CN106636580B - 一种热处理实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热处理实验装置，属于材料热处理及性能测试领域。本发明所述装置主要由多个加热炉及支撑并带动加热炉沿主轴旋转的转动机构、淬火工作台、正火工作台、末端淬火工作台、炉体支撑旋转机构、炉体、循环冷却系统、气氛保护系统构成，在主轴带动下炉体可转动致设定的工作台上方，同时在炉体转动机构带动下炉体可做90°旋转，完成试样由加热炉内到油淬、水淬、正火、末端淬火的过程，替代了传统手工操作，从而杜绝手工操作带来的危险及测量误差，本发明连接的上位机安装有人工智能软件，可对所设置实验参数进行评估判断、及实验结果预测，并可通过虚拟实验室模拟本机操作过程，减少操作过程误操作。本发明实验教学应用前景广泛，同时本装置还具有操作简单、高效、安全、节水等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种热处理实验装置，属于材料热处理及性能测试领域。
背景技术
金属热处理是机械制造过程中重要工艺之一，热处理质量的好坏直接决定了工件的产品质量及使用性能，为此热处理工艺实验教学是材料、机械类学生必修课程之一。材料热处理按工艺不同具体分为：正火处理、退火处理、淬火、固溶热处理、时效等处理方式，其处理过程均需要对试样进行加热并保温操作，长期以来各大专院校热处理实验均采用箱式炉或坩埚炉加热试样，存在加热过程能耗大，实验过程学生涉及高温操作等问题。在国家大力推广节能环保的大背景下，开发低能耗、高效、安全、一机多能的实验教学设备已成为各大专院校及实验教学设备厂家的研究重点。
末端淬火法测定刚的淬透性也称为端淬法，该法为乔迈奈等于1938年建议采用的，因而国外常称为Jominy端淬法．由于该法简便可靠故被许多国家用作标准的淬透性试验，但其实验方法一直沿用炉体加热后手动放入支架淬火模式，操作速度的快慢直接影响测试精度，为此减少并恒定试样出炉后操作时间对于提高测试精度，保证产品质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热处理实验装置，包括冷却水箱1、机体2、水淬网兜3、炉体转轴5、炉门6、涡轮蜗杆机构7、炉体8、炉体电机9、炉体支架10、主轴11、保护气氛入口12、热电偶入口13、末端淬火试样支架15、油淬网兜17、淬火油池18，控制器19、冷却水入口20、冷却水出口21、炉体支架电机22；
机体2的下面设有冷却水箱1，机体2的上面设有炉体支架电机22和涡轮减速器，炉体支架电机22与涡轮减速器连接，涡轮减速器的输出轴与主轴11连接，主轴11通过法兰盘与炉体支架10连接；炉体支架10通过轴承与轴承座与炉体转轴5连接，炉体转轴5位于炉体8的两侧，炉体转轴5与炉体8为一个整体，炉体支架电机22带动炉体8沿主轴11在水平面上转动；炉体转轴5上安装有蜗轮蜗杆机构7，蜗轮蜗杆机构7中的蜗杆与炉体电机9连接，通过炉体电机9带动炉体8在竖直方向上转动；机体2上分别设有水淬网兜3、末端淬火试样支架15、淬火油池18，水淬网兜3、末端淬火试样支架15、淬火油池18分布在以主轴11为圆心，主轴11与炉体转轴5垂直距离为半径的圆周上；
炉体8的前端设有炉门6，后端有热电偶入口13与保护气氛入口12，热电偶通过热电偶入口13插入炉体内部，保护气氛存储装置通过保护气氛入口12与炉体连通；水箱1设置冷却水入口20、冷却水出口21、冷却水入口20、冷却水出口21通过管道与外部循环水冷却系统连接；
所述控制器19控制炉体8内温度、保温时间以及炉体8的运动，同时还控制冷却水和保护气体的通入。
优选的，本发明所述炉体8的数量为1个或多个，多个炉体的放置方式为环形或并列放置。
优选的，本发明所述炉体8包括炉外壳、保温层、耐火层、炉胆，炉外壳的内部设有耐火层，耐火层和炉外壳之间设有保温层；炉胆固定于炉体的中部，炉胆上装有发热体，发热体通过电源接线端子与电源连接。
优选的，本发明所述水淬网兜3下端放置在冷却水箱1水平面以下位置，其要求为淬火试样落入水淬网兜3后全部浸泡于淬火液中。
优选的，本发明所述淬火油池18内放置油淬网兜17以方便取出试样，淬火油池18下端放置在冷却水箱1水平面以下位置，其要求为淬火油池18油平面低于冷却水箱1水平面，利用冷却水对淬火油池18冷却，避免淬火油池18升温过高。
优选的，本发明所述机体2上设有水淬顶杆4、末端淬火顶杆14，油淬顶杆16，水淬顶杆4位于水淬网兜3的上面，末端淬火顶杆14位于末端淬火试样支架15的上面，油淬顶杆16位于淬火油池18的上面，水淬顶杆4、末端淬火顶杆14，油淬顶杆16上均设有位置传感器。
