用于大型复杂薄壁铝合金铸件的淬火装置及其使用方法
【专利摘要】本发明目的在于提供一套用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火过程中实现铸件快速均匀冷却，减少铸件变形和提高力学性能的装置。
【专利说明】用于大型复杂薄壁铝合金铸件的淬火装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一套用于实现大型复杂薄壁铝合金铸件淬火过程快速均匀冷却的装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]在航空航天、武器装备、汽车、船舶等领域，大型复杂薄壁铸件，尤其是大型复杂薄壁铝合金舱体、箱体铸件的需求和应用正越来越广泛。[0003]大型复杂薄壁铝合金铸件成型后一般都要进行后续热处理改性，目的是提高其强度、硬度、抗疲劳性能等。但由于结构复杂、薄壁、大型，且在热处理过程中因涉及加热、冷却、应力等多种因素综合作用，常常导致铸件变形严重，即使经过多道次的人工矫形，铸件合格率仍然较低，难以满足产品对优质、高精度铸件的设计要求。目前，国内针对大型复杂薄壁铝合金铸件热处理变形严重的问题也展开了相关研究，主要集中在优选淬火介质和淬火方式减小大型铸件淬火畸变、开展热处理后变形校正新工艺等方面，并取得了一定的效果，但是热处理后变形还是较大，不能满足尺寸精度要求。铸件淬火冷却方式对铸件性能和尺寸精度影响较大，设计合理的喷溅冷却系统，有助于实现铸件薄厚位置快速均匀冷却，提高铸件力学性能的同时减小变形量。
[0004]
【发明内容】
:
本发明目的在于提供一套用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火过程中实现铸件快速均匀冷却，减少铸件变形和提高力学性能的装置。
[0005]本发明的另一个目的在于提供一种上述装置用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火过程的方法。
[0006]本发明的目的是这样实现的，一种用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火的装置，其特征在于包括以下五个组成部分:底座支架、喷溅管组件、储水箱、集液盘和防护罩、智能控制系统，底座支架中心部位焊接一个中喷管安装平板；喷溅管组件分为外喷溅管组件和中喷溅管组件；集液盘主要用于汇集淬火后的介质，再通过液位阀控制回液水泵将介质抽回到储水箱；防护罩是能开启和关闭的挡板，将喷溅装置包围，防止淬火时水液四处喷溅。
[0007]优选地，底座支架总体为圆形，由圆钢焊接而成。
[0008]优选地，智能控制系统包括工艺参数设定模块、喷射介质匹配模块、动态解耦控制、介质控制、喷嘴与铸件动态控制部分，根据冷却介质配比与淬火速率关系建立冷却过程中的温度场模型，通过温度信号的反馈，控制介质的流量、温度和浓度等。
[0009]上述装置喷溅管组件设计原理:外喷溅管用于零件外表面喷溅，采用I寸镀锌管，根据铸件外形尺寸，按照每只喷嘴能覆盖的有效面积，同时考虑到零件上的厚壁凸台，每根喷管上设置实心喷嘴，外喷管分为左右两组喷管组，每组分别由3支长喷管和3支短喷管交错安装，每组固定在半圆型的支架上，每组喷管铰链在底座上，构成活动可分开的喷管组，方便零件的取放，长喷管设置喷嘴若干，短喷段设置喷嘴若干。中喷管用于零件内表面喷派，米用2寸镀锌管，根据内表面的面积和长度，中喷管轴向方向分别设置喷嘴若干，每根喷管上设置实心喷嘴，每组喷嘴径向均匀分布喷嘴若干。中喷管在与底座支架上可调节高度。
[0010]上述装置喷嘴能产生实心锥形喷雾形状，喷射区呈圆形，喷射角度在43°到120°之间可调。该类喷嘴能在大范围的流率和压力下产生分布均匀、液滴大小为中等到偏大的喷雾，喷雾能实现圆形区域内的全面积覆盖，这种均匀的喷雾形状分布来源于其独特的叶片设计和大而畅通的流道以及优良的控制特性。同时，其具有万向可调位置的球接头，方便控制喷嘴的喷射方向。
[0011]上述智能控制系统可以通过如下方法实现介质的流量、温度和状态自动控制。热电偶通过温度变送器、光耦隔离器，不断将冷却温度变化值传送给Α/D (模拟/数值)模块，并反馈给PLC (可控制逻辑编程器)主机。运用PID (比例微分积分调节器)指令，将给定的温控曲线与热电偶反馈信号进行PID运算后，输出控制信号经D/Α (数值/模拟)转换为模拟量，通过光耦隔离器、过零触发器作为SCR (可控硅整流器)的调节信号，此时比例阀则在D/Α模块控制下改变介质的流量，温度控制模块在双向可控硅控制下改变炉内温度，喷嘴则在介质控制模块下改变介质的状态，进而有效控制铸件冷却速率。
