Инжиниринг

Технология и оборудование для «зонной» закалки тонкостенных высокоточных деталей

На ФГУП УЭМЗ освоена технология, оборудование «зонной» закалки тонкостенных деталей ответственного назначения c высокой твердостью 800-1000HV и прибор неразрушающего 100% контроля твердости деталей без нарушения поверхности.
18 мая 2010
Автор:

Современные миниатюрные высокоточные системы автоматики, создаваемые в настоящее время для различных назначений, зачастую требуют использования деталей с различной твердостью по длине, что требует применения «зонной» закалки. Под термином «зонная» закалка понимается высокая твердость на небольшом участке (1,5-2,5 мм ) по сравнению с общей твердостью детали. Сложность получения таких деталей заключается еще и в том, что необходимо контролировать полученную твердость без разрушения целостности и сохраняя качество поверхности. Особенно это касается мелких цилиндрических деталей.

На ФГУП «Уральский электромеханический завод» разработана технология «зонной» закалки, цилиндрических деталей диаметром от 0,5 мм до 3,5 мм длиной 20-100 мм из различных сплавов. Для этих целей совместно со сторонними организациями разработаны и изготовлены установка полуавтоматической «зонной» закалки и прибор неразрушающего контроля твердости.

Одной из основных задач в работе было получение высокой твердости в определенной зоне по длине детали – 1,5-2,5 мм, при этом остальная часть детали должна иметь исходную твердость материала – «сырую». Второй задачей выполнения данной работы был неразрушающий 100%-ный контроль «зонной» твердости деталей, так как от этого зависит надежность и работоспособность всего устройства.

Анализ возможных технологий закалки деталей с обеспечением выполнения требований конструкторской документации (КД) по твердости показал, что такую твердость в узкой зоне можно получить, применяя индукционный нагрев с последующим быстрым охлаждением. Серийно выпускаемого оборудования и приборов для выполнения требований КД для таких тонких деталей не было найдено.

Для решения данной задачи была проведена исследовательская и конструкторская работа на деталях-«имитаторах» по следующей программе:

  1. Разработка макета установки для подбора мощности, конструкции индуктора, обеспечивающего получение необходимой температуры нагрева в узкой зоне 1,5-2,5 мм.
  2. Выбор технологии закалки: температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения (масло, вода и т.д.).
  3. Отработка температурных режимов «отпуска» деталей после «закалки» для снятия термических напряжений и получения однородной структуры для обеспечения требований КД с учетом марки сплава;
  4. Разработка конструкции и изготовление макета прибора неразрушающего контроля твердости для изучения влияния твердости (структуры металла) на изменение магнитного поля.
  5. Установление корреляционных связей между твердостью материала (структуры металла) и его магнитными характеристиками посредством сравнения величины твердости, полученной разрушающими методами и неразрушающими.
  6. Изготовление установки для «закалки» деталей и прибора неразрушающего контроля твердости. Проверка работы на годных деталях.

Разработка установки для закалки деталей проводилась в два этапа.

На первом этапе работы была разработана принципиальная схема установки индукционной закалки, выбрана конструкция щелевого индуктора, на деталях-«имитаторах» отработаны размеры, конфигурация индуктора, мощность устройства для создания необходимой температуры в зоне нагрева.

Проведена работа по выбору среды (масло, вода, солевой раствор и др.) для обеспечения скорости закалки, чтобы получить необходимую твердость только в определенной зоне детали и не перегреть выше зоны высокой твердости. При этом после изменения каких-либо параметров испытания: мощности (температура), времени нагрева, среды охлаждения, проводились замеры твердости по всей длине детали и изучалась структура металла.

На втором этапе работы после выбора основных параметров (мощность, время, скорость охлаждения) была произведена компоновка всей схемы в одно устройство, разработана система полуавтоматической подачи детали в зону нагрева и охлаждения.

В результате проведенной работы изготовлена установка индукционной закалки, представляющая собой компактное устройство, в большом корпусе которого расположен генератор, а в малом нагревательный блок (Рис. 1).

Нагревательный блок содержит нагрузку для генератора – LC контур со щелевым индуктором и устройством полуавтоматической подачи деталей в зону нагрева и охлаждения.

Общие параметры установки следующие:

  • напряжение питания – однофазное – 220 В;
  • потребляемая мощность, не более 1050 Вт;
  • габаритные размеры – 1050 х 300 х 1200 мм;
  • газовая среда в зоне закалки – воздух (аргон, азот при необходимости);
  • охлаждение – воздушное принудительное;
  • масса, не более – 70 кг;
  • одновременная загрузка от 1 до 15 шт.;
  • производительность – 12-15 деталей в 1 минуту;
  • режим работы – циклический с периодами охлаждения нагревательного блока;
  • имеется автоматическая защита от перегрева нагревательного блока и генератора;
  • автоматическое отключение генератора при открывании дверцы блока нагрева или дверцы генератора.

