专利名称：数字化控制变速冷却淬火技术的降温装置的制作方法
技术领域：
一种材料科学变速冷却淬火技术的降温装置二、背景技术热处理是提高材料强韧性并获得特殊使用性能的关键手段之一，材料淬火中只在开始阶段需要急冷，当组织转变完成后，如继续受急速冷却将导致内应力的产生，材料潜在的变形及开裂的倾向很大。在获得所需材料性能的前提下应尽可能采用较缓和的冷却介质，控制冷速可显著减小内应力及变形量，以实现按某种理想的冷却曲线进行冷却就成为了人们热衷研究的课题。
变冷却速度淬火一直是热处理工艺实施中的一个难题，主要是因为人们找不到一种理想的冷却介质，它即应具有较高的淬火冷却速度，又不至于形成太大的淬火应力，并可实现对工件冷却速度的连续可控。为了获得近于理想冷却速度的效果，在生产实际中大多采用双液淬火和多液淬火的方法，根据工件使用材料、大小、形状、型腔结构复杂程度等的差异，凭经验来控制工件在第一种冷却液中的冷却程度进行淬火。存在多介质冷却在控制冷却上的人为因素影响较大，工艺重复精度较低，再加上处理工件材料的多样性、单一介质中冷却对理想冷却曲线偏离太大，导致淬火质量不稳定，工件的变形及开裂等现象时有发生。可以认为现有的技术状况还处于比较粗放控制的阶段。
《武钢技术》2003年第41卷第1期在科研与生产专栏中报道武钢向德国LOI工业炉公司引进的辊式炉一淬火机组是目前国际最先进的成套热处理设备，使钢板在3个高压喷淋段和2个低压冷却段进行控制淬火冷却，由水泵和控制阀确定水压及流速，此外还涉及上下两个喷嘴缝隙的出水宽度(用不同的金属带调整)、喷嘴角度、喷嘴与钢板的间距、高低压段开闭段数、上水量/下水量比例及总水量、钢板通过冷却段的速度等多个调节参数。其控制冷却的过程就是将低压水串入高压系统，调节高压阀出水量和钢板通过淬火机的速度，使钢板获得合适的冷却速度以提高强度。由于涉及调节的参数多，工艺比较复杂，对一定钢种及产品的试验投入大，成本高，适合于大批量、产品相对固定、产品尺寸相对较大的场合，如大型轧钢厂。
《物理测试》1993年第2期报道了哈尔滨焊接研究所研制出一种淬火能力达500℃/s以上的液氮淬火装置，只产生一种冷却速度从高温急剧冷却到较低的温度，旨在进行高温固态相变的研究。其工作原理是淬火前将液氮充入带许多小孔的螺线管内液化管内气体，当需要淬火时，接通控制阀，将管内的液氮吹入真空室喷向试样，实现快速淬火。这是一个相当好的尝试，如果研制者能较准确地调控喷向试样或工件的液体温度及流量，应也能实现变速淬火，但该装置涉及真空室、液氮向螺线管的导入、控制流速的液压传动、管路压力等多个参数，同样存在实用材料工艺探索上投入力度会过大，成本较高的问题。因该装置只针对高温固态相变的研究，所以他们完全可以定性地评价“可认为有相当的流速”或“可以认为有足够的冷却能力冷却试样”。
据2002年第4期的《机械工人(热加工)》介绍，Ipsen公司开发研制了淬火效率极佳且适合于进行真空炉及可控气氛炉处理后复杂零件淬火的气体淬火室，可提供四种气体压力及多种气体介质如氮气、氦气、氩气和混合气，来替代油淬，提出气体淬火具有比液体恒定的导热率，淬火硬度不会受到工件表层蒸汽膜的影响而出现各批零件甚至同一零件各部分在硬度上的不均匀。此种装置主要针对高合金钢。
多数淬火装置都采用了喷嘴喷射的形式，如西安重型机械研究所与西北工业大学于2001年在《重型机械》第3期中介绍的100MN双动铝型材挤压机组输出系统的联合淬火装置。铝型材通过一个可升降的初始出料滚道输出。在平等于压机出料方向的型材宽度方向上、下交替排布着缝隙状喷嘴，可以看出此装置的关键在于使型材上、下表面获得相同的喷射水量即相同的冷却速度，以保证能很好地控制不同厚度型材淬火后的变形程度与表面质量。它欲调整与控制的参数众多，如上下部喷嘴的缝隙大小比例和排列分布、喷嘴与型材的间距、喷射水密度等。为了减少变形，他们在联合淬火装置的旁边布置了空气冷却喷嘴，不仅增加的喷嘴的数量，还采用了交错布置以避免不同喷嘴间的相互干涉，为了获得均匀的喷嘴分布压力，又采用了不同的风机，整个装置极其复杂，适合于大批量连续生产的状况。
