CN118028577A - 一种用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，包括内喷喷嘴，所述内喷喷嘴的数量和布局方式根据腔壳件具体结构进行设置，通常绕变截面的半封闭收口筒形腔壳件内壁多排或多排错落分布，非工作状态下，所述内喷喷嘴处于缩回状态，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件两端最大的收口尺寸，工作状态下，所述内喷喷嘴处于伸出状态，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件内腔的最小尺寸，用于对变截面的半封闭收口筒形腔壳件内壁环周进行均匀喷射冷却。本发明有效解决收口筒形腔壳件收口口径小，现有内喷淬冷装置无法进入、淬火不同步、淬火变形大、硬度分布不均等问题。

Description

一种用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置

技术领域

本发明涉及金属材料热处理领域，尤其是涉及一种用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，尤其适用于收口口径小、内壁结构复杂的筒形腔壳件。

背景技术

以钢或铝合金等材料制备的具有局部收口结构的筒形腔壳件，在航空航天、交通运输、能源、医疗等领域广泛应用。典型的半收口筒形腔壳件有固体火箭发动机金属壳、发动机的曲轴套筒、储运各种气体/液体的筒形腔壳件等。这类筒形腔壳件通常具有大长径比、壁厚薄，甚至加强筋凸台多、内壁结构复杂等特点，在淬火过程中，由于工件形状的特殊性，容易导致冷却速度不均、淬火不同步、淬火变形大、硬度分布不均以及开裂等问题，废品率高。

传统的筒形腔壳件淬火通常采用浸没式淬火热处理工艺，如CN206015010U公开了一种气瓶铝合金内胆淬火装置，固溶结束后，直接将内胆快速浸入淬火池中进行淬火。显然，这种传统的淬火池浸淬处理对于此类筒形腔壳件内外表面的冷却无法实现同步，因此，很难保证冷却速率和均匀性，导致硬度分布不均、变形大等问题。特别是对于大长径比、内壁结构复杂的半封闭收口筒形腔壳件，有效地实现均匀冷却更为困难。

为解决上述问题，常用的方法之一是采用内外部支撑结构来约束工件的形状，降低淬火变形的产生。例如，CN112410522B公开了一种淬火处理夹具，CN116770042A公开了一种筒形工件淬火装置及方法，均是通过外部或内外部支撑结构对工件进行约束，减少淬火变形的产生。虽然该方法在减少工件变形方面具有一定的效果，但仍存在一些缺点。比如，支撑结构的设计与制造需要根据工件的形状尺寸进行精确的定制，以确保有效的约束效果，无疑增加了工艺的复杂性；支撑结构的应力分布还可能会导致材料的局部变形或应力集中，影响工件质量。另外，对于收口口径小的筒形腔壳件，内部支撑结构的设计与取出更难实现。

另一种解决方法是采用外淋内喷的淬火装置，在筒形腔壳件的外壁进行喷淋冷却，同时在内壁进行喷射冷却，可以通过喷嘴的布置和冷却介质的流量控制来调节冷却速度和均匀性，有效减少局部壁厚差异导致的冷却速度不均、淬火变形大的问题。然而，目前现有的内喷淬冷装置通常适用于上下均开口的贯通类筒形腔壳件、一端开口且口径大的筒形腔壳件，而对于收口结构的筒形腔壳件无法适用。尤其是对于收口口径小、内壁结构复杂的收口筒形腔壳件而言，由于收口口径小，内喷淬冷装置无法进入，导致淬火质量无法得到保证。

发明内容

鉴于上述和/或现有内喷淬冷装置存在的问题，本发明的目的在于提供了一种用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，能够满足不同材质和不同结构特点的筒形腔壳件局部壁厚差异部位达到同步均匀冷却的需求，有效解决收口筒形腔壳件收口口径小，现有内喷淬冷装置无法进入、淬火不同步、淬火变形大、硬度分布不均等问题，可以获得包络圆直径偏差小、直线度好且性能均匀的筒形腔壳件。

为达到上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：一种用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，包括内喷喷嘴，所述内喷喷嘴的数量和布局方式根据腔壳件具体结构进行设置，通常绕变截面的半封闭收口筒形腔壳件内壁多排或多排错落分布，非工作状态下，所述内喷喷嘴处于缩回状态，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件两端最大的收口尺寸，工作状态下，所述内喷喷嘴处于伸出状态，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件内腔的最小尺寸，用于对变截面的半封闭收口筒形腔壳件内壁环周进行均匀喷射冷却。

