感應淬火能量監控在生產中的應用

閆科，劉光宗，賈武，朱兆民

1.西安雙特智能傳動有限公司 陜西西安 710119

2.應達工業（上海）有限公司 上海 201203

1 序言

西安雙特智能傳動有限公司在用的一臺VSM95型感應淬火機床，主要用于行星架類零件內花鍵、外圓感應淬火。該設備由應達工業（上海）有限公司提供，采用的是功率輸出、能量監控的控制模式。在實際生產應用中，其能量監控系統自動記錄、監控、識別、停機，可確保零件的穩定連續加工，避免不合格品的混入及安全事故的發生[1]。

2 能量監控原理

感應加熱能量監控系統應用的目的，就是為了監測感應加熱電源加熱過程的狀態和各項加熱工藝指標，以便對產品質量及加工過程進行監控。各個感應淬火設備制造廠家，在能量監控原理思路上基本一致，只是在細節設計制造上各有優劣。

2.1 能量監控架構

在特定感應電源頻率下，感應加熱所需的能量可按照“功率×時間”計算，即影響感應加熱的主要工藝參數是電壓、電流、時間[2]。通過實時數據采集，將三個數據進行測算、累積計算，可以得出工件加熱所需的整體能量和實時能量。

2.2 能量監控的數模實現

應達工業（上海）有限公司所提供的感應淬火設備，其能量監控原理，是將感應線圈負載的電壓、電流信號，通過模擬信號采集板進行采集，計算后得出能量累加值，再使用信號變送的方式將電信號轉換成光信號，通過物理光釬傳送到BCD碼電子板，BCD碼電子板再將代表能量的光信號轉換成BCD碼電信號，傳送到PLC處理器，經過PLC數據處理及換算最終得出實際的能量值（單位為kVAs）。

這樣處理的能量值由于采集信號是在感應線圈負載側，故該信號真實地反映了實際輸出在負載上的能量值。另外，由于在傳輸通道上采用了光纖傳導，利用光信號進行傳輸，這樣就完全避免了高頻次諧波電磁環境對傳輸信號的干擾而產生信號失真的問題，因此經過系統實時監控并計算的能量值就能真實地反映感應加熱設備最終輸出的能量值，以此便能作為感應加熱中產品質量是否合格的重要驗證標準，并在后續的計算機數據歸檔中對產品品質的追溯提供了重要的保證。

同理，淬火液流量、壓力，以及工件旋轉速度等也可參照能量監控的數模方式進行實現。

2.3 能量監控的其他要求

能量監控系統并入到所使用的PLC控制系統中，可以進行自動的實時監控、識別、控制，并能在發生故障時及時進行自動停機，可避免因調試不當、參數設置不合理、工件與線圈碰撞或電源異常時，造成的零件熔毀、設備損傷、人員傷亡等事故[3]。

3 能量監控系統在設備上的應用

所用的VSM95 型感應淬火機床，使用標準的西門子機床控制系統，其能量監控功能通過控制柜內的硬件，直接嵌入到PLC接口中，可在控制屏上顯示電壓、電流、頻率、功率、能量、加熱時間、淬火液冷卻時間、淬火液溫度、淬火液壓力、淬火液流量及旋轉速度等信息，每個數據都可進行上下限報警設置，即最大值、最小值設置[4]。工控機能量監控界面見表1。

表1 工控機能量監控界面

其中，能量監控的上下限設置，可自動監控、控制，并在發生故障時及時停機。上下限參數的設置需經過大量的生產和金相檢測后確定，一般在正常值的±10%范圍內。

在控制屏上設置的“淬火能量kVAs最小值”，加熱時，系統會對該零件的能量值進行判斷，當低于該最小值時，系統提示該零件為“不合格品”，并顯示加熱不足的原因。

在控制屏上設置的“淬火能量kVAs最大值”，加熱時，系統會對該零件的能量值進行判斷并控制，當高于該最大值時，系統提示該零件為“不合格品”，同時系統自動停止加熱，避免繼續加熱造成零件熔毀、電源損壞。停止加熱操作不需要人工判斷并操作，然后可根據系統顯示的錯誤信息參數，進行參數調整及故障排除。

