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        一種VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐的設(shè)計(jì)介紹

        2022-08-30 11:04:02董冰峰
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        董冰峰

        (北京華海中誼節(jié)能科技股份有限公司 北京 102699)

        真空擴(kuò)散焊爐是在真空(或其他氣體)條件下將材料熱壓成型的成套設(shè)備,主要采用在真空腔體內(nèi)的鉬帶作為加熱體,由液壓缸驅(qū)動(dòng)的石墨壓頭對工件進(jìn)行加壓。與普通石墨相比,等靜壓石墨作為壓頭,結(jié)構(gòu)精細(xì)致密,且均勻性好,熱膨脹系數(shù)很低,具有優(yōu)異的抗熱震性能和各向同性[1-2]。在高溫下,生坯固體顆粒的相互鍵聯(lián),晶粒長大,空隙(氣孔)和晶界逐漸減少,上下壓頭移動(dòng)使工件壓縮變形,從而工件材料達(dá)到除雜凈化、高密度等的工藝要求。高溫、加壓及真空或其他條件的同時(shí)作用顯著提高了產(chǎn)品的密度、硬度及其他機(jī)械、電子、熱學(xué)性能,因此,真空擴(kuò)散焊爐常用于制造多種復(fù)合材料或高溫?zé)Y(jié)[3-5]。

        VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐主要用于鈦合金產(chǎn)品、鈦合金材料的同種或異種金屬間的真空擴(kuò)散焊接,也可用于其他產(chǎn)品的真空燒結(jié)工藝等。

        1 VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

        1.1 主要技術(shù)參數(shù)

        本設(shè)備主要技術(shù)性能指標(biāo)及參數(shù)如表1所示。

        表1 VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐主要技術(shù)性能指標(biāo)及參數(shù)

        1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及技術(shù)介紹

        VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐由真空爐主機(jī)、壓力框架及液壓缸、液壓系統(tǒng)、壓力控制與檢測系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、充氣與外循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、裝載料車等組成。

        1.2.1 VDW-420型真空擴(kuò)散焊爐主機(jī)

        真空擴(kuò)散焊爐主機(jī)為立式、方形單室結(jié)構(gòu),由爐體、爐蓋、加熱室、爐蓋旋轉(zhuǎn)裝置及轉(zhuǎn)角油缸、上下金屬壓桿及導(dǎo)向裝置、上下石墨壓頭等組成。

        爐體、爐蓋體由雙層筒體、爐口法蘭及各功能接口組成。雙層間為水道,內(nèi)通冷卻水,所有焊縫均為氣密性焊縫,其中,爐體、爐蓋體內(nèi)壁采用304 不銹鋼材料加工而成,能減少材料在高溫下的放氣量。

        加熱室為方形結(jié)構(gòu),由不銹鋼框架、1 層鉬鑭合金、1 層普通鉬、3 層不銹鋼隔熱屏、1 層護(hù)板組成的隔熱層,以及高溫鉬加熱元件和絕緣材料等組成。加熱元件沿加熱有效區(qū)均勻布置,能保證良好的爐溫均勻性。加熱元件為模塊化設(shè)計(jì),可單獨(dú)拆卸。加熱組件通過11 個(gè)水冷電極與外部接線連接。整個(gè)加熱室可以作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)單獨(dú)拆卸,便于維護(hù)和修理。加熱系統(tǒng)采用四區(qū)加熱,四區(qū)控溫。

        爐蓋旋轉(zhuǎn)裝置采用雙鉸鏈結(jié)構(gòu),克服了壓力框架對爐蓋開啟度的影響,使?fàn)t蓋能90°開啟方便了操作,爐蓋上的鉸鏈軸又使?fàn)t蓋法蘭有一個(gè)小自由度,保證爐蓋法蘭與爐體法蘭對合時(shí)能將密封圈平行壓緊。爐蓋旋轉(zhuǎn)裝置自帶限位機(jī)構(gòu)使開啟角度不會過大,方便了操作。爐體法蘭周邊設(shè)多個(gè)轉(zhuǎn)角油缸,使?fàn)t體能快速進(jìn)入真空狀態(tài)及充氣系統(tǒng)工作時(shí)爐門不會自動(dòng)打開。

        上下金屬壓桿為內(nèi)部水冷的壓力傳遞件,是聯(lián)接上下壓桿和油缸的關(guān)鍵部件(油缸固定在壓力框架上平臺上,是施力源),上金屬壓桿與爐體間由導(dǎo)向裝置聯(lián)接,導(dǎo)向裝置確保了上壓桿加壓位移時(shí)的動(dòng)密封,密封材料主要為丁腈橡膠[6]。上金屬壓桿端部采用內(nèi)螺紋法蘭聯(lián)接,使更換密封件十分方便,與油缸的聯(lián)接靠法蘭上均布的螺栓實(shí)現(xiàn),因螺栓安裝時(shí)有均勻的預(yù)緊力,從而使油缸與上金屬壓桿聯(lián)接處抗彎能力加強(qiáng)。

        上下石墨壓頭是真空擴(kuò)散焊爐實(shí)現(xiàn)在熱區(qū)對工件加壓的執(zhí)行元件,上下石墨壓頭采用西格里公司生產(chǎn)的熱等靜壓石墨,抗拉強(qiáng)度為40.2MPa,抗折強(qiáng)度為61.7MPa,可以滿足工件在高溫下的長時(shí)間加壓要求。壓頭運(yùn)動(dòng)部位加裝位移傳感器及限位保護(hù)裝置。壓頭采用分體式結(jié)構(gòu),連接部和壓頭部分別加工成型,易于安裝為一體,不僅降低了原料的獲取難度,同時(shí)也降低了加工難度與加工成本。

