CN115233215A - 用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开材料一种用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置及方法，车轮向前行走，带动熔覆部件、第一车厢、加热环、浆料仓和第二车厢同步向前，直至熔覆部件、第一车厢和加热环在第一减震套管内，浆料仓和第二车厢在弯孔工件内，喷嘴前端面与弯孔工件前端面对齐，给正电极、负电极和加热环通电，浆料注射泵和驱动部件同时工作，车轮向后行走，浆料注射泵向浆料仓内注射浆料，浆料从喷嘴喷向弯孔工件内壁，加热环产生的热量使浆料固结，石墨毡经过干燥后的浆料，产生的高温使干燥后的浆料熔覆在弯孔工件内壁上；本发明将移动、喷涂浆料和熔覆工序一体化，对具有一定弯曲角度的工件孔内壁进行均匀熔覆。
Description
技术领域
本发明涉及表面工程领域中的一种材料表面改性技术领域，具体是一种针对大深径比的弯曲孔的内壁的熔覆装置，尤其适用于深径比为5～20：1的弯孔工件。
背景技术
瞬态加热熔覆是一种新型的表面熔覆技术，它是通过在石墨毡中通入瞬态加热来产生热量，以热辐射的方式加热预敷在工件表面的熔覆材料，从而在基体表面形成与其冶金结合的熔覆层，进而改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐氧化和电气特性。该熔覆方式具有设备简单、成本低和效率高等特点。
孔腔在复杂工况下易磨损、腐蚀从而失效。对于易磨损或腐蚀而失效的内孔零部件，可采用熔覆的方法在孔内壁制备涂层，以涂层的磨损来替代内孔表面的磨损并将表面与外界环境隔离防止腐蚀，从而提高使用寿命。除此之外，也可以对损伤的工件内孔进行修复和再制造，使其重新达到服役要求。
但现有的熔覆方法主要用于直孔内的熔覆，在实际生产制造中，孔通常为弯曲孔。中国申请号为201910985783.6的文献中公开一种用于大深径比零件的激光内孔熔覆头及熔覆加工系统，采用悬浮支撑件调整熔覆喷嘴与工件内壁的高度距离，光纤接口固定在内孔熔覆头连接座上，用于沿熔覆头连接杆轴向方向投射激光束，采用液压悬浮式的结构，零件本身提供支撑熔覆头的均布力，这种内孔熔覆系统采用的是激光技术，结构复杂、体积大，灵活性差，导致内孔的均匀熔覆性差。
发明内容
本发明的目的针对现有大深径比弯孔熔覆结构复杂、灵活性和均匀性差的问题，提供一种用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置和加热熔覆方法，可灵活均匀地熔覆大深径比弯孔的内壁。
为实现上述目的，本发明用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置采用的技术方案是：包括结构相同的第一车厢和第二车厢，第一车厢在第二车厢的前方，第一车厢和第二车厢的内部正中间各是圆环形的支撑座，支撑座外侧壁上沿直径方向垂直连接随动伸缩臂的内端，随动伸缩臂的外端固定连接驱动部件，驱动部件驱动车轮前行，车轮与弯曲工件的内壁相接触；第一车厢的正前方固定连接由正电极、负电极、伸缩部件、耐高温陶瓷片和石墨毡组成的熔覆部件，伸缩部件的中心固定连接第一车厢，伸缩部件的外端固定连接耐高温陶瓷片的内壁，耐高温陶瓷片的外壁上紧密套有圆环形的石墨毡，正电极和负电极与石墨毡相贴合；第一车厢的正后方是加热环，圆筒形浆料仓中间与第二车厢的前端面固定连接，在浆料仓的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个喷嘴，每个喷嘴的出口正对着弯孔工件的内壁，浆料仓通过浆料导管连接在弯孔工件外部的浆料注射泵；加热环中间与浆料仓中间通过连接件相连接，熔覆部件、第一车厢、加热环、浆料仓和第二车厢在弯孔工件内同步前后移动。
