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东北大学硕士学位论文摘要 真空淬火炉的参数化设计 摘要 真空淬火炉作为真空热处理设备的一种，具有系列化、模块化的特点，很适 合采用自动、高效的参数化设计方法。课题针对真空淬火炉中的一种典型类型一 卧式单室气冷真空淬火炉( 炉体部分) 开发了真正的三维参数化设计系统( v q f p d s ) ，能基本满足该类型产品多种规格及变型产品的参数化设计要求。 论文首先对真空淬火技术及真空淬火炉，特别是与之相关的计算机辅助设计 技术和参数化设计技术的现状与发展进行了简要的综述。在此基础上确定了课题 任务、并选择了先进的支撑软件。 然后，简要介绍真空淬火技术、真空淬火炉的结构及其设计的总体思路，对 真空淬火炉的热工计算进行了简要分析。 论文对课题的支撑软件a u t o d e s ki n v e n t o r 和m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 进行了分 析。作为一种新近开发的三维设计软件，a u t o d e s ki n v e n t o r 采用变量化技术，即用 “几何图形约束和工程关系( 如装配约束) 耦合”来求解、可实现基于装配关系 的关联设计；可进行面向图形的人机交互参数化特征建模，有多种实现参数化设 计的方法。在零件造型和装配方面具有自定义特征一- - i f e a t u r e 、零件库技术一一 i p a r t 、预定义装配一一i m a t e 及基于装配的设计一一自适应等许多鲜明的特点：有 内嵌模块v b a ，可供使用者进行二次开发。 最后，论文全面论述了真空淬火炉参数化设计系统( v q f - - p d s ) 的结构、功 能、特点及有关开发技术。v q f p d s 包括几何模型模块、工程图模块、参数文 件模块、数据文件模块及参数生成模块( p c m ) 五部分。系统用a u t o d e s ki n v e n t o r 构建产品的几何模型，并根据几何模型创建工程图：用m i c r o s o f te x c e l 生成参数 文件，并实现参数文件与几何模型的关联；用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 编制p c m 的 应用程序及界面，用以修改参数文件；数据文件模块用来存储不同规格型号炉子 的参数数据。系统开发所采用的技术比较先进、新颖，功能比较完备、实用，系 统结构合理，人机界面友好，具有多种参数获得方法、实时生成参考值、实时显 示示意图等特点，对参数化设计系统的开发作了有益的探索。 关键词：参数化设计真空淬火淬火炉计算机辅助设计i n v e n t o r v b i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a r a m e t r i c d e s i g n o f v a c u u m q u e n c h i n g f u m a c e a b s t r a c t b e i n go n ek i n do ft h ev a c u u mh e a tt r e a t i n ge q u i p m e n t s ，t h ev a c u u mq u e n c h i n g f u r n a c eh a ss e r i a l i z e da n dm o d u l a rc h a r a c t e r i s t i c s ，a n di ss u i t e dv e r ym u c hf o ru s i n gt h e a u t o m a t i ca n d h i g h l ye f f e c t i v ep a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d a i m i n ga to n et y p i c a lt y p eo f t h ev a c u m nq u e n c h i n gf u r n a c e s 一一h o r i z o n t a l ，a i r c o o l e dv a c u u mq u e n c h i n gf u r n a c e w i t hs i n g l er o o m ，t h e3 d p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m ( v q f - p d s ) h a s b e e n d e v e l o p e d ，c s n s a r i s 母t h er e q u e s t so f t h ep a r a m e t r i cd e s i g no f t h es e r i a lp r o d u c t so f t h i st y p e i nt h ed i s s e r t a t i o nt h ea c t u a l i t i e sa n dd e v e l o p m e n t so ft h ev a