上官同英，王在森，張波克

(1.中州大學 工程技術(shù)學院，鄭州 450044；2.中機十院國際工程有限公司，河南 洛陽 471003)

熱處理是軸承制造過程的關(guān)鍵工序，軸承零件熱處理質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后續(xù)工序的加工質(zhì)量，對軸承質(zhì)量和使用壽命產(chǎn)生影響，因此，需嚴格控制軸承零件的熱處理質(zhì)量。研究熱處理新技術(shù)、新工藝，提高熱處理質(zhì)量，一直是國內(nèi)、外軸承相關(guān)單位關(guān)注的課題。

熱處理設(shè)備是實現(xiàn)熱處理工藝的基礎(chǔ)和保證，其直接關(guān)系到熱處理技術(shù)水平的高低和工件質(zhì)量的好壞[1]。目前，國內(nèi)軸承套圈熱處理設(shè)備中，常用的有真空爐生產(chǎn)線、可控氣氛輥底式淬火爐生產(chǎn)線、網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線等，基本上淘汰了鹽浴爐、井式爐、臺車爐等落后的高能耗設(shè)備。真空爐熱處理質(zhì)量好，但產(chǎn)量較低，不適合大批量生產(chǎn)；輥底式淬火生產(chǎn)線產(chǎn)量高，適用范圍廣，但造價較高；網(wǎng)帶爐產(chǎn)量較高，但由于在該生產(chǎn)線上，上料機與淬火爐、淬火爐與淬火槽、淬火槽與清洗機、清洗機與回火爐之間都存在300～600 mm的落差，套圈落下易產(chǎn)生磕碰傷[2]，特別是在淬火前，套圈硬度低，易碰傷，并且由于套圈從網(wǎng)帶式淬火加熱爐進入淬火槽的過程中的無規(guī)律性，導(dǎo)致變形無規(guī)律，不易控制。因此，文中提出了一種新型輥底式保護氣氛軸承套圈連續(xù)式熱處理生產(chǎn)線，以克服現(xiàn)有幾種熱處理生產(chǎn)線存在的不足。

1 輥底式套圈熱處理生產(chǎn)線布局

新型輥底式軸承套圈熱處理生產(chǎn)線主要用于各類型碳鋼、合金鋼零件在可控氣氛下的加熱、淬火、清洗、回火等處理，其整體結(jié)構(gòu)采用直線式前后布局，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—進料架；2—加熱爐；3—出料爐門裝置；4—淬火機構(gòu)；5—淬火油槽；6—清洗機構(gòu)；7—檢測平臺；8—撥料裝置；9—回火爐；10—出料架

裝機功率260 kW，生產(chǎn)能力300～420 kg/h，外形尺寸36460 mm×5200 mm×3360 mm，淬火工藝溫度800～850 ℃(連續(xù)可調(diào))，回火工藝溫度150～200 ℃(連續(xù)可調(diào))，加工工件規(guī)格：外徑(20～660) mm，寬度≤150 mm。

2 生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)特點

該生產(chǎn)線主要由輥底式可控氣氛加熱爐、淬火槽、清洗機、回火爐、液壓站及電氣控制系統(tǒng)組成。

2.1 輥底式淬火加熱爐

輥底式淬火加熱爐為整條生產(chǎn)線的核心[3]，其主要由爐殼、爐襯、爐蓋、電加熱輻射管、火簾裝置、爐門、傳動輥及傳動系統(tǒng)等組成。

(1)爐殼既要能承受吊裝力和爐內(nèi)其他部件的壓力，同時對爐氣還要起到密封的作用，因此，由型鋼(L63#)加工成框架，框架外焊接帶有加強筋(δ=5 mm)的碳鋼板，整個爐殼全部密焊，且爐殼上部四周密焊有用于密封爐氣的砂封槽，槽內(nèi)填滿重質(zhì)細砂。

