（机械设计及理论专业论文）粉末温压加热系统的研究.pdf

捅要 本文主要是对粉末温压加热系统进行研究，该系统综合运用了粉末 冶金、机械、热工和电气自动控制等领域的知识。 本文首先分析了国外具有代表性的温压加热系统，以及我国粉末冶 金生产设备的现状，论证了自主开发温压加热系统的必要性。根据温压 工艺的技术要求和产业化生产的需求，综合比较微波加热、热油加热和 电阻加热的技术特点，提出了分级电阻加热的总体方案。第一级在加热 过程中对粉术进行搅拌混合，使粉末快速升温且受热均匀；第：级采用 模糊控制对加热粉末进行精确的控制。本文详细设计了温压加热系统中 的料仓、搅拌加热器、恒温器以及送料机构等主要部件。制造了搅拌加 热器，并对其进行试验研究，试验结果表明搅拌改善了粉末加热的效果。 本文设计了温压加热装置的温控系统，其中主要是详细设计了恒温器的 控制系统，包括模糊控制器、系统硬件电路图和软件流程图，并用 m a t l a b s i m u l i n k 对恒温器的模糊控制系统进行建模仿真模拟，仿真模拟 结果表明了模糊控制恒温器是可行的。根据热传导傅立叶定律和能量守 恒定律，建立了搅拌加热器和恒温器的热传导数学模型，并用有限元分 析软件a n s y s 仿真模拟所建立的热传导数学模型，仿真模拟结果与试验 结果比较，搅拌加热器、恒温器仿真模拟结果与试验结果最大偏差分别 为7 6 和1 0 5 ，从而验证了本文建立的热传导数学模型的f 确性。 本文还对自制铁基温压预混合粉的温压工艺性能进行了研究，研究 表明预混合粉具有良好的温压工艺稳定性；温压工艺成形的试样生坯密 度、乍坯强度、拉伸强度都比传统室温成形的试样有不同程度的提高。 关键词：温压：加热系统；模糊控制；预混合粉 a b s t r a c t t h e p a p e r i st or e s e a r c ht h e p o w d e rh e a t i n gs y s t e m o fw a r m c o m p a c t i o np r o c e s sb y t h e i n t e g r a t e d u s eo f e n g i n e e r i n gk n o w l e d g e o n p o w d e rm e t a l l u r g y ，m e c h a n i c s ，t h e r m o d y n a m i c s ，e l e c t r i ca n da u t o ，c o n t r 0 1 t h ep a p e ra n a l y z e ds e v e r a li n d u s t r i a l i z e da n da p p l i e dh e a t i n gs y s t e m s a n dt h ep r e s e n tc o n d i t i o no fc h i n e s ep o w d e rm e t a l l u r g ye q u i p m e n t ，g a v e t h e n e c e s s i t y o fw a r m c o m p a c t i o n r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t i n d e p e n d e n t l y a f t e rc o m p a r e d t h et e c h n i c a l p e c u l i a r i t i e s o fm i c r o w a v e h e a t i n g ，h o t - o i lh e a t i n ga n d r e s i s t o r h e a t i n g ，t h ep r o j e c t o fr e s i s t o ra n d g r a d i n gh e a t i n gw a s s e tu p i no r d e rt oi n c r e a s ep o w d e r t e m p e r a t u r eq u i c k l y a n d i d e n t i c a l l y ，t h ep o w d e rw a s s t i r r e da n dm i x e di nt h ef i r s t g r a d i n g h e a t i n gp r o c e s s i no r d e rt o c o n t r o lp o w d e rt e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y ，f u z z y l o g i c a lc o n t r o l l e rw a s t o o ki nt h es e c o n dg r a d i n gh e a t i n gp r o c e s s t h ep a p e r d e s c r i b e st h ed e s i g no fh e a t i n gs y s t e