PL228603B1 - Piec wielokomorowy do nawęglania próżniowego i hartowania kół zębatych, wałków, pierścieni i tym podobnych detali - Google Patents

Description

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228603 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 411158 (®1) Int.CI.

F27B 9/02 (2006.01) F27B 9/30 (2006.01) F27D 3/00 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 04.02.2015 C21D 9/32 (2006.01)

Piec wielokomorowy do nawęglania próżniowego i hartowania kół zębatych, wałków, pierścieni i tym podobnych detali

	(73) Uprawniony z patentu: SECO/WARWICK SPÓŁKA AKCYJNA, Świebodzin, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	(72) Twórca(y) wynalazku:
16.08.2016 BUP 17/16	WIESŁAW FUJAK, Zbąszynek, PL MACIEJ KORECKI, Świebodzin, PL JÓZEF OLEJNIK, Świebodzin, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	MAREK STANKIEWICZ, Zielona Góra, PL
30.04.2018 WUP 04/18	EMILIA WOŁOWIEC-KORECKA, Zgierz, PL (74) Pełnomocnik: rzecz, pat. Marek Passowicz

co co co

CM

CM

Ω.

PL 228 603 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piec wielokomorowy do nawęglania próżniowego i hartowania kół zębatych, wałków, pierścieni i tym podobnych detali.

Znane są rozwiązania pieców wsadowych do realizacji procesów nawęglania próżniowego, gdzie jednocześnie obrabia się detale rozłożone na płaszczyźnie tacy i z powieleniem tego rozłożenia na kilku do kilkunastu poziomach tac. Do tego celu wykorzystywane są piece jednokomorowe ze zintegrowanym systemem wysokociśnieniowego hartowania gazowego (HPGQ), piece dwukomorowe z wydzieloną komorą chłodzenia gazowego (HPGQ) lub z możliwością chłodzeniem w oleju hartowniczym.

W zastosowaniu do produkcji masowej stosowane są systemy modułowe z wieloma komorami procesowymi nawęglania próżniowego i z wydzieloną komorą za- i wyładunku wsadu z poszczególnych komór procesowych, z wyposażeniem do chłodzenia w gazie (HPGQ) lub w oleju hartowniczym. Znane są piece z liniowym ustawieniem komór procesowych lub z dookolnym ustawieniem komór wokół osi obrotowej wyżej opisanej komory chłodzenia. W przemyśle stosuje się różne mutacje systemów modułowych, także z możliwością ustawiania komór procesowych jedna nad drugą, jak to przedstawiono np. w opisie patentowym EP1319724 B1. Wszystkie te systemy cechują się objętościowym sposobem hartowania wsadów w cyrkulującym gazie np. azocie lub helu pod wysokim ciśnieniem (HPGQ) lub w oleju hartowniczym, przy nierównomiernym chłodzeniu poszczególnych detali w różnych fragmentach objętości wsadu na skutek niejednorodnego i niepowtarzalnego przepływu środka chłodzącego przez objętość zabudowy wsadu, a także niejednorodnego przepływu środka chłodzącego wzdłuż powierzchni detali, co dalej skutkuje naprężeniami hartowniczymi i w efekcie niekorzystnymi odkształceniami.

Chłodzenie gazowe w stosunku do hartowania olejowego cechuje się w tym przypadku wyższym wskaźnikiem powtarzalności statystycznej odkształceń.

W opisie patentowym DE 102009041041B4 przedstawiono z kolei system modularny, przeznaczony do nawęglania i hartowania bezpośredniego detali typu koła zębate z wym iarami ograniczonymi, umożliwiający szybkie grzanie i chłodzenie gazowe z możliwością dalszego obniżenia odkształceń i/lub jednorodności tych odkształceń we wsadzie i powtarzalności w następnych wsadach. Według tego rozwiązania komory grzejne zabudowane są w układzie pionowym - w ilości od dwóch do sześciu, w jednej obudowie próżniowej. W systemie tym załadunek detali następuje tylko w jednym poziomie, z rozłożeniem detali na płaszczyźn ie jednej tacy, korzystnie wykonanej z kompozytu CFC. Pozwala to na bardzo szybki nagrzew detali, wystawionych na dobrą penetrację (bez ekranowania) promieniowania systemu grzejnego komór w czasie nagrzewania, co pozwala na skrócenie czasu przebywania detali na poziomie wysokiej temperatury, a także na bezpieczny i dostatecznie krótki czas przebywania detali w temperaturze ok. 1050°C, tj. w obszarze przyspieszonego rozrostu ziarna. Piece te są przeznaczone do nawęglania z grubością warstwy do np. ok. 0,6 mm.

