基于工況現(xiàn)場(chǎng)的銅合金紅沖加熱裝置設(shè)計(jì)

周太平，鄭大騰

?

基于工況現(xiàn)場(chǎng)的銅合金紅沖加熱裝置設(shè)計(jì)

*周太平1,2，鄭大騰1

（1井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西，吉安 343009；2 吉安市盛泰金屬制品有限公司，江西，吉安 343009）

通過(guò)介紹銅合金紅沖加熱的現(xiàn)行方式，探討了新型銅合金紅沖加熱裝置的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)充分利用了被加熱工件的特性，能滿足加熱溫度、工件出爐頻率和環(huán)境保護(hù)等要求，實(shí)現(xiàn)了銅合金紅沖加熱裝置的現(xiàn)場(chǎng)化、小型化和自動(dòng)化。

紅沖；加熱裝置；銅合金；設(shè)計(jì)

紅沖是近些年迅速發(fā)展起來(lái)的一種新的熱加工工藝方法，具有精鍛和熱擠壓的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品的精度高、機(jī)械力學(xué)性能好、能一次性成形復(fù)雜的工件，生產(chǎn)效率極高[1]。特別是對(duì)于銅合金，因其導(dǎo)熱性好、紅沖溫度低及工藝性好，其紅沖產(chǎn)品開(kāi)始廣泛用于閥門、五金件等[2]。

在紅沖工藝中，工件加熱是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其對(duì)工件的最終質(zhì)量影響極大。如何有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出先進(jìn)的加熱裝置，獲得良好的使用效果，是一個(gè)新的研究方向。本文設(shè)計(jì)了一種新型銅合金紅沖加熱裝置，該裝置能滿足加熱溫度、加熱效率、加熱速度、工件出爐頻率和環(huán)境保護(hù)等要求，并且具有小型化、自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)化等特點(diǎn)，能在工況現(xiàn)場(chǎng)靈活配置于各型壓力機(jī)工位旁。

1 紅沖的加熱要求與現(xiàn)行加熱方式

1.1 紅沖的加熱要求

紅沖與所有的熱加工一樣，需要將工件加熱到一定的溫度。與鍛造和熱擠壓相同，紅沖加熱為固態(tài)加熱。但根據(jù)紅沖獨(dú)特的工藝特點(diǎn)，如一次性成形、高頻率生產(chǎn)和工件普遍為小型件等，紅沖加熱應(yīng)滿足以下要求：

（1）使工件獲得充分的塑形，降低金屬材料在模腔內(nèi)流動(dòng)的阻力。金屬材料的組織為晶體結(jié)構(gòu)，其原子在晶格結(jié)點(diǎn)的位移便使材料產(chǎn)生塑形變形。將工件加熱到一定的溫度，有利于原子的移動(dòng)，有利于產(chǎn)生塑性變形。加熱還能使金屬分子在高溫下急劇擴(kuò)散，利于金屬內(nèi)部成分的均勻化。但應(yīng)防止過(guò)熱，以免晶粒粗大，導(dǎo)致材料性能降低。銅合金的紅沖加熱溫度為700~900 ℃。

（2）滿足高頻率生產(chǎn)節(jié)拍的要求。由于紅沖是一次性成形，而且工件通常為小型件，所以紅沖的壓力變形過(guò)程時(shí)間短。如某水管接頭紅沖的鍛壓作業(yè)頻率最快是1件/2s。工件的加熱速度應(yīng)滿足此要求。

（3）應(yīng)便于操作，利于改善生產(chǎn)環(huán)境。紅沖加工的生產(chǎn)環(huán)境特點(diǎn)是高溫度、高熱輻射。因此，設(shè)計(jì)便于操作、降低對(duì)環(huán)境的熱輻射的加熱裝置，對(duì)于改善生產(chǎn)環(huán)境有特別的意義。

1.2 現(xiàn)行的紅沖加熱方式

由于紅沖出現(xiàn)的時(shí)間較短，所以紅沖加熱使用通用的加熱方式或在其基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單改造。如室式爐、箱式爐或簡(jiǎn)易加熱裝置。

