一种表面热处理装置的制作方法

1.本实用新型用于表面热处理技术领域，特别是涉及一种表面热处理装置。


背景技术：

2.现有的工业体系中，所生产的大部分零件是由车床加工而成，其成型有圆柱形、圆锥形等回转形零件。为提高材料的机械性能，通常对零件进行表面热处理。由于表面热处理是一项能耗较高的工艺，因此人们利用太阳能聚焦技术对零件进行表面热处理，以减少能耗，利于环保。
3.现有的太阳能聚焦技术包括点聚焦和线聚焦。其中，点聚焦技术焦斑小、能量密度非常高，用于工件的表面会直接灼伤工件。而线聚焦技术一方面能量密度偏低，达不到工件所需温度；另一方面线聚焦技术仅能使工件的一面受光而另一面背光，需要转动工件，否则导致受热不均。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种表面热处理装置，其能够实现工件360
°
全方位受热，能量密度高且均匀，提高工件质量和表面热处理效率，节能环保。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种表面热处理装置，包括
7.支撑组件，包括镜座和工件固定部件，所述工件固定部件安装于所述镜座，所述工件固定部件用于固定工件；
8.若干反射镜，所述反射镜安装于所述镜座，所述反射镜呈环状，并包围所述工件固定部件，所述反射镜具有呈环状设置的倾斜镜面，所述倾斜镜面沿内往外向上倾斜，以使入射光线由所述倾斜镜面反射至工件表面。
9.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，由所述倾斜镜面反射出的反射光线相汇聚，形成焦线，所述焦线的底端与所述镜座的垂直高度为f1，焦线的顶端与所述镜座的垂直高度为f2，所述倾斜镜面与所述镜座的上表面的夹角为α
n
，由所述倾斜镜面反射的光线与所述镜座的上表面的夹角为β
n
，所述倾斜镜面的外侧与所述镜座的垂直高度为x
n
，所述倾斜镜面的内侧与所述焦线的水平距离为r
n
,所述倾斜镜面的宽度为d
n
，其中，
10.a)α
n
＝(90
°‑
β
n
))/2；
11.b)x
n
＝(2*tan2α
n
‑
r
n
)*tanα
n
*tanβ
n
/(tanα
n
tanβ
n
)；
12.c)d
n
＝x
n
/sinα
n
；
13.d)r
n 1
＝(f1/(f1‑
x
n
))*(
n
x
n
/tanα
n
)；
14.n用于表示由内至外第n块反射镜,n 1用于表示由内至外第n 1块反射镜。
15.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，包括方位角调节装置，所述方位角调节装置用于驱动所述支撑组件旋转，以适应太阳方位角的变化。
16.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，还包括高度角调节装置，所述高度角调节装置用于驱动所述支撑组件摆动，以适应太阳高度角的变化。
17.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，所述方位角调节装置包括方位角旋转电机，所述高度角调节装置包括高度角旋转电机。
18.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，所述镜座的底部设有第一支架，所述第一支架呈u型，所述镜座的两侧均设有第二支架，所述第二支架固定连接铰接轴，所述铰接轴沿横向设置，所述第一支架的两端通过所述铰接轴与所述第二支架可转动连接，所述高度角旋转电机安装于所述第一支架，并通过传动组件与所述铰接轴传动连接，所述方位角旋转电机的输出端与所述第一支架连接。
19.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，所述传动组件包括相啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与所述高度角旋转电机的输出端连接，所述第二齿轮与所述铰接轴固定连接。
