兩工位齒輪模壓淬火機床

李 翔

(寧夏機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床主要用于滲碳緩冷后的齒輪、套圈以及盤狀類零件進行再次加熱淬火限形的專用設備，零件通過二次加熱后迅速轉移至淬火機床實施快速冷卻，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定性[1]。適用工件尺寸：直徑φ80～φ300 mm，高度≤100 mm。

該機床包括主機、工件淬火冷卻系統、液壓系統、氣動系統、模具、淬火油溫度控制系統和電氣系統等。對于不同的工件，可更換相應的模具、設定相應的工藝參數，實現對不同工件的全自動模壓淬火。本文介紹了該設備的工作過程、設備組成結構和一些參數的簡易計算。

1 全自動循環過程

機床待料→上料至下模芯軸(人工或自動)→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，下模芯軸脫模→出料(人工或自動)→下模芯軸上升→機床待料進入下一工作循環。

2 淬火機床的組成

淬火機床的組成部分包括：主機(兩工位)；工件淬火冷卻系統；淬火油溫度控制系統；液壓系統；氣動系統；淬火模具；電氣系統等。整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure

2.1 主機動作過程、結構及特點

2.1.1機床動作過程

工作時，防護門、上組合模具及油罩等在上升位，下模芯軸在上升位，機床處于待料狀態；人工或自動將紅熱工件套裝在下模芯軸上；防護門、上組合模具及油罩工下降到位；工件冷卻淬火泵啟動，按設定好的噴油流量和噴油時間經設計好的管路向油罩內注油，油液流經工件內、外表面循環，使工件在模壓狀態下急速冷卻淬火；淬火過程結束后，淬火泵運轉停止，工件冷卻淬火系統停止；防護門、上組合模具及油罩上升到位，下模具下行到位，工件脫模；人工或自動出料；下模具上升到位；一個工作循環結束，機床待機進入下一工作循環。

2.1.2機床的結構和特點

1)該機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)主機機身分上、下箱體，下箱體和油池一體；兩工位的運動部件、控制系統、噴油冷卻系統自成一體，可獨立工作，互不干涉，可同時壓淬二種工件，便于按生產要求組合配套。

3)主機保證上組合模具和下模具的同軸度，同時保證上、下模具對工作臺面端面的垂直度；模具組件依靠直線導軌導向實現重復定位。

4)上組合模具對工件端面加壓，控制工件端面變形，壓力閉環控制，壓力在觸摸屏上數字設置和顯示。

5)下模具設計對工件內孔尺寸的過盈量，控制內孔變形；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工件尺寸不同來調整；油缸壓力數字設置，壓力傳感器采集數據，油缸壓力采用比例閥PID調節，壓模油缸壓力采用閉環控制。

7)根據工件尺寸不同，更換相應尺寸模具即可實現工件的模壓淬火；模具采用快換結構，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定位，模具連接方式安全可靠；油罩采用快換結構，拆卸油罩可方便模具更換。

8)冷卻系統淬火油按設計好的油路流經工件內、外表面，對工件進行急速冷卻；外環模具內表面設計有縱、橫向流油槽，冷卻油快速流動，實現對工件外表面換熱冷卻；芯軸模具設計為空腔，冷卻油進入后通過模具圓周方向的小孔對工件內齒面進行噴油冷卻，同時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，回油油箱的油經過濾器、循環泵進入淬火冷卻油箱，或者經過濾器、循環泵、冷卻器進入淬火冷卻油箱。過濾器過濾鐵屑等大的顆粒物，過濾網定期清理。

10)工件淬火冷卻系統和箱體自成一體，管路短，系統可在短時間內對工件進行噴油冷卻淬火，淬火后的油液直接溢流回到油箱，同時設備配備有淬火盤，防止淬火油漏出導致地面污染；設備結構緊湊，占地面積小。

11)淬火機床設計有安全防護門，并進行有效密封，確保無淬火油漏泄。安全防護門采用氣動驅動，自動開關，并與生產線連鎖控制，即防護門關閉時對工件進行淬火，防護門升起時可進行上下料。

