新型磨球壓滾成形生產線研制

陳艷妮

(四川鴻艦重型機械制造有限責任公司,四川 攀枝花 617000)

0 前言

磨球對物料起破碎和研磨作用，在礦山采選、煤炭、水泥等行業有廣泛應用，每年消耗數以百萬噸計。傳統磨球生產有鑄造工藝、鍛造工藝、軋制工藝三種，存在產能低、工作環境差、熱輻射、勞動強度大、噪音大、煙塵、粉塵，污染嚴重等缺陷，環保壓力大。從磨球產業長遠發展和環保政策要求來看，必須進行技術更新，控制環境污染，提高磨球產能。某公司自行設計、制造包括上料及中頻加熱成套設備、多規格棒料剪斷機、上料機器人工作站及控制系統集成設備、成形擠壓機、整形設備、鏈斗式緩冷機、雙道交叉水冷淬火機等設備的磨球壓滾成形生產線，用機器人代替人工，在噪音方面明顯低于鍛造磨球生產方式，每噸磨球的固體排放物少，沒有煙氣污染，綜合環保性能好。

1 技術參數及質量指標

本文使用Φ70 mm、Φ80 mm、Φ100 mm三種規格圓鋼生產出Φ100 mm、Φ120 mm、Φ150 mm三種規格磨球，產能指標要求每小時400個。磨球產品允許直徑偏差±3 mm，圓整度≤1 mm，表面硬度及心部硬度需滿足生產要求，兩端平頭高度<3 mm，外觀要求表面光潔，無明顯凸起及凹坑，無裂紋現象。

2 工作原理及主要結構設計

2.1 總體設備布置圖

磨球壓滾生產線主要包括七部分：上料及中頻加熱成套設備、多規格棒料剪斷機、上料機器人工作站及控制系統集成設備、成形擠壓機、整形設備、鏈斗式緩冷機、雙道交叉水冷淬火機，如圖1所示。

圖1 磨球壓滾生產線

天車將圓鋼棒料吊裝到上料架臺面，通過上料架輥輪將圓鋼輸送進電加熱爐，電加熱爐將圓鋼棒料加熱到1 050 ℃，輸送輥道將高溫棒料輸送進多規格棒料熱剪機，熱剪機將高溫棒料剪切成定尺圓鋼，機器人將定尺圓鋼夾取到成形擠壓機的模具里，擠壓機將定尺圓鋼擠壓成半成品，氣缸將半成品推進整形機里，整形后的磨球進入鏈斗式緩冷機空冷，空冷后的磨球進入雙道水冷淬火機水冷，水冷后的磨球進入磨球料斗。

2.2 上料及中頻加熱成套設備

上料及中頻加熱成套設備主要由上料架、爐體、感應器、托料輥、壓料機構等組成，如圖2所示。

圖2 上料及中頻加熱成套設備

天車吊裝圓鋼棒料到上料架臺面，通過上料架輸送輥將圓鋼輸送進電加熱爐，電加熱爐將圓鋼棒料加熱到1 050 ℃，輸送輥將高溫棒料輸送進多規格棒料熱剪機。連續送料機構包括至少三根依次間隔分布的托料輥，壓料機構包括至少兩根壓輥，處于連續送料機構的輸送前端和輸送末端的兩根托料輥的上側均設有一根壓輥，壓輥能夠上下運動以靠近或遠離其所對應的托輥。

采用中頻電感應加熱，不容易發生過熱與過燒，產品質量有保證，氧化鐵皮損失小，生產機動靈活，生產環境好，節省人力與占地面積，容易實現機械化自動化生產等。

2.3 棒料熱剪機

該設備機體采用整體焊接結構，通過曲柄帶動上刀具對熱態圓鋼進行定尺熱剪。氣動摩擦式離合與制動器具有過載保護功能。PLC程序控制，機動遞進式干油潤滑，可實現自動剪切、快換刀片、自動潤滑，氣壓不足、潤滑油不足、油路堵塞、無油自動報警及電機過載自動報警等監控及安全保護控制裝置，如圖3所示。

圖3 棒料熱剪機

2.4 上料機器人工作站及控制系統集成設備

上料機器人工作站包括下料機構和取料機器人，下料機構的進料端與多規格棒料熱剪機上設置的出料導軌的出料端相對應，取料機器人能夠將進入下料機構中的坯料抓取并送入成形擠壓機的模具型腔內。取料工作站的取料機器人設置在機器人底座上，機器人夾具設置在取料機器人的機械手臂上。機器人夾具包括固定部和移動部，固定部上設有呈“V”字形的固定夾口，移動部可伸縮地設置在固定部上，移動部上與固定夾口相對應處設有呈“V”字形的移動夾口，移動夾口能夠隨著移動部的運動靠近或遠離固定夾口，如圖4所示。

