Устройство для вибрационного старения металлических изделий

 

Изобретение относится к обработке металлов вибрацией и может быть использовано в машиностроении при изготовлении длинных валов. Цель изобретения - улучшение качества путем стабилизации геометрической формы и размеров валов и сокращение времени процесса старения. Устройство для вибрационного старения длинных валов содержит электромагнитный двусторонГО- СО // Й/е.7

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ К

РЕСПУБЛИК (51) С 21 Р I /04.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

IlPH ГКНТ СССР (21) 4431607/02 (22) 27.05.88 (46) 23.02.91, Бюл. л> 7 (7i) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса. (72) К.Б.Толутис, И.C.Âèëèñ и Н.А. Габшявичюс (53) 621,785,78(088.8) (56) Патент США М 3741820, кл. С 21 Э 1/04, 1973, Заводская лаборатория,-1984, М 3, с 70-72 .

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИГ>РАЦИОННОГО

СтАРКИИЯ ИКтАЛЛИЧКСКИХ ИЗДКЛИЙ (57) Изобретение относится к обработке металлов вибрацией и может быть использовано в машиностроении при изготовлении длинных валов. Цель изоб-; ретения — улучшение качества путем стабилизации геометрической формы и размеров валов и сокращение времени процесса старения. Устройство для вибрационного старения длинных валов ктромагнитный двусторон1 629327 ний вибровозбудитель l, в середине которого установлен якорь 2, соедиl ненный с подвижным захватом 3, в котором закреплен вал 4. Другой конец вала 4 закреплен в неподвижном захвате 5, который болтами прикреплен к регулирующей втулке 6, имеющий наружную резьбу для ее закрепления в верхИзобретение относится к обработке металлов вибрацией и может..быть использовано в машиностроении при изготовлении длинных валов.

Цель изобретения — улучшение ка-. чества путем стабилизации геометри- 20 ческой формы и размеров валов и сокращения времени процесса старения.

На фиг.l показана вибрационная установка, общий вид; на фиг.2 — блоксхема системы вибрационного старения, 25 на фиг.3 — электромагнитный двусторонний вибровозбудитель.

Установка для вибрационного старения длинных валов (фиг.l) содержит . электромагнитный двусторонний вибровозбудитель 1, в середине которого установлен якорь 2, соединенный с подвижным захватом 3, в котором закреплен вал 4. Другой конец последнего закреплен в неподвижном захвате 5, который болтами прикреплен к регулирующей втулке 6, имеющей наружную резьбу для ее закрепления в верхнем конце трубчатого корпуса 7. К нижнему концу трубчатого корпуса 7 подсое" динен электромагнитный двусторонний вибровозбудитель 1. К трубчатому корпусу 7 пристроен поворотный механизм, состоящий из шеек 8, кулачковой муфты 9, червячного редуктора 1 0 и элек" тродвигателя 11. Кроме того, устройство содержит пульт 12 управления (фиг,2), в котором помещены соединенные между собой блок 13 автоматического управления блок 14 автоматиЭ

50 ческого сканирования, пульт 15 ручного управления и устройство 16 выдержки времени, а к блоку 13 автоматического управления подсоединено программное устройство 17, К нижней части якоря 2 прикреплен датчик 18

55 ускорений, к которому последователь. но подсоединены измерительный усилитель 19, индикаторы 20 и самописец нем конце трубчатого корпуса 7. К нижнему концу трубчатого корпуса 7 присоединен вибровозбудитель 1. К трубчатому корпусу 7 пристроен поворотный механизм, состоящий из шеек 8, кулачковой муфты 9, червячного. редуктора 10 и электродвигателя 11. 3 ил.

21, К пульту 12 управления также подсоединены датчик 22 силы, измерительный усилитель 19 и регулируемый источник 23 питания, который erne, в свою очередь, соединен с электромагнитным двусторонним вибровозбудителем 1 и индикатором 20.

Электромагнитный двусторонний вибровозбудитель 1 (фиг.3) состоит иэ двух идентичных корпусов 24 и 25, соединенных между собой шпильками 26.

В среднем части корпусов размещены радиально-шихтованные магнитопроводы

27, в которых уложены обмотки 28 и

29 подмагничивания и рабочие обмотки 30 и 31 и залиты компаундом К-68. I

С наружной части корпусов имеются вебера охлаждения. Поцвюкная часть электромагнитного двустороннего виб= ровозбудителя l (якорь 2) изготовлена из радиально-шихтованного магнитопровода, в средней части имеющего.. немагнитную ось 32, которая служит для соединения с подвеской и регули" рования нейтрального положения. Подвижная часть подвешена на упругих элементах типа мембран 33. Мембраны

33 и ось 32 удерживают якорь 2 в та-. ком положении, что зазоры между ними и полюсами электромагнитов составляют 2,5 мм.

