例阀继续向主缸动态供油，同时压力传感器实时监测主缸压力，通过上位机程序自动判断并指令比例阀调整开口，从而调整保压油的供给，进而实现主缸压力的闭环控制，能够满足超长时间平稳保压的要求。

3 结论

通过本文的研究可以得出如下结论：

调查统计不同景天品种在生长第30天时它们的平均生根数、平均根长状况。结果表明，不同的试验基质对景天茎段扦插条生根的作用有不同效果。从表4可以看到，6个景天品种茎段插条在以粗砂、珍珠岩、草炭等比混合基质中的平均根数最多，达到35.6个，在珍珠岩和纯草炭基质中平均根数相当，分别是23.2个和26.1个，在基质粗砂中平均根数最少，为17.2个。原因可能是粗沙保水、保肥力差，导致品种茎段生根数不多。珍珠岩基质的通气性好，在与草炭、粗沙混合后的基质通气性增加，保水、保肥力得以提高，品种茎段平均生根数在混合基质表现的较多。

（1）采用预应力框架能极大地提高压机框架的刚度，保障了产品的压制精度；

（2）三工位双高承压可移动模架的应用，将粉末成型的布料和压制分开在不同工位进行，极大地提高了生产效率；

探地雷达(简称GPR) 勘探是一种对地下结构或者不可见物体进行探测的技术, 它利用地下介质的介电差异性，通过发射高频宽带脉冲电磁波，经过介质差异转换面的吸收和反射，接受来自地下介质的实时动态响应信息。对采集图像作滤波和去噪处理，通过对波形、振幅、频率、相位、同相轴和异常信号的识别整体判读地下介质的组成分布及特征、目标深度以及位置和规模等[7-9]。利用对数据处理和数字图像的深度处理技术，对地下介质目标进行再现处理，重构地下媒介的基本特征，达到精细探测目的，为数据解译提供可靠的理论和技术基础。其工作原理如图3所示。

（3）采用高频响比例阀组成的旁路节流系统，实现了加压速度的设定和闭环控制，可以精确控制压头的压制速度；

神经周浸润（perineural invasion，PNI）是指肿瘤细胞侵入、围绕或者穿过神经的现象，是引起肿瘤患者疼痛的主要因素，也是结直肠癌患者发生复发和转移的重要机制。美国国立综合癌症网络（National Comprehensive Cancer Network，NCCN）指南已将PNI列为Ⅱ期结直肠癌局部复发的高危因素。而且研究发现，伴有PNI的Ⅲ期结直肠癌患者预后明显较差[10]。有学者认为，PNI可作为预测结直肠癌患者预后的独立因子[11]。

城市化进程的加速使城市的建设区域得到了进一步的扩张，在传统的城市规划中，通常采取设置下水井的方式实现对雨水的有效处理，其不仅影响了水资源的正常循环，也减少了地下水，造成了城市局部地区水量的增加，一旦发生强降雨，会导致下水道无法及时排水，使城市产生内涝，对城市的健康发展产生了巨大的影响[1]。城市公园景观是城市化发展中的核心，水资源在公园景观中发挥了至关重要的作用，其不仅可以提高景观的观赏性和灵动性，同时也有利于改善城市公园的整体环境、城市公园景观的美化以及城市公园环境。

（4）设置专门的保压泵和比例阀和比例溢流阀实现了加压压力的设定和保压状态的压力闭环控制，保证了超长时间保压的平稳性，对提高产品质量具有重要意义。