一种轴承表面激光淬火的多相冷却方法及装置与流程

1.本发明涉及轴承加工装置领域，更具体的说，尤其涉及一种轴承表面激光淬火的多相冷却方法及装置。


背景技术：

2.轴承主要用于支撑轴的回转运动，需要尺寸精度和表面硬度都较高。一般大型轴承表面采用高频淬火处理，但感应淬火热处理后变形量较大，且容易发生自回火，从而使表面硬度降低。
3.激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，后迅速冷却，从而使材料相变硬化的淬火技术，具有表面硬度高、工件变形小、加工精度高、加工过程无污染的特点。而激光淬火和感应淬火后所得的淬硬层易发生脱碳和氧化现象，导致表面硬度降低。
4.专利号为cn103572009a的发明专利公开了一种大型齿圈面激光淬火液氮多相冷却方法，通过控制激光扫描速度以控制表面吸收的激光能量，并使用液氮对表面进行冷却，从而达到减少激光热变形的目的，解决了常规热处理大型齿圈的变形和精度不能保证的问题。上述专利文献也是一种轴承淬火冷却方法，虽然能够减少轴承的变形量，但没有考虑轴承内部温度传递到表面导致表面发生回火，从而导致表面硬度降低，且采用液氮冷却成本较高，表面容易出现裂纹；专利号为cn110724890a的发明专利公开了一种铝型材子线挤压淬火冷却工艺及装置，通过喷水的方式进行材料表面的冷却，同时冷却水循环使用，能够节约水资源。但是采用水冷淬火时，由于水的气化和上方水流的相互作用下，形成一层蒸汽薄膜，导致水的冷却能力迅速下降，不利于冷却。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决常规热处理方式所存在的变形与精度问题，液氮多向冷却方法存在的自回火问题，以及水冷方法会产生蒸汽薄膜导致冷却能力下降的问题。针对上述问题提出了一种轴承表面激光淬火的多相冷却方法及装置，能够减少轴承变形量，提高轴承表面硬度及分布的均匀性，淬硬层底部形貌更为平整，避免轴承出现因自回火导致硬度降低。
6.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种轴承表面激光淬火的多相冷却装置，包括气体发生装置、液体循环发生装置、工作台、支柱、导热金属块、支撑板、弹簧、螺柱、螺杆和喷头，所述导热金属块通过四根支柱支撑在工作台上，导热金属块上设置有与轴承配合的安装槽，通过拧紧调节螺柱是轴承固定在外置的夹具上，通过调节螺柱使轴承放置在导热金属块的安装槽内；导热金属块的安装槽两侧设置有金属块进液口和金属块出液口，中间为水路部分，所述喷头通过螺杆安装在支撑板上，所述螺柱上套装有弹簧，支撑板通过螺栓固定在导热金属块的安装槽上方，喷头的喷液口正对穿过安装槽的轴承；所述喷头包括喷头本体，所述喷头本体上设置有喷头进气口、喷头进液口和喷液口；
7.所述气体发生装置包括气瓶、气体节流阀、进气管和减压阀，气瓶的出口端连接进
气管的一端，气体节流阀和减压阀均设置在进气管上，进气管的另一端连接喷头上的喷头进气口；
8.所述液体循环发生装置包括泵、第二液体节流阀、金属块进液管、喷头进液管、第一液体节流阀、总进液管、水箱和金属块出液管，所述总进液管的进口端连接在水箱上，总进液管的出口端连接泵的入口端，所述导热金属块的出液口通过金属块出液管连接水箱的进口端；所述泵设置有两个出口端，泵的一个出口端通过金属块进液管连接导热金属块上的进液口，第二液体节流阀设置在金属块进液管上；泵的另一个出口端通过喷头进液管连接喷头上的喷头进液口，第一液体节流阀设置在喷头进液管上。
9.一种轴承表面激光淬火的多相冷却方法，首先将狭缝式喷头通过管路与气瓶、泵、液体节流阀、气体节流阀和减压阀连接：少量的冷却液在狭缝式喷头内部与高压惰性气体进行混合，冷却液与惰性气体比例为1:4，液滴被高速气流撕裂成雾状，后经过狭缝喷出至距离光斑前方位置，雾化液滴和惰性气体对轴承表面的高温区域进行快速而均匀冷却；喷头通过螺栓、支撑板、弹簧和螺杆固定在导热金属块上：通过调整螺杆的顶出高度调整喷头角度，通过角度变化和冷却液流量、气流量和气压的配合，可以根据需要改变冷却位置和冷却能力，从对不同尺寸的轴承进行最佳冷却。喷出的雾化液滴冷却能力强，且不会形成蒸汽薄膜对其冷却产生影响，由于喷出的雾化液滴中含有惰性气体，能够有效降低淬硬层表面的脱碳和氧化程度，降低对硬度的影响。
10.同时高压惰性气体将形成的蒸汽吹走，降低蒸汽对轴承表面激光吸收率的影响。
11.所述的导热金属块通过支柱固定在工作台上，调整工作台的高度可使导热金属块与轴承保持接触；导热金属块两侧设有进、出液口，进、出液口与管路连接至水箱和泵，能够形成循环冷却。经雾化液滴和惰性气体冷却后，轴承淬火区域温度迅速降低，淬火区域上方放置温度传感器，实时监控冷却后表面温度，并与控制器和液泵组成闭环控制，保证表面能够得到足的冷却。由于内部对外表面的热传导，当淬火区域脱离喷头的冷却范围后，表面温度升高，此时利用金属块的良好的导热性能和内部循环冷却液对导热金属块的冷却，使得表面温度持续降低，降低轴承淬火后因自回火对表面硬度产生的影响。
