用于经过热处理的金属产品的喷淋淬火系统的制作方法

专利名称：用于经过热处理的金属产品的喷淋淬火系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属产品热处理过程中使用的喷淋淬火系统。
背景技术：
加工金属制品如钢管时，淬火或淬火与回火的冶金处理广泛地用 于硬化或硬化与提高韧性，以达到所需的不同于生产金属制品的原料 的冶金特性。在加热产品例如电感应加热之后进行淬火。开放式喷淋 淬火系统是一种类型的淬火系统，其用于提高金属制品的硬度和韧 性。当在生产线上以生产线的速度淬火如管、棒等长圆产品时，决定 这些处理产生的材料特性的一个重要参数是金属冷却速度，其通常必 须尽可能快以获得所需的结果。而冷却速度由在快速冷却加热的金属 零件的过程中使用的淬火剂的量确定。用于向加热的零件表面提供大 流量的水的传统装置有时称为淬火桶。典型的淬火桶是装配多个孔的 大直径整体式圆筒，在介质压力下淬火介质通过这些孔流出。当接触 到加热的金属零件时，淬火剂提供达到所需硬度必须的快速冷却。众 所周知固定位置的淬火环或槽淬火。该装置是空心的环，待淬火的零 件从中穿过。该装置包括多个等间距的孔或槽，其用作淬火流体的喷 嘴。槽淬火通常用于单一零件、小体积的应用，如感应硬化扫描器。
淬火系统必须能处理多种直径的产品。但是，现有的淬火桶和淬 火环具有固定的内直径。当具有不同直径的产品穿过这些固定直径的 装置时，由于喷嘴与产品之间的空隙不同，喷液碰撞产品的形状、喷 淋流速和喷淋压力产生变化。对于现有的淬火系统，当喷液从用于给
定喷嘴的产品反射时，反射的喷液能够干扰相邻喷嘴的喷液形状，并 减弱甚至破坏其效用。现有淬火系统的上述限制还能够导致在待淬火 的产品表面上形成蒸腾的蒸汽。这样形成了大大降低产品的冷却速度 的热蒸汽桶。
进一步地，在现有桶淬火系统中用于形成水注细小的"针孔"淬 火喷嘴限制可达到的有效喷淋量和压力。
此外，由于产品通常必须线性或旋转地移动穿过淬火装置，支撑 传送器滚轮相对于产品移动的轴倾斜。这样引起不同直径的产品沿不 同的中心线穿过常规的几何形状不变的淬火系统。
本发明的目标是克服上述现有喷淋淬火系统的局限性。

发明内容
一方面，本发明是用于喷淋淬火金属产品的装置和方法。至少一 个淬火环包括用于向金属产品喷射淬火剂的淬火剂填充室和出口 。淬 火环可以由两个相互连接的环形元件构成。相互连接的环形元件构成 用于向金属产品喷射淬火剂的淬火剂填充室和出口。调节两个相互连 接的环形元件的相对位置改变出口的形状和容积，从而改变来自出口 的喷液的压力、流速和/或形状。
在其他方面，本发明包括具有多个淬火环的用于喷淋淬火金属产 品的装置和方法，其中每一个淬火环包括用于向金属产品喷射淬火剂 的淬火剂填充室和出口 。每一个淬火环可以由两个相互连接的环形元 件构成。相互连接的环形元件构成用于向金属产品喷射淬火剂的淬火 剂填充室和出口 。调节两个相互连接的环形元件的相对位置改变出口 的形状和容积，从而改变来自出口的喷液的压力、流速和/或形状。 喷淋防护可以与一个或多个淬火环相连以防止来自相邻淬火环的反 射喷液对来自淬火环的淬火剂喷液的干扰。
本发明的上述和其他方面在说明书和权利要求书中进一步阐述。


结合附图阅读将更好地理解上述发明内容以及以下对本发明的 详细说明。为了说明本发明的目的，在附图中表示了目前优选的本发 明的示例性形式，但是本发明不限于在附图中公开的具体构造和装 置。
图1是本发明喷淋淬火系统中使用的一个淬火环的示例的立体图。
图2是本发明喷淋淬火系统使用的多个淬火环的示例的立体图。 图3是本发明喷淋淬火系统的两个淬火环的示例的剖面图。 图4是本发明喷淋淬火系统的三个淬火环的示例的剖面图。 图5是本发明喷淋淬火系统的两个淬火环的示例的剖面图，其中
一个淬火环具有伸出的喷淋防护。
图6是本发明喷淋淬火系统中的多个淬火环的示例的立体图，其
中多个淬火环连接到支撑结构。
具体实施例方式
