способ автоматической диагностики и управления процессом термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей и устройство для его осуществления

Классы МПК:C21D11/00 Процесс контроля или регулирования термообработки
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-06-16
публикация патента:

Группа изобретений относится к области термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей типа «вал». Способ автоматической диагностики и управления процессом термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей включает установку испытуемой заготовки-образца в стапель, вмонтированный в электропечь, один конец которой жестко фиксируют относительно стапеля, а второй - в зажимном механизме силового нагружения, и одновременно воздействуют на нее температурно-силовыми факторами в осевом направлении. Выравнивают температуру печи по длине и прикладывают осевую растягивающую силу, одновременно контролируют текущий размер диаметра заготовки-образца и управляют температурно-силовым режимом, выравнивают величины поперечных деформаций - утонений по всей длине и включают режим остывания печи с заданной скоростью. Устройство для осуществления способа автоматической диагностики и управления термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей содержит стапель с фиксаторами заготовок и нагревательный элемент. Заготовка-свидетель и заготовка-образец установлены в стапеле с опорными крышками и с двумя отверстиями под захваты заготовок с накрученными сферическими гайками, концы захватов закреплены в отверстиях захватов с внутренней резьбой, а между торцами захватов и образцов и между крышками стапеля и нагревательной камерой установлены теплоизоляционные прокладки. Устройство также содержит датчики контроля утонения диаметров, которые включают в себя щупы, выполненные из материала с минимальным коэффициентом линейного расширения в виде пружины сжатия, первичные преобразователи линейных перемещений и усилители; кроме того, устройство для термосиловой обработки снабжено системой автоматического управления, которая включает датчики температуры, вмонтированные в тело заготовки-свидетеля; линейных перемещений - утонений диаметров и длины заготовки-свидетеля длинномерного узла, установленного на фундаменте и включенного в цепь управления. Система управления содержит три контура управления, один из которых выполнен с возможностью управления величиной и скоростью продольной деформации, второй - температурным воздействием, третий - величиной утонений и равномерной пластической деформацией, причем каждый контур управления содержит датчик, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и привод. Технический результат - повышение стабильности размеров и формы длинномерных маложестких деталей путем устранения направленности и минимизации уровня осевых остаточных напряжений и формирования их равномерности по длине заготовки. 2 н.з. ф-лы, 2 ил. способ автоматической диагностики и управления процессом термосиловой   обработки маложестких осесимметричных деталей и устройство для   его осуществления, патент № 2466195

способ автоматической диагностики и управления процессом термосиловой   обработки маложестких осесимметричных деталей и устройство для   его осуществления, патент № 2466195 способ автоматической диагностики и управления процессом термосиловой   обработки маложестких осесимметричных деталей и устройство для   его осуществления, патент № 2466195

Формула изобретения

1. Способ автоматической диагностики и управления процессом термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей, включающий установку испытуемой заготовки-образца в стапель, вмонтированный в электропечь, один конец которой жестко фиксируют относительно стапеля, а второй - в зажимном механизме силового нагружения, и одновременно воздействуют на нее температурно-силовыми факторами в осевом направлении, при этом выравнивают температуру печи по длине и прикладывают осевую растягивающую силу, одновременно контролируют текущий размер диаметра заготовки-образца и управляют температурно-силовым режимом, выравнивают величины поперечных деформаций - утонений по всей длине и включают режим остывания печи с заданной скоростью, отличающийся тем, что в стапеле размещают изготовленный из того же материала и имеющего те же геометрические параметры, что и заготовка-образец, дополнительно заготовку-свидетель, в тело заготовки-свидетеля зачеканивают датчики температуры по ее длине с шагом, равным восьми ее диаметрам и на глубину, равную ее радиусу, и фиксируют в стапеле, нагревают до температуры закалки материал заготовок, определяют зоны слабой зависимости усилий деформации от температуры и при этой температуре устанавливают зависимость напряжений от деформации, определяют зоны слабой зависимости пластической деформации от осевых усилий, оценивают равномерность утонений диаметров заготовки-свидетеля по данным датчиков температуры, и назначают режим осевой деформации, при этом при достижении заданного среднего значения равномерности пластической деформации по длине заготовки-свидетеля отключают нагрев, а процесс термосиловой обработки переводят в режим разгрузки, при котором осевую силу сжатия заготовки уменьшают пропорционально деформации сжатия до полной разгрузки, причем осуществляют автоматическое управление нагревом и охлаждением, нагрузкой и разгрузкой блоком управления тремя контурами.

