Installation of screw reduction UVO 20-50 for hardening and calibration of cylindrical parts and billets of agricultural machinery

Full Text

Введение Разработанный метод высокотемпературной термомеханической обработки с деформацией винтовым обжатием (ВТМО ВО) [1] зарекомендовал себя как один из ставших традиционными способов термо-пластического воздействия на заготовку с одновременным ее упрочнением при охлаждении. Дальнейшее совершенствование метода позволило вести обработку горячекатаных заготовок, применяя большой спектр технологических схем и конструктивных решений в области оснастки и оборудования [2-3]. Однако, несмотря на гибкость процесса винтового обжатия (ВО), технологические возможности метода ограничены. К этому можно отнести трудность получения равномерной структуры по сечению заготовок для таких деталей сельхозтехники, как валы и оси. В связи с этим и в свете дальнейшего развития метода ВО и его модификаций была разработана установка высокотемпературной термомеханической обработки УВО 20-50 с возможностью ее использовании в линии изготовления цилиндрических деталей. Установка УВО предназначается для формообразования и упрочнения цилиндрических деталей сельхозтехники методом высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) с деформированием металла винтовым обжатием (ВО) и обеспечением технических характеристик технологических операций, приведенных в таблице 1. Таблица 1 Технические характеристики технологических операций Table 1. Technical characteristics of technological operations Наименование стадии (№ операции) Параметры технологического процесса Наименование параметра Значение Технологическая норма Предельно безопасное Предельно допустимое Критическое Мин. Макс. 1. Нагрев Температура °С 980 1000 980 1010 1040 Время,с. 5 5 5 5 5 2. Деформация Степень деформации, λ, % 20 30 30 30 45 скорость подачи,м/с 0,033 0,033 0,033 0,033 0,033 3. Охлаждение Скорость охлаждения, град/с 30 120 130 130 130 Деформация винтовым обжатием цилиндрических деталей сельхозтехники основана на придании заготовке вращения и осевого перемещения с последовательным обжатием ее в неприводных роликах (валках), которые образуют калибр обработки. Кроме ВТМО на установке можно проводить упрочнение деталей методами ВТМПО, ППД и закалки ТВЧ. ВТМПО - высокотемпературная термомеханическая поверхностная обработка - отличается от ВТМО только глубиной прогреваемого и деформируемого слоя по сечению. При ВТМПО поверхностный слой прогревается, и соответственно деформируется на заданную глубину. ППД - поверхностная пластическая деформация - проводится на «холодной заготовке». В результате обкатки заготовки в валках поверхностный слой получает упрочнение в виде наклепа. Закалка ТВЧ проводится без деформирования заготовки в валках. Таким образом, установка позволяет получить термомеханически упрочненные или закаленные или «наклепанные» детали заготовки типа валов и осей. Цель исследований Целью настоящей работы явилось проектирование и изготовление специализированного оборудования для упрочнения и калибровки высоконагруженных деталей сельхозтехники УВО 20-50 с высокими механическими свойствами материала деталей и возможной замене сплошных заготовок на полые. Материалы и методы Обработка опытных партий заготовок из сталей 38ХС и 30ХГСН2А была проведена на установке УВО 20-50. Устройство и работа установки и ее составных частей Управление установкой Управление системой загрузки-разгрузки заготовок установки осуществляется с электрического пульта основного узла, а системой для нагрева заготовки с пульта установки ТВЧ. Механических органов управления установка не имеет. Структура технологического оборудования: · система для нагрева заготовки (установка ТВЧ, мощность 100 - 150 кВт, частота 60 - 100 кГц, тип исполнения: тиристорная); · деформирующее оборудование: клеть трехроликовая (трехвалковая) неприводная с управлением радиальным перемещением и углом разворота валков; катаемый диаметр - 20 - 50 мм, длина заготовки до 1200 мм; угол разворота роликов 0° - 6°; · привод вращения заготовки: мощность до 10 кВт (5.5 кВт), частота вращения 60 - 120 об/мин; · привод осевой подачи: мощность 1,5 кВт, величина подачи 300 - 500 мм/мин; · система загрузки-разгрузки заготовок; · система охлаждения: а) разомкнутая от водонапорной сети и сливом в систему водоотведения; б) замкнутая с управляемым составом охлаждаемой среды; · система управления: а) поэлементный ручной наладочный (применяется при отработке режимов упрочнения новой детали); б) полуавтоматический, основной (запуск процесса упрочнения производится оператором установки с пульта управления, а останов производится автоматически, при достижении заданной величины обрабатываемого размера). Суммарная подводимая мощность до 200 кВт. Необходимо наличие на участке водонапорной сети и системы водоотведения. Материал деформирующих валков - теплостойкие штамповые стали типа 6Х6М1Ф. Результаты исследований и обсуждение Описание работы установки Установка может работать по 2 вариантам (в зависимости от конструкции упрочняемой детали) следующим образом. 1-ый вариант операции упрочнения и калибровки (для деталей типа «вал», «труба») начинается, по необходимости, с перемещения каретки 7 (рис.) в первоначальное положение (крайнее положение возле клети 2). Затем, происходит закрепление упрочняемой детали в тяге заготовки 6. После чего, начинает работать спрейер 3, включается система охлаждения (замкнутая или разомкнутая, в зависимости от необходимости получения нужной структуры материала заготовки) и происходит включение привода вращения заготовки 8, затем, включается установка ТВЧ (полупроводниковый преобразователь частоты ППЧ-160-66) и с помощью индуктора (входящего в состав ППЧ) происходит нагрев «заходного» конца заготовки до заданной температуры. После чего, включается привод осевой подачи 10 и происходит непрерывно-последовательный процесс нагрева заготовки с последующей калибровкой в клети 2, до момента перемещения каретки 7 в крайнее положение от клети (заготовка с тягой 6 находятся в зоне разгрузки). Затем происходит выключение привода осевой подачи 10 и привода вращения заготовки 8, после этого выключается система охлаждения (спрейер 3), происходит выгрузка (отсоединение) заготовки от тяги заготовки 6. 2-ый вариант операции упрочнения и калибровки (для деталей с отверстием типа «гайка») отличается от первого тем, что вместо тяги заготовки 6 устанавливается оправка деформирующая, а заготовка (с отверстием) закрепляется в кулаках клети с внутренней стороны вместо спрейера 3, после чего с помощью индуктора ТВЧ происходит нагрев ее внутренней поверхности. Затем, включается привод осевой подачи 10 и деформирующая оправка калибрует внутреннюю поверхность заготовки, после этого включается обратный ход привода осевой подачи, происходит выключение хода привода осевой подачи, а заготовка попадает в зону охлаждения. Рис. Общий вид установки УВО 20-50 для упрочнения наружных поверхностей Fig. General view of the UVO 20-50 installation for hardening the outer surfaces Описание групп и узлов установки Станина (10) сварная металлоконструкция служит основанием, на котором смонтированы узлы установки. Привод вращения заготовки (NMRV 130-15-93,3-5,5-V5) представляет собой трехфазный мотор-редуктор (с муфтой предохранительной крутящего момента фрикционная TL700-2C) мощностью 5,5 кВт и число оборотов 93,3 об/мин, крутящий момент 490 Нм, установленный на каретку (8). Привод осевого перемещения заготовки(NMRV 063-7,5-186,7-1,5-V5), представляет собой трехфазный мотор-редуктор (с муфтой предохранительной крутящего момента фрикционная TL350-1C) мощностью1,5 кВт и число оборотов 186,7 об/мин, установленный на модуль каретки (8). Каретка представляет собой «сборку» - пластины каретки (8) с прикрепленными на нее мотор-редуктором (с помощью опоры), оси каретки (передающую вращение с мотор-редуктора на заготовку, и 4 кареток HIWINHGW30CCZ0C(служащие направляющими и компенсируют перекосы каретки во время работы), гайка ШВП (шарико-винтовая передача) каретки SFU3205 (закрепляется неподвижно в осевом направлении). Каретка предназначена для совмещения приводов вращения и осевого перемещения и выведения их на позицию загрузки-разгрузки заготовка. Система загрузки - разгрузки представляет собой совокупность узлов и механизмов приводов вращения заготовки, осевой подачи (перемещения) заготовки, а также тяги заготовки (11), управляемых системой управления. Деформирующее оборудование включает в себя клеть с валками (6), предназначенную для радиального обжатия и калибровки цилиндрических заготовок. В клети (6) собраны три направляющих на торцах которых смонтированы неприводные деформирующие ролики, закрепленные на кулаках. Каждая направляющая имеет гайку, фиксирующую радиальное перемещение ролика к оси обработки. Разворот роликов относительно оси обработки осуществляется регулировочными болтами настройки угла и контролируется по лимбу. Спрейер предназначен для закалки изделия, выполнен в виде сборного цилиндра, на внутренней поверхности которого расположены отверстия для разбрызгивания воды. Система слива (ёмкость для сбора воды) предназначена для сбора и отвода использованной жидкости из зоны охлаждения изделия в систему водоотведения (при помощи прикрепленного шланга), как производственного участка, так и в замкнутую систему охлаждения. Описание системы нагрева ТВЧ Полупроводниковые преобразователи частоты серии ППЧ предназначены для преобразования трехфазного тока промышленной частоты в переменный однофазный ток средней частоты. Применяются для питания колебательного контура индукционных плавильных печей, закалочных и других электротермических устройств с секционными устройствами. В диапазоне частот от 8000Гц до 70 кГц используются статические преобразователи частоты, являющиеся источником напряжения специальной формы с импульснокодовой модуляцией, выполненном на IGBT транзисторах, который питает параллельный колебательный контур электротермической установки. Питание ППЧ должно осуществляться от четырехпроводной сети с номинальным напряжением 380 В. Описание системы управления установкой винтового обжатия. Система