Патент на изобретение №2320731

(54) СПОСОБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области термомеханической обработки при изготовлении упрочненных заготовок переменного сечения для стволов охотничьих ружей, полых и сплошных валов и осей и т.п., и высоконагруженных деталей машин. Для расширения технологических возможностей способ включает нагрев заготовки до температуры аустенизации, деформацию заготовки с помощью неприводных деформирующих роликов при температуре, равной 0,90…0,95 температуры нагрева и изменении угла подачи деформирующих роликов в соответствии с изменением диаметра заготовки, и охлаждение. Охлаждение заготовки проводят до температуры отпуска. Охлаждение участков заготовки с разными диаметрами проводят при изменении расхода охлаждающей жидкости в соответствии с диаметром охлаждаемой заготовки. Способ осуществляют в устройстве, содержащем индукционный нагреватель, деформирующий узел с роликами, спрейер, гидросистему управления, при этом деформирующий узел выполнен в виде двух независимых трехроликовых узлов, расположенных в одной плоскости, перпендикулярной подаче заготовки, каждый из которых соединен с гидросистемой управления и с механизмом разворота роликов для установки угла подачи роликов в соответствии с изменением диаметра заготовки. Ролики соединены с механизмом разворота угла подачи роликов в пределах от 0° до 30°. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области термомеханической обработки сплошных и трубчатых цилиндрических изделий из стали и сплавов и может быть использовано при изготовлении упрочненных заготовок переменного сечения для деталей машиностроения (валы, оси, стволы охотничьих ружей и т.п.).

для формирования переменного сечения внутренней полости трубной заготовки.

К недостаткам этого способа относится то, что деформацию заготовки проводят в жестком калибре, т.е. наружная поверхность может быть только цилиндрической. Кроме того, в способе не предусмотрено изменение расхода охладителя при обработке разных по толщине сечений детали, что отрицательно сказывается на свойствах металла при формировании упрочненной при ВТМО структуры из-за несоответствия скорости охлаждения процессу структурообразования.

Известен способ ВТМО цилиндрических заготовок сплошного и трубчатого сечения [Шаврин О.И. Технология и оборудование термомеханической обработки деталей машин. – М.: Машиностроение, 1983. – 176 с.], при котором деформацию нагретой до температуры аустенизации заготовки осуществляют в жестком калибре с постоянным углом подачи всех роликов деформирующего узла.

Недостатками этого способа являются невозможность вести обработку ступенчатых заготовок (с переменным сечением), а также трудность получения требуемой структуры после ВТМО вследствие неконтролируемого расхода охлаждающей жидкости.

К недостаткам этого способа следует отнести то, что известный способ предназначен для поверхностной термомеханической обработки деталей (известный как ВТМПО по классификации М.Л.Бернштейна) переменного сечения путем копирования их поверхности, а не для формообразования переменного сечения цилиндрической заготовки в процессе ВТМО. Также известный способ не позволяет изменять угол подачи роликов при обработке участков с разными диаметрами для обеспечения соответствия осевой подачи заготовки углу подачи роликов по определенной зависимости, что, в конечном итоге, определяет величину усилий деформирования и устойчивость протекания процесса.

Известно устройство [Шаврин О.И. и др. Экономия металла и повышение его надежности в машиностроении. – Устинов: Удмуртия, 1985. С.54-58], содержащее индуктор, деформирующий узел и спрейер для ВТМО цилиндрических заготовок.

К недостаткам этого устройства относится то, что его конструкция не позволяет обрабатывать ступенчатые заготовки и переходные зоны ступеней, а также плавно регулировать угол подачи и размер калибра деформирующего узла (d).

Это устройство по своей конструкции не позволяет, как и предыдущий аналог, обрабатывать заготовки переменного сечения с плавным изменением величины калибра d_i и угла подачи деформирующих роликов _i, например, при обработке конических и ступенчатых поверхностей.

