全自動曲軸淬火

曲軸是汽車發動機中的重要零件，業內越來越多的廠家采用感應淬火技術對曲軸進行強化來提高其承載能力，曲軸淬火設備的需求日益擴大。曲軸感應淬火設備屬特種機床，需要綜合熱處理、機械、電氣、電力電子、液壓、磁性材料等多學科的技術，國內能夠生產該類設備的廠家很少，且多為簡單的手動或半自動設備，此前國內使用的全自動成套淬火設備一直依賴進口。

東風汽車有限公司工藝研究所曾經開發成功多套曲軸感應淬火技術和設備，技術居國內領先水平，此次自主開發成功的國內第一套全自動曲軸淬火成套設備達到國際先進水平，主要體現在以下幾個方面：

□將工控機應用在感應淬火機床上，實現了設備的動態監控；

□引入自動返修程序，更加適應中國國情；

□自主開發成功國內第一臺曲軸專用薄型淬火變壓器，厚度僅為70mm，容量達到600kVA；

□實現曲軸雙軸頸同時淬火，加工康明斯6C曲軸時變形控制在0.5mm以下（國外同類設備控制在0.75mm左右）；

□經處理后的康明斯6C曲軸疲勞強度達到4200Nm（國外同類設備達到3500Nm）。

總體方案

全自動曲軸淬火成套設備由淬火機床、冷卻液與淬火液循環系統、中頻電源（兩臺）、電氣控制系統等部分組成。淬火機為設備的主體，曲軸淬火在其上完成；冷卻液循環系統對中頻電源、變壓器、感應器、補償電容等進行冷卻；淬火液循環系統給感應器提供淬火水；中頻電源負責曲軸加熱時的電力供應；電氣控制系統對各系統實施控制，并采集重點部位的狀態，形成閉環控制，電氣控制系統同時提供實時監控、故障報警和數據查詢等人機界面。

設備工作在全自動狀態時，將曲軸放在送料機構的上料架上，系統自動把曲軸送到頂升位，再由頂升油缸托舉到滑臺中間，床頭、床尾夾緊曲軸，滑臺帶動曲軸橫向移動到淬火位置并旋轉到規定的角度后，變壓器和感應器下降，騎到曲軸軸頸上進行淬火。淬火完成后，浮動機構上升，滑臺把曲軸送到下個軸頸淬火位置，如此依次對每個軸頸進行淬火，待所有軸頸加工完畢后，曲軸再按前述相反的順序退出，下料時，曲軸落在下料架上，下料架和上料架分開設置，兩個動作同時進行，并且和曲軸加工過程重合。

淬火機床的設計

淬火機床的設計要重點考慮以下因素：①淬火機床工作在強磁場和強電場環境中，需要很好地絕緣來保證機床運行的安全性和穩定性；②曲軸在加工過程中會產生較大的變形，機床要能夠保證曲軸的自由伸縮；③淬火機床工作在濕熱的環境中，要做好防銹和密封。

我們設計的淬火機床機床分為臥床身和立床身兩個部分，前后放置。前臥床身既是支承送料機構和頂升機構的床體，又兼淬火液槽，后面的立床身是支承移動部分的床體，立床身的上半部分兼做電容器柜，下半部分兼做冷卻水箱。

1、滑臺

滑臺安裝在立床身上，在伺服電機的驅動下沿導軌左右移動。床頭、床尾置于滑臺上，油缸作用時，床頭、床尾移動，帶動床頭的卡盤和床尾的套筒到達預定位置，夾緊曲軸。

2、變壓器和感應器浮動部分

加熱過程中，感應器與曲軸軸頸必須同步運動，變壓器和感應器對曲軸軸頸的跟蹤是浮動機構設計的難點。我們采用的方法是：感應器設計成馬鞍型，騎在曲軸軸頸上，曲軸旋轉時，感應器通過四連桿機構的上下前后擺動實現對曲軸的跟蹤。感應器作用于曲軸軸頸的壓力是一個十分關鍵的參數，壓力太小，曲軸跟蹤效果不好，壓力太大，曲軸易變形，后部的調整螺桿可調整浮動機構作用于曲軸的壓力。

3、液壓系統

機床液壓系統采用容積式泵與疊加閥組成開環系統。液壓系統除給機械系統提供動力以外，在變壓器和感應器浮動機構的下降過程中還有緩沖功能。在浮動機構的下降回路中并聯安裝一個截流閥，截流閥打開時，變壓器和感應器快速下降，截流閥關閉時，變壓器和感應器緩慢下降，平穩的騎在曲軸軸頸上。調節截流閥的開度可實現下降速度的調節。

4、冷卻水與淬火液循環系統

中頻電源、電容器、變壓器和感應器在工作過程中需要水冷，而且利用軟化水對這些部分進行冷卻，冷卻水在工作過程中是絕對不可以停的，否則感應器在1s之內就會被燒穿，其它發熱元件在缺水工作時壽命也會受到影響，為此，我們從兩方面進行保護：首先采用水位計檢測補水保證冷卻水池不缺水；其次在冷卻水的上水管路中設置水壓傳感器，當水壓低于設定值時設備停機。

淬火液的溫度變化對淬火質量會有影響，系統設計為：當淬火液溫度低于設定值時，外循環冷卻系統關閉，當淬火液溫度高于設定值時，外循環冷卻系統打開，溫度信號由傳感器傳送到控制系統，并在控制面板上顯示。

