用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件的淬火裝置及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明目的在于提供一套用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火過程中實現(xiàn)鑄件快速均勻冷卻，減少鑄件變形和提高力學性能的裝置。
【專利說明】用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件的淬火裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一套用于實現(xiàn)大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火過程快速均勻冷卻的裝置及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空航天、武器裝備、汽車、船舶等領(lǐng)域，大型復(fù)雜薄壁鑄件，尤其是大型復(fù)雜薄壁鋁合金艙體、箱體鑄件的需求和應(yīng)用正越來越廣泛。[0003]大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件成型后一般都要進行后續(xù)熱處理改性，目的是提高其強度、硬度、抗疲勞性能等。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁、大型，且在熱處理過程中因涉及加熱、冷卻、應(yīng)力等多種因素綜合作用，常常導致鑄件變形嚴重，即使經(jīng)過多道次的人工矯形，鑄件合格率仍然較低，難以滿足產(chǎn)品對優(yōu)質(zhì)、高精度鑄件的設(shè)計要求。目前，國內(nèi)針對大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件熱處理變形嚴重的問題也展開了相關(guān)研究，主要集中在優(yōu)選淬火介質(zhì)和淬火方式減小大型鑄件淬火畸變、開展熱處理后變形校正新工藝等方面，并取得了一定的效果，但是熱處理后變形還是較大，不能滿足尺寸精度要求。鑄件淬火冷卻方式對鑄件性能和尺寸精度影響較大，設(shè)計合理的噴濺冷卻系統(tǒng)，有助于實現(xiàn)鑄件薄厚位置快速均勻冷卻，提高鑄件力學性能的同時減小變形量。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明目的在于提供一套用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火過程中實現(xiàn)鑄件快速均勻冷卻，減少鑄件變形和提高力學性能的裝置。
[0005]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種上述裝置用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火過程的方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火的裝置，其特征在于包括以下五個組成部分:底座支架、噴濺管組件、儲水箱、集液盤和防護罩、智能控制系統(tǒng)，底座支架中心部位焊接一個中噴管安裝平板；噴濺管組件分為外噴濺管組件和中噴濺管組件；集液盤主要用于匯集淬火后的介質(zhì)，再通過液位閥控制回液水泵將介質(zhì)抽回到儲水箱；防護罩是能開啟和關(guān)閉的擋板，將噴濺裝置包圍，防止淬火時水液四處噴濺。
[0007]優(yōu)選地，底座支架總體為圓形，由圓鋼焊接而成。
[0008]優(yōu)選地，智能控制系統(tǒng)包括工藝參數(shù)設(shè)定模塊、噴射介質(zhì)匹配模塊、動態(tài)解耦控制、介質(zhì)控制、噴嘴與鑄件動態(tài)控制部分，根據(jù)冷卻介質(zhì)配比與淬火速率關(guān)系建立冷卻過程中的溫度場模型，通過溫度信號的反饋，控制介質(zhì)的流量、溫度和濃度等。
[0009]上述裝置噴濺管組件設(shè)計原理:外噴濺管用于零件外表面噴濺，采用I寸鍍鋅管，根據(jù)鑄件外形尺寸，按照每只噴嘴能覆蓋的有效面積，同時考慮到零件上的厚壁凸臺，每根噴管上設(shè)置實心噴嘴，外噴管分為左右兩組噴管組，每組分別由3支長噴管和3支短噴管交錯安裝，每組固定在半圓型的支架上，每組噴管鉸鏈在底座上，構(gòu)成活動可分開的噴管組，方便零件的取放，長噴管設(shè)置噴嘴若干，短噴段設(shè)置噴嘴若干。中噴管用于零件內(nèi)表面噴派，米用2寸鍍鋅管，根據(jù)內(nèi)表面的面積和長度，中噴管軸向方向分別設(shè)置噴嘴若干，每根噴管上設(shè)置實心噴嘴，每組噴嘴徑向均勻分布噴嘴若干。中噴管在與底座支架上可調(diào)節(jié)高度。