управления выполняет следующие задачи: · управления пуском, остановкой, защитами; · сигнализации режимов работы и неисправностей, обеспечения требуемых законов регулирования; · обеспечения алгоритмов подачи и снятия управляющих импульсов для тиристоров выпрямителя и транзисторов инвертора; · формирования импульсов управления тиристорами с заданными параметрами. В табл. 2 представлены технические характеристики установки для упрочнения круглого проката и комплект оборудования для нагрева и охлаждения. Таблица 2 Технические характеристики УВО 20-50 Table 2. Technical characteristics of UVO 20-50 Наименование параметров Величина 1. Наибольшая длина обработки, мм 1200 2. Диаметр заготовки, мм минимальный максимальный 20 50 3. Крутящий момент, Н м до 500 4. Скорость вращения заготовки, об/мин (за счет схемы управления эл. двигателями) 60÷120 5. Максимальное тянущее усилие, кН 30 6. Максимальное усилие обжатия валков(роликов),кН 90 7. Диаметр обжимных валков (роликов), мм 80 8. Ход каретки, мм 1300 9. Угол разворота валков (роликов), град от 0 до 6 10. Скорость осевой подачи, мм/мин 300÷500 11. Наибольшая величина обжатия, % 20÷30 12. Суммарная мощность эл. двигателей, кВт 7 13. Охлаждение водное 14. Габариты установки, мм(для справки) длина ширина высота 2670 825 1380 15. 16. 17. Масса ориентировочная (без установки ТВЧ), кг Система загрузки - разгрузки заготовок Полупроводниковый преобразователь частоты ППЧ-160-66 (Блок согласования, Провода соединительные к ППЧ и БК, Станция охлаждения СО-40, Комплект одновитковых индукторов для деталей УВО). 1060 В таблице 3 представлен уровень механических свойств, формирующихся в сталях 38ХС и 30ХГСН2А при различных схемах обработки. Таблица 3 Механические свойства стали 38ХС от степени деформации при ВТМО и температуры отпуска (опыты 1 - 6) и влияние схемы обработки на свойства стали 30ХГСН2А (опыты: 7 - на длинной оправке, 8 - на короткой оправке) Table 3. Mechanical properties of 38HS steel on the degree of deformation at HTMT and tempering temperature (experiments 1 - 6) and the effect of the treatment scheme on the properties of steel 30KHGSN2A (experiments: 7 - on a long mandrel, 8 - on a short mandrel) № п/п Марка стали tотп., °С l, % s0,2, МПа sB, МПа d, % Y, % KCU, МДж/м2 HRCэ, ед 1 38ХС Образец KCU 3х4 мм 200 20 1586 1812 12,9 46,1 0,36 47…51 2 270 20 1428 1587 10,7 43,0 0,54 3 200 26 1571 1775 15,3 53,4 0,41 4 270 26 1448 1631 13,5 55,6 0,64 5 200 30 1603 1817 13,1 52,5 0,56 6 270 30 1501 1689 14,9 53,0 0,58 7 30ХГСН2А Образец KCU 10х10 мм 200 25 1721 1879 13,3 63,5 1,11 8 200 25 1653 1837 14,2 56,0 1,21 Исследования механических свойств углеродистых среднелегированных сталей опубликованы в работах М.Л. Бернштейна, О.И. Шаврина, В.Б. Дементьева и многих авторов, занимающихся вопросами упрочнения при ВТМО [4]. Определенный интерес в нашем случае представляет влияние вида ВО на свойства стали 30ХГСН2А и степени деформации λ при оправочном деформировании труб из стали 38ХС. По приведенным в табл. 3 результатам видно, что для стали 38ХС наилучшие механические свойства получены при режимах обработки заготовок со степенью деформации 20, 26 и 30 % и отпусков 200 и 270°С. Отсюда для стали 38ХС видно, что при снижении температуры отпуска до 200°С предел прочности возрастает на 128 МПа, предел текучести на 100 МПа при степени деформации 30%, а ударная вязкость уменьшается незначительно. Физико-механические свойства стали 30ХГСН2А получены для упрочненных трубных заготовок, обработанных со степенью деформации 25% [5-7] . Выводы Разработана и изготовлена установка винтового обжатия УВО 20-50 с замкнутой системой охлаждения упрочненного проката с возможностью встраивания оборудования в производственную линию изготовления деталей. Установка УВО предназначается для формообразования и упрочнения цилиндрических деталей методом высокотемпературной термомеханической обработки с деформированием металла винтовым обжатием и обеспечением технических характеристик заготовительных операций. Проведенные исследования механических свойств сталей 38ХС и 30ХГСН2А показывают, что материал полностью соответствует по характеру структуры и прочности традиционному упрочнению методом ВТМО и может использоваться в промышленности в качестве упрочненной заготовки высоконагруженных технических систем. При этом окончательное формирование структуры материала происходит на стадии ВТМО ВО и не зависит от предшествующих операций. Исследования механических характеристик показали, что уровень механических свойств на 15…20 % выше, чем после объемной термообработки.

About the authors

V. B Dement'yev

Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Dsc in Engineering Izhevsk, Russia

A. D Zasypkin

Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: oka592@rambler.ru
PhD in Engineering Izhevsk, Russia

M. YU Sterkhov

Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

PhD in Engineering Izhevsk, Russia

A. V Churkin

Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

PhD in Engineering Izhevsk, Russia

References

Supplementary files