冷卻液池和淬火液池設計在機床內部，內表面涂專用防腐涂料，具防銹性和密封性，在外部用不銹鋼版式換熱器對兩套內循環系統進行旁路冷卻。

5、曲軸專用薄型淬火變壓器

淬火變壓器的作用是調整負載的阻抗，使之與中頻電源匹配，通常使用的變壓器體積大重量大，厚度至少在360mm以上。全自動曲軸淬火設備需要同時進行２個以上軸頸的淬火加工，使用的變壓器要求厚度小、重量輕，為此，我們開發了專用的薄型淬火變壓器，厚度70mm，容量600kVA，輸出功率達200kW，電參數穩定，可滿足大批量生產的需要。

電氣控制系統

電氣控制系統的要求是：除滿足全自動的功能外，還要具有設備監控、故障診斷、參數紀錄等功能，為了更好地滿足國內的生產狀況，還要考慮電源中途掉電、零件返修等特殊情況。具體功能要求如下：

□工作臺(工件)移動定位準確、重復精度高；主軸旋轉穩定、速度可調、能夠實現任意角度定位；

□設備具有狀態監控功能，零件加工過程能夠實時（動態）顯示，界面友好；

□保護措施完善，故障報警及時、準確，能夠處理電源中途掉電等故障；

□對強磁場和強電場采取措施，避免其對控制系統的干擾，部分元器件要考慮潮濕環境的影響；

□在加工過程中設備出現故障時，所加工的零件要根據情況區別對待，沒有報廢的要做返修處理；

□時序易于調整，參數修改方便，機床分手動和自動兩種工作方式。

對此，具體控制系統設計如下：

1、硬件設計

電氣控制系統采用CNC、PLC和工控機的聯合控制的方式：CNC負責工作臺的位置控制及主軸的旋轉、定位，同時負責整臺機床的工作時序；PLC負責設備的邏輯控制，并與CNC配合，完成時序控制；工控機負責設備狀態監控、工作過程的動態顯示以及零件加工參數的采集和紀錄。

2、軟件設計

CNC和PLC程序的開發是在西門子系統程序上的二次開發，重點是協調好兩部分的通信、同步和公用數據區的管理等，數據格式也需要特別編制。

工控機軟件是此次開發的難點，我們基于Windows98操作平臺，采用VisualC++6.0，結合Access2000數據庫自行編寫，分為底層控制程序和人機界面：底層控制程序負責數據的采集和輸出；人機界面包括監控主界面、控制面板界面、傳感器標定界面、參數修改界面、數據查詢界面等。

主界面顯示了當前設備關鍵控制點的狀態，可動態顯示加工過程，在設備出現故障時，可以方便地查找故障點；我們還設計了一個控制面板界面模擬機床的控制面板，通過這個面板，操作者可以用鼠標或鍵盤控制機床的動作；零件加工過程中的數據被保存在數據庫中，可以隨時查看。

3、中頻電源重復起振與返修程序設計

中頻電源在某些時候會出現不起振的情況，這時往往并不是出現故障，只是系統的暫時不穩定，我們對電源系統進行了改造，引出了電源啟動成功判斷信號，在發出啟動信號后，隨即檢測此判斷信號，若檢測到該信號，則證明電源啟動成功，繼續運行，若沒有檢測到信號，則隔一段時間再行啟動，如果重復幾次仍不能成功，則判斷系統故障。

還有一種情況是在加熱過程中中頻電源失振，這時是不允許再次加熱，而且后續的噴水動作也不再執行，等所有的軸頸都加工完畢后再啟動返修程序重新加工。返修程序具有自動判斷的功能，操作工人只需輸入零件號，系統就可以根據保存在數據庫中的數據判斷哪個軸頸需要返修，進而自動執行。同類進口設備沒有這種功能，遇到這一情況就直接判定零件作廢。就這一點來說，我們的設備更多地考慮了國內的生產實際，具有更好的適應性。

4、保護措施和抗干擾措施

為了避免誤操作導致設備損壞，在設備出現故障時，及時報警并指出故障點，在控制系統中加入了大量的保護和報警功能，如：⑴邏輯性保護；⑵測量性保護；⑶判斷性保護；⑷故障報警和顯示。

中頻電源工作時，在中頻線路周圍將產生強磁場，在中頻電源接通瞬間會產生較大的電壓波動和高頻震蕩，這都將干擾控制系統的正常工作，為了消除這些干擾，我們采取了以下措施：

⑴對于空間感應串入系統的干擾，采取的方法是良好的屏蔽和正確的接地，機床所有的控制電柜，包括中頻電源控制柜都屏蔽接地，機床床身良好接地；

⑵對于電源干擾，進線電源首先經過隔離變壓器斷開干擾通路，然后送至支路，并且變壓器隔離層接地；

⑶信號線和強電線均采用屏蔽電纜，屏蔽層兩端接地；

⑷工控機接口板的所有通道與外部電路間都設有光電隔離。

結語

全自動曲軸淬火成套設備研制成功后，在生產現場投入使用后表明，設備運行穩定可靠，控制精度高，使用維護方便，滿足了曲軸軸頸的淬火工藝要求，并且具有淬火變形小、生產效率高、適應范圍廣等優點，設備具有狀態監控、中頻電源重復起振、加工過程動態顯示和零件返修等功能，極大地方便了現場使用。