Способ охлаждения маложестких длинномерных деталей при термических операциях и устройство для его осуществления
METHOD FOR COOLING LOW-RIGIDITY LONG-LENGTH PARTS DURING THERMAL OPERATIONS AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к области термической обработки длинномерных осесимметричных деталей и может быть использовано в технологических процессах в термических цехах.
Известно изобретение для обработки осесимметричных деталей, содержащее стапель, выполненный в виде двух полых цилиндров, а между ними установлена обрабатываемая деталь с естественным охлаждением до температуры окружающей среды. Металл стапеля имеет коэффициент термического расширения больше коэффициента термического расширения детали [1].
Недостатком данного устройства является неравномерное охлаждение воздухом по периметру детали в связи с влиянием двух теплоемких цилиндров с низкой скоростью охлаждения, чем деталь и невозможностью управления скоростью охлаждения по длине детали и как следствие неравномерное охлаждение детали и созданию остаточных напряжений.
Наиболее близким устройством к предлагаемому изобретению, выбранного в качестве прототипа, является устройство для термической обработки содержащее установленную на стойке кольцевую приемную камеру. Спрейер выполнен в виде ротора с приводом вращения. Камера разделена радиальными перемычками на секторы, каждый из которых снабжен подводящим патрубком с регулирующим клапаном. Спрейер образован продольными патрубками с соплами для подачи охлаждающего охладителя [2].
Недостатком данного устройства является продольное перемещение детали при охлаждении, что не обеспечивает равномерность охлаждения ее. Разница температурных зон охлажденных и неохлажденных приводит к созданию новых остаточных напряжений всех трех родов. Без контроля температуры по длине детали нельзя регулировать скоростью обдува. Горизонтальное перемещение детали через камеру охлаждения вызывает прогиб ее оси, вследствие несовместности пластических деформаций.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в повышении эксплуатационной точности маложестких осесимметричных длинномерных деталей с достижением следующих результатов: повышения стабильности размеров и формы деталей за счет минимизации всех родов остаточных напряжений, оставшихся после термических и термосиловых операций; уничтожение технологической наследственности за счет полной перестройки структуры материала путем введения вибрационной обработки в процессе остывания детали после 300°С. При релаксации основное влияние на пластическую деформацию оказывает неравномерное распределение остаточных напряжений и если данный характер их распределения не направленный, то это приводит к минимизации пластической деформации готового изделия в эксплуатационный период.
Данная задача решается за счет того, что при охлаждении осесимметричных длинномерных деталей после термической обработки в шахтной печи ее размещают в центре установки в вертикальном положении на сферическом упоре вибратора продольных колебаний с фиксацией нижнего конца детали в механизме захвата. Принудительный обдув осуществляют воздухом через форсунки, установленные с возможностью равномерного обдува охлаждаемой детали, а тепловизор с возможностью контроля температуры детали. Одновременно посредством тепловизора осуществляют контроль температуры детали. При ее остывании до 300°С включают вибратор продольных колебаний, работающий на резонансных частотах продольных колебаний детали. Проводят оценку равномерности температурного поля детали. При обнаружении температурных зон с меньшими значениями температурных полей с разностью в 10°С посредством блока управления регулируют скорость подачи воздуха через форсунки. Отключают подачу воздуха в зонах минимальной температуры с обеспечением выравнивания температур по всей длине детали и далее до достижения деталью температуры окружающей среды.
Установка снабжена вибратором продольных колебаний, имеющим механизм захвата для установки и фиксации в вертикальном положении охлаждаемой детали своим нижним концом. Тепловизор установлен с возможностью контроля температуры детали и связан через преобразователь со входом блока управления. Корпусные секции выполнены в виде двух пустотелых замкнутых полуцилиндров с образованием внутренних и внешних стенок, установленных друг от друга на расстоянии пяти диаметров детали. Вибратор расположен по центру между пустотелыми полуцилиндрами, а форсунки установлены на внутренних стенках каждого из упомянутых пустотелых полуцилиндров вокруг центральной оси в три ряда с шагом в 45° и вдоль центральной оси с шагом равным пяти диаметрам детали в каждом ряду. Дроссели установлены на внешних стенках каждого из упомянутых пустотелых полуцилиндров идентично расположению форсунок. Выходы блока управления связаны с воздушным насосом и вибратором.
