劉光宇，高曉龍，張春友

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，通遼 028000；2.河北華北石油天成實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，任丘 062552）

0 引言

剎車(chē)片作為汽車(chē)、高鐵的核心部件，具有抗載荷能力大、耐高溫、摩擦系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，主要是經(jīng)過(guò)將銅基粉末冶金摩擦材料冷壓制成型、高溫?zé)Y(jié)而成，由于壓制成型之后無(wú)法對(duì)產(chǎn)品再進(jìn)行切削加工，因此壓制原料的質(zhì)量與產(chǎn)品的外形尺寸息息相關(guān)[3～5]。銅基粉末冶金具有摩擦系數(shù)高、耐高溫、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)檎扯雀?、流?dòng)性差等特點(diǎn)而使其實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)稱量變得比較困難[6,7]。自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)是一套集供料、稱量和倒料裝置于一體的集成化設(shè)備，在控制系統(tǒng)的作用下自動(dòng)完成送料。目前市場(chǎng)上自動(dòng)稱量機(jī)構(gòu)主要針對(duì)藥劑、彈藥、金屬粉末等原料進(jìn)行自動(dòng)稱量送料[8～13]，能夠達(dá)到高效率高精度的自動(dòng)稱量，但是原料顆粒度較大，且固體流動(dòng)性好，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)稱量相對(duì)簡(jiǎn)單。而目前針對(duì)粉末冶金壓制成型主要采用等體積壓縮，但是材料密度差距在5%左右，壓制成型后合格率較低因此，本文首先根據(jù)銅基粉末冶金材料特點(diǎn)提出稱量系統(tǒng)中關(guān)鍵問(wèn)題所在，然后提出關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案，在此基礎(chǔ)上分別對(duì)送料裝置、倒料裝置和稱量裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)證明產(chǎn)品的合格率大大提高。

1 稱量裝置關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 材料特性

銅基粉末冶金作為一種高性能的摩擦材料被廣泛應(yīng)用于制作剎車(chē)片，其制作過(guò)程是首先將剎車(chē)片上的摩擦塊冷壓成型，然后將各個(gè)摩擦塊安裝在剎車(chē)片背板上進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)制作而成（如圖1所示）。為了保持剎車(chē)片良好的性能，所有摩擦塊的厚度差必須限制在0.1mm范圍以內(nèi)，摩擦塊冷壓成型之后無(wú)法再進(jìn)行切削加工，而冷壓又無(wú)法保證形狀公差，目前主要是通過(guò)人工篩選的方法來(lái)挑選摩擦塊，因此摩擦塊廢品率極高且效率低下。

圖1 剎車(chē)片

銅基粉末冶金含重質(zhì)的金屬細(xì)粉末（50目～500目）和輕質(zhì)的石墨類(lèi)粉末（直徑0.1mm～1.5mm），該材料具有如下特征：

1）流動(dòng)性特差，當(dāng)管道直徑小于50mm時(shí)需要螺旋類(lèi)輔助裝置才能流動(dòng)；

2）原料不能震動(dòng)，震動(dòng)會(huì)造成輕質(zhì)的石墨顆粒漂浮、聚集，壓制的摩擦塊中石墨聚集的地方在后續(xù)的加工中會(huì)脫落成坑；

3）原料不能經(jīng)過(guò)較高高度的自由落體掉落至預(yù)定位置，自由落體同樣會(huì)造成顆粒石墨析出漂浮。

摩擦塊是將銅基粉末冶金在磨具中壓制成型，單塊質(zhì)量在30g～130g左右，試驗(yàn)證明只要保證進(jìn)入磨具中材料質(zhì)量偏差保持在1g以內(nèi)，摩擦塊的合格率會(huì)提高至98%以上。因此，設(shè)計(jì)出高精度的粉末冶金自動(dòng)稱量系統(tǒng)成為提高摩擦塊合格率和效率的關(guān)鍵所在。

1.2 關(guān)鍵問(wèn)題研究

自動(dòng)稱量裝置主要是由送料裝置、倒料裝置和稱量裝置組成。送料裝置主要是采用自動(dòng)方式為系統(tǒng)輸送原材料，稱量裝置與送料裝置相互配合提供滿足質(zhì)量精度要求的原材料，倒料裝置將滿足要求的原材料輸送到冷壓模具中。由于銅基粉末冶金是一種粘度較高、流動(dòng)性較差的粉末材料，在對(duì)自動(dòng)稱量裝置中各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要克服以下技術(shù)難題：

1）由于粉末冶金拱橋效應(yīng)的存在，原料堆積在進(jìn)料口無(wú)法為系統(tǒng)提供足夠的原料；

2）由于銅基粉末冶金流動(dòng)性較差，采用何種機(jī)械運(yùn)輸送料方式才能為系統(tǒng)持續(xù)提供連續(xù)可調(diào)的原材料，而且送料質(zhì)量精度可控；

