用于人字型齿轮逐齿加热的装置及其加热方法
技术领域
本发明属于热处理技术领域,尤其涉及一种用于人字型齿轮逐齿加热的装置及其加热方法。
背景技术
电磁感应淬火是现如今热处理最重要的工艺之一,其原理是感应电流对每个工件的齿根以及表面进行淬火,加热完成后冷却,其马氏体组织会获得更高的硬度,则它的内部组织仍然具有良好的韧性、塑性和高强度等,感应加热技术具有快速、清洁、节能、易于实现自动化和在线生产、生产效率高等特点,而且属于非接触加热方式,加热过程中能提供搞的功率密度,能在各种环境下工作,损耗很低,不产生任何物理污染,而且还是绿色环保型加热工艺之一。随着工业的发展,对各种设备的精准度要求越来越高,相应对齿轮的要求也就越高,齿轮的承载能力、硬度以及体积都有了新的要求。人字型齿轮具有的重合度高,轴向载荷小,承载能力高,传动平稳等优点,在重型机械的传动系统中有广泛的应用。在现有的技术中,对人字型齿轮进行感应加热时,传统的圆形感应线圈产生的磁场不能均匀的加热人字型齿轮,会使齿轮的表面淬火产生的硬度不均匀,而人字型齿轮的仿形线圈制作工艺复杂,会使成本大大提高。因而,需要一种用于人字型齿轮的逐齿加热装置及工艺,能够均匀的加热人字型齿轮的齿面和齿根,使其受热均匀,保证其淬火后硬度的平衡。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种用于用于人字型齿轮逐齿加热的装置,采用仿齿形式感应线圈,仿齿形感应线圈进入齿根,使其产生的磁场和人字型齿轮每齿垂直,使齿根和齿面受热均匀,保证齿根齿面淬火硬度的均匀性。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:一种用于人字型齿轮逐齿加热的装置,其包括加热装置、旋转平台装置、驱动装置和感应装置,其特征在于,所述加热装置包括仿齿形感应线圈、感应线圈支架和驱动套筒,所述感应线圈支架的第一端垂直于所述驱动套筒上,所述感应线圈支架的第二端设有绝缘垫片,所述仿齿形感应线圈固定于所述绝缘垫片的第二端,所述仿齿形感应线圈的两侧设有入水口和出水口,所述仿齿形感应线圈位于所述人字型齿轮齿间内;所述旋转平台装置包括电动机、三爪卡盘以及平台外壳,所述电动机与三爪卡盘相连,所述三爪卡盘与人字型齿轮固定轴连接,所述人字型齿轮通过所述人字型齿轮固定轴固定,所述仿齿形感应线圈通过导线与电源的正极与负极相连,所述电源固定在工作平台;所述驱动装置包括驱动套筒、丝杠A、丝杠B、螺母、工作平台B、电动机B、电动机C、丝杠轨道、丝杠支撑台、移动平台套筒和移动平台,所述电动机B的输出轴通过所述丝杠B连接滑块,通过控制所述电动机B的转速来带动所述丝杠B的旋转,从而调整驱动套筒的移动速度,所述电动机B、丝杠B和驱动套筒固定在所述移动平台上,所述移动平台放置于所述丝杠轨道上,所述电动机C的输出轴连接所述丝杠A,通过控制所述电动机的转速来带动所述丝杠A的旋转,从而推动所述工作平台B,且带动所述驱动套筒进行人字形轨迹运动;所述感应装置包括激光发射器、光电接收器、金属引脚以及检测电路,所述激光发射器通过固定轴垂直固定于所述工作平台上,且置于所述驱动装置后方,所述光电接收器通过所述金属引脚垂直固定于所述工作平台上,且与所述激光发射器置于同一高度和同一水平线,所述光电接收器通过所述导线的连接以及所述检测电路的检测,将光强度的变化转化成电信号的变化,所述检测电路第一端接所述光电接收器,所述检测电路第二端接所述电动机,从而控制所述电动机的转速。
优选地,所述驱动装置固定在平板且垂直固定在所述工作平台上,所述驱动套筒通过所述驱动装置的驱动从而带动所述感应线圈支架进而带动所述仿齿形感应线圈在所述人字型齿轮内加热。
优选地,所述平台外壳的底部设置有4个六边螺钉,所述螺钉固定在所述工作平台上,所述电动机固定在所述工作平台上,所述电动机的输出轴通过所述平台外壳的上部的通孔后延伸到所述平台外壳的外部,并且插在所述三爪卡盘的卡盘体中间。
优选地,所述光电接收器通过所述激光发射器所给予的光信号转换成电信号,实时反馈所述电动机,再传递给所述旋转装置。
本发明的第二方面提供一种利用前述用于人字型齿轮逐齿式感应加热装置的加热方法,其包括如下步骤:
步骤一、将人字型齿轮通过人字型齿轮固定轴固定于三爪卡盘的中部,并连接于平台外壳,将驱动套筒放置于丝杠B的最下端,通过连接感应线圈支架使仿齿形感应线圈置于人字型齿轮齿间的下端处;
步骤二、将人字型齿轮上端面到下端面的距离记作L,将L从人字型齿轮中间分段点分为a部分和b部分,L=a+b,且a=b,电源A供电,预热仿齿形感应线圈,调整电动机B的转速,使丝杠B带动驱动套筒从而带动感应线圈支架以3-5mm/s的速度以人字形轨迹匀速运动,加热装置对a部分进行加热,设定电源加热功率为50-80kw、电流频率为10-15kHz静止加热,静止加热时间为5-10s,通过第一组的红外测温摄像头对所加热的人字型齿轮轮齿a部分的上端面的任意一点进行测温,记作a1,第二组的红外测温摄像头对所加热的人字型齿轮轮齿a部分的下端面的任意一点进行测温,记作a2,其温度值分别为Ta1、Ta2,计算出ΔT1=|Ta1-Ta2|,当测量温差ΔT1≤100℃时,则对b部分进行加热,若ΔT1>100℃时,以温度较低点为中心,以温度较低点到温度较高点距离的一半为邻域,称为加热带;控制电动机B转速,通过丝杠B带动驱动套筒连接的仿齿形感应线圈重复加热a部分的加热带,即重复加热a部分温度较低点的左右邻域,直至ΔT1≤100℃为止,完成对a部分的加热工作;
步骤三、a部分的加热工作结束之后,调整电动机C的转速,使得丝杠A带动移动平台在丝杠轨道上移动,从而带动驱动套筒沿人字型轨迹匀速运动,加热装置对b部分进行加热,第三组的红外测温摄像头和第四组的红外测温摄像头分别对b部分的下端面和上端面中的任意一点,分别记作b1、b2,其温度分别记作Tb1、Tb2,计算出ΔT2=|Tb1-Tb2|,当测量温差ΔT2≤35℃,则驱动套筒所固定的移动平台继续匀速沿着丝杠轨道运动直至最末端;如果ΔT2>35℃,同理,则控制电动机C的转速,通过丝杠A和移动平台带动驱动套筒所连接的仿齿形感应线圈重复加热b部分的加热带,即重复加热b部分温度较低点的左右邻域,直到ΔT2≤35℃为止,完成对人字型齿轮的单齿加热工作;
步骤四、对人字型齿轮单齿加热工作完成后,驱动套筒继续匀速运动,直至丝杠轨道的最末端,调整电动机A的转速,使得平台外壳带动的人字型齿轮匀速转动;
步骤五、当人字型齿轮旋转过一个齿之后,驱动套筒从丝杠轨道的末端以3-5mm/s的速度匀速运动到前端,其重复上述步骤二到步骤四,直至最后一个待加热的人字型齿轮齿根加热完成。
优选地,在步骤四中,当绝缘垫片遮住激光发射器所发出的激光,光电接收器接收不到光,感应装置将光信号转换成电信号的变化,通过电脑的程序以及检测电路通过电信号的指示,进而控制电动机A的转速,电动机A通过输出轴对平台外壳进行旋转控制。
优选地,所述仿齿形感应线圈置于人字型齿轮齿间的下端处时,所述仿齿形感应线圈沿垂直方向距离人字型齿轮的下端面5mm,所述仿齿形感应线圈沿水平方向距离人字型齿轮的齿根处2mm。
采用以上技术方案,能够达到如下有益效果:
1)、本发明采用的是逐齿式加热,相比于整体加热,逐齿式加热的优势在于可以对每一个齿根以及齿面都精加热,而且本发明中旋转装置实现了人字型齿轮的旋转以及驱动装置实现了仿齿形感应装置的运动,解决了仿齿形感应线圈与人字型齿轮难配合的问题;并且本发明采用了感应装置,光电接收器接收的光信号的变化实时反馈到电动机上,实现了实时的控制,然后通过电动机控制了旋转装置的运动,从而实现了对齿轮的逐齿加热;
2)、本发明可以准确的在加热过程中可以确定温差范围,当温度差不符合要求,重复加热以温度较低点为圆心、以温度较高点至温度较低点距离的一半为半径的加热带,这种做法可以有效的降低了工件在加热过程中由于端面效应而造成的软硬点现象;
3)、本发明采用逐齿加热减少甚至避免了加热过程中的齿廓温差,高效的降低了端面效应造成的负面影响,保证人字型齿轮每一个齿顶和齿根部分的淬火温度相同,同时相应的提高了人字型齿轮的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种用于人字型齿轮逐齿式加热装置的结构示意图;
图2是本发明中驱动装置的结构示意图;
图3是本发明中仿齿形感应线圈结构示意图;
图4是本发明中初始位置的示意图;
图5是本发明中加热a部分的侧视图;
图6是本发明中加热b部分的侧视图;
图7是本发明中重复加热a部分加热带原理示意图;
图8是本发明中重复加热b部分加热带原理示意图;
图9是本发明中加热a、b部分的流程图。
附图标记:
1、电动机B;2、丝杠轨道;3、移动平台套筒;4、丝杠A;5、丝杠支撑平台;6、移动平台;7、激光发射器A;8、电动机C;9、丝杠B;10、驱动套筒;11、激光发射器固定轴;12、激光发射器B;13、工作平台A;14、感应线圈支架;15、电源A;16、绝缘垫片;17、仿齿形感应线圈;18、进水口;19、光电接收器A;20、人字型齿轮;21、人字型齿轮固定轴;22、光电接收器B;23、金属引脚;24、三爪卡盘;25、平台外壳;26、电动机A;27、出水口;28、第一组红外测温摄像头;29、第二组红外测温摄像头;30、第三组红外测温摄像头;31、第四组红外测温摄像头;32、温度较高点;33、温度较低点;34、加热带。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它所有实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1~图6所示,一种用于人字型齿轮逐齿式加热装置,包括工作平台A13、移动平台6、仿齿形感应线圈17、感应线圈支架14、绝缘垫片16、进水口18、出水口27、人字型齿轮20、人字型齿轮固定轴21、丝杠A4、丝杠B9、电源A15、平台外壳25、电动机A26、电动机B1、电动机C8、三爪卡盘24、驱动套筒10、移动平台套筒3、丝杠轨道2、丝杠支撑平台5、旋转装置、驱动装置、加热装置、感应装置、激光发射器A7、激光发射器B12、金属引脚23、进水口18、光电接收器A19、光电接收器B22、激光发射器固定轴11和导线若干。平台外壳25底部有4个六边螺钉,螺钉固定在工作平台A13上,旋转装置与电动机A26的输出轴相连,电动机A26的输出轴通过平台外壳25上部的通孔后延伸到平台外壳25的外部,并且插在三爪卡盘24卡盘体中部,三爪卡盘24与人字型齿轮固定轴21连接,人字型齿轮20通过人字型齿轮固定轴21固定,仿齿形感应线圈17通过导线与电源A15的正极和负极连接,电源A15固定在与工作平台A13,驱动装置固定在平板从而垂直固定在工作平台A13上,驱动套筒10通过驱动装置进行人字型轨迹运动。
具体的,加热装置包括仿齿形感应线圈17、感应线圈支架14、绝缘垫片16、电源A15、驱动套筒10、导线、进水口18和出水口27,感应线圈支架14的第一端垂直于驱动套筒10上,感应线圈支架14的第二端固定绝缘垫片16,仿齿形感应线圈17固定于绝缘垫片16的第二端,仿齿形感应线圈17通过导线与电源A15的正负极相连,仿齿形感应线圈17位于人字型齿轮20两齿间内,进水口18包含在仿齿形感应线圈17的一侧,而出水口27包含在仿齿形感应线圈17的另一侧,驱动套筒10通过驱动装置从而带动感应线圈支架14进而带动仿齿形感应线圈17在人字型齿轮20内加热。
具体的,旋转平台装置包括电动机A26、三爪卡盘24以及平台外壳25,平台外壳25的底部设置有4个六边螺钉,螺钉固定在工作平台A13,电动机A26的输出轴通过平台外壳25的上部的通孔后延伸到平台外壳25的外部,并且插在三爪卡盘24的卡盘体中间,三爪卡盘24通过对人字型齿轮固定轴21的固定,从而实现固定人字型齿轮20的目的。
具体的,驱动装置包括驱动套筒10、丝杠A4、丝杠B9、移动平台6、电动机B1、电动机C8,电动机B1的输出轴连接丝杠B9,驱动套筒10套在丝杠B9上,通过控制电动机B1的转速来带动丝杠B9的旋转,从而调整驱动套筒10的移动速度,电动机B1、丝杠B9和驱动套筒10通过移动平台套筒3固定在丝杠A4和丝杠轨道2上,丝杠A4和丝杠轨道2固定在丝杠支撑台5上,电动机C8的输出轴连接丝杠A4,通过控制电动机C8的转速来带动丝杠A4的旋转,从而带动移动平台6在丝杠轨道2上进行移动,且带动驱动套筒10进行人字型轨迹运动。
具体的,感应装置包括激光发射器A7、激光发射器B12、光电接收器A19、光电接收器B22以及检测电路,激光发射机A7和激光发射器B12通过激光发射器固定轴11垂直固定于工作平台A13上,光电接收器A19和光电接收器B22通过金属引脚23垂直固定于工作平台A13上,光电接收器A19和B22通过导线的连接以及检测电路的检测,将光强度的变化转化成电信号的变化,检测电路第一端接光电接收器A19和B22,而第二端接电动机A26,从而控制电动机A26的转速。
