淺析一種新型自動(dòng)控溫式凸輪軸堆焊冷卻機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳成武，宋明媚，王磊，李東，袁帥軍

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東 濟(jì)南 250300）

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)再制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)核心零部件損傷的修復(fù)質(zhì)量要求越來(lái)越高，不但要恢復(fù)缺損材質(zhì)，而且要盡量減小或消除形變、氧化和一系列修補(bǔ)缺陷。而惰性氣體保護(hù)焊在補(bǔ)材結(jié)合強(qiáng)度和修補(bǔ)區(qū)域氧化控制等方面由于具備優(yōu)勢(shì)，因此經(jīng)常用來(lái)堆焊修復(fù)深層缺陷，在再制造生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。

凸輪軸作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件，運(yùn)行過(guò)程中承受較強(qiáng)的周期性碾壓沖擊載荷，因此，對(duì)損傷失效部位需要高可靠性修復(fù)層來(lái)填補(bǔ)尺寸缺失。氬氣保護(hù)堆焊補(bǔ)修凸輪深層損傷是經(jīng)常采用的工藝手段。凸輪軸損傷修復(fù)對(duì)比效果如圖1所示。不過(guò)由于凸輪軸是大長(zhǎng)徑比零件，對(duì)焊接熱量的影響較為敏感，一旦堆焊溫度控制不佳局部熱輸入量過(guò)大，極易引起凸輪軸跳動(dòng)超差。因此，堆焊修復(fù)過(guò)程中如何有效控制焊接溫度、避免發(fā)生較大熱形變，是關(guān)系再制造成品尺寸精度是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1 深層損傷凸輪軸修復(fù)前后對(duì)比圖

本文介紹一種用于解決上述難題的自動(dòng)控溫式凸輪軸堆焊冷卻機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 設(shè)計(jì)背景

為了在凸輪軸堆焊過(guò)程中有效控制焊接熱量的影響，從而盡量避免熱形變引起的整軸直線(xiàn)度超差，造成產(chǎn)品彎曲報(bào)廢。傳統(tǒng)工藝往往依靠工人的經(jīng)驗(yàn)積累，采取斷續(xù)焊接；或者采用吸水性較強(qiáng)的織物材料蘸水后包覆在凸輪軸兩端來(lái)降溫。但以上方法作用有限，操作人員很難根據(jù)工件溫度適時(shí)調(diào)整冷卻程度。有時(shí)候冷卻過(guò)度，熔池過(guò)快冷卻難以充分排氣，形成內(nèi)部氣孔；有時(shí)冷卻不足，熱形變又難以抑制。為了解決這一難題，我們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了一種操作便利的新型自動(dòng)控溫式凸輪軸堆焊冷卻機(jī)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)由以下部件構(gòu)成：水槽型堆焊工作臺(tái)、感溫組件、溫控流量調(diào)節(jié)組件、供水冷卻組件。主要結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

附圖中各標(biāo)號(hào)為：1水槽型堆焊工作臺(tái)；2凸輪軸V型支架；3凸輪軸；4左冷卻噴水嘴；5右冷卻噴水嘴；6分水管；7耐高溫磁吸附式溫度傳感器探頭；8分水器；9后段主水管；10感溫線(xiàn)；11電控柜；12溫度控制器；13/21流量控制信號(hào)線(xiàn)；14電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥；15/20水泵開(kāi)關(guān)；16供電線(xiàn)；17過(guò)濾網(wǎng)；18水泵；19主水管。

（1）水槽型堆焊工作臺(tái)。水槽型堆焊工作臺(tái)由水槽和凸輪軸V型支架組成，凸輪軸V型支架固定在水槽底部，凸輪軸堆焊時(shí)將圓柱形支撐軸徑放置在V型開(kāi)口位置上。如圖1所示

（2）感溫組件。感溫組件是由耐高溫磁吸附式溫度傳感器探頭及其感溫線(xiàn)組成，磁吸探頭安裝在堆焊凸輪的非焊接部位上，感溫線(xiàn)連接到溫控器輸入端。

（3）溫控流量調(diào)節(jié)組件。溫控流量調(diào)節(jié)組件由溫度控制器、流量控制信號(hào)線(xiàn)、電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥組成。

