滾動(dòng)式鋼球淬火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高云婷，李攀峰

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450007）

滾動(dòng)式鋼球淬火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高云婷，李攀峰

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450007）

1 概述

鋼球主要用來(lái)制造軸承和粉碎物料等，有著較廣泛的用途。鋼球一般采用鑄造或者由鋼錠鍛造的方式生產(chǎn)。生產(chǎn)過(guò)程中，鋼球的淬火處理往往是其生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工藝之一。鋼球的淬火處理一般采用把常溫的鋼球重新加熱快速冷卻的方式進(jìn)行。重新加熱淬火時(shí)，淬火溫度容易控制，鋼球的部分碳化物溶解，碳向基體擴(kuò)散，可以有效地提高鋼球的表面硬度。傳統(tǒng)粗放式生產(chǎn)方式常采用對(duì)一批（筐）鋼球進(jìn)行整體加熱后一起倒入水中冷卻的方式進(jìn)行。這雖然方便了生產(chǎn)，但是由于同一批次鋼球存在加熱不均勻，淬火溫度不一致等原因，造成其表面硬度難以控制到最佳，且不同鋼球之間表面硬度一致性差。

采用滾動(dòng)式鋼球加熱淬火的生產(chǎn)方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)鋼球的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確控制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)生產(chǎn)。

2 滾動(dòng)式鋼球加熱淬火系統(tǒng)組成

滾動(dòng)式鋼球加熱淬火的生產(chǎn)工藝如圖1所示。常溫的鋼球送入加熱爐中均勻加熱到930℃左右，然后進(jìn)入溫度分揀裝置逐個(gè)進(jìn)行溫度檢測(cè)。當(dāng)溫度下降到830℃左右時(shí)，將其送入恒溫的淬火池中淬火，然后由鋼球打撈機(jī)構(gòu)將其撈出淬火池實(shí)行裝箱做業(yè)。

圖1 滾動(dòng)式鋼球加熱淬火的生產(chǎn)工藝流程

2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

加熱爐采用煤氣火焰加熱的方式，對(duì)鋼球進(jìn)行加熱。將爐膛分為鋼球預(yù)熱區(qū)和鋼球加熱區(qū)以及鋼球出爐區(qū)三個(gè)部分。鋼球預(yù)熱區(qū)由1#電動(dòng)閥調(diào)節(jié)煤氣管道的進(jìn)氣量，將預(yù)熱區(qū)的溫度控制在400℃左右，設(shè)計(jì)的預(yù)熱的區(qū)域能夠?qū)︿撉蜻M(jìn)行充分的預(yù)熱。鋼球加熱區(qū)的溫度由2#電動(dòng)閥調(diào)節(jié)，將該區(qū)域的溫度控制在930℃左右。鋼球從入口進(jìn)入加熱爐后，緩慢從預(yù)熱區(qū)滾動(dòng)進(jìn)入加熱區(qū)的過(guò)程中溫度逐步上生。鋼球在加熱爐內(nèi)的滾動(dòng)速度由位于加熱爐末端的出球滾筒控制。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的速度快，出球速度快，爐內(nèi)鋼球的移動(dòng)速度也加快，反之亦然。出球滾筒由一臺(tái)由變頻器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾筒的軸端安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)時(shí)對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖2 滾動(dòng)式鋼球淬火系統(tǒng)組成

如圖3所示，鋼球被加熱充分后由出球滾筒帶動(dòng)加熱爐內(nèi)滾道中呈線形排列的高溫鋼球，逐個(gè)滾入預(yù)設(shè)“V型”傾斜滾道中，呈線性排列。滾動(dòng)過(guò)程中鋼球表面脫落的氧化物或者其他雜質(zhì)落入滾道底部，并從滾道底部排出。

圖3 鋼球出爐裝置及“V型”滾道示意圖

2.2 鋼球溫度分揀

在“V型”滾道的另一端設(shè)置了鋼球溫度自動(dòng)分揀裝置，在這里鋼球的表面溫度被遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀逐一測(cè)量。