在本发明的所有示例中，被热处理的工件90 (金属产品)沿图 中所示Z轴和箭头方向线性移动穿过一个或多个淬火环。在本发明的 一些示例中，随着工件移动穿过一个或多个淬火环，工件还可以绕Z 轴旋转。适当的机械装置，未在图中示出，如支撑滚轮用于推进工件 穿过淬火环。虽然工件90在图中表示为圆筒形管子或管道，但是本 发明可以用于不同形状的工件，例如但不限于矩形管。工件还可以包 括一系列的分散工件，如齿轮，其适用于安装在用于移动分散工件穿 过一个或多个淬火环的输送装置上。在淬火之前用于加热工件的加热 装置未在图中表示，但是这只作为示例并不作为限制， 一个或多个螺 线管电感应线圈可以围绕在工件的周围用于在交流电流流过一个或 多个线圈时感应加热工件。而且在一些构造中，加热装置可以在两个 或更多淬火环之间间隔放置。
参考图1，其中表示本发明喷淋淬火系统中使用的淬火环的一个 示例。在该示例中，淬火环包括相互连接的第一环形元件14和第二
环形元件16。在非限定性示例中，第二环形元件16可调节地插入第
一环形元件14，如图3、图4或图5所示，从而形成淬火环填充室 18和出口通道20。沿定义的中心轴Zr (图l)移动第一和/或第二环 形元件来增大或减小淬火环的出口通道的尺寸，从而改变来自出口通 道的喷液的压力、流速和/或形状。在本发明的该非限定性示例中， 一个或多个紧固件28用于控制第一和第二环形元件之间的间隔，从 而出口开口的形状和容量将随着间隔的变化相应地改变。由一个或多 个入口通道22从适当的源头向淬火环填充室提供淬火剂。在本发明 的该非限定性示例中，出口通道20是环形开口，通常为圆锥形，并 在工件90周围按大致锥形体360度地喷射淬火剂，如图3、图4或 图5中的典型流动体92 (部分表示为阴影区域)所示。虽然本示例 使用360度的圆锥形流动形状，但是本发明的其他示例可以使用由第 一和第二环形元件的特定构造确定的不同形状。例如， 一可选示例是 在工件周围的分段环状的圆锥形流动区域，其中分段的区域由挡板分 隔以在工件周围的一个和多个所选区域产生淬火剂流。例如，不同于 上述的360度的淬火剂流，淬火剂流可以是由分割挡板限定为工件周 围0-90度、180-270度的角形区域。在本发明的一些示例中，淬火 环的出口的形状和容积是固定的。
图2表示本发明喷淋淬火系统的另一示例。在该示例中，随着工 件90移动穿过淬火环，多个淬火环12a、 12b、 12c和12d环绕在工 件90的周围。每一个淬火环结构上类似于图1所示的淬火环。相邻 淬火环之间的距离ds可以由适当的装配结构独立调节以满足特定应 用的淬火条件。此外，每一个淬火环的中心轴L的位置可以由适当的 装配结构独立调节以满足特定应用的淬火条件。如上所述，在一些应 用中，当工件移动穿过一个或多个淬火环时，可以绕Z轴旋转。在该 结构中，随着工件穿过淬火环，扭力可以引起工件的中心轴的位置偏 离。移动淬火环是有益的，从而淬火环的中心轴跟随移动穿过淬火环 的工件偏离。图6示意性地表示适当的装配支撑结构30的非限定性 示例。支撑结构30包括支撑臂32a-32d和淬火环位置控制元件34。
支撑臂32a-2d分别将淬火环12a-12d连接到淬火环位置控制元件34。 每一个支撑臂的位置可以由控制元件34沿Z轴调节，以改变两个或 更多相邻淬火环之间的距离。在本发明的一些示例中，通过控制元件 34移动与X-Y平面中的一个或多个淬火环相连的支撑臂， 一个或多 个淬火环的中心轴的位置可以在X-Y平面中变化。控制元件34和支 撑臂可以由适当的执行机构驱动，该执行机构响应计算机处理控制器 的输出快速执行所需的一个或多个淬火环的位置变化。
