本發(fā)明涉及淬火裝置，尤其涉及一種超聲振動輔助絲杠感應(yīng)淬火裝置及工藝。
背景技術(shù)：
滾珠絲杠是應(yīng)用在很多工業(yè)設(shè)備及數(shù)控機床設(shè)備上的關(guān)鍵零件，然而，國產(chǎn)滾珠絲杠的可靠性較差、精度不高等問題，已成為我國精密、高端設(shè)備發(fā)展路上的絆腳石。滾珠絲杠在交變載荷下工作，承受滾動摩擦，因此溝道要具有高的接觸疲勞強度、耐磨性和尺寸穩(wěn)定。在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，絲杠在磨削后經(jīng)常在絲杠表面出現(xiàn)軸向的或網(wǎng)狀的裂紋。磨削裂紋的出現(xiàn)不僅與材料本身、磨削工藝有關(guān)，而且與熱處理工藝有關(guān)。在絲杠生產(chǎn)使用時裂紋出現(xiàn)可能是由于冷卻過程中殘余應(yīng)力過大和淬火過程中產(chǎn)生的變形；還有溝道頂部與底部的硬度不均勻，往往溝道底部硬度低，原因主要是由于絲杠的溝道頂部與底部的加熱溫度不均勻，溝道頂部容易溫度過高，底部溫度偏低，從而溫度分布不均勻，奧氏體化不均勻，淬火時冷卻不均勻，生成鐵素體貝氏體組織等組織不均勻問題。因此，開展?jié)L珠絲杠的熱處理技術(shù)優(yōu)化研究是非常有必要的。
感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用的是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)感應(yīng)圈中通過交流電時，感應(yīng)圈內(nèi)外會產(chǎn)生同頻率的交變磁場。若是把工件放在感應(yīng)圈內(nèi)，在交變磁場中切割磁力線，工件內(nèi)就會產(chǎn)生與感應(yīng)圈同頻率而方向相反的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在工件表面形成閉合回路，稱為渦流。渦流將電能變成熱能，進(jìn)而加熱工件。渦流在被加熱工件中的分布是很不均勻的，由表面至心部呈遞減的指數(shù)變化。因此，電流通過工件時，渦流主要分布在工件表面，越往工件內(nèi)部電流密度越小，心部幾乎為零，這種現(xiàn)象叫做集膚效應(yīng)。感應(yīng)加熱不同于其他表面感應(yīng)加熱方法，如滲碳、滲氮等。感應(yīng)加熱就是利用電磁感應(yīng)原理和電流集膚效應(yīng)，依靠渦流的熱效應(yīng)把工件表面迅速加熱到奧氏體化溫度的。
感應(yīng)加熱技術(shù)廣泛應(yīng)用在工件表面硬化處理方面，其依靠材料內(nèi)部組織的相變來增強零件表面耐磨性、抗疲勞性等，通過產(chǎn)生細(xì)小均勻的馬氏體組織提高表面性能。目的是為了在工件表層形成一定深度的均勻細(xì)小的馬氏體組織，而其心部仍為原始的組織，而獲得表層是高硬度和高耐磨性，心部又有足夠的塑性和韌性的工件，從而達(dá)到“表硬心韌”的綜合效果。
現(xiàn)有工件，尤其是絲杠的淬火工藝，因絲杠表面的溝道存在，不能獲得較為均勻的馬氏體組織，因冷卻水的不均勻性，導(dǎo)致絲杠淬火并不均勻，從而導(dǎo)致絲杠硬度并不均勻。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明第一目的是提供一種超聲振動輔助絲杠感應(yīng)淬火裝置，該裝置將超聲波振動應(yīng)用于感應(yīng)淬火裝置中，超聲波使得絲杠表層的渦流分布場更加均勻，從而得到更均勻的溫度場分布，使奧氏體化溫度更均勻，更促進(jìn)加熱過程碳及合金元素的擴散，使組織更均勻；同時超聲振動使磁感線分布更均勻，使冷卻水的水滴更加細(xì)化，絲杠的硬度分布更加均勻。
