close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY4566

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 4566
(13)
C1
(51)
(12)
7
C 21D 11/00
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ УПРАВЛЯЕМОГО ЗАКАЛОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ВОДОВОЗДУШНОЙ СМЕСЬЮ
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(21) Номер заявки: 970659
(22) 1997.11.28
(46) 2002.06.30
(71) Заявители: Гурченко П.С.; Желудкевич М.С. (BY)
(72) Авторы: Гурченко П.С.; Желудкевич М.С. (BY)
(73) Патентообладатели: Гурченко Павел Семенович;
Желудкевич Мечеслав Станиславович (BY)
(56)
SU 1666550 A1, 1991, SU 1613501 A1, 1990, EP 0538575 A1, 1993, RU 2069707 C1, 1996, EP 0334803 A1,
1989.
(57)
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при упрочнении тяжело
нагруженных стальных изделий сложной конфигурации.
Обрабатываемое изделие 1 устанавливают на подставку в закалочной камере 2. Заранее полученную путем математического моделирования закалочного охлаждения на ЭВМ программу работы форсунок вводят в
систему программного управления форсунками 4. Охлаждение рабочей части штампа (гравюры) производят
путем направленной импульсной подачи водовоздушной смеси через управляемые форсунки блока 3, на каждой из которых установлен клапан, управляемый по программе, задаваемой системой управления форсунками 4. Температура и давление подаваемых к форсункам воды и воздуха контролируют и стабилизируют в
блоках 5 и 6 системы контроля и регулирования. Крепежная часть штампа принудительному охлаждению не
подвергается, а охлаждается за счет теплообмена с окружающим воздухом и теплопроводности материала
штампа. Охлаждение гравюры производят с расчетной скоростью, обеспечивающей закалку рабочей поверхности. Охлаждение прекращают, когда расчетное суммарное остаточное тепло в закаливаемом изделии
достигает значения средней температуры изделия, равного заданной температуре самоотпуска. После прекращения принудительного охлаждения температура по всему сечению штампа выравнивается за счет теплопроводности и достигает заданного значения температуры самоотпуска.
Фиг. 1
BY 4566 C1
Применение предложенного технического решения позволило получить более благоприятное сочетание
твердости на рабочей и крепежной части штампов по сравнению с традиционной технологией упрочнения и
увеличить стойкость штампов в 2-5 раз. При этом отпала необходимость проведения операции печного отпуска и дополнительного отпуска хвостовика на щелевой газовой печи.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при упрочнении тяжело
нагруженных стальных изделий сложной конфигурации.
Известен способ закалки стальных изделий, включающий нагрев до температуры аустенизации, локальное охлаждение упрочняемой поверхности водо-воздушной смесью до температуры распада аустенита, изотермическую выдержку и окончательное охлаждение (А.с. СССР 1666550, МПК С21D 1/20, 1991).
Недостатком этого способа является то, что режим охлаждения выполняется при помощи ЭВМ с контролем температуры охлаждаемой поверхности при помощи датчиков температуры. Такое управляемое охлаждение приемлемо в лабораторных условиях при закалке единичных изделий. А в производственных условиях
при закалке серийных изделий установка на обрабатываемых изделиях датчиков температуры, да еще в нескольких характерных зонах, становится задачей практически неосуществимой. Контроль температуры поверхности при помощи пирометров в условиях паро-водо-воздушной среды также не приносит желаемых
результатов. Таким образом, использование управляемой закалки по данному способу в производственных
условиях затруднено, а в ряде случаев и неосуществимо.
Известно устройство для регулирования охлаждения в процессе закалки изделий смесью воздуха и воды,
содержащее управляющую вычислительную машину, трубопроводы для воздуха и воды, управляемые клапаны, датчики температуры, управляемые смесители и форсунки (А.с. СССР 1613501, МПК С21D 11/00,
1990).
Недостатком известного устройства является то, что весь процесс управляемого охлаждения в устройстве
базируется на использовании датчиков температуры поверхности. В устройстве отсутствует система контроля и регулирования температуры и давления воды и воздуха. В этом случае, при одинаковом соотношении
расходов воздуха и воды, неконтролируемое изменение их давления и температуры в подводящих сетях (что
для всех промышленных предприятий явление неизбежное) приводит к изменению охлаждающей способности
водо-воздушной смеси.
