Способ термосиловой обработки длинномерных осесимметричных деталей и устройство для его осуществления
METHOD OF HEAT-POWER PROCESSING OF LONG AXISYMMETRIC PARTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области термосиловой обработки (ТСО) длинномерных осесимметричных деталей типа «вал» и может быть использовано, в технологических процессах изготовления маложестких валов в механообрабатывающих цехах.
Известно устройство для ТСО валов малой жесткости, содержащее стапель с захватами в концевых сечениях, причем стапель выполнен в виде труб из металла с коэффициентом линейного расширения большим, чем у изделия [1].
Близким способом к заявляемому изобретению, выбранному в качестве прототипа, является способ термосиловой обработки осесимметричных деталей, включающий динамическое силовое воздействие в «n» равных участках, разделенных поперечными радиальными канавками, по которым захватами фиксируют выбранные участки, предварительно нагревают до температуры отпуска, выдерживают, деформируют с помощью силового гидравлического привода и затем разгружают с постоянной нагрузкой до температуры окружающей среды, а затем фиксируют [2].
Недостатком данного способа является сложная конструкция силового гидропривода, влияние веса заготовки и установки в вертикальном подвешенном положении на деформацию в зоне нагрева, а следовательно, создание неравномерного остаточного напряжения по длине заготовки. Деформация участков заготовки в противоположных направлениях без учета величины пластичных деформаций нарушает равномерность распределения остаточных напряжений по длине участка заготовки в целом. Неконтролируемая кривизна, оси заготовки не позволяет правильно выбрать алгоритм термосиловой обработки длинномерных деталей.
Наиболее близким способом к заявленному изобретению, выбранному в качестве прототипа является способ термосиловой обработки осесимметричных деталей включающий разделение детали на участки по длине и последовательно обработанных путем температурного и силового воздействия. В процессе силового воздействия контролируют величину осевой упруго-пластической деформации в двух зонах участка детали и устраняют неравенство этих величин в указанных зонах путем увеличения давления. Силовое воздействие на каждый участок осуществляют путем его растяжения в противоположные стороны посредством гидросилового привода осевой деформации [3].
Недостатком данного способа является ручная подача детали в зону обработки гидросилового привода. Низкая производительность механической обработки выступов заготовки неравномерная деформация в зоне захвата, сложность в изменении расстояния зоны пластической деформации и жесткая привязка к расстояниям между выступами на поверхности заготовки, отсутствие контроля и величины пластической деформации во время разгрузки.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества изготовления заготовок маложестких осесимметричных деталей с достижением следующих результатов: повышение стабильности размеров и формы длинномерных маложестких осесимметричных деталей за счет устранения несовместности упругих осевых остаточных деформаций при разгрузке, которая проходит по линейному закону; уничтожение технологической наследственности за счет полной перестройки текстуры материала при разнонаправленности приложенных внешних сил растяжения-сжатия зон деформированных участков детали; устранение несовместности пластической деформации при разгрузке, что исключает остаточные деформации на весь период эксплуатации готовой детали; устранение влияния осевых внешних сил за счет не закрепленных концов детали и, как следствие, устранение влияния напряжений от одной зоны деформации к другой на всей длине детали; устранение влияния зон жестких захватов на направленность осевых остаточных напряжений за счет резьбовых колец, вмонтированных в захватах и образующих зоны прерывистых пластических деформаций в этих зонах.
