張永寬
(中航工程集成設(shè)備有限公司,北京 102206)
基于旋轉(zhuǎn)裝取料的立式淬回火熱處理生產(chǎn)線(專利號(hào):ZL 2020 2 1206116.8) 主要用于結(jié)構(gòu)鋼、 不銹鋼、模具鋼等材料的強(qiáng)化熱處理,以及后續(xù)的回火熱處理。行車將裝有工件或載有工件的料筐移至裝取料工位后,由裝取料操作機(jī)完成淬火加熱的入爐、淬火冷卻、清洗、回火等操作動(dòng)作,該設(shè)備是處理航空發(fā)動(dòng)機(jī)鍛造行業(yè)桿類(中間帶孔)零件的重要設(shè)備之一。
(1)上卸料臺(tái)及吊具
工位:1
操作標(biāo)高:+860 mm
吊具料框數(shù)量:各2套
吊具承載:3 t
裝料有效區(qū):Ф1 500 mm×3 500 mm
(2)裝取料操作機(jī)
提升下降速度(Max):580 mm/s
提升下降速度(Min):60 mm/s
提升下降電機(jī)功率:22 kW
旋轉(zhuǎn)移動(dòng)速度(Max):560 mm/s(提升點(diǎn)線速度)
旋轉(zhuǎn)移動(dòng)速度(Min):60 mm/s(提升點(diǎn)線速度)
旋轉(zhuǎn)移動(dòng)電機(jī)功率:2.2 kW
控制特點(diǎn):變頻調(diào)速
裝機(jī)功率:≈25 kW
(3)立式淬火加熱爐
有效工作區(qū)尺寸:Ф1 500 mm×3 500 mm
加熱方式:電加熱
常用工作溫度:800~1 100 ℃
最高溫度:1 200 ℃
最大裝爐量(不包括料架):3 t
爐溫均勻性:±10 ℃,測量方法按照AMS 2750E
溫度儀表系統(tǒng)精度:≤±2.2 ℃或讀數(shù)的0.4%(以較大者為準(zhǔn))
空爐升溫時(shí)間:室溫升至800 ℃小于150 min;800℃升至1 100 ℃小于60 min;升溫速度可調(diào)、可控
淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間(爐門開始打開到工件全部進(jìn)入冷卻介質(zhì)的時(shí)間):≤60 s
控溫分區(qū):3區(qū)
加熱器單支功率:15 kW
加熱器數(shù)量:18支
加熱功率:270 kW
控溫方式:PID調(diào)節(jié)
爐門開閉電機(jī)功率:4 kW
爐門開啟時(shí)間:≈10 s
爐壁外表面溫度:≤室溫+40 ℃(熱橋點(diǎn)除外)
設(shè)備安裝功率:274 kW
(4)淬火油槽
油升溫及降溫速率:大于2 ℃/h
單次淬火最大重量:3 t(不包括料架)
連續(xù)淬火間隔時(shí)間:≤5 h
油槽容積:約40 m3
冷卻形式:板式換熱器
冷卻能力:300 kW/h
換熱介質(zhì):冷卻水
冷卻水壓力:0.2~0.4 MPa
冷卻水流量:30 m3/h
高溫油泵功率:3 kW
冷卻時(shí)間:≤4 h
氮?dú)鈮毫Γ?.4~0.6 MPa
氮?dú)饬髁浚?0 m3/h
氮?dú)鉁囟龋菏覝?/p>
排油煙風(fēng)機(jī)型號(hào): 4-72 4.5A
流量:9 194 m3/h
壓力:2 036 Pa
排煙風(fēng)機(jī)功率:7.5 kW
油煙凈化功率:1.2 kW
攪拌器功率:3 kW×4=12 kW
加熱元件:組合電加熱管
數(shù)量:24支
單支功率:4 kW
電加熱器功率:96 kW
設(shè)備安裝功率:118 kW
(5)清洗槽
水升溫及降溫速率:大于2 ℃/h
單次清洗最大重量:3 t(不包括料架)
清洗機(jī)槽體容積:約40 m3
加熱元件:組合電加熱管
數(shù)量:24支
單支功率:5 kW
水槽加熱功率:120 kW
清洗水溫:80~100 ℃
清洗形式:攪拌器攪拌+壓縮空氣發(fā)泡
壓縮空氣壓力:0.4~0.6 MPa
攪拌器功率:2.2/2.8 kW×4=11.2 kW
油水分離器熱水泵功率:0.75 kW
排堿液泵功率:1.5 kW
設(shè)備安裝功率:134 kW
(6)立式回火爐
有效工作區(qū)尺寸:Ф1 500 mm×3 500 mm
加熱方式:電加熱
常用工作溫度:200~700 ℃
最高溫度:750 ℃
最大裝爐量(不包括料架):3 t
爐溫均勻性:±5 ℃,測量方法按照AMS 2750E
溫度儀表系統(tǒng)精度:≤±1.1 ℃或讀數(shù)的0.2%(兩者取大值)
空爐升溫時(shí)間:室溫升至600 ℃小于120 min;升溫速度可調(diào)、可控
分區(qū):3區(qū)
加熱器材質(zhì):0Cr20Ni80
加熱功率:270 kW
爐門電機(jī)功率:5.5 kW
爐門開啟時(shí)間:≈12 s