(2)爐膛內(nèi)部四周及爐頂耐熱層采用硅酸鋁耐火纖維。由于爐底要承受制造、檢修時人體及器材的重量，所以用耐火磚砌筑而成。

(3)爐蓋為整體可拆卸式結(jié)構(gòu)，其框架由6.3#角鋼焊接制成，底板為5 mm厚的碳鋼，鋼板與框架之間密焊加工。爐蓋隔熱保溫層為耐火纖維針刺毯模塊,采用專用方法錨固在鋼板上，全纖維爐蓋蓄熱量小、保溫性能好、使用壽命長。爐蓋框架四周焊接有砂封刀，可插入爐殼砂封槽內(nèi)，用于爐氣密封。爐蓋后部設(shè)置有機液滴注口，滴注口下部裝有托盤，有機液在托盤內(nèi)分解避免局部形成碳黑；為了維修的方便，爐蓋設(shè)置有備用滴注口；爐蓋前端的排氣口在工作時點燃，雙支式測溫熱電偶從爐頂部插入爐膛內(nèi)，以及時向生產(chǎn)線控制系統(tǒng)發(fā)送爐內(nèi)信息。

(4)生產(chǎn)線采用電輻射加熱方式，加熱爐共分4個加熱區(qū)，合理分配每區(qū)功率，保證爐溫精確控制，經(jīng)生產(chǎn)驗證，本生產(chǎn)線淬火爐爐溫的均勻性為±10 ℃[3]。輻射管外管為耐熱不銹鋼管，電加熱器由爐蓋頂部垂直插入爐膛，通過凸緣、螺栓固定在爐蓋固定座上，此設(shè)計方法可以保證在使用中某一控溫區(qū)輻射管電加熱器在使用中出現(xiàn)故障時，只需要關(guān)閉該區(qū)電源，拆去固定螺栓抽出輻射管即可以進行維修或更換。

(5)爐前的火簾氣氛裝置由自動點火器、小火簾以及管路閥門流量計等組成。加熱爐工作時小火簾(長明火)自動點燃保持不熄，以防止外界空氣進入爐內(nèi)。有機液體通過流量計、閥門滴入爐膛內(nèi)高溫分解形成保護氣氛，控制系統(tǒng)保證在爐溫未達到760 ℃之前不把有機液滴入爐膛內(nèi)。

(6)為了減少爐門在加熱過程中的變形，爐門框用鑄鐵鑄造而成，門框內(nèi)砌有硅酸鋁耐火纖維氈。爐門框上裝有滾輪，滾輪在開啟和關(guān)閉的過程中沿軌道運行。關(guān)閉爐門時，爐門依自重使爐門面板緊貼在爐面板的突出耐火纖維上，密封爐氣；爐門開啟時，爐門面板脫離爐面板，爐門開啟由行程開關(guān)定位。

(7)加熱爐內(nèi)的傳動輥平時慢速轉(zhuǎn)動，當料盤需要出爐時和淬火槽的淬火料架輥同步快速轉(zhuǎn)動。傳動輥中部為耐熱鋼管，兩端為耐熱鋼軸，爐外由帶水冷的密封軸承支承，裝鏈輪的一端為固定端，另一端在加熱過程中可以自由膨脹，電動機帶動鏈輪、套筒滾子鏈傳動。

2.2 淬火槽

為了保證工件在淬火槽內(nèi)快速、均勻淬火，保持工件硬度的均勻性，工作臺在液壓油缸的作用下沉入淬火液中, 帶動料架在淬火液內(nèi)上下振蕩，均勻淬火。達到設(shè)定工藝時間后，淬火料架升起，離合器合上，料盤由淬火料架傳送到轉(zhuǎn)移料架，立即沉入油底進行二次淬火，達到預(yù)定時間后轉(zhuǎn)移料架升起，將料盤由淬火槽傳送到清洗槽內(nèi)。整個淬火過程由液壓站控制工件隨料架垂直進出淬火液，保證了工件淬火的均勻性，避免了工件下落到淬火槽內(nèi)時出現(xiàn)磕碰傷而影響工件質(zhì)量。

淬火槽與加熱爐出料端密封連接，淬火槽門由液壓油缸控制，爐門兩側(cè)裝有滾輪，關(guān)閉淬火槽門時在油缸的作用下使門板緊貼裝在門框槽內(nèi)的密封盤根。淬火槽頂部有排氣口、自動點火監(jiān)測裝置，保證爐內(nèi)排到油槽內(nèi)的廢氣及淬火槽內(nèi)的油煙在排氣口自動點燃。在淬火槽的前方槽底部位(工件淬火正下方)裝有向上噴油裝置，工件淬火時向上噴淬火液使之均勻淬火；淬火槽內(nèi)管狀電加熱器加熱淬火液，利用溫度控制器和液位器動態(tài)顯示淬火槽內(nèi)淬火液的狀態(tài)，提醒操作者及時補充淬火液；當淬火液工作溫度升高時可以通過循環(huán)泵、板式冷凝器進行熱交換，保證正常工作溫度。淬火液溫度可在40～100 ℃內(nèi)選擇，溫度可控，控溫精度為±1 ℃。