本發(fā)明的第二目的是提供一種超聲振動輔助絲杠感應(yīng)淬火的工藝，該工藝使得絲杠被加熱時奧氏體化溫度更加均勻，淬火后硬度分布均勻，可提高絲杠表面性能。
為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供的第一個技術(shù)方案：
一種超聲振動輔助絲杠感應(yīng)淬火裝置，包括：
用于帶動絲杠旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，固定于機床上，旋轉(zhuǎn)軸設(shè)有兩個，二者間隔設(shè)定距離設(shè)置；第一旋轉(zhuǎn)軸支撐于軸承內(nèi)，第二旋轉(zhuǎn)軸在電機旋轉(zhuǎn)作用下旋轉(zhuǎn)；
第一超聲振動器，第一超聲振動器一端固定于第一旋轉(zhuǎn)軸的端部；
絲杠固定件，設(shè)有兩個，第一絲杠固定件一端與第一超聲振動器固定，另一端用于夾持絲杠一端部，第二絲杠固定件一端固定于殼體內(nèi)且同設(shè)于殼體內(nèi)的彈性元件接觸，且兩個絲杠固定件與絲杠接觸的端部可部分穿入到絲杠的端部以從絲杠的兩側(cè)來固定夾持絲杠，第二絲杠固定件可壓縮彈性元件；
冷卻噴水器，冷卻噴水器固定于沿絲杠長軸線方向可移動的滑塊上，以對絲杠噴水；
感應(yīng)線圈，感應(yīng)線圈與滑塊連接，設(shè)于絲杠的環(huán)向方向，感應(yīng)線圈與冷卻噴水器同步移動，以實現(xiàn)一個加熱，另一個冷卻。
超聲波在彈性介質(zhì)中通過時引起質(zhì)點的位移，因具有速度和加速度，加上超聲波具有極高的振動頻率，故超聲波本身攜帶超大的能量，將外加能量應(yīng)用到感應(yīng)加熱淬火中，可以促進(jìn)得到更均勻有效的馬氏體組織；彈性元件的設(shè)置保證絲杠夾緊時具有一定的壓力，在彈性元件的作用下，絲杠固定件從一端夾緊絲杠，如果是剛性夾緊，壓力不夠時，絲杠的旋轉(zhuǎn)容易出現(xiàn)問題，旋轉(zhuǎn)不均勻甚至脫落；如果對絲杠的夾緊力不足時，夾持過程容易使絲杠變形或振動。
感應(yīng)線圈是把工頻50hz的交流電(380V/220V)整流濾波后得到直流電，再經(jīng)過逆變電路把直流電轉(zhuǎn)換成一定頻率的電流，經(jīng)變壓器輸出一定頻率的交流電，交流電流到感應(yīng)器(通常是銅管，內(nèi)通冷卻水)，感應(yīng)線圈中通過交流電，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，將金屬等被加熱物體放置在線圈內(nèi)，磁場作用于絲杠，在絲杠內(nèi)產(chǎn)生相反方向感應(yīng)電流，即渦流，由于被加熱物體內(nèi)存在著電阻，所以會產(chǎn)生很多的焦耳熱，使物體自身的溫度迅速上升。
