（材料加工工程专业论文）电镦机气—液联合驱动系统研究.pdf

摘要 摘要 气门是发动机的“心脏 零件，近年来随着汽车产量激增及对性能要求的提 高，对气门的制造提出了越来越高的要求。国内生产气门锻件毛坯普遍采用电热 镦粗成形工艺。电镦过程涉及的工艺参数较多，如何通过优化工艺参数改进电热 镦粗工艺，这方面国内外学者已经做过大量研究，但是对于电镦机本身驱动系统 的研究还很少。随着气动、液压技术的不断进步和应用领域与范围的不断扩大， 对电镦机的质量也提出了更高的要求。如何提高电镦机的控制精度，增强环境适 应能力，改进动态品质，缩短设计周期，优化系统方案成了人们亟待解决的问题。 本文针对电镦机驱动系统的研究，对提高电镦机的质量具有重要意义。 本文在总结国内外电镦机驱动系统的基础上，本着实用、可靠、投资少的原 则，按照企业的要求，着重进行了电镦机气一液联合驱动系统设计、计算、选件、 安装、调试。为了分析比较全液压驱动和气一液联合驱动电镦机的动态性能，针 对这两种不同的驱动系统建立了数学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱的递阶结 构向上构造出了整个系统的大模型，并根据实际情况对模块参数赋予合适的数值。 按照输入阶跃信号对系统进行了仿真。对仿真结果进行分析。在仿真的基础上， 再对两种不同驱动方式的电镦机进行实验研究，由仿真及实验结果表明： 1 经过现场实验，运行结果表明：作者设计的电镦机气一液联合驱动系统工 作稳定，整体设计合理、技术先进、性能可靠、成本低，实现了预期的设计目标。 2 仿真及实验所得镦粗缸进气腔压力曲线基本吻合，证明所建立的仿真模 型是准确有效的。 3 仿真及实验结果表明：气一液联合驱动电镦机相比全液压驱动电镦机具 有更好的动态特性，镦粗过程中镦粗力更稳定。 作者提出的对电镦机工作装置驱动系统的建模与仿真方法，对进一步分析影 响其动态品质的因素，提出改进的措施也有指导意义。 关键词：电镦机；气一液联合驱动系统；液压系统；建模；仿真 广东t 业大学硕一卜论文 a b s t r a c t v a l v e sa r eo ft h ek e yp a r t so fe n g i n e s w i t ht h ei n c r e a s i n go fp r o d u c t i o na n d p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fa u t o m o b i l e si nr e c e n ty e a r s ，t h er e q u i r e m e n t sf o re n g i n e v a l v em a n u f a c t u r i n ga r ei n c r e a s e da c c o r d i n g l y e l e c t r i c a lu p s e t t i n gi sw i d e l yu s e di n o u rc o u n t r y d u et ot h ev a r i e t yo fp a r a m e t e r sd u r i n ge l e c t r i c a lu p s e t t i n gp r o c e s s ，b o t h d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r sh a v ed o n em u c hr e s e a r c hw o r ki nh o wt oi m p r o v e t h ee l e c t r i c a l u p s e t t i n gp r o c e s sb yo p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r s r e g a r d i n gt o t h e e l e c t r i c a lu p s e t t i n gm a c h i n ei t s e l f , t h e r ei s v e r yl i t t l er e s e a r c ho nt h et r a n s m i s s i o n s y s t e m w i t ht h ep r o g r e s s i n ga n da p p l i c a t i o ne x t e n s i o no fp n e u m a t i ca n dh y d r a u l i c t e c h n o l o g y ，p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o re l e c t r i c a lu p s e t t i n gm a c h i n e sh a v eb e e np u t f o r w a r d h o wt oi m p r o v et h ec o n t r o lp r e c i s i o no ft h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n