СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНОГО РОЛИКА Российский патент 1994 года по МПК C21D9/38 B21B27/02 B22D11/12 

Изобретение относится к непрерывной разливке стали, может быть также применено в машиностроении при изготовлении составных роликов машин непрерывного литья заготовок.

Известен способ изготовления составных роликов (Патент 4333 (Япония) - 1965), включающий изготовление оси ролика и бандажа, насадку бандажа на ось и последующее соединение бандажа с осью посредством сварки.

Однако данный способ отличается значительной трудоемкостью. Кроме того, он не обеспечивает надежного соединения бандажа с осью, поскольку плотный контакт между этими элементами имеет место лишь в зоне сварного шва. Другим недостатком способа является неравномерность структуры, связанная с наличием зоны термического влияния сварки.

Известен способ изготовления составных роликов (Авт. св. СССР N 741971, 1980), включающий изготовление оси ролика и бандажа, их сборку и последующую совместную горячую деформацию бандажа и оси.

Однако при совместной пластической деформации невозможно получить соединение деталей со значительным натягом. В процессе эксплуатации ролика бандаж контактирует с горячим слябом, разогревается, вследствие чего возникает проскальзывание бандажа относительно оси. Другим недостатком способа является значительная его трудоемкость.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления составных роликов, включающий изготовление оси ролика и бандажа, насадку бандажа на ось по скользящей посадке и последующую поверхностную закалку бандажа и индукционного нагрева при перемещении петлевого индуктора и спрейерной насадки вдоль оси ролика.

Однако данный способ не предусматривает насадки бандажа на ось с оптимальным зазором, вследствие чего надежность соединения не может быть обеспечена. Кроме того, рассматриваемый способ не устанавливает такие важные технологические характеристики, как глубина индуцирования электрического тока в бандаже и скорость перемещения зоны закалки вдоль оси ролика, что дополнительно снижает надежность соединения бандажа с осью.

Целью изобретения является повышение надежности соединения бандажа с осью.

Цель достигается тем, что в способе изготовления составного ролика, преимущественно для машины непрерывного литья заготовок, включающем изготовление оси ролика и бандажа, насадку бандажа на ось по скользящей посадке и последующую поверхностную закалку бандажа с индукционного нагрева, согласно изобретению бандаж на ось насаживают с зазором, составляющим (0,11-3,9)10^-3 от диаметра оси.

Кроме того, при индукционном нагреве бандажа электрический ток в бандаже индуцируют на глубине 0,2-0,8 толщины бандажа.

Кроме того, зону закалки перемещают вдоль оси ролика со скоростью V = (0,2-18,0)а/l, м/с, где а - коэффициент температуропроводности материала бандажа, м²/с;
l - толщина бандажа, м.

Способ изготовления составного ролика осуществляют следующим образом.

Изготовляют ось ролика и бандаж. Насаживают бандаж на ось по скользящей посадке с соблюдением зазора между осью и бандажом в диапазоне (0,11-3,9)˙10^-3 от диаметра оси. Затем производят поверхностную закалку бандажа с индукционного нагрева, причем электрический ток в бандаже индуцируют на глубине 0,2-0,8 толщины бандажа. Зону закалки перемещают вдоль оси ролика со скоростью
V = (0,2-18,0)a/l, м/с, где а - коэффициент температуропроводности материала бандажа, м²/с,
l - толщина бандажа, м.

Предлагаемый диапазон величин зазора выбран на основе экспериментальных данных. Эксперименты проводились в ремонтно-механическом цехе Череповецкого металлургического комбината.

Результаты приведены в табл. 1.

Как следует из табл. 1, хорошее качество соединения бандажа с осью имеет место в том случае, когда бандаж насажен на ось с зазором (0,11-3,9)˙10^-3 от диаметра оси (перед закалкой). При этом в процессы механических испытаний бандажированных роликов на проворачивание бандажа относительно оси в зоне контакта возникали касательные напряжения в диапазоне (0,28-5,41)˙10⁸ Па, что свидетельствует о достаточно надежном соединении бандажа с осью.

При уменьшении зазора до 0,1˙10^-3 после закалки поверхность бандажа была поражена трещинами, что и явилось причиной уменьшения надежности соединения бандажа с осью. При начальном зазоре 0,07˙10^-3 бандаж разрушился уже в процессе закалки.

Увеличение зазора до 4,0˙10^-3 и выше приводит к резкому падению усилия сопротивления проворачиванию бандажа относительно оси. При начальном зазоре 4,5˙10^-3 бандаж не соединился с осью, т. е. после закалки натяг между осью и бандажом полностью отсутствовал.