鋼球分撿裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。翻轉(zhuǎn)臺(tái)同樣也為“V型”槽設(shè)計(jì)，且同“V型”滾道同方向放置，這樣當(dāng)鋼球沿“V型”滾道進(jìn)入翻轉(zhuǎn)臺(tái)后，受到翻轉(zhuǎn)臺(tái)上垂直于滾道方向的擋板阻擋，停止在翻轉(zhuǎn)臺(tái)上。這時(shí)，位于翻轉(zhuǎn)臺(tái)上的鋼球位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)將檢測(cè)到的鋼球到位開關(guān)信號(hào)傳遞給電氣控制系統(tǒng)，啟動(dòng)圖2中所示的遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀工作。當(dāng)鋼球表面的溫度符合淬火溫度設(shè)定時(shí)，翻轉(zhuǎn)臺(tái)在一個(gè)氣缸的推動(dòng)下，繞翻轉(zhuǎn)臺(tái)的軸線向分揀滾道側(cè)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)翻轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)的角度大于其“V型”槽的傾斜角時(shí)，鋼球落入分揀滾道中，并沿圖4所示的滾動(dòng)方向落入淬火池中淬火。

當(dāng)鋼球的溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)，翻轉(zhuǎn)臺(tái)同樣執(zhí)行上面的動(dòng)作，同時(shí)分揀滾道在另一個(gè)2#氣缸的作用下繞圖4所示的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向另一側(cè)，如圖5所示。這樣低溫鋼球就沿分揀滾道進(jìn)入不合格產(chǎn)品區(qū)域。

對(duì)翻轉(zhuǎn)臺(tái)上的擋板工作時(shí)的說(shuō)明如圖6所示。當(dāng)鋼球1、鋼球2和鋼球3一起沿傾斜從圖示位置沿滾道撞向擋板時(shí)，球1和球2的接觸點(diǎn)分別為A和B。當(dāng)球1開始滾動(dòng)時(shí)，A點(diǎn)和B點(diǎn)的滾動(dòng)方向相反，F(xiàn)BA和FAB分別阻礙A球和B球的運(yùn)動(dòng)。所以，當(dāng)多球一起同方向滾動(dòng)時(shí)，各球之間必然存在間隙，相互獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。當(dāng)多個(gè)球一起向下滾動(dòng)，撞向擋板時(shí)，擋板受到的撞擊力F撞如圖6所示。以Φ140mm約6kg左右的鋼球來(lái)做試驗(yàn)，測(cè)得當(dāng)傾斜角θ為5度時(shí)，鋼球運(yùn)動(dòng)距離為4米時(shí)，對(duì)擋板的沖擊力約為200N左右。在設(shè)計(jì)反轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾訐醢宓暮穸群头D(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)軸承的直徑，完全能夠承受鋼球的沖擊作用。

圖4 鋼球分揀裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 低溫鋼球分揀動(dòng)作示意圖

圖6 擋板工作受力分析

2.3 鋼球淬火

如圖2所示，淬火池中，鋼球淬火滾筒采用半浸式設(shè)計(jì)。滾筒內(nèi)部設(shè)計(jì)有螺旋狀鋼球滾道，且滾筒的軸線與水平線有一定的傾斜角度，其底部浸入水中。滾筒同樣由另外一臺(tái)受變頻器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作時(shí)，鋼球從分揀滾道進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的滾筒后，鋼球始終位于滾筒的底部浸入水中，沿滾筒的傾斜方向從淬火池一端移動(dòng)到另一端。在淬火池的出球側(cè)設(shè)置了“斗式”鋼球打撈裝置，將完成淬火的鋼球撈出淬火池，送入鋼球分裝箱中。鋼球的淬火池停留的時(shí)間由淬火滾筒的滾動(dòng)速度決定。

另外，淬火池設(shè)進(jìn)水口和出水口，采用溫度傳感器對(duì)水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)得的信息送到電氣控制系統(tǒng)，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)打開水泵向淬火池中注入冷水。

3 電氣控制系統(tǒng)

如圖7所示，整個(gè)系統(tǒng)采用西門子S7-200 CPU226型PLC為主控制器，擴(kuò)展一個(gè)EM231CN模擬輸入量模塊和2個(gè)EM232CN模擬輸出量模塊。CPU226帶有24個(gè)輸入和/16輸出數(shù)字量模塊，擴(kuò)展的EM231CN具有4個(gè)模擬量輸入端口，EM232CN具有2個(gè)模擬量輸出端口，完全滿足了系統(tǒng)的要求。選用西門子TP170B COLOR觸摸屏，用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互數(shù)據(jù)記錄等功能，它采用66MHz，32位的RISC處理器，16色彩色STN屏幕，提供320*240像素，使用專用組態(tài)工具Wincc flexible進(jìn)行組態(tài)。

