（材料加工工程专业论文）智能电镦工艺研究及主要工艺参数的bp神经网络预测.pdf

摘要 摘要 电热镦粗工艺具备设备投资较低、锻件杆部尺寸精度高、各项质量系数较高等 优点。电热镦粗成形过程的工艺参数主要包括镦粗缸活塞运动速度、砧子缸活塞运 动速度、镦粗压力、加热电流以及预热长度等。这些参数的选择是个复杂的问题， 其复杂性不仅在于不同的材料具有不同的力学、电学和热传导特性，而且各参数相 互影响、相互制约。如果，某一参数不稳定或相关工艺参数配合不好，都将造成电 镦生产中的质量缺陷使成品率下降。 本文首先阐述气门生产技术的现状及发展趋势的基础上，研究了电热墩粗工艺 的原理、特点，以及存在的问题，并通过查阅国内外相关的技术文献，分析了气门 坯料在电热傲粗过程中各工艺参数的变化规律和特点。 然后在“球形镦粗法 的基础上，针对智能电镦机，提出了球形镦粗过程加热 电流与压力的理论计算方法，对镦粗过程加热电流与压力等工艺参数进行了设计计 算，并以镦粗位移为基准实现电流与压力的多段设置，通过具体实验表明该设定方 案合理，可靠性高，大大减少了气门电镦生产的废品率，提高了产品的质量和生产 效率。 目前对气门电镦工艺的研究主要集中在定性分析上，虽然采用了数值模拟和理 论推导方式，但是由于电镦工艺的影响因素较多，各因素之间相互作用，并且表示 这些方法的模型都是在许多假设条件下建立起来的，模型的可靠性和置信度差，很 难用于实际生产。因此利用人工神经网络非常适合描述具有黑箱性质和非线性强的 对象的优点，设想将确定电镦工艺参数的问题视为黑箱，影响工艺参数确定的各种 因素作为神经网络的输入，而把要确定的参数作为神经网络的输出，建立起某些复 杂电镦工艺参数确定的模型，本文运用神经网络b p 模型中的l e v e n b e r g - - m a r g u a r d 优化算法对学习样本优化建模，并用合适的学习样本来训练网络，将优化网络的预 测结果与实测结果进行比较，结果表明，b p 神经网络不仅能较好地描述工艺参数确 定过程，还能预测出较为合理的工艺参数控制值。 关键词：气j - j ；电热镦粗；球形镦粗法：人工神经网络；b p 神经网络 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n gp r o c e s sh a sal o w e rc o s to fe q u i p m e n t ，h i g h e rp r e c i s i o n o ft h ef o r g i n gb i l l e ta n db e t t e rq u a l i t i e s t h ep r o c e s sp a r a m e t e r so fe l e c t r i cu p s e t t i n g i n c l u d e ：v e l o c i t i e so f u p s e t t i n gc y l i n d e ra n da n v i l c y l i n d e r , h e a t i n gc u r r e n t ， p r e h e a t i n gl e n g t h a n dt i m e ，e t c b e c a u s ed i f f e r e n tm a t e r i a l sh a v ed i f f e r e n t m e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a la n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e r ea r ee f f e c t sb e t w e e n d i f f e r e n t p a r a m e t e r s ，t h ed e t e r m i n a t i o no ft h o s ep a r a m e t e r sb e c o m e sac o m p l e s p r o b l e m b e s i d e st h o s et h e r ea r em a n ya s s i s t a n tp a r a m e t e r s g o o dp r o d u c t sc o u l db e m a n u f a c t u r e do n l yo nt h ec o n d i t i o nt h a tt h o s ep a r a m e t e r sc o u l db em a t c h e de a c h o t h e r i fs o m eo ft h e ma r ee a s yt ob eu n s t a b l e ，a n dm i s m a t c ha p p e a r sa m o n gs o m e r e l a t e dp a r a m e t e r s ，w h i c hw i l ll e a dt h ei n e v i t a b l eq u a l i t yd e f e c t sa n dar e d u c t i o no f r a t eo ff i n i s h e dp r o d u c td 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 d u r e b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no