畢勇義，范小紅，李惠元，陸國(guó)強(qiáng)

(淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046012)

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感應(yīng)加熱技術(shù)在中小型溫?cái)D成型模具上的應(yīng)用

畢勇義，范小紅，李惠元，陸國(guó)強(qiáng)

(淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046012)

針對(duì)中小型溫?cái)D模具采用電阻加熱方案，存在加熱時(shí)間長(zhǎng)，能耗高，且有安全隱患等缺點(diǎn)，研究采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，其可縮短加熱時(shí)間，提高加熱效率，降低電能消耗。通過(guò)對(duì)電阻加熱器及傳熱方式的分析，找出了電阻加熱的不足。分析了電磁感應(yīng)加熱原理在溫?cái)D成型模具上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，研究了模具感應(yīng)加熱裝置、感應(yīng)器結(jié)構(gòu)、安裝方式、電源控制系統(tǒng)組成、控制方法及應(yīng)用過(guò)程。對(duì)電阻加熱及電磁感應(yīng)加熱這2種工藝方案進(jìn)行了對(duì)比工藝試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)，節(jié)能效果明顯。

溫?cái)D模；電阻加熱；電磁感應(yīng)加熱

溫?cái)D壓是在冷擠壓基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種少無(wú)切屑成形工藝。其變形溫度范圍通常是在室溫以上、再結(jié)晶溫度以下[1]。溫度是合金塑性變形的重要熱力學(xué)條件，也是生產(chǎn)過(guò)程中主要控制參數(shù)之一，變形溫度和材料的成形性、變形力及產(chǎn)品的性能及表面質(zhì)量都有密切的關(guān)系[2]；因此，改進(jìn)模具加熱系統(tǒng)，提高加熱系統(tǒng)的熱利用率，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電阻加熱及保溫裝置

淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司成形分廠主要承擔(dān)硬鋁合金軍、民品零件溫、熱擠壓毛坯生產(chǎn)。模具為中小型積木式結(jié)構(gòu)，外型尺寸為φ170～φ350 mm，數(shù)量有幾十套，大致分為整體式和多層襯套組合式結(jié)構(gòu)，其中多層襯套組合式結(jié)構(gòu)較多，它是通過(guò)型腔和模套過(guò)盈組裝而成。模具用電阻加熱裝置升溫及保溫。單臺(tái)設(shè)備配置功率為10 kW。

1.1 電阻加熱器形式

目前，中小型溫?cái)D模具普遍采用電阻加熱器供熱，加熱器形式有電阻加熱棒及環(huán)繞式電阻加熱圈等2種結(jié)構(gòu)，加熱棒是一種標(biāo)準(zhǔn)的電阻加熱管，圓柱形結(jié)構(gòu)，尺寸為φ20 mm×250 mm，功率為0.5 kW；環(huán)繞式電阻加熱圈(見(jiàn)圖1)型號(hào)較多，功率較大，一般為6～16 kW。電阻加熱的特點(diǎn)是使用和安裝方便，是模具設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的加熱手段之一。

圖1 環(huán)繞式電阻加熱圈結(jié)構(gòu)

1.2 電阻加熱器的安裝及傳熱方式

電阻加熱器的安裝方式如下：對(duì)于電阻加熱棒，通常把一定數(shù)量的電阻加熱棒分別插入上、下加熱板的安裝孔中，通過(guò)加熱板向凸、凹模傳遞熱量；對(duì)于環(huán)繞式電阻加熱圈，將其分別套在上、下兩半模具外面，上模加熱圈固定在模具上座板，工作時(shí)，隨設(shè)備滑塊運(yùn)動(dòng)；下模加熱圈套在下模部分，由支座支承，固定在設(shè)備工作臺(tái)上。2種加熱器的安裝形式如圖2所示。

圖2 電阻加熱棒及加熱圈安裝圖

1.3 模具電阻加熱方式存在的問(wèn)題

采用電阻加熱保溫裝置存在問(wèn)題如下。

1)熱利用率低。上、下加熱板通過(guò)隔熱材料和壓力機(jī)相連，在一定程度上減小了部分熱量的損失。加熱時(shí)，加熱棒離型腔較遠(yuǎn)，加熱圈套在模具外面，通過(guò)接觸傳導(dǎo)方式把熱量傳至模具，在傳導(dǎo)過(guò)程中，加熱圈內(nèi)側(cè)的熱量傳到模具上，外側(cè)的熱量大部分散失到空氣中，導(dǎo)致生產(chǎn)環(huán)境溫度上升，給操作工帶來(lái)了負(fù)面影響。