2. Устройство для автоматической диагностики и управления процессом термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей, содержащее электрическую нагревательную печь со встроенным стапелем и с элементами фиксации заготовки-образца сферическими захватами, механизм осевого деформирования, измерители линейных перемещений, температуры и систему автоматического управления, включающую усилители, блок управления и электрогидропривод, отличающееся тем, что используют дополнительно заготовку-свидетель, при этом заготовка-свидетель и заготовка-образец установлены в стапеле с опорными крышками и с двумя отверстиями под захваты заготовок с накрученными сферическими гайками, концы захватов закреплены в отверстиях захватов с внутренней резьбой, между торцами захватов и заготовок и между крышками стапеля и нагревательной камерой установлены теплоизоляционные прокладки, при этом устройство содержит датчики контроля утонения диаметров, которые включают щупы, выполненные из материала с минимальным коэффициентом линейного расширения в виде пружин сжатия, первичные преобразователи линейных перемещений и усилители, а система автоматического управления включает датчики температуры, датчики линейных перемещений - утонений диаметров и длины заготовки-свидетеля, датчики динамометрического узла, установленного на фундаменте и включенного в контур управления системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к машиностроению и могут быть использованы для исследования и апробации технологии термосиловой обработки (ТСО), позволяющей минимизировать и стабилизировать уровень остаточных напряжений в металлических изделиях.

Известен способ термосиловой обработки валов, включающий нагрев и охлаждение с приложением статического и динамического осевого нагружения - растяжения [1].

Известно устройство для автоматической диагностики и управления процессом пластической деформации маложестких деталей, содержащее электрическую печь с элементами механической фиксации заготовки, электромагнитный пускатель, гальванически связанный с нагревательными элементами электрической печи, преобразователь регистрации температуры с контуром автоматического управления температурой, блок с тарировочным квазистатическим нагружением, три взаимосвязанных контура формирования диагностических признаков и управляющих сигналов, контур автоматического управления динамическим воздействием в осевом направлении заготовки, контур формирования управляющего сигнала о величине и характере приращения линейного удлинения заготовки, контур автоматического управления приводом жесткой фиксации заготовки [1].

Недостатками способа и устройства является отсутствие контроля температуры нагрева заготовки по длине и глубине нагрева, а также контроля за уровнем осевой силы при разгрузке, что приводит к неравномерным деформациям заготовки по длине и, как следствие, неравномерность осевых остаточных напряжений, приводящих и короблению готовых изделий. В процессе осевой деформации нет контроля за равномерностью - утонением диаметра заготовки, а также контроля осевого усилия в функции температуры, что снижает производительность процесса; перегрев и недогрев оценивается только на стадии окончания технологического процесса термосиловой обработки.

Наиболее близким способом к заявляемому изобретению, выбранному в качестве прототипа, является способ автоматического обеспечения технологических параметров осесимметричных маложестких деталей при термосиловой обработке, включающий нагрев, охлаждение, статическое и динамические силовые воздействия на исходную заготовку, а также бесконтактный контроль диаметра по длине заготовки, с последующей корректировкой зон нагрева заготовки по длине [2].

Известно устройство для автоматической диагностики и управления процессом термомеханической обработки маложестких деталей, также выбранное в качестве прототипа, содержащее шахтную электропечь, стапель, механизм жесткой фиксации заготовки с управляемым электроприводом, первичные преобразователи регистрации температуры и линейных перемещений заготовки в осевом направлении с блоками усиления и формирования полезных сигналов в функции приращения температуры и линейных температурных удлинений заготовки, соединенными с многовходовым регистратором и реле - регулятором автоматического управления температурным режимом печи и электроприводом механизма жесткой фиксации заготовки в режиме отпуска, диагностический канал регистрации момента наступления фазовых превращений и сверхпластичности заготовки [2].