c u u mq u e n c h i n g t e c h n o l o g y ，t h ev a c u u mq u e n c h i n gf u r n a c e ，e s p e c i a l l yt h ec o r r e l a t i v ec o m p u t e r - a i d e d d e s i g nt e c h n o l o g ya n dt h ep a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n o l o g ya r ec o n c i s e l ys u m m a r i z e d o n t h eb a s i so f t h i s ，t h er e s e a r c h i n gt a s k sa r ec o n f i r m e da n d t h ea d v a n c e ds u p p o r ts o f t w a r e i sc h o s e n t h ev a c u u n lq u e n c h i n g t e c h n o l o g y ，t h es t r u c t u r eo f t h ev a c u u l nq u e n c h i n gf u r n a c e a n di t sc o n c e p t u a ld e s i g na r eb r i e f l ya n d s u b s e q u e n t l yi n t r o d u c e d t h et h e r m a la n a l y s i s o ft h ev a c u u m q u e n c h i n g f u r n a c ei sb r i e f l yd i s c u s s e d t h es u p p o r t i n gs o f t w a r eu s e d ，i n c l u d i n ga u t o d e s ki n v e n t o ra n dm i c r o s o f tv i s u a l b a s i c ，a r es t u d i e d b e i n go n eo f3 dd e s i g ns o f t w a r ed e v e l o p e dr e c e n t l y ，a u t o d e s k i n v e n t o ra d o p t sv a r i a b l ed e s i g nt e c h n o l o g y ，n a m e l yu s i n g “c o u p l i n gt h eg e o m e t r i c a l g r a p h i c sr e s t r a i n t s w i t ht h ep r o j e c tr e l a t i o n s ”，a n dc a nr e a l i z et h ea s s o c i a t e dd e s i g n s b a s e do nt h ea s s e m b l yr e l a t i o n s t h e r ea r em a n yk i n d so f m e t h o d so f p a r a m e t r i cd e s i g n i na u t o d e s ki n v e n t o r o nt h ea s p e c to ft h ep a r tm o d e l i n ga n da s s e m b l i n g ，a u t o d e s k i n v e n t o rh a ss o m ev i v i dc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s p r e - d e f i n e df e a t u r e - i f e a t u r e ， p a r t s t o r e h o u s et e c h n o l o g y 一i p a r t , p r e d e f i n e da s s e m b l y 一- i m a t ea n dd e s i g nb a s e do n t h ea s s e m b l y 一s e l f - a d a p t i n g ，a n ds oo n v b am o d u l et h a te m b e d d e di na u t o d e s k i n v e n t o rm a k e si tp o s s i b l et od e v e l o p a p p l i c a t i o np r o g r a m sb y u s e r s a tl a s t ，t h es t r u c t u r e ，t h ef i m c t i o n sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ev a c u u 1 1 aq u