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(fā)動機關(guān)鍵零件，其技術(shù)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(jīng)表面淬火處理。技術(shù)要求為:支撐軸頸和凸輪經(jīng)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(guī)定，3 ～6 級合格。

合金鑄鐵凸輪軸經(jīng)表面淬火處理，支撐軸頸和凸輪經(jīng)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(shù)［2］，有技術(shù)成熟、自動化程度高等優(yōu)點，國內(nèi)外研究較多。上海工業(yè)大學曾對凸輪軸連續(xù)感應中頻淬火感應線圈進行設(shè)計、對淬火工藝過程進行優(yōu)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(chǎn)生的裂紋進行分析，并提出了改進措施［4］。東風汽車公司發(fā)動機廠曾研發(fā)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(chǎn)生裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。中頻淬火為提高效率和質(zhì)量需要配置自動淬火機床，設(shè)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(yōu)點:不易產(chǎn)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(wěn)定性和精確性控制要求高，技術(shù)難。從世界范圍來看，凸輪軸火焰淬火技術(shù)現(xiàn)已在日本等少數(shù)發(fā)達國家的生產(chǎn)實踐中有所應用，但國內(nèi)、國外有關(guān)凸輪軸火焰淬火的工藝、淬火自動設(shè)備設(shè)計、研究相關(guān)成果較少，即使有，也會出于核心技術(shù)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(wěn)定性精確控制技術(shù)［6］，如能將其應用于凸輪軸表面淬火必將大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低投資成本，取得良好的經(jīng)濟效益。某凸輪軸加工制造企業(yè)也希望突破技術(shù)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(shè)備，降低成本，提高質(zhì)量，增加企業(yè)效益。故筆者所在學院與該企業(yè)一起設(shè)計、研發(fā)了凸輪軸火焰淬火自動機床。目前，此技術(shù)已在該企業(yè)取得良好的技術(shù)效果。

1 淬火機床整體方案

1.1 凸輪軸的工藝參數(shù)

在廠家的實際生產(chǎn)環(huán)境中，試驗確定了凸輪軸火焰淬火熱處理工藝及參數(shù)。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(jīng)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(jù)以上參數(shù)和技術(shù)要求，火焰淬火機床要解決以下問題:

(1)火焰噴槍的設(shè)置和火焰控制。解決在正確的位置對工件進行加熱，并實現(xiàn)火焰溫度的穩(wěn)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(shè)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(tǒng)的設(shè)計。保證淬火溫度、加熱和冷卻時間等工藝流程和參數(shù)的實現(xiàn)。

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

1.3 淬火機床總體設(shè)計

基于以上要解決的問題，淬火機床的總體構(gòu)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(zhuǎn)機構(gòu)

通過傳動機構(gòu)使動力驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)，以使凸輪軸工件表面受熱均勻。

(3)火焰噴槍子系統(tǒng)

作用是以合適的位置和角度安裝、設(shè)置火焰噴槍。支撐固定乙炔、氧氣匯流排及其他裝置，實現(xiàn)火焰穩(wěn)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(tǒng)

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

2 淬火機床子系統(tǒng)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(guān)3、送料氣缸8、旋轉(zhuǎn)氣缸7 和限位開關(guān)9 等組成。

接料器6 上設(shè)置半圓形接料環(huán)，接料環(huán)的內(nèi)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(guān)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(guān)發(fā)出信號，旋轉(zhuǎn)氣缸7(如圖2a)旋轉(zhuǎn)90°，然后送料氣缸8(如圖2b)左行，將工件送至旋轉(zhuǎn)機構(gòu)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(zhuǎn)機構(gòu)

工件旋轉(zhuǎn)機構(gòu)構(gòu)成如圖4 所示，氣缸1 驅(qū)動頂尖2 左右運動，卡緊和松開工件。

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

2.3 火焰噴槍子系統(tǒng)

火焰噴槍子系統(tǒng)主要構(gòu)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(wěn)定控制，以保證火焰溫度穩(wěn)定。噴槍分為兩組，呈一定角度布置，從兩個方向?qū)ν馆嗇S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(diào)節(jié)。

2.4 下料裝置

下料裝置的構(gòu)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(zhuǎn)機構(gòu)的頂尖2 松開，工件經(jīng)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(guān)發(fā)出信號后，圖5 中下料垂直氣缸5 驅(qū)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(jié)束。

2.5 自動控制子系統(tǒng)

自動控制子系統(tǒng)是整個淬火機床的自動淬火工藝流程實現(xiàn)的核心，根據(jù)淬火機床特點，我們采用PLC控制技術(shù)。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(xù)、單步和復位操作方案，以實現(xiàn)不同情況的動作要求。

清點輸入及傳感器、執(zhí)行器的數(shù)量，本系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)法編程，圖6 給出了自動連續(xù)運行狀態(tài)流程圖［8-9］。

3 效果

設(shè)計的凸輪軸工件淬火機床經(jīng)試制后，進行了試運轉(zhuǎn)和試驗。結(jié)果為機床能夠準確控制加熱和冷卻時間，按預定設(shè)計工藝流程實現(xiàn)上料、下料，達到了設(shè)計要求。

經(jīng)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(jīng)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(shù)要求。

4 結(jié)語

本文所設(shè)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(shù)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(xiàn)了工件火焰淬火的自動化。

本文所設(shè)計的凸輪軸火焰淬火自動機床可以用于一定尺寸范圍內(nèi)的不同規(guī)格凸輪軸的加工生產(chǎn)，適用性強。通過更換匯流排，調(diào)整火焰噴槍的數(shù)量和位置，調(diào)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(jié)構(gòu)簡單的基礎(chǔ)上，通用性較好，制造成本低。

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

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［5］趙顯恕. 凸輪軸感應加熱淬火設(shè)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(shè)備研究［D］. 天津:河北工業(yè)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(shù)與應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006 :78 -89

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