m sm a i na s s e m b l i e ss u c ha s s t i r r i n g h e a t e r ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r eh e a t e r ，p o w d e r d e l i v e r i n gd e v i c ee t c ，i nd e t a i l m a n u f a c t u r e dt h e s t i r r i n g h e a t e ra n d e x p e r i m e n t e d w i t h i t ，a n d t h e e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a ts t i r r i n ga n dm i xi m p r o v e dt h ee f f e c t o f p o w d e r h e a t i n gh u g e l y t h ep a p e r a l s od e s c r i b e dt h e t e m p e r a t u r e - c o n t r o l l e ds y s t e m sd e s i g n o f h e a t i n gs y s t e m o fw a r m c o m p a c t i o np r o c e s s ，m a i n l yd e s i g n e d t h ec o n s t a n t t e m p e r a t u r e h e a t e r s c o n t r o ls y s t e mw h i c hi n c l u d e sf l c 、h a r d w a r ec i r c u i td i a g r a ma n ds o f t w a r e f l o wc h a r t ，s e tu pa n ds i m u l a t e dt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r eh e a t e r sc o n t r o l s y s t e m m o d e lw i t hm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s t e s t i f i e dt h a ti tw a sf e a s i b l et ou s ef u z z yl o g i c a lt e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h e c o n s t a n tt e m p e r a t u r eh e a t e r a c c o r d i n gt ol a w so ff o u r i e ra n dc o n s e r v a t i o n o fe n e r g y ，s e tu p s t i r r i n g h e a t e r sa n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r eh e a t e r sh e a t e x c h a n g em a t h e m a t i c sm o d e l s ，t h e ns i m u l a t e dm o d e l sw i t ha n s y ss o f t w a r e t h em a x i m u md e v i a t i o n so fs t i r r i n gh e a t e ra n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r eh e a t e r w e r e7 6 a n d1 0 5 b e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s u l t s ， w h i c ht e s t i f i e dt h a th e a te x c h a n g em a t h e m a t i c sm o d e l sw e r ec o r r e c to nt h e w h o l e k n e wt h a ts a m p l e s g r e e nd e n s i t y 、g r e e ni n t e n s i t ya n dt e n s i l es t r e n g t h w e r ea l s oi m p r o v e db yw a r mc o m p a c t i o np r o c e s s ，a n dp r e m i xp o w d e rh a d g o o ds t a b i l i t y i nw a r mc o m p a c t i o np