20.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，还包括第一单片机和第二单片机，所述第一单片机用于控制所述高度角旋转电机的转速，所述第二单片机用于控制所述方位角旋转电机的转速。
21.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，所述工件固定部件包括夹具，所述夹具具有用于放置工件的开口。
22.结合上述实现方式，在本实用新型的某些实现方式中，所述镜座具有矩形框架，所述矩形框架中交叉设置第三支架和第四支架，所述工件固定部件安装于所述第三支架和第四支架的相交处。
23.上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：该技术方案的表面热处理装置采用环状反射镜将工件层层包围，通过各反射镜反射的光线照射至工件表面，使工件得到烘烤，节能环保；环状的反射镜可确保工件360
°
全方位受热，能量密度均匀，以提高工件质量；通过设置多个环状反射镜，以提高照射在工件表面的反射光的能量密度，满足工件的温度需求，提高表面热处理的效率。
附图说明
24.下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
25.图1是本实用新型一个实施例的结构示意图；
26.图2是图1所示一个实施例的结构示意图；
27.图3是图1所示一个实施例的俯视示意图；
28.图4是图1所示一个实施例反射镜、镜座和工件固定部件的剖视示意图；
29.图5是本实用新型的原理示意图；
30.图6是本实用新型各参数的数值示例图。
具体实施方式
31.本部分将详细描述本实用新型的具体实施例，本实用新型之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本实用新型的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本实用新型保护范围的限
制。
32.本实用新型中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本实用新型的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
33.本实用新型中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本实用新型的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
34.本实用新型中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
35.参见图1和图3，本实用新型的实施例提供了一种表面热处理装置，包括支撑组件和若干反射镜1。其中，支撑组件包括镜座2和工件固定部件3，工件固定部件3安装于镜座2，工件固定部件3用于固定工件4。反射镜1安装于镜座2，反射镜1呈环状，并包围工件固定部件3，即工件固定部件3位于各反射镜1的内部，位于外侧的反射镜1将位于内侧的反射镜1包围。参见图1和图4，反射镜1具有呈环状设置的倾斜镜面11，倾斜镜面11沿内往外向上倾斜，以使入射光线由倾斜镜面11反射至工件4表面。
36.该技术方案的表面热处理装置采用环状反射镜1将工件4层层包围，通过各反射镜1反射的光线照射至工件4表面，使工件4得到烘烤，节能环保；环状的反射镜1可确保工件4能够360
°
全方位受热，能量密度均匀，以提高工件4质量；通过设置多个环状反射镜1，以提高照射在工件4表面的反射光的能量密度，满足工件4的温度需求，提高表面热处理的效率。
37.参见图5，在一些实施例中，由倾斜镜面11反射出的反射光线相汇聚，形成焦线ab。将工件4放置于焦线ab位置，即可对工件4的表面进行均匀、高效地热处理。焦线ab垂直于镜座2的上表面，焦线ab的底端与镜座2的垂直高度为f1，焦线ab的顶端与镜座2的垂直高度为f2，倾斜镜面11与镜座2的上表面的夹角为α
n
，由倾斜镜面11反射的光线与镜座2的上表面的夹角为β
n
，倾斜镜面11的外侧与镜座2的垂直高度为x
n
，倾斜镜面11的内侧与焦线的水平距离为r
n
,倾斜镜面11的宽度为d
n
，其中，
38.a)
n
＝(90
°‑
β
n
))/2；
