高云婷，李攀峰

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450007）

滾動式鋼球淬火系統(tǒng)設(shè)計

高云婷，李攀峰

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450007）

1 概述

鋼球主要用來制造軸承和粉碎物料等，有著較廣泛的用途。鋼球一般采用鑄造或者由鋼錠鍛造的方式生產(chǎn)。生產(chǎn)過程中，鋼球的淬火處理往往是其生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝之一。鋼球的淬火處理一般采用把常溫的鋼球重新加熱快速冷卻的方式進(jìn)行。重新加熱淬火時，淬火溫度容易控制，鋼球的部分碳化物溶解，碳向基體擴(kuò)散，可以有效地提高鋼球的表面硬度。傳統(tǒng)粗放式生產(chǎn)方式常采用對一批（筐）鋼球進(jìn)行整體加熱后一起倒入水中冷卻的方式進(jìn)行。這雖然方便了生產(chǎn)，但是由于同一批次鋼球存在加熱不均勻，淬火溫度不一致等原因，造成其表面硬度難以控制到最佳，且不同鋼球之間表面硬度一致性差。

采用滾動式鋼球加熱淬火的生產(chǎn)方式可實現(xiàn)對每個鋼球的生產(chǎn)過程進(jìn)行準(zhǔn)確控制，實現(xiàn)精細(xì)生產(chǎn)。

2 滾動式鋼球加熱淬火系統(tǒng)組成

滾動式鋼球加熱淬火的生產(chǎn)工藝如圖1所示。常溫的鋼球送入加熱爐中均勻加熱到930℃左右，然后進(jìn)入溫度分揀裝置逐個進(jìn)行溫度檢測。當(dāng)溫度下降到830℃左右時，將其送入恒溫的淬火池中淬火，然后由鋼球打撈機構(gòu)將其撈出淬火池實行裝箱做業(yè)。

圖1 滾動式鋼球加熱淬火的生產(chǎn)工藝流程

2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

加熱爐采用煤氣火焰加熱的方式，對鋼球進(jìn)行加熱。將爐膛分為鋼球預(yù)熱區(qū)和鋼球加熱區(qū)以及鋼球出爐區(qū)三個部分。鋼球預(yù)熱區(qū)由1#電動閥調(diào)節(jié)煤氣管道的進(jìn)氣量，將預(yù)熱區(qū)的溫度控制在400℃左右，設(shè)計的預(yù)熱的區(qū)域能夠?qū)︿撉蜻M(jìn)行充分的預(yù)熱。鋼球加熱區(qū)的溫度由2#電動閥調(diào)節(jié)，將該區(qū)域的溫度控制在930℃左右。鋼球從入口進(jìn)入加熱爐后，緩慢從預(yù)熱區(qū)滾動進(jìn)入加熱區(qū)的過程中溫度逐步上生。鋼球在加熱爐內(nèi)的滾動速度由位于加熱爐末端的出球滾筒控制。滾筒轉(zhuǎn)動的速度快，出球速度快，爐內(nèi)鋼球的移動速度也加快，反之亦然。出球滾筒由一臺由變頻器控制的三相異步電動機驅(qū)動，滾筒的軸端安裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，實時對滾筒轉(zhuǎn)速實時檢測。

圖2 滾動式鋼球淬火系統(tǒng)組成

如圖3所示，鋼球被加熱充分后由出球滾筒帶動加熱爐內(nèi)滾道中呈線形排列的高溫鋼球，逐個滾入預(yù)設(shè)“V型”傾斜滾道中，呈線性排列。滾動過程中鋼球表面脫落的氧化物或者其他雜質(zhì)落入滾道底部，并從滾道底部排出。