圖7 電氣系統(tǒng)組成

采用熱電偶實(shí)時(shí)檢測(cè)加熱爐爐膛溫度，溫度信號(hào)經(jīng)變送器調(diào)理成0～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，經(jīng)EM231CN模塊的輸入端送入主控制器處理。同理，采用熱敏電阻Cu50實(shí)時(shí)檢測(cè)淬火池的水溫，采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀檢測(cè)翻轉(zhuǎn)臺(tái)上的待淬火鋼球的表面溫度，并通過(guò)EM231CN送入主控制器處理。擴(kuò)展的2個(gè)EM232模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制加熱爐出球滾筒和淬火池淬火滾筒的變頻器以及煤氣管道電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的控制。

PLC各控制端口的接線如圖8所示。PLC程序采用主程序+子程序的模塊化程序設(shè)計(jì)，主程序采用無(wú)條件（SM0.0）調(diào)用子程序的方式進(jìn)行。主要的子程序模塊有急停子程序、加熱爐控制子程序、分揀裝置控制程序、淬火池控制子程序、模擬量輸入處理子程序、模擬量輸出處理子程序。

圖8 PLC接口連接

遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀采用德國(guó)OPTRIS CT型測(cè)溫儀，可測(cè)溫度范圍為-40℃到900℃，滿足檢測(cè)要求。測(cè)量時(shí)，采用活動(dòng)支架將其置于距鋼球1.5m左右的距離，調(diào)整測(cè)溫儀的鏡頭盡可能的沿鋼球的法線方向布置，保持鋼球表面被測(cè)點(diǎn)的直徑約為15mm左右。設(shè)置測(cè)溫儀采用取測(cè)溫區(qū)域最大值的溫度信號(hào)處理方式，可有效的避免因鋼球表面的氧化斑點(diǎn)造成的測(cè)量誤差。

另外，發(fā)射率是影響遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀測(cè)量精度的重要因素之一，影響發(fā)射率的主要因素有物體的材料、被測(cè)表面質(zhì)量、測(cè)量環(huán)境的空氣質(zhì)量等。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)采用精確的熱電偶與遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀比對(duì)的方式進(jìn)行測(cè)溫儀發(fā)射率的調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，測(cè)量鍛造鋼球或者鑄造鋼球時(shí)，發(fā)射率設(shè)定為0.80～0.87左右遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀的測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)已經(jīng)獲得國(guó)家多項(xiàng)專利，專利號(hào)為：ZL200710054960（發(fā)明專利）、Zl200720091479.X（實(shí)用新型專利）。

滾動(dòng)式鋼球加熱淬火系統(tǒng)在多家企業(yè)的長(zhǎng)期應(yīng)用表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，可對(duì)鋼球的熱處理生產(chǎn)過(guò)程中鋼球加熱時(shí)間、鋼球加熱的均勻性、鋼球入水前的表面溫度、淬火池的水溫等關(guān)鍵因素進(jìn)行精確的控制，還可根據(jù)鋼球的材質(zhì)等因素靈活柔性的調(diào)節(jié)淬火工藝，克服了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的缺陷，保證了鋼球最佳的淬火效果和批量生產(chǎn)時(shí)質(zhì)量的高度一致性。

[1]高云婷, 等. 基于遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀的鋼球淬火溫度控制系統(tǒng)[J],昆明冶金高等專科學(xué)校, 2005(01).

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Steel ball rolling quenching system design

GAO Yun-ting, LI Pan-feng

鋼球廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的多個(gè)領(lǐng)域，鋼球的淬火處理是保證鋼球質(zhì)量的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝之一。在研究了滾動(dòng)式鋼球淬火工藝的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了滾動(dòng)式鋼球淬火系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)滾鋼球動(dòng)式加熱、淬火溫度分揀、淬火和鋼球自動(dòng)打撈等子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理等進(jìn)行了介紹，最后對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及調(diào)試過(guò)程遇到的問(wèn)題做了總結(jié)。

鋼球淬火；分揀；紅外測(cè)溫儀；PLC

高云婷（1977－），女，河南平頂山人，講師，碩士，主要從事自動(dòng)化技術(shù)的教學(xué)和研究工作。

TP181

B

1009-0134(2011)4(下)-0120-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).35

2010-11-16