沈中偉，周凌華，吳佳森

（湖州機(jī)床廠有限公司，浙江 湖州 313000）

超塑成形是基于某些金屬材料在低應(yīng)變速率、高溫環(huán)境、細(xì)小的晶粒下，其延展率高和變形阻力小的特點(diǎn)，進(jìn)行鍛壓成形的工藝[1，2]，成形質(zhì)量與溫度均勻性及升溫速率密切相關(guān)[3]。超塑成形液壓機(jī)的下加熱平臺置于工作臺上，上加熱平臺置于滑塊下方，工作區(qū)域四面都由保溫門包圍，四側(cè)保溫門可實(shí)現(xiàn)水平鎖緊。前后保溫門可由減速電氣驅(qū)動(dòng)升降，保溫門的水平啟閉由四點(diǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，四門動(dòng)作通過電氣系統(tǒng)控制與機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)協(xié)調(diào)和互鎖[4]。

1 加熱平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加熱平臺包括加熱層[5]、陶瓷層[6]和隔熱層[7]，如圖1 所示，加熱層位于加熱平臺最上層，內(nèi)置多條電加熱通道，最高設(shè)計(jì)加熱溫度可達(dá)1000℃，以滿足超塑成形工藝需求[8]。中間層為陶瓷層，由多塊陶瓷磚組成，為限制最外圈陶瓷板的膨脹，采用框架結(jié)構(gòu)對外圈進(jìn)行固定。內(nèi)部各塊陶瓷板通過變形高溫合金螺栓固定在機(jī)床平臺上，且每塊陶瓷板四周留有適當(dāng)間隙以補(bǔ)償陶瓷平臺的熱脹冷縮。加熱層與陶瓷層之間通過鍵定位，且鋪設(shè)耐高溫纖維布，以防止陶瓷組成元素向加熱層金屬板擴(kuò)散，達(dá)到保護(hù)加熱層金屬的目的。隔熱層位于最下層，為一塊為不銹鋼板件，中間布置合理冷卻水通道，防止熱量擴(kuò)散至主機(jī)機(jī)身。

圖1 加熱平臺分層結(jié)構(gòu)

加熱層選用耐熱合金Cr28Ni48W5Si2，其具有良好的紅硬性、耐熱性和抗氧化性，最高耐熱溫度可達(dá)1300℃，在600～1250℃時(shí)可保持良好的承載性能，保證加熱層在高溫狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和承壓能力。

加熱層與工作平臺之間采用碟形彈簧預(yù)緊以適應(yīng)熱膨脹。沿機(jī)床左右方向，加熱層采用分塊設(shè)計(jì)，每塊之間預(yù)留間隙，以補(bǔ)償金屬加熱過程中的線性膨脹。沿加熱平臺前后，金屬加熱層內(nèi)布置數(shù)個(gè)貫通的孔道，以安置電熱棒。同時(shí)，加熱層上部留有用于模具安裝的T 形槽。

金屬加熱層下方的厚度300mm 陶瓷層選用低熱膨脹系數(shù)陶瓷，經(jīng)過篩選不同材質(zhì)陶瓷磚的物理性能，最終選用重載鋯剛玉作為陶瓷層主要材料。重載鋯剛玉磚采用優(yōu)質(zhì)電熔莫來石，以鋯為主要材料，經(jīng)過科學(xué)的合理級配，加以性能優(yōu)良的添加劑，經(jīng)高壓成型，高溫?zé)Y(jié)制成的耐火制品。表1 為重載鋯剛玉主要技術(shù)指標(biāo)，其特點(diǎn)是強(qiáng)度大，耐溫高，抗侵蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好，較適用于加熱平臺承壓面。

表1 重載鋯剛玉主要技術(shù)指標(biāo)

考慮磚類制品的易碎特性及線性熱膨脹因素，陶瓷層采用分塊設(shè)計(jì)，中間預(yù)留間隙采用二氧化硅納米級氣凝膠材料填充，使用變形高溫合金螺栓與隔熱平臺連接，并由加熱層共同固定在工作平臺上。加熱平臺四周亦采用陶瓷磚包圍，防止熱量向四周擴(kuò)散，同時(shí)與保溫門貼合形成加熱室。