3）送料裝置和稱量裝置如何配合控制調(diào)節(jié)，才能使得原料滿足質(zhì)量精度要求；

4）稱量裝置要求質(zhì)量精度控制在1g范圍以內(nèi)，而冷壓裝置采用液壓方式機(jī)械振動(dòng)較大，如何在高振動(dòng)的環(huán)境下稱量出滿足質(zhì)量精度的原料；

5）由于銅基粉末冶金流動(dòng)性較差，倒料裝置如何將滿足質(zhì)量要求的原料全部倒出，而不留存任何粉末。

1.3 自動(dòng)稱量系統(tǒng)工作原理

根據(jù)在對(duì)自動(dòng)稱量裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)存在的主要問(wèn)題對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，其工作原理如圖2所示。送料裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋推進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)將粉末原料送入倒料裝置的料斗中，通過(guò)設(shè)計(jì)出合理的螺旋槽與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度配合為系統(tǒng)輸送原料。倒料裝置安裝在稱量裝置上，稱量質(zhì)量為倒料裝置和原料質(zhì)量之和，通過(guò)質(zhì)量需求與稱量裝置中的質(zhì)量傳感器采樣，采用控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)送料裝置中步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制達(dá)到高效高精度送料。倒料裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)曲線實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和停止的抖料方式將原料快速倒出。如果因?yàn)楦鞣N原因?qū)е碌沽涎b置中原料的質(zhì)量高于質(zhì)量要求，此時(shí)是為原料質(zhì)量不合格，通過(guò)倒料裝置將原料倒入不合格料桶中，重新啟動(dòng)送料程序，這樣不合格料桶中的原料可以重新利用，提高原料利用率。

圖2 自動(dòng)稱量系統(tǒng)工作原理

1.4 關(guān)鍵技術(shù)解決方案

針對(duì)系統(tǒng)中存在的以上關(guān)鍵問(wèn)題，在送料裝置、倒料裝置和稱量裝置中分別采取以下技術(shù)解決方案。

1.4.1 送料裝置

1）料斗的斜面的斜度大于金屬粉末顆粒間的摩擦自鎖角，可以在重力的作用下自動(dòng)下滑，且料斗表面進(jìn)行處理，粗糙度較低，提高材料流動(dòng)性；

2）料斗中加入攪拌機(jī)構(gòu)破壞材料拱橋效應(yīng)，促進(jìn)原料進(jìn)入螺旋推進(jìn)機(jī)中；

3）當(dāng)稱量傳感器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有測(cè)量到足夠的原料時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)送控制信號(hào)給攪拌機(jī)構(gòu)或者振動(dòng)器，控制其快速運(yùn)動(dòng)，如果超出一定時(shí)間限制仍舊未提供足夠的原料，將會(huì)發(fā)出警報(bào)提示工人需要往料斗中加料；

4）螺旋推進(jìn)機(jī)采用小導(dǎo)程高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)方式，每旋轉(zhuǎn)一周加料質(zhì)量控制在5g范圍以內(nèi)；

5）在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋推進(jìn)機(jī)的作用下加料，稱量傳感器實(shí)時(shí)在線計(jì)量原料質(zhì)量。自動(dòng)加料采用粗-中-細(xì)三級(jí)給料，三級(jí)給料工作過(guò)程如下：

（1）當(dāng)金屬粉末質(zhì)量遠(yuǎn)小于所設(shè)定的目標(biāo)質(zhì)量時(shí)（一般為小于80%），快速投料；

（2）當(dāng)金屬粉末質(zhì)量在目標(biāo)質(zhì)量的80%～95%時(shí)，中速投料；

（3）當(dāng)金屬粉末質(zhì)量大于目標(biāo)質(zhì)量的95%時(shí)，慢速下料以保證精度；

（4）當(dāng)物料接近目標(biāo)質(zhì)量，立刻關(guān)閉投料。因?yàn)榭罩羞€有一部分金屬粉末的質(zhì)量，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)有延時(shí)，一般需要一個(gè)提前關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，即對(duì)加料時(shí)間進(jìn)行預(yù)估。

1.4.2 倒料裝置

1）倒料裝置選用密度較小的材質(zhì)加工而成，減小稱量質(zhì)量占比；

2）對(duì)倒斗機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)采用快速啟停的抖料方式，將合格原料倒入合格料桶中；

3）如果由于各種原因?qū)е略腺|(zhì)量超過(guò)設(shè)定值范圍，此時(shí)倒料機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，將原料導(dǎo)入不合格料桶中。

