陳學(xué)龍，高梅香

（1.江蘇徐航科技股份公司，江蘇 徐州 221000；2.機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

由于壓鑄生產(chǎn)具有生產(chǎn)效率高、鑄件尺寸精度高等優(yōu)勢(shì)，隨著近幾年國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，使得高壓鑄造（壓鑄）獲得了廣泛的推廣應(yīng)用。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件如缸體等具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大等特點(diǎn)，為保證壓鑄質(zhì)量，對(duì)壓鑄機(jī)工藝參數(shù)（尤其是壓射參數(shù)）的控制要求越來(lái)越高。壓鑄機(jī)對(duì)壓鑄質(zhì)量影響最大的就是壓射過(guò)程，壓射參數(shù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性是衡量壓鑄機(jī)性能的重要參數(shù)之一。

隨著液壓伺服控制技術(shù)的發(fā)展，為了滿足現(xiàn)代壓鑄生產(chǎn)的要求，壓射伺服控制系統(tǒng)在國(guó)外壓鑄機(jī)壓射過(guò)程控制中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

伺服控制系統(tǒng)目前主要有MOOGTM伺服閥系統(tǒng)、PARKERTM伺服閥系統(tǒng)、ATOSTM伺服閥系統(tǒng)等。本文主要介紹MOOGTM伺服閥系統(tǒng)及其在壓鑄機(jī)上的應(yīng)用。

1 MOOGTM伺服閥介紹

1.1 MOOGTM射流管式伺服閥原理

MOOGTM公司是創(chuàng)建于1951年，MOOGTM伺服閥廣泛應(yīng)用于軍工、航天、鋼鐵等行業(yè)。

MOOGTM伺服閥產(chǎn)品根據(jù)先導(dǎo)控制方式主要有噴嘴擋板式和射流管式兩種，目前射流管式伺服閥已經(jīng)在壓鑄機(jī)壓射控制上成熟應(yīng)用。其中D661-4580D系列伺服閥在這方面的應(yīng)用最為廣泛。

D661-4580D伺服閥是一種兩級(jí)閥，從圖1可以看出，它的組成主要由先導(dǎo)閥、主閥體和電氣控制回路組成。先導(dǎo)閥（SERVOJET）采用的是射流管的控制方式，其局部放大圖如圖2所示?！癙”口是控制壓力油口，也就是射流管，“A”和“B”口分別是主閥體閥芯的左腔和右腔，也是射流管的接受腔，“O”口是回油口。射流管的上方是偏轉(zhuǎn)線圈，當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈無(wú)輸入信號(hào)時(shí)，P射流管?chē)娚涞膲毫τ头峙涞紸口和B口的壓力油相等，多余的壓力油從“O”口回油箱，此時(shí)主閥芯處于中間位置，中間位置主油路一般是 P、A、B、O通過(guò)細(xì)小節(jié)流都相通，也就是中位的“H”型機(jī)能。

圖1 D661射流管式伺服閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The internal structure of jet servo valve D661

圖2 先導(dǎo)閥局部放大圖Fig.2 Detail of jet servo valve

當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈輸入 “+” 信號(hào)時(shí)，P射流管發(fā)生偏轉(zhuǎn)，射入A腔的壓力油就會(huì)大于B腔，導(dǎo)致主閥芯向右移動(dòng)，使得P→B，A→O連通。同理，偏轉(zhuǎn)線圈輸入 “-”信號(hào)時(shí)，主閥芯左移，使得P→A，B→O連通。偏轉(zhuǎn)線圈輸入電流的大小，決定主閥動(dòng)作的相應(yīng)快慢和主閥開(kāi)口的大小，從而決定液壓回路輸出流量的大小。

此外，主閥芯安裝了位移傳感器 （LVDT），主閥芯位移的值反饋給控制回路，它與輸入的指令信號(hào)進(jìn)行比較，比較的差值再控制先導(dǎo)閥的偏轉(zhuǎn)線圈，最終能夠?qū)崿F(xiàn)輸入指令信號(hào)的無(wú)偏差輸出，從而形成了閉環(huán)控制。其控制的原理見(jiàn)圖3。