ft h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h ed e v e l o p i n gt r e n do f v a l v ep r o d u c i n gt e c h n i q u e ，t h ep r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t i n gp r o b l e m so f e l e c t r i c a lu p s e t t i n gi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r ，a n dt h ec h a n g i n gd i s c i p l i n a r i a na n d c h a r a c t e r so fa l lp a r a m e t e r so ft h e t e c h n i q u ea r ea l s oa n a l y z e da f t e rad e t a i l e d c o n s u l to fa l ln a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lr e l a t e dt e c h n i c a ld o c u m e n t s i n t h i sp a p e r , d e p e n d i n go nt h e s p h e r i c a l l yu p s e t t i n gm e t h o d ”o fe l e c t r i c a l u p s e t t i n go fi n t e l l i g e n t ，t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o do fh e a t t i n gc u r r e n ta n d p r e s s u r ei ns p h e r i c a l l yu p s e t t i n gi su t i l i z e d ，c a l c u l a t i n ge a c hp r o c e s so fp a r a m e t e r s s u c ha sh e a t t i n gc u r r e n ta n dp r e s s u r ea n dm a k i n gp a r a g r a p h ss e t t i n g sf o ri tb a s e do n t h e u p s e t t i n gd i s p l a c e m e n t p r a c t i c a lr e s u l ts h o w st h en e wd e s i g n i n gp r o c e s si s r e a s o n a b l e ，w i t hh i g hr e l i a b i l i t y , w h i c hn o to n l yi m p r o v e st h eq u a l i t yo fu p s e t t i n g p r o d u c t i o nb u ta l s oi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na n dr e d u c e st h er e j e c t e d r a t eo fu p s e t t i n gp r o d u c t i o n r e c e n t l ym o s tr e s e a r c ho ne l e c t r i c a lu p s e t t i n gp r o c e s sf o c u so nt h eq u a l i t a t i v e a n a l y s i s a l b e i tt h e s em e t h o d sa d o p tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n da c a d e m i cd e d u c i n g ， t h e s er e s e a r c hi sd i f f i c u l tt ou s ei nt h er e a lp r o d u c t i o n ，b e c a u s et h e r ea r em a n yf a c t o r s i i i n f l u e n e et h ep r o c e s s ，a n dt h em o d e l so ft h e s em e t h o d sa r es e tu pf r o mh y p o t h e s i s ， w h i c hi su n d e p e n d a b l ea n du n b e l i e v a b l e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sh a st h em e r i to f a p p r o p r i a t e l yd e s c r i b i n gt h eo b je c t s ，w h i c hh a v eb l a c kb o xa n dn o n