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摘要:为获得连续变截面的轻合金细长构件达到从材料和结构同时对产品实现轻量化的目的，将挤压模具底部的挤出模口设计成由固定凹模和活动凹模组成的组合模口结构。根据材料变形过程中的体积不变定律，建立了活动凹模运动位置控制与挤压凸模运动位移之间的控制数学模型。利用挤压凸模的位移作为输入控制信号，通过电液伺服控制系统驱动活动凹模，对活动凹模的位置进行实时控制，连续改变挤压模具的模口截面尺寸，从而获得具有完整纤维组织的连续变截面细长构件。挤压实验表明，获得的连续变截面构件的轮廓形状与理论设计形状具有较高的吻合度。
目前，产品轻量化设计的手段主要有2个技术途径:一是选用轻质结构材料，如常用的铝合金、镁合金等工程材料;二是对产品的结构进行优化设计，如根据载荷分布情况采用等强度、等刚度理论，设计出变截面结构的构件。在产品轻量化设计方面，文献［1］指出材料选用的贡献率在70%左右，结构设计的贡献率在30%左右。因此，构件采用变截面结构设计是实现产品轻量化不可忽视的重要技术途径之一。文献［1］～文献［9］介绍了几种变截面构件的成形方法，如板料纵向变截面辊轧弯曲、变截面棒料或管料的无模拉伸、变截面管的内高压成形、阶梯变截面轴的多套可卸式凹模挤压、多向模锻等技术方法，这些成形技术对所研究零件的成形都是比较适合的。但是，对于截面是连续变化的细长杆类构件或毛坯的成形，采用上述成形方法会造成工序多，模具结构较复杂，对不同截面形状的变截面杆件的成形适应性较差，尤其不太适应截面变化大的细长类杆状零件或毛坯的成形。本文针对某连续变截面细长杆件的预制坯的挤压成形，借鉴文献［10］～文献［12］的基本原理，设计了由电液伺服系统驱动组合挤压凹模中的活动模块实现连续变截面构件挤压成形的模具，在通用油压机上挤压出了连续变截面的轻合金细长杆件，挤压出的构件预制毛坯在性能、形状及尺寸精度上都能满足产品的设计要求，挤压成形模具还能较好地适应具有不同连续变截面形状构件或毛坯的挤压成形。
1挤压成形装置的设计
图1为设计的连续变截面构件挤压成形装置的结构原理图，其中，Δh为挤压凸模的运动位移。主要由挤压凸模、挤压筒、挤压模垫、垫环、垫板等结构零件和电液伺服控制系统组成，模具的挤出模口设计成由1个固定凹模和1个活动凹模组成的组合模口结构。挤压成形时，将加热后的圆柱坯料放入挤压筒内，坯料在挤压凸模的推挤下先流经挤压模垫上的固定模口，再从由固定凹模和活动凹模构成的可变模口流出。活动凹模在伺服油缸的驱动下相对于固定凹模做横向移动，使坯料的最终流出模口的截面大小产生连续变化，从而得到连续变截面构件。活动凹模相对于固定凹模的实时位置的控制方案为:为了提高活动凹模位置的控制精度，利用挤压凸模位移传感器检测出的挤压凸模位移作为伺服控制系统的输入信号，控制器按照金属变形过程中体积不变的规律并根据构件截面形状和纵向轮廓形状进行计算，将计算结果转换为输入到电液伺服阀的位置控制信号，同时，活动凹模位移传感器又将检测到的伺服油缸实际输出位置反馈回控制器，控制器再判断伺服油缸的实际输出位置是否与伺服阀的输入位置控制信号一致，构成对活动凹模位置的闭环控制系统。模具中专门设计了1个带有固定模口的挤压模垫，其作用是对坯料预先进行缩颈变形，同时承受挤压凸模施加在坯料上的主要变形力，从而减小因材料变形而直接作用在活动凹模上的力，降低变形力对伺服油缸的干扰，达到进一步提高活动凹模位置的控制精度的目的。
2活动凹模位置控制数学模型
活动凹模的运动控制将是决定连续变截面构件轮廓形状和精度的关键。由于活动凹模只存在横向运动，因此，挤压过程中只需要对活动凹模的横向位置进行控制。挤压过程中要达到所要求的轮廓形状和精度，活动凹模某个时刻相对于固定凹模所处的位置与挤压凸模运动速度、构件的截面形状、构件纵向连续曲线、构件初始断面等因素有关。根据在挤压过程中材料体积不变的规律，可认为参与变形的金属在流动时的体积流量是连续恒定的，即:当挤压凸模挤压速度为v，某时刻毛坯流过挤压筒横截面的金属体积与此时刻流过固定凹模与活动凹模构成的模口截面的金属体积相同。
3挤压实验
选用某连续变截面细长杆件的预制毛坯进行连续挤压实验，材料为变形铝合金和变形镁合金。其中，铝合金构件的预制坯形状为一线性轮廓的实心矩形截面的连续变截面构件，材料为2A12铝合金。镁合金构件的预制坯形状为由线性轮廓和圆弧轮廓组成的槽形截面的连续变截面构件，结构形状如图3所示，材料是专门研制的Mg-Gd-Y高强镁合金。挤压实验条件为:挤压模具(挤压筒)温度(400±10)℃，坯料挤压温度(420±10)℃，采用汽缸油+石墨做润滑剂。实验前，对位移传感器位移值与电信号、伺服阀输入电信号与伺服缸输出位移值进行标定，调整和设置好挤压凸模和凸模位移传感器的挤压坯料的初始位置、挤压终了位置，空载下预先对电液伺服控制系统进行PID校正，以提高活动凹模的运动轨迹精度。挤压时，挤压凸模以10mm•s－1的恒定速度在挤压筒内推挤坯料，用挤压凸模位移传感器检测到的初始挤压位置信号和挤压终了位置信号作为电液伺服系统控制程序的启动触发和终止信号，根据给定的连续变截面形状，通过控制程序对式(3)和式(4)进行实时求解，以控制活动凹模横向运动。图4为挤压后获得的两种连续变截面构件，构件的截面变化率都达到了50%以上，其中镁合金构件的截面变化率达到了60%以上。经校直后，对实际挤压出的镁合金变截面构件的内腔轮廓形状和尺寸在三坐标检测仪上进行检测，将检测结果拟合成轮廓曲线与构件的理论设计轮廓曲线进行比较，如图5所示，可看出连续挤压出的截面形状与理论设计形状吻合度较高。
4结语
利用电液伺服控制系统对挤压模具中活动凹模的位置进行实时控制，能使挤出模口的截面大小产生连续变化，从而实现连续变截面构件的挤压成形，对具有不同纵向轮廓形状的连续变截面细长构件的挤压成形具有较好的适应性。将挤压凸模的工作位移作为输入控制信号，与活动凹模运动位置之间构成闭环控制系统，在信号的检测和对位置的控制等技术方面既方便又直接可靠，可提高活动凹模运动位置的控制精度，挤压出与理论设计轮廓形状吻合度较高的变截面构件。
作者:唐全波 单位:重庆工商大学制造装备机构设计与控制重庆重点实验室 重庆工商大学机械工程学院
