两工位齿轮模压淬火机床

李 翔

(宁夏机械研究院股份有限公司，宁夏 银川 750021)

两工位齿轮模压淬火机床主要用于渗碳缓冷后的齿轮、套圈以及盘状类零件进行再次加热淬火限形的专用设备，零件通过二次加热后迅速转移至淬火机床实施快速冷却，并在模具的限形作用下，有效地阻止了零件的涨缩，从而达到了减小零件形变和尺寸畸变，保证了零件尺寸的一致性和稳定性[1]。适用工件尺寸：直径φ80～φ300 mm，高度≤100 mm。

该机床包括主机、工件淬火冷却系统、液压系统、气动系统、模具、淬火油温度控制系统和电气系统等。对于不同的工件，可更换相应的模具、设定相应的工艺参数，实现对不同工件的全自动模压淬火。本文介绍了该设备的工作过程、设备组成结构和一些参数的简易计算。

1 全自动循环过程

机床待料→上料至下模芯轴(人工或自动)→上组合模具及油罩下降→模压淬火(油冷)→上组合模具及油罩上升，下模芯轴脱模→出料(人工或自动)→下模芯轴上升→机床待料进入下一工作循环。

2 淬火机床的组成

淬火机床的组成部分包括：主机(两工位)；工件淬火冷却系统；淬火油温度控制系统；液压系统；气动系统；淬火模具；电气系统等。整体结构如图1所示。

图1 整体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the overall structure

2.1 主机动作过程、结构及特点

2.1.1机床动作过程

工作时，防护门、上组合模具及油罩等在上升位，下模芯轴在上升位，机床处于待料状态；人工或自动将红热工件套装在下模芯轴上；防护门、上组合模具及油罩工下降到位；工件冷却淬火泵启动，按设定好的喷油流量和喷油时间经设计好的管路向油罩内注油，油液流经工件内、外表面循环，使工件在模压状态下急速冷却淬火；淬火过程结束后，淬火泵运转停止，工件冷却淬火系统停止；防护门、上组合模具及油罩上升到位，下模具下行到位，工件脱模；人工或自动出料；下模具上升到位；一个工作循环结束，机床待机进入下一工作循环。

2.1.2机床的结构和特点

1)该机床可满足直径范围在φ80～φ300 mm，高度≤100 mm的渗碳钢齿轮、套圈以及盘状类零件的淬火限形。

2)主机机身分上、下箱体，下箱体和油池一体；两工位的运动部件、控制系统、喷油冷却系统自成一体，可独立工作，互不干涉，可同时压淬二种工件，便于按生产要求组合配套。

3)主机保证上组合模具和下模具的同轴度，同时保证上、下模具对工作台面端面的垂直度；模具组件依靠直线导轨导向实现重复定位。

4)上组合模具对工件端面加压，控制工件端面变形，压力闭环控制，压力在触摸屏上数字设置和显示。

5)下模具设计对工件内孔尺寸的过盈量，控制内孔变形；下模具上升位模压淬火，下模具下降位工件脱模。

6)压模油缸的工作压力可以根据工件尺寸不同来调整；油缸压力数字设置，压力传感器采集数据，油缸压力采用比例阀PID调节，压模油缸压力采用闭环控制。

7)根据工件尺寸不同，更换相应尺寸模具即可实现工件的模压淬火；模具采用快换结构，方便模具更换；模具安装座的接口可以保证不同模具的互换安装和重复定位，模具连接方式安全可靠；油罩采用快换结构，拆卸油罩可方便模具更换。

8)冷却系统淬火油按设计好的油路流经工件内、外表面，对工件进行急速冷却；外环模具内表面设计有纵、横向流油槽，冷却油快速流动，实现对工件外表面换热冷却；芯轴模具设计为空腔，冷却油进入后通过模具圆周方向的小孔对工件内齿面进行喷油冷却，同时保证淬火油在模具和工件接触面的流通性。

9)油箱分淬火冷却油箱和回油油箱，回油油箱的油经过滤器、循环泵进入淬火冷却油箱，或者经过滤器、循环泵、冷却器进入淬火冷却油箱。过滤器过滤铁屑等大的颗粒物，过滤网定期清理。

10)工件淬火冷却系统和箱体自成一体，管路短，系统可在短时间内对工件进行喷油冷却淬火，淬火后的油液直接溢流回到油箱，同时设备配备有淬火盘，防止淬火油漏出导致地面污染；设备结构紧凑，占地面积小。