39.b)x
n
＝(2*tan2α
n
‑
r
n
)*tanα
n
*tanβ
n
/(tanα
n
tanβ
n
)；
40.c)d
n
＝x
n
/sinα
n
；
41.d)r
n 1
＝(f1/(f1‑
x
n
))*(
n
x
n
/tanα
n
)；
42.n用于表示由内至外第n块反射镜1,n 1用于表示由内至外第n 1块反射镜1。
43.具体地，为确保各反射镜1反射的光线汇聚成同一焦线ab，以提高光线的能量密度，可根据以上公式计算出各参数值，得出倾斜镜面11与镜座2的上表面的夹角为α
n
、倾斜镜面11的宽度为d
n
以及各反射镜1的位置，以布置各反射镜1。其布置推导过程如下：如图5所示，设第n块倾斜镜面11的内侧与倾斜镜面11的中心线oa的距离oc为r
n
，为确保各反射光
线均匀照射至工件4表面。设置线段ab为焦线，使得焦线ab与反射镜1的中心线oa处于同一直线上，也即第n块倾斜镜面11的内侧与焦线的水平距离为r
n
；设第n 1块倾斜镜面11的内侧与倾斜镜面11的中心线oa的距离od为r
n 1
，也即第n 1块倾斜镜面11的内侧与焦线的水平距离为r
r 1
。cf、dg为镜面，hc、jf为垂直入射光线，cb、fa为对应的反射光线，cn为倾斜镜面11的法线。
44.设第n块倾斜镜面11与镜座2的上表面的夹角∠cfd为α
n
，第n 1块倾斜镜面11与镜座2的上表面的夹角为α
n 1
。由于af与bc由同一倾斜镜面11反射，因此反射光线af平行于bc。同理，反射光线ag平行于bd，即可知各倾斜镜面11反射的光线可均匀地分布在焦线ab上。辅助线fk垂直于bo并交bo于点k，延长反射光线af交cd于m。由于焦线ab位置一般为工程人员根据实际场地空间所确定，而焦线ab长度根据工件4尺寸等情况所确定，因此焦线ab高度和焦线ab长度为已知参数，也即线段bo和ab已知，设bo＝f1，ao＝f2，设由倾斜镜面11反射的光线与镜座2的上表面的夹角∠bco为β
n
。
45.由几何关系可知：
46.(1)α
n
＝(90
°‑
β
n
)/2；
47.(2)∠oam＝2α
n
；
48.(3)om＝f2*tan(2α
n
)＝r
n
ci im＝r
n
(fi/tanα
n
) (fi/tanβ
n
)
49.(4)cf＝fi/sinα
n
；
50.进而得出当r
n
为已知数时，方可使上述方程闭合。
51.而在推导下一块反射镜1的位置，即r
n 1
的参数值时，由于三角形obd与三角形kfb相似，有kf/od＝bk/bo，即oi/r
n
1＝(f1‑
fi)/f1，而oi＝r
n
(fi/sinα
n
)，要求出r
n 1
，两个式子中仍有两个未知数r
n
、fi，而由前面推导可知fi为r
n
的函数，可消去fi。因此,在求出r
n
的同时，也可知道下一块倾斜镜面11的位置r
n 1
。进而得出，知道第一块倾斜镜面11的位置，则可知道第二面倾斜镜面11的位置，而第三面倾斜镜面11相对于第二面倾斜镜面11为下一块倾斜镜面11，因此可一直推出所有倾斜镜面11的位置，直到倾斜镜面11的数量能够满足热处理的光强度需求。
52.设倾斜镜面11的外侧与镜座2的垂直高度为x
n
，倾斜镜面11的宽度为d
n
，则可将以上推导中的(1)至(4)公式变形为：
53.a)
n
＝(90
°‑
β
n
))/2；
54.b)
n
＝(2*tan2α
n
‑
r
n
)*tanα
n
*tanβ
n
/(tanα
n
tanβ
n
)；
55.c)
n
＝x
n
/sinα
n
；
56.d)
n 1
＝(f1/(f1‑
x
n
))*(
n
x
n
/tanα
n
)；
57.其中，tanβ
n
＝f1/r
n
。通过赋予初值r1可迭代求出第一面至第n面倾斜镜面11的位置、长度、与镜座2的倾角。倾斜镜面11的形状为中心轴对称形状，倾斜镜面11通过上述几个方程所确定的线段围绕中线oa旋转成型，形成沿内往外向上倾斜的倾斜镜面11，即可确保工件4均匀受光加热。
58.参见图5和图6，以焦线长度为50cm、工件固定部件3相对镜座2的上表面高度为100cm，也即焦线的底端与所述镜座2的垂直高度为f1为100cm。第一面反射镜1距倾斜镜面11中心oa长度r1＝20cm为例，对上述方程进行应用。如图5所示，cf为第一面反射镜1，r1＝20，
