一种铝合金筒形件喷淋淬火设备及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种铝合金筒形件喷淋淬火设备及其使用方法，包括加热炉、支撑转移系统、水槽、喷淋系统、旋转系统、导向限位系统和自动控制系统；加热炉炉口朝下；支撑转移系统用于加热时支撑工件，淬火时移动工件至淬火区及防止水液进入加热炉中；水槽用于淬火时的集水及防水，置于加热炉下方；喷淋系统用于冷却淬火，由若干杆状喷淋单元组成；旋转系统主要由沿筒形件周向均布的托辊及相应的动力装置组成，配合同样方式布置的导向限位系统，使得筒形件在喷淋淬火时平稳旋转运动；自动控制系统用于控制各系统的运行；多个加热炉共用淬火冷却装置及控制装置，淬火冷却装置能在不同加热炉之间移动，降低制造成本、工作效率高，能满足工业生产需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种淬火设备，特别是涉及一种铝合金构件喷淋淬火设备，本专利技术还涉及该铝合金构件喷淋淬火设备的使用方法。
技术介绍
密度小、比强度高、耐腐蚀强，能热处理强化的铝合金筒形件广泛应用于航空航天领域，其材料及形状多样，轴向高度通常较高。形状主要分为锥形及直筒形，壁厚分为等壁厚及变壁厚，直径跨度大从0.5-10m。为提高产品综合性能，如强度、韧性、抗蚀性及耐疲劳特性等，需固溶、淬火处理。但淬火过程易产生过大残余应力及非均匀分布的残余应力和性能，导致构件尺寸稳定性差、后续机加工变形严重、材料使役性能降低、疲劳寿命下降等问题。残余应力过大所引起的大变形常成为新型零件设计制造需解决难题，其问题的严重性随产品尺度的增加及形状的复杂化而加剧。残余应力是由于淬火过程中不均匀温度场所引起，随冷却速率增大而增大，而铝合金材料性能主要决定于淬火温度敏感区的冷却速率。基于此特性，分级淬火工艺成为铝合金残余应力与性能协同制造的有力手段。然而目前，铝合金筒形件通常采用浸没淬火方式，当筒形件经加热炉固溶保温后，快速放入水槽中进行浸没淬火，其中加热炉与水槽布置方式有水平及并排两种。当前筒形件淬火主要存在如下问题：浸没冷却速率有限、调整因难，难适应不同厚度筒形件对冷却速率的不同要求，很难实施分级淬火工艺以平衡残余应力与性能；浸没淬火筒形件入水有先后，使得筒形件不同部位冷却速率不一致，易致构件性能不均、变形不协调，对于构件浸没入<br>水方向尺寸较大者影响尤为明显；对于尺寸较小的锥体筒形件，其形状特征使得筒形件内外、上下淬火介质温度及流动特性差异增大，导致筒形件不同部分所接触的淬火介质冷却能力差异更加明显，加剧了冷却的不均匀性，增加了温度梯度；对于轴向厚度不均匀的筒形件，其非均匀厚度使得筒形件在轴向的冷却速率差异增大，温度梯度增加，轴向高度性能及残余应力变化大；高的温度梯度及不均匀冷却易导致筒形件残余应力大，性能与残余应力分布不均；特别一提的是，固溶加热炉与水槽水平布置时，往往使得筒形件淬火转移时间较长，而铝合金通常要求淬火转移时间小于10秒。喷淋淬火是把冷却介质加压从喷嘴喷出用以冷却构件，较浸没淬火，具有冷却速率高、冷却强度能控性强的特点，可实现同步、分区、分级的淬火工艺，实现构件的低残余应力与高性能协同制造。目前喷淋淬火工艺在钢及铝合金板型材淬火处理上得到较广泛应用，然而在构件上应用较小，少见在筒形件及回转体上运用。据查，能适用于筒形件的喷淋淬火装置，公开有5个中国专利文献。文献1专利号98227376.2，文献2专利号CM20114258，文献3专利申请公布号CN101701329，文献4专利号201410637230.9，文献5专利申请号201410768015.2。