直齿锥齿轮精密锻造坯料的少无氧化加热

1、直齿锥齿轮精密锻造坯料的少无氧化加热第28卷第4期2007年8月华北水利水电学院JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerVo1.28No.4Aug.2007文章编号:10025634(2007)04005704直齿锥齿轮精密锻造坯料的少无氧化加热戴广军(郑州市大林机械有限公司,河南荥阳450100)摘要:介绍了直齿锥齿轮精密锻造坯料的少无氧化加热方式,指出了它们各自的加热特点和采取的隔氧措施及加热炉的结构,可为相似研究参考.关键词:敞焰少无氧化加热;中频感应加热;直齿锥齿轮;精密锻造中图分类号:TG1

2、62.4文献标识码:A坯料的少无氧化加热效果直接决定直齿锥齿轮精密锻造的精度.常用的少无氧化加热方法有以下3类:1.采用介质隔氧保护加热.如盐浴炉加热,玻璃液中加热等.这些加热方法的无氧化效果较好,其缺点是坯料表面随带的残液会带人模膛或压人锻件表面,所以只适用于具有小余量的精锻件,不适宜无余量的精锻件.2.敞焰少无氧化加热.如采用各种煤气,天然气,柴油等燃料,均可实现敞焰少无氧化加热,其中以煤气和柴油较为普遍.3.感应加热.由于感应加热速度快,坯料表面氧化很少,若能通人惰性气体(如N,)加以保护,是较为理想的一种无氧化加热方法.1敞焰少无氧化加热1.1敞焰少无氧化加热原理所谓敞焰加热就是金属直

3、接在燃烧产物中进行加热.燃烧产物中通常含有O,CO,HO,SO,HS,CO,H,CH,N等.这些成分中O,CO,HO,SO,Hs等能促使金属氧化,称之为氧化性气氛.而CO,H,CH,N等能促使金属氧化物还原,所以称之为还原气氛.在普通的锻造加热炉中,由于燃料在空气充足的条件下进行完全燃烧,燃烧产物中,除了有惰性气体N外还有大量的CO,HO以及过剩的O,高温下它们都是金属强烈的氧化剂,造成被加热金属的氧化和脱碳.无氧化加热时,燃料是在空气量不足的条件下燃烧的,所以炉气中H,CO增加,而CO,HO含量减少,这样还原气氛的浓度增加,从而获得无氧化加热的效果.在不完全燃烧时钢材的氧化反应式为CO2+F

4、e-FeO+CO-T-13188.420kJ(1)H2O+FeFeO+H2干280009.692kJ(2)钢材在炉内的氧化特性是由n(CO)/n(CO)和n(H0)/n(H)的比值决定的,当比值减小到某一临界值时,也就是说炉气中的CO和H的含量增加到某一程度时,式(1)和式(2)的反应趋于平衡,即氧化和还原反应达到平衡,这样就获得了保护性炉气.钢材在保护性炉气中加热,金属表面就不会被氧化.实际上生产用的炉子是不能达到稳定的平衡状态,通常是在还原状态气氛中加热.经理论分析和实验可知:不论采用何种燃料,其炉气中n(CO)/n(CO)及n(H)/n(H0)的值都大于表1中对应温度下的数值,即可实现金

5、属的无氧化加热.由此,为了实现金属的无氧化加热,燃料必须在空气量不足的条件下进行不完全燃烧,又为了能够充分利用燃料的热量,正确选定最大许用的空气系数值十分重要.几种常用燃料的最大许用收稿日期:20070420;修订日期:20070609作者简介:戴广军(1950一),男,河南荥阳人,郑州市大林机械有限公司工程师,主要从事汽车,摩托车零件精密锻造方面的研究.58华北水利水电学院2007年8月空气系数值的实验结果见表2表1对应温度下,l(co)/n(CO:)及,l(H:)/n(H:0)的比值表2几种常用燃料的最大许用空气系数值.发热值许用空气系数理论燃烧温度燃料/(kJ.m-3)/上海机械制造工艺

6、研究所对煤气敞焰无氧化加热炉进行测试,获得如下结果:炉温为1200c【=时,n(CO)/n(CO)0.3,n(H:O)/n(H:)0.8,一次风空气消耗系数=0.50左右,即获得无氧化加热效果.南京汽车制造厂齿轮厂对柴油敞焰无氧化加热炉进行过测试,获得如下结果:炉温为1250c【=时,n(CO)/n(CO)0.46,n(H2O)/n(H2)0.13,次风空气消耗系数=0.50左右,即能获得无氧化加热效果.1.2敞焰无氧化加热炉的炉膛形式及燃烧工艺敞焰无氧化加热是在还原性炉气中进行的,金属在这样的气氛中加热,温度达不到精锻工艺所要求的始锻温度,所以炉子在设计时必须采取措施,使炉型结构紧凑,并能充