e n c h i n g f u r n a c ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m ( v q f - p d s ) a r ed i s c u s s e di nd e t a i l v q f p d sh a s f i v e p a r t s ：t h eg e o m e t r i c a l m o d e lm o d u l e ，t h e e n g i n e e r i n gd r a w i n gm o d u l e ，t h e p a r a m e t e rd o c u m e n tm o d u l e ，t h ed a t af i l em o d u l ea n dt h ep a r a m e t e rc r e a t i n gm o d u l e ( p c m ) t h e g e o m e t r i c a lm o d e l s a r ec o n s t r u c t e di na u t o d e s ki n v e n t o r ，a n db a s e do n t h eg e o m e t r i c a lm o d e l st h ee n g i n e e r i n gd r a w i n g sc a nb ee s t a b l i s h e d t h ep a r a m e t e r 1 1 1 东北大学硕上学位论文 a b s t r a c t d o c u m e m sa r ec r e a t e di nm i c r o s o f te x c e l a n dc a r lb el i n k e dt ot h eg e o m e t r i c a lm o d e l d o c u m e n t s p c ma p p l i c a t i o n sa n di n t e r f a c e sa r e d e v e l o p e d w i t hm i c r o s o f tv i s u a lb a s i c t h ed a t af i l em o d u l ei su s e dt os a v et h ep a r a m e t e rd a t ao ft h ed i f f e r e n tp r o d u c t s t h e t e c h n o l o g i e su s e di nt h es y s t e md e v e l o p m e n ta r ea d v a n c e d ，n o v e l ，t h em a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e sa r ef r i e n d l y ，a n dt h es y s t e ms t r u c t u r ei sr e a s o n a b l e t h es y s t e m h a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sm a n yk i n d so fm e t h o d st oo b t a i np a r a m e t e r s ，r e a l t i m e s h o w i n gr e f e r e n c e dv a l u e s ，r e a l - t i m es h o w i n g s c h e m a t i c d r a w i n g s v q f p d s c a n s a t i s f yt h ed e s i g nr e q u e s t so f t h e a c t u a lp r o d u c t s ，h a sm a d es o m eb e n e f i c i a le x p l o r a t i o n s t ot h ed e v e l o p m e n to ft h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m k e y w o r d ：p a r a m e t r i cd e s i g n ，v a c u u mq u e n c h i n g ，q u e n c h i n gf u r n a c e ， c o m p e e r a i d e dd e s i g n ，i n v e n t o r , v b 东北大学硕士学位论文声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包括 本文为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 真空淬火技术及真空淬火炉 1 1 1 真空淬火技术 真空热处理技术是随着精密机械制造业的发展而发展起来的新型热处理方 法。真空热处理技术以往多用于难熔金属和活泼金属，现逐渐被扩展到钢铁材料 的淬火、回火、退火、渗碳、渗氮、渗金属等各种领域。