[发明专利]复杂空间曲面点式移动感应加热淬火装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料热处理技术领域，特别是涉及一种利用感应加热并采取适当冷却方式对复杂空间曲面进行表面强化的淬火方法。

背景技术

目前，具有复杂空间曲面的零件越来越多，如：用于金属薄板冲压成形的拉深模、弯曲模、用于铸造成形的金属模和用于塑料成型的注塑模、挤塑模、吹塑模等模具的型面以及船用推进器、航空航天器零件等。随着多轴联动数控加工机床的普遍应用，表面加工精度也越来越高。为了提高这些零件的工作性能和使用寿命，通常要对其进行强化处理，使其心部具有较高的抗冲击性能，而表面具有高的硬度和耐磨性。

在现有的工艺技术中，对于这类零件的强化处理方法有：

（1）整体热处理。其缺点是难于实现零件心部和表面的差异化强化目的，而且由于其复杂的空间曲面易造成应力集中而开裂。

（2）火焰加热表面热处理。由于火焰加热属于外热源加热，温度场难以实现均匀化且加热过程缓慢，会造成软点或者烧损、氧化现象同在的现象。

（3）激光加热表面热处理。其主要缺点在于高的能量密度会造成表面熔融或加热层不足两种极端情况的发生。一般为了控制熔融或烧损，强化层深度只能控制在0.2mm以下，难于适应淬硬层达到1-3mm的质量要求。

（4）化学热处理。采用渗碳、渗氮或氮碳共渗等方法，这种方法需要对被加工零件进行整体加热对于较大型的零件难以控制表面强化质量。

（5）表面涂覆强化技术。表面涂覆由于需增加一层涂层厚度会造成零件已加工精度的变化，部分零件涂层难以满足机械性能要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种复杂空间曲面点式移动感应加热淬火装置及方法，以解决现行表面强化技术在处理具有复杂空间曲面类零件时存在的问题和不足。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的复杂空间曲面点式移动感应加热淬火装置，其主要由装在机架上的数控系统、五轴伺服机构，以及受五轴伺服机构驱动的感应加热器、冷却液喷头组成，其中：感应加热器和冷却液喷头沿零件的复杂空间曲面作三维连续移动；在感应加热器中通入由感应电源提供的感应电流，将零件表面加热至奥氏体转变温度后，从冷却液喷头中喷出冷却介质对零件表面进行冷却，实现零件表面的淬火强化处理；感应电源和冷却介质储存和供给装置的开关受数控系统控制。

所述感应加热器是用紫铜管焊制而成，单匝形式，外形为圆形或方形，中空通冷却水。

所述感应加热器与感应电源之间采用同轴电缆连接，感应电源提供的是10-40KHz感应电流。

所述冷却液喷头由紫铜圆管或不锈钢圆管制成，中空通冷却液介质；该冷却液喷头与冷却介质储存和供给装置之间采用中空金属软管连接，当冷却介质储存和供给装置开启时，冷却液喷头将冷却液喷洒至被处理零件的已加热表面上。

所述五轴伺服驱动机构，由分别在X轴、Y轴、Z轴、A轴和C轴五个方位上的伺服机构组成，其中：X轴、Y轴、Z轴分别指的是安装在机架上的前后、左右以及上下三个方向的直线移动轴，A轴和C轴分别为支撑架的垂直面和水平面上的两个回转轴。

所述X轴、Y轴和Z轴伺服机构分别由X伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机为动力，并分别通过与之连接的减速器、滚珠丝杠带动支撑架作左右运动、工作台作前后运动、以及横梁作上下直线运动，A轴和C轴分别由A轴伺服电机、C轴伺服电机联接减速器作回转运动，其中C轴伺服机构安装在支撑架上，A轴伺服机构安装在C轴伺服机构输出端上；A轴输出端上装有夹头，该夹头与感应加热器和冷却液喷头固定相连。

本发明提供的复杂空间曲面点式移动感应加热淬火方法，具体是：根据被处理零件的材料品种和热处理性能，对不同的零件所要求的淬硬层深度、表面硬度，在零件表面作三维点式连续移动，通过零件表面加热并冷却过程实现零件表面的淬火强化处理；整个淬火强化处理过程是由上述复杂空间曲面淬火装置完成。

本发明提供的方法包括以下步骤：

A.准备工作：

当需要对具有空间复杂曲面的零件进行表面淬火强化处理时，操作者先根据淬硬层深度预置感应电源的频率参数并调整冷却介质储存和供给装置中的冷却介质种类，然后根据零件曲面几何参数、材料种类以及强化要求，向数控系统输入程序，进行加热温度和冷却速度与感应加热器和冷却液喷头的移动速度、移动路径及距离的匹配。

B.对零件表面的淬火强化：