диск, используемый в сельском хозяйстве, в частности диск, используемый для вспашки

Формула изобретения

1. Металлический диск, предназначенный, в частности, для использования в сельском хозяйстве, содержащий пластичную центральную часть (10), предназначенную, в частности, для крепления диска на шасси или аналогичном элементе, и наружную периферическую часть (12), предназначенную, в частности, для обработки почвы и обладающую более высокой твердостью, чем центральная часть (10), отличающийся тем, что дополнительно содержит переходную зону (14) между центральной частью (10) и периферической частью (12), которая имеет градиент твердости в радиальном направлении, причем, по меньшей мере, в своей центральной части диск имеет градиент твердости по толщине.

2. Диск по п.1, отличающийся тем, что разность твердости между центральной частью (10) и периферической частью (12) составляет не менее 200 МПа (или 20 кг/мм²).

3. Диск по п.1 или 2, отличающийся тем, что твердость периферической части (12) составляет, по меньшей мере, 1900 МПа (или 190 кг/мм ²).

4. Диск по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что твердость центральной части (10) предпочтительно находится в пределах от 1500 до 1700 МПа (или от 150 до 170 кг/мм² ).

5. Диск по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что выполнен из стального сплава, легированного бором и содержащего марганец, хром и кремний, а также содержащего от 0,35 до 0,42% углерода и, по меньшей мере, 0,16% хрома.

6. Диск по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что перепад твердости в толщине диска в зоне с градиентом твердости по толщине составляет от 20 до 150 МПа (или от 2 до 15 кг/мм²).

7. Диск по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что градиент твердости по толщине диска присутствует в центральной части (10) диска, а также в переходной зоне (14).

8. Диск по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что содержит плоскую центральную зону (2), используемую для его крепления на шасси и охваченную вогнутой зоной, причем пластичная центральная часть (10) находится за пределами плоской центральной зоны (2).

9. Диск по одному из пп.1 или 2, отличающийся тем, что имеет диаметр от 400 до 1100 мм.

10. Способ изготовления диска по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что содержит следующее этапы:

- путем вырезания из стального листа выполняют заготовку,

- путем прошивки в центре заготовки выполняют зону крепления,

- в случае необходимости осуществляют вытяжку заготовки,

- производят термическую обработку полученной детали при помощи операции закалки в воде или в полимере, и

- осуществляет отпуск при переменной температуре, например, с использованием средств индукционного нагрева.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение касается диска, используемый в сельском хозяйстве, в частности, диска, используемого для обработки почвы.

При обработке почвы, для ограничения ее эрозии, как известно, вместо лемешных плугов используют диски. Диски устанавливают на шасси, предназначенном для сцепки сзади трактора или аналогичного средства. Диски, которые могут быть плоскими, но могут содержать и вогнутость, в рабочем положении являются по существу вертикальными или, в случае необходимости, имеют наклон и могут поворачиваться вокруг по существу горизонтальной оси. Можно установить несколько дисков неподвижно на валу, поворачивающемся относительно шасси, или каждый диск можно установить независимо с возможностью поворота относительно опорных подшипников.

Диски проникают в почву своей периферией и позволяют, таким образом, обрабатывать верхний слой почвы. Форму периферии диска и общую форму диска адаптируют к типу почвы и к типу осуществляемой работы. Так, существуют диски плоские, вогнутые, гофрированные и т.д., и их периферия может быть круглой, зубчатой, лепестковой и т.д. В основном указанные диски используют для таких работ, как вспашка, обработка почвы с сохранением стерни или посевные работы.

Известные диски содержат центральную часть, которая предназначена для их крепления на шасси, и периферическую часть, которая должна проникать в почву. Чаще всего диски выполняют из стального сплава. Эту сталь подвергают термической обработке для повышения ее твердости, чтобы ограничить износ диска, в частности, на уровне его периферии. Вместе с тем, твердость ограничивают, чтобы диск не был хрупким и чтобы избегать появления трещин между центральной крепежной частью и периферией, обрабатывающей почву. Так, известные диски имеют твердость, как правило, в пределах от 49 до 53 HRC (градусы твердости по Роквеллу), причем эта твердость в диске является однородной. Твердость 49° HRC соответствует примерно 1600 МПа (или 160 кг/мм²), а твердость 52° HRC соответствует примерно 1750 МПа (или 175 кг/мм² ) (точного соответствия между измерениями твердости в международной системе и твердости по Роквеллу не существует).