При управлении процессом охлаждения с контролем температуры охлаждаемой поверхности при помощи датчиков температуры изменение параметров воды и воздуха компенсируется соответствующим изменением при помощи ЭВМ их расходов. Такое устройство управления приемлемо в лабораторных условиях при
закалке единичных и уникальных изделий. Однако в производственных условиях при закалке серийных изделий из-за затрудненности или невозможности контроля температуры поверхности каждого обрабатываемого изделия в процессе охлаждения использование управляемой закалки по устройству прототипа
затруднено, а в ряде случаев и неосуществимо.
Недостатком устройства является и то, что управляемые клапаны установлены на трубопроводах перед
смесителями, на выходе которых имеются форсунки. В этом случае между форсункой и клапаном имеется
объем, ограниченный смесителем и каналом подсоединения форсунки. При срабатывании клапанов (время
перекрытия клапана 0,1 с) из-за этого промежуточного объема проявляется инертность подачи смеси через
форсунки. При открытии клапанов некоторое время объем заполняется и в это время скорость истечения
смеси возрастает до заданной. При закрытии клапанов некоторое время смесь самопроизвольно вытекает из
объема смесителей и каналов. Таким образом, частота срабатывания клапанов сдерживается инертностью
системы "клапан-смеситель-форсунка", что ограничивает возможности способа и устройства.
Технической задачей, которую решает данное изобретение, является повышение управляемости процессом закалки водо-воздушной смесью изделий в производственных условиях.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является получение для каждой зоны изделия сложной конфигурации значений твердости, обеспечивающих максимальную работоспособность
этой зоны и всего изделия в целом.
Поставленная задача достигается тем, что в способе управляемой закалки водо-воздушной смесью охлаждение всей партии одинаковых изделий проводят по одной заранее заданной программе срабатывания форсунок при одинаковых заданных параметрах воды и воздуха и их соотношения. Регулирование закалочного
охлаждения выполняют для каждой зоны упрочнения отдельно. Участки, не требующие повышенной твердости, от принудительного охлаждения предохраняют. Охлаждение каждой зоны и суммарное охлаждение
изделия в целом математически рассчитывают и дозируют по времени и интенсивности таким образом, чтобы суммарное остаточное тепло в закаливаемом изделии соответствовало значению средней температуры
изделия, равному заданной температуре самоотпуска.
Поставленная цель достигается также тем, что устройство для управляемой закалки снабжено элементами
ориентации упрочняемых зон изделия относительно форсунок, блоками контроля и регулирования параметров воды и воздуха, а электромагнитный клапан управления подачей водо-воздушной смеси расположен непосредственно на форсунке.
2
BY 4566 C1
Управляемое охлаждение водо-воздушной смесью в предложенном техническом решении осуществляется путем прерывистой подачи водо-воздушной смеси при помощи форсунок с электромагнитным клапаном.
При этом каждая форсунка управляется по заранее рассчитанной для каждой зоны упрочнения программе.
Температура применяемой для охлаждения воды поддерживается постоянной в автономной емкости, а давление поддерживается постоянным путем применения автономного подающего насоса, установленного на этой
емкости. Температура и давление подаваемого сжатого воздуха поддерживаются постоянными путем установки специальных устройств на промежуточном сосуде, установленном между подводящим трубопроводом
и пневмосистемой установки. При этом путем программного управления работой каждой форсунки для каждой из зон упрочнения может быть обеспечено охлаждение по любому наперед заданному закону, что позволяет получать ранее недостижимое сочетание твердости для различных поверхностей одного изделия.
Ранее неизвестные особенности конструкции устройства для закалки штампов заключаются в том, что
вместо датчиков температуры, соединенных со входами микроЭВМ, введена программа моделирования
процесса закалочного охлаждения в самой ЭВМ с определением температурных полей в любой точке изделия. Также введены блоки контроля и регулирования параметров воды и воздуха, а электромагнитный клапан управления подачей водо-воздушной смеси расположен непосредственно на форсунке.