gm a c h i n e ， s t r e n g t h e ne n v i r o n m e n t a la d a p t i v ea b i l i t y ，i m p r o v ed y n a m i cp e r f o r m a n c e s ，s h o r t e n d e s i g nc y c l e ，a n do p t i m i z es y s t e m a t i cs c h e m ea r et h ep r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d u r g e n t l y s t u d y i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp n e u m a t i ca n dh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n s y s t e mo fe l e c t r i c a lu p s e t t i n gm a c h i n ei si m p o r t a n tf o ri m p r o v i n ge l e c t r i c a lu p s e t t i n g m a c h i n ep e r f o r m a n c e s b a s e do n s u m m a r i z i n g t r a n s m i s s i o ns y s t e m so fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l e l e c t r i c a l u p s e t t i n gm a c h i n e sa n da c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l e s o fp r a c t i c a b i l i t y ， r e l i a b i l i t y ，e c o n o m i z a t i o n a n dt h ee n t e r p r i s e r e q u i r e m e n t s ，ap n e u m a t i c - h y d r a u l i c c o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d i no r d e rt oa n a l y z ea n d c o m p a r et h ep n e u m a t i c h y d r a u l i cc o m p o s f f et r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h ee n t i r e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h em a t h e m a t i cm o d e l so ft w od i f f e r e n tt r a n s m i s s i o n s y s t e m sw e r es e tu p u t i l i z i n gt h eu p w a r ds t r u c t u r eo fm a t l a b s i m u l i n kt o o l b o x ，t h e a u t h o rp r o d u c e dw h o l em o d e lo ft h es y s t e m t h em o d u l ep a r a m e t e r sv a l u e sw e r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s t h es t e pr e s p o n s e sw e r es i m u l a t e da n d t e s t e d t h en u m e r i c a ls i m u l m i o na n dt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o w n ： 1 t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sr e a s o n a b l ei nt h ew h o l ed e s i g n ， a d v a n c e di nt e c h n o l o g i e s ，r e l i a b l ea tp e r f o r m a n c e sa n de c o n o m i c a la tc o s t t h es y s t e m i sa p p r o v e dt oh a v ea c h i e v e dt h ee x p e c t e dr e s u l t s i i a b s t r a c t 2 t