В документе US-4305272 раскрыт диск для сельскохозяйственного использования, который содержит наружный край более высокой твердости, чем центральная часть диска. Эту разность твердости получают путем дифференциальной термической обработки, во время которой на периферии диска располагают теплопроводящую кольцевую деталь. Способ, описанный в этом документе, сложно применять в промышленных масштабах, и, насколько известно заявителю, ни один диск, описанный в этом документе, не был выпущен в продажу. Речь может идти только о стальных дисках небольшой толщины. Кроме того, такой диск после изготовления обладает твердостью только на своей периферии.

Задачей настоящего изобретения является разработка диска, имеющего меньший износ по сравнению с известными дисками, не будучи при этом более хрупким, и обладающего улучшенными характеристиками с точки зрения увеличения срока службы. Предпочтительно настоящее изобретение можно применять на дисках большой толщины (например, более 4 мм).

В этой связи объектом настоящего изобретения является металлический диск, предназначенный, в частности, для использования в сельском хозяйстве, содержащий пластичную центральную часть, предназначенную, в частности, для крепления диска на шасси, и наружную периферическую часть, предназначенную, в частности, для обработки почвы и обладающую более высокой твердостью, чем центральная часть.

Согласно настоящему изобретению, диск дополнительно содержит переходную зону между центральной частью и периферической частью, которая имеет градиент твердости в радиальном направлении и имеет, по меньшей мере, в центральной части градиент твердости в толщине диска.

Периферическая часть высокой твердости позволяет повысить износоустойчивость диска. Что касается пластичной центральной части и переходной зоны, то они обеспечивают достаточный прогиб диска, что позволяет ему выдерживать большие напряжения, не ломаясь. Кроме того, благодаря градиенту твердости в толщине диска, по меньшей мере, в центральной части, в толщине диска можно получить переменную твердость. Так, например, в середине толщины диска можно сформировать зону высокой твердости, а на поверхности - зону, образующую пластичный слой меньшей твердости. Можно также предусмотреть, например, чтобы одна сторона диска имела более высокую твердость, чем другая сторона диска, с градиентом твердости в направлении от одной стороны к другой в его толщине.

В диске в соответствии с настоящим изобретением разность твердости между центральной частью и периферической частью предпочтительно составляет не менее 20 кг/мм². Эта разность твердости между периферической частью и центральной частью диска позволяет существенно улучшить характеристики диска в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с аналогичным диском однородной твердости.

Для повышения износоустойчивости, предпочтительно, чтобы твердость периферической части составляла, по меньшей мере, 1900 МПа (или 190 кг/мм²). Твердость центральной части предпочтительно находится в пределах от 1500 до 1700 МПа (или от 150 до 170 кг/мм ²), что обеспечивает достаточный прогиб диска при действующих на него напряжениях и высокую усталостную прочность и стойкость к деформации.

Диск в соответствии с настоящим изобретением можно выполнять, например, из стального сплава, легированного бором и содержащего марганец, хром и кремний. За счет термической обработки такой сплав позволяет получать вышеуказанные значения твердости. Предпочтительно, чтобы этот сплав содержал от 0,35 до 0,42% углерода и/или, по меньшей мере, 0,16% хрома.

В диске в соответствии с настоящим изобретением перепад твердости в толщине диска в зоне с градиентом твердости в толщине может составлять, например, от 2 до 15 кг/мм². Этот градиент твердости в толщине диска предпочтительно присутствует одновременно в центральной части диска и в переходной зоне.

Предпочтительно, чтобы диск содержал плоскую центральную зону, используемую для его крепления на шасси и охваченную вогнутой зоной. В этом варианте выполнения пластичная центральная часть предпочтительно находится за пределами плоской центральной зоны. Таким образом, пластичная зона окружает часть диска, предназначенную для неподвижного крепления на шасси.