Hartowanie gazowe detali ułożonych jednowarstwowo pozwala na hartowanie HPGQ z dużą powtarzalnością i równomiernością, w wyniku łatwiejszej budowy systemu cyrkulacji gazu chłodzącego z równomiernym i starannym napływem gazu na płaszczyznę ułożenia detali na tacy. Łatwiejsze jest uzyskanie dużej równomierności przy odpowiedniej szybkości napływu, ciśnieniu i temperaturze w stosunku do przepływu gazu chłodzącego przez wsady objętościowe. Załadunek detali w jednej warstwie ułatwia robotyzację za- i rozładunku detali, a postęp w zakresie ograniczenia i powtarzalności odkształceń umożliwia umiejscowienie pieca w systemie obrabiarek skrawających, pomiędzy obrabiarkami do obróbki zgrubnej kół zębatych a obrabiarkami do obróbki wykańczającej, z eliminacją transportu detali do wydzielonych organizacyjnie hartowni.

W technologii nawęglania gazowego dla detali trudnych, których objętościowe hartowanie w oleju hartowniczym prowadzi do większych odkształceń, stosuje się hartowanie każdego detalu na prasie hartowniczej z podawaniem cyklicznym na prasę przez pracownika wyposażonego zwykle w manipulator lub stosuje się roboty przemysłowe przy produkcji masowej.

Z kolei w technologii hartowania wiotkich pierścieni łożysk testowane są instalacje podawania cyklicznego pierścieni do matrycy chłodzącej, umożliwiającej hartowanie gazowe lub w sprężonym powietrzu z odpowiednim napływem medium chłodzącego poprzez dysze rozmieszczone względem chłodzonych powierzchni, z odpowiednim ciśnieniem, prędkościami od 50 do 100 m/s, i na poziomie 10 mm od powierzchni, przez co gwarantowane jest uzyskanie szybkości chłodzePL 228 603 B1 nia np. 15°C/s - porównywalnej do oleju hartowniczego - odpowiedniej dla hartowania pierścieni ze stali100Cr6 [HTM53( 1998)2 Fixturhartung von Walzlagerringen unter Verwendug von gasformigen Abschreckmedien].

W nawiązaniu do doświadczeń z technologią nawęglania gazowego, z zastosowaniem technologii nawęglania próżniowego, podjęto próby opracowania pieców do produkcji masowej wsadów objętościowych jak wyżej, ale z potokowym przepływem wsadu przez piec, których konstrukcję podzielono na komory funkcjonalne: nagrzewania - nawęglania próżniowego - dyfuzji - podchłodzenia do hartowania oraz komory do hartowania np. olejowego z oddzieleniem przedmiotowych komór śluzami próżniowymi. Takie systemy opisano między innymi w opisach patentowych EP0735149, EP0828554, EP1482060 i w literaturze technicznej z lat 1990-2000. Technologie te niestety nie zyskały powodzenia głównie z powodu poziomu odkształceń, nierównomierności tych odkształceń w objętości i poszczególnych wsadach, a także trudności w utrzymaniu instalacji w ruchu ciągłym.