本发明采用的红外测温摄像头测量在加热过程中仿齿形感应线圈所加热的齿根和齿面各个部分的温度,多个红外测温摄像头位于不同的位置,使得测量各个部分的温度更加准确,也可以使得加热过程中对各个部分的温度控制更加便利。
优选地,感应装置通过检测电路控制电动机A26,从而实现平台外壳25的旋转,达到人字型齿轮20旋转的目的。
优选地,感应线圈支架14与仿齿形感应线圈17中隔着较大绝缘垫片16。
优选地,驱动装置带动驱动套筒10进行人字型轨迹运动,从而带动仿齿形感应线圈17在人字型齿轮20中进行加热。
本发明还提供一种应用上述人字型齿轮逐齿式加热装置的加热方法,如图7~图9所示,包括如下步骤,
步骤一、装置开始加热之前,将所需要加热的人字型齿轮20通过人字型齿轮固定轴21固定,并且固定在三爪卡盘24的中部,并连接于平台外壳25,将驱动套筒10置于丝杠B9最末端,通过连接感应线圈支架14使仿齿形感应线圈17置于人字型齿轮20两齿间的下端处,且垂直方向距离齿轮下端面5mm,水平方向距离齿根处2mm;
步骤二、将人字型齿轮20上端面到下端面的距离记作L,将L从人字型齿轮20中间分段点分为两份,L=a+b,并且a=b,电源A15供电,预热仿齿形感应线圈16,调整电动机B1的转速,使丝杠B9带动驱动套筒10以3-5mm/s的速度进行人字型轨迹运动且在人字型齿轮20下半段运动,加热装置对a部分进行加热,设定电源加热功率为50-80kw、电流频率为10-15kHz静止加热,静止加热时间为5-10s,通过第一组的红外测温摄像头28对所加热的人字型齿轮20轮齿a部分的下端面的任意一点进行测温,记作a1,第二组的红外测温摄像头29对所加热的人字型齿轮20轮齿a部分的上端面的任意一点进行测温,记作a2,其温度值分别为Ta1、Ta2,计算出ΔT1=丨Ta1-Ta2丨,当测量温差ΔT1≤100℃时,则可以对b部分进行加热,若ΔT1>100℃时,以温度较低点33为中心,以温度较低点33到温度较高点32距离的一半为邻域,称为加热带34;控制电动机B1转速,通过丝杠B9套动驱动滑块10连接的仿齿形感应线圈17重复加热a部分的加热带34,即重复加热a部分温度较低点33的左右邻域,如图7所示,直至ΔT1≤100℃为止,完成对a部分的加热工作;
步骤三、a部分的加热工作结束之后,调整电动机C8的转速,使得丝杠A4带动移动平台6在丝杠轨道2上进行移动,从而带动驱动套筒10以3-5mm/s的速度带动仿齿形感应线圈17在人字型齿轮b部分进行匀速运动,加热装置对b部分进行加热,第三组的红外测温摄像头30和第四组的红外测温摄像头31分别对b部分的下端面和上端面中的任意一点,分别记作b1、b2,其温度分别记作Tb1、Tb2,计算出ΔT2=丨Tb1-Tb2丨,当测量温差ΔT2≤35℃,则驱动套筒10所固定的移动平台6继续匀速沿着丝杠轨道2运动直至最末端;如果ΔT2>35℃,同理,则控制电动机C8的转速,通过丝杠A4和移动平台6带动驱动套筒10所连接的仿齿形感应线圈17重复加热b部分的加热带34,即重复加热b部分的温度较低点33的左右邻域,如图8所示,直到ΔT2≤35℃为止,这时完成了对人字型齿轮20的单齿加热工作;
步骤四、对人字型齿轮20单齿加热工作完成后,电动机C8和丝杠A4继续工作,带动驱动套筒10继续匀速运动,直至丝杠轨道2的末端,当较大绝缘垫片16遮住激光发射器A7所发出的激光,这是光电接收器A19接收不到光,感应装置将光信号转换成电信号的变化,通过电脑的程序以及检测电路通过电信号的指示,进而控制电动机A26的转速,电动机A26通过输出轴对平台外壳25进行旋转控制,调整电动机A26的转速,使得平台外壳25带动的人字型齿轮以15rad/s进行匀速转动。
步骤五、当人字型齿轮20旋转过一个齿之后,驱动套筒10从丝杠轨道2的末端以3-5mm/s的速度匀速运动到前端,其原理反复重复上述步骤二到步骤四,直至最后一个待加热的人字型齿轮20齿根加热完成。
本发明应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有而各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。因注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。