СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКАЛКИ ДЕТАЛИ, ОПИСЫВАЕМОЙ ЗАМКНУТОЙ КРИВОЙ
METHOD AND DEVICE FOR HARDENING OF PART DESCRIBED WITH CLOSED CURVE

Изобретение относится к способу и устройству для закалки детали, описываемой замкнутой кривой. Примером подобного рода деталей являются зубчатые колеса или вкладыши подшипников соответственно большого диаметра, применяемые в области приводных устройств грузоподъемных кранов или установок по производству энергии.
На практике при закалке подобного рода больших кольцевых или сравнительных деталей, образующих замкнутой кривой большое внутреннее отверстие, возникает проблема, когда нагрев подобного рода деталей до температуры закалки требует больших затрат на оборудование и больших затрат времени. Так, требуются большие печи с соответствующими большими подлежащими нагреву объемами, с соответственно длительным временем нагрева и связанными с этим большими энергетическими затратами, чтобы равномерно нагреть соответствующую деталь до требуемой температуры закалки. Как затраты на оборудование, так и длительность времени процесса ведут к тому, что закалка деталей, о которых идет речь, традиционно может осуществляться только с повышенными затратами. Кроме того, в ходе нагрева в печи может возникать значительная деформация детали, которая может потребовать последующей, также связанной с затратами рихтовки закаленной детали.
Для снижения затрат, связанных с закалкой подобных деталей, применялись устройства для закалки, в которых нагрев деталей до температуры закалки осуществлялся с помощью нагревательных устройств, в основу работы которых был положен индукционный нагрев. Индукторы нагревательного устройства, индуцирующие электромагнитное поле в детали и таким образом нагревающие до температуры закалки участок детали, находящийся в области их действия, движутся при этом вдоль детали и соответственно нагретые участки затем сразу же быстро охлаждаются, так что деталь последовательно закаливается по всему своему периметру.
Преимуществу значительного снижения затрат на оборудование и стоимостных затрат таких нагревательных установок наряду со временем обработки, требуемым только индуктору для нагрева при закалке, на практике, правда, противостоит проблема, согласно которой применение только одного индуктора ведет к значительным деформациям детали в результате соответственно следующего участка нагревания.
Предпринимались попытки устранить эти недостатки индуктивно нагревающих устройств для закалки с помощью применения двух индукторов, которые совершают параллельные встречные движения вдоль детали. Таким образом, можно было бы не только вдвое сократить время обработки, но и минимизировать деформации детали, возникающие в процессе закалки. Правда, применение двух и более индукторов нагревания участками влечет за собой проблему, что индукторы в связи с занимаемым ими конструктивным пространством могут приблизиться друг к другу только до определенного расстояния.
Таким образом, когда индукторы в начале или конце процесса обработки располагаются по возможности близко друг к другу, на детали остается зона, в которой не получается достаточная закалка, так как на нее не оказывает воздействия какой-либо индуктор или из-за взаимных помех индукторов происходит лишь недостаточное нагревание этой зоны. Закаленные таким образом детали в этой зоне имеют на практике при действующих высоких местных нагрузках повышенный износ, если их быстрое охлаждение уменьшено до минимума.
Сравнимая проблема возникла при закалке колец подшипника с устройством, как оно предложено в US 3036824. Это известное устройство включает две газовых горелки, которые, начиная от исходного положения, движутся взаимно навстречу друг другу вдоль подлежащего закалке кольца подшипника, пока они не достигнут конечного положения, в котором они больше не могут двигаться относительно друг друга. В этом конечном положении газовые горелки образуют между собой концевую зону, которая не может непосредственно захватываться теплом, отдаваемым горелками. Для нагревания этой концевой зоны до температуры закалки в US 3036824 предлагается держать газовые горелки так долго на участках кольца подшипника, граничащих с концевой зоной, пока и в концевой зоне в результате распространения тепла не будет достигнута требуемая температура закалки.
Способом, предложенным в US 3036824, может быть получено закаленное по всей длине кольцо подшипника. Однако при этом остается проблема, заключающаяся в том, что участки детали, граничащие с концевой зоной, должны нагреваться существенно выше, чтобы обеспечить в концевой зоне необходимую для достижения температуры закалки долю тепла. Это влечет за собой опасность перегрева детали и возникновение напряжений, которые могут привести не только к образованию трещин, но и к недопустимым деформациям детали. Кроме того, практическое опробование показало, что известные способы действия, предусмотренные для нагревания газовыми горелками, не могут просто так быть перенесены на способы, при которых нагревание подлежащей закалке детали осуществляется с помощью индуктивной подачи энергии.
