CN203360494U - 可控等离子弧金属表面热处理成套设备 - Google Patents

Abstract

一种可控等离子弧金属表面热处理成套设备，涉及金属表面处理技术领域，包括等离子弧发生装置、PLC工艺参数控制装置和等离子弧扫描工件行走装置三部分，所述PLC工艺参数控制装置控制连接等离子弧发生装置，所述等离子弧扫描工件行走装置用于驱动等离子弧发生装置，PLC工艺参数控制装置用于实现系统的监视和控制，并根据设定的程序实现工作流程的自动化，实际操作的智能化，提高系统工作的安全性和可靠性。本实用新型以等离子弧作为热源对工件表面进行快速加热，使被加热部位的温度在极短的时间内达到相变温度以上，然后靠工件自身冷却和相变获得所需要的组织，从而使加热部位获得极高硬度、高耐磨性、抗疲劳性等性能，以大幅度提高零件的使用寿命。

Description

可控等离子弧金属表面热处理成套设备

技术领域

本实用新型涉及金属表面处理技术领域，具体涉及一种可控等离子弧金属表面热处理成套设备。

背景技术

实际中，对金属材料零件表面进行淬火处理后，其表面硬度将得到不同程度的提高，但心部特性仍保持原来的样子，使得零件在使用的过程中表面不容易被磨坏，通常叫增加了零件的耐磨性，同时由于心部仍保持原来的样子，使得材料仍有足够的韧性，即通常说的“表硬里韧”，这样充分发挥了材料的综合性能，提高了零件的使用寿命。表面淬火工艺具体说就是通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来组织的一种表面热处理方法。

表面淬火通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上（此时工件心部温度处于临界点以下）时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。表面淬火只加热工件表层，为了达到这个目的，则要求所用热源具有较高的能量密度。根据加热方法不同，目前市场上表面淬火有感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等，应用较多的为感应加热和火焰加热表面淬火。

1）感应加热是将零件置于感应器内（感应线圈内），当有一定的电流频率的交流电通过感应器时，在零件表面就有感应电流产生，此电流分布在表面，并以涡流的形式出现，迅速加热表面使其达到淬火温度，然后切断电源，并将零件急速冷却，实现感应加热表面淬火。

感应加热表面淬火是目前常用的一种表面淬火方法，它有以下优点：(1).感应加热属于内热源直接加热，加热速度快。(2).加热过程中，由于加热时间较短，零件表面氧化脱碳少。(3).能选择性加热。(4).感应加热设备可放置在加工生产线上，通过电气参数对过程进行精确的工艺控制。

感应加热表面淬火的不足：(1).加热效果往往受限于工件的形状 ；(2).淬火的零件要有一定的感应器与其对应，成本高；(3).设备与淬火工艺匹配和局部温度控制困难； (4).需要淬火冷却介质，工作环境较脏 ，污染环境 ；(5).加热效率低 ，能耗高；(6).设备庞大、占地大 ，维修复杂；(7).处理后，工件容易变形、开裂；

2）火焰加热表面淬火是用气体燃料燃烧时产生的火焰将工件表层加热到淬火温度，随后快速冷却的表面淬火方法。火焰淬火可获得高硬度的表层和有利的内应力分布，提高工件的耐磨性和疲劳强度。火焰淬火设备比较简单，适于单件小批生产或现场淬火。对于运输拆卸不便的重大零件和不适于采用其它表面淬火的零件，如大型齿轮、大型工作平面，一些凸轮、曲轴、机床导轨和链轮等，火焰淬火具有广泛的适应性和机动性。

但其缺点有：(1).化学火焰温度不高，工件温度上升速度缓慢； (2).表面温度变化大，易于使靠近处理部位的区域过热，工件变形大；(3).被处理零件质量不稳定 ； (4).需要淬火冷却介质，工作环境较脏 ，污染环境 ；(5).加热效率低 ，能耗高；

3）接触电阻加热淬火是通过电极将小于5伏的电压加到工件上,在电极与工件接触处流过很大的电流,并产生大量的电阻热,使工件表面加热到淬火温度,然后把电极移去,热量即传入工件内部而表面迅速冷却,达到淬火目的。当处理长工件时,电极不断向前移动,留在后面的部分不断淬硬。这一方法的优点是设备简单，操作方便，易于自动化，工件畸变极小，不需要回火，能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄（0.15～0.35毫米），显微组织和硬度均匀性较差，应用范围不广。

4）激光加热表面淬火是利用高能激光束扫描工件表面，使激光辐射能转化为热能被工件吸收，然后通过热传导使材料温度极快地升到奥氏体相变温度以上，再通过基体自身的冷却作用使已产生相变的材料以超过马氏体相变临界冷却速度快速冷却，从而实现相变硬化。工艺特点为淬火部位精确可控，易于实现自动化；主要局限性是处理前需发黑处理，工艺复杂，易造成污染；激光加热表面淬火设备价格贵、体积庞大；操作人员的技术要求高，生产成本高。