К недостаткам этого устройства следует отнести невозможность проведения формообразования поверхности изделий, которое проводят с большими степенями деформации (до 45%), чем при поверхностной обработке, а также невозможность изменять угол подачи деформирующих роликов, который играет важную роль при формировании характеристик качества получаемой продукции (точности, качества поверхности, направленности распределения волокон металла).

Задача изобретения – получение упрочненных заготовок переменного сечения с обеспечением в процессе обработки деформационных (<_i, d_i) и температурных (Т_деф, T_отп) режимов ВТМО.

Задача решается тем, что в предлагаемом способе ВТМО заготовок сплошного и трубного сечения, включающем нагрев заготовки до температуры аустенизации, деформацию с помощью неприводных деформирующих роликов и охлаждение, деформацию заготовки проводят при температуре равной 0,90…0,95 температуры нагрева и изменении угла подачи деформирующих роликов в соответствии с изменением диаметра заготовки.

Задача решается также тем, что угол подачи деформирующих роликов изменяют при обработке разных диаметров заготовки по следующей зависимости:

_pi=arctg (S/d_i),

где _pi – угол подачи роликов;

S – осевая подача заготовки за один оборот, мм/об;

d_i – обрабатываемый диаметр заготовки;

– 3,1416…

Целесообразно при этом охлаждение заготовки проводить до температуры отпуска обрабатываемой стали, а охлаждение участков заготовки с разными диаметрами осуществлять, изменяя расход жидкости Q в соответствии с охлаждаемым диаметром заготовки d_i.

Задача решается также тем, что в устройстве, содержащем индукционный нагреватель, деформирующий узел с роликами, спрейер и гидросистему управления, деформирующий узел выполнен в виде двух независимых трехроликовых узлов, расположенных в одной плоскости, перпендикулярной подаче заготовки, каждый из которых соединен с гидросистемой управления и с механизмом разворота роликов для установки угла подачи роликов в соответствии с изменением диаметра заготовки, а ролики соединены с механизмом разворота с обеспечением угла подачи роликов _i в пределах от 0° до 30°.

Способ основывается на процессе ВТМО, заключающемся в непрерывно-последовательном температурно-деформационном комплексе воздействий на цилиндрическую заготовку, состоящем из нагрева токами высокой частоты до температур выше температуры аустенизации, деформации в трех неприводных роликах и охлаждение в спрейерном устройстве. При этом деформация осуществляется при температуре выше точки фазовых превращений (выше порога рекристаллизации), а последующее быстрое охлаждение (закалка) фиксирует полученное структурное состояние.

При обработке деталей с переменным сечением важным элементом способа является обеспечение соответствия деформационных и температурных режимов ВТМО для получения требуемой качественной структуры металла, а именно, угол разворота (подачи) деформирующих роликов при обработке разных диаметров должен быть равным расчетной величине _pi в зависимости от обрабатываемого диаметра d_i.

Это условие обеспечит требуемое расположение волокон в поверхностных слоях заготовки и даст параметры точности на уровне холоднокалиброванной стали. Температура нагрева под ВТМО (индивидуальная для каждой стали) в индукционном нагревателе назначается на 5…10% выше температуры деформации и на 10…15% выше температуры закаливания. Это связано с рассеиванием тепла в атмосферу при продвижении заготовки от индуктора к роликам, отбором тепла роликами и рассеиванием при продвижении от роликов к спрейеру (так называемая последеформационная пауза). Таким образом, температура деформации определяется равной 0,90…0,95 температуры нагрева. Превышение температуры деформации ведет к росту зерна и нарушению режимов закалки. При недогреве резко увеличиваются усилия деформирования, что приводит к преждевременному износу инструмента и даже к его разрушению, а также, соответственно, невыполнению режимов ВТМО.

Следующим важным элементом способа является охлаждение заготовки при закалке в спрейере до температуры отпуска обрабатываемой стали. Это позволит сократить энергозатраты и время на последующий за закалкой нагрев до Т_отп, а также уменьшить процесс трещинообразования при закалке и ВТМО высокоуглеродистых сталей типа 50Г, 9Х1 и т.п.

