李 翔

(寧夏機(jī)械研究院股份有限公司，寧夏 銀川 750021)

ZCJ-1800型軸承模壓淬火機(jī)床適用于直徑范圍φ1000 ～1800 mm，高度≤500 mm，內(nèi)孔結(jié)構(gòu)為圓柱、單錐、雙錐的滲碳鋼軸承套圈的淬火[1]。該機(jī)床包括主機(jī)、工件淬火冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、模具、淬火油溫度控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。對(duì)于不同的工件，可更換相應(yīng)的模具、設(shè)定相應(yīng)的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工件的全自動(dòng)模壓淬火。

1 全自動(dòng)循環(huán)過程

機(jī)床待料→加熱爐出料→機(jī)械手轉(zhuǎn)移料(裝料)→工作臺(tái)接料、移進(jìn)→油冷、模壓淬火→機(jī)床工作臺(tái)移出→機(jī)械手轉(zhuǎn)移料(卸料)→機(jī)床待料進(jìn)入下一工作循環(huán)。

2 淬火機(jī)床的組成

淬火機(jī)床包括：主機(jī)、工件淬火冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、模具、淬火油溫度控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 主機(jī)動(dòng)作過程、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1.1 機(jī)床動(dòng)作過程

工作時(shí)，防護(hù)門處于上升位，機(jī)床工作臺(tái)移出到固定位并處于待料狀態(tài)(工作臺(tái)的淬火盤上裝有與下拉油缸連接好的漲胎模具)，下拉油缸處在上升至高位的狀態(tài)，漲胎模具處于收縮的狀態(tài)，升降橫梁處于上升至高位的狀態(tài)(升降橫梁上安裝有油罩及上壓模)。機(jī)械手將紅熱工件放在淬火盤上，并套裝在漲胎模具上。工作臺(tái)移動(dòng)進(jìn)入工作位的同時(shí)下拉油缸下行加壓，漲胎模具漲開，工件定位。到位后，升降橫梁下降，上壓模壓住工件上端面，升降油缸加壓，油罩處于浮動(dòng)狀態(tài)。工件冷卻淬火泵啟動(dòng)，按設(shè)定好的噴油流量和噴油時(shí)間經(jīng)設(shè)計(jì)好的管路向油罩內(nèi)注油，油液流經(jīng)工件內(nèi)、外表面循環(huán)，使工件在模壓狀態(tài)下急速冷卻淬火[1]。淬火過程結(jié)束后，淬火泵運(yùn)轉(zhuǎn)停止，工件冷卻淬火系統(tǒng)停止，升降橫梁上升，同時(shí)帶動(dòng)上壓模和油罩上升到位；隨后，工作臺(tái)移出到位；下拉油缸上升，模具收縮，工件脫模；最后，機(jī)械手轉(zhuǎn)移料。一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束，機(jī)床待機(jī)進(jìn)入下一工作循環(huán)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure

2.1.2 機(jī)床的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1)該機(jī)床可滿足直徑范圍φ1000 ～1800 mm，高度≤500 mm，內(nèi)孔結(jié)構(gòu)為圓柱、單錐、雙錐的滲碳鋼軸承套圈的淬火。不同工件更換相應(yīng)尺寸模具即可實(shí)現(xiàn)不同工件的限形淬火。

2)移動(dòng)工作臺(tái)設(shè)計(jì)成液壓滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，選用矩形導(dǎo)軌，油缸前后端有緩沖，移動(dòng)工作臺(tái)后退到位后有重復(fù)定位裝置，滿足設(shè)備的運(yùn)行精度要求。定位結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3)下拉油缸安裝在移動(dòng)工作臺(tái)下方，油缸對(duì)模具加載時(shí)，箱體不受油缸力值的影響；油缸通過模具對(duì)工件內(nèi)孔加壓，控制工件內(nèi)孔變形，壓力閉環(huán)控制，壓力在觸摸屏上數(shù)字設(shè)置和顯示。