[0012]上述各管路系统设置有诸多阀门，PLC的中央处理器根据内部的控制程序可以实现对设备启动、各阀门开合的灵活、介质流量及状态控制，并由其输出端的LED信号灯表示输出控制的动作完成状态，执行相应的输出驱动，并记录系统参数曲线。
[0013]上述装置通过合理布置喷嘴位置、调控冷却介质的性能参数及不同的喷溅方式等，使铸件厚壁处、薄壁处及加强筋等不同部位冷速均匀，获得少变形的优质铸件。
[0014]本发明的另一个目的是这样实现的，一种大型复杂薄壁铝合金铸件淬火装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤:
第一步，在热处理温度精度控制在±5°C范围内的热处理炉中对大型复杂薄壁铝合金铸件进行固溶处理，加热到535±5 °C，保温12~14h ；
第二步，在储液箱中加热PAG水溶性聚合物淬火介质至35~40°C，借助行车将固溶后的铸件吊入喷溅冷却装置内，转移时间控制在15s以内；
第三步，通过PLC控制系统打开喷溅冷却装置进行铸件淬火处理，喷液水泵开始工作，装置开始喷液，水压可达0.05、.3MPa ；
第四步，热电偶监测铸件的温度，将温度变化值传送给A/D模块，通过光耦隔离器、过零触发器作为SCR的调节信号，通过比例阀随时控制介质的流量，储液箱控制介质的温度，喷嘴控制介质的状态；
第五步，回液水泵在液位阀的控制下，将集液盘中汇集淬火后的水抽回到储水箱，直至铸件温度冷却到80±5°C，持续时间25~35s ；
第六步，淬火结束，PLC控制系统自动操作电磁截止阀停止装置喷液，将铸件吊出。
[0015]本发明具有如下有益效果:
1、本发明装置自动化程度高，主要操作步骤如喷液，介质的流量、温度和状态控制，介质回液，停止喷液过程可通过PLC控制快速、精确完成，操作简便；主要的工艺参数如铸件温度、介质温度、水压、冷却速率在显示装置上均可生动显示，并输出温度曲线和冷却速率曲线，便于对淬火过程进行分析。
[0016]本装置能通过PLC控制系统精确控制介质的流量、温度、状态，根据铸件不同部位尺寸厚度提供不同的冷却速率，有利于铸件的快速均匀冷却，减少铸件的变形量，保证淬火
质量；
本装置配有回液水泵，能将集液盘中汇集的淬火介质抽回到储液箱中，使整个喷溅过程处于一个循环过程，提高淬火介质的利用率，节约了设备的投资；
本装置储液箱配有加热装置，能保证淬火介质在淬火过程中温度可以调节，通过控制淬火介质温度，提高铸件淬火后的精度和性能；
本装置的防护罩能将喷溅装置包围，防止淬火时水液四处喷溅，保证淬火过程现场干净，保证人身、设备安全；
该装置连续性强，工作效率高，避免过多的时间、物资损耗，推广应用价值较高，工业潜力巨大。
[0017]2、本发明工艺下的铸件在PLC控制的喷溅冷却装置中进行淬火处理，热电偶时刻监视铸件温度，反馈到控制系统，精确控制介质的流量、温度、状态，实现铸件的快速均匀冷却，保证了铸件的质量，达到了淬火要求，实现了批量生产，提高了生产效率。
[0018]对于大型薄壁复杂铝合金铸件来说，铸件尺寸薄厚位置不同，常规淬火工艺很难实现铸件不同位置的均匀冷却，造成铸件淬火后变形量严重，内部残余应力也很大，甚至会出现淬裂等情况。而本工艺则可以彻底解决上述问题，获得变形小、性能好的优质铸件，解决了困扰淬火领域多年的难题，服务于航空航天、汽车船舶以及国防相关领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1用于大型复杂薄壁铝合金铸件的喷溅淬火装置结构示意图；
图中:1.外喷管I组；2.中喷管；3.工件；4.热电偶；5.外喷管2组；6.电磁截止阀；7.压力变送器；8.比例阀；9.液位阀；10.集液盘；11.防护罩；12.回液水泵；
13.喷液水泵；14.储液箱；15.信号放大器；16.PLC控制装置；
图2底座支架结构示意图；
图3中喷管组件结构示意图；
图4长外喷管组件结构示意图；
图5短外喷管组件结构示意图；
图6液位阀控制示意图；
图中:当液位处于I号位置时，关闭回液水泵；当液位处于2号位置时,开启回液水泵； 图7防护罩示意图；
图8基于PLC编程的冷却控制系统原理图。
【具体实施方式】
[0020]实施例，本实施例以某大型复杂铝合金壳体铸件为应用对象，具体轮廓尺寸:高750mm,小端圆Φ286.5mm,大端矩形376.7mmX413.4mm,主体壁厚2.9mm,内腔多凸台、筋，材料:ZL114A。
[0021]操作步骤见
【发明内容】
。
