Способ и устройство для управления термосиловой обработкой
METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING THERMAL POWER TREATMENT

Предлагаемое изобретение относится к области термосиловой обработки (ТСО) длинномерных осесимметричных деталей типа вал и может использоваться в технологических процессах изготовления валов в механообрабатывающих цехах.
Наиболее близким способом термосиловой обработки длинномерных осесимметричных деталей того же назначения к заявленному изобретению, выбранным в качестве прототипа, является способ, при котором на наружной поверхности детали нарезают резьбу, ввинчивают по ней заготовку в вертикальном положении в подвижные траверсы, в центре которых имеются резьбовые втулки. Между подвижными траверсами монтируют управляемые силовые цилиндры. Деформацию растяжением осуществляют с усилием, чтобы на 2-4% превысить предел упругости материала детали. После установки детали в подвижных траверсах ее нагревают по всей длине до температуры отпуска и создают напряжения растяжения посредством управляемых силовых цилиндров с помощью штоков, закрепленных в подвижных траверсах через сферические опоры. Контроль равномерности нагрева осуществляют с помощью бесконтактного датчика-тепловизора. Далее оценивают равномерность деформации, сравнивают ее с заданной, и при неудовлетворительном результате, повторяют деформацию. Для обработки детали по всей ее длине траверсы с силовыми приводами перемещают до конца по участкам детали, равным межтраверсному расстоянию [Патент РФ №2615852, кл. C21D 7/13, C21D 11/00, C21D 9/28, 2017].
Недостатком данного способа являются его не технологичность из-за сложности длительного времени подготовки резьбовой поверхности по всей длине маложесткой заготовки, ограниченность по номенклатуре изделий (ходовые винты), энергоемкость из-за необходимости нагружения каждого отдельного участка и, при необходимости, осуществления повторной обработки, а также работа в неоптимальном по обеспечению равномерности диапазоне напряжений. Недостатком данного устройства являются сложность конструкции, трудоемкость и сложность подготовки установки к работе, не точность в определении температуры и величины деформации из-за особенностей расположения датчиков и способа нагрева.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению, выбранным в качестве прототипа, является устройство для термосиловой обработки валов, содержащее вертикально установленный стапель, выполненный из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у вала, выполненного с резьбой на обоих концах, резьбовой механизм фиксации вала в стапеле с обоих концов в виде цилиндрических тяг с резьбой на внутренней поверхности, по которой фиксируют вал, при этом на обоих концах стапеля размещены опоры, он имеет наружный нагревательный элемент, опоры выполнены с фланцевой и направляющей частями, на верхнем торце стапеля выполнен выступ прямоугольного профиля, расположенный радиально, верхняя опора вверху направляющей части имеет две параллельные лыски, а нижняя опора выполнена со сквозным пазом, при этом верхняя опора установлена на верхнем торце стапеля через нижнюю и верхнюю прорезные скошенные шайбы с силовым замыканием посредством лысок, а обе прорезные скошенные шайбы имеют пазы прямоугольной формы, шириной такой же, как ширина лысок в направляющей части верхней опоры, в которой перпендикулярно ее оси установлена ось, на которую через разборный вкладыш сферической формы установлена с опорой цилиндрическая тяга с резьбой, причем стапель по периметру имеет выполненные по винтовой линии короткие пазы, повторяющиеся с равным по периметру шагом, внутри стапеля установлена теплоизолирующая труба с установленными внутри нее внутренним нагревательным элементом, имеющим возможность размещения вокруг обрабатываемого вала, обе скошенные шайбы выполнены охватываемыми упругим кольцом, нижняя опора зафиксирована относительно стапеля штифтами, обе скошенные шайбы наклонными участками установлены с опорой друг на друга, а прилегающая к стапелю нижняя шайба установлена с охватом выступа на верхнем торце стапеля и лысок на направляющей части верхней опоры, при этом верхняя шайба, прилегающая к верхней опоре, имеет буртики, сопряженные с лысками на фланцевой части верхней опоры и охватывающие лыски на направляющей части верхней опоры (Патент РФ №2643401, кл. C21D 9/28, 2018J.
