目前，國(guó)際上汽車生產(chǎn)所采用的感應(yīng)淬火設(shè)備正逐步向柔性化程度發(fā)展。通用淬火機(jī)床更加通用，功能更加完善。具有代表性的日本DKK、西班牙GH、德國(guó) AEG、跨國(guó)公司的EFD產(chǎn)品應(yīng)用十分廣泛。它們的共同特點(diǎn)是，在一臺(tái)淬火機(jī)床口可對(duì)不同性能要求的不同零件進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火，甚至同一零件多段變功變速也能達(dá)到；采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)監(jiān)控并顯示淬火過程和工藝參數(shù)，跟蹤全部加工過程，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用十分活躍并日漸成熟；計(jì)算機(jī)控制成為控制主流，主驅(qū)動(dòng)采用交流伺服電機(jī)拖動(dòng)，移動(dòng)速度穩(wěn)定均勻、定位準(zhǔn)確、重復(fù)精度高；零件旋轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速，能適應(yīng)多方面工藝要求；代表機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌等先進(jìn)技術(shù)被大量采用；配套成龍的電源、淬火機(jī)床、冷卻系統(tǒng)的感應(yīng)加熱淬火裝置已屢見不鮮。
自改革外放以來，一汽集團(tuán)公司雖然引進(jìn)了多臺(tái)感應(yīng)淬火設(shè)備，但汽車生產(chǎn)中應(yīng)用最多的通用試驗(yàn)設(shè)備仍是低層次的PLC控制的淬火機(jī)床。其效率低、功能差、難以保證淬火質(zhì)量。
為了保證汽車新產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度，彌補(bǔ)通用淬火機(jī)床功能不足，在消化理解國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過兩年的刻苦攻關(guān)，集團(tuán)公司采用數(shù)控和能量控制技術(shù)研制成功并直接應(yīng)用于生產(chǎn)的通用多功能臥式數(shù)控淬火機(jī)床，技術(shù)性能國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、功能接近20世紀(jì)末期從GH公司引進(jìn)沒備水平。半年多運(yùn)行表明，性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。
一、臥式數(shù)控淬火設(shè)備組成
淬火設(shè)備有別于其他冷加工設(shè)備，由供電電源、淬火機(jī)床、冷卻系統(tǒng)和淬火系統(tǒng)組成，缺一不可。臥式數(shù)控淬火設(shè)備組成如圖1所示。
圖1 臥式數(shù)控淬火設(shè)備組成
KGPS-400/4是中頻電源，功率為400kw、頻率為4kHz，它是產(chǎn)生零件加熱所需要的能源。
BP、BPT分別通過管路組成淬火和冷卻軟化水系統(tǒng)。BP提供零件淬火時(shí)所需要的水源；BPT用于冷卻變壓器、電容器、感應(yīng)器用電源等。
二、淬火機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
淬火機(jī)床采用懸掛結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.頂尖 2.淬火變壓器與電容器組成的并聯(lián)諧振系統(tǒng)
3.坦克鏈 4.后頂尖 5.滾珠絲杠拖架 6.淬火水箱 7.床身
圖2 臥式淬火機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
淬火機(jī)床為臥式全封閉結(jié)構(gòu)。前后頂尖用于夾持零件，被零件旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；被加熱零件、感應(yīng)器、變壓器組成諧振電路的電感支路，感應(yīng)器接在變壓器次級(jí)，變壓器初級(jí)和電容器組成的并聯(lián)諧振電路直接與中頻電源相相連，共同組成電源的負(fù)載；電源與諧振回路的電纜連同冷卻變壓器、電容器的冷卻水管放置在坦克鏈上，在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下連同變壓器、電容器一起前后移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)由變頻器控制，伺服電機(jī)由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，中頻電源輸出能量的大小均由工控機(jī)控制，可完成手動(dòng)、半自動(dòng)操作。
手動(dòng)操作包括：機(jī)械動(dòng)作調(diào)整；冷規(guī)范工藝參數(shù)調(diào)整、熱規(guī)范工藝參數(shù)調(diào)整。
半自動(dòng)操作包括：在供電功率和頻率允許的范圍內(nèi)，按被加工零件工藝要求編制的軟件程序周而復(fù)始地實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱淬火。
三、控制模式
很多資料介紹數(shù)控原理，在此不再贅述，下面只介紹能量控制原理。
1．能量控制原理
根據(jù)資料，當(dāng)電壓變化±5％，功率在±10％的范圍內(nèi)變動(dòng)。工件所獲得的能量Pt與淬硬層d的關(guān)系如圖3所示。
圖3 工件所獲得的能量Pt與淬硬層d的關(guān)系
從圖3可知：功率P在±10％變化時(shí)的S是極小部分并近似于直線。如果把加熱能量控制在一定范圍內(nèi)，那么淬硬層的變化也是極小的。同樣，只要Pg±△Pg 和tg±△tg構(gòu)成的面積足夠小，那么，tg±△tg和Wg±△Wg的面積也會(huì)足夠小(見圖4和圖5)。這一點(diǎn)從數(shù)學(xué)分析也可以得到驗(yàn)證。因?yàn)?Pg=f(tg)，Wg=f(tg)的函數(shù)關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的。工件加熱過程中，由于某種原因瞬時(shí)功率變大時(shí)，根據(jù)某一規(guī)律加熱時(shí)間減少；反之，時(shí)問加長(zhǎng)。在控制系統(tǒng)中把累計(jì)近似能量積分值控制在EFGH偏差帶內(nèi)，就達(dá)到了控制能量的目的。當(dāng)然，對(duì)于不同工件可以設(shè)置不同偏差帶，或同一工件根據(jù)不同質(zhì)量要求也可以設(shè)置不同偏差帶，也就是說，設(shè)置的偏差帶越小，獲得的產(chǎn)品質(zhì)量越高。
圖4 Pg=f(tg)變化曲線
注：Pg——瞬時(shí)功率沒定值，kW；
Pg±△Pg——瞬時(shí)功率變化偏差帶，kW
tg——加熱時(shí)間沒定值，s；
tg±△tg——加熱時(shí)間設(shè)定偏差帶，s。
圖5 Wg=f(tg)變化曲線
注：Wg——能量設(shè)定值，kW.s；
Wg=f(tg)——能量設(shè)定偏差帶，kW.s。
2．硬件組成
本系統(tǒng)采用華中數(shù)控股份有限公司生產(chǎn)的HNC-2000工業(yè)控制機(jī)，由信號(hào)檢測(cè)、開天元件、伺服功率驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)、變頻器、交流電機(jī)及工業(yè)控制機(jī)等組成。系統(tǒng)硬件組成如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)硬件組成
(1)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電流、電壓、頻率模擬信號(hào)從品閘管中頻電源引出，他們通過A/D轉(zhuǎn)換摸板變成標(biāo)準(zhǔn)的0～10v電壓信號(hào)，直接送人工控機(jī)。
(2)工藝參數(shù)諸如工件不同部位所需功率大小、加熱淬火時(shí)間、零件轉(zhuǎn)速多少、感應(yīng)器所處準(zhǔn)確位置等均以代碼形式由工控機(jī)鍵盤設(shè)定。
(3)輸入開關(guān)量信號(hào)通過多路控制輸入模板進(jìn)人工控機(jī)；工控機(jī)通過多路控制輸出模板控制輸出負(fù)載變化。
(4)拖架移動(dòng)采用閉環(huán)控制。
四、軟件組成
1．控制軟件總體結(jié)構(gòu)
控制軟件總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 控制軟件總體結(jié)構(gòu)
2．基本功能
(1)自動(dòng)加工模塊 從文件中讀人加工代碼，解釋并執(zhí)行代碼。
(2)程序編輯模塊 加工代碼的編輯。
(3)能量控制模塊 該模塊主要負(fù)責(zé)能量的采集、顯示及和能量模板偏差帶進(jìn)行比較的功能。在加工過程中，如果處于加熱狀態(tài)，則通過A/D轉(zhuǎn)換采集電源的電壓、電流和頻率，并將采樣值換算為功率值，并將該值和能量模板偏差帶進(jìn)行比較。
(4)模板編輯功能 通過采集的能量數(shù)據(jù)曲線，可以編輯上下偏差帶，并將該偏差帶作為模板，或者將已有的模板打開重新修改編輯模板。
(5)手動(dòng)控制模塊 該模塊實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示【機(jī)床，電源】及手動(dòng)參數(shù)的編輯修改。
(6)故障診斷模塊 該模塊實(shí)現(xiàn)故障的自診斷及故障原因的顯示。
3．程序規(guī)定用代碼
M50 零件正轉(zhuǎn)
M51 零件正轉(zhuǎn)停止
M52 加熱啟動(dòng)
M53 加熱停止
M54 淬火水開關(guān)合；G01HS
M55 淬火水開關(guān)閉
M56 外水套開關(guān)合
M57 外水套開關(guān)閉
M58 氣閥開
M59 氣閥閉
M30 程序結(jié)束
F 延時(shí)時(shí)間，單位：0.1s
H 輸出功率控制代碼，單位：kw
S 零件旋轉(zhuǎn)速度，單位：r/min
五、數(shù)控臥式感應(yīng)加熱淬火機(jī)床外型
數(shù)控臥式感應(yīng)加熱淬火機(jī)床外型如圖8所示。
圖8 成套臥式感應(yīng)加熱淬火機(jī)床外型
六、設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)
(1)淬火機(jī)床全封閉結(jié)構(gòu)，解決了濺水問題。
(2)電纜拖鏈的應(yīng)用解決了變壓器長(zhǎng)距離移動(dòng)問題。
(3)振蕩電路中變壓器電容器一體，節(jié)電顯著。
(4)拖架伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位準(zhǔn)確、速度平穩(wěn)。
(5)淬火過程能量控制，淬火質(zhì)量穩(wěn)定。
(6)變功、變速．能夠適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件淬火需要。
(7)指令少，編程容易，使用方便靈活。
(8)自診斷功能，為設(shè)備維修提供極大方便。
(9)機(jī)械結(jié)構(gòu)初次采用了懸掛式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
七、應(yīng)用
數(shù)控中頻臥式淬火機(jī)床研制成功后，與中頻電源、水冷系統(tǒng)、供電系統(tǒng)連機(jī)調(diào)試，2004年1月投人生產(chǎn)使用。截止到目前完成新產(chǎn)品試制、迂回生產(chǎn)汽車零件近百種。3月末前試制零件見下表。
數(shù)控中頻臥式淬火機(jī)床感應(yīng)加熱試驗(yàn)與試制件清單
注：運(yùn)行表明，使用性能穩(wěn)定、淬火質(zhì)量可靠。
八、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益
1．經(jīng)濟(jì)效益
(1)將能量控制和數(shù)控高新技術(shù)結(jié)合控制零件淬火質(zhì)量在國(guó)內(nèi)首開先河，一方面提高淬火質(zhì)量；另一方面在加熱淬火過程中能夠改變功率，可大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)工作中工藝試驗(yàn)周期，保證試制進(jìn)度，確保生產(chǎn)過程中淬火質(zhì)量的穩(wěn)定性。
(2)將淬火變壓器與電熱電容器一體連接且匯流排間隙縮短為2mm，節(jié)電明顯，保守估算，提高效率8％～10％。
2．社會(huì)效益
將感應(yīng)加熱模擬量控制改為數(shù)字量控制，對(duì)電源技術(shù)、淬火機(jī)床控制技術(shù)都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，為趕上世界先進(jìn)水平提供了可能。尤其是保證零件淬火質(zhì)量創(chuàng)造了條件。這項(xiàng)技術(shù)用于通用淬火設(shè)備，如其中部分技術(shù)移植到專用淬火機(jī)床，將有廣闊的發(fā)展空間。