进一步地，弯孔工件的外部设置电源、收集装置和控制装置，电源经不同的导线分别连接正电极、负电极、加热环和驱动部件，控制装置经控制线分别连接电源、浆料注射泵和收集装置，导线和浆料导管在收集装置中穿过，收集装置能回收和释放导线和浆料导管。
进一步地，带动第一车厢或第二车厢前后移动的车轮各有四个，沿圆周方向均匀分布，位置相对的两个车轮各经一个驱动部件连接一个随动伸缩臂，另两个车轮直接与随动伸缩臂固定连接。
进一步地，连接件有两段杆件，两段杆件铰接在一起。
本发明用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置的加热熔覆方法采用的技术方案是：
步骤1)：在大深径比弯孔工件的前端口贴合第一减震套管，将所棕的熔覆部件、第一车厢、加热环、浆料仓和第二车厢放置在弯孔工件内，使第二车厢后端面与弯孔工件后端面对齐。
步骤2)：驱动部件工作，车轮向前行走，带动熔覆部件、第一车厢、加热环、浆料仓和第二车厢同步向前，直至熔覆部件、第一车厢和加热环在第一减震套管内，浆料仓和第二车厢在弯孔工件内，喷嘴前端面与弯孔工件前端面对齐，驱动部件停止工作。
步骤3)：在弯孔工件的后端口贴合第二减震套管，给正电极、负电极和加热环通电，浆料注射泵和驱动部件同时工作，车轮向后行走，浆料注射泵向浆料仓内注射浆料，浆料从喷嘴喷向弯孔工件内壁，加热环产生的热量使浆料固结，石墨毡经过干燥后的浆料，产生的高温使干燥后的浆料熔覆在弯孔工件内壁上。
进一步地，步骤3)中，当喷嘴移动到对齐弯孔工件右端面侧壁时，浆料注射泵停止工作；当石墨毡前端对齐弯孔工件右端面时，加热环停止工作；驱动部件减速驱动，熔覆部件、第一车厢、加热环、浆料仓和第二车厢减速进入第二减震套管中。
进一步地，在第二减震套管中开有注气孔，通过注气孔向内通入氩气。
进一步地，正电极、负电极的输出电流为30～500A，输出电压为10～500V，石墨毡中的电流密度达到1～1.5A/mm2，加热环中的电流为10～30A，电压为5～100V。
进一步地，石墨毡和加热环的外侧壁与弯孔工件的内壁之间的间隙保持2～6mm。
本发明采用上述技术方案后具有如下技术优势：
1.本发明可用于大深径比孔内壁的熔覆层制备，该装置能沿着工件孔内壁进行移动，可通过具有一定弯曲角度的工件孔，能对具有一定弯曲角度的工件孔内壁进行均匀熔覆，从而克服了大深径比孔内壁熔覆的难题。
2.本发明将移动、喷涂浆料和熔覆工序一体化，在熔覆材料浆料喷向工件内壁后，立即由瞬态加热熔覆部件进行熔覆，具有方便、高效等优点。
3.本发明不仅够对具有一定公差的孔内壁进行熔覆，还能够对具有瑕疵的孔内壁进行修复，具有强适应性的特点。
4.本发明由控制装置统一控制移动、喷涂浆料和熔覆一体化工序，便于调节熔覆参数和控制启停，能有效减少工作强度。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置的正视图；
图2为图1的局部俯视剖面图；
图3为图1中熔覆部件的左视图；
图4为图1所示装置位于弯孔工件内的工作状态图；
图5为图1所示装置位于弯孔工件最后端时的状态图；
图6为图5中的装置移动到弯孔工件最前端时的状态图；
图7为图6中的装置作加热熔覆的过程图；
图8为图7中的装置加热熔覆后的状态图。
附图标记说明如下：