12.本发明的有益效果在于：
13.这种冷却方式及装置采用循环液通过雾化液滴喷出，具有很强的冷却能力，且不会形成蒸汽薄膜对其冷却产生影响，同时节省水资源。导热金属块能够在轴承背面同时降温，防止自回火对轴承表面性能的影响。雾化液滴中含有惰性气体，能够有效降低淬硬层表面的脱碳和氧化程度，降低对硬度的影响。最终获得细小的组织，降低淬硬层表面因脱碳和氧化及轴承发生自回火对淬硬层硬度的影响，从而使得表面的淬硬层硬度分布更为均匀且硬度提高；并获得底部更为均匀的淬硬层；有效的减少轴承整体的变形量。
附图说明
14.图1是本发明一种轴承表面激光淬火的多相冷却装置实施例1的整体结构示意图。
15.图2是本发明一种轴承表面激光淬火的多相冷却装置实施例2的整体结构示意图。
16.图3是本发明喷头的剖视图。
17.图4是本发明喷头安装在支撑板上的结构示意图。
18.图5是本发明导热金属块的结构示意图。
19.图中，1-气瓶、2-气体节流阀、3-进气管、4-轴承、5-喷头进气口、6-喷头进液口、7-喷头本体、8-螺杆、9-弹簧、10-金属块出液管、11-水箱、12-金属块出液口、13-支柱、14-工作台、15-总进液管、16-喷头进液管、17-第一液体节流阀、18-金属块进液口、19-泵、20-第二液体节流阀、21-金属块进液管、22-导热金属块、23-螺栓、24-支撑板、25-转轴、26-激光光斑照射位置、27-减压阀、28-温度传感器、29-控制器。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步说明，如图1～2所示。
21.实施例1：金属块采用铜制作，冷却液选用水，惰性气体为氮气。
22.如图1所示，一种轴承表面激光淬火的冷却装置，可以用于轴承内滚道进行激光淬火冷却，包括轴承4、喷头7、导热铜块22。其中导热铜块22通过支柱13固定在工作台14上，调节工作台高度从而保持铜块与轴承的接触；导热铜块22与泵19、水箱11通过铜块进水管21、第二液体节流阀20、总进水管15、铜块出水管10进行连接，形成循环水路，从而能够对导热铜块进行持续降温；激光器固定不动，激光光斑照射位置26固定不动，轴承通过回转台带动旋转，形成与加热光斑的相对旋转运动；喷头7通过转轴25、弹簧9和螺杆8固定在支撑板24上，可通过调节螺杆8的露出高度来调节喷头的角度，支撑板24通过螺栓23固定在导热铜块上，且支撑板与轴承内滚道脱离接触；喷头7通过进气管3、气体节流阀2、减压阀27、喷头进水管16、第二液体节流阀20与气瓶1和泵19进行连接；淬火区域上方放置温度传感器28，并与控制器29进行连接，对泵19的流量进行控制。
23.激光对轴承内滚道进行加热后，表面迅速升温，同时喷头7内1:4的水和高压氮气混合后，水流被高速气体撕裂成细小的液滴，形成水雾，混合的水雾和氮气经狭缝出口均匀喷射至距离激光光斑照射位置26约30-40mm处，随着轴承的旋转，加热区域被水雾和氮气均匀而迅速冷却，喷出的水雾冷却能力较水流更强，且由于氮气的存在，不会形成蒸汽薄膜对其冷却产生影响，且氮气能够有效降低淬硬层表面的脱碳和氧化程度，降低对淬硬层表面硬度的影响，同时高压氮气会将形成的蒸汽吹走，不会降低蒸汽对轴承表面对激光吸收；轴承加热区域被导热铜块包围，能够提升加热区域热量向侧面和底部传递的速度，从而使获得的淬硬层底部更加均匀，控制器29根据温度传感器28反馈的温度值对泵19进行控制，改变泵的输送流量，两个节流阀17和20可以手动调整进入铜块内和喷头内的水流量的比例，通过这种方式可以保证冷却过程的稳定性，从而保证表面硬度分布的均匀性。同时利用铜块的良好的导热性能，对脱离喷头冷却范围的淬火区域因热传导而导致的升温表面进行冷却，从而降低表面的自回火程度，以达到提高淬硬层表面硬度的目的。
24.实施例2：金属块采用铜制作，冷却液选用水，惰性气体为氮气。
25.一种轴承表面激光淬火的冷却装置，如图2所示，可以用于轴承外滚道进行激光淬火冷却。其结构与实施方式与实施例1中大致相同，但喷头7等的安装位置不同。激光照射位置26位于轴承外滚道，喷头7喷出的水雾和氮气对淬火区域进行冷却，同时与轴承保持三面接触的导热铜块能够提高轴承的向外传递热量的速度，从而降低加热区域的温度梯度，控制器29、温度传感器28和泵19组成的闭环控制能够保证冷却过程的稳定性，从而保证表面硬度分布的均匀性。铜块能够降低表面自回火程度。通过将水雾、氮气与铜块配合对轴承激光淬火的冷却，能够获得表面硬度高且分布均匀、底部形貌平整的淬硬层；有效的减少轴承
整体的变形量；降低淬硬层因表面脱碳和氧化和自回火对淬硬层硬度的影响。
26.上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。