5）电子束加热表面淬火是将工件置于低真空室(0.1 ～1Pa)中，用103～106W/cm2 的高速电子流轰击工件表面，在极短的时间(10-1 ～10-3s)内，把钢件的表面加热到钢的相变点以上，由于电子束能量极高、集中，加热层很薄，通过工件自激冷却进行淬火。电子束加热表面淬火必须在真空中进行，因此需要配套真空系统；电子束表面淬火设备价格贵、体积庞大；操作人员的技术要求高，生产成本高；电子束表面淬火处理不能用于重负荷零件和大型零件。

等离子金属表面淬火技术是新兴学科“表面工程”的一个分支。也是传统金属热处理技术的发展和进步。随着节约型、环保型、可持续发展型社会的建设，符合节能、环保要求的新兴技术必然会得到社会和企业的认可和追捧。等离子弧表面淬火的原理是以等离子弧作为热源对工件表面进行快速加热，使被加热部位的温度在极短的时间内达到相变温度以上，然后靠工件自身冷却和相变获得所需要的组织，从而使加热部位获得极高硬度、高耐磨性、抗疲劳性等性能，以大幅度提高零件的使用寿命。鉴于此，提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种能够使等离子表面处理的硬度和硬化层深度等多项性能可控，实际应用领域宽泛，具有使用方便、节能、环保的可控等离子弧金属表面热处理成套设备。

本实用新型所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种可控等离子弧金属表面热处理成套设备，包括等离子弧发生装置、PLC工艺参数控制装置和等离子弧扫描工件行走装置三部分，所述PLC工艺参数控制装置控制连接等离子弧发生装置，所述等离子弧扫描工件行走装置用于驱动等离子弧发生装置，PLC工艺参数控制装置用于实现系统的监视和控制，并根据设定的程序实现工作流程的自动化，实际操作的智能化，提高系统工作的安全性和可靠性。

所述等离子弧发生装置包括等离子弧喷头，所述等离子弧喷头内设有电极，所述等离子弧喷头连接有电源及控制系统、气路系统及循环水冷却系统。

所述等离子弧喷头一侧由上到下依次设有进水口、进气口及出水口，所述出水口经冷水机及流量开关连接到等离子弧喷头的进水口，实现循环，所述进气口依次经流量计、减压阀连接到氩气源。

所述电源及控制系统包括触摸屏及与触摸屏通讯连接的可编程控制器，所述可编程控制器经恒流源连接到直流源，所述直流源的负极连接到电极，所述直流源的正极经高频振荡器分成两路，一路连接至等离子弧喷头，另一路经开关K连接到待加工件。

所述电极通过电极夹紧装置安装在等离子弧喷头内，所述等离子弧喷头与电极同心设置。

所述PLC工艺参数控制装置包括PLC系统及触摸显示屏，此外可根据客户需要配置通讯接口，使该系统设备与其它相关设备实现通讯，触摸显示屏显示系统运行状态，并可对系统运行的重要参数进行一定范围内的调整。

所述等离子弧扫描工件行走装置采用通用车床或者其他能固定各种尺寸、形状的工件专用设备。

所述等离子弧喷头固定在等离子弧扫描工件行走装置上。

本实用新型主要应用于机械装备业关键零部件的表面热处理，该设备以等离子弧作为热源对工件表面进行快速加热，使被加热部位的温度在极短的时间内达到相变温度以上，然后靠工件自身冷却和相变获得所需要的组织，从而使加热部位获得极高硬度、高耐磨性、抗疲劳性等性能，以大幅度提高零件的使用寿命。

本实用新型的有益效果是：

1、在等离子弧发生喷头设计了特殊的电极夹紧装置，充分保证了电极与喷头的同心度,提高了等离子弧的质量；结构上采用了简洁的密封系统，缩小了等离子弧喷头的体积，进一步扩大了等离子弧表面淬火加工的应用范围。

2、专用电源的设计开发解决了等离子弧表面淬火技术对电源特性的特殊要求，同时将实际处理过程中等离子弧表面淬火工艺参数与电源控制有机结合，使得等离子弧表面淬火加工设备简洁高效、操作方便、控制精确；

3、专用和通用的等离子弧表面淬火行走扫描装置开发使处理方式灵活多变，利于更好地发挥等离子弧表面淬火的作用，达到尽快开拓进入市场的目的。

4、解决了因在工件表面随机起弧、停弧而对工件表面处理质量带来任何影响，增强了等离子弧表面淬火加工的适应性和灵活性。

5、根据客户需要配置了通讯接口，方便该系统设备与其它相关设备实现通讯，并可实现远程监控，使得设备制造商能快速、高效为客户服务，达到进一步提高设备实际运行的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型原理方框图；

图2为本实用新型等离子弧发生装置原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

如图1、图2所示，一种可控等离子弧金属表面热处理成套设备，包括等离子弧发生装置10、PLC工艺参数控制装置20和等离子弧扫描工件行走装置30三部分，PLC工艺参数控制装置20控制连接等离子弧发生装置10，等离子弧扫描工件行走装置30用于驱动等离子弧发生装置10，PLC工艺参数控制装置20用于实现系统的监视和控制，并根据设定的程序实现工作流程的自动化，实际操作的智能化，提高系统工作的安全性和可靠性。