r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sb ys t u d y i n go n i i i r o nb a s ep r e m i xp o w d e rw h i c hw a s d e v e l o p e da n dm a d ei no u rl a b o r a t o r y k e yw o r d s ：w a r m c o m p a c t i o n ；h e a t i n gs y s t e m ；f u z z yl o g i c a lc o n t r o l ； p r e m i xp o w d e r t t t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者戳f 沈字 醐栅引月| 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全j ，解学校有关保留、使用学位论文的规定， 唰意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和翔：编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：汐彦孺 导师签名：呷1 1 1 l _ l 期：畔月f o 日 日期：挪州年易月臼 ，。，。，。，：，。；：。，。垒：i ! ! 。童 第一章绪论 1 1 温压工艺的研究进展 随着制造业的技术进步，对材料的要求越来越高，新材料的研制开发 和先进制造技术的有机结合显得越来越重要。先进的粉末冶金技术能以 高效、节能、少无切削的生产方式，生产出其它许多制造方法难以生产 的特殊性能材料和零件【1 ，”。在所有金属加工工艺中，粉术冶金工艺材料 利用率最高( 可达9 5 ) ，高于常规机械加工4 0 5 0 。在能耗方面，它 比常规机械加工少5 0 。在过去的5 0 年中，粉末冶金( p m ) 工业的发 展速度一直高丁整个工业的平均发展速度，且近几年的发展势头更好。 粉末冶会材料特别是铁基粉末冶金材料和制品的应用范围和市场份额不 断扩大，并日随着其主要应用领域一汽车工业的发展而快速发展1 3 l 。与 此同时，为了满足粉末冶金制品产量和质量日益提高的要求，粉末冶金 新技术和新工艺层m 不穷 4 - 6 】。 八十一年代术，h o n e g a n a e s 公司的m u s e l l a s 等人在a n c o r b o n d 工 艺及扩散粘结铁粉制备一l 艺的研究基础上丌发出温压成形( w a r m c o m p a c t i o n ) 的新工艺，及a n c o r d e n s e 工艺，并于1 9 9 0 年获得第一 项采用一次压制烧结工艺制备高密度铁基p m 零件的美国专利【7 】。 h o n e g a n a e s 公司在1 9 9 4 年的p m 2 t e c 9 4 会议上刚提出就引起轰动，得 到了国际粉术冶金界的高度重视。温压成形技术( 以下简称温压技术) 是用一次压制、烧结工艺、制造材料密度达到7 3 9 c m 3 的高密度粉末冶 会结构零件的一一项经济可行的新技术i s 】。被认为是进入九十年代以来， 粉末冶金零件牛产技术的一项重要进步1 7 , 9 】。该工艺不但能获得均匀的高 密度零件而且生产成本低，因此，近几年在国外得到快速的发展，其应 用范围不断扩大。例如，已成功应用于汽车用高强度传动齿轮、油泵齿 轮、连杆、ir l l 轮、同步器毂、转向涡轮、发动机齿轮、变速箱螺旋齿轮、 电动工具用锥齿轮、安仝锁扣、软磁零件等【8 】。 现在幽外的温压技术i 卜由实验室研究走向工业规模生产。据文献【1 0 】 报道，1 9 9 6 年底，国外已有2 0 条温压生产线，共生产3 8 种零件，其中 美国1 0 条，2 0 种零件；欧洲6 条，3 种零件；远东( 包括日本) 4 条， 1 5 种零件。而在国内，对温压工艺的研究起步较晚，绝大多数尚处于实 验研究阶段，主要的研究单位有北京科技大学、中南大学、武汉粉末冶 金公司和华南理工大学等。华南理上大学金属新材料制备与成形研究开 发中心，在国家自然科学摹金委员会、教育部和广东省科技厅的资助下， 从1 9 9 6 年起开始对温压技术进行研究，目前取得了许多重要进展。在生 1 华南理工大学工学硕士学位论文 产领域，除少数几家粉末冶会厂家如宁波东睦粉末冶金公司和扬州宝得 来粉末冶会公司等从国外引进温压生产线外，未见国内有成功独立开发 温压技术与设备的报道【l 。 1 2 温压工艺及其特点 1 ，2 1 温压工艺简介 温压t 艺是在传统粉末冶金工艺的基础上改进而来的，工艺过程是将 混有专h j 聚合物润滑剂( 粘结剂) 的粉末加热到1 3 0 15 0 左右，然后 在加热到上述温度的模具里压制成形，为了保证粉末良好的流动性和粉 末的填充行为，粉末和模具加热温度控制存2 5 以内“。然后再将已 加热的粉末由送粉靴装入阴模型腔中，和传统粉末压制工艺一样进行压 制、烧结、整形等工序制得粉末冶金零件。其工艺流程如图1 一l 所示。 