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1、. . . . 1 前 言1.1 课题研究的背景 真空热处理技术发展的初期，人们主要研究真空热处理的基本性质、加热特 点、金属蒸发和金属在真空下加热的基本规律以与变形问题，同时开展了典型热 处理工艺的研究，进行了真空烧结工艺的研究和应用，为真空热处理工艺的研究 和应用奠定了基础。由于我国真空热处理设备技术的研制工作是从零开始，因而 我国真空热处理设备的研制是在仿制国外产品的同时，集中力量攻克真空热处理 设备的关键技术，以使国产真空热处理设备在设计、结构、性能、自动化水平和 寿命等方面追赶国际先进技术水平。经过不懈努力和研究探索，逐步攻克了真空 热处理设备研制的关键技术，掌握了真空热处理设备设计
2、、结构、关键部件、设 备材料与元器件、传感器、电器组件等核心技术，我国真空热处理工艺的研究和 应用已遍与真空退火、真空油（汽）淬火、真空渗碳、真空渗氮、真空回火、真 空烧结、真空钎焊、真空离子渗碳、真空涂敷与真空清洗等广阔领域，取得了长足的进展，为我国真空热处理设备的研制开发奠定了基础1.2 课题研究存在的问题 随着硬质合金市场的快速发展，对产品质量的要求也越来越高，需求量也越 来越大。因此，硬质合金加工业的发展潜力很大，提高硬质合金品质的重要烧结 设备真空热压烧结炉的设备水平是发展和改进的方向之一。随着烧结工艺的不 断完善和发展早期研制的真空烧结炉的技术指标已不能满足现代烧结工艺的要 求，目
3、前存在以下几个方面的主要问题： （1）烧结生产效率低：目前的真空热压烧结炉为单向热压成型，而且高温辐射挡板位于炉体外部，功率小、加热温度上升缓慢。这种真空热压烧结炉的生产效率较低，制品的密度较小，加热室使用的寿命比较短。 （2）密封结构存在缺陷：为保证烧结炉的真空度，安装在炉体上的附件如电极、热电偶导出装置都设计了密封结构，但这些结构在安装和使用等方面都存在 着一些问题。 原有进电极的密封缺陷：以前的进电极与炉壳电极孔之间有乙烯绝缘套，密封用的 O 型橡胶圈放在绝缘套之间，安装时，逐步拧紧进电极 外部的螺母，O 型圈在两个绝缘套的挤压下膨胀最后形成进电极与电极孔之间的 完全密封。 原热电偶密封
4、缺陷：原有热电偶的密封结构是真空橡胶密封垫和聚四氟 乙烯垫上钻两个孔，热电偶上的电阻丝从中间穿过，拧紧外面的紧压螺母，橡胶 密封垫受到聚四氟乙烯垫的挤压形成密封。此结构不管炉是否采用保护套管热电偶丝总是裸漏在真空气氛中高温下受氮气腐蚀，寿命降低很快，实践表明烧结 两炉产品，热电偶就会断裂，这无论在在热电偶的消耗还是从产品的生产角度来说都是不经济的 。1.3 本论文的主要容 此次设计的目标是根据搜集的资料和已知的烧结炉结构，设计出生产效率 高、环保、制品密度高以与加热器使用寿命长的真空热压烧结炉。下面是在研究 过程中工作的主要容： （1）通过对目前国外相关领域研究的了解与学习，掌握大量有关烧结炉
5、 设计领域广泛的应用信息以与先进制造的发展和应用情况，并对真空热压烧结炉 这一目标领域进行了详细的研究。 （2）通过对真空热压烧结炉的工作原理和生产过程进行详尽分析，完成了 真空热压烧结炉的结构设计。在目前烧结炉设计资料的基础上，最终确立了设计 立式上开盖的真空热压烧结炉。 （3）对已知烧结炉的设计进行改进，针对现在烧结炉的缺陷，分析它们的 缺陷，找出最佳方案，最后设计出符合现在生产要求的真空热压烧结炉。 （4）按照最佳方案，根据设计与计算确定尺寸和要求：绘制出合理的装 配图；按照具体设计尺寸绘制出完整的零件图；按照装配图和零件图的尺寸绘制三维实体图，并进行装配和有限元分析。 真空热压烧结炉是
6、一种在真空、高温态下烧结新型材料。其特点有结构简单， 体积小，价格低廉，因而得到了广泛的应用。2总体方案设计烧结是硬质合金毛坯生产工艺的最后一道工序，也是决定硬质合金结构与性 能的关键工序。大量实践证明，在真空烧结中，氢气烧结工艺具有一系列的越 性，一些发达国家已全部采用真空烧结。随着烧结工艺的不断完善和发展，原有真空烧结炉的技术指标已不能满足现 代烧结工艺的需求，如炉温度均匀性差，极限真空度低，泄露率较高等缺点。 为此，本设计对原有真空烧结炉进行了部分改进性设计，以提高现有国真空烧 结的生产效率和产品质量，使其具有温度高、真空度高、热压力高、冷却效果好的特点。该真空热压烧结炉采用立式结构，这
7、种结构便于装、出料和机械控制。整个烧结炉除发热体和隔热装置外，其余各部分均强烈水冷却，这对烧结炉的结构设计和制造精度提出了较高的要求。2.1 烧结炉整体结构的设计真空热压烧结炉由炉体、炉盖、保温装置、热压装置、发热体、真空系统、 液压系统、变压器系统、循环水冷却系统、以与测温系统组成。根据设计要求， 本课题将对整个炉体进行改进设计，包括炉体、炉盖、保温装置、热压装置、发热体以与循环水冷却系统的改进设计。2.2 烧结炉座架结构的设计烧结炉的座架是整个烧结炉工作的重要组成部分，烧结炉的座架是由底座、 支撑架和上液压缸站经焊接组成一体。根据烧结炉的具体尺寸和形状对其座架的 高度和大小进行设计和改进，