室式爐和箱式爐是通用型的加熱設(shè)備，有各種型號(hào)可供選擇。有些紅沖加熱采用此類設(shè)備。加熱時(shí)，工件放入其爐膛加熱區(qū)，用電或燃?xì)饣蛉加图訜帷４祟愒O(shè)備的特點(diǎn)是集中加熱、周期出料。優(yōu)點(diǎn)是使用廣泛，有各種型號(hào)可供選擇。缺點(diǎn)為不是專門的紅沖加熱裝置，不能較好地滿足紅沖加熱的需要。如工件加熱后，周期出料，即每隔一段時(shí)間，將加熱后的工件成框運(yùn)送至壓力機(jī)工位。這樣就造成早紅沖的工件溫度偏高，遲紅沖的工件溫度偏低，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量不利。

通用的加熱設(shè)備還有貫通式爐、環(huán)形爐等，但都不是專門的紅沖加熱裝置。其體積過(guò)大，不能靈活地配置在壓力機(jī)工位旁。

目前在紅沖企業(yè)使用較多的簡(jiǎn)易加熱裝置如圖1。將工件裝在框內(nèi)，燒嘴噴出燃油，燃油燃燒加熱工件。操作者將加熱好的工件夾持到壓力機(jī)工作臺(tái)上。該裝置簡(jiǎn)單、制造成本低，能靈活放置在壓力機(jī)旁。操作者有選擇地夾持達(dá)到紅沖溫度的工件并送工作臺(tái)，因此不會(huì)造成工件溫度的偏高或偏低。但此裝置的缺點(diǎn)十分明顯：一是加熱方式為敞開(kāi)式，造成非常多的熱能損失與煙塵污染；二是操作者要吸入大量的煙塵和承受大量的熱輻射，工作環(huán)境十分惡劣；三是沒(méi)有自動(dòng)輸送與出料，完全靠操作者人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大。目前，包括紅沖行業(yè)的全國(guó)龍頭企業(yè)在內(nèi)，普遍使用此類簡(jiǎn)易加熱裝置。

圖1 簡(jiǎn)易紅沖加熱裝置

Fig . 1 Simple red stamping heating device

2 新型銅合金紅沖加熱裝置

2.1 新型銅合金紅沖加熱裝置工作原理

新型銅合金紅沖加熱裝置可以使用燃油或電能作為能源。用電能作為能源時(shí)，可以用電阻加熱方式或中頻感應(yīng)加熱方式。如圖2所示為使用燃油加熱的新型銅合金紅沖加熱裝置原理圖。

圖中，燃燒器噴出混有燃油和助燃?xì)怏w的混合氣體，混合氣體在爐膛燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔?。爐內(nèi)的火焰、高溫?zé)煔饧盃t壁通過(guò)與工件進(jìn)行傳導(dǎo)、對(duì)流[3]及輻射方式的熱交換，加熱工件。廢氣通過(guò)氣孔和導(dǎo)管（未顯示）排出車間。爐內(nèi)溫度可以顯示。爐體上可留用透明材料嵌入的視窗，用于觀察加熱情況。爐膛外側(cè)包裹絕熱材料，防止熱能損失。

工件在爐內(nèi)被加熱的同時(shí)，按圖示的箭頭方向從右向左移動(dòng)，其過(guò)程為：右端的氣缸將上料系統(tǒng)（圖中未顯示）送來(lái)的工件推入本裝置內(nèi)。氣缸將最右邊的工件推入，此工件繼而推動(dòng)前一個(gè)工件向左運(yùn)動(dòng)；前一個(gè)工件再推動(dòng)更前的工件向左運(yùn)動(dòng)。如此類推，所有的工件都向左運(yùn)動(dòng)，將最左邊的工件（此時(shí)已完成加熱）推出爐外。出爐的工件在重力的作用下，自行下滑到壓力機(jī)工作臺(tái)。

