旋挖钻机用加压平键的淬火装置及无氧化淬火方法

技术领域

本发明涉及金属淬火处理技术领域，特别是涉及一种旋挖钻机用加压平键的淬火装置及无氧化淬火方法。

背景技术

旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械，通常用于在砂土、粘性土或粉质土等土层中打孔施工。加压平键是带动钻头的传动花键，其一端与钢管焊接连接，并随着钢管的旋转而旋转，其另一端与钻头旋转接触连接，即加压平键一方面在钢管的带动下旋转，一方面驱动所述钻头旋转并下挤压入土，起到传递转动扭矩和挤压钻头的作用，是旋挖钻机的易损关键工件。

现有技术中的加压平键与钻头接触的一端极易发生磨损、变形，影响旋挖钻机的使用寿命。

淬火是提高金属件磨损性能的常用方法，但是采用现有技术中的淬火工艺处理后的加压平键不能满足于钢管焊接连接的性能要求，且表面存在大量的氧化皮，淬火后的质量稳定性得不到保障。

发明内容

本发明通过提供一种旋挖钻机用加压平键的淬火装置及无氧化淬火方法，解决了现有技术中加压平键淬火前后存在的技术难题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种旋挖钻机用加压平键的淬火装置，包括密封箱体和内置在所述密封箱体内的感应加热机组、冷却池和装夹传动组件；所述密封箱体的一侧开设有进料门和出料门，所述感应加热机组的加热入口与所述进料门共直线；所述装夹传动组件安装在所述密封箱体的内顶部，所述冷却池位于所述装夹传动组件的下方；所述感应加热机组内带有铜管感应线圈，所述铜管感应线圈的形状与所述加压平键的形状相匹配；所述加压平键的一端伸入所述铜管感应线圈内。

在本发明一个较佳实施例中，所述加压平键伸入所述铜管感应线圈的长度小于所述加压平键的总长度。

在本发明一个较佳实施例中，所述加压平键伸入到所述铜管线圈内的部分与所述铜管感应线圈的内壁面之间的距离为4～10mm。

在本发明一个较佳实施例中，所述加压平键伸入到所述铜管线圈内的部分与所述铜管感应线圈的内壁面之间的距离为5～8mm。

在本发明一个较佳实施例中，所述装夹传动组件包括支撑板、垂直滑轨、垂直驱动气缸、承托板、水平滑轨、水平驱动气缸和夹具；其中，所述支撑板竖直布置在所述密封箱体内，所述垂直滑轨竖直布置在所述支撑板上；所述承托板竖直布置，且其背面与所述垂直滑轨滑动连接，其正面水平安装所述水平滑轨；所述夹具与所述水平滑轨滑动连接，所述水平驱动气缸安装在所述支撑板上，其动力输出端与所述夹具连接，所述垂直驱动气缸安装在所述垂直滑轨的下方，其动力输出端与所述承托板连接，驱动所述承托板带动所述夹具在竖直方向上上下移动。

在本发明一个较佳实施例中，所述密封箱体内位于所述进料门和出料门处分别安装有第一传动辊和第二传动辊。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一传动辊朝向所述感应加热机组的一端安装有第一红外感应开关，所述第二传动辊和出料门之间安装有第二红外感应开关，所述淬火装置还包括程序控制器，所述电机、第一红外感应开关和第二红外感应开关与所述程序控制器信号连接。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种旋挖钻机用加压平键的淬火方法，包括如下步骤：

(1)排尽所述密封箱体内的空气，并向其中注入氮气；

(2)加压平键进料：待淬火的加压平键从所述密封箱体的进料门进入后，通过所述装夹传动组件夹持并水平运送到所述感应加热机组的铜管感应线圈内；

(3)加热处理：所述感应加热机组启动，先进行第一段加热处理，然后恒温保持15～30s，再进行第二段加热处理；

(4)冷却处理：待步骤(3)中加热处理后，所述装夹传动组件夹持并移走所述加压平键，然后将其快速送入所述冷却池内进行冷却处理；

(5)回火处理：待步骤(4)中冷却处理后，所述装夹传动组件夹持并取出所述加压平键，并再次放入到所述感应加热机组中进行回火处理；

(6)出料：待回火处理结束后，所述装夹传动组件夹持并移走所述加压平键，使其从所述出料门运出所述密封箱体，完成淬火处理。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤(3)中，所述第一段加热处理的工艺条件为：加热功率1～3.5KHz，加热时间30～50s，加热温度550～650℃；所述第二段加热处理的工艺条件为：加热功率1～3.5KHz，加热时间35～45s，加热温度800～880℃。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤(4)中，所述冷却处理的工艺条件为：冷却液温度为10～16℃，冷却时间100～150s；所述步骤(5)中，所述回火处理的工艺条件为：加热功率1～3.5KHz，温度280～300℃，时间10～20s。