文献1所述淬火装置提出了用喷淋方式对一种环形件进行淬火，淬火时，工件旋转以提高喷淋均匀性。但因存在如下不足不能推广至筒形件的喷淋淬火处理：根据其描述，推断淬火炉与加热炉为水平布置，加热炉、淬火炉二者所占地面空间大，随着筒形件外径尺寸增大，转移路程增加明显，淬火转移时间长，难满足技术要求，当处理大直径筒形件时，转移时间及占地面积大的问题将更加突出；未设置专门喷嘴冷却筒形件端面，忽视了端面冷却对构件影响，实际上随着构件尺寸厚度与高度之间比例的增加，这些影响不能忽视。文献2针对棒材提出了一种立式喷淋淬火装置，加热炉与淬火炉成上下垂直布置，由单一筒形件运输系统在加热炉与淬火炉间转移工件，缩短了工件从加热炉至淬火炉转移时间，减少了设备整体占地面空间。但是，因存在如下不足不能满足铝合金筒形件喷淋淬火需要：这种结构决定了其工件、喷嘴只能静止，未采取措施消除喷嘴布置及喷嘴制造偏差对工件冷却均匀性的影响；未设置专门喷嘴冷却筒形件端面，忽视了端面冷却对构件影响，实际上随着构件尺寸的增加，这些影响不能忽视；喷嘴位置固定，不能根据回转体尺寸变化而快速改变，而喷嘴至冷却面的距离对冷却效果有明显影响；加热炉与喷淋淬火区位置固定，不利工业大批量生产需要。文献3提出了一种米级铝合金锻环的喷淋淬火工艺，其所涉及的喷淋淬火设备特征在于加热炉与喷淋淬火装置成水平布置，锻环水平放置进行加热及喷淋淬火，实现工件内外表面及上下端面的同时喷淋淬火。所述方案部分解决了铝合金筒形件传统淬火方法所存在的缺陷，但还有如下不足：加热炉与淬火炉水平布置，占地面积大、转移路径长，需附加设备把筒形件从加热区转移至喷淋淬火区，再关闭炉门，转移时间长，重复性差；常见航空航天用铝合金筒形件轴向高度远大于截面厚度，然而本装置中喷嘴从筒形件轴向的上、下方向向筒形件端面、侧面喷淋冷却介质，导致侧面冷却强度较难得到满足，构件淬火均匀性难以保证。上述问题随着铝合金筒形件直径增大变得更加突出。文献4提出了一种铝合金环形件喷淋淬火设备及使用方法，其所涉及的喷淋淬火设备特征在于淬火系统与固溶加热炉成上、下布置，同时喷淋系统分成内外各三区合计六个能独立控制喷淋子系统，分布负责各个区的冷却，通过旋转系统带动环形件旋转，实现环形件同步、分区、分级喷淋淬火。所述方案部分解决了铝合金筒形件传统淬火方法所存在的缺陷，但还存在如下不足：淬火区在上，加热区在下的结构使得设备在淬火区漏水时易使加热炉发热、保温、电器材料损坏，增加了设备的使用风险及维护成本；进料出料不方便，需借用行车或吊车等工具从设备上方进行操作，操作繁琐，效率低；一台加热炉只能对应一个喷淋淬火装置，难以满足工业大批量生产对工作效率的要求；淬火时，构件从加热炉转移至淬火旋转系统过程中，需经炉门开启，构件上升、转移，顶出系统下降，炉门关闭等过程，程序较多、操作复杂，易致淬火转移时间长；通过调整工件淬火支撑系统支腿的开口度来适应不同尺寸的工件尺寸工件的淬火需求，对工件形状的适应能力较差，对与设计尺寸差异大的构件，则需要重做喷淋管路及支撑结构，成本过高。文献5提出了一种大型复杂锻件旋转立式喷水淬火设备，其所涉及的喷淋淬火设备特征在于通过设计一系列仿形且能更换的内部喷水系统和支撑垫铁以适用不同形状的锻件淬火需求，同时喷淋系统旋转以提高锻件周向冷却均匀性，流量、压力能调节以适应不同厚度锻件的淬火需要。