圖3 鋼球出爐裝置及“V型”滾道示意圖

2.2 鋼球溫度分揀

在“V型”滾道的另一端設(shè)置了鋼球溫度自動分揀裝置，在這里鋼球的表面溫度被遠(yuǎn)紅外測溫儀逐一測量。

鋼球分撿裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。翻轉(zhuǎn)臺同樣也為“V型”槽設(shè)計，且同“V型”滾道同方向放置，這樣當(dāng)鋼球沿“V型”滾道進(jìn)入翻轉(zhuǎn)臺后，受到翻轉(zhuǎn)臺上垂直于滾道方向的擋板阻擋，停止在翻轉(zhuǎn)臺上。這時，位于翻轉(zhuǎn)臺上的鋼球位置檢測機構(gòu)將檢測到的鋼球到位開關(guān)信號傳遞給電氣控制系統(tǒng)，啟動圖2中所示的遠(yuǎn)紅外測溫儀工作。當(dāng)鋼球表面的溫度符合淬火溫度設(shè)定時，翻轉(zhuǎn)臺在一個氣缸的推動下，繞翻轉(zhuǎn)臺的軸線向分揀滾道側(cè)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)翻轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度大于其“V型”槽的傾斜角時，鋼球落入分揀滾道中，并沿圖4所示的滾動方向落入淬火池中淬火。

當(dāng)鋼球的溫度低于設(shè)定的溫度時，翻轉(zhuǎn)臺同樣執(zhí)行上面的動作，同時分揀滾道在另一個2#氣缸的作用下繞圖4所示的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向另一側(cè)，如圖5所示。這樣低溫鋼球就沿分揀滾道進(jìn)入不合格產(chǎn)品區(qū)域。

對翻轉(zhuǎn)臺上的擋板工作時的說明如圖6所示。當(dāng)鋼球1、鋼球2和鋼球3一起沿傾斜從圖示位置沿滾道撞向擋板時，球1和球2的接觸點分別為A和B。當(dāng)球1開始滾動時，A點和B點的滾動方向相反，F(xiàn)BA和FAB分別阻礙A球和B球的運動。所以，當(dāng)多球一起同方向滾動時，各球之間必然存在間隙，相互獨立運動。當(dāng)多個球一起向下滾動，撞向擋板時，擋板受到的撞擊力F撞如圖6所示。以Φ140mm約6kg左右的鋼球來做試驗，測得當(dāng)傾斜角θ為5度時，鋼球運動距離為4米時，對擋板的沖擊力約為200N左右。在設(shè)計反轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)時，適當(dāng)?shù)脑黾訐醢宓暮穸群头D(zhuǎn)臺機構(gòu)軸承的直徑，完全能夠承受鋼球的沖擊作用。

圖4 鋼球分揀裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 低溫鋼球分揀動作示意圖

圖6 擋板工作受力分析

2.3 鋼球淬火

如圖2所示，淬火池中，鋼球淬火滾筒采用半浸式設(shè)計。滾筒內(nèi)部設(shè)計有螺旋狀鋼球滾道，且滾筒的軸線與水平線有一定的傾斜角度，其底部浸入水中。滾筒同樣由另外一臺受變頻器控制的三相異步電動機驅(qū)動。工作時，鋼球從分揀滾道進(jìn)入旋轉(zhuǎn)的滾筒后，鋼球始終位于滾筒的底部浸入水中，沿滾筒的傾斜方向從淬火池一端移動到另一端。在淬火池的出球側(cè)設(shè)置了“斗式”鋼球打撈裝置，將完成淬火的鋼球撈出淬火池，送入鋼球分裝箱中。鋼球的淬火池停留的時間由淬火滾筒的滾動速度決定。

另外，淬火池設(shè)進(jìn)水口和出水口，采用溫度傳感器對水溫進(jìn)行實時測量，測得的信息送到電氣控制系統(tǒng)，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，系統(tǒng)打開水泵向淬火池中注入冷水。

3 電氣控制系統(tǒng)

如圖7所示，整個系統(tǒng)采用西門子S7-200 CPU226型PLC為主控制器，擴(kuò)展一個EM231CN模擬輸入量模塊和2個EM232CN模擬輸出量模塊。CPU226帶有24個輸入和/16輸出數(shù)字量模塊，擴(kuò)展的EM231CN具有4個模擬量輸入端口，EM232CN具有2個模擬量輸出端口，完全滿足了系統(tǒng)的要求。選用西門子TP170B COLOR觸摸屏，用來實現(xiàn)人機交互數(shù)據(jù)記錄等功能，它采用66MHz，32位的RISC處理器，16色彩色STN屏幕，提供320*240像素，使用專用組態(tài)工具Wincc flexible進(jìn)行組態(tài)。

