СПОСОБ ТЕРМОСИЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF THERMAL-AND-FORCE PROCESSING OF LONG AXIALLY SYMMETRIC PARTS AND DEVICE TO THIS END

Предлагаемые изобретения относятся к области термосиловой обработки (ТСО) длинномерных осесимметричных деталей типа вал и могут 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 [Патент РФ №2254383, кл. C21D 9/06, 2005].
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 [Патент РФ №2119842, кл. В21К 1/32, 1998].
Недостатками 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 способом к заявляемому изобретению, выбранному в качестве прототипа, является способ термосиловой обработки осесимметричных деталей, включающий статическое силовое воздействие на заготовку в процессе полного цикла термообработки, цикл обработки разделяют на подциклы, в течение каждого из которых статическое силовое воздействие производят в пределах выбранного участка заготовки сначала путем последовательного закручивания в одну сторону данного участка с последующим растяжением, затем закручивания в другую сторону с последующим сжатием за пределом действия закона упругости, причем управление пределом текучести при статическом силовом воздействии производят путем регулирования температурного воздействия на участок заготовки, а длину участка выбирают с учетом гармоник колебаний детали [Патент РФ №2254383, кл. C21D 9/06, 2005].
Недостатком данного способа является необходимость создания больших рабочих усилий растяжения-сжатия и кручения.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению, выбранному в качестве прототипа, является устройство ТСО валов малой жесткости, содержащее стапель с захватами в концевых сечениях, причем стапель выполнен в виде труб из металла с коэффициентом теплового расширения, большим, чем у изделия [Патент РФ №2260628, кл. C21D 9/06, 2005].
Недостатком данного устройства является невозможность обеспечить стабильность прикладываемого усилия в процессе ТСО, что может привести к переупрочнению материала, неравномерной по длине заготовки остаточной деформации металла и, следовательно, к нестабильности размеров в эксплуатационный период, потере точности.
Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, заключается в повышении качества заготовок с достижением следующих технических результатов повышения стабильности размеров и формы длинномерных маложестких осесимметричных деталей за счет устранения направленности осевых остаточных напряжений и направленной структуры материала заготовки по ее длине, оставшихся после заготовительной операции; уменьшение рабочих усилий деформирования за счет выбора рациональной схемы нагружения; уничтожение технологической наследственности за счет полной перестройки текстуры материала при знакопеременных перегибах заготовки за счет формирования в материале обрабатываемой заготовки мелкодисперсионной разнонаправленной текстуры, ведет к более однородному распределению и минимизации 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.
Эта задача решается тем, что способ термосиловой обработки осесимметричных деталей включает силовое воздействие на заготовку за пределом действия закона упругости в пределах выбранного участка заготовки, управление пределом текучести при силовом воздействии производят путем регулирования температурного воздействия на участок заготовки, деформирование заготовки производят со знакопеременным изгибом, при этом одновременно с сформированием заготовки со знакопеременным изгибом осуществляют вращение заготовки с одновременной ее осевой подачей, причем изгибающий момент к заготовке прикладывают на расстоянии, не превышающем пяти диаметров заготовки от места изгиба с фиксацией проработанного участка заготовки в поперечном направлении.
Эта задача решается тем, что устройство для термосиловой обработки осесимметричных длинномерных деталей содержит нагревательный элемент и опорные ролики, оно снабжено последовательно установленными приводами осевой подачи и вращения заготовки, сдвоенными силовыми роликами, механизмом поворота и поперечного смещения заготовки, выполненным в виде стола, связанным с приводом поперечного смещения и имеющим связанную с приводом поворота муфту и жестко закрепленной в ней направляющей трубой для фиксации в ней заготовки, при этом нагревательный элемент установлен между силовыми роликами, а направляющая труба устанавливается от места изгиба заготовки со стороны пары силовых роликов на расстоянии, не превышающем пяти диаметров заготовки. Устройство для ТСО может содержать механизм поворота и поперечного смещения, снабженный датчиком линейных перемещений и датчиком контроля усилий изгиба, нагревательный элемент, имеющий температурный датчик, выход которого соединен с входом блока управления.
Деформирование заготовки изгибом снижает необходимые рабочие усилия за счет использования рычажного механизма.
Знакопеременный изгиб выравнивает остаточные напряжения в противоположных точках поперечного сечения.
Вращение заготовки, одновременное с ее изгибом, позволяет проработать все поперечное сечение заготовки.
Вращение заготовки с одновременной ее осевой подачей прорабатывает весь объем заготовки по длине непрерывно.
Приложение изгибающего момента к заготовке на расстоянии, не превышающем пяти диаметров заготовки, гарантирует жесткость консольной части заготовки и деформацию именно в месте изгиба.
Фиксация проработанного участка заготовки в поперечном направлении сохраняет геометрическую точность в дальнейшем процессе ТСО.
Последовательно установленные приводы осевой подачи и вращения заготовки перемещают заготовку в осевом направлении для проработки заготовки по всей длине и вращают для проработки вала в каждом поперечном сечении.
Сдвоенные силовые ролики расширяют диапазон диаметров обрабатываемых валов при регулировании расстояния между ними с обеспечением жесткости при деформировании изгибом.
Механизм поворота и поперечного смещения заготовки, выполненный в виде стола, связанный с приводом поперечного смещения и имеющий связанную с приводом поворота муфту и жестко закрепленной в ней направляющей трубой для фиксации в ней заготовки, обеспечивает настройку параметров деформирования в зоне обработки и вылета при изменяющихся условиях, что расширяет технологические возможности установки.