特别是近些年来，对零 件性能、精度要求的提高使真空热处理技术越来越受到人们的重视。 真空淬火技术是真空热处理技术中的一种。真空淬火就是将工件( 碳钢或合 金钢) 装入真空淬火炉内，在真空条件下加热到某一温度( 奥氏体化温度) ，经 过一段保温时间，然后在冷却介质中急速冷却下来，阻止奥氏体向珠光体转变， 使其转变为具有高硬度的马氏体组织。淬火时，钢中的奥氏体急速冷却，此时溶 于奥氏体中的碳来不及分解和扩散，形成过饱合的固溶体，即马氏体，其品格为 正方晶格【l j 。 真空淬火处理主要应用在空淬钢、各类高速钢、油淬工具钢等淬透性较高的 材料，也用于不锈钢、镍合金及钛合金的固熔化淬火，特别是那些精度要求较高 的刃具、量具、模具、轴承等精密零件等。 按冷却方式的不同，淬火可分为气淬、油淬和水淬。一般的真空淬火是在压 力为1 0 1 0 。1 p a 的真空条件下加热到一定温度，然后在冷却室( 或原加热室) 内 通以中性气体( 或隋性气体) 进行气冷淬火，或在油槽中进行油冷淬火、在水槽 中进行水冷淬火。 1 1 2 真空淬火技术的优越性 高质量、低成本、低能耗、无公害是衡量热处理技术先进性的四大指标。真 空淬火技术与其它淬火技术相比具有下述优点： ( 1 ) 工件机械性能优 一般来说，金属吸收气体后其机械性能显著下降。真空淬火是在真空条件下 加热金属，由于有脱气效果且不氧化脱碳，因而真空淬火处理的工件具有较高的 机械性能。 ( 2 ) 产品使用寿命长 真空淬火处理可以有效地提高工件的使用寿命。同样的零件，真空淬火后的 零件使用寿命提高1 3 倍，某些刀具甚至可提高3 4 倍，经济效果显著。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 产品变形小 在真空淬火处理过程中，工件加热是随炉升温，热量以辐射的方式进行，加 热缓慢且均匀，所以工件的变形平均小于常规工艺。具有重要意义的是，真空淬 火不仅变形量平均较小，而且变形分散度小，有一定的分布规律。 ( 4 ) 产品表面质量好 在真空环境下对工件进行加热，防止零件表面氧化脱碳，可获得净化光亮的 表面：同时，前道工序留下的油污，在真空加热过程中能够分解并被吸走，可免 去脱脂处理。 ( 5 ) 工件制造成本低 由于工件经真空淬火处理后，其表面状态好、变形小，可减少下一道工序的 机械加工余量或省去表面处理工序，降低了工件的制造成本。 ( 6 ) 可实现文明生产 真空淬火设备不会对环境造成损害，其周围环境非常清洁，空气新鲜，没有 油雾和气味，没有爆炸的危险。 1 1 3 真空淬火技术的现状及发展 根据美国金属学会热处理学会、美国金属处理研究院、美国能源部工业技术 厅对美国热处理工业2 0 2 0 年发展远景的预测，未来的热处理工业要有一流的质量， 生产具有零变化率的产品零件，在整个工艺中，零分散度是典型的，能量利用率 提高到8 0 ，工作环境良好，清洁无污染，生产中采用标准的闭环控制系统、智 能系统。在美国当前的热处理生产中，真空热处理占1 5 ，这一发展趋势今后将 进一步增长【2 j 。 我国真空热处理技术的发展趋势和国际热处理工业的发展趋势基本同步，我 国热处理行业九五规划和2 0 1 0 年设想提出：2 0 0 0 年以前我国需制造9 0 0 台真空热 处理设备投入生产运行，如果2 0 1 0 年基本上完成以无氧化热处理技术为中心的技 术改造，则至少需要5 0 0 0 台8 0 0 0 台先进设备，如果上述技改规划得以实施，那 么到2 0 1 0 年，我国总体热处理生产水平将达到目前欧美工业国的水平，部分骨干 企业达到当前的国际先进水平。 真空淬火炉是进行真空淬火处理的设备，它为真空淬火处理提供所需的压力、 温度。真空淬火设备在技术上的发展及动向大致可归纳为表1 1 【3 】。这一方向和趋 势将为实现无污染、环境优美的热处理开辟美好前景。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 真空淬火炉的发展及动向 t a b l e1 1 d e v e l o p m e n ta n dt e n d e n c yo f v a e u u mq u e n c h i n g f u m a c e 部分第一代第二代第三代今后动向 加热技术真空辐射加热真空辐射加热负压载气加热低温阶段正压对 负压载气加热低温阶段正压对流加热 流加热真空局部加热 冷却技术负压油冷加压气冷高压气冷h 2 或h e 与n 2 的 负压气冷高压气冷超高压气冷混台气冷 加热室结构开放型开放型密闭型密闭型结构推广 炉衬材料陶瓷毡碳质预制件高强碳质材料高强碳质整体结 碳毡构 搬送机构台车式分叉式辊底式复合式 吊车式 自动控制分立元件手动分组p i d 任选p c智能化仪表控温计算机控制， p i d 温控程序控制自适应p c 程控c r t 显示 1 2 三维设计及参数化设计 1 2 1 计算机辅助设计技术 在机械计算机辅助设计领域，二维设计已逐渐向三维设计过渡，这是c a d 技 术发展的必然趋势。 人在设计零件时的原始冲动是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、 位置、相关零件、制造工艺等等关联概念的三维实体，甚至是带有复杂运动关系 的三维实体。