等离子弧发生装置10包括等离子弧喷头101，等离子弧喷头101内设有电极102，等离子弧喷头101连接有电源及控制系统、气路系统及循环水冷却系统。等离子弧喷头101一侧由上到下依次设有进水口103、进气口104及出水口105，出水口105经冷水机106及流量开关107连接到等离子弧喷头101的进水口103，实现循环，有制冷和温度设定、监控功能，水流的通断通过流量开关监测。进气口104依次经流量计108、减压阀109连接到氩气源110，等离子发生装置10需要的气体流量由流量计108控制；

电源及控制系统包括触摸屏111及与触摸屏11通讯连接的可编程控制器112，可编程控制器112经恒流源113连接到直流源114，直流源114的负极连接到电极102，直流源114的正极经高频振荡器115分成两路，一路连接至等离子弧喷头101，另一路经开关K连接到待加工件40。

电极102通过电极夹紧装置安装在等离子弧喷头101内，等离子弧喷头101与电极102同心设置，提高了等离子弧的质量；

PLC工艺参数控制装置20包括PLC系统及触摸显示屏，此外可根据客户需要配置通讯接口，使该系统设备与其它相关设备实现通讯，触摸显示屏显示系统运行状态，并可对系统运行的重要参数进行一定范围内的调整。

等离子弧扫描工件行走装置30采用通用车床或者其他能固定各种尺寸、形状的工件专用设备，等离子弧喷头固定在等离子弧扫描工件行走装置上。

等离子弧扫描工件行走装置30的作用主要是根据被加工产品的需要，使得等离子弧喷头按照设计轨迹，沿着加工工件表面运动，且在运动的过程中等离子弧喷头与工件表面具有一定间隙。通常采用通用车床（或者其他能固定各种尺寸、形状的工件专用设备），同时将等离子弧喷头安装在车床上，安装时要求等离子弧喷头与工件表面不接触。工件做旋转运动，等离子弧喷头沿直线方向运动，工件与等离子弧喷头之间便形成了相对运动，这样车床便成为了一种扫描行走系统，工件的表面就在短时间内被完全扫描，即完成表面淬火处理。

本实用新型成套设备的相关参数如下：

① 电源额定功率：10千瓦

② 电流调节范围：50～147安培

③ 等离子弧扫描工件行走装置相对运动速度：2米/分钟～7米/分钟可控

④ 硬化带宽度：1～5毫米可控

⑤ 硬化带深度：0.15～1.0毫米可控

⑥ 硬化区硬度：450～800HV1

⑦ 加工工件内孔直径范围：＞Φ35毫米

⑧ 加工工件长度范围：无限制

⑨ 处理材料：各类碳钢、合金钢、铸铁等

⑩ 每分钟处理面积：260cm2/min左右。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种可控等离子弧金属表面热处理成套设备，其特征在于：包括等离子弧发生装置、PLC工艺参数控制装置和等离子弧扫描工件行走装置三部分，所述PLC工艺参数控制装置控制连接等离子弧发生装置，所述等离子弧扫描工件行走装置用于驱动等离子弧发生装置。

2.根据权利要求1所述的可控等离子弧金属表面热处理成套设备，其特征在于：所述等离子弧发生装置包括等离子弧喷头，所述等离子弧喷头内设有电极，所述等离子弧喷头连接有电源及控制系统、气路系统及循环水冷却系统。

3.根据权利要求1所述的可控等离子弧金属表面热处理成套设备，其特征在于：所述等离子弧喷头一侧由上到下依次设有进水口、进气口及出水口，所述出水口经冷水机及流量开关连接到等离子弧喷头的进水口，所述进气口依次经流量计、减压阀连接到氩气源。

4.根据权利要求2所述的可控等离子弧金属表面热处理成套设备，其特征在于：所述电源及控制系统包括触摸屏及与触摸屏通讯连接的控制器，所述控制器经恒流源连接到直流源，所述直流源的负极连接到电极，所述直流源的正极经高频振荡器分成两路，一路连接至等离子弧喷头，另一路经开关K连接到待加工件。

5.根据权利要求2所述的可控等离子弧金属表面热处理成套设备，其特征在于：所述电极通过电极夹紧装置安装在等离子弧喷头内，所述等离子弧喷头与电极同心设置。

6.根据权利要求1所述的可控等离子弧金属表面热处理成套设备，其特征在于：所述PLC工艺参数控制装置包括PLC系统及触摸显示屏。

7.根据权利要求1所述的可控等离子弧金属表面热处理成套设备，其特征在于：所述等离子弧扫描工件行走装置采用通用车床或者其他能固定各种尺寸、形状的工件专用设备。

8.根据权利要求2所述的可控等离子弧金属表面热处理成套设备，其特征在于：所述等离子弧喷头固定在等离子弧扫描工件行走装置上。

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