新型辊底式轴承套圈热处理生产线

上官同英，王在森，张波克

(1.中州大学 工程技术学院，郑州 450044；2.中机十院国际工程有限公司，河南 洛阳 471003)

热处理是轴承制造过程的关键工序，轴承零件热处理质量的好坏直接关系到后续工序的加工质量，对轴承质量和使用寿命产生影响，因此，需严格控制轴承零件的热处理质量。研究热处理新技术、新工艺，提高热处理质量，一直是国内、外轴承相关单位关注的课题。

热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，其直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量的好坏[1]。目前，国内轴承套圈热处理设备中，常用的有真空炉生产线、可控气氛辊底式淬火炉生产线、网带炉生产线等，基本上淘汰了盐浴炉、井式炉、台车炉等落后的高能耗设备。真空炉热处理质量好，但产量较低，不适合大批量生产；辊底式淬火生产线产量高，适用范围广，但造价较高；网带炉产量较高，但由于在该生产线上，上料机与淬火炉、淬火炉与淬火槽、淬火槽与清洗机、清洗机与回火炉之间都存在300～600 mm的落差，套圈落下易产生磕碰伤[2]，特别是在淬火前，套圈硬度低，易碰伤，并且由于套圈从网带式淬火加热炉进入淬火槽的过程中的无规律性，导致变形无规律，不易控制。因此，文中提出了一种新型辊底式保护气氛轴承套圈连续式热处理生产线，以克服现有几种热处理生产线存在的不足。

1 辊底式套圈热处理生产线布局

新型辊底式轴承套圈热处理生产线主要用于各类型碳钢、合金钢零件在可控气氛下的加热、淬火、清洗、回火等处理，其整体结构采用直线式前后布局，结构如图1所示。

1—进料架；2—加热炉；3—出料炉门装置；4—淬火机构；5—淬火油槽；6—清洗机构；7—检测平台；8—拨料装置；9—回火炉；10—出料架

装机功率260 kW，生产能力300～420 kg/h，外形尺寸36460 mm×5200 mm×3360 mm，淬火工艺温度800～850 ℃(连续可调)，回火工艺温度150～200 ℃(连续可调)，加工工件规格：外径(20～660) mm，宽度≤150 mm。

2 生产线结构特点

该生产线主要由辊底式可控气氛加热炉、淬火槽、清洗机、回火炉、液压站及电气控制系统组成。

2.1 辊底式淬火加热炉

辊底式淬火加热炉为整条生产线的核心[3]，其主要由炉壳、炉衬、炉盖、电加热辐射管、火帘装置、炉门、传动辊及传动系统等组成。

(1)炉壳既要能承受吊装力和炉内其他部件的压力，同时对炉气还要起到密封的作用，因此，由型钢(L63#)加工成框架，框架外焊接带有加强筋(δ=5 mm)的碳钢板，整个炉壳全部密焊，且炉壳上部四周密焊有用于密封炉气的砂封槽，槽内填满重质细砂。

(2)炉膛内部四周及炉顶耐热层采用硅酸铝耐火纤维。由于炉底要承受制造、检修时人体及器材的重量，所以用耐火砖砌筑而成。

(3)炉盖为整体可拆卸式结构，其框架由6.3#角钢焊接制成，底板为5 mm厚的碳钢，钢板与框架之间密焊加工。炉盖隔热保温层为耐火纤维针刺毯模块,采用专用方法锚固在钢板上，全纤维炉盖蓄热量小、保温性能好、使用寿命长。炉盖框架四周焊接有砂封刀，可插入炉壳砂封槽内，用于炉气密封。炉盖后部设置有机液滴注口，滴注口下部装有托盘，有机液在托盘内分解避免局部形成碳黑；为了维修的方便，炉盖设置有备用滴注口；炉盖前端的排气口在工作时点燃，双支式测温热电偶从炉顶部插入炉膛内，以及时向生产线控制系统发送炉内信息。

(4)生产线采用电辐射加热方式，加热炉共分4个加热区，合理分配每区功率，保证炉温精确控制，经生产验证，本生产线淬火炉炉温的均匀性为±10 ℃[3]。辐射管外管为耐热不锈钢管，电加热器由炉盖顶部垂直插入炉膛，通过凸缘、螺栓固定在炉盖固定座上，此设计方法可以保证在使用中某一控温区辐射管电加热器在使用中出现故障时，只需要关闭该区电源，拆去固定螺栓抽出辐射管即可以进行维修或更换。

(5)炉前的火帘气氛装置由自动点火器、小火帘以及管路阀门流量计等组成。加热炉工作时小火帘(长明火)自动点燃保持不熄，以防止外界空气进入炉内。有机液体通过流量计、阀门滴入炉膛内高温分解形成保护气氛，控制系统保证在炉温未达到760 ℃之前不把有机液滴入炉膛内。

(6)为了减少炉门在加热过程中的变形，炉门框用铸铁铸造而成，门框内砌有硅酸铝耐火纤维毡。炉门框上装有滚轮，滚轮在开启和关闭的过程中沿轨道运行。关闭炉门时，炉门依自重使炉门面板紧贴在炉面板的突出耐火纤维上，密封炉气；炉门开启时，炉门面板脱离炉面板，炉门开启由行程开关定位。

