活塞單模鑄造機冷卻系統(tǒng)的電氣改造方案設(shè)計

李焱

摘要：結(jié)合活塞單模鑄造機的工作原理和工作實際，以保證活塞內(nèi)單模鑄造機的穩(wěn)定性和可靠性為目標(biāo)，采用可編程控制器作為主控單元，介紹了電氣系統(tǒng)的軟硬件以及優(yōu)化設(shè)計的方案，實驗結(jié)果證實，活塞總體性能提高，保證了生產(chǎn)率和成品率。

關(guān)鍵詞：活塞單模鑄造機;冷卻系統(tǒng);電氣改造;優(yōu)化設(shè)計

0 ?引言

活塞鑄造機作為活塞制造廠重要的鑄造設(shè)備，是集機、液和電為一體的現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備，目前我國市場中各種活塞鑄造機的結(jié)構(gòu)基本已經(jīng)定性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間比較小，但是在實際的運用中如何能夠?qū)﹁T造機的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，達(dá)到最優(yōu)的改造目的，這樣既經(jīng)濟(jì)又省時，還能夠提高活塞的效率，降低企業(yè)維修的成本。

1 ?活塞單模鑄造機結(jié)構(gòu)和工作原理

活塞單模鑄造機為工作臺可傾的下抽芯活塞毛坯專用鑄造設(shè)備，不僅能夠鑄造單金屬活塞，還能夠鑄造多種復(fù)雜的高檔活塞毛坯，該設(shè)備分為機械部分和PLC控制兩大部分。機械部分主要包含著機座、工作臺、頂部提升總成等部分，在工作的過程中各部分之間相互配合共同為提高設(shè)備的整體工藝性能而努力[1]。機座是活塞單模鑄造機的支撐部分，頂部提升總成主要是在工作的過程中實現(xiàn)頂模的開合。冷卻系統(tǒng)是為了是磨具具有穩(wěn)定性和可靠性，提高活塞鑄件的質(zhì)量，進(jìn)而實現(xiàn)模具各部分的冷卻水能夠停調(diào)方便，實現(xiàn)自動化控制。液壓系統(tǒng)是設(shè)備的動力源，能夠在電動機的帶動下，實現(xiàn)機械能的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而通過PLC實現(xiàn)對鑄造設(shè)備的控制[2]。圖1為鑄造機的結(jié)構(gòu)示意圖。

鑄造機設(shè)備是半自動化設(shè)備，可以人為控制，也可以實現(xiàn)機械化控制。手動模式下能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行調(diào)整，方便更換工裝和模具，一旦出現(xiàn)故障能夠?qū)崿F(xiàn)各設(shè)備的調(diào)整復(fù)位，并且能夠滿足鑄件造型的需要?；钊T造工藝的流程如下：首先工作臺傾斜，澆注鋁液，工作臺復(fù)位，然后冷卻定時/啟動溫控模塊，當(dāng)外模冷卻、模心冷卻、銷冷卻和頂模冷卻均達(dá)到要求后，開始頂模升、外模開、中芯退、左右邊芯合攏，工作臺翻轉(zhuǎn)，手工取件，工作臺復(fù)位，左右邊芯分開、中間芯進(jìn)、外模合、頂模降，最終完成整個工藝。施工過程較為簡便，主要是達(dá)到一定的施工要求。

自動循環(huán)時，設(shè)備啟動前需要復(fù)位按鈕，初始位置為外模代開，左右邊芯分開，中芯向上，頂模升起，放平工作臺，設(shè)備處于基本位置時指示燈亮起，左芯向左移動，右芯向右邊移動，中芯上升，外模關(guān)閉，頂模下降工作臺傾斜、澆筑[3]。有指示機床基本位置的信號，然后進(jìn)入到下一個循環(huán)當(dāng)中。完成一個循環(huán)的澆筑后手動操作取件，其他的部分由PLC自動化完成。

2 ?冷卻系統(tǒng)設(shè)計

在澆筑活塞的過程中，需要將鋁液降溫后變成毛坯，這樣釋放了大量的熱，如果僅僅依靠輻射和傳導(dǎo)來散發(fā)這些熱量，將會對澆筑設(shè)備造成很大的損害，長期間下去會降低模具的精確度，導(dǎo)致工作臺和導(dǎo)軌發(fā)生變形，造成導(dǎo)軌的磨損等問題[4]。因此需要增加介導(dǎo)將這部分熱量散發(fā)出去，這樣才能夠保障澆筑的正常進(jìn)行。因此需要對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

2.1 冷卻系統(tǒng)的組成好設(shè)計要求

冷卻系統(tǒng)主要包括動力裝置、輔助元件以及調(diào)節(jié)控制元件等，在冷卻的過程中如果不能快速的降低模具和鑄件的溫度，將會造成逐漸銷孔過熱而產(chǎn)生質(zhì)量問題，因此需要在冷卻系統(tǒng)中合理的冷卻模具的溫度[5]。冷卻的介質(zhì)不能在模具中冷卻太快，不然不利于模具和冷卻介質(zhì)之間的熱量交換，冷卻的效率達(dá)不到工藝要求，還會造成動力系統(tǒng)的損害。因此需要根據(jù)冷卻系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行合理化的設(shè)計。

