УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСИЛОВОЙ ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ
DEVICE FOR PRESSURE-HEATED TREATMENT OF LOW-HARDNESS SHAFTS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для термосиловой обработки (ТСО) маложестких осесимметричных деталей типа «вал».
Наиболее близким устройством, выбранным в качестве прототипа, является устройство для ТСО длинномерных осесимметричных деталей, включающее стапель с захватами на торцах в концевых сечениях, причем стапель выполнен в виде трубы из металла с коэффициентом теплового расширения, меньшим, чем у изделия [1].
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечить стабильность прикладываемого усилия в процессе ТСО, что может привести к переупрочнению материала, неравномерной по длине вала структуры металла, остаточной деформации и, следовательно, к нестабильности размеров в эксплуатационный период с потерей точности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности ТСО с достижением следующих технических результатов: повышение стабильности размеров и формы длинномерных маложестких осесимметричных деталей за счет полного распада при отрицательных температурах остаточного мартенсита, что стабилизирует структуру материала; уничтожение технологической наследственности за счет полной перестройки текстуры материала при сжатии вала за счет формирования в материале обрабатываемой заготовки мелкодисперсной текстуры, что ведет к более однородному распределению осевых остаточных напряжений по длине детали, а т.к. при релаксации основное влияние на коробление оказывают осевые остаточные напряжения, данный характер их распределения приводит к уменьшению деформации детали в эксплуатационный период.
Задача решается тем, что в устройстве для термосиловой обработки маложестких валов, содержащем стапель с захватами вала, коэффициент линейного сжатия стапеля больше, чем коэффициент линейного сжатия вала, в теле стапеля выполнены полости для прохождения охлаждающей жидкости, а захваты вала выполнены в виде фиксаторов продольного и поперечного положения вала, причем фиксаторы продольного положения вала выполнены в виде шаровых опор, одна из которых является подвижной, а фиксаторы поперечного положения - в виде направляющей втулки, при этом стапель снабжен средствами для контроля и измерения параметров термосиловой обработки вала. Направляющая втулка может быть выполнена в виде винтовой пружины. Средство контроля и измерения параметров термосиловой обработки вала может быть выполнено в виде образца-свидетеля из того же материала, зафиксированного аналогично с обрабатываемым валом и содержащего термопары, зачеканенные по его длине и на разной глубине. Подвижная шаровая опора может быть выполнена в виде полого цилиндра, опорная стенка которого со стороны вала является упругой мембраной, а с противоположной стороны имеет центральное отверстие, через которое проходит подпружиненный шток, взаимодействующий с датчиком перемещения.
Больший коэффициент линейного сжатия стапеля, чем коэффициент линейного сжатия заготовки, позволяет создать разницу температурных сокращений стапеля и заготовки, что создает силовое воздействие на заготовку.
Выполнение стапеля полым делает его компактным, так как силовая рама стапеля выполняет роль температурного элемента.
Полость стапеля, содержащая охлаждающую жидкость, обеспечивает температурное воздействие.
Фиксаторы в виде шаровых опор повышают устойчивость вала под действием осевой нагрузки путем исключения изгибающего момента, действующего на заготовку.
Подвижная шаровая опора расширяет технологические возможности установки за счет регулирования расстояния между опорами для обработки валов различной длины, а также обеспечивает надежную фиксацию вала перед обработкой.
Фиксатор вала в виде направляющей втулки повышает надежность работы установки путем увеличения поперечной устойчивости заготовки под действием осевой нагрузки.
Направляющая втулка в виде винтовой пружины обеспечивает большую поперечную жесткость, а также возможность комплексного нагружения с приложением крутящего момента при осевом сжатии.
Стапель с двумя парами фиксаторов с одновременной установкой заготовки и образца из того же материала дает возможность исследовать структуру материала, в том числе разрушающими методами, обработанной детали, так как заготовка и вал подвергаются абсолютно одинаковому воздействию.
Образец, установленный в стапель, позволяет создать такую же схему нагружения, что и основной заготовки.
Термопары, зачеканенные по длине и глубине образца, дают возможность контролировать температурный режим нагрева заготовки, его равномерность по сечениям, что приводит к равномерной проработке заготовки на этапе ее деформирования.
Подвижная шаровая опора в виде полого цилиндра реализует измерительный элемент мембранного типа, включенного в силовой контур нагружения.
Опорная стенка полого цилиндра со стороны вала в виде упругой мембраны позволяет контролировать деформацию, возникающую при силовом нагружении заготовки.
Подпружиненный шток, проходящий через центральное отверстие с противоположной стороны упругой мембраны, передает перемещение упругой мембраны на регистрирующий датчик.
Датчик перемещения позволяет определять силовую нагрузку при термообработке в численном виде.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-7, где на фиг.1 приведен центральный разрез устройства для осуществления ТСО, на фиг.2 - разрез А-А фиг.1, на фиг.3 - центральный разрез устройства с направляющей втулкой, на фиг.4 - центральный разрез устройства с направляющей втулкой в виде винтовой пружины, на фиг.5 - центральный разрез устройства с заготовкой и образцом-свидетелем, на фиг.6 - разрез Б-Б фиг.5, на фиг.7 - выноска В фиг.5.
Устройство (фиг.1 и 2) содержит стапель 1 с внутренними полостями (каналами) 2 для прохождения по ним охлаждающей жидкости, например жидкого азота. Для фиксации вала 3 в продольном положении стапель 1 снабжен шаровыми опорами 4 и 5, из которых первая выполнена неподвижной, а вторая - подвижной, причем последняя зафиксирована на винте 6, вкрученном во втулку 7, запрессованную в стапель 1. Для фиксации вала 3 в поперечном положении этот вал установлен в шаровые опоры 4 и 5, которые через пластины 8 фиксируют направляющую втулку 9 (фиг.3), которая может быть выполнена в виде винтовой пружины (фиг.4).
ст
заг
Коэффициент линейного сжатия стапеля α выбирают больше коэффициента линейного сжатия заготовки α.
Стапель 1 снабжен средствами для контроля и измерения параметров термосиловой обработки вала, которые могут быть выполнены в виде образца-свидетеля 10 из того же материала, что и вал 3, который установлен в стапель 1 так же, как и вал 3. В этом образце-свидетеле зачеканены термопары 11, распределенные как по его длине, так и по глубине.
Подвижная шаровая опора 5 может быть выполнена в виде полого цилиндра 12, опорная стенка которого со стороны вала 3 является упругой мембраной 13, а с противоположной стороны имеет центральное отверстие 14, через которое проходит подпружиненный шток 15, который может взаимодействовать с датчиком перемещения 16.
Устройство работает следующим образом.
ст
заг
Заготовку вала 3 размещают между шаровыми опорами 4 и 5 и фиксируют винтом 6. Далее через стапель 1 по каналам 2 нагнетается охлаждающая жидкость под давлением. За счет разницы коэффициентов линейного сжатия стапеля α и заготовки α при их охлаждении возникает разница в температурных сокращениях Δl, равная
где ΔT - изменение температуры при охлаждении;
L - длина заготовки.
Уменьшение длины стапеля 1 и заготовки вала 3 за счет температурного сжатия приводит к деформации вала.
При использовании подвижной шаровой опоры 5 осевая сила, возникающая при обработке, приводит к деформации мембраны 13, которая смещает подпружиненный шток 15. Смещение штока 15 регистрируется датчиком перемещения 16, что позволяет определять силовую нагрузку непосредственно при обработке.
Список источников
1. Авторское свидетельство СССР №1407969, кл. C21D 1/62, 1/63, 1988.