图1 1 温压工艺流程蚓 f i g u r e1 1 f l o wc h a r to fw a r mc o m p a c t i o n 1 2 2 温压工艺的特点 温压工艺用于铁基粉末冶金零件的生产具有如卜特点： 1 高密度温日 工艺成形零件的乍坯密度比传统方法高 o 1 3 0 2 5 9 c m 3 ，可达7 5g c m 3 ，高温烧结密度可达7 5 5g c m 3 。1 ”1 “c ， 2 第一章绪论 2 高生坯强度 生坯强度可达2 0 3 5 m p a ，比传统方法提高5 0 。1 0 0 不仅降低生坯搬运过程的破损率，而且能对生坯进行机加工，表面光洁 度好1 17 , 1 8 】。 3 低成本假如一次压制、烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1 0 ， 则粉末锻造的成本为2 0 ，复压复烧的成本为1 5 ，渗铜工艺的成本为1 。4 ， 而温压工艺的成本仅为1 2 5 1 ”】 4 压制压力低和脱模力小对于给定的密度，压制压力至少降低 1 4 0 m p a ，有利于提高模具寿命，降低润滑剂含量和压制较大面积的零部 件1 1 7 1 。 5 高性能在市h 同的压制压力下，烧结坯屈服强度比传统工艺平均 高1 1 ，极限拉伸强度平均高1 3 5 ，冲击韧性呵提高3 3 2 0 1 。 1 3 国内外温压设备研究现状 从表面看，温压工艺与常规工艺相比，除了需要加热粉末和模具外， 其余差别不大。其实不然，目前只有少数几家国外公司拥有自己的温压 系统，而温压系统属于专利产品，相关的技术保密，购买不但要付高额 的设备费用，而且需要购买专用的温压粉末，这是圈内只引进两条温压 生产线并未大批量投产的直接原因“温压工艺的关键技术是：温压粉 末、润滑剂、温压温度和温压系统“。温压系统不但是研究开发温压 粉末、润滑荆和温压温度的试验装置，而且是产业化必不可少的设备。 研制温压系统不但是开发温压1 二艺的关键技术问题之。，而且研制适应 温压 艺的温压系统是发展温压工艺的关键技术问题”“。因此开发具有 自主知识产权的温压系统，能够促进我国温压工艺的发展和产业化。 1 ，3 1 国外温压设备的概况 国外现在可以产业化生产的温压设备，主要有北美h o n g a n a e s 公司 和c i n c i n n a t i 机器公司合作开发的e l t e m p 温压加热系统；北美 h o n g a n a e s 公司和美国微波材料公司共同开发m i c r o m e t 温压加热系 统；a b b o t tf u r n a c ec o m p a n y 生产的t p p 3 0 0 型产品；g a s b a r r e p r o d u c t s ， i n c 生产的t o p s 系统；由瑞典h o n g a n a e s 公司和瑞典l i n d em e t a l t e k n i k 公司合作生产的l i n d em e t a l t e k n i k 系统等。 1 e l t e m p 温压加热系统 e l t e m p 温压加热系统是北美h o n g a n a e sc o r p 和c i n c i n n a t ii n c o r p 共同开发的产品。其特点是粉体的温度稳定均一，粉末输送量与供给量 精确。为了克服粉末颗粒问空气的绝热作用，e l - - t e m p 温压加热系统 是使粉未颗粒暴露于系列温度可控的加热表面，以保证传热均匀。快 速加热的功能可减少氧化，同时采用闭环控制，从而防止影响粉末性能 的过热现象。 。旦粉末温度全部均一达到了所需温度，温度可控制的送粉系统将 其送到模具型腔中。e l t e m p 温压加热系统是利用一个能使粉末恒温 的中转料仓，将加热的粉末以适合不同零件的容积与生产速率自动输送 到送粉靴。e l t e m p 系统用计算机数控( c n c ) 驱动装置控制装粉靴 的容积和温度。可保证压坯的质量，也保护了模具和压机结构，为减少 热冲击与防止由于过热而破坏粉末颗粒的状态。加热器与温度传感器用 插入式接头，使生产线的组装更为方便。系统的送粉能力为 2 3 9 1 k g m i n ，其工作温度范围为室温至1 6 3 ”3 1 。 2a b b o t tf ur n a c ec o m p a n y 的t p p 3 0 0 型产品”4 3 f p p 3 0 0 型产品是以电阻加热，其加热能力为4 5 - 9 k g m i n ，气体的 需求量为3 c f m ( 立方英尺，分) ，输出功率为3 6 k w ，设备预热时间为2 0 分钟，温度精度为2 ，控制系统为微电脑操作，并装备有触摸式操作 屏。这套设备的主要特点是结构简单，l 与地面积小，设备高仅1 9 3 m ，厚 0 4 3 m ，移动方便。 3 m ic r 0 一m e t 温压加热系统“5 。”1 m i c r o m e t 温压加热系统由美国h o e g a n a e sc o r p 与美国微波材 料技术公司( m m t ) 共同开发，系统采用微波加热技术，主要特点有：模 块化、体积紧凑、自动粉末需求量控制、温度均匀、可调整和全自动控 制等。 