h ep r e s s u r ec u r v e sf r o mt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sw e r e a p p r o x i m a t e l yc o i n c i d e de a c ho t h e r ，p r o v i n gt h a tt h es i m u l a t i o nm o d e li sa c c u r a t ea n d e f f e c t i v e 3 t h ec o m p a r i s o no fp n e u m a t i c - h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e m 、访mt h e e n t i r e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e ms h o w nt h a tt h ef o r m e rs y s t e m sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sw e r eb e t t e r t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nm e t h o do ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ee l e c t r i c a l u p s e t t i n gm a c h i n ew h i c ht h ea u t h o rp u tf o r w a r dh a v eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei ns t u d y i n g i n f l u e n c e so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st oe l e c t r i c a lu p s e t t i n ga n dp u t t i n gf o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n tm e a s u r e s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lu p s e t t i n gm a c h i n e ；p n e u m a t i c h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o n s y s t e m ；h y d r a u l i cs y s t e m ；m o d e l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 广东工业大学硕上论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指刷币粹们仅犯 论文作者签字：夕争胡 知名年6 月z 日 7 0 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于广东省自然科学基金资助项目“电镦成形机理及其工艺过程最 优控制的研究 ( 编号：9 9 0 1 4 1 ) 和广东省教育部产学研结合示范基地项目( 编号： 2 0 0 7 8 0 9 0 2 0 0 0 2 7 1 。 1 1 2 课题研究的目的和意义 内燃机进、排气门是发动机的重要零件，广泛应用于汽车、船舶、农机行业。 虽然它的几何形状比较简单，但其尺寸精度、表面质量和机械性能要求很高。发 动机气门是典型的带盘细杆类零件，由于头部与杆部横截面积相差甚大，长径比 超过常规镦粗工艺的允许范围( 如发动机气门镦粗部位长径l l l d 达1 0 以上，常规 镦粗不超过3 ) ，不能直接镦粗。终成形前必须使用特殊的方法制坯料，电镦是实 际中常用的一种方法“1 。 电镦质量好坏对气门质量及生产成本有极大的影响。气门电热镦粗生产中常 出现两大难题：一是砧子与夹头间的初始距离a 、镦头前进速度v 。、砧子后退速 度v 。、加热电流i 与顶镦力p 五个参数难于合理配置；二是头部“蒜头 形状难 于控制。由此，常出现“蒜头 表面裂纹而导致锻件废品率高。随着汽车行业的 迅速发展，气门由传统的2 气门向3 气门、4 气门、甚至5 气门方向发展，对气 门的数量和品种需求越来越多，对其质量要求越来越高，尤其是随着发动机向强 化方向发展，对其质量和综合机械性能的要求相应会越来越高。为适应这一变化， 一方面系统地研究电热镦粗工艺，建立电热镦粗工艺参数的确定方法，确定电热 镦粗工艺过程的控制方法，设计计算机控制系统；另一方面，对电镦机驱动系统 动态特性进行研究，优化驱动系统设计。进年来出现了一种采用气一液联合驱动 系统的新型电镦机，这种新型电镦机工作更稳定，生产的锻件质量更高，适应性 更强，生产率更高且节能性更好。 