CN110184432B - 一种适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置 - Google Patents

Abstract

本发明的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，包括淬火炉箱体、多个传动辊子和多个矢量喷淋器，特征在于：矢量喷淋器由底座、旋转步进电机、进给步进电机、摆动步进电机、输水管、顶座和摆动板组成，摆动板的一端固定有喷嘴，另一端固定于摆动步进电机的输出轴上；进给步进电机经升降传动机构驱使竖向轴沿竖向方向上升或下降运动，旋转步进电机经旋转传动机构驱使竖向轴绕竖向方向旋转运动；摆动步进电机用于驱使喷嘴进行摆动。本发明的矢量喷淋淬火装置，可实现对多面体零件的均匀喷淋，实现了多面体零件喷淋淬火过程中的均匀、快速降温，可避免零件喷淋淬火过程中的形变和残余应力过大，保证了淬火完毕后零件的力学性能。

Description

一种适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置

技术领域

本发明涉及一种喷淋淬火装置，更具体的说，尤其涉及一种通过使多个矢量喷淋器喷水方向朝向零件的不同位置来实现均匀布水的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置。

背景技术

为提高金属零件的力学性能以达到设计使用要求，零件需要进行热处理工序，包括固溶以及淬火工序。其中，淬火工艺作为控制零件残余应力获得理想力学性能的关键环节，是热处理过程中最难控制和最具挑战的工序。传统淬火工艺通常采用盐浴+池浴淬火（池淬）方式进行生产。然而，这种淬火工艺存在诸多不足。首先，池淬方式由于具有冷却速率低且不同冷却表面、不同冷却时间段的降温速率难以准确控制等缺点，容易造成淬火后材料力学性能低、残余应力大，且容易产生裂纹，畸变严重。其次，这种淬火工艺从盐浴炉转移到淬火水槽时通常需要天车吊运，转移时间一般在十几秒以上，使材料晶间腐蚀加剧，严重影响了产品的耐腐蚀性能，使得产品生产效率低、成本高（约占零件总成本的50%）、工艺复杂、成品率低，大大延长了零件的生产周期，成为限制生产的瓶颈性工序。

此外，盐浴所用的盐浴剂是强氧化剂，生产废渣对环境造成了污染，同时也给安全生产带来了一定的隐患，并且该工艺能源消耗严重，已经远远不符合当今节能减排的发展需求。美国热处理路线图明确提出在2020年以热处理畸变0、能耗减少80%、生产成本降低75%、热处理生产对环境的影响为0为目标提高热处理生产的质量与效益，这对传统淬火生产工艺提出了巨大挑战。

喷淋淬火作为一种先进的可控快冷技术，其原理是将水加压形成液滴束冲击被冷却的物体，在物体表面形成一层气液薄膜，并带走热量达到冷却降温目的，该技术具有传热能力高，冷却过程温差小、工质需求量小、没有沸腾的滞后性以及与固体表面没有接触热等优点，改善了传统池浴淬火不均匀的冷却状态和应力分布，为不同冷却速率的调控提供了有效的技术途径。然而，现有的喷淋冷却设备主要针对形状规则的板材进行热处理，其原理为在淬火炉的上下两方向同时布置若干喷嘴，通过上下喷嘴的散射水流对在辊道上移动的板材进行降温（一种辊底式淬火炉，中国专利，申请号201610158004.1，申请日2016.03.18）。而在对复杂形状的零件进行喷淋冷却时，需要在多方向同时进行喷淋冷却以达到快速均匀降温，现有的采用炉内上下布置形式的喷嘴无法满足要求，严重阻碍了复杂零件的喷淋冷却生产工作。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置。

本发明的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，包括淬火炉箱体和设置于淬火炉箱体中的多个传动辊子和多个矢量喷淋器，多个传动辊子相邻水平设置，待淬火的多面体零件放置于传动辊子上，传动辊子的上方和下方均设置有多个对多面体零件进行喷水的矢量喷淋器；其特征在于：所述矢量喷淋器由底座、旋转步进电机、进给步进电机、摆动步进电机、输水管、顶座和摆动板组成，摆动步进电机固定于顶座上，摆动板的一端固定有喷嘴，另一端固定于摆动步进电机的输出轴上，喷嘴的进水口与输出管的出水口相连通；顶座上固定有竖向的竖向轴；

所述进给步进电机固定于底座上，进给步进电机经升降传动机构驱使竖向轴沿竖向方向上升或下降运动，以驱使喷嘴升降；所述旋转步进电机设置于底座上，旋转步进电机经旋转传动机构驱使竖向轴绕竖向方向旋转运动，以驱使喷嘴旋转；摆动步进电机用于驱使喷嘴进行摆动。

