СТАН ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЫХ ВАЛОВ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Предложение относится к устройствам обработки металлов давлением с целью получения полых валов из жаропрочных сплавов.
Известен стан для изготовления полых валов из жаропрочных сплавов, содержащий станину на которой размещены раскатные головки с установленными в них формообразующими инструментами в виде раскатных роликов, каретки продольного и поперечного перемещения раскатных роликов, исполнительные механизмы вращения и перемещения формообразующих инструментов, средства нагрева и вращения заготовки вала, контрольно-измерительную аппаратуру и программируемый блок управления, выполненный с возможностью получения сигналов контрольно-измерительной аппаратуры.
(Патент РФ №159169, В21Н 1/100, 2015 г.)
В перемещающихся раскатных головках устанавливают раскатные ролики, а в центральное отверстие заготовки вставляют оправку. Заготовку с одной стороны закрепляют во вращающемся шпинделе, а с противоположной стороны зажимают с помощью вращающегося упора. Заготовку нагревают до температуры сверхпластичности сплава и раскатывают с помощью нагретых роликов.
Использование данного устройства позволяет изготавливать валы из жаропрочных сплавов с высокой точностью.
Недостатком этого устройства является возможность раскатки только таких заготовок, в которых предварительно соосно их оси просверлено отверстие, в котором затем устанавливается оправка. Необходимость перед основной операцией раскатки формирования центрального отверстия в заготовке, установки оправки в полученное отверстие и только потом проведение раскатки поверхности вала до требуемых размеров усложняет и удлиняет процесс раскатки детали. В процессе раскатки происходит обжатие оправки, поэтому ее извлечение требует больших усилий, что может привести к недопустимой деформации изготовленного вала.
Техническим результатом предложения является создание стана, позволяющего упростить и ускорить процесс изготовления полых валов.
Для этого стан для изготовления полых валов из жаропрочных сплавов, содержащий станину на которой размещены раскатные головки с установленными в них формообразующими инструментами в виде раскатных роликов, каретки продольного и поперечного перемещения раскатных роликов, исполнительные механизмы вращения и перемещения формообразующих инструментов, средства нагрева и вращения заготовки вала, контрольно-измерительную аппаратуру и программируемый блок управления, выполненный с возможностью получения сигналов контрольно-измерительной аппаратуры, дополнительно снабжен установленным на станине формообразующим инструментом в виде фрезы для формирования отверстия соосно оси заготовки вала, выполненным с возможностью вращения и перемещения посредством упомянутых исполнительных механизмов вращения и перемещения формообразующих инструментов, а программируемый блок управления выполнен с возможностью передачи команды в соответствии с сигналами контрольно-измерительной аппаратуры исполнительным механизмам вращения и перемещения формообразующих инструментов для обеспечения раскатки роликами одновременно с формированием отверстия фрезой в нагретой заготовке вала.
Возможность упростить и ускорить процесс изготовления полых валов обеспечивается за счет одновременного формирования центрального отверстия в заготовке и раскатки ее наружной поверхности непосредственно в зоне максимального нагрева заготовки, исключения необходимость использования оправки, ее монтажа в заготовке вала и извлечения после ее раскатки.
На фиг. 1 представлены основные узлы стана.
На фиг. 2 - схема размещения контрольно-измерительной аппаратуры.
Стан для изготовления полых валов из жаропрочных сплавов, содержащий станину 1, с размещенными на ней средствами формования заготовки вала, включающими раскатные головки 2, 3, установленные в них формообразующие инструменты в виде раскатных роликов 4, 5, установленную на станине каретку 6 продольного перемещения раскатных роликов, а на ней каретки 7, 8 поперечного перемещения раскатных роликов, исполнительные механизмы вращения и перемещения раскатных головок и роликов, включающие двигатели 9, 10, гидроприводы 11, 12 поперечного перемещения раскатных головок, винтовую пару перемещения каретки продольных перемещений раскатных роликов, кинематически соединенную с двигателем 13, через привод 14, механизмы 15, 16 отклонения раскатных головок, средства нагрева заготовки в виде электронагревательной камеры 17 для нагрева заготовки до температуры ее сверхпластичности и электронагревательной камеры 18 для предварительного нагрева заготовки с центрирующей теплоизолирующей втулкой 19, средства вращения заготовки 20 вала в виде шпинделя 21, в котором зажимается одна из сторон заготовки, и для вращения которого используется привод 22 и двигатель 23, при этом другая сторона заготовки, фиксируется с помощью упора 24, продольное перемещение которого осуществляется гидроцилиндром 25, а вращение двигателем 26, через привод 27. Дополнительным формообразующим инструментом, которым оснащен стан является фреза 28, кинематически связанная с приводом 29 и двигателем вращения 30 и закрепленная в устройстве 31 для формообразования отверстия в заготовке, которое оснащено центрирующими втулками 32, в которых предусмотрены отверстия для удаления стружки. Для подогрева роликов используют лазерные установки (фиг. 2) состоящие из оптических систем 33, 34, и силовых лазеров 35, 36. Контрольно-измерительная аппаратура стана включает тепловизионную камеру 37 дополненную оптической системой 38 для регистрации распределения температуры в зоне раскатки через полупрозрачное зеркало 39 и опорное абсолютно-черное тело 40 известной температуры для калибровки тепловизионной камеры через оптическую систему 41, контрольную камеру 42 для измерения скорости перемещения раскатных роликов и глубины их внедрения в тело заготовки дополненную оптической системой 43, неподвижной штриховой мирой 44 и светодиодом 45 для ее освещения, при этом зона раскатки подсвечивается узкоспектральным источником света, состоящим из осветителя на светодиоде 46 и оптической системы 47, с возможностью передачи сигналов от датчиков: энкодера для измерения скорости вращения заготовки и тензометрических датчиков для измерения усилий раскатки (на чертежах не показаны), контрольной и тепловизионной камер в систему управления 48 процессом раскатки, а от нее на исполнительные механизмы вращения и перемещения формообразующих инструментов для обеспечения раскатки заготовки и формования в ней отверстия одновременно и непосредственно в зоне ее максимального нагрева.
