武卯泉

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

永磁材料具有機(jī)械能與電磁能相互轉(zhuǎn)換的功能，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信息、通信、航空航天、交通、辦公自動化、家電、醫(yī)療保健等高新技術(shù)領(lǐng)域的核心功能部件，以及電機(jī)、音響、核磁共振、電動汽車、磁懸浮列車、信息化高速公路等行業(yè)，是高新技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)、社會進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。我國是釹鐵硼資源和生產(chǎn)的大國，但是生產(chǎn)設(shè)備相對比較落后，尤其是壓取向成型工藝段自動化程度很低，需要消耗大量的人力資源。國際上有類似的生產(chǎn)設(shè)備，但是價格昂貴，而且不太適合國內(nèi)的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)狀況。雖然國內(nèi)部分設(shè)備生產(chǎn)廠家都在原有壓機(jī)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了自動化改造，但是受制于研發(fā)力量和研發(fā)經(jīng)驗只做了局部性的改進(jìn)。為此，本文設(shè)計了釹鐵硼生產(chǎn)中取向成型工藝段自動化系統(tǒng)，可實現(xiàn)取向成型環(huán)節(jié)的連續(xù)自動化作業(yè)，充分提高了設(shè)備性能和生產(chǎn)效率。

1 釹鐵硼材料及生產(chǎn)工藝

制造釹鐵硼材料的生產(chǎn)過程是一個系統(tǒng)工程，每一個工藝環(huán)節(jié)都會對最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響[2]。釹鐵硼生產(chǎn)的工藝流程大致分為熔煉、制粉、取向成型、燒結(jié)、機(jī)加工、表面處理6個工藝段。熔煉是將配好的原料熔化并冷卻為合金鋼錠；制粉是將大塊合金錠破碎成一定尺寸的粉末體；取向成型是將粉末壓制成一定形狀尺寸并獲得取向度的壓坯；燒結(jié)是將壓坯形成具有一定密度和機(jī)械加工能力的金屬材料[3]；機(jī)加工是通過磨制、掏孔、切片、線切割等過程使大塊工料變成小塊產(chǎn)品；表面處理是利用電解的方式使金屬或合金沉積在工件表面，以形成均勻、致密、結(jié)合力良好的金屬層的過程。

2 釹鐵硼生產(chǎn)取向成型工藝段自動化系統(tǒng)整體設(shè)計

本次設(shè)計的釹鐵硼生產(chǎn)取向成型工藝段自動化系統(tǒng)從功能上大致分成4個部分：工況檢測、稱重、裝料和取向成型，如圖1所示。工況檢測分為原料輔料檢測和工藝環(huán)境檢測；稱重部分實現(xiàn)稱重功能，為每一次壓制提供準(zhǔn)確的用料量；裝料部分包含潤滑、裝料、平整功能；壓制部分實現(xiàn)取向成型功能。

圖1 取向成型工藝段自動化系統(tǒng)工作流程

3 工況檢測

工況檢測分為原料輔料檢測和工藝環(huán)境檢測。

3.1 原料輔料檢測

以粉末狀固體顆粒形式存在的釹鐵硼原料在生產(chǎn)開始之前存放在罐狀料倉之中，采用超聲波傳感器對罐狀料倉中的釹鐵硼原料的存量進(jìn)行檢測。當(dāng)釹鐵硼存量為零或者不足以正常工作時，設(shè)備停止工作，指示燈快速閃爍，提醒工作人員添加原料。為了使生產(chǎn)有較好的銜接性，當(dāng)釹鐵硼原料低于一定數(shù)值(加料位)時，指示燈便開始閃爍(低于存量為零時的閃爍頻率)，提醒工作人員添加原料。潤滑劑是一種制造釹鐵硼材料生產(chǎn)過程中的輔料，其液位采用電容式傳感器檢測，同樣設(shè)置加料位和報警位兩檔檢測，其工作原理和檢測釹鐵硼原料的工作原理相同，不再贅述。原料輔料檢測流程如圖2所示。

3.2 工藝環(huán)境檢測

工藝環(huán)境檢測包含氧氣濃度檢測和真空度檢測。

釹鐵硼粉末化學(xué)性質(zhì)活潑，常溫下能夠自燃。取向成型環(huán)節(jié)各子系統(tǒng)之間釹鐵硼原料和半成品輸送的密閉空間稱為工作艙，工作艙和罐狀料倉都需要充入氮?dú)鈱⑵渲械目諝?主要是氧氣)排出，防止釹鐵硼自燃。工作艙和罐狀料倉內(nèi)部安裝氧含量分析儀探頭，用來檢測其中的氧氣含量。當(dāng)氧含量達(dá)到一定的設(shè)定值(但是未達(dá)到設(shè)定的上限值)時，指示燈閃爍報警，并且自動充氮?dú)?排出氧氣)；當(dāng)氧含量達(dá)到設(shè)定的上限值時設(shè)備暫停工作，指示燈處于常亮狀態(tài)，同時自動充氮?dú)?排出氧氣)。

圖2 原料輔料檢測流程

釹鐵硼原料需要從密閉的罐狀料倉流動到稱重托盤進(jìn)行稱重。釹鐵硼粉末本身流動性較差，如果料倉內(nèi)負(fù)壓過大，原料將不能流出。料倉內(nèi)部安裝真空計進(jìn)行真空度的檢測，當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定數(shù)值時指示燈報警，并且自動充入氮?dú)狻?/p>

物位報警信號、料倉氧含量報警信號、料倉真空度報警信號、潤滑劑液位報警信號、工作艙氧含量報警信號、工作艙真空度報警信號的指示燈集中布置，可以采用分段顯示的柱狀指示燈，安裝在設(shè)備便于觀察的位置。工藝環(huán)境檢測流程如圖3所示。

