飼料
制粒機(jī)壓輥的熱處理方法主要有以下3種：第1種方法是對合金鋼制成的壓輥進(jìn)行整體淬火；第2種方法是對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間很長，從而大大增加熱處理成本。而相對來講，采用第3種方法則具有很多優(yōu)點，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)對整個熱處理過程進(jìn)行精確控制等。目前國內(nèi)廠家在制造壓輥時還沒有采用第3種方法，因此筆者認(rèn)為有必要根據(jù)以往的實踐經(jīng)驗，對中碳鋼壓輥的感應(yīng)熱處理工藝的主要影響因素以及在實施此工藝中可能會出現(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。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或在某個位置滯留，感應(yīng)器在不同行程中的移動速度及滯留的位置和時間均可設(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)器的移動速度。根據(jù)文獻(xiàn)，對于外徑為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)器的移動速度是3.2 mm/s。以上的計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。
筆者的實踐經(jīng)驗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)置這兩個參數(shù)；如果能，則表明這兩個參數(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)置的三個參數(shù)是感應(yīng)器在不同區(qū)域的移動速度、對應(yīng)于這些移動速度的起始或終了位置以及在這些位置處的滯留時間。設(shè)置過程如下：首先感應(yīng)器快速移動到其加熱部分的下端與壓輥的下端面（即位置A）對齊的位置處（見圖1），此時感應(yīng)加熱和淬火劑噴射同時開始。感應(yīng)器在此處滯留一段時間后，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)是因為剛開始時，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)延長加熱時間以對壓輥起到預(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，感應(yīng)器不必滯留，而且其掃描速率要加快一些。當(dāng)其上表面移動到位置C時（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，感應(yīng)器應(yīng)立即停止加熱并以最快的速度移動到位置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以保持對壓輥最后的噴淋冷卻，隨后即可將壓輥從熱處理設(shè)備中取出。
實踐表明，對于外徑為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)，比前述的理論計算值偏低。對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會在距離上、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間。一般來說，這種方法對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)域的時間相對于加熱滯后了較多，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時間內(nèi)保持熱量。因此，當(dāng)此區(qū)域真正受到淬火冷卻時，其原有的高溫已變成了相對較低的溫度，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，就會變得更為嚴(yán)重。對于中、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間過長，就會在此處產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，從而造成較明顯的變形。對于表面鉆孔型的壓輥，由于孔的應(yīng)力集中效應(yīng)，會導(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)器掃描速率和較長的滯留加熱時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滯留時間沒有任何意義。此時唯一有效的方法是重新安裝一臺感應(yīng)器，在壓輥隨主軸的轉(zhuǎn)動與感應(yīng)器的軸向移動互不干擾的前提下，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)四個額外的噴頭，將其噴嘴分布均勻地對準(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，一起打開四個噴頭，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間延長至60s。此時，感應(yīng)器和4個噴頭的淬火劑同時對壓輥進(jìn)行冷卻，從而可明顯增加淬火冷卻的強(qiáng)度。實踐表明，這種方法對消除軟區(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，同一臺感應(yīng)器應(yīng)能熱處理多種不同型號的壓輥。因此在實際應(yīng)用中．同一臺感應(yīng)器可能與某種型號的壓輥之間的間距非常小，而與另一種型號的壓輥之間的間距又非常大。根據(jù)筆者的實踐經(jīng)驗，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)動與感應(yīng)器的軸向移動將會互相干擾；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、實驗和測試
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。微硬度測試表明其淬硬層厚度分別為4.5和0.8mm。生產(chǎn)廠家曾對這兩種壓輥進(jìn)行了現(xiàn)場性能測試實驗，型號和結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，安裝的時間和工作條件也相同，唯一的差別是表面熱處理方式不同。性能測試的有關(guān)數(shù)據(jù)見表l。從測試結(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)實踐經(jīng)驗對工藝布置、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)驗值以供參考。現(xiàn)場性能測試表明，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。
