飼料
制粒機(jī)壓輥的熱處理方法主要有以下3種：第1種方法是對(duì)合金鋼制成的壓輥進(jìn)行整體淬火；第2種方法是對(duì)低碳合金鋼制成的壓輥進(jìn)行常規(guī)表面滲碳；第3種方法是對(duì)普通中碳鋼制成的壓輥進(jìn)行感應(yīng)熱處理。采用第1種方法原材料成本較高，而且熱處理之后精加工與軸承相配合的壓輥的內(nèi)徑面將比較困難。采用第2種方法壓輥所要求的淬硬層厚度一般不能太大，否則壓輥的滲碳保溫時(shí)間很長(zhǎng)，從而大大增加熱處理成本。而相對(duì)來講，采用第3種方法則具有很多優(yōu)點(diǎn)，如表面硬度高、淬硬層較厚、熱處理的速度較快、原材料的成本較低，以及便于設(shè)置工藝參數(shù)對(duì)整個(gè)熱處理過程進(jìn)行精確控制等。目前國(guó)內(nèi)廠家在制造壓輥時(shí)還沒有采用第3種方法，因此筆者認(rèn)為有必要根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中碳鋼壓輥的感應(yīng)熱處理工藝的主要影響因素以及在實(shí)施此工藝中可能會(huì)出現(xiàn)的問題一一進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的解決方案以供參考。進(jìn)行感應(yīng)熱處理的壓輥由普通中碳鋼AISI1045制成，要求達(dá)到的熱處理規(guī)范是表面硬度55~60HRC，淬硬層厚度3～5 mm。
1、工藝布置和設(shè)備
對(duì)壓輥的感應(yīng)熱處理采用的是連續(xù)加熱淬火法（又稱掃描淬火法），相應(yīng)的工藝布置如圖1所示。壓輥放置于夾具上，在熱處理過程中壓輥隨主軸一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。圓環(huán)形的感應(yīng)器套在壓輥的外面，與其保持同心，可沿軸向自由上下移動(dòng)或在某個(gè)位置滯留，感應(yīng)器在不同行程中的移動(dòng)速度及滯留的位置和時(shí)間均可設(shè)置。感應(yīng)器由上面的加熱部分和下面的淬火劑腔體組成為一個(gè)整體。淬火劑腔體的內(nèi)表面與軸向成45°的傾斜角，其上均勻地分布著很多小孔。在熱處理過程中，淬火劑通過這些小孔噴射出來，對(duì)已被加熱的壓輥表面進(jìn)行冷卻，因此這樣的工藝布置就保證了壓輥能受到連續(xù)、均勻、同步的感應(yīng)加熱和淬火冷卻。實(shí)際采用的壓輥感應(yīng)熱處理設(shè)備如圖2所示。
2、工藝參數(shù)的設(shè)置
首先必須確定用于感應(yīng)熱處理工藝的電流頻率、設(shè)備的輸出功率以及感應(yīng)器的移動(dòng)速度。根據(jù)文獻(xiàn)，對(duì)于外徑為20~ 45 cm的壓輥，要想得到3～5 mm厚的淬硬層，所選的最佳電流頻率應(yīng)在3~10 kHz范圍內(nèi)，這屬于中頻淬火。對(duì)于外徑為30 cm的壓輥，要得到此淬硬層，零件的最佳比功率可選為1.6 kW/cm2。若感應(yīng)器的有效加熱部分的寬度為1.5cm，那么可算出需要的設(shè)備輸出功率大約是350 kW，感應(yīng)器的移動(dòng)速度是3.2 mm/s。以上的計(jì)算并沒有考慮壓輥與感應(yīng)器的間距、壓輥的表面結(jié)構(gòu)形式以及其它影響因素，因此僅靠設(shè)定以上的幾個(gè)工藝參數(shù)值一般還不足以使得感應(yīng)熱處理后的壓輥滿足所要求的熱處理技術(shù)規(guī)范。
筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是首先按上述方法初步設(shè)定電流頻率和設(shè)備的輸出功率，在熱處理壓輥開始后，觀察最初幾秒內(nèi)感應(yīng)器能否把壓輥的外表面加熱至亮紅色。如果不能，則馬上停機(jī)并重新設(shè)置這兩個(gè)參數(shù)；如果能，則表明這兩個(gè)參數(shù)設(shè)置得基本合適，此后一般不用再調(diào)整。然后需要設(shè)置的三個(gè)參數(shù)是感應(yīng)器在不同區(qū)域的移動(dòng)速度、對(duì)應(yīng)于這些移動(dòng)速度的起始或終了位置以及在這些位置處的滯留時(shí)間。設(shè)置過程如下：首先感應(yīng)器快速移動(dòng)到其加熱部分的下端與壓輥的下端面（即位置A）對(duì)齊的位置處（見圖1），此時(shí)感應(yīng)加熱和淬火劑噴射同時(shí)開始。