由上，非工作状态下，内喷喷嘴处于缩回状态，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件两端最大的收口尺寸，能够确保内喷淬冷装置能够轻松进出收口筒形腔壳件，不受收口尺寸的限制，在工作状态下，内喷淬冷装置的内喷喷嘴处于伸出状态，此时，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件内腔的最小尺寸，能够确保装置能够顺利进入收口筒形腔壳件的内腔，并对整个内腔进行均匀的冷却。

可选地，每根所述内喷喷嘴与一根升降钢索铰接，每根所述升降钢索由单独的液压缸驱动升降，用于通过液压缸带动升降钢索移动，从而精准控制内喷喷嘴纵向高度，以适应工件内壁特需的纵向高度和喷射角度。

由上，通过液压缸的特定尺寸伸出或缩回，升降钢索在上下两组滑轮之间滑动，带动内喷喷嘴精准定位于特定角度，以适应工件内壁特需的纵向高度和喷射角度。

可选地，所述内喷喷嘴的喷射角度在15°～150°范围内可调；所述内喷喷嘴可调节的介质流量范围为1～200L/min；所述内喷喷嘴可调节的介质压力范围为0.05～0.8MPa。

由上，通过调节淬火介质流量、压力、角度、时间等参数，协同内喷和外喷淬火可以满足不同材质和不同结构特点的筒形腔壳件达到均匀冷却的需求。

可选地，还包括外喷喷嘴，所述外喷喷嘴绕淬火槽体内壁环周螺旋布设，用于在收口筒形腔件外部喷射冷却介质冷却外壁环周表面。

由上，本发明提供的内喷淬冷装置可以对变截面的半封闭收口筒形腔壳件内壁环周进行喷射冷却，配合淬火槽内环周布置的螺旋外喷喷嘴喷射冷却筒形腔壳件外壁环周表面，使得筒形腔壳件冷却均匀性进一步提升，淬火变形得到控制，满足了收口筒形腔壳件高质量生产的要求，且具有高度的适应性。

可选地，还包括底座，所述底座内部设置有进水口，所述进水口一端与各个内喷喷嘴独立的进水管路连通，另一端与内喷循环管路相连通，所述内喷循环管路用于将冷却介质输送到内喷喷嘴的管道系统。

由上，每个内喷喷嘴均设置有对应的进水管路，且能通过内喷循环管路将冷却介质输送到内喷喷嘴的管道系统，冷却介质形成循环利用。

可选地，还包括用于调节喷嘴的冷却介质流量的流量控制阀，每个循环管路上都装有独立的流量控制阀，用于根据需要进行精确调节。

由上，所有喷嘴连接的循环管路上均装有独立流量控制阀，并与控制系统相连接，可以根据生产需要进行实时监控和精确调节。

可选地，还包括用于测量喷嘴的实际流量的流量计，每个循环管路上设置有流量控制阀的前端均安装有流量计，用于实时监测冷却介质的流量大小，从而精确控制淬火介质的实际流量。

由上，所有喷嘴连接的循环管路上均装有流量计，并与控制系统相连接，实现对流量设定值和实测值的实时监控和调节，从而精确控制淬火介质的实际流量。

由上，本发明的用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置至少具备如下有益效果：

本发明具有自动化柔性调节功能，能够灵活调整各内喷喷嘴的伸出和缩回，各喷嘴纵向高度、淬火介质流量、压力、角度、时间等参数。通过与外壁喷淋淬火结合，可满足不同材质和不同结构特点的筒形腔壳件各个部位实现同步均匀冷却的需求，从而有效解决了收口筒形腔壳件收口口径小，现有内喷淬冷装置无法进入、淬火不同步、淬火变形大、硬度分布不均等问题，满足了收口筒形腔壳件高质量生产的要求。该内喷淬冷装置结构精巧，操作便捷，并具有高度的适应性，可适用于各种结构和尺寸的半封闭收口筒形腔壳件，具有很高的通用性，经济效益显著。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为内喷淬冷装置在淬火槽内非工作状态示意图；