В качестве примера на фиг. 1, 2 и 3 показана закалка молотового штампа.
На фиг. 1 показана схема устройства для осуществления предлагаемого способа закалки. На фиг. 2 - термические кривые охлаждения гравюры и хвостовика молотового штампа, закаливаемого по предлагаемому
способу. На фиг. 3 показана программа работы одной из форсунок предлагаемого устройства при закалке
штампа по предлагаемому способу.
Устройство состоит из регулируемой по высоте подставки 2 с регулируемыми упорами в горизонтальной
плоскости, блока форсунок 3, системы программного управления форсунками 4, систем контроля и регулирования параметров воды 5 и воздуха 6 и микроЭВМ 7.
Устройство работает следующим образом.
Обрабатываемое изделие 1 устанавливают на подставку 2 и загружают в закалочную камеру таким образом, чтобы каждая зона штампа находилась в зоне воздействия соответствующей ей определенной форсунки.
Заранее полученную путем математического моделирования закалочного охлаждения на микроЭВМ 7 программу работы каждой форсунки вводят в систему программного управления форсунками 4. Охлаждение рабочей
части штампа (гравюры) производят путем направленной импульсной подачи водо-воздушной смеси через
управляемые форсунки блока 3, на каждой из которых установлен клапан, управляемый по программе, задаваемой системой управления форсунками 4. Температура и давление подаваемых к форсункам воды и воздуха контролируются и стабилизируются в блоках 5 и 6 системы контроля и регулирования. Крепежная часть
штампа принудительному охлаждению не подвергается, а охлаждается за счет теплообмена с окружающим
воздухом и теплопроводности материала штампа. Охлаждение гравюры производят с оптимальной расчетной скоростью, обеспечивающей закалку рабочей поверхности. Охлаждение прекращают, когда расчетное
суммарное остаточное тепло в закаливаемом изделии достигает значения средней температуры всей массы
изделия, равного заданной температуре самоотпуска. После прекращения принудительного охлаждения температура по всему сечению штампа выравнивается за счет теплопроводности и достигает заданного значения
температуры самоотпуска.
Преимущества технического решения видны на примере закалки штампов для кузнечного изготовления
стальных поковок. Рабочая часть штампа ("гравюра") в процессе работы подвергается интенсивному износу
и, поэтому, ее долговечность тем выше, чем выше твердость. Однако молотовые штампы при работе подвержены большим ударным нагрузкам, и чем выше их твердость, тем выше опасность их хрупкого разрушения.
Это является не только причиной их выхода из строя, но и приводит к смертельным травмам работающих. В связи с этим, а также с тем, что традиционные методы упрочнения обеспечивают одинаковую твердость на всех поверхностях изделия, существует правило: чем тяжелее условия работы штампа, тем ниже его
твердость. Частично эта проблема решается тем, что после закалки путем погружения нагретого до закалочной температуры штампа в минеральное масло и отпуска в печи при температуре 450-550 градусов его крепежную часть ("хвостовик") подвергают дополнительному отпуску путем нагрева в течение нескольких
часов на газовых щелевых печах. Однако высокого градиента температур из-за высокой теплопроводности
стали получить не удается, и, поэтому, разница в твердости гравюры и хвостовика штампов обычно невысока. При этом снижение твердости гравюры штампа является причиной снижения срока службы штампов.
По предлагаемому техническому решению упрочняли молотовой штамп из стали 5ХНМ с размерами
гравюры 600×450 мм и размером 400 мм от плоскости гравюры до плоскости хвостовика после печного нагрева на 860 °С. Управляемое охлаждение направленной струей водо-воздушной смеси производили только
со стороны гравюры. Режим охлаждения был заранее рассчитан на ЭВМ путем математического моделирования закалочного охлаждения с расчетом распределения температурных полей по поверхности и сечению
штампа по специальной методике.
Методика предусматривает создание программы управляющих воздействий на каждую из форсунок с целью достижения заданной термической кривой охлаждения для каждой из зон упрочняемого изделия. При
3
BY 4566 C1
этом учитываются все известные химические и теплофизические свойства материала изделия, охлаждающей
среды и процессы, протекающие при охлаждении в изделии и на границе изделие-среда. Программой предусмотрено отслеживание заданной термической кривой охлаждения для заданных упрочняемых зон изделия.
