Устройство охлаждения стальной заготовки при фрикционной поверхностной закалке вращающимся твердосплавным инструментом

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к фрикционной поверхностной закалке сталей в процессе обработки на станках с ЧПУ.
Фрикционная поверхностная закалка вращающимся инструментом имеет ряд существенных преимуществ - может быть одним из переходов многоцелевой обработки деталей на станках с ЧПУ, и является экологически чистой и энергосберегающей технологией. Существует множество высокоточных стальных деталей с кольцевыми уплотнительными поверхностями, которые могут быть упрочнены фрикционной поверхностной закалкой на современных обрабатывающих центрах. Например, в процессе обработки могут быть упрочнены функциональные поверхности запорных органов клиновых и шиберных задвижек, подшипников скольжения и др. На формирование мартенситной структуры поверхностного слоя и обеспечения требуемой твердости сталей влияют параметры процесса: нормальная сила, коэффициент трения, скорость вращения и подачи инструмента, а также траектория движения. Во время закалки конструкционной стали происходит быстрый нагрев поверхности до температуры аустенизации, при этом температура твердосплавного инструмента может достигать 940…1000°С. После прохождения инструментом участка поверхности происходит быстрое охлаждение 101,1…123,8°С/с, а аустенит переходит в мартенситную фазу. Известно влияние скорости охлаждения заготовки в процессе поверхностной закалки на изменение микроструктуры и микротвердости по глубине поверхностного слоя. Для достижения скорости охлаждения заготовки выше критической применяются специальные устройства для интенсификации теплоотвода. Например, устройство для теплоотвода при лазерной закалке в виде пластины, которая устанавливается под упрочняемой заготовкой.
(Hyungson K. Laser transformation hardening of carbon steel sheets using a hit sink / K. Hyungson, S. Sangwoo // Journal of Materials Processing Technology 214. - 2014.). Теплоотводящие пластины могут быть выполнены из меди, нержавеющей стали или конструкционной стали.
Наиболее близким является устройство для теплоотвода при лазерной закалке в виде пластины из нержавеющей стали, которая устанавливается под упрочняемой заготовкой (Hyungson К. Laser transformation hardening of carbon steel sheets using a hit sink / K. Hyungson, S. Sangwoo // Journal of Materials Processing Technology 214. - 2014.).
Недостаток - устройство имеет недостаточный уровень интенсивности теплоотвода, даже при увеличении толщины пластины и высокое контактное термическое сопротивление в интерфейсе заготовка-устройство.
При фрикционной поверхностной закалке без специального устройства охлаждения невозможно стабильное упрочнение поверхностного слоя из-за постоянного нагрева заготовки и снижения скорости охлаждения до уровня недостаточного для перевода аустенитной фазы в мартенсит.
Для повышения твердости поверхностного слоя стальной заготовки и срока службы детали путем интенсификации теплоотвода от заготовки при фрикционной поверхностной закалке вращающимся твердосплавным инструментом необходимо увеличить количество отводимого тепла, что можно сделать только охлаждением тыльной стороны заготовки потоком жидкости.
Для этого предлагается устройство охлаждения стальной заготовки при фрикционной поверхностной закалке вращающимся твердосплавным инструментом, выполненное из нержавеющей стали, корпус содержит полость в виде кольцевой канавки, два отверстия, в которые установлены штуцеры для подсоединения шлангов, через которые подводится и отводится охлаждающая жидкость, резиновые уплотнения, болт для крепления заготовки.
Общий признак с прототипом - корпус устройства выполнен из нержавеющей стали.
пж
ож
На фиг.1 изображено устройство охлаждения стальной заготовки при фрикционной поверхностной закалке вращающимся твердосплавным инструментом в разрезе. На фиг.2 изображено устройство охлаждения стальной заготовки при фрикционной поверхностной закалке вращающимся твердосплавным инструментом со схемой подвода охлаждающей жидкости, вид сверху. На фиг. 3 - графики зависимости необходимого расхода охлаждающей жидкости от разности температур с тыльной стороной заготовки ΔТ при различных значениях теплового потока в жидкость ϕ.