[0010]上述裝置噴嘴能產(chǎn)生實心錐形噴霧形狀，噴射區(qū)呈圓形，噴射角度在43°到120°之間可調(diào)。該類噴嘴能在大范圍的流率和壓力下產(chǎn)生分布均勻、液滴大小為中等到偏大的噴霧，噴霧能實現(xiàn)圓形區(qū)域內(nèi)的全面積覆蓋，這種均勻的噴霧形狀分布來源于其獨特的葉片設(shè)計和大而暢通的流道以及優(yōu)良的控制特性。同時，其具有萬向可調(diào)位置的球接頭，方便控制噴嘴的噴射方向。
[0011]上述智能控制系統(tǒng)可以通過如下方法實現(xiàn)介質(zhì)的流量、溫度和狀態(tài)自動控制。熱電偶通過溫度變送器、光耦隔離器，不斷將冷卻溫度變化值傳送給Α/D (模擬/數(shù)值)模塊，并反饋給PLC (可控制邏輯編程器)主機。運用PID (比例微分積分調(diào)節(jié)器)指令，將給定的溫控曲線與熱電偶反饋信號進行PID運算后，輸出控制信號經(jīng)D/Α (數(shù)值/模擬)轉(zhuǎn)換為模擬量，通過光耦隔離器、過零觸發(fā)器作為SCR (可控硅整流器)的調(diào)節(jié)信號，此時比例閥則在D/Α模塊控制下改變介質(zhì)的流量，溫度控制模塊在雙向可控硅控制下改變爐內(nèi)溫度，噴嘴則在介質(zhì)控制模塊下改變介質(zhì)的狀態(tài)，進而有效控制鑄件冷卻速率。
[0012]上述各管路系統(tǒng)設(shè)置有諸多閥門，PLC的中央處理器根據(jù)內(nèi)部的控制程序可以實現(xiàn)對設(shè)備啟動、各閥門開合的靈活、介質(zhì)流量及狀態(tài)控制，并由其輸出端的LED信號燈表示輸出控制的動作完成狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的輸出驅(qū)動，并記錄系統(tǒng)參數(shù)曲線。
[0013]上述裝置通過合理布置噴嘴位置、調(diào)控冷卻介質(zhì)的性能參數(shù)及不同的噴濺方式等，使鑄件厚壁處、薄壁處及加強筋等不同部位冷速均勻，獲得少變形的優(yōu)質(zhì)鑄件。
[0014]本發(fā)明的另一個目的是這樣實現(xiàn)的，一種大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火裝置的使用方法，其特征在于包括以下步驟:
第一步，在熱處理溫度精度控制在±5°C范圍內(nèi)的熱處理爐中對大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件進行固溶處理，加熱到535±5 °C，保溫12~14h ；
第二步，在儲液箱中加熱PAG水溶性聚合物淬火介質(zhì)至35~40°C，借助行車將固溶后的鑄件吊入噴濺冷卻裝置內(nèi)，轉(zhuǎn)移時間控制在15s以內(nèi)；
第三步，通過PLC控制系統(tǒng)打開噴濺冷卻裝置進行鑄件淬火處理，噴液水泵開始工作，裝置開始噴液，水壓可達0.05、.3MPa ；
第四步，熱電偶監(jiān)測鑄件的溫度，將溫度變化值傳送給A/D模塊，通過光耦隔離器、過零觸發(fā)器作為SCR的調(diào)節(jié)信號，通過比例閥隨時控制介質(zhì)的流量，儲液箱控制介質(zhì)的溫度，噴嘴控制介質(zhì)的狀態(tài)；
第五步，回液水泵在液位閥的控制下，將集液盤中匯集淬火后的水抽回到儲水箱，直至鑄件溫度冷卻到80±5°C，持續(xù)時間25~35s ；
第六步，淬火結(jié)束，PLC控制系統(tǒng)自動操作電磁截止閥停止裝置噴液，將鑄件吊出。
[0015]本發(fā)明具有如下有益效果:
1、本發(fā)明裝置自動化程度高，主要操作步驟如噴液，介質(zhì)的流量、溫度和狀態(tài)控制，介質(zhì)回液，停止噴液過程可通過PLC控制快速、精確完成，操作簡便；主要的工藝參數(shù)如鑄件溫度、介質(zhì)溫度、水壓、冷卻速率在顯示裝置上均可生動顯示，并輸出溫度曲線和冷卻速率曲線，便于對淬火過程進行分析。
[0016]本裝置能通過PLC控制系統(tǒng)精確控制介質(zhì)的流量、溫度、狀態(tài)，根據(jù)鑄件不同部位尺寸厚度提供不同的冷卻速率，有利于鑄件的快速均勻冷卻，減少鑄件的變形量，保證淬火