e - l i n e a ra t t i t u d e t h e r e f o r e ，t h ep r o c e d u r eo fc e r t i f y i n ge l e c t r i cu p s e t t i n gp a r a m e t e r si s s e e ma st h e b l a c kb o x ；t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ep a r a m e t e r sa r eu s e da si n p u t s ；a n dt h e p a r a m e t e r s a r eo u t p u t s t h i sm o d e li ss e tu p ，s t u d y i n gs a m p l e sw e r em o d e l e da n d o p t i m i z e dw i t hl e v e n b e r g - - m a r g u a r d ta l g o r i t h mo fb p n e u t r a ln e t w o r km o d e l s ，a n d e n o u g hs u i t a b l e d a t as a m p l e sa r eu s e dt ot r a i na n n t h ep r e d i c t i o nr e s u l t so ft h e n e u t r a ln e t w o r kw e r ec o m p a r e dw i t ht h ed e t e r m i n e dr e s u l t si n d i c a t e dt h a tb pn e t w o r k n o to n l yd o e st h i sm e t h o dd e s c r i b et h ep r o c e d u r eo fp r o c e s s ，b u ta l s oc a np r e v i e w r e a s o n a b l ec o n t r o lp a r a m e t e r s k e y w o r d s ： v a l v e ；e l e c t r i c a lu p s e t t i n g ；s p h e r i c a l l yu p s e t t i n gm e t h o d ；a r t i f i c i a l n e u r a ；b pn e u r a l n e t w o r k i i i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i i i c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i c h a p t e r1e x o r d i u m s 1 1 1 b a c k g r o u n d 、a i m a n dr e s e a r c hm e a n i n go f t h es u b j e c t 1 1 2r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ep r o g r a m e 1 1 3r e s e a r c ho b j e c t i v e sa n dr e s e a r c hc o n t e n t so f t h ep r o g r a m e 3 c h a p t e r2t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ep r o c e s so f t h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n g 5 2 1t h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，f e a t u r e sa n dp r o b l e mo fe l e c t r i c a lu p s e t t i n ga n d f e a t u r e so f e l e c t r i c a lu p s e t t i n go f i n t e l l i g e n t 5 2 1 1p r i n c i p l eo f t h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n g 5 2 1 2f e a t u r e so f t h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n go f t r a d i t i o n a l 5 2 1 3t h e p r o p l e m o ft h ee l e c t r i c u p s e t t i n g m a c h i n ea n du p s e t t i n g p r o c e s s 6 2 i 4f e a t u r e so ft h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n go fi n t e l l i g e n t 7 2 2a n a l y