溫度控制器可以單獨(dú)設(shè)定PID加熱和冷卻控制，處理具有不同加熱和冷卻響應(yīng)特性的控制系統(tǒng)。它可接收多種傳感器輸入信號(hào)，有熱電偶、鉑電阻、模擬電流/電壓輸入。控制輸出有繼電器輸出、電壓輸出、電流輸出。該自動(dòng)控溫式凸輪軸堆焊冷卻機(jī)采用鉑電阻輸入，電流輸出。溫度控制器如圖3所示。

圖3 溫度控制器

電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥內(nèi)置配流盤(pán)，提高調(diào)節(jié)精度。電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥如圖4所示，執(zhí)行器尺寸如圖5所示。

圖4 電動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥

圖5 執(zhí)行器尺寸圖

（4）供水冷卻組件。供水冷卻組件是由水泵、供電線(xiàn)、水泵開(kāi)關(guān)、過(guò)濾網(wǎng)、主水管、分水器、左/右冷卻噴水嘴、左/右分水管所組成。水泵將過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后的清潔冷卻水泵入主水管內(nèi)，主水管中間串聯(lián)安裝有電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥，經(jīng)過(guò)其調(diào)節(jié)流量后，進(jìn)入分水器，冷卻水一分為二后分別進(jìn)入左、右分水管，將冷卻水以弧形水膜形式噴灑在堆焊凸輪軸兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)冷卻目的。

3 工作原理

該自動(dòng)控溫式凸輪軸堆焊冷卻機(jī)根據(jù)工作過(guò)程中凸輪軸的溫度變化，實(shí)時(shí)調(diào)整冷卻程度，讓零件在堆焊過(guò)程中，始終保持在適宜的溫度范圍內(nèi)。

溫度控制器根據(jù)溫度傳感器測(cè)量得到的溫度數(shù)值，與自身預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較。若溫度傳感器輸入的測(cè)量值達(dá)到溫度控制器的設(shè)定值，則電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥的閥門(mén)打開(kāi)。如果測(cè)量值高于設(shè)定值，溫度控制器采用冷卻PID控制，輸出4-20mA的模擬量信號(hào)，增大電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥冷卻水流量；如果測(cè)量值接近設(shè)定值，溫度控制器通過(guò)電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥減小冷卻水流量，直至測(cè)量值等于設(shè)定值。

4 應(yīng)用效果

將待堆焊凸輪軸放置在水槽型堆焊工作臺(tái)的V型支架上，水冷組件可根據(jù)實(shí)際堆焊位置的不同移動(dòng)到相應(yīng)凸輪兩側(cè)面進(jìn)行安裝。水槽內(nèi)注入冷卻水，將左/右冷卻噴水嘴安裝在待焊凸輪兩側(cè)位置，水泵放置在水槽底部，開(kāi)啟水泵控制開(kāi)關(guān)。冷卻水經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)、水泵、主水管、電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥、分水器、分水管、左/右冷卻噴水嘴，為凸輪軸進(jìn)行冷卻。

溫度控制器設(shè)定值為：200℃，當(dāng)溫度傳感器采集到的熱影響區(qū)溫度高于此數(shù)值時(shí)，溫度控制器PID控制增大電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥冷卻水流量。之后熱影響區(qū)溫度逐漸下降，當(dāng)測(cè)量值接近設(shè)定值時(shí)，溫度控制器通過(guò)電動(dòng)比例積分調(diào)節(jié)閥減小冷卻水流量。

通過(guò)以上控制方式，可以將凸輪軸堆焊過(guò)程中的熱影響區(qū)溫度始終控制在適宜的溫度范圍內(nèi)，既可避免局部溫升過(guò)高導(dǎo)致的熱形變，也可避免由于過(guò)度冷卻、熔池過(guò)快凝固排氣不充分導(dǎo)致的焊層氣孔。

5 結(jié)語(yǔ)

該新型自動(dòng)控溫式凸輪軸堆焊冷卻機(jī)的冷卻水流量可根據(jù)堆焊溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，冷卻位置靈活可調(diào)便于操作。生產(chǎn)應(yīng)用后可有效地避免工件熱形變和氣孔缺陷，適用于多種規(guī)格軸類(lèi)零部件的堆焊輔助作業(yè)，可有效避免熱形變導(dǎo)致的整軸跳動(dòng)超差問(wèn)題，也可盡量避免焊層內(nèi)部氣孔缺陷。