循環(huán)風(fēng)機(jī)功率:18.5 kW
循環(huán)風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)功率:0.37 kW循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓:1 800 Pa
循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量:35 000 m3/h
設(shè)備安裝功率:295 kW
該熱處理生產(chǎn)線主要由上卸料臺(tái)、 裝取料操作機(jī)、立式淬火加熱爐、淬火油槽、清洗槽、立式回火爐及電氣控制系統(tǒng)等組成(見圖1)。
圖1 基于旋轉(zhuǎn)裝取料的立式淬回火熱處理生產(chǎn)線示意圖
上卸料臺(tái)及吊具(含生產(chǎn)線平臺(tái)爬梯)用于生產(chǎn)線的上料和卸料。含有一臺(tái)上卸料架、兩套吊具及料框、生產(chǎn)線平臺(tái)、護(hù)欄、爬梯。
上卸料臺(tái)為型鋼焊接結(jié)構(gòu), 用于放置吊有工件的吊具及料框,如圖2所示。
圖2 上卸料臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖
吊具為六爪結(jié)構(gòu),采用鑄造加工結(jié)構(gòu),吊具裝載設(shè)計(jì)按照6個(gè)工件進(jìn)行布局,如圖3所示。整條生產(chǎn)線設(shè)計(jì)配備兩個(gè)料框(見圖4)。
圖3 吊具結(jié)構(gòu)示意圖
圖4 料框結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)有上層操作平臺(tái),與地面平齊,并且在坑內(nèi)兩端各設(shè)有鋼制斜梯,方便工人進(jìn)出地坑進(jìn)行檢查、調(diào)整、維護(hù)、維修等工作(見圖5)。所有安全護(hù)欄設(shè)計(jì)高度為1 200 mm,并設(shè)有踢腳板。 所有平臺(tái)及梯子、欄桿的設(shè)計(jì)、制作均附合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備周邊為花紋鋼板,其余為鋼格板結(jié)構(gòu),在基坑內(nèi)預(yù)埋鋼板,通過立柱和結(jié)構(gòu)支撐花紋鋼板和鋼格板。
圖5 平臺(tái)爬梯結(jié)構(gòu)示意圖
裝取料操作機(jī)用于吊具、工件、料框的裝取料,由支柱、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、懸臂梁組件、升降機(jī)構(gòu)、平臺(tái)爬梯及隔熱罩組成(見圖6)。
圖6 裝取料操作機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
支柱為圓形結(jié)構(gòu),回轉(zhuǎn)支撐設(shè)置在支柱法蘭板上。 支柱的座板與基礎(chǔ)預(yù)埋板焊接,保證支柱的穩(wěn)定性。
旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)由齒輪減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐大齒輪做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 傳動(dòng)電機(jī)輸出軸設(shè)置編碼器,確??刂莆恢玫木珳?zhǔn)。
懸臂梁組件采用鋼板組合焊接梁結(jié)構(gòu), 滿足最大裝載量下的的穩(wěn)定。
升降機(jī)構(gòu)采用鏈條式升降裝置, 離合子安裝在提升鏈條末端,鏈條另一端設(shè)置配重及軸承。完成升降動(dòng)作。升降傳動(dòng)電機(jī)輸出軸安裝絕對值編碼器,保證控制升降位置的精準(zhǔn), 整個(gè)升降過程有加速、減速、停止功能。
平臺(tái)爬梯由鋼管、鋼板、型鋼焊接組成,符合安全規(guī)范要求。
隔熱罩由鋼板和型鋼焊接組成。 能夠減少高溫工件出爐的熱量損失。
立式淬火加熱爐用于工件的加熱, 由爐門升降機(jī)構(gòu)、爐蓋、爐蓋連接件、爐體、加熱系統(tǒng)及加熱器護(hù)罩組成(見圖7)。
圖7 立式淬火加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖
爐門升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在爐體側(cè)壁上, 由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng),螺旋起升,爐門開啟角度90°。