s i so f t h er e s i s t a n c ei nu p s e t t i n gp r o c e s s 9 2 2 1a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h ec o n t a c tr e s i s t a n c e 9 2 2 2r e s i s i t a n c ec h a n g ei nt h ep r o c e s so fe l e c t r i c a lu p s e t t i n g 10 2 3a n a l y s i so fp r o c e s so fe l e c t r i c a lu p s e t t i n go fv a l v e 1 2 2 3 1m e t a lf l o w i n go f t h ep r o c e s so f e l e c t r i c a lu p s e t t i n g 1 2 2 3 2t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ep r o c e s so fe l e c t r i c a lu p s e t t i n g 1 3 2 4a n a l y s i so f p a r a m e t e r so f t h ep r o c e s so f e l e c t r i c a lu p s e t t i n g 1 6 2 4 1r e q u i r e m e n t sf o rr o u g h 1 6 2 4 2t h ei n i t i a ld i s t a n c e j 1 6 2 a 3t h eh e a r i n gc u r r e n t 1 6 2 4 4t h et e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r e 1 7 v i i 广东工业大学硕士学位论文 2 4 5t h es t e pe l e c t r o d ea n dt h es t e pf o r c e 1 8 ：! 4 6t h eg e o m e t r i ca c c u r a c yo f t h em a c h i n e 1 8 2 4 7r e q u i r e m e n t sf o rh a m m e r 1 8 c h a p t e r3r e s e a r c ho nt h ee l e c t r i c a lu p s e t t i n go fi n t e l l i g e n ta n d t h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r ss e t t i n g 2 0 3 1a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 2 0 3 1 1a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f t h eu p s e t t i n gs p e e d 2 0 3 1 2a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f t h ec u r r e n t 2 2 3 1 3a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no f t h ep r e s s u r e 2 4 3 1 4w o r k i n gd i s p l a c e m e n tc a l c u l a t i o no fc y l i n d e ra n du p s e t t i n g 2 4 3 2c a l c u l a t i o no f t e c h n i c a lp a r a m e t e r s 2 5 3 2 1c a l c u l a t i o no ft h ed i s p l a c e m e n to fc y l i n d e r u p s e t t i n g a n d c y l i n d e r h a m m e r ：! ! ； 3 2 2c a l c u l a t i o no f t h ec u r r e n ta n dp r e s s u r e 2 5 3 3e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ：1 6 3 3 1 e x p e r i m e n t a lp r o g r a m ：1 6 3 3 2e x p e r i m e n t a ls u m m a r y 3 1 3 4c o n c l u s i o no f t h ec h a p t e r 3 4 c h a p t e r4b pn e u r a ln e t w o r km o d es e tu pa n df o r e c a s t e do f t h em a i np a r a m e t e r so f e l e c t r i c a lu p s e t t i n g ：；! ； 4 1b pn e u r a ln e t w o r k 3 5 