图2为内喷淬冷装置非工作状态示意图；

图3为内喷淬冷装置在淬火槽内工作状态示意图；

图4为内喷淬冷装置工作状态示意图。

图5为内喷淬冷装置用于内喷喷嘴升降的液压缸示意图；

图6为内喷淬冷装置用于内喷喷嘴升降的升降钢索示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，如图1所示，包括底座01、淬火槽体02、内喷喷嘴03、内喷循环管路04、外喷喷嘴05、外喷循环管路06、流量控制阀07、流量计08及配套控制系统，其中，底座01内部设置有进水口09，进水口09一端与各个内喷喷嘴03独立的进水管路连通，另一端则与内喷循环管路04相连通；具体为，进水口09前端分设出和内喷喷嘴03数量一致的独立管路相连通，并设置独立的流量控制阀和流量计用于调节和控制流量大小；内喷喷嘴03通过支撑部件与底座01中进水口09相连接，用于在筒形腔壳件内部喷射冷却介质。如图2、图4所示，内喷喷嘴03的数量和布局方式需根据筒形腔壳件具体结构特点进行设计，通常为多排。对于非对称、非均匀壁厚、存在局部壁厚差异的复杂结构筒形腔壳件，内喷喷嘴03可根据局部结构差异灵活调节纵向高度、喷射角度和喷射时间等参数，此时则为多排错落分布，以实现对半封闭收口筒形腔壳件内周的均匀冷却；内喷循环管路04是将冷却介质输送到内喷喷嘴03的管道系统，每个内喷喷嘴03都具有自己的进水管路，可以通过调节阀来控制流量。

如图5、图6所示，每根内喷喷嘴03都与一根升降钢索12铰接固定，每根升降钢索12由单独的液压缸11驱动升降。通过液压缸11的特定尺寸伸出或缩回，升降钢索12在上下两组滑轮之间滑动，带动内喷喷嘴03精准定位于特定角度，以适应工件内壁特需的纵向高度和喷射角度。

如图2所示，内喷淬冷装置在非工作状态下，内喷喷嘴03处于缩回状态，其最大尺寸要小于收口筒形腔壳件两端最大的收口尺寸。这样设计的目的是为了确保装置能够轻松进出收口筒形腔壳件，不受收口尺寸的限制。如图3、图4所示，在工作状态下，内喷淬冷装置的内喷喷嘴03处于伸出状态，此时，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件内腔的最小尺寸。这样设计的目的是为了确保装置能够顺利进入收口筒形腔壳件的内腔，并对整个内腔进行均匀的冷却。该内喷淬冷装置可以对变截面的半封闭收口筒形腔壳件内壁环周进行喷射冷却，配合淬火槽内环周布置的螺旋外喷喷嘴喷射冷却筒形腔壳件外壁环周表面，使得筒形腔壳件冷却均匀性进一步提升，淬火变形得到控制。

如图1所示，外喷喷嘴05通过淬火槽体02内部支撑部件固定，其中进水端与淬火槽体02外喷喷嘴05连通，用于在筒形腔件外部喷射冷却介质。外喷喷嘴05的数量和布局方式需根据筒形腔壳件具体结构特点，并协同内喷喷嘴03的分布进行设计，通常为多排螺旋布设；外喷循环管路06是将冷却介质输送到外喷喷嘴05的管道系统，可以通过调节阀来控制流量。

如图1、图3所示，流量控制阀07用于调节喷嘴的冷却介质流量，每个循环管路上都装有独立的流量控制阀07，可以根据需要进行精确调节；流量计08用于测量喷嘴的实际流量，每个循环管路上设置有流量控制阀07的前端均安装有流量计08，可以实时监测冷却介质的流量大小；流量控制阀07和流量计08与控制系统相连接，实现对实际流量的闭环控制。根据设定流量和实测流量的差异，控制系统可以自动调节流量控制阀的开度，从而对淬火介质流量进行精确控制。同时，控制系统还可以保持水柱的均匀和平稳，实现对淬火过程的精细控制，以确保淬火效果和均匀性。