优选的，本发明所述末端淬火试样支架15下端依据GB235—2006《钢淬透性的末端淬火试验方法》要求设置淬火液喷水口，喷水口通过管道连接分流器，分流入水口接于冷却水入口20，调节分流器可使淬火液流量达到标准规定。
优选的，本发明所述外部循环水冷却系统为外部循环制冷设备，其工作介质为水。
更换淬火油池18内的冷却介质油可实现不同冷却介质淬火过程，本发明所述装置可用于水淬处理、油淬处理、末端淬火处理、正火处理、退火处理、固溶处理或时效处理。
本发明的另一目的在于提供所述热处理实验装置的使用方法：装入试样，通入保护气氛，对炉体8进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后，炉体支架电机22带动炉体8转动到相应的处理工位（水淬，末端淬火，油淬、正火、退火、固溶处理、时效处理）后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，打开炉门，工件在重力作用下落入相应的处理工位，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成热处理过程，上述过程有控制器实现自动化控制，控制方法为常规方法。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述装置在测试过程中采用计算机程序控制，在进行末端淬火实验可减少测试过程中人工操作造成的误差，使测试结果准确可靠，同时本装置还具有操作简单、高效、安全、节水等特点。
（2）本发明所述装置集成了炉体、炉体控制、保温时间控制、气氛保护，淬火设施、水压控制、水温控制等系统，极大的提高了末端淬火实验的准确性，减少了劳动强度；实验仪具有安全、性能稳定、容易操作等优点。
（3）本发明所述装置代替传统的末端淬火实验，避免了实验过程手动高温操作，使实验更为安全，同时测试过程中节约了珍贵的水资源。
（4）本发明所述装置可单炉工作，也可多个炉体按程序工作，提高了工作效率。仪可消除测试过程中人工操作误差，极大提高测试精度及测试效率，避免测试过程高温操作，并可节约宝贵水资源。
附图说明
图1为本发明的结构示意图Ⅰ。
图2为本发明的结构示意图Ⅱ。
图3为本发明末端淬火实验工位示意图。
图4为本发明水淬、退火、固溶处理、时效处理工位示意图。
图5为本发明油淬、正火工位示意图。
图中：1-水箱；2-机体；3-水淬网兜；4-水淬顶杆；5-炉体转轴；6-炉门；7-涡轮蜗杆机构；8-炉体；9-炉体电机；10-炉体支架；11-主轴；12-保护气氛入口；13-热电偶入口；14-末端淬火顶杆；15-末端淬火试样支架；16-油淬顶杆；17-油淬网兜；18-淬火油池，19-控制器；20-冷却水入口；21-冷却水出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述热处理实验装置，包括冷却水箱1、机体2、水淬网兜3、炉体转轴5、炉门6、涡轮蜗杆7、炉体8、炉体电机9、炉体支架10、主轴11、保护气氛入口12、热电偶入口13、末端淬火试样支架15、油淬网兜17、淬火油池18，控制器19、冷却水入口20、冷却水出口21、炉体支架电机22；机体2的下面设有冷却水箱1，机体2的上面设有炉体支架电机22和涡轮减速器，炉体支架电机22与涡轮减速器连接，涡轮减速器的输出轴与主轴11连接，主轴11通过法兰盘与炉体支架10连接；炉体支架10通过轴承与轴承座与炉体转轴5连接，炉体转轴5位于炉体8的两侧，炉体转轴5与炉体8为一个整体，炉体支架电机22带动炉体8沿主轴11在水平面上转动；炉体转轴5上安装有蜗轮蜗杆机构7，蜗轮蜗杆机构7中的蜗杆与炉体电机9连接，通过炉体电机9带动炉体8在竖直方向上转动；机体2上分别设有水淬网兜3、末端淬火试样支架15、淬火油池18，水淬网兜3、末端淬火试样支架15、淬火油池18分布在以主轴11为圆心，主轴11与炉体转轴5垂直距离为半径的圆周上；炉体8的前端设有炉门6，后端有热电偶入口13与保护气氛入口12，热电偶通过热电偶入口13插入炉体内部，保护气氛存储装置通过保护气氛入口12与炉体连通；水箱1设置冷却水入口20、冷却水出口21、冷却水入口20、冷却水出口21通过管道与外部循环水冷却系统连接；
所述控制器19控制炉体8内温度、保温时间以及炉体8的运动，同时还控制冷却水和保护气体的通入。
本实施例所述炉体8包括炉外壳、保温层、耐火层、炉胆，炉外壳的内部设有耐火层，耐火层和炉外壳之间设有保温层；炉胆固定于炉体的中部，炉胆上装有发热体，发热体通过电源接线端子与电源连接。
本实施例所述水淬网兜3下端放置在冷却水箱1水平面以下位置，其要求为淬火试样落入水淬网兜3后全部浸泡于淬火液中。
本实施例所述淬火油池18内放置油淬网兜17以方便取出试样，淬火油池18下端放置在冷却水箱1水平面以下位置，其要求为淬火油池18油平面低于冷却水箱1水平面，利用冷却水对淬火油池18冷却，避免淬火油池18升温过高。
