工程複合材料精密成形數字製造裝備的製作方法
2023-10-17 21:46:04
專利名稱：工程複合材料精密成形數字製造裝備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種工程複合材料精密成形數字製造裝備。
背景技術：
近年來，用新型工程複合材料替代傳統金屬材料作為機械傳動系統中的關鍵零部件，用自然水或固體潤滑材料替代礦物油作為機械傳動系統中的潤滑介質，基於資源節約與環境友好的高效傳動系統中的軸承、密封件、聯軸器、減震器等重要基礎件，因具有減震、降噪、耐磨、可靠、高效、節能、節材和環保等顯著優點，被廣泛運用於機械、船舶、車輛、航空、航天、石油、化工、水利和農業等工程領域。
工程複合材料製品典型的傳統生產工藝是採用蒸汽熱壓式電阻傳導熱壓，即通過上下加熱平板進行模壓加熱，手工控制操縱液壓系統對工件進行升降和加壓等過程，其缺點是1.硫化成形工程複合材料製品各部位熱壓不均勻，熱壓硫化時間長，有效熱量利用少；2.對硫化中的工件不能進行穩定的保壓控制；3.對於硫化體系的溫度、壓力、時間等參數不能進行監控和測量，工藝參數不能在線存儲，對生產過程不能實現伺服測控，工件的模壓硫化過程無法控制在優化設定的有效硫化工藝參數範圍內進行，從而使工件在經過模壓硫化成形工藝後不能一次性達到要求的尺寸公差精度，產品表面不光滑、不平整、有分層存在毛刺和裂紋等問題，還要經過反覆精加工等後續處理；4.且產品的承載能力、工作速度、摩擦因素、尺寸穩定性、表面粗糙度等關鍵技術性能指標很難達到要求；5.硫化機安裝不方便，生產效率低，操作強度大，可靠性較差，不能確保安全生產。
發明內容
本發明的目的就是設計一種快速、均勻硫化感應加熱，模具壓力可控，對有效硫化工藝體系進行計算機伺服控制，產品僅需要一次性模壓硫化成形就能達到尺寸公差精度並使其關鍵技術性能指標有顯著提高的工程複合材料精密成形數字製造裝備。
本發明所涉及的一種工程複合材料精密成形數字製造裝備，包括硫化機臺架、推力液壓缸、液壓加壓系統、感應加熱模壓系統、PLC數字集成測控系統。硫化機臺架由底座1、升降平臺25、頂蓋20、四根圓柱15構成，圓柱15的下端臺階壓在底座1凹槽內形成間隙配合，頂蓋20的凹槽壓在圓柱15的上端臺階形成間隙配合，螺母19和螺母13把圓柱15鎖緊在頂蓋20和底座1上，圓柱15的兩頭開有花鍵槽，在圓柱15上有位置傳感器16和位置傳感器18。推力液壓缸由液壓缸5、端蓋8、端蓋12、柱塞7組成，液壓缸5上開有螺紋孔6和螺紋油孔4，螺紋油管2連接液壓缸5和底座1，螺紋孔6內裝有壓力傳感器29，柱塞7外端面裝有密封圈3，端蓋12內端面裝有密封圈26和密封圈10，柱塞7可以沿垂直方向上下運動，端蓋8底端面裝有密封圈11和開設了螺紋孔27，螺紋油管28安裝在螺紋孔27內，端蓋8和端蓋12通過6個周向均勻分別的螺釘9連接。液壓加壓系統包括高壓泵30、高壓泵31、溢流閥32、電磁比例閥33、電控開關閥34、單向閥35、單向閥36、電控開關閥37、電磁比例閥38、溢流閥39。感應加熱模壓系統包括感應加熱電源14、溫度傳感器23、感應線圈24，溫度傳感器23插入工件22內，感應線圈24盤繞在工件22的外表面。PLC數字集成測控系統中溫度傳感器23、壓力傳感器29、位置傳感器16和位置傳感器18的數據線直接與PLC工控機I/O埠相連，感應加熱電源14、高壓泵30、高壓泵31、電磁比例閥33、電控開關閥34、電控開關閥37、電磁比例閥38、按鈕繼電器裝置17通過A/D轉換模塊和D/A轉換模塊與PLC工控機I/O埠相連，PLC工控機通過適配器轉換與計算機通訊。