4 1 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo f t h eb pn e u r a ln e t w o r k 3 5 4 1 2t h el e a r n i n ga l g o r i t h mo f t h eb pn e u r a ln e t w o r k 3 6 4 1 3t h ed e s i g n a t o ro f t h eb pn e u r a ln e t w o r k 4 0 4 1 4d a t an o r m a l i z e d 4 2 4 2b pn e u r a ln e t w o r km o d es e t u po ft h em a i np a r a m e t e r s o fe l e c t r i c a l u p s e t t i n g 4 ：； 4 2 1t h ef a c t o r so ft h em a i np a r a m e t e r so fe l e c t r i c a lu p s e t t i n g 4 3 4 2 2b pn e u r a ln e t w o r km o d eo f p r e s s u r e 4 4 4 2 3b pn e u r a ln e t w o r km o d e o f h e a t t i n gc u r r e n t 4 4 c o n t e n t s 4 2 4b pn e u r a ln e t w o r km o d eo f t e m p e r a t u r e 4 5 4 3b pn e u r a ln e t w o r km o d ef o r e c a s t e do ft h em a i np a r a m e t e r so fe l e c t r i c a l u p s e t t i n g 4 6 4 3 1t r a i n i n gs a m p l e ss e l e c t e d 4 6 4 3 2b pn e u r a ln e t w o r km o d ef o r e c a s t e do f p r e s s u r e 5 0 4 3 3b pn e u r a ln e t w o r km o d ef o r e c a s t e do f h e a t t i n gc u r r e n t 5 6 4 3 4b pn e u r a ln e t w o r km o d ef o r e c a s t e do ft e m p e r a t u r e 6 1 4 4c o n c l u s i o no f t h ec h a p t e r 6 7 c o n c l u s i o na n dp e r s p e c t i v e 6 8 r e f e r e n c e 7 0 p u b l i s h e dp a p e r sa n dp a y o f f s 7 4 o r i g i n a lc r e a t i o na n n o u n c e m e n t 7 5 a c k n o w l e d g e m e n t 7 6 a p p e n d i x 7 7 i x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景、目的和研究意义 气门是发动机的“心脏零件 ，随着我国汽车制造工业的快速持续发展，对气 门的品种及数量的需求越来越大；随着汽车尤其是轿车发动机向强化发动机方向发 展，对气门的质量要求越来越高【1 1 。由于气门的头部与杆部横截面积相差甚大，长 径比超过了常规镦粗工艺的允许范围，一次镦粗的最大长径比可达3 5 t 2 1 ，所以不能进 行直接镦粗，终成形前必须使用特殊的方法制坯聚料。 目前气门生产有两种生产工艺方法【3 】：一种是采用电镦制坯，然后在螺旋压力 机上终锻成型；一种是热挤压制坯，然后镦锻成型。电镦是广东怀集汽车配件制造 有限公司气门毛坯的主要生产方式。电热镦粗是利用工件本身的电阻，在通以低电 压大电流的同时附3 口# 1 - 力，当工件被加热到塑性变形温度时逐渐被镦粗的过程。棒 料在这个过程中边被加热边被镦粗，且是局部镦粗连续进行。电镦过程涉及的工艺 参数较多，某一参数不稳定或相关工艺参数配合不好，都将造成电镦生产中的质量缺 陷，使成品率下降。而这些参数的确定基本取决于操作工的经验，但人的经验往往 是不太可靠的。因此采用合理而有效的方法来选择工艺参数与确保工艺的稳定性是 关键。 、 本文研究电热镦粗塑性成形原理【4 1 ，结合本课题组早期研究的结论，针对智能 电镦机，在“球形镦粗法 的基础上，提出了球形镦粗过程加热电流与压力的理论 计算方法，对镦租过程加热电流与压力等工艺参数进行了设计计算，并以镦粗位移 为基准实现电流和压力的多段设置，建立了电热镦粗中主要工艺参数( 顶镦压力、 加热电流、电镦温度) 的b p 神经网络模型，通过大量样本训练，实现了这些参数较 高精度的预测，课题的完成实现了对电镦工艺控制参数的定量优化，从理论到实践 表明合理优化的参数，降低了产品的废品率，大大提高了气门生产的经济效益。 1 2 本课题的国内外研究现状 气门具有一个直径比杆部大得多的法兰头部，很显然，简单地依靠车削的方法 来生产，材料利用率太低，必须先采取压力加工的方法来进行塑性聚料【5 1 。