2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

在澆注的過程中，鋁液冷卻需要散發(fā)大量的熱量，這部分的熱量需要通過冷卻介質(zhì)進(jìn)行消耗。其中有一小部分散發(fā)到空氣中[6]。冷卻系統(tǒng)換熱設(shè)計和計算時需要考慮散熱量，選定冷卻系統(tǒng)的具體參數(shù)。在澆注過程中不同型號的毛坯具有不同的散熱量，但具有一定的范圍，因此可以根據(jù)熱平衡方程式得到冷卻水流量的變化情況：

Qv=3.53×104P/Cp·γ～Δt ? （1）

其中冷卻水流量為Qv（m3/h），鋁液平均的散熱功率為P（kW），水溶液重度為γ（N/m3），比熱為Cp[kJ/kg·K]。進(jìn)水口的溫差Δt約為15～20℃。冷卻系統(tǒng)泵的選擇是關(guān)鍵的一步，在冷卻系統(tǒng)中主要的功能是傳送冷卻介質(zhì)。由于冷卻系統(tǒng)泵屬于動力裝置，在選擇是要根據(jù)不同型號的活塞在一定范圍內(nèi)的熱量變化進(jìn)行設(shè)計。

3 ?PLC控制程序設(shè)計

PLC是澆筑工藝過程的核心，通過傳感器對冷卻液以及模具的溫度等進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，能夠通過控制液壓油溫度來對液壓系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，通過控制冷卻液的溫度提高鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。通過監(jiān)測模具的溫度調(diào)試到最佳的狀態(tài)，進(jìn)而提高活塞的性能和生產(chǎn)率。PLC硬件系統(tǒng)主要包括主機系統(tǒng)、輸入輸出拓展部件以及外部設(shè)備的組成等。根據(jù)澆注設(shè)備控制系統(tǒng)的要求，PLC需要檢測模擬量輸入信號為4個，設(shè)備的開啟輸入信號為34個，操作現(xiàn)場設(shè)備的停啟為41個。

3.1 控制系統(tǒng)核心單元設(shè)計

采用PLC控制下的電氣控制系統(tǒng)，能夠保護(hù)冷卻系統(tǒng)的繼電器在高溫、多塵以及腐蝕性的環(huán)境下避免因動作頻繁而出現(xiàn)故障率高和節(jié)點接觸不良等現(xiàn)象，能夠避免因機械故障發(fā)生而影響生產(chǎn)的效率，降低維修的成本。PLC主控單元采用Koyo SH-64R1經(jīng)濟(jì)型控制器，輸入輸出的節(jié)點較多，不需要進(jìn)行拓展就能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，并且具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，價格便宜，經(jīng)濟(jì)實用。

3.2 冷卻時間控制單元設(shè)計

冷卻時間控制單元設(shè)計主要有兩種方案，一種是通過PLC內(nèi)部定時器進(jìn)行冷卻時間預(yù)算，直接在PLC終端顯示運作狀態(tài);另一種在系統(tǒng)外安裝數(shù)字化時間繼電器，直接對機器系統(tǒng)定時。兩種方案的實現(xiàn)效果相同，經(jīng)濟(jì)性和實用性相當(dāng)。根據(jù)鑄造機工序流程和開模溫度直接在繼電器上設(shè)置時間具有操作簡便的優(yōu)點，能夠快速掌握該技術(shù)。因此在惡劣環(huán)境下的工作性能較好，最為合適。數(shù)字化繼電器為JSS14型，線圈的電壓為220V?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置了兩種操作的方式，一種是手動的，一種是循環(huán)模式。手動操作能夠根據(jù)工作經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)象的工作情況設(shè)計出比較合理的開模時間，循環(huán)模式下，能夠防止?jié)沧⑦^程中傳感器監(jiān)測的外模溫度高于預(yù)先設(shè)定的溫度進(jìn)而造成冷卻系統(tǒng)鑄件的冷隔等缺陷或者造成、鋁液熱量沒有充分的傳遞到外模去，因此需要借助時間繼電器設(shè)施延時，防止誤會開模動作。完成澆注后啟動冷卻系統(tǒng)，模具內(nèi)芯等到外模冷卻后才開始設(shè)定一個時間進(jìn)行冷卻，這樣能夠保障鑄件具有良好的機械性能。先冷卻外模是為了使活塞表面能夠快速的冷卻，保障鑄件結(jié)構(gòu)的致密性和耐磨性。延時結(jié)束后模具的內(nèi)芯開始冷卻，這樣能夠讓活塞結(jié)成晶粒較大的結(jié)構(gòu)，保障活塞的韌性，這樣既能夠保證冷卻正常進(jìn)行，又能夠保障鑄件的質(zhì)量，延長活塞的使用壽命。在冷卻的過程中，模具內(nèi)芯的溫度較高，散熱較慢，外模溫度比系統(tǒng)溫度低時，模具內(nèi)芯進(jìn)行冷卻，設(shè)定冷卻的時間值，這樣才能夠完成系統(tǒng)的自動開?？刂啤?/p>