所述方案部分解了铝合金筒形件传统淬火方法所存在的缺陷，但还有如下不足：所述方案仅在淬火这一块提出了一些新的构思，加热炉与淬火炉的相对位置未提及，根据其文献所述，淬火时，需先由起吊工装把工件放置至所述淬火设备上，随后再开启喷淋，能推测，加热炉与淬火炉应为水平布置，占地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金筒形件喷淋淬火设备，其特征在于：主要包括至少一个加热炉(1)，支撑转移系统(2)、水槽(3)、喷淋系统(4)、旋转系统(5)、导向限位系统(6)和自动控制系统；所述的加热炉(1)利用加热炉支撑结构(1‑2)置于淬火区上方，炉口朝下，用于加热筒形件；支撑转移系统(2)通过连接装置悬挂在所述的加热炉(1)顶部，用于加热时支撑筒形件及淬火时移动筒形件至淬火区及淬火时防水作用；水槽(3)置于所述的加热炉(1)下方，安有运动装置能做平移，用于淬火时的集水及防水；喷淋系统(4)主要包括内喷淋子系统(4‑1)、外喷淋子系统(4‑2)和供水底座(4‑3)，所述的内喷淋子系统(4‑1)和外喷淋子系统(4‑2)均由若干杆状喷淋单元(4‑1‑1)组成，所述的杆状喷淋单元(4‑1‑1)由若干喷淋小单元连接而成，独立成体置于所述的水槽(3)之中，随所述的水槽(3)运动，分别主要负责筒形件内、外侧面冷却，所述的内喷淋子系统(4‑1)和外喷淋子系统(4‑2)又根据需要分成若干分别独立控制的喷淋区，实现分区、分级喷淋淬火，通过调整所述的杆状喷淋单元(4‑1‑1)适应不同几何形状的筒形件；旋转系统(5)置于所述的喷淋系统(4)下部，安置在所述的供水底座(4‑3)上，用于支撑筒形件并带动其旋转；导向限位系统(6)置于所述的喷淋系统(4)下部，安置于所述的供水底座(4‑3)上，用于筒形件转移时的导向及淬火时的限位，以使筒形件在设计区域运动，能调整位置、安装角度以适应不同尺寸、形状的筒形件；所述的支撑转移系统(2)的支腿(2‑1‑2)、导向限位系统(6)、旋转系统(5)、喷淋系统(4)的杆状喷淋单元(4‑1‑1)在空间布置上相互错开；自动控制系统用于控制各系统的运行，满足不同分级、分区淬火工艺的需要。...

【技术特征摘要】
1.一种铝合金筒形件喷淋淬火设备，其特征在于：主要包括至少一个加热炉
(1)，支撑转移系统(2)、水槽(3)、喷淋系统(4)、旋转系统(5)、导向限位
系统(6)和自动控制系统；所述的加热炉(1)利用加热炉支撑结构(1-2)置于淬火区
上方，炉口朝下，用于加热筒形件；支撑转移系统(2)通过连接装置悬挂在所述的
加热炉(1)顶部，用于加热时支撑筒形件及淬火时移动筒形件至淬火区及淬火时防
水作用；水槽(3)置于所述的加热炉(1)下方，安有运动装置能做平移，用于淬火时
的集水及防水；喷淋系统(4)主要包括内喷淋子系统(4-1)、外喷淋子系统(4-2)和
供水底座(4-3)，所述的内喷淋子系统(4-1)和外喷淋子系统(4-2)均由若干杆状喷
淋单元(4-1-1)组成，所述的杆状喷淋单元(4-1-1)由若干喷淋小单元连接而成，独
立成体置于所述的水槽(3)之中，随所述的水槽(3)运动，分别主要负责筒形件内、
外侧面冷却，所述的内喷淋子系统(4-1)和外喷淋子系统(4-2)又根据需要分成若干
分别独立控制的喷淋区，实现分区、分级喷淋淬火，通过调整所述的杆状喷淋单元
(4-1-1)适应不同几何形状的筒形件；旋转系统(5)置于所述的喷淋系统(4)下部，
安置在所述的供水底座(4-3)上，用于支撑筒形件并带动其旋转；导向限位系统(6)
置于所述的喷淋系统(4)下部，安置于所述的供水底座(4-3)上，用于筒形件转移时