m i c r o m e t 温堰加热系统可以很方便地安装在压机的后上部或 侧面，使得调整非常灵活。由于采用了模块化设计，当所用粉末量增大 时，超过一台装罱的供粉量时，可采用2 台或3 台来满足压制对粉末的 需求。 由于采用微波加热技术，粉末流的内部和外表面是一起直接被加热， 加热过程是体积性。可使粉末流内、外温度在较短的时间达到高度的均 一性。m i c r o m e t 温压加热系统呵提供的粉末温度稳定度为0 5 。 加热系统自动跟踪压机作业和压机对粉末需求量，相应地调整粉末 的供给量。自动粉末需求量控制系统控制和调整由于模具调整和其它原 凶而引起压机粉末需求量波动地变化。当系统置于“丌始”作业模式时， 自动粉术需求量控制系统将均匀地供给压机粉末，粉末输送到装粉靴， 一直到系统胃于“停止”作业模式为止。 加热系统由p l c 控制，p i c 控制器安装在压机前面相对于压机控制器 的地方。这个控制器由自动粉术需求量控制、加热区控制和模具零件数 记录等组成。每个控制参数通过自身的白诊断系统来监视。存压制过程， 4 一 第一章绪论 自动粉木需求量控制不停地监视着温压粉末的消耗量。模具j = i ：实现分区 控制，并可存储模具加热控制参数。 4g a s b arr epr o d u c t s in c 的t o p s 系统 t o p s 系统是g a s b a r r e 公司开发出的适用于普通压机进行温压轻便 装置，它的加热系统足由五个或七个加热区组成( 表1 1 ) 。粉末以电阻 丝加热，送料软管的内壁有特氟龙涂层，减少粉末的粘附，使粉末流动 更加顺畅，总长为3 6 英寸，可以和各种类型的送粉靴连接。软管外层裹 着电阻丝，使粉末始终处于均匀的温度。 5 个加热区7 个加热区 1 粉末加热区1 粉术加热区# 1 2 送粉靴加热2 粉末加热区# 2 3 上冲模加热3 送粉靴加热 4 模具加热4 上冲模加热 5 备用模加热5 模具a 加热 6 模具b 加热 7 备用模加热 表1 1 t o p s 系统的加热区 t a b l e l 1h e a t i n gz o n eo ft o p ss y s t e m 5 l in d em e t a l t e k n e k 热油加热系统”“ l i n d em e t a l t e k n e k 热油加热系统是由瑞典h o e g a n a e s 公司设计，由 瑞典l i n d em e t a l t e k n e k 公司制造。如图1 2 所示，铁粉装入漏斗中， 粉末 挚 图l 一2l i n d em e t a l t e k n e k 热油加热系统及各部位温度设定的示意图 f i g u r e1 2l i n d em e t a l t e k n e kw a r mc o m p a c t i o np o w e r h e a t i n gs y s t e m 5 进入下方的加热器，铁粉达到设定的温度后，打开容器底部阀门，铁粉 进入输粉管流入装粉靴。铁粉在加热容器、输粉管及装粉靴内温度波动 控制在2 内。在加热容器中，铁粉由热油管中的热油( 13 0 】5 0 ) 循环传导加热。输粉管为耐高温的塑胶管，管壁绕有加热线、热电偶再 覆上矽胶保温。装粉靴内也有加热装置及热电偶，加热棒的数量依模具 大小而定。上冲模预留足够长度以安装环状加热棒和热电偶，加热器的 长度2 5 3 5 m m ，视外径大小而定。卜_ 冲模和芯棒因常时间在阴模中，不 另装加热器。加热器及模具各部位的温度设定如图1 2 所示。 这种加热方法适用于粉末输出量较大的情况，一般用于批量大、重 量大的零件。但是它的缺点也比较明显，即体积大、设备投资高、油压 系统较为复杂、维护费用大，不适合在现有的粉末压机上推广使用【“】。 1 3 2 国内温压设备及其相关设备的概况 在国内温压设备的研制起步较晚，粉末冶金生产厂家如宁波东睦粉 末冶金公司和扬州保来得粉末冶金公司从国外引进温压生产线外，国内 还没有白行开发的温压生产线。 我因冉行研制和升发的粉末冶金成形和精整压机主要有以下几种 3 0 l ： 1 1 9 9 0 年江苏省江阴市利港电力工程设备厂引进开发生产y a 7 9 1 2 5 型粉末制品液压机，可进行手动、半自动、全自动操作，采用了进l _ | 程序挖制器( p l c ) ，1 9 9 5 年开发了y a 7 9 1 6 0 、y a 7 9 6 3 0 、y a 7 9 4 0 0 等型号。 2 北京锻压机床厂于1 9 8 7 年研制和开发的机械一液压混合式 b d d 0 1 2 0 0 型粉末成形压机，机械式b d 0 2 2 0 0 k n 粉末精整压机。 3 重庆江东机械厂生产y j 7 9 e 系列全自动粉末制品液压机。 4 天津锻压机床厂消化吸收了曼内斯曼的技术，生产出y t 7 0 e 一 2 5 0 裂全自动液压机粉末成形压机。 