Do odnotowania jest fakt próby budowy pieców ciągłych, przeznaczonych do nawęglania i hartowania pojedynczych detali przesuwanych indywidualnie przez systemy pieca wyspecjalizowane do nagrzewania - nawęglania - dyfuzji - podchłodzenia i hartowania. Przykładem są systemy opisane w opisie patentowym US4938458A Continuous ion-carburizing and quenching system oraz w opisie patentowym EP08I1697B1 Metod and apparatus for carburizing, quenching and tempering. Także w latach 1990-2000 powstała konstrukcja pieca przelotowego z przesuwem wsadu na rolkach, z podziałem na komory funkcjonalne jak śluzy za- i wyładowcze, strefy nagrzewania, nawęglania, dyfuzji i podchładzania oraz wysokociśnieniowego chłodzenia gazowego HPGQ, pokazanego między innymi na stronie tytułowej HTM 2/2001 Multichamber continuous furnaces... . Nową cechą tych konstrukcji jest możliwość zabudowy systemów w linii obróbki mechanicznej.

W produkcji kół zębatych zawsze występuje faza obróbki skrawaniem zgrubnej i kształtowej, zwykle w stanie miękkim, oraz faza obróbki wykańczającej pojedynczych kół zębatych po obróbce cieplno-chemicznej. W tym przypadku z maszyn skrawających następuje potokowy spływ pojedynczych detali do dalszej obróbki. Przy założeniu, że technologia nawęglania próżniowego z hartowaniem prowadzi do powtarzalnego ograniczenia odkształceń i/lub ich powtarzalności odpowiedniej do kształtu detali, istnieje zapotrzebowanie na potokowy proces nawęglania i utwardzania pojedynczych kół zębatych w cyklu odpowiednim do cyklu pracy obrabiarek do obróbki zgrubnej przed obróbką cieplno-chemiczną i obróbki wykańczającej po tej obróbce. Przy założeniu potokowego przepływu detali, mycie cykliczne (potokowe) po zgrubnej obróbce pojedynczych detali nie przedstawia trudności technicznych i ekonomicznych.

Celem wynalazku jest wielokomorowe urządzenie do wysokowydajnej, zindywidualizowanej obróbki cieplnej elementów części maszyn, przy jednoczesnym zmniejszeniu materiało- i energochłonności, a także ograniczeniu wielkości emisji zanieczyszczeń produkcji masowej.

Istotą pieca wielokomorowego do hartowania kół zębatych, wałków, pierścieni i tym podobnych detali, według wynalazku, jest jego konstrukcja, która zawiera:

- trzy komory technologiczne nagrzewania, nawęglania i dyfuzji, które są usytuowane we wspólnej obudowie próżniowej z gazoszczelnym oddzieleniem w układzie jedna nad drugą, przy czym każda z tych komór jest wyposażona w grafitowy system grzejny, izolację termiczną, trzon z mechanizmem pokrocznym do potokowego przemieszczania pojedynczych detali oraz, zamocowane na obydwu wylotach każdej z tych komór, drzwi z izolacją gazowo-termiczną,

- dwie pionowe komory transportowe, umiejscowione na obydwu końcach zestawu komór technologicznych i wyposażone w mechanizmy załadowczo-wyładowcze X-Y,

- dwie śluzy: załadowczą oraz wyładowczą, umożliwiające zewnętrzny dostęp do komór transportowych, przy czym w śluza wyładowcza jest wyposażona w środki techniczne do chłodzenia pojedynczych detali w cyklu pracy pieca..

Korzystnym jest, gdy mechanizm pokroczny jest wyposażony w urządzenie do sytuowania pojedynczych detali w przedziale od 2 do 100 pozycji, z taktem przemieszczania w przedziale czasowym od 0,1 do 60 minut.

Korzystnym jest także, gdy w śluzie wyładowczej jest umiejscowione urządzenie do chłodzenia olejowego pojedynczych detali na prasie hartowniczej lub w przyrządach krępujących.

Następnie korzystnym jest, gdy w śluzie wyładowczej jest umiejscowione urządzenie do indywidualnego chłodzenia gazowego detali.

PL 228 603 B1

Ponadto korzystnym jest, gdy urządzenie do indywidualnego chłodzenia gazowego detali stanowi dwuczęściowy kolektor dyszowy z ruchomymi częściami, wyposażony w podstawę oraz system regulowanych dysz gazowych o prędkości napływu gazu chłodzącego do 300 m/s.