Устройство охлаждения стальной заготовки при фрикционной поверхностной закалке вращающимся твердосплавным инструментом содержит корпус 1 из нержавеющей стали, в котором выполнены полость в виде кольцевой канавки 2, отверстие 3 для подачи охлаждающей жидкости из бака станка, отверстие 4 для отвода охлаждающей жидкости в бак станка. С отверстиями 3 и 4 соединены штуцеры 5 для присоединения резиновых шлангов 6 и 7, которые соединены с баком 8. Устройство содержит резиновые уплотнения 9 и 10, болт 11 для крепления заготовки 12, насос 13.
Устройство предназначено для охлаждения заготовки потоком жидкости в турбулентном режиме. На корпус 1 устанавливается заготовки 12 и закрепляется болтом 11. Включают насос 13. Охлаждающая жидкость из бака станка 8 при помощи насоса 13 подается через резиновый шланг 6 в отверстие 3, по кольцевой канавке 2 с двух сторон устремляется под давлением к отверстию 4 и по резиновому шлангу 7 возвращается в бак станка 8. Герметичность устройства обеспечивается резиновыми уплотнениями 9 и 10.
ож
K
ож
Для интенсификации теплоотвода обеспечивается турбулизация потока охлаждающей жидкости за счет поворота потока на 90° под тыльной стороной заготовки и уменьшения толщины кольцевой канавки до 2 мм для увеличения скорости потока воды. Интенсивность теплоотвода определяется расходом охлаждающей жидкости Q. Для определения требуемого расхода прежде всего учитывается конвективное тепловое сопротивление Rтеплоотдачи от охлаждаемой поверхности заготовки в жидкость и расход охлаждающей жидкости Q.
ож
ож
Выполнены расчеты необходимого расхода жидкости Q для поддержания требуемой температуры Tоп≈27°С при условии теплового потока в жидкость ϕ, равного 300, 400, 500 и 600 Вт. Полученные результаты показывают, что поддержание разницы температур между охлаждающей жидкостью и омываемой поверхностью заготовки в диапазоне от 5 до 10°С может быть обеспечено при производительности насоса от 10 до 40 л/мин.(фиг.3).
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
oж
Проводилась обработка фрикционной поверхностной закалкой кольцевого участка поверхностного слоя заготовки клина задвижки DN 80 мм, из стали 20X13 с применением устройства охлаждения заготовки на обрабатывающем центре МА-600 OKUMA. Затем было проведено измерение твердости с поверхности методом Роквелла на стационарном твердомере ТР-5006. Величина твердости после обработки фрикционной поверхностной закалкой без охлаждения изменяется в пределах 26…44 HRC, при охлаждении тыльной стороны заготовки - 42…49 HRC и распределена более равномерно по ширине кольцевой поверхности. Микротвердость с охлаждением достигает на глубине 100 мкм величины 630 HV, на глубине 400 мкм - 495 HV и на глубине 700 мкм - 405 HV. При обработке без охлаждения величина микротвердости достигает на глубине 100 мкм величины 450 HV, на глубине 400 мкм - 390 HV и на глубине 700 мкм - 202 HV. Контроль температуры входящего и исходящего потоков охлаждающей жидкости показал, что разница температур не превышала 2°С, что свидетельствует о правильности выбора расхода охлаждающей жидкости Q.
Проведенные гидравлические испытания задвижки с изготовленным клином показали, что применение устройства охлаждения стальной заготовки при фрикционной поверхностной закалке вращающимся твердосплавным инструментом уплотнительных поверхностей клина повышает твердость и срок службы клина, что обеспечило 3240 циклов «открыто-закрыто» при норме 3000 циклов.