11)淬火机床设计有安全防护门，并进行有效密封，确保无淬火油漏泄。安全防护门采用气动驱动，自动开关，并与生产线连锁控制，即防护门关闭时对工件进行淬火，防护门升起时可进行上下料。

12)机床采用独立的手动调整及自动控制，设有手动/自动模式转换开关。在手动模式下，设有对各运动部件的操作按钮，方便设备的调整和模具的装卸；在自动模式下，只要按下淬火启动按钮，机床便按照设定的程序自动循环工作，遇紧急或异常情况需要中途停止机床运行时，按下急停按钮，一切运行将停止。

2.2 淬火工件的控制方式

在用户保证冷加工件尺寸公差要求的前提下，上组合模具对工件端面脉动施压，控制工件端面的平面跳动。下模具芯轴和工件内孔通过设计过盈量，控制工件内孔圆柱度。加压上组合模具的油缸力值由伺服比例阀控制，可精确控制上组合模对工件端面的压力值，同时可脉动加压，方便工件收缩，以实现控制工件的内孔圆柱度。

1)下压模支撑端面和芯轴一体化设计，保证工件内孔和支撑底面的垂直度要求。

2)设计轴芯对工件内孔尺寸的过盈量，实现控制内孔尺寸的椭圆度要求。

3)工件采用强制脱模方式。

4)压模油缸压力由伺服比例阀控制，可精确控制上组合模具对工件端面的压力值；同时可脉动加压，方便工件收缩，以实现控制工件的内孔圆柱度。

5)上组合压模和油缸连接采用浮动接触，工件受力均衡，稳定控制工件的平面度和圆柱度。

6)独立的喷油冷却管路，变频器控制喷油泵电机，喷油流量可实现分段控制，按喷油时间进行喷油量参数设置。

7)淬火油根据用户要求的方式冷却，采用水冷器方式对淬火油温进行控制，油温设上下限报警。

8)触摸屏可设定相应的工艺参数，存储工艺配方，最多可存储N套。

2.3 工件淬火冷却系统

根据工件尺寸和结构的不同，在触摸屏上设定工件相对应的流量、淬火时间等参数或调取相对应的工艺配方序号[2]。工作时，由PLC可编程控制器按设计编写好的程序对过程和动作进行控制，变频器根据设定的流量调节油泵电机转速来输出对应的流量，淬火油经管道向工件喷油，使工件急速冷却，满足工件淬火需求。冷却管路安装有流量开关作为流量信号传输，对淬火过程中缺油或无油提供报警信号。

2.4 淬火温度控制系统

淬火油温度控制系统由油箱、油加热系统、油冷却系统和液位装置等组成，系统为一个独立的内循环回路。机床的下床身作系统油箱，油箱备有足够空间来满足总油量的容积要求，确保工作时淬火喷油的油量充足和稳定油温的要求。工作前，根据工件淬火工艺要求在触摸屏上设定相应的淬火油温，如果系统检测到淬火油温太低，油加热系统自动开启对淬火油进行加热，当达到要求的温度时，加热自动停止。工作过程中如果检测到油温过高，自动切换气动三通阀连通冷却油路将淬火油泵入冷却器冷却后，再返回油箱。当油箱内淬火油温度超出设定的上限温度值时系统会发出声光报警，且触摸屏上会有文本提示，从而确保淬火油温控制在设定的温度范围内。为保证在连续生产中油温保持在工艺要求范围内，油温控制精度为±5 ℃，并具有超高、低温报警功能。液位装置显示油箱淬火油液位，程序上设有上、下限液位报警，触摸屏文本显示。

1)冷却油控制系统包括：油温控制系统、油加热系统、油冷却系统、液位装置及报警系统。

2)油循环冷却系统由油泵、过滤器、阀门、水冷热交换器、管及管连接件等组成，油循环冷器系统和油加热系统配套使用，保证在连续生产时，油温在设定范围内。

3)油加热系统采用电加热管，油温控制系统将油位控制在合适的范围内，超上、下限报警。

4)液位装置设有上下位报警位及中间工作位。

2.5 液压系统

液压系统主要提供淬火时模具对工件的保持力，由油泵机组、液压油箱、电磁换向阀、液压比例阀、溢流阀、调速阀、压力表、减压阀和水冷却器等组成。根据工件尺寸和结构的不同，在触摸屏上设定工件相对应的压力值或调取相对应的工艺配方序号。工作时，由PLC可编程控制器按设计编写好的程序对过程和动作进行控制，采集力值传感器信号作反馈，对模具施压的油缸力值进行闭环控制，满足工件模压淬火要求。

