ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАГРЕВА ДИСКОВ Российский патент 1995 года по МПК C21D1/10 

Изобретение относится к установкам индукционного нагрева и может быть использовано для нагрева толстостенных дисков из труднодеформируемых материалов перед глубокой вытяжкой конусов из дисков.

Известна индукционная установка для нагрева заготовок, содержащая два коаксиальных горизонтальных параллельных плоских спиральных индуктора, включенных электрически встречно и установленных с возможностью относительного взаимного смещения вдоль общей оси, загрузочно-разгрузочное устройство и водоохлаждаемый поворотный стол [1]
Однако известная установка не обеспечивает нагрева диска с заданным градиентом температуры, направленным по радиусу диска к его центру.

Наиболее близкой к предлагаемой является индукционная установка, содержащая основание, на котором смонтированы два коаксиальных плоских круглых горизонтальных индуктора, включенных электрически встречно и установленных с возможностью относительного взаимного перемещения вдоль вертикальной оси, цилиндрический виток, установленный коаксиально и неподвижно относительно верхнего индуктора, охватывающий его, при этом средняя плоскость цилиндрического витка расположена между горизонтальными индукторами, поворотный стол с перемещаемыми приводом водоохлаждаемыми секторами, а также загрузочно-разгрузочное устройство с приводом [2]
Однако известная установка, примененная для нагрева толстостенного диска из труднодеформируемого материала перед пластической деформацией, имеет следующие недостатки: низкий коэффициент полезного действия, так как индукторы нагревают находящиеся между ними водоохлаждаемые секторы, что приводит к потерям тепла; неравномерность нагрева периферийной зоны диска в окружном направлении из-за соприкосновения этой зоны с водоохлаждаемыми секторами; ограниченные технологические возможности; так как водоохлаждаемые секторы, расположенные на периферии диска, не обеспечивают охлаждения центральной части диска, а также отсутствует возможность подбора оптимального диаметра охлаждаемой части диска.

Цель изобретения усовершенствование индукционной установки для нагрева дисков, в которой при нагреве толстостенного диска из труднодеформируемого материала перед вытяжкой конуса из диска обеспечивается: предотвращение потерь тепла; повышение равномерности нагрева периферийной зоны диска в окружном направлении; охлаждение центральной части диска.

За счет этого повышается коэффициент полезного действия индукционной установки и расширяются ее технологические возможности.

Цель достигается тем, что в индукционной установке для нагрева дисков, содержащей основание, на котором смонтированы коаксиально плоские горизонтально расположенные индукторы, включенные электрически встречно и установленные с возможностью относительного взаимного перемещения вдоль вертикальной оси, цилиндрический виток, установленный коаксиально и неподвижно относительно верхнего индуктора и охватывающий его, при этом средняя плоскость цилиндрического витка расположена между горизонтальными индукторами, поворотный водоохлаждаемый стол с приводом и загрузочно-разгрузочное устройство с приводом, поворотный стол выполнен в виде приводных термоэлектроизоляционных стержней и съемного водоохлаждаемого стакана, установленных коаксиально с возможностью вращения, индукторы выполнены в виде разделенных электроизоляцией токопроводящих витков Р-образного сечения с магнитопроводом, причем внутренний виток шире наружного, магнитопровод установлен на витках и состоит из набора ферромагнитных пластин Г-образной формы, выполненных в виде секций, разделенных электроизоляцией и укрепленных с возможностью удаления.

Верхний индуктор и цилиндрический виток установлены с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, что обеспечивает доступ к диску после его нагрева.

Загрузочно-разгрузочное устройство выполнено в виде платформы с приводом перемещения вдоль вертикальной оси, на которой установлены ложементы, расположенные в горизонтальной плоскости между термоэлектроизоляционными стержнями, причем диаметр ложементов равен диаметру нагреваемого диска.

Цилиндрический виток включен электрически согласно с нижним индуктором без периферийного витка, что позволяет работать верхнему и нижнему индукторам от одного источника питания.

Индукторы смонтированы со смещением витков в горизонтальной плоскости на половину ширины витка, что позволяет повысить равномерность нагрева диска в окружном направлении.

Витки индукторов выполнены в виде разомкнутых колец, электрически соединенных перемычками в спираль, что повышает технологичность изготовления крупногабаритных индукторов, так как цельный спиральный индуктор необходимо изготавливать на станке с числовым программным управлением.

На витках со стороны зоны нагрева укреплены термоэлектроизоляционные пластины, что предотвращает перегрев магнитопровода и повышает надежность работы индукторов.