Устройство- работает следующим образом.

Трубчатый корпус 7 на шейках 8 с помощью поворотного механизма поворачивается в горизонтальное положение и с помощью неподвижного захвата 5 и подвижного захвата 3 вал 4 жестко крепится внутри трубчатого корпуса 7.

После закрепления вала 4 весь вибрационный узел с трубчатым корпусом 7 при помоши электродвигателя 11, червячного редуктора 10 и кулачковой муфты 9 поворачивается в вертикаль10

30 ао

5 162

Ное положение электромагнитным двусторонним вибровозбудителем 1 вниз.

Включается электромагнитный двусторонний вибронозбудитель 1 и вал нагружается симметричной знакопеременной вынуждающей силой растяжения-сжатия на резонансных частотах. Происходит процесс вибростарения на заданных и контролируемых MoLtíîñòÿõ и.частотах. Когда процесс вибростарения заканчивается, установка автоматически выключается и вибрационный узел поворачивается в горизонтальное по— ложение. Освобождаются подвижные и неподвижные захваты 3 и 5 и вал 4 вынимается из трубчатого корпуса 7.

Электромагнитный двусторонний вибровозбудитель 1 работает следующим образом. На концы обмоток 28 и 29 подмагничивания, включенных последовательно-встречно, подается постоянное напряжение подмагничивания. При этом появляются силы электромагнит— ного притяжения с обеих сторон якоря

2, одинаковые по величине, вследствие чего якорь 2 остается в положе,нии равновесия. На концы рабочих обмоток 30 и 31, включенных последовательно-согласованно, подается синусоидальное напряжение. При таком включении рабочих обмоток 30 и 31 и обмоток 28 и 29 подмагничивания в .одной стороне вибровозбудителя пере— менный поток, создаваемый переменным током, складывается с постоянным потоком подмагничивания, а в другой стороне вычитается из потока подмагничивания, тем самым вызывая появление силы притяжения то в одном, то в противоположном направлении. Когда положительный полупериод подается на обмотку 29, якорь 2 подвергается действию направленной силы вправо и начинает двиг ться. Когда в обмотку 28 подается отрицательный полупериод напряжения, на якорь 2 действует сила, направленная влево. При таком режиме работы частота механических колебаний совпадает с частотой питающего напряжения.

Электромагнитный двустороннии вибровозбудитель 1 длинный вал в вертикальном положении вдоль его оси нагружает симметричной знакопеременной вынуждающей силой растяжения-сжатия в динамически напряженном состоянии на резонансных частотах без поперечных изгибов вала, что позволяет эф9327 6 фективно воздействовать на напряжения второго и третьего рода. Именно поэтому устройство для виброобработки позволяет сокращать технологическое

5 время обработки, равномерно и полноI, стью стабилизировать размеры валов практически без уменьшения их абсолютных значений. Это улучшает качество валов.

Релаксационные процессы интенсивно протекают только в местах концентрации остаточных напряжений. Это повышает сопротивление материала пластическим деформациям и не только стабилизирует размеры деталей, но и значительно уменьшает опасность возникновения их корабления от действия нагрузки при обработке и транспортировке. Вибростарение в этом случае протекает очень быстро, процесс непосредственного вибростарения длинного вала составлял 45 с., а полный технологический цикл — до 2 мин, Этот способ виброобработки является эффективным потому, что режим вибрации в условиях резонанса в вале обеспечивает возникновение высоких амплитуд динамических напряжений, что существенно влияет на перераспределение кап ряжен ий в о в с ем объеме мат е риала .

В практике развивается не знакопереМеННаа вынуждающая, а пульсирующая сила при асимметричном растягивающем нагружении при нерезонансньр частотах.

В этом случае в материале возникают пластические деформации, влияющие на напряжения первого рода. Это вызывает упругую деформацию длинных деталей, что ведет к измененыо ее геометрической формы и размеров. A это для валов недопустимо.

Электромагнитный двусторонний вибровозбудитель 1 собран по дифферен» циальной схеме и отличается малым коэффициентом нелинейных HcKBKBHHI» и также позволяет компенсировать наведенную ЭДС в нодмагничивающих обмотках, а тем самым обеспечивает возможность установки нейтрального положения якоря по отношенью к сердечнику и дает возможность выбирать наиболее выгодный режим колебаний. Также при таком нагружении вала не так существенна MoPlHocTi> вибровоэбудителя, так как режим вибрации в условиях резонанса обеспечивает воsíèêíîâåíèå в вале высоких амплитуд динамических напря1 629327 жений, что существенно влияет на перераспределение остаточных напряжений второго и третьего рода во всем объеме материала. Кроме того, для качест-,5 венной виброобработки требуются малые вибрационные нагрузки с коротким воздействием, поэтому можно использовать вибровозбудители с меньшей вынуждающей силой, выигрывая тем самым в габа-10 ритных размерах и массе всего виброустройства.