1.4.3 稱量裝置

1）選用多個(gè)高精度小量程稱量傳感器同時(shí)測(cè)量，對(duì)其求和得到總質(zhì)量，提高測(cè)量精度；

2）稱量裝置安裝在減振平臺(tái)上，減小周?chē)h(huán)境振動(dòng)對(duì)稱量傳感器測(cè)量精度的影響；

3）選用測(cè)量頻響較快的傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量周期控制在50ms左右。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)稱量設(shè)備如圖3所示。主要是由供料裝置、倒料裝置和稱量裝置組成，其工作原理是供料裝置將金屬粉末傳送到倒料裝置中，倒料裝置安裝在稱量裝置上，當(dāng)稱量裝置檢測(cè)到金屬粉末滿足質(zhì)量要求時(shí)，送料裝置停止送料，此時(shí)倒料裝置中料斗旋轉(zhuǎn)將金屬粉末倒入送料機(jī)構(gòu)中。

圖3 自動(dòng)稱量裝置

2.1 送料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)送料裝置的工作原理對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。主要是由料斗、步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承座、密封圈、絞龍和外殼組成，其工作原理是采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絞龍旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)原料前進(jìn)為系統(tǒng)送料。料斗是由1mm厚的鍍鋅鋼板折彎而成，主要用來(lái)盛放金屬粉末，單次最多可以盛放20kg金屬粉末，料斗傾角為60°，大于金屬粉末摩擦角45°。選用42BYGH62-401A的步進(jìn)電機(jī)，可以輸出的最大力矩為0.7N.m，步距角為1.8°。密封圈主要用來(lái)將外殼內(nèi)金屬粉末與外界隔離，防止其對(duì)軸承產(chǎn)生影響。絞龍內(nèi)徑為10mm，外徑為20mm，螺距為7mm，厚度為2mm，每個(gè)導(dǎo)程推進(jìn)的金屬粉末為2.5g。

圖4 送料裝置

2.2 倒料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

倒料裝置主要是將金屬粉末倒入合格料桶或者廢料料桶中，主要是由步進(jìn)電機(jī)、料斗、軸承座和限位開(kāi)關(guān)組成（如圖5所示），整體安裝在四個(gè)力傳感器上，未加金屬粉末時(shí)的總質(zhì)量為760g，其工作原理是步進(jìn)電機(jī)通過(guò)軸帶動(dòng)料斗旋轉(zhuǎn)，將金屬粉末倒出，當(dāng)料斗中的金屬粉末符合質(zhì)量要求時(shí)，將金屬粉末倒入送料機(jī)構(gòu)中，當(dāng)料斗中金屬粉末超過(guò)重量要求時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)將金屬粉末倒入廢料桶中。其工作過(guò)程是當(dāng)金屬粉末符合質(zhì)量要求時(shí)，步進(jìn)電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)將金屬粉末倒入料桶中，其旋轉(zhuǎn)角度和速度通過(guò)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)來(lái)控制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)60°，觸發(fā)到位限位開(kāi)關(guān)，此時(shí)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，然后反向控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，觸發(fā)零位限位開(kāi)關(guān)時(shí)步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始供料運(yùn)動(dòng)。選用NQ35HB37A型步進(jìn)電機(jī)，可以輸出的最大力矩為0.18N.m，驅(qū)動(dòng)倒料機(jī)構(gòu)以運(yùn)動(dòng)速度60°/s，加速度為60°/s2做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖5 倒料裝置

2.3 稱量裝置

稱量裝置如圖6所示，主要是由力傳感器、底座、減振器、橡膠墊和立柱組成，倒料機(jī)構(gòu)安裝在力傳感器上，當(dāng)金屬粉末為130g時(shí)，整個(gè)倒料機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為890g，選用4個(gè)量程為300g的力傳感器進(jìn)行測(cè)量，由于對(duì)測(cè)量精度的要求較高，力傳感器安裝在減振器上，減小周?chē)駝?dòng)對(duì)力傳感器的影響，減振器選用6個(gè)鋼絲減振器，減振效果較好。整個(gè)稱量機(jī)構(gòu)安裝通過(guò)橡膠墊安裝在立柱上，立柱的高度需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 稱量裝置

3 實(shí)驗(yàn)研究

采用自動(dòng)稱量系統(tǒng)稱量銅基粉末冶金材料，每個(gè)摩擦塊的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為80g，稱量完成后對(duì)其進(jìn)行壓制成型，在其中抽檢了5塊摩擦塊，其測(cè)量質(zhì)量和高度如表1所示，全部滿足要求。

表1 摩擦塊檢測(cè)表

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)銅基粉末冶金材料特性設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)稱量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度高效率自動(dòng)稱量，為摩擦塊冷壓成型提供滿足質(zhì)量要求的原料。目前該設(shè)備已完成樣機(jī)調(diào)試驗(yàn)收，能夠?qū)⒛Σ翂K的合格率大幅提升，大大提高了作業(yè)效率。