直齒錐齒輪精密鍛造坯料的少無氧化加熱

1、直齒錐齒輪精密鍛造坯料的少無氧化加熱第28卷第4期2007年8月華北水利水電學(xué)院JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerVo1.28No.4Aug.2007文章編號(hào):10025634(2007)04005704直齒錐齒輪精密鍛造坯料的少無氧化加熱戴廣軍(鄭州市大林機(jī)械有限公司,河南滎陽450100)摘要:介紹了直齒錐齒輪精密鍛造坯料的少無氧化加熱方式,指出了它們各自的加熱特點(diǎn)和采取的隔氧措施及加熱爐的結(jié)構(gòu),可為相似研究參考.關(guān)鍵詞:敞焰少無氧化加熱;中頻感應(yīng)加熱;直齒錐齒輪;精密鍛造中圖分類號(hào):TG1

2、62.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A坯料的少無氧化加熱效果直接決定直齒錐齒輪精密鍛造的精度.常用的少無氧化加熱方法有以下3類:1.采用介質(zhì)隔氧保護(hù)加熱.如鹽浴爐加熱,玻璃液中加熱等.這些加熱方法的無氧化效果較好,其缺點(diǎn)是坯料表面隨帶的殘液會(huì)帶人模膛或壓人鍛件表面,所以只適用于具有小余量的精鍛件,不適宜無余量的精鍛件.2.敞焰少無氧化加熱.如采用各種煤氣,天然氣,柴油等燃料,均可實(shí)現(xiàn)敞焰少無氧化加熱,其中以煤氣和柴油較為普遍.3.感應(yīng)加熱.由于感應(yīng)加熱速度快,坯料表面氧化很少,若能通人惰性氣體(如N,)加以保護(hù),是較為理想的一種無氧化加熱方法.1敞焰少無氧化加熱1.1敞焰少無氧化加熱原理所謂敞焰加熱就是金屬直

3、接在燃燒產(chǎn)物中進(jìn)行加熱.燃燒產(chǎn)物中通常含有O,CO,HO,SO,HS,CO,H,CH,N等.這些成分中O,CO,HO,SO,Hs等能促使金屬氧化,稱之為氧化性氣氛.而CO,H,CH,N等能促使金屬氧化物還原,所以稱之為還原氣氛.在普通的鍛造加熱爐中,由于燃料在空氣充足的條件下進(jìn)行完全燃燒,燃燒產(chǎn)物中,除了有惰性氣體N外還有大量的CO,HO以及過剩的O,高溫下它們都是金屬強(qiáng)烈的氧化劑,造成被加熱金屬的氧化和脫碳.無氧化加熱時(shí),燃料是在空氣量不足的條件下燃燒的,所以爐氣中H,CO增加,而CO,HO含量減少,這樣還原氣氛的濃度增加,從而獲得無氧化加熱的效果.在不完全燃燒時(shí)鋼材的氧化反應(yīng)式為CO2+F

4、e-FeO+CO-T-13188.420kJ(1)H2O+FeFeO+H2干280009.692kJ(2)鋼材在爐內(nèi)的氧化特性是由n(CO)/n(CO)和n(H0)/n(H)的比值決定的,當(dāng)比值減小到某一臨界值時(shí),也就是說爐氣中的CO和H的含量增加到某一程度時(shí),式(1)和式(2)的反應(yīng)趨于平衡,即氧化和還原反應(yīng)達(dá)到平衡,這樣就獲得了保護(hù)性爐氣.鋼材在保護(hù)性爐氣中加熱,金屬表面就不會(huì)被氧化.實(shí)際上生產(chǎn)用的爐子是不能達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài),通常是在還原狀態(tài)氣氛中加熱.經(jīng)理論分析和實(shí)驗(yàn)可知:不論采用何種燃料,其爐氣中n(CO)/n(CO)及n(H)/n(H0)的值都大于表1中對(duì)應(yīng)溫度下的數(shù)值,即可實(shí)現(xiàn)金

5、屬的無氧化加熱.由此,為了實(shí)現(xiàn)金屬的無氧化加熱,燃料必須在空氣量不足的條件下進(jìn)行不完全燃燒,又為了能夠充分利用燃料的熱量,正確選定最大許用的空氣系數(shù)值十分重要.幾種常用燃料的最大許用收稿日期:20070420;修訂日期:20070609作者簡(jiǎn)介:戴廣軍(1950一),男,河南滎陽人,鄭州市大林機(jī)械有限公司工程師,主要從事汽車,摩托車零件精密鍛造方面的研究.58華北水利水電學(xué)院2007年8月空氣系數(shù)值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2表1對(duì)應(yīng)溫度下,l(co)/n(CO:)及,l(H:)/n(H:0)的比值表2幾種常用燃料的最大許用空氣系數(shù)值.發(fā)熱值許用空氣系數(shù)理論燃燒溫度燃料/(kJ.m-3)/上海機(jī)械制造工藝