Недостатками способа и устройства является отсутствие контроля прогрева и охлаждения заготовки по объему и отсутствие возможности слежения за поведением материала заготовки при производительной скорости охлаждения и нагрева, выстоя и деформации, неизвестность зависимости прочностных характеристик в функции нагрева и охлаждения, несовместность пластических деформаций при остывании, и, как следствие, нестабильность технологических параметров и потеря эксплуатационной точности, кроме того, отсутствие информации о напряжении и величине остаточных напряжений при охлаждении. Конструктивно устройство для реализации способа громоздко и сложно в изготовлении. Кроме того, разделение нагревательной камеры печки на зоны создает неравномерное нагревание и охлаждение материала заготовки. Отсутствие контроля усилия осевого сжатия при охлаждении формирует неравномерность осевых остаточных напряжений, приводящих к короблению готовых изделий.

Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, заключается в повышение эффективности ТСО с достижением следующих технических результатов: повышение стабильности размеров и формы длинномерных осесимметричных маложестких деталей за счет формирования равномерных осевых и остаточных напряжений, минимизации энергетических затрат и повышении производительности ТСО.

Эта задача решается тем, что в способе диагностики и управления процессом термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей, в стапель, вмонтированный в электропечь, устанавливают испытуемую заготовку, один конец которой жестко фиксируют относительно стапеля, а второй - в зажимном механизме силового нагружения, и одновременно воздействуют на нее температурно-силовыми факторами в осевом направлении, при этом выравнивают температуру печи по длине и прикладывают осевую растягивающую силу, одновременно контролируют текущий размер диаметра заготовки и управляют температурно-силовым режимом, выравнивают величины поперечных деформаций - утонений по всей длине и включают режим остывания печи с заданной скоростью, причем в стапеле размещают, изготовленный из того же материала и имеющего те же геометрические параметры, что и заготовка-образец, дополнительно заготовку-свидетель, в тело заготовки-свидетеля зачеканивают датчики температуры по длине заготовки с шагом, равным восьми ее диаметрам, и на глубину, равную радиусу заготовки, и фиксируют в стапеле, нагревают до температуры закалки материал заготовок, определяют зоны слабой зависимости усилий деформации от температуры и при этой температуре устанавливают зависимость - напряжений от деформации, определяют зоны слабой зависимости пластической деформации от осевых усилий, оценивают равномерность утонений диаметров заготовки-свидетеля по данным датчиков температуры, и назначают режим осевой деформации, и при достижении заданного среднего значения равномерности пластической деформации по длине заготовки-свидетеля, отключают нагрев, а процесс термосиловой обработки переводят в режим разгрузки, при котором осевую силу сжатия заготовки уменьшают пропорционально деформации сжатия, до полной разгрузки, причем управление нагревом и охлаждением, нагрузкой и разгрузкой осуществляют автоматически блоком управления тремя контурами.

Установка заготовки-свидетеля из того же материала и имеющего те же геометрические параметры, что и заготовка-образец дает возможность контролировать температурные и деформационные процессы при ТСО, после обработки исследовать структуру материала, в том числе разрушающими методами, обработанной заготовки-свидетеля.

Зачеканивание в тело заготовки-свидетеля датчиков температуры по длине заготовки с шагом, равным восьми ее диаметрам, и на глубину, равную радиусу заготовки, обеспечивает контроль за температурными деформациями для определения функции напряжение - относительная деформация в функции температуры нагрева и охлаждения, позволяет оценить равномерность относительных деформаций при нагреве и охлаждении, при сжатии и растяжении, что необходимо для оценки равномерности уровня созданных остаточных напряжений.

Фиксация заготовок в стапеле, нагрев до температуры закалки материала заготовок обеспечивает заданный режим нагрева, снижает предел текучести материала обрабатываемой заготовки.

Определение зон слабой зависимости усилий деформации от температуры, и соответственно, слабой зависимости напряжений от деформации, определение зоны слабой зависимости пластической деформации от осевых усилий необходимо для обеспечения минимума усилий деформирования.

Оценивание равномерности утонений диаметров заготовки-свидетеля по данным датчиков температуры необходимо для задания температурного режима воздействия на заготовки с целью выравнивания деформации.

Проведение осевой деформации с отключением нагрева при достижении заданного среднего значения равномерности пластической деформации по длине заготовки - свидетеля позволяет гарантированно пластически деформировать заготовки по всей длине с упрочнением материала и с формированием направленной текстуры.

Перевод процесса термосиловой обработки в режим разгрузки, при котором осевую силу сжатия заготовки уменьшают пропорционально деформации сжатия, до полной разгрузки необходим для формирования равномерного распределения остаточных напряжений по длине в готовых изделиях.

