4.5 感应热处理生产线

4.5.1 族类零件淬火机床和CVJ钟形壳生产线

所谓族类零件，是指结构相似而尺寸不同的零件，例如：驱动轴、转轴等速万向节的钟形壳零件等。族类零件淬火机床能自动或略加调整即能处理同族类零件的淬火。

1.BJ型转轴淬火机床

BJ型转轴淬火机床如图4-79所示，主要用于最多达15种转轴的淬火与回火。该机床是卧式结构，由淬火部分、回火部分，以及传送、装载机构等部分组成。该机床还设有防变形辊子，具有控制工件弯曲变形的功能。

图4-79 BJ型转轴淬火机床（日本高周波热炼公司)

机床主要组成与性能如下：

淬火用电源：300kW，8.5kHz。

回火用电源：67kW，3kHz。

淬火机构：卧式两轴移动扫描淬火。

处理工件长度：300～700mm。

回火机构：卧式单轴同时固定加热。

控制系统：微机控制最多达15种模式的淬火规范，并能打印数据

BJ型转轴淬火机床工作流程见图4-80。从前工序下来的工件通过传送带进入淬火机床，经过磁尺测长，进行机种判别，装载到淬火位置上，进行工件定心或磁尺再次检测。淬火时，由防变形辊子与调节顶尖气缸压力来控制变形淬火后的工件由传送带送到回火部分，升降机和传送装置一一将工件送入多圈的回火感应器中。回火后的工件通过再次冷却转入下一工序。

图4-80 BJ型转轴淬火机床工作流程示意

2.等速万向节钟形壳感应热处理生产线

钟形壳有两个淬火部分，即柄部与内球道两部分，如图4-81所示。

图4-81 钟形壳淬火部分

这个生产线的工作流程（见图4-82）为：工件清洗→内球道淬火与回火柄部外圆与台肩淬火与回火→非破坏性检验（NDT）。内球道淬火采用300kW 10kHz固态电源，柄部外圆与台肩采用600kW、10kHz固态电源。两台固态电源具有独立的频率与功率，可适应多达60余个品种工件的需要。

钟形壳从机加工输送到此生产线经过喷洒清洗剂清洗，清水漂洗和吹干输送到内球道淬火位置。淬火位置是三工位，有三个主轴夹紧组件，感应器位于工件下方，工件由机械手放到气动夹紧的主轴组件上，主轴组件下降，使工件精确地定位在内球道感应器的上方，加热由kW·s能量控制器执行。三个工件内球道逐个淬火后，再逐个进行回火，所用功率较低，加热时间较长，使内球道部得到均匀的回火然后将钟形壳送到柄部外圆加热位置，采用精确的工艺过程监控器，使用装有步进编码定位器的伺服电动机，以保证工件的精确定位。采用红外双色温控仪监控淬火温度，并使用kW·s能量控制器。

图4-82 CVJ钟形壳感应淬火、回火生产线的工作流程

除此以外，生产线还装有一台涡流非破坏检测仪，对每个工件的淬火硬度、深度和区域进行对比检测。将测试数据进行编程，提供作统计过程控制（SPC）资料，从而决定实际控制水平、极限偏差等。

另一种CVJ钟形壳感应淬火、回火生产线组成如图4-83所示。其工作过程是先淬内球道，冷却后再加热柄部，冷却后，钟形壳整体感应回火，再次冷却后，流到下一机加工工序。

图4-83 CVJ钟形壳淬火、回火生产线组成

4.5.2 驱动轴感应淬火生产线

驱动轴有两个淬火部位，即左侧法兰杆部及右侧花键部分，如图4-84所示由于产量大，驱动轴中频感应淬火机床安在生产线上。

图4-84 驱动轴淬火部分

淬火机床为卧式双工位，采用半环形感应器，便于工件进、出料。图4-85为驱动轴淬火机床结构示意图。主要结构为两台中频变压器、两个半环形感应器、主轴箱、尾座、步进链及托起机构，中频电源是100kW、10kHz。

图4-85 驱动轴淬火机床主要结构

两台中频变压器是交替工作的，左位置加热驱动轴的法兰及杆部，右位置加热花键部位。两个半环感应器能毫无阻碍地使托起机构上的驱动轴进入感应器淬火变压器连同感应器能够转角度升降，其下降位置感应器正好包住工件，进行加热；上升位置则是喷液器针对着加热工件进行淬火。