1-正电极；2-负电极；3-第一车厢；4-车轮；5-加热环；6-浆料仓；7-喷嘴；8-第二车厢；9-驱动部件；10-收集装置；11-电源；12-浆料注射泵；13-导线；14-浆料导管；15-支撑座；16-随动伸缩臂；17-连接件；19-伸缩部件；20-耐高温陶瓷片；21-石墨毡；22-控制装置；23-弯孔工件；24-第一减震套管；25-第二减震套管；26-浆料；27-熔覆层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。以下通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
结合图1和图2所示，本发明用于大深径比弯孔瞬态加热熔覆装置，包括第一车厢3和第二车厢8，第一车厢3在第二车厢8的前方，第一车厢3和第二车厢8的结构完全相同。第一车厢3和第二车厢8的外部是一个圆筒形的厢体，每个厢体的前端面和后端壁都是圆盘形，厢体的外径小于待加工的深径比弯孔工件23的内径，使厢体与弯孔工件23不接触。厢体的前端壁和后端壁的中间之间通过支撑座15固定连接，支撑座15在厢体内部正中间。支撑座15是圆环形，支撑座15的外侧壁上沿直径方向垂直连接随动伸缩臂16的内端，随动伸缩臂16沿直径方向布置，随动伸缩臂16的外端固定连接驱动部件9，驱动部件9自带电机，其输入轴同轴固定连接车轮4中心轴，由驱动部件9带动旋转，能够驱动车轮4前行。车轮4与弯曲工件23内壁相接触，在弯曲工件23内壁上滚动。当随动伸缩臂16的外端受到一定压力后便收缩，失去一定压力后伸出，从而带动驱动部件9和车轮4同时收缩和伸出，从而实现第一车厢3和第二车厢8在弯曲工件23内壁的前后移动。
带动第一车厢3或第二车厢8前后移动的车轮4各有四个，沿圆周方向均匀分布，其中，位置相对的两个车轮4，各经一个驱动部件9连接一个随动伸缩臂16，由驱动部件9带动行走，为主动轮，在弯曲工件23内壁上主动行走。而另两个车轮4为从动轮，直接与随动伸缩臂16固定连接，不受驱动，仅在弯曲工件23内壁上滚动。
第一车厢3和第二车厢8的厢体外侧壁各有四个开口，第一车厢3和第二车厢8每隔90°开一个开口用来安装车轮4。
第一车厢3的正前方是熔覆部件，熔覆部件与第一车厢3的厢体前端面固定连接。熔覆部件由正电极1、负电极2、伸缩部件19、耐高温陶瓷片20和石墨毡21组成，伸缩部件19的中心固定连接第一车厢3。伸缩部件19的外端固定连接耐高温陶瓷片20的内壁，耐高温陶瓷片20的外壁上紧密套有圆环形的石墨毡21。
参见图3，耐高温陶瓷片20为圆弧形，伸缩部件19至少有两个伸缩杆，伸缩杆沿直径方向布置，至少两个伸缩杆沿圆周外端均布，一个伸缩杆外端固定连接一个耐高温陶瓷片20，能够带动耐高温陶瓷片20和圆环形的石墨毡21伸缩，从而自适应弯曲工件23内壁。
石墨毡21上连接正电极1和负电极2，正电极1和负电极2与石墨毡21贴合在一起。正电极1和负电极2均是和石墨毡2结构匹配的圆环形，分别贴合在石墨毡21的前端面和后端面上。
第一车厢3的正后方是加热环5，加热环5也是圆环形，加热环5外径要小于待加工的深径比弯孔工件23的内径，使加热环5与弯孔工件23不接触。加热环5用以固结浆料26。
第二车厢8的正前方是浆料仓6，浆料仓6中间与第二车厢8的前端面固定连接。浆料仓6为圆筒形，在浆料仓6的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个喷嘴7。每个喷嘴7都沿径向设置，其进口与浆料仓6相通，其出口正对着弯孔工件23内壁。本发明每隔45°安装一个喷嘴7。