Управление нагревом и охлаждением, нагрузкой и разгрузкой осуществляют автоматически блоком управления тремя контурами, что позволяет задать температурный режим ТСО - время и скорость нагрева, величины осевой деформации, скорости деформации, необходимые по величине и знаку осевые усилия, с учетом особенностей процесса деформирования и физико-механических свойств материала заготовок.

Эта задача также решается тем, что в устройстве для диагностики и управления обработкой маложестких осесимметричных деталей, содержащем электрическую нагревательную печь с встроенным стапелем и с элементами фиксации заготовки сферическими захватами, механизм осевого деформирования, измерители линейных перемещений, температуры и систему управления, включающую усилители, блок управления и электрогидропривод, используют дополнительно образец-свидетель, при этом заготовка-свидетель и заготовка-образец установлены в стапеле с опорными крышками и с двумя отверстиями под захваты заготовок с накрученными сферическими гайками, концы захватов закреплены в отверстиях захватов с внутренней резьбой, между торцами захватов и образцов и между крышками стапеля и нагревательной камерой установлены теплоизоляционные прокладки; содержит датчики контроля утонения диаметров, которые включают: щупы, выполненные из материала с минимальным коэффициентов линейного расширения в виде пружин сжатия, первичные преобразователи линейных перемещений и усилители; а система автоматического управления включает датчики температуры, датчики линейных перемещений - утонений диаметров и длины заготовки-свидетеля, датчики динамометрического узла, установленного на фундаменте и включенного в контур управления.

Образец-свидетель, установленный в стапель, позволяет создать такую же схему нагружения, что и заготовки-образца.

Установка заготовки-свидетеля и заготовки-образца в стапеле с опорными крышками и с двумя отверстиями под захваты заготовок с накрученными сферическими гайками позволяет создать силовое замыкание по концам заготовок с компенсацией несоосностей отверстий под захваты, чтобы исключить изгиб заготовок.

Отверстия захватов с внутренней резьбой позволяют обеспечить надежное закрепление заготовок, расширить технологические возможности установки за счет регулирования положения захватов по длине поверхностей под крепление заготовок.

Установка теплоизоляционных прокладок между торцами захватов и заготовок и между крышками стапеля и нагревательной камерой обеспечивают стабильность и равномерность температуры в печи и минимизируют утечку тепла через захваты.

Датчики контроля утонения диаметров, которые включают: щупы, выполненные из материала с минимальным коэффициентов линейного расширения в виде пружин сжатия, минимизируют погрешность, вносимую самим датчиком при изменении температуры, обеспечивают непрерывный контроль измеряемой поверхности.

Первичные преобразователи линейных перемещений и усилители, датчики температуры, датчики линейных перемещений - утонений диаметров и длины заготовки-свидетеля, датчики динамометрического узла определяют величину температуры, деформации, усилия в режиме реального времени.

Динамометрический узел, установленный на фундаменте и включенный в контур управления, обеспечивает жесткость конструкции при ТСО с возможностью измерения силовых параметров.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, представленными на фиг.1 и 2, где на фиг.1 приведен общий вид установки и функциональная схема диагностики, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Устройство для диагностики и управления процессом термосиловой обработки маложестких осесимметричных деталей (фиг.1) содержит встроенный стапель 1, электрический нагреватель 2, закрепленный на стапеле и подключенный к источнику постоянного тока 3, образуя контур нагрева образца 4 и образца-свидетеля 5, в тело которого зачеканены термопары 6, на фиг.2 показана заделка головки термопары в тело образца-свидетеля. Выходной сигнал с датчиков температуры 6 поступает на вход усилителя 7, а выход усилителя 7 подключен к блоку управления - ЭВМ 8, образуя контур диагностики температуры прогревания образца-свидетеля по длине и глубине.

Оба образца 4 и 5 соединяют с захватами 9 с помощью резьбового соединения, это позволяет при неоднократных исследованиях использовать один образец-свидетель 5, а увеличение его длины регулировать вывинчиванием испытуемого образца 4 на величину остаточной деформации образца-свидетеля. Оба образца устанавливают в крышки 10 стапеля и фиксируют с помощью сферических шайб 11. Теплоизоляция захватов 9 от образцов осуществляется с помощью прокладок 12, установленных в торцах отверстий захватов 9. Теплоизоляция стапеля 1 от корпуса 13 осуществляется с помощью теплоизоляции 14, последняя закреплена относительно стапеля 1.