6、研究所對(duì)煤氣敞焰無氧化加熱爐進(jìn)行測(cè)試,獲得如下結(jié)果:爐溫為1200c【=時(shí),n(CO)/n(CO)0.3,n(H:O)/n(H:)0.8,一次風(fēng)空氣消耗系數(shù)=0.50左右,即獲得無氧化加熱效果.南京汽車制造廠齒輪廠對(duì)柴油敞焰無氧化加熱爐進(jìn)行過測(cè)試,獲得如下結(jié)果:爐溫為1250c【=時(shí),n(CO)/n(CO)0.46,n(H2O)/n(H2)0.13,次風(fēng)空氣消耗系數(shù)=0.50左右,即能獲得無氧化加熱效果.1.2敞焰無氧化加熱爐的爐膛形式及燃燒工藝敞焰無氧化加熱是在還原性爐氣中進(jìn)行的,金屬在這樣的氣氛中加熱,溫度達(dá)不到精鍛工藝所要求的始鍛溫度,所以爐子在設(shè)計(jì)時(shí)必須采取措施,使?fàn)t型結(jié)構(gòu)緊湊,并能充

7、分利用燃料熱量.目前采用的柴油敞焰無氧化加熱爐和煤氣敞焰無氧化加熱爐的爐膛形式相類似,如圖1所示.爐膛結(jié)構(gòu)一般都比普通的鍛造加熱爐要略高一些,并且在爐膛中部用磚砌成收腰式.隔成上下連通的2個(gè)區(qū)域,上部是高溫區(qū)比下部略大,下部是低溫區(qū),俗稱為上爐膛和下爐膛.在下爐膛進(jìn)行不完全燃燒,坯料放在下爐膛的爐底上,當(dāng)不完全燃燒生成的產(chǎn)物從爐膛中及側(cè)向煙道上升至上爐膛時(shí)與二次風(fēng)相遇混合,使?fàn)t氣繼續(xù)燃燒,并達(dá)到完全燃燒而產(chǎn)生高溫.由于下爐膛中具有保護(hù)性爐氣,只含少量的三原子氣體,因而上爐膛的高溫輻射熱能穿透它,并將熱量再次傳給金屬坯料和爐底,從而提高坯料的加熱溫度,以達(dá)到工藝要求.圖1無氧化加熱爐原理示意圖噴

8、嘴1.3敞焰少無氧化加熱爐設(shè)計(jì)要點(diǎn)1.爐型的選擇.噴嘴及二次進(jìn)風(fēng)口的布置要合理,應(yīng)保證燃料在爐內(nèi)能達(dá)到分層燃燒,以保障下爐膛能獲得比較穩(wěn)定的還原性保護(hù)氣氛.而在上爐膛能使燃料盡最大可能達(dá)到完全燃燒,以便節(jié)省能源,在結(jié)構(gòu)上應(yīng)將上爐膛的高溫最大限度傳給被加熱金屬.在布置二次進(jìn)風(fēng)口的位置和形式時(shí),必須特別注意:防止上爐膛的氧化性爐氣沖刷下爐膛的還原性保護(hù)氣氛,從而破壞保護(hù)氣層,達(dá)不到無氧化的效果.2.一次風(fēng)的噴嘴應(yīng)具有良好的調(diào)節(jié)性能,即能在爐子升溫時(shí),可以進(jìn)行完全燃燒;又能在無氧化加熱時(shí),可以進(jìn)行不完全燃燒,并能保護(hù)下爐膛有良好的保護(hù)氣層.3.爐子的排煙道,應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)用的閘板,以便確保爐子在整個(gè)加熱

9、過程中,使下爐膛處于正壓狀態(tài),以防止?fàn)t外的冷空氣吸人,沖淡保護(hù)氣氛.但爐內(nèi)壓力也不能太高,否則會(huì)引起爐門噴火,熱量損失并污染環(huán)境.必要時(shí)可適當(dāng)加長(zhǎng)爐口過道,增設(shè)爐口煙道.4.排煙口的布置應(yīng)充分考慮廢氣熱量的利用,便于用來預(yù)熱空氣及燃料,以便提高熱效率.1.4柴油敞焰無氧化室式加熱爐實(shí)例如圖2所示的爐子經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐,獲得較好的無氧化加熱效果,能滿足精鍛齒輪生產(chǎn)要求.該爐的性能參數(shù)及測(cè)試結(jié)果如下:,試棒尺寸:qb20mmx20mm;材料:T8及18CrMnTi;輕柴油油量:升溫加熱時(shí)22kg/h,無氧化加熱時(shí)1820kg/h;輕柴油壓力:1kg/cm;一次風(fēng)量:6070m/h(=0.50);

10、一次風(fēng)壓力:3035mmHg;二次風(fēng)流量:100120m/h;二次風(fēng)壓力:5mmHg;第28卷第4期戴廣軍:直齒錐齒輪精密鍛造坯料的少無氧化加熱59上爐膛溫度:1340;,下爐膛溫度:1250;試棒加熱溫度:1150;氧化率:0.00015%一0.017%(普通反射爐為3.6%3.8%);氧化損耗:0.037500.04000mg/cm(普通反射爐為8.912.8mg/cm);脫碳層深度:為0.1mm,18CrMnTi為0mm;生產(chǎn)率(尺寸為qb40mm40mm的坯料)>200件/h;保護(hù)氣層高度約75mm;下爐膛氣成分測(cè)試結(jié)果:CO,為5.0,n(CO)為10.7,n(HO)為1.3,

11、n(H)為9.7,n(O)為2.3.(a)B_B剖面(b)AA剖面(c)O-IJ面(d)c_C剖面圖2柴油敞焰少無氧化室式加熱爐1.5敞焰無氧化加熱的效果在敞焰無氧化加熱爐中加熱,一般認(rèn)為只能實(shí)現(xiàn)少氧化而不能達(dá)到無氧化.但經(jīng)過多年來的使用,只要各參數(shù)調(diào)試適當(dāng),使?fàn)t氣成分符合無氧化要求的比值范圍,金屬在爐內(nèi)高溫(1200)情況下,進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間(幾十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí))加熱,可以達(dá)到較好的無氧化效果.低碳鋼及低碳低合金鋼在敞焰無氧化加熱過程中脫碳甚微,而對(duì)含碳量較高的鋼材有不同程度的脫碳.采用柴油為燃料的敞焰無氧化加熱爐時(shí),其爐氣是不透明的,主要原因是:燃油的主要可燃成分是碳?xì)浠衔?在空氣量不足的情

12、況下燃燒時(shí),會(huì)裂介出大量炭黑所致.2中頻感應(yīng)加熱中頻感應(yīng)加熱具有生產(chǎn)效率高,加熱質(zhì)量好,沒有環(huán)境污染,勞動(dòng)條件好,便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,適合于大批量生產(chǎn)等許多優(yōu)點(diǎn).2.1可控硅中頻裝置的特點(diǎn)1.電力消耗低.可控硅中頻裝置的啟動(dòng),停止方便,在生產(chǎn)過程中遇到短暫的間隙時(shí)間,都可以隨時(shí)停機(jī),從而使空載損耗減小到最低限度.2.可控硅中頻裝置的頻率是隨著負(fù)載參數(shù)的變化而自加變化的,能始終保持運(yùn)行在最佳狀態(tài).3.可控硅中頻裝置的部件,大都是電子部件,可以做成插板式結(jié)構(gòu).當(dāng)發(fā)生故障或損壞時(shí),更換元件容易,維修方便.4.可控硅中頻裝置在啟動(dòng)時(shí)無沖擊現(xiàn)象,只要具備額定容量的交流電源即可.5.可控硅中頻裝置采用脈沖封鎖

13、,發(fā)生故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作靈敏.2.2可控硅中頻感應(yīng)鍛造加熱爐的構(gòu)造該加熱爐由中頻電源,電容器,匯流排,控制柜,變壓器,感應(yīng)器等單元組成.其中中頻電源,電容器,控制柜,變壓器等,是由設(shè)備制造廠根據(jù)用戶所選購的設(shè)備型號(hào),規(guī)格經(jīng)調(diào)試后成套提供的.匯流排是根據(jù)設(shè)備所要求的規(guī)格及安裝現(xiàn)場(chǎng)的情況,由自己安裝聯(lián)接.感應(yīng)器是根據(jù)工藝所選的坯料尺寸,加熱溫度,加熱時(shí)間等參數(shù)自行設(shè)計(jì)制造的如圖3所示.目前,感應(yīng)器一般采用壁厚為1.52.0mm,截面為10mm10mm及12mm12mm的方形紫銅管或截面為10mm20mm的矩形紫銅管,在退火狀態(tài)下繞制成圓柱,多匝,螺旋形,貫通式感應(yīng)器.感應(yīng)器的孔徑是由被加熱坯料的直徑?jīng)Q

14、定,長(zhǎng)度是由坯料的直徑及長(zhǎng)度,加熱溫度,加熱時(shí)間等因素來決定.負(fù)載與變壓器聯(lián)接時(shí),要合理選擇變壓器的匝比匹配,以獲得理想效果.(a)主視圖(b)側(cè)視圖1一上夾板;2一緊固用鋼螺栓;3一紫銅管感應(yīng)器;4一石棉板;5玻璃纖維層;6一玻璃纖維層(56mm220mm);7耐火磁管;8一坯料;9瓦形耐熱鋼板(外經(jīng)53mm孔經(jīng)45mm長(zhǎng)220mm);1O一下夾板;11一緊固螺釘;12聯(lián)結(jié)件(角鐵)圖3圓柱,多匝,螺旋形,母通式感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖華北水利水電學(xué)院2007年8月感應(yīng)器在繞制時(shí),螺旋環(huán)之間應(yīng)留有2Inm左右的間隙,并在繞好后用石棉板或石棉繩填滿,感應(yīng)器外周也用石棉板或石棉繩包好,再用漆布或玻璃纖維

15、帶裹23層,然后用2塊膠木板夾緊,固定在架子上,同時(shí)為了避免感應(yīng)器在加熱過程中燒壞,必須在紫銅管中通以軟冷水進(jìn)行循環(huán)冷卻.在感應(yīng)器孔內(nèi),設(shè)置一根陶瓷質(zhì)耐火管.壁厚4.05.0mm,在瓷管外周也用玻璃纖維帶裹23層.為了防止瓷管在高溫下被坯料磨損,可在瓷管底部放置一塊瓦形的1.52.0mm厚的耐熱鋼板,被加熱的坯料在鋼板上滑動(dòng),或者在瓷管底部設(shè)置2根小直徑耐熱鋼管(鋼管內(nèi)通以冷卻循環(huán)水)做滑道,被加熱坯料在2根鋼管上滑動(dòng).兩者相比采用瓦形鋼板方便.圖3所示的感應(yīng)器是配用100kW可控硅中頻爐上,加熱40mm40mm的鋼料,加熱溫度為1000I100,坯料內(nèi)外溫差小于100oC,最大加熱速度為9件

16、/min,用于精鍛齒輪生產(chǎn)線上.為了與精鍛工序同步,所以將加熱速度調(diào)整到45件/min.2.3隔氧措施采用中頻感應(yīng)加熱時(shí),加熱速度快,對(duì)小件坯料的表面氧化甚微,可以不采取任何隔氧保護(hù)措施;坯料直徑越大,表面氧化越多,必須采取隔氧措施.1.在感應(yīng)器中通人保護(hù)氣氛隔氧.如圖4所示,可在感應(yīng)器中直接通人適量的氮?dú)?或者滴人適量的酒精,煤油,甲醇等以便在高溫下裂介成保護(hù)氣氛,達(dá)到隔氧目的.其中以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛,使用方便效果較好.2.在感應(yīng)器兩端采用火簾管進(jìn)行火封隔氧.火簾形式如圖5所示,可采用液化石油氣和適量的壓縮空氣,或者用煤氣等燃料將火簾管點(diǎn)燃后,安置在感應(yīng)器兩端,利用火焰封住空口均可收到隔氧效

17、果.1絕緣套;2一感應(yīng)器紫銅套;3一陶瓷耐火管;4一玻璃纖維層;5一保持架;6一進(jìn)氣管;7一瓷管;8一石棉層;9一固定板圖4感應(yīng)器中通入保護(hù)氣氛裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖5火簾管示意圖參考文獻(xiàn)1】齒輪的精密鍛造z.上海市機(jī)械制造研究所,1971.2汽車行星齒輪精鍛專集z.南京汽車齒輪廠,1974.3行星齒輪精密鍛造z.上海汽車齒輪廠,1972.4王德?lián)?鍛工手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.5夏巨諶.精密塑性成形工藝M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1999.HeatingofthePriciseMouldForgingBlankoftheStrainghtBevelGearwithLittleorNoOxygenDAIGuang-jun(ZhengzhouDalinMechanismCo.Ltd.,Xingyang450100,China)Abstract:Theheatingmethodsoftheprieisemouldforgingblankofthestrainghtbevelgearwithlittleornooxygenarei