本发明的有益效果是：

由于旋挖钻杆传递的扭矩，承受的冲击载荷相当大，故对其关键部件加压平键50需要选择耐磨钢为材料，易于焊接，具有一定强度、刚度、硬度、冲击韧性，提高整机设备寿命，减少检修停机，减少资金投入，提高效益；且同时在加压平键与其他传动件的接触头部区域进行局部淬火，大幅度提高金属的抗拉强度，耐性及疲劳强度，并获得优越的综合机械性能，提高工件使用寿命。

本发明的具体效果如下：本发明一种旋挖钻机用加压平键的淬火装置及淬火方法，通过中频感应加热机组及铜管感应线圈的设计使用，一方面使得加压平键的加热范围可控，实现了局部加热处理，使加压平键抗磨损性能和焊接性能能够兼顾，解决了现有技术中加压平键淬火处理后因焊接性能降低而不能使用的难题；另一方面所述加压平键伸入到铜管感应线圈内的部分到所述铜管感应线圈的内壁面的距离相等，有效提高了不同部位的受热均匀性；通过两阶段加热处理，使得加压平键的表面和内部的受热更加均匀，进一步提高了组织结构的均匀稳定性，从而提高淬火效果；本发明淬火后的加压平键，其淬火端的晶粒度等级高，具有优异的抗拉强度、屈服强度和硬度，耐磨性能高，能够满足与钻头配合的耐磨性能需求，从而极大地降低了因加压平键磨损导致的停产检修的频率，提高了旋挖钻机的使用寿命。

附图说明

图1是本发明一种旋挖钻机用加压平键的淬火装置一较佳实施例的内部立体结构示意图，其中装夹传动组件仅显示了夹具；

图2是所示加压平键的一端伸入到所述铜管感应线圈内的结构示意图；

图3是图2中A-A方向的截面结构示意图；

图4是图2中B-B方向的截面结构示意图；

图5是所示装夹传动组件的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：

10.密封箱体，11.进料门，12.出料门，13.第一传动辊，14.第二传动辊，15.第一红外感应开关，16.第二红外感应开关；

20.感应加热机组，21.铜管感应线圈；

30.冷却池；

40.装夹传动组件，41.支撑板，42.垂直滑轨，43.垂直驱动气缸，44.承托板，45.水平滑轨，46.水平驱动气缸，47.夹具；

50.加压平键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1-5，本发明实施例包括：

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种旋挖钻机用加压平键的淬火装置，包括密封箱体10、感应加热机组20、冷却池30、装夹传动组件40和程序控制器，所述程序控制器为PLC控制器，所述感应加热机组20和装夹传动组件40与所述PLC控制器信号连接。

其中，所述密封箱体10是选用厚度为16mm的铁皮制成的长方体结构，其一侧开设有上下布置的进料门11和出料门12，其顶边、底边以及与所述进料门11相对的侧边共均匀开设有42个直径为4mm的氮气注入口，并在每个氮气注入口上设置单向阀，以在密封箱体10内的各区域均匀注入氮气，以起到隔绝空气的作用，确保整个密封箱体10内氮气的工作压力大于等于50kPa。

所述密封箱体10内位于所述进料门11和出料门12处分别安装有第一传动辊13和第二传动辊14。其中，所述第一传动辊13朝向所述感应加热机组20的一端安装有第一红外感应开关15(记为位置a)，所述第二传动辊14和出料门12之间安装有第二红外感应开关16，所述第一红外感应开关15和第二红外感应开关16与所述PLC控制器信号连接。所述第一红外感应开关15用于检测到加压平键进料并达到位置a处，给所述程序控制器发送信号启动所述装夹传动组件40，所述装夹传动组件40收到信号后启动并夹取所述加压平键50，并水平运送到所述感应加热机组20处。所述第二红外感应开关16用于通过所述程序控制器启动所述出料门12，让完成淬火后的加压平键50离开所述密封箱体10。

如图1、图2、图3和图4所示，所述感应加热机组20安装在所述密封箱体10内，其加热入口朝向所述进料门11的方向，且加热入口与所述进料门11共直线，确保从所述进料门11进入到密封箱体10内的加压平键50能够被水平运送至感应加热机组20内。具体地，所述感应加热机组20为中频感应机组，型号为LW-200，输入功率为200KVA，频率为1-5KHz，冷却水压大于等于0.3kPa。所述感应加热机组20内的感应加热线圈为铜管感应线圈21。所述铜管感应线圈21采用管壁厚度为2mm、截面为长方形的铜管弯曲而成，弯曲后的铜管感应线圈21的形状与待加热的加压平键的形状相匹配，以保证加压平键的不同部位到所述铜管感应线圈21的内壁面的距离相等，从而提高加热的均匀性，以提高淬火后加压平键50内部的组织结构的均匀性和稳定性，提高使用寿命。所述铜管感应线圈21的一端为冷却水入口，另一端为冷却水出口，所述冷却水出口处还安装有压力传感器，所述压力传感器与所述PLC控制器信号连接，以自动调控所述铜管感应线圈21内的冷却水流量，确保冷却效果，防止因冷却水流量不足导致冷却效果不达标，致使铜管感应线圈21被烧毁。

所述加压平键50为NM450耐磨钢，其包括如下质量百分含量的成分：C≤0.26％、Si≤0.70％、Nb≤1.6％、P≤0.025％、S≤0.010％、Mo≤0.50％、Cr≤1.50％、Ni≤0.80％、B≤0.004％。

所述加压平键50的一端(需要与其他转动件，如钻头，接触的一端)伸入到所述铜管感应线圈21内进行局部加热淬火处理，伸入长度小于所述加压平键50的总长度，一般为30mm。通过铜管感应线圈21的设计，实现了加热平键50的局部加热淬火处理，一方面能够局部改善与其他部件转动接触端的组织结构、晶粒度，使其达到所需的硬度和抗断裂强度等性能，另一方面不影响另一端的焊接性能。另外，所述加压平键50的伸入端的四周距离所述铜管感应线圈21的内壁面之间的距离为5～8mm。

如图1所示，所述冷却池30的顶端敞口，其内盛放有冷却液，所述冷却液可以为冷却水，也可以为冷却油，所述冷却池内冷却液的温度通过制冷器(未显示)控制在14℃，以保证冷却效果。所述冷却液内带有温度传感器(未显示)，所述制冷器和温度传感器均与所述程序控制器信号连接。所述冷却池30具体位于所述进料门11与所述感应加热机组20连线区域的下方。

如图1和图5所示，所述装夹传动组件40安装在所述密封箱体的内顶部，包括支撑板41、垂直滑轨42、垂直驱动气缸43、承托板44、水平滑轨45、水平驱动气缸46和夹具47。其中，所述支撑板41竖直固定在所述密封箱体10内的壁面上，以给整个装夹传动组件40提供支撑。所述垂直滑轨42的数量为2个以上，竖直布置在所述支撑板41的两端；所述承托板44竖直布置，且其背面与所述垂直滑轨42滑动连接，能够沿着所述垂直滑轨42上下滑动，其正面水平安装所述水平滑轨45；所述夹具47为悬臂下沉式夹具，与所述水平滑轨45滑动连接，用于夹持待处理的加压平键50沿水平滑轨45来回移动；所述水平驱动气缸46安装在所述支撑板41上，其动力输出端与所述夹具47连接，所述垂直驱动气缸43安装在所述垂直滑轨42的下方，其动力输出端与所述承托板44连接，驱动所述承托板44带动其上的夹具47在竖直方向上上下移动，实现将加压平键浸入到所述冷却池30的冷却液内，或者从所述冷却池30内取出。所述水平驱动气缸46和垂直驱动气缸43与所述程序控制器信号连接。

本发明还公开了一种旋挖钻机用加压平键的淬火方法，具体包括如下步骤：

(1)由于在正常气压下，氮气的比重比空气小，因此，需要先用真空泵吸净所述密封箱体10内的空气，然后关闭真空泵，通过42个氮气注入口同时向密封箱体10内慢慢注入氮气，当整个密封箱体10内的氮气压力达到50KPa时，再进行相应的作业，以防止在淬火时，加压平键50在高温下被氧化。

(2)加压平键进料：待淬火处理的加压平键50从所述密封箱体10的进料门11进入后，通过所述第一传动辊13传送至位置a处，所述第一红外感应开关15感应到所述加压平键50后，发送信号给PLC控制器，PLC控制器接收到信号后，再发送信号启动所述装夹传动组件40，所述装夹传动组件的夹具47抓取所述加压平键50并在所述水平驱动气缸46的驱动下沿水平滑轨45水平向左滑动，使所述加压平键50的左端伸入所述感应加热机组20的铜管感应线圈21内进行加热处理。