圖3 工藝環(huán)境檢測流程

4 稱重

原來壓機(jī)稱重功能的實現(xiàn)方式是：電路接通，振動線圈工作，帶動存放粉末狀釹鐵硼原料的存料臺振動，釹鐵硼粉末依次移動到稱重托盤內(nèi)；稱重托盤下方安裝稱重傳感器，托盤內(nèi)原料質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時，振動頻率降低；托盤內(nèi)原料質(zhì)量達(dá)到生產(chǎn)所需額定數(shù)值后，振動停止。這種控制方式是在電路中串入滑動變阻器，通過不同電阻值的變化實現(xiàn)調(diào)壓，最終達(dá)到振動速度的控制，是一種分段控制，稱重精度不是很理想。本次設(shè)計采用的方法是：通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)振動線圈的電壓，從而改變振動頻率；整體采用三段控制，低速時采用無極調(diào)速，這樣可極大地提高稱重精度。稱重控制流程如圖4所示。

圖4 稱重控制流程

5 裝料

稱重工作結(jié)束以后，取向成型工作之前，銜接二者的工作是裝料，也就是將釹鐵硼粉末裝入模具(豎直放置的中空的長方體)中。

裝料部分包括潤滑、裝料、平整三項工作。潤滑是為了減小脫模時釹鐵硼壓塊和模具內(nèi)表面的摩擦，防止半成品表面破損，用氮?dú)鈱δ＞邇?nèi)表面噴吹去除殘留顆粒物和噴涂潤滑劑以增加光潔度。潤滑控制流程如圖5所示。

圖5 潤滑控制流程

自動裝料部分采用倒梯臺形裝料漏斗，出料口寬度略小于模具內(nèi)腔尺寸。裝料以前，稱重托盤將稱好的粉料添加到裝料漏斗,同時，取向成型裝置的下油缸將粉料的下接觸面推入模具內(nèi)部設(shè)定工作位置處形成裝料容器的底部。裝料工作通過分層布料多次完成，裝料時，裝料漏斗進(jìn)入到模腔內(nèi)，打開裝料擋板，裝料漏斗在模腔內(nèi)從工作起點(diǎn)水平運(yùn)動到工作終點(diǎn)，完成一次布料工作。每完成一次布料工作，通過下油缸向下運(yùn)動一個設(shè)定的距離使布料的作業(yè)面下降一定作業(yè)高度。為了提高工作效率，裝料漏斗在模腔內(nèi)從工作終點(diǎn)返回工作起點(diǎn)時也可以進(jìn)行布料作業(yè)。這樣通過分層裝料實現(xiàn)原料在模具內(nèi)部縱向分布的一致性。經(jīng)過如此幾次的循環(huán)，即可實現(xiàn)原料在模具內(nèi)垂直方向的均勻分布。裝料控制流程如圖6所示。

平整工作就是裝料工作結(jié)束以后，要對模具內(nèi)釹鐵硼原料上表面刮平。這是由于釹鐵硼粉末流動性較差，如果不進(jìn)行刮平，原料會局部堆積，致使半成品密度分布不均勻，進(jìn)而造成磁場分布不均勻，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在模具上方固定一個氣動推板，同樣，長度略小于模具內(nèi)側(cè)尺寸，通過下探到模腔的水平運(yùn)動，實現(xiàn)原料的刮平，平整過程即可完成。

6 取向成型

6.1 取向成型系統(tǒng)組成

在取向成型工藝段，料罐、工作艙、稱重、裝料這些工序部分是輔助工序或者銜接工序，取向成型工序是其主要工序。取向成型裝置主要包括模具、充磁線圈(左右各一個)、上下油缸和主體框架。模具用來盛放釹鐵硼粉末，具有一定強(qiáng)度，能滿足壓制時的壓力要求，具有良好的導(dǎo)磁性，取向充磁和退磁的時候磁力線能夠穿過模具作用于釹鐵硼粉末。充磁線圈對稱安裝在主體框架左右兩側(cè)，通電產(chǎn)生磁場，實現(xiàn)取向充磁和退磁的工作要求，同時起到對模具的夾持作用。上下油缸對稱安裝在主體框架的上下位置，通過伸縮運(yùn)動完成壓制、保壓、脫模等工作。主體框架具有較高強(qiáng)度，能為上下油缸提供反作用力，同時具有良好的導(dǎo)磁性，為充磁線圈產(chǎn)生的磁力線提供回路。

圖6 裝料控制流程

6.2 取向成型工作流程設(shè)計

取向成型部分包括壓制、充磁、保壓、退磁、脫模五項工作。位于上下兩側(cè)的液壓油缸推動上下壓頭，實現(xiàn)對粉末狀原料的壓制，壓制前和壓制過程中，取向側(cè)的直流線圈瞬間得電，產(chǎn)生磁場，實現(xiàn)取向功能。保壓充磁達(dá)一定強(qiáng)度后卸壓，施加反向電流，形成反向磁場退磁。采取保護(hù)性脫模方式進(jìn)行脫模，上下油缸同時上升，上油缸速度略快于下油缸速度，這樣可以盡可能地保證產(chǎn)品具有較好的完整性。取向和退磁功能實現(xiàn)的主電路如圖7所示。

圖7 取向和退磁功能實現(xiàn)的主電路

7 結(jié)語

本項目的實施，實現(xiàn)了釹鐵硼生產(chǎn)過程中取向成型環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新，在整個取向成型環(huán)節(jié)實現(xiàn)了連續(xù)性自動化作業(yè)，充分提高了設(shè)備性能和生產(chǎn)效率。