Для всех остальных точек поверхности и сечения термические кривые рассчитываются исходя из теплофизических параметров. Полученную термическую кривую охлаждения для любой точки накладывают на термокинетическую диаграмму применяемой марки стали и, таким образом, прогнозируют твердость,
получаемую в этой точке после расчетного режима охлаждения.
Так, для рассматриваемого штампа в интервале относительной устойчивости аустенита до температуры
700 градусов по шкале Цельсия расчетным режимом предусмотрено охлаждение на воздухе со скоростью 12 °С/с. Такое охлаждение совмещается с операцией выгрузки штампа из печи и переноса его в камеру охлаждения. В интервале наименьшей устойчивости аустенита (до температур 400-350 °С) для подавления процессов ферритного распада аустенита охлаждение поверхности гравюры производили с высокой скоростью
(7-10 °/с). В интервале бейнитного и мартенситного превращений 350-100 °С с целью избежания закалочных
трещин скорость охлаждения поверхности гравюры снижали до 0,6-1 °/с. При температуре 230-100 °С дозированной подачей водо-воздушной смеси среднее значение температуры охлаждаемой поверхности гравюры
в течение 5 мин. поддерживали постоянным. После этого охлаждение гравюры штампа прекращали и производили самоотпуск. При этом через 5 мин температура по всему сечению штампа выравнивалась за счет теплопроводности и составляла 540 °С.
Термическая кривая охлаждения поверхности гравюры штампа приведена на фиг. 2.
В процессе принудительного закалочного охлаждения гравюры штампа хвостовик охлаждался за счет теплообмена с окружающим воздухом и путем теплопроводности через тело штампа. Температурная кривая охлаждения хвостовика представлена на фигуре 2 и имеет вид экспоненты. Средняя скорость охлаждения
хвостовика в интервале "температура нагрева -температура самоотпуска" составляла 0,5 °С/с.
На фиг. 3. показана расчетная программа работы одной из форсунок для обеспечения заданных скоростей
охлаждения гравюры и температуры самоотпуска на протяжении всего процесса термообработки рассматриваемого штампа. Для каждой форсунки рабочая программа представляет собой очередность и длительность
периодов подачи смеси через форсунку ("охлаждение"), когда форсунка открыта, и периодов перерыва охлаждения ("пауза"), когда форсунка закрыта. Длительность периодов охлаждения при закалке рассматриваемого штампа составляла от 0,2 с при замедленном охлаждении и выдержки, когда средняя температура на
охлаждаемой поверхности поддерживается постоянной. При быстром охлаждении в интервале 750-400 °С
длительность периодов охлаждения составляла 1 мин. Длительность пауз составляла от 0,2 сек. при быстром
охлаждении до 5 с. при выдержке. На фиг. 3 по оси "х" - время продолжительности процесса закалки; по оси
"у" - удельная длительность периодов охлаждения, для каждого момента времени, определяемая как соотношение длительности периода охлаждения на данном этапе к суммарной длительности периодов "охлаждение" + "пауза". Из сопоставления фиг. 2 и 3 видно, что каждой стадии закалочного охлаждения, показанной
на фиг. 2, соответствует своя программа работы форсунки на фигуре 3. Так, при подстуживании от 860 до
760 ° в течение 1 мин форсунка была полностью закрыта все время и периоды охлаждения отсутствовали.
(Удельная длительность периодов охлаждения равна нулю). При интенсивном охлаждении от 760 до 450 °С
форсунка была все время открыта. В течение этого времени непрерывно длился период охлаждения без пауз.
(Удельная длительность периодов охлаждения равна 1). В период замедленного охлаждения от 450 до 200 °
соотношение периодов охлаждения пауз изменялось непрерывно от 1 до 0,25. В течение изотермической
выдержки наступило некоторое равновесие притока тепла к поверхности из внутренних слоев металла и
съема тепла с поверхности охлаждающей средой. Удельная длительность периодов охлаждения на этом этапе стабилизировалась на значении 0,25. В момент, когда оставшееся в объеме охлаждаемого изделия расчетное количество тепла снижается до значения, соответствующего значению заданной температуры
самоотпуска, охлаждение прекращают. В рассматриваемом случае этот момент наступил по истечении 13
мин от начала охлаждения. Стадия закалки вступила в фазу самоотпуска. В этот период форсунка закрыта,
удельная длительность периодов охлаждения опять равна нулю. На этом этапе за счет притока тепла из
внутренних слоев металла и от хвостовика температура по всему сечению штампа выравнивается и достигает заданной температуры самоотпуска, равной 540 °С.