1.2 MOOGTM射流管式伺服閥特點(diǎn)

D661-4580D型伺服閥具有如下特點(diǎn)：①大流量高接受率伺服射流管；②高響應(yīng)先導(dǎo)級(jí)；③高分辨率；④主閥芯位移電反饋；⑤集成電子放大器；⑥最高工作壓力：315Bar；⑦額定流量：8～80L/min。

圖3 先導(dǎo)閥控制原理圖Fig.3 Control principle of control schematic

高響應(yīng)是MOOGTM伺服閥的最大特點(diǎn)，它的響應(yīng)頻率為90°時(shí)38～200Hz，壓鑄生產(chǎn)時(shí)壓射過(guò)程從慢速、快速到增壓停止的全過(guò)程一般在10s之內(nèi)，如何實(shí)現(xiàn)壓射速度的準(zhǔn)確控制是考核伺服閥性能最重要的性能指標(biāo)。

圖4 D661伺服閥的空載流量特性Fig.4 No-load flow characteristic of jet servo valve D661

1.3 技術(shù)參數(shù)

流量增益：D661-4580D型伺服閥的空載流量特性參見(jiàn)圖4。

2 壓鑄機(jī)MOOGTM伺服閥系統(tǒng)的組成

2.1 液壓執(zhí)行系統(tǒng)

壓鑄機(jī)MOOGTM伺服閥系統(tǒng)是MOOGTM公司在壓鑄機(jī)上開(kāi)發(fā)的嵌入式壓射控制系統(tǒng)，其實(shí)際應(yīng)用的液壓執(zhí)行系統(tǒng)如圖5所示。

該液壓執(zhí)行系統(tǒng)主要由快排閥（7YH66）和先導(dǎo)閥（8YV1A和8YV1B）組成，通過(guò)控制壓射缸前腔（有桿腔）的排油來(lái)控制壓射活塞桿的速度。前腔排油速度控制是壓射伺服系統(tǒng)速度控制的主要方式，它不僅可以精確控制壓射活塞的速度，防止失速，而且能夠?qū)崿F(xiàn)壓射的剎車(chē)功能，對(duì)壓鑄件的質(zhì)量控制更加方便。壓力傳感器（08BP1和08BP2）是檢測(cè)快排閥的工作壓力，保證快排閥的工作安全。

圖5 壓鑄機(jī)壓射液壓系統(tǒng)Fig.5 Hydraulic system of die-casting machine injection

快排閥下部的A口和B口是它的主油路，通徑φ80mm，最大流量 8000L/min，對(duì)于 φ220mm的壓射缸來(lái)說(shuō)，能夠滿足的最大壓射速度為8m/s。

8YV1A和8YV1B是快排閥的先導(dǎo)控制閥，它就是射流管式伺服閥，它控制著快排閥主閥芯上方的油缸，該油缸活塞的上下運(yùn)動(dòng)直接控制快排閥主閥芯的開(kāi)閉以及開(kāi)口大小，從而實(shí)現(xiàn)壓射油缸前進(jìn)時(shí)有桿腔排油的流量大小，滿足壓射速度的控制。先導(dǎo)伺服閥在液壓執(zhí)行系統(tǒng)中起到的是三位四通換向閥的作用，中位時(shí)是 “H”型機(jī)能。當(dāng)先導(dǎo)閥偏轉(zhuǎn)線圈有正相輸入信號(hào)時(shí)，先導(dǎo)閥變?yōu)橛椅粰C(jī)能：P→A，B→T，控制壓力油P到達(dá)快排閥主閥芯的控制油缸的下腔，同時(shí)上腔排油到回油口T，實(shí)現(xiàn)主閥芯的打開(kāi)。同理有反相輸入信號(hào)時(shí)，先導(dǎo)閥變?yōu)樽笪粰C(jī)能，實(shí)現(xiàn)主閥芯的關(guān)閉。

快排閥主閥芯的上部安裝有位移傳感器，用于閥芯開(kāi)口大小的檢測(cè)，反饋給電氣控制系統(tǒng)，它與指令信號(hào)進(jìn)行比較，快速調(diào)整，構(gòu)成了實(shí)時(shí)反饋的伺服控制系統(tǒng)。