Потери тепла в установке предотвращаются за счет того, что термоэлектроизоляционные стержни, находящиеся между индукторами и поддерживающие диск по периферии, не нагреваются, вследствие чего повышается КПД установки.

Неравномерный нагрев периферийной зоны диска в окружном направлении предотвращается тем, что термоэлектроизоляционные стержни не отбирают тепло с диска.

Охлаждение центральной части диска достигается за счет того, что центральная часть диска опирается на съемный водоохлаждаемый стакан, вследствие чего расширяются технологические возможности установки. Экспериментальным подбором диаметра верхней части стакана определяется оптимальный диаметр охлаждаемой центральной части диска.

Регулирование градиента снижения температуры, направленного по радиусу диска к его центру, достигается изменением зазора между нагреваемым диском и витком, так как витки установлены с возможностью независимого перемещения вдоль вертикальной оси.

Регулирование градиента осуществляется удаление секций магнитопровода. В той части диска, которая находится под удаленными секциями, ток не индуктируется и она не нагревается. Секции удаляются в определенном порядке: чем ближе к центру диска, тем больше секций удаляется.

Витки разделяются (кроме электроизоляции) частью магнитопровода, которая находится над буртиком Р-образного витка, вследствие чего Г-образный магнитопровод каждого витка образует с магнитопроводом соседнего витка П-образный контур и большая часть магнитного потока каждого витка не суммируется в общий магнитный поток, а замыкается на нагреваемый диск. Этим достигается снижение температуры на внутренней зоне нагреваемого диска.

Внутренний виток выполняют шире наружного, вследствие чего плотность индуктированного тока и температура на внутренней зоне нагреваемого диска будет меньше, чем на периферийной зоне диска. Разность ширины внутреннего и наружного витков определяется необходимым градиентом снижения температуры.

На фиг.1 изображена схема индукционной установки, продольный разрез; на фиг. 2 вид А на фиг.1 (индукторы не показаны); на фиг.3 узел I на фиг.1; на фиг.4 узел II на фиг.1; на фиг.5 индуктор, продольный разрез; на фиг.6 вид Б на фиг.5 (на вырыве магнитопровод не показан); на фиг.7 нагретый диск в матрице.

Индукционная установка содержит основание 1, на котором на вертикальных стойках 2 неподвижно установлена горизонтальная платформа 3. На верхней плоскости платформы 3 выполнен кольцевой желоб, в нем размещены шарики 4, на которые опирается кольцо 5 с внутренним зубчатым зацеплением. На кольце 5 закреплены втулки 6, в которые вставлены термоэлектроизоляционные стержни 7, поддерживающие нагреваемый диск 8 по периферии. Кольцо 5 кинематически связано шестерней 9 и осью 10 с приводом 11 вращения. Ось 10 вращается в подшипниках, закрепленных в основании 1 и платформе 3 (не показана). В центре платформы 3 размещен стакан 12 с установленными в нем пружиной 13 и подшипником 14, на который через уплотнение (не показано) опирается медный водоохлаждаемый стакан 15 (фиг.3). Стакан 15 вращается в подшипнике 14 вокруг вертикальной оси. Подвод охлаждающей воды осуществляется по трубе 16, отвод по трубе 17.

Вращаемые приводом 11 термоэлектроизоляционные стержни 7 и медный водоохлаждаемый стакан 15 поддерживают нагреваемый диск 8 по периферии и в центральной части соответственно и образуют поворотный стол.

Загрузочно-разгрузочное устройство представляет собой подвижную платформу 18, на которой установлены стойки 19 с ложементами 20, расположенные между термоэлектроизоляционными стержнями 7 (фиг.2). Ось 21 имеет резьбовую часть, которая проходит через отверстие в платформе 18 и образует с ней винтовую пару. Ось 21 кинематически связана с приводом 22 вращения и вращается в подшипниках, закрепленных в основании 1 и неподвижной платформе 3 (не показано). Ось 10 проходит через отверстия, выполненные в платформах 3 и 18, а стойки 2 проходят через отверстия, выполненные в платформе 18.

Установка имеет два коаксиальных плоских круглых горизонтальных индуктора: нижний индуктор 23 и верхний индуктор 24, включенные электрически встречно и установленные с возможностью относительного взаимного перемещения вдоль вертикальной оси (механизм перемещения не показан). Установка снабжена цилиндрическим витком 25, который установлен коаксиально и неподвижно относительно верхнего индуктора 24, охватывает его, при этом средняя плоскость цилиндрического витка 25 расположена между индукторами 23 и 24 (фиг.4). Нижний индуктор 23 опирается на полку 26, закрепленную на стакане 12 (фиг.3). Верхний индуктор 24 прикреплен к подвижной раме 27, которая установлена с возможностью поворота на неподвижной вертикальной стойке 28 и через коромысло 29 связана с гидроцилиндром 30. Стойка 28 и гидроцилиндр 30 установлены на основании 1.

