目前，國際上汽車生產(chǎn)所采用的感應淬火設備正逐步向柔性化程度發(fā)展。通用淬火機床更加通用，功能更加完善。具有代表性的日本DKK、西班牙GH、德國 AEG、跨國公司的EFD產(chǎn)品應用十分廣泛。它們的共同特點是，在一臺淬火機床口可對不同性能要求的不同零件進行感應加熱淬火，甚至同一零件多段變功變速也能達到；采用計算機控制技術(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)應用十分活躍并日漸成熟；計算機控制成為控制主流，主驅(qū)動采用交流伺服電機拖動，移動速度穩(wěn)定均勻、定位準確、重復精度高；零件旋轉(zhuǎn)采用變頻調(diào)速，能適應多方面工藝要求；代表機械傳動技術(shù)的滾珠絲杠和直線導軌等先進技術(shù)被大量采用；配套成龍的電源、淬火機床、冷卻系統(tǒng)的感應加熱淬火裝置已屢見不鮮。
自改革外放以來，一汽集團公司雖然引進了多臺感應淬火設備，但汽車生產(chǎn)中應用最多的通用試驗設備仍是低層次的PLC控制的淬火機床。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)進度，彌補通用淬火機床功能不足，在消化理解國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過兩年的刻苦攻關(guān)，集團公司采用數(shù)控和能量控制技術(shù)研制成功并直接應用于生產(chǎn)的通用多功能臥式數(shù)控淬火機床，技術(shù)性能國內(nèi)領(lǐng)先、功能接近20世紀末期從GH公司引進沒備水平。半年多運行表明，性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。
一、臥式數(shù)控淬火設備組成
淬火設備有別于其他冷加工設備，由供電電源、淬火機床、冷卻系統(tǒng)和淬火系統(tǒng)組成，缺一不可。臥式數(shù)控淬火設備組成如圖1所示。
圖1 臥式數(shù)控淬火設備組成
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提供零件淬火時所需要的水源；BPT用于冷卻變壓器、電容器、感應器用電源等。
二、淬火機床結(jié)構(gòu)特點
淬火機床采用懸掛結(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 臥式淬火機床結(jié)構(gòu)簡圖
淬火機床為臥式全封閉結(jié)構(gòu)。前后頂尖用于夾持零件，被零件旋轉(zhuǎn)電機帶動旋轉(zhuǎn)；被加熱零件、感應器、變壓器組成諧振電路的電感支路，感應器接在變壓器次級，變壓器初級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，在伺服電機的帶動下連同變壓器、電容器一起前后移動，旋轉(zhuǎn)電機由變頻器控制，伺服電機由伺服驅(qū)動器驅(qū)動，中頻電源輸出能量的大小均由工控機控制，可完成手動、半自動操作。
手動操作包括：機械動作調(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始地實現(xiàn)感應加熱淬火。
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，當電壓變化±5％，功率在±10％的范圍內(nèi)變動。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的面積也會足夠小(見圖4和圖5)。這一點從數(shù)學分析也可以得到驗證。因為 Pg=f(tg)，Wg=f(tg)的函數(shù)關(guān)系是一一對應的。工件加熱過程中，由于某種原因瞬時功率變大時，根據(jù)某一規(guī)律加熱時間減少；反之，時問加長。在控制系統(tǒng)中把累計近似能量積分值控制在EFGH偏差帶內(nèi)，就達到了控制能量的目的。當然，對于不同工件可以設置不同偏差帶，或同一工件根據(jù)不同質(zhì)量要求也可以設置不同偏差帶，也就是說，設置的偏差帶越小，獲得的產(chǎn)品質(zhì)量越高。
圖4 Pg=f(tg)變化曲線
注：Pg——瞬時功率沒定值，kW；
Pg±△Pg——瞬時功率變化偏差帶，kW
tg——加熱時間沒定值，s；
tg±△tg——加熱時間設定偏差帶，s。
圖5 Wg=f(tg)變化曲線
注：Wg——能量設定值，kW.s；
Wg=f(tg)——能量設定偏差帶，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，由信號檢測、開天元件、伺服功率驅(qū)動器、交流伺服電機、變頻器、交流電機及工業(yè)控制機等組成。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、頻率模擬信號從品閘管中頻電源引出，他們通過A/D轉(zhuǎn)換摸板變成標準的0～10v電壓信號，直接送人工控機。
(2)工藝參數(shù)諸如工件不同部位所需功率大小、加熱淬火時間、零件轉(zhuǎn)速多少、感應器所處準確位置等均以代碼形式由工控機鍵盤設定。
(3)輸入開關(guān)量信號通過多路控制輸入模板進人工控機；工控機通過多路控制輸出模板控制輸出負載變化。
(4)拖架移動采用閉環(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 該模塊主要負責能量的采集、顯示及和能量模板偏差帶進行比較的功能。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)手動控制模塊 該模塊實現(xiàn)狀態(tài)顯示【機床，電源】及手動參數(shù)的編輯修改。
(6)故障診斷模塊 該模塊實現(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
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 延時時間，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)控臥式感應加熱淬火機床外型
數(shù)控臥式感應加熱淬火機床外型如圖8所示。
圖8 成套臥式感應加熱淬火機床外型
六、設備創(chuàng)新點
(1)淬火機床全封閉結(jié)構(gòu)，解決了濺水問題。
(2)電纜拖鏈的應用解決了變壓器長距離移動問題。
(3)振蕩電路中變壓器電容器一體，節(jié)電顯著。
(4)拖架伺服電機驅(qū)動，定位準確、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．能夠適應各種結(jié)構(gòu)復雜零件淬火需要。
(7)指令少，編程容易，使用方便靈活。
(8)自診斷功能，為設備維修提供極大方便。
(9)機械結(jié)構(gòu)初次采用了懸掛式運動機構(gòu)。
七、應用
數(shù)控中頻臥式淬火機床研制成功后，與中頻電源、水冷系統(tǒng)、供電系統(tǒng)連機調(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)控中頻臥式淬火機床感應加熱試驗與試制件清單
注：運行表明，使用性能穩(wěn)定、淬火質(zhì)量可靠。
八、經(jīng)濟效益與社會效益
1．經(jīng)濟效益
(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)工作中工藝試驗周期，保證試制進度，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．社會效益
將感應加熱模擬量控制改為數(shù)字量控制，對電源技術(shù)、淬火機床控制技術(shù)都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，為趕上世界先進水平提供了可能。尤其是保證零件淬火質(zhì)量創(chuàng)造了條件。這項技術(shù)用于通用淬火設備，如其中部分技術(shù)移植到專用淬火機床，將有廣闊的發(fā)展空間。