图3说明本发明的喷淋淬火系统的另一示例。淬火环12e和12f 在结构上类似于图1所示的淬火环，并且包括喷淋防护24，喷淋防 护连接到淬火环的上游侧以偏转和散开反射的喷液体94 (部分如图 中的阴影部分所示)。喷淋防护的一个非限定性示例是环形的圆盘。 喷液体94代表来自体92的入射喷液反射离开工件的喷液的典型包络 面。在上游的淬火环释放淬火液之前偏转和消耗反射的喷液以防止反 射的喷液干扰上游的淬火环释放的淬火剂。例如，图4中从淬火环 12e释放的反射淬火剂由与上游淬火环12f相连的喷淋防护偏转，从 淬火环12f释放的反射淬火剂由与上游淬火环12g相连的喷淋防护偏 转。喷淋防护24可以永久固定到与其相连的淬火环的一侧，也可以 可调节地连接到与其相连的淬火环的一侧，如图5所示，其中一个或 多个偏移紧固件26用于偏置与淬火环12j相连的喷淋防护。该结构 在应用中具有优点，与适于在淬火环的一侧上直接安置喷淋防护相 比，可以更向下游地固定下游淬火环。根据淬火环和待加热工件的具 体细节，每一个喷淋防护的形状和位置可以改变。
在本发明的另一示例中，结合上述一个或多个本发明的示例，可 以调节单个淬火环的流量，以优化来自每一个淬火环的冷却液的分 布，从而匹配淬火速度与工件的批量冷却要求。例如，具有适当输入 和输出设备的计算机处理器可以用于实现以下淬火系统的一个或多 个调节(1)改变两个或更多淬火环之间的距离；(2)改变一个或 多个淬火环的中心线位置；(3)改变一个或多个喷淋防护的位置；
及(4)改变一个或多个淬火环的出口形状和容积，其中包括完全关
闭一个或多个淬火环的出口。这些淬火系统的调节可以根据穿过淬火 环的工件的批量冷却要求由处理器执行的计算机程序动态地实现。在 本发明的一些示例中，热成像例如红外热成像可以用于向控制系统提 供反馈数据以指示实时冷却结果。
在本发明的其他示例中，具有特定内直径的一个或多个淬火环可 以组装在模块中。模块可以结合上述的支撑结构。具有不同内直径的 淬火环和/或其他不同淬火系统零件的不同模块可以在热处理线上替 换，以适应不同尺寸的工件和/或具有不同批量冷却要求的工件。可 为每一个模块提供用于淬火剂和任何电和/或机械接口的快速连接。
在本发明示例中，只要元件形成淬火剂填充室和可调节的出口开 口，所示的第一和第二淬火环元件的具体形状可变化，而不脱离本发 明的范围。进一步地，不脱离本发明的范围，多于两个的环形元件(第 一和第二淬火环元件)可以实现上述发明的相同功能。在本发明的一 些示例中， 一个或多个淬火环可以构成具有可选铰链元件的可分离环 形组件，从而一个或多个淬火环可以在工件周围替换。
虽然在本发明的不同示例中表示了特定数量的淬火环，但是淬火 环的数量可以变化，而不脱离本发明的范围。进一步地，在特定的应 用中一个或多个淬火环可以与其他元件间隔放置，如用于工件的机械 支撑或传输元件，以及如感应加热装置的加热元件。在具有两个或更 多淬火环的结构中，每一个淬火环的出口容积可以独立地调整以形成 特定应用所需的独特的喷液量。
提供本发明的上述示例仅为了说明的目的，绝不视为限制本发 明。虽然已经参考各个实施例描述了本发明，但在此所使用的词语是 说明性和示意性的，而不是限制性的。虽然已经参考具体装置、材料 和实施例描述了本发明，但是本发明不受在此公开的细节限制，而且 本发明涵盖权利要求范围内的所有功能等同的结构、方法和用途。受 益于该说明书和权利要求的启示，本领域的技术人员可以对本发明做 出多种不脱离本发明范围的修改和变化。
权利要求
1、用于向穿过淬火环的工件喷射淬火剂的淬火环，所述淬火环包括具有至少一个外部开口的外环形元件，用于连接到淬火剂供给源；及至少部分插入所述外环形元件的内环形元件，以形成用于接收来自所述至少一个外部开口的淬火剂供给的淬火环填充室，所述内环形元件具有用于从所述填充室喷射淬火剂的出口通道，所述填充室和所述出口通道具有由内环形元件与外环形元件之间的可调间隔距离控制的可调容积。
2、 如权利要求1的淬火环，其中连接内和外环形元件的一个或多个紧固件控制内和外环形元件之间的可调间隔距离。
3、 如权利要求l的淬火环，其中出口通道包括具有锥形壁的环 形开口。
4、 如权利要求1的淬火环，其中出口通道包括一个或多个成角 度分段的锥形流动区域。
5、 如权利要求1的淬火环，进一步包括具有用于改变淬火环的 中心轴的位置的支撑结构。