59.由公式tanβ
n
＝f1/r
n
可求出β1＝78.69
°
；
60.由公式(90
°‑
arctan(f
n
/r
n
))/2＝α
n
，求出α1＝5.65
°
；
61.由公式x
n
＝(2*tan2α
n
‑
r
n
)*tanα
n
*tanβ
n
/(tanα
n
tanβ
n
)，求出x1＝0.97cm；
62.由公式d
n
＝x
n
/sinα
n
，求出d1＝9.8cm；
63.则第一面镜子的位置r1、镜面宽度d1、与镜座2的夹角α1全部求出。而由式r
n 1
＝(f1/(f1‑
x
n
))*(
n
x
n
/tanα
n
)可求出第二块反射镜1的位置r2，重复上述步骤，可求出第二块反射镜1的所有信息。其余镜面的信息依次类推，最终结果如图6所示，共6面反射镜1的参数示例。具体应用时，可根据实际所需更改初始条件，即更改焦线长度、f1与r1的参数值。
64.参见图1和图2，在一些实施例中，表面热处理装置包括方位角调节装置，方位角调节装置用于驱动支撑组件旋转，以适应太阳方位角的变化，确保入射光线能够垂直入射至各倾斜镜面11，使得反射光线汇聚于焦线，达到精准投光的目的。
65.参见图1和图2，在一些实施例中，表面热处理装置还包括高度角调节装置，高度角调节装置用于驱动支撑组件摆动，以适应太阳高度角的变化，确保入射光线能够垂直入射至各倾斜镜面11，使得反射光线汇聚于焦线，达到精准投光的目的。
66.方位角调节装置和高度角调节装置均可采用旋转电机、回转液压缸、齿条与齿轮配合、曲柄连杆等旋转驱动方式。在一些实施例中，方位角调节装置包括方位角旋转电机51，高度角调节装置包括高度角旋转电机52。
67.在一些实施例中，表面热处理装置还包括第一单片机和第二单片机，第一单片机用于控制高度角旋转电机52的转速，第二单片机用于控制方位角旋转电机51的转速。第一单片机根据当地纬度设置相关参数，使高度角旋转电机52根据日期变化自动调整转速，以适应太阳高度角的变化，达到精准控制表面热处理装置的摆动角度的目的；第二单片机根据不同经纬度以及不同日期、时刻进行调速，以适应太阳方位角的变化，达到精准控制表面热处理装置的旋转角度的目的。通过对太阳高度角和方位角跟踪的方式，确保太阳光线时刻保持与倾斜镜面11垂直入射的关系。
68.参见图1和图2，在一些实施例中，镜座2的底部设有第一支架21，第一支架21呈u型，镜座2的两侧均设有第二支架22，第二支架22固定连接铰接轴23，铰接轴23沿横向设置。第一支架21的两端通过铰接轴23与第二支架22可转动连接，高度角旋转电机52安装于第一支架21，并通过传动组件与铰接轴23传动连接，方位角旋转电机51的输出端与第一支架21连接。方位角旋转电机51通过第一支架21带动表面热处理装置旋转，完成方位角的调节。高度角旋转电机52通过传动组件带动铰接轴23转动，进而带动第二支架22摆动，即可调节镜座2的摆动幅度，完成高度角的调节。
69.传动组件可采用带传动、齿轮传动、螺杆传动、链传动等。参见图1和图2，在一些实施例中，传动组件包括相啮合的第一齿轮61和第二齿轮62，第一齿轮61与高度角旋转电机52的输出端连接，第二齿轮62与铰接轴23固定连接，齿轮传动精度高、传动效率高，可带动镜座2按预设角度进行摆动。
70.参见图1至图4，在一些实施例中，工件固定部件3包括夹具，夹具具有用于放置工件4的开口31。可以理解的是，夹具可采用如三爪卡盘、虎钳、分度头等，方便调节开口31的大小，以适应不同大小的工件4。
71.参见图1至图3，在一些实施例中，镜座2具有矩形框架24，矩形框架24中交叉设置
第三支架25和第四支架26，工件固定部件3安装于第三支架25和第四支架26的相交处，各反射镜1则安装于矩形框架24、第三支架25和第四支架26上。矩形框架24的结构设计可减轻整体结构的重量，方便方位角调节装置和高度角调节装置的进行角度调节。
72.在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
73.当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。