Исходя из представленного выше уровня техники, задача изобретения заключается в том, чтобы создать способ и устройство для закалки деталей рассматриваемого вида, с помощью которых сокращающим затраты и время и предложенным способом действия может создаваться беспрерывная сквозная зона закалки деталей, образованных кривой с большим внутренним отверстием.
В части способа эта задача согласно изобретению решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. В ссылающихся на пункт 1 пунктах формулы изобретения приведены предпочтительные варианты осуществления решения.
Соответственно названная выше задача решается с помощью устройства, которое представлено признаками пункта 13 формулы изобретения.
Согласно изобретению деталь с помощью индуктивного нагрева нагревается участками до температуры закалки и затем нагретые таким образом участки детали быстро охлаждаются известным способом. Для индуктивного нагрева применяются, по меньшей мере, два индуктора, которые в начале обработки устанавливаются близко рядом друг с другом на детали в стартовом положении. В зависимости от пространства, занимаемого индукторами, их стартовое положение находится на более или менее большом расстоянии друг от друга, так что участок детали, образующий стартовую зону индуктивного нагрева, определенную стартовым положением, получается более или менее длинным.
Согласно изобретению эта стартовая зона нагревается до температуры закалки либо непосредственным воздействием электромагнитного поля, по меньшей мере, одного из индукторов, и в случае, когда это невозможно из-за ее длины, либо переносом тепла, который происходит, по меньшей мере, от участка детали, лежащего в непосредственной зоне действия одного из индукторов. Точно так же нагрев стартовой зоны может осуществляться за счет наложения зон теплового влияния обоих ограничивающих стартовую зону индукторов. Использование переноса тепла или наложения зон теплового влияния в этом случае некритическое, так как в этот момент времени обработки речь еще не идет о том, что снова могут подвергнуться нагреву уже закаленные участки детали в результате переноса тепла.
Затем индукторы от их стартового положения движутся в противоположных направлениях движения вдоль детали, и упомянутая выше стартовая зона быстро охлаждается известным образом с использованием охлаждающего средства.
Начинающееся от соответствующей стартовой зоны движение индукторов осуществляется так, что участки зубчатого колеса, лежащие соответственно в их зоне действия, быстро нагреваются индуцированным электромагнитным полем до температуры закалки. В случае, например, когда по причине объема детали должно быть направлено больше тепловой энергии, индукторы для этого могут двигаться шагами от участка к участку, так что индукторы на данном участке задерживаются на время нагрева, необходимое для нагревания соответствующего участка. Для предотвращения повторного нагрева соседних зон может потребоваться защита от повторного нагрева соседней уже закаленной зоны с помощью соответствующего охлаждения.
В отношении равномерного результата обработки при одновременно минимизированных затратах на технологию и оборудование особенно предпочтительно обеспечение непрерывного движения индукторов и последующего быстрого охлаждения соответственно нагретых участков, так чтобы создавалась непрерывная и равномерно идущая зона закалки.
Встречное движение индукторов продолжается до тех пор, пока индукторы не достигнут концевой зоны, в которой их дальнейшему движению будет препятствовать конечное положение соответственно смежного с ним индуктора. Между конечным положением этих обоих индукторов заключена все еще не закаленная концевая зона, протяженность которой зависит опять же, например, от занимаемого индукторами пространства.
Концевая зона, остающаяся между находящимися в конечном положении индукторами, теперь нагревается до температуры закалки. Опасность повторного нагрева граничащих с концевой зоной, ранее уже закаленных зон детали при этом согласно изобретению уменьшается за счет того, что индукторы, расположенные в концевой зоне близко друг к другу, движутся вместе в направлении предыдущего движения одного из индукторов. Таким образом, через концевую зону перемещается только один действующий из индукторов, в то время как другой недействующий при этом режиме работы индуктор движется через ранее уже нагретый им и уже быстро охлажденный участок детали. В соответствии с этим при таком исполнении изобретения нагрев концевой зоны осуществляется только при действии движущегося через зону индуктора. При этом осуществляется такое управление его движением и энергетическим питанием, что даже в зоне перехода между концевой зоной и участком детали, закаленным ранее другим, теперь преимущественно отключенным, индуктором, речь, во всяком случае, может идти о сведении к минимуму явлений отпуска.
