感應(yīng)淬火能量監(jiān)控在生產(chǎn)中的應(yīng)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(yīng)達工業(yè)（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(yīng)淬火機床，主要用于行星架類零件內(nèi)花鍵、外圓感應(yīng)淬火。該設(shè)備由應(yīng)達工業(yè)（上海）有限公司提供，采用的是功率輸出、能量監(jiān)控的控制模式。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，其能量監(jiān)控系統(tǒng)自動記錄、監(jiān)控、識別、停機，可確保零件的穩(wěn)定連續(xù)加工，避免不合格品的混入及安全事故的發(fā)生[1]。

2 能量監(jiān)控原理

感應(yīng)加熱能量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的目的，就是為了監(jiān)測感應(yīng)加熱電源加熱過程的狀態(tài)和各項加熱工藝指標，以便對產(chǎn)品質(zhì)量及加工過程進行監(jiān)控。各個感應(yīng)淬火設(shè)備制造廠家，在能量監(jiān)控原理思路上基本一致，只是在細節(jié)設(shè)計制造上各有優(yōu)劣。

2.1 能量監(jiān)控架構(gòu)

在特定感應(yīng)電源頻率下，感應(yīng)加熱所需的能量可按照“功率×?xí)r間”計算，即影響感應(yīng)加熱的主要工藝參數(shù)是電壓、電流、時間[2]。通過實時數(shù)據(jù)采集，將三個數(shù)據(jù)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(jiān)控的數(shù)模實現(xiàn)

應(yīng)達工業(yè)（上海）有限公司所提供的感應(yīng)淬火設(shè)備，其能量監(jiān)控原理，是將感應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成BCD碼電信號，傳送到PLC處理器，經(jīng)過PLC數(shù)據(jù)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(yīng)線圈負載側(cè)，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(dǎo)，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(huán)境對傳輸信號的干擾而產(chǎn)生信號失真的問題，因此經(jīng)過系統(tǒng)實時監(jiān)控并計算的能量值就能真實地反映感應(yīng)加熱設(shè)備最終輸出的能量值，以此便能作為感應(yīng)加熱中產(chǎn)品質(zhì)量是否合格的重要驗證標準，并在后續(xù)的計算機數(shù)據(jù)歸檔中對產(chǎn)品品質(zhì)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(zhuǎn)速度等也可參照能量監(jiān)控的數(shù)模方式進行實現(xiàn)。

2.3 能量監(jiān)控的其他要求

能量監(jiān)控系統(tǒng)并入到所使用的PLC控制系統(tǒng)中，可以進行自動的實時監(jiān)控、識別、控制，并能在發(fā)生故障時及時進行自動停機，可避免因調(diào)試不當、參數(shù)設(shè)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(shè)備損傷、人員傷亡等事故[3]。

3 能量監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)備上的應(yīng)用

所用的VSM95 型感應(yīng)淬火機床，使用標準的西門子機床控制系統(tǒng)，其能量監(jiān)控功能通過控制柜內(nèi)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(zhuǎn)速度等信息，每個數(shù)據(jù)都可進行上下限報警設(shè)置，即最大值、最小值設(shè)置[4]。工控機能量監(jiān)控界面見表1。

表1 工控機能量監(jiān)控界面

其中，能量監(jiān)控的上下限設(shè)置，可自動監(jiān)控、控制，并在發(fā)生故障時及時停機。上下限參數(shù)的設(shè)置需經(jīng)過大量的生產(chǎn)和金相檢測后確定，一般在正常值的±10%范圍內(nèi)。

在控制屏上設(shè)置的“淬火能量kVAs最小值”，加熱時，系統(tǒng)會對該零件的能量值進行判斷，當?shù)陀谠撟钚≈禃r，系統(tǒng)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(shè)置的“淬火能量kVAs最大值”，加熱時，系統(tǒng)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(tǒng)提示該零件為“不合格品”，同時系統(tǒng)自動停止加熱，避免繼續(xù)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(jù)系統(tǒng)顯示的錯誤信息參數(shù)，進行參數(shù)調(diào)整及故障排除。

控制屏上的“淬火能量kVAs實際值”，則是系統(tǒng)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(nèi)時，該件顯示“合格”。實時對能量、電流、頻率數(shù)據(jù)自動監(jiān)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(shù)，如生產(chǎn)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(zhuǎn)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(jiān)控系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用實例

4.1 感應(yīng)淬火設(shè)備配置

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

4.2 感應(yīng)淬火零件

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

4.3 能量監(jiān)控實例

某行星架材料為1E1122，外圓感應(yīng)淬火，要求淬火長度最小53mm，淬硬層深0.8mm（見圖3）。經(jīng)大量工藝試驗驗證，感應(yīng)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(shè)置分別為340kVAs和320kVAs。

圖3 零件結(jié)構(gòu)及裝卡示意

圖4 金相剖切

連續(xù)生產(chǎn)300件，感應(yīng)淬火零件能量值均在（329±1）kVAs范圍內(nèi)，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(wěn)定。

4.4 能量監(jiān)控上下限設(shè)置錯誤實例

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

表2 錯誤的能量設(shè)置

剖切后，其感應(yīng)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(yīng)淬火能量未按工藝要求設(shè)置，實際所用的值為換產(chǎn)前另一種零件的設(shè)定值。

圖5 不合格金相

5 結(jié)束語

感應(yīng)加熱設(shè)備的設(shè)計及制造，已經(jīng)從傳統(tǒng)單一的電壓、電流、時間及轉(zhuǎn)速控制模式，逐步向集成化的能量控制及監(jiān)控模式轉(zhuǎn)換，且將主導(dǎo)未來很長一段時間的設(shè)計制造理念。同時，能量監(jiān)控系統(tǒng)的使用更有利于制造企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營管理。

在工廠的實際生產(chǎn)中，感應(yīng)淬火硬化層深、硬度、長度范圍的質(zhì)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(yīng)所有零件的真實質(zhì)量。感應(yīng)淬火能量監(jiān)控及記錄系統(tǒng)的使用，可以直觀地從工藝加工過程及感應(yīng)淬火能量數(shù)據(jù)，來分析感應(yīng)淬火質(zhì)量的連續(xù)性、穩(wěn)定性，通過大量檢測數(shù)據(jù)建立起來的針對零件的能量上下限設(shè)置，可以很容易判斷零件的感應(yīng)淬火質(zhì)量合格與否，避免規(guī)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(chǎn)浪費。

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

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