本发明的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，所述升降传动机构由丝杠、螺母、第二轴承、水平轴和滚动轴承组成，丝杠沿竖向方向设置，竖向轴的中央开设有容纳丝杠的柱形腔，丝杠的一端固定于进给步进电机的输出轴上，另一端***竖向轴的柱形腔中；竖向轴与螺母固定连接；螺母以螺纹配合的形式设置于丝杠上，水平轴固定于螺母上，滚动轴承设置于水平轴上；丝杠的***设置有外套筒，外套筒与丝杠同轴设置，外套筒的内壁上开设有竖向的用于容纳滚动轴承的导向槽，丝杠靠近进给步进电机的一端经第二轴承固定于底座上，外套筒经第三轴承固定于底座上。

本发明的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，所述旋转传动机构由齿轮、齿圈、旋转套和连接板组成，旋转套位于进给步进电机的***，且旋转套与丝杠同轴设置，齿圈固定于旋转套的外表面上，齿轮固定于旋转步进电机的输出轴上，齿轮与齿圈相啮合，旋转套经连接板与外套筒固定连接。

本发明的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，所述外套筒、第二轴承和第三轴承的***设置有起防水和密封作用的防水罩。

本发明的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，所述防水罩的***固定有对输水管进行固定的卡扣。

本发明的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，所述旋转步进电机、进给步进电机和摆动步进电机的输出轴上设置有起密封防水作用的橡胶圈和/或端盖。

本发明的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，所述摆动板为L形。

本发明的有益效果是：本发明的矢量喷淋淬火装置，待淬火的多面体零件放置于淬火炉箱体中的传动辊子上，传动辊子的上方和下方均设置有多个矢量喷淋器，矢量喷淋器上的摆动步进电机用于驱使喷嘴进行摆动，进给步进电机用于驱使喷嘴升降运动，旋转步进电机用于驱使喷嘴进行转动，这样，通过摆动、进给、旋转步进电机驱使喷嘴摆动、升降和旋转，使得多个矢量喷利器的喷嘴分别朝向多面体零件的不同表面，可实现对多面体零件的均匀喷淋，实现了多面体零件喷淋淬火过程中的均匀、快速降温，可避免零件喷淋淬火过程中的形变和残余应力过大，保证了淬火完毕后零件的力学性能。

附图说明

图1为本发明的矢量喷淋淬火装置的结构示意图；

图2为本发明中矢量喷淋器的主视图；

图3为本发明中矢量喷淋器的右视图；

图4为图2中A-A截面的剖视图；

图5为本发明中矢量喷淋器的立体图；

图6为本发明中矢量喷淋器的立体图；

图7为本发明中旋转传动机构的结构示意图；

图8为本发明中丝杠和竖向轴部位的结构示意图；

图9为本发明中摆动步进电机与摆动板连接的示意图。

图中：1淬火炉箱体，2传动辊子，3矢量喷淋器，4多面体零件，5底座，6旋转步进电机，7进给步进电机，8摆动步进电机，9输水管，10齿轮，11齿圈，12旋转套，13外套筒，14丝杠，15轴承座，16连接板，17螺母，18竖向轴，19水平轴，20滚动轴承，21顶座，22 摆动板，23喷嘴，24第二轴承，25防水罩，26卡扣，27橡胶圈，28端盖，29第一轴承，30柱形腔，31第三轴承。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的矢量喷淋淬火装置的结构示意图，其由淬火炉箱体1、传动辊子2和矢量喷淋器3组成，淬火炉箱体1的内部为空腔，传动辊子2的数量为多个，多个传动辊子2间隔平行地设置于淬火炉箱体1的内部空腔中，待淬火的多面体零件4放置于传动辊子2上，传动辊子2通过转动将多面体零件4传送至中央位置，以便进行喷淋淬火。所示的矢量喷淋器3的数量为多个，分别设置于传动辊子2的上方和下方，传动辊子2上方的矢量喷淋器3的喷嘴23位于下端，传动辊子2下方的矢量喷淋器3的喷嘴23位于上端，对多面体零件4喷淋淬火时，多个矢量喷淋器3上的喷嘴23朝向多面体零件4的不同表面，以对多面体零件4的不同表面进行均匀喷洒，保证零件的均匀、快速降温，避免零件变形和残余应力过大，以使喷淋淬火后的多面体零件4的力学性能满足要求。

如图2和图3所示，分别给出了本发明中矢量喷淋器的主视图、右视图，图4给出了图2中A-A截面的剖视图，图5和图6给出了矢量喷淋器的立体图，所示的矢量喷淋器由底座5、旋转步进电机6、进给步进电机7、摆动步进电机8、输水管9、顶座21和摆动板22组成，摆动步进电机8固定于顶座21上，摆动板22的一端固定有喷嘴23，另一端与步进电机8的输出轴固定连接，喷嘴23的进水口与输水管9的出水口相连接，这样，在摆动步进电机8的驱动作用下，即可驱使喷嘴23进行摆动，以调节喷嘴23的喷洒方向。摆动板22可采用L形状。

顶座21上固定有竖向轴18，竖向轴18沿竖向方向设置。进给步进电机7固定于底座5上，进给步进电机7通过升降传动机构驱使竖向轴18上升或下降运动，进而带动喷嘴23进行升降运动。旋转步进电机6设置于底座5上，旋转步进电机6通过旋转传动机构驱使竖向轴18绕竖向轴转动，进而带动喷嘴23进行转动。

所示的升降传动机构由丝杠14、螺母17、第二轴承24、水平轴19、滚动轴承20组成，丝杠14沿竖向方向并且与竖向轴18同轴设置，竖向轴18的中央沿其轴线方向开设有柱形腔30，丝杠14的一端***柱形腔30中，另一端与进给步进电机7的输出轴固定连接，柱形腔30的内径比丝杠14的外径略大，以实现对丝杠14的导向作用。为了保证丝杠14的稳定转动，丝杠14与进给步进电机7输出轴的连接处经第二轴承24固定于底座5上。竖向轴18的上端固定于顶座21上，下端与螺母17相固定。螺母17通过螺纹配合的形式设置于丝杠14上。

水平轴19固定于螺母17上，滚动轴承20固定于水平轴19上，滚动轴承20的外圈可绕水平轴19自由转动。所示丝杠14的***设置有外套筒13，外套筒13与丝杠14同轴设置，外套筒13的下端经第三轴承31固定于底座5上，外套筒13的上端经挡环和密封圈密封，以实现防水作用。外套筒13的内壁上开设有与滚动轴承20相配合的导向槽，导向槽沿外套筒13的轴向方向设置，滚动轴承20置于导向槽中。

这样，进给步进电机7驱使丝杠14转动过程中，此时的外套筒13不可转动，丝杠14的转动会使螺母17具有转动的趋势，由于螺母17上的滚动轴承20置于外套筒13内壁上的导向槽中，进而使得螺母17沿导向槽上升或下降，螺母17又与竖向轴18相固定，最终实现了带动竖向轴18、顶座21和喷嘴23的升降运动。

旋转传动机构由齿轮10、齿圈11、旋转套12和连接板16组成，如图7所示，给出了本发明中旋转传动机构的结构示意图，齿轮10固定于旋转步进电机6的输出轴上，旋转套12设置于底座5上，并可在底座5上转动。旋转套12位于进给步进电机7的***，且旋转套12与丝杠14同轴设置，齿圈11固定于旋转套12的***，且齿圈11与齿轮10相啮合。旋转套12的上端经2个连接板16与外套筒13的下端固定连接。

这样，在旋转步进电机6主动的过程中，通过齿轮10与齿圈11的啮合传动，即可带动旋转套12主动，进而带动外套筒13进行转动。外套筒13传动的过程中，通过其内壁上导向槽对滚动轴承20的作用，使得与滚动轴承20固定连接的螺母17具有转动的驱使，由于此时的进给步进电机7不启动，与进给步进电机7输出轴相固定的丝杠14不可转动，故螺母17绕丝杠14进行转动，螺母17的转动会带动与其连接的竖向轴18进行转动，最终实现喷嘴23的转动。

为了避免喷淋水对电机的工作造成影响，所示外套筒13、第三轴承31和第二轴承24的***均设置有防水罩25，以避免进水。如图9所示，给出了本发明中摆动步进电机与摆动板连接的示意图，所示摆动步进电机8的输出轴上设置有橡胶圈27和端盖28，以避免喷淋水进入。旋转步进电机6和进给步进电机7的输出轴和外端也可设置橡胶圈和端盖28，以避免喷淋水的进入，保证电机的长期、正常工作。如图8所示，给出了本发明中丝杠和竖向轴部位的结构示意图，在输水管9供水压力变化的情况下，为了避免输水管9发生窜动，所示防水罩25上设置有2个卡扣26，卡扣26由2个圆环组成，卡扣的一个圆环固定于防水早25上，另一个圆环为开口圆环，用于固定输水管9，开口的圆环适于固定不同直径的输水管9。