Настоящее изобретение касается всех размеров и всех форм дисков сельскохозяйственного применения. Вместе с тем, настоящее изобретение предпочтительно применяется для дисков диаметром от 400 до 1100 мм и/или для дисков толщиной более 3 мм, предпочтительно более 4 мм.

В настоящем изобретении предлагается также способ изготовления описанного выше диска, причем этот способ содержит следующее этапы:

- путем вырезания из стального листа выполняют заготовку,

- путем прошивки в центре заготовки выполняют зону крепления,

- в случае необходимости, осуществляют вытяжку заготовки,

- производят термическую обработку полученной детали при помощи операции закалки в воде или в полимере, и

- осуществляет отпуск при переменной температуре, например, с использованием средств индукционного нагрева.

Отпуск осуществляют путем нагрева детали. Этот отпуск производят при переменной температуре, так как деталь нагревают не равномерно, и достигаемая температура меняется от одной зоны детали к другой, а также в толщине детали. Использование средств индукционного нагрева позволяет контролировать нагрев и, следовательно, температуру в детали. Таким образом, получают перепады твердости в диске, получаемом при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением.

Отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает вид сверху диска в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - вид в разрезе диска по линии II-II Фиг.1.

На чертежах представлен плоскодонный диск для сельскохозяйственного использования в соответствии с настоящим изобретением. Наружная форма этого диска идентична форме известного плоскодонного диска. Речь идет о металлическом диске, выполненном в виде сферического купола с плоским дном 2. Это дно находится в центре сферического купола и имеет диаметр D. Существуют также диски для сельскохозяйственного использования, имеющие форму, отличную от показанной на чертежах. Настоящее изобретение может касаться также этих дисков другой формы, которые можно использовать, в частности, для вспашки, посева и/или для операций обработки почвы с сохранением стерни.

В своем центре плоское дно 2 содержит отверстие 4, предназначенной для крепления диска на шасси (не показано). Свободный край диска, соответствующий периферии диска, содержит скошенную фаску 6, используемую для обработки почвы, например, чтобы срезать остатки растений.

В варианте выполнения, показанном на чертежах, диск имеет ось симметрии, которая в данном случае является также осью вращения 8. Между скошенной фаской 8 и плоским дном 2 диск имеет радиус кривизны R и толщину Е. Например, значение Е может меняться от 3,5 до 8 мм. Высота диска обозначена F: ее измеряют вдоль оси вращения 8.

Согласно настоящему изобретению, представленный диск имеет твердость, которая меняется, с одной стороны, в зависимости от расстояния до оси вращения 8 и, с другой стороны, как будет пояснено ниже, градиент твердости существует в некоторых зонах в толщине Е диска. Таким образом, получают прежде всего радиальный градиент твердости (изменение твердости относительно оси вращения 8) и затем поперечный градиент твердости или градиент в толщине диска.

Таким образом, по радиальному градиенту твердости этот диск содержит две разные зоны твердости и переходную зону. Так, на Фиг.1 показаны центральная часть 10 и периферическая часть 12, разделенные переходной зоной 14. На Фиг.1 пунктирными линиями показаны разделы между каждой из частей 10 и 12 и переходной зоной 14. В описанном варианте выполнения поперечный градиент твердости затрагивает центральную часть 10 и переходную зону 14.

Центральная часть 10 является пластичной зоной, а периферическая часть имеет более высокую твердость, чем центральная часть 10. Что касается переходной зоны 14, то она имеет радиальный градиент твердости и поперечный градиент твердости.

Центральная часть 10 служит, в частности, для крепления диска на шасси. В варианте выполнения, показанном на чертежах, эта центральная часть 10 находится за пределами плоского дна 2. Диаметр центральной части 10 составляет, например, от D+75 мм до D+120 мм.

Твердость центральной части 10 составляет, например, от 1550 до 1650 МПа (или от 155 кг/мм² до 165 кг/мм²) на поверхности диска. Эта твердость является по существу постоянной, но может также незначительно меняться, возрастая от центра до переходной зоны 14.