爐蓋由爐蓋鋼結(jié)構(gòu)、爐蓋保溫組成。
爐蓋連接件由型鋼焊接組成, 連接件通過套筒與升降機(jī)構(gòu)軸連接, 備有必要的頂絲和調(diào)節(jié)螺桿機(jī)構(gòu)。
爐體由型鋼和鋼板焊接,內(nèi)部由爐體保溫組成。
加熱系統(tǒng)由電阻帶加熱器和螺旋剛玉陶瓷釘和墊片組成,加熱器導(dǎo)電桿通過加熱器引出端引出。
加熱器護(hù)罩由鋼板、 腰形沖孔鋼板折彎和焊接組成, 有必要的把手和觸電警示標(biāo)識(shí)。
淬火油槽用于實(shí)現(xiàn)熱處理工件的油淬工藝,由槽體、導(dǎo)流裝置、油攪拌器、油標(biāo)、接油盤組件、液位控制器、 加熱系統(tǒng)、 油循環(huán)冷卻及自動(dòng)補(bǔ)油排油系統(tǒng)、 排油煙及油煙凈化系統(tǒng)及氮?dú)夤苈废到y(tǒng)等組成(見圖8)。
圖8 淬火油槽結(jié)構(gòu)示意圖
槽體由型鋼和不銹鋼304鋼板焊接而成,外部設(shè)置保溫層,在槽體開有必要的孔。
導(dǎo)流裝置由不銹鋼304鋼板卷制和拼接焊接組成,導(dǎo)流裝置設(shè)置導(dǎo)流板,在導(dǎo)流箱體上部設(shè)置鋼板網(wǎng)。
油攪拌器由攪拌器支架、變頻電機(jī)、皮帶盒、傳動(dòng)輪、傳動(dòng)軸及扇葉等組成??赏ㄟ^調(diào)整電機(jī)頻率獲得不同的淬火烈度。
淬火油槽采用4臺(tái)攪拌器沿兩側(cè)均勻分布方式。攪拌器從槽子進(jìn)油, 通過攪拌器上部自帶的氣泡消除圓板消除吸油時(shí)產(chǎn)生的氣泡, 避免對淬火工件表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。油被攪拌器壓入槽底,再從槽底向上涌出,淬火區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)下的垂直油流速度快,由下而上強(qiáng)制循環(huán)形成強(qiáng)烈、定向、穩(wěn)定的對流循環(huán)。攪拌器采用電機(jī)皮帶傳動(dòng),并帶有斷帶檢測。
油標(biāo)由鋼管、閥門、玻璃管等組成。
接油盤組件由鋼板焊接組成, 設(shè)置有必要的接管和閥門。
液位控制器由圓筒、支架、浮球、連接桿、限位塊及接近開關(guān)組成,用于液位的聯(lián)鎖控制。
加熱系統(tǒng)由組合電加熱管組成, 通過安裝在槽體上面板的法蘭連接。
油循環(huán)冷卻及自動(dòng)補(bǔ)油排油系統(tǒng)由高溫油泵、管路、板式換熱器、壓力開關(guān)、壓力表、溫度表、水流開關(guān)及水冷通斷用氣動(dòng)蝶閥等組成。
排油煙及油煙凈化系統(tǒng)由排油煙吸風(fēng)罩、管路、油煙凈化器及引風(fēng)機(jī)等組成。
氮?dú)夤苈废到y(tǒng)由閥門、電磁閥、管路及氮?dú)鈬娮斓冉M成。
清洗槽用于清洗油淬工件粘有的淬火油, 清洗液為水和清洗劑的混合液。
清洗槽由槽體、導(dǎo)流裝置、水?dāng)嚢杵鳌⒂退蛛x系統(tǒng)、液位控制器、液位觀察門、加熱系統(tǒng)、手動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)水裝置、壓縮空氣發(fā)泡裝置及排堿液系統(tǒng)組成(見圖9)。
圖9 清洗槽結(jié)構(gòu)示意圖
槽體由型鋼和不銹鋼304鋼板焊接而成,外部設(shè)置保溫層,在槽體開有必要的孔。
導(dǎo)流裝置由不銹鋼304鋼板卷制和拼接焊接組成,導(dǎo)流裝置設(shè)置導(dǎo)流板。 在導(dǎo)流箱體上部設(shè)置鋼板網(wǎng)。
水?dāng)嚢杵饔蓴嚢杵髦Ъ?、電機(jī)、皮帶盒、傳動(dòng)輪、傳動(dòng)軸、扇葉等組成。
油水分離系統(tǒng)由油水分離器、水泵、管路、水流開關(guān)等組成。
液位控制器由圓筒、支架、浮球、連接桿、限位塊、接近開關(guān)組成,用于液位的聯(lián)鎖控制。
液位觀察門由門板、把手、密封件等組成。
加熱系統(tǒng)由組合電加熱管組成, 通過安裝在槽體上面板的法蘭連接。
手動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)水裝置由閥門、管件、管路、電磁閥組成。
壓縮空氣發(fā)泡裝置由由閥門、管件、管路、電磁閥組成。
排堿液系統(tǒng)由過濾器、手動(dòng)閥門、管件、管路、水泵等組成。