7、分利用燃料热量.目前采用的柴油敞焰无氧化加热炉和煤气敞焰无氧化加热炉的炉膛形式相类似,如图1所示.炉膛结构一般都比普通的锻造加热炉要略高一些,并且在炉膛中部用砖砌成收腰式.隔成上下连通的2个区域,上部是高温区比下部略大,下部是低温区,俗称为上炉膛和下炉膛.在下炉膛进行不完全燃烧,坯料放在下炉膛的炉底上,当不完全燃烧生成的产物从炉膛中及侧向烟道上升至上炉膛时与二次风相遇混合,使炉气继续燃烧,并达到完全燃烧而产生高温.由于下炉膛中具有保护性炉气,只含少量的三原子气体,因而上炉膛的高温辐射热能穿透它,并将热量再次传给金属坯料和炉底,从而提高坯料的加热温度,以达到工艺要求.图1无氧化加热炉原理示意图喷

8、嘴1.3敞焰少无氧化加热炉设计要点1.炉型的选择.喷嘴及二次进风口的布置要合理,应保证燃料在炉内能达到分层燃烧,以保障下炉膛能获得比较稳定的还原性保护气氛.而在上炉膛能使燃料尽最大可能达到完全燃烧,以便节省能源,在结构上应将上炉膛的高温最大限度传给被加热金属.在布置二次进风口的位置和形式时,必须特别注意:防止上炉膛的氧化性炉气冲刷下炉膛的还原性保护气氛,从而破坏保护气层,达不到无氧化的效果.2.一次风的喷嘴应具有良好的调节性能,即能在炉子升温时,可以进行完全燃烧;又能在无氧化加热时,可以进行不完全燃烧,并能保护下炉膛有良好的保护气层.3.炉子的排烟道,应设置调节用的闸板,以便确保炉子在整个加热

9、过程中,使下炉膛处于正压状态,以防止炉外的冷空气吸人,冲淡保护气氛.但炉内压力也不能太高,否则会引起炉门喷火,热量损失并污染环境.必要时可适当加长炉口过道,增设炉口烟道.4.排烟口的布置应充分考虑废气热量的利用,便于用来预热空气及燃料,以便提高热效率.1.4柴油敞焰无氧化室式加热炉实例如图2所示的炉子经过多年的生产实践,获得较好的无氧化加热效果,能满足精锻齿轮生产要求.该炉的性能参数及测试结果如下:,试棒尺寸:qb20mmx20mm;材料:T8及18CrMnTi;轻柴油油量:升温加热时22kg/h,无氧化加热时1820kg/h;轻柴油压力:1kg/cm;一次风量:6070m/h(=0.50);

10、一次风压力:3035mmHg;二次风流量:100120m/h;二次风压力:5mmHg;第28卷第4期戴广军:直齿锥齿轮精密锻造坯料的少无氧化加热59上炉膛温度:1340;,下炉膛温度:1250;试棒加热温度:1150;氧化率:0.00015%一0.017%(普通反射炉为3.6%3.8%);氧化损耗:0.037500.04000mg/cm(普通反射炉为8.912.8mg/cm);脱碳层深度:为0.1mm,18CrMnTi为0mm;生产率(尺寸为qb40mm40mm的坯料)>200件/h;保护气层高度约75mm;下炉膛气成分测试结果:CO,为5.0,n(CO)为10.7,n(HO)为1.3,

11、n(H)为9.7,n(O)为2.3.(a)B_B剖面(b)AA剖面(c)O-IJ面(d)c_C剖面图2柴油敞焰少无氧化室式加热炉1.5敞焰无氧化加热的效果在敞焰无氧化加热炉中加热,一般认为只能实现少氧化而不能达到无氧化.但经过多年来的使用,只要各参数调试适当,使炉气成分符合无氧化要求的比值范围,金属在炉内高温(1200)情况下,进行长时间(几十分钟甚至几个小时)加热,可以达到较好的无氧化效果.低碳钢及低碳低合金钢在敞焰无氧化加热过程中脱碳甚微,而对含碳量较高的钢材有不同程度的脱碳.采用柴油为燃料的敞焰无氧化加热炉时,其炉气是不透明的,主要原因是:燃油的主要可燃成分是碳氢化合物,在空气量不足的情

12、况下燃烧时,会裂介出大量炭黑所致.2中频感应加热中频感应加热具有生产效率高,加热质量好,没有环境污染,劳动条件好,便于实现机械化,适合于大批量生产等许多优点.2.1可控硅中频装置的特点1.电力消耗低.可控硅中频装置的启动,停止方便,在生产过程中遇到短暂的间隙时间,都可以随时停机,从而使空载损耗减小到最低限度.2.可控硅中频装置的频率是随着负载参数的变化而自加变化的,能始终保持运行在最佳状态.3.可控硅中频装置的部件,大都是电子部件,可以做成插板式结构.当发生故障或损坏时,更换元件容易,维修方便.4.可控硅中频装置在启动时无冲击现象,只要具备额定容量的交流电源即可.5.可控硅中频装置采用脉冲封锁

13、,发生故障时保护动作灵敏.2.2可控硅中频感应锻造加热炉的构造该加热炉由中频电源,电容器,汇流排,控制柜,变压器,感应器等单元组成.其中中频电源,电容器,控制柜,变压器等,是由设备制造厂根据用户所选购的设备型号,规格经调试后成套提供的.汇流排是根据设备所要求的规格及安装现场的情况,由自己安装联接.感应器是根据工艺所选的坯料尺寸,加热温度,加热时间等参数自行设计制造的如图3所示.目前,感应器一般采用壁厚为1.52.0mm,截面为10mm10mm及12mm12mm的方形紫铜管或截面为10mm20mm的矩形紫铜管,在退火状态下绕制成圆柱,多匝,螺旋形,贯通式感应器.感应器的孔径是由被加热坯料的直径决

14、定,长度是由坯料的直径及长度,加热温度,加热时间等因素来决定.负载与变压器联接时,要合理选择变压器的匝比匹配,以获得理想效果.(a)主视图(b)侧视图1一上夹板;2一紧固用钢螺栓;3一紫铜管感应器;4一石棉板;5玻璃纤维层;6一玻璃纤维层(56mm220mm);7耐火磁管;8一坯料;9瓦形耐热钢板(外经53mm孔经45mm长220mm);1O一下夹板;11一紧固螺钉;12联结件(角铁)图3圆柱,多匝,螺旋形,母通式感应器结构示意图华北水利水电学院2007年8月感应器在绕制时,螺旋环之间应留有2Inm左右的间隙,并在绕好后用石棉板或石棉绳填满,感应器外周也用石棉板或石棉绳包好,再用漆布或玻璃纤维

15、带裹23层,然后用2块胶木板夹紧,固定在架子上,同时为了避免感应器在加热过程中烧坏,必须在紫铜管中通以软冷水进行循环冷却.在感应器孔内,设置一根陶瓷质耐火管.壁厚4.05.0mm,在瓷管外周也用玻璃纤维带裹23层.为了防止瓷管在高温下被坯料磨损,可在瓷管底部放置一块瓦形的1.52.0mm厚的耐热钢板,被加热的坯料在钢板上滑动,或者在瓷管底部设置2根小直径耐热钢管(钢管内通以冷却循环水)做滑道,被加热坯料在2根钢管上滑动.两者相比采用瓦形钢板方便.图3所示的感应器是配用100kW可控硅中频炉上,加热40mm40mm的钢料,加热温度为1000I100,坯料内外温差小于100oC,最大加热速度为9件

16、/min,用于精锻齿轮生产线上.为了与精锻工序同步,所以将加热速度调整到45件/min.2.3隔氧措施采用中频感应加热时,加热速度快,对小件坯料的表面氧化甚微,可以不采取任何隔氧保护措施;坯料直径越大,表面氧化越多,必须采取隔氧措施.1.在感应器中通人保护气氛隔氧.如图4所示,可在感应器中直接通人适量的氮气,或者滴人适量的酒精,煤油,甲醇等以便在高温下裂介成保护气氛,达到隔氧目的.其中以氮气作为保护气氛,使用方便效果较好.2.在感应器两端采用火帘管进行火封隔氧.火帘形式如图5所示,可采用液化石油气和适量的压缩空气,或者用煤气等燃料将火帘管点燃后,安置在感应器两端,利用火焰封住空口均可收到隔氧效

17、果.1绝缘套;2一感应器紫铜套;3一陶瓷耐火管;4一玻璃纤维层;5一保持架;6一进气管;7一瓷管;8一石棉层;9一固定板图4感应器中通入保护气氛装置结构示意图图5火帘管示意图参考文献1】齿轮的精密锻造z.上海市机械制造研究所,1971.2汽车行星齿轮精锻专集z.南京汽车齿轮厂,1974.3行星齿轮精密锻造z.上海汽车齿轮厂,1972.4王德拥.锻工手册M.北京:机械工业出版社,2004.5夏巨谌.精密塑性成形工艺M.北京:机械工业出版社.1999.HeatingofthePriciseMouldForgingBlankoftheStrainghtBevelGearwithLittleorNoOxygenDAIGuang-jun(ZhengzhouDalinMechanismCo.Ltd.,Xingyang450100,China)Abstract:Theheatingmethodsoftheprieisemouldforgingblankofthestrainghtbevelgearwithlittleornooxygenarei