兩工位齒輪模壓淬火機(jī)床

李 翔

(寧夏機(jī)械研究院股份有限公司，寧夏 銀川 750021)

兩工位齒輪模壓淬火機(jī)床主要用于滲碳緩冷后的齒輪、套圈以及盤狀類零件進(jìn)行再次加熱淬火限形的專用設(shè)備，零件通過二次加熱后迅速轉(zhuǎn)移至淬火機(jī)床實(shí)施快速冷卻，并在模具的限形作用下，有效地阻止了零件的漲縮，從而達(dá)到了減小零件形變和尺寸畸變，保證了零件尺寸的一致性和穩(wěn)定性[1]。適用工件尺寸：直徑φ80～φ300 mm，高度≤100 mm。

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)和電氣系統(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。本文介紹了該設(shè)備的工作過程、設(shè)備組成結(jié)構(gòu)和一些參數(shù)的簡(jiǎn)易計(jì)算。

1 全自動(dòng)循環(huán)過程

機(jī)床待料→上料至下模芯軸(人工或自動(dòng))→上組合模具及油罩下降→模壓淬火(油冷)→上組合模具及油罩上升，下模芯軸脫?！隽?人工或自動(dòng))→下模芯軸上升→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)床的組成部分包括：主機(jī)(兩工位)；工件淬火冷卻系統(tǒng)；淬火油溫度控制系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；氣動(dòng)系統(tǒng)；淬火模具；電氣系統(tǒng)等。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

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、上組合模具及油罩等在上升位，下模芯軸在上升位，機(jī)床處于待料狀態(tài)；人工或自動(dòng)將紅熱工件套裝在下模芯軸上；防護(hù)門、上組合模具及油罩工下降到位；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；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；防護(hù)門、上組合模具及油罩上升到位，下模具下行到位，工件脫模；人工或自動(dòng)出料；下模具上升到位；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)。

2.1.2機(jī)床的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1)該機(jī)床可滿足直徑范圍在φ80～φ300 mm，高度≤100 mm的滲碳鋼齒輪、套圈以及盤狀類零件的淬火限形。

2)主機(jī)機(jī)身分上、下箱體，下箱體和油池一體；兩工位的運(yùn)動(dòng)部件、控制系統(tǒng)、噴油冷卻系統(tǒng)自成一體，可獨(dú)立工作，互不干涉，可同時(shí)壓淬二種工件，便于按生產(chǎn)要求組合配套。

3)主機(jī)保證上組合模具和下模具的同軸度，同時(shí)保證上、下模具對(duì)工作臺(tái)面端面的垂直度；模具組件依靠直線導(dǎo)軌導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)重復(fù)定位。

4)上組合模具對(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。

5)下模具設(shè)計(jì)對(duì)工件內(nèi)孔尺寸的過盈量，控制內(nèi)孔變形；下模具上升位模壓淬火，下模具下降位工件脫模。

6)壓模油缸的工作壓力可以根據(jù)工件尺寸不同來調(diào)整；油缸壓力數(shù)字設(shè)置，壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，油缸壓力采用比例閥PID調(diào)節(jié)，壓模油缸壓力采用閉環(huán)控制。

7)根據(jù)工件尺寸不同，更換相應(yīng)尺寸模具即可實(shí)現(xiàn)工件的模壓淬火；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；油罩采用快換結(jié)構(gòu)，拆卸油罩可方便模具更換。

8)冷卻系統(tǒng)淬火油按設(shè)計(jì)好的油路流經(jīng)工件內(nèi)、外表面，對(duì)工件進(jìn)行急速冷卻；外環(huán)模具內(nèi)表面設(shè)計(jì)有縱、橫向流油槽，冷卻油快速流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件外表面換熱冷卻；芯軸模具設(shè)計(jì)為空腔，冷卻油進(jìn)入后通過模具圓周方向的小孔對(duì)工件內(nèi)齒面進(jìn)行噴油冷卻，同時(shí)保證淬火油在模具和工件接觸面的流通性。

9)油箱分淬火冷卻油箱和回油油箱，回油油箱的油經(jīng)過濾器、循環(huán)泵進(jìn)入淬火冷卻油箱，或者經(jīng)過濾器、循環(huán)泵、冷卻器進(jìn)入淬火冷卻油箱。過濾器過濾鐵屑等大的顆粒物，過濾網(wǎng)定期清理。

10)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，淬火后的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。

11)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)行上下料。

12)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 淬火工件的控制方式

在用戶保證冷加工件尺寸公差要求的前提下，上組合模具對(duì)工件端面脈動(dòng)施壓，控制工件端面的平面跳動(dòng)。下模具芯軸和工件內(nèi)孔通過設(shè)計(jì)過盈量，控制工件內(nèi)孔圓柱度。加壓上組合模具的油缸力值由伺服比例閥控制，可精確控制上組合模對(duì)工件端面的壓力值，同時(shí)可脈動(dòng)加壓，方便工件收縮，以實(shí)現(xiàn)控制工件的內(nèi)孔圓柱度。