的导向及淬火时的限位，以使筒形件在设计区域运动，能调整位置、安装角度以适
应不同尺寸、形状的筒形件；所述的支撑转移系统(2)的支腿(2-1-2)、导向限位系
统(6)、旋转系统(5)、喷淋系统(4)的杆状喷淋单元(4-1-1)在空间布置上相互错
开；自动控制系统用于控制各系统的运行，满足不同分级、分区淬火工艺的需要。
2.根据权利要求1所述的铝合金筒形件喷淋淬火设备，其特征在于：所述的
加热炉(1)主要包括加热炉主体(1-1)、加热炉支撑装置(1-2)、两扇炉门(1-3)、炉
门轨道(1-4)及炉门动力装置；所述的加热炉主体(1-1)为圆桶形，炉口朝下；两扇
所述的炉门(1-3)为半圆形，接触区为互相配合的阶梯形，通过两侧底部的二套滚
轮装置，放置在所述的炉门(1-3)两侧的所述的轨道(1-4)上；所述的炉门动力装置
为通过连接装置与所述的炉门(1-3)相连接的能控气缸，驱动所述的炉门(1-3)的
开、关。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金筒形件喷淋淬火设备，其特征在于：所述
的支撑转移系统(2)主要包括传动装置、主支撑结构(2-1)、防水装置(2-2)、支撑
系统动力装置；所述的传动装置主要由3根铁链组成，其一端连接在所述的主支撑
结构(2-1)上吊耳上，一端穿过所述的加热炉(1)顶部，通过相应的滚轮转换，连接

\t在支撑系统动力装置上，用于带动所述的支撑转移系统(2)做上下运动；所述的主
支撑结构(2-1)主要包括主体骨架(2-1-1)、三根支腿(2-1-2)，及连接在三根所述
的支腿(2-1-2)之间限制所述的支腿(2-1-2)运动的连杆(2-1-3)；所述的主体骨架
(2-1-1)成伞骨形腿，中间圆盘把三个伞骨形腿连接在一起，伞骨形腿上开有连接
传动装置(2-1)的吊耳及连接所述的支腿(2-1-2)的若干圆形通孔，为所述的防水装
置(2-2)提供安装支架；所述的支腿(2-1-2)为倒“7”字形，一端有托架便于支撑
筒形件，一端为叉形耳朵结构，便于利用销轴悬挂在所述的主支撑结构(2-1)上，
能沿筒形件径向摆动，以便于安装及移出筒形件；所述的防水装置(2-2)为锥形伞
布结构，蒙在所述的主支撑结构(2-1)上面，其外形尺寸小于所述的加热炉(1)内径
尺寸，用于筒形件喷淋淬火时的防水，防止水液冲入所述的加热炉(1)内部。
4.根据权利要求1或2所述的铝合金筒形件喷淋淬火设备，其特征在于：所述
的水槽(3)主要包括槽主体(3-1)、水槽导轨(3-2)、滚轮及水槽动力装置；所述的
槽主体(3-1)为顶面敞开的密闭容器，为所述的喷淋系统(4)和所述的旋转系统(5)
提供安放置空间及防水功能，所述的喷淋系统(4)和所述的旋转系统(5)安装在顶面
敞开的所述的槽主体(3-1)内；所述的滚轮置于所述的水槽(3)下方，所述的水槽主
体(3-1)通过其置于水平地面的所述的水槽导轨(3-2)上；动力装置为能控的气缸，
通过连接结构带动所述的水槽主体(3-1)水平移动，便于筒形件的入炉及出炉。
5.根据权利要求1或2所述的铝合金筒形件喷淋淬火设备，其特征在于：所述
的喷淋系统(4)主要包括内喷淋系统(4-1)、外喷淋系统(4-2)、供水底座(4-3)和水
泵；所述内喷淋子系统(4-1)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：易幼平，张玉勋，黄始全，王并乡，董非，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43