液壓執(zhí)行系統(tǒng)中為了保證先導(dǎo)伺服閥的快速響應(yīng)和吸收沖擊，在控制油路的壓力側(cè)和回油側(cè)分別安裝了0.5L的ACCP和ACCT皮囊式蓄能器。此外為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行還安裝有10μm精密過(guò)濾器、單向閥、安全閥和自動(dòng)卸荷閥等其他液壓附件。

2.5 基質(zhì)效應(yīng)影響 采用LC-MS/MS檢測(cè)時(shí)，基質(zhì)效應(yīng)會(huì)直接影響目標(biāo)物的測(cè)定結(jié)果。為了測(cè)定基質(zhì)對(duì)3種DSP測(cè)定的結(jié)果影響，用文蛤空白樣品的基質(zhì)液和提取溶劑(50%甲醇水)分別配置了同一濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液上機(jī)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用空白基質(zhì)液配置的DSP標(biāo)準(zhǔn)溶液的響應(yīng)值明顯偏低，表明基質(zhì)對(duì)DSP的響應(yīng)值有抑制作用。為了提高DSP的檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此選擇采用空白基質(zhì)液配制DSP系列的標(biāo)準(zhǔn)工作液。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)的組成參見(jiàn)圖6所示。電氣控制系統(tǒng)主要由人機(jī)界面（HMI）、伺服控制器、Ⅰ級(jí)伺服系統(tǒng)和Ⅱ級(jí)伺服系統(tǒng)組成。

人機(jī)界面（HMI）主要是在上位機(jī)上做的人工輸入界面，根據(jù)壓鑄所需的工藝要求可以在該畫(huà)面上設(shè)定整個(gè)壓射過(guò)程的速度值，一共可以設(shè)定10段，也就是壓射行程可以分為10個(gè)區(qū)間分別設(shè)定速度值和加速度值。這樣的設(shè)定能夠?qū)崿F(xiàn)壓射慢速的拋物線控制、壓射快速的極快轉(zhuǎn)換和壓射終了的剎車(chē)功能，極大地改善了壓射性能。

圖6 MOOG伺服閥電氣控制系統(tǒng)Fig.6 Electrical system of MOOGTM servo

MOOGTM伺服控制器把人機(jī)界面的速度和加速度設(shè)定值通過(guò)串口通訊接受指令并轉(zhuǎn)換為控制指令，向Ⅰ級(jí)伺服系統(tǒng)發(fā)出控制電壓值。同時(shí)接受Ⅰ級(jí)伺服系統(tǒng)反饋的快排閥主閥芯位移信號(hào)，進(jìn)行比較對(duì)偏差進(jìn)行糾偏處理。另外MOOGTM伺服控制器還接受圖6中壓射缸前后腔的壓力信號(hào)（08BP1和08BP2），壓力異常時(shí)報(bào)警并使快排閥完全打開(kāi)以保證伺服閥的安全。Ⅰ級(jí)伺服系統(tǒng)接受伺服控制器的電壓指令信號(hào)，運(yùn)算并放大給Ⅱ級(jí)伺服系統(tǒng)發(fā)出正相或反相信號(hào)，并接受快排閥主閥芯位移反饋信號(hào)進(jìn)行比較對(duì)偏差進(jìn)行糾偏處理。

Ⅱ級(jí)伺服系統(tǒng)根據(jù)Ⅰ級(jí)伺服系統(tǒng)發(fā)出的指令，對(duì)射流管先導(dǎo)伺服閥的偏轉(zhuǎn)線圈發(fā)出正相或反相偏轉(zhuǎn)信號(hào)，并對(duì)射流管伺服閥的主閥芯位移反饋信號(hào)進(jìn)行比較，對(duì)偏差進(jìn)行糾偏處理。正相或反相信號(hào)（電壓值）的大小，影響先導(dǎo)閥控制流量的大小從而控制了快排閥主閥芯開(kāi)口的變化速度，能夠?qū)崿F(xiàn)慢速和快速切換的時(shí)間小于15ms。