气门的 广东工业大学硕士学位论文 综合机械性能主要取决于气门锻件。国外在1 9 5 5 年取得了电热镦粗工艺的初步成 果，至6 0 年代，英国、前苏联、德国、美国相继开始使用电热镦粗工艺生产气门锻 件。其后前苏联于6 0 年代末7 0 年代初开始研究和应用热挤压工艺生产气门锻件， 美国也于7 0 年代末开始研究和应用热挤压工艺生产气门锻件。同电热镦粗工艺相比 较，挤压制坯其变形区处于三向压应力状态，有利于提高材料的塑性，另外还可采 用热轧钢材做坯料，坯料成本低，生产效率高，将是气门生产发展的最终趋势。但 由于热挤压生产线一次性投资较大，技术难度也较大，普遍推广尚有困难。 尹希猛等人把电热镦粗过程分成始镦阶段和终镦阶段，直观地分析了镦粗缸活 塞运动速度、砧子缸活塞运动速度、镦粗压力及加热电流等参数对产品质量的影响 作用 6 1 ；胡亚明等总结了加热电流、镦粗温度、顶镦力、加紧电极加紧力、毛坯长 度等电热镦粗工艺参数的估算方法，并介绍了预热长度、加热电流、镦粗力、镦粗 速度等工艺参数的调整经验【7 i ；俄罗斯的k o m m e l ，l a 等采用实验方法研究了钛合 金的电镦成形，研究变形条件对金属热物理性能的影响，以此来确定电镦时的镦粗 压力1 8 l 【9 1 ，并采用电镦工艺加工压缩机钛合金和高温合金的叶片，研究表明叶片疲劳 强度提高1 3 - 1 7 倍【1 0 】【1 1 1 ；韩国的j e o n gh s ，c h oj r 等人对船用柴油发动机的高 温镍合金大气门的电镦成形过程进行了研究，运用q f o r m 对电镦成形过程进行数值模 拟，并与实验结合优化加热电流和镦粗压力，但模拟时仅对金属的变形进行分析， 未考虑电热力的耦合作用【1 2 】；国内华中科技大学的夏巨谌、汪国顺等人运用a n s y s 软件对电镦的导电导热进行数值模拟，而运用d e f o r m 软件对电镦的变形过程进行模 拟，两者之间相互独立，没有实现电热力耦合变形的数值模拟，另外，还采用神经 网络的方法对电镦成形工艺参数进行了优化【”1 【1 4 1 ；刘天湖等对电镦过程各工艺参数 进行分析并确定了各自的计算方法【1 5 】。孙友松等首次提出了“球形镦粗法 原理， 使工件镦粗部位在成形过程中一直保持球台形，从而可以获得满意的产品外形，并 且用自行设计的计算机控制物理模拟装置试验表明“球形镦粗法”的可行性，而且 明显优于传统电镦工艺的速度设计方案【1 6 】。 电镦工艺中的热学过程亦是个十分总要的问题。产生废品的原因都直接或间接 与温度有关，因此工件温度是电热镦粗工艺过程中一个最重要控制变量。东北大学 的高德福等人对电热镦粗工艺中的通电加热机理进行了理论指导，建立了非稳态、 有内热源及变化电阻率的导热微分方程，并采用傅立叶变换进行了定解问题的求解 1 7 1 。才金正等人就钛合金棒料局部加热、局部成形问题采用有限元技术模拟了加热 2 第一章绪论 过程中的热应力场，讨论了温度场对钛合金内部热应力的影响，认为这种局部加热 过程中产生的热应力非常小，不会产生热烈缺陷f 1 3 】。 在电热控制方面，刘敬余等人曾研究过基于学习的专家系统，使专家控制的知 识、数据具备了在线获取和修改的能力【l9 1 ，并提出了使用晶闸管变周期过零触发电 路调节加热温度的方法【2 0 1 【2 1 1 ，然而因它是完全基于工人操作的，控制效果直接与工 人的操作有关，每个重复的工艺过程一成不变，不具备可控性和反馈能力。 国内汽车配件中的气门生产企业，也对气门毛坯电镦成形作了一些实验研究， 主要在电镦缺陷分析、工艺及装备的控制，电镦后终锻成形的模具等方面，他们的 研究多注重工艺过程失效原因和机理的分析，并提出了许多可供借鉴的质量控制方 法，例如锻件质量分析编写组编著的锻件质量分析。吕炎编著的锻件缺 陷分析与对策都详细分析了各种锻造缺陷的成因【2 2 1 1 2 3 1 ；肖小亭等人对电镦成形中 产品缺陷原因( 包括晶粒粗大、过热和过烧、裂纹、歪斜、头部形状不均匀和头部 折叠等) 也进行过分析并提出了质量控制策略1 2 4 1 。 总结起来，这些研究存在两种倾向：一种是只着眼于研究工艺和成形规律的特 性，研究的方法已不适于智能型电镦机计算机控制的要求：工艺参数的计算方法基 本是估算，都要设置附加的不确定的系数，某些系数的取值范围甚至从l 至u s ；另一 种是对工艺的研究不足，只注重控制方法的研究，而未能从控制技术与成形原理结 合起来，控制方案缺乏理论指导。因此都未能从根本上解决问题，设计的系统也缺 乏对工艺条件变化的自适应能力( 缺乏动态适应特性和对工作环境的适应能力) ， 可控性差。 1 3 本文的研究目标和研究内容 本文在广东省自然科学基金和华中科技大学模具国家重点实验室开放基金的资 助下，对电镦成形工艺进行了系统的研究。本课题组前期的研究工作表明：因为影 响电镦成形的工艺参数多，各不同性质工艺参数间存在相互作用，所以不能对所有 工艺参数进行控制，只能控制部分参数；如控制参数选择不对或控制不当，都将对 电镦成形过程产生显著影响。本文首先阐述气门生产技术的现状及发展趋势的基础 上，研究了电热墩粗工艺的原理、特点，以及存在的问题，并通过查阅国内外相关 的技术文献，分析了气门坯料在电热镦 粗过程中各工艺参数的变化规律和特点。然后在“球形镦粗法”的基础上，针 广东工业大学硕士学位论文 对智能电镦机，提出了球形镦粗过程加热电流与压力的理论计算方法，对镦粗过程 加热电流与压力等工艺参数进行了设计计算，并以镦粗位移为基准实现电流和压力 的多段设置，最后利用人工神经网络非常适合描述具有黑箱性质和非线性强的对象 的优点，将确定电镦工艺参数的问题视为黑箱，影响工艺参数的各已知种因素作为 神经网络的输入，待确定的参数作为神经网络的输出，建立起电镦工艺参数b p 神经网 络模型，通过足够的数据样本训练神经网络，来描述并预测电镦工艺参数，从而为 气门的定性分析提供了合理的科学依据。 