超聲波在彈性介質(zhì)中通過時引起質(zhì)點的位移，具有速度和加速度，故超聲波本身攜帶超大的能量，將外加能量應(yīng)用到感應(yīng)加熱淬火中，可以促進(jìn)得到更均勻有效的馬氏體組織。加上超聲波具有極高的振動頻率，因此，對很多物理化學(xué)及工藝過程產(chǎn)生重要影響。上述淬火裝置通過感應(yīng)線圈對絲杠進(jìn)行加熱，絲杠旋轉(zhuǎn)使得絲杠受熱均勻，在淬火過程中，在冷卻噴水器對絲杠進(jìn)行噴水淬火時，第一超聲振動器在旋轉(zhuǎn)軸的帶動下隨絲杠一起在感應(yīng)淬火過程作旋轉(zhuǎn)運動并產(chǎn)生超聲振動，在絲杠的加熱、冷卻中進(jìn)行持續(xù)的超聲振動輔助，使得絲杠加熱更加均勻；將絲杠放在兩個絲杠固定件之間夾緊時，可以將彈性元件壓縮，兩個絲杠固定件將絲杠頂緊后，彈性元件保證絲杠與頂針之間有一定壓力，從而可保證絲杠在感應(yīng)淬火過程中由淬火機床帶著順利旋轉(zhuǎn)。
第一超聲振動器的主要作用是：在軸向方向產(chǎn)生超聲振動，作用在整個絲杠上，一是，作用在絲杠表面的溝道頂部及底部和內(nèi)部的磁場上，對感應(yīng)磁場產(chǎn)生的渦流分布產(chǎn)生影響，使溝道頂部及底部和內(nèi)部的渦流分布更均勻，從而溫度場分布更均勻；二是，超聲振動有利于加熱過程中碳及合金元素的擴散，使材料加熱奧氏體化后，各處的化學(xué)成分更均勻，從而在隨后的冷卻過程中，避免因加熱不均勻產(chǎn)生的殘留鐵素體和珠光體組織，又避免奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體貝氏體型組織，使組織更均勻。
在所述滑塊與所述冷卻噴水器之間還設(shè)置有第二超聲振動器，第二超聲振動器固定于滑塊上，第二超聲振動器的超聲振動與絲杠的長軸線方向垂直，第二超聲振動器固定在淬火機床的滑塊上，感應(yīng)線圈和冷卻噴水器及第二超聲振動器一起在滑塊的帶動下，沿著絲杠的軸向移動，第二超聲振動器的作用如下：垂直軸向方向產(chǎn)生超聲振動，一是，使感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁感線在溝道頂部和底部分布更均勻，從而產(chǎn)生更均勻的磁場分布，使絲杠表面溫度場更均勻，避免頂部溫度過高而組織粗大，底部溫度低而未能達(dá)到奧氏體化溫度；二是，使大的水滴變?yōu)榧?xì)小的均勻的水滴，然后均勻噴到絲杠表面，使絲杠溝道頂部和底部的冷卻速度比較均勻，避免溝道頂部因冷卻速度過大產(chǎn)生過大的瞬時內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致冷卻過程中頂部開裂，使絲杠表面避免因冷卻不足產(chǎn)生的軟點缺陷，絲杠得到更均勻的硬度分布，提高了絲杠表面性能；也避免絲杠溝道底部因冷卻速度不足，在冷卻過程中產(chǎn)生的鐵素體貝氏體型組織，影響溝道底部的硬度，并最終影響絲杠的使用壽命，既增大冷卻效率又可以節(jié)約水量。兩個超聲振動器產(chǎn)生的超聲波頻率范圍為25-35KHz。
所述冷卻噴水器包括空心圓環(huán)，空心圓環(huán)內(nèi)沿著圓環(huán)周向布置有多個冷卻水噴嘴，空心圓環(huán)與所述的感應(yīng)線圈間隔設(shè)定距離設(shè)置且相互平行，該空心圓環(huán)與感應(yīng)線圈的直徑比絲杠的直徑要大10～16mm，感應(yīng)線圈及冷卻噴水器之間的距離為28～32mm，該距離的設(shè)置既有效避免加熱后絲杠溝道頂部與內(nèi)部溫差過大，避免冷卻后應(yīng)力過大，降低了開裂的可能性，同時，距離沒有太大，保證加熱與冷卻時溫差沒有過大。