2.6 气动系统

工作时，气源提供稳定的压力，满足系统的正常工作，管路装有压力控制器对系统进行安全防护。

1)气动系统主要为上下气缸提供动力。

2)从空压站来的压缩空气首先经过气源处理三联件，经除水、稳压后进入各气缸。

3)本系统的电磁阀为两位五通双电控换向阀，用于控制双作用气缸，具有记忆功能。其机理是哪边供电，则回到供电位置，不供电时，保持断电前的位置。

4)所有的工作气缸，应装有单向节流阀，可使气缸获得满意的速度和缓冲。

2.7 模具

一套模具有上压模和下模具组成，一套模具可应用于一段范围尺寸的工件，根据工件的大小，更换相应尺寸段模具即可实现工件的模压淬火；模具采用快换和模块化结构，减少零件切换时更换模具的工作量。 模具结构如图2所示。

图2 模具结构示意图Fig.2 Schematic diagram of mould structure

2.8 电气系统

电气系统包括主回路和PLC控制回路两部分。主回路主要用于加热器以及各个电机泵组等的启动和停止，在设计中采用了各种保护措施以确保电机长期、可靠运行。控制回路采用PLC程序控制器控制，并通过小型中间继电器去控制执行机构的动作。在软件设计中采用了各种有效措施，确保压床严格按工件淬火工艺要求执行程序。系统通过触摸屏对淬火工艺参数进行设置并能显示淬火工艺的实时数据和机床的实时工作状态。工作时，按工艺要求设置好参数或调用工件相对应的工艺配方序号，设备接受到启动信号后，将完成进料→淬火→出料的全自动循环过程。

可编辑的工艺参数如工件冷却系统的流量、喷油淬火时间、上、下模压力值和淬火油油温等在触摸屏上进行设定，并能实时显示工作状态，系统最少可存储N套工艺。

系统有故障诊断功能，发生故障时触摸屏上会显示故障的文本信息。故障发生的同时机床停止工作，以保证产品质量。

预留网络接口，可实现远程访问设备并进行故障诊断，同时可采取IT技术将生产线的运行界面、主要工艺参数进行远程监测，实时了解生产线状况。

3 相关参数的简易介绍

3.1 淬火油用量简化计算

淬火油的用量，主要是控制工件淬火后淬火油的最高温度，可用如下简易公式计算：

(1)

生产节拍40件/h，平衡油箱温度按10 min计算，油箱容积≥(12/60)×40×111,可得约750 kg，约0.9 m3。选取油箱尺寸>0.9 m3。

3.2 淬火喷油时间简化计算

淬火时间在淬火油的总质量可算的情况下，取决于泵的性能参数，可用如下简易公式计算：

m油=n×p×t×ρ×τ×η

(2)

式中：m油为淬火油总质量，kg；n为泵的数量；p为泵的流量，m3/h；t为喷油时间，min；ρ为淬火油密度，kg/m3；τ为泵一般的使用的最大开度(75%)；η为单位体积(单位质量)淬火油中用于工件冷却的占比，0.35～0.7。

目前淬火油泵的配置为：两台流量为65 m3/h、口径为50 mm的液下泵；淬火油密度ρ=780～820 kg/m3，取800 kg/m3；泵的开度取75%；用于冷却的占比η取0.5。由式(2)可以推导出淬火时间t约为2.3 min。

注1：以上计算的时间值为理想状态下，被淬火工件与淬火介质之间完全发生热交换，二者之间不存在其他阻碍热传递的情况。但模压淬火在工装模具的作用下，淬火油存在压力和流量损失，同时工件和模具之间也有热传递，为了防止工件与工装间的热量回流和工件芯部热量对工件表面的自回火[5]，喷油时间一般至少取3倍的计算值。

注2：泵流量的开度(喷油流量)设置和喷油时间的设置，最终根据淬火后工件的质量进行调整，在每种工件的初试阶段找寻最后组合。理论计算只作为初试时的参数设定的参考。

4 结束语

此次自主研发的全自动双工位齿轮模压淬火机床属国内首台套，集机、电、气、液为一体，采用PLC程序控制器对机床进行程序控制，触摸屏人机交换[6]。从用户方了解到该设备模压淬火后的工件质量完全可以达到工艺技术要求，工件椭圆度≤0.5 mm，外圆端平面度≤0.05 mm，内孔端平面度≤0.05 mm，尺寸离散性很小，没有意外因素，淬火成品率保持在95%以上。

整机具有自动化程度高、可靠性好、淬火工件质量稳定、占地面积小等显著特点，采用该设备可降低废品率，提高热处理工艺水平，具有良好的经济效益。