感應(yīng)器在此處滯留一段時(shí)間后，開始以較慢的速度在位置A到B的區(qū)域里向上掃描。位置B位于位置A上面約30 mm處。這樣設(shè)置參數(shù)是因?yàn)閯傞_始時(shí)，壓輥比較涼，而且由于其底部靠近下端面，散熱量比較大，因此需要在底部適當(dāng)延長(zhǎng)加熱時(shí)間以對(duì)壓輥起到預(yù)熱的作用，并補(bǔ)充通過下端面散走的熱量。對(duì)于小、中、大型壓輥，感應(yīng)器在此處一般分別滯留1~2s、3~4s、5~6s。當(dāng)感應(yīng)器的上表面到達(dá)位置B時(shí)，感應(yīng)器不必滯留，而且其掃描速率要加快一些。當(dāng)其上表面移動(dòng)到位置C時(shí)（位置C大約在壓輥的上端面，即位置D以下20 mm處），感應(yīng)器的掃描速率應(yīng)開始稍微放慢，在此處應(yīng)設(shè)置一定的滯留時(shí)間，以補(bǔ)充壓輥的頂部通過其上端面散去的熱量。當(dāng)感應(yīng)器的上表面上移到距壓輥的上端面大約還有5mm時(shí)，感應(yīng)器應(yīng)立即停止加熱并以最快的速度移動(dòng)到位置E。此位置的設(shè)置應(yīng)使感應(yīng)器噴出的淬火劑能直射到壓輥的上端面至其頂部側(cè)表面的區(qū)域。一般情況下，感應(yīng)器需在此位置滯留30 s以保持對(duì)壓輥?zhàn)詈蟮膰娏芾鋮s，隨后即可將壓輥從熱處理設(shè)備中取出。
實(shí)踐表明，對(duì)于外徑為20~ 45 cm的壓輥，有效的感應(yīng)器掃描速率大約在1.3~3.6 mm/s的范圍內(nèi)，比前述的理論計(jì)算值偏低。對(duì)于小型壓輥或與感應(yīng)器間距較小的壓輥，可將掃描速率設(shè)置為此范圍內(nèi)的較大值；而對(duì)于中、大型壓輥或與感應(yīng)器間距較大的壓輥，應(yīng)將掃描速率設(shè)置為此范圍內(nèi)的較小值。對(duì)于直齒型的壓輥，由于其表面上伸出的齒相當(dāng)于換熱器的肋片，傳熱率較高，因此感應(yīng)器的掃描速率可設(shè)置得較大；反之對(duì)于表面鉆孔型的壓輥，感應(yīng)器的掃描速率則應(yīng)設(shè)置得較小。如果在同一個(gè)壓輥表面上既分布有直齒又有鉆孔，則需在它們各自的區(qū)域里分別設(shè)置不同的感應(yīng)器掃描速率。
3、軟帶的出現(xiàn)及消除
感應(yīng)熱處理后的壓輥有時(shí)會(huì)在距離上、下端面約15 mm的位置處沿圓周方向出現(xiàn)軟帶，即表面硬度低于55HRC，或50 HRC的帶形區(qū)域。如上所述，解決的方法是在壓輥的上部和下部區(qū)域分別設(shè)置較低的感應(yīng)器掃描速率和一定的滯留時(shí)間。一般來說，這種方法對(duì)消除靠近壓輥上端面的軟帶十分有效，但是在某些情形下，對(duì)消除靠近下端面的軟帶基本無效。如圖1所示，從位置A到B的區(qū)域里，雖然較慢的感應(yīng)器掃描速率和一定的滯留時(shí)間可使此區(qū)域接受的熱量較多，產(chǎn)生的溫度較高，但也使感應(yīng)器里的淬火劑噴射到此區(qū)域的時(shí)間相對(duì)于加熱滯后了較多，而一旦感應(yīng)器的加熱部分離開之后，壓輥的下端部無法在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持熱量。因此，當(dāng)此區(qū)域真正受到淬火冷卻時(shí)，其原有的高溫已變成了相對(duì)較低的溫度，從而使淬火后的表面硬度不足。特別是在感應(yīng)器與壓輥的間距比較大的情況下，就會(huì)變得更為嚴(yán)重。對(duì)于中、小型壓輥，因其熱容量較小，如果感應(yīng)器在壓輥的下端部滯留加熱的時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)在此處產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，從而造成較明顯的變形。對(duì)于表面鉆孔型的壓輥，由于孔的應(yīng)力集中效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致靠近壓輥下端面的孔出現(xiàn)裂紋。因此，如果在一定限度內(nèi)較低的感應(yīng)器掃描速率和較長(zhǎng)的滯留加熱時(shí)間都無法消除壓輥下端部附近的軟帶，那么進(jìn)一步降低掃描速率或延長(zhǎng)滯留時(shí)間沒有任何意義。此時(shí)唯一有效的方法是重新安裝一臺(tái)感應(yīng)器，在壓輥隨主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與感應(yīng)器的軸向移動(dòng)互不干擾的前提下，使感應(yīng)器與壓輥的間距盡可能地減小。
