Способ термической обработки осесимметричных деталей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: термообработка для стабилизации остаточных напряжений и правка маложестких ступенчатых осесимметричных деталей (Д) типа вал. Способ в кл юч а ет на грё в в м н о го с лбин ста пеле с. заданной пластической деформацией и равными растягивающими напряжениями по каждой ступени Д и равномерное охлаждение за счет п одбора площади. охлаждения радиаторов по периметру и с учетом разности поверхности охлаждения Д. Равное напряжение по ступеням обеспечивается за счет постоянства отношений площадей поперечных сечений секций стапеля и ступеней Д. 3 ил.

союз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (л)5 С 21 D 9/06, 9/30

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ВЕРМ(Ю

< !QTFFT80- ТЫ6: ч ."., К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4883563/02 (22) 21,11,90 (46) 07.01.93. Бюл. N. 1 (71) Тольяттинский политехнический институт (72) О.И,Драчев (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N. 954443, кл. С 21 D 1982.

2. Авторское свидетельство СССР

Мт 1407969, кл. С 21 0 1/62, 1988.

3. Авторское свидетельство СССР

M l708884, кл. С 21 D 9/06, 1989. (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

О СЕ СИММЕТРИЧ H Ъ|Х ДЕТАЛ ЕЙ

Изобретение относится к машиностроению, и может быть использовано при закалке, нормализации и отпуске деталей типа вал (осей, тяг, спиц и т.д.), преимущественно длинномерных, особо малой жесткости, соотношением длины к диаметру 10.

Известно устройство для термической обработки валиков, содержащее стапель в виде балки с установленными на ней захватами и кронштейнов с пневматическими зажимами изделия, а также пружинами, размещенными на блоке между кронштейнами.

Недостатком известного устройства является невозможность обработки габаритных валов (диаметром свыше 80, мм1. Для этого необходимы пружины па усилие свы- ше 50 т, соответственно большие габариты устройства, которые экономически нецелесообразны.

Известно устройство для термомеханической обработки длинномерных деталей. Ы«, 1786138 А1 (57) Использование: термообработка для стабилизации остаточных напряжений и правка маложестких ступенчатых осесимметричных деталей (Д) типа вал. Способ включает йагрев o многослойном стапеле с. заданной пластической деформацией и равными растягивающими напряжениями по каждой ступени Д и равномерное охлаждение эа счет подбора площади охлаждения радиаторов по периметру и с учетом разности поверхности охлаждейия Д. Равное напряжение по ступеням обеспечивается за счет постоянства отношений площадей поперечных сечений секций стапеля и ступеней Д. 3 ил. типа вал, содержащее стапель, выполненный в виде тонкостенной трубы, изготовленной из материала с другим коэффициентом Я линейного расширения, чем изделие, и двумя захватами, установленными относительно торца стапеля. евай

Недостатком известного устройства является невозможность удерживать изделие ф (вал) в напряженном состоянии при сниже- р, нии температуры до 20О, т,к. стапель сжимается — укорачивается быстрее вала, Известен также способ термической обработки. СО

Недостатком этого способа является невозможность термооб работки осесимметричных ступенчатых длинномерных деталей, т.к. каждая ступень заготовки при растяжении деформируется на разные величины, Последнее при обработке ступенчатых деталей приводит к неравномерности остаточных напряжений и короблению готовых деталей при эксплуатации.

1786138 секций стапеля и соответствующих им ступеней детали, а заданную величину пласти- 15 следовательности обработки, т .е . в отличйе 20 от известных способов, где пластическая деформация и осевые напряжения прикла25

35 наследственйости при механической и тер- 40 мической обработках, а также на теории"

Целью изобретения является повышение качества готовых изделий, Указанная цель достигается тем, что установку стапеля на деталь осуществляют по секциям, начиная с центральной ступейи детали и с фиксацией этой ступени с двух сторон относительно секции стапеля посредством сферических пят, а затем поочередную установку следующих секций стапеля с обеих сторон центральной секции, создают равномерное напряжение расстояния деталей путем подбора равных отношений площадей поперечных сечений ческих деформаций ступени детали создают путем подбора длины секции стапеля и высоты чашеобразных крышек — подпятников.