5 南通锻压机床厂( 南通电子专用设备厂) ，于1 9 9 3 年开发研制成 功n p a 6 1 、n p a 2 0 、n p a 5 0 型机械式成形压机，n d e 7 9 6 3 、n d z 7 9 1 0 0 、n p h 一1 0 0 、n f h 一2 0 0 、n p h 一3 1 5 型液压式粉末成形压机。 6 广东华金合金材料实业有限公司和佛山康思达液压机械公司共 同设计的y a 6 2 6 3 0 粉末冶金制品全自动压机，已于1 9 9 6 年1 0 月试制 成功，用于生产摩托车、汽车用高强度粉末冶金齿轮零件，该机采用p l c 控制。 根据调查统计和分析，国内粉未冶金企业用于生产的压制设备具有 如一卜特点： 6 1 在_ i ，i 。多粉末制品厂中，还相当普遍地使用六七十年代的冲床进行 简单零件生产，而且基本上足以手工取放工件的操作来进行产品的精整 加工，生产效率低，生产环境差。 2 部分企业引进国外先进压机或自动生产线以满足巾高档、复杂、 多台面的生产需要。目前我国主要引进了德国、日本和美国生产的机械 式压机、液压机和生产线，其吨位为5 t 、2 0 t 、4 0 t 、5 0 t 、1 0 0 t 、2 0 0 t 、2 5 0 t 、 5 0 0 t 等，从而在一定程度上满足了国内粉末冶金机械零件生产的需要。 3 部分企业引进国外模架生产技术，经过消化移植到国产老型号压 机和冲床上，或对传统的锻压机进行改造，配备特制的模架以适应复杂 的多台面的生产需要。 同发达国家生产的粉木冶金零件相比，我国还存在着较大的差距， 主要表现在：品种荦一、精度低、形状简单、生产质量不稳定、生产率 低等1 3 1 1 。由此可以看到，我国生产：的粉末冶会成形压机在技术上同发达 国家帽比存在很大差距。 1 压机的性能和可靠性不高是我国粉末冶金成形压机存在的重要 技术缺陷，也足大量进口国外压机的主要原因。 2 粉末成形压机的品种少，不能满足国内迅速发展的生产需求。 3 数控粉末冶金压机处于研制和试制阶段。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金重点项目“金属粉术高致密化精密 成形系统技术基础及应用( 项目号：5 0 1 3 5 0 2 0 ) ”和国家高技术研究发展计 划( 8 6 3 计划) 课题“高性能粉末冶会材料温压精密成形技术( 项目号： 2 0 0 1 a a 3 3 7 0 1 0 ) 。本课题研究的主要内容如下： 1 通过阅读大量国内外文献，对温压设备的特点进行分析综合的基 础上，依据国内现有粉术生产设备的现状，提出搅拌式分级温压加热系 统的总体方案，并进行详细设计。 2 根据传热学原理，建立加热系统粉末热传导数学模型，并对模型 进行仿真模拟。 3 设计加热装置温控系统，并对恒温器的模糊控制系统进行仿真模 拟。 4 在自行设计制造的加热系统上进行试验研究，获取系统设计制造 的相关技术数据，为今后设计制造产业化设备奠定基础。 5 通过阅读温压工艺文献，分析了解温压工艺的特点，埘白行研制 的预混合粉进行温压工艺性能研究。 7 华南理r i 大学工学硕士学位论文 第二章粉末温压加热系统的总体设计 2 1 温压加热系统的特点和要求 温压工艺中，如何精确控制粉末的加热温度在规定的范围之内是加 热系统设计的关键技术问题，粉术加热温度- 旦超出规定的范围，则影 响粉末的流动性、松装密度等，不能1 卜常迸行牛产，以及使压制出的产 品质量下降。在加热系统中，加热粉末的流动性、松装密度、温度的均 一眭和稳定性是评价温压加热系统的重要技术参数。为了满足产业化生 产的需求，加热系统还必须有足够的粉末加热能力，保证供粉量，实现 连续生产。 为了达到上述的要求，温压加热系统设计必须解决下列儿个问题： 1 加热的粉术温度误差范围为2 5 ，保证粉末加热后的流动性。 2 能够实现快速加热，使粉末加热均一化，提高加热效率。 3 能够连续供粉，供粉量满足零件成形的要求。 2 2 粉末加热方式及特点 目前，尉于漫压加热系统的加热方式主要有两种，一种是微波加热， 另外一种是热壁传导加热。微波是一种电磁波，其加热本质是体积加热， 粉末体内部和外表面一起被直接加热；热壁传导加热主要采用电阻加热 和热油加热，利用热壁与粉末的温差来进行热传导加热。如图2 1 所示， 微波加热的粉术温度分布比较均匀，内外粉末温差小；热壁传导加热的 粉术内外温度分布不均匀，两者温差较大，靠近热壁的粉末温度高，远 离热壁的粉术温度低。 1 2 粉末流的表面粉末潴- 的中心 1 微波加热的温度分布曲线 2 燕壁加热勘 扮布晦线 图2 1 微波加热和热壁传导加热温度分布示意图1 2 7 1 f i g u r e2 - - 1d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r e o fe l e c t r o m a g n e t i cp o w e rh e a t i n g a n dh o tw a l lc o n d u c t i v ep o w e rh e a t i n g 微波加热速度快，效率商，加热粉末温度分布均匀，易于温度控制， 但加热装置复杂，技术难度大。热壁传导加热有热油循环加热和电阻加 热两种方式。热油加热是利用热油循环加热壁面，再利用热壁对粉末进 8 第二二蕈粉末温压加热系统的总体设计 行传导加热。电阻加热利用发热电阻丝加热壁面，再利用热壁对粉末传 导加热。对于电阻加热方式，由于温升速度快，用传统控制技术很难精 确控制加热粉末的温度。例如：武钢用于试验无粘结剂铁粉，使用电j ；f 【 加热铁粉，粉末加热的温度为8 0 1 0 ；模具加热的温度误差也为1 0 ”。显然温控精度不能满足温压粉末加热系统的技术要求。 这三种加热方式相比较，微波加热粉末温度均匀，易于温度控制， 但技术含量高，关键技术难于解决；热油加热通过适当的结构，控温效 果较为稳定，但同电阻加热相比，体积大，设备投资高，油压系统复杂。 2 3 温压加热工艺流程的确定 由f 热壁传导加热粉末内外温度不均匀，使得靠近热壁的粉末温度 比远离热壁的粉末温度高，距离越远，温差越大。随着加热时间的延长， 保持热壁温度不变的情况下，温差将逐渐缩小，因此要想获得小于一定 温差的加热粉末，加热时间需要大于一定时间，这就涉及加热效率的问 题。还有另外一个问题，就是热蹙温度如果波动大，易使壁面的粉末过 热，从而会影响粉末的流动性、松装密度等稳定性，壁而的粉末甚至会 结块，这样就会影响了牛产的连续性及产品的质量。 为了解决上述问题，加热器中设计搅拌混合装蹬，搅拌混合加热粉 未，使壁面的粉末与中心的粉末相互交换，这样也可以防止壁面的粉末 局部过热情况的发生，同时由于搅拌混合，传热效果变好，粉末的有效 传热系数变大，提高了加热效率。为了达到温压1 ：艺所要求的温度精度 门 图2 2 分级式粉末加热装置示意图 1 7 ig u _ r e2 2s c h e m a t i cd r a w i n go ft h eg r a d i n gp o w e r h e a t in g e q u i p m e n t 和产、i k 化连续作业的要求，还需把加热器的粉术流入到下一级的恒温器 进行少许加热保温，使粉末温度进一步均匀化，恒温器的精度控制要求 高，本课题采用微型计算机对恒温器进行模糊控制加热。分级式粉末加 热装置的示意图如图2 2 。 9 2 4 温压加热系统总体方案 通过以上分析可知温压加热系统主要是由加热器、恒温器以及送粉 机构组成。因为粉末之间的流动是依靠其自身重力作用，这就要把冷粉 提升到一定的高度，就需要粉末提升装置；为了保证加热和压制的连续 性，在加热器上设计一个料仓，当加热器的粉末达到一定温度流入恒温 器后，赢即有一定数量的粉末从料仓流入加热器，进行搅拌加热。三个 仓之间的粉末流动通过电动蝶阀来控制。温压加热系统示意图如图2 3 所示。 h 切 i b = i i i li 币l f l j l ，吲 u 舀j 鼠 4 、 l ：密 5 il 、 ；j i i l 6 霞 i 、 ； 7 【i 图2 3 温压加热系统示意图 f ig u r e2 3s c h e m a t icd r a w i n go fw a r mc o m p a c t i o n s y s t e m 1 一粉术提升机构2 一料仓3 一搅拌加热器4 一电动蝶阀 5 一恒温器6 一送粉机构7 一衍架 2 5 本章小结 分析对比各种粉末加热方式，考虑到降低成本和便于制造，确定选 - 1 0 一 第一章粉末温压加热系统的总体设计 用电阻加热方式。分析传统电阻加热系统的不足，提出采取两级加热。 粉末温压加热流程，首先采用搅拌加热，粉末加热的同时搅拌混合，使 粉末加热均匀，提高加热效率，避免粉末局部过热、结块情况的发生； 经过搅拌加热，粉末流入采用模糊控制的恒温器，对粉末进行少许加热 保温，迸一步提高粉末加热的温度精度，以达到温压工艺的要求。在此 基础上确定了温压加热系统总体方案。 1 1 第三章粉末温压加热系统关键部件的设计 3 1 搅拌加热器的设计 搅拌加热器要保证在较短的时间内，把混合粉末从宝温加热到所要 求的温度，并保证粉末受热均匀。在整个设备的设计中，搅拌加热器的 设计尤为重要，粉末在加热器中要达到所要求的温度，且要把精度控制 好，温度过高会使润滑剂性能降低，从而影响粉末的流动性和松装密度， 根据上面的要求，搅拌加热器主要由加热和搅拌混合两部分组成。加热 器的结构如图3 1 所示。 图3 1 搅拌加热器绐构图 f ig ute3id r a w in go ft h et r i g g in g h e a te r 1 一减速电机2 一联轴器3 一支架4 一加热仓 5 一电阻丝6 一搅拌器7 一保温棉 3 1 1 加热部分的设计 如图3 1 所示，加热部分由加热仓4 、加热元件电阻丝5 、以及保 温棉7 组成，通过电阻丝通电加热加热仓的壁面，然后再由热壁加热粉 1 2 ： 篁三塞丝童垫垫童丝茎堡墼丝墼墼墼 来。 3 1 1 1 加热仓的设计 粉体在蘑力作用下从料仓流出的形式有质量流和漏斗流两种类型 3 3 1 。如果料仓内整个粉体层能够大致均匀地下降流出，这种流动形式称 为质量流( 或整体流) ，其特点是“先进先出”，即先进料仓的粉体先流 _ _ | 。如果料仓内粉体层的流动区域呈漏斗形使料流顺序紊乱，甚至有部 分粉体滞斟不动，造成不是先加入的粉体先流m ，即“先进后出”的结 果，这种形式称为漏斗流。漏斗流有两种： 漏斗流i ：0 9 0 。