CN2370017Y - 金属叶片等离子淬火装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属叶片等离子淬火装置,包括淬火机床、测量装置、淬火枪、等离子弧发生源和伺服驱动模板,其中淬火机床是能沿X轴、Y轴、Z轴和转动轴运动的四坐标机构,四坐标机构的X轴末端固定有摆动头,摆动头上有固定架,各轴及摆动头分别接步进驱动电机,等离子弧发生源的输出接淬火枪,淬火枪和测量装置固定在固定架上,伺服驱动模板的输出接各步进驱动电机。本装置采用外接工控机控制,将大大改善金属叶片的耐磨、耐蚀性能,保证淬火参数的稳定。

Description

金属叶片等离子淬火装置

本实用新型涉及金属叶片淬火处理装置，特别适用于汽轮机行业叶片的防水蚀处理。

目前，国内外汽轮机行业叶片防水蚀淬火装置主要采取叶片电火花强化、火焰淬火、高频淬火、司太立合金片镶焊与堆焊等。电火花强化设备和工艺较为简单，对基体无损伤，但防水蚀效果不明显；火焰淬火操作简单，成本低，由于热影响区过大，影响到基体的组织性能；高频淬火防水蚀效果较优于前二者，但存在着操作复杂、能耗高、可控性较差、热影响区较大等等不利因素；司太立镶焊与堆焊目前已被许多汽轮机厂应用，司太立合金是国内外公认十分理想的防水蚀材料，但由于焊接原因，产生热影响区、较大的变形和应力等致使叶片断裂的不利因素，且手工焊接，随意性较大，焊接质量也不够稳定。

本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种对基体材料组织结构影响很小、硬度高、操作过程可控性强的金属叶片等离子淬火装置。

实现上述目的的技术方案：金属叶片等离子淬火装置，包括淬火机床、测量装置、淬火枪、等离子弧发生源和伺服驱动模板，其中淬火机床是能沿X轴、Y轴、Z轴和夹持工件用的转动轴运动的四坐标机构，四坐标机构的X轴末端固定有摆动头，摆动头上有固定架，各轴及摆动头分别接步进驱动电机，等离子弧发生源的输出接淬火枪，淬火枪和测量装置固定在固定架上，伺服驱动模板的输出接各步进驱动电机。

伺服驱动模板上接有手动控制盒。

伺服驱动模板为五相十拍，其输出接各步进电机。

测量装置为三个感应式接近开关，其测量方法：将叶片淬火带分成若干段，测量每一段时，先使三个测量头Z向行走到起始测量点处，调整测量头X向行走使其接近叶片淬火带边缘，直至X向测量头红色信号灯亮；然后调整另外两个测量头Y向动作，接近叶片淬火带，至少出现一个灯亮，然后根据需要使Φ轴顺时针或逆时针转动，在Φ轴转动过程中，X向测量头的位置发生变化，这时再做X向行走，使X向测量头接近叶片淬火带边缘使红色信号灯亮，通过反复调整，直到另外两个测量头的红色信号灯亮，此时测得测量点的位置坐标：左右(x)、上下(y)、长度(z)和旋转(Φ)，然后再做Z向行走，进行下一点的反复测量，直到将所有分段点测量并记录完毕。

摆动头内设置微动开关，开关信号至脉冲变压器，通过转换外接光电隔离输入输出接口接工业控制计算机(工控机)判断有无摆动并发出控制信号。

采用上述金属叶片等离子淬火装置，结合下面将要叙述的实施例，通过外接工控机在对金属叶片进行淬火时，等离子弧发生源中的离子气在淬火枪的喷嘴(阳极)和电极(阴极)之间借助高频火花引燃等离子非转移弧，在阴极和金属叶片(转弧阳极)之间通过等离子非转移弧过渡引燃等离子转移弧，由于其等离子弧温度、能量密度、焰流速度和焓质极高，对工件传热率与氧乙炔相比高出20倍，使工件叶片能被极迅速地加热到淬火温度之上，在空冷条件下形成组织细化、硬度较高的淬硬层，而且淬火过程很短，无机械力的直接接触，因此对基体材料组织结构强化的程度很小，影响的范围极窄。此外，采用工控机程序测量待淬火叶片型线，可消除叶片在机加工时造成的误差，通过工控机随时控制调整等离子弧功率参数和等离子弧与工件叶片接触时间，可方便、精确地控制淬硬层深度、硬度等淬硬层指标，且工控机操作控制下的淬火工艺参数精确、稳定、可调、重复性好，从而实现了本实用新型的目的。

下面通过实施例详述其结构：

图1是一种金属叶片等离子淬火装置的结构示意图。

实施例：参照图1，金属叶片等离子淬火装置包括淬火机床、等离子设备、测量装置和控制装置。淬火机床为四自由度坐标机构，它是由能沿左右移动的横臂X轴16、上下滑动的立柱Y轴15、前后运动的导轨Z轴14和夹持工件用的转动轴Φ轴7组成，X轴16由步进电机17通过齿轮传动X轴16的齿条实现左右移动，Y轴15由步进电机18通过齿轮传动Y轴15的丝杆转动，使其上下动作，Z轴14由步进电机13带动其丝杆转动，使整个X轴16和Y轴15工作台在Z轴14的导轨面上运动，Φ轴7由步进电机6通过齿轮传动至转台转盘20上，转盘20上夹持有叶片8，转盘20可进行180度旋转，X轴16末端固定有摆动头21，摆动头21上有固定架19，摆动头21由步进电机12驱动；等离子设备包括等离子弧发生源4和淬火枪5，等离子发生电源4的输出接淬火枪5；测量装置由三个测量头(9、10、11)构成，测量头(9、10、11)为园柱形的接近开关，淬火枪5和测量装置均固定在固定架19上；控制装置包括工控机2、伺服驱动模板1和手动控制盒3，伺服驱动模板1的输出接各步进电机(17、18、13、12、6)、手动控制盒3和各测量头(9、10、11)，手动控制盒3便于测量头(9、10、11)的就位，整个装置有赖于外接工控机2的控制，外接工控机2通过其光电隔离输入输出接口控制等离子设备、伺服驱动模板1和测量装置。

由于Φ轴7的俯仰a、淬火枪5的俯仰β和旋转γ构成另外三个辅助自由度，本系统能对多种叶片进行测量、淬火以及其它工件进行测量与处理。

在摆动头21内设置微动开关，取开关信号至脉冲变压器转换后经光电隔离输入输出接口输入工控机2判断摆动的动作是否正常，并发出控制信号，进而确定淬火动作，保证淬火质量。

淬火机床共有五台步进电机(17、18、13、12、6)，其驱动系统全部由工控机2控制，完成四轴联动和第五轴驱动总体控制，四轴联动的步进电机均(17、18、13、6)采用五相十拍分配方式，它可提高步进电机的控制精度和增加稳定性，工控机2不仅控制步进电机的运转速度及方向，同时闭环控制等离子的非转移弧、转移弧以及高频点火，并且在淬火过程中，能动态调节等离子弧参数和淬火位置。

测量装置由三个测量头(9、10、11)构成，其测量方法：将叶片所需淬火带分成若干段，测量每一段时，先使三个测量头(9、10、11)Z向行走到起始测量点处，调整测量头11(X向行走)使其接近叶片淬火带边缘，直至红色信号灯亮；然后调整测量头(10、9)(Y向动作)，接近叶片淬火带，至少出现一个灯亮，然后根据需要使Φ轴7顺时针或逆时针转动，在Φ轴7转动过程中，测量头11的位置发生变化，这时再做X向行走，使测量头11接近叶片淬火带边缘使红色信号灯亮，通过反复调整，直到测量头(10、9)的红色信号灯亮，此时由工控机2记录和显示测量点的位置坐标：左右(x)、上下(y)、长度(z)和旋转(Φ)，然后再做Z向行走，进行下一点的反复测量，直到将所有分段点测量并记录完毕。

测量装置的测量头数量根据需要设置，可以是一个或多个，传感器的类型可以是开关型，也可以是位移型。

等离子弧发生源4根据要求接入三相交流电(380V)、离子气以及冷却自来水(进水、出水)，然后通过高频电弧在淬火枪5上激发等离子非转移弧，然后由非转移等离子弧过渡到转移弧，对叶片淬火带进行均匀淬火，淬火的均匀性通过控制叶片8和淬火枪5的相对运动来满足。由步进电机(17、18、13、12、6)驱动和控制的四坐标淬火机床及摆动头21，完成叶片8的转动和淬火枪5的组合运动。叶片8淬火带型线的相对坐标数据，通过三个测量头(9、10、11)进行测量，工控机2的自动控制是通过采集步进电机(17、18、13、12、6)的驱动信号和控制信号、三个测量头(9、10、11)信号、等离子弧发生源4的转移弧和非转移弧电压及电流信号，进入工控机2进行运算和处理，然后输出信号对淬火枪5、叶片8及等离子弧进行全面的调整和控制，包括对金属工件叶片8型线进行测量，并按照测量的叶片8的型线坐标数据运动，对淬火带进行淬火。具体的淬火方法包括下列步骤：

a、将待淬火金属叶片8固定于转动轴7的转盘20上，开启工控机2的显示器及主机工作后，调至所需的菜单程序，经选择进入所需子程序及动作内容，由于外界水电气压的波动、金属叶片8型线差异同、设备故障等原因，需要对测量头(9、10、11)、淬火枪5及金属叶片8的相对位置由手动控制盒3进行调整和就位，调整测量装置至待淬火金属叶片8的起始位置；

b、由工控机2跟踪和控制测量装置，对待淬火叶片8的型线和位置进行测量与记录，获得等离子淬火时的起始位置及淬火过程中各淬火部位的位置坐标，在淬火带型线测量过程中，每测一个点，在屏幕上显示出四个坐标的测量数据并同时记录：左右(x)、上下(y)、长度(z)和旋转(Φ)，随后将依照此记录的测量数据进行淬火工作；

c、由工控机2控制并调整淬火枪5回归至淬火叶片8的起始淬火位置，也可通过手动控制状态下，将X、Y、Z、Φ轴的移动距离和范围，输入工控机2处理，使淬火枪5自动就位；

d、根据淬火带的宽度要求和选择，确定摆动头21的开关和幅度；

e、根据金属叶片8待淬火区域的形状、淬火带的性能要求等，对淬火功率参数及淬火机床、淬火枪5与金属叶片8等的相对组合运动的工控机2程序进行选择、修正；

f、根据步骤e选择、修正后的工控机程序和步骤b的测量记录，由工控机2控制淬火机床、淬火枪5与金属叶片8等的相对组合运动，利用淬火枪5的等离子弧高焓对叶片8进行连续的淬火处理；

9、对每一金属叶片8淬火的功率参数、位置坐标、淬火过程中的速度变化、淬火时间、工件编号等由工控机2进行检测和记录。

为保证淬火的质量和完整性，工控机2可设置淬火过程的微动调节，如淬火枪5到金属叶片8的距离、等离子弧中心距淬火带边缘的远近、淬火枪5行走速度快慢、叶片淬火扫描带高低不均等，微动调节的方法是在淬火过程中通过手动控制盒3进行微量的动作。

在淬火过程中，四坐标机构的淬火机床任一动作如出现异常或停止，在步进电机的伺服驱动模板1上即可显示步进电机的不动作或失步，设置有步进电机失步控制回路，在伺服驱动模板1上取出失步信号，经转换后外接工控机2，工控机2向等离子发生源4发出修正处理或断弧信号。

工控机2不仅控制各步进电机的运转速度及方向，同时设置有等离子转移弧弧压稳定闭环控制，从等离子发生源4的转移弧电源控制板上取出弧压变化信号，该信号外接工控机2进行处理，然后输出反馈信号经伺服驱动模板1控制Y轴15的步进电机18，闭环控制等离子的非转移弧、转移弧以及高频点火，并且在淬火过程中，能动态调节等离子弧参数和淬火位置。

Claims (5)

1、金属叶片等离子淬火装置，包括淬火机床、测量装置和淬火枪，其特征在于：还包括等离子弧发生源和伺服驱动模板，其中淬火机床是能沿X轴、Y轴、Z轴和夹持工件用的转动轴运动的四坐标机构，四坐标机构的X轴末端固定有摆动头，摆动头上有固定架，各轴及摆动头分别接步进驱动电机，等离子弧发生源的输出接淬火枪，淬火枪和测量装置固定在固定架上，伺服驱动模板的输出接各步进驱动电机。

2、根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火装置，其特征在于：伺服驱动模板上接有手动控制盒。

3、根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火装置，其特征在于：伺服驱动模板接各步进电机的输出驱动为五相十拍结构。

4、根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火装置，其特征在于：摆动头内设置微动开关。

5、根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火装置，其特征在于：测量装置为三个感应式接近开关。

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