СПОСОБ ТЕРМОСИЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
THERMAL FORCE TREATMENT METHOD OF LONG AXISYMMETRICAL PARTS

И
зобретение относится к области термосиловой обработки (ТСО) длинномерных осесимметричных деталей типа вал и может использоваться в технологических процессах изготовления валов в механообрабатывающих цехах.
Известен способ термосиловой обработки валов, включающий нагрев, кручение, поверхностное пластическое деформирование и охлаждение, осуществляемые непрерывно-последовательно по длине вала [1].
Недостатком данного способа является неравномерность деформирования по длине вала из-за неоднородностей физико-механических свойств ее материала, использование больших сил деформирования.
Известен способ обработки осесимметричных деталей, включающий деформирование заготовки сжатием или сжатием с кручением посредством пинолей при одновременном нагреве заготовок [2].
Недостатком данного способа являются ограниченная область применения (обрабатываются детали типа диск с формообразованием, происходящим преимущественно за счет операции прокатки), большие усилия деформирования и неравномерность деформирования по длине заготовки.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению, выбранному в качестве прототипа, является способ термосиловой обработки осесимметричных деталей, включающий установку заготовки в стапеле, ее фиксацию, нагрев и деформацию детали за счет разницы температурных удлинений заготовки и стапеля до величины, превышающей предел текучести [3].
Недостатком данного способа является ограниченность диапазона степени деформации заготовки, невозможность выйти за предел текучести в случае искривления оси исходной заготовки.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества заготовок с достижением следующих технических результатов: повышение стабильности размеров и формы длинномерных маложестких осесимметричных деталей за счет формирования равномерных осевых остаточных напряжений и направленной текстуры материала заготовки по ее длине с исправлением непрямолинейности оси исходной заготовки.
Эта задача решается тем, что в способе термосиловой обработки осесимметричных деталей, включающем установку заготовки в стапеле, ее фиксацию, нагрев и деформацию заготовки за счет разницы температурных удлинений заготовки и стапеля до величины, превышающей предел текучести, дополнительно производят предварительный нагрев заготовки с установленными на ней фиксаторами и одновременно - охлаждение стапеля, при этом температуры нагрева заготовки и охлаждения стапеля выбирают из условия превышения предела текучести при совместном нагреве заготовки, зафиксированной в стапеле.
Предварительная установка на заготовку фиксаторов позволяет сократить время установки заготовок в стапель, выставить необходимое расстояние между опорами, заготовка между которыми будет испытывать осевую деформацию.
Предварительный нагрев заготовок и одновременное охлаждение стапеля позволяют увеличить разницу температурных удлинений заготовок и стапеля, за счет чего выйти за предел текучести при осевом растяжении заготовки, компенсировать за счет вытягивания заготовок большую кривизну.
Проведение совместного нагрева заготовок и стапеля по технологии термообработки обеспечивает при температурном удлинении заготовок и стапеля растяжение заготовок с выходом за предел текучести, исправление непрямолинейности оси исходной заготовки.
Изобретение иллюстрируется чертежами: на фиг.1 изображена схема устройства для реализации способа термосиловой обработки; на фиг.2 - график с зависимостями температурных удлинений заготовки и стапеля при их нагреве, разницей их удлинений при совместном нагреве, с учетом предварительного нагрева заготовки, охлаждения стапеля и без них; на фиг.3 - графики зависимостей температурных удлинений стапеля и заготовки, иллюстрирующими данный способ на примере; на фиг.4 - расчетная схема удлинения вала для компенсации его кривизны; на фиг.5 - зависимости удлинения стапеля от стрелы прогиба заготовки.
Способ реализуют с использованием устройства (фиг.1), содержащего стапель 1, в котором шайбами-фиксаторами 2 закрепляют заготовку 3.
Способ осуществляют следующим образом. На заготовки 3 типа вал навинчивают шайбы-фиксаторы 2 и нагревают их, например, в шахтных печах, электропечах или в муфельных печах. Одновременно стапель охлаждают, например парокомпрессионной холодильной установкой или каскадной машиной. После этого заготовки фиксируют в стапеле и производят нагрев стапеля с заготовкой по технологии их термообработки. При нагреве стапеля происходит его температурное удлинение. Так как заготовки установлены уже в нагретом виде, у них температурное удлинение меньше или вообще отсутствует. За счет разницы температурных удлинений стапеля и заготовок происходит деформирование заготовок в виде осевого растяжения. При варьировании коэффициента температурного расширения материала стапеля 1, степени предварительного нагрева заготовок 3, охлаждения стапеля 1, расстояния между шайбами-фиксаторами 2 регулируется величина осевого деформирования заготовок ε как разница температурных удлинений заготовок и стапеля (фиг.2).
Общий алгоритм расчета удлинений стапеля и заготовки следующий:
1. Определяется геометрия заготовки - длина, диаметр, прогиб.