В этой центральной части 10 твердость меняется в толщине диска. Например, твердость может быть более высокой с сердцевине толщины диска и менее высокой на поверхности диска. Перепад твердости между сердцевиной толщины диска и поверхностью диска составляет, например, от 20 до 150 МПа (или от 2 до 15 кг/мм²), предпочтительно от 30 до 80 МПа (или от 3 до 8 кг/мм²). Таким образом, в этом первом примере имеется два градиента твердости: по одному градиенту от сердцевины толщины диска в направлении каждой из поверхностей диска. Этот первый вариант применяют, например, для плоского диска (который не содержит вогнутости в отличие от диска, показанного на чертежах), обе стороны которого могут работать на прогиб.

Согласно другому примеру, твердость меняется от одной стороны диска к другой: в этом случае имеется только один поперечный градиент твердости от одной поверхности диска к другой. Перепады твердости от одной стороны к другой такие же, как и в первом примере, то есть составляют от 20 до 150 МПа (или от 2 до 15 кг/мм²), предпочтительно от 30 до 80 МПа (или от 3 до 8 кг/мм²).

Изменения твердости в толщине диска зависят от того, каким образом должен работать диск. Сторона диска на уровне центральной части, которая подвергается максимальному усилию прогиба, является наиболее пластичной, то есть имеет наименьшее значение твердости. Точно так же, там, где диск в основном работает на сжатие, твердость будет наибольшей.

Что касается периферической части 12, то твердость в ней составляет, например, от 2000 до 2100 МПа (или от 200 кг/мм ² до 210 кг/мм²). Предпочтительно эта твердость является максимальной на уровне скошенной фаски 6. Ширина этой периферической части 12, которая имеет кольцевую форму, как правило, составляет от 50 до 300 мм. На уровне этой периферической часть твердость в толщине диска не меняется или меняется очень незначительно.

В переходной зоне 14 твердость меняется, например, по существу линейно от значения твердости снаружи центральной части 10 до значения твердости внутри периферической части 12. В представленном выше не ограничительном численном примере твердость переходит примерно от 1600 МПа (или 160 кг/мм²) до 2000 МПа (или 200 кг/мм²). Эта переходная зона имеет, например, ширину порядка нескольких сантиметров, в зависимости от наружного диаметра диска.

В этой переходной зоне 14 поперечный градиент твердости аналогичен градиенту твердости, указанному для центральной части 10. Если в центральной части твердость является более высокой в сердцевине толщины диска, то твердость в переходной зоне 14 тоже будет более высокой в сердцевине толщины диска. Если одна сторона центральной части 10 является более твердой, чем противоположная сторона, то аналогичный поперечный градиент твердости присутствует и в переходной зоне 14.

Большинство известных дисков имеют однородную твердость. Как правило, она составляет примерно 1600 МПа (или 160 кг/мм²), что соответствует примерно 49° HRC. По сравнению с таким известным диском диск в соответствии с настоящим изобретением отличается весьма существенным улучшением одновременно износоустойчивости и стойкостью к механическим воздействиям примерно с троекратным превышением этих характеристик по сравнению с известным диском таких же размеров.

Диск в соответствии с настоящим изобретением выполняют из стали. Предпочтительно содержание углерода (С) составляет от 0,35 до 0,42%. Предпочтительно эту сталь легируют бором, и она дополнительно содержит марганец, хром и кремний. Что касается содержания хрома (Cr), то оно предпочтительно меньше 0,20% и еще предпочтительнее - меньше 0,16%.

Для получения переменной твердости на поверхности диска можно использовать несколько способов изготовления. Ниже следует описание предпочтительного способа. Согласно этому способу, сначала диск выполняют из стали (например, описанной выше), находящейся в виде листа или в рулоне. Первая операция вырезания позволяет получить заготовку. При помощи прошивки выполняют центральный элемент крепления. Этот элемент обеспечивает соединение с шасси. Например, при помощи прошивки получают отверстие 4. В данном случае можно предусмотреть также и другие варианты выполнения. Вместо одного центрального отверстия можно предусмотреть несколько отверстий. После этого на периферии выполняют черновую скошенную фаску. В данном случае, в зависимости от требуемой формы диска, по периферии диска можно, например, выполнить зубцы и/или другие формы. Вытяжка, например, горячая вытяжка позволяет придать заготовке вогнутую форму.