Суть решения состоит в изменейии подывались равные и по всей длине заготовки, а сама заготовка была гладкой, в предлагаемом решении пластическая деформация, а также рабочие напряжения прикладываются после черновой мехайической обработки, когда сформированы продольный и поперечный профили каждой ступени заготовки так, чтобы выдерживалось постоянство и равенство напряжений по длине и в любом сочетании заготовки; При охлаждении во всем объеме заготовки формируются, с учетом теоремы о разгрузке равные по величине на всех участках sana остаточные напряжения, это позволяетсниэить уровень коробления длинномерных заготовок, Предлагаемый способ термообработки базируется на изучении технологической термоупругопластических явлениях, происходящих в металле, На фиг. 1 изображен стапель в сборе с установленной в нем заготовкой, разрез; на фиг, 2 — сечение А-А на фиг, 1; на фиг. 3— сечение Б-Б на фиг. 1.

В процессе осуществления способа имеет место следующий порядок технологических операций. Заготовку протачивают на токарном станке с применением люнетов и формируют ее рабочий профиль, по концам каждой ступени нарезают резьбу, причем глубина нарезки резьбы (ее внутренний диаметр) не должна превышать припуск на чистовую обработку (точение или шлифован ие).

Далее на центральную ступень, там, где максимальное поперечное сечение заготовки 1 надевают и закрепляют по длине с

10

50 расчетным шагом радиаторы с радиальными пазами 2. Количество радиаторов 2 и их полезную площадь оценивают потребной поверхностью теплосъема, Величину площади радиаторов регулируют количеством пазов, пропорционально рабочей поверхности заготовки, причем набор радиаторов с разными поверхностями теплосъема обеспечивает равномерное остывание заготовки по поперечному сечению и длине заготовки.

Последняя может иметь сложную форму в продольном и поперечном сечениях (фиг, 3).

Заготовку с радиаторами 2 вставляют в многослойный сборный стапель 3, выполненный со сквозными отверстиями по длине и диаметру стапеля. Каждый слой стапеля за полняется наполнителем, последний в зависимости от необходимой скорости охлаждения стапеля может иметь и разный коэффициент теплопроводности (чугунная стружка, речной песок и т.д.). Далее центральную ступень заготовки (с максимальным поперечным сечением) фиксируют относительно торцов центральной секции стапеля 3 крышками-подпятниками 4 и сферическими пятами 5, последние навинчиваются на концы центральной ступени до упора с крышками-подпятниками 4 и тем самым создают замкнутый силовой контур заготовка — сферические пяты — крышки подпятники — стапель. Если заготовка имеет ступицу, диаметр которой намного превышает максимальный диаметр заготовки, то секцию стапеля, где располагается ступица, делают сборной. Далее последовательно на левую и правую части заготовки на ее ступени надевают и закрепляют, радиаторы 2 (их количество и поверхность отвода тепла рассчитйвают как и для средней ступени заготовки так, чтобы охлаждение заготовки шло равномерно как по длине, так и по перечному его сечению) и надевают секции 6 и крышки-подпятники 4 и навинчивают сферические пяты 5; далее сборка аналогична для всех ступеней заготовки; Согласно заданным поперечным площадям ступеней заготовки выбирают (рассчитывают) площади поперечных сечений стапеля так, чтобы отношение площадей поперечных сечений секций стапеля к соответствующим площадям поперечных сечений заготовки были постоянными и равными друг другу на всех ступенях вала, последнее обеспечивает постоянство рабочих напряжений при растягивании и сжатии заготовки, когда она нагревается и охлаждается, что приводит к формированию равных и постоянных остаточных напряжений по сечению и по длине заготовки. С уменьшением жесткости ступеней заготовки величины короблений этих

1786138

40 раз), в зависимости от среды:остывания: 45 масло. вода, воздух. В заготовке при остывании с осевым нагружением формируются остаточные напряжения, равномерные по длине и поперечному сечению, что исключа50

F6 ступеней всегда больше, чем жестких участков заготовки, поэтому следует величины деформаций для этих участков заготовки увеличивать, чтобы выбрать стрелы прогибов и провести осевые пластические деформации. Для эгого на крышках-подпятниках

4 или 7 (последний выполняется чашеобразной формы для регулирования величиной пластической деформации) нарезают резьбы на их внешних диаметрах, а в секциях стапеля ответно нарезают внутренние резьбы. Крышка-подпятник 7 ввинчивается в секцию стапеля на расчетную величину(глубину), обеспечивая устранение стрелы прогиба и величину пластической деформации данной ступени заготовки. Собранную конструкцию опускают в шахтную печь и нагревают согласно технологии термообработки до температуры закалки или отпуска и т,д., выдерживают при этой температуре до полного прогрева заготовки. При нагреве стапель удлиняется больше, чем заготовка, его коэффициент линейного расширения больше; чем коэффициент линейного расширения заготовки. Подбирая численные значения положительной разности коэффициентов линейного расширения стапеля и заготовки получают величину пластической деформации заготовки, превышающую предел пропорциональности, т.е. предел закона Гука.