Данная задача решается за счет того, что в способ термосиловой обработки осесимметричных деталей включают нарезку резьбы на ее поверхности на всей длине и укладку на горизонтальный роликовый транспортер. Посредством управляемого червячного привода осевых перемещений автоматически ввинчивают в полый цилиндр штока гидросилового привода через винтовые захваты, далее участок между захватами нагревают до температуры отпуска в зоне слабой зависимости предела прочности от температуры нагрева и прикладывают осевые усилия растяжения к обоим концам участков в противоположные стороны с помощью автоматической системы управления на величину пластической деформации равную 0.8-1% с помощью системы автоматического управления. Контролируют величину заданной пластической деформации с учетом температурного расширения и при достижении заданной величины производят выстой, согласно регламенту отпуска. Далее измеряют величину пластической деформации и отключают источник нагрева и производят разгрузку, путем снижения осевых растягивающих сил в каждом участке пропорционально скорости снижения температуры охлаждения до температуры окружающей среды. Далее измеряют величины упругих остаточных деформаций в обоих деформированных участков детали и сравнивают их с упругой деформацией до разгрузки. При их несовместности-неравенстве проводят догрузку с приложением усилий сжатия. Цикл нагрузки-разгрузки повторяют начиная с величины усилия недогрузки. При равенстве упругих остаточных деформаций и упругих деформаций до разгрузки в каждом участке процесс деформации останавливают и далее последовательно по тому же алгоритму деформируют деталь по всей длине.
Устройство для термосиловой обработки включает в себя систему автоматического управления, которая содержит два датчика линейных перемещений, включенных в обратную связь контура управления величинами пластической деформации участков, а также два независимо работающих гидросиловых привода осевой деформации, кроме того, система управления выполнена с возможностью управления рабочего давления в камерах силовых цилиндров с помощью управляемых дросселей, охваченных обратными связями датчиками давления и диагностики температуры нагрева участка обрабатываемой детали, имеющей в обратной связи датчик температуры (пирометр, термопары). Система управления содержит два контура: первый контур включает в себя два канала управления осевой пластической деформации участка заготовки, второй управление температурой нагрева зоны обрабатываемой детали, при этом каждый контур управления содержит датчики контроля осевой деформации и температуры, включенных в контуры обратной связи блока управления.
Кроме того, устройство для осевой деформации детали содержит горизонтальный роликовый транспортер для расположения детали, управляемый привод осевой подачи, включающий в себя реверсный электропривод, червячный редуктор, в ступицу червячного колеса которого вмонтирован пустотелый вал с внутренней резьбой и на его внешнем диаметре смонтирована призматическая направляющая шпонка, позволяющая обрабатываемой детали свободно перемещаться при температурно-силовом воздействие. Гидросиловой привод оснащен с двух сторон захватами, закрепленными на торцах подвижных штоках гидросилового привода. В корпусах захватов встроены цилиндрические кольца с внутренней резьбой, в которые ввинчивается деталь, а дистанционные кольца имеют толщину равную десяти ниткам резьбы и используются при реверсе осевых деформаций. Количество колец определяют в функции прочности материала детали.
Нагрев деформационных участков детали снижает предел прочности материала обрабатываемой детали и снижает величину силового воздействия, что способствует минимизации мощности и габаритов силового привода, а также способствует уменьшению габаритов корпуса установки.
Одновременный нагрев и знакопеременное пластическое осевое деформирование формирует однородную структуру материала детали.
Контроль и управление температурного воздействия является эффективным средством в зоне слабой зависимости предела напряжения упругости от деформации стабилизации и минимизации остаточных напряжений.
Выбор конструкции захватов для осевого деформирования в виде съемных корпусов позволяет фиксировать участки деформации детали в широком диапазоне и выравнивать напряжения в зоне захвата.
Фиксирование детали на роликовом транспортере позволяет автоматически перемещать деталь и вводить ее в гидросиловой привод через управляемой червячный привод с встроенным в ступицу червячного колеса пустотелый вал внутри которого нарезана резьба и закреплена направляющая шпонка для передачи крутящего момента и перемещения детали вдоль своей оси, что позволяет детали при осевой деформации и нагреве свободно перемещаться, не создавая дополнительные усилия сжатия от опор.
Система автоматического контроля величины деформирования с учетом разности перемещения захватов, упруго-пластической деформации левой и правой зоны позволяет автоматически выравнивать деформацию обоих зон, а следовательно, обеспечивает равномерность пластической деформации как обрабатываемого участка, так и всей заготовки по длине.
Система автоматического управления позволяет управлять и контролировать процесс нагрузки и разгрузки по температуре, внешними силами и величинами остаточных упругих деформаций, что обеспечивает совместность упругих деформаций.