При необходимости, граничащие с концевой зоной, уже закаленные участки могут быть защищены от повторного нагрева соответствующим охлаждением.
Принципиально, что предложенный в соответствии с изобретением способ может осуществляться с любым четным числом индукторов. Для обеспечения индукторам идентичной скорости перемещения вдоль детали они в начале обработки так расположены попарно, что заключенные между каждой парой индукторов стартовые зоны распределены на идентичном расстоянии друг от друга вдоль детали. В этой связи благоприятная как с точки зрения технологии, так и в плане затрат на оборудование возможность осуществления предложенного в соответствии с изобретением способа предусматривает, что применяются два индуктора. Именно, при обработке круглых, кольцеобразных или подобных деталей применение двух индукторов позволяет осуществлять нагрев детали таким образом, что в результате нагрева сводятся к минимуму деформации детали.
Другое улучшающее результаты обработки дополнительное исполнение способа, предложенного в соответствии с изобретением, отличается тем, что при движении индукторов, во время нагрева соответствующих участков детали и/или во время быстрого охлаждения ранее нагретых участков регистрируется расстояние индуктора от детали и/или форма детали. С помощью такой регистрации расстояния могут учитываться деформации детали, которые наступают при нагреве и быстром охлаждении обработанного участка, при надобности это может быть учтено как при позиционировании соответствующего индуктора относительно детали, так и при регулировании создаваемого индуктором тепла.
При осуществлении, рассчитанном на практику, предложенного в соответствии с изобретением устройства учет может осуществляться благодаря тому, что предусмотрено измерительное устройство для регистрации расстояния индукторов от детали и/или для регистрации формы детали. Предпочтительным образом это измерительное устройство посылает сигналы устройству, регулирующему движение, которое в данном случае передает сигналы с учетом сигналов измерения. Равным образом измерительное устройство может посылать сигналы устройству по управлению нагревом, которое в данном случае направляет сигналы с учетом сигналов измерения.
Особо близкое расположение соответственно смежных индукторов в зоне стартовой и концевых зон может быть достигнуто за счет того, что один индуктор своей внутренней стороной и другой индуктор своей внешней стороной подводятся к детали.
Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью чертежей, представляющих пример осуществления, где соответственно схематически показывают:
фиг.1 - устройство для закалки колец подшипника качения в перспективном виде;
фиг.2 - вид сбоку фрагмента устройства, показанного на фиг.1;
фиг.3A-3F - вид сверху индукторов устройства, показанного на фиг.1, в различных рабочих положениях.
Устройство 1 применяется для закалки деталей W, изготовленных из стали, в описанном здесь примере речь идет о больших кольцах подшипников качения с внутренним отверстием I, диаметр которого составляет от 2000 до 4000 мм.
Для этой цели устройство 1 включает раму, которая при виде сверху имеет U-образную форму с базовой траверсой 2а, от концов которой отходят соответственно параллельно идущие продольные траверсы 2b, 2с, образующие раму 2. Расстояние между продольными траверсами и длина продольных траверс 2b, 2с больше наружного диаметра детали W. Одновременно продольные траверсы 2b, 2с как относительно их длины, так и относительно расстояния между ними ориентированы по центру детали W. Рама 2 опирается на четыре опоры 3, 4, 5, 6, высота которых имеет такой размер, что рама 2 расположена выше горизонтальной плоскости, закрепленной на зажимном столе 7 детали W.
Продольные траверсы 2b, 2с рамы 2 служат в качестве направляющих для тельфера 8, который идет поперек продольных траверс 2b, 2с и располагается своими концами на концах траверс. Для перемещения тельфера 8 вдоль продольных траверс 2b, 2с предусмотрены приводы ходовой части 9а, 9b, которые соединены с соответственно одним концом тельфера 8 и опираются на продольные траверсы 2b, 2с.
