氣門毛坯數(shù)控成形氣液控制系統(tǒng)設(shè)計分析

高貴寶

（山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟南 250104）

氣門毛坯數(shù)控成形氣液控制系統(tǒng)設(shè)計分析

高貴寶

（山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟南 250104）

通過介紹發(fā)動機氣門毛坯成形原理，分析了氣門毛坯的缺陷及成因，論證了氣門毛坯數(shù)字化電鐓控制的氣液控制系統(tǒng)的特點及原理。實驗驗證了數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的調(diào)整對毛坯質(zhì)量的影響。

發(fā)動機氣門；毛坯成形；數(shù)控系統(tǒng)；氣液控制

1 發(fā)動機氣門毛坯成形原理

發(fā)動機氣門毛坯的電鐓加工是利用金屬工件本身的電阻，通過低電壓、大電流產(chǎn)生熱量，使工件被加熱到塑性變形溫度，同時施加外部推力，通過邊加熱邊鐓粗的過程將一根圓棒料的一端加工成圖1所示的“蒜頭狀”，然后再將“蒜頭狀”熱毛坯進行模鍛成形。電鐓加工“蒜頭狀”熱毛坯的變形集聚過程直接影響氣門頭部質(zhì)量。

圖2為氣門電鐓加工原理圖。變壓器8給砧子電極2和夾緊電極5輸送能量，砧子電極和夾緊電極之間產(chǎn)生電壓，兩個電極由工件3導(dǎo)通，形成電加熱回路，工件受熱到塑變溫度在鐓粗缸7的推力下變形集聚形成圖1所示的“蒜頭狀”熱毛坯。砧子缸1的作用是在毛坯成形過程中回退緩沖，便于形成圓滑飽滿的毛坯。

圖1 “蒜頭狀”毛坯

圖2 氣門毛坯電鐓加工原理圖

在上述加工過程中，夾緊程度、鐓粗缸的推進速度、砧子缸的回退速度、工件材料、工件的熱塑變形溫度等參數(shù)是影響毛坯質(zhì)量的主要因素。電鐓工藝過程質(zhì)量控制中的主要缺陷是氣門盤部折疊和過燒等。

折疊現(xiàn)象是在毛坯心部低溫層，鍛造時把其壓入氣門盤端面，造成折疊，氣門在內(nèi)燃機內(nèi)工作時極易在此處斷裂。過燒現(xiàn)象是毛坯加熱溫度過高，大大超過塑變溫度，改變了金相組織。

因此，研究動態(tài)控制工件塑變溫度和鐓鍛速度的電鐓機控制系統(tǒng)將有效提高毛坯質(zhì)量。

2 毛坯成形過程數(shù)控模型的建立

如上所述，氣門毛坯在電熱鐓粗成形過程中，影響其成形質(zhì)量的工藝參數(shù)很多，各參數(shù)之間相互影響、相互制約。各個參數(shù)對毛坯質(zhì)量的影響程度和影響關(guān)系不存在明顯的規(guī)律，需經(jīng)過大量實驗驗證尋找其普遍規(guī)律，建立控制模型，利用先進的檢測控制技術(shù)，采用動態(tài)閉環(huán)控制，提高毛坯質(zhì)量。實現(xiàn)動態(tài)數(shù)控閉環(huán)控制的基礎(chǔ)是將主要工藝參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)測，實時反饋，實時修正。我們把影響氣門電熱鐓粗成形的變形溫度、加熱電流、鐓鍛力、夾緊力等主要參數(shù)進行數(shù)字化動態(tài)控制，并進行采樣分析，及時修正，進而實現(xiàn)動態(tài)化的質(zhì)量控制。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3為數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。中央控制系統(tǒng)采用工控計算機，主要作用是設(shè)定存儲氣門毛坯電鐓工藝過程控制程序、指示控制變壓器供電系統(tǒng)，調(diào)整供電電流，控制氣液控制系統(tǒng)實時調(diào)整壓力和流量，接受檢測系統(tǒng)反饋的檢測信號并及時進行運算處理。在線檢測系統(tǒng)由位移傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、液壓系統(tǒng)壓力傳感器等檢測元件組成，在氣門毛坯的電鐓成形過程中實時檢測鐓鍛力、變形溫度、作用電流、變形位移、變形速度等工藝參數(shù)，并將此參數(shù)傳送到中央控制系統(tǒng)。中央處理系統(tǒng)對比程序設(shè)定參數(shù)并及時進行修正，實現(xiàn)動態(tài)檢測、動態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)。從而實現(xiàn)毛坯鐓鍛的數(shù)控控制。

3 單工位數(shù)控電鐓機氣液控制系統(tǒng)分析驗證

氣門毛坯成形控制實現(xiàn)數(shù)控閉環(huán)控制的關(guān)鍵是控制氣門成形的各工藝參數(shù)的數(shù)控閉環(huán)動態(tài)控制，各工藝參數(shù)中較難實現(xiàn)數(shù)控控制的參數(shù)為毛坯鐓鍛力F的控制。圖4為數(shù)控電鐓機氣液比例控制原理圖，該控制系統(tǒng)解決了氣門毛坯成形過程中鐓鍛力隨加熱溫度的變化實現(xiàn)動態(tài)控制的問題。該系統(tǒng)控制特性如下。

