CN104611538B - 应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺及其使用设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺，其采取上料—感应加热—喷淋冷却—下料—淬火硬度检验—回火—冷却—硬度检验—机械性能分析工艺流程，本发明所使用的设备是在机床工位上设转盘，转盘上设定位盘，定位盘上放置工件，在工件的外周设感应线圈，感应线圈的外周设带多个进水管的喷水板，工件上部设起夹紧作用的上顶尖。本发明的工艺节能，高效，环保，便于控制，易实现自动化热处理，可使车用轴头热处理后获得良好的综合机械性能，并使每批产品各工件能保持较高的一致性。

Description

应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺及其使用设备

技术领域

本发明涉及金属材料热处理工艺，具体涉及一种应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺及其使用设备。

背景技术

车用轴头一般为金属阶梯轴，有实心、中空变截面和半中空变截面等结构形式，位于车轴的两端用来支承转动工件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩，是汽车上典型的受疲劳作用力影响的保安件，在汽车行驶过程中承受路况原因引起的剧烈变动的随机载荷，其性能优劣直接影响行车安全可靠性，因此要求产品具有较高的强度和耐磨损性。

车用轴头通常采用合金结构钢制造，需要满足的基本条件为：调质硬度280—320HB，抗拉强度不低于750MPa，屈服强度650MPa，断后伸长率不低于16%。传统的热处理工艺为：电阻炉加热—保温（180—210分钟）—淬火冷却—回火加热—冷却。首先产品在额定功率120KW的台车式电阻加热炉里升温到860℃，恒温保温2.5小时，以使内部组织全部奥氏体化；然后利用专用工装，人工操作天车，吊起产品侵入淬火液介质中进行冷却，使其内部金属组织转变为马氏体，从而获得产品所需的硬度及其机械性能，这种工艺处理出的产品虽然满足了各项性能指标要求，但产品生产周期长、能耗大，工人劳动强度大，工作环境相对恶劣，最重要的是受制于人为因素影响产品的质量因素太多，容易产生产品性能一致性不佳、质量不稳定的情况。主要问题如下：

1.工件出炉到进入冷却槽有一定的时间节拍，工件形状原因使局部温度降到低于Ar3临界点，得不到完全的淬火组织；

2.工件装炉量和工件在炉内摆放会造成加热不均匀，导致硬度不匀；

3.入水时，工件在料筐中距离过密使近处蒸气膜破裂受阻，造成工件接近面硬度偏低；

4.每炉红料不可能一口气淬完，炉温下降会导致先后出炉工件淬后硬度不一致；

5.冷却液重复使用，难免存在油污、泥浆等杂质，也会有冷却液升温的情况，会出现硬度不足或不均匀现象；

6.加热、保温时间长，氧化脱碳严重，晶粒粗大，影响淬火质量，而且造成能源浪费，生产效率低下，产品制造成本过高。

由于人为控制因素的不精确性和随机性，上述问题不可避免地出现在实际热处理生产过程中，导致产品使用可靠性和抗疲劳寿命较低，难以满足长时间在公路上高速行驶的汽车的行车安全性，也不适合能源危机日趋严重的社会现状。所以发明一种节能高效环保、易实现自动化的热处理工艺对我国工业发展有着积极的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计一种应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺，该工艺节能，高效，环保，便于控制，易实现自动化热处理，可使车用轴头热处理后获得良好的综合机械性能，并使每批产品各工件能保持较高的一致性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺，采取以下工艺流程：

上料—感应加热—喷淋冷却—下料—淬火硬度检验—回火—冷却—硬度检验—机械性能分析，其中：

上料：用一台工业机器人完成安装工件；

感应加热：利用中频感应淬火机床辅以专用工装加热工件到900℃±10℃；

喷淋冷却：在原工位喷淋淬火3—5分钟，水温恒定在25—30℃ 之间，冷却水压力达到0.3-0.6MPa；

下料：由上料所使用的工业机器人完成卸载工件；

淬火硬度检验：利用硬度计抽检淬火硬度，硬度≥50HRC合格转序；

回火：抽检淬火硬度≥50HRC者集中回火，回火温度520℃－580℃，保温时间180—210分钟；

冷却：在原工位喷淋淬火3—5分钟，水温恒定在25—30℃ 之间，冷却水压力达到0.3-0.6MPa；

硬度检验：利用硬度计检测调质硬度，硬度280—320HB合格；

机械性能分析：调质硬度在280—320HB之间，抗拉强度不低于750MPa，屈服强度不低于650MPa，断后伸长率不低于16%为合格产品。

本发明应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺所使用的设备是在机床工位上设转盘，转盘上设定位盘，定位盘上放置工件，在工件的外周设感应线圈，感应线圈的外周设带多个进水管的喷水板，工件上部设起夹紧作用的上顶尖。

本发明采用上述技术方案所设计的应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺，与目前普通的热处理工艺相比，采用中频感应加热速度快，原材料烧损率降低1.5%以上，加热效率由40%提高到65%-70%，能耗降低25%以上；采用双电源控制分体仿形线圈，温控精度高，加热均匀，工件芯表温差小，质量稳定，工件之间温差小，产品性能一致性高；采用双向喷水板斜上45°喷淋冷却，能够使工件充分均匀冷却，获得均匀的组织和力学性能，防止淬火变形及裂纹的产生。此外，本发明工艺易实现自动化，使用机器人操作，无人化生产，人工减员四分之三，减少了人为因素造成的产品质量问题，可实现零工伤。

附图说明

图1表示本发明工艺流程示意图；

图2表示本发明单主轴结构数控感应加热机床的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺作具体说明。

本发明应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺所使用的单主轴结构数控感应加热机床，其结构是在机床工位上设转盘7，转盘7上设定位盘6，定位盘6上放置工件4，在工件4的外周设感应线圈，感应线圈分为两部分，分别为感应线圈2和感应线圈5，感应线圈的外周设带多个进水管8的喷水板3，9，工件4上部设起夹紧作用的上顶尖1。

本发明一种应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺，采取以下工艺流程：

上料—感应加热—喷淋冷却—下料—淬火硬度检验—回火—冷却—硬度检验—机械性能分析。

上料：人工将装满有序工件的专用料筐和空料筐分别放至料筐输送机构，进料机构自动进入设定位置，根据产品类型设定设备控制面板中各工艺参数，现以20Mn2中空变截面轴头为例，打开设备推拉门，机器人抓取工件4放置到机床工位定位盘6上，升降机构启动，带动工件4上升至感应线圈2、5的位置，上顶尖1下落夹紧，关闭推拉门；工件旋转指令开启，转盘7转动，带动定位盘6上的工件4旋转，上顶尖1固定工件随之作从动旋转；

感应加热：中频电源指令启动，感应线圈2、5加热工件，本步骤利用中频感应淬火机床辅以专用工装加热工件到900℃±10℃；在本步骤中，配置两套晶体管电源同时对工件进行加热，电源的频率、功率分别依据工件上下部分不同的几何结构参数单独匹配调整，使之负载匹配处于最佳状态，保证中空变截面轴头工件的各个部位透热均匀。

喷淋冷却：当到达设定温度后，停止加热，冷却系统启动，冷却液通过进水管8至喷水板3，9，喷液冷却，喷淬压力不小于0.3Mpa；在原工位喷淋淬火3—5分钟，水温恒定在25—30℃之间，冷却水压力达到0.3-0.6MPa。由于喷液冷却时间较长，设备配置两个冷却工位在满足生产节拍前提下保证工件彻底冷却。喷液装置采用平板型，板上出液孔与工件轴心线呈45°方向朝上，水箱安装有电加热系统和冷却系统，使水温恒定在25—30℃ 之间，保证淬火工艺的稳定性。冷却水系统设置增压泵，保证感应器冷却水压力达到0.3-0.6MPa。淬火液循环冷却系统拥有双液切换功能，用以满足不同材质工件对淬火液的不同要求。

下料：冷却结束，工件4停止旋转，升降机构启动，带动工件4下降至原始位置，推拉门打开，上顶尖1提升，机器人将工件4取出放至料筐，完成下料；

淬火硬度检验：利用便携式硬度计抽检淬火硬度，硬度≥50HRC合格转序；循环重复上述步骤，完成整批工件淬火；

回火：淬火完毕后，抽检淬火硬度≥50HRC者集中回火，机器人卸料到送回火炉输送链回火，回火温度520℃－580℃，保温时间180—210分钟；

冷却：在原工位喷淋淬火3—5分钟，水温恒定在25—30℃ 之间，冷却水压力达到0.3-0.6MPa；

硬度检验：挑选硬度最高和最低的工件，截取最能代表工件性能的部位制作试样进行性能试验。用砂轮机在产品中部外圆磨平面不小于10mm×10mm，粗糙度不大于Ra3.2，用布氏硬度计检测工件调质硬度，硬度280—320HB合格；

机械性能分析：调质硬度在280—320HB之间，抗拉强度不低于750MPa，屈服强度不低于650MPa，断后伸长率不低于16%为合格产品。

本发明的工艺设备采用单主轴结构数控感应加热机床，每次处理一个工件，整个工艺过程连续进行。淬火机床的工位可实现轴向移动，实现工件的轴向定位，工件的旋转由安装在床头的伺服电机控制，旋转速度可在触摸屏上设定。

本发明的专用工装，仿形感应加热线圈根据产品形状制作成两部分开放式分体线圈，线圈在工位上位置固定，与卡紧后的工件各部位保持均匀的距离，可得到最大的能量转换。

本发明淬火机床控制采用PLC 实现，实现轴管的定位、旋转、加热、喷淋、喷液计时等，工艺参数通过计算机输入，工艺参数可以实时显示并记录。

本发明在保证工艺生产需要的情况下，能够最经济地使用各种能源介质，将现阶段资源高消耗和环境高污染的耗能制造，转变为资源节约型和环境友好型的绿色制造，降低了生产成本和对环境的负面影响，实现了企业的经济效益和社会效益协调优化。

Claims (4)

1.一种应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺，其特征是采取以下工艺流程：

上料—感应加热—喷淋冷却—下料—淬火硬度检验—回火—冷却—硬度检验—机械性能分析，其中：

上料：用一台工业机器人完成安装工件；

感应加热：利用配置有两套晶体管电源的中频感应淬火机床辅以专用工装同时加热工件到900℃±10℃；在工件外周设置由双电源控制的分体仿工件外形的感应线圈对工件进行加热；

喷淋冷却：在原工位喷淋淬火3—5分钟，水温恒定在25—30℃ 之间，冷却水压力达到0.3-0.6MPa；通过感应线圈外周的双向喷水板斜向上45°喷淋冷却；

下料：由上料所使用的工业机器人完成卸载工件；

淬火硬度检验：利用硬度计抽检淬火硬度，硬度≥50HRC合格转序；

回火：抽检淬火硬度≥50HRC者集中回火，回火温度520℃－580℃，保温时间180—210分钟；

冷却：在原工位喷淋淬火3—5分钟，水温恒定在25—30℃ 之间，冷却水压力达到0.3-0.6MPa；硬度检验：利用硬度计检测调质硬度，硬度280—320HB合格；

机械性能分析：调质硬度在280—320HB之间，抗拉强度不低于750MPa，屈服强度不低于650MPa，断后伸长率不低于16%为合格产品。

2.一种权利要求1的应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺所使用的设备，其特征是在机床工位上设转盘，转盘上设定位盘，定位盘上放置工件，在工件的外周设感应线圈，感应线圈的外周设带多个进水管的喷水板，工件上部设起夹紧作用的上顶尖。

3.根据权利要求2所述的应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺所使用的设备，其特征是喷水板采用双向喷水板，进水管出水端斜向上45°喷淋冷却。

4.根据权利要求2所述的应用于车用中空变截面轴头的淬火工艺所使用的设备，其特征是工件外周所设的感应线圈为双电源控制的分体仿工件外形的线圈。