所述滑塊套于一導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌固定于機架上且導(dǎo)軌與絲杠的長軸線平行，滑塊與設(shè)于導(dǎo)軌上的直線移動電機固定，電機推動滑塊沿著導(dǎo)軌移動，滑塊進(jìn)而帶動冷卻噴水器和感應(yīng)線圈移動，進(jìn)一步地，感應(yīng)線圈與冷卻噴水器固定在一起，同時移動，同時工作，兩個都是環(huán)形。感應(yīng)線圈加熱后，后邊的噴水冷卻，整個過程中感應(yīng)線圈加熱和冷卻噴水同時進(jìn)行，一前一后。線圈加熱過程，冷卻噴水器同時在通水噴水冷卻，提高淬火效率。
所述絲杠固定件為螺釘形狀的頂針，這樣的形狀便于加工，同時方便對絲杠的夾持；此外，該頂針的設(shè)置，便于在起始位置時，加熱線圈及冷卻噴水器位于頂針處而非被夾持的絲杠處，保證絲杠整體被加熱或者被冷卻。
所述殼體上設(shè)置通孔，所述絲杠固定件穿過通孔與所述的彈性元件接觸，彈性元件在殼體內(nèi)被壓縮，殼體內(nèi)為圓柱形通道，保證彈性元件在內(nèi)部的直線運動，起到導(dǎo)向作用，彈性元件為彈簧，其直徑小于殼體內(nèi)部通道3～5mm，這樣在保證彈簧被壓縮時，又可避免壓縮后不會出現(xiàn)偏斜或者是彎曲，此外殼體內(nèi)部與頂針是過渡配合關(guān)系，便于頂針的導(dǎo)向和滑動；
通孔為圓孔，圓孔的尺寸與頂針的細(xì)部之間存在一定間隙(0.5-1mm)，二者間隙配合，以便將絲杠放在兩個頂針之間，通過尾座的滑動時，可以將彈性元件壓縮，兩個頂針將絲杠頂緊后，彈性元件保證絲杠與頂針之間始終有壓力，從而可保證絲杠在感應(yīng)淬火過程中由淬火機床帶著順利旋轉(zhuǎn)，絲杠兩端各有一個中心孔，淬火機床的頂針頂住中心孔，并通過頂針與中心孔之間的摩擦帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，這樣有利于快速更換需要淬火的絲杠。
在所述第一超聲振動器的圓周外側(cè)設(shè)置環(huán)形兩極導(dǎo)電軌道，導(dǎo)電軌道外側(cè)通過電刷滑觸與電源的正負(fù)極連接，以避免第一超聲振動器在旋轉(zhuǎn)過程中電源線的纏繞。
所述感應(yīng)線圈感應(yīng)電流的頻率約為7～10KHz，電流密度約為2.0×107A/m2～2.4×107A/m2，超聲波頻率范圍為25-35KHz，絲杠、第一超聲振動器在旋轉(zhuǎn)軸的帶動作用下旋轉(zhuǎn)速度為50～60r/min，感應(yīng)線圈及冷卻噴水器的移動速度為3.5～4.5mm/s。
本發(fā)明提供的第二方案是：
一種超聲振動輔助絲杠感應(yīng)淬火的工藝，采用所述的一種超聲振動輔助絲杠感應(yīng)淬火裝置。
上述工藝，包括如下步驟：
1)將絲杠通過絲杠固定件固定于機床的旋轉(zhuǎn)軸上在旋轉(zhuǎn)軸的帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；
2)打開第一超聲振動器，第一超聲振動器與絲杠同時旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生超聲振動；
3)打開感應(yīng)線圈與冷卻噴水器，感應(yīng)線圈與冷卻噴水器在滑塊的移動下沿絲杠軸向進(jìn)行持續(xù)移動，感應(yīng)線圈在前邊加熱，冷卻噴水器在后邊噴水冷卻，同時打開第二超聲振動器，在超聲振動的情況下對絲杠進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火；