Нагревательный элемент, установленный между силовыми роликами, уменьшает рабочие усилия за счет снижения предела текучести материала заготовки.
Установка направляющей трубы от места изгиба заготовки со стороны пары силовых роликов на расстоянии не более пяти диаметров обеспечивает снижение силы деформирования за счет создания рычага при сохранении необходимой жесткости прорабатываемого участка.
Установка на механизме поворота и поперечного смещения датчика линейных перемещений и датчика контроля усилий изгиба позволяет рассчитать в реальном масштабе времени величину упругих и пластических деформаций, дать численную оценку напряжениям в функции температуры, позволяет провести настройку (обучение) системы управления.
Оснащение нагревательного элемента температурным датчиком позволяет стабилизировать температуру нагрева при изменяющихся условиях обработки, обеспечивать нагрев точно в зоне температурного диапазона, определяющего минимальную зависимость напряжений от относительной деформации.
Подключение выходов датчиков на вход блока управления обеспечивает замкнутость системы управления и адаптивность установки к изменяющимся условиям обработки.
Предлагаемое изобретение, иллюстрированное чертежами, представленными на фиг. 1-4, где приведена схема обработки; на фиг. 5 - общий вид устройства (с боку) без системы управления, на фиг. 6 - общий вид устройства с функциональной системой управления (вид сверху).
И
Способ осуществляют в следующей последовательности. Заготовка фиксируется с одного торца с возможностью вращения с частотой ω и осевого перемещения со скоростью S (фиг. 1-4). От начала противоположного конца заготовки производят нагрев на ее участке до температуры, определяющей слабую функциональную зависимость напряжений от относительной деформации. Далее прогретый участок помещается в направляющую и подвергается деформированию изгибающим моментом М за счет поворота и поперечного смещения направляющей. При вращении заготовку ее изгибают знакопеременно на угол ±α, обеспечивающий с учетом вылета изгибаемого участка превышение предела упругости на 1-2%. Далее процесс нагрева - деформации может осуществляться циклически или непрерывно. Скорость осевого перемещения S определяется скоростью прогрева вала до рабочей температуры.
Устройство для ТСО длинномерных осесимметричных деталей (фиг. 5-6) включает опорные ролики 1, на которые кладут заготовку 2 и по которым она перемещается вдоль своей оси до силовых роликов 3, между которыми устанавливают нагревательный элемент 4, работающий по принципу индуктивного нагрева, с блоком питания 5. Заготовка 2 вставлена во вращающуюся муфту 6, которая установлена на подвижном столе 7, на котором закреплен ползун датчика линейных перемещений 8. На вращающейся муфте 6 жестко закреплена направляющая труба 9, которая обеспечивает передвижение заготовки 2 после перегибов и не допускает прогиб продеформированной части заготовки. Заготовка 2 устанавливается в направляющей трубе 9 с зазором, равным величине допуска на отклонение от прямолинейности заготовки. Направляющая труба 9 опирается на поддерживающие ролики 10. Слева заготовка 2 в осевом направлении жестко связана с приводом осевой подачи 11 через привод вращения 12, который вращает заготовку и вместе с ней перемещается вдоль ее оси с помощью привода осевой подачи 11.
Вращающаяся муфта 6 установлена на подвижном столе 7, перемещение которого контролируется датчиком линейных перемещений 8. Подвижный стол 7 имеет привод поворота 13 направляющей трубы 9, оснащенный датчиком контроля усилий перегиба 14. Выходы датчиков 8 и 14 подсоединяются к входу блока управления 15. Информация о температуре нагрева зоны перегиба контролируется датчиком температуры 16, выход которого подключен на вход блока управления 15.
Выходные сигналы с блока управления 15 поступают по четырем контурам к исполнительным органам. Первый контур управляет скоростью вращения ω заготовки 2 от привода вращения 12, второй - скоростью осевой подачи S заготовки 2 от привода осевой подачи 11, третий - температурой нагрева зоны перегиба Т° нагревательным элементом 4, четвертый - углом изгиба α оси заготовки 2 от привода поворота 13.
И
И
Устройство для ТСО работает следующим образом. Заготовку вала 2 устанавливают на опорные ролики 1, по которым ее перемещают через силовые ролики 3 и нагревательный элемент 4 и далее пропускают через вращающуюся муфту 6 до входа в направляющую трубу 9. Далее включают блок питания 5 нагревательного элемента 4. Температуру нагрева и время выдержки определяют исходя из материала заготовки 2, ее диаметра и необходимой глубины пластической деформации, функционально связанной с величиной диаметра заготовки, и контролируют датчиком температуры 16. После прогрева зоны заготовки 2 включают одновременно привод вращения 12, привод осевой подачи 11, привод поворота 13, который поворачивает направляющую трубу 9. После захода правого конца заготовки 2 в направляющую трубу 9. повернутую на заданный угол α, перемещают подвижный стол 7 в направлении, перпендикулярном оси заготовки 2, на заданное расстояние от оси. Точность перемещения подвижного стола 7 контролируется датчиком линейного перемещения 8. При том происходит изгиб заготовки 2 относительно ближайшей пары силовых роликов 3. Выходящий из зоны нагрева участок заготовки 2 подвергается изгибу знакопеременно на угол α за счет ее вращения. При этом контролируется величина изгибающего момента М датчиком контроля усилий перегиба 14. Информация от датчиков 8, 14 и 16 поступает в блок управления 15, где рассчитывается точка перехода из упругой зоны в пластическую по вычислению производной dM/dα в зависимости от температуры нагрева и дополнительно увеличивают величину пластической деформации на 1-2%. Процесс проводится непрерывно по всей длине заготовки.