Нижний индуктор 23 имеет на один виток меньше, чем верхний индуктор 24 (у него удален периферийный виток). Цилиндрический виток 25 включен электрически согласно с нижним индуктором 23, что позволяет работать индукторам 23 и 24 от одного источника питания.

На месте периферийного витка, удаленного от нижнего индуктора 23, расположены термоэлектроизоляционные стержни 7, поддерживающие нагреваемый диск 8 по периферии (фиг.4). Стержни 7 изготовлены из кристаллокорунда, не нагреваются и не отбирают тепла с периферийной зоны нагреваемого диска 8.

Индукторы 23 и 24 смонтированы со смещением витков в горизонтальной плоскости на половину ширины витка l/2 (фиг.1).

Диск 8 опирается центральной частью на медный водоохлаждаемый стакан 15, который является съемным и может быть заменен на стакан другого диаметра. Подбором диаметра d стакана 15 определяется оптимальный диаметр охлаждаемой центральной части диска 8.

Индукторы 23 и 24 содержат наружные (равные по ширине) витки 31 и внутренний виток 32, которые имеют Р-образное сечение, причем виток 32 шире витка 31 (l₂ > l₁). Витки 31 и 32 разделены электроизоляционными кольцами 33. На витках 31 и 32 укреплен магнитопровод, выполненный в виде ферромагнитных Г-образных пластин 34 и 35, разделенных на секции электроизоляционными прокладками 36 и 37.

Витки 31 и 32 снабжены буртиками 38 и 39 соответственно, обращенные к нагреваемому диску 8. Витки 31 и 32 имеют прорезь 40 и электрически соединены перемычками 41 таким образом, что ток движется по спирали от наружного витка к внутреннему. На витках 31 и 32 со стороны нагреваемого диска 8 укреплены термоэлектроизоляционные пластины 42 и 43 соответственно. Механизм относительного взаимного перемещения витков 31 и 32 вдоль вертикальной оси не показан.

Индукционная установка работает следующим образом.

В исходном положении подвижная рама 27 с верхним индуктором 24 и цилиндрическим витком 25 установлены вертикально. Включается привод 22, который вращает ось 21 и поднимает подвижную платформу 18 в крайнее верхнее положение таким образом, чтобы ложементы 20 выступали над термоэлектроизоляционными стержнями 7 и водоохлаждаемым стаканом 15, при этом платформа 18 скользит по неподвижным стойкам 2. На ложементы 20 укладывают нагреваемый диск 8, платформа 18 опускается, и диск 8 устанавливается на термоэлектроизоляционные стержни 7 и водоохлаждаемый стакан 15. Включается гидроцилиндр 30, и рама 27 с верхним индуктором 24 и цилиндрическим витком 25 перемещаются в горизонтальное положение, при этом цилиндрический виток 25 охватывает торец нагреваемого диска 8. Включается привод 11, который через ось 10 с установленной на ней шестерней 9 вращает кольцо 5 с закрепленными на нем втулками 6 и термоэлектроизоляционными стержнями 7. Диск 8, опирающийся периферийной частью на термоэлектроизоляционные стержни 7, вращается вокруг вертикальной оси, при этом скорость вращения диска 8 определяется скоростью работы привода 11. По трубе 16 подается вода, охлаждающая медный диск, который в свою очередь охлаждает центральную часть диска 8.

При подключении индукторов 23 и 24 к источнику тока повышенной частоты в магнитопроводе возбуждается пульсирующее магнитное поле, которое индуктирует ток в диске 8 и нагревает его.

Градиент снижения температуры, направленный по радиусу диска к его центру, регулируется следующим образом.

Изменяют зазоры между нагреваемым диском 8 и витками 31 и 32 (чем больше зазор, тем меньше температура нагрева диска 8). Удаляют секции магнитопровода в следующем порядке: чем ближе к центру диска, тем больше секций удаляют (в той части диска 8, которая находится под удаленными секциями, ток не индуктируется и она не нагревается).

Витки 31 и 32 выполняют Р-образными, они отделены друг от друга буртиками 38 и 39, вследствие чего Г-образный магнитопровод каждого витка образует с магнитопроводом соседнего витка П-образный контур, и большая часть магнитного потока каждого витка не суммируется в общий магнитный поток, а замыкается на нагреваемый диск 8.