12)機床采用獨立的手動調整及自動控制，設有手動/自動模式轉換開關。在手動模式下，設有對各運動部件的操作按鈕，方便設備的調整和模具的裝卸；在自動模式下，只要按下淬火啟動按鈕，機床便按照設定的程序自動循環工作，遇緊急或異常情況需要中途停止機床運行時，按下急停按鈕，一切運行將停止。

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，上組合模具對工件端面脈動施壓，控制工件端面的平面跳動。下模具芯軸和工件內孔通過設計過盈量，控制工件內孔圓柱度。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工件端面的壓力值，同時可脈動加壓，方便工件收縮，以實現控制工件的內孔圓柱度。

1)下壓模支撐端面和芯軸一體化設計，保證工件內孔和支撐底面的垂直度要求。

2)設計軸芯對工件內孔尺寸的過盈量，實現控制內孔尺寸的橢圓度要求。

3)工件采用強制脫模方式。

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工件端面的壓力值；同時可脈動加壓，方便工件收縮，以實現控制工件的內孔圓柱度。

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

6)獨立的噴油冷卻管路，變頻器控制噴油泵電機，噴油流量可實現分段控制，按噴油時間進行噴油量參數設置。

7)淬火油根據用戶要求的方式冷卻，采用水冷器方式對淬火油溫進行控制，油溫設上下限報警。

8)觸摸屏可設定相應的工藝參數，存儲工藝配方，最多可存儲N套。

2.3 工件淬火冷卻系統

根據工件尺寸和結構的不同，在觸摸屏上設定工件相對應的流量、淬火時間等參數或調取相對應的工藝配方序號[2]。工作時，由PLC可編程控制器按設計編寫好的程序對過程和動作進行控制，變頻器根據設定的流量調節油泵電機轉速來輸出對應的流量，淬火油經管道向工件噴油，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作為流量信號傳輸，對淬火過程中缺油或無油提供報警信號。

2.4 淬火溫度控制系統

淬火油溫度控制系統由油箱、油加熱系統、油冷卻系統和液位裝置等組成，系統為一個獨立的內循環回路。機床的下床身作系統油箱，油箱備有足夠空間來滿足總油量的容積要求，確保工作時淬火噴油的油量充足和穩定油溫的要求。工作前，根據工件淬火工藝要求在觸摸屏上設定相應的淬火油溫，如果系統檢測到淬火油溫太低，油加熱系統自動開啟對淬火油進行加熱，當達到要求的溫度時，加熱自動停止。工作過程中如果檢測到油溫過高，自動切換氣動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。當油箱內淬火油溫度超出設定的上限溫度值時系統會發出聲光報警，且觸摸屏上會有文本提示，從而確保淬火油溫控制在設定的溫度范圍內。為保證在連續生產中油溫保持在工藝要求范圍內，油溫控制精度為±5 ℃，并具有超高、低溫報警功能。液位裝置顯示油箱淬火油液位，程序上設有上、下限液位報警，觸摸屏文本顯示。

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

2)油循環冷卻系統由油泵、過濾器、閥門、水冷熱交換器、管及管連接件等組成，油循環冷器系統和油加熱系統配套使用，保證在連續生產時，油溫在設定范圍內。

3)油加熱系統采用電加熱管，油溫控制系統將油位控制在合適的范圍內，超上、下限報警。

4)液位裝置設有上下位報警位及中間工作位。

2.5 液壓系統

液壓系統主要提供淬火時模具對工件的保持力，由油泵機組、液壓油箱、電磁換向閥、液壓比例閥、溢流閥、調速閥、壓力表、減壓閥和水冷卻器等組成。根據工件尺寸和結構的不同，在觸摸屏上設定工件相對應的壓力值或調取相對應的工藝配方序號。工作時，由PLC可編程控制器按設計編寫好的程序對過程和動作進行控制，采集力值傳感器信號作反饋，對模具施壓的油缸力值進行閉環控制，滿足工件模壓淬火要求。