本发明的矢量喷淋淬火装置的工作原理为：

多面体零件4经传动辊子2传送至淬火炉箱体1的中央；然后根据多面体零件4的各个面的朝向来控制相应的矢量喷淋器3上的喷嘴23的朝向，以使在喷淋淬火过程中多面体零件4的每个面均可接受均匀的喷淋水。

每个矢量喷淋器3的喷淋方向调节过程为：通过仅控制旋转步进电机6转动，进而带动旋转套12、外套筒13进行转动，外套筒13的转动会通过导向槽与滚动轴承20的作用驱使螺母17转动，螺母17的转动会带动竖向轴18转动，进而带动顶座21和喷嘴23进行转动，使喷嘴23转动至设定位置。通过仅控制进给步进电机7的输出轴转动，可带动丝杠14上的螺母17沿外套筒13上的导向槽上升或下降，螺母17的升降又会带动顶座21和喷嘴23升降，进而实现喷水位置的调节。通过仅控制摆动步进电机8的输出轴转动，则通过摆动板22带动喷嘴23摆动，最终使喷嘴23的喷射方向朝向预设位置。

Claims (6)

1.一种适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，包括淬火炉箱体（1）和设置于淬火炉箱体中的多个传动辊子（2）和多个矢量喷淋器（3），多个传动辊子相邻水平设置，待淬火的多面体零件（4）放置于传动辊子上，传动辊子的上方和下方均设置有多个对多面体零件进行喷水的矢量喷淋器；其特征在于：所述矢量喷淋器由底座（5）、旋转步进电机（6）、进给步进电机（7）、摆动步进电机（8）、输水管（9）、顶座（21）和摆动板（22）组成，摆动步进电机固定于顶座（21）上，摆动板的一端固定有喷嘴（23），另一端固定于摆动步进电机的输出轴上，喷嘴的进水口与输出管的出水口相连通；顶座（21）上固定有竖向的竖向轴（18）；

所述进给步进电机（7）固定于底座上，进给步进电机经升降传动机构驱使竖向轴（18）沿竖向方向上升或下降运动，以驱使喷嘴升降；所述旋转步进电机（6）设置于底座上，旋转步进电机经旋转传动机构驱使竖向轴（18）绕竖向方向旋转运动，以驱使喷嘴旋转；摆动步进电机（8）用于驱使喷嘴进行摆动；

所述升降传动机构由丝杠（14）、螺母（17）、第二轴承（24）、水平轴（19）和滚动轴承（20）组成，丝杠沿竖向方向设置，竖向轴（18）的中央开设有容纳丝杠（14）的柱形腔（30），丝杠的一端固定于进给步进电机（7）的输出轴上，另一端***竖向轴的柱形腔中；竖向轴（18）与螺母（17）固定连接；螺母以螺纹配合的形式设置于丝杠上，水平轴（19）固定于螺母（17）上，滚动轴承（20）设置于水平轴上；丝杠（14）的***设置有外套筒（13），外套筒与丝杠同轴设置，外套筒的内壁上开设有竖向的用于容纳滚动轴承（20）的导向槽，丝杠靠近进给步进电机的一端经第二轴承固定于底座（5）上，外套筒（13）经第三轴承（31）固定于底座（5）上。

2.根据权利要求1所述的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，其特征在于：所述旋转传动机构由齿轮（10）、齿圈（11）、旋转套（12）和连接板（16）组成，旋转套位于进给步进电机（7）的***，且旋转套与丝杠（14）同轴设置，齿圈固定于旋转套的外表面上，齿轮固定于旋转步进电机（6）的输出轴上，齿轮与齿圈相啮合，旋转套（12）经连接板（16）与外套筒（13）固定连接。

3.根据权利要求2所述的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，其特征在于：所述外套筒（13）、第二轴承（24）和第三轴承（31）的***设置有起防水和密封作用的防水罩（25）。

4.根据权利要求3所述的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，其特征在于：所述防水罩（25）的***固定有对输水管（9）进行固定的卡扣（26）。

5.根据权利要求2所述的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，其特征在于：所述旋转步进电机（6）、进给步进电机（7）和摆动步进电机（8）的输出轴上设置有起密封防水作用的橡胶圈（27）和/或端盖（28）。

6.根据权利要求2所述的适用于复杂形状零件的矢量喷淋淬火装置，其特征在于：所述摆动板（22）为L形。

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