質(zhì)量；
本裝置配有回液水泵，能將集液盤中匯集的淬火介質(zhì)抽回到儲液箱中，使整個噴濺過程處于一個循環(huán)過程，提高淬火介質(zhì)的利用率，節(jié)約了設(shè)備的投資；
本裝置儲液箱配有加熱裝置，能保證淬火介質(zhì)在淬火過程中溫度可以調(diào)節(jié)，通過控制淬火介質(zhì)溫度，提高鑄件淬火后的精度和性能；
本裝置的防護罩能將噴濺裝置包圍，防止淬火時水液四處噴濺，保證淬火過程現(xiàn)場干凈，保證人身、設(shè)備安全；
該裝置連續(xù)性強，工作效率高，避免過多的時間、物資損耗，推廣應(yīng)用價值較高，工業(yè)潛力巨大。
[0017]2、本發(fā)明工藝下的鑄件在PLC控制的噴濺冷卻裝置中進行淬火處理，熱電偶時刻監(jiān)視鑄件溫度，反饋到控制系統(tǒng)，精確控制介質(zhì)的流量、溫度、狀態(tài)，實現(xiàn)鑄件的快速均勻冷卻，保證了鑄件的質(zhì)量，達到了淬火要求，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。
[0018]對于大型薄壁復(fù)雜鋁合金鑄件來說，鑄件尺寸薄厚位置不同，常規(guī)淬火工藝很難實現(xiàn)鑄件不同位置的均勻冷卻，造成鑄件淬火后變形量嚴重，內(nèi)部殘余應(yīng)力也很大，甚至會出現(xiàn)淬裂等情況。而本工藝則可以徹底解決上述問題，獲得變形小、性能好的優(yōu)質(zhì)鑄件，解決了困擾淬火領(lǐng)域多年的難題，服務(wù)于航空航天、汽車船舶以及國防相關(guān)領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件的噴濺淬火裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:1.外噴管I組；2.中噴管；3.工件；4.熱電偶；5.外噴管2組；6.電磁截止閥；7.壓力變送器；8.比例閥；9.液位閥；10.集液盤；11.防護罩；12.回液水泵；
13.噴液水泵；14.儲液箱；15.信號放大器；16.PLC控制裝置；
圖2底座支架結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3中噴管組件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4長外噴管組件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5短外噴管組件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6液位閥控制示意圖；
圖中:當液位處于I號位置時，關(guān)閉回液水泵；當液位處于2號位置時,開啟回液水泵； 圖7防護罩示意圖；
圖8基于PLC編程的冷卻控制系統(tǒng)原理圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例，本實施例以某大型復(fù)雜鋁合金殼體鑄件為應(yīng)用對象，具體輪廓尺寸:高750mm,小端圓Φ286.5mm,大端矩形376.7mmX413.4mm,主體壁厚2.9mm,內(nèi)腔多凸臺、筋，材料:ZL114A。
[0021]操作步驟見
【發(fā)明內(nèi)容】
。
[0022]主要工作參數(shù)如下:鑄件固溶溫度535±5°C;保溫時間12~14h ;PAG水溶性聚合物加熱溫度35~40°C ;鑄件轉(zhuǎn)移時間15s以內(nèi)；噴濺水壓0.05、.3MPa ;淬火時間25~35s。
【權(quán)利要求】
1.一種用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火的裝置，其特征在于包括以下五個組成部分:底座支架、噴濺管組件、儲水箱、集液盤和防護罩、智能控制系統(tǒng)，底座支架中心部位焊接一個中噴管安裝平板；噴濺管組件分為外噴濺管組件和中噴濺管組件；集液盤主要用于匯集淬火后的介質(zhì)，通過液位閥控制回液水泵將淬火介質(zhì)抽回到儲水箱；防護罩是能開啟和關(guān)閉的擋板，將噴濺裝置包圍，防止淬火時水液四處噴濺。
2.如權(quán)利要求1所述用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火的裝置，其特征在于:底座支架總體為圓形，由圓鋼焊接而成。
