способ изготовления бандажированного инструмента, имеющего форму тела вращения

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БАНДАЖИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА, ИМЕЮЩЕГО ФОРМУ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ, включающий изготовление оси инструмента и бандажа, насадку бандажа на ось по посадке с зазором и последующую поверхностную закалку бандажа с индукционного нагрева, отличающийся тем, что при изготовлении ролика, преимущественно для машины непрерывного литья заготовок, бандаж выполняют составным из нескольких последовательно расположенных по оси ролика колец, при этом величина зазора между осью ролика и каждым кольцом на среднем участке последнего, имеющем длину 0,3 - 0,8 от его ширины, постоянна по оси ролика и составляет (0,1 - 2,5)10^-2 от толщины бандажа, а на концевых участках кольца величина зазора уменьшается вдоль оси ролика по мере удаления от среднего участка до величины на торцах кольца, составляющей (0,5 - 9,5)10^-3 от толщины бандажа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении составных роликов, применяемых в машинах непрерывного литья заготовок.

Известен способ изготовления составного ролика, включающий изготовление оси ролика и бандажа, их сборку и последующую совместную горячую деформацию бандажа и оси [1]

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.

Известен способ изготовления бандажированного инструмента, имеющего форму тела вращения, включающий изготовление оси инструмента и бандажа, насадку бандажа на ось по посадке с зазором и последующую поверхностную закалку бандажа с индукционного нагрева [2]

Данный способ не предусматривает насадку бандажа на ось с оптимальным зазором, вследствие чего надежность соединения не может быть обеспечена.

Задачей изобретения является повышение надежности соединения бандажа с осью.

Для этого в известном способе изготовления бандажированного инструмента, имеющего форму тела вращения, включающем изготовление оси инструмента и бандажа, насадку бандажа на ось по посадке с зазором и последующую поверхностную закалку бандажа с индукционного нагрева, при изготовлении ролика, преимущественно для машины непрерывного литья заготовок бандаж выполняют составным из нескольких последовательно располагаемых по оси ролика колец, при этом величина зазора между осью ролика и каждым кольцом на среднем участке последнего, имеющем длину от 0,3 до 0,8 от его ширины, постоянна по оси ролика и составляет (0,1.2,5)10^-2 от толщины бандажа, а на концевых участках кольца величина зазора уменьшается вдоль оси ролика по мере удаления от среднего участка до величины на торцах кольца, составляющей (0,5.9,5)10^-3 от толщины бандажа.

Насадка бандажа на ось в соответствии с данным способом позволяет при поверхностной закалке бандажа обеспечить равномерный натяг, вследствие чего повышается надежность соединения бандажа с осью.

Способ осуществляют следующим образом.

Изготовляют ось и бандаж, состоящий из нескольких колец. Насаживают бандаж на ось по скользящей посадке, причем каждое кольцо бандажа на ось насаживают с зазором, увеличивающимся вдоль оси ролика по мере удаления от каждой торцовой поверхности кольца от величины, равной (0,5.9,5)10^-3 от толщины бандажа, до величины, равной (0,1.2,5)10^-2 от толщины бандажа, а среднюю часть кольца на участке, составляющем 0,3.0,8 его ширины, насаживают на ось с зазором, не изменяющимся вдоль оси ролика. Затем производят поверхностную закалку бандажа с индукционного нагрева.

Опытным путем установлено, что при насадке бандажных колец на ось с зазором, не изменяющимся вдоль оси ролика, при последующей поверхностной закалке бандажа обеспечивается неравномерный натяг.

В средней части каждого бандажного кольца на участке, составляющем 0,3. 0,8 от его ширины, натяг постоянный, а на участках, прилегающих к торцовым поверхностям кольца, натяг убывает по мере приближения к этим поверхностям. Вследствие неравномерного натяга не обеспечивается достаточно надежного соединения бандажа с осью ролика.

Данный способ позволяет компенсировать неравномерную усадку бандажного кольца путем создания начального зазора, изменяющегося вдоль оси ролика. Вблизи торцовых поверхностей кольца зазор должен быть минимальным, а по мере удаления от этих поверхностей зазор должен возрастать до максимального значения. В средней части кольца зазор сохраняется максимальным, не изменяющимся вдоль оси ролика.

Длина средней части кольца, на которой зазор должен сохраняться постоянным, определена на основе анализа опытных данных, приведенных в табл. 1.

Критерий Био в данном случае вычисляется по формуле

B_i= где Вi критерий Био (безразмерный);

- коэффициент теплоотдачи при спрейерном охлаждении поверхности кольца после индукционного нагрева, Вт (м²К);

Н глубина проникновения электрического тока в тело бандажа при индукционном нагреве, м;

- коэффициент теплопроводности материала бандажа, Вт/(мК).

Величина , Н являются технологическими характеристиками способа обработки и назначаются с учетом свойств материала бандажа и технических характеристик применяемого оборудования. В табл. 1 охвачен весь реально возможный диапазон значений критерия Био.

Как следует из данных табл. 1, длина среднего участка, в пределах которого усадка кольца постоянна, составляет 0,3.0,8 от ширины кольца. Таким образом, в пределах этого участка начальный зазор следует сохранять не изменяющимся вдоль оси ролика, в противном случае натяг между осью и бандажом после обработки не будет постоянным.