电镦机传统的驱动方式是液压驱动，采用传统的以完成执行机构预定动作循 环和满足系统静态性能要求的系统设计己不能满足现代人类对电镦机的要求。因 广东t 业大学硕：仁论文 此对于现代气、液压驱动系统的设计研究人员来说，仅仅知道所设计的系统能够 驱动负载从一种状态运动到另一种状态是不够的，还应当知道该负载怎样运动。 设计者不仅要了解系统运动的初始状态和终了状态，更要知道这种响应变化过程 以及这种过程中系统各参变量随时间的变化规律，知道系统的响应是否稳定，响 应速度是否足够快以及响应是否振荡等。 在完成气、液压驱动系统初步设计和气、液压元件初步选择之后，需要进行 气、液压驱动系统动态分析，其中包括建立驱动系统动态模型和对模型求解来分 析系统动态特性和预测系统动态响应，找出影响系统动态特性的因素，这是非常 重要而关键的一步。将所获得的动态分析结果和动态响应与所期望的响应进行比 较，若所获得的动态分析结果和动态响应品质令人满意，就可以进行最终设计， 否则就应修改设计，重新进行动态特性分析。对气、液压驱动系统进行动态特性 研究，了解和掌握气、液压驱动系统工作过程中动态工作特性和参数变化，以便 进一步改进和完善气、液压驱动系统，提高气、液压驱动系统的响应特性，提高 运动和控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。 对气、液压驱动系统进行动态分析，一方面保证所设计的驱动系统具有良好 的动态特性和响应特性：另一方面若拟用的系统具有不能令人满意的动态特性情 况下，如何对系统进行修改和完善，使其动态特性趋于满意。借助数字仿真来预 测气、液压驱动系统的静态、动态特性是个定量的研究过程，可以大大缩短气、 液压系统设计和调整的时间，并能节约成本。在当今快节奏的社会中，谁能更快 的生产出新产品，谁能更节约成本，谁就能在激烈的市场竞争中占据主动，谁就 具有强大的生命力。因此驱动系统动态特性分析己成为现代电镦机驱动系统设计 和改进中的一个重要组成部分，对电镦机气、液压驱动系统进行动态特性分析和 动态设计的研究具有重要的现实意义。 1 2 课题主要研究内容及研究方法 本课题在对电镦机驱动系统进行分析总结的基础上，设计气一液联合驱动系 统的新型电镦机，然后就全液压驱动电镦机和气一液联合驱动电镦机分别建立数 学模型，利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱进行仿真研究，通过设置阶跃的输入 信号，观察工作过程中驱动系统最重要参数变量一镦粗缸输出压力随时间的变化 规律，分析系统的动态响应情况，进而比较两种不同驱动系统电镦机在相同工况 2 第一章绪论 下的动态品质，为改进和设计新型电镦机提供理论依据，使系统具有更好的工作 性能。 1 2 1 主要研究内容 ( 1 ) 在分析国内外典型电镦机驱动系统的基础上，归纳出其典型的结构组成， 设计电镦机气一液联合驱动系统。 ( 2 ) 电镦机驱动系统建模：首先建立电镦机机械振动模型，定性比较全液压驱 动系统和气一液联合驱动系统振动强弱；其次建立两种驱动系统的数学模型，进 而利用m a t l a b 软件中的动态仿真工具s i m u l i n k 构造仿真模型。 ( 3 ) 电镦机驱动系统数字仿真：定义仿真模型后，可通过s i m u l i n k 的菜单或 m a t l a b 的命令窗口来对它们进行仿真，得到仿真结果。就仿真结果对两种不同驱 动系统的动态特性进行定量分析比较。 ( 4 ) 系统实现及实验研究：研制新型气一液联合驱动系统电镦机，并用实验的 方法验证该驱动系统的优越性。 1 2 2 主要研究方法 ( 1 ) 将电镦机驱动系统分成各个独立的子系统，考虑单独动作时的工况，基于 流体驱动与控制理论，力平衡理论，推出各个子系统的压力一流量连续方程和力 平衡等方程。 ( 2 ) 建立电镦机驱动系统仿真模型，在m a t i a b s i m u i i n k 程序下进行仿真。 ( 3 ) 在本课题研制的气一液联合驱动系统电镦机和全液压驱动系统电镦机上进 行实验，在实际电镦过程中通过突然改变砧子回退速度来引入阶跃信号，通过压 力传感器和数字示波器等装置记录镦粗力的波动情况，并进行对比分析。 1 3 国内外电镦机的研究概况 西德哈森克列维尔公司在1 9 2 8 年第一个提出了电镦机的专利权，此后，英、 美、苏、法、捷、日等国也相继采用了电镦机。电镦机在我国已有接近五十年的 历史，1 9 5 8 年大跃进时，我国工人群众曾经创造过电镦机，由于特殊的年代，电 镦机这个新生事物也被扼杀在摇篮里了。1 9 6 3 年，上海第一汽车附件厂的广大职 工，自力更生造出了电镦机并应用于生产乜3 。 广东= r = 业大学硕士论文 图1 1 卧式单工位电镦机 f i g 1 1e l e c t r i c a lu p s e t t e ro fh o r i z o n t a lt y p ew i t hs i n g l eh e a d 蕊 、 图1 2 立式双工位电镦机 f i g 1 2e l e c t r i c a lu p s e t t e ro f v e r t i c a lt y p ew i t hd o u b l eh e a d s 电镦机的出现，是汽车发动机进排气门生产的一次重大革命。