Для установления диапазона оптимальной глубины индуцирования электрического тока в бандаже поверхностной закалке подвергали бандажные кольца толщиной 3-80 мм, посадочный диаметр колец варьировал в диапазоне 80-550 мм.

Результаты представлены в табл. 2.

Как следует из табл. 2, технически рациональная величина усадки посадочного отверстия бандажа имеет место в том случае, когда электрический ток в бандаже индуцируется на глубине 0,20-0,80 от толщины бандажа. При меньшей глубине проникновения электрического тока величина усадки резко снижается, а при глубине индуцирования 0,15 толщины бандажа усадка посадочного отверстия полностью отсутствует.

При увеличении глубины индуцирования сверх 0,80 толщины бандажа усадка посадочного отверстия также резко снижается, а при глубине индуцирования 0,82 толщины бандажа она полностью отсутствует. При дальнейшем увеличении глубины проникновения электрического тока наблюдается обратный эффект - "разбухание" кольца.

Таким образом, оптимальной следует считать глубину индуцирования электрического тока в диапазоне 0,20-0,80 от толщины бандажа.

Для установления оптимальной скорости перемещения зоны закалки вдоль оси ролика на ось предложенным способом насаживали бандаж с диаметром посадочного отверстия 80-550 мм. Бандаж выполняли из легированной стали 14 марок, имеющих различный коэффициент температуропроводности. Толщину бандажа варьировали в диапазоне 3-80 мм. Технологические (V), теплофизические (а) и геометрические (b) характеристики представляли безразмерным комплексом - критерием Кр (аналог критерия Пекле). Этот критерий характеризует соотношение трансляционного теплового потока вдоль оси ролика (связанного с перемещение зоны закалки) и кондуктивного теплового потока (за счет теплопроводности) в радиальном и осевом направлениях. Величина Кр определяется по формуле
Кр = Vl/a
Результаты экспериментов сведены в табл. 3.

Влияние скорости перемещения зоны закалки на качество бандажированного ролика.

Как следует из табл. 3, хорошее качество соединения бандажа с осью имеет место в том случае, когда процесс осуществляется при соблюдении критерия Кр в диапазоне 0,2-18,0. Отсюда получаем оптимальную скорость перемещения зоны закалки:
V = (0,2-18,0) a/l.

П р и м е р. Из стали 45 изготовляют ось ролика машины непрерывного литья заготовок. Посадочный диаметр оси 230h7. Из стали 25Х1М1Ф изготовляют бандажные кольца шириной 100 мм, диаметром посадочного отверстия 230+0,22+0,07

Таким образом толщина бандажного кольца составляет 20 мм. Бандажные кольца насаживают на ось ролика и собранную конструкцию устанавливают в центрах установки для поверхностной закалки токами высокой частоты. Мощность индуктора 250 кВт, частота тока 2500 Гц, частота вращения шпинделя с деталью 20 об/мин. В нижней части петлевого индуктора имеется спрейерная насадка. Индуктор со спрейерной насадкой перемещают вертикально вдоль оси ролика снизу вверх со скоростью 1,2 мм/с. Глубина проникновения индуцируемого электрического тока составляет 9,5 мм. Поскольку среднее значение коэффициента температуропроводности для данной марки стали 7,1˙10^-6 м²/с, то критерий Кр определится соотношением:
Кр = Vl/a= 1,2·10^-3·20·10^-3/7,1·10^-6= 3,38
Откуда V = 3,38 a/l, м/с
После завершения закалки бандажированный ролик снимают с установки и подвергают стабилизирующему отпуску при 650-680^оС в печи с выдвижным подом.

Технико-экономическое преимущество разработанного технического решения в сравнении с прототипом заключается в повышении степени надежности соединения бандажа с осью, вследствие чего стойкость роликов повысится на 20-25% .

Использование: в машиностроении при изготовлении составных роликов машин непрерывного литья заготовок. Сущность: бандаж на ось насаживают с зазором, составляющим диаметра оси. 2 з. п. ф-лы, 3 табл.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНОГО РОЛИКА преимущественно для машины непрерывного литья заготовок, включающий изготовление оси ролика и бандажа, насадку бандажа на ось по скользящей посадке и последующую поверхностную закалку бандажа с индукционного нагрева, отличающийся тем, что бандаж насаживают на ось с зазором, составляющим (0,11 - 3,9) · 10^-3 диаметра оси. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при индукционном нагреве бандажа электрический ток в бандаже индуцируют на глубине 0,2 - 0,8 толщины бандажа. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что зону закалки перемещают вдоль оси ролика со скоростью (0,2 - 18,0)a/e, где a - коэффициент температуропроводности материала бандажа, м²/с; e - толщина бандажа, м.