本發明所涉及的工程複合材料精密成形數字製造裝備，硫化機臺架安裝方便可靠，工作平臺升降快速平穩。工件的硫化工藝採用感應加熱和液壓動態加壓，硫化的成形橡膠製品各部位熱壓均勻，熱壓硫化時間短，熱量能夠得到有效利用。同時，工件的硫化工藝採用PLC數字集成測控系統能分別對感應加熱模壓系統、有效硫化工藝體系、液壓加壓系統等進行伺服控制，在線記錄存儲並即時反饋加工現場的實際工藝數據給計算機控制系統，使工件的成形過程始終控制在所優化設計的有效硫化工藝體系內一次性完成後，就能完全達到產品的尺寸公差精度，工程複合材料表面光滑、平整、無分層，沒有裂紋、雜質、毛刺、氣泡、膠瘤及脫殼等問題，大大提高產品質量和生產效率。本發明具有工件質量容易控制，操作安全可靠，高效、節能、節材、環境友好等優點。
圖1是工程複合材料精密成形數字製造裝備的主視圖，它也是圖3的A-A截面圖。
圖2是工程複合材料精密成形數字製造裝備的右視圖。
圖3是工程複合材料精密成形數字製造裝備的結構示意圖。它也是圖1的B-B截面4是推力液壓缸結構示意圖，也是圖5的E-E截面圖。
圖5是推力液壓缸結構示意圖，也是圖4的C-C截面圖。
圖6是推力液壓缸結構示意圖。也是圖4的D-D截面圖。
圖7是液壓加壓系統的液壓原理圖。
圖8是PLC數字集成測控系統控制原理圖。
圖9是工件水潤滑複合橡膠軸承端面10是工件水潤滑複合橡膠軸承結構示意圖，也是圖9的F-F截面中1.底座，2.螺紋油管，3.密封圈，4.螺紋油孔，5.液壓缸，6.螺紋孔，7.柱塞，8.端蓋，9.螺釘，10.密封圈，11.密封圈，12.端蓋，13.螺母，14.感應加熱電源，15.圓柱，16.位置傳感器，17.按鈕繼電器裝置，18.位置傳感器，19.螺母，20.頂蓋，21.裝夾模具，22.工件，23.溫度傳感器，24.感應線圈，25.升降平臺，26.密封圈，27.螺紋孔，28.螺紋油管，29.壓力傳感器，30.高壓泵，31.高壓泵，32.溢流閥，33.電磁比例閥，34.電控開關閥，35.單向閥，36.單向閥，37.電控開關閥，38.電磁比例閥，39.溢流閥。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明本發明所涉及的一種工程複合材料精密成形數字製造裝備，包括硫化機臺架、推力液壓缸、液壓加壓系統、感應加熱模壓系統、PLC數字集成測控系統。如圖1所示，硫化機臺架由底座1、升降平臺25、頂蓋20、四根圓柱15構成。圓柱15的下端臺階壓在底座1凹槽內形成間隙配合。頂蓋20的凹槽壓在圓柱15的上端臺階形成間隙配合。圓柱15通過螺母19和螺母13鎖緊在頂蓋20和底座1上，及其頂蓋20調整水平和對中。圓柱15的兩頭開有花鍵槽，方便安裝臺架。在圓柱15上有位置傳感器16和位置傳感器18檢測升降平臺25運動下限和上限。
如圖1和圖4所示，推力液壓缸由液壓缸5、端蓋8、端蓋12、柱塞7組成。液壓缸5上開有螺紋孔6和螺紋油孔4。如圖2和圖6所示，螺紋孔6內裝有壓力傳感器29來檢測推力液壓缸中的油壓。如圖1所示，柱塞7外端面裝有密封圈3，防止柱塞7上下腔的液壓油互相洩漏。端蓋12內端面裝有密封圈26和密封圈10以及端蓋8底端面裝有密封圈11，都是防止液壓油洩漏出去。柱塞7可以沿垂直方向上下運動。端蓋8開設了螺紋孔27。液壓油通過安裝在螺紋孔27內的螺紋油管28和連接液壓缸5和底座1的螺紋油管2進出推力液壓缸。6個周向均勻分別的螺釘9將端蓋8和端蓋12壓緊在一起。
如圖7所示，液壓加壓系統包括高壓泵30、高壓泵31、溢流閥32、電磁比例閥33、電控開關閥34、單向閥35、單向閥36、電控開關閥37、電磁比例閥38、溢流閥39。推力液壓缸內儲存有液壓油，通過柱塞7的下端面把推力液壓缸內腔分割為上腔和下腔。當要升降平臺25上升時，液壓加壓系統實施柱塞7上升方案，即是電控開關閥34關閉，電控開關閥37打開，高壓泵31把上腔的液壓油通過電磁比例閥33泵送到下腔，從而使柱塞7向上移動；反之，當要升降平臺25下升時，液壓加壓系統實施柱塞7下升方案，即是電控開關閥34打開，電控開關閥37關閉，高壓泵30把下腔的液壓油通過電磁比例閥38泵送到上腔，從而使柱塞7向下移動。工件在硫化過程中，硫化壓力要穩定在設定的工藝壓力值範圍內，如硫化中壓力升高，液壓加壓系統就實施柱塞7下升方案，同時通過調節電磁比例閥38改變液壓油流量大小來穩定的降低工件受到的硫化壓力；反之如硫化中工件受到的壓力降低，液壓加壓系統就實施柱塞7上升方案，同時通過調節電磁比例閥33改變液壓油流量大小來穩定的降低工件受到的硫化壓力。