电镦机出现以 前是采用平锻工艺生产气门毛坯，其生产率低。但是多年来，国产电镦机除有立 4 第一章绪论 式和卧式、大型和小型之分外，如图1 - 1 和图1 - 2 所示，其结构和原理没有太多的 变化。国内外对于电热镦粗成形工艺、工艺参数优化及电镦机智能控制系统方面 的研究很多，而对电镦机驱动系统的研究很少。国内的电镦机大多是全液压驱动 系统的，例如徐少i , i 和中山等地生产的电镦机；气一液联合驱动的电镦机是近两年 在国内才有的，天津的吴鼎精密机械公司综合总结了国# j 夕l - 多种形式、规格的电 镦机的优点，开发出气一液联合驱动电镦设备；目前国外生产气门多采用挤压工 艺，电镦机驱动系统多年来鲜有更新，我国1 9 9 0 进口的澳大利亚福特气门生产线 的d o r m a n 电镦机就是气一液联合驱动系统的。此外国内全电动控制的电镦机目前 还处于研究阶段眵“1 。 1 4 国内外气、液压系统动态特，l 生的研究概况 国内外对于气、液压系统动态特性的研究一直是工程界的一个比较热的课题， 从校内和校外调研的文献来看，关于这方面的研究很多，许多学者和工程技术人 员己做了不少有益的工作，取得了大量的成果。 1 4 1 分析气、液压系统动态特性的方法 分析气、液压系统动态特性所采用的方法有经典的控制理论法、模拟仿真法、 实验研究法和数字仿真法等等。 基于经典控制理论，人们找到了一种利用传递函数进行分析的方法。具体步 骤是一般先根据描述系统的物理方程建立数学模型，写出其增量形式，然后进行 拉氏变换，最后写出传递函数。该方法在复域里，通过相频特性曲线和幅频特性 曲线研究传递函数的属性，分析系统响应特性和稳定性。这种方法特别适合对单 变量的线性定常系统进行分析，其优点是能够简单扼要、形象直观地说明系统中 的许多问题，加之通过多年发展，形成了较完善的理论，使用方便，缺点是这种 方法只适用于初值是零的特定输入( 如阶跃输入、正弦输入) 的线性系统。然而在 实际中，许多气、液压元件和系统都是非线性的、时变的。因此使用这种方法， 必须对非线性环节进行简化和线性化处理，这就难免会给分析结果带来误差。故 采用经典的控制理论分析气、液压元件和系统的动态特性往往具有一定的局限性， 也不可避免的出现误差。 在计算机还没有发展到如今这样普及的时候，人们也曾经用模拟计算机或是 模拟电路来进行气、液压系统动态特性的模拟与分析。模拟计算机是一种连续计 广东工业大学硕士论文 算装置，它把物理模型用电压量表示，通过连续运算，求解描述系统动态特性的 微分方程。该方法的优点是接近实际情况、系统参数调整和调试比较简单，运算 速度快，但最大的缺点是运算精度低。也正因为如此，限制了该方法的应用。 在过去还没有数字仿真等实用的理论研究方法之前，人们找到了一种通过实 验研究，分析气、液压系统动态特性的研究方法。早期研究和设计一个动态系统 时，往往是凭借设计者的知识和经验，用真实的元部件构成一个真实系统，在此 系统上进行大量的实验研究，分析系统结构参数对系统动态性能的影响，通过反 复实验，不断修改，寻求最佳方案。通常称此法为实物实验研究法。通过实验研 究可以直观地、真实地了解气、液压系统动态特性和参数变化，在科学技术比较 落后的时期，它起到了一定的作用。但是要建立一个真实的系统需要花费大量的 人力、物力和时间，而且一次成功的把握性小，变更参数，改变控制方案有很多 困难。因此，用这种方法分析系统周期长、费用大，且不具有通用性。如今，该 实验研究法常常作为对重要的气、液压系统动态特性的数字仿真或其他理论研究 结果进行验证的手段，或是作为对气、液压系统动态建模预仿真方法，对所建模 型与仿真结果进行验证的方法与手段。 随着计算机的发展普及和控制理论的进步，以现代控制理论为基础形成了数 字仿真，为利用计算机技术研究气、液压系统的动态特性开辟了新的途径。该方 法首先是建立描述气、液压系统状态的数学模型，然后通过计算机对气、液压元 件或系统进行数字仿真，求出系统各主要变量在动态过程中的时域解，分析气、 液压元件或系统的动态特性和稳态特性。利用计算机数字仿真来分析气、液压系 统的动态特性，不仅可以研究线性系统，还可以研究各种类型的非线性系统，可 以模拟出任何输入函数作用下系统中各参数随时间的变化规律，从而获得对系统 动态过程直接而全面的了解，具有精确、可靠、经济、适应性强等优点。在己知 拟用系统动态数学模型的基础上，通过数学模型仿真可以预测该系统在各种输入 信号作用下的响应，估价系统的动态性能，并通过一系列优化过程，逐步逼近系 统的最佳目标，从而设计出更精确、完善的气、液压系统，这种分析气、液压系 统动态特性及辅助设计的方法己日益受到重视和应用。该方法数学模型建立的依 据是元件及其组成的系统中力和运动方程、流体力学和热力学方程，同时还要考 虑到油液或气体的粘性变化、压缩性、摩擦特性和管道中非定常粘性阻力等因素， 尽管也有一些不确定因素和在一定程度上的近似，但比起经典的控制理论，更能 6 第一章绪论 完整地描述系统整个工作过程的状态变化，全面的反映系统的真实情况。由于该 方法是在时域中进行动态分析，因此更直观、简便，尤其适用于分析“多输入一 多输出 的非线性复杂气、液压系统，具有准确、经济和易于通用化等优点，有 利于实现气、液压系统设计和动态分析集成和自动化，使工程设计人员摆脱繁重 的设计计算，节省大量的实验研究经费和时间。