4)步驟3)從絲杠一端到另一端進(jìn)行連續(xù)的加熱冷卻完成后，感應(yīng)線圈停止加熱，冷卻噴水器停止噴水，第一超聲振動器和第二超聲振動器停止運轉(zhuǎn)。
本發(fā)明將超聲波振動應(yīng)用到感應(yīng)淬火工藝中，其絲杠一端的第一超聲波振動器發(fā)出的超聲振動沿一定方向作用在待處理的絲杠表面的溝道頂部及底部和內(nèi)部，當(dāng)絲杠進(jìn)行感應(yīng)淬火時，由于超聲波的高能量、高頻率可以補充均勻表面溝道頂部及底部的磁感線分布，更使表層的渦流分布場更加均勻，從而得到更均勻的溫度場分布，使奧氏體化溫度更均勻，更有利于加熱過程碳及合金元素的擴散，使奧氏體化更均勻，組織更均勻；另一方面，普通的噴水容易形成大水滴，噴到絲杠表面冷卻接觸的只是局部區(qū)域，又由于絲杠的特殊外形，在溝道頂部及底部更容易造成冷卻不均勻，當(dāng)加入超聲振動時，超聲振動作用在感應(yīng)線圈上，加上高的頻率，會影響磁場分布，使絲杠的溝道頂部及底部磁感線更均勻，產(chǎn)生更均勻的溫度；另外超聲波極高的頻率及壓力使大的水滴變?yōu)榧?xì)小的均勻的水滴，使水滴運動速度增大，然后均勻噴到絲杠表面，避免產(chǎn)生因冷卻不均勻生成的貝氏體型的鐵素體貝氏體組織，使淬火絲杠性能降低。這樣既使絲杠表面避免因冷卻不足產(chǎn)生的軟點缺陷，得到更均勻的硬度分布，提高了絲杠表面性能，又可以節(jié)約水量。
附圖說明
圖1是本發(fā)明超聲振動輔助絲杠感應(yīng)淬火裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
其中：1.機床旋轉(zhuǎn)軸、2.第一超聲振動器、3.彈性元件、4.頂針、5.絲杠、6.導(dǎo)軌、7.電源、8.環(huán)形兩極導(dǎo)電軌道、9.進(jìn)水管、10.冷卻噴水器、11.感應(yīng)線圈、12.固定板、13.第二超聲振動器、14.滑塊，15.殼體
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
本實施例以5010型滾珠絲杠為例，一種超聲振動輔助絲杠感應(yīng)淬火裝置，包括超聲振動裝置和感應(yīng)淬火裝置，具體包括兩根旋轉(zhuǎn)軸，兩個頂針4，一個頂針4連接一個彈性元件3，彈性元件3固定在第二旋轉(zhuǎn)軸一側(cè)的殼體15內(nèi)，彈性元件在殼體內(nèi)呈自然狀態(tài)或者被壓縮狀態(tài)，殼體一側(cè)設(shè)置通孔，頂針4的頭部設(shè)置在殼體內(nèi)部，頂針一端通過通孔設(shè)于殼體外部用于從絲杠的兩側(cè)來夾持絲杠，頂針4的尾部呈尖端形狀以支撐絲杠，為了便于夾持，絲杠5的端部形狀為配合頂針4尾部的形狀。
第一超聲振動器2通過螺紋固定連接在機床旋轉(zhuǎn)軸1上，在第一超聲振動器2圓周外側(cè)固定一個用來傳遞電信號的環(huán)形兩極滑觸導(dǎo)電軌道8，導(dǎo)電軌道通過兩個電刷將固定位置的電源電信號傳遞到旋轉(zhuǎn)位置。感應(yīng)線圈1和冷卻噴水器10固定連接在第二超聲振動器13上，第二超聲振動器13固定在淬火機床的滑塊14上，滑塊14固定于機床的導(dǎo)軌6上，導(dǎo)軌6上設(shè)置直線移動電機，電機帶動滑塊14的移動，電機與滑塊14可為一體結(jié)構(gòu)，固定連接方式很多，本實例中優(yōu)選螺紋連接。
