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全自动曲轴淬火 |
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作者：东风汽车有限公司工艺研究所 吴永强 赵俊平 |
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曲轴是汽车发动机中的重要零件，业内越来越多的厂家采用感应淬火技术对曲轴进行强化来提高其承载能力，曲轴淬火设备的需求日益扩大。曲轴感应淬火设备属特种机床，需要综合热处理、机械、电气、电力电子、液压、磁性材料等多学科的技术，国内能够生产该类设备的厂家很少，且多为简单的手动或半自动设备，此前国内使用的全自动成套淬火设备一直依赖进口。
东风汽车有限公司工艺研究所曾经开发成功多套曲轴感应淬火技术和设备，技术居国内领先水平，此次自主开发成功的国内第一套全自动曲轴淬火成套设备达到国际先进水平，主要体现在以下几个方面：
□ 将工控机应用在感应淬火机床上，实现了设备的动态监控；
□ 引入自动返修程序，更加适应中国国情；
□ 自主开发成功国内第一台曲轴专用薄型淬火变压器，厚度仅为70mm，容量达到600kVA；
□ 实现曲轴双轴颈同时淬火，加工康明斯6C曲轴时变形控制在0.5mm以下（国外同类设备控制在0.75mm左右）；
□ 经处理后的康明斯6C曲轴疲劳强度达到4200Nm（国外同类设备达到3500Nm）。
总体方案
全自动曲轴淬火成套设备由淬火机床、冷却液与淬火液循环系统、中频电源（两台）、电气控制系统等部分组成（如图1）。淬火机为设备的主体，曲轴淬火在其上完成；冷却液循环系统对中频电源、变压器、感应器、补偿电容等进行冷却；淬火液循环系统给感应器提供淬火水；中频电源负责曲轴加热时的电力供应；电气控制系统对各系统实施控制，并采集重点部位的状态，形成闭环控制，电气控制系统同时提供实时监控、故障报警和数据查询等人机界面。
图1 设备主要组成部分
设备工作在全自动状态时，将曲轴放在送料机构的上料架上，系统自动把曲轴送到顶升位，再由顶升油缸托举到滑台中间，床头、床位夹紧曲轴，滑台带动曲轴横向移动到淬火位置并旋转到规定的角度后，变压器和感应器下降，骑到曲轴轴颈上进行淬火。淬火完成后，浮动机构上升，滑台把曲轴送到下个轴颈淬火位置，如此依次对每个轴颈进行淬火，待所有轴颈加工完毕后，曲轴再按前述相反的顺序退出，下料时，曲轴落在下料架上，下料架和上料架分开设置，两个动作同时进行，并且和曲轴加工过程重合。
淬火机床的设计
淬火机床的设计要重点考虑以下因素：① 淬火机床工作在强磁场和强电场环境中，需要很好地绝缘来保证机床运行的安全性和稳定性；② 曲轴在加工过程中会产生较大的变形，机床要能够保证曲轴的自由伸缩；③ 淬火机床工作在湿热的环境中，要做好防锈和密封。
我们设计的淬火机床机床分为卧床身和立床身两个部分，前后放置。前卧床身既是支承送料机构和顶升机构的床体，又兼淬火液槽，后面的立床身是支承移动部分的床体，立床身的上半部分兼做电容器柜，下半部分兼做冷却水箱。图2是设备在现场运行。
图2 全自动曲轴淬火成套设备
1、滑台
滑台安装在立床身上，在伺服电机的驱动下沿导轨左右移动。床头、床尾置于滑台上，油缸作用时，床头、床尾移动，带动床头的卡盘和床尾的套筒到达预定位置，夹紧曲轴，床尾套筒后部安装弹簧，可调整作用于曲轴的轴向压力。
2、变压器和感应器浮动部分
加热过程中，感应器与曲轴轴颈必须同步运动，变压器和感应器对曲轴轴颈的跟踪是浮动机构设计的难点。我们采用的方法是：感应器设计成马鞍型，骑在曲轴轴颈上，曲轴旋转时，感应器通过四连杆机构的上下前后摆动实现对曲轴的跟踪。感应器作用于曲轴轴颈的压力是一个十分关键的参数，压力太小，曲轴跟踪效果不好，压力太大，曲轴易变形，后部的调整螺杆可调整浮动机构作用于曲轴的压力。
3、液压系统
机床液压系统采用容积式泵与叠加阀组成开环系统。液压系统除给机械系统提供动力以外，在变压器和感应器浮动机构的下降过程中还有缓冲功能。在浮动机构的下降回路中并联安装一个截流阀，截流阀打开时，变压器和感应器快速下降，截流阀关闭时，变压器和感应器缓慢下降，平稳的骑在曲轴轴颈上。调节截流阀的开度可实现下降速度的调节。
4、冷却水与淬火液循环系统
中频电源、电容器、变压器和感应器在工作过程中需要水冷，而且利用软化水对这些部分进行冷却，冷却水在工作过程中是绝对不可以停的，否则感应器在1s之内就会被烧穿，其它发热元件在缺水工作时寿命也会受到影响，为此，我们从两方面进行保护：首先采用水位计检测补水保证冷却水池不缺水；其次在冷却水的上水管路中设置水压传感器，当水压低于设定值时设备停机。
淬火液的温度变化对淬火质量会有影响，系统设计为：当淬火液温度低于设定值时，外循环冷却系统关闭，当淬火液温度高于设定值时，外循环冷却系统打开，温度信号由传感器传送到控制系统，并在控制面板上显示。
