ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УПРОЧНЕНИЯ
КЛИНА ВАГОННОЙ ТЕЛЕЖКИ
Степус П.П., Краев А.В., Марусин В.В. (ИТПМ СОРАН, г.Новосибирск, РФ)
The technological process of a hardening of a wedge of the carload bogie by a method of high-energy induction hardening is developed .
Клин изготовлен из чугуна марки СЧ 18 ГОСТ 1412 – 85, размеры упрочняемой поверхности – 190 х178 мм2.
Цель работы – отработка технологического процесса упрочнения указанной поверхности клина методом высокоэнергетической индукционной закалки (ВИЗ) на твердость HRC (55 – 63), на глубину (3,2 – 4) мм. Специфика и особенности ВИЗ рассмотрены в [1].
Разработан технологический процесс упрочнения рабочей поверхности клина методом ВИЗ на глубину не менее 3,2 мм при твердости закаленного слоя не менее 55 ед. HRC.
Оборудование для реализации процесса:
а) Высокочастотный генератор. ВЧГ 5- 60 / 0,066, мощностью до 60 кВт, с рабочей частотой 66 кГц.
б) Индуктор для закалки. Индуктор изготовлен в виде петли из медной трубки наружным диаметром 10 мм, толщина стенки 1 мм. Его схема без подсоединительных концов приведена на рис. 1.
Рисунок 1 – Схема индуктора
На верхней трубке индуктора по образующей припаян медный брусок сечением 5х5 мм и длиной 90 мм (длина рабочей зоны индуктора), здесь же закреплен плотный ряд ферритовых концентраторов ВЧ энергии. Они изготовлены из ферритовых колец. Размеры каждого кольца – внутренний диаметр 10 мм, наружный диаметр 20 мм, толщина 5 мм, тип ферритов – М3000 НМ – А 128. На нижней трубке индуктора расположен ряд отверстий для создания водяной плоской струи и охлаждения закаленной зоны клина. Рабочее положение индуктора – вертикальное, упрочняемая поверхность клина перемещается относительно рабочей зоны индуктора (зоны нагрева) вертикально снизу вверх. Индуктор охлаждается проточной водой, жестко закреплен на выходных клеммах ВЧ генератора под болт для исключения вибраций, ведущих к появлению разбросов значений твердости закаленного слоя.
в) Манипулятор для вертикального закрепления клина и его перемещения с заданной скоростью. Его основные узлы - узел закрепления клина на специальном столе, привод для вертикального перемещения стола, устройство для сбора отработанной воды и ее слива в оборотный водяной контур цеха. Фотография манипулятора вместе с закрепленным на столе клином и индуктором приведена на рис. 2. Ясно видно яркое свечение в зазоре «индуктор – упрочняемая поверхность клина» по всей длине рабочей зоны индуктора.
При отработке технологического процесса упрочнения был разработан и испытан ряд различных конструкций индукторов, отличающихся длиной рабочей зоны и сечением медного бруска. Опыты показали, что закалка рабочей поверхности клина за один проход (индуктор с длиной рабочей зоны 180 мм) при максимальной мощности ВЧ генератора 60 кВт неосуществима из – за недостаточной удельной мощности для реализации процесса ВИЗ.
Рисунок 2 – Фотография процесса закалки клина.
Отработан технологический процесс ВИЗ рабочей поверхности клина за два прохода. При его отработке оптимизировался ряд базовых параметров процесса - удельная мощность процесса ВИЗ (кВт/см2), скорость протяжки клина (см/с), зазор «индуктор – поверхность клина» (мм).
Отработка процесса проводилась следующим образом. Клин устанавливался на манипулятор, его рабочая поверхность упрочнялась при ряде заданных режимов обработки, затем проводилась его резка с гидроабразивом, изготовление нормальных шлифов, их шлифовка и алмазная доводка, травление и измерения глубины упрочненного слоя и его твердости. Приборы для измерения твердости – калиброванные микротвердомер ПМТ – 3 и твердомер «Суперроквелл».
Основные затруднения при отработке технологического процесса:
1. Обезуглероженный слой на упрочняемой поверхности глубиной до 1 мм.
2. Для данного сорта чугуна S – диаграмма находится достаточно высоко на температурной оси, что ведет к опасности подплава его поверхности при нагреве.
Первая проблема была решена путем оптимизации времени нагрева каждого участка упрочняемой поверхности, чтобы при этом прошло диффузионное выравнивание углерода в закаленном слое. Вторая проблема была решена путем оптимизации удельной мощности и выбора режима закалки при полной водяной завесе зоны нагрева.
Оптимальные режимы закалки следующие:
1. Выходная мощность ВЧ генератора – 55 кВт,
2. Скорость перемещения рабочей поверхности клина – (5 – 6) мм/с.
3. Зазор «индуктор – деталь» (1 – 1,5)мм.
4. Рабочая длина зоны закалки – 90 мм.
Твердость закаленного слоя – (57-60) ед. HRC ( 10 измерений), толщина слоя - до 3,5мм.
Структура закаленного слоя («белый слой») – мартенсит закалки.
В стране и в мире выпускаются промышленные ВЧ генераторы для технологических целей с разрешенной рабочей частотой 66 кГц, 440 кГц, 1,76 МГц, 5,28 МГц, 13,5 МГц, 27 МГц и 40 МГц. [2] и на мощности 30, 60, 100, 160 и 250 кВт.
Для создания промышленной установки оптимален ВЧ генератор типа ВЧГ – (5-9) – 160 /0,066, с запасом по мощности. В скобках указаны выпускаемые пригодные модификации этого типа ВЧ генераторов. Доработка ВЧ генератора для оптимального согласования сопротивлений выходного контура генератора и индуктора необходима.
Расход охлаждающей воды при работе ВЧ генератора (2-3 )м3 в час, поэтому целесообразен собственный контур оборотной воды. Принципиальная схема такого контура приводится в технической документации к каждому ВЧ генератору.
Манипулятор для промышленной установки должен быть автоматизирован для высокой надежности и воспроизводимости процесса обработки.
Время собственно закалки рабочей поверхности клина при мощности ВЧ генератора 160 кВт составляет (30 – 35) с и много меньше межоперационного времени, идущего на съем клина с манипулятора и установку и юстировку следующего клина на манипуляторе. Механизация этих межоперационных операций также нужна. Она позволит затрачивать на обработку одного клина 1 мин (полное операционное время), тогда производительность процесса закалки составит 60 деталей за 1 час.
Необходимая рабочая площадь для одной промышленной установки, с учетом подсобных стеллажей для доставки партий исходных деталей и промежуточного складирования упрочненных клиньев, а также требований техники безопасности – не более 30 м2.
Стоимость оборудования для промышленной установки определяется большей частью ценой ВЧ генератора. В отсутствие в стране настоящего рынка цена такого генератора (с учетом транспортных расходов) составляет порядка 1 млн. руб. Изготовитель таких генераторов один – Санкт – Петербургский завод высокочастотных установок.
Литература
1. Солоненко О.П., Алхимов А.П., Марусин В.В. и др. Высокоэнергетические процессы обработки материалов. Новосибирск: Наука – 2000 – 425 с.
2. Головин Г.Ф., Замятнин М.М. Высокочастотная термическая обработка. -М.: Машиностроение - 1990 – 230 с.