[0022]主要工作参数如下:铸件固溶温度535±5°C;保温时间12~14h ;PAG水溶性聚合物加热温度35~40°C ;铸件转移时间15s以内；喷溅水压0.05、.3MPa ;淬火时间25~35s。
【权利要求】
1.一种用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火的装置，其特征在于包括以下五个组成部分:底座支架、喷溅管组件、储水箱、集液盘和防护罩、智能控制系统，底座支架中心部位焊接一个中喷管安装平板；喷溅管组件分为外喷溅管组件和中喷溅管组件；集液盘主要用于汇集淬火后的介质，通过液位阀控制回液水泵将淬火介质抽回到储水箱；防护罩是能开启和关闭的挡板，将喷溅装置包围，防止淬火时水液四处喷溅。
2.如权利要求1所述用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火的装置，其特征在于:底座支架总体为圆形，由圆钢焊接而成。
3.如权利要求1或2所述用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火的装置，其特征在于:智能控制系统包括工艺参数设定模块、喷射介质匹配模块、动态解耦控制、介质控制、喷嘴与铸件动态控制部分，根据冷却介质配比与淬火速率关系建立冷却过程中的温度场模型，通过温度信号的反馈，控制介质的流量、温度和状态等。
4.如权利要求1或2或3所述用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火的装置，其特征在于:所述智能控制系统通过如下方法实现介质的流量、温度和状态自动控制，热电偶通过温度变送器、光耦隔离器，不断将冷却温度变化值传送给Α/D模块，并反馈给PLC主机；运用PID指令，将给定的温控曲线与热电偶反馈信号进行PID运算后，输出控制信号经D/Α转换为模拟量，通过光耦隔离器、过零触发器作为SCR的调节信号，此时比例阀则在D/Α模块控制下改变介质的流量，温度控制模块在双向可控硅控制下改变炉内温度，喷嘴则在介质控制模块下改变介质的状态，进而有效控制铸件冷却速率。
5.如权利要求1所述用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火的装置，其特征在于:外喷溅管用于零件外表面喷溅，采用I寸镀锌管，根据铸件外形尺寸，按照每只喷嘴能覆盖的有效面积，同时考虑到零件上的厚壁凸台，每根喷管上设置实心喷嘴，外喷管分为左右两组喷管组，每组分别由3支长喷管和3支短喷管交错安装，每组固定在半圆型的支架上，每组喷管铰链在底座上，构成活动可分开的喷管组，方便零件的取放，长喷管设置喷嘴若干，短喷段设置喷嘴若干。
6.如权利要求1所述用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火的装置，其特征在于:中喷管用于零件内表面喷溅，采用2寸镀锌管，根据内表面的面积和长度，中喷管轴向方向分别设置喷嘴若干，每根喷管上设置实心喷嘴，每组喷嘴径向均匀分布喷嘴若干，中喷管在与底座支架上可调节高度。
7.如权利要求5-6所述用于大型复杂薄壁铝合金铸件淬火的装置，其特征在于所述喷嘴喷射角度在43°到120°之间可调。
8.—种权利要求1-7所述大型复杂薄壁铝合金铸件淬火装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤: 第一步，在热处理温度精度控制在±5°C范围内的热处理炉中对大型复杂薄壁铝合金铸件进行固溶处理，加热到535±5°C，保温12~14h ； 第二步，在储液箱中加热PAG水溶性聚合物淬火介质至35~40°C，借助行车将固溶后的铸件吊入喷溅冷却装置内，转移时间控制在15s以内； 第三步，通过PLC控制系统打开喷溅冷却装置进行铸件淬火处理，喷液水泵开始工作，装置开始喷液，水压可达0.05、.3MPa ； 第四步，热电偶监测铸件的温度，将温度变化值传送给A/D模块，通过光耦隔离器、过零触发器作为SCR的调节信号，通过比例阀随时控制介质的流量，储液箱控制介质的温度，喷嘴控制介质的状态； 第五步，回液水泵在液位阀的控制下，将集液盘中汇集淬火后的水抽回到储水箱，直至铸件温度冷却到80±5°C，持续时间25~35s ； 第六步，淬火结束，PLC控 制系统自动操作电磁截止阀停止装置喷液，将铸件吊出。
【文档编号】C21D1/667GK103468893SQ201310302044
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】陈强, 黄志伟, 唐全波, 宁海青, 舒大禹, 夏祥生, 黄树海, 赵志翔 申请人:中国兵器工业第五九研究所