朱桂英 李菊梅 葉有才

(①河北工程大學(xué)裝備制造學(xué)院，河北 邯鄲056038;②邯鄲日東機(jī)械有限公司，河北 邯鄲056001)

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件，其技術(shù)要求很高。球墨鑄鐵凸輪軸熱處理工藝［1］一般為:整體正火處理再經(jīng)表面淬火處理。技術(shù)要求為:支撐軸頸和凸輪經(jīng)表面淬火后硬化層硬度45 ～53 HRC，硬化層深度1.5 ～5 mm，硬化層金相組織按JB/T9205 的規(guī)定，3 ～6 級合格。

合金鑄鐵凸輪軸經(jīng)表面淬火處理，支撐軸頸和凸輪經(jīng)表面淬火后硬化層硬度為53 ～58 HRC，硬化層深度1.5 ～5 mm，硬化層金相組織為細(xì)針狀或中針狀回火馬氏體及碳化物。

球墨鑄鐵和合金鑄鐵凸輪軸目前主要采用中頻淬火表面熱處理技術(shù)［2］，有技術(shù)成熟、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外研究較多。上海工業(yè)大學(xué)曾對凸輪軸連續(xù)感應(yīng)中頻淬火感應(yīng)線圈進(jìn)行設(shè)計(jì)、對淬火工藝過程進(jìn)行優(yōu)化［3］。上海通用東岳動(dòng)力總成有限公司曾對凸輪軸中頻淬火后退刀槽產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)措施［4］。東風(fēng)汽車公司發(fā)動(dòng)機(jī)廠曾研發(fā)凸輪軸中頻感應(yīng)加熱臥式機(jī)床［5］，解決了凸輪軸一次感應(yīng)加熱、浸液冷卻、余熱回火的問題。然而，中頻淬火在退刀槽等處易產(chǎn)生裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。中頻淬火為提高效率和質(zhì)量需要配置自動(dòng)淬火機(jī)床，設(shè)備投資較大。

火焰淬火熱處理工藝較之中頻淬火表面熱處理具有諸多優(yōu)點(diǎn):不易產(chǎn)生淬火裂紋，不受批量限制，成本較低，但是這種熱處理工藝對穩(wěn)定性和精確性控制要求高，技術(shù)難。從世界范圍來看，凸輪軸火焰淬火技術(shù)現(xiàn)已在日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)實(shí)踐中有所應(yīng)用，但國內(nèi)、國外有關(guān)凸輪軸火焰淬火的工藝、淬火自動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)、研究相關(guān)成果較少，即使有，也會(huì)出于核心技術(shù)保密的原因很少見諸公開。

目前，筆者所在課題組已掌握了火焰的溫度穩(wěn)定性精確控制技術(shù)［6］，如能將其應(yīng)用于凸輪軸表面淬火必將大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低投資成本，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。某凸輪軸加工制造企業(yè)也希望突破技術(shù)難題，采用火焰淬火方法對凸輪軸進(jìn)行表面淬火，研制凸輪軸火焰淬火自動(dòng)設(shè)備，降低成本，提高質(zhì)量，增加企業(yè)效益。故筆者所在學(xué)院與該企業(yè)一起設(shè)計(jì)、研發(fā)了凸輪軸火焰淬火自動(dòng)機(jī)床。目前，此技術(shù)已在該企業(yè)取得良好的技術(shù)效果。

1 淬火機(jī)床整體方案

1.1 凸輪軸的工藝參數(shù)

在廠家的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，試驗(yàn)確定了凸輪軸火焰淬火熱處理工藝及參數(shù)。主要有:

(1)乙炔輸出壓力為≤0.07 MPa，氧氣輸出壓力

≤0.7 MPa。

(2)火焰呈中性藍(lán)色，工件溫度為880 ±10 ℃。加熱時(shí)間13 ～18 s，冷卻時(shí)間8 ～20 s。

(3)經(jīng)火焰表面淬火后應(yīng)回火，溫度190 ℃×120 min，空冷。

1.2 需解決的問題

根據(jù)以上參數(shù)和技術(shù)要求，火焰淬火機(jī)床要解決以下問題:

(1)火焰噴槍的設(shè)置和火焰控制。解決在正確的位置對工件進(jìn)行加熱，并實(shí)現(xiàn)火焰溫度的穩(wěn)定性控制的問題。

(2)工件加熱均勻性控制。目的是保證凸輪軸工件周向外表面均勻達(dá)到所需要的溫度。

(3)工件的上料和下料的設(shè)計(jì)。上、下料裝置保證加熱和冷卻的準(zhǔn)確時(shí)間。

(4)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。保證淬火溫度、加熱和冷卻時(shí)間等工藝流程和參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