4 第二章气门电热镦粗工艺过程理论分析 第二章气门电热镦粗工艺过程理论分析 2 1 电镦机的结构、工作原理、优点、存在的问题以及智能电镦机 的特点 2 1 1 电镦机的工作原理 电镦是生产发动机气门毛坯的一种主要工艺方法。图2 1 为典型的电镦机结构示 意图，其实际工作过程为：工作初始，砧子5 以小距离靠近导电夹持4 ；坯料放人两夹 持中间夹紧后，镦粗缸l 推动砧头2 前进直到与砧子在轴向压紧坯料；此时，导电夹 持与砧子间通上大电流使其中间的一段坯料短路加热，同时工作缸推动砧头以y ，的 速度前进，而砧子以同样的速度后退初始距离s ，这段距离控制坯料初始变形区域的 预热时间：然后砧子以较低的速度后退，以提供坯料变形的空间，砧头以较高的速 度y ，前进使处于导电夹持与砧子间的部分坯料镦粗成形；完成成形后，电流断开， 电镦机复位。 图2 1 电镦机原理示意图 f i g u r e 2 - 1s c h e m a t i cp r i n c i p l eo fe l e c t r i c a lu p s e t t i n gm a c h i n e 卜镦粗缸；2 砧头；3 一坯料；4 一导电夹持；5 一砧子；6 一砧子缸 2 1 2 电热镦粗工艺的优点 电热镦粗工艺是一种少无切削的锻造工艺，它是电接触加热和镦粗变形的有效 工艺结合。电镦工艺一般用于对细长金属杆件或管件进行加热和墩粗。被加热和镦 粗的部位可在杆件的任何部位( 端部或中间部位) ，细长杆一次被加热镦粗的金属积 广东工业大学硕士学位论文 聚量可以是杆径的几十倍，最高可达6 3 倍。利用电热镦粗后毛坯的热量足够进行下 一步模锻成形。气门生产采用电热镦粗工艺的优点主要如下【2 5 】： ( 1 ) 生产率高，无冲击振动，劳动条件较好。以解放牌汽车气门为例，单机可达 2 0 0 件d , 时，六工位电热镦机单件可达i 0 0 0 件小时。 ( 2 ) 材料利用率高，空气锤锻打气门时，材料利用率为4 0 左右，电热墩粗工艺 可达8 0 以上。 ( 3 ) 锻件力学性能较好，精度有提高，且加工余量小，可减少机加工工时。由于 电镦成形升温速度快，表面氧化皮较少，变形区微观结构为等轴均匀微小晶粒，比 原始相更小的相q 和b 相的混合物，没有奥氏体层，且金属纤维分布合理，能符合 工作时的承载要求。 ( 4 ) 对于锻造温度范围较窄的钛合金和耐热合金，特别适宜采用电热镦粗。因为 电镦工艺加热时间短，氧化程度轻，有利于提高终锻模寿命，且单只气门镦锻模具 费用大约只有0 1 元。 ( 5 ) 减轻了工人的劳动强度，改善了劳动条件。单机自动化一人可以看管几台电 镦机，容易建立自动生产线或半自动生产线。 2 1 3 普通电镦机的特点即工艺存在的问题 图2 - 2 所示为一个普通的电镦机工作原理图【2 6 】。 图2 2 普通电镦机工作原理图 f i g u r e 2 - 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fn o r m a le l e c t r i c a lu p s e t t i n gm a c h i n e 它的主要特点： ( 1 ) 变压器1 0 有若干抽头，只能在工作前选定一输出电压，也就是说在工作过程 中，输出电压是不变的，因而加热电流是不可控的； ( 2 ) 镦粗缸6 及砧子缸7 的速度分别由调速阀4 和5 控制，它们在工作过程中也只能 6 第二章气门电热镦粗工艺过程理论分析 有一个恒定的值，不能实时控制； ( 3 ) 镦粗压力由调压阀1 设定，工作过程中只能是一个事先设定的值，不能在线 控制。 普通电镦机工艺存在的问题如下： ( 1 ) 电镦过程中的所有参数只能是初始设定值，而在实践中，由于棒料的初始 温度为常温，要求在始镦时有较大的电流以确保获得所需的成形温度和不产生环圈， 而随着“蒜头的增大和温度的提高，电阻随之增大，传统电镦机不能实时改变电 流的大小去适应变化的电阻。 ( 2 ) 电流i 是以工件的内阻及两级间的电压为主要决定因素，在电镦过程中，应 确保工作的温度在规定的范围内，及额定值土2 0 ，以防止过热、过烧、开裂、起皱 等缺陷导致产品存在内在质量隐患。传统的电镦机在电热镦粗过程中并不能实时改 变电流的大小以适应温度变化的需要。 ( 3 ) 顶镦压力的稳定性不好，随着电镦过程的进行，电镦机有缸内温度上升和油 缸本身的磨损及电压的变化，系统压力会变得很不稳定，由于传统的电镦机不能进 行连续监控，无法自动适应这些变化，会导致顶镦压力不稳定。 ( 4 ) 砧子缸速度为恒定值，砧子缸的后退速度直接影响蒜头的形状，其形状的一 致性与毛坯的成形精度密切相关，理想的行程过程应使得砧子的速度在每个循环都 是一个变量，按曲线的要求调节，显然传统电镦机无法实现。 ( 5 ) 参数的再现性不好，参数的再现性是确保更换品种时的重要问题，由于设备 的性能差异及常规监控仪表的精度问题，每次更换品种时都需要重新验证参数，并 要做多次试验，这样会产出很多废品，且影响工作效率。 ( 6 ) 行程不确定，砧子缸和顶镦缸的行程是控制蒜头总长的主要参数，而电镦机 砧子是需要更换的易损件，会因砧子高度的不同而影响成形总长。 ( 7 ) 电镦温度的不可控，传统电镦机在成形过程中成形温度为一个变量，无法实 现反馈控制。 2