Изготовлен прибор неразрушающего контроля деталей и созданы эталонные образцы для настройки и проверки прибора. 

Выбор метода неразрушающего контроля твердости осуществлялся из трех видов контроля: ультразвукового, вихревого и магнитного. Все перечисленные виды контроля в принципе применимы для решения поставленной задачи. Однако магнитный контроль имеет преимущества перед другими по производительности, простоте реализации и чувствительности к изменениям структуры материала детали. Предварительные исследования показали, что разработанный для магнитного контроля детали преобразователь имеет чувствительность 35 мкВ на единицу твердости по Виккерсу, а чувствительность ультразвуковых и вихретоковых преобразователей различной конструкции не превышает 5 мкВ на единицу твердости по Виккерсу, что не дает необходимой точности измерений. В связи с этим предпочтение было отдано методу контроля, основанному на измерении величины сигнала, который наводится в индукционном датчике при помещении в него контролируемой детали и пропорционален ее магнитной проницаемости.

Разработана конструкция и изготовлен прибор, реализующий этот метод контроля деталей. Контроль твердости деталей осуществляется в необходимой локальной зоне, указанной в КД. Прибор состоит из двух функциональных блоков – блок магнитного контроля, настроенный на необходимую зону контроля, и стандартный цифровой мультиметр типа АРРА-207, работающий в режиме измерения напряжения переменного тока.

В блоке магнитного контроля осуществляется намагничивание детали в локальной зоне контроля переменным магнитным полем и преобразование изменений магнитного потока в электрическое напряжение. Электрическое напряжение на выходе блока пропорционально твердости исследуемой локальной зоны детали.

С целью отработки методики контроля было проведены измерения твердости более 100 деталей, изготовленных как из материала в состоянии поставки (сырые), так и из термообработанного (закалка, закалка + отпуск) для определения величины сигнала индукционного датчика прибора после установки в него этих деталей. При этом для получения более точной корреляции все детали проверялись на микротвердость как по сечению детали с послойным замером твердости на определенных расстояниях, так и вдоль детали на всю длину, до и после неразрушающего контроля твердости.

Корреляционная связь твердости «сырых» деталей описывается уравнением регрессии:

HV = 59,48 х E – 228.32,

где: HV – чис

ло твердости по Виккерсу, кг/мм2 , E – показание прибора, мВ.

Коэффициент корреляции – 0.98, среднее квадратическое отклонение – 16,8.

Корреляционная связь твердости термообработанных деталей описывается уравнением регрессии:

HV = 970.67 – 21.35 х E

Коэффициент корреляции – 0.83, среднее квадратическое отклонение – 26,3.

На Рис. 2, 3 показаны корреляционные связи твердости контролируемых деталей и показаний прибора, полученные по результатам проведения всех измерений и расчетов. На основании чего был изготовлен прибор неразрушающего контроля деталей и созданы эталонные образцы для настройки и проверки прибора.

В процессе разработки, изготовления, установки закалочной индукционной и прибора неразрушающего контроля твердости отрабатывались режимы «отпуска» детали после «закалки» для снятия напряжений, стабилизации структуры металла, обеспечивающей получение свойств детали согласно требованиям КД. Низкотемпературный отпуск деталей производился в обычных нагревательных печах и подбирался по режимам рекомендованным в специальной литературе [1, 2]. 

Результаты работы:

  1.  В результате освоения нового изделия на ФГУП УЭМЗ разработана технология и запущены в эксплуатацию:
  • установка индукционной закалки, позволяющая получать детали с высокой твердостью в узкой зоне 1,5-2,5 мм;
  • прибор контроля твердости по длине детали неразрушающим методом.
  1. Установка индукционной закалки может производить «зонную» закалку в любом месте на тонкостенных деталях любого сечения, имеющих вид вала.
  2. ФГУП УЭМЗ окажет помощь предприятиям в решении аналогичных задач.

Литература:

  1. Гуляев А.П., Малинина К.А., Саверина С.М. Справочник. Инструментальные стали. М.: Машиностроение. 1975 г., 272 с.
  2. Сорокин В.Г, Волосникова А.В., Вяткин С.А., Гервасьев М.А., Гредитор М.А., Крылова К.М., Кубачек В.В., Мирмельштейн В.А. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение. 1989 г., 640 с.

Материал предоставлен журналом «Новые промышленные технологии», www.cnilot.ru