以上所提到的装置都有一个共同的特点多围绕着设计喷嘴喷射液体或气体的形式，属于针对单一产品设计的、适合于大批量、大尺寸、产品类型相对稳定的大型专用淬火装置，涉及调控的参数众多且复杂，投入大，且资料中均未涉及数字控制方法及数据处理功能。显然，对科学研究的多种材料、多种工艺、小尺寸试件不适合。
三
发明内容
本实用新型的目的是提供一种数字化控制变速冷却淬火技术的降温装置，利用机电一体化技术及计算机技术，对材料工件淬火时的降温速度进行数字化控制，解决热处理过程中材料冷却速度可以按设定的冷却曲线进行控制的问题，达到获得所期望的材料组织状态及性能的目的。为材料加工学科提供了一种研究设备。
图1、2为本装置组成结构图，包括机架1、滑车2、加热炉3、淬火介质容器4、气缸安装支架5、电器箱支架6、气缸7、上输气管8、下输气管9、电磁换向阀10、供气管11、显示器12、上位计算机13、电缆14、可编程控制器15、热电偶数据处理模块16、电器控制箱17、夹具18、过渡杆19、导线21、热电偶22。滑车2安装在机架1上，且可以按前后方向滑动，加热炉3和淬火介质容器4放置在滑车2上，可以随滑车移动，气缸安装支架5、电器箱支架6都用螺栓固定在机架1上，气缸7、电磁换向阀10用螺栓固定在气缸安装支架5上，气缸7与电磁换向阀10之间用上输气管8、下输气管9连接，供气管11接到气源上，上位计算机13与可编程控制器15用电缆14连接，热电偶数据处理模块16与热电偶22用导线21连接。可编程控制器15与热电偶数据处理模块16都安装在电器控制箱17中，电器控制箱17用螺栓固定在电器箱支架6上，夹具18用螺纹连接在气缸7的活塞杆的一端，过渡杆19-头被夹具18夹持住，另一头与工件A紧连接，热电偶22固定在工件A的小孔中。
本实用新型的工作过程打开电器控制箱17面板上的电源开关，启动加热炉3、并让加热炉3的温度升到设定值，用气缸7将工件送入加热炉3，对工件进行加热，工件加热的同时，通过上位计算机13输入降温参数程序，在数字化控制变速冷却淬火技术中，降温参数是由一组数字代替的，数字的变化代表了降温曲线的变化，工件在加热炉3中被加热到需要的温度后，气缸7再将工件提出加热炉3，移动滑车2，让装有淬火介质的容器4处于工件的下方，按下电器控制箱13上的程序启动按钮，气缸7将在可编程控制器15的控制下，按照设定好的程序进行循环运动，一个运动循环的4个步骤为①工件下降-②在淬火介质中停留-③工件上升-④在空气中停留，降温参数程序主要是控制气缸在上下两个位置的停留时间和循环次数，由于工件在空气中和在冷却介质中的冷却速度不同，通过改变在两种介质中的停留时间的匹配，可以得到变速冷却曲线；气缸7的往复运动是由电磁换向阀10控制换向的，来自空压机的压缩空气，从气管11进入电磁换向阀10，电磁换向阀10在可编程控制器15的控制下，把压缩空气送入上输气管8、或下输气管9，从而决定气缸活塞是向上还是向下运动，热电偶22根据设定好的采样时间，不断地对工件的温度变化进行采样，热电偶数据处理模块16将温度变化的电信号转变为数字信号后，经可编程控制器15传给上位计算机13，在上位计算机13中对温度变化的数据进行储存和处理，并由上位计算机13绘制温度变化曲线，显示器10，可以对整个过程进行实时监控。
本技术与现有技术相比具有的优点及积极效果1、对淬火时的降温冷却过程进行程序控制，可以通过调整程序参数的方法来改变降温曲线，可靠性高、重复性较好、灵活性好。
2、在金属材料热处理学科中，按照设计的冷却曲线对材料进行冷却，具有很高的重复精度，这对材料结晶过程的研究，材料组织性能的研究都是具有非常积极的效果。
3、用机电液(气)一体化设备，对材料淬火时的降温速度进行数字化控制，以设备方面的优势，介入到材料学科领域，将促进材料科学研究的进一步发展。