1)下壓模支撐端面和芯軸一體化設(shè)計(jì)，保證工件內(nèi)孔和支撐底面的垂直度要求。

2)設(shè)計(jì)軸芯對(duì)工件內(nèi)孔尺寸的過盈量，實(shí)現(xiàn)控制內(nèi)孔尺寸的橢圓度要求。

3)工件采用強(qiáng)制脫模方式。

4)壓模油缸壓力由伺服比例閥控制，可精確控制上組合模具對(duì)工件端面的壓力值；同時(shí)可脈動(dòng)加壓，方便工件收縮，以實(shí)現(xiàn)控制工件的內(nèi)孔圓柱度。

5)上組合壓模和油缸連接采用浮動(dòng)接觸，工件受力均衡，穩(wěn)定控制工件的平面度和圓柱度。

6)獨(dú)立的噴油冷卻管路，變頻器控制噴油泵電機(jī)，噴油流量可實(shí)現(xiàn)分段控制，按噴油時(shí)間進(jìn)行噴油量參數(shù)設(shè)置。

7)淬火油根據(jù)用戶要求的方式冷卻，采用水冷器方式對(duì)淬火油溫進(jìn)行控制，油溫設(shè)上下限報(bào)警。

8)觸摸屏可設(shè)定相應(yīng)的工藝參數(shù)，存儲(chǔ)工藝配方，最多可存儲(chǔ)N套。

2.3 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)[2]。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。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)。

2.4 淬火溫度控制系統(tǒng)

淬火油溫度控制系統(tǒng)由油箱、油加熱系統(tǒng)、油冷卻系統(tǒng)和液位裝置等組成，系統(tǒng)為一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)循環(huán)回路。機(jī)床的下床身作系統(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(cè)到淬火油溫太低，油加熱系統(tǒng)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(cè)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。

1)冷卻油控制系統(tǒng)包括：油溫控制系統(tǒng)、油加熱系統(tǒng)、油冷卻系統(tǒng)、液位裝置及報(bào)警系統(tǒng)。

2)油循環(huán)冷卻系統(tǒng)由油泵、過濾器、閥門、水冷熱交換器、管及管連接件等組成，油循環(huán)冷器系統(tǒng)和油加熱系統(tǒng)配套使用，保證在連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，油溫在設(shè)定范圍內(nèi)。

3)油加熱系統(tǒng)采用電加熱管，油溫控制系統(tǒng)將油位控制在合適的范圍內(nèi)，超上、下限報(bào)警。

4)液位裝置設(shè)有上下位報(bào)警位及中間工作位。

2.5 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要提供淬火時(shí)模具對(duì)工件的保持力，由油泵機(jī)組、液壓油箱、電磁換向閥、液壓比例閥、溢流閥、調(diào)速閥、壓力表、減壓閥和水冷卻器等組成。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。

2.6 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)。

1)氣動(dòng)系統(tǒng)主要為上下氣缸提供動(dòng)力。

2)從空壓站來的壓縮空氣首先經(jīng)過氣源處理三聯(lián)件，經(jīng)除水、穩(wěn)壓后進(jìn)入各氣缸。

3)本系統(tǒng)的電磁閥為兩位五通雙電控?fù)Q向閥，用于控制雙作用氣缸，具有記憶功能。其機(jī)理是哪邊供電，則回到供電位置，不供電時(shí)，保持?jǐn)嚯娗暗奈恢谩?/p>

4)所有的工作氣缸，應(yīng)裝有單向節(jié)流閥，可使氣缸獲得滿意的速度和緩沖。

2.7 模具

一套模具有上壓模和下模具組成，一套模具可應(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。 模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of mould structure

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(zhǎng)期、可靠運(yùn)行?？刂苹芈凡捎肞LC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、下模壓力值和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)，系統(tǒng)最少可存儲(chǔ)N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)將生產(chǎn)線的運(yùn)行界面、主要工藝參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)線狀況。

3 相關(guān)參數(shù)的簡(jiǎn)易介紹

3.1 淬火油用量簡(jiǎn)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(jiǎn)易公式計(jì)算：

(1)

生產(chǎn)節(jié)拍40件/h，平衡油箱溫度按10 min計(jì)算，油箱容積≥(12/60)×40×111,可得約750 kg，約0.9 m3。選取油箱尺寸>0.9 m3。

3.2 淬火噴油時(shí)間簡(jiǎn)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(jiǎn)易公式計(jì)算：

m油=n×p×t×ρ×τ×η

(2)

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，min；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65 m3/h、口徑為50 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。由式(2)可以推導(dǎo)出淬火時(shí)間t約為2.3 min。

注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[5]，噴油時(shí)間一般至少取3倍的計(jì)算值。

注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)的參數(shù)設(shè)定的參考。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次自主研發(fā)的全自動(dòng)雙工位齒輪模壓淬火機(jī)床屬國(guó)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[6]。從用戶方了解到該設(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)要求，工件橢圓度≤0.5 mm，外圓端平面度≤0.05 mm，內(nèi)孔端平面度≤0.05 mm，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、占地面積小等顯著特點(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。