CN106636584B - 全数字固态高频一体化淬火机床 - Google Patents

Abstract

全数字固态高频一体化淬火机床由数控淬火机床，由全数字固态高频感应加热电源，能量监控器，电源水冷系统，淬火介质冷却系统等组成。该设备为机电一体化机床，具有集成化高、自动化程度高、节能、占地面积小等优点。可用于轴类、盘类、齿轮、异性工件等零件的感应淬火，回火等工艺。广泛应用于汽车、摩托车、工程机械等零部件精密感应淬火。设备机箱采用工业铝合金型材，光洁度高，耐腐蚀免喷涂，外形美观牢固可靠。该产品降低了使用厂商的设备投入成本，填补国内感应热处理行业内的短板，较传统的电子管高频电源节电30%、节水50%。

Description

全数字固态高频一体化淬火机床

技术领域

全数字固态高频一体化淬火机床由数控淬火机床，由全数字固态高频感应加热电源，能量监控器，电源水冷系统，淬火介质冷却系统组成。该设备为机电一体化机床，具有集成化高、自动化程度高、节能、占地面积比分体式减小三分之二等优点。系统集成组装在一起，可完成轴类、盘类、齿轮、异性工件等零件的淬火，回火等工艺。广泛应用于汽车、摩托车、通用机械等零部件精密淬火。该设备可加工零件最大直径300mm,最大长度500mm，工件重量30Kg以下，感应加热电源功率100-200KW，频率250-350KHZ。设备机箱采用工业铝合金型材，光洁度高，耐腐蚀免喷涂，外形美观牢固可靠。

背景技术

全数字固态高频一体化淬火机床，也称全数字晶体管高频电源淬火机床，是在数字电路高速发展的今天，运用DSP数字控制技术研发生产，较传统的电子管高频电源节电30%，节水50%，固态高频电源输出电压稳定，加热效率高等特点。在节能减排政策的推动下，现在越来越多的电子管高频淬火电源改为全数字固态高频电源，电子管高频淬火电源被淘汰；目前国内生产的固态高频电源淬火有二种。一种是电流型并联谐振，低电压，大电流高频电源，由于适应负载频率范围窄，不适合应用于淬火项目；另一种为电压型串联谐振高频电源，由于串联谐振电压是电源电压的Q倍，大约是电源电压的4~6倍，大大提高加热效率，因此，电压型高频淬火电源较电流型高频淬火电源优越。全数字固态高频电源采用电压型串联谐振，经现场运行测试，此产品已达到国外进口同类产品质量。

发明内容

全数字固态高频一体化淬火机床：含数控淬火机床、全数字固态高频电源、能量监控器、介质冷却系统、软水冷却系统等（说明书附图1全数字固态高频一体化淬火机床布局图、图2全数字固态高频一体化淬火机床实物图、图3全数字固态高频一体化淬火机床操作面、图4全数字固态高频一体化淬火机床电气控制面板）。其结构及特点如下：

全数字固态高频一体化淬火机床机械部分简介

（1）机械部分主要结构及特点

全数字固态高频一体化淬火机床机械部分，主要由机床床身、立柱、滑台、旋转主轴、淬火变压器调节机构、喷淋、自润滑系统、自控系统等组成。

①机床采用工件或变压器移动的模式，工作台升降滑板由西门子系统控制交流伺服电机带动滚珠丝杠沿导轨升降运动，运动速度可实现无级调速、传动平稳、速度均匀。工作台滑板升降设有停机抱闸装置，确保定位准确、安全可靠。

②工作台主轴驱动配有旋转交流电机，驱动主轴旋转，旋转速度由西门子变频器控制，可实现无级调速。具有速度均匀，调速范围宽等特点。

③上顶尖可在500mm行程内调整，为防止零件在加热过程中变形，上顶尖套内设有压力弹簧，可减小零件在加热过程中的伸长变形。机床下顶尖采用莫氏3#锥柄安装，便于用户更换。