圖4 數(shù)控電鐓機氣液比例控制原理圖

3.1 氣-液聯(lián)動控制

由于氣體的壓縮性大、粘度小、剛度低等因素，導(dǎo)致氣動運動的不平穩(wěn)性以及氣動定位的不準(zhǔn)確性（即定位精度不高）。該控制系統(tǒng)為了提高其定位精度及運動平穩(wěn)性，又充分發(fā)揮氣動傳動所固有的節(jié)能、無污染、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、高速、高效、工作可靠、壽命長、適應(yīng)溫度范圍廣、工作介質(zhì)具有防燃、防爆、防電磁干擾等一系列優(yōu)點，故砧子油缸14選用具有不可壓縮性的液壓油作為介質(zhì)，使氣門毛坯在鐓粗成形過程中能平穩(wěn)成形。采用氣液聯(lián)動控制，提高系統(tǒng)的性能。

3.2 電氣-氣動伺服比例控制

件13為液壓伺服流量控制閥，件19為比例控制閥，兩個控制閥分別控制砧子油缸和鐓粗氣缸。在計算機控制系統(tǒng)程序控制下，伺服控制閥實時接受控制指令及時控制砧子油缸的回退速度，同時，比例控制閥根據(jù)控制系統(tǒng)的指令信號調(diào)整其氣路供氣參數(shù)，控制鐓粗氣缸的鐓鍛力和鐓粗缸進給速度。

3.3 位移-溫度控制系統(tǒng)

件16為溫度傳感器，件20為位移傳感器，溫度傳感器實時檢測氣門毛坯成形的過程溫度，位移傳感器實時檢測氣門毛坯的鐓鍛成形和變形量，并及時通過檢測系統(tǒng)將檢測到的信號發(fā)送到計算機中心，由計算機處理后作出判斷并及時發(fā)出指令，及時調(diào)整鐓粗過程的工藝參數(shù)，實現(xiàn)溫度與位移變化的動態(tài)數(shù)字化控制。

3.4 產(chǎn)品試驗驗證分析

由于影響毛坯成形質(zhì)量的因素復(fù)雜多變，所選電鐓工藝參數(shù)是事先根據(jù)產(chǎn)品材料、棒料直徑、鐓鍛比等基本數(shù)據(jù)選取一組基本相符的工藝參數(shù)進行試制，在試樣鐓鍛過程中數(shù)控設(shè)備可根據(jù)實時采集數(shù)據(jù)進行微量局部動態(tài)工藝參數(shù)調(diào)整，但不能達到完美程度，試樣加工出后經(jīng)試樣檢測分析可進行較大范圍的修正工藝參數(shù)，一般一種產(chǎn)品只需調(diào)整2到3次工藝參數(shù)即可加工出高質(zhì)量的毛坯。如圖5所示為實驗驗證某柴油發(fā)動機進氣門毛坯圖片。圖5a、b、c分別為不同工藝參數(shù)下加工出的毛坯，經(jīng)過簡單的數(shù)控程序調(diào)整和設(shè)備自身的修正，很容易獲得如圖5c所示的高質(zhì)量毛坯。

圖5 氣門毛坯成形圖片

4 結(jié)論

由以上分析和試驗驗證可知，發(fā)動機氣門毛坯的電鐓成形實現(xiàn)數(shù)字化控制需要配備可調(diào)可控的氣液控制系統(tǒng)，數(shù)控技術(shù)的實施將對提高工序質(zhì)量、保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性、減輕勞動強度、降低廢品率等都具有重要作用。

[1]胡學(xué)根.氣門電鐓技術(shù)[J].內(nèi)燃機配件，2006，（2）.

[2]汪國順.氣門電熱鐓粗工藝數(shù)字模擬[J].塑形工程學(xué)報，2004，（2）.

[3]陳劍.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣門電鐓工藝參數(shù)的選擇[J].鍛壓技術(shù)，2006，（5）.

[4]汪國順.氣門電熱鐓粗工藝的數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報，2004，（2）.

Design and analysis of pneumatic-hydraulic system of CNC forming process for valve

GAO Guibao
（Shandong Polytechnic College,Jinan 250104,Shandong China）

By introduction of the forming principle for engine valve,the defects and causes of valve blank have been analyzed.The features and principle of pneumatic-hydraulic control system for valve blank digital control electric upsetting have been demonstrated.The influence of parameter optimization adjustment for CNC system on blank quality has been verified by test.

Engine valve;Blank forming;CNC control

TP273

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.019

1672-0121（2017）04-0065-03

2017-03-12；

2017-05-14

高貴寶（1965-），男，高工，副教授，從事機電裝備應(yīng)用技術(shù)研發(fā)與教學(xué)。E-mail：gaoguibao@163.com