圖2 新型紅沖加熱裝置（燃油型）

2.2 新型銅合金紅沖加熱裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)理念

新型銅合金紅沖加熱裝置設(shè)計(jì)理念是現(xiàn)場(chǎng)化、小型化、自動(dòng)化。加熱裝置能在工況現(xiàn)場(chǎng)靈活地配置在壓力機(jī)旁，自動(dòng)加熱工件、自動(dòng)輸送工件。加熱后的工件能直接導(dǎo)入壓力機(jī)工作臺(tái)。這樣不但節(jié)省了人力成本，還免除了加熱后的高溫工件從爐口到壓力機(jī)工位的運(yùn)輸過(guò)程。此運(yùn)輸過(guò)程會(huì)造成大量的熱能損失。

2.2.2 工件輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

按通常的工件輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，工件在爐膛內(nèi)的輸送，由傳送帶實(shí)現(xiàn)，如圖3。

圖3 通常的工件輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

Fig .3 Design of common workpiece carrying mechanism

這種傳送帶通常由兩條鏈條、一組鏈板（用于支承工件）、四個(gè)鏈輪和減速機(jī)構(gòu)組成。由于爐膛內(nèi)溫度高，故鏈輪和鏈條的松邊位于爐膛外。這樣，當(dāng)鏈條和鏈板從高溫的爐膛內(nèi)循環(huán)運(yùn)動(dòng)到爐膛外時(shí)，會(huì)向外大量輻射熱能，造成熱能浪費(fèi)。且此類機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，占用爐體的體積大。

本加熱裝置對(duì)工件輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，充分利用了被加熱工件的特性。新型工件輸送機(jī)構(gòu)如圖4所示。其設(shè)計(jì)基于以下幾點(diǎn)：

圖4 新型工件輸送機(jī)構(gòu)

Fig .4 New-type workpiece carrying mechanism

（1）由于紅沖是精密的熱加工，同一種零件的個(gè)體重量一致。為此，紅沖加熱前的下料采用相同直徑的棒料，并鋸斷成相同的長(zhǎng)度。這樣，同一批紅沖加熱工件的外形尺寸有一致性。工件的此特征為設(shè)置導(dǎo)向桿約束工件移動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。

（2）紅沖加熱溫度不太高，工件在此溫度下為固體狀態(tài)。只要從爐外施加使工件移動(dòng)的推力，爐內(nèi)工件可通過(guò)作用力與反作用力的傳遞，獲得移動(dòng)的推力并產(chǎn)生移動(dòng)。

（3）此紅沖加熱工件材質(zhì)為銅合金，其導(dǎo)熱性好。加熱時(shí)，除火焰直接加熱外，通過(guò)流動(dòng)的高溫?zé)煔?、?dǎo)向桿和內(nèi)爐壁的傳熱也可迅速將其加熱。導(dǎo)向桿的設(shè)置，一定程度上影響了火焰直接加熱。但高溫?zé)煔?、?dǎo)向桿和內(nèi)爐壁的傳熱完全能滿足銅合金的加熱要求。

綜上所述，本設(shè)計(jì)的爐內(nèi)工件輸送，摒棄了常用的傳送帶輸送方式，采用了如圖4的新型輸送方式。該輸送機(jī)構(gòu)充分利用了工件的外形尺寸特征、固體狀態(tài)和材料的加熱特性，對(duì)工件移動(dòng)設(shè)置約束導(dǎo)向桿。這樣，每個(gè)工件對(duì)左側(cè)相鄰工件能施加移動(dòng)的推力，工件在爐內(nèi)的移動(dòng)僅靠工件之間力的傳遞就能完成，省去了在爐內(nèi)專門設(shè)置傳送帶輸送工件，避免了傳送帶輸送方式產(chǎn)生的不利后果。

本設(shè)計(jì)的工件輸送機(jī)構(gòu)，構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠且節(jié)約能源，為新型銅合金紅沖加熱裝置的小型化、自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)化提供了基礎(chǔ)。

如圖4所示，工件導(dǎo)向桿可以設(shè)置兩根或三根。為適應(yīng)不同直徑的工件，導(dǎo)向桿之間的距離能調(diào)節(jié)。為避免導(dǎo)向桿受力和受熱后產(chǎn)生過(guò)量的彎曲變形，可根據(jù)具體情況，增大導(dǎo)向桿直徑或增設(shè)導(dǎo)向桿的中間支撐。導(dǎo)向桿的材料采用耐熱鋼。

圖5 爐體主要結(jié)構(gòu)

