技術小課堂丨計算機技術在淬火爐設計上的應用
淬火爐是工件淬火前加熱工件的爐子。淬火是把工件放入爐內(nèi)加熱到臨界點以上的溫度并保持一段時同，然后把工件迅速從爐內(nèi)取出投入到淬液(油或水)內(nèi)快速冷卻的熱處理工藝。爐子的熱源可以用電及燃料,溫度可用熱電偶測量。用電及氣體、液體燃料的爐子，可以用儀表自動控制和調(diào)節(jié)溫度。
淬火爐在機械制造業(yè)應用廣泛，機械零件，尤其是汽車、飛機、船舶等制造中的鋼件幾乎都要經(jīng)過淬火熱處理。淬火加熱爐可用于汽車零部件、飛機零部件、軸類、齒輪、鏈輪、螺栓和各種鋼制零件的淬火加熱，淬火槽可用于對加熱后的工件進行迅速淬火冷卻，配合攪拌、水冷循環(huán)等系統(tǒng)實現(xiàn)高質(zhì)量的淬火。
中機試驗裝備股份有限公司研制生產(chǎn)的淬火爐具有如下特點：以計算機為控制核心，溫度自動控制，預熱時間、淬火溫度值、保溫時間、等待時間等參數(shù)可自主定義;定義好工作流程與參數(shù)值，裝夾好金屬籠后，可開始自動工作;軟件可顯示試樣信息、工作溫度、工作時間、溫度曲線(上、中、下三段溫度)、熱處理工作次數(shù),可繪制打印工作報告等。經(jīng)過多次試驗，證明設備安全可靠、自動化程度較高。
淬火爐主要由淬火爐主機單元、高溫大氣爐單元、高溫金屬籠單元、淬火爐主機電氣單元、溫度控制系統(tǒng)單元、計算機控制系統(tǒng)等部分組成，圖1為淬火爐結構原理示意圖。
圖1 淬火爐結構原理示意圖
1、淬火爐主機單元
主機框架采取型鋼框架結構，爐子下方放置水桶，水桶放置在移動小車上。夾持裝置采用手指氣缸夾持，加熱爐下?lián)醢逖b置采用旋轉(zhuǎn)氣缸。
2、高溫大氣爐單元
大氣爐前端開口，高溫大氣爐采用一體式爐膛，多晶纖維半裸露包裹爐絲。發(fā)熱體(分上中下三段)采用 HRE材料，半裸露式加熱，提高爐絲的抗氧化性及使用壽命。大氣爐整體結構緊湊，操作方便，保溫效果好。其中，爐殼采用耐高溫的不銹鋼材料加工而成，避免了水蒸氣等對爐絲壽命的影響，內(nèi)套石英玻璃管，并采用三段側插口控溫，提高爐絲抗氧化性及使用壽命。
3、高溫金屬籠單元
高溫金屬籠單元主要包括鎳鉻吊絲與試樣金屬籠。金屬籠采用K465合金制造，耐高溫性能好。金屬籠由鎳鉻吊絲吊起，與主機上夾具夾持連接，簡單方便。
4、淬火爐主機電氣單元
主機電氣由 IO 卡和手控盒組成，負責夾緊、松開等手動操作動作。
5、溫度控制系統(tǒng)單元
溫度控制系統(tǒng)由溫控儀表、熱電偶和固態(tài)繼電器等組成。由熱電偶測量的溫度值送入溫控儀表，溫控儀表進行比較、PID運算，并根據(jù)運算結果輸出一系列觸發(fā)電流信號加到進口固態(tài)繼電器上，以控制固態(tài)繼電器導通角。導通角的大小決定電阻絲所加電壓的高低，也就是可調(diào)節(jié)高溫爐的加熱功率，最終使爐內(nèi)的溫度穩(wěn)定在目標值上。
1、結構組成
軟件由參數(shù)設置、詳細控制、數(shù)據(jù)處理等 3 個部分組成。
(1)參數(shù)設置。在參數(shù)設置窗口(如圖2所示)中，設置試樣的基本參數(shù)，以及試驗溫度、保溫時間等參數(shù)。
圖2 參數(shù)設置窗口
(2)詳細控制。詳細控制窗口如圖3所示，窗體的上方為設備試驗的實時數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，顯示試驗溫度和運行時間等數(shù)據(jù)。窗體左中部為圖形顯示區(qū)域，單擊按鈕條的相應按鈕可以顯示對應的數(shù)據(jù)曲線。窗體右中部為功能鍵區(qū)域，包括參數(shù)設置、溫控調(diào)節(jié)、瀏覽數(shù)據(jù)、退出 & 返回、啟動試驗、停止試驗等功能。
圖3 詳細控制窗口
(3)數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)處理窗口(如圖4所示)中，可以查看曲線、導出數(shù)據(jù)、打印報告等。
圖4 數(shù)據(jù)處理窗口
2、采集溫度
溫度儀表為歐陸表，通信協(xié)議是modbus協(xié)議。
(1)初始化并打開串口。
With GCommData(Comi)
. BaudRate = GBaudTable(12)
. Parity = GParityTable(0)
. ByteSize = GByteSizeTable(3)
. StopBits = GStopBitsTable(0)
(2)在計時器中接收溫度。
首先發(fā)送讀取溫度命令。
然后就可以在接收的字符串中解析溫度值了。
3、采集 IO卡數(shù)據(jù)
首先創(chuàng)建 IO 卡設備對象。
成功創(chuàng)建IO卡對象后，就可以接收IO卡數(shù)據(jù)了。
IO卡中的狀態(tài)包括夾緊、松開、爐子下面擋板的移除和復位等。
4、試驗流程
(1)設置試驗參數(shù)。
(2)在詳細控制窗口中單擊“試驗啟動”按鈕，軟件會把試驗溫度的目標值傳送到溫控表中。
(3)打開加熱開關，開始升溫，升溫到目標溫度值。
(4)把裝好試樣的金屬籠通過吊絲安裝在主機夾具上，保證金屬籠位置正確后，啟動夾緊開關，使夾具夾持住鎳鉻吊絲，蓋上加熱爐上保溫蓋。開始對試樣進行加熱，在軟件上單擊“完成試樣安裝”按鈕，軟件開始保溫計時，進入加熱計時時間。
(5)當軟件參數(shù)設置的“保溫時間”計時時間結束后，加熱爐下方電機帶動下?lián)醢逍D(zhuǎn)，保證下爐口暢通。參數(shù)設置的“打開擋板后計時時間”開始計時，計時時間結束后主機上夾具啟動，松開鎳鉻吊絲，金屬籠靠自重掉入水中。參數(shù)設置的“松開吊絲后計時時間”開始計時，計時時間結束后加熱爐下方電機啟動，關閉爐下?lián)醢逋瑫r執(zhí)行夾緊動作，并且打開蜂鳴器提醒完成一次淬火。
(6)如果想繼續(xù)進行淬火，則需重復步驟(4)與步驟(5);如果想停止淬火,在軟件的監(jiān)控界面上單擊“停止試驗”按鈕，然后關閉加熱開關，進行加熱爐降溫，關閉主機電源，同時拉出水桶移動小車，將水桶抽出，撈取金屬籠。
(7)工作結束后，將主機與金屬籠擦拭干凈，保證主機與金屬籠無水殘留。
在淬火爐的設計中，通過硬件與軟件的良好配合，實現(xiàn)了淬火流程自動化、采集數(shù)據(jù)自動化、處理數(shù)據(jù)自動化。實踐證明，淬火爐性能穩(wěn)定可靠，具有較高的性價比。
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