圖6也說(shuō)明了系統(tǒng)采用了兩級(jí)伺服控制系統(tǒng)，先導(dǎo)級(jí)的伺服閥采用了高響應(yīng)的D661射流管式伺服閥，而且采用了兩個(gè)伺服閥，保證了快排閥主閥芯動(dòng)作的快速和極短的響應(yīng)時(shí)間。

3 MOOGTM伺服系統(tǒng)對(duì)壓射速度的控制

圖7是壓鑄機(jī)采用該系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)的實(shí)時(shí)壓射曲線圖，綠色曲線表示速度曲線，紅色曲線表示壓射活塞的位置曲線，如果速度是按照加速度執(zhí)行，則位置的曲線就可以實(shí)現(xiàn)拋物線的規(guī)律，也就是拋物線壓射。

圖7 壓鑄生產(chǎn)實(shí)時(shí)壓射曲線圖Fig.7 Real-time Injection curve of die casting

3.1 拋物線壓射

現(xiàn)代壓鑄產(chǎn)品的復(fù)雜性和對(duì)內(nèi)部質(zhì)量的要求，都希望盡可能減少壓室中氣體對(duì)壓射過(guò)程的影響，壓鑄壓射時(shí)沖頭的拋物線運(yùn)動(dòng)就能較好地解決這一問(wèn)題。壓鑄的拋物線壓射是在壓射沖頭在低速（一般為0.25m/s）前進(jìn)到封住鋁液澆料口后,采用不斷加速前進(jìn)，直到?jīng)_頭前的鋁液到達(dá)內(nèi)澆口的這段壓射過(guò)程。也就是壓射的第一階段。這個(gè)階段采用拋物線壓射的好處主要有兩點(diǎn)：①保證鋁液在推進(jìn)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生紊流，降低鋁液包卷空氣的可能；②始終保證壓室內(nèi)的空氣和模具的內(nèi)澆口相通，利于排氣。

MOOGTM伺服系統(tǒng)在人機(jī)界面 （HMI）上利用3至5段的速度設(shè)置，就能實(shí)現(xiàn)壓射第二階段的直線加速度設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)位移的拋物線壓射曲線。圖7的紅色位移曲線的左部就顯示了這一特點(diǎn)。

3.2 快速壓射

在鋁液到達(dá)模具的內(nèi)澆口附近后，鋁液就要快速充填模具型腔，這就是壓鑄壓射的第二階段。在這個(gè)階段，金屬鋁液根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)所需要的充填速度最大要達(dá)到60～80m/s，這么快的充填速度就需要較大的沖頭運(yùn)動(dòng)速度。

MOOGTM伺服系統(tǒng)由于采用了高響應(yīng)的先導(dǎo)伺服閥和大流量的插裝閥系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)最大充填速度的要求，它的最大空壓射速度可以達(dá)到8m/s，慢速和快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間≤15ms。這些特性參數(shù)有效地保證了快速的實(shí)現(xiàn)和快速的階躍響應(yīng)。

3.3 無(wú)飛邊壓射

鑄件飛邊是壓鑄缺陷之一，它也是造成模具損壞的根源之一，飛邊缺陷降低了鑄件的表面質(zhì)量也損壞了模具表面，增加修整鑄件的成本和修模費(fèi)用以及停機(jī)所造成的損失。實(shí)時(shí)壓射控制系統(tǒng)由于采用了前腔排油的伺服控制，能夠?qū)崿F(xiàn)快速壓射的剎車(chē)功能，從而能夠有效消除飛邊，延長(zhǎng)模具壽命。

在系統(tǒng)的HMI界面上，剎車(chē)功能一般在壓射的最終位置前10～30mm處設(shè)置壓射的速度為0.1～0.2m/s就能實(shí)現(xiàn)。

3.4 壓射的穩(wěn)定性和重復(fù)性好

由于采用了嵌入式的MOOG伺服閥系統(tǒng)，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常可靠，壓射速度的重復(fù)精度偏差一般≤2%。這樣就極大地提高了壓鑄件壓射工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，提高了壓鑄生產(chǎn)的效率和合格率。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在液壓系統(tǒng)上MOOG伺服閥控制系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了壓鑄機(jī)的工作性能，從而為生產(chǎn)出更高質(zhì)量的壓鑄零件提供了保障。

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