驱动轴中频感应淬火过程如下：托起机构V形槽将步进链上的驱动轴上托到位；尾座顶尖动作，将工件顶紧，主轴带动工件回转，左变压器先接通电源工件法兰及杆部加热，到规定温度后断电；左变压器升起，感应器上的喷液器开始喷液；与此同时，右变压器开始接通电源，加热花键部分，到规定温度后断电；右变压器升起，花键部分开始淬火；随后，托起机构的V形槽上升，尾座顶尖松开，驱动轴随V形槽下落到步进链上；步进链动作，前进一步，下一个驱动轴进入V形槽上面位置，驱动轴再升起，如此循环。

在生产线上的驱动轴用控制喷液时间的方法进行自回火。由于下一工序还需机加工磨削，在步进链动作四次后，驱动轴经过第二次冷却到室温。实际自回火时间约4×127s＝508s。驱动轴感应淬火工艺规范见表4-7。

表4-7 驱动轴感应淬火工艺规范

4.5.3 PC钢筋热处理生产线

PC钢筋（prestressed concrete bar）是预应力混凝土钢筋的简称。钢筋表面具有螺纹，与混凝土能良好地附着，钢筋直径为Φ7.1～Φ13.5mm，由低碳钢20Si2Cr等材料经感应淬火、回火而成。感应热处理生产线包括压送机、加热感应圈、淬火室、回火感应圈以及矫直机、切断机等。

PC钢筋感应加热采用中频预热，高频最后加热、淬火，中频回火等过程淬火后的钢筋应达到YB／T111—1997《预应力混凝土用钢棒》及GB／T 5223—2002《预应力混凝土用钢丝》的要求。其抗拉强度一般在1470MPa以上。

PC钢筋处理生产线由于生产量大，因此考核此生产线的优劣，除产品质量外，能耗指标是一个重要方面。日本Neturen公司曾采用过感应电阻加热法，曾报道每吨钢筋能节约160kW·h电。美国应达公司（Inducto Heat Inc.）采用双频加热，其目的也是节能。PC钢筋主要用作PC电杆、基桩、铁筋笼等。日本PC钢筋ULBON形状如图4-86所示。

图4-86 PC钢筋ULBON形状

1.美国钢筋热处理生产线

美国应达公司（Inducto heat Inc.）推荐一套用于处理建筑结构、桥墩、混凝土支柱用的预应力混凝土钢筋的感应淬火、回火系统。此系统也可用于制造其他凹螺纹钢筋、钢丝、圆钢棒。凹螺纹钢筋淬火、回火处理后达到了SBPD110／125和130／145的力学性能。

此系统设计处理Φ6～Φ12mm钢筋，以35m／min移动速度进给。系统采用一台中频逆变器预热，一台固态高频逆变器作淬火前的最后加热，另外一台中频逆变器作回火用。淬火前的加热温度为940～950℃，回火温度为400℃。系统还配有钢筋进给脱空保护，与进给速度相对应的功率控制，循环冷却水泵站和淬火冷却介质循环系统。唯一的一个控制柜把所有的主要操作功能连锁在一起。

PC钢筋感应淬火、回火生产流程如图4-87所示：

钢筋→除黑皮→冷拔→重整→预热（居里点以下）→加热（居里点以上）→淬火→吹干→回火加热→冷却→吹干→卷捆。在卷捆筒前设有一切断机，当卷捆满盘时开动。

图4-87 PC钢筋生产流程示意图

2.国产钢丝、钢筋感应热处理生产线

国内钢丝、钢筋热处理生产线已经历了多年的研制、生产与改进，从凹螺纹预应力管桩钢丝生产线开始，发展到不锈钢丝、低松弛钢丝及钢绞线、弹簧钢丝等多个品种生产线。生产线组成由单线发展为双线；电源配置由晶闸管中频与电子管超音频相结合，发展为晶闸管中频与IGBT晶体管电源相组合，达到能耗降低、生产率提高的目的。表4-8列出了国产各种钢丝生产线的配置。

管桩钢丝热处理生产线，从单线生产发展为双线生产，要解决两根钢丝的负荷温度均匀问题。采用双线生产除提高生产率外，占地面积几乎和单线一样无须扩大厂房；设备投资费与单线比略有增大；经生产单位核算，每吨钢材还能节省50kW·h电能。因此，双线生产具有更广阔的前途。与国际上同类产品比，双线生产具有先进性。