加热环5中间与浆料仓6中间通过连接件17进行连接，连接件17有两段杆件，两段杆件铰接在一起，存在两个自由度，可实现第一车厢3和第二车厢8沿着弯曲工件23内壁的移动。
第一车厢3、第二车厢8和浆料仓6的中间都设有穿线通孔。导线13通过穿线通孔依次穿过第二车厢8和浆料仓6，最终进入第一车厢3。在导线13通过浆料仓6时，浆料仓6上的穿线通孔要保持密封。
在弯孔工件23的外部还设置电源11，电源11经不同的导线13分别连接正电极1、负电极2、加热环5和驱动部件9。
浆料仓6通过浆料导管14连接浆料注射泵12，浆料注射泵12在弯孔工件23的外部，浆料导管14穿过所述的穿线通孔连接外部的浆料注射泵12。浆料注射泵12通过浆料导管14可以向浆料仓6中注射浆料26。
在弯孔工件23的外部还设置收集装置10和控制装置22，导线13和浆料导管14在收集装置10中穿过，收集装置10用以回收和释放导线13和浆料导管14。
控制装置22经控制线分别连接电源11、浆料注射泵12和收集装置10。电源11经正电极1和负电极2给石墨毡21通入电流。控制装置22控制电源11调节输出到石墨毡21的电流与电压，使石墨毡21中的电流密度达到1～1.5A/mm2，电流与电压以熔覆材料熔点为依据进行调节，使熔覆时石墨毡21产生的温度略高于熔覆材料熔点。
控制装置22控制电源11调节输出到加热环5的电流，以粘结剂的挥发温度与粉末固结温度为依据进行调节。
通过伸缩部件19保持石墨毡21的外侧壁与弯孔工件23的内壁之间的间隙约2～6mm，加热环5的外侧壁与弯孔工件23的内壁之间的间隙也约2～6mm。
熔覆部件、第一车厢3、加热环5、浆料仓6和第二车厢8在弯孔工件23内同步向前或者向后移动，先从浆料仓6中喷出浆料，加热环5干燥浆料，熔覆部件对干燥浆料熔覆，形成熔覆层。
结合图1-8，本发明用于大深径比弯孔瞬态加热熔覆装置工作时，按以下方法实现弯孔工件23的加热熔覆：
配置熔覆材料和粘结剂组成的浆料26，将浆料26加入浆料注射泵12。
在弯孔工件23前端放置第一减震套管24，第一减震套管24的开口与弯孔工件23前端开口相匹配，使第一减震套管24和弯孔工件23前端口贴合在一起，避免装置行走时驶出弯孔工件23前端口外部。
将熔覆部件、第一车厢3、加热环5、浆料仓6和第二车厢8放置在弯孔工件23内，使第二车厢8后端面与弯孔工件23后端面对齐，如图5所示的状态。
控制装置22经电源11给驱动部件9通电，驱动部件9工作，车轮4向前行走，带动熔覆部件、第一车厢3、加热环5、浆料仓6和第二车厢8向前行走，直至移动至弯孔工件23的最前端，此时，熔覆部件、第一车厢3和加热环5在第一减震套管24内，而浆料仓6和第二车厢8在弯孔工件23内，并且浆料仓6上的喷嘴7前端面与弯孔工件23前端面对齐，即熔覆起始端，如图6所示的状态，驱动部件9停止工作。与此同时，控制装置22控制收集装置10工作，释放导线13和浆料导管14，使喷嘴7对准弯孔工件23最前端面的侧壁，收集装置10停止工作。
在弯孔工件23的后端面放置第二减震套管25，第二减震套管25的开口与弯孔工件23后端开口相匹配，使第二减震套管25和弯孔工件23后端口贴合在一起。第二减震套管25、弯孔工件23和第一减震套管24之间密封连接，形成密闭的弯孔。
第二减震套管25用于回收装置，并可通过第二减震套管25向弯孔工件23孔内通入氩气，避免熔覆层27的氧化。导线13和浆料导管14穿过第二减震套管25上的通孔，分别与外部的电源11和浆料注射泵12相连接。在第二减震套管25中开有注气孔，通过注气孔向内通入氩气。