2.3 清洗吹干機

清洗機位于淬火槽后，由油水分離裝置、清洗液噴淋裝置、烘干裝置等組成。其內(nèi)、外殼均為碳鋼密焊制成，內(nèi)、外殼之間填充保溫材料，前、后門均為軟門。清洗槽液面上的浮油通過油水分離器分離，流到集液槽中集中排放；工件進入后由水泵將清洗液加壓通過噴咀沖洗工件，銅制噴咀分布在料盤四周，噴淋后經(jīng)過裝在清洗機上部的烘干裝置烘干后再進回火爐處理；烘干裝置由低噪聲風機和電加熱箱組成，風機轉(zhuǎn)動將加熱箱內(nèi)加熱器散發(fā)的熱量沿風道吹向工件將工件烘干。

2.4 回火爐

回火爐由爐殼、爐襯、風機風道、電加熱輻射管、爐內(nèi)輥道和前后軟門組成。爐殼由1.5 mm厚的鋼板和5#角鋼焊接制成，外形美觀強度高；爐襯由兩層鋼板內(nèi)填充巖棉制成；爐頂開有風機安裝孔，風機可以整體拆卸；測溫熱電偶從爐蓋頂部插入爐膛內(nèi)。為了使爐內(nèi)溫度均勻，在加熱爐每一溫區(qū)都裝有一臺風機，風機轉(zhuǎn)動將電加熱管散溢的熱量，通過風道送入工作區(qū)再由上部吸風口返回，構(gòu)成爐內(nèi)熱風循環(huán)以保證爐溫均勻性(回火爐爐溫均勻性達到±5 ℃)，使工件的回火組織均勻一致。

2.5 液壓站

液壓站為淬火加熱爐、淬火槽升降臺和各軟門開關(guān)提供動力，其油箱用碳鋼板密焊制成，油箱上裝有油標、油泵、電動機、溢流閥、壓力表、集成塊和電磁換向閥，各油缸的動作由電磁換向閥完成，液壓站壓力可達10 MPa。

2.6 電氣控制系統(tǒng)

生產(chǎn)線的整套自控系統(tǒng)包括保護氣氛(甲醇裂解)的燃燒及溫度控制系統(tǒng)、機械動作控制系統(tǒng)、顯示和故障報警系統(tǒng)及管理系統(tǒng)等。整套自控系統(tǒng)保證了生產(chǎn)線的全自動安全運行[4]。

溫度控制采用島電數(shù)顯溫控表，其具有人工智能PID調(diào)節(jié)功能，控制大功率固態(tài)繼電器，控制爐溫；采用大華長圖多點記錄表，記錄各溫區(qū)的溫度曲線，一旦爐溫超過設(shè)定的報警溫度，控制系統(tǒng)立即自動切斷主回路加熱電源，確保爐溫的穩(wěn)定。加熱爐、回火爐每一個加熱區(qū)都有電流表，可以直觀地反映各加熱區(qū)加熱器的工作情況，遇到故障便于及時準確地處理。整個控制系統(tǒng)采用聲光報警，生產(chǎn)線中各電動機、加熱爐、回火爐風機、液壓站均采用斷路器作過電流、過熱保護。所有傳動輥均采用變頻調(diào)速器控制速度，系統(tǒng)控制采用一臺西門子S7-200可編程控制器，完成對生產(chǎn)線每一個工位工作狀態(tài)的控制。

3 結(jié)束語

設(shè)計的輥底式軸承套圈熱處理生產(chǎn)線的工藝流程、熱處理精度、自控操作水平達到了國內(nèi)先進水平, 實現(xiàn)了軸承套圈大批量生產(chǎn)，且可以有效防止工件移動過程中的磕碰傷，提高了產(chǎn)品合格率。處理后的零件表面光亮清潔、無脫碳、組織均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、變形量小，整條生產(chǎn)線具有造價低，自動化程度高，高效節(jié)能，安全可靠的特點。