(7)加热炉内的传动辊平时慢速转动，当料盘需要出炉时和淬火槽的淬火料架辊同步快速转动。传动辊中部为耐热钢管，两端为耐热钢轴，炉外由带水冷的密封轴承支承，装链轮的一端为固定端，另一端在加热过程中可以自由膨胀，电动机带动链轮、套筒滚子链传动。

2.2 淬火槽

为了保证工件在淬火槽内快速、均匀淬火，保持工件硬度的均匀性，工作台在液压油缸的作用下沉入淬火液中, 带动料架在淬火液内上下振荡，均匀淬火。达到设定工艺时间后，淬火料架升起，离合器合上，料盘由淬火料架传送到转移料架，立即沉入油底进行二次淬火，达到预定时间后转移料架升起，将料盘由淬火槽传送到清洗槽内。整个淬火过程由液压站控制工件随料架垂直进出淬火液，保证了工件淬火的均匀性，避免了工件下落到淬火槽内时出现磕碰伤而影响工件质量。

淬火槽与加热炉出料端密封连接，淬火槽门由液压油缸控制，炉门两侧装有滚轮，关闭淬火槽门时在油缸的作用下使门板紧贴装在门框槽内的密封盘根。淬火槽顶部有排气口、自动点火监测装置，保证炉内排到油槽内的废气及淬火槽内的油烟在排气口自动点燃。在淬火槽的前方槽底部位(工件淬火正下方)装有向上喷油装置，工件淬火时向上喷淬火液使之均匀淬火；淬火槽内管状电加热器加热淬火液，利用温度控制器和液位器动态显示淬火槽内淬火液的状态，提醒操作者及时补充淬火液；当淬火液工作温度升高时可以通过循环泵、板式冷凝器进行热交换，保证正常工作温度。淬火液温度可在40～100 ℃内选择，温度可控，控温精度为±1 ℃。

2.3 清洗吹干机

清洗机位于淬火槽后，由油水分离装置、清洗液喷淋装置、烘干装置等组成。其内、外壳均为碳钢密焊制成，内、外壳之间填充保温材料，前、后门均为软门。清洗槽液面上的浮油通过油水分离器分离，流到集液槽中集中排放；工件进入后由水泵将清洗液加压通过喷咀冲洗工件，铜制喷咀分布在料盘四周，喷淋后经过装在清洗机上部的烘干装置烘干后再进回火炉处理；烘干装置由低噪声风机和电加热箱组成，风机转动将加热箱内加热器散发的热量沿风道吹向工件将工件烘干。

2.4 回火炉

回火炉由炉壳、炉衬、风机风道、电加热辐射管、炉内辊道和前后软门组成。炉壳由1.5 mm厚的钢板和5#角钢焊接制成，外形美观强度高；炉衬由两层钢板内填充岩棉制成；炉顶开有风机安装孔，风机可以整体拆卸；测温热电偶从炉盖顶部插入炉膛内。为了使炉内温度均匀，在加热炉每一温区都装有一台风机，风机转动将电加热管散溢的热量，通过风道送入工作区再由上部吸风口返回，构成炉内热风循环以保证炉温均匀性(回火炉炉温均匀性达到±5 ℃)，使工件的回火组织均匀一致。

2.5 液压站

液压站为淬火加热炉、淬火槽升降台和各软门开关提供动力，其油箱用碳钢板密焊制成，油箱上装有油标、油泵、电动机、溢流阀、压力表、集成块和电磁换向阀，各油缸的动作由电磁换向阀完成，液压站压力可达10 MPa。

2.6 电气控制系统

生产线的整套自控系统包括保护气氛(甲醇裂解)的燃烧及温度控制系统、机械动作控制系统、显示和故障报警系统及管理系统等。整套自控系统保证了生产线的全自动安全运行[4]。

温度控制采用岛电数显温控表，其具有人工智能PID调节功能，控制大功率固态继电器，控制炉温；采用大华长图多点记录表，记录各温区的温度曲线，一旦炉温超过设定的报警温度，控制系统立即自动切断主回路加热电源，确保炉温的稳定。加热炉、回火炉每一个加热区都有电流表，可以直观地反映各加热区加热器的工作情况，遇到故障便于及时准确地处理。整个控制系统采用声光报警，生产线中各电动机、加热炉、回火炉风机、液压站均采用断路器作过电流、过热保护。所有传动辊均采用变频调速器控制速度，系统控制采用一台西门子S7-200可编程控制器，完成对生产线每一个工位工作状态的控制。

3 结束语

设计的辊底式轴承套圈热处理生产线的工艺流程、热处理精度、自控操作水平达到了国内先进水平, 实现了轴承套圈大批量生产，且可以有效防止工件移动过程中的磕碰伤，提高了产品合格率。处理后的零件表面光亮清洁、无脱碳、组织均匀、质量稳定、变形量小，整条生产线具有造价低，自动化程度高，高效节能，安全可靠的特点。