如果能直接以三维概念开始设计，在现有的软件支持下，这个模型 至少有可能表达出设计构思的全部几何参数，整个设计过程可以完全在三维模型 上讨论，对设计的辅助就很容易迅速扩大到全过程，设计的全部流程都能使用统 一的数据。三维设计，可以组建进行有限元分析的原始数据，进而进行零件几何 形状的优化设计。在这个问题上，传统的二维设计毫无办法。 设计模型可以分为两大类。一种为“雕塑模型”，例如人脸。另一种为“几 何模型”，机械零件就属于几何模型。无论多么复杂的几何模型，都可以分解成 有限品种的特征，这使三维设计成为可能。 近几年来，机械三维计算机辅助设计得到迅速发展，国际市场已有十几种较 为成熟的专业三维c a d 软件，如u n i n g r a p h i c s 、p r o e 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、 i d e a s 、m d t 、i n v e n t o r 等，国内有c a x a - - m e 制造工程师、g s c a d 等。 a u t o c a d 作为二维c a d 软件虽然不是最好的，但是a u t o c a d 是最流行的， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 也是市场占有率最高的c a d 软件，它已成为事实上的c a d 工业标准。a u t o c a d 最为突出的特点是具有良好的开放性和二次开发技术，二次开发工具有a u t o l i s p 、 v i s u a ll i s p 、a d s 、a r x 、v b a 等。a u t o c a d 虽然具有一定的三维功能，但其终 究是主要为二维设计而开发的软件。 a u t o c a d 开发商a u t o d e s k 公司也意识到了这一点，1 9 9 6 年，在a u t o c a d 的 基础上研制了m e c h a n i c a ld e s k t o p ( m d t ) ，它是基于a c i s3 0 几何造型核心， 采用v c + + 编程和面向对象的数据库。虽然m d t 是三维设计软件，但它融合了太 多的a u t o c a d ，摆脱不了二维设计的影子。a u t o d e s k 公司在推出m d t6 0 后宣布 停止发布新版本m d t 。 2 0 0 1 年，a u t o d e s k 公司推出一种全新的三维设计软件a u t o d e s ki n v e n t o r 。它 以a c i s7 0 为基础，采用变量化设计技术。a u t o d e s ki n v e n t o r 虽然起步较晚，但 起点高。它综合了其它三维设计软件的优点，还开发出一些独特的功能：自定义 特征一- - i f e a t u r e 、零件库技术一一i p a n 、预定义装配一一i m a t e 及基于装配的设 计一一自适应等一】。 v b a ( m i c r o s o f tv i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ) 是a u t o d e s ki n v e n t o r5 0 中新增 加的开发工具，它与v b 一样具有很强的开发能力，而且技术原理也基本相同，是 用户进行二次开发的主要工具。v b a 提供了在a u t o d e s k i n v e n t o r 内部编程的环境。 可以使用v b a 获得a u t o d e s k i n v e n t o r a p i 并创建自动执行重复任务的程序。 1 2 2 参数化设计 参数化设计是机械设计的一个发展方向。参数化技术就是在保持给定的约束 条件和几何拓扑结构的前提下，按用户所给定的参数值刷新模型。这要求参数化 设计系统必须保存图形的几何和拓扑信息，以及图形元素之间的各种约束关系。 通俗来说，参数化设计一般是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束该 几何图形的一组结构尺寸序列，参数与尺寸有显示对应，当赋予不同的参数序列 值时，就可驱动原几何图形达到新的目标几何图形【5 1 。 二维参数化曾经流行过一段时间，似乎二维参数化，是有效的c a d 应用勰决 方案。从二维工程图的生成来说，一个视图的全面参数化已经十分困难，如果建 立多视图之间相互关联的参数化，就更加困难，用有限个参数驱动整个零件图形， 是极难做到的。二维参数化技术中，多视图之间的关联是必须作到的；同时系统 必须能识别在此基础上的用户错误，比如，内孔直径不能大于外圆直径等。只有 作到了这些，才能实现真正的二维工程图参数化。而实际上，现有的这类软件没 有一个能够做到这一点。 几何模型的建立，就是设计数据库的数据填充过程。建立数据库的目的，是 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在将来的设计配凑过程中引用和修改其中的数据，最后完成设计。因此不能进行 参数驱动的三维模型，在设计中没有多少用途。仅是做到“看”起来象的建模方 法，是没有使用价值的。这里所说的参数驱动，包括对于新设计的零件、引用的 标准件，也包括对各个零件之间的装配关系、位置关系甚至运动关系。 几何模型是由一个个特征组合而的，而每一种构成特征都可以用有限的参数 完全约束，这就是参数化的基本概念。对于机械设计来说，几何模型占我们设计 对象的绝大部分。这样，我们的设计几乎全部都可以用参数化的三维模型表达。 1 2 3 关于参数化技术和变量化技术 在学术界，对三维设计构件的算法核心和处理模式有着“参数化设计”和“变 量化设计”两种风格的说法1 4 1 。 参数化设计是以p t c ( p r o e ) 为代表。参数化技术用“顺序方法”对约束 求解，达到全数据相关、全尺寸约束、尺寸驱动设计结果的修改。 变量化设计是以s d r c ( i - - d e a s ) 为代表。变量化技术用“几何图形约束和 工程关系耦合”来求解，将参数化技术中的全尺寸约束细分为“尺寸约束”和“几 何约束”，因此工程关系( 装配约束) 可以直接与几何约束耦合处理，实现基于 装配关系的关联设计。 几何模型所具有的形状、大小是由模型的参数约束决定的，模型的参数约束 分为几何约束和尺寸约束两大类。几何约束用来确定元素的几何关系，而这种几 何关系在未来的设计中是保持不变的。如相互平行、相互同心、两线等长等。尺 寸约束用来确定元素的尺寸大小和相对位置，在将来的设计中，这些尺寸可能改 变，也可能被另外的零件引用。如长度、高度、锥角、半径等。 参数化设计和变量化设计的主要不同在于是否需要全尺寸约束，用什么方法 实现完整约束。参数化技术因为必须事先定义好求解过程，以有序及全约束为基 础条件，因此软件运行比较稳定：但是，设计的更改完全依赖于尺寸驱动，对于 自顶而下的创成设计，也因此不能很好支持。 变量化技术实际上是参数化技术的“超集”，是基于装配的设计，能够更好 地表达人的设计思维规则，能处理局部约束的更改，能基于工程关系求解，能显 式处理约束等，因此更容易理解、更适合于完成工程师原始设计构思的表达和实 现，设计的更改可以依赖于尺寸驱动和装配约束两种方法，为自顶而下的创成设 计提供了有力的支持，能够更好地在几何设计的全过程中实现辅助设计的功能。 a u t o d e s ki n v e n t o r 就是一种变量化设计软件。 东北人学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 课题的意义及主要研究内容 真空淬火炉作为真空热处理设备的一种，具有系列化、模块化的特点，很适 合参数化设计的要求。课题以真空淬火炉中的一种典型类型一一卧式单室气冷真 空淬火炉( 炉体部分) 为研究对象，力求找到一种真正的三维参数化及特征化的 设计方法，开发出真空淬火炉参数化设计系统( v q f - - p d s ) 。 具体研究内容如下： ( 1 ) 择合适的支撑软件 “公欲善其事，必先利其器。”选择一款合适的软件对课题的开展有着举足 轻重的作用。本课题选用了一款较为新颖的设计软件一- - a u t o d e s ki n v e n t o r 。 ( 2 ) 找到一种适宜的参数化设计方法 在分析对比了几种参数化设计方法后，课题选用了表参数驱动模型尺寸的方 法一种真正的三维参数化设计方法。 ( 3 ) 开发真空淬火炉参数化设计系统( v q f - - p d s ) v q f p d s 是本课题的主要研究内容，系统又分为五部分 建立真空淬火炉几何模型 几何模型是参数化设计的基础，本课题要建立完整的真空淬火炉几何模型， 包括建立零件模型及把零件装配成子部件、再把子部件装配成部件。 建立工程图模块 工程图是根据几何模型( 包括零件模型和装配模型) 生成的，几何模型改变 后，工程图会自动更新。 建立参数文件模块 参数文件用来定义变量，并对变量赋值。创建参数文件并将参数文件链接到 几何模型后，可将变量与模型尺寸相关联。 建立数据文件模块 数据文件模块用来存储多种不同规格型号炉子的参数数据。 开发参数生成模块( p c m ) ，编制良好的界面。 p c m 是v q f p d s 的核心，设计者在p c m 中生成或修改参数，并可对参数 文件和数据文件进行操作。 6 东北大学硕士学位论文 第二章真空淬火工艺及设各 第二章真空淬火工艺及设备 2 1 真空淬火工艺 真空淬火的典型工艺过程如图2 1 所示。图中所示为温度、压力随时间变化曲 线。其过程可分为三个阶段：排气阶段、加热阶段、冷却阶段。 ( 1 ) 排气阶段 将工件装入炉内后，首先对炉室进行排气以创造真空环境，防止a n 热过程中 工件氧化。 ( 2 ) 加热过程 当炉内压强达到极限真空度时，开始对工件进行加热。在工件升温过程中， 需要有二至三个保温阶段，使工件受热均匀，减小热应力，防止工件变形。在加 热阶段的后期，少量地充入一些保护性气体，以加快工件升温。 ( 3 ) 冷却阶段 工件加热到最高温度并保温一段时间后，充入中性或惰性气体进行冷却，并 用风机使冷却气体强制循环。 温度 压力 常压 常温 排气阶段加热阶段冷却阶段时间 图2 1 真空淬火工艺曲线 f i g 2 1 p r o c e s sc 1 2 1 v e so f v a c u u m q u e n c h i n g 2 2 真空淬火炉的系统组成 ( ”炉体部分 炉体部分是真空淬火炉的主要部分，由炉壳和加热室等部分组成。它是本课 题的研究对象，后面章节提到的真空淬火炉指的就是炉体部分。 ( 2 ) 真空系统 7 东北大学硕士学位论文第二章真空淬火工艺及设各 为真空淬火炉内的压力变化提供动力。真空系统由真空容器、真空泵、真空 阀门、连接管件及真空测量仪表等部分组成。 ( 3 ) 充气系统 充气系统包括冷却气体( 中性或惰性气体) 的充气及回收装置。 ( 4 ) 冷却系统 冷却工件时，在风扇的驱动下，冷却气体从下门进入加热室，吸收工件热量 的气体从上门流出，与换热器进行热交换，冷却后的气体再经下门流入，从而形 成循环。 ( 5 ) 气动系统 为加热室上门、下门的移动及系统管路中阀门的开、关提供动力源。 ( 6 ) 电控系统 电控系统好比人的大脑，它对生产过程中各个环节发出指令，控制泵、阀门 的开启与关闭及加热元件工作等操作。 2 3 真空淬火炉的分类 真空淬火炉分类方法较多，大致可划分为： ( 1 ) 按作业方式划分，可分为周期式、半连续式、连续式； ( 2 ) 按结构形式划分。可分为单室、双室、三室； ( 3 ) 按炉子形态划分，可分为卧式、立式； ( 4 ) 按照真空度划分，可分为低真空、高真空、超高真空； ( 5 ) 按工作温度划分，可分为低温、中温、高温； ( 6 ) 按热源种类划分，可分为电阻加热、高频感应、电子束、等离子体加热： ( 7 ) 按冷却方式划分，可分为气冷、油冷、水冷； 本课题以卧式单室气冷真空淬火炉( 炉体部分) 为研究对象，其加热方式为 电阻加热。它应用广泛，结构具有代表性。 2 4 真空淬火炉( 炉体部分) 的结构 卧式单室气冷真空淬火炉主要由以下几部分组成：炉壳、加热室、加热器、 炉床等，其结构示意图如图2 2 所示。其三维几何模型如图2 3 所示。 ( 1 ) 炉壳 炉壳包括炉体、炉门及连接它们的铰链和夹紧机构等。炉壳为加热和淬火提 供了一个真空环境，加热室安装在其内部。它一般为焊接而成的卧式圆形容器， 要求具有真空密封性，炉壳的一端为可开启的炉门，另一端为椭圆形封头。炉体 与炉门间用铰链连接并有夹紧机构。炉体和炉门的炉壁为双层结构，中间可通过 东北大学硕士学位论文 第二章真空淬火工艺及设备 冷却水。炉体的内、外壁上开有许多炉子与外部连接的接口。 卜炉体2 一炉门3 一加热室 t 一风扇8 - 力口热器9 一炉床 4 一前门5 一下门6 一上门 1 0 - 料售1 卜换热器 图2 2 真空淬火炉的结构示葸图 f i g 2 2 s t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go f v q f ( 2 ) 加热室 加热室是真空淬火炉的主要组成部分，它把加热器与炉体隔开。工件在加热 室内加热。加热室多为方形，室壁由多层结构组成。外壁为不锈钢钢板制成，起 固定和支撑的作用，外壁外侧焊有可提高冷却效率的冷却水管。内壁由钼片拼接 而成，通过钼杆固定在加热室外壁上，它能大大减少热辐射损失。内壁与外壁之 间为保温陶瓷纤维或石墨毡，可阻止传导热损失。 加热室前端有可开启的前门，用铰链与加热室外壁相连，供工件进出。上、 下两个方向开有上门和下门。在气缸的驱动下，上门可前后移动、下门可上下移 动。冷却工件时，上门和下门打开，强制循环的冷却气体从下方进入，与工件热 交换后，从上方流出。 加热室两侧装有滚轮，可使加热室在炉体内的轨道上滑入、滑出。 ( 3 ) 加热器 电加热器在加热室内部，加热器一般上下部各装6 根空心石墨管作为加热元 件，石墨管间为石墨联块，加热器与电源线通过水冷电极相连接。加热器通过陶 瓷管和钼杆( 加热器与钼杆间有陶瓷绝缘套) 固定在加热室外壁上。加热器除了 与电源、绝缘的陶瓷管和绝缘套相连外不能与任何物体相连接。陶瓷材料既可起 9 东北大学硕士学位论文第二章真空淬火工艺及设备 到绝缘作用，又可起到隔热的作用。 ( 4 ) 炉床 在加热器下面一排加热管的上方，放置着炉床及料筐。工作时，装载着工件 的料筐放在炉床上。炉床由石墨和钢玉材料制成，在保证强度的前提下，可最大 限度的减少热损失。 图2 3 真空淬火炉的三维几何模型 f i g 2 3 3 dg e o m e t r i c a lm o d e l so fv q f 2 5 真空淬火炉的总体设计 真空淬火炉的设计应从加热室内的均温区向外展开【6 】，最后将炉子全部设计出 来，如图2 4 所示。 ( 1 ) 确定均温区尺寸 均温区为一假想矩形区域，它的尺寸由用户给出，或由设计者根据所处理工 件的最大尺寸而定。均温区尺寸至少得大于料筐尺寸。 东北大学硕士学位论文 第二章真空淬火工艺及设备 确定均温区尺寸 确定加热器尺寸 确定加热室尺寸 + 确定炉壳尺寸 + l 确定接管位置尺寸 图2 , 4 真空淬火炉的总体设计 f i g 2 4 c o n c e p m a ld e s i g no f v q f ( 2 ) 加热器尺寸的确定 加热器基本包围均温区，设计时尽量使料筐受热均匀。均温区与加热器之间 距离一般为5 0 1 5 0 m m ，以防料筐在运送过程中碰撞加热器，造成短路。加热器 的两个端部不设置加热体，温度低，一般取加热器长度为均温区长度的1 2 2 倍， 温差要求越高( 允许温差值越小) ，其倍数取值越大。 ( 3 ) 加热室壁尺寸的确定 加热室壁包围加热器，不允许与加热器( 除支承外) 直接接触，加热器用绝 缘支架固定在加热室外壁上。加热器与加热室内壁间距离一般为5 0 1 0 0 m m 。加 热室壁厚一般在7 5 m m 左右。 ( 4 ) 炉壳尺寸的确定 炉壳要全部包围加热室，包括可移动的上门及下门、风扇，又要有很好的真 空密封性能。炉壳的内壁与加热室外壁的距离要根据电极和其它部件的安装方便 以及炉壳内径标准尺寸选取。炉壳简体的壁厚要满足真空容器的强度要求，按下 式由计算得出： = 1 2 5 d 口咩) o4 ( 研m ) e i u b 式中，印一简体计算壁厚( m m ) ： d 日一简体内径( m m ) ； 三一筒体长度( m m ) ； p 一外压设计压力( m p a ) ； e ，一材料温度为t 时的弹性模量( m p a ) 。 ( 5 ) 炉壳接口尺寸及位置的确定 炉壳接管的位置需参考其它设备的布置来安排， ( 2 1 ) 如真空系统的位置决定真空 东北大学顺士学位论文第二章真空淬火工艺及设备 接口的位置。电极接口、电机接口、气缸接口在加热器尺寸和加热室位置确定后 即确定下相对位置，不可随意改动。 2 6 真空淬火炉的主要技术参数 真空淬火炉在设计时应给出以下必须的设计参数 6 1 ： ( 1 ) 最大装炉的均温区尺寸； ( 2 ) 炉子的最高工作温度( 均温区内的温度) ； ( 3 ) 工件在加热时均温区允许的温度误差； ( 4 ) 炉子升温时间。包括空炉升温时间和满载升温时间； ( 5 ) 炉膛内真空度。包括冷态极限真空度和满载时的工作真空度； ( 6 ) 炉子的压升率( 即压力随时间的增长率) ； ( 7 ) 加热体上的最高电压及可调范围( 无级可调) ； ( 8 ) 工件所放出的气体成分； ( 9 ) 工件的放气量，即加热到最高工作温度时的放气量。 1 2 东北火学硕士学位论文 第三章真空淬火炉热工计算 第三章真空淬火炉热工计算 真空淬火炉的功率是一个非常重要的技术参数，它反映炉子的加热能力。热 工计算就是确定炉子的加热总功率及冷却水消耗量及加热元件设计等州。在本课题 中，热工计算用v b 编程的方法实现，计算后程序给出参考值，由用户最终确定功 率。 3 1 功率的确定 炉子要想实现快速升温，必须具有足够的功率。确定炉子的功率有三种方法： 类比法、估算法和热平衡计算法 3 1 1 类比法 就是以同一类型炉子的温度、功率、容积、负荷大小作为参考，从现成的炉 子样本中查找出近似炉子的功率。 3 1 2 估算法 根据工作温度及加热室的内表面积或加热室容积估算电炉所需的总功率p z 。 ( 1 ) 按容积估算时可按： e z = 七v v 2 ( 七f 矿) ( 3 1 ) 式中，矿一炉膛的有效容积( m 3 ) ： 七一功率系数( k w m 2 ) ，可由表3 1 查得。 表3 1 炉子的功率系数和功率密度 t a b l e3 1p o w e rc o e f f i c i e n t sa n dp o w e rd e n s i t i e so f f u r n a c e 炉温( )系数k ( k w m 2 )功率密度p ( k w m 2 ) 1 2 0 0 1 5 2 01 0 0 1 5 0 1 0 0 01 0 1 57 5 1 0 0 7 0 06 1 0 5 0 7 5 4 0 0 4 73 5 5 0 ( 2 ) 按内表面积估算时可按： 芝= ( k w ) ( 3 2 ) 式中，p 一功率密度( k w t m 2 ) ，可由表3 。l 查得： a 一炉膛内表面积( m 2 ) 。 东北人学硕士学位论文第三章真空淬火炉热工计算 3 1 3 热平衡法确定功率 类比法和估算法都只是粗略地计算真空淬火炉的加热功率，较为精确的方法 是按热平衡计算确定炉子的加热功率。 3 1 3 1 热量计算 为了维持真空淬火炉在工作温度下正常运行，必须保证热量总收入与热量总 支出相平衡。一般设定炉子的热交换是在稳定状态下进行的，则有： q = q g + 级+ 9 x + q s ( j h ) ( 3 3 ) 式中，5 2 q - 单位时间内加热器所产生的总热量( j h ) ； q g 一单位时间内加热工件所需的热量( j h ) ； q k 一单位时间内加热料筐所需的热量( j h ) ： q k 一单位时问内结构材料蓄热消耗的热量( j h ) ； m 一单位时间内各种热损失消耗的热量( j h ) 。 ( 1 ) 工件升温消耗的热量q b 仉：堡羔d ! 盟( j h ) ( 3 4 ) “ 2 式中，m g 一工件的质量( 埏) ； c o - - i 件在温度f 1 至f 2 之间的平均比热( j ( k g ) ) ； t - - 一个加热周期的时间( h ) ； f ，、t ，一工件加热初始和终了温度( ) 。 ( 2 ) 料筐升温消耗的热量q 仉：竺星必( j h ) ( 3 5 ) ， 式中，m 芷一料筐、工夹具的质量( k g ) ； c k 一料筐、工夹具在温度至t ：之间的平均比热( j ( k g ) ) ； t - - 一个加热周期的时间( h ) ： “，一工件加热初始和终了温度( ) 。 ( 3 ) 结构件蓄热消耗的热量q k q 。：z m c a t ( k c d k h ) ( 3 6 ) “ ? 。 式中，z m 一炉床等各种结构件的质量( k g )