加熱層和陶瓷層之間鋪設(shè)2mm 的耐高溫纖維布，以防止陶瓷組成元素向金屬平臺擴(kuò)散，達(dá)到保護(hù)加熱層的目的。

隔熱層為一整塊厚度100mm 的SU304 不銹鋼板，沿機(jī)床前后方向有多條冷卻水通道，冷卻水循環(huán)開始于加熱前，結(jié)束于加熱后，防止熱量傳遞到機(jī)床滑塊和工作臺，保證主機(jī)機(jī)身不因高溫產(chǎn)生變形。

如圖2 為加熱層上溫度分區(qū)結(jié)構(gòu)，加熱平臺上的15 個(gè)加熱區(qū)域及對應(yīng)的15 測溫點(diǎn)均可獨(dú)立控制，以確保安全工作及加熱室溫度均勻（分布：1200mm 方向3 個(gè)區(qū)×2400mm 方向5 個(gè)區(qū)）。每個(gè)加熱區(qū)域配備3 根加熱管（共45 根）及2 根K 型熱電偶（共6 根）。

圖2 溫度分區(qū)結(jié)構(gòu)

2 保溫門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

保溫系統(tǒng)由加熱室四周保溫門構(gòu)成，如圖3 所示，前后保溫門上下移動(dòng)由卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，配置重量平衡塊以減小卷揚(yáng)電機(jī)負(fù)載。保溫門最大開啟高度1800mm，以便毛坯放置、取件和模具拆裝調(diào)整。保溫門升降導(dǎo)軌以螺紋副的形式安裝在機(jī)身支柱內(nèi)的上下螺桿軸上，保溫門啟閉由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)下螺桿軸，由鏈條帶動(dòng)上螺桿軸同步運(yùn)動(dòng)，通過螺紋副驅(qū)動(dòng)升降導(dǎo)軌帶動(dòng)前后保溫門實(shí)現(xiàn)啟閉功能。

圖3 保溫門及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

左右保溫門通過鉸支連接到機(jī)床支柱上，由機(jī)械式機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)同步水平開啟和關(guān)閉，防止啟閉過程中因偏載導(dǎo)致的動(dòng)作卡死。保溫門動(dòng)作與機(jī)床動(dòng)作自動(dòng)協(xié)調(diào)，保溫門與上工作臺的動(dòng)作由電氣系統(tǒng)設(shè)互鎖，即保溫門關(guān)閉后滑塊不可下行、滑塊運(yùn)動(dòng)只能在保溫門開啟狀態(tài)下進(jìn)行。

保溫門設(shè)計(jì)要求在沒有特殊性氣氛，負(fù)壓，能源潔凈及保溫材料破損的情況下，能長期處于1000℃以下溫度使用，且保溫門外側(cè)溫度不得高于80℃。

保溫門框架采用亞光304 不銹鋼板結(jié)構(gòu)，隔熱層采用陶瓷磚及低熱容硅酸鋁纖維的組合。低熱容硅酸鋁纖維保溫層厚度200mm，陶瓷磚厚度100mm，具有優(yōu)良的保溫效果。陶瓷磚的設(shè)計(jì)類似于加熱平臺，采用分塊式設(shè)計(jì)，使用變形高溫合金螺栓與保溫門框架連接，預(yù)留縫隙采用二氧化硅納米級氣凝膠材料進(jìn)行填充，以補(bǔ)償材料的熱障冷縮間隙，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 保溫門結(jié)構(gòu)

其中硅酸鋁纖維是廣泛應(yīng)用于工業(yè)加熱爐等高溫設(shè)備上，用作保溫層、爐襯填充材料等，且通常在800℃以上使用，其具備比重小、耐熱性好、導(dǎo)熱率低等優(yōu)勢，尤其是其在高溫下富有彈性的特征，可使保溫門于加熱平面受力壓縮，保溫效果更佳。

3 加熱功率的確定及電熱元件

加熱功率根據(jù)經(jīng)典算法，借助成熟的經(jīng)驗(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、圖形、表格等來測算所需的功率范圍，由于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)一般略顯保守，因此計(jì)算結(jié)果比實(shí)際略大，對于本加熱系統(tǒng)功率，按下述經(jīng)典算法測算：

P熱=Kt-0.5F0.9T1.55×10-3

式中：K 為系數(shù)，2.0～3.0；t 為工件及模具溫升時(shí)間，h；F 為加熱區(qū)內(nèi)側(cè)表面內(nèi)，m2；T 為工件及模具加熱溫度，℃。

裝備加熱區(qū)內(nèi)側(cè)表面積F=12m2，工件及模具加熱溫度T=950℃，工具及模具溫升時(shí)間t=12h，取系數(shù)K=2.5,將數(shù)值代入式中計(jì)算后，得到上、下加熱平臺的加熱總功率：P熱=278.7kW，單個(gè)加熱平臺功率P熱′=139.35kW。

電熱元件的選型最重要的依據(jù)為加熱系統(tǒng)的最高使用溫度，本論文中設(shè)計(jì)加熱室最高加熱溫度為1000℃，選用進(jìn)口瓦特隆多單元合金加熱管，其最高加熱溫度可達(dá)1120℃，具有功率密度大，功率穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。更重要的是其具備三段式加熱控制功能，如圖5，可有效實(shí)現(xiàn)加熱平臺的分區(qū)溫度控制（加熱平臺分區(qū)見圖2 中的A/B/C 分區(qū)）。且為適應(yīng)加熱平臺出線方式，選用L 型加熱管，如圖5c。

圖5 三段式加熱管結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)測試

在升溫測試前，首先需對加熱平臺和保溫門進(jìn)行預(yù)熱，使加熱區(qū)域充分干燥，設(shè)定預(yù)熱溫度100℃，升溫速率30℃/h。升溫測試時(shí)，預(yù)先進(jìn)行350℃、550℃和780℃的升溫試驗(yàn)，在每個(gè)溫度梯度到位后，檢查加熱元件、測溫元件及加工平臺、保溫材料等可靠性，最終目標(biāo)加熱溫度為1000℃[9]。

圖6 為溫度檢測界面，加熱平臺升溫速率100℃/h，最高溫度780℃，上下加熱平臺各點(diǎn)處的最高溫度為781.1℃，最低溫度為776℃，溫度均勻性偏差約±5℃，圖7 所示為加熱室在780℃時(shí)的狀態(tài)。

圖6 溫度檢測界面

圖7 加熱室高溫狀態(tài)

圖8 為溫度控制的實(shí)時(shí)曲線，當(dāng)各點(diǎn)檢測溫度在升溫過程中偏離預(yù)設(shè)曲線時(shí)，相關(guān)點(diǎn)位的加熱元件將根據(jù)PID 運(yùn)算結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出功率，迅速調(diào)整溫差至技術(shù)要求范圍內(nèi)。

圖8 實(shí)時(shí)溫度曲線

為取得更為接近實(shí)際工況的溫度數(shù)據(jù)，裝備在溫度檢測時(shí)額外采用了9 點(diǎn)法對爐內(nèi)空間溫度進(jìn)行測試，如圖9 為空間內(nèi)測溫點(diǎn)的分布圖，在溫升過程中，加熱平臺達(dá)到設(shè)定溫度450℃，550℃，650℃，700℃的時(shí)候，分別檢測空間9 點(diǎn)的溫度，各點(diǎn)溫度測試結(jié)果如表2 所示。

圖9 空間測溫點(diǎn)布置

由表2 中數(shù)據(jù)可知，空間各點(diǎn)溫度來源不同于加熱平臺的直接加熱，以輻射加熱為主，因此，溫度上升速率及溫度控制響應(yīng)速度均略低于加熱平臺，各測溫點(diǎn)在升溫過程中與預(yù)定溫度的最大實(shí)時(shí)偏差為-10℃，略大于加熱平臺上的測量溫差。

表2 空間各點(diǎn)與設(shè)定溫度的偏差表

5 總結(jié)

隨著超塑成形技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，超塑成形裝備的國產(chǎn)化需求也日漸提升，超塑成形設(shè)備被國外壟斷的局面也將被逐漸打破。本文設(shè)計(jì)的超塑成形裝備加熱保溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及性能上已能部分實(shí)現(xiàn)對進(jìn)口設(shè)備的替代，滿足超塑成形工藝的正常開展。但在關(guān)鍵元器件如控制元件、加熱元件、隔熱材料、保溫材料等方面尚無法完全取代進(jìn)口元件或仍與進(jìn)口設(shè)備存在一定差距。隨著國產(chǎn)元器件及加工制造能力的迅速提升，同時(shí)在專用零部件領(lǐng)域內(nèi)，各行業(yè)的共同努力和協(xié)同開發(fā)，超塑成形裝備的國產(chǎn)化率有望進(jìn)一步提升，裝備的性能、性價(jià)比、可靠性也將得到更充分的發(fā)揮[10]。