2. Рассчитывается необходимое удлинение для выборки прогиба.
3. С учетом п.2 определяется величина необходимого силового удлинения  заготовки для выхода за предел текучести материала.
4. Определяется температурное удлинение стапеля при рабочей температуре, по которому рассчитывается разность удлинений стапеля и заготовки.
5. Если такой разницы достичь не удается, заготовку с фиксаторами предварительно нагревают до температуры, при которой заготовка удлинится на величину, перекрывающую необходимую разницу. После чего заготовку устанавливают в холодный стапель.
6. Если разница больше необходимой, предусматривают зазор при фиксации заготовки в зажиме.
0,2
В
Для обеспечения остаточной деформации вала на 1-5% в его поперечных сечениях создают напряжения свыше предела текучести σ, но менее предела прочности σ. При этом учитываются изменения модуля упругости и предела текучести стапеля и вала в зависимости от температуры.
Значения предела текучести материалов стапеля и заготовки в зависимости от температуры (для 100, 300, 500°С):
=230 МПа; =200 МПа; =170 МПа.
=760 МПа; =690 МПа; =440 МПа.
Модули упругости для стапеля и заготовки с учетом температуры:
100
5
300
5
500
Е=1,98·10 МПа; Е=1,85·10 МПа; Е=16,9·10 МПа.
100
5
300
5
500
5
Е=2,15·10 МПа; Е=2,01·10 МПа; Е=1,69·10 МПа.
Температурную деформацию стапеля и вала (фиг.2) представляет функция
T
ε=α(T)·T,
где α(T) - коэффициент линейного расширения материала, который зависит от температуры, мм/град;
Т - температура нагрева, град.
1
2
Ниже приведен пример использования данного способа. Стапель изготовлен из стали 12Х18Н9Т, вал - из стали 40ХН2М. Длина стапеля L=300 мм, вала - l=270 мм, диаметр стапеля - наружный D=90 мм, внутренний - D=70 мм, диаметр вала - d=30 мм. Исходная кривизна вала 1 мм. Для нагрева используется шахтная электропечь с температурой нагрева до 1250°С. Для охлаждения стапеля используется парокомпрессионная холодильная установка с температурой охлаждения до -60°С. При использовании каскадной холодильной машины температура охлаждения достигает -120°С.
Абсолютные удлинения ΔL стапеля длиной 300 мм при его нагреве с учетом изменения коэффициента линейного расширения при температурах 100, 300, 500°С составили:
-6
=16,8·10·300·80=0,4032 мм;
-6
=17,3·10·300·280=1,4532 мм;
-6
=18·10·300·480=4,1472 мм.
Удлинения заготовки в креплении длиной 270 мм при ее нагреве с учетом изменения коэффициента линейного расширения при температурах 100, 300, 500°С составили (фиг.3):
-6
=11,4·10·270·80=0,2592 мм;
-6
=12,3·10·270·280=0,9299 мм;
-6
=14·10·270·480=1,8144 мм.
Соответствующие относительные деформации составили:
Стапель - =0,001344%; =0,004844%; =0,00864%.
Заготовка - =0,00096%; =0,00344%; =0,00672%.
Рассчитанные по формуле напряжения сравнивают с пределом текучести:
H
ЗАГ
T
T
σ=E·Δε<σ,
ЗАГ
T
T
где E - модуль упругости заготовки; Δε - разница температурных деформаций стапеля и заготовки; σ - предел текучести при соответствующей температуре.
Для исправления исходной кривизны вала необходимо определить дополнительное удлинение (фиг.4, 5). Кривизна вала описывается синусоидой
где f - величина прогиба; L - длина вала; x - координата поперечного сечения по длине.
r
Значение удлинения Δl для компенсации прогиба составит
В данном примере это удлинение равно
В относительных деформациях это составит
В данном случае при нагреве до 500°С разница температурных удлинений стапеля и заготовки равна в абсолютном выражении Δl=2,3328 мм, в относительном для вала ε=0,00192%. Деформация, соответствующая пределу текучести при данной температуре, равна
СТ
Для данного соотношения длин заготовки и стапеля выход в пластическую зону не обеспечивается. Для выхода за предел упругости необходимо заготовку предварительно нагреть. Определяют максимально возможную разницу температурных удлинений заготовки и вала, что возможно при предварительном нагреве вала до температуры 500°С. Тогда разница удлинений стапеля и вала будет равна удлинению стапеля ΔL=4,147 мм, что в относительных деформациях для вала составит ε=0,0153%. Данная разница гарантированно обеспечит превышение предела текучести, в случае необходимости обеспечит исправление прогиба вала.
Источники информации
1. Патент РФ №2161276, кл. F16F 1/14, 2000.
2. Патент РФ №2119842, кл. B21K 1/32, 1998.
3. Авторское свидетельство СССР №1708884 А1, кл. C21D 9/06, 1992.