Равномерное охлаждение всего объема длинномерных деталей одновременно минимизирует неравномерности остаточных напряжений гладких деталей и сложного профили по сечению, что обеспечивает стабилизацию геометрических параметров деталей.
Контроль и управление температурой охлаждения в зоне температур ниже 300°С являются эффективным средством минимизации остаточных напряжений и как следствие минимальная пластическая деформация и повышение эксплуатационной точности.
Вибрационное воздействие продольными колебаниями на резонансных частотах при охлаждении снижает уровень остаточных напряжений трех родов, что обеспечивает уменьшение времени релаксации и стабилизирует дислокационные процессы.
Использование захватного устройства со сферическим упором одновременно выполняют функции элементов захвата и центрирования оси заготовки в процессе охлаждения, что устраняет неточность центрирования и влияние собственного веса детали на пластические деформации в процессе ее охлаждения.
Бесконтактный контроль температуры остывания по длине детали позволяет выявить зоны быстрого остывания, что позволяет устранить неравномерность охлаждения на длине детали с большой точностью и провести оценку средней температуры и скорость ее охлаждения.
Предлагаемое изобретение иллюстрировано чертежами, представленными на фиг. 1-2. На фиг. 1 приведен общий вид установки для охлаждения длинномерных деталей. На фиг. 2 показан разрез А-А фиг. 1.
Способ осуществляется следующим образом. Деталь, прошедшую нагревания в шахтной печи, переносят в центр установки для принудительного управляемого охлаждения. И в вертикальном положении устанавливают между двух полуцилиндров установки с зазором равным пяти диаметрам на сферической опоре и фиксируют нижний конец детали с помощью захватов. Далее одновременно включают тепловизор для контроля температуры остывания и неравномерного охлаждения и форсунки для равномерного принудительного обдува воздухом управляемыми дросселями. При охлаждения детали до 300°С автоматически включается вибратор продольных колебаний, на корпусе которого закреплено захватывающие устройство. Вибратор работает на резонансных частотах продольных колебаний детали. Блок управления автоматически ведет поиск температурных зон с меньшими значениями температурных полей с разностью в 10°С и при появлении таких зон автоматически отключает подачу воздуха в эти зоны. Процесс автоматической стабилизации температуры по длине детали продолжается до температуры окружающей среды.
1
1
1
1
Устройство для автоматического охлаждения длинномерных маложестких деталей содержит установку в двух пустотелых полуцилиндрах 2 и 2. Каждая секция устанавливается друг относительно друга на расстоянии H=5d, где d - диаметр детали. На внутренних стенках пустотелых полуцилиндров установлены форсунки 3-3, а на внешних установлены управляемые дроссели 4-4, входы которых подключены к входу форсунок 3-3, выходы дросселей подключены к выходу воздушного насоса 5. Форсунки и дроссели размещены равномерно вокруг центральной оси в три ряда с шагом 45° и вдоль центральной оси с шагом L=5d в каждом ряду, где L - расстояние между форсунками. Деталь нижним концом фиксируется на сферической опоре 6, которая установлена на механизме захвата 7, последний жестко соединен с корпусом пневматического вибратора 8. На отдельной стойке установлен тепловизор 9 (на фиг. 2 стойка не показана) и преобразователь 10. Тепловизор, выход которого подключен на вход преобразователя, а выход преобразователя подключен к выходу блока управления 11.
Литературные источники
1. Патент 2260628 C21D 9/06 публ. 20.09.2005 № 26
2. А.С. 1735388 C21D 1/00 публ. 23.05.83 1992 № 19