一种曲轴旋转淬火机床的设计研制及应用定向天线

一种曲轴旋转淬火机床的设计研制及应用

一种曲轴旋转淬火机床的设计研制及应用 2011： 　1前言

1995年一拖公司开发了新产品852拖拉机，对其B4125发动机曲轴感应淬火装备，公司决定自行研制。

为稳定及提高曲轴的感应淬火质量，采用了曲轴旋转感应淬火工艺。实践证明，它具有如下优点：工件淬硬区层深和硬度分布均匀，淬火变形小，油孔开裂倾向小，能大大减少微裂纹的产生。

目前，曲轴旋转感应淬火机床在公司第一发动机厂投入使用，已生产出合格产品，使用效果良好。

2机床设计方案

B4125曲轴需淬火部位共11处：5个主轴颈表面、4个连杆颈表面、法兰面和止推面。连杆颈尺寸相同，主轴颈有3种尺寸，见图1。

图1曲轴淬火部位示意图

通过对工件进行分析，我们决定整根曲轴使用四套感应器进行处理。结合第一发动机厂实际情况，采用喷液冷却、自回火工艺。用户提出在淬火过程中不更换感应器，为满足这一要求，确定采用两台独立机床完成1根B4125曲轴的淬火任务。一台机床完成主轴颈淬火，另一台机床完成连杆颈、法兰面和止推面淬火。每台机床为两工位，每个工位有独立的淬火变压器、感应器组，工件作纵向水平移动进给。为了进一步减轻操作者劳动强度及提高生产效率，运用计算机数控CNC(computernumericalcontrol)技术实现感应热处理全部工作过程(机械动作及感应淬火工艺)自动化。机床采用工业控制计算机实现对整个淬火过程的自动控制，主要功能由系统软件实现。淬火过程中，显示器屏幕实时显示工件淬火部位及工作进程，并且数控系统具有自诊断功能，可给出报警信号和出错内容，操作方便、直观、可靠。

3机床的组成和性能特点及动作流程

3.1机床组成、性能特点

两台机床结构相似，下面以1台机床为例进行介绍。

机床主要由床身、工作台、工作台驱动装置、浮动跟踪装置、中频柜及后床身等组成，见图2。

图2曲轴旋转淬火机床简图

1.平衡机构2.托架升降机构3.浮动托架组件4.变压器5.感应器6.中频柜

7.工作台8.工作台驱动装置9.床身10.后床身11.床头箱12.支架13.尾架

床身和工作台均为焊接结构件。由工作台上的床头箱、尾座、支架实现工件装夹。在驱动装置的带动下，工作台沿床身导轨作纵向往复运动，将曲轴不同淬火部位准确送至预定工位的感应器下方。曲轴旋转由步进电机驱动，有效地抑制了起动冲击。每台机床有左右两个工位，即有两套浮动跟踪装置。每套装置由浮动托架组件、平衡机构和托架升降机构组成。感应器和中频变压器安装于浮动托架上。淬火过程中，感应器跨骑在曲轴轴颈上。当曲轴旋转时，浮动托架组件跟随轴颈运动，通过平衡机构的作用，对淬火轴颈施以合适的恒定跟踪压力。淬火完毕，由托架升降机构将浮动托架组件提起。淬火过程中，设有实现功率脉动的措施，能完成曲轴圆角淬火。

中频柜内部安装中频接触器、电容器，其下部的后床身形成淬火介质储液槽及冷却水储水槽，收集工件淬火介质及感应器、变压器、电容器和电源冷却水，并进入闭路循环系统。

3.2机床动作流程(以1台机床为例)

工作台原位→装工件→尾座推紧→床头箱卡盘夹紧工件→启动→工作台左移→至右工位→右浮动托架下降→到位→工件旋转→淬火(加热、喷液)→工件停止旋转→右浮动托架上升→到位→工作台左移→至左工位→左浮动托架下降→到位→工件旋转→淬火(加热、喷液)→工件停旋转→左浮动托架上升→到位→工作台移动→循环动作至工件预定部位处理完成→工作台右移至原位→床头箱卡盘松开→尾座松开→卸工件→工作完毕

4机床设计中关键技术问题及解决措施4.1工作台进给运动

采用微机的控制，由步进电机、滚珠丝杠螺母副实现工作台进给运动，不需人工操作定位。传动准确，移动速度快而平稳，定位精度达±0.1mm。工作台的导向和承载采用先进的矩形直线滚动导轨副，摩擦阻力小，四方向等载荷结构能承受较大载荷，刚性好。设计中确定合适的参数及正确选择步进电机是伺服驱动系统成功的关键之一。4.2工件旋转准停问题

