УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2003 года по МПК C21D1/08 C21D9/32 

Изобретение относится к области термической обработки изделий и может быть использовано для упрочнения крупногабаритных изделий, в частности пазов дисков турбины газоперекачивающих агрегатов.

Из литературных источников известны установки, на которых производят закалку зубьев крупномодульных шестерен [1, 2, 3, 4], которые наиболее близки по форме к дискам турбины, при этом нагрев под закалку осуществляется с применением токов высокой частоты. Охлаждение при закалке осуществляется окунанием нагретого изделия в жидкость (водный раствор, масло, соляной раствор и т.д.).

Указанные установки не могут быть применены для термопластического упрочнения пазов дисков, так как имеют существенные недостатки.

Во-первых, они применяются для принципиально иной цели - закалки, что предполагает совершенно другую конструкцию установки как в части нагрева (принципиально иная конструкция индуктора), так и в части охлаждения. При закалке нагрев ведется выше точки А_С3, что предопределяет необходимые структурно-фазовые изменения поверхностного слоя. При термопластическом упрочнении нагрев значительно ниже и исключает структурно-фазовые изменения. Объединяющим фактором в известных (для закалки шестерен) и в предлагаемой установке (для термоупрочнения) является только процесс нагрева токами высокой частоты.

Во-вторых, указанные установки являются стационарными, так как входящее в их состав оборудование (генераторы ТВЧ, ванны для охлаждения и т.д.) являются крупногабаритными и тяжелыми, а следовательно, их нельзя применить в полевых (на месте испытаний) условиях для обработки пазов дисков турбины газоперекачивающих агрегатов.

Наиболее близким является установка для пламенной поверхностной закалки ручьев барабана лебедки [5], содержащая поворотный стол и газовые горелки с форсунками для охлаждающей жидкости. В указанной установке газовая горелка с форсунками для охлаждения представляют собой единый узел, в который газ и охлаждающая жидкость попадают попеременно. В связи с близким расположением горелки и форсунки на обрабатываемую поверхность в первые секунды охлаждения попадает горячая вода. Для процесса закалки это не имеет значения.

Поскольку термоупрочнение происходит при таких высоких скоростях охлаждения, что весь процесс осуществляется за 0,03-0,05 с, то применение указанной установки для целей термоупрочнения невозможно. Кроме того, при термопластическом упрочнении расстояние от передних торцов горелки и форсунки до изделия должно быть разным и строго определенной величины. В противном случае в поверхностном слое изделия не удается сформировать необходимое поле сжимающих остаточных напряжений.

В основу изобретения поставлена задача создать компактное и мобильное устройство, позволяющее эффективно термоупрочнять элементы крупногабаритных изделий с любой сложностью профиля.

Данная задача решается за счет того, что в установке для термопластического упрочнения (ТПУ) крупногабаритных изделий, содержащей газовую горелку и спрейер, установленных на стойке, согласно изобретению горелка и спрейер расположены раздельно на расстоянии не менее 110 мм с возможностью их продольного перемещения, длина спрейера выбрана из соотношения L_спр= (1,7-2,3)L_гор, где L_гор - длина горелки, а стойка закреплена на раме, выполненной с крепежными элементами на концах, при этом крепежные элементы имеют форму и размеры замка лопатки.

Горелка и спрейер расположены раздельно на расстоянии не менее 110 мм в связи с тем, что меньшее расстояние не позволяет сохранять температуру охлаждающей жидкости (воды), равной 15-20^oС (в процессе работы горелки происходит подогрев воды, находящейся в спрейере). Более высокая температура воды не обеспечивает необходимую скорость охлаждения и, соответственно, не удается сформировать оптимальное напряженно-деформированное состояние в поверхностном слое упрочняемом изделии. В то же время не целесообразно располагать горелку и спрейер на большом расстоянии друг от друга, так как это приведет к неоправданному увеличению габаритов установки.

Особенностью процесса ТПУ является то, что нагрев изделия на необходимую глубину (10-15 мм) должен осуществляться при плавном и равномерном повышении температуры поверхностного слоя одновременно по всей глубине. При этом разница между наибольшей и наименьшей температурами в области нагрева не должна превышать 20-25^oС. Этого можно добиться только в том случае, если количество теплоты, подводимое от горелки к детали, равно теплоте, передаваемой посредством теплопроводности от поверхности вглубь изделия. Такой баланс подводимой и передаваемой теплоты обеспечивает необходимую равномерность температурного поля по всей толщине изделия.

При термопластическом упрочнении вслед за нагревом осуществляется ускоренное охлаждение поверхностного слоя водяным душем. Поскольку процесс охлаждения должен проходить с максимальной скоростью, то расстояние от спрейера до изделия выбирается исходя из условия создания наибольшего температурного перепада в поверхностном слое.