本实施例所述机体2上设有水淬顶杆4、末端淬火顶杆14，油淬顶杆16，水淬顶杆4位于水淬网兜3的上面，末端淬火顶杆14位于末端淬火试样支架15的上面，油淬顶杆16位于淬火油池18的上面，水淬顶杆4、末端淬火顶杆14，油淬顶杆16上均设有位置传感器。
优选的，本发明所述末端淬火试样支架15下端依据GB235—2006《钢淬透性的末端淬火试验方法》要求设置淬火液喷水口，喷水口通过管道连接分流器，分流入水口接于冷却水入口20，调节分流器可使淬火液流量达到标准规定。
更换淬火油池18内的冷却介质油可实现不同冷却介质淬火过程，本发明所述装置可用于水淬处理、油淬处理、末端淬火处理、正火处理、退火处理、固溶处理、时效处理，具体实施过程如下：
实施方式一
本实施例所述装置用于水淬操作：
装入试样，通入保护气氛，对炉体8进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后，炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到水淬工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入水淬网兜3内完成淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成水淬过程（如图4所示）。
实施方式二
本实施例所述装置用于油淬操作：
装入试样，通入保护气氛，对炉体8进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后，炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到油淬工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入淬火油池18内完成淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成油淬过程（如图5所示）。
实施方式三
本实施例所述装置用于正火操作：
将淬火油池18内的冷却介质油更换为沙，装入试样，通入保护气氛，开启循环水冷却系统；对炉体8进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后，炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到油淬工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入冷却介质已更换为沙的淬火油池18中完成正火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成正火操作过程。
实施方式四
本实施例所述装置用于末端淬火操作：
装入试样，通入保护气氛，开启循环水冷却系统；对炉体8进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后，开启外部循环水冷却系统、开启分流器，炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到末端淬火工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入末端淬火试样支架15上完成末端淬火淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成末端淬火过程（如图3所示）。
实施方式五
本实施例所述装置用于退火操作：
装入试样，通入保护气氛，开启循环水冷却系统；对炉体8进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后关闭加热电源，试样于炉内随炉冷却，当冷却致设定温度时，炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到水淬工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入水淬网兜3内完成退火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成退火过程。
实施方式六
本实施例所述装置用于固溶处理：
装入试样，通入保护气氛，对炉体8进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后，开启外部循环水冷却系统、炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到水淬工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入水淬网兜3内完成固溶处理过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成固溶处理过程。
实施方式七
本实施例所述装置用于时效处理：
装入试样，通入保护气氛，开启循环水冷却系统；对炉体8进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后，开启外部循环水冷却系统、开启分流器，炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到水淬工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入水淬网兜3内完成时效处理过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成时效处理过程。
实施方式八
本实施例所述装置设有3个炉体，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号炉，用于末端淬火操作为，具体操作过程为：首先装入试样于Ⅰ号炉后设置Ⅰ号炉加热温度、保温时间并开启Ⅰ号炉体电源并通入保护气氛；延迟10分钟后试样装入Ⅱ号炉、并设置Ⅱ号炉加热温度、保温时间后开启Ⅱ号炉体电源并通入保护气氛，延迟10分钟后试样装入Ⅲ号炉、并设置Ⅲ号炉加热温度、保温时间后开启Ⅲ号炉体电源延迟10分钟后开启Ⅲ号炉体电源并通入保护气氛。 首先Ⅰ号炉达到设定温度并进行保温，保温结束后，开启外部循环水冷却系统、开启分流器，炉体支架电机22带动主轴11将Ⅰ号炉转动到末端淬火工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入末端淬火试样支架15上完成末端淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，试样在支架15上水冷5分钟后关闭分流器、取出试样，完成Ⅰ号炉试样末端淬火过程；随后Ⅱ号炉达到设定温度并进行保温，保温结束后，开启外部循环水冷却系统、开启分流器，炉体支架电机22带动主轴11将Ⅱ号炉转动到末端淬火工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入末端淬火试样支架15上完成末端淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，试样在支架15上水冷5分钟后关闭分流器、取出试样，完成Ⅱ号炉试样末端淬火过程；随后Ⅲ号炉达到设定温度并进行保温，保温结束后，开启外部循环水冷却系统、开启分流器，炉体支架电机22带动主轴11将Ⅲ号炉转动到末端淬火工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入末端淬火试样支架15上完成末端淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，试样在支架15上水冷5分钟后关闭分流器、取出试样，完成Ⅲ号炉试样末端淬火过程。（如图3所示）。
实施方式九
本实施例所述装置设有3个炉体，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号炉，Ⅰ号炉用于末端淬火操作，Ⅱ号炉用于油淬操作、Ⅲ号炉用于水淬操作，具体操作过程为：首先装入末端淬火试样于Ⅰ号炉后设置Ⅰ号炉加热温度、保温时间并开启Ⅰ号炉体电源并通入保护气氛；随后将油淬试样装入Ⅱ号炉、并设置Ⅱ号炉加热温度、保温时间后开启Ⅱ号炉体电源并通入保护气氛，将水淬试样装入Ⅲ号炉、并设置Ⅲ号炉加热温度、保温时间后开启Ⅲ号炉体电源延迟10分钟后开启Ⅲ号炉体电源并通入保护气氛。 当Ⅰ号炉达到设定温度并进行保温，保温结束后，开启外部循环水冷却系统、开启分流器，炉体支架电机22带动主轴11将Ⅰ号炉转动到末端淬火工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入末端淬火试样支架15上完成末端淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，试样在支架15上水冷5分钟后关闭分流器、取出试样，完成Ⅰ号炉试样末端淬火过程（如图3所示）；当Ⅱ号炉到达设定温度后进行保温，保温结束后，炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到油淬工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入淬火油池18内完成淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成油淬过程（如图5所示）；当Ⅲ号炉到达设定温度后进行保温，保温结束后，炉体支架电机22带动主轴11将炉体8转动到水淬工位后，炉体电机9带动炉体8向下转动90度，此时，开启炉门，试样自动落入水淬网兜3内完成淬火过程，然后炉体电机9带动炉体8反向转动90度，使炉体8回到原来的位置，完成水淬过程（如图4所示）。
Claims (10)
1.一种热处理实验装置，其特征在于：包括冷却水箱（1）、机体（2）、水淬网兜（3）、炉体转轴（5）、炉门（6）、涡轮蜗杆机构（7）、炉体（8）、炉体电机（9）、炉体支架（10）、主轴（11）、保护气氛入口（12）、热电偶入口（13）、末端淬火试样支架（15）、油淬网兜（17）、淬火油池（18）、控制器（19）、冷却水入口（20）、冷却水出口（21）、炉体支架电机（22）；
机体（2）的下面设有冷却水箱（1），机体（2）的上面设有炉体支架电机(22)和涡轮减速器，炉体支架电机(22)与涡轮减速器连接，涡轮减速器的输出轴与主轴（11）连接，主轴（11）通过法兰盘与炉体支架（10）连接；炉体支架（10）通过轴承与轴承座与炉体转轴（5）连接，炉体转轴（5）位于炉体（8）的两侧，炉体转轴（5）与炉体（8）为一个整体，炉体支架电机(22)带动炉体（8）沿主轴（11）在水平面上转动；炉体转轴（5）上安装有蜗轮蜗杆机构（7），蜗轮蜗杆机构（7）中的蜗杆与炉体电机（9）连接，通过炉体电机（9）带动炉体（8）在竖直方向上转动；机体（2）上分别设有水淬网兜（3）、末端淬火试样支架（15）、淬火油池（18），水淬网兜（3）、末端淬火试样支架（15）、淬火油池（18）分布在以主轴（11）为圆心，主轴（11）与炉体转轴（5）垂直距离为半径的圆周上；
炉体（8）的前端设有炉门（6），后端有热电偶入口（13）与保护气氛入口（12），热电偶通过热电偶入口（13）插入炉体内部，保护气氛存储装置通过保护气氛入口（12）与炉体连通；水箱（1）设置冷却水入口（20）、冷却水出口（21）,冷却水入口（20）、冷却水出口（21）通过管道与外部循环水冷却系统连接；
所述控制器（19）控制炉体（8）内温度、保温时间以及炉体（8）的运动，同时还控制冷却水和保护气体的通入。
2.根据权利要求1所述热处理实验装置，其特征在于：所述炉体（8）的数量为1个或多个，多个炉体的放置方式为环形或并列放置。
3.根据权利要求1或2所述热处理实验装置，其特征在于：所述炉体（8）包括炉外壳、保温层、耐火层、炉胆，炉外壳的内部设有耐火层，耐火层和炉外壳之间设有保温层；炉胆固定于炉体的中部，炉胆上装有发热体，发热体通过电源接线端子与电源连接。
4.根据权利要求1所述热处理实验装置，其特征在于：水淬网兜（3）下端放置在冷却水箱（1）水平面以下位置，其要求为淬火试样落入水淬网兜（3）后全部浸泡于淬火液中。
5.根据权利要求1所述热处理实验装置，其特征在于：淬火油池（18）内放置油淬网兜（17），淬火油池（18）下端放置在冷却水箱（1）水平面以下位置，其要求为淬火油池（18）油平面低于冷却水箱（1）水平面。
6.根据权利要求1或5所述热处理实验装置，其特征在于：更换淬火油池（18）内的冷却介质油可实现不同冷却介质淬火过程。
7.根据权利要求1所述热处理实验装置，其特征在于：机体（2）上设有水淬顶杆（4）、末端淬火顶杆（14），油淬顶杆（16），水淬顶杆（4）位于水淬网兜（3）的上面，末端淬火顶杆（14）位于末端淬火试样支架（15）的上面，油淬顶杆（16）位于淬火油池（18）的上面，水淬顶杆（4）、末端淬火顶杆（14），油淬顶杆（16）上均设有位置传感器。
8.根据权利要求1所述热处理实验装置，其特征在于：末端淬火试样支架（15）下端依据GB235—2006《钢淬透性的末端淬火试验方法》要求设置淬火液喷水口，喷水口通过管道连接分流器，分流入水口接于冷却水入口（20），调节分流器可使淬火液流量达到标准规定。
9.根据权利要求1、2、4、5、7、8任意一项所述热处理实验装置的应用，其特征在于：将所述装置用于水淬处理、油淬处理、末端淬火处理、正火处理、退火处理、固溶处理或时效处理。
10.根据权利要求1~9任意一项所述热处理实验装置的使用方法，其特征在于：
装入试样，通入保护气氛，对炉体（8）进行升温，当到达设定温度后进行保温，保温结束后，炉体支架电机（22）带动炉体（8）转动到相应的处理工位后，炉体电机（9）带动炉体（8）向下转动90度，此时，打开炉门，工件在重力作用下落入相应的处理工位，然后炉体电机（9）带动炉体（8）反向转动90度，使炉体（8）回到原来的位置，完成热处理过程。
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