该方法也是目前应用最多，最有 发展前景的方法1 。 1 4 2 气、液压系统专用仿真软件的发展概况 利用仿真技术建立气、液压系统及元件的仿真模型，模拟实际气、液压系统 进行仿真运算，称为气、液压系统及元件的数字仿真，简称气、液压仿真。随着 数字仿真技术的问世及其在实践中的广泛应用，气、液压系统动态特性的研究便 进入了一个新的时代，国内外在气、液压仿真方面做了大量的研究，从研究对象 讲，大致可分为三个方面：通用气、液压系统方面，专用气、液压系统方面和气、 液压系统综合评价方面。关于该课题的书籍不断问世，研究成果不断出新，人们 也在不断的寻求应用计算机实现自动建模和开发通用的仿真软件。经过三十年的 探索，具有各类专业特点的通用仿真软件不断推出，并得到了较快的推广与发展。 ( 1 ) 国外专用仿真软件的发展概况 在国外，俄克拉荷马州立大学的史密斯等人于1 9 7 3 年研制成功了第一个直 接面向液压技术领域的专用液压系统仿真软件h y d s i m 。1 9 7 4 年德国亚深工业大学 的贝歇开始研制液压系统仿真软件包。2 0 世纪8 0 年代是西欧国家和美国在液压 系统仿真方面取得初步成效的时代，其中d s h 和h a s p 软件包的问世，标志着液压 技术领域内仿真技术的发展进入了一个新的阶段，这两个仿真软件使液压系统动 态特性仿真技术朝着实用化的方向大大迈进了一步。到了2 0 世纪9 0 年代，气、 液压系统仿真软件又有了新的发展。1 9 9 0 年德国亚深工业大学对原来的d s h 进行 了较大的改进，推出了新的采用w i n d o w s 界面的测试版软件，增加了人机交互功 能，并用c 语言对软件进行了重写。1 9 9 4 年由t h em a t hw o r k s 公司推出的第一 个可以运行于m i c r o s o f tw i n d o w s 下的版本，首次引入了基于框图的仿真功能的 环境，该环境就是我们现在所知的s i m u l i n k 。它是一个用来对动态系统进行建模、 仿真和分析的软件包，它和m a t l a b 的无缝结合使得用户可以利用m a t l a b 的丰富 资源，建立仿真模型，监控仿真过程，分析仿真结果，在系统仿真领域得到广泛 7 广东工业大学硕士论文 的承认和应用，至此仿真技术又向前跨出了一大步。 ( 2 ) 国内专用仿真软件的发展概况 2 0 世纪7 0 年代末，我国开始进行气、液压仿真的研究工作。我国是以大学 作为技术依托力量，通过引进国外先进技术，进行吸收消化，进而自主创新，比 较成功的有以下几例。浙江大学于8 0 年代引进了德国的d s h 软件进行二次开发， 取得了多项成果，推出了s i m u l z d 液压仿真专用软件。大连理工大学采用了功率 键合图建模方法，开发了名为s i m 1 液压软件仿真通用软件包，开创了国内采用 功率键合图建模方法的先河。华中科技大学开发出了复杂液压系统智能仿真软件 c h i s p ，实现了面向气、液压系统原理图的自动建模与仿真。此外，哈尔滨工业大 学、上海交通大学、甘肃工业大学、太原重型机械学院等单位的科研人员也在从 事气、液压系统动态特性研究和气、液压系统建模与仿真的开发工作，并取得了 一定的成果盯3 。 1 5 本章小结 本章明确了选择本课题的目的和意义，确定论文要研究的主要内容和研究方 法，指出目前研究气动、液压系统动态特性的方法和手段，为下一步的研究工作 打下坚实的基础。 第二章电镦工艺与电镦机 第二章电镦工艺与电镦机 2 1 电镦工艺概述 所谓电镦，就是利用工件本身电阻在通过低压大电流时产生的热量，实现边 加热边镦粗的过程。电镦之所以在气门行业中被广泛应用，首先从气门外形特征 来看，它是典型的局部加粗的杆形锻件，电镦对此类锻件具有独特的适应性。 电镦与挤压工艺相比较，它具有的优点： ( 1 ) 可以对杆类锻件以长径比在2 0 - - 3 0 以上进行局部镦粗。 ( 2 ) 利用电镦的余热对工件进一步变形，避免了二次加热。电镦工艺是边加热 边镦粗的工艺，所以在镦粗结束后，其温度仍保持在锻造温度范围内，所以不需 要再次进行加热，而可以直接拿去进行进一步变形，即放入模具内锻压成气门形 状。 ( 3 ) 经电镦后的锻件的金属纤维流向符合承载要求，锻件质量高。电镦锻件的 纤维方面完全与锻件外形相似，经机械加工而不被切断，符合杆类零件承受载荷 的要求。 ( 4 ) 加热速度快，氧化皮和其它烧损很小，故生产效率高，材料损耗小，材料 利用率可达7 0 以上。 ( 5 ) 由于电镦属于接触式电加热，其热效率可达9 0 以上，可节约能源。 ( 6 ) 属于自由镦粗，不需要模具，故设备简单且容易制造，造价低。 ( 7 ) 操作简单，减轻了劳动强度，改善了工作环境，容易实现上下料自动化生 产。 ( 8 ) 加热和变形同时进行，不但节省了人力，而且提高了生产效率。 如图2 1 所示砧子1 2 和导电夹持9 是电镦机的夹具，又是接触加热器的电极， 工件儿就在砧子和导电夹持之间被加热。