立式回火爐用于工件的回火工藝, 由爐門升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、爐蓋、爐蓋連接件、爐體、加熱系統(tǒng)、加熱器護(hù)罩、導(dǎo)流筒組件及風(fēng)機(jī)裝置組成(見圖10)。
圖10 立式回火爐結(jié)構(gòu)示意圖
爐門升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在爐體側(cè)壁上, 由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng),螺旋起升,爐門開啟角度90°。
爐蓋由爐蓋鋼結(jié)構(gòu)、爐蓋保溫組成。
爐蓋連接件由型鋼焊接組成, 連接件通過套筒與升降機(jī)構(gòu)軸連接, 備有必要的頂絲和調(diào)節(jié)螺桿機(jī)構(gòu)。
爐體由型鋼和鋼板焊接,內(nèi)部由爐體保溫組成。
加熱系統(tǒng)由電阻帶加熱器和螺旋剛玉陶瓷釘和墊片組成,加熱器導(dǎo)電桿通過加熱器引出端引出。
加熱器護(hù)罩由鋼板、 腰形沖孔鋼板折彎和焊接組成, 有必要的把手和觸電警示標(biāo)識(shí)。
導(dǎo)流筒組件由筒體、支撐部件、導(dǎo)流罩、吊桿及內(nèi)襯板等組成。
風(fēng)機(jī)裝置由電機(jī)、風(fēng)機(jī)軸、扇葉、冷卻風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)塞體等組成。
電氣設(shè)計(jì)系統(tǒng)用于生產(chǎn)線的自動(dòng)控制, 由立式淬火爐、立式回火爐、油槽、清洗槽及裝取料機(jī)的控制系統(tǒng)組成。
2.7.1 立式淬火爐系統(tǒng)
立式淬火爐系統(tǒng)主要對溫度系統(tǒng)和爐門系統(tǒng)進(jìn)行控制。 爐子共分為3個(gè)加熱區(qū),溫度控制選用歐陸3504溫度控制儀按照工藝條件設(shè)置升溫、保溫。每區(qū)單獨(dú)安裝一塊溫度報(bào)警儀表實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警功能。 調(diào)功單元選用歐陸EPOWER系列三相三控。 采用有紙記錄儀記錄爐子、油槽和水槽溫度,有紙記錄儀采用MODBUS通訊方式, 系統(tǒng)采用通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器將記錄儀數(shù)據(jù)采集到PLC系統(tǒng)。 采用S型熱電偶采集溫度,滿足AMS2750E的A型儀表要求。 爐門與加熱器具有邏輯連鎖保護(hù)功能, 爐門打開后自動(dòng)切斷加熱器電源。爐門設(shè)有過載、短路、缺相保護(hù)電路,控溫系統(tǒng)具有超溫、熱電偶開路等保護(hù)功能和聲光報(bào)警。
淬火爐爐門系統(tǒng)選用ABB ACS580變頻器對爐門電動(dòng)推桿電機(jī)進(jìn)行升降矢量控制。 爐門電動(dòng)推桿電機(jī)內(nèi)部安裝位置傳感器,PLC通過模擬量模塊將信號(hào)采集,根據(jù)爐門的位置行程進(jìn)行快速和慢速調(diào)節(jié)。
2.7.2 立式回火爐系統(tǒng)
立式回火爐系統(tǒng)主要對溫度系統(tǒng)和爐門系統(tǒng)進(jìn)行控制。 爐子共分為3個(gè)加熱區(qū),溫度控制選用歐陸3504溫度控制儀按照工藝條件設(shè)置升溫、保溫。每區(qū)單獨(dú)安裝一塊溫度報(bào)警儀表實(shí)現(xiàn)超溫報(bào)警功能。 調(diào)功單元選用歐陸EPOWER系列三相三控。 采用有紙記錄儀記錄爐子溫度, 有紙記錄儀采用MODBUS通訊方式, 系統(tǒng)采用通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器將記錄儀數(shù)據(jù)采集到PLC系統(tǒng)。 回火爐系統(tǒng)加熱系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)選用變頻器驅(qū)動(dòng)控制, 循環(huán)風(fēng)機(jī)變頻器轉(zhuǎn)速自動(dòng)根據(jù)爐膛內(nèi)部溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 采用N型熱電偶采集溫度,滿足AMS2750E的A型儀表要求。 爐門與加熱器具有邏輯連鎖保護(hù)功能,爐門打開后自動(dòng)切斷加熱器電源。爐門設(shè)有過載、短路、缺相保護(hù)電路,控溫系統(tǒng)具有超溫、熱電偶開路等保護(hù)功能和聲光報(bào)警。
2.7.3 油槽淬火系統(tǒng)