Fig .5 Construction of the main body of the furnace

2.2.3 爐體主要結(jié)構(gòu)

由于本加熱裝置要具備小型化的特點(diǎn)，因此爐體的結(jié)構(gòu)也應(yīng)滿足此要求。爐體主要結(jié)構(gòu)如圖5所示，其主要由爐殼、爐襯和鋼構(gòu)件組成。爐襯由耐火層、保溫層和保溫板組成。耐火層直接承受爐內(nèi)的高溫與氣流的沖刷，采用重質(zhì)耐火磚。為減輕加熱爐的熱慣性，降低熱損耗，保溫層采用輕質(zhì)耐火材料。保溫板用石棉板，其緊貼外側(cè)的爐殼，作用為均衡溫度、吸潮和保護(hù)爐殼鋼板。爐殼用鋼板制成，形成爐體的最外層。

爐體的尺寸確定考慮工件與導(dǎo)向桿大小、爐內(nèi)傳熱和煙氣流動(dòng)等因素，、均為120 mm，、均為550 mm。

2.2.4 本加熱裝置的其他特點(diǎn)

本加熱裝置為連續(xù)加熱[4]，連續(xù)出爐。工件在室溫狀態(tài)下進(jìn)爐，在爐內(nèi)移動(dòng)的同時(shí)完成加熱。到達(dá)出爐口時(shí)，便達(dá)到紅沖溫度要求。加熱與移動(dòng)連續(xù)進(jìn)行，因此連續(xù)有加熱好的工件出爐。這種形式的加熱適用于導(dǎo)熱性良好的銅合金。為使此種形式的加熱更有效，在設(shè)計(jì)時(shí)采取的措施為：合理布置燃燒器，合理設(shè)計(jì)爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)[5]。這樣，工件在爐膛內(nèi)可以獲得更好的加熱效果。

加熱裝置的工件出爐頻率根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)，調(diào)整氣缸的動(dòng)作頻率可以滿足此要求。相應(yīng)的熱能供應(yīng)調(diào)整為：開(kāi)、關(guān)部分燃燒器（可以布置多個(gè)燃燒器，根據(jù)需要開(kāi)關(guān)）或調(diào)節(jié)燃燒器火焰大小。如果生產(chǎn)需要的工件出爐頻率變化較大，可采用多通道加熱形式，如圖6。根據(jù)需要使用一個(gè)通道或多個(gè)通道。

圖6 多通道加熱形式

Fig .6 Mode of multichannel heating

2.3 工件移動(dòng)推力理論計(jì)算

2.3.1 工件移動(dòng)所需推力計(jì)算

工件在加熱狀態(tài)塑性有所增加，但仍然為固體，因此理論計(jì)算按固體來(lái)作受力分析?？紤]單個(gè)工件受力，如圖7b，可以得出：

圖7 工件受力情況

Fig .7 Workpiece stress state

1＝2＝2cos(1)

式中，1、2為導(dǎo)向桿對(duì)工件的反力，為工件質(zhì)量，為夾角。

如圖7(C)，可以得出：

＝m＝（N＋N）＝cos(2)

式中，為工件移動(dòng)所需推力，m為摩擦力，為摩擦系數(shù)。

如果工件半徑為，長(zhǎng)度為，銅合金的密度。則每個(gè)工件的質(zhì)量為：

＝π2(3)

如果同時(shí)有個(gè)工件移動(dòng)，得出所需總推力Σ為：

Σ＝＝cos＝π2cos(4)

按批量大的工件計(jì)算，如果工件的半徑為7.5 mm，長(zhǎng)度為20 mm，爐膛長(zhǎng)度為600 mm，則在一個(gè)通道內(nèi)的工件數(shù)量為30（20×30 = 600）。設(shè)為45°，加熱爐內(nèi)金屬移動(dòng)的摩擦系數(shù)[6]為0.5，銅合金密度為8.9×103kg/m3。根據(jù)式（4），則所需總推力Σ：

Σ＝30×0.5×8.9×103×3.14×(7.5×10-3)2×20×

10-3×9.8cos45°N =6.5N

即所需總推力Σ為6.5N。

2.3.2 氣缸提供的推力計(jì)算

如圖8，氣缸缸徑為，工作氣壓為，能提供的推力為：

=（π/4）2(5)