Внутренний виток 32 выполняют шире наружных витков 31, вследствие чего плотность индуктированного тока на внутренней зоне диска 8 (следовательно, и температура) будет меньше, чем на периферийной зоне диска 8.

После нагрева диска 8 с необходимым градиентом и охлаждения его центральной части снимают напряжение с индукторов 23 и 24, выключают привод 11 и диск 8 прекращает вращение вокруг вертикальной оси. Включают гидроцилиндр 30, рама 27 с верхним индуктором 24 и цилиндрическим витком 25 перемещаются в вертикальное положение. Включают привод 22, который вращает оcь 21 и поднимает подвижную платформу 18 в крайнее верхнее положение, при этом ложементы 20 проходят между термоэлектроизоляционными стержнями 7, диск 8 укладывают на ложементы 20, снимается с термоэлектроизоляционных стержней 7 и водоохлаждаемого стакана 15. Далее диск 8 передается на операцию пластической деформации.

На фиг. 7 показана схема нагретого диска в матрице перед операцией глубокой вытяжки конуса из диска. Диск нагрет следующим образом.

Фланец диска, испытывающий максимальные напряжения деформации, нагревают до температуры максимальной пластичности материала.

Центральную часть диска, ограниченную перетяжным радиусом матрицы и испытывающую минимальные напряжения деформации, охлаждают. Часть диска между фланцем и его центральной частью нагревают со снижением температуры с заданным градиентом, направленным по радиусу диска к его центру и обеспечивающим постоянные напряжения по сечению диска в процессе пластической деформации. Градиент снижения температуры задают исходя из механических свойств материала и коэффициента вытяжки конуса. Такой нагрев предотвращает появление разности температур между наружными и внутренними слоями металла и исключает образование разности напряжений по сечению дисковой заготовки.

Предлагаемое изобретение позволяет нагреть толстостенный диск из труднодеформируемого материала перед вытяжкой конуса с необходимым градиентом, в результате чего повышается КПД индукционной установки; равномерность нагрева периферийной зоны диска в окружном направлении; расширяются технологические возможности индукционной установки.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к глубокой вытяжке конусов из дисков, и может быть использовано для изготовления толстостенных конусов из труднодеформируемых материалов. Индукционная установка для индукционного нагрева дисков имеет поворотный стол, который выполнен в виде вращаемых приводом термоэлектроизоляционных стержней и схемного стакана, установленных коаксиально с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и поддерживающих нагреваемый диск по периферии и в центральной части соответственно. Диск нагревают и снижают температуру нагрева от температуры максимальной пластичности материала на фланце диска до температуры пластической деформации на кольцевом участке, расположенном на перетяжном радиусе матрицы, охлаждают центральную часть диска, ограниченную перетяжным радиусом матрицы, а снижение температуры нагрева от фланца к кольцевому участку осуществляют с заданным градиентом, направленным по радиусу диска к его центру и обеспечивающим постоянные напряжения по сечению диска в процессе пластической деформации. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. ИНДУКЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ НАГРЕВА ДИСКОВ, содержащая основание, на котором смонтированы коаксиально плоские горизонтально расположенные индукторы, включенные электрически встречно и установленные с возможностью относительного взаимного перемещения вдоль вертикальной оси, цилиндрический виток, установленный коаксиально и неподвижно относительно верхнего индуктора и охватывающий его, при этом средняя плоскость цилиндрического витка расположена между горизонтальными индукторами, поворотный водохлаждаемый стол с приводом и загрузочно-разгрузочное устройство с приводом, отличающаяся тем, что поворотный стол выполнен в виде приводных термоэлектроизоляционных стержней и съемного водоохлаждаемого стакана, установленных коаксиально с возможностью вращения, индукторы выполнены в виде разделенных электроизоляцией токопроводящих витков Р-образного сечения с магнитопроводом, причем внутренний виток шире наружного, магнитопровод установлен на витках и состоит из набора ферромагнитных пластин Г-образной формы, выполненных в виде секций, разделенных элекроизоляцией и укрепленных с возможностью удаления. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что верхний индуктор и цилиндрический виток установлены с возможностью поворота относительно горизонтальной оси. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что загрузочно-разгрузочное устройство выполнено в виде платформы с приводом перемещения вдоль вертикальной оси, на которой установлены ложементы, расположенные в горизонтальной плоскости между термоизоляционными стержнями. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрический виток включен электрически согласно с нижним индуктором без периферийного витка. 5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что индукторы смонтированы со смещением витков в горизонтальной плоскости на половину ширины витка. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что витки индукторов выполнены в виде разомкнутых колец, электрически соединенных перемычками в спираль. 7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на витках индукторов со стороны зоны нагрева укреплены термоизоляционные пластины.