如圖1所示，感應加熱模壓系統包括感應加熱電源14、溫度傳感器23、感應線圈24。溫度傳感器23插入工件22內，感應線圈24盤繞在工件的外表面，通過計算機控制感應加熱電源14輸出的不同頻率的電流到感應線圈24，從而能夠根據需要產生不同的熱量對工件22進行快速、均勻的加熱。
如圖8所示，PLC數字集成測控系統中溫度傳感器23、壓力傳感器29、位置傳感器16和位置傳感器18的數據線直接與PLC工控機I/O埠相連。感應加熱電源14、高壓泵30、高壓泵31、電磁比例閥33、電控開關閥34、電控開關閥37、電磁比例閥38、按鈕繼電器裝置17通過A/D轉換模塊和D/A轉換模塊與PLC工控機I/O埠相連，PLC工控機通過適配器轉換與計算機通訊。PLC數字集成測控系統能夠實現對硫化溫度、硫化壓力和硫化時間等硫化工藝參數的控制。通過位置傳感器18和位置傳感器16數據傳送到PLC工控機中，能夠控制升降平臺的運動上限和下限。通過溫度傳感器23和壓力傳感器29數據傳送到PLC工控機中，分別實現對感應加熱模壓系統和液壓加壓系統的溫度和壓力的監測，與設定的工藝參數進行對比，產生的變化差值通過PLC工控機軟體編制的程序進行處理補償到各自的系統中去，從而實現了生產過程的伺服控制，使工件的硫化過程始終控制在設定的工藝參數範圍內進行，保證了產品的質量。同時在生產過程中的重要工藝參數能夠及時的保存到資料庫中。
實施例
如圖9～10所示，所硫化的工程複合材料工件製品是內徑20～160mm、外徑35～205mm、長度為40～320mm範圍的水潤滑複合橡膠軸承，其內襯為複合橡膠、外殼為海軍黃銅。如圖1和圖3所示，將複合橡膠擠壓到工件模具內，用夾具將其工件模具夾緊定位並安裝放置在升降平臺25上。溫度傳感器23安裝在工件22內，將感應線圈24盤繞在工件外表面上。PLC工控機硬體組採用西門子S7-300PLC，CPU314，16位的T/O埠，PS307等組件。數字量輸出的溫度傳感器23、壓力傳感器29、位置傳感器16和位置傳感器18直接與PLC工控機的DI埠相接。感應加熱電源14、高壓泵30、高壓泵31、電磁比例閥33、電控開關閥34、電控開關閥37、電磁比例閥38、按鈕繼電器裝置17通過A/D轉換模塊和D/A轉換模塊與PLC工控機I/O埠相連，PLC工控機通過適配器和計算機相連，採用STEP7軟體進行程序編制。
在設定好工藝參數硫化溫度、硫化壓力、硫化時間後，PLC數字集成測控系統先控制液壓加壓系統電控開關閥34關閉，電控開關閥37打開，啟動高壓泵31把推力液壓缸中上腔的液壓油依次通過螺紋油管28、比例電磁閥33和螺紋油管2泵送到下腔，使柱塞7向上推動升降平臺25把工件模具21頂壓在頂蓋20上，通過位置傳感器18保證升降平臺25的過上升，液壓油的輸出壓力直到設定的硫化壓力值為止，比例電磁閥33關閉。然後，PLC數字集成測控系統控制感應加熱電源14對感應線圈24通電，使工件達到設定的硫化溫度。工件在硫化工作中，溫度傳感器和壓力傳感器把硫化時產生的溫度和壓力數據傳輸到PLC工控機中，與設定的硫化工藝參數進行對比，產生的變化差值通過PLC工控機軟體STEP7編制的程序進行處理，把差值分別補償到感應加熱電源14，改變輸出電流的頻率，使感應線圈24對工件產生設定的加熱溫度和液壓加壓系統，改變比例電磁閥的開口量來調整推力液壓缸的壓力到設定的硫化壓力。同時，把硫化過程中的工藝參數保存到資料庫中。在設定的硫化時間結束後，PLC數字集成測控系統控制感應加熱電源14關閉，停止對工件的加熱。然後，控制液壓加壓系統電控開關閥34打開，電控開關閥37關閉，高壓泵30把下腔的液壓油泵送到上腔中推動柱塞7，通過位置傳感器16檢測從而使升降平臺25平穩可靠的降到起始點，從而完成了工件硫化過程。