控制装置22设置电源11输出的电流和电压，电源11给正电极1、负电极2通电，给正电极1、负电极2通电时的输出电流为30～500A，输出电压为10～500V，使石墨毡21中电流密度达到1～1.5A/mm2。设置电源11输出到加热环5的电流为10～30A，电压为5～100V。
在给石墨毡21和加热环5通电的同时，控制浆料注射泵12、驱动部件9和收集装置10同时开始工作，此时，驱动部件9控制车轮4向后行走，如图7所示的状态。熔覆部件、第一车厢3、加热环5、浆料仓6和第二车厢8同步沿着弯孔工件23的孔壁由前向后移动，在此过程中，收集装置10收缩导线13和浆料导管14，浆料注射泵12通过浆料导管14向浆料仓6注射浆料26，浆料26从喷嘴7喷向弯孔工件23内壁。通过浆料注射泵12控制喷嘴7的流量为0.5～1ml/min。加热环5经过粘结在内壁的浆料26时，由加热环5产生的热量使弯孔工件23内壁的浆料26中的粘结剂挥发干燥，使浆料26固结具有一定硬度，以此保证第一车厢3的车轮4经过预喷涂的浆料26时不会造成浆料26的脱落与剥离。随后，石墨毡21经过干燥后的浆料26，由石墨毡21产生的高温使浆料26熔覆在弯孔工件23内壁上。
当熔覆部件、第一车厢3、加热环5、浆料仓6和第二车厢8同步沿着弯孔工件23的孔壁由前向后移动到喷嘴7对齐弯孔工件23右端面侧壁时，控制装置22控制浆料注射泵12停止工作。
当石墨毡21前端对齐弯孔工件23右端面时，熔覆作业完成，在弯孔工件23内壁形成一层熔覆层27。此时，控制装置22控制加热环5停止工作，驱动部件9减速驱动，熔覆部件、第一车厢3、加热环5、浆料仓6和第二车厢8由弯孔工件23右端驶出，并减速进入第二减震套管25中，图8所示的状态。
随后，控制装置22控制驱动部件9和收集装置10停止工作，移开第一减震套管24和第二减震套管25，取出弯孔工件23并更换下一个弯孔工件23。
以上仅是对本发明的优选工作方法进行了简单描述，并不能将本发明的技术方案仅限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。
Claims (10)
1.一种用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置，其特征是：包括结构相同的第一车厢(3)和第二车厢(8)，第一车厢(3)在第二车厢(8)的前方，第一车厢(3)和第二车厢(8)的内部正中间各是圆环形的支撑座(15)，支撑座(15)外侧壁上沿直径方向垂直连接随动伸缩臂(16)的内端，随动伸缩臂(16)的外端固定连接驱动部件(9)，驱动部件(9)驱动车轮(4)前行，车轮(4)与弯曲工件的内壁相接触；第一车厢(3)的正前方固定连接由正电极(1)、负电极(2)、伸缩部件(19)、耐高温陶瓷片(20)和石墨毡(21)组成的熔覆部件，伸缩部件(19)的中心固定连接第一车厢(3)，伸缩部件(19)的外端固定连接耐高温陶瓷片(20)的内壁，耐高温陶瓷片(20)的外壁上紧密套有圆环形的石墨毡(21)，正电极(1)和负电极(2)与石墨毡(21)相贴合；第一车厢(3)的正后方是加热环(5)，圆筒形浆料仓(6)中间与第二车厢(8)的前端面固定连接，在浆料仓(6)的侧壁上沿圆周方向均匀设置多个喷嘴(7)，每个喷嘴(7)的出口正对着弯孔工件的内壁，浆料仓(6)通过浆料导管(14)连接在弯孔工件外部的浆料注射泵(12)；加热环(5)中间与浆料仓(6)中间通过连接件(17)相连接，熔覆部件、第一车厢(3)、加热环(5)、浆料仓(6)和第二车厢(8)在弯孔工件23内同步前后移动。