3.如權(quán)利要求1或2所述用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火的裝置，其特征在于:智能控制系統(tǒng)包括工藝參數(shù)設(shè)定模塊、噴射介質(zhì)匹配模塊、動態(tài)解耦控制、介質(zhì)控制、噴嘴與鑄件動態(tài)控制部分，根據(jù)冷卻介質(zhì)配比與淬火速率關(guān)系建立冷卻過程中的溫度場模型，通過溫度信號的反饋，控制介質(zhì)的流量、溫度和狀態(tài)等。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火的裝置，其特征在于:所述智能控制系統(tǒng)通過如下方法實現(xiàn)介質(zhì)的流量、溫度和狀態(tài)自動控制，熱電偶通過溫度變送器、光耦隔離器，不斷將冷卻溫度變化值傳送給Α/D模塊，并反饋給PLC主機；運用PID指令，將給定的溫控曲線與熱電偶反饋信號進行PID運算后，輸出控制信號經(jīng)D/Α轉(zhuǎn)換為模擬量，通過光耦隔離器、過零觸發(fā)器作為SCR的調(diào)節(jié)信號，此時比例閥則在D/Α模塊控制下改變介質(zhì)的流量，溫度控制模塊在雙向可控硅控制下改變爐內(nèi)溫度，噴嘴則在介質(zhì)控制模塊下改變介質(zhì)的狀態(tài)，進而有效控制鑄件冷卻速率。
5.如權(quán)利要求1所述用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火的裝置，其特征在于:外噴濺管用于零件外表面噴濺，采用I寸鍍鋅管，根據(jù)鑄件外形尺寸，按照每只噴嘴能覆蓋的有效面積，同時考慮到零件上的厚壁凸臺，每根噴管上設(shè)置實心噴嘴，外噴管分為左右兩組噴管組，每組分別由3支長噴管和3支短噴管交錯安裝，每組固定在半圓型的支架上，每組噴管鉸鏈在底座上，構(gòu)成活動可分開的噴管組，方便零件的取放，長噴管設(shè)置噴嘴若干，短噴段設(shè)置噴嘴若干。
6.如權(quán)利要求1所述用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火的裝置，其特征在于:中噴管用于零件內(nèi)表面噴濺，采用2寸鍍鋅管，根據(jù)內(nèi)表面的面積和長度，中噴管軸向方向分別設(shè)置噴嘴若干，每根噴管上設(shè)置實心噴嘴，每組噴嘴徑向均勻分布噴嘴若干，中噴管在與底座支架上可調(diào)節(jié)高度。
7.如權(quán)利要求5-6所述用于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火的裝置，其特征在于所述噴嘴噴射角度在43°到120°之間可調(diào)。
8.—種權(quán)利要求1-7所述大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件淬火裝置的使用方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步，在熱處理溫度精度控制在±5°C范圍內(nèi)的熱處理爐中對大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件進行固溶處理，加熱到535±5°C，保溫12~14h ； 第二步，在儲液箱中加熱PAG水溶性聚合物淬火介質(zhì)至35~40°C，借助行車將固溶后的鑄件吊入噴濺冷卻裝置內(nèi)，轉(zhuǎn)移時間控制在15s以內(nèi)； 第三步，通過PLC控制系統(tǒng)打開噴濺冷卻裝置進行鑄件淬火處理，噴液水泵開始工作，裝置開始噴液，水壓可達0.05、.3MPa ； 第四步，熱電偶監(jiān)測鑄件的溫度，將溫度變化值傳送給A/D模塊，通過光耦隔離器、過零觸發(fā)器作為SCR的調(diào)節(jié)信號，通過比例閥隨時控制介質(zhì)的流量，儲液箱控制介質(zhì)的溫度，噴嘴控制介質(zhì)的狀態(tài)； 第五步，回液水泵在液位閥的控制下，將集液盤中匯集淬火后的水抽回到儲水箱，直至鑄件溫度冷卻到80±5°C，持續(xù)時間25~35s ； 第六步，淬火結(jié)束，PLC控 制系統(tǒng)自動操作電磁截止閥停止裝置噴液，將鑄件吊出。
【文檔編號】C21D1/667GK103468893SQ201310302044
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】陳強, 黃志偉, 唐全波, 寧海青, 舒大禹, 夏祥生, 黃樹海, 趙志翔 申請人:中國兵器工業(yè)第五九研究所