变压器1 0 供给砧子和导电夹持电压，因 工件保持在导电夹持和砧子之间，使导电夹持和砧子呈导通状态，使导电夹持、 工件、砧子和变压器组成一个回路，当变压器初级与电源接通时，工件在导电夹 持与砧子间的部分材料因电阻较砧块和导电夹持大得多而被加热，同时工件受到 镦粗缸6 向上的推力而聚料变粗，同时把导电夹持两件间未被加热的部分“顶”出， 进入导电夹持与砧子之间加热，这个过程连续进行，直到达到预定的长度，此长 9 广东t 业大学硕上论文 度由行程开关撞块调整控制，整个过程才停止。 1 、调压阀2 , 3 、换向阀4 , 5 、流量阀6 、镦粗缸7 、砧子缸 8 、夹紧缸9 、导电夹持1 0 、变压器11 、工件1 2 、砧子 图2 1 普通电镦机工作原理图 f i g 2 1w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo f g e n e r a le l e c t r i c a lu p s e t t e r 2 2 电镦主要工艺参数 2 2 1 电镦机驱动系统压力 电镦机驱动系统压力往往就是镦粗缸和砧子缸使用的压力。压力大小的选择 与如下因素有关： ( 1 ) 气门材料的材质，奥氏体材料需要压力比马氏体材料高。 ( 2 ) 气门材料的几何尺寸，粗短材料需要压力比细长材料高。又细又长的马氏 材料，可选择2 0 - - 一2 5 k g c m 2 。比较粗的奥氏体材料，可选择3 5 - - 一4 0 k g c m 2 。反之， 将出现的不正常情况是：细长马氏体材料上使用较高压力，棒料弯曲弹出来，短 粗奥氏体材料使用较低压力，生产效率低。在温度许可的情况下，为了得到较高 生产效率，往往用较高压力。系统压力是由溢流阀调节控制，并从压力表上显示 出来。 2 2 2 镦粗温度t 与镦粗力p 镦粗温度t 是镦粗最主要的工艺参数。温度过低易产生碎晶甚至裂纹，温度过 1 0 第二章电镦工艺与电镦机 高则导致晶粒粗大，产生过热甚至过烧。据t e t e r i n 等人研究，某些钛合金的最佳 镦粗温度范围只有2 。变形温度的在线实时检测是一件十分困难的事情，但 是镦粗温度t 和变形抗力( 屈服应力) 有着十分密切的关系，很容易从镦粗力p 推算 出变形抗力。而对变形力的检测却十分容易。因此我们可以根据所检测的变形抗 力来推算工件的变形温度阳1 。 2 2 3 棒料的夹紧力 一般是系统压力确定后，棒料的夹紧力基本确定。所以说夹紧力的大小是随 着气、液压系统压力而波动的。往往需要安装一个减压阀来控制夹紧力。要求铜 夹子与棒料杆紧密地接触，使之导电良好。防止因接触不良而引起过烧，“螺丝 头”等缺陷。此外，如果夹紧力过小将造成电镦头偏斜或扭曲。 2 2 4 电镦的起始距离a 电镦的起始距离是指电镦准备阶段中砧子与导电夹持之间的距离，该距离与 棒料的直径d 有关。一般取值为：a = ( 0 7 5 1 5 ) d 。 当a 值太小时，工件端部容易烧化；当a 值太大时，镦粗时容易弯曲，镦头偏 斜或在端部留下“黑心”。 2 2 5 电镦加热电流强度i 根据焦耳楞次定律，镦头上获得的热量与通过镦头上电流强度i 的平方成 正比。因此必须认真选择电流强度i 的大小，否则将存在着如下的可能性：当电流 选择过大时，坯料被烧化，有时可能“开花”；当电流选择过小时，加热时间过 长，镦头温度过低，不能顺利进行电镦。 由于通过镦头的电流非常大，无法直接测试，设备上安装的电流表是反映出 变压器初级电流值i 初。对于同一产品气门而言，其随温度变化的电阻值，在全过 程中应该是某一个相对确定量，根据欧姆定律，电流是随电压变化而变化的，所 以控制加在镦头上的电压也起着同样效果，电镦机通过双向可控硅调节控制变压 器初级电压从而达到控制加在镦头上电压的目的。因电镦机次级输出电压( 加在镦 头上电压) 比较低，在0 5 5 v 之间，有的电镦机设备上安装了测量变压器次级输 出电压的电压表。 广东工业大学硕士论文 2 2 6 镦粗缸活塞杆顶锻运动的距离s ， 该距离是由气门的结构决定的，既由形成气门头部所需积聚料长度决定的， s ，过大，将会使气门杆太短，气门毛坯飞边过大；s 。过小，则会使气门杆太长，而 所积聚材料不足气门头部的体积成为废品，所以在开始生产时需要进行实验。 2 2 7 砧子缸活塞杆后退运动的距离s ： 在电镦过程中，s ：的大小，主要取决于气门所需积聚料长度，并影响最终获 得镦头的形状。s 。过大使镦头端部温度偏低；s 。过小时，使镦头呈扁形，心部温度 过高或烧化。每种气门所需s 。的长度各不相同，可在生产中具体调整。想调整镦 头的形状，s 。非常关键。s ：小，呈蒜头形；s ：大，呈酒杯形。 2 2 8 镦粗缸活塞杆速度v ，和砧子缸活塞杆速度v ： 在镦粗力p 和加热电流i 不变的条件下，镦粗缸活塞杆速度v ，和砧子缸活塞杆 速度v 。将是影响电镦的主要参数。从变形速度来看，镦粗速度v = v 。- v 。 在一般情况下，通常加热电流i 和镦粗力p 确定之后，先选择v 。，v 。的选择应使 坯料不致在初镦阶段失稳而发生弯曲为最大限度。因为必须注意到，当压力开始 加上去时，坯料并未受热达到塑料变形的温度，事实上，它是处于一个受压杆件 的状态。在初步确定了v 。之后，在调整砧子缸活塞杆的后退速度v 。，使加热变形都 能按我们要求的加热镦粗速度进行。若v 。过小，其实质是镦粗速度v 增大，将引起 坯料端部开裂。v 。和v 。直接影响毛坯成型质量，速度过大，或过小均不能得到理想 的镦头形状，它们与镦头的形状和大小，材料的物理性能，直径，表面状况等有 关系，v ，和v 。