6、 用于向穿过淬火环组件的工件喷射淬火剂的淬火环组件，所 述淬火环组件包括两个或更多个淬火环，两个或更多个淬火环中的每一个包括具有至少一个外部开口的外环形元件，用于连接到淬火剂供给源；及至少部分插入所述外环形元件的内环形元件，以形成用于接 收来自所述至少一个外部开口的淬火剂供给的淬火环填充室，所 述内环形元件具有用于从所述填充室喷射淬火剂的出口通道，所 述填充室和出口通道具有由内和外环形元件之间的可调间隔距离控制的可调容积；及 用于安装两个或更多个淬火环的支撑结构。
7、 如权利要求6的淬火环组件，其中支撑结构进一步包括用于 改变两个或更多个淬火环之间的距离的装置。
8、 如权利要求6的淬火环组件，其中支撑结构进一步包括用于改变两个或更多个淬火环中的至少一个的中心轴的位置的装置。
9、 如权利要求6的淬火环组件，其中淬火环组件包括模块。
10、 如权利要求6的淬火环组件，进一步包括与两个或更多个淬 火环中的至少一个的内或外环形元件的外部相连的喷淋防护，固定所 述喷淋防护以防止来自工件的反射喷液干扰从两个或更多个淬火环 中的至少一个喷射的淬火剂，反射喷液来自两个或更多个淬火环中的 相邻淬火环的出口通道。
11、 如权利要求10的淬火环组件，其中在两个或更多淬火环中 的至少一个的内或外环形元件的外表面可调节地放置喷淋防护。
12、 淬火工件的方法，所述方法包括步骤 使工件穿过包括外环形元件和内环形元件的淬火环，内和外环形元件相互间的距离可轴向调节，以限定在内和外环形元件之间形成的 填充室和可变容积的出口通道；向外环形元件中的开口提供淬火剂，所述开口与填充室连通；及从出口通道向工件的表面喷射淬火剂。
13、 如权利要求12的方法，进一步包括调节内和外环形元件之 间的距离以改变出口通道的容积的步骤。
14、 淬火工件的方法，所述方法包括步骤使工件穿过包括两个或更多个淬火环的淬火环组件，两个或更多 个淬火环中的每一个具有外环形元件和内环形元件，内和外环形元件 相互间的距离可轴向调节，以限定在内和外环形元件之间形成的填充室和可变容积的出口通道；向两个或更多个淬火环中的每一个的外环形元件中的开口提供淬火剂，所述开口与相连的淬火环的填充室连通；及从两个或更多个淬火环中的每一个的出口通道向工件的表面喷 射淬火剂。
15、 如权利要求14的方法，进一步包括步骤调节两个或更多 个淬火环中的至少一个的内和外环形元件之间的距离，以改变至少一 个淬火环的出口通道的容积。
16、 如权利要求14的方法，进一步包括步骤响应于穿过淬火 环组件的工件的批量冷却要求，动态地调节至少两个或更多个淬火环 中的至少两个相邻的淬火环之间的距离。
17、 如权利要求14的方法，进一步包括步骤响应于穿过至少 一个淬火环的工件中心轴的位置，动态地调节至少两个或更多个淬火 环中的至少一个淬火环的中心轴的位置。
18、 如权利要求14的方法，进一步包括步骤响应于穿过淬火 环组件的工件的批量冷却要求，动态地调节位于至少两个淬火环中的 一个淬火环的内或外环形元件之外的喷淋防护的位置，以偏转从两个 或更多个淬火环中的相邻淬火环的出口通道喷射出的淬火剂引起的 反射喷液。
19、 如权利要求14的方法，进一步包括步骤响应于穿过淬火 环组件的工件的批量冷却要求，动态地调节至少两个淬火环中的至少 一个的出口通道的容积。
20、 如权利要求14的方法，进一步包括步骤模块化地替代淬 火环组件。
全文摘要
本发明喷淋淬火系统具有一个或多个喷淋淬火环，其向穿过淬火环的工件喷射可控量的喷液。可以在适当的位置相对于待喷淋的工件相互独立地调节淬火环。提供反射喷淋防护以防止相邻淬火环之间的喷液干扰。淬火环出口的容积可以调节。提供控制器以优化来自淬火环的淬火冷却流的分布。以模块的形式提供每一组中的具有不同直径的淬火环组。
文档编号C21B7/10GK101379200SQ200780005024
公开日2009年3月4日 申请日期2007年2月8日 优先权日2006年2月8日
发明者保罗·F.·斯科特, 迈克尔·A.·诺伦 申请人:色玛图尔公司