對(duì)于大型壓輥，感應(yīng)熱處理之后在它們的表面上并不是出現(xiàn)軟帶，而是出現(xiàn)大面積的軟區(qū)。在這種情況下，如果確認(rèn)設(shè)備的輸出功率足夠，那么出現(xiàn)此問題的原因常常是壓輥的淬火冷卻強(qiáng)度不夠。但是受感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式和尺寸大小的限制，一般很難通過改變感應(yīng)器自身來增加冷卻強(qiáng)度而可能需要采用輔助的冷卻裝置。筆者以往的做法是在壓輥的四周架設(shè)四個(gè)額外的噴頭，將其噴嘴分布均勻地對(duì)準(zhǔn)壓輥的上部到中部區(qū)域。當(dāng)感應(yīng)器的上表面移到快接近壓輥的上端面時(shí)，一起打開四個(gè)噴頭，水泵就驅(qū)使淬火劑通過噴嘴高速射向壓輥。感應(yīng)器隨即快速上升到圖l所示的位置E，在該位置處的滯留時(shí)間延長(zhǎng)至60s。此時(shí)，感應(yīng)器和4個(gè)噴頭的淬火劑同時(shí)對(duì)壓輥進(jìn)行冷卻，從而可明顯增加淬火冷卻的強(qiáng)度。實(shí)踐表明，這種方法對(duì)消除軟區(qū)很有效。
4、感應(yīng)器與壓輥的間距
為降低壓輥的生產(chǎn)成本，同一臺(tái)感應(yīng)器應(yīng)能熱處理多種不同型號(hào)的壓輥。因此在實(shí)際應(yīng)用中．同一臺(tái)感應(yīng)器可能與某種型號(hào)的壓輥之間的間距非常小，而與另一種型號(hào)的壓輥之間的間距又非常大。根據(jù)筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，感應(yīng)器與直齒型壓輥的單側(cè)間距一般可以在3~9.3mm的范圍內(nèi)，而與表面鉆孔型壓輥的單側(cè)間距則可在3~7.5mm的范圍內(nèi)。如果低于此范圍的下限值，則壓輥的轉(zhuǎn)動(dòng)與感應(yīng)器的軸向移動(dòng)將會(huì)互相干擾；如果高于此范圍的上限值，則出現(xiàn)在壓輥表面上的軟帶或軟區(qū)將無法消除。
5、實(shí)驗(yàn)和測(cè)試
圖3和圖4分別顯示了經(jīng)過感應(yīng)熱處理和常規(guī)滲碳熱處理的直齒型壓輥。對(duì)切下的金相試樣進(jìn)行表面浸酸后，可以清楚地看出，感應(yīng)熱處理壓輥的淬硬層厚度遠(yuǎn)大于常規(guī)滲碳熱處理壓輥的淬硬層厚度。微硬度測(cè)試表明其淬硬層厚度分別為4.5和0.8mm。生產(chǎn)廠家曾對(duì)這兩種壓輥進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，型號(hào)和結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，安裝的時(shí)間和工作條件也相同，唯一的差別是表面熱處理方式不同。性能測(cè)試的有關(guān)數(shù)據(jù)見表l。從測(cè)試結(jié)果可以看出，感應(yīng)熱處理的直齒型壓輥生產(chǎn)飼料的噸位數(shù)比常規(guī)滲碳熱處理的直齒型壓輥增加了78%。
6、結(jié)語
筆者對(duì)中碳鋼制成的飼料顆粒機(jī)壓輥進(jìn)行了中頻淬火的感應(yīng)熱處理，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)工藝布置、感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、壓輥的表面形式、感應(yīng)器與壓輥的間距，主要工藝參數(shù)的設(shè)置及軟帶的出現(xiàn)和消除等因素一一作了詳述。同時(shí)提出了相應(yīng)的工藝解決方案和一些工藝參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值以供參考�，F(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試表明，采用感應(yīng)熱處理工藝的壓輥可大大增加生產(chǎn)飼料噸位數(shù)，富通新能源銷售飼料顆粒機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)等顆粒飼料成型機(jī)械設(shè)備。