2.根据权利要求1所述的用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置，其特征是：弯孔工件的外部设置电源(11)、收集装置(10)和控制装置(22)，电源(11)经不同的导线(13)分别连接正电极(1)、负电极(2)、加热环(5)和驱动部件(9)，控制装置(22)经控制线分别连接电源(11)、浆料注射泵(12)和收集装置(10)，导线(13)和浆料导管(14)在收集装置(10)中穿过，收集装置(10)能回收和释放导线13和浆料导管(14)。
3.根据权利要求1所述的用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置，其特征是：带动第一车厢(3)或第二车厢(8)前后移动的车轮(4)各有四个，沿圆周方向均匀分布，位置相对的两个车轮(4)各经一个驱动部件(9)连接一个随动伸缩臂(16)，另两个车轮(4)直接与随动伸缩臂(16)连接。
4.根据权利要求1所述的用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置，其特征是：耐高温陶瓷片(20)为圆弧形，伸缩部件(19)至少有两个沿直径方向布置的伸缩杆，一个伸缩杆外端固定连接一个耐高温陶瓷片(20)。
5.根据权利要求1所述的用于大深径比弯孔的瞬态加热熔覆装置，其特征是：连接件(17)有两段杆件，两段杆件铰接在一起。
6.一种采用权利要求1所述的装置加热熔覆大深径比弯孔的方法，其特征是包括：
步骤1)：在大深径比弯孔工件的前端口贴合第一减震套管(24)，将所棕的熔覆部件、第一车厢(3)、加热环(5)、浆料仓(6)和第二车厢(8)放置在弯孔工件内，使第二车厢(8)后端面与弯孔工件后端面对齐；
步骤2)：驱动部件(9)工作，车轮(4)向前行走，带动熔覆部件、第一车厢(3)、加热环(5)、浆料仓(6)和第二车厢(8)同步向前，直至熔覆部件、第一车厢(3)和加热环(5)在第一减震套管(24)内，浆料仓(6)和第二车厢(8)在弯孔工件内，喷嘴(7)前端面与弯孔工件前端面对齐，驱动部件(9)停止工作；
步骤3)：在弯孔工件的后端口贴合第二减震套管(25)，给正电极(1)、负电极(2)和加热环(5)通电，浆料注射泵(12)和驱动部件(9)同时工作，车轮(4)向后行走，浆料注射泵(12)向浆料仓(6)内注射浆料，浆料从喷嘴(7)喷向弯孔工件内壁，加热环(5)产生的热量使浆料固结，石墨毡(21)经过干燥后的浆料，使干燥后的浆料熔覆在弯孔工件内壁上。
7.根据权利要求6所述的加热熔覆大深径比弯孔的方法，其特征是：步骤3)中，当喷嘴(7)移动到对齐弯孔工件右端面侧壁时，浆料注射泵(12)停止工作；当石墨毡(21)前端对齐弯孔工件右端面时，加热环(5)停止工作；驱动部件(9)减速驱动，熔覆部件、第一车厢(3)、加热环(5)、浆料仓(6)和第二车厢(8)减速进入第二减震套管(25)中。
8.根据权利要求6所述的加热熔覆大深径比弯孔的方法，其特征是：在第二减震套管(25)中开有注气孔，通过注气孔向内通入氩气。
9.根据权利要求6所述的加热熔覆大深径比弯孔的方法，其特征是：正电极(1)、负电极(2)的输出电流为30～500A，输出电压为10～500V，石墨毡(21)中的电流密度达到1～1.5A/mm2，加热环(5)中的电流为10～30A，电压为5～100V。
10.根据权利要求6所述的加热熔覆大深径比弯孔的方法，其特征是：石墨毡(21)和加热环(5)的外侧壁与弯孔工件的内壁之间的间隙保持2～6mm。
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