4)升降橫梁升降是依靠直線光軸導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)上壓模的重復(fù)定位；上壓模具對(duì)工件端面加壓，控制工件端面變形，壓力閉環(huán)控制，壓力在觸摸屏上數(shù)字設(shè)置和顯示。

圖2 定位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of positioning structure

5)定位環(huán)的設(shè)計(jì)可以保證上下移動(dòng)的上壓模和安裝在移動(dòng)工作臺(tái)上的漲胎模具同軸[2]，設(shè)備安裝好后，調(diào)整定位環(huán)，保證上下模具同軸度在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，定位環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 定位環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of positioning ring structure

6)模具采用快換結(jié)構(gòu)，方便模具更換；模具安裝座的接口可以保證不同模具的互換安裝和重復(fù)定位，模具連接方式安全可靠。

7)工作臺(tái)進(jìn)油口和進(jìn)油管路采用尺寸配合對(duì)接，工作臺(tái)移出接料時(shí)脫開，工作臺(tái)移進(jìn)時(shí)連接，油泵啟動(dòng)后，管路對(duì)接處油液流動(dòng)形成負(fù)壓，保證接口處在淬火過程中油液不泄露，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 管口對(duì)接示意圖Fig.4 Schematic diagram of nozzle connection

8)工件淬火冷卻系統(tǒng)和箱體自成一體，管路短，系統(tǒng)可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)工件進(jìn)行噴油冷卻淬火[2]，淬火后油液直接溢流回到油箱，同時(shí)設(shè)備配備有淬火盤，防止淬火油漏出導(dǎo)致地面污染；設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

9)該淬火機(jī)床設(shè)計(jì)有安全防護(hù)門，并進(jìn)行有效密封，確保無淬火油漏泄。安全防護(hù)門采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)開關(guān)，并與生產(chǎn)線連鎖控制，即防護(hù)門關(guān)閉時(shí)對(duì)工件進(jìn)行淬火，防護(hù)門升起時(shí)可進(jìn)行進(jìn)出料。

10)機(jī)床采用獨(dú)立的手動(dòng)調(diào)整及自動(dòng)控制，設(shè)有手動(dòng)/自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換開關(guān)。在手動(dòng)模式下，設(shè)有對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件的操作按鈕，方便設(shè)備的調(diào)整和模具的裝卸；在自動(dòng)模式下，只要按下淬火啟動(dòng)按鈕，機(jī)床便按照設(shè)定的程序自動(dòng)循環(huán)工作;遇緊急或異常情況需要中途停止機(jī)床運(yùn)行時(shí)，按下急停按鈕，一切運(yùn)行將停止。

2.2 工件淬火冷卻系統(tǒng)

根據(jù)工件尺寸和結(jié)構(gòu)的不同，在觸摸屏上設(shè)定工件相對(duì)應(yīng)的流量、淬火時(shí)間等參數(shù)或調(diào)取相對(duì)應(yīng)的工藝配方序號(hào)。工作時(shí)，由PLC可編程控制器按設(shè)計(jì)編寫好的程序?qū)^程和動(dòng)作進(jìn)行控制，變頻器根據(jù)設(shè)定的流量調(diào)節(jié)油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來輸出對(duì)應(yīng)的流量，淬火油經(jīng)管道向工件噴油，使工件急速冷卻，滿足工件淬火需求[4]。冷卻管路安裝有流量開關(guān)作為流量信號(hào)傳輸，對(duì)淬火過程中缺油或無油提供報(bào)警信號(hào)。

2.3 液壓系統(tǒng)

根據(jù)工件尺寸和結(jié)構(gòu)的不同，在觸摸屏上設(shè)定工件相對(duì)應(yīng)的壓力值或調(diào)取相對(duì)應(yīng)的工藝配方序號(hào)。工作時(shí)，由PLC可編程控制器按設(shè)計(jì)編寫好的程序?qū)^程和動(dòng)作進(jìn)行控制，采集力值傳感器信號(hào)作反饋，對(duì)模具施壓的油缸力值進(jìn)行閉環(huán)控制，滿足工件模壓淬火要求。