冷却液池和淬火液池设计在机床内部，内表面涂专用防腐涂料，具防锈性和密封性，在外部用不锈钢版式换热器对两套内循环系统进行旁路冷却。
5、曲轴专用薄型淬火变压器
淬火变压器的作用是调整负载的阻抗，使之与中频电源匹配，通常使用的变压器体积大重量大，厚度至少在360mm以上。全自动曲轴淬火设备需要同时进行２个以上轴颈的淬火加工，使用的变压器要求厚度小、重量轻，为此，我们开发了专用的薄型淬火变压器，厚度70mm，容量600kVA，输出功率达200kW，电参数稳定，可满足大批量生产的需要。
电气控制系统
电气控制系统的要求是：除满足全自动的功能外，还要具有设备监控、故障诊断、参数纪录等功能，为了更好地满足国内的生产状况，还要考虑电源中途掉电、零件返修等特殊情况。具体功能要求如下：
□ 工作台(工件)移动定位准确、重复精度高；主轴旋转稳定、速度可调、能够实现任意角度定位；
□ 设备具有状态监控功能，零件加工过程能够实时（动态）显示，界面友好；
□ 保护措施完善，故障报警及时、准确，能够处理电源中途掉电等故障；
□ 对强磁场和强电场采取措施，避免其对控制系统的干扰，部分元器件要考虑潮湿环境的影响；
□ 在加工过程中设备出现故障时，所加工的零件要根据情况区别对待，没有报废的要做返修处理；
□ 时序易于调整，参数修改方便，机床分手动和自动两种工作方式。
对此，具体控制系统设计如下：
1、硬件设计
电气控制系统采用CNC、PLC和工控机的联合控制的方式：CNC负责工作台的位置控制及主轴的旋转、定位，同时负责整台机床的工作时序；PLC负责设备的逻辑控制，并与CNC配合，完成时序控制；工控机负责设备状态监控、工作过程的动态显示以及零件加工参数的采集和纪录。
2、软件设计
CNC和PLC程序的开发是在西门子系统程序上的二次开发，重点是协调好两部分的通信、同步和公用数据区的管理等，数据格式也需要特别编制。
工控机软件是此次开发的难点，我们基于Windows 98操作平台，采用Visual C++6.0，结合Access 2000数据库自行编写，分为底层控制程序和人机界面：底层控制程序负责数据的采集和输出；人机界面包括监控主界面（如图3）、控制面板界面、传感器标定界面、参数修改界面、数据查询界面等。
图3 监控主界面
主界面显示了当前设备关键控制点的状态，可动态显示加工过程，在设备出现故障时，可以方便地查找故障点；我们还设计了一个控制面板界面模拟机床的控制面板，通过这个面板，操作者可以用鼠标或键盘控制机床的动作；零件加工过程中的数据被保存在数据库中，可以随时查看。
3、中频电源重复起振与返修程序设计
中频电源在某些时候会出现不起振的情况，这时往往并不是出现故障，只是系统的暂时不稳定，我们对电源系统进行了改造，引出了电源启动成功判断信号，在发出启动信号后，随即检测此判断信号，若检测到该信号，则证明电源启动成功，继续运行，若没有检测到信号，则隔一段时间再行启动，如果重复几次仍不能成功，则判断系统故障。
还有一种情况是在加热过程中中频电源失振，这时是不允许再次加热，而且后续的喷水动作也不再执行，等所有的轴颈都加工完毕后再启动返修程序重新加工。返修程序具有自动判断的功能，操作工人只需输入零件号，系统就可以根据保存在数据库中的数据判断哪个轴颈需要返修，进而自动执行。同类进口设备没有这种功能，遇到这一情况就直接判定零件作废。就这一点来说，我们的设备更多地考虑了国内的生产实际，具有更好的适应性。
4、保护措施和抗干扰措施
为了避免误操作导致设备损坏，在设备出现故障时，及时报警并指出故障点，在控制系统中加入了大量的保护和报警功能，如：⑴逻辑性保护；⑵测量性保护；⑶判断性保护；⑷故障报警和显示。
中频电源工作时，在中频线路周围将产生强磁场，在中频电源接通瞬间会产生较大的电压波动和高频震荡，这都将干扰控制系统的正常工作，为了消除这些干扰，我们采取了以下措施：
⑴ 对于空间感应串入系统的干扰，采取的方法是良好的屏蔽和正确的接地，机床所有的控制电柜，包括中频电源控制柜都屏蔽接地，机床床身良好接地；
⑵ 对于电源干扰，进线电源首先经过隔离变压器断开干扰通路，然后送至支路，并且变压器隔离层接地；
⑶ 信号线和强电线均采用屏蔽电缆，屏蔽层两端接地；
⑷ 工控机接口板的所有通道与外部电路间都设有光电隔离。
结语
全自动曲轴淬火成套设备研制成功后，在生产现场投入使用后表明，设备运行稳定可靠，控制精度高，使用维护方便，满足了曲轴轴颈的淬火工艺要求，并且具有淬火变形小、生产效率高、适应范围广等优点，设备具有状态监控、中频电源重复起振、加工过程动态显示和零件返修等功能，极大地方便了现场使用。
原载AI《汽车制造业》(end)
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(7/29/2006) |
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