四
图1是主视图，图中1是机架、2是滑车、3是加热炉、4是淬火介质容器、5是气缸安装支架、6是电器箱支架、7是气缸、8是上输气管、9是下输气管、10是电磁换向阀、11是供气管；图2为左视图，图中12是显示器、13是上位计算机、14是通讯电缆、15是可编程控制器、16是热电偶数据处理模块、17是电器控制箱、18是夹具、19是过渡杆、21是导线、22是热电偶、A是材料工件；图3是实施例的组成结构立体图，图中23是电磁铁。
五具体实施方式
图3为磁场淬火试验装置，该装置为一套对材料淬火组织性能进行研究的专用装置，在加热炉3的左右两边设置两块电磁铁23，两块电磁铁分别固定在机架1上，要求材料在电磁铁形成的磁场中淬火时，能按照科研人员的设计曲线进行冷却，在图3中试件A是处于磁场中在加热炉3中被加热，达到淬火温度时，气缸7将试件向上提起，试件提出加热炉3后，移动滑车2向前滑动，将装有淬火液的容器4移动到试件的下方，试件A又处于磁场中淬火，按下控制箱17上的启动按钮，试件则在气缸7的带动下按照设定好的程序进行循环。(①工件下降-②在淬火介质中停留-③工件上升-④在空气中停留)通过循环，对工件进行不同介质、不同时间的冷却，同时控制箱17中的温度测量、记录模块对试件的温度变化进行实时记录，并自动进行数据处理。
权利要求1.一种数字化控制变速冷却淬火技术的降温装置，其特征在于装置包括机架(1)、滑车(2)、加热炉(3)、淬火介质容器(4)、气缸安装支架(5)、电器箱支架(6)、气缸(7)、上输气管(8)、下输气管(9)、电磁换向阀(10)、供气管(11)、显示器(12)、上位计算机(13)、电缆(14)、可编程控制器(15)、热电偶数据处理模块(16)、电器控制箱(17)、夹具(18)、过渡杆(19)、导线(21)、热电偶(22)，滑车(2)安装在机架(1)上，且可以按前后方向滑动，加热炉(3)和淬火介质容器(4)放置在滑车(2)上，可以随滑车移动，气缸安装支架(5)、电器箱支架(6)都用螺栓固定在机架(1)上，气缸(7)、电磁换向阀(10)用螺栓固定在气缸安装支架(5)上，气缸(7)与电磁换向阀(10)之间用上输气管(8)、下输气管(9)连接，供气管(11)接到气源上，上位计算机(13)与可编程控制器(15)用电缆(14)连接，热电偶数据处理模块(16)与热电偶(22)用导线(21)连接，可编程控制器(15)与热电偶数据处理模块(16)都安装在电器控制箱(17)中，电器控制箱(17)用螺栓固定在电器箱支架(6)上，夹具(18)用螺纹连接在气缸(7)的活塞杆的一端，过渡杆(19)一头被夹具(18)夹持住，另一头与工件A紧连接，热电偶22固定在工件A的小孔中。
2.根据权利要求1所述的数字化控制变速冷却淬火技术的降温装置，其特征在于在加热炉3的左右两边设置两块电磁铁(23)，两块电磁铁分别固定在机架(1)上。
专利摘要本实用新型涉及一种数字化控制变速冷却淬火技术的降温装置，其包括机架、滑车、加热炉、淬火介质容器、气缸、输气管、电磁换向阀、显示器、上位计算机、可编程控制器、热电偶数据处理模块、热电偶等部分。须淬火的材料在机械部分控制下，在不同的淬火介质，不同的时间进行冷却，按照设定好的程序由计算机控制进行循环，热电偶根据设定好的采样时间，不断地对工件的温度变化进行采样，经可编程控制器传给计算机，在计算机中对温度变化的数据进行储存和处理，对材料工件淬火时的降温速度进行数字化控制，并绘制出接近实际的冷却曲线，解决热处理过程中材料冷却速度可以按设定的冷却曲线进行控制的问题，达到获得所期望的材料组织状态及性能的目的。
文档编号C21D11/00GK2806497SQ20052002262
公开日2006年8月16日 申请日期2005年7月29日 优先权日2005年7月29日
发明者周晓玲, 周荣, 蒋业华, 李增 申请人:昆明理工大学