表4-8 各种钢丝生产线的配置（天津金能电力电子有限公司资料

近年来PC钢筋线又有许多改进，其加热过程从两段改进为三段：从室温～400℃用250kW／4kHz，400～720℃用200kW／8kHz，700～1000℃用300kW 80kHz，回火电源用250kW／4kHz。浙江一家公司则用350kW／6kHz预热250kW／20kHz加热，160kW／50kHz稳定加热，160kW／4kHz回火。对于轮胎钢丝（Φ1.8～Φ2.2mm）及较细的弹簧钢丝，我国也开始使用感应加热替代铅浴加热这种有污染的工艺。

图4-88所示为管桩钢丝双线热处理过程示意图。

4.5.4 双频齿轮感应淬火生产线

下面介绍美国TOCCO公司设计制造的一条内齿轮及恒星齿轮的双频感应淬火生产线。

1.内齿轮感应淬火

此生产线内齿轮每次卸下一件，由相对而立的两个气缸操纵。当工件处于1号装料位置，一个接近开关动作，使气动往复杆推工件到淬火工位。此工位有一个可变速度的伺服驱动及垂直扫描的托架。齿轮到达淬火工位，另一个接近开关动作，于是，立式扫描器将内齿轮从往复杆上托起，并把工件放到感应器下面的定向位置。有两个接近开关用作专用的定位指示，如果定错位置，工件即回到往复杆，以便再次装料

图4-88 管桩钢丝双线热处理过程示意图

错位1s，机床即停止运转，与此同时，一个诊断显示屏幕指示出工件不在淬火工位。如果内齿轮定位正确，为工件定向工位所接受，扫描机构将把它送入感应器。一旦感应器位于内齿轮中，中频电源开始进行加热，工件旋转，同时扫描机构使工件下降，使感应器扫描并预热内齿轮的全长。图4-89所示为内齿轮中频预热、高频扫描淬火示意图。

图4-89 内齿轮中频预热高频扫描淬火示意图

中频预热完成后，扫描定位器上升，回到原来位置，电源转换开关转接到高频电源，工件再次旋转下降，将预热过的齿轮用高频进行扫描并淬火淬火后的内齿轮降下到往复杆后，往复杆推工件到回火工位，其定位信号动作与淬火工位相同。回火是一次加热方式，回火时工件是旋转着的。回火功率较小，是在齿轮高频感应淬火的间段时间进行的。

回火工序完成后，齿轮降到往复杆上，推向冷却工位，由喷淋头冷却到装卸温度，然后工件被推向分检工位（合格或剔出）。剔出是由许多检测装置所确定的。如果内齿轮被确定剔出，则装在侧面的一个气动卸料杆将水平地将该齿轮推动，并滑到剔出卸料箱；如果齿轮合格则推到出料箱。

2.恒星齿轮的淬火与回火

此淬火机构动作与内齿轮淬火机床相似，工件是在感应器中进行一次加热的，如图4-90所示。

图4-90 恒星齿轮双频感应淬火示意图

中频预热及高频加热时，工件均是旋转的。高频加热后，淬火冷却介质从组合式感应器中喷出。由于恒星齿轮的结构特点，在它进入回火工位前，必须将附存的淬火冷却介质清除掉。有一个工件轻抖动工位将恒星轮托起呈110°角度，并进行抖动，将附存的淬火冷却介质排除。回火工序使用中频，正好是高频加热此齿轮的时间阶段。回火时工件也转动着，随后回火后的齿轮进入冷却工位。喷淋冷却后，再次轻抖动，除水后进入检验工位，进行合格及剔除分选。

此生产线由两台100kW、10kHz中频固态电源组成，一台用于内齿轮，另一台用于恒星齿轮，高频电源为200kW、450kHz。

3.检测仪表及其控制

扫描速度、加热周期和淬火冷却由程控器（Modicon 984）控制；还有输入及输出卡片、程序设计器（480 Gould）、伺服控制器（410 Gould）、DC电动机控制器用以控制工件回转速度。伺服控制器用以控制扫描速度，故障诊断屏幕显示故障，能量监控器提供真实能量，淬火、回火感应器上均有接地保护。如果工件与感应器相碰，故障会在屏幕显示，机床会停止工作。

4.水冷系统

水冷系统由不锈钢水泵、板式换热器、浮子式开关、水温监测器、自动调温阀等组成。