内喷喷嘴03的喷射角度在纵向15°～150°范围内可调；内喷喷嘴03可调节的介质流量范围为1～200L/min；内喷喷嘴03可调节的介质压力范围为0.05～0.8MPa；内喷喷嘴喷射的淬火介质流量、压力、角度、时间均可进行独立调节；淬火槽体02配有温度控制仪表，淬火介质温度控制精度≤±2℃。内喷淬冷装置喷射淬火介质的流量、压力、角度和时间等参数，是根据具体收口筒形腔壳件的结构特点、材料连续冷却转变特性以及淬火介质的性质等参数，协同外壁喷淋淬火，进行仿真模拟优化获得的。这样可以确保淬火过程的精确控制，达到最佳的淬火效果和均匀性。

除上述主要组成部分，该内喷淬冷装置还包括冷却介质储存装置、管道连接件和支架等辅助部件，以及相关的传感器、监控系统和操作界面等。具体的配置和组成需根据实际需求进行设计和安装，以确保装置的稳定运行和安全性能。这些监测系统也可以实时监测淬火过程的各项参数，并提供相应的控制和调节功能，以实现对淬火过程的精细控制和监测，保证产品的质量和一致性。

所有喷嘴连接的循环管路上均装有独立流量控制阀07和流量计08，并与控制系统相连接，实现对流量设定值和实测值的实时监控和调节，从而精确控制淬火介质的实际流量。各喷嘴纵向高度、喷射夹角和喷射时间等，均可通过控制面板输入实现自动化柔性调节，控制面板主要用于操作控制系统。本发明通过调节淬火介质流量、压力、角度、时间等参数，协同内喷和外喷淬火可以满足不同材质和不同结构特点的筒形腔壳件达到均匀冷却的需求，有效解决了收口筒形腔壳件收口口径小，现有内喷淬冷装置无法进入、淬火不同步、淬火变形大、硬度分布不均等问题。该内喷淬冷装置具有结构精巧，操作便捷，适应性强等特点，经济效益显著，适合大范围推广使用。

实施例1：

如图1所示为半封闭收口筒形腔壳件在淬火槽内非工作状态下入槽时的示意图，半封闭收口筒形腔壳件外径3500mm、长度8500mm、壁厚1.1～16mm(局部凸台厚60mm)，上端收口外(内)径分别为3500mm(600mm)，下端收口外(内)径分别为3500mm(1800mm)，由中碳低合金高强钢成形获得，其化学成分(质量百分比)为：0.3％ C、0.87％ S i、1.48％ Mn、1.24％ Cr、0.51％ Mo、0.12％ V、0.15％ N i、0.001％ S、0.003％ P，其余Fe。

用于对半封闭收口筒形腔壳件进行淬火的柔性内喷淬冷装置，冷却介质通过进水系统被输送到内喷喷嘴03，实现对筒形腔壳件的冷却，这里采用的冷却介质为10％PAG淬火液，亦可使用淬火油、水等淬火介质。

内喷喷嘴03数量和布局方式根据筒形腔壳件具体结构特点进行设计，外壁喷淋淬火装置设计为对称均匀分布的喷嘴。由于本实施例为非均匀壁厚、存在局部壁厚差异的复杂结构收口筒形腔壳件，内喷淬冷装置喷嘴为多排错落分布，如图2和图4所示。其中，内喷淬冷装置喷嘴可根据需要灵活调节纵向高度、喷射角度和喷射时间等参数，以实现对半封闭收口筒形腔壳件内周的均匀冷却。

每个内喷喷嘴03都具有自己的进水管路，可以通过调节阀来控制流量，以实现流量的精确调节。每个进水管路上都装有独立的流量控制阀07，并配有流量计08，可以对流量进行精确调节，通过实时监测冷却介质的流量大小，可以精确控制淬火介质的流量。

流量控制阀07和流量计08与控制系统相连接，实现对实际流量的闭环控制。控制系统根据设定流量和实测流量的差异，自动调节流量控制阀的开度，从而对淬火介质流量进行精确控制。同时，控制系统还可以保持水柱的均匀和平稳，实现对淬火过程的精细控制，以确保淬火效果和均匀性。

内喷淬冷装置的内喷喷嘴03在非工作状态下处于缩回状态，其最大尺寸为1650mm，小于收口筒形腔壳件下端收口尺寸，能够轻松进出收口筒形腔壳件。在工作状态下，内喷淬冷装置的内喷喷嘴03处于伸出状态，此时，其最大尺寸为2700mm，小于收口筒形腔壳件内腔凸台处的最小尺寸，能够顺利张开后贴合收口筒形腔壳件的内腔，并对整个内腔进行均匀冷却。