一巾w ( 0 为漏斗的半锥角，中w 为擘面摩擦角) 时，将形成死角区或相似管流的流型，粉体自料仓卸出后还残留一部分 于仓内。 漏斗流i i ：0 9 0 。一中w 时，由于粉末传播、扩散极缓慢，虽然初 期有滞留区，但通过流化床式的连续操作，最终消失。 温压工艺使用的预混合粉中含有润滑剂、粘结弃等其它物质，这些 都降低了原有粉末的流动性，而且温压加热系统要满足连续工业化生产 的要求，综合考虑本加热系统，设计料仓使粉体从料仓流出的形式是质 量流。 判断料仓对某种粉体是否是质量流料仓，只要满足式( 3 1 ) 就可 形式质量流，料仓为此种粉体的质量料仓。 尸包( 3 1 ) l 以= 【9 0 口+ 唬。- - a r c s i n ( s i n e 。s i n 口i i ) 2 式巾：0 为料仓漏斗的半锥角 矿为临界角 为粉体的内摩擦角 矽。为粉体与料仓壁面的壁面摩擦角 本加热系统主要是用于铁基预混合粉的温压系统，铁粉的内摩擦角 疵和壁面摩擦角妒。分别为3 5 。、1 8 。，代入式( 3 1 ) 可得料仓的半锥角 口 = 1 8 r a m 考虑减速电机输出轴轴径为3 5 m m ，以及搅拌轴长为8 4 0 m m ，搅拌轴的 轴径取火些，取值也为3 5 r a m 。 3 轴的校核 1 ) 轴的强度校核 埘搅拌轴而言，承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主， 所以在工程应用中常用近似的方法进行强度计算。它假定轴只承受扭矩 的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补由于忽略受 弯曲作用所引起的误差。轴受扭转时，其截面上产生剪应力。轴扭转的 强度条件是： 1 9 t 9 5 5 0 e o = 争“等s 卜l ( m p a ) (318)02d 1 帆3 。“ 。 式巾：o 一扭转切应力( m p a ) t 一一轴所受的扭矩( n m ) 坼一轴的抗扭截丽系数( m3 ) 胛一一轴的转速( r p m ) p 一一轴传递的功率( k w ) d 一一计算截面处轴的直径( m ) 【r l 一一许用扭转切应力( m p a ) 可查得卜l = 3 5 m p a 。 将数据代入式( 3 1 8 ) 可得： = 3 6 m p a sl l 2 ) 轴的刚度校核 为了防止转轴产生过大的扭转变形，以免在运转中引起震动造成轴 封失效，应该将轴的扭转变形限制在一个允许的范围内，这就是设计中 的扭转刚度条件，为此，搅拌轴需进行刚度计算。单位长度的扭转角妒， 一i 得超过许用扭转角k 】，即： 心圳4 专圳 式中：r 一轴所受的扭矩( n m m ) g 一一轴的材料的剪切弹性模量( m p a ) ，对于钢材，g ；8 1 x 1 0 4 m p a ； 一j 4 i ，一轴截面的极惯性矩( 删4 ) ，对于圆轴，i ，= 等； o 二 k 】一一轴每米长的允许扭转角，对于搅拌轴，可取纠= 1 。 代入数据，呵得： 妒= o 8 。s 纠 可见轴的强度和刚度都符合要求。 3 1 2 4 减速电机机座 赢式搅拌设备传动装置是通过机座安装在搅拌设备封头卜的，存机 座卜般还需容纳联轴器等部件及安装操作所需的空间。有时机座中唰 还要安装中间轴承装置，以改善搅拌轴的支承条件。由于本设备的搅拌 轴较长，总长约8 4 0 r a m ，因此有必要在机座接近加热器的地方安装一个 轴承，主要是起到辅助支承的作用，添加轴承的同时，也要注意对轴的 密封，因此在两端各添加个密封圈。整个机座的结构如图3 4 所示。 2 0 - ! 茎三童丝耋垫垫至丝叁堡墼丝墼堡墼 图3 4 机座结构示意闺 f i g u r e3 4 s c h e m a t i cd r a w i n go ft h em o t o rb r a c k e t 3 2 模糊恒温器的结构设计 粉末经过搅拌加热器的快速加热，达到一定的温度后，打刀：电动蝶 厌融 y 图3 5 恒温器示意图 阀，粉未流入到模糊恒温器少量加热保温。模糊恒温器的结构与搅拌加 热器的设计大致相唰，在此不再赘述，不同就是为了让仓内的温度均匀， 2 1 在加热仓内设计了导热板，结构如图3 5 所示。 3 3 送料机构的设计 送料机构采用直接往复式送粉，这种送粉器一般用于活动阴模，其 图3 6 往复式直接送粉器 f ig u r e3 6s c h e m a t icd r a w i n go ft 0 一a n d f r o mp o w d e r d e l i v e r i n g d e v ic e 1 一粉末料斗2 一供粉软管3 一装粉靴4 一驱动机构 料仓固定在压机机架_ 二，通过软管和料仓相连接的装粉靴，在阴模型腔 上直线性的往复式运动进行装粉f 36 1 。装粉靴的动作是由直接与此连接的 凸轮机构、气动的或液压的装置驱动的，其原理图如图3 6 所示。气压 传动与液j k 传动和凸轮相比，具有传动动作迅速，反应快；传动维护简 单，工作介质清洁，管道不易堵塞，且介质空气取之不竭、无污染；结 构简单，易卜制造，成本低等优点，所以本驱动机构选用气压传动，送 料机构结构如图3 7 所示。通