实际上是决定了加热时间t 。 2 3 电镦机主要驱动方式 2 。3 1 电镦机全液压驱动回路 目前国内使用的电镦机大多采用全液压驱动，所谓全液压驱动是指电镦机所 有动力装置( 镦粗缸、砧子缸、夹持缸，上料系统等) 均为液压驱动。控制元件 为普通溢流阀、调速阀等。 电镦机采用全液压传动有以下特点： ( 1 ) 液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，具有大的功率密度或力密度。 ( 2 ) 液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，并且还可以在 工作过程中对速度进行调节。 1 2 第二章电镦工艺与电镦机 ( 3 ) 液压装置工作平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。 ( 4 ) 液压装置易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和 流量进行调节和控制。 ( 5 ) 液压传动有较多的能量损失( 泄漏损失、摩擦损失等) ，因此，传动效 率相对低。 ( 6 ) 由于液压系统不可避免的泄漏，造成场地污染，还可能引起火灾事故。 ( 7 ) 为了减少泄漏，液压元件在制造精度上要求较高，因此造价高，且对 油液的污染比较敏感。 ( 8 ) 液压传动系统在出现故障时不易诊断。 1 ，2 0 、过滤网2 ，1 8 、油泵3 ，1 9 、电机4 ，1 7 、过滤器5 ，1 2 ，2 3 、减压阀6 、压力表7 , 9 ，1 4 ，1 5 ，2 1 、 电磁换向阀8 ，2 6 、节流阀1 0 ，2 7 、压力继电器11 , 2 5 、单向阀1 3 、单向节流阀1 6 、溢流阀2 2 、 调速阀2 4 、储能器2 8 、夹紧油缸2 9 、砧子缸3 0 、镦粗缸 图2 2 电镦机的液压驱动系统 f i g 2 2h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e mo fe l e c t r i c a lu p s e t t e r 图2 - 2 为大型电镦机的液压驱动系统。系统采用了两套供油回路：夹紧缸和砧 子缸共用一个供油回路，镦粗缸单独由另一个回路供油。这样能较好地避免镦粗 缸在镦粗过程中受其他液压元件动作而引起的压力不稳，从而提高了气门毛坯的 镦锻质量。 ( 1 ) 夹紧回路 广东t 业大学硕士论文 工件加工时夹紧缸须使工件有效夹紧，但施力要适当。夹紧力过大，会增加 镦粗缸的无效推力；过小，则不能形成有效的电加热回路。故在图2 2 所示系统中， 减压阀2 3 控制该油路压力大小，并配有储能器2 4 以保持系统压力不变，压力继电 器2 7 用于控制夹紧力达到后发讯进人下一动作程序。 ( 2 ) 砧子缸控制回路 回路主要由电磁换向阀7 、节流阀8 和2 6 、电磁换向阀9 、压力继电器1 0 及砧子 缸2 9 组成。由电磁换向阀9 和液压元件7 、8 、2 6 等实现砧子调速。砧子缸采用单油 腔控制，加工时，当棒料上行顶紧砧子缸时砧子缸油腔压力达到设定值，压力继 电器1 0 发讯，电磁换向阀动作，同时开始通电加热。 ( 3 ) 镦粗缸的控制及调压回路 回路主要由镦粗缸和单向阀1 1 、减压阀1 2 、单向调速阀1 3 、换向阀1 4 、1 5 、 溢流阀1 6 、过滤器1 7 、油泵1 8 、电机1 9 、过滤网2 0 等组成。由于气门毛坯的质量 与镦粗缸的运行平稳直接相关。因此，采用了单独的供油系统，从而避免了其它 系统中液压元件的频繁动作造成系统压力不稳。镦粗力主要由单向阀1 1 、减压阀 1 2 、电磁换向阀1 4 组成的调速回路加上电磁换向阀1 5 来实现。5 d t 的得电与失电分 别控制镦粗缸进油腔压力的高低；9 d t 和6 d t 的得电和失电控制着镦粗缸的上行与 退回。各电磁铁由各行程开关自动控制陋1 。 2 3 2 电镦机气一液联合驱动回路 气一液联合驱动形式的电镦机，即驱动系统除砧子缸外，其它动力装置动力 源均选用气压。砧子缸是液压缸，但其油压也产生于气压，系统加入气液转换器 装置，气液转换器的上边接主气路，使油液产生与气压相等的压力来控制砧子缸 的运动。 根据企业的调查研究，此种驱动系统的电镦机工作平稳，许多在液压驱动系 统的电镦机上不容易j j n - r 的工件在此机型上均能正常加工，成形质量高且废品率 比全液压驱动电镦机低。 气一液联合驱动系统如图2 - 3 所示： 1 4 第二章电镦工艺与电镦机 1 、气源2 、空气过滤器3 、减压阀4 ，1 4 ，2 0 、电磁换向阀5 、气液转换器6 、比例调速阀7 、 砧子缸8 、旋转马达9 、夹紧缸1 0 、单向调速阀1 1 、镦粗缸1 2 、快速排气阀1 3 、单向减 压阀1 5 、气罐1 6 、单向阀1 7 、增压阀1 8 、压力表1 9 、电气转换器 图2 - 3 电镦机气一液联合驱动系统 f i g 2 3p n e u m a t i c h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e mo f e l e c t r i