凸輪軸火焰淬火自動熱處理機床

朱桂英 李菊梅 葉有才

(①河北工程大學裝備制造學院，河北 邯鄲056038;②邯鄲日東機械有限公司，河北 邯鄲056001)

凸輪軸是發動機關鍵零件，其技術要求很高。球墨鑄鐵凸輪軸熱處理工藝［1］一般為:整體正火處理再經表面淬火處理。技術要求為:支撐軸頸和凸輪經表面淬火后硬化層硬度45 ～53 HRC，硬化層深度1.5 ～5 mm，硬化層金相組織按JB/T9205 的規定，3 ～6 級合格。

合金鑄鐵凸輪軸經表面淬火處理，支撐軸頸和凸輪經表面淬火后硬化層硬度為53 ～58 HRC，硬化層深度1.5 ～5 mm，硬化層金相組織為細針狀或中針狀回火馬氏體及碳化物。

球墨鑄鐵和合金鑄鐵凸輪軸目前主要采用中頻淬火表面熱處理技術［2］，有技術成熟、自動化程度高等優點，國內外研究較多。上海工業大學曾對凸輪軸連續感應中頻淬火感應線圈進行設計、對淬火工藝過程進行優化［3］。上海通用東岳動力總成有限公司曾對凸輪軸中頻淬火后退刀槽產生的裂紋進行分析，并提出了改進措施［4］。東風汽車公司發動機廠曾研發凸輪軸中頻感應加熱臥式機床［5］，解決了凸輪軸一次感應加熱、浸液冷卻、余熱回火的問題。然而，中頻淬火在退刀槽等處易產生裂紋，影響產品質量。中頻淬火為提高效率和質量需要配置自動淬火機床，設備投資較大。

火焰淬火熱處理工藝較之中頻淬火表面熱處理具有諸多優點:不易產生淬火裂紋，不受批量限制，成本較低，但是這種熱處理工藝對穩定性和精確性控制要求高，技術難。從世界范圍來看，凸輪軸火焰淬火技術現已在日本等少數發達國家的生產實踐中有所應用，但國內、國外有關凸輪軸火焰淬火的工藝、淬火自動設備設計、研究相關成果較少，即使有，也會出于核心技術保密的原因很少見諸公開。

目前，筆者所在課題組已掌握了火焰的溫度穩定性精確控制技術［6］，如能將其應用于凸輪軸表面淬火必將大幅提高產品質量，降低投資成本，取得良好的經濟效益。某凸輪軸加工制造企業也希望突破技術難題，采用火焰淬火方法對凸輪軸進行表面淬火，研制凸輪軸火焰淬火自動設備，降低成本，提高質量，增加企業效益。故筆者所在學院與該企業一起設計、研發了凸輪軸火焰淬火自動機床。目前，此技術已在該企業取得良好的技術效果。

1 淬火機床整體方案

1.1 凸輪軸的工藝參數

在廠家的實際生產環境中，試驗確定了凸輪軸火焰淬火熱處理工藝及參數。主要有:

(1)乙炔輸出壓力為≤0.07 MPa，氧氣輸出壓力

≤0.7 MPa。

(2)火焰呈中性藍色，工件溫度為880 ±10 ℃。加熱時間13 ～18 s，冷卻時間8 ～20 s。

(3)經火焰表面淬火后應回火，溫度190 ℃×120 min，空冷。

1.2 需解決的問題

根據以上參數和技術要求，火焰淬火機床要解決以下問題:

(1)火焰噴槍的設置和火焰控制。解決在正確的位置對工件進行加熱，并實現火焰溫度的穩定性控制的問題。

(2)工件加熱均勻性控制。目的是保證凸輪軸工件周向外表面均勻達到所需要的溫度。

(3)工件的上料和下料的設計。上、下料裝置保證加熱和冷卻的準確時間。

(4)自動控制系統的設計。保證淬火溫度、加熱和冷卻時間等工藝流程和參數的實現。

(5)機床較好的通用性。能夠使機床對長度在一定范圍內的各規格凸輪軸工件進行淬火。

1.3 淬火機床總體設計

基于以上要解決的問題，淬火機床的總體構成主要由5 部分組成，如圖1 所示。

(1)工件的上料裝置

作用是使工件按照需要的時間和順序進入噴槍下的合理位置。

(2)工件旋轉機構

通過傳動機構使動力驅動工件旋轉，以使凸輪軸工件表面受熱均勻。

(3)火焰噴槍子系統

作用是以合適的位置和角度安裝、設置火焰噴槍。支撐固定乙炔、氧氣匯流排及其他裝置，實現火焰穩定性控制。

(4)工件的下料裝置

作用是使淬火后的工件按要求浸入冷卻液，達到冷卻時間后，從冷卻液中分離。

(5)自動控制子系統

工件從上料→旋轉→淬火→冷卻→出料的整個過程都需要由自動控制系統完成，以保證淬火質量和效率。

2 淬火機床子系統方案

2.1 上料裝置

機床上料裝置(如圖2 所示)主要由滑料槽1、阻料氣缸4、放料氣缸5、接料器6、光控開關3、送料氣缸8、旋轉氣缸7 和限位開關9 等組成。

接料器6 上設置半圓形接料環，接料環的內部安裝有彈簧和鋼球。

上料裝置的工作原理為將工件放入滑料槽1 中，當開關3 顯示滑料槽中有料時，阻料氣缸4 松開，放料氣缸5 阻斷，工件進入阻料氣缸4 和放料氣缸5 之間。接到放料信號后，阻料氣缸4 阻斷，放料氣缸5 松開，工件由于重力的作用落入接料器6 中，接料器6 中鋼球在彈簧的作用下伸出(如圖3 所示)，卡住工件。接料器上安裝的光控開關發出信號，旋轉氣缸7(如圖2a)旋轉90°，然后送料氣缸8(如圖2b)左行，將工件送至旋轉機構中(如圖4)的頂尖位置。待頂尖卡緊后，送料氣缸8 右行，退回原位。

