抽芯鉚釘釘套退火設備冷卻系統的設計與實現*

王立洋

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

抽芯鉚釘是飛機上使用的重要標準件，在國外，美國、德國和日本等制造業強國在抽芯鉚釘的研制方面遙遙領先。美國的TEXTRON公司于70年代就己經研制成功各種類型的抽芯鉚釘。近些年，我國抽芯鉚釘的研制取得了一定的進展，但與美日等發達國家相比，在品種和質量上都存在很大差距。由于我國自行研制的抽芯鉚釘達不到相關技術要求，不得不從外國進口。

熱處理工藝對釘套產品質量起著至關重要的作用。本文針對抽芯鉚釘釘套退火設備冷卻系統進行設計，旨在優化釘套的熱處理工藝，提高釘套產品合格率，打破國外技術封鎖，實現A-286型抽芯鉚釘的國產化。

1 局部退火工藝原理

本文研究的航空用抗拉型抽芯鉚釘釘套如圖 1 所示［1］。

圖1 抽芯鉚釘釘套及退火區尺寸要求

該鉚釘釘套的工藝原理為:

零件上套有輔助加熱套，利用高頻機對零件退火區進行間接加熱退火。釘套端部非退火區只有1 mm，退火過程中會被間接加熱，為保證端部硬度，需要對端部進行冷卻。加熱完成后，零件風冷到400℃，之后需要進行快速水冷卻。

2 冷卻系統總體方案設計

如圖2所示，抽芯鉚釘釘套采用高頻機進行加熱，加熱過程中要對高頻機線圈進行冷卻。此外，由于工藝要求加熱過程中要對釘套端部進行冷卻，在加熱完成后，要對輔助加熱套及釘套進行快速水冷卻。所以本冷卻系統應由高頻機內部冷卻系統、端部冷卻系統和在線水冷卻系統組成，并采用循環水冷系統。

圖2 釘套退火設備冷卻系統

2.1 高頻機內部水冷系統

設計由泵對冷卻水加壓，流經出水口的鍍鋅鋼管后，進行變徑處理，而后連到高頻機水管接頭，對線圈進行冷卻，最后冷卻水回流到水箱中，完成一個循環。

2.2 端部水冷系統

設計由泵對冷卻水加壓，流經出水口的鍍鋅鋼管后，進行變徑處理，而后連到端部冷卻接頭，從而對釘套端部進行冷卻，最后冷卻水回流到水箱中，完成一個循環。

2.3 在線水冷系統

該冷卻有一定的時間間隔，需要電磁閥來控制水通斷。通過泵對冷卻水加壓，在管路的引流與運輸作用下，冷卻水通過電磁閥，流經高頻機的前頂部，到達冷卻噴頭，通過噴頭對鉚釘釘套進行噴水冷卻，之后經過水槽的收集經過過濾網過濾除雜，由管路引流回到水箱中，完成一個循環。

由于在鉚釘局部退火過程中對釘套的快速水冷卻會造成水污染，在線水冷系統單獨使用一個水泵和水箱，高頻機內部水冷系統和端部水冷系統共用一個水泵和水箱。

3 泵的計算選型

3.1 技術參數

工作臺長×寬×高為1 000 mm×800 mm×1 200 mm，高頻機功率15 kW，效率0.90，加熱時間20 s，加熱溫度T=900℃，噴水冷卻時間為2 s，水冷卻噴嘴額定流量200 mL，端部冷卻水管直徑6 mm，高頻機進出水口直徑10 mm，考慮設備美觀對稱性，設計高頻機放在工作臺的中間。

3.2 泵

3.2.1 泵的基本參數

(1)額定流量Q

流量是泵在單位時間內輸送出去的液體量。根據《工業泵選用手冊》，額定流量不小于裝置的正常流量或者最大流量的1.1～1.15倍。根據實際要求以及工件的大小和溫度，選取在線水冷泵正常流量Q正為180 mL/s，則額定流量為Q=200 mL/s。

(2)揚程H

揚程H指工藝裝置所需要的揚程值，也就是計算揚程。根據《工業泵選用手冊》，一般要求泵的額定揚程為裝置所需揚程的1.05～1.1倍。

在本冷卻設備中工作臺的高度為1.2 m，則取在線水冷泵額定揚程值為1.5 m。

3.2.2 泵的選型

根據泵的流量和揚程，查資料在線水冷泵選擇WL-125L加壓自吸泵，如圖3左所示。

同理高頻機和端部水冷泵選擇25ZB-45自吸泵，如圖3右所示。

圖3 冷卻水泵

4 水箱整體設計

在水箱的設計中，考慮水箱進行熱交換的冷卻效果和退火設備的整體結構布局兩個因素。

以生產效率60 s/件，每班8 h，取30個班次計算，高頻機功率15 kW/h，效率0.90，加熱時間20 s，則釘套熱能總變化量為:

忽略水箱散熱和蒸發，釘套熱能變化全部由水吸收，即:Q1=Q2。

設水體積為V，水的溫度變化量為5℃，則有:

即V=51.4 L。

結合設備整體結構布局，則可設計水箱尺寸為3 dm×4 dm×6 dm=72 L，考慮水箱裝水深為5 dm，則水箱裝水體積為V=3×4×5=60 L，可行。兩個水箱同等配置，設計水箱殼體厚度為5 mm，并在底板安裝移動輪，水箱建模圖如圖2水泵下方所示。

5 冷卻系統工作流程簡圖(圖4)

圖4 冷卻系統工作流程圖

6 結語

本文根據抽芯鉚釘退火設備工藝要求，制定了冷卻系統設計方案，完成了冷卻系統的初步設計，經單機調試試驗，該冷卻系統能夠實現釘套端部與高頻機內部水冷，以及零件的在線快速水冷卻功能，水流量、流速基本上滿足工藝要求。該循環水循環系統易控制，與繼電器連接，引入設備PLC系統進行模塊化控制，將進一步提高設備自動化程度，提高工作效率。為使其更好地滿足整機工藝要求，還需要不斷地調試試驗，進一步優化工作參數。

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