圖7 電氣系統(tǒng)組成

采用熱電偶實時檢測加熱爐爐膛溫度，溫度信號經(jīng)變送器調(diào)理成0～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，經(jīng)EM231CN模塊的輸入端送入主控制器處理。同理，采用熱敏電阻Cu50實時檢測淬火池的水溫，采用遠(yuǎn)紅外測溫儀檢測翻轉(zhuǎn)臺上的待淬火鋼球的表面溫度，并通過EM231CN送入主控制器處理。擴(kuò)展的2個EM232模塊用來實現(xiàn)對控制加熱爐出球滾筒和淬火池淬火滾筒的變頻器以及煤氣管道電動調(diào)節(jié)閥門的控制。

PLC各控制端口的接線如圖8所示。PLC程序采用主程序+子程序的模塊化程序設(shè)計，主程序采用無條件（SM0.0）調(diào)用子程序的方式進(jìn)行。主要的子程序模塊有急停子程序、加熱爐控制子程序、分揀裝置控制程序、淬火池控制子程序、模擬量輸入處理子程序、模擬量輸出處理子程序。

圖8 PLC接口連接

遠(yuǎn)紅外測溫儀采用德國OPTRIS CT型測溫儀，可測溫度范圍為-40℃到900℃，滿足檢測要求。測量時，采用活動支架將其置于距鋼球1.5m左右的距離，調(diào)整測溫儀的鏡頭盡可能的沿鋼球的法線方向布置，保持鋼球表面被測點的直徑約為15mm左右。設(shè)置測溫儀采用取測溫區(qū)域最大值的溫度信號處理方式，可有效的避免因鋼球表面的氧化斑點造成的測量誤差。

另外，發(fā)射率是影響遠(yuǎn)紅外測溫儀測量精度的重要因素之一，影響發(fā)射率的主要因素有物體的材料、被測表面質(zhì)量、測量環(huán)境的空氣質(zhì)量等。系統(tǒng)調(diào)試時采用精確的熱電偶與遠(yuǎn)紅外測溫儀比對的方式進(jìn)行測溫儀發(fā)射率的調(diào)整。實驗結(jié)果顯示，測量鍛造鋼球或者鑄造鋼球時，發(fā)射率設(shè)定為0.80～0.87左右遠(yuǎn)紅外測溫儀的測量結(jié)果較準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)已經(jīng)獲得國家多項專利，專利號為：ZL200710054960（發(fā)明專利）、Zl200720091479.X（實用新型專利）。

滾動式鋼球加熱淬火系統(tǒng)在多家企業(yè)的長期應(yīng)用表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動化程度高，可對鋼球的熱處理生產(chǎn)過程中鋼球加熱時間、鋼球加熱的均勻性、鋼球入水前的表面溫度、淬火池的水溫等關(guān)鍵因素進(jìn)行精確的控制，還可根據(jù)鋼球的材質(zhì)等因素靈活柔性的調(diào)節(jié)淬火工藝，克服了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的缺陷，保證了鋼球最佳的淬火效果和批量生產(chǎn)時質(zhì)量的高度一致性。

[1]高云婷, 等. 基于遠(yuǎn)紅外測溫儀的鋼球淬火溫度控制系統(tǒng)[J],昆明冶金高等?？茖W(xué)校, 2005(01).

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Steel ball rolling quenching system design

GAO Yun-ting, LI Pan-feng

鋼球廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的多個領(lǐng)域，鋼球的淬火處理是保證鋼球質(zhì)量的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝之一。在研究了滾動式鋼球淬火工藝的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了滾動式鋼球淬火系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，重點對滾鋼球動式加熱、淬火溫度分揀、淬火和鋼球自動打撈等子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理等進(jìn)行了介紹，最后對系統(tǒng)的優(yōu)點及調(diào)試過程遇到的問題做了總結(jié)。

鋼球淬火；分揀；紅外測溫儀；PLC

高云婷（1977－），女，河南平頂山人，講師，碩士，主要從事自動化技術(shù)的教學(xué)和研究工作。

TP181

B

1009-0134(2011)4(下)-0120-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).35

2010-11-16