Przy tym korzystnym jest, gdy podstawa ma napęd obrotowy.

Piec według wynalazku zostanie bliżej objaśniony na postawie przykładowego wykonania pokazanego na rysunku, na którym poszczególne figury przedstawiają: fig. 1 - piec w widoku 3D, fig. 2 przekrój poprzeczny komory grzejnej, fig. 3 - schemat mechanizmu pokrocznego przemieszczania detali w komorze grzejnej, fig. 4 - przekrój komory chłodzenia gazowego pojedynczych detali, zaś fig. 5 - schemat instalacji pomp próżniowych i instalacji gazów procesowych.

Piec stanowi zestaw trzech poziomych komór technologicznych we wspólnej obudowie próżniowej 1, skonfigurowanych w układzie jedna nad drugą, z których górna jest komorą nagrzewania 2a, środkowa - komorą nawęglania 2b a dolna - komorą dyfuzji 2c, przy czym każda z tych komór jest wyposażona w grafitowy system grzejny, izolację termiczną oraz trzon z mechanizmem pokrocznym 13a, 13b, 13c do potokowego przemieszczania obrabianych detali.

Poszczególne komory technologiczne 2a, 2b i 2c są przeznaczone do realizacji cykli nagrzewania, nawęglania próżniowego LPC (Low Pressure Carburizing) i wygrzewania dyfuzyjnego. Taki podział jest możliwy dla cyklu nawęglania próżniowego LPC z warstwami nawęglania w zakresie od 0,3 do 0,6 mm, przy założeniu wysokotemperaturowego nawęglania np. w temperaturze 1050°C. Poszczególne komory są niezależnie zasilane gazami technologicznymi dla realizacji poszczególnych faz obróbki cieplno-chemicznej. Dla zachowania zwartości i kompaktowości instalacji trzy modułowe komory technologiczne są umieszczone jedna nad drugą.

Na obydwu końcach zestawu komór technologicznych 2a, 2b i 2c są umiejscowione dwie pionowe komory transportowe 5 i 6 z mechanizmami załadowczo-wyładowczymi X-Y 7a i 7b dla obrabianych detali, w kierunkach do- i z poszczególnych komór 2a, 2b i 2c.

Obudowa próżniowa 1 jest wyposażona - na poziomie każdej komory technologicznej - w drzwi serwisowo-montażowe 3 oraz - na wlocie i wylocie z tych komór - w drzwi termiczno-gazowe 4, separujące komory technologiczne od próżniowych komór transportowych 5 i 6.

Mechanizmy załadowczo-wyładowcze X-Y 7a i 7b obsługują w pionie trzy komory technologiczne 2a, 2b i 2c oraz śluzę załadowczą 8 do komory 6, a także śluzę wyładowczą 14 z komory 5. Przepływ potokowy detali przez piec następuje w ustalonym takcie np. od 30 s do 2 minut.

Detal do obróbki jest wprowadzany na pozycje załadowczą śluzy załadowczej 8 zewnętrznym urządzeniem załadowczym. Śluza ta wyposażona jest w dwa zawory próżniowe 10a i 10b, korzystnie przelotowe typu suwakowego, oraz jest podłączona do systemu próżniowego poprzez zawór próżniowy 11. Po wprowadzeniu detalu następuje zamknięcie zaworu próżniowego 10b, co inicjuje cykl obniżenia ciśnienia do próżni poniżej 0,1 mbar, po czym, po uzyskaniu poziomu próżni płukania, następuje otwarcie zaworu próżniowego wylotowego 10a i detal jest przemieszczany na pozycję transportu pionowego mechanizmu 7a w komorze transportowej 5. Po zamknięciu zaworu 10a śluza załadowcza zostaje wypełniona azotem poprzez zawór gazowy 12 i mechanizm załadowczo-wyładowczy 7a. Poprzez otwarte drzwi termiczno-gazowe górnej komory nagrzewania 2a detal zostaje umieszczony na pozycji początkowej w tej strefie. Komora ta posiada 15 pozycji sytuowania detali, gdzie - w takcie pracy - detale są przemieszczane o jedną pozycję przy pomocy osadzonego w trzonie komory grzejnej 2a mechanizmu pokrocznego 13a.

