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    看過來!現代感應熱處理加工的特征
    時間:2020-03-18  來源:內部

    一個零件從毛坯開始制造出來我們知道需要經過一系列加工過程,比如坯料的車、銑、磨等,當然也包括熱處理。這些過程中前者被稱作冷加工,后者被稱作熱加工。冷加工過程控制目標是單件的物理量,比如幾何尺寸,精度等。這些都容易測量甚至在線監測。隨著現代數字化技術的發展,自動化程度的大幅提高,如今冷加工的生產效率和質量穩定性得到了充分地發揮,具有鮮明的現代特征。

    而熱處理熱加工則是利用材料在一定溫度下組織和形態的變化從而達到性能的改善,比如強度、韌性等。這些目標一般不能在線監測,而且組織變化一般和材料成分,反應溫度、時間等過程相關,因此,熱處理加工有多種工藝模式是采用加熱爐進行的比如整體的淬火回火處理、滲碳淬火、氮化等,它是針對一批零件進行一次加工,和冷加工相差很大。

    但也有針對單個零件進行的熱處理工藝,比如感應熱處理等。它快速,高效,節能,少污染的綠色加工方法,而且易于和冷加工組成生產線。因此,現代感應熱處理必然具有和冷加工相似的一些現代特征。

    1.生產組織

    現代企業生產管理追求的目標是效率和效益?,F代感應熱處理生產也是以一定批量的零件,依據自動化系統,經過科學組織,從而實現效率和效益的。

    首先要求生產綱領,即是加工批量的目標和允許的加工工時目標。比如一個產品,年生產綱領是100萬件,年工作時間是250天,每天1班,每班8h工作,則每件產品允許的生產節拍理論值為(250×1×8×3600)/1000000 = 7.2s/件。實際上,生產中一般預留出設備維護,生產準備,操作人員更替,機器故障及廢品等非生產性時間消耗,折算為設備的開工率,比如95%,則每件產品的允許節拍需求為6.84s/件。

    根據以上生產綱領,進行設備配置和生產組織。如果所配置的設備節拍小于6.84s/件,則在一班制情況下一臺設備即可滿足生產;如果所配置的設備節拍大于6.84s/件,則可考慮延長工作時間比如采用每天2班制或3班制;或增加設備數量或工位數,由一臺增加到兩臺設備加工或兩個工位同時加工。

    由于感應熱處理效率高,特別是有些感應熱處理設備和冷加工并線生產,因此,車間的物流系統對感應淬火設備也提出了相應要求。自動上料機、機械手、機器人等現代化的物流單元也出現在感應熱處理系統中,并且和機床的控制系統通過標準數據接口實現聯鎖。圖1為某車間感應淬火現場,包括轉移龍門式機械手,通過一個共線的機械手轉移工件。

    2.自動化感應淬火機床,柔性加工中心

    感應熱處理是通過感應器和工件表面的電磁感應實現加熱并輔以適當的冷卻來完成的。加工過程需要感應器相對工件定位、掃描移動等,其中工件也需要旋轉,分度等相應的動作。數控技術的應用,使得感應熱處理機床可以和冷加工機床一樣實現工藝過程自動化。

    和冷加工柔性加工中心一樣,感應熱處理機床不僅可以進行單一工序加工,也可以進行多工序組合加工。比如有些感應熱處理系統,一次裝卡完成淬火、回火的復合加工;也有些感應熱處理系統可以完成一個零件多部位的淬火、回火加工;甚至在加工過程中對零件掉頭裝卡,翻面淬火等,圖2為汽車平衡軸零件和它的感應熱處理設備。該零件需要對多個臺階軸徑進行淬火回火,由于截面變化大,該系統采用了1個雙工感應器對其不同軸頸淬火,一個感應器對其齒輪表面淬火,1個感應器對整個零件進行回火。和冷加工不同的是,所組合的不同加工工序不是由自動換刀來完成,而是通過轉移到不同工位進行處理。整個系統集合3臺高頻電源,通過PLC控制完成。

    要采用自動化淬火機床進行加工,則必須具備:機床具有高的可靠性;機床具有高的位置精度和運動精度;刀具(工藝工具)精度高互換性好;加工工藝預先確定。

    感應熱處理自動化系統由于工況和加工模式的不同,較之有更多的要求:

    (1)由于淬火需要加熱和冷卻,因此工作區域有水、淬火液、蒸汽、電磁等污染。機床的可靠性設計要考慮這些因素,所采用的結構及部件材料應避免或不受這些污染的損害。

    (2)加工所采用的“刀具”不僅包括感應器也包括淬火器。國外一般叫做工藝工具(process tools)。和冷加工刀具一樣,這一般由專業廠家定制。工藝工具要有重復裝配精度,滿足快速裝卡的要求。

    (3)加工工藝的預先確定意味著預先的工藝開發過程必須將零件材料、尺寸精度、感應器幾何尺寸及精度、供電參數、冷卻參數和正確的熱處理結果相對應固定。

    (4)因此,機床的可靠性不僅表現為結構及運動的可靠性和精度,而且包括電源及負載、冷卻及淬火噴淋系統的可控性和可靠性。

    這里需要提醒我們注意的是,我們國內生產的產品與國際上先進的同類設備的主要差距就是對這些特征問題沒有解決好。比如工藝工具,我們常常僅想到感應器,沒有提到“刀具”的精度和可靠性上來認識,專業化程度不夠。國產“感應器伴侶”為感應熱處理工藝工具的高精度、互換性的專業化提供了幫助(見圖3)。

    3.數字化質量控制系統,遠程監測

    現代化加工的高效和批量化要求質量控制更全面,更及時,更貼近加工過程,因為任何質量事故不及時發現和處理都會造成批量化的報廢,損失被放大。而控制點的增多又不影響效率,這得益于數字化質量控制系統。

    現代化感應熱處理的數字化質量控制系統從物流的開始已經被植入。包括工件的辨識,計數,設備及“工藝工具”的確認以及生產成品、標識、能耗統計等,在線監測和記錄,允許在線或離線數據調用。

    機床系統的在線質量控制除了冷加工數控機床用到的基本功能外,還包括感應熱處理加熱和冷卻的工藝參數監測和記錄。這就要求電源具備數字化控制接口,溫度、流量等介質數據采用數字儀表。感應熱處理的工藝預制即是把這些質量控制信號和允許的波動區間通過程序設定在系統內,形成質量控制包,見圖4,動作參數和工藝參數都被記錄下來。

    隨著網絡的普遍采用,這些質量控制包的實時數據可以通過遠程調取和記錄,不僅便于上級數據管理系統的質量追蹤,當機器出現故障時,還能夠通過遠程專家進行診斷和數據恢復,大大的減少了停機時間,提高了設備利用率。

    4.工藝可靠性好,替代(滲碳,氮化等)多種常規熱處理工藝

    多數熱處理工藝采用加熱爐進行,熱處理工藝模式一般時間長,常采用離線加工,因此和現代冷加工的生產模式差異很大。傳統上,感應熱處理由于可以對單個零件進行局部加工因而被認為是常規熱處理的補充手段,僅對于不太重要的零件或者批量很小的零件采用該工藝方法,而且由于各種原因造成的工藝可靠性、重復性差,從而導致應用面窄,效益差。

    現代感應熱處理由于工藝可靠性的提高,承載能力被設計人員確認,因而在越來越多的場合替代滲碳淬火、氮化等主流工藝,取得了效率、效益的雙重收獲。不僅在汽車等中小載荷的條件下,而且在一些風電、機車等重載領域應用。比如,我國某企業生產的風電大直徑齒輪產品,模數10~26,直徑2000~3500mm,原來全部采用滲碳淬火以及氮化工藝,后改為感應熱處理后效率顯著提高,材料成本和加工成本都顯著降低,效益很好。

    5.結語

    感應熱處理的快速,高效,節能,少污染的優勢,在現代技術條件下真正發揮出來了。我國不少外資企業和少數優質內資企業,由于直接采用國外的現代感應熱處理裝備因而取得了效益和效率的益處。國產感應熱處理設備這些年也在自動化程度上取得了長足進展,但在可靠性和工藝穩定性上和國際水平還有一定差距,只有補齊了這些差距,相信感應熱處理工藝還會得到廣泛的應用。

    keyword:熱處理加工

    文章來源:http://www.evolution-war.com/

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