Система управления повышает эффективность обработки за счет оперативного регулирования значениями технологических параметров в функции процесса деформирования.
Предлагаемое изобретение иллюстрировано чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 приведен общий вид устройства. На фиг. 2 показан общий вид гидросилового привода в разрезе и функциональная схема автоматического управления термосиловой обработки. На фиг. 3-5 показаны соответственно сечения А-А, Б-Б и В-В.
Способ осуществляется следующим образом: деталь обрабатывают на токарном станке в самоцентрирующихся люнетах (это позволяет совместить конструкторскую и технологическую базу), что повышает точность заготовки детали и устраняет эксцентриситет, а при растяжении-сжатии не создает изгибающий момент. Далее на детали нарезают резьбу на всю длину и укладывают на роликовой транспортер и посредством управляемого червячного привода осевых перемещений автоматически ввинчивают ее в полый цилиндр штока гиросилового привода через винтовые захваты гидросилового привода. Перед этим резьбу детали и резьбу втулок смазывают графитной смазкой. Захваты выполнены в виде корпуса, в котором вмонтированы резьбовые кольца и дистанционные кольца для реверсного перемещения захватов.
После чего участок между захватами нагревают до температуры отпуска путем подключения к источнику постоянного тока, что обеспечивает равномерность нагрева заготовки по сечению. Нагрев и охлаждение осуществляются автоматически и контролируются датчиком температуры, включенным в обратную связь контура управления. Далее прикладывают осевые усилия растяжения к концам участков в противоположные стороны с помощью автоматической системы управления на величину пластической деформации равную 0.8-1% и контролируют величину заданной пластической деформации с учетом температурного расширения и при ее достижении проводят выстой, согласно регламенту отпуска. Далее отключают источник нагрева, и проводят разгрузку путем снижения осевых растягивающих сил в каждом участке пропорционально скорости снижения температуры охлаждения до температуры окружающей среды. Затем измеряют величины упругих остаточных деформаций в обоих деформированных участках и сравнивают их с упругой деформацией до разгрузки и при их несовместности-неравенстве проводят догрузку с приложением усилий сжатия. Цикл нагрузки-разгрузки повторяют с величины усилия недогрузки. При равенстве упругих остаточных деформаций и упругих деформаций до разгрузки в каждом участке процесс деформации останавливают и далее последовательно по тому же алгоритму деформируют деталь по всей длине.
1
1
1
1
1
Устройство для реализации способа термосиловой отработки длинномерных осесимметричных деталей фиг. 2 содержит корпус 1, выполненный сборным в виде двух цилиндров 2 и 2, разделенных жестким кольцом 3, крышек 4 и 4, двух полых шток-поршней 5 и 5, камеры которых 6, 6 и 7, 7 изолированы с обеих сторон эластичными уплотнителями.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Во внутренние отверстия шток-поршней 5 и 5 вмонтирован цилиндр 8, на наружной поверхности которого смонтировано разделяющее две силовые камеры кольцо 3, а на внутренней поверхности закреплен теплоизолятор 9. Цилиндр 8 зафиксирован относительно крышек 4 и 4 штифтами 10 для ограничения хода шток-поршней 5 и 5, в штоках выполнены пазы 11, а на торцах шток-поршней 5 и 5 крепятся захваты 12 и 12, последние крепятся к торцам подвижных шток-поршней 5 и 5, кольца с внутренней резьбой 13 и 13 фиксируют деформационный участок детали. Реверсные кольца 14-14 (толщина которых равна 10 ниток резьбы) обеспечивают реверс силовой деформации. Крышки 15-15 корпусов 12-12 осуществляют силовое замыкание колец. Система автоматического управления включает в себя три контура и состоит из блока управления 17, два выхода которого подключены к входам двух идентичных каналов, состоящих из двух последовательно включенных блоков 18 и 18 и 19 и 19. Блоки 18 и 18 - управляемые дроссели, на один из выходов которых подключены на вход датчики давления 20 и 20 в обратную связь блока управления 17. Блоки 19 и 19 - электрогидропреобразователи, на один из входов которых подключены выходы блока управления. 17, на вход которого подключены выходы датчиков линейных перемещений 21 и 21. Последние закреплены на крышках 4 и 4 с зазорами Δ1 и Δ2 относительно подвижных шток-поршней 5 и 5. Выход с блоков 19 и 19 соединен с камерами гидросилового цилиндра, торцы шток-поршней которых выполнены в виде сектора окружности радиусов R, а вторые камеры, работающие на разгрузку, выполнены с сектором радиусом r. Рабочее давление подается в силовые камеры через отверстия 24 и 24. Третий контур системы автоматического управления включает в себя блок управления 17, один из выходов которого подключен к входу блока питания постоянного тока 23, а выходы которого подключены к заготовке с помощью зажимов, а в обратную связь контура включен датчик температуры 22, установленный на корпусе 1.