Таким образом, на гравюре штампа произошли процессы закалки и отпуска, а на хвостовике скорость охлаждения не достигла критического значения для закалки. Относительно ускоренное охлаждение, по сравнению с естественным охлаждением на воздухе, обеспечило измельчение структуры и упрочнение зоны
хвостовика.
Рассчитанную на ЭВМ программу работы для всех форсунок (массив управляющих воздействий) вводят
в систему программного управления форсунками (контроллер). При поддержании постоянных значений на
входе (температура, давление и соотношение воды и воздуха), введенная программа позволяет производить
закалочное охлаждение по одному режиму для всех однотипных изделий с высокой степенью повторяемости
результатов для всей партии и для последующих партий.
В результате управляемой закалки водо-воздушной смесью на гравюре рассматриваемого штампа получена твердость 41-46 HRC. Это несколько выше твердости (36-42 HRC), предусмотренной для этих штампов
4
BY 4566 C1
традиционной закалкой "на масло" и печным отпуском на 540 °С. На хвостовике по предложенному способу
получена твердость 24-28 HRC, что соответствует оптимальному значению для крепежной части штампа
(28-32 для печной обработки).
Таким образом, применение предложенного технического решения позволило получить более благоприятное сочетание твердости на рабочей и крепежной части штампов по сравнению с традиционной технологией упрочнения. При этом отпала необходимость проведения операции печного отпуска и дополнительного
отпуска хвостовика на щелевой газовой печи.
Сравнительные производственные испытания молотовых штампов, упрочненных по серийной технологии и по предложенному способу, показали увеличение срока службы опытных штампов в 1,5-5 раз. Такое
повышение срока службы может быть объяснено более благоприятным распределением градиента твердости
и структур одновременно с повышением твердости на 3-5 единиц HRC на гравюре.
По способу и устройству прототипов из-за невозможности измерения температуры на поверхности
штампов в процессе охлаждения в производственных условиях упрочнить штамп не представляется возможным.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить качество упрочняемых изделий
при снижении затрат трудовых и энергетических ресурсов.
1. Способ управляемого закалочного охлаждения стальных изделий водовоздушной смесью, включающий регулируемое для каждой зоны охлаждение до температуры распада аустенита с регулируемой подачей
водовоздушной смеси и самоотпуск, отличающийся тем, что регулирование подачи водовоздушной смеси
осуществляют по программе, заранее рассчитанной на ЭВМ путем математического моделирования процесса охлаждения с отслеживанием для упрочняемых зон изделия заданной термической кривой охлаждения
при поддержании постоянными заданных значений температуры и давления подводимых воды и воздуха и
регулированием их соотношения, при этом подачу водовоздушной смеси осуществляют до тех пор, пока
расчетное количество теплоты во всем закаливаемом изделии станет равным значению, соответствующему
заданной температуре самоотпуска.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что закалочное охлаждение изделий типа "штамп" выполняют со
стороны рабочей поверхности, а охлаждение крепежной части происходит за счет теплопроводности материала и теплообмена с окружающей атмосферой.
3. Устройство для осуществления способа по п. 1 или 2, включающее камеру охлаждения с форсунками и
управляемыми электромагнитными клапанами, подводящие трубопроводы и систему программного управления форсунками, отличающееся тем, что содержит блоки контроля и регулирования параметров подводимых
воды и воздуха, управляемые электромагнитные клапаны подачи водовоздушной смеси установлены на форсунках, а система программного управления форсунками управляет очередностью и длительностью срабатывания форсунок по программе, заранее рассчитанной на ЭВМ методом математического моделирования
процесса закалочного охлаждения.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
159 Кб
Теги
by4566, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа