氮气烧结炉承载及运行系统设计

氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 1 页 共 16 页 氮气烧结炉承载及运行系统设计 摘要 ： 氮气烧结炉能显著减缓和避免聚合物及金属的氧化，对复合材料的外观质量、摩擦磨损的性能和材料强度等特点有增强的作用。并且同时，炉腔容量大，可一次烧结 10 15m2 的板材，约为现行使用 151型高温烧结箱的 3 4倍，并且加热功率仅增加 1/4，生产效率及节能效果有非常显著提高。设计借鉴大量热处理炉设备的资料及实际观察烧结炉等方面的努力，本文完成了氮气烧结炉的机械结构设计、计算和说明，本设计包括总体图、主要部件装配图、主要零件图，其中主要侧重于承载及运行系统的设计、各种材料的选用、密 封装置设计等方面。 关键字 ： 承载及运载系统；转轴；轴承。 引言 钢背铜粉改性 PTFE 三层复合自润滑轴承材料是由 60 年代末英国GLACIER公司发明的一种新型自润滑轴承材料，因其综合机械性能和导热性能优良，且抗磨减摩性能好，特别是可以在无油润滑的条件下工作，对配偶材料磨损较低，因此自从问世以来很快在机械领域中得到推广应用。我国是从 70年代末，参照了国外产品基础上开始国产三层复合材料的开发与应用，并且在制备技术、摩擦学特性的分析和性能改善上，以及在轴承设计中摩擦学问题的研究中开展了很 多工作。特别是在 90 年代以来，我国在随着先进机械技术的引进和交流的过程中，国产的三层复合材料的应用及行业的生产也进入了一个全新的发展时期。但是在与先进工业国家产品的质量相比，国产三层复合材料的品质仍有着较大差距。目前我国一般采用上海的 151高温烧结箱，不过其是在空气气氛中加热烧结的。这种烧结方式存在着严重缺陷，因为氟塑料层中有铅粉、锡青铜粉等成分，在高温中会与氧气发生氧化，成分和组织结构发生不利变化，导致了复合层的使用性能，特别是摩擦磨损性能的降低，而且产生了一些有害的氟化合物，污染环境，对工作人员的身体健 康造成危害。 本设计的基础是在氮气气氛上进行烧结的，通过先把炉中的空气抽出，再注入氮气，使氟塑料层中的填料成分避免了与氧气氧化，提升烧结的效果。因为烧结是在氮气保护气氛条件下进行，因此是在密封的条件下烧结，正因如此，将大大减轻了污染程度，同时也减少能量的浪费。 1 氮气烧结炉的技术要求以及技术关键的问题 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 2 页 共 16 页 1.1 氮气烧结炉的技术要求 为了使得烧结出具有优良摩擦磨损性能和综合使用性能的材料，塑化烧结设备应该具有以下的三个要求： (1).炉内温度需要均匀、且温度波动小，在最佳温度下使三层 复合材料塑化烧结； (2).炉内外伸的传动元件在运转的情况下需要具有良好的动态密封，确保减少窜气和氮气泄漏的情况发生，使设备在长期工作中保持良好的封气及隔热性能，尽可能避免烧结的高温环境下炉内三层复合材料的氧化反应； (3).尽量提高炉膛内塑化烧结区域的温度控制精度，以使得氟塑料能够充分塑化下对控温精度的要求。 1.2 氮气烧结炉技术关键问题 其在技术上关键的问题有以下几点： (1).如何减小炉膛内的温度场分布的梯度，使得炉内的温度充分均匀和温度波动达到最小； (2).如何提高炉膛 内塑化烧结区域的温度控制精度，以使得氟塑料能够充分塑化下对控温精度的要求； (3).如何设计，能够炉内外伸的传动元件在运转下具有良好的动态密封性能，使设备在长期工作中保持良好的封气及隔热性能； (4).如何才能避免在炉膛内特别是在炉底部出现的局部高温区，确保撒落的氟塑料颗粒在炉底不会过热从而分解出剧毒的氟化氢气体，避免可能对操作人员造成的身体伤害和环境的污染。 为了解决这些技术的难题，在对设计方案进行充分论证的基础上，运用所掌握的一些跨学科知识的优势，科学采用有关新技术和新材料，对有 些技术关键点还通过试验验证的指导设计来改进优化新材料的应用。