2.6 氣動系統

工作時，氣源提供穩定的壓力，滿足系統的正常工作，管路裝有壓力控制器對系統進行安全防護。

1)氣動系統主要為上下氣缸提供動力。

2)從空壓站來的壓縮空氣首先經過氣源處理三聯件，經除水、穩壓后進入各氣缸。

3)本系統的電磁閥為兩位五通雙電控換向閥，用于控制雙作用氣缸，具有記憶功能。其機理是哪邊供電，則回到供電位置，不供電時，保持斷電前的位置。

4)所有的工作氣缸，應裝有單向節流閥，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，一套模具可應用于一段范圍尺寸的工件，根據工件的大小，更換相應尺寸段模具即可實現工件的模壓淬火；模具采用快換和模塊化結構，減少零件切換時更換模具的工作量。 模具結構如圖2所示。

圖2 模具結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of mould structure

2.8 電氣系統

電氣系統包括主回路和PLC控制回路兩部分。主回路主要用于加熱器以及各個電機泵組等的啟動和停止，在設計中采用了各種保護措施以確保電機長期、可靠運行。控制回路采用PLC程序控制器控制，并通過小型中間繼電器去控制執行機構的動作。在軟件設計中采用了各種有效措施，確保壓床嚴格按工件淬火工藝要求執行程序。系統通過觸摸屏對淬火工藝參數進行設置并能顯示淬火工藝的實時數據和機床的實時工作狀態。工作時，按工藝要求設置好參數或調用工件相對應的工藝配方序號，設備接受到啟動信號后，將完成進料→淬火→出料的全自動循環過程。

可編輯的工藝參數如工件冷卻系統的流量、噴油淬火時間、上、下模壓力值和淬火油油溫等在觸摸屏上進行設定，并能實時顯示工作狀態，系統最少可存儲N套工藝。

系統有故障診斷功能，發生故障時觸摸屏上會顯示故障的文本信息。故障發生的同時機床停止工作，以保證產品質量。

預留網絡接口，可實現遠程訪問設備并進行故障診斷，同時可采取IT技術將生產線的運行界面、主要工藝參數進行遠程監測，實時了解生產線狀況。

3 相關參數的簡易介紹

3.1 淬火油用量簡化計算

淬火油的用量，主要是控制工件淬火后淬火油的最高溫度，可用如下簡易公式計算：

(1)

生產節拍40件/h，平衡油箱溫度按10 min計算，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 淬火噴油時間簡化計算

淬火時間在淬火油的總質量可算的情況下，取決于泵的性能參數，可用如下簡易公式計算：

m油=n×p×t×ρ×τ×η

(2)

式中：m油為淬火油總質量，kg；n為泵的數量；p為泵的流量，m3/h；t為噴油時間，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)可以推導出淬火時間t約為2.3 min。

注1：以上計算的時間值為理想狀態下，被淬火工件與淬火介質之間完全發生熱交換，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工件表面的自回火[5]，噴油時間一般至少取3倍的計算值。

注2：泵流量的開度(噴油流量)設置和噴油時間的設置，最終根據淬火后工件的質量進行調整，在每種工件的初試階段找尋最后組合。理論計算只作為初試時的參數設定的參考。

4 結束語

此次自主研發的全自動雙工位齒輪模壓淬火機床屬國內首臺套，集機、電、氣、液為一體，采用PLC程序控制器對機床進行程序控制，觸摸屏人機交換[6]。從用戶方了解到該設備模壓淬火后的工件質量完全可以達到工藝技術要求，工件橢圓度≤0.5 mm，外圓端平面度≤0.05 mm，內孔端平面度≤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。

整機具有自動化程度高、可靠性好、淬火工件質量穩定、占地面積小等顯著特點，采用該設備可降低廢品率，提高熱處理工藝水平，具有良好的經濟效益。