Системы и средства вибрационного старения должны обладать хорошей. управляемостью, надежностью и простотой 15 в обслуживании. Поэтому пульт 12 управления имеет пульт 15 ручного управления,,с помощью которого устанавливается частота и амплитуда вынуждающей силы, блок 14 автоматичес- 2р кого сканирования для воспроизведения амплитудна-частотных характеристик, устройство 16 выдержки времени для обработки изделий с необходимым временем виброобработки, блок 13 автома — 25 тического управления, который при работе в автоматическом режиме поддерз живает частоту вынуждающей силы, равную резонансной частоте вала, прог-, раммное устройство 17, позволяющее с 30 достижением стабильности частоты резонансного пика автоматически выключить систему или перевести на другую, заранее заданную частоту резонансного пика, Кроме того, посредством дат- Зс чика 18 ускорения,,измерительного усилителя 19 и датчика 22 силы контролируются вибрационные параметры и режимы виброобработки. Основные контролируемые параметры, т.е. частота, амп- 40 литуда колебаний и мощность, потребляемая источником силы, выводятся со ответственно на индикаторы 20 и записываются самописцем 21.

С помощью пульта 15 ручноro управ- 45 ления устанавливается частота вибростарения от 5 до 5000 Гц и амплитуда вынуждающей силы от долей миллиметра до 5 мм. Частота регулируется задатчиком скорости электродвигателя пос- 50 тоянного тока, вращающего генератора переменного тока. Амплитуда вынуждающей силы регулируется подма1-ничиванием электромагнитного возбудителя.

При управленйи электромагнитным двусторонним вибровозбудителем 1 возможно плавное или ступенчатое регулирование амплитуды колебани1 во всем диапазоне частот — от нуля до максимального значения. При этом частота вынуждающей силы. остается постоянной при слабых сопротивлениях колебаниям.

Блок 14 автоматического сканирования позволяет вибрационную обработку вести в заданном частотном диапазоне (например, включающем несколько резою нансных частот F < и F< ) и автоматически изменять частоту от F до F (автосканирование частоты)..При этом после достижения частоты F< направление сканирования меняется на обратное и частота начинает уменьшаться от

F< до F .. Далее процесс снова повторяется, т.е. автоматическое сканирование частоты возбуждения (может осуществлятся и вручную) происходит по замкнутому циклу в пределах выбранного рабочего диапазона от Г до F u от F до F1 и т.д., содержащих резонансные частоты F) и F . При возбуждении вала путем автосканирования частоты возбуждения по замкнутому циклу происходит детальная проработка каждого участка вала по той причине, что собственные формы колебаний вала ме— няются в процессе виброобработки, Вследствие этого обеспечивается более полное и равномерное снижение остаточных напряжений.

Хлок 13 автоматического управления поддерживает частоту вынуждающей силы в резонансном режиме. В процессе виброобработки с понижением (перераспределением) остаточных напряжений изменяется и резонансная частота вала.

Устройство 13 автоматического управления следит за изменением частоты и при ее изменении дает команду ввести систему в резонанс (изменяет частоту вибрации соответственно до резонансной}, Таким образом, система автома тически настраивается на резонанс и следит за его изменением, причем для обеспечения работы на резонансных пиках с крутыми склонами частота должна поддерживаться и регулироваться с большой точностью. Качество виброо6работки и долговечность изделий также сильно зависит от правильности вы; бора значения напряжений и числа циклов нагружения.

Окончание. виброобработки устанавливается по двум критериям: по достижению стабильности логарифмического декрамента затухающих колебаний обрабатываемого вала и по достижению стабильной,резонансной частоты, Оконча9 1629327

10 ние виброобработки регистрируется и установка автоматически выклн1чается.

Известная установка управляется ручным способом.

Процесс вибростарения длинных ва. —, лов производят в вертикальном положении, так как в этом случае исключается прогиб вала от собственного веса, также вал во время вибростарения не должен получать никаких нагружений, кроме растяжения-сжатия. Эти два условия очень важные, поскольку в.противном случае йевозможно достичь стабилизации геометрической 15 формы длинного вала, а это, в большинстве случаев, для валов недопустимо, В известном устрокстве в случае неодинаковой жесткости пружин или несинхронного перемещения обоих втулок (что не исключено), в длинном вале возникнет изгибающий момент. Это приводит к тому, что вал, кроме напряжений растяжения-сжатия, будет еще периодически подвергаться изгибу, а 25 это недопустимо °

Для удобства работы трубчатык корпус 7 выполнен поворотным, что ускоряет и улуЧшает условия крепления и изъятия длинных валов в установке. 30

При проектировании установки особое внимание Уделено установке, работан— щей на резснансной частоте, создаваемой для здоровья вредный шум, который полностью экранируется, тРУбчатым корпусом. Применение трубчатого корпуса 7 вместо колонн сильно уменьшает вес и габариты установки. Применение трубчатого корпуса 7 позволяет легко поворачивать электромагнитный двусторонний вибровозбудитель i с обрабатываемок деталью на любой угол.