Устройство работает следующим образом.
Средства формования заготовки вала размещают на станине 1. Раскатные головки 2, 3 монтируют на каретках 7, 8 поперечного перемещения, которые, в свою очередь монтируют на каретке 6 продольного перемещения. В раскатных головках устанавливают раскатные ролики 4, 5. Заготовку 20 вала крепят в шпинделе 21 и фиксируют упором 24, который прижимают к заготовке при помощи гидроцилиндра 25. В шпинделе устанавливают устройство 31 с фрезой 28 для формообразования отверстия в заготовке. Соосность раскатываемого вала и фрезы обеспечивается центрирующими втулками 32. Далее устанавливают коаксиально раскатываемому валу электронагревательную камеру 17 и электронагревательную камеру 18 с теплоизоляционной втулкой 19, для предохранения упора от ненужного нагрева. Включают печь 17 и разогревают заготовку до температуры близкой к ее температуре сверхтекучести. При этом камеру 18 включают для предварительного нагрева заготовки до температуры приблизительно в 2 раза ниже ее температуры сверхтекучести, что позволяет экономить электроэнергию. При регистрации заданной температуры раскатки на поверхности вала, ролики приводятся во вращение с заданной скоростью двигателями 9, 10. Подогрев раскатных роликов осуществляют с помощью, перемещающихся синхронно с перемещением кареток, лазерных установок, состоящих из оптических систем 33, 34, и силовых лазеров 35, 36. (фиг. 2). При этом к торцу заготовки подводят фрезу до упора. По достижении температуры поверхности роликов близкой к температуре раскатки электронагревательные камеры сдвигаются на величину, необходимую для введения роликов до касания с заготовкой и включают гидроприводы 11 и 12 для перемещения раскатных головок с раскатными роликами до касания с заготовкой. С помощью механизмов 15, 16 отклонения раскатных головок обеспечивают первоначальный прижим роликов к поверхности заготовки и возможность их перемещения при раскатке поверхности раскатываемой заготовки в соответствии с установленной программой. Вследствие одновременного разогрева заготовки подогреваемыми лазерами роликами и электронагревательной камерой температура вала в месте сопряжения роликов с заготовкой достигает максимального значения. Затем включают двигатель вращения 23 и через привод 22 приводят шпиндель во вращение. Одновременно при включенном двигателе 26 с помощью привода 27 приводят во вращение упор. Скорости вращения шпинделя и упора синхронизируются. Затем, включается перемещение каретки продольного перемещения с помощью двигателя 13 и привода 14, обеспечивая перемещение раскатных роликов и осуществление раскатки вала. Для формирования отверстия в заготовке вала соосного его оси включают двигатель 30 и с помощью привода 29 обеспечивают вращение фрезы. С помощью устройства для формообразования отверстия фрезу углубляют в заготовку вала. При этом, образующаяся стружка выводится из зоны сверления через отверстия во втулках 32. Регистрация распределения температуры в зоне раскатки обеспечивается тепловизионной камерой 37 с оптической системой 38. Распределение температуры визуализируется через полупрозрачное зеркало 39. Абсолютные величины температуры устанавливаются с помощью введения в поле зрения камеры излучения абсолютно черного тела 40 через оптическую систему 41.
Глубина внедрения раскатного ролика в тело заготовки определяется с помощью контрольной камеры 42 и оптической системы 43. Зона раскатки наблюдается через полупрозрачное зеркало. Для исключения влияния собственного свечения нагретой заготовки и рассеянного света в помещении размещения стана зона раскатки подсвечивается узкоспектральным источником света, состоящим из осветителя на светодиоде 46 и оптической системы 47. Для регистрации глубины внедрения ролика перед началом раскатки ролик вводится в соприкосновение с раскатываемой заготовкой и его положение фиксируется камерой. При внедрении в тело заготовки смещение ролика по отношению к исходному положению дает точное представление о глубине его внедрения.
Для регистрации скорости перемещения раскатного ролика предусмотрено наблюдение неподвижно расположенной штриховой миры 44, которая освещается светодиодом 45 с длиной волны излучения, соответствующей длине волны излучения светодиода подсветки. На матрице контрольной камеры формируется изображение штриховой миры. При раскатке камера перемещается, а мира остается неподвижной, что обеспечивает точное измерение расстояния, которое проходят раскатные ролики в процессе раскатки. По измеренному расстоянию вычисляется скорость раскатки. Тензометрическими датчиками, установленными на раскатных головках и энкодером (на чертежах не показаны), контролируются скорость вращения заготовки и усилия раскатки, соответственно. Сигналы от датчиков, контрольной и тепловизионной камер подаются в систему управления 48 и служат для контроля за режимом сверления центрального отверстия, а также режимом и геометрией раскатки путем коррекции работы исполнительных механизмов вращения и перемещения раскатных роликов и сверлильного инструмента в соответствии с установленной программой так, чтобы раскатка заготовки и сверление в ней отверстия происходили одновременно и непосредственно в зоне максимального нагрева заготовки, то есть зоне контакта роликов с заготовкой.
После завершения раскатки вала средства нагрева выключают, а каретки с раскатными головками возвращают в исходное положение.
Использование устройства позволяет упростить и ускорить процесс изготовления полых валов из жаропрочных сплавов.