Недостатком данного устройства является ограниченные технологические возможности из-за невозможности контроля деформаций и температуры нагрева непосредственно самой заготовки и снижение эффективности по формированию равномерных деформаций по длине заготовки, конструктивная сложность механизмов захвата.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества заготовок с достижением следующих технических результатов:
повышения стабильности размеров и формы длинномерных маложестких осесимметричных деталей за счет обеспечения максимальной равномерности пластической деформации по длине;
снижения энергоемкости процесса ТСО за счет максимально короткого технологического цикла, состоящий из однократного нагрева и проработки заготовки сразу по всей ее длине;
максимально точный контроль величины пластической деформации, учитывающий температурную составляющую и компенсирующий нерабочие деформации из-за контактных деформаций в стыках элементов силового зажима и общей деформации элементов силового контура зажима заготовки в стапеле.
Эта задача решается тем, что способ управления ТСО длинномерных осесимметричных деталей включает нарезание резьбы под захваты по краям заготовки вала, нанесении реперных меток на крайние деформируемые участки заготовки около резьбовых участков, нагрева стапеля с заготовкой вала с одновременным бесконтактным контролем положения и формы меток на противоположных концах заготовки вала, а также контролем поперечного профиля участков заготовки и их пространственного положения, одновременной подсветкой контролируемых участков структурированным светом, определением фактической величины пластической деформации по деформации реперных меток с учетом температурных деформаций и общих смещений элементов силового контура фиксации заготовки вала, далее корректировкой нагрева стапеля для выхода удлинения заготовки в заданной диапазон пластического течения, при этом длина контролируемых участков с нанесенными на них метками выбирается из условия равенства их длины величине длины волны пластической деформации.
Эта задача решается также тем, что устройство для управления ТСО осесимметричных деталей содержит заготовку вала с нанесенными по ее краям реперными метками, механизм фиксации вала в стапеле с обоих концов в виде опор со сферической опорной поверхностью, которой опоры упираются в соответствующие по форме опорные поверхности стапеля, стапель по краям имеет четыре, выполненных под 90°, технологических окна, напротив каждого технологического окна размещается кронштейн с установленными на нем цифровой камерой, инфракрасной камерой, источником структурированного света, причем оптические оси трех приборов сходятся на соответствующих реперных метках, нанесенных на поверхности заготовки вала и расположенных в соответствующих технологических окнах, при этом цифровая камера, инфракрасная камера, источник структурированного света и нагревательный элемент соединяются с блоком управления, причем входы блока управления подключаются к выходу инфракрасных камер, выход блока управления подключается к источнику структурированного света и нагревательному элементу, а камера подключается и входу и выходу блока управления.
Нарезание резьбы под захваты по краям заготовки вала уменьшает трудоемкость технологической операции за счет уменьшения длины обрабатываемой поверхности и сокращения времени подготовки заготовки вала.
Нанесение реперных меток на крайние деформируемые участки заготовки около резьбовых участков обеспечивает возможность оценки величины фактической пластической деформации заготовки с высокой степенью надежности при минимальных затратах, без необходимости встраивания в силовой контур силоизмерительной аппаратуры.
Нагрев стапеля с заготовкой вала с одновременным бесконтактным контролем положения и формы меток на противоположных концах заготовки вала обеспечивает создание силового воздействия за счет различной температурной деформации стапеля и заготовки вала с контролем фактической пластической деформации с высокой степенью надежности.
Контроль поперечного профиля участков заготовки и их пространственного положения повышает надежность определения фактической пластической деформации за счет дополнительного контролируемого фактора (кроме смещения и искажения формы реперных меток, также характеризующих пластическую деформацию), а также учет при определении фактической осевой пластической деформации составляющей, обусловленной поперечным смещением первоначально изогнутой формы оси заготовки вала.