2.2 旋轉機構

工件旋轉機構構成如圖4 所示，氣缸1 驅動頂尖2 左右運動，卡緊和松開工件。

旋轉機構的工作原理為動力經減速器、皮帶傳至主動頂尖3，驅動主動頂尖3 旋轉。當工件送至頂尖2、3 之間的位置時，如圖2 中限位開關9 發出信號，圖4 中氣缸1前行，頂尖2 頂緊工件。工件開始旋轉，并由噴槍火焰均勻加熱。

2.3 火焰噴槍子系統

火焰噴槍子系統主要構成如圖5 所示，由兩組匯流排2、噴槍3 及氣體控制裝置組成。匯流排2 由兩組氣道，分別通乙炔和氧氣，乙炔和氧氣的流量采用定值加減壓方式進行穩定控制，以保證火焰溫度穩定。噴槍分為兩組，呈一定角度布置，從兩個方向對凸輪軸加熱，以保證凸輪軸受熱均勻。噴槍3 的安裝角度和位置可以按要求調節。

2.4 下料裝置

下料裝置的構成主要由圖4 中的下料接料器5、下料水平氣缸6 和圖5中的導軌及導軌導向板4 和下料垂直氣缸5 組成。

下料裝置的工作原理為凸輪軸工件淬火后，工件旋轉機構的頂尖2 松開，工件經下料導板1(如圖5)落入下料接料器5(如圖4)中，并浸入冷卻液里，達到冷卻時間后，下料水平氣缸6(如圖4)后退至限定位置。當位置開關發出信號后，圖5 中下料垂直氣缸5 驅動下料接料器5 沿導軌4 上行，將工件送出冷卻液面，整個淬火過程結束。

2.5 自動控制子系統

自動控制子系統是整個淬火機床的自動淬火工藝流程實現的核心，根據淬火機床特點，我們采用PLC控制技術。運行方式采用自動和手動兩種。其中自動運行方式采用連續、單步和復位操作方案，以實現不同情況的動作要求。

清點輸入及傳感器、執行器的數量，本系統中有11 點輸入，12 點輸出，考慮到余量，選三菱FX2N-32MR 可滿足系統要求［7］。

表1 I/O 地址分配表

I/O 地址分配表如表1 所示。

考慮到淬火機床工作過程屬于順序控制，故采用狀態法編程，圖6 給出了自動連續運行狀態流程圖［8-9］。

3 效果

設計的凸輪軸工件淬火機床經試制后，進行了試運轉和試驗。結果為機床能夠準確控制加熱和冷卻時間，按預定設計工藝流程實現上料、下料，達到了設計要求。

經對QT700 -2 球墨鑄鐵凸輪軸工件的取樣淬火，淬火后凸輪軸工件表面硬度在48 ～52 HRC 之間，淬硬深度4 ～5 mm。對合金鑄鐵凸輪軸工件取樣表面淬火，支撐軸頸和凸輪經表面淬火后硬化層硬度在54～57 HRC 之間，硬化層深度3 ～5 mm，滿足了凸輪軸的熱處理技術要求。

4 結語

本文所設計的凸輪軸火焰淬火自動機床采用PLC對工件加熱時間、冷卻時間等參數和工藝過程進行自動控制，解決了工件火焰加熱均勻性、上料和下料問題，實現了工件火焰淬火的自動化。

本文所設計的凸輪軸火焰淬火自動機床可以用于一定尺寸范圍內的不同規格凸輪軸的加工生產，適用性強。通過更換匯流排，調整火焰噴槍的數量和位置，調整頂尖的位置，擴大了凸輪軸火焰淬火的尺寸范圍，使機床在結構簡單的基礎上，通用性較好，制造成本低。

本文提出的機床設計突破了使用火焰淬火對凸輪軸進行自動熱處理的技術難題。后續研究可從增加凸輪軸火焰淬火自動機床的上、下料系統自動化程度上進行改進，進一步提高生產效率和經濟效益。

［1］JB/T 6728.1 -2008. 內燃機凸輪軸第1 部分:技術條件［S］.2008.

［2］顏志強.QT700—2 凸輪軸斷裂分析與挽救的研究［J］.熱處理，2003(1):20 -23.

［3］王偉雄 胡曉平 朱會文. 船用凸輪軸的連續中頻感應淬火［J］. 熱處理，2001(3):12 -14.

［4］蔡一法，李曙光，逯英杰，等. 高強度球鐵凸輪軸淬火裂紋的研究［J］.鑄造技術，2010，31(9):1136 -1139.

［5］趙顯恕. 凸輪軸感應加熱淬火設備和工藝［J］. 金屬熱處理，1998(11):24 -25，31.

［6］朱桂英，應用于挺桿的火焰淬火設備研究［D］. 天津:河北工業大學，2010:10 -11

［7］孫晉，張萬忠.可編程序控制器入門與應用實例［M］. 北京:中國電力出版社，2010:94 -95

［8］劉守操，劉彥鵬.可編控制器技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2006 :78 -89

［9］松下電工.EP3 BASIC Type Programmable Controller Technical Manual［Z］. 大阪，1994.3 -9.