氣門毛坯數控成形氣液控制系統設計分析

高貴寶

（山東職業學院，山東 濟南 250104）

氣門毛坯數控成形氣液控制系統設計分析

高貴寶

（山東職業學院，山東 濟南 250104）

通過介紹發動機氣門毛坯成形原理，分析了氣門毛坯的缺陷及成因，論證了氣門毛坯數字化電鐓控制的氣液控制系統的特點及原理。實驗驗證了數控系統參數優化的調整對毛坯質量的影響。

發動機氣門；毛坯成形；數控系統；氣液控制

1 發動機氣門毛坯成形原理

發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生電壓，兩個電極由工件3導通，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是影響毛坯質量的主要因素。電鐓工藝過程質量控制中的主要缺陷是氣門盤部折疊和過燒等。

折疊現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，氣門在內燃機內工作時極易在此處斷裂。過燒現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，研究動態控制工件塑變溫度和鐓鍛速度的電鐓機控制系統將有效提高毛坯質量。

2 毛坯成形過程數控模型的建立

如上所述，氣門毛坯在電熱鐓粗成形過程中，影響其成形質量的工藝參數很多，各參數之間相互影響、相互制約。各個參數對毛坯質量的影響程度和影響關系不存在明顯的規律，需經過大量實驗驗證尋找其普遍規律，建立控制模型，利用先進的檢測控制技術，采用動態閉環控制，提高毛坯質量。實現動態數控閉環控制的基礎是將主要工藝參數進行動態監測，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、夾緊力等主要參數進行數字化動態控制，并進行采樣分析，及時修正，進而實現動態化的質量控制。

圖3 數控系統結構圖

圖3為數控系統結構圖。中央控制系統采用工控計算機，主要作用是設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，調整供電電流，控制氣液控制系統實時調整壓力和流量，接受檢測系統反饋的檢測信號并及時進行運算處理。在線檢測系統由位移傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、液壓系統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，并將此參數傳送到中央控制系統。中央處理系統對比程序設定參數并及時進行修正，實現動態檢測、動態調整工藝參數。從而實現毛坯鐓鍛的數控控制。

3 單工位數控電鐓機氣液控制系統分析驗證

氣門毛坯成形控制實現數控閉環控制的關鍵是控制氣門成形的各工藝參數的數控閉環動態控制，各工藝參數中較難實現數控控制的參數為毛坯鐓鍛力F的控制。圖4為數控電鐓機氣液比例控制原理圖，該控制系統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動態控制的問題。該系統控制特性如下。

圖4 數控電鐓機氣液比例控制原理圖

3.1 氣-液聯動控制

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

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，比例控制閥根據控制系統的指令信號調整其氣路供氣參數，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

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將檢測到的信號發送到計算機中心，由計算機處理后作出判斷并及時發出指令，及時調整鐓粗過程的工藝參數，實現溫度與位移變化的動態數字化控制。

3.4 產品試驗驗證分析

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

圖5 氣門毛坯成形圖片

4 結論

由以上分析和試驗驗證可知，發動機氣門毛坯的電鐓成形實現數字化控制需要配備可調可控的氣液控制系統，數控技術的實施將對提高工序質量、保證產品質量一致性、減輕勞動強度、降低廢品率等都具有重要作用。

[1]胡學根.氣門電鐓技術[J].內燃機配件，2006，（2）.

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

[3]陳劍.基于人工神經網絡的氣門電鐓工藝參數的選擇[J].鍛壓技術，2006，（5）.

[4]汪國順.氣門電熱鐓粗工藝的數值模擬[J].塑性工程學報，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，從事機電裝備應用技術研發與教學。E-mail：gaoguibao@163.com