Одновременная подсветка контролируемых участков структурированным светом обеспечивает независимую измерительную базу, относительно которой контролируется смещение реперных меток для исключения влияния общих деформаций силового контура крепления заготовки вала.
Определение фактической величины пластической деформации по деформации реперных меток с учетом температурных деформаций и общих смещений элементов силового контура фиксации заготовки вала обеспечивает определение фактической величины пластической деформации для гарантированного выхода в заданный диапазон рабочей деформации.
Корректировка нагрева стапеля для выхода удлинения заготовки в заданной диапазон пластического течения обеспечивает расширение технологических возможностей за счет компенсации действия возмущающих факторов (из-за нагрева заготовки, контактной деформации в стыках элементов силового контура закрепления заготовки вала в стапеле, исходной кривизны оси заготовки вала).
Длина контролируемых участков с нанесенными на них метками, выбранная из условия равенства их длины величине длины волны пластической деформации, обеспечивает высокую степень надежности попадания в заданный диапазон рабочей деформации. Длина волны пластической деформации определяется из уравнения
0
L
где к и L - постоянные коэффициенты для данного материала заготовки вала (масштабный фактор и минимально возможная длина пластической волны, которая имеет значение порядка К) мм и может меняться в зависимости от структуры материала);  длина заготовки вала между захватами.
Заготовка вала с нанесенными по ее краям реперными метками обеспечивает высоко точный контроль деформации и нагрева непосредственно самой заготовки за счет разнесения контрольных участков на противоположные стороны с идентичными условиями нагружения или влияния на результат измерения деформаций в стыках силового контура закрепления.
Механизм фиксации вала в стапеле с обоих концов в виде опор со сферической опорной поверхностью, которой опоры упираются в соответствующие по форме опорные поверхности стапеля, обеспечивает самоустановку нагружаемой системы за счет эффекта шарового шарнира, что исключает возникновения изгибающих моментов обрабатываемой заготовки за счет внецентренного растяжения.
Выполнение стапеля по краям с четырьмя технологическими окнами, выполненными под 90°, обеспечивает высокоточное определение фактической осевой пластической деформации за счет исключения влияния на результат измерения положения плоскости максимального прогиба исходной заготовки, а также позволяет контролировать пространственные изменения положения осевой линии заготовки вала.
Размещение напротив каждого технологического окна кронштейна с установленными на нем цифровой камерой, инфракрасной камерой, источником структурированного света, обеспечивает развязку контрольного блока с нагружающей системой, компактность измерительной системы с обеспечением широкого круга контрольно-измерительных задач, решаемых данной системой.
Выполнение схождения оптических осей трех приборов на соответствующих реперных метках, нанесенных па поверхности заготовки вала и расположенных в соответствующих технологических окнах, обеспечивает комплексный контроль величины деформации с учетом общею смещения всей нагрузочной системы и температурного воздействия.
Соединение цифровой камеры, инфракрасной камеры, источника структурированного света и нагревательного элемента с блоком управления обеспечивает возможность определения фактической величины пластической деформации с ее дальнейшей корректировкой путем температурного воздействия.
Подключение входов блока управления к выходам инфракрасных камер дает информацию о тепловом поле нагружаемой системы (и заготовки и стапеля).
Подключение выхода блока управления к источнику структурированного света обеспечивает управление созданием измерительной базы в виде горизонтальных линий и подключение к нагревательному элементу обеспечивает управление силовым нагруженном через разницу температурных деформаций стапеля и заготовки вала.
Подключение камер к входам блока управления обеспечивает информацию о положении и форме реперных меток самих но себе и относительно линий, создаваемых источником структурированного света и подключение камер к выходу блока управления обеспечивает сигнал на съемку реперных меток в нужный момент с заданной периодичностью.
Способ и устройство для управления ТСО иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 1, где приведен общий вид устройства для управления ТСО.