Следовательно, применение трубчатого корпуса 7 решает следун щие задачи: улучшает санитарно-гигиенические ус 45 ловия труда, уменьшает габариты, вес и упрощает конструкцию установки, позволяет производить поворот всего вибрационного узла с валов. Известное устройство имеет более сложную конст- 5 рукцию. В нем еще дополнительно нуж= ны две колонны с неподвижной и подвижной траверсами, две плоские пружины для перемещения подвижной системы в осевом направлении, механизм статического нагружения, состоящий из двух пружин, специальных стаканов, винтовой, цепной передачи и электродвигателя, В связи с высоким уровнем шума при работе известного устройства, оно располагается в боксе, а управляншая аппаратура и сам оператор

° находится вне его. Это затрудняет обслуживание устройства и для его размещения требуются специальные помещения.

Использование предлагаемого устройства позволяет по сравнению с известным стабилизировать геометрическую форму и размеры длинного вала, нагружая его в вертикальном положении вдоль его оси симметричной знакопеременной вынуждающей силой растяжения-сжатия в динамически напряженном состоянии на резонансных частотах.

Это позволяет эффективно при минимальных нагрузках, исключая появление поперечного изгиба, воздействовать на остаточные напряжения второго и третьего рода длинного вала и поэто" му, сокращая технологическое время обработки, равномерно и полностью стабилизировать его размеры практически без изменения абсолютных значений, Это улучшает качество валов.

При этом параметры прочности, твердости и долговечности не снижаются.

Поскольку во время обработки в вале возникают высокие амплитуды динамических напряжений, вибростарение протекает очень быстро, процесс непоссредственного вибростарения длинного вала составляет 45 с, а полный техно.логический цикл — до 2 мин.

Устройство вибрационного старения обладает хорошей управляемостью, надежностью и простотой в обслуживании.

Виброобработку можно проводить при ручном или автоматическом управлении.

Несущей конструкциек вибрационного устройства является трубчатый корпус, внутренняя поверхность которого покрыта каучуком. Такое конструктивное решение позволяет улучшить санитарногигиенические условия труда — сильно уменьшить уровень шума работающей установки, производить поворот всего вибрационного узла с валом, что ускоряет и улучшает условия крепления и изъятия длинного вала в установке, уменьшает габариты, вес и упрощает конструкцию устройства.

Пример, Вибростарению подвер I гают полые валы длиной 2380+100 мм,, диаметром 65 мм и толщиной стенки

5 мм.в диапазоне с 0-300 Гц и усилием до 30 кК. Процесс непосредственно1629327

12 го вибростарения составляет 45 с, а полный технологический цикл вибростарения — до 2 мин. Эффективность виброобработки определяется по степени снижения остаточных напряжений, которые измеряют при непрерывном электро1 полировании образцов. Для определения окружных остаточных напряжений применяют образцы кольцевой формы, а для осевых — образцы в виде полосок.

Измерения остаточных напряжений после виброобработки на предлагаемом устройстве показали, что они перераспределены по всей длине вала равномер-15 но. Проведение в течение 6 мес, наблюдения за o6работанными длинными валами показывают большую стабильность их геометрических размеров. формула изобретенияZg

Устройство для вибрационного старе-. ния металлических изделий, преимущественно длинных валов, содержащее корпус, вибратор, выполйенныи в вид

1 е . 25 электромагнитного возбудителя с якорем, собранного по заданной схеме, Ф подвижный нижний и неподвижный верхний захваты, соединенные с вибратором и корпусом, динамометр, пульт управления динамических нагрузок, состоящий из усилителя, согласующего приспособления, звукового генератора, частотомера, пьезодатчика, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что с целью

I улучшения качества. путем стабилизации геометрической формы и размеров валов и сокращения времени процесса старения, устройство снабжено блоком ав тома тич е с ко го ре гул иро в ани я ре з о1 нансной частоты вала и сканирования частоты, программирующим блоком и регулирующей втулкой, причем корпус выполнен в виде трубы, установленной с возможностью поворота в вертикальной плоскости трубы, электромагнитный возбудитель выполнен по двусторонней дифференциальной схеме, подвижный захват соединен с якорем, а неподвижный — с концом корпуса через регулирующую втулку.

1629327

Составитель A,Êóëåìèí

Техред A.Кравчук Корректор Л.Пилипенко

Редактор Н.Яцола

Заказ 410 Тираж 393 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101