考慮結(jié)構(gòu)與安裝因素，選用缸徑為20mm的氣缸（即0.02m），工作氣壓為0.7MPa（即700000Pa），能產(chǎn)生的推力為：

=(π/4)2=700000×(3.14/4)×(0.02)2N =219.8N

從以上計(jì)算得出，工件移動(dòng)所需總推力Σ為6.5 N，受各種因素影響，實(shí)際所需的推力有所增加。但氣缸能提供的推力為219.8 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所需總推力Σ，所以能可靠地滿足要求。

圖8 氣缸的推力

Fig .8 Air cylinder thrust

3 結(jié)束語(yǔ)

1）銅合金紅沖正在迅速發(fā)展，本文的新型銅合金紅沖加熱裝置，具有創(chuàng)新特色，已獲多項(xiàng)專利[7-8]。該加熱裝置能靈活配置于工況現(xiàn)場(chǎng)的各型壓力機(jī)工位旁，在自動(dòng)輸送工件的同時(shí)完成對(duì)工件的加熱。該加熱裝置能節(jié)省人力成本，減少熱能輻射損失和改善現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；能連續(xù)加熱，連續(xù)出爐，且出爐頻率可調(diào)，較好地滿足了銅合金紅沖加熱的需要。

2）在加熱裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，不沿用現(xiàn)成的通用形式，而是充分利用被加熱工件的外形特征和加熱過(guò)程中的力學(xué)特性，根據(jù)銅合金的導(dǎo)熱性能和其紅沖的工藝特點(diǎn)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)合理的新型紅沖加熱裝置，使得該裝置具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。這種設(shè)計(jì)理念值得在其他工程設(shè)計(jì)中借鑒。

[1] 姜國(guó)權(quán).紅沖工藝與模具設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005：1-2.

[2] 金良.銅閥鍛前紅沖加熱爐設(shè)計(jì)及其溫控策略研究[D].杭州:浙江大學(xué),2011.

[3] 施慧巍.銅閥鍛前加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其溫度控制系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué),2006.

[4] 張欣欣,殷曉靜.火焰加熱爐與加熱缺陷[J].工業(yè)加熱，1995(1):28-29.

[5] 陳閔葉.推鋼式連續(xù)加熱爐金屬加熱數(shù)值計(jì)算[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,9(2):37-38.

[6] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第1卷[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004:1-24．

[7] 吉安市盛泰金屬制品有限公司．用于紅沖的多層上料加熱裝置：中國(guó)，201220419379.6 [P]．2013-03-06．

[8] 吉安市盛泰金屬制品有限公司．熱鍛燃油加熱與輸送裝置：中國(guó)，201120201655.7 [P]．2012-01-18.

DESIGN OF COPPER ALLOY RED STAMPING HEATING EQUIPMENT BASED ON PERFORMANCE SITE

*ZHOU Tai-ping1,2, ZHENG Da-teng1

（1 School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an,Jiangxi 343009, China；2 Sanfitec Brass Industry Co., Ltd.，Ji’an, jiangxi 343000, China）

The current way of copper alloy red stamping heating is introduced. Furthermore, the design of a new-type copper alloy red stamping heating equipment is discussed. The design which makes use of the features of the workpiece to be heated, can meet the needs of heating temperature, workpiece out-of-stove frequency and environmental protection. The small-sized, automatic copper alloy red stamping heating equipment becomes possible.

red stamping; heating equipment; copper alloy; design

1674-8085(2014)01-0071-05

TH122

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.01.015

2013-10-23；

2013-12-25

教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（GJJ12468）；吉安市2012年度科技計(jì)劃項(xiàng)目（吉市科計(jì)字[2012]32）

*周太平(1962-)，男，江西吉水人，教授，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，CAD/CAM的研究與教學(xué)(E-mail: jaztp@126.com);

鄭大騰(1970-)，男，江西泰和人，副教授，博士，主要從事精密測(cè)量技術(shù)與儀器、現(xiàn)代測(cè)試精度理論、機(jī)電一體化技術(shù)研究(E-mail: yizh9026@163.com).