2)升溫時(shí)間長(zhǎng)。模具型腔的溫度是通過(guò)模具與加熱板和加熱套間的接觸傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳熱面為模具和上、下加熱板的接觸面，其面積小，因此模具的升溫時(shí)間較長(zhǎng)。

3)控制成本高。電阻加熱時(shí)，加熱器斷電后仍有一定熱量向模具傳遞，導(dǎo)致模具內(nèi)壁溫度達(dá)到設(shè)定值后有一定的過(guò)沖，需要一段穩(wěn)定時(shí)間。為達(dá)到快速精確控溫，則需要增加電阻加熱功率和加熱時(shí)間，提高控制電路設(shè)計(jì)等級(jí)[3]。

4)存在安全隱患。電阻加熱時(shí)，加熱器的接線端以及連接用的銅線、銅片等介質(zhì)，直接暴露在空氣中對(duì)操作者的安全構(gòu)成危害，并且非常容易氧化從而導(dǎo)致斷路。

2 感應(yīng)加熱技術(shù)

2.1 感應(yīng)加熱技術(shù)優(yōu)勢(shì)

模具加熱方法通常有電阻加熱、微波加熱及感應(yīng)加熱等。對(duì)模具的3種常見(jiàn)加熱方式，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)模具加熱方式對(duì)比

由表1可知，感應(yīng)加熱技術(shù)具有加熱速度快、熱效率高、節(jié)約能源以及模具內(nèi)壁溫度沿縱向分布基本一致，模具表層至心部的橫向溫度分布變化平緩連續(xù)，即溫差小和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此采用電磁感應(yīng)加熱方式最適合生產(chǎn)要求。

2.2 感應(yīng)加熱技術(shù)原理

感應(yīng)加熱實(shí)質(zhì)是利用電磁感應(yīng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流發(fā)熱來(lái)加熱工件的方法，它通過(guò)電磁感應(yīng)把電能傳遞給被加熱的金屬，電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽_(dá)到加熱金屬的目的[4-5]。以加熱圓柱形工件為例說(shuō)明其基本原理(見(jiàn)圖3)，電流通過(guò)線圈產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變的磁力線穿過(guò)待加熱金屬工件形成回路，在其橫截面內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流(此電流稱(chēng)為渦流)，可使待加熱工件局部瞬時(shí)迅速發(fā)熱，進(jìn)而達(dá)到加熱的目的。

圖3 感應(yīng)加熱原理圖

2.3 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

把溫?cái)D模外徑分為4種規(guī)格：φ170×250、φ260×350、φ300×350及φ350 mm×400 mm，每種規(guī)格制成一個(gè)感應(yīng)器。感應(yīng)器由支架、絕緣材料及耐高溫導(dǎo)線繞制而成，不需要冷卻介質(zhì)，使用時(shí)把它自由套在模具上即可。同一規(guī)格、不同型號(hào)的模具可互換使用，更換方便，操作簡(jiǎn)單。感應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)

2.4 電源控制系統(tǒng)組成及控制方法

2.4.1 控制系統(tǒng)組成

將溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)與電源控制系統(tǒng)集成一體，形成變頻電源，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。模具升溫過(guò)程安全、可靠。電源控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 電源控制系統(tǒng)

2.4.2 控制方法

采用溫度轉(zhuǎn)接模塊對(duì)負(fù)載進(jìn)行分區(qū)加熱，適時(shí)根據(jù)各點(diǎn)溫度要求來(lái)控制加熱系統(tǒng)的運(yùn)行與停止，有利于溫度擴(kuò)散，模具加熱溫度均勻。

2.5 感應(yīng)加熱裝置安裝方式

感應(yīng)加熱裝置安裝方式有2種：1)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6a)，模具上、下兩部分都安裝有感應(yīng)器，適用于上、下?？臻g尺寸較大的模具；2)電阻加熱器與感應(yīng)器復(fù)合結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6b)，該結(jié)構(gòu)下部為感應(yīng)器，上部為電阻加熱器，適用于上?？臻g尺寸較小的模具。

圖6 模具感應(yīng)加熱裝置安裝圖

每臺(tái)設(shè)備上配置1套感應(yīng)加熱裝置及1臺(tái)變頻電源。感應(yīng)器升溫裝置為移動(dòng)式筒狀結(jié)構(gòu)，自由套在模具外側(cè)。上模感應(yīng)器固定在模具上座板，工作時(shí)，隨設(shè)備滑塊運(yùn)動(dòng)；下模感應(yīng)器自由套在下模上，由支座支承，固定在設(shè)備工作臺(tái)上不動(dòng)，連接簡(jiǎn)單、裝卸方便。

2.6 模具加熱的工藝試驗(yàn)

2.6.1 試驗(yàn)條件

選取某零件的同一溫?cái)D模具，模具外形尺寸為φ230 mm×280 mm，采用電阻加熱及感應(yīng)加熱這2種方案進(jìn)行溫?cái)D壓對(duì)比工藝試驗(yàn)。

擠壓設(shè)備選用YH32—200液壓機(jī)，電阻加熱裝置單臺(tái)設(shè)備配置功率為10 kW，感應(yīng)加熱裝置單臺(tái)設(shè)備配置功率為10 kW，單班工作8 h。

選取溫?cái)D材料為硬鋁合金2A12，溫度450 ℃；模具工作溫度：下模350 ℃，上模275 ℃。

控制系統(tǒng)為E型熱電偶、溫度控制儀以及101型XMT數(shù)顯調(diào)節(jié)儀。

檢測(cè)儀器為T(mén)ES 3600 Power Analyzer電能功率分析儀。

2.6.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用電磁加熱方式，升溫時(shí)間為55 min/班，用電量為7.93 kWh，工作8 h，保溫階段的用電量為1.8 kW，每班用電量為22.33 kWh。

采用電阻加熱方式，升溫時(shí)間為360 min/班，用電量為39.46 kWh，工作8 h，保溫階段的用電量為6.846 kW，每班用電量為94.288 kWh。

模具升溫及保溫每班節(jié)約用電量共71.898 kWh，工人節(jié)約等待時(shí)間為305 min/班。

2.7 感應(yīng)加熱模具應(yīng)用效果

本公司使用4種規(guī)格、近30套模具，生產(chǎn)零件約80萬(wàn)件，模具采用電磁加熱方式與電阻加熱方式相比，年耗電量降低了約12萬(wàn)kWh，節(jié)電率為76.3%，年節(jié)約價(jià)值約20余萬(wàn)元，不但能大大減少升溫工作時(shí)間，而且節(jié)電效果明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

電磁感應(yīng)加熱是一種高效的模具加熱途徑。將感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用于溫?cái)D模加熱上，有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)縮短了升溫時(shí)間。工作時(shí)，模具由室溫升高到350 ℃，升溫時(shí)間由360 min/班，減少到55 min/班, 升溫時(shí)間縮短了305 min。

2)模具溫度均勻。采用溫度轉(zhuǎn)接模塊對(duì)模具進(jìn)行分區(qū)加熱，適時(shí)根據(jù)模具溫度要求來(lái)控制加熱系統(tǒng)的運(yùn)行與停止，有利于溫度擴(kuò)散，使模具加熱溫度均勻。

3)感應(yīng)器更換方便。感應(yīng)器做成可移動(dòng)的筒狀結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，把感應(yīng)器自由套在上、下模上即可，簡(jiǎn)化了操作。

4)感應(yīng)器由在模具上纏繞專(zhuān)用結(jié)構(gòu)，改為可移動(dòng)的筒狀通用結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了操作，降低了成本。

[1] 王仲仁. 鍛壓手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2] 張質(zhì)良. 溫塑性成型技術(shù)[M].上海:上?？茖W(xué)文獻(xiàn)出版社,1986.

[3] 尹延國(guó), 等. 溫壓模具感應(yīng)加熱溫度場(chǎng)的有限元模擬分析[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2011,22(5):614-615.

[4] 約翰·戴維斯. 感應(yīng)加熱手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

[5] 王以琦, 施建華, 蘇震, 等.溫度和過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)在感應(yīng)加熱生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 新技術(shù)新工藝, 2014(9):86-90.

責(zé)任編輯 鄭練

Application of Induction Heating Technology in Small and Medium-temperature Extrusion Mold

BI Yongyi, FAN Xiaohong, LI Huiyuan, LU Guoqiang

(Huaihai Industry Group Co., Ltd., Changzhi 046012, China)

Nowadays, there is a long heating time, high energy consumption, and there are security risks and other disadvantage to the small and medium-temperature extrusion mold using resistance heating scheme. The electromagnetic induction heating technology can shorten the heating time, improve the heating efficiency and reduce power consumption. Through resistive heater and heat transfer analysis, identify the resistance heating deficiencies. The application advantage of electromagnetic induction heating principle in temperature extrusion mold is analyzed, focusing on the mold induction heating devices, sensor structure, installation methods, composition of power control system, the control method and the application process. Make a comparative test with the two technology programs for resistive and electromagnetic induction heating. It is showed that the electromagnetic induction heating is viable, and has the advantage of energy-saving effect and considerable value.

temperature extrusion mold, resistance heating, electromagnetic induction heating

TG 375+.5

B

畢勇義(1964-)，男，工程師，高級(jí)技師，主要從事溫、熱擠壓成形工藝等方面的研究。

2016-06-03