2.4 氣動(dòng)系統(tǒng)

工作時(shí)，氣源提供穩(wěn)定的壓力，滿足系統(tǒng)的正常工作，管路裝有壓力控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)。

2.5 模具

一套模具有上壓模和下拉式漲胎模具組成，可應(yīng)用于一段范圍尺寸的工件，根據(jù)工件的大小，更換相應(yīng)尺寸段模具即可實(shí)現(xiàn)工件的模壓淬火。模具采用快換和模塊化結(jié)構(gòu)，減少零件切換時(shí)更換模具的工作量。根據(jù)工件結(jié)構(gòu)，漲胎模具可分為單錐、雙錐、圓柱模具[2]。 模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.6 模具快換

對(duì)于大外徑的工件，其對(duì)應(yīng)的模具一般在體積和質(zhì)量方面也是比較大的，這就提高了模具的裝配和吊裝的難度，采用以往的在工作位或待料位直接進(jìn)行模具的裝配和吊裝是不現(xiàn)實(shí)的，因此特意設(shè)計(jì)快換裝置。模具在其他的車間和工位進(jìn)行裝配，然后吊至壓床的合適位置，操作快換的按鈕，進(jìn)行模具與壓機(jī)之間的安裝，快換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of mould structure

圖6 快換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of quick-change mechanism

2.7 淬火溫度控制系統(tǒng)

淬火油溫度控制系統(tǒng)由油箱、油加熱裝置、油冷卻裝置、液位裝置等組成，系統(tǒng)為一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)循環(huán)回路。機(jī)床的下床身做系統(tǒng)油箱，油箱備有足夠空間來滿足總油量的容積要求，確保工作時(shí)淬火噴油的油量充足和穩(wěn)定油溫的要求。工作前，根據(jù)工件淬火工藝要求在觸摸屏上設(shè)定相應(yīng)的淬火油溫，如果系統(tǒng)檢測到淬火油溫太低，油加熱裝置自動(dòng)開啟對(duì)淬火油進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到要求的溫度時(shí)，加熱自動(dòng)停止。工作過程中如果檢測到油溫過高，自動(dòng)切換氣動(dòng)三通閥連通冷卻油路將淬火油泵入冷卻器冷卻后，再返回油箱。當(dāng)油箱內(nèi)淬火油溫度超出設(shè)定的上限溫度值時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，且觸摸屏上會(huì)有文本提示，從而確保淬火油溫控制在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。為保證在連續(xù)生產(chǎn)中油溫保持在工藝要求范圍內(nèi)，油溫控制精度為±5 ℃，并具有超高、低溫報(bào)警功能。液位裝置顯示油箱淬火油液位，程序上設(shè)有上、下限液位報(bào)警，觸摸屏文本顯示。

2.8 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)包括主回路和PLC控制回路兩部分：主回路主要用于加熱器以及各個(gè)電機(jī)泵組等的啟動(dòng)和停止，在設(shè)計(jì)中采用了各種保護(hù)措施以確保電機(jī)長期、可靠運(yùn)行；控制回路采用PLC程序控制器控制，并通過小型中間繼電器去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。在軟件設(shè)計(jì)中采用了各種有效措施，確保壓床嚴(yán)格按工件淬火工藝要求執(zhí)行程序。系統(tǒng)通過觸摸屏對(duì)淬火工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并能顯示淬火工藝的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和機(jī)床的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。工作時(shí)，按工藝要求設(shè)置好參數(shù)或調(diào)用工件相對(duì)應(yīng)的工藝配方序號(hào)，設(shè)備接受到啟動(dòng)信號(hào)后，將完成進(jìn)料-淬火-出料的全自動(dòng)循環(huán)過程。

可編輯的工藝參數(shù)如：工件冷卻系統(tǒng)的流量，噴油淬火時(shí)間，上、下模壓力值，淬火油油溫等在觸摸屏上進(jìn)行設(shè)定，并能實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)[5]，系統(tǒng)最少可存儲(chǔ)30套工藝。

系統(tǒng)有故障診斷功能，發(fā)生故障時(shí)觸摸屏上會(huì)顯示故障的文本信息。故障發(fā)生的同時(shí)機(jī)床停止工作，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

預(yù)留網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問設(shè)備并進(jìn)行故障診斷，同時(shí)可采取IT技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行界面、主要工藝參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)線狀況。

3 相關(guān)參數(shù)介紹

3.1 淬火油用量簡化計(jì)算

淬火油的用量，主要是控制工件淬火后淬火油的最高溫度，可用如下簡易公式計(jì)算：

(1)

(2)

將各值代入式(2)中，可計(jì)算出淬火油的總質(zhì)量約為17719.04 kg，約為22 m3。

3.2 淬火噴油時(shí)間簡化計(jì)算

淬火時(shí)間在淬火油的總質(zhì)量可算的情況下，取決于泵的性能參數(shù)，可用如下簡易公式計(jì)算：

m油=n×p×t×ρ×τ×η

(3)

式中：m油為淬火油總質(zhì)量(kg)；n為泵的數(shù)量;p為泵的流量(m3/h)；t為噴油時(shí)間；ρ為淬火油密度(kg/m3)；τ為泵一般的使用的最大開度(75%)；η為單位體積(單位質(zhì)量)淬火油中用于工件冷卻的占比，0.35～0.7。

目前淬火油泵的配置為：兩臺(tái)流量為350 m3/h和口徑為200 mm的液下泵；淬火油密度ρ=780～820 kg/m3，取800 kg/m3；泵的開度取75%；用于冷卻的占比η取0.5?？梢酝茖?dǎo)出淬火時(shí)間如下計(jì)算式：

(4)

將各值代入式(4)中，可計(jì)算出淬火噴油時(shí)間約為5 min。

需要注意：①以上計(jì)算的時(shí)間值為理想狀態(tài)下，被淬火工件與淬火介質(zhì)之間完全發(fā)生熱交換，二者之間不存在其他阻礙熱傳遞的情況。但模壓淬火在工裝模具的作用下，淬火油存在壓力和流量損失，同時(shí)工件和模具之間也有熱傳遞，為了防止工件與工裝間的熱量回流和工件芯部熱量對(duì)工件表面的自回火，噴油時(shí)間一般至少取3倍的計(jì)算值[1]。②泵流量的開度(噴油流量)設(shè)置和噴油時(shí)間的設(shè)置，最終根據(jù)淬火后工件的質(zhì)量，進(jìn)行調(diào)整，在每種工件的初試階段找尋最后組合。理論計(jì)算只作為初試時(shí)參數(shù)設(shè)定的參考。

4 結(jié)束語

目前超大型全自動(dòng)模壓淬火機(jī)床只有HEESS2500型(德國品牌)，國內(nèi)市場還沒有應(yīng)用和開發(fā)。此次自主研發(fā)的超大型全自動(dòng)模壓淬火機(jī)床屬國內(nèi)首臺(tái)套，集機(jī)、電、氣、液為一體，采用PLC程序控制器對(duì)機(jī)床進(jìn)行程序控制，觸摸屏人機(jī)交換[5]。使用該設(shè)備模壓淬火后的工件質(zhì)量完全可以達(dá)到工藝技術(shù)的要求，工件橢圓度在0.6 mm之內(nèi)，錐度在0.3 mm，端面跳動(dòng)在0.5 mm之內(nèi)[6]，尺寸離散性很小，沒有意外因素，淬火成品率保持在95%以上。

整機(jī)具有自動(dòng)化程度高、可靠性好、淬火工件質(zhì)量穩(wěn)定、占地面積小等特點(diǎn)，采用該設(shè)備可降低廢品率，提高熱處理工藝水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。