当曲轴淬火部位送至预定工位后，要求感应器能自动顺利跨进工件，而不是按常规作法(即需要手工扶持浮动托架组件，人工观察曲轴旋转位置来辅助感应器进入工件)。在进行连杆颈淬火时，就需要解决工件准停问题。感应器进入连杆颈前，连杆颈必须停在一个固定的设定位置，使感应器下落时不会受到撞击而损坏。

为解决此问题，我们采取了有效措施。在装夹工件时，由人工找正使第一个淬火连杆颈位于设定位置。在喷液结束后连杆颈旋转到设定位置后，布置于浮动托架一侧的接近开关接受信号，曲轴停止旋转，以备感应器跨进后续连杆颈时，连杆颈也位于设定位置，见图3。

4.3浮动跟踪装置对工件的压力问题

淬火过程中，浮动跟踪装置由平衡机构承受一定重量后，对轴颈需施有大小合适且恒定的压力。此压力若过大，淬火变形大，感应器定位块磨损过快；压力若过小，则曲轴旋转过程中，感应器会与轴颈脱离，不仅工件淬火质量得不到保证，感应器也极易损坏。在连杆颈淬火中，由于连杆颈旋转偏心，平衡机构必须采取特殊措施，否则在曲轴旋转过程中，连杆颈上承受的压力将发生很大变化，不可能保持在要求的恒定范围内。为此，我们设计了弹簧平衡机构，由弹簧承重，经过调节装置调节压力，使淬火过程中压力保持在基本恒定范围内，并且压力指标可根据需要调整直至适度为止。4.4感应器快换

虽然在进行B4125曲轴感应加热时不需要更换感应器，但考虑到扩大机床适用范围，有一定的通用性，以满足多品种、不同批量工件生产需要，我们利用偏心夹紧原理，设计了感应器快换机构，实现感应器水、电联接及快速换接并具有自锁功能，换接在数十秒内即可完成，操作快捷、可靠。4.5感应器设计

针对B4125曲轴特点，设计了4种开式半环形感应器，即两种主轴颈感应器、一种连杆颈感应器及法兰-止推面感应器。其中法兰-止推面感应器能一次完成对法兰面和止推面淬火，这种类型较为特殊，关键要解决法兰面和止推面加热匹配问题。实现圆角淬火的感应器采取特别设计，保证圆角淬硬层均匀分布。感应器通过定位块使有效圈与曲轴轴颈表面和曲柄侧面保持小而恒定的间隙。加热完成后，由感应器附带的喷水盒对工件加热部位喷液淬火。

5机床电气、水循环系统5.1数控系统及配套电源

数控系统以工业控制机为核心，具有丰富故障诊断功能及过流、欠压、过热和短路等各种保护功能，在抗电磁干扰方面采取了一系列有效措施。显示器汉字显示工况及报警信息内容。系统配有合理的控制程序，操作方便，并可根据需要随时编程或修改工艺参数，以满足不同类型曲轴感应热处理。

机床配套使用可控硅中频电源，功率250kW，频率8kHz。5.2水循环系统

机床水路分冷却水和淬火介质两路，冷却水路实现对电源、变压器、电容器和感应器的冷却，淬火水路为工件加热提供淬火介质。两大水路均采用全封闭循环冷却方式，冷却水与淬火介质分别与工厂供给的外循环硬水通过板式换热器进行换热冷却，并具有压力、温度检测功能，保证水温恒定及水质稳定，为生产线调试淬火工艺提供可靠保证。

6机床应用效果及意义

(1)经检验，机床淬火处理的曲轴淬硬区域范围、硬度、层深和金相组织均符合图纸技术要求，淬火质量达同类进口机床水平。

(2)机床采用计算机数控技术，自动化程度高，操作方便，大大提高了生产效率，减轻了操作者劳动强度。

(3)机床通用性强，只需更换感应器、调整程序即可对不同类型曲轴实现感应淬火，并能完成曲轴圆角淬火。

(4)淬火机床与数控系统、水循环系统、电源以感应加热成套设备形式出现，配套性完整。

(5)通过这项研制工作改变了过去同类设备大多依赖进口的局面，可节约大量的购置资金和维修费用，对提高国内曲轴感应淬火水平具有很大意义。

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