如为防止三层复合材料在烧结过程中的发生氧化，采用了氮气保护，为减少氮气及热能的损失，我们采用了全封闭的状态进行烧结，并要求达到具有一定的真空度等要求。 2 氮气烧结炉的设计原理 2.1 封闭气体保护系统的设计 本次设计的烧结炉是在全封闭氮气保护下进行烧结工作。其步骤是先将炉内大部分的空气排尽 ,再把氮气通入，也可以是惰性气体或不与工件产生化学反应 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 3 页 共 16 页 的其他气体，在这种方式下能最大限度地把氧含量在炉膛内降低，同时对把炉膛抽成真空的装置要求也不高。 装置的作用：基本杜绝了工件的高温氧化。同时烧结制品的外观质量、理化性能和使用特性得到了显著提高。在这里，主要是大幅降低了聚合物及铜的高温氧化的百分比或可能性，烧结的复合自润滑材料的各方面的性能和品质得到了显著提高。 在实际使用的流程中，向炉内充氮气，并持续 10 15 分钟。然后再重复上述过程数次。这样才完成烧结前的气体保护的准备工作。 在烧结时，由于烧结过程中，不可避免地出现工件的高温化学反应，那么就会出现一些废气。如果是烧结复合自润滑材料，会产生含氟的腐蚀性有毒气体。所以为了操作人员 的安全和环境的环保，必须有废气净化处理及排放装置。 气体保护系统分为：保护气体充气装置；气净化处理装置；炉膛的密封装置 2 。 开炉前至少准备两瓶待用氮气，以确保烧结过程不断气。每只氮气瓶上装一只医用氧气流量计以及压力计，并与进气管上的三通阀相连。 气体保护使炉膛处于密封的状态下，否则以上的几个部分将失效。 实现方法：炉门关闭时与炉腔结合处的密封、风扇轴及转盘轴与炉腔在结合处的密封、炉腔自身（除几个结 合处）的密封。这几个密封设计分别在炉门的设计、炉腔的设计、载物盘传动系统的设计、风扇中有详细的说明。 2.2 炉内温度场均化原理 为了保证工件受热均匀，烧结炉的温度场均化系统由结构独特的气流循环风道和工作转盘两部分组成。风机安装在炉胆左侧立式加热元件后面，风机旋转时可将加热元件上的热量迅速抽入侧顶部风道，热气流在风道内均化后，通过右侧不等间距通风孔板，均匀送入炉膛，工作转盘及工件的旋转则进一步使温度场气流均化。 如果直接将电热元件加热的热气流通过风扇吹进炉膛内，一容易引起炉膛内气流的震荡，影响 烧结效果，二风扇将热气流吹进炉膛需要形成对流，如果直接用外界气体，肯定不行（密封、氮气保护气），那就还需要风道。 因此，现在的设计方法是将电热元件加热的热气流通过风扇（引风机）吸进风道，在风道中将热气流的热量均匀化，然后进入炉膛，以形成对流加热。 由于热气流向上流动的特性 7 ，为了使得炉内热气流对工件的加热的均匀，因此将多孔通风板的孔的分布设计成上疏下密。这样，进入炉膛的热气流下层流量多一些，这就避免了加热下层工件不充分 ，又由于热气流自发向上流动，也加热了上层的工件，延长了热气流的流动路线，充分并且均匀加热。 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 4 页 共 16 页 2.3 烧结炉的承载及运载材料的选用 由于炉内的温度（一般 400-500，也有可能局部达到 600-700）并且炉内可能含有一些少量的含氟气体，所以耐热铸铁、碳钢等耐腐蚀的能力差，而C-Mo钢、 Cr-Mo钢的最高服役温度为 450-600，这些都不符合要求。因此我们要选用不锈钢或者超合金。 铁素体不锈钢：它具有优良的高温抗氧化性能，但是高温机械强度却不高。 奥氏体不锈钢：它具有优异的抗腐蚀性能， 并且在 540以上服役条件下它的强度最高。 马氏体不锈钢：这类不锈钢中最普遍用于高温设备的是“超 12cr 钢”，它含有 Mo( 3 )和或 W( 3 5 )以使能够获得较大的高温强度。像 v、 Nb 和N之类的其他元素也可少量的加入以追加强化。含有上述诸元素的合金化物 12Cr马氏体钢可用于 650以下，但是在 540以上的时候，这种合金只能提供中等强度的性能，并且未合金化的马氏体钢只能用于 400以下。 所以在考虑到材料性能和经济性的情况下，我们选用铁素体不锈钢作为不受力的零部件的材料；同时选用奥氏体 不锈钢作为受力的零部件的材料 3 。 选择铁素体不锈钢时：最常用的是 17Cr 不锈钢（ 430型），成分 1Cr17，它一般用于 815下需抗氧化抗腐蚀的设备中。其抗拉强度 b 450Mpa。 选择奥氏体不锈钢时：最常用的 304 不锈钢，成分 1Cr18Ni9Ti，一般用于815下，因为它可抗苛刻氧化性，并且有较高的蠕变强度。其抗拉强度 b520Mpa。 需要用到耐热不锈钢的地方有：、载物盘、载物盘转轴、以及其他 小零件。 而在载物盘等不受力的地方使用 17Cr不锈钢（ 430型）。 2.4 保温层厚度的计算 已知当前需要温度及要求，从中我们需要计算出保温层的厚度。 给定参数：炉内温度 t1 =400 炉外温度： t2 =40 平壁以传导方式从内壁传到外壁的热量： q2=（ t1 t2） /s 外壁以辐射和对流方式传给车间空气的热量 7 ： q3=总 2（ t2 - t2） 其中 t2:为车间温度，取 20 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 5 页 共 16 页 总 2 16千卡 /m2时 2 稳定态传热 q 2=q 3 /s（ t2 -t1） =总 2（ t2 - t2） =0.042 0.186 10-3t t=400 （ 0.042 0.186 10-3 400） 360/s=15 20 将各项数据代入上式后整理计算，近似取整得 S 140mm. 存在一些不可避免的情况，因此要考虑到应该有余量， 取整得 S 150mm. 材料选择矿棉。 3 烧结炉的承载及运载系统的设计 3.1 载物盘转轴的设计计算 因为承载的轴是受力件，因此相对于炉 壁材料来说需更好的高温机械性能。我们需选用奥氏体不锈钢 304 不锈钢，其成分 1Cr18Ni9Ti，抗拉强度 b520Mpa，有着较强的蠕变强度 3 。 根据炉腔的容积大小和被烧结工件的密度及量的多少，再结合市场现有的烧结炉的规格参数，估计出本次设计的烧结炉所一次烧结工件的重量最大限度是250Kg。再加上载物盘本身的重量（估计为盘为 24Kg）；轴的密度 7.9t/m3，长度小于 0.9m，直径为 D，可得： 轴向压力 8 ： 2 7 4 05 5 8.010*)4*01.0*9.0*9.7242 5 0( 22 DDFN 轴向应力 ： aN MDDSF 52010*42 7 4 0558.0622不锈钢得出 D 13.03mm 支反力 LPeN N1529.005.0*10*274 取滑动摩擦系数 25.0f 则可以得到摩擦力为 NNfF s 38 由相关资料可知 ：阻力矩（该阻力矩通过方头传到下半轴上） 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 6 页 共 16 页 NFT S 76.0*1 径）轴颈半径（滑动轴承半 考虑到应该有余量， T 应加大（ 2-5）倍，从而能够确保安全。 NT 8.376.0*5 mmTd 1.15*323 取整 20mm 热应力： 温差： 480； 线膨胀系数 -6 1= 1 7 .9 1 0 C （在 20-500）； 弹性模量 5E 1 . 6 9 1 0 M P a （在 500）； 轴的自由伸缩： 0l = (T -T )l= -61 7 . 9 1 0 4 8 0 0 . 9 7 . 7 3 mm 热应力： 若不对转轴 的上端作位移限制，则可以不计热应力对转轴的影响。 蠕变强度不做计算 热处理手册 第 3 版 没有对 1Cr18Ni9Ti 在 500下作蠕变强度和持久强度的限制 。 51 . 6 4 1 0 900llE l 受 限 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 7 页 共 16 页 图 3.1 承载系统装配图 3.2 轴承的选择 由于载物盘转轴取整后最小的直径为 20mm，因此： 1.自润滑轴承，可以选择型号为 JTW-30，其内径 30.2mm,外径为 60mm,满足设计要求。 2.上面的压力球轴承，应该选择型号为 6005，其内径 25mm,外径为 47mm,满足设计要求。 3.下面的深沟球轴承，应该选择型号为 6204，其内径 20mm,外径为 47mm,满足设计要求。 3.3 传动比的分配计 根据所设计的烧结炉载物盘的要求转速 7-10转 /分，以 及市场标准电机的转速，可得大致估算的总传动比。由前文可知载物盘的受力，基本上是轴向的压力，并且载物盘的轴的扭矩很小，因此对电机的要求比较低。 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 8 页 共 16 页 假定所选用的电 机满载的转速为 910 rpm，则总传动比为 64，取带传动的传动比为 6，则减速器的传动比为 42.666，采用锥面包络圆柱蜗杆减速器，取标准传动比为 20，则载物盘的转速为 8rpm。 设定载物盘转速从 0到 8rpm，需要的时间为 20s， 则加速度： 22 042.020*642*8 sra dsra d 载物盘的转动惯量2i=1J= k iimr 1 ，近似将载物盘转轴看成圆柱体， 转矩 T 为： NTT 8.35 1 电动机的转矩电T为： mNTT 85.565.0 8.3654321 电 载物盘所需功率： KWnTP 56.09549* 锥面包络圆柱的蜗杆减速器 ,当 i=20，蜗杆转速为 1000rpm时，其效率大于等于 71.1%， 带传动的效率概值： 0.96 在传动过程中，有一对滑动轴承、两对的滚动轴承、蜗轮蜗杆、一联轴器， 联轴器：方头；使用效率： 0.99； 轴承效 率： 0.98； 总效率效率： 0.93； 我们可知选择合适的减速器和变速器，标准减速器，锥面包络圆柱蜗杆减速器 5 ，由于转轴转矩 T为： NmT 85.5 ，因此，我们所选用的减速器是中心距为32mm，输出转矩为 21.4N m，功率为 0.6KW 的 KWS型锥面包络圆柱蜗杆减速器。 因此，要选用的电机的功率应大于 0.58KW。 3.4 带传动的校 核计 2 2 2 2i = 12 2 2 2 2J = r m r r7 . 9 0 . 1 9 0 . 9 0 . 1 9 7 . 9 0 . 3 7 0 . 3 5 0 . 3 7 3 7 5 0 . 4 57 6 . 1 3kiim r m m 工 件 工 件轴 轴 盘 盘 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 9 页 共 16 页 传动比： 12dd、 分别为主动轮和从动轮的节圆直径；滑动率， 12nn、 分别为主动轮和从动轮的转速 1 。 选用普通 v带传动为带传动的类型。 计算功率 传动功率 P1为： 0.75（ KW）； 传动比 i=3； KWPKP A 75.0* 1 AK ：工作情况系数（查表 8-6）。取 AK 1. 选择带型为 Z型（根据图 8-8来选定）。 选定小带轮基准直径 1 50dd mm ，（根据表 8-7V带的基准直径）。 根据公式（ 8-13）， 从动轮的基准直径 21150ddd id m m 因此取整为 2 150dd m m ， ( 根据表 8-7V带的基准直径）。 确定中心 距 1 2 0 1 20 . 7 ( ) 2 ( )d d d dd d a d d 初步确定轴间距为 0 200a mm 则取基准长度 实际轴间距： 所以取整为 200mm。 V带根数和包角 根据公式（ 8-16）： V带的根数 z： 97.099.0*92.0*)04.0*373.0( 75.0)( 00 La KKPP PZ2212 1 1i= (1 )ddddnn d d 111 m a xd 5 0 4 8 0 . 1 2 5 6 / 2 0 3 0 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0d nv m s v m s 2 120 1 20() 1002 ( ) 4 0 0 2 0 0 7 1 4 . 2 7 5 m m2 4 2 8 0 0ddd d dddL a d da dL =710mmdd0LL 4 . 2 7 52 0 0 1 9 7 . 922a a m m 211 1001 8 0 5 7 . 7 1 8 0 5 7 . 7 = 1 5 1 . 1 5200dddd a 度 120 度 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 10 页 共 16 页 K ：包角系数， 0.92 LK ：长度系数， 0.99 0P ：单根 V带的基本额定功率， 0.73 P ：单根 V带的额定功率的增量， 0.046 因此，计算得出需要一根 V带 .。 V带轮的设计 主动带轮： 2.5ddd 且 300dd mm ， 因此采用腹板式。 1 ( 1 . 8 2 ) ( 1 . 8 2 ) 1 1 1 9 . 8 2 2d d m m 。 其余参数根据 V带使用标准数值。 从动带轮 2.5ddd 且 300dd mm ， 因此采用腹板式。 1 ( 1 . 8 2 ) ( 1 . 8 2 ) 1 5 0 2 7 0 3 0 0d d m m 其余参数根据 V带使用标准数值。 图 3.2 载物盘传动系统三维模型 3.5 载物盘的设计 为了保证烧结炉密封性，炉门的尺寸因尽量小 4 ，同时又可以将载物盘放入炉内，所以可以将载物盘分成两个半圆形部分。用角钢焊接出一个架子后，再在这个架子上用不锈钢棒进行搭焊。 具体的三维模型图见图 4.2，具体图见图 4.3。 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 11 页 共 16 页 图 3.3 载物盘三维模型图 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 12 页 共 16 页 图 3.4 载物盘的具体图 3.6 载物盘转轴的冷却密封 装置 1转盘轴需要冷却密封装置的必要性 16 ，经过分析可知：（ 1）由于烧结所产生并且主要是密封装置和轴承需要冷却，因为在高温下密封装置中所用的 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 13 页 共 16 页 O 型密封圈、轴承等零部件不能正常工作，所以必须要进行冷却，但冷却的同时会带来热能的损失，所以冷却装置不能够太大。 2 转盘轴主要密封件用 O 型密封圈，其原因：（ 1）由于载物轴的转动速度很慢，工作压力不大， （ 2） O 型密封圈制造成本低且安装方便，因此被广泛应用在各种动、静密封场合。 但是由于是烧结炉上的部件，工作温度较高，因此 O型密封圈使用的材料应为硅橡胶。 表 3.1 O型密封圈相关资料 . 静态密封 动态密封 工作压力 无挡圈时，最高可达 20MPa； 有挡圈时，最高可达 40MPa； 用特殊挡圈时，最高可达 200MPa。 无挡圈时，最高可达 5MPa； 有挡圈时，较高压力。 运动速度 最大往复速度可达 0.5m/s，最大旋转速度可达 2.0m/s。 温度 一般场合： -30 +110 ；特殊橡胶： -60 +250 ；旋转场合： -30 +80 介质 见橡胶密封件原料特性表。 3 转盘轴的冷却密封装置的设计要求：虽然载物盘转轴的速度比较慢，但长时间使用，某些零件的损坏就会不可避免，这样一些零件就需要替换，比如：O 型密封圈、轴承等易损件。所以，其冷却密封的装置必须要容易从炉体中卸下来，同时装置的本身也要容易拆卸。 4转盘轴的冷却密封装置的润滑。 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 14 页 共 16 页 图 3.5 烧结炉的装配图 结 论 本课题所设计的氮气烧结炉烧结炉是使用侧热式加热的方式，与常规底热式加热方式相比，有着以下的优点：侧热式炉在加热的过程中可以让温度场分布更均匀；底热式炉在加热过程中，由于工件的某些部分在高温中，可能因为重力作用掉落，并且可能掉入正在工作的电阻丝中，这些材料在高温中可能产生一些污染物，污染环境，同时也会降低电阻丝的使用寿命。 本设计是在氮气气氛上进行烧结，通过先把炉中的空气抽出，再注入氮气，使氟塑料层中的填料成分避免了与氧气氧化，提升烧 结的效果。因为烧结是在氮气保护气氛条件下进行，因此是在密封的条件下烧结，正因如此，将大大减轻了污染程度，同时也减少能量的浪费。 该设计很有实用性，氮气烧结炉对于烧结自润滑轴承材料相比其他电阻炉无论在操作上、烧结出的成品的质量上，能源的节约上，都有很大的优势。该设计很有实际意义也极具市场性！ 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 15 页 共 16 页 致 谢 走的最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，四年多的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号。 论文的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各 位老师、同学和朋友在积极的帮我查资料和实验支持的同时，还提供了很多有利于论文写作的批评和建议。在他们的帮助下，论文才得以不断的完善，最终帮助我顺利的完成了论文的写作。 我由衷地感谢周杰敏老师对我论文的悉心指导，从论文选题到论文的写作过程给予我真诚的鼓励、中肯的建议和及时的指导。在我的 毕业论文 写作期间，老师为我提供了种种专业知识上的指导 和一些富于创造性的建议，使我在论文写作上不断改进和完善。对周老师的辛勤指导，呈上我最诚挚的谢意 ! 在整个毕业设计过程中，课题组的各位同学密切合作是顺利完成设计的保证，在此也向小组成员表示感谢，论文的顺利完稿也有你们的功劳 ;感谢你们的悉心照顾和帮助。四年生活在同一屋檐下，空虚、寂寞、充实、快乐，各种日子我们一起走过，为了梦想，我们相互鼓励、永不放弃 !感谢我们一起经历的点点滴滴。 感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们四年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵最温馨的回忆。 最后， 也是最重要的，我要感谢我的父母，正是他们为我提供了超乎家庭承受能力的学习环境和支持，才使我能够与同龄人站在同一起跑线上公平竞争，自由地发挥我的兴趣和能力，实现我的理想。如果没有他们，就没有现在站在这里的我，是他们给以我生命，给以我大学的机会，是他们的艰辛创就了今天的我。对于你们，我充满无限的感激。谢谢！ 氮气烧结炉承载及运行系统设计 第 16 页 共 16 页 参考文献 1濮良贵，纪名刚 .机械设计（第七版） .北京：高等教育出版社 2001 2吉泽升 .热处理炉 .哈尔滨：哈工大出版社 1991 3阎承沛 .金属材料及热处理 .上海：上海人民出版社 1993 4东北工学院 .热处理炉 .冶金工业出版社 1993 5朱家诚 .机械设计课程设计 .合肥：合肥工业大学出版社 2005 6邱宣怀 .机械设计 .北京：高等教育出版社 1997 7中国机械工程学会热处理学会、热处理手册编委会 热处理手册北京：机械工业出版社 2001.4 8刘鸿文 .材料力学 .北京：高等教育出版社 2010 9 Department of Dalian University of Technology School of engineering drawing. 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