1
1
Устройство для термосиловой обработки длинномерных осесимметричных деталей типа «вал» работает следующим образом. Заготовку 16 до термосиловой обработки обтачивают на токарном станке с помощью самоцентрирующих люнетов и нарезают резьбу. Далее укладывают на ролики 24 транспортера 23 и вводят в зацепление с захватами 12 и 12 гидросилового привода 1. Количество резьбовых колец 13, 13 и длину деформации зоны обработки рассчитывают в функции коэффициента технологической жесткости детали (K=1/d=5-8) и прочностных свойств материла.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
Далее, согласно алгоритму системы автоматического управления, включается третий контур управления нагревом и охлаждением выбранного участка детали. Выходной сигнал согласно алгоритму с блока управления 17 подается на источник постоянного тока 23. Выходной сигнал с источника 23 через клеммы (на фиг. 2 показаны условно) соединен с заготовкой 16 в зоне захвата деформационного участка детали. Нагрев участка контролируется датчиком температуры 22 (например, пирометром), выход которого включен в обратную связь контура управления температурой нагрева и охлаждения. Нагрев проводится в режиме отпуска согласно технологии термической обработки выбранного материала. Нагрев участка детали осуществляется до зоны температур со слабой зависимостью усилия от деформации. Далее следует выдержка согласно технологии термообработки отпуска и включается второй контур управления упруго-пластической деформации. Блок 17 выдает сигнал управления на редукторы 18 и 18, давление в которых передается от насосной станции, которая не показана на фиг. 2. Давление устанавливают заранее в функции физико-механических свойств деформируемого материала. Контроль за рабочим давлением устанавливают с помощью датчиков давления 20 и 20, включенных в обратную связь каналов управления давлением. Далее с двух других выходов блока 17 сигналы управления поступают на входы электрогидропреобразователей 19 и 19, а выходы последних соединены с рабочими полостями гидропривода через отверстия 24 и 24 и при подаче рабочего давления центральные полости цилиндра шток-поршня расходятся в разные стороны, создавая растягивающую деформацию материала участка заготовки с помощью захватов 12 и 12. Величины деформаций зон обрабатываемого участка контролируются двумя датчиками линейных перемещений 21 и 21, закрепленных на неподвижных крышках 4 и 4 корпуса 2 относительно стоек, закрепленных на шток-поршнях 5 и 5 и установленных с зазорами Δ и Δ. Электрогидропреобразователи 19 и 19 перераспределяют давление рабочей жидкости в камерах гидроцилиндров, и при охлаждении обрабатываемых участков рабочее давление поступает в крайние камеры (разгрузки), а в центральных камерах происходит сброс давлений, что позволяет провести процесс сброса нагрузок в обрабатываемых зонах участка управляемым. После деформации всей детали включают реверс червячного привода и перемещают ее в исходное положение.
Источники информации:
1. Патент РФ №2260628, кл. С21Д 9/06, 2005 г.
2. Патент РФ №2575510, кл. C21D 8/00, C21D 7/13, 2016 г.
3. Патент РФ №2645235, кл. C21D 8/00, C21D 7/13, 2018 г.