控制屏上的“淬火能量kVAs實際值”，則是系統自動顯示的該零件加熱所需的總的能量值，當該實際值在最小值、最大值范圍內時，該件顯示“合格”。實時對能量、電流、頻率數據自動監控和記錄，并保存在“趨勢圖”中（見圖1、圖2），方便隨時查看；同時每一個零件的加工參數，如生產日期、時間、零件號、淬火液流量、淬火液溫度、淬火液壓力、淬火能量、淬火電源頻率及旋轉速度信息等都會保存到“過程記錄”中。

圖1 記錄界面

圖2 能量實時記錄界面

4 能量監控系統在生產中的應用實例

4.1 感應淬火設備配置

在實際生產中，我們應用的是VSM95 型感應淬火機床，配置200kW/（200～400kHz）的THERMATOOL全固態電源，采用功率控制及能量監控的方案，具有高效、安全、簡潔的特點。

4.2 感應淬火零件

該設備主要用于西安雙特智能傳動有限公司行星架類零件內花鍵及外圓感應淬火，此類零件屬于薄壁、易變形零件，對加熱參數的控制要求較高。

4.3 能量監控實例

某行星架材料為1E1122，外圓感應淬火，要求淬火長度最小53mm，淬硬層深0.8mm（見圖3）。經大量工藝試驗驗證，感應淬火能量值達到329kVAs，可滿足圖樣要求的硬化層深度及硬化長度，金相剖切如圖4所示。為了嚴格控制工藝過程，能量最大值、最小值設置分別為340kVAs和320kVAs。

圖3 零件結構及裝卡示意

圖4 金相剖切

連續生產300件，感應淬火零件能量值均在（329±1）kVAs范圍內，隨機抽檢5件進行破壞性檢測，其硬化層深、硬度、硬化長度基本一致，較穩定。

4.4 能量監控上下限設置錯誤實例

某次換產之后，重新調試該行星架，操作人員未按照工藝要求設定感應淬火能量最大值、最小值，試加工后，在感應淬火能量累積達到292kVAs最大值時（見表2），觸碰保護功能，系統自動停止加熱并報警，提示該件“不合格”。

表2 錯誤的能量設置

剖切后，其感應淬火長度未達到工藝要求，如圖5所示。查看報警信息并分析后，確認根本原因是感應淬火能量未按工藝要求設置，實際所用的值為換產前另一種零件的設定值。

圖5 不合格金相

5 結束語

感應加熱設備的設計及制造，已經從傳統單一的電壓、電流、時間及轉速控制模式，逐步向集成化的能量控制及監控模式轉換，且將主導未來很長一段時間的設計制造理念。同時，能量監控系統的使用更有利于制造企業的生產經營管理。

在工廠的實際生產中，感應淬火硬化層深、硬度、長度范圍的質量檢測要求，受限于其檢測方法的破壞性，并不能有效地反應所有零件的真實質量。感應淬火能量監控及記錄系統的使用，可以直觀地從工藝加工過程及感應淬火能量數據，來分析感應淬火質量的連續性、穩定性，通過大量檢測數據建立起來的針對零件的能量上下限設置，可以很容易判斷零件的感應淬火質量合格與否，避免規定過大的抽檢比例頻次進行破壞性檢測，縮短檢測時間，減少生產浪費。

未來，除了破壞性檢測感應淬火質量的方法外，是否可以將感應淬火能量監控數據作為感應淬火質量的補充驗證手段或者評判依據，并納入到質量檢測體系中，需要經過廣大熱處理行業專家的討論決定，這對工廠的實際生產會有比較積極的影響，可以降低感應淬火質量的破壞性檢測費用，減少檢測時間，加快整個零件的周轉周期。

同時，能量監控系統的記錄功能，將操作工人從手動記錄零件加熱過程參數中解放出來，避免了記錄的不及時、不準確。