Стапель в сборе крепится в корпусе 13, а последний жестко закреплен на фундаменте. Отток тепла через крышки 10 изолируется теплоизоляционными прокладками 15. Утонение диаметра образца-свидетеля 5 контролируется щупами 16, установленными в корпусе 13 и стапеле 1 в контакте с образцом-свидетелем 5. Торцы щупов 16 установлены с зазором с датчиками линейных перемещений 17 и подпружинены относительно корпуса 13, последнее позволяет контролировать утонение и утолщение свидетеля.

Выход датчиков линейного перемещения подключен к аналого-цифровому преобразователю 18, а выход последнего подключен на вход блока управления - ЭВМ 8 - это контур диагностики равномерности пластических деформаций по длине образца.

На фундаменте, как на измерительной базе, крепится датчик 19 линейных перемещений суммарных деформаций образца, выход которого через усилитель 20 и аналого-цифровой преобразователь 21 и включенный последовательно к контуру управления, является входом в блок управления - ЭВМ 8, образуя контур диагностики.

При контроле относительной деформации включается в работу контур осевых усилий, который включает в себя последовательно включенные блоки: динамометрический узел 22, датчик усилий 23, усилитель 24, а аналого-цифровой преобразователь 25, выход последнего включен на вход блока управления - ЭВМ 8. Последний управляет работой регулируемого электро-гидропривода осевых деформаций 26.

Способ осуществляют следующим образом. Заготовку-свидетель 5 с зачеканенными термопарами 6 и заготовку-образец 4 с закрепленными по контурам образцов захватами 9 помещают в нагревательную камеру печи, затем через отверстия 8 в стапеле выводят концы термопар за корпус и подключают к контуру управления температурой, далее вставляют с двух сторон стапеля крышки 10 со сферическими шайбами 11, фиксируют образцы внутри нагревательной камеры, затем вводят в контакт щупы 16 датчиков линейного перемещения с наружной поверхностью образца-свидетеля 5 и нагревают образцы до температуры закалки, находят зависимость усилия растяжения как функцию температуры, оценивают зоны слабой зависимости усилий деформации от температуры и при этой температуре исследуют зависимость напряжение - деформация, определяют зоны пластической деформации когда осевая сила слабо влияет (или не растет), на пластическую деформацию.

По найденным зонам слабой зависимости деформации от осевой силы и температуры, оценивается равномерность пластической деформации заготовки-образца.

Согласно полученным зависимостям назначается режим растяжения заготовок осевой деформации.

Величина деформации назначается из оценки равномерности пластических деформаций - утонений диаметров заготовки-свидетеля 5 в зонах установки щупов 16, датчиков линейных перемещений 17. Далее процесс переводят в режим остывания и разгрузки.

Разгрузка осевой силы проходит автоматически, сила уменьшается пропорционально деформации сжатия заготовок до полной разгрузки.

На обоих стадиях управляемой деформации - нагреве и охлаждении - отсутствует несовместность остаточных напряжений и, следовательно, обеспечивается стабильность геометрических параметров готовых изделий.

Источники информации

1. RU 2232198 С1, опубл. 10.07.2004.

2. RU 2254383 С, опубл. 20.06.2005.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2466195

patent-2466195.pdf

Класс C21D11/00 Процесс контроля или регулирования термообработки

способ контроля и управления непрерывной термообработкой -  патент 2518039 (10.06.2014)
способ охлаждения горячей полосы, наматываемой в рулон горячей полосы, устройство для охлаждения рулона горячей полосы, устройство управления и/или регулирования и полоса металла -  патент 2499644 (27.11.2013)
устройство для автоматического управления процессом нагрева жидкого металла в газовой отражательной печи -  патент 2497957 (10.11.2013)
способ и установка термической обработки рельсов -  патент 2487177 (10.07.2013)
способ и установка термической обработки рельсов -  патент 2484148 (10.06.2013)
установка для контроля охлаждающей способности закалочной среды -  патент 2466194 (10.11.2012)
способ и устройство термической обработки рельсов -  патент 2456352 (20.07.2012)
способ термообработки полосовой стали в печи непрерывного действия с кислородотопливными горелками -  патент 2435869 (10.12.2011)
способ термической обработки изделий из стали и сплавов -  патент 2413777 (10.03.2011)
станок для автоматизированной поверхностной закалки деталей -  патент 2407806 (27.12.2010)
Наверх