Для соблюдения в способе регламента охлаждения при фиксации требуемого структурного состояния, а также обеспечения охлаждения до температуры отпуска, охлаждение участков заготовки с разными диаметрами проводят, изменяя расход охладителя, который будет зависеть от следующих факторов:

Q=f(d_i, Т_деф, Т_отп, S, ),

где Т_деф – температура деформации (°С); – последеформационная пауза (сек); Q – расход охладителя (л/мин); Т_отп – температура отпуска (°С).

На фиг.1, на виде А фиг.2 и на выноске I фиг.3 изображено устройство для ВТМО заготовок переменного сечения.

Устройство содержит деформирующий узел 1 (фиг.1), состоящий из двух независимых трехроликовых узлов М и N (фиг.2), шесть деформирующих роликов 2, индуктор 3, спрейер 4, подвижную траверсу 5, узел вращения заготовки 6, узел осевого перемещения 7, узел крепления заготовки 8 и панель управления гидроприводом 9 с гидростанцией 10.

Устройство снабжено механизмом разворота угла подачи роликов 2, изображенным на фиг.3, который содержит шип 11 и паз 12.

Устройство работает следующим образом. После настройки деформирующего узла 1 и двух его независимых составляющих М и N на требуемые размеры заготовки задают угол разворота деформирующих роликов 2 для обработки соответствующего диаметра d_i. Затем подают заготовку в индуктор 3 и нагревают ее до расчетной температуры, выбираемой индивидуально для каждой стали. Нагретую заготовку деформируют в роликах 2 и охлаждают в регулируемом спрейере 4 для фиксации упрочненного структурного состояния. Подача заготовки для нагрева, деформации и охлаждения осуществляется через подвижную траверсу 5, которая является связующим звеном узлов вращения 6 и осевого перемещения 7 с заготовкой. Узел крепления заготовки 8 применяется для уменьшения радиального биения вращающейся заготовки. Смена деформирующих узлов М и N при обработке разных диаметров ступенчатой заготовки осуществляется гидросистемой, состоящей из гидропривода с панелью управления 9 и гидростанцией 10. При этом возможно плавное изменение размера одного из калибров по заданной форме образующей поверхности заготовки для обработки, например, конических и цилиндроконических поверхностей. Установка угла подачи роликов на расчетную величину _i при изменении диаметра заготовки происходит посредством механизма разворота роликов, в котором шип 11, установленный на подвижной части деформирующего узла, перемещаясь по пазу 12, выполненному на корпусе деформирующего узла, обеспечивает разворот вилок роликов на угол подачи в пределах от 0° до 30° (угол подачи >30° при винтовом обжатии не применяется). После снятия упрочненной заготовки цикл обработки повторяется.

Пример реализации способа: По предлагаемому способу на установке ВТМО была изготовлена партия деталей переменного сечения из стали 30ХГСН2А со следующими размерами: длина заготовки – L=500 мм, d₁=28 мм, L₁=250 мм, d₂=30 мм, L₂=250 мм при диаметре исходной заготовки – d_и=32 мм. Режимы обработки для данного интервала размеров и постоянных характеристик процесса (температура нагрева Т_нагр=980÷1000°С, температура деформации Т_деф=950÷970°С и температура отпуска Т_отп=200°С) представлены ниже в таблице. Осевая подача заготовки за один оборот S=5 мм/об выбрана с учетом получения оптимальных характеристик качества поверхности и точности по результатам ранее проведенных исследований. Последеформационная пауза назначена =3÷5 с из условия исключения трещинообразования при закалке стали 30ХГСН2А, полученной электрошлаковым переплавом. Расход охлаждающей жидкости Q, кроме указанной выше зависимости, также определяется конструкцией спрейерного устройства, температурой этой жидкости в трубопроводе и подбирается экспериментально (при давлении в сети Р=0,18^+0,01 МПа) для каждой марки стали. Регулирование расхода производят вентилем по показаниям расходомера. При этом степень деформации определялась по следующей известной зависимости:

Таблица.
Режимы ВТМО цилиндрических заготовок переменного сечения
di, мм	28	30
pi, град.	3,26	3,03
, %	23	12
Q, л/мин	25±0,5	30±0,5

Обработка проводилась следующим образом. Нагретая в индукторе 3 до температуры аустенизации (Т_нагр=980÷1000°С) цилиндрическая заготовка 32 мм подается в деформирующий узел N (фиг.2), настроенный на 28 мм, и деформируется (при Т_деф=950-970°С) на длине L=250 мм. Затем узел N отводится в исходное положение и подводится узел М, настроенный на 30 мм, и деформирует заготовку на оставшейся длине. Смена деформирующих узлов N и М производится гидросистемой управления. В процессе деформации механизм разворота обеспечивает расчетную величину угла подачи роликов _pi. Одновременно с выходом заготовки из узла деформации включается спрейер 4 (фиг.1) и охлаждает заготовку до температуры отпуска (T_отп=200°С). При этом расход охладителя (в данном случае воды) регулируется вентилем по показаниям расходомера согласно величинам, указанным в таблице. После прохода всей заготовки через спрейер она снимается и цикл повторяется вновь. Условия протекания процесса ВТМО обеспечиваются тем, что весь цикл обработки проходит в непрерывно-последовательном режиме и заготовка находится под нагрузкой в период закаливания. Данный способ позволяет получать повышенный уровень механических свойств (для стали 30ХГСН2А: _в=1879 МПа; _0,2=1721 МПа; =13,3%; =63,5%; KCU=1,12 МДж/м² при твердости HRC_э=44÷47,5).

Применение предложенного способа и устройства, реализующего его, позволит расширить технологические возможности ВТМО деталей вращения и даст возможность производить новые виды упрочняемых изделий, таких как стволы охотничьих ружей, ступенчатые (полые и сплошные) валы и оси и т.п. изделия машиностроения, работающие при высоких динамических нагрузках с минимальным расходом металла при окончательной механической обработке, а в ряде случаев и полностью ее исключая, например, при производстве пальцев траков гусеничного движителя.

Формула изобретения

1. Способ высокотемпературной термомеханической обработки заготовок переменного сечения, включающий нагрев заготовки до температуры аустенизации, деформацию с помощью неприводных деформирующих роликов и охлаждение, отличающийся тем, что деформацию заготовки проводят при температуре, равной 0,90÷0,95 температуры нагрева и изменении угла подачи деформирующих роликов в соответствии с изменением диаметра заготовки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол подачи деформирующих роликов изменяют при обработке разных диаметров заготовки по следующей зависимости:

_pi=arctg (S/d_i),

где _pi – угол подачи роликов;

S – осевая подача заготовки за один оборот, мм/об;

d_i – обрабатываемый диаметр заготовки;

– 3,1416…

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение заготовки проводят до температуры отпуска.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что охлаждение участков заготовки с разными диаметрами проводят при изменении расхода охлаждающей жидкости в соответствии с диаметром охлаждаемой заготовки.

5. Устройство для высокотемпературной термомеханической обработки заготовок переменного сечения, содержащее индукционный нагреватель, деформирующий узел с роликами, спрейер, гидросистему управления, отличающееся тем, что деформирующий узел выполнен в виде двух независимых трехроликовых узлов, расположенных в одной плоскости, перпендикулярной подаче заготовки, каждый из которых соединен с гидросистемой управления и с механизмом разворота роликов для установки угла подачи роликов в соответствии с изменением диаметра заготовки.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что ролики соединены с механизмом разворота угла подачи роликов в пределах от 0 до 30°.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.04.2008

Извещение опубликовано: 27.12.2009 БИ: 36/2009