8、按烧结炉的实际尺寸对整体布局进行合理设计。2.3 本设计的技术方案 立式真空热压烧结炉包括炉体、炉盖、保温桶、反射桶、发热体、上压头、 下压头、上油缸、下油缸和抽真空部分。带上、下油缸的支撑机构为由热轧槽钢制造的双立柱式结构，上油缸和下油缸分别装设在支撑体上端和底座中部。上油缸通与荷重传感器连接，荷重传感器下端与水冷压头连接，水冷压头下端与上石墨压头连接。下油缸与下水冷压头连接，下水冷压头与下石墨压头连接。烧结炉 通过焊接固定在支撑架的横梁上中部。烧结炉在加热室底面上设有模具支撑体，成型模具设置在模具支撑体上。圆筒形加热室设置在炉体，由托盘结构进行定位，在炉体和加热室的上、下端面上对称地开设有
9、压头通孔，上、下顶杆分别穿过加热室上的压头通孔。三组引电电极分别装有绝缘套和热辐射挡环，挡板位于加热室。三个引电电极分别通过水冷电极与石墨电极加热体连接。烧结炉采用炉体和炉盖分离设计，二者用六个铰链螺栓通过炉耳和密封圈密封结合 。2.4 主要技术参数 功率 050 kW 工作温度 01600 工作电压 0375 V 工作电流 0150 A 最大压合力 150 kN 工作真空度 6. 67 10 -1Pa 极限真空度 6. 67 10 - 3 Pa 发热体额定电压 36 V 下顶杆最大工作进程 200mm 下顶杆运动速度调节围 50300 mm/ min 工作区尺寸(直径长度) 230 mm 3
10、50mm3 烧结炉整体结构的计3.1 烧结炉的构成热压烧结炉由以下几个主要部分组成：炉体；炉盖；炉盖升降机构；测温热 电偶；水冷电极；发热体；保温装置；变压器电源 图 3-1 热压烧结炉的结构简图 （1）下压头；（2）炉体；（3） 观测头；（4）炉盖；（5）上压头；（6）保温桶 （7）发热体；（8）模具；（9）温度传感器；（10）支撑体；（11）引入电极3.2烧结炉的结构尺寸设计3.2.1炉体的结构尺寸设计 炉体是发热体的保护和支撑部分，它的结构设计直接影响到整个炉子的性 能 ， 通 过 发 热 体 的 计 算 要 求 得 ， 烧 结 炉 的 结 构 尺 寸 为 ： 外 壳HB=460mm45
11、0mm10mm，壳HB=400mm420mm10mm。 炉体由普通碳素结构钢焊接而成，为双层结构。中层冷却室采取中空制造， 通冷却水。其目的为了提高炉体的冷却能力，根据生产工艺要求冷却速度不同， 冷却水的流量也不同。炉体最终靠两个支座固定在烧结炉的下梁上。由于本设计 的炉体在正常工作时要受到充氮气的作用，同时又要被抽到一定的真空度，因此 要重视炉体壁厚的设计，它必须具有很高的强度和足够的刚度，根据参考资料和 材料的强度条件，炉壁的厚度设计为 10mm。炉体的冷却水管采用下进上出的循 环方式来满足炉体的冷却要求。在炉体中部对称位置设有氮气出气口、观察室以 与温度传感器装置。炉体和炉盖的压紧采用铰
12、链螺栓拧紧，加工时操作方便灵活， 容易拧紧和拆装。炉盖和炉底的动密封装置的固定中心线与炉体的法兰必须垂 直，以保证上、下顶杆运动的直线度。由于炉体要不断通入冷却水，以保证烧 结炉的正常工作，因此炉体的密封性能至关重要，必须通过试验无漏水现象后方 可使用。 图 3-2 烧结炉炉体立体结构图 (1) 进气管；(2) 观测孔；(3) 出气管； (4)炉耳；(5) 出水管；（6)温度传感器；（7）进气管3.2.2 炉盖的结构尺寸设计 对热压烧结炉而言，炉盖要承受高温的烘烤，因此炉盖也需采用采用双层水 冷结构形式，中间通冷却水，炉盖的冷却水管同样采用下进上出结构来满足冷却 的要求，以达到最佳的效果。炉盖
13、同样普通碳素结构钢焊接制作，在炉盖顶部设 有压头口。 图 3-3 烧结炉炉盖立体结构图 (1) 进水管 (2) 出水管 （3）吊耳 （4）炉耳3.2.3 引入电极的结构尺寸设计 水冷引入电极也是真空烧结炉的重要部件之一，它主要由中心导体、上绝缘 体、下绝缘体、上密封圈、下密封圈组成。其作用是将由干式变压器输送来的低 电压大电流输送给加热器，此水冷电极须具有导电、绝缘、密封和冷却的功能。 水冷电极采用空心厚壁铜管作导电极，空心铜管通冷却水来冷却，电极与炉体 之间的绝缘用聚四氟乙烯材料，它有良好的耐热与绝缘性，热塑性、耐高温、耐 烘烤的性，空中的渗透率和放气性都极小，作用温度可达 500，可用于超高真 空系统。该电极为低电压大电流结构，它不但起导电作用，还起支撑发热体的作 用。发热体托盘由石棉所做，具有定位、保温和绝缘的作用。中心导体制成空 心并设回水管，确保水的正常无阻流动，不出现短路现象。 图3-4 引入电极立体结构图