在第二旋轉(zhuǎn)軸1的帶動下，絲杠5、第一超聲振動器2一起在感應(yīng)淬火過程作旋轉(zhuǎn)運動，因此在本實施例中第一超聲振動器2的形狀優(yōu)選圓柱形，其直徑比絲杠直徑大約10mm左右，高度適當(dāng)；它們處在同軸方向，本實施例中絲杠5的轉(zhuǎn)動速度為50～60r/min，能保證整個絲杠5處在超聲振動場中。
冷卻噴水器10為一空心圓環(huán)，在圓環(huán)內(nèi)部設(shè)置多個噴嘴，可在圓環(huán)內(nèi)部朝向絲杠5方向開有多個微孔作為噴嘴，空心圓環(huán)與進(jìn)水管9連接，進(jìn)水管與水源連接，在水源處設(shè)置抽水泵，通過抽水泵將水源通過進(jìn)水管9抽入到冷卻噴水器10內(nèi)進(jìn)行噴水。
第一超聲振動器2在整個過程隨絲杠做旋轉(zhuǎn)運動，為了保證在固定位置與旋轉(zhuǎn)位置之間傳遞電流信號，在本實施例中第一超聲振動器2圓周外側(cè)固定一個環(huán)形兩極導(dǎo)電軌道8，通過兩電極內(nèi)接第一超聲振動器2，外側(cè)通過兩電刷滑觸與電源7正負(fù)極相連接。
在感應(yīng)線圈11和冷卻噴水器10的上方通過一固定板12安裝第二超聲振動器13，第二超聲振動器13固定在淬火機床的滑塊14上，感應(yīng)線圈11和冷卻噴水器10及第二超聲振動器13一起在滑塊14的帶動下，沿著絲杠5的軸向移動，本實施例中感應(yīng)線圈11及冷卻噴水器10之間的距離優(yōu)選28～35mm，移動速度優(yōu)選為3.5～4.5mm/s。
運行感應(yīng)淬火裝置，同時啟動第一超聲振動器2、第二超聲振動器13，在本實施例中優(yōu)選感應(yīng)線圈11的感應(yīng)電流的頻率約為7～10KHz，電流密度約為2.0×107A/m2～2.4×107A/m2，超聲波頻率范圍為25-35KHz，感應(yīng)線圈及冷卻噴水器的內(nèi)徑比絲杠的直徑大約10～16mm。
本發(fā)明裝置將超聲振動應(yīng)用到感應(yīng)淬火工藝中，在絲杠5中輸入超聲振動，在加熱噴水時加入超聲振動，進(jìn)行感應(yīng)淬火處理。在兩個方向的超聲振動作用輔助下，獲得均勻的渦流分布及更均勻的溫度分布，使絲杠中奧氏體化更均勻；使感應(yīng)加熱磁場分布更均勻，噴水冷卻更均勻，獲得均勻的馬氏體組織及更高更均勻的硬度，延長絲杠5的使用壽命。
具體感應(yīng)淬火的工藝步驟如下：
1)將絲杠5通過頂針4固定于機床的旋轉(zhuǎn)軸1上在旋轉(zhuǎn)軸1的帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；
2)打開第一超聲振動器2，第一超聲振動器2與絲杠5同時旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生超聲振動；
3)打開感應(yīng)線圈11與冷卻噴水器10，感應(yīng)線圈11與冷卻噴水器10在滑塊14的移動下沿絲杠5軸向進(jìn)行持續(xù)移動，感應(yīng)線圈11在前邊加熱，冷卻噴水器10在后邊噴水冷卻，同時打開第二超聲振動器13，在超聲振動的情況下對絲杠5進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火；
4)步驟3)從絲杠5一端到另一端進(jìn)行連續(xù)的加熱冷卻完成后，感應(yīng)線圈11停止加熱，冷卻噴水器10停止噴水，第一超聲振動器2和第二超聲振動器13停止運轉(zhuǎn)，完成淬火。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。