工件經過硫化工藝成形後，工件的尺寸公差就能一次性達到規定的要求精度，不需要再進行磨削加工(如表1所示)。軸承的橡膠表面粗糙度為Ra0.025μm，表面光滑、平整、無分層，沒有裂紋、雜質、毛刺、氣泡、膠瘤及脫殼等問題，硫化時間從傳統的硫化時間40～150分鐘縮短到10～80分鐘，工件各部位熱壓均勻，硫化過程中硫化溫度和壓力容易控制。
表1工程複合材料精密成形工件內襯徑向厚度尺寸公差精度
表2、3、4分別對所硫化出的工件內襯材料的物化性能、吸收性及其工件的承載能力、工作速度、摩擦因素等關鍵技術性能指標進行了實驗檢測，該工件各項性能指標都達到且部分超過了美國國防部MIL-B-17901B(船舶)軍用標準。使用壽命比金屬軸承提高了十倍以上、並比國外同類軸承使用壽命使提高了約為三倍，具有顯著的綜合性能優勢。
表2硫化出的工件內襯材料的物化性能
表3硫化出的工件內襯材料的吸收性(收縮率)
表4硫化出的工件關鍵技術性能指標
權利要求
1.一種工程複合材料精密成形數字製造裝備，包括硫化機臺架、推力液壓缸、液壓加壓系統、感應加熱模壓系統、PLC數字集成測控系統；其特徵為硫化機臺架由底座(1)、升降平臺(25)、頂蓋(20)、四根圓柱(15)構成，圓柱(15)的下端臺階壓在底座(1)凹槽內形成間隙配合，頂蓋(20)的凹槽壓在圓柱(15)的上端臺階形成間隙配合，螺母(19)和螺母(13)把圓柱(15)鎖緊在頂蓋(20)和底座(1)上，圓柱(15)的兩頭開有花鍵槽，在圓柱(15)上有位置傳感器(16)和位置傳感器(18)；推力液壓缸由液壓缸(5)、端蓋(8)、端蓋(12)、柱塞(7)組成，液壓缸(5)上開有螺紋孔(6)和螺紋油孔(4)，螺紋油管(2)連接液壓缸(5)和底座(1)，螺紋孔(6)內裝有壓力傳感器(29)，柱塞(7)外端面裝有密封圈(3)，端蓋(12)內端面裝有密封圈(26)和密封圈(10)，柱塞(7)可以沿垂直方向上下運動，端蓋(8)底端面裝有密封圈(11)和開設了螺紋孔(27)，螺紋油管(28)安裝在螺紋孔(27)內，端蓋(8)和端蓋(12)通過6個周向均勻分別的螺釘(9)連接；液壓加壓系統包括高壓泵(30)、高壓泵(31)、溢流閥(32)、電磁比例閥(33)、電控開關閥(34)、單向閥(35)、單向閥(36)、電控開關閥(37)、電磁比例閥(38)、溢流閥(39)；感應加熱模壓系統包括感應加熱電源(14)、溫度傳感器(23)、感應線圈(24)，溫度傳感器(23)插入工件(22)內，感應線圈(24)盤繞在工件(22)的外表面；PLC數字集成測控系統中溫度傳感器(23)、壓力傳感器(29)、位置傳感器(16)和位置傳感器(18)的數據線直接與PLC工控機I/O埠相連，感應加熱電源(14)、高壓泵(30)、高壓泵(31)、電磁比例閥(33)、電控開關閥(34)、電控開關閥(37)、電磁比例閥(38)、按鈕繼電器裝置(17)通過A/D轉換模塊和D/A轉換模塊與PLC工控機I/O埠相連，PLC工控機通過適配器轉換與計算機通訊。
全文摘要
一種工程複合材料精密成形數字製造裝備，包括硫化機臺架、推力液壓缸、液壓加壓系統、感應加熱模壓系統、PLC數字集成測控系統。硫化機臺架安裝簡單、操作方便。推力液壓缸和液壓系統能夠實現工作平臺自由升降及其對硫化中工件進行動態加壓。感應加熱模壓系統對工件進行感應加熱。PLC數字集成測控系統能分別對感應加熱模壓系統、有效硫化工藝體系、液壓加壓系統等進行伺服控制，在線記錄存儲並即時反饋加工現場的實際工藝數據給計算機控制系統，使工件的成形過程始終控制在所優化設計的有效硫化工藝體系內一次性完成後，就能完全達到產品的尺寸公差精度，可大大提高產品質量和生產效率。本發明具有高效、節能、節材、環境友好等優點。
文檔編號B29C51/26GK1803443SQ20061005403
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月16日 優先權日2006年1月16日
發明者王家序, 王邦長, 肖科 申請人:重慶大學