(5)機(jī)床較好的通用性。能夠使機(jī)床對長度在一定范圍內(nèi)的各規(guī)格凸輪軸工件進(jìn)行淬火。

1.3 淬火機(jī)床總體設(shè)計(jì)

基于以上要解決的問題，淬火機(jī)床的總體構(gòu)成主要由5 部分組成，如圖1 所示。

(1)工件的上料裝置

作用是使工件按照需要的時(shí)間和順序進(jìn)入噴槍下的合理位置。

(2)工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，以使凸輪軸工件表面受熱均勻。

(3)火焰噴槍子系統(tǒng)

作用是以合適的位置和角度安裝、設(shè)置火焰噴槍。支撐固定乙炔、氧氣匯流排及其他裝置，實(shí)現(xiàn)火焰穩(wěn)定性控制。

(4)工件的下料裝置

作用是使淬火后的工件按要求浸入冷卻液，達(dá)到冷卻時(shí)間后，從冷卻液中分離。

(5)自動(dòng)控制子系統(tǒng)

工件從上料→旋轉(zhuǎn)→淬火→冷卻→出料的整個(gè)過程都需要由自動(dòng)控制系統(tǒng)完成，以保證淬火質(zhì)量和效率。

2 淬火機(jī)床子系統(tǒng)方案

2.1 上料裝置

機(jī)床上料裝置(如圖2 所示)主要由滑料槽1、阻料氣缸4、放料氣缸5、接料器6、光控開關(guān)3、送料氣缸8、旋轉(zhuǎn)氣缸7 和限位開關(guān)9 等組成。

接料器6 上設(shè)置半圓形接料環(huán)，接料環(huán)的內(nèi)部安裝有彈簧和鋼球。

上料裝置的工作原理為將工件放入滑料槽1 中，當(dāng)開關(guān)3 顯示滑料槽中有料時(shí)，阻料氣缸4 松開，放料氣缸5 阻斷，工件進(jìn)入阻料氣缸4 和放料氣缸5 之間。接到放料信號后，阻料氣缸4 阻斷，放料氣缸5 松開，工件由于重力的作用落入接料器6 中，接料器6 中鋼球在彈簧的作用下伸出(如圖3 所示)，卡住工件。接料器上安裝的光控開關(guān)發(fā)出信號，旋轉(zhuǎn)氣缸7(如圖2a)旋轉(zhuǎn)90°，然后送料氣缸8(如圖2b)左行，將工件送至旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中(如圖4)的頂尖位置。待頂尖卡緊后，送料氣缸8 右行，退回原位。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成如圖4 所示，氣缸1 驅(qū)動(dòng)頂尖2 左右運(yùn)動(dòng)，卡緊和松開工件。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理為動(dòng)力經(jīng)減速器、皮帶傳至主動(dòng)頂尖3，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)頂尖3 旋轉(zhuǎn)。當(dāng)工件送至頂尖2、3 之間的位置時(shí)，如圖2 中限位開關(guān)9 發(fā)出信號，圖4 中氣缸1前行，頂尖2 頂緊工件。工件開始旋轉(zhuǎn)，并由噴槍火焰均勻加熱。

2.3 火焰噴槍子系統(tǒng)

火焰噴槍子系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖5 所示，由兩組匯流排2、噴槍3 及氣體控制裝置組成。匯流排2 由兩組氣道，分別通乙炔和氧氣，乙炔和氧氣的流量采用定值加減壓方式進(jìn)行穩(wěn)定控制，以保證火焰溫度穩(wěn)定。噴槍分為兩組，呈一定角度布置，從兩個(gè)方向?qū)ν馆嗇S加熱，以保證凸輪軸受熱均勻。噴槍3 的安裝角度和位置可以按要求調(diào)節(jié)。

2.4 下料裝置

下料裝置的構(gòu)成主要由圖4 中的下料接料器5、下料水平氣缸6 和圖5中的導(dǎo)軌及導(dǎo)軌導(dǎo)向板4 和下料垂直氣缸5 組成。

下料裝置的工作原理為凸輪軸工件淬火后，工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的頂尖2 松開，工件經(jīng)下料導(dǎo)板1(如圖5)落入下料接料器5(如圖4)中，并浸入冷卻液里，達(dá)到冷卻時(shí)間后，下料水平氣缸6(如圖4)后退至限定位置。當(dāng)位置開關(guān)發(fā)出信號后，圖5 中下料垂直氣缸5 驅(qū)動(dòng)下料接料器5 沿導(dǎo)軌4 上行，將工件送出冷卻液面，整個(gè)淬火過程結(jié)束。