Таким образом, несоблюдение расстояний от газовой горелки или от спрейера до изделия означает нарушение режимов термоупрочнения. При конструировании установки это соответствие расстояний обеспечивается необходимым соотношением длин газовой горелки и спрейера, которое подчиняется зависимости L_спр= (1,7-2,3)L_гор. Большим значениям L_гор соответствуют меньшие значения коэффициента (1,7-2,3).

Крепежными элементами установки для термопластического упрочнения пазов являются замки лопаток, устанавливаемые в диск. Это сделано с целью соблюдения необходимой точности расположения горелки и спрейера относительно упрочняемого паза. Кроме того, в этом случае установка становится более компактной и мобильной, так как не требуется дополнительного стационарного устройства для закрепления платформы с газовой горелкой и спрейером.

На фиг.1 изображен общий вид устройства, на фиг.2 - относительное расположение спрейера и газовой горелки, на фиг.3 - общая компоновка устройства с элементами крепления установки к изделию, на фиг.4 - узел закрепления стойки на раме.

Диск турбины 1 совместно с ротором (не показан) установлен в исходном для упрочнения состоянии. Устройство для нагрева 2, выполненное в виде газовой горелки, установлено на платформе 3 совместно со спрейером 4. Платформа 3 в процессе работы перемещается в вертикальном направлении по стойке 5. Направляющим элементом при этом является втулка 6. Установка платформы 3 в заданное положение происходит с помощью фиксатора 7. Неподвижная втулка 8 является ограничителем нижнего фиксированного положения платформы 3. Стойка 5 посредством гаек 11 и шайб 12 жестко закреплена на раме 9 с устройством нагрева-охлаждения, при этом рама 9 выполнена с крепежными элементами 10 на концах.

Установка работает следующим образом. Диск 1 с ротором устанавливается для упрочнения первого паза. Для обеспечения заданного положения торцов спрейера и газовой горелки относительно изделия перед упрочнением производится регулировка длин указанных элементов путем их продольного перемещения. После настройки платформа 3 переводится в такое положение, при котором ось горелки располагается на уровне упрочняемого паза. Для соблюдения данного условия во втулке 6 и стойке 5 имеется сквозное отверстие, в которое вставляется фиксатор 7, обеспечивающий неподвижность платформы в заданном положении в процессе нагрева паза. Затем в горелку 2 поступает газ (Р_г) для нагрева паза. По окончании процесса нагрева фиксатор 7 вынимается из отверстия в стойке 5 и платформа 3 под собственным весом падает в свое нижнее положение, определяемое втулкой 8. Положение втулки 8 на стойке 5 выбирается таким образом, чтобы после падения платформы 3 ось спрейера 4 располагалась на уровне упрочняемого паза. Одновременно с этим вода под давлением (Р_ж) подается через спрейер на нагретый паз, охлаждая его поверхности до комнатной температуры. После обработки первого паза ротор поворачивается для обработки следующего.

Предлагаемая установка проста по конструкции, удобна в эксплуатации, компактна, мобильна и поэтому позволяет упрочнять елочные пазы дисков турбин не только в заводских, но и в полевых условиях, а именно непосредственно на газоперекачивающих станциях.

Источники информации, принятые во внимание
1. Головин Г.Ф., Зимин Н.В. Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева. - Л.: Машиностроение, 1979. - 120 с.

2. Демичев А.Д. Поверхностная закалка индукционным способом. - Л.: Машиностроение, 1979. - 80 с.

3. Сидоренко В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1980. - 231 с.

4. Темопластическое упрочнение - резерв повышения прочности и надежности деталей машин: Монография / Б.А. Кравченко, В.Г. Круцило, Г.Н. Гутман. - Самара: СамГТУ, 2000. - 216 с.

5. А. С. 1738863 "Установка для пламенной поверхностной закалки ручьев барабана лебедки", МПК C 21 D 1/08, БИ 21, опубл. 07.06.92г.

Изобретение относится к области термической обработки изделий и может быть использовано для упрочнения крупногабаритных изделий, в частности пазов дисков турбины газоперекачивающих агрегатов. Установка для термопластического упрочнения крупногабаритных изделий содержит газовую горелку и спрейер, установленные на стойке. Горелка и спрейер расположены раздельно на расстоянии не менее 110 мм с возможностью их продольного перемещения. Длина спрейера выбрана из соотношения L_cпp=(1,7-2,3)L_гop, где L_гop - длина горелки. Стойка закреплена на раме, выполненной с крепежными элементами на концах. Изобретение позволяет создать мобильное и компактное устройство для эффективного термоупрочнения элементов крупногабаритных изделий с любой сложностью профиля. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Установка для термопластического упрочнения крупногабаритных изделий, содержащая газовую горелку и спрейер, установленные на стойке, отличающаяся тем, что горелка и спрейер расположены раздельно на расстоянии не менее 110 мм с возможностью их продольного перемещения, длина спрейера выбрана из соотношения L_cпp=(l,7-2,3)L_гop, где L_гop - длина горелки, а стойка закреплена на раме, выполненной с крепежными элементами на концах.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что крепежные элементы имеют форму и размеры замка лопатки.