способ изготовления высокоскоростных маховиков

Формула изобретения

1. Способ изготовления высокоскоростных маховиков из высокопластичного материала с относительно невысоким пределом текучести, включающий операции изготовления поковки, термообработки, предварительной механической обработки и предварительной балансировки, отличающийся тем, что маховик подвергают динамической формовке - разгону до скоростей, превышающих рабочую скорость в 1,5-2 раза, и при необходимости последующей окончательной балансировке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что маховик с напрессованным на обод упрочняющим кольцом подвергают динамической формовке до и/или после напрессовки упрочняющего кольца.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое техническое решение относится к машино- и/или приборостроению, а именно - к изготовлению высокоскоростных маховиков.

Маховики конструируются с многократным запасом прочности (отношение предела прочности или текучести материала к максимальным эксплуатационным нагрузкам). В связи с этим к материалу высокоскоростного маховика предъявляются весьма высокие требования по пределу текучести. Однако чрезмерно высокое упрочнение приводит к снижению пластических свойств металла. Существует парадокс: чем на больший предел прочности обрабатывается сплав, тем больше вероятность разрушения маховика от концентратора или случайного дефекта (трещина при термической обработке, дефект в поковке) даже при малых эксплуатационных нагрузках. Для обеспечения высоких пределов текучести и упругости с учетом необходимости сохранения удовлетворительной пластичности материала применяют дорогостоящие высоколегированные стали, такие как мартенситностареющие.

Известны способы изготовления высокопрочных маховиков путем намотки обода маховика высокопрочной лентой, проволокой [1]. К недостаткам этого способа следует отнести недостаточную жесткость конструкции, отсутствие монолитности ступицы с ободом.

Известен способ изготовления высокоскоростных вращающихся конструкций, когда с целью увеличения предела текучести и уменьшения микропластических деформаций материала бандажирующее кольцо предварительно деформируют в радиальном направлении до увеличения диаметра на 0,1-3% [2]. Такая деформация одновременно является и механическим испытанием кольца. Данный способ взят нами за прототип.

Недостатком известного способа является то, что для предварительной механической деформации такой конструкции, как маховик, требуется сложная технологическая оснастка. Кроме того, поля внутренних напряжений, созданные в материале маховика путем такой деформации, не являются оптимальными в отношении условия равномерной напряженности всех элементов маховика при его разгоне.

Заявляемое техническое решение имеет целью воздействие на материал маховика, обеспечивающее его оптимальное восприятие динамических нагрузок.

Задача решена следующим образом. Маховик, изготовленный из высокопластичного материала с относительно невысоким пределом текучести (50-120 кгс/мм²), после предварительной балансировки подвергается динамической формовке, т.е. разгону до скоростей, превышающих рабочую скорость в 1,5-2 раза и вызывающих пластическую деформацию материала и необратимое увеличение диаметра маховика на 0,1-3%. После динамической формовки маховик окончательно балансируют. Маховик может быть составным, с получаемым раскаткой напрессованным на обод упрочняющим кольцом. В этом случае динамическая формовка может проводиться до и/или после напрессовки.

От прототипа заявленный способ отличается тем, что предварительная пластическая деформация материала маховика осуществляется динамически, путем разгона до скоростей, существенно превышающих рабочие.

Динамическая формовка маховика увеличивает предел текучести материала на 5-50% и предел упругости - на 50-100%. Кроме того, благодаря пластической деформации, ориентированной в направлении действия эксплуатационных нагрузок, внутри маховика формируются благоприятные по величине и направлению поля напряжений, обеспечивающие равномерную напряженность всех элементов маховика при его работе. Динамическая формовка обеспечивает стабильность геометрии и балансировки. Одновременно эта операция является испытанием маховика на прочность.

Раскатанное кольцо по сравнению с массивной кованой заготовкой маховика имеет более высокие прочностные характеристики при той же пластичности. Будучи натянутым на обод маховика, оно снижает растягивающие напряжения, возникающие в маховике при разгоне.

Использование предлагаемого решения позволит применять для изготовления высокоскоростных маховиков экономнолегированные стали.

Пример 1. Маховик диаметром 300 мм изготовлен из поковки стали 12Х13, выбранной из-за возможности упрочняющей термической обработки без применения жидких закалочных сред (массивная деталь при закалке в воде или даже масле может треснуть), оптимального сочетания прочности и вязкости, высокой релаксационной стойкости, низкого газоотделения в вакууме. После упрочняющей термической (закалка на воздухе с обдувом вентилятором и последующим низким отпуском) и предварительной механической обработок маховик подвергнут динамической формовке разгоном до 12000 об/мин. После динамической формовки диаметр обода маховика увеличился на 0,3 мм. Последующий разгон до 11000 об/мин не привел к изменению геометрии и балансировки маховика.

Пример 2. Маховик диаметром 280 мм изготовлен из поковки стали 12Х13, подвергнут воздушной закалке и низкому отпуску. На него с натягом 0,5 мм напрессовано упрочняющее кольцо диаметром 300 мм из раскатанной кольцевой заготовки из стали 20Х13, закаленное на воздухе и отпущенное при 550^oС. Собранный маховик подвергнут динамической формовке разгоном до 13000 об/мин. Последующий разгон до 12000 об/мин не привел к изменению геометрии и балансировки маховика.

Источники информации

1. Гулиа Н. В. Инерционные аккумуляторы энергии. - Воронеж: изд-во Воронежского ун-та, 1973, с.21-38, 122-127.

2. Патент РФ 2155430, МПК⁷ Н 02 К 15/03, 15/02, 21/14, 21/02, 1999.