Наконец, осуществляют термическую обработку. Эта обработка позволяет придать диску твердость. В данном случае речь идет о закалке в воде или в полимере. Полученная деталь характеризуется высокой твердостью. Для получения пластичной центральной части 10 производят отпуск, выбирая температуру отпуска в зависимости от зоны диска. Этот отпуск позволяет получить меньшую твердость в центре и в переходной зоне 14 между центральной частью 10 и периферической частью 12, которая имеет радиальный и, в случае необходимости, поперечный градиент твердости. Для достижения этого результата осуществляют нагрев детали, регулируя температуру в различных зонах диска. Так, центральную часть 10 нагревают в большей степени, чем периферическую часть 12. В случае необходимости, последнюю подергают отпуску для снятия напряжений от закалки. Во время этой операции изменение твердости можно наблюдать на уровне периферической зоны 12.

Осуществляя этот отпуск при помощи средств индукционного нагрева, можно получать, с одной стороны, градиент твердости путем соответствующего позиционирования средств нагрева и путем использования, в случае необходимости, средств охлаждения в некоторых зонах, и, с другой стороны, описанный выше поперечный градиент твердости, например, путем изменения частоты используемого тока.

В предпочтительном варианте осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением можно предусмотреть отпуск всего диска, однако, не выходя за замки изобретения, можно предусмотреть отпуск только центральной части 10 и, в случае необходимости, также переходной зоны 14. При этом средства индукционного нагрева позволяют осуществлять отпуск диска с переменной температурой с хорошим контролем нагрева диска как в зависимости от рассматриваемого радиального положения, так и в толщине диска. Этот контроль зон нагрева позволяет управлять перепадами твердости в диске, как по радиальному градиенту твердости, так и по поперечному градиенту твердости.

Таким образом, диск в соответствии с настоящим изобретением содержит на своей периферии часть высокой твердости, отличающуюся очень хорошей износоустойчивостью. Эта часть диска предназначена для вхождения в контакт с обрабатываемой почвой и может наталкиваться на различные препятствия, находящиеся в почве, в частности, на камни.

В центре диск крепят на шасси. Это крепление аналогично соединению в паз, поэтому внутри этого крепления действуют незначительные механические напряжения. Механические напряжения, в частности, напряжения прогиба возникают в части диска, расположенной между его креплением и его активной частью, которая находится в почве. Благодаря поперечному градиенту твердости, получаемому в центральной части (и, в случае необходимости, в переходной зоне), диск в соответствии с настоящим изобретением отличается также лучшей усталостной прочностью при прогибе и стойкостью к амплитудам деформации, то есть, при неподвижном закреплении центра диска и при многократном воздействии нагрузки прогиба на периферию диска. Для дисков одинаковых размеров диск в соответствии с настоящим изобретением будет иметь намного более высокую прочность (до троекратной), чем известный диск с однородной твердостью.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет одновременно добиться более высокой твердости, лучшей износоустойчивости и позволяет диску деформироваться в более значительной степени. Эти характеристики, которые до настоящего времени считались взаимоисключающими, удалось получить на одном диске, благодаря настоящему изобретению.

Таким образом, преимуществом настоящего изобретения является возможность адаптации к любым типам дисков, таким как плоские диски, выгнутые диски, диски в виде усеченного конуса, плоские или гофрированные круглые плужные ножи. Центр диска может быть плоским, выпуклым, вогнутым и т.д. Периферия диска может быть круглой, зубчатой, лепестковой и т.д.

Изобретение можно адаптировать для всех размеров дисков, однако для специалиста представляется понятным, что наиболее предпочтительным оно является для дисков большого диаметра, которые должны подвергаться более значительным напряжениям, чем небольшие диски. Так, предпочтительно, но не ограничительно изобретение можно применять для дисков, диаметр которых превышает 40 или 50 см, а также для дисков толщиной более 3,5 или 4 мм.

Настоящее изобретение не ограничивается предпочтительным вариантом выполнения, представленным выше в качестве не ограничительного примера, и предложенным способом изготовления. Оно может охватывать все варианты выполнения, доступные для специалиста и не выходящие за рамки нижеследующей формулы изобретения.