④介质淬火水槽上设有一路闭环感应器冷却水路，六路开环淬火介质水路，管径6分。由PLC控制电磁水阀开启冷却淬火时间。进水管路与感应器及喷水圈接口处，全部采用有色金属防磁防腐快插式接头，方便用户装卸。机床淬火液管口直径布置合理，进口管路设有淬火液温度检测点，流量监控检测点。流量计和电磁阀的安装位置合理，维修方便。淬火液管设置过滤器，便于维护和检修。

⑤感应器二维调整机构，淬火变压器与感应器同装于可纵横升降的平台上，淬火变压器平台可通过电动调整机构实现X、Y两个方向的微调，以保证感应器与工件之间间隙一致，调整X向(左右)调整量50mm，Y向(前后)调整量50mm。调整方式为电动调整，微调按钮安装于机床操作室内前方，密封防水且操作方便；

⑥淬火机床设计为封闭型，机床护罩为铝型材框架结构，推拉门开启宽度大并且安装玻璃观察窗。机床回水处设有过滤装置，便于清洗。机床设有自动润滑装置，保证机床各运动点及时润滑。

（2）全数字固态高频加热电源简介

全数字固态高频感应加热电源采用功能强大的数字信号处理器（DSP）作为核心控制提高主控响应速度，利用高隔离、全功能高速驱动，以达到整个系统的高稳定性和高可靠性（说明书附图5全数字固态高频淬火电源核心DSP控制板）。电源逆变器件采用进口MOSFET器件。系统具备频率自动跟踪功能，保证在任何工况下MOSFET始终工作在零电流开关状态（ZCS）下，自身损耗功率最小整机效率最高。系统具备完善保护措施以保证电源正常工作，包括系统过流保护，IGBT器件过温保护，感应线圈自动识别，当负载短路，断路时停机报警。使用液晶屏进行显示，显示各种工作状态。整机全数字控制没有任何电位器类调整器件，所有频率跟踪，相角锁定均为计算机控制完成，大大降低调试维护难度。

在全数字固态高频电源中，整流器的负载是逆变器，整流器的作用是把交流电能转换成直流电能。利用二极管三相整流器和斩波电路配合组成PWM脉宽调制的直流电源，来满足感应加热装置的要求。斩波电路采用IGBT为斩波元件，其具有自关断能力，发生故障时，可在极短时间内切断电源，避免逆变器件损坏，起到更好的保护作用。

全数字固态高频电源逆变器串联谐振负载结构，逆变器主要功能为实现负载频率自动跟踪、逆变器启动、为逆变器功率器件提供可靠的驱动脉冲以及与整流侧控制配合（说明书附图6全数字固态高频淬火电源逆变器内部结构图）。

全数字固态高频电源槽路采用电压型谐振电路，该电路的主要特点是效率高、节电性强，为保证频率稳定输出奠定基础。槽路电容采用新型无感水冷电容器，具有无功功率大、体积小便于安装等特点。槽路结构设计紧凑、引线电感小，有效抑制杂波产生，减少功率器件的损坏，并充分考虑节能散热等要求（说明书附图7全数字固态高频淬火电源槽路结构图）。

全数字固态高频电源特点：

①以微处理器为核心，构成全数字控制电路，PWM控制、数字锁相环路、脉冲形成、状态监控与故障保护均统一实现。

②恒流、恒功率二种调功方式任选，可适应任何形式负载。数字PID调节器，响应快、过冲小、精度高，稳定性好，工件淬火最合适用恒功方式，保证工件加热的一致性。

③直流调压采用脉宽调制技术（PWM），使用IGBT作为斩波器件。斩波器设计成独立单元，性能优异，结构合理。

④逆变控制电路为全数字锁相环路，锁相范围更宽，角度时刻修正至最佳，损耗更小。采用ZCS软开关技术，逆变发生器可靠性高。

⑤增加串联电感，槽路体积小、负载适应性很强。

⑥功率因数高，全范围大于0.92，无需配备无功补偿，配电容量只需额定输出功率的1.25倍，与使用斩波技术前的固态电源相比效率又提高10%。

控制精度高，淬火质量有保证，批量工作时产品一致性好。

与能量监视器配合使用时可实现零件产品的过程质量控制与产品加工参数的存储与追溯。

⑨模块化结构，简洁，美观，干扰小。

全数字固态高频一体化淬火机床电源技术参数

流额定功率：P=100KW

②额定频率：f=200～250KHz

③直流额定电压：U_d=450V

④直流额定电流：I_d=230A

⑤最大直流电压：Um=500V

⑥最大直流电流：Im=250V

功率因数：COSφ≥93%

合理匹配下整机电效率：η≥85%

供电电源：交流三相380V/50Hz

配电容量：≥125KVA

（3）能量监控器简介

能量监控器通过信号采集系统、信号处理系统、信号反馈系统对全数字高频感应加热电源输出的能量（即千瓦/秒）、电压、电流、频率、功率，淬火介质的温度、流量以及加热时间、冷却时间等可能影响热处理工艺的各项参数进行实时监控。根据设定的标准数据实时判断正在加工的零件是否合格，工件不合格时及时报警，从而保证设备在不同的工作状况下都可以得到质量合格的淬火零件（说明书附图8全数字固态高频一体化机床能量监控器报警画面）。

能量监控器可以预先设定待加工工件的最小和最大能量限值，监视在加热过程中实际传输给工件的能量值(只用于热处理过程的控制)，并在屏幕上实时显示能量、电压、电流等状态信息（说明书附图9全数字固态高频一体化机床能量监控器能量监控画面）。

该系统采用触摸屏操作，可分别设定时间、电流、电压和能量、同时显示各种相关数据。系统可以储存各种零件淬火工艺参数、记录各种生产数据等以备查或联机打印，用于零件热处理质量追踪。

状态显示页面主要有四部分内容构成。

①基本参数：显示当前工件型号、加工工艺及工件序号。

②报警状态：显示热处理加工过程中的报警信息。

③实时数据显示：显示热处理加工过程中的主要工艺参数，同时辅以相应的百分比柱状图显示。

④功率实时曲线：在感应加热过程中实时显示电源直流功率曲线。

（4）冷却系统简介

全数字固态高频一体化淬火机床冷却系统由电源冷却系统和淬火介质冷却系统两部分构成。每部分都是独立运行的；各由变频器、不锈钢多级水泵、蜂窝状板式换热器、过滤系统、温度、流量、压力监测系统、不锈钢水箱等组成。具有自动恒水压供水，温度超温报警等功能。

电源冷却系统主要技术参数如下：

①工作水压：0.32MPa

②工作水流量：6-10 m³/h

③换热面积: 4m²

④参考冷却能力: 8600 Kcal/h。

淬火介质冷却系统主要技术参数如下：

①工作水压：0.32MPa

②工作水流量：5.5-8.5m³/h

③换热面积: 5m²

④参考冷却能力:10500 Kcal/h。

（5）全数字固态高频一体化淬火机床优势

DSP全数字控制、10吋液晶显示屏、嵌入式组态软件、方便实现对电源的可视触摸控制。

采用斩波直流调压技术，功率因数高、全范围≥93%，无需配备功率补偿设备。

当负载短路时，减少对电网的冲击，有利于系统保护。

控制精度高、淬火质量有保证、批量工作时产品一致性好。

模块化结构、美观、简洁、干扰小。

与能量监控器配合使用时可实现零件产品的过程质量控制与产品加工参数的存储与追溯。

保护齐全、可靠性高、维护方便、成本低。

节水节电、节省空间、占地面积减少2/3、水只需70升、整机效率≥85%。

环保措施严格，本设备淬火加工仓采用密封设计，配备油雾收集器，排放标准达到环保要求。

Claims (1)

1.全数字固态高频一体化淬火机床，其特征在于，包括数控淬火机床、全数字固态高频电源、能量监控器、介质冷却系统、软水冷却系统；

数控淬火机床的机械部分包括机床床身、立柱、滑台、旋转主轴、淬火变压器调节机构、喷淋、自润滑系统、自控系统；机床采用工件或变压器移动的模式，工作台升降滑板由西门子系统控制交流伺服电机带动滚珠丝杠沿导轨升降运动，工作台升降滑板设有停机抱闸装置，工作台主轴驱动配有旋转交流电机，驱动主轴旋转，旋转速度由西门子变频器控制，机床上顶尖可在500mm行程内调整，上顶尖套内设有压力弹簧，机床下顶尖采用莫氏3锥柄安装，介质淬火水槽上设有一路闭环感应器冷却水路，六路开环淬火介质水路，管径6分，由PLC控制电磁水阀开启冷却淬火时间，进水管路与感应器及喷水圈接口处，全部采用有色金属防磁防腐快插式接头，进口管路设有淬火液温度检测点，流量监控检测点，淬火液管设置过滤器；感应器具有二维调整机构，淬火变压器与感应器同装于可纵横升降的平台上，淬火变压器平台可通过电动调整机构实现X、Y两个方向的微调，以保证感应器与工件之间间隙一致，调整X向调整量50mm，Y向调整量50mm，调整方式为电动调整，微调按钮安装于机床操作室内前方；淬火机床设计为封闭型，机床护罩为铝型材框架结构，推拉门开启宽度大并且安装玻璃观察窗，机床回水处设有过滤装置，机床设有自动润滑装置；

在全数字固态高频电源中，整流器的负载是逆变器，整流器的作用是把交流电能转换成直流电能；利用二极管三相整流器和斩波电路配合组成PWM脉宽调制的直流电源，斩波电路采用具有自关断能力的IGBT为斩波元件，全数字固态高频电源逆变器串联谐振负载结构，全数字固态高频电源槽路采用电压型谐振电路，以微处理器为核心，构成全数字控制电路，恒流、恒功率二种调功方式任选，直流调压采用脉宽调制技术(PWM)，使用IGBT作为斩波器件，斩波器设计成独立单元；逆变控制电路为全数字锁相环路，采用ZCS软开关技术，功率因数全范围大于0.92，配电容量为额定输出功率的1.25倍；全数字固态高频一体化淬火机床电源技术参数如下：直流额定功率：P＝100KW，额定频率：f＝200～250KHz，直流额定电压：Ud＝450V，直流额定电流：Id＝230A，最大直流电压：Um＝500V，最大直流电流：Im＝250V，功率因数：COSφ≥93％，整机电效率：η≥85％，供电电源：交流三相380V/50Hz，配电容量：≥125KVA；

能量监控器通过信号采集系统、信号处理系统、信号反馈系统对全数字高频感应加热电源输出的能量(千瓦/秒)、电压、电流、频率、功率，淬火介质的温度、流量以及加热时间、冷却时间进行实时监控；该系统采用触摸屏操作，状态显示页面主要有四部分内容构成：①基本参数：显示当前工件型号、加工工艺及工件序号；②报警状态：显示热处理加工过程中的报警信息；③实时数据显示：显示热处理加工过程中的主要工艺参数，同时辅以相应的百分比柱状图显示；④功率实时曲线：在感应加热过程中实时显示电源直流功率曲线；

全数字固态高频一体化淬火机床冷却系统由电源冷却系统和淬火介质冷却系统两部分构成；每部分都是独立运行的；各由变频器、不锈钢多级水泵、蜂窝状板式换热器、过滤系统、温度、流量、压力监测系统、不锈钢水箱组成；电源冷却系统主要技术参数如下：①工作水压：0.32MPa，②工作水流量：6-10m³/h，③换热面积:4m²，④参考冷却能力:8600Kcal/h；淬火介质冷却系统主要技术参数如下：①工作水压：0.32MPa，②工作水流量：5.5-8.5m³/h，③换热面积:5m²，④参考冷却能力:10500Kcal/h。