Способ управления ТСО осуществляют следующим образом. Предварительно проводят подготовку крайних поверхностей заготовки вала под захват, заключающийся в нарезании резьбы по краям. На выбранные крайние участки заготовки вала около резьбовых участков под захват наносят реперные метки. Накручивают на резьбовой участок заготовки вала опору с одной стороны, устанавливают опору с заготовкой в стапель и накручивают опору с другой стороны заготовки вала с его фиксацией в осевом направлении в стапеле. Проводят нагрев стапеля с одновременным оптическим контролем положения и формы меток, а также профиля участка заготовки. Одновременно ведется контроль температуры заготовки вала инфракрасной камерой и подсветка контролируемых участков заготовки вала источником структурированного света. Длина контролируемого участка выбирается из условия равенства его длине волны пластической деформации.
По смещению и деформации самой метки, а также изменению ее положения относительно проецируемой источником структурированного света в виде линий или сетки и изменению профиля участка заготовки вала определяется фактическая величина осевой пластической деформации с учетом температурных деформаций, а также поперечная пластическая деформация и изменение положения оси заготовки вала в пространстве. Определяется положение фактической точки па кривой пластического течения с учетом температурной поправки. Далее, при не попадании пластической деформации в рабочий диапазон, корректируется нагрев стапеля для выхода удлинения заготовки на заданную величину.
Устройство для ТСО (фиг. 1) содержит стапель 1, в который устанавливается заготовка вала 2. По резьбовым участкам 3 заготовка вала 2 с двух сторон зафиксирована в опорах 4 до упора в дно крепежных отверстий 5. Опоры 4 по сферическим опорным поверхностям 6 контактируют с опорными поверхностями 7 стапеля 1 соответствующей сферической формы. Вокруг стапеля 1 намотан нагреватель 8. Стапель 1 имеет по периметру систему отверстий 9 и по краям сквозные технологические окна 10. Напротив каждого окна находится кронштейн 11, на котором размещаются цифровая камера 12, инфракрасная камера 13 и источник структурированного света 14. По краям заготовка вала 2 имеет нанесенные реперные метки 15, на которых сходятся оптические оси цифровой камеры 12, инфракрасной камеры 13 и источника структурированного света 14. При этом цифровая камера 12, инфракрасная камера 13, источник структурированного света 14 и нагревательный элемент 8 соединяются с блоком управления 16, причем входы блока управления 16 подключаются к выходу инфракрасных камер 13, выход блока управления 16 подключается к источнику структурированного света 14 и нагревательному элементу 8, а цифровая камера 12 подключается и к входу и к выходу блока управления 16.
Устройство для термосиловой обработки работает следующим образом. На резьбовые участки заготовки вала 2, на крайние участки которой предварительно нанесены реперные метки 15, накручиваемся опора 4 с одной стороны до упора торца заготовки вала в дно крепежного отверстия 5 для создания натяга. Затем, после установки заготовки вала 2 с одной опорой в стапель 1, аналогично накручивается опора 4 с другой стороны заготовки вала 2. При этом сферические опорные поверхности 6 приводятся в соприкосновение с опорными поверхностями 7 стапеля 1. Производится нагрев всей системы при помощи нагревательного элемента 8. В соответствии с сигналом с блока управления 16 осуществляется с заданной периодичностью подсветка источником структурированного света 14 контролируемых участков с нанесенными реперными метками 15 для создания на нем измерительной базы в виде проекции горизонтальных линий или сетки. Одновременно инфракрасной камерой 13 проводится контроль температуры зоны заготовки вала 2 и температуры стапеля 1. Цифровая камера 12 производит съемку контролируемого участка. Далее в блоке управления проводится определение деформации реперных меток изменение поперечного профиля заготовки вала 2 и изменения пространственного положения осевой линии заготовки вала 2. С учетом температурной поправки на основании замеренной температуры и поправки на общую деформацию всей технологической системы, включающей контактную деформацию в стыках и общую деформацию элементов фиксации заготовки вала 2, определяется ее фактическая пластическая деформация путем осреднения данных полученных на двух крайних участках. Она сравнивается с заданной величиной и корректируется в случае не соответствия путем нагрева стапеля 1 за счет изменения температуры нагревательного элемента 8.