套圈類零件模壓淬火設備

陸海龍

(寧夏機械研究院股份有限公司，寧夏 銀川 750021)

1 概述

套圈類零件模壓淬火設備是針對內徑≥50 mm、外徑100～300 mm、高度≤50 mm的套圈類零件的二次淬火專門設計的，具有針對性的模壓淬火專用設備。零件通過二次加熱后迅速轉移至淬火壓床實施緊急冷卻，并在模具的限制作用下，有效地阻止零件的漲縮[1]，從而達到減小零件形變，穩定了滲碳后零件的尺寸畸變、尺寸的一致性和尺寸的重復性[2]。

目前該類壓床已經在相關企業進行了生產線配套和應用，并且其使用效果也得到了用戶的肯定。

2 配套產線動作過程

生產線工藝流程為：上料→進爐→加熱→出爐→轉移→壓淬→出料→進入下一工作循環。上述過程中除了所涉及的上料、碼料等操作外，其余過程均可自動完成或人工轉移物料完成[3]。

3 整體結構

套圈類零件模壓淬火設備整體結構包括：淬火機床主機、下箱體、溫控和淬火冷卻、脫模缸、上箱體、安全門、提升缸、壓膜部分、模具部分等，如圖1所示。

圖1 整體結構示意圖

3.1 主機動作過程

模壓淬火機床初始狀態：防護門處于上升位，脫模缸處在低位或高位(根據工件的具體工藝選擇)，提升缸處在高位，壓模缸處在高位，等待爐子出料。

加熱爐出料到位后，轉移料機器人(或人工)將工件轉移至淬火壓床上；啟動壓機淬火循環按鈕或接收自動循環信號，下模芯軸伸出，芯軸將工件定位(或工件直接被套裝在芯軸上進行定位)；提升缸帶動壓模缸、油罩及模具下行到位；壓模缸加壓；冷卻油經管路對工件進行分段、分時、分量噴油冷卻，淬火油超過油罩溢流高度后回流到油箱；淬火結束后，脫模缸下行，芯軸被下拉脫模(或脫模缸上行，工件被頂出脫模)；壓模缸和提升缸上行到位；轉移料機器人(或人工)轉移工件至出料線上；機器人回位至待料位；進入下一工作循環。

3.2 結構描述

3.2.1下箱體及脫模缸

下箱體是整臺設備的安裝基礎，多數采用焊接而成的結構件，同時大多數設備的下箱體還兼具淬火油油箱的作用。在滿足其功能作用的情況下，下箱體的具體結構形式依據產線的布局相對靈活多樣。

脫模缸直接安裝在下箱體上，其主要作用是為下拉脫模和上頂脫模提供脫模力。圖2(a)為下拉脫模的形式。該形式中模具芯軸直接與脫模缸相連接，紅熱的脹工件被直接套裝在芯軸上(或紅熱的脹工件被放置在工作臺上，脫模缸帶著芯軸上升將工件套裝在芯軸上)，經過淬火冷卻后的冷縮工件會抱緊在芯軸上，此時需要脫模缸下行拉動芯軸一起下行從工件中脫離，從而完成下拉脫模的過程。

圖2(b)為上頂脫模的形式。該形式中模具芯軸被直接固定在工作臺上，紅熱的脹工件被直接套裝在芯軸上，經過淬火冷卻后的冷縮工件會抱緊在芯軸上，此時需要脫模缸上行，頂著脫模柱將工件頂出芯軸，從而完成上頂脫模的過程。

(a)下拉脫模；(b)上頂脫模

3.2.2淬火油溫控和淬火冷卻

油箱有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，過濾網需經常清理。圖3為一臺三工位淬火油系統。

圖3 三工位淬火油系統

淬火油溫控系統采用強制冷卻設施，保證在連續生產時，油溫保持在40～80 ℃范圍內，淬火油可使用溫度范圍為40～80 ℃，油溫控制精度±5 ℃，具有超高、低溫報警功能。當監測到油溫低于設定的下限值時，自動或手動開啟加熱器對淬火油進行加熱，油溫到達設定區間時加熱自動停止；當監測到油溫高于設定的上限值時，自動或手動啟動冷卻離心泵將淬火油泵入冷卻器冷卻后，再返回油箱。

根據實際工件的淬火工藝在觸摸屏上設定相對應的流量、淬火時間等參數或調取相對應的工藝配方序號，淬火冷卻系統在PLC可編程控制器的控制下，按設計好的程序對過程和動作進行控制[4]。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[5]。冷卻管路安裝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。

3.2.3上箱體及提升缸部分

上箱體采用焊接而成的結構件，主要為提升缸、壓模部分、上模具及淬火油罩提供安裝基礎、運動空間和運動的導向基準。

提升缸采用油缸的形式，為壓模部分、上模具及淬火油罩提供升、降的動力。為了減小其對最終壓淬效果的影響，提升缸與壓模部分的連接采用浮動連接。

3.2.4壓膜部分

壓模部分是整臺設備中形式比較靈活的部分。其結構方式直接與工件結構、淬火工藝相關。目前常使用的三種形式為：組合油缸、單油缸和組合氣缸，如圖4所示。

(a)組合油缸；(b)單油缸；(c)組合氣缸

組合油缸的結構是外環四個油缸為一組，內環四個油缸為一組，兩組油缸在模壓淬火的過程中可以同步加壓，也可以異步加壓。這種結構主要針對工件有兩個平面需要控制，并且兩個平面的高度和幅寬相差較大，兩組油缸可以對兩個平面分別加壓控制。這類工件多帶有外齒或內齒，并且齒寬較大，需要提供較大的模壓力值，符合組合油缸大力值的設計初衷。該結構常針對的工件是減速器齒、齒套和變速箱的內齒圈等。

單油缸形式主要針對工件有一個主要平面要控制，并且工件的壁厚相對較小，內徑相對較大，需要的模壓值相對不大。該結構相對簡單，主要針對滑套類、同步環、摩擦環等類似的工件。

組合氣缸的形式主要針對外徑≤150 mm的小而薄的工件。一般一套壓膜中組合安裝四個氣缸，一個氣缸壓淬一個工件，同時對四個工件進行壓淬。該形式下對于工件的裝、卸料采用自動化上、下料機械手或機器人，一次性裝、卸四個工件，提供壓床的利用率。

3.2.5模具部分

針對于套圈類零件模具主要選擇固定尺寸的下模具芯軸撐住內孔，上模具壓環壓住工件端，上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。壓模油缸力值由伺服比例閥控制，可精確控制上壓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。并且模具原則上為一種工件對應一種模具。

3.2.6其他組成部分

一臺完整的模壓淬火是集機、電、液、氣一體化的設備，除了上述機械結構外，還有電器系統、液壓系統、氣動系統等其他部分。

4 結束語

套圈類零件的模壓淬火只是該類設備中極小的一部分。因該類工件的具體結構、質量要求和產線布局不同，其模壓淬火設備的配套和組合相對靈活，從單工位到多工位，從一臺設備單一脫模方式到多種脫模方式組合，從一臺設備單一壓淬方式到多種壓淬方式的配套，如圖5所示。

圖5 模壓淬火機床形式

模壓淬火設備壓淬后的工件質量滿足客戶的要求：在保證工件材料和冷態加工尺寸的情況下，垂直度在0.1 mm以內，平面度和圓度在0.08 mm以內，有些特殊工件能達到0.05 mm以內。內齒圈類工件在壓淬后限形量較大，也可以滿足客戶的要求。