Осевая пластическая деформация за пределами пропорциональности(закона Гука) при нагреве устраняет технологическую наследственность от предыдущих операций, одновременно правит заготовки. Однако неравномерный режим остывания в свободном состоянии наводит свои неравномерные остаточные напряжения, для исключения этого отрицательного технологического явления необходимо, чтобы стапель 3 остывал медленнее заготовки

1 (т.е. заготовка должна остывать с большей скоростью, чем стапель минимум в пять ет коробление готовых деталей при эксплуатации. Кроме того, увеличиваются прочностные характеристики заготовки.

Пример. Стапель изготовлен из стали

12Х18Е10Т, вал из стали ЗОХ13, температурные удлинения рассчитывают по формуле

h, = а,(Т )т б- а,.(т )т с, где Л 1 — разность удлинений стапеля и

sana;

a — коэффициент линейного расширения;

Т вЂ” температура нагрева;

L — длина вала и стапеля, 5 При 1 =1000 мм, Т =850 С; а m=19"

10 1/град, а gem = 10 10 1/град, получаем величину пластической деформации г = 0,84 .

Расчет времени охлаждения проводится при следующих параметрах: диаметр вала 60 мм, внутренний диаметр стапеля 210 мм, наружный 310 мм, наполнитель — песок, смешанный со чугунной стружкой, охлаждающая среда — масло с температурой 30 С, 5 Время охлаждения вала рассчитывается по формуле

Fod2с а время охлаждения стапеля определялось частным решением уравнения

О/О =. Фо (В, Po) а где Fe = — критерий Фурье, который оп, г ределяется, как функция относительных температур О/О и критерия Вио, последний равен

В(=В / -экю, экв — эквивалентная теплопроводность двухслойной стенки стапеля; y — объемный вес материала;  — коэффициент теплоотдачи от окружающей среды к поверхности тела; а — коэффициент темпе ратуроп роводности, д — радиус длинномерного изделия.

Расчет ступенчатых заготовок ведется из условия равенства создаваемых рабочих напряжений на всех ступенях заготовки. Напряжения в любых ступенях заготовки должны быть равными, т.е.

0 -n = G л-1.

Здесь стп = 0 л-1 рабочие напряжения в и и (n-1)-й ступенях заготовки. Усилия, . развиваемые секциями стайеля определяются по формуле: рсп1 = Р-сп1, Е-сп1 сг (1-о)т где F mA — площадь поперечного сечения стапеля;

Е m> — модуль упругости материала стапеля; а (Т ) — разность коэффициентов линейного расширения материала заготовки и стапеля;

Т вЂ” температура стапеля и заготовки, Осевые растягивающие — рабочие на. пряжения в и и и-1-й сечениях ступени заготовки будет определяться равенством

1786138

/ 1

Ф

/0

Р

Б

А-А

Составитель О.Драче

Тех е М Мо гентал

Ко кт

Редактор. р А р рре ор M.Øàðoøè

Заказ 231 ° .Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35. Раушская наб.; 4/5

Производственно-издательский комбинат" Патент",г.ужгород,ул. Гагарина,101

Рцп1 Fm1 а(ТО)то — const, Fn — 1

l"

Здесь F n u F n-1 — площади поперечных сечений заготовки в п и (и-1)-й ступенях.

Использование предлагаемого способа позволяет минимизировать величину прогиба изделия и стабилизировать уровень остаточных напряжений по ее длине, что 10 позволяет увеличить эксплуатационнуюточность rDToabN изделий, например длинномерных маложестких валов, и повысйть качество готовых изделий.

Формула изобретения

Способ термической обработки осесимметричных деталей, преимущественно ступенчатых, включающий установку радиаторов на:деталь, размещение на детали секционного многослойного стапеля из >и материала с коэффициентом линейного расширения, большим коэффициента линейного расширения материала детали, фиксацию детали относительно торцов стапеля посредством сферических пят и крышек-подпятников, нагрев, выдержку до достижения пластической деформации величины, превышающей упругую, и охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения качества обработки детали, установку стапеля на деталь осуществляют по секциям, начиная с центральной ступени детали, и с фиксацией этой ступени с двух сторон относительно секции стапеля пог"" средством сферических пят, а затем поочередную установку следующих секций стапеля с обоих сторон центральной секции, создают равномерное напряжение растяжения детали путем подбора равных отношений площадей поперечных сечений секций стапеля и соответствующих им ступеней детали, а заданную величину пластической деформации ступени детали создают путем подбора длины секции стапеля и высоты чашеобразных крышек-подпятников, 1У