Предложенный диапазон величин минимального и максимального зазоров выбран на основе анализа результатов механических испытаний бандажированных роликов, приведенных в табл. 2.

Появление трещин на поверхности бандажа объясняется тем, что внутренние напряжения в поверхностном слое превышают предел прочности материала бандажа, хотя напряжения в зоне контакта бандажа с осью и не велики.

Касательные напряжения в зоне контакта рассчитаны по формуле

где - касательное напряжение, Па;

М момент сопротивления проворачиванию бандажа на оси при механических испытаниях, Нм;

d диаметр оси, м;

F площадь контакта, м².

Площадь рассчитана по формуле

F dl, где l ширина бандажного кольца, м.

Как следует из данных табл. 2, хорошее качество соединения бандажа с осью имеет место в том случае, когда бандаж на ось насажен с зазором, минимальная величина которого вблизи торцов составляет (0,5.9,5)10^-3 от толщины бандажа, а максимальная составляет (0,1.2,5)10^-2 от толщины бандажа на удалении от торцовых поверхностей.

При уменьшении минимального и максимального зазоров соответственно до 0,410^-3 и 0,0810^-2 от толщины бандажа после закалки поверхность бандажа была поражена трещинами, что явилось причиной уменьшения надежности соединения бандажа с осью. При начальных минимальном и максимальном зазорах соответственно 0,110^-3 и 0,0610^-2 бандаж разрушился уже в процессе закалки.

Увеличение минимального и максимального зазоров соответственно до 9,610^-3 и 2,610^-2 и выше приводит к резкому падению усилия сопротивления проворачиванию бандажа относительно оси. При начальных минимальном и максимальном зазорах соответственно 1110^-3 и 3,410^-2 бандаж не соединился с осью, т.е. после закалки натяг между бандажом и осью полностью отсутствовал.

Требование монотонности характера возрастания зазора основано на необходимости исключения местных концентраторов напряжений.

П р и м е р 1. Ось ролика машины непрерывного литья заготовок изготавливают из стали 45. Посадочный диаметр оси 230 h7. Из стали 25Х1М1Ф изготавливают бандажные кольца шириной 200 мм, диаметром посадочного отверстия 230 мм. Наружный диаметр колец 270 h9. Таким образом, толщина бандажного кольца составляет 20 мм. Бандажные кольца насаживают на ось, при этом зазор между осью и бандажом вблизи торцовых поверхностей равен 0,1 мм, что составляет 510^-3 от толщины бандажа (20510^-3 0,1). По мере удаления от торцовых поверхностей зазор монотонно возрастает до максимальной величины, равной 0,3 мм, что составляет 1,510^-3 от толщины бандажа (201,510^-3 0,3). В средней части кольца на участке длиной 120 мм зазор между бандажом и осью постоянный и равен 0,3 мм. Таким образом, длина среднего участка составляет 0,6 ширины кольца. Описанный характер изменения начального зазора обеспечивается соответствующим оформлением посадочной поверхности кольца.

Собранную конструкцию устанавливают в центрах установки для поверхностной закалки токами высокой частоты. Мощность индуктора 250 кВт, частота тока 2500 Гц, частота вращения шпинделя с роликом 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.

После завершения закалки бандажированный ролик снимают с установки и подвергают стабилизирующему отпуску при температуре 650.680^оС в печи с выдвижным подом.

П р и м е р 2. Составной ролик для машины непрерывного литья заготовок изготавливают в последовательности, описанной в примере 1. Бандажные кольца на ось насаживают с зазором, изменяющимся вдоль оси ролика в соответствии с соотношением

m₁+msinK K - K +1

(1) где - величина зазора между бандажом и осью;

h толщина бандажа;

l ширина кольца;

Z величина удаления от торцовой поверхности кольца;

m₁, m₂, K постоянные величины;

-K функция Хевисайда, при при -K 0 -K 1 при при -K < 0 -K 0

Соотношение (1) отвечает следующим условиям.

1. Вблизи торцов Z 0, m₁ (минимальной величине). При m₁ 4,510^-3, = 4,510^-3h.

2. На удалении от торцовых поверхностей зазор достигает максимального значения

m₁+m₂

При m₂ 1,510^-2, = h(m₁ + m₂)(4,510^-3 + 1,510^-2) h 1,95h.

3. В средней части кольца зазор постоянный, равный

h(m₁ + m₂).

4. Длина среднего участка с постоянным зазором равна S. При этом величина Z₀ определяется из соотношения

K При К 6 Z₀ l/(26) 0,26l. Тогда

S l 0,26l 0,74l.

5. Функция (1) является монотонно возрастающей.

6. Переход от участка с возрастающим зазором к участку с постоянным зазором происходит плавно, так как производная от функции (1) при K равна нулю.

7. Участок с постоянным зазором соответствует соотношению

K причем величина Z может измеряться от любой торцовой поверхности кольца.

Единственным недостатком способа, включающего выполнение зазора в соответствии с соотношением (1), является технологическая сложность оформления посадочной поверхности кольца по синусоидальному закону.