        1.2.2 壓力框架及液壓缸

        壓力框架為四柱式結(jié)構(gòu),上壓頭與真空爐活動(dòng)壓桿用4 組雙作用油缸連接。4 組雙作用油缸是承載四點(diǎn)壓力,不是中心載荷。下壓頭與真空爐固定壓桿,與壓機(jī)下平臺連接。本設(shè)備采用上壓頭單向加壓,下壓頭為靜止?fàn)顟B(tài)。全程程序控制壓力,4 個(gè)壓頭可同時(shí)加壓,也可獨(dú)立控制加壓。四柱式壓力框架經(jīng)過嚴(yán)密壓力校核,確保320t 壓力下無明顯的彈性變形和撓度變形。微小的撓度變形由保持平臺消解,確保平臺的精度。

        1.2.3 液壓系統(tǒng)

        液壓系統(tǒng)采用雙泵形式(定量泵和恒壓變量泵),包括液壓站集成塊、換向閥、分級用兩級溢流閥、進(jìn)口流量伺服控制閥等[7]。油泵采用變量柱塞泵,配有獨(dú)立的冷卻循環(huán)泵,蓄能器、濾油器、空氣濾清器、冷卻器等元件。泵源部分采用箱上結(jié)構(gòu),采用減震、降噪音的設(shè)計(jì)技術(shù)。整個(gè)液壓站設(shè)計(jì)為集中放置在壓力框架的頂部,系統(tǒng)離液壓缸距離近,控制反饋迅速,整體外形緊湊美觀。雙泵中的定量泵用于初始加壓和冷卻,恒壓變量泵用于加壓、壓力控制。采用的伺服閥,頻率響應(yīng)速度快,控制精確。共分成4 組,每組控制一個(gè)壓頭。液壓系統(tǒng)設(shè)有過壓保護(hù)功能,可通過控制屏設(shè)定壓力超限值,達(dá)到設(shè)定壓力時(shí),液壓系統(tǒng)會自動(dòng)泄壓保護(hù)。

        1.2.4 壓力控制及檢測系統(tǒng)

        電液伺服系統(tǒng)的主要組成:一套恒功率泵站,一套獨(dú)立油冷機(jī)冷卻系統(tǒng),4套伺服油缸總成(包括高響應(yīng)伺服閥、位移∕壓力傳感器等)以及一套力位雙控8通道伺服控制系統(tǒng)等。

        液壓油缸配合高精度位移傳感器,在工作過程中,伺服作動(dòng)器根據(jù)工藝要求運(yùn)行至上位機(jī)指令的曲線,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)閉環(huán)控制。液壓油缸兩端接高精度壓力傳感器,油缸配合磁致伸縮位移傳感器,采用專用伺服液壓運(yùn)動(dòng)控制器,因此,可以實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器速度和壓力的無極調(diào)控??刂品绞接辛刂颇J健⑽灰瓶刂颇J?、速度控制模式。實(shí)際工作過程中,根據(jù)設(shè)備工藝要求,運(yùn)動(dòng)控制器比較目標(biāo)值與實(shí)際值后發(fā)出控制信號給伺服閥,伺服閥控制伺服油缸運(yùn)行至上位機(jī)指令的壓力控制狀態(tài),實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。

        1.2.5 真空系統(tǒng)

        真空系統(tǒng)由萊寶DIP30000 高真空油擴(kuò)散泵機(jī)組組成。機(jī)組主泵為DIP30000 油擴(kuò)散泵,增壓泵為WAU2001 型羅茨泵,前級泵為SV630B 型機(jī)械泵和D30C型維持泵。系統(tǒng)配有高真空閥、主路閥、旁路閥、維持閥及手動(dòng)充氣閥、真空微調(diào)閥、ZDF-Ⅲ-F真空計(jì)、電接點(diǎn)真空壓力表等。機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊,使用方便,調(diào)節(jié)系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速。

        1.2.6 充氣及外循環(huán)系統(tǒng)

        充氣系統(tǒng)由充氣閥、真空微調(diào)閥、真空電接點(diǎn)壓力表、真空截止閥等組成,可手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)充氣量及抽真空時(shí)的分壓操作?;爻浠蚍謮河玫?dú)猓ɑ驓鍤猓┑募兌龋?9.995%或99.9995%,回充氣體壓強(qiáng)≤0.2MPa。

        外循環(huán)風(fēng)冷系統(tǒng)由高速風(fēng)扇、高效換熱器、風(fēng)可通過的加熱室固定小蓋、外循環(huán)罐體、管道、爐內(nèi)導(dǎo)流裝置等組成。在擴(kuò)散焊工藝完成后,爐溫降低到一定程度后開始?xì)饫洌员憧s短出爐時(shí)間。氣冷時(shí),充入高純氮?dú)猓ɑ驓鍤猓?,在高速風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)下形成強(qiáng)制對流循環(huán),實(shí)現(xiàn)工件的快速氣冷。氣冷壓強(qiáng)在0.8~2bar 之間可調(diào)。

        2 本設(shè)備處理的產(chǎn)品

        擴(kuò)散焊工藝結(jié)束后,觀察產(chǎn)品顯微組織。經(jīng)過一系列檢測和測試,產(chǎn)品滿足工藝要求,設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足客戶需求。

        3 結(jié)語

        本文主要論述了一種應(yīng)用于鈦合金材質(zhì)的翅片式散熱器或微通道散熱器的真空擴(kuò)散焊接設(shè)備的設(shè)計(jì),其主要采用分體式的等靜壓石墨材質(zhì)壓頭,不僅降低了原料的獲取難度,同時(shí),也降低了加工難度與加工成本,但加壓過程中,金屬壓頭與密封件之間摩擦力過大問題的解決還需在以后設(shè)計(jì)中進(jìn)一步優(yōu)化。

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