圖4 上料機器人工作站

熱取料工作主要由可編程的機器人完成熱剪切的坯料準確抓取，然后垂直放入球形下模。高溫坯料在上模壓下前保持垂直不傾斜，是擠壓成半成品球的關鍵。為保持坯料在上模壓下前保持垂直，在下模上表面設計氣動扶正定位機構，與機器人在控制系統中實現聯動，機器人準確防止坯料后，啟動氣動扶正定位機構，氣缸推動兩個片狀V形夾持臂，夾緊坯料。然后系統允許機器人夾具松開坯料，離開壓力機。

2.5 成型擠壓機

成型擠壓機設置有棒料扶正定位機構、推料機構和吹氣清掃機構。棒料扶正定位機構能夠將處于成型擠壓機的模具型腔內的坯料扶正定位。推料機構能夠將擠壓成的半成品磨球推出成型擠壓機的模具型腔并推送至擠壓出料滑道內。吹氣清掃機構能夠對成型擠壓機的模具型腔進行吹掃清理，如圖5所示。

圖5 成型擠壓機

2.6 成型模具

擠壓模具將熱剪后的定尺圓鋼擠壓成近似圓形，便于滾圓。擠壓模具采用等體積原理來設計，由于采用曲柄式壓力機鍛壓，上、下模具之間需有間隙，經多次試驗調整，將模具間隙設計為10 mm。定尺坯料為1 000 ℃左右的高溫坯料，上、下模具設計有冷卻水腔；下頂桿將擠壓成形的粗坯磨球從下模具頂出；上、下模具的間隙為10 mm左右，根據擠壓出球形進行調整，如圖6所示。

圖6 成型模具

2.7 整形裝置

整形裝置包括整形機體、橫梁部、左、右軋輥及其調整座、拉桿裝配、導球槽等，如圖7所示。左軋輥、右軋輥相互平行，軸線有一定的交錯角。軋輥上設置有螺旋槽，且螺旋槽彼此相對應的凹陷部位能夠擬合成圓形，保證滾圓后的磨球沒有環帶，球形好。磨球粗坯在軋輥的帶動下，做平行于軋輥軸線與軋輥旋轉方向相同的旋轉運動，粗坯在軋輥輥形的作用下整形成磨球成品。螺旋孔型限制磨球粗坯的變形，粗坯磨球經塑性成形成磨球。螺旋槽的設計遵循體積不變定律和最小阻力定律。

圖7 整形設備

2.8 鏈斗式緩冷機

鏈斗式緩冷機包括驅動部、傳動頭輪部、傳動尾輪部、輸送鏈斗部、卸料斗、分料溜槽等，如圖8所示。

圖8 鏈斗式緩冷機

滾圓成形的磨球表里溫度不均勻，都高于淬火需要的溫度，故需進行冷卻。冷卻需在生產線上連續進行。采用鏈斗式緩冷機作為緩冷設備。鏈斗式緩冷機通過變頻電機帶動具有料斗的鏈條提升磨球進行緩冷，通過調節變頻機轉速來調節鏈條速度從而調整根據工藝需要的磨球冷卻時間。

2.9 雙道交叉水冷淬火機

雙道交叉水冷淬火機包括驅動電機、螺旋輸送機、水淬水槽等，如圖9所示。雙道交叉水冷淬火機對緩冷后的磨球進行淬火處理。從緩冷設備出來的磨球緩冷到合適溫度后通過緩冷出料滑道進入雙道交叉水冷淬火機，變頻電機帶動水槽中的螺旋旋轉使磨球水冷淬火，磨球在水中邊旋轉邊前進，磨球與水全面均勻接觸，保證磨球淬透與均勻。

圖9 雙道交叉水冷淬火機

3 應用效果

多規格磨球壓滾成形生產線經過一年半年時間的生產運行，每小時可生產Φ100 mm磨球420個，Φ120 mm磨球420個，Φ150 mm磨球420個，磨球的機械性能指標遠大于傳統磨球，符合國家倡導的節能減排精神。磨球壓滾成形技術提供了一種新的磨球生產工藝技術，具有生產效率高、磨球質量穩定、耐磨性高、環保節能、自動化程度高等特點，克服了傳統鑄鑄造磨球和鍛造磨球生產的缺點，是未來磨球生產的發展趨勢。對攀枝花地區發展磨球產業、如何在環保前提下發展提供了實踐經驗，同時給與磨球壓滾成形技術的學術研究及行業提供技術支持和實踐經驗。