2.5 自動(dòng)控制子系統(tǒng)

自動(dòng)控制子系統(tǒng)是整個(gè)淬火機(jī)床的自動(dòng)淬火工藝流程實(shí)現(xiàn)的核心，根據(jù)淬火機(jī)床特點(diǎn)，我們采用PLC控制技術(shù)。運(yùn)行方式采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種。其中自動(dòng)運(yùn)行方式采用連續(xù)、單步和復(fù)位操作方案，以實(shí)現(xiàn)不同情況的動(dòng)作要求。

清點(diǎn)輸入及傳感器、執(zhí)行器的數(shù)量，本系統(tǒng)中有11 點(diǎn)輸入，12 點(diǎn)輸出，考慮到余量，選三菱FX2N-32MR 可滿足系統(tǒng)要求［7］。

表1 I/O 地址分配表

I/O 地址分配表如表1 所示。

考慮到淬火機(jī)床工作過程屬于順序控制，故采用狀態(tài)法編程，圖6 給出了自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)流程圖［8-9］。

3 效果

設(shè)計(jì)的凸輪軸工件淬火機(jī)床經(jīng)試制后，進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn)和試驗(yàn)。結(jié)果為機(jī)床能夠準(zhǔn)確控制加熱和冷卻時(shí)間，按預(yù)定設(shè)計(jì)工藝流程實(shí)現(xiàn)上料、下料，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)對QT700 -2 球墨鑄鐵凸輪軸工件的取樣淬火，淬火后凸輪軸工件表面硬度在48 ～52 HRC 之間，淬硬深度4 ～5 mm。對合金鑄鐵凸輪軸工件取樣表面淬火，支撐軸頸和凸輪經(jīng)表面淬火后硬化層硬度在54～57 HRC 之間，硬化層深度3 ～5 mm，滿足了凸輪軸的熱處理技術(shù)要求。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的凸輪軸火焰淬火自動(dòng)機(jī)床采用PLC對工件加熱時(shí)間、冷卻時(shí)間等參數(shù)和工藝過程進(jìn)行自動(dòng)控制，解決了工件火焰加熱均勻性、上料和下料問題，實(shí)現(xiàn)了工件火焰淬火的自動(dòng)化。

本文所設(shè)計(jì)的凸輪軸火焰淬火自動(dòng)機(jī)床可以用于一定尺寸范圍內(nèi)的不同規(guī)格凸輪軸的加工生產(chǎn)，適用性強(qiáng)。通過更換匯流排，調(diào)整火焰噴槍的數(shù)量和位置，調(diào)整頂尖的位置，擴(kuò)大了凸輪軸火焰淬火的尺寸范圍，使機(jī)床在結(jié)構(gòu)簡單的基礎(chǔ)上，通用性較好，制造成本低。

本文提出的機(jī)床設(shè)計(jì)突破了使用火焰淬火對凸輪軸進(jìn)行自動(dòng)熱處理的技術(shù)難題。后續(xù)研究可從增加凸輪軸火焰淬火自動(dòng)機(jī)床的上、下料系統(tǒng)自動(dòng)化程度上進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］JB/T 6728.1 -2008. 內(nèi)燃機(jī)凸輪軸第1 部分:技術(shù)條件［S］.2008.

［2］顏志強(qiáng).QT700—2 凸輪軸斷裂分析與挽救的研究［J］.熱處理，2003(1):20 -23.

［3］王偉雄 胡曉平 朱會(huì)文. 船用凸輪軸的連續(xù)中頻感應(yīng)淬火［J］. 熱處理，2001(3):12 -14.

［4］蔡一法，李曙光，逯英杰，等. 高強(qiáng)度球鐵凸輪軸淬火裂紋的研究［J］.鑄造技術(shù)，2010，31(9):1136 -1139.

［5］趙顯恕. 凸輪軸感應(yīng)加熱淬火設(shè)備和工藝［J］. 金屬熱處理，1998(11):24 -25，31.

［6］朱桂英，應(yīng)用于挺桿的火焰淬火設(shè)備研究［D］. 天津:河北工業(yè)大學(xué)，2010:10 -11

［7］孫晉，張萬忠.可編程序控制器入門與應(yīng)用實(shí)例［M］. 北京:中國電力出版社，2010:94 -95

［8］劉守操，劉彥鵬.可編控制器技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006 :78 -89

［9］松下電工.EP3 BASIC Type Programmable Controller Technical Manual［Z］. 大阪，1994.3 -9.