将加热至淬火温度并保温结束的半封闭收口筒形腔壳件从淬火炉中移出，收口尺寸大的一端朝下。淬火槽槽盖打开，半封闭收口筒形腔壳件下降入槽后正扣在内喷淬冷装置的正上方。控制系统自动调整好角度，内外同时对其进行喷淋淬火。喷嘴的喷射角度可在15°～150°范围内调整，其中，1～5mm壁厚处，内喷喷嘴的介质流量为1～50L/min，介质压力为0.05～0.8MPa；5～10mm壁厚处，喷嘴的介质流量为30～100L/min，介质压力为0.05～0.8MPa；10～16mm壁厚处，喷嘴的介质流量为70～150L/min，介质压力为0.05～0.8MPa；局部60mm壁厚处，喷嘴的介质流量为100～200L/min，介质压力为0.05～0.8MPa。以上，喷嘴喷射的淬火介质流量、压力、角度和时间均可以进行独立调节。内喷淬冷装置喷射淬火介质的流量、压力、角度和时间等参数，是根据该收口筒形腔壳件的结构特点、材料连续冷却转变特性以及淬火介质的性质等参数，协同外壁喷淋淬火，进行仿真模拟优化获得的。这样可以确保淬火过程的精确控制，达到最佳的淬火效果和均匀性。淬火槽体02配有温度控制仪表，可以对淬火介质的温度进行精确控制，温度范围为18～40℃，允差为±2℃。

通过使用本发明内喷淬冷装置对本实施例的半收口筒形腔壳件进行淬火处理，测试结果显示，包络圆直径偏差<1.5‰，直线度变形量≤1mm/m，性能离散度≤4‰，淬火后的微小变形量仅需进行少量机加工即可满足装配精度的需求，性能均一且稳定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术分范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在范明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的范围为准。

Claims (7)

1.一种用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，其特征在于，包括内喷喷嘴，所述内喷喷嘴的数量和布局方式根据腔壳件具体结构进行设置，通常绕变截面的半封闭收口筒形腔壳件内壁多排或多排错落分布，非工作状态下，所述内喷喷嘴处于缩回状态，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件两端最大的收口尺寸，工作状态下，所述内喷喷嘴处于伸出状态，其最大尺寸小于收口筒形腔壳件内腔的最小尺寸，用于对变截面的半封闭收口筒形腔壳件内壁环周进行均匀喷射冷却。

2.根据权利要求1所述的用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，其特征在于，每根所述内喷喷嘴与一根升降钢索铰接，每根所述升降钢索由单独的液压缸驱动升降，用于通过液压缸带动升降钢索移动，从而精准控制内喷喷嘴纵向高度，以适应工件内壁特需的纵向高度和喷射角度。

3.根据权利要求1所述的用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，其特征在于，所述内喷喷嘴的喷射角度在15°～150°范围内可调；所述内喷喷嘴可调节的介质流量范围为1～200L/min；所述内喷喷嘴可调节的介质压力范围为0.05～0.8MPa。

4.根据权利要求1所述的用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，其特征在于，还包括外喷喷嘴，所述外喷喷嘴绕淬火槽体内壁环周螺旋布设，用于在收口筒形腔件外部喷射冷却介质冷却外壁环周表面。

5.根据权利要求1所述的用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，其特征在于，还包括底座，所述底座内部设置有进水口，所述进水口一端与各个内喷喷嘴独立的进水管路连通，另一端与内喷循环管路相连通，所述内喷循环管路用于将冷却介质输送到内喷喷嘴的管道系统。

6.根据权利要求1所述的用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，其特征在于，还包括用于调节喷嘴冷却介质流量的流量控制阀，每个循环管路上都装有独立的流量控制阀，用于根据需要进行精确调节。

7.根据权利要求1所述的用于半封闭收口筒形腔壳件的柔性内喷淬冷装置，其特征在于，还包括用于测量喷嘴实际流量的流量计，每个循环管路上设置有流量控制阀的前端均安装有流量计，用于实时监测冷却介质的流量大小。