由油槽攪拌器、油冷卻用高溫油泵、油煙凈化器及油煙凈化器用引風(fēng)機(jī)電機(jī)組成。 油槽加熱采用電加熱。配置溫度控制儀表進(jìn)行油槽溫度的通斷控制,控制器帶油溫超溫報(bào)警提示功能,通斷加熱。油槽安裝熱電偶用于溫度控制和溫度數(shù)據(jù)的記錄。 油槽配置液位控制系統(tǒng), 當(dāng)液位過低或者過高時(shí)在控制畫面進(jìn)行提示。
2.7.4 清洗槽系統(tǒng)
由水?dāng)嚢桦姍C(jī)、油水分離器用熱水泵電機(jī)組成。清洗槽加熱采用電加熱。 配置溫度控制儀表進(jìn)行清洗槽的溫度通斷控制, 控溫儀表帶油溫工作溫度超溫報(bào)警提示功能。 清洗槽安裝熱電偶用于溫度控制和溫度數(shù)據(jù)的記錄。清洗槽配置液位控制系統(tǒng),當(dāng)液位過低或者過高時(shí)在控制畫面進(jìn)行提示。
2.7.5 裝取料機(jī)系統(tǒng)
由升降電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)共同控制。 旋轉(zhuǎn)電機(jī)功率2.2 kW,變頻控制,電機(jī)自身配置旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)位置控制功能。 升降電機(jī)功率22 kW,電機(jī)自身配置旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)位置控制功能。 在電機(jī)升降和電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置處安裝行程開關(guān)用于極限位置的保護(hù)和位置控制的雙重控制作用。
2.7.6 本控制系統(tǒng)選用西門子S7-1500系列PLC作為核心控制器件
電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用ABB ACS530和ACS 580 西門子G120 變頻器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。 PLC 作為profibus-DP主站,其他變頻器和模塊作為從站與子站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊控制。 上位機(jī)系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作為人機(jī)交互,系統(tǒng)安裝正版WINCC軟件。 現(xiàn)場操作臺(tái)安裝西門子觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)顯示。
該生產(chǎn)線自投產(chǎn)以來, 至今已運(yùn)行達(dá)到兩年時(shí)間。 可實(shí)現(xiàn)淬火工件自爐門打開開始到工料完全入冷卻介質(zhì)的時(shí)間≤60 s(實(shí)測58 s),所熱處理的產(chǎn)品質(zhì)量滿足以下要求:
材料為40CrNi3MoV(SUPER CMV),長軸(中心帶通孔)類零件,單根零件最大外徑約334 mm,長度約1 600~3 000 mm,硬度HB429~477。
該生產(chǎn)線在處理航空發(fā)動(dòng)機(jī)鍛造行業(yè)桿類(中間帶孔)零件效果顯著,熱處理后的表面硬度合格且均勻、工件無變形,投產(chǎn)一年后一次性完美獲得美國羅羅公司關(guān)于該類零件的航空標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。
基于旋轉(zhuǎn)裝取料的立式淬回火生產(chǎn)線在航空鍛造行業(yè)的成功應(yīng)用, 極大地增強(qiáng)了企業(yè)在該領(lǐng)域的競爭力。 立式淬火加熱爐溫均勻性±10 ℃(實(shí)測低于±10 ℃), 立式回火爐爐溫均勻性達(dá)到±5 ℃(實(shí)測低于±5 ℃),生產(chǎn)線各參數(shù)均達(dá)到或優(yōu)于AMS 2750E相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 設(shè)備運(yùn)行故障率低, 同種產(chǎn)能占地面積小,結(jié)構(gòu)耐用可靠,所處理的產(chǎn)品質(zhì)量好。 為我國在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件鍛造熱處理領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。