3.3 電源電路設(shè)計

電源電路作為PLC運行的關(guān)鍵，為了提高毛坯冷卻的速度，電路中需要留一個三相插座，并配備220V電源插座，為了符合設(shè)備的機械運轉(zhuǎn)要求，我們需要配備電壓為220V的電源插座，以便使用冷卻風(fēng)機和照明。同時用PLC隔離變壓器單一供電，中間繼電器和電磁閥的直流電源均為24V，設(shè)備上的電機、主回路、控制回路和直流回路等設(shè)置空氣開關(guān)，進(jìn)行自動化控制斷電，一旦電力過載，能夠自動斷開。

3.4 PLC控制主電路設(shè)計

按照澆注的工藝流程和要求，并為了達(dá)到安全性和，需設(shè)計PLC主電路，自動檢測設(shè)備，自取毛坯。為了提高設(shè)備使用的安全性，需要設(shè)置雙手啟動，防止設(shè)備對人員的傷害。為了能夠在澆注的過程對緊急的情況及時的處理，專門設(shè)計了總停按鈕。一旦設(shè)備發(fā)生故障或者造成人員的傷害時，可以操作總停按鈕進(jìn)行控制。由于工作環(huán)境惡劣，且腐蝕性較高，因此為了保障設(shè)備的安全性和可靠性，在選擇行程開關(guān)時需要重點考慮產(chǎn)品的質(zhì)量，選擇密封性好安全可靠的產(chǎn)品。由于PLC輸出及觸點負(fù)載能力較低，可以直接使得直流電磁閥的線圈運轉(zhuǎn)起來，因此我們可以采用一級中間繼電器進(jìn)行驅(qū)動，控制直流電磁閥的動作和流程。使用熔斷器保護(hù)輸出回路的每一路的短路情況，可繼續(xù)采用續(xù)流二級管積極性保護(hù)，避免直流電路感性負(fù)載突然斷裂，引起對PLC內(nèi)部輸出觸點的高壓損壞。本身輸入回路需要的電源功率較低，且需要電源的電壓穩(wěn)定性能高，因此輸入回路直流電源直接選擇PLC，通過繼電器輸出回路，此時帶動直流負(fù)載功率較大，對電壓的穩(wěn)定性要求較低，因此由直流電源直接提供輸出回路的直流電源。

3.5 電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

按照澆注工藝流程和要求設(shè)計系統(tǒng)控制軟件，滿足輸出、輸入點和內(nèi)部繼電器等功能，做好資源的分配任務(wù)，這樣有助于編程的順利進(jìn)行。編制軟件時采用模塊化增強程序的精確度和實用性，也便于系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)試。外部元件狀態(tài)的檢測采用延時和多次重復(fù)檢測，消除信號的干擾。檢測軟件外部元器件的狀態(tài)，便于查看故障。

3.6 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

采用支架式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計電氣控制系統(tǒng)，這樣能夠降低在高溫、腐蝕等復(fù)雜的條件下對控制柜的影響，也能夠保證設(shè)備結(jié)構(gòu)的緊密性，便于在車間中操控和使用[6]。控制柜安裝冷卻風(fēng)扇，這樣能夠保障PLC的散熱，在控制柜上安裝操作按鈕，便于操作進(jìn)行。采用金屬軟管和矩形鋼管布置設(shè)備的線路，在機體上設(shè)置耐高溫的導(dǎo)線，進(jìn)而保障控制線路的穩(wěn)定性和安全性。

4 ?結(jié)論

采用PLC為主控單元對活塞鑄造機冷卻系統(tǒng)的電氣控制進(jìn)行改造和優(yōu)化，提高了電氣控制系統(tǒng)的性能，且操作方便簡單，經(jīng)過長期的運行和投入使用，完全滿足了鑄造工藝的要求，且延長了設(shè)備的使用壽命，降低了維修的費用，提高了鑄造機的生產(chǎn)效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王春霖，譚親明，郭祎川.基于Magma數(shù)值模擬的汽油機活塞鑄造過程優(yōu)化[J].特種鑄造及有色合金，2019（7）.

[2]左明偉，王鳳良，曼茂立，等.擠壓鑄造工藝對汽車活塞銷性能的影響分析[J].熱加工工藝，2018（9）：97-99.

[3]張國棟，鄭飛，龔卓，等.鑄造鋁合金活塞的不同重熔處理強化方法[J].電焊機，2018（5）：85-89.

[4]楊耀華，潘強，陳廣軍，等.CNTs/AZ91碳納米管鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能及組織結(jié)構(gòu)研究[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2017，34（6）.

[5]陳勇，張國勇.活塞環(huán)對發(fā)動機漏氣量的影響及改進(jìn)對策[J].設(shè)備管理與維修，2017（10）：104-105.

[6]管宏慶，顧訊，許曉建，等.高性能高精度發(fā)動機氣缸蓋制造關(guān)鍵工藝技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用[Z].天長缸蓋有限公司，2016.