Тельфер 8 несет два блока для закалки 10, 11. Каждый из блоков для закалки включает:
- сервопривод 12 для независимого перемещения соответствующего блока для закалки 10, 11 вдоль образованной тельфером 8 горизонтально проходящей установочной оси X1;
- индуктор 13 с трансформатором 14 и питаемый от трансформатора 14, расположенный на угловом кронштейне нагревательный индуктор 15, с помощью которого индуцируется электромагнитное поле для нагрева детали W,
- в качестве устройства быстрого охлаждения разбрызгивающую установку 16 для разбрызгивания охлаждающей среды на деталь W, причем установка охлаждения расположена на консоли, которая закреплена с возможностью поворота на кронштейне нагревательного индуктора 15,
- привод поворота 17 для поворота консоли, несущей установку 16 охлаждения, вокруг направленной вертикально поворотной оси Х2;
- измерительное устройство 18 для регистрации расстояния нагревательного индуктора 15 от соответственно предназначенной поверхности детали W;
- привод поворота 19 для общего поворота индуктора 13, установки 16 охлаждения и измерительного устройства 18 вокруг направленной вертикально оси вращения Х3,
- сервопривод 20 для общего перемещения индуктора 13, установки 16 охлаждения и измерительного устройства 18 вокруг направленной горизонтально установочной оси Х4,
- вертикально направленную несущую шину 21, которая на своем нижнем конце несет сервопривод 20 с индуктором 13, установку 16 охлаждения и измерительное устройство 18, а также
- жестко соединенный с первым сервоприводом 12 сервопривод 22, который служит для перемещения несущей шины 21 с расположенными на ней конструктивными элементами вдоль вертикально направленной установочной оси Х5. При этом сервопривод 12 и сервопривод 22 с соответствующими несущими шинами 21 блока 10 для закалки расположены на стороне тельфера 8, обращенной к базовой траверсе 2а рамы 2, в то время как сервопривод 12, сервопривод 22 и несущие шины 21 блока 11 для закалки расположены на противоположной стороне тельфера 8.
Для управления движением отдельных конструктивных элементов устройства 1 и для регулирования мощности индукторов 13 и производительности установки 16 охлаждения предусмотрено устройство 23 управления и регулирования, в котором объединены функции устройства по регулированию перемещения, нагрева и охлаждения. Измерительное устройство 18 направляет зарегистрированные им измерительные сигналы устройству 23 управления и регулирования, которое в режиме обработки с учетом этих измерительных сигналов на основании заранее заданного плана обработки посылает сигналы управления приводам устройства 1, индукторам 13 и установке 16 быстрого охлаждения.
Z
E
При пояснении принципа действия устройства 1 делается ссылка на фигуры 3A-3F. Там для улучшения наглядности изображены соответственно только: деталь W, стартовые положения S1, S2 индукторов 13 блоков 10, 11 для закалки в начале процесса обработки, стартовая зона S, конечные положения E1, E2 индукторов блоков 10, 11 для закалки в конце процесса обработки, концевая зона Z, а также направления движения R1, R2 устройств 10, 11 для закалки и их индукторов 13.
I
I
I
S
S
S
Для закалки детали W индуктор 13 первого блока 10 для закалки со своим нагревательным индуктором 15 и своим трансформатором 14 вместе с установкой 16 для быстрого охлаждения поворачивается с помощью привода 19 поворота вокруг оси Х3 поворота к поверхности внутренней окружности F таким образом, что электронагревательный индуктор приходит в соответствие с поверхностью внутренней окружности F детали W. Таким же образом индуктор 13 второго блока 11 для закалки со своим нагревательным индуктором 15 и своим трансформатором 14 вместе с установкой 16 быстрого охлаждения поворачивается с помощью привода 19 поворота вокруг оси Х3 поворота так, чтобы электронагревательный индуктор 15 второго блока 11 для закалки соответствовал поверхности F внутренней окружности детали W. Затем индукторы 13 блоков 10, 11 для закалки движутся с помощью перемещения тельфера 8 вдоль продольных траверс 2b, 2с и перемещения блоков 10, 11 для закалки вдоль самой балки 8 тельфера в их стартовые положения S1 и S2, в которых их индукторы 13 расположены близко друг к другу на детали W. Между стартовыми положениями S1 и S2 теперь будет находиться стартовая зона Z, которая лежит вне непосредственного воздействия индукторов 13 блоков 10, 11 для закалки. Эта стартовая зона Z сейчас нагревается до температуры закалки за счет того, что индукторы 13 нагревают предназначенные им непосредственно участки детали W с помощью индукции электромагнитного поля до тех пор, пока после достаточного времени нагревания в стартовой зоне Z в результате переноса тепла не будет достигнута температура закалки (фиг.3А).
S
S
Как только в стартовой зоне Z достигается температура закалки, устройства 10, 11 для закалки со своими индукторами 13 начинают движение вдоль детали W в противоположных направлениях R1, R2. Сразу же затем осуществляется быстрое охлаждение стартовой зоны Z с помощью установки 16 быстрого охлаждения блоков 10, 11 для закалки.
Во время непрерывного движения с равномерной скоростью блоков 10, 11 для закалки от стартовых положений S1, S2 происходит нагревание участков детали W, попавших в зону действия индукторов 13 блоков 10, 11 для закалки, до температуры закалки и непосредственно затем их быстрое охлаждение с помощью установки 16 быстрого охлаждения блоков 10, 11 для закалки.
Во время нагревания и охлаждения с помощью соответствующего измерительного устройства 18 регистрируются деформации детали W, находящие свое отражение в изменении относительного положения нагревательных индукторов 15 блоков 10, 11 для закалки относительно детали, и отсылаются в устройство 23 управления и регулирования. При этом если устройство 23 управления и регулирования определяет, что имеет место недопустимо большое отклонение зарегистрированного расстояния от заданной величины, оно направляет сигнал управления соответствующим сервоприводам 12, 20, 22 или соответствующим приводам 17, 19 поворота для корректировки положения соответствующего индуктора. В случае надобности дополнительно или в качестве альтернативы устройство 23 управления и регулирования подает сигнал об изменении мощности нагревания, развиваемой соответствующим индуктором 13, или мощности охлаждения, развиваемой соответствующей установкой 16 быстрого охлаждения (фигуры 3B-3D).
I
E
Таким образом, при непрерывном рабочем процессе осуществляется закаливание поверхности внутренней окружности F детали W, пока блоки 10, 11 для закаливания 10, 11 с их индукторами 13 не достигнут конечного положения E1, E2. Между конечными положениями E1, E2 заключена концевая зона Z, которая до этого момента еще не была подвергнута закалке (фиг.3Е).
E
E
E
При достижении конечных положений E1, E2 движение блоков 10, 11 для закалки в противоположном направлении прекращается и индуктор 13 блока 11 для закаливания отключается. Затем блоки 10, 11 для закаливания со своими индукторами 13 движутся вместе в направлении движения R1 блока 10 для закаливания. Концевая зона Z при этом нагревается индуктором 13 блока 10 для закалки до температуры закалки и быстро охлаждается установкой 16 быстрого охлаждения блока 10 для закалки, в то время как индуктор 13 блока 11 для закалки, как и прежде, остается отключенным. В противоположность этому установка 16 быстрого охлаждения блока 11 для закалки продолжает оставаться в рабочем режиме, чтобы предотвратить повторный нагрев граничащего с конечным положением, ранее уже закаленного участка детали W. Такая обработка концевой зоны Z продолжается далее при совместном движении блоков 10, 11 для закалки в направлении движения R1 до тех пор, пока и концевая зона Z не будет полностью закалена (фиг.3F).
Перечень позиций
1 Устройство для закалки деталей
2 Рама
2а Базовая траверса рамы 2
2b, 2с Продольные траверсы рамы 2
3, 4, 5, 6 Опоры
7 Зажимной стол
8 Тельфер
9а, 9b Привод ходовой части
10, 11 Блоки для закалки
12 Сервопривод
13 Индуктор
14 Трансформатор
15 Нагревательный индуктор
16 Установка быстрого охлаждения
17 Привод поворота
18 Измерительное устройство
19 Привод поворота
20 Сервопривод
21 Несущая шина
22 Сервопривод
23 Устройство управления и регулирования
W Деталь (кольцо подшипника качения с внутренним отверстием I, диаметр которого составляет от 2000 до 4000 мм)
E1, E2 Конечное положение
А
F Поверхность наружной окружности детали
I
F Поверхность внутренней окружности детали
I Внутреннее отверстие детали
R1, R2 Направления движения
S1, S2 Стартовое положение
X1 Горизонтальная ось установки
Х2 Вертикальная ось поворота
Х3 Вертикальная ось вращения
Х4 Горизонтальная ось установки
Х5 Вертикальная ось установки
E
Z Концевая зона
S
Z Стартовая зона