(3)加热处理：所述感应加热机组20启动，所述铜管感应线圈21对所述加压平键50的伸入端先进行第一段加热处理，在加热频率为3.5KHz，直流电流为100A的条件下加热46s，加热至600℃左右，然后停止加热，恒温保持20s，使加压平键50自身均匀相互传热，以提高受热均匀性，防止内外部受热不均匀，然后铜管感应线圈21进行第二段加热处理，在加热频率为3.5KHz，直流电流为100A的条件下加热40s，使加压平键50的左端被加热至865℃。

通过两阶段加热处理的工艺设计，有利于提高加压平键10的加热端的组织均匀度，提高晶粒度等级。

(4)冷却处理：待步骤(3)中加热处理后，所述夹具47在所述水平驱动气缸46的驱动下将所述加压平键50水平向右移动至所述冷却池30的上方(记为位置b)，然后垂直驱动气缸43启动，带动所述承托板44沿所述垂直滑轨42向下移动，由于所述夹具47为悬臂下沉式夹具，能够将其夹持的加压平键50快速向下送入所述冷却池30内，使加压平键50没入14℃的冷却液中冷却处理120s，需要注意的是，所述加压平键50从所述感应加热机组20内移出并送入所述冷却池30内的时间应控制在0.5s内，确保加压平键50没入到冷却油时的温度不低于850℃。

(5)回火处理：待步骤(4)中冷却处理后，所述垂直驱动气缸43驱动所述承托板44沿着所述垂直滑轨42向上移动，夹具47将所述加压平键50从所述冷却池30中拉出，重新回到位置b处，然后再在水平驱动气缸46的驱动下水平向左移动，将加压平键的左端再次伸入到所述感应加热机组20的铜管感应线圈21中进行回火处理，并控制伸入的深度与所述步骤(3)中加热处理时的深度相同，所述回火处理的工艺条件为：加热频率3.5KHz，直流电流100A，回火至290℃；

(6)出料：待回火处理结束后，所述水平驱动气缸46驱动所述夹具将所述加压平键50水平向右移动至所述第二传动辊14的上方，记为位置c，然后垂直驱动气缸43启动，驱动所述承托板44沿着所述垂直滑轨42向下移动，所述夹具47将回火处理后的所述加压平键50放置到所述第二传动辊14上，所述第二传动辊14将所述加压平键50向所述出料门12移动，所述第二红外感应开关16感应到所述加压平键50后，向所述PLC控制器发送信号，启动所述出料门12，最终所述加压平键50从所述出料门运出，完成淬火处理。

对比例1

与实施例1相比，所述加热处理过程在加热频率为3.5KHz，直流电流为100A的条件下一次性加热至865℃度。

对比例2

与实施例1相比，所述加压平键50的热处理过程采用箱式加热炉，加热时所述加压平键50全部放入到箱式加热炉内采用两段式工艺加热至相同的温度。

性能测试：

上述实施例1、对比例1和对比例2所制备的加压平键50按照GB NM450分别进行抗拉强度、屈服强度、硬度和晶粒度测试，测试结果如下。

由上述数据对比可知，采用本发明的淬火工艺制备的加压平键，不仅具有优异的机械强度，而且还兼顾了焊接性能，解决了机械性能和焊接性能不能兼顾的问题。另外，淬火处理后的加压平键的机械强度高，冲击韧性优异，能够极大地提高加压平键与钻头配合端的耐磨性能，从而极大地降低了因加压平键磨损导致的停产检修的频率，提高了旋挖钻机的使用寿命。

由于旋挖钻杆传递的扭矩，承受的冲击载荷相当大，故对其关键部件加压平键50需要选择耐磨钢为材料，易于焊接，具有一定强度、刚度、硬度、冲击韧性，提高整机设备寿命，减少检修停机，减少资金投入，提高效益；且同时在加压平键与其他传动件的接触头部区域进行局部淬火，大幅度提高金属的抗拉强度，耐性及疲劳强度，并获得优越的综合机械性能，提高工件使用寿命。

本发明的具体效果如下：

1、在密闭氮气环境下进行，有效避免了加热平键的高温氧化现象；

2、通过中频感应加热机组及铜管感应线圈的设计使用，使得加压平键的加热范围可控，实现了仅对加压平键的耐磨端进行局部加热处理的目的，使加压平键抗磨损性能和焊接性能能够兼顾，解决了现有技术中加压平键淬火处理后因焊接性能降低而不能使用的难题。

3、通过将铜管感应线圈设计成与所述加压平键形状相匹配的结构，使加压平键的待处理端伸入到所述加压平键内进行局部加热，使得加压平键到所述铜管感应线圈的内壁面等距，有效提高了不同部位的受热均匀性。

4、通过两阶段加热处理，使得加压平键的表面和内部的受热更加均匀，进一步提高了组织结构的均匀稳定性，从而提高淬火效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。