Po przemieszczeniu detalu w komorze nagrzewania 2a do ostatniej pozycji, mechanizm załadowczo-wyładowczy 7b, umieszczony w komorze transportowej 6, pobiera detal i umieszcza go na pierwszej pozycji mechanizmu pokrocznego 13b komory nawęglania 2b, w której następuje przemieszczanie detalu od pozycji pierwszej do ostatniej w takcie pracy pieca. Po przemieszczeniu do ostatniej pozycji detal jest zabierany przez mechanizm załadowczo-wyładowczy 7a komory transportowej 5, poprzez otwarte w tym momencie drzwi termiczno-gazowe 4, po czym zostaje umieszczony na pierwszej pozycji komory dyfuzji 2c.

Po przemieszczeniu detalu w komorze dyfuzji 2c, za pośrednictwem mechanizmu pokrocznego 13c, mechanizm załadowczo-wyładowczy 7b komory transportowej 6 zabiera detal i umieszcza go na pozycji chłodzenia śluzy wyładowczej 14.

Śluza wyładowcza 14 jest wyposażona w dwa zawory próżniowo-ciśnieniowe 15a, 15b, jeden połączony z komorą transportową 6 a drugi dla wyprowadzenia detalu, po cyklu chłodzenia, na zewnątrz pieca przy użyciu zewnętrznego urządzenia transportowego. W śluzie wyładowczej 14, wyposażonej w zawór podłączenia do systemu pompowego 17, jest umieszczone wyposażePL 228 603 B1 nie do indywidualnego chłodzenia gazowego, podczas którego detal przeznaczony do chłodzenia umieszcza się na obrotowej podstawie 18, przy czym wokół detalu jest usytuowany dwuczęściowy kolektor dyszowy z dwiema częściami ruchomymi: dolną 19 i górną 20, który rozsuwa się na czas transportu detalu oraz zamyka na czas chłodzenia. Kolektor jest wymienny i indywidualnie pasowany do kształtu detalu. Części ruchome 19 i 20 są wyposażone w system rozprowadzenia gazu chłodzącego na system dysz 21, skierowanych na powierzchnię chłodzonego detalu i usytuowanych w niewielkiej odległości od jego powierzchni, z maksymalnym obłożeniem powierzchni detalu i dużą szybkością liniową wypływającego gazu chłodzącego. System ten cechuje się także łatwym odpływem rozprężonego gazu po schłodzeniu w przestrzeń obudowy śluzy 14. Przy cyklicznym chłodzeniu detali gaz chłodzący dopływa do dysz 21 ze zbiornika buforowego 22 pod zadanym ciśnieniem, gdzie poziom ciśnienia ustala wydatek gazu chłodzącego i szybkość jego wypływu.

Gaz po wypływie z dysz 21 i wyhamowaniu na powierzchni detalu ulega rozprężeniu i dalej, za pośrednictwem sprężarki 23, jest sprężany do odpowiedniego ciśnienia i powtórnie magazynowany w zbiorniku buforowym 22. Ciepło wymiany cieplnej detal/gaz jest usuwane na wymienniku ciepła 24, korzystnie umieszczonym pomiędzy sprężarką 23 a zbiornikiem buforowym 22. Przy cyklicznym chłodzeniu dyszowym pojedynczych detali z dużym współczynnikiem wymiany ciepła uzyskuje się całkowicie zamknięty obieg gazu chłodzącego.

Po schłodzeniu detalu z szybkością umożliwiającą zahartowanie oraz po zamknięciu zaworów 25 i 26 układu recyrkulacji gazu chłodzącego otwiera się zawór próżniowo-ciśnieniowy 15b, poprzez którego przelot - za pośrednictwem zewnętrznego mechanizmu transportowego - wyjmuje się nawęglony i zahartowany detal i przekazuje go do obróbki wykańczającej.

Struktura przestrzenna pieca potokowego według wynalazku umożliwia nawęglanie próżniowe LPC z hartowaniