专利名称：金属叶片等离子淬火系统及淬火方法
技术领域：
本发明涉及金属叶片淬火处理技术，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方法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，但由于热影响区过大，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。
本发明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、淬硬层深范围可控、硬度高、操作可控性强、工艺过程稳定的金属叶片等离子淬火系统及淬火方法。
实现上述目的的金属叶片等离子淬火系统，包括淬火机床、测量装置、等离子设备和控制系统，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，各轴及摆动头分别由步进电机驱动，等离子设备包括等离子发生电源和淬火枪，等离子发生电源的输出接淬火枪，淬火枪和测量装置固定在固定架上，控制系统包括工业控制计算机(工控机)、伺服驱动模板和手动控制盒，工控机经光电隔离输入输出接口接伺服驱动模板和测量装置，伺服驱动模板的输出接各步进电机和手动控制盒。
设置有等离子转移弧弧压稳定闭环控制，从转移弧电源的控制板上取出弧压变化信号，经转换进入工控机进行处理，然后输出反馈信号经伺服驱动模板控制Y轴步进电机稳定弧压。
设置有淬火过程的微动调节，采用数码键盘上的数字键或手动控制盒上的五个按钮(X轴、Y轴、Z轴、Φ轴和摆动)的选择与组合，在淬火过程中微动调整等离子转移弧弧压的高低及淬火枪喷嘴到叶片的距离。
摆动头内设置微动开关，开关信号至脉冲变压器，通过转换经光电隔离输入输出接口输入工控机判断有无摆动，并发出控制信号。
设置有步进电机失步控制回路，在伺服驱动模板上取出失步信号，经转换进入工控机，工控机向等离子设备发出断弧或其它处理信号。
伺服驱动模板接各步进电机的输出为五相十拍。
上述金属叶片等离子淬火系统的淬火方法，包括下列步骤a、将待淬火金属工件固定于转动轴上，调整测量装置至待淬火金属叶片的起始位置，b、由工控机跟踪和控制测量装置，对金属工件被淬火叶片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，c、由工控机控制并调整淬火枪回归至叶片的起始淬火位置，d、根据淬火带的宽度要求和选择，确定摆动的开关和幅度，e、根据金属工件待淬火区域的形状、淬火性能要求等，对淬火功率参数及淬火机床、淬火枪与金属叶片等的相对组合运动的工控机程序进行选择、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，由工控机控制淬火机床、淬火枪与金属叶片等的相对组合运动，利用淬火枪的等离子弧高焓对金属叶片进行连续的淬火处理，g、对每一金属工件淬火的功率参数、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进行检测和记录。
测量装置由三个传感器构成，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，然后工控机根据需要使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，此时由工控机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。
采用本发明的金属叶片等离子淬火系统及淬火方法，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，从而实现了本发明的目的。
下面通过实施例详述本发明的结构及其淬火方法
图1是一种金属叶片等离子淬火系统的结构示意图。
图2是图1的工作原理框图。
图3是图1金属叶片等离子淬火系统的计算机屏幕显示。
图4是金属叶片等离子淬火工艺流程框图。
实施例参照图1～图4，金属叶片等离子淬火系统包括淬火机床、等离子设备、测量装置和控制系统。淬火机床为四自由度坐标机构(四坐标工作台装置)，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的齿条来左右移动，Y轴15由步进电机18通过齿轮传动至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；控制系统包括工控机2、伺服驱动模板1和手动控制盒3，工控机2通过光电隔离输入输出接口经伺服驱动模板1(步进电机驱动和控制电源)控制各步进电机(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用于测量头(9、10、11)的就位。由于Φ轴7的俯仰α、淬火枪5的俯仰β和旋转γ构成另外三个辅助自由度，本系统能对大多数叶片8进行测量、淬火以及其它工件的施工与处理。
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。
设置步进电机失步控制回路，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，在控制各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，通过信号转换进入工控机2处理，发出灭弧信号灭弧。
设置等离子转移弧弧压稳定闭环控制，淬火过程中，淬火扫描区域为不规则曲面，为保证淬火的均匀性，须使等离子弧弧压保持稳定。为此，从等离子弧发生源4的转移弧电源控制板上取出弧压变化信号，经转换进入工控机2进行处理，然后输出反馈信号经伺服驱动模板控制Y轴15的步进电机18动作以稳定弧压，成为一个闭环控制。弧压升高，即输出信号至Y轴15，降低淬火枪5至所需弧压；弧压降低，通过Y轴15来升高淬火枪5至所需弧压，从而使等离子淬火功率参数达到稳定，保证淬火的质量。
为保证淬火的质量和完整性，设置有淬火过程的微动调节，采用数码键盘上的数字键输入数据或手动控制盒3上的五个按钮(分别控制X轴、Y轴、Z轴、Φ轴和摆动)的选择与组合，在淬火过程中微动调整等离子弧弧压的高低及淬火枪5的喷嘴到叶片8的距离。如淬火枪喷嘴到金属工件叶片的距离，由Y轴决定；等离子弧中心距淬火带边缘的远近，由X轴决定；淬火枪行走速度快慢，由Z轴决定；叶片淬火扫描带高低不均，由Φ轴决定等等。
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。
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，输入计算机处理后，输出信号至步进电机的驱动和控制电源1，驱动机械执行机构，使淬火枪5和叶片8按照测量的型线坐标数据运动，对淬火带进行淬火。
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。
整个淬火过程可通过工控机2的键盘及显示器屏幕进行控制，包括对淬火机床、等离子设备和测量装置进行自动或手动控制与调节，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、显示、检查、调整、记录和打印各种数据，具体的淬火方法由下列步骤完成a、将待淬火金属工件固定于转动轴的转盘20上，开启工控机2的显示器及主机后，选择图3屏幕左框内容中的“冷却水”、“离子气”等内容，即可开启水、气及各项电源，检查各项设备，选择“高频引弧”，即可引燃非转移弧，每一动作开启后，将在数字符号后显示“*”号，以表示水、气源或电源已接通，另外，由于外界水电气压的波动、叶片8加工后的尺寸型线不同、设备故障等原因，需要对测量头(9、10、11)、淬火枪5及叶片8的相对位置由手动控制盒3进行调整和就位，调整测量头(9、10、11)至待淬火金属叶片8的起始位置时，选择图3中屏幕中框内容中的“左右运动”、“上下运动”、“前后运动”、“转台转动”动作，并确定“速度”范围或输入数据后，即可进行工控机2的键盘调整动作，也可进行手动控制盒3的调整，这时屏幕将显示各机械动作的“位移”量，它们可分别或同步进行操作；b、选择图3屏幕右框内的“反向叶片淬火”，并输入屏幕右框内的“测量点数”、“淬火行程”数据，然后选择“测量1”由工控机跟踪和控制测量装置对被淬火叶片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，即可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、由工控机控制淬火枪回归至叶片的起始淬火位置，也可在手动控制状态下，将X、Y、Z、Φ轴的移动距离和范围输入工控机处理，使淬火枪自动就位；d、根据淬火带的宽度要求和选择，确定摆动头的开关和幅度；e、根据金属工件待淬火带的形状、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，选择图3中屏幕右框内的“淬火”，等离子淬火枪的起弧、淬火、灭弧，均可通过工控机2给出的控制信号至等离子非转移弧和转移弧的控制线路中，达到控制等离子弧的启动、关闭，用于等离子淬火扫描的摆动装置，在等离子非转移弧启动和起转弧后，将自动启动，由工控机2控制淬火机床、淬火枪5与叶片8等的相对组合运动，利用淬火枪5等离子弧高焓气流对金属工件叶片8进行连续的淬火处理；9、对每一叶片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。
H、淬火完毕，灭弧退出并进行淬火检查，按规定关闭水、电、气源，卸下淬火叶片。
进行成批叶片的等离子淬火工作时，经各项检查，情况正常，以上自动控制操作顺利，即可选择图3右框内的“自行运行请按”或按“R”键，即可进行全自动的测量、就位及淬火处理工作，淬火完成，下一叶片装夹正确，可重复进行测量及淬火。
上述测量装置的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。
权利要求
1.金属叶片等离子淬火系统，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发生电源和控制系统，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，各轴及摆动头分别由步进电机驱动，等离子发生电源的输出接淬火枪，淬火枪和测量装置固定在固定架上，控制系统包括工控机、伺服驱动模板和手动控制盒，工控机经光电隔离输入输出接口接伺服驱动模板和测量装置，伺服驱动模板的输出接各步进电机和手动控制盒。
2.根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火系统，其特征在于设置有等离子转移弧弧压稳定闭环控制，从转移弧电源的控制板上取出弧压变化信号，经转换进入工控机进行处理，然后输出反馈信号经伺服驱动模板控制Y轴步进电机稳定弧压
3.根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火系统，其特征在于设置有淬火过程的微动调节，在淬火过程中微动调整等离子转移弧弧压的高低及淬火枪喷嘴到叶片的距离。
4.根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火系统，其特征在于摆动头内设置微动开关，开关信号至脉冲变压器，通过转换经光电隔离输入输出接口输入工控机判断有无摆动，并发出控制信号。
5.根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火系统，其特征在于设置有步进电机失步控制回路，在伺服驱动模板上取出失步信号，经转换进入工控机，工控机向等离子设备发出断弧信号。
6.根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火系统，其特征在于伺服驱动模板接各步进电机的输出为五相十拍。
7.金属叶片等离子淬火系统的淬火方法，其特征在于包括下列步骤a、将待淬火金属叶片固定于转动轴上，调整测量装置至待淬火金属叶片的起始位置，b、由工控机跟踪和控制测量装置，对金属叶片待淬火叶片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，c、由工控机控制并调整淬火枪至淬火叶片的初始位置，d、根据淬火带的宽度要求和选择，确定摆动的开关和幅度，e、根据金属工件待淬火区域形状、淬火性能要求等，对淬火功率参数及淬火机床、淬火枪与金属叶片等的相对组合运动的工控机程序进行选择、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，由工控机控制淬火机床、淬火枪与金属工件等的相对组合运动，利用淬火枪喷出等离子弧的高温对金属工件叶片进行连续的淬火处理，g、对每一金属工件叶片淬火的功率参数、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进行检测和记录。
8.根据权利要求1所述金属叶片等离子淬火系统，其特征在于测量装置是由三个传感器构成，其测量方法是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，然后工控机根据需要使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，此时由工控机和显示测量点的位置坐标左右、上下、长度和旋转，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。
全文摘要
本发明公开了一种采用等离子淬火提高金属叶片耐磨、耐蚀性能的系统及淬火方法,它是用工业控制计算机控制和调节淬火机床、测量装置和等离子设备,根据金属叶片的形状,改变等离子的功率参数、等离子淬火枪喷嘴到金属工件叶片的距离及等离子枪与金属叶片的各种相对运动,可控制等离子弧的电流密度和传递到金属工件叶片的热量与作用时间,从而控制调节淬火结果,改善金属叶片的组织性能,保证淬火参数的稳定,并进行跟踪处理、参数记录、分析研究等。
文档编号C21D9/00GK1247232SQ99114809
公开日2000年3月15日 申请日期1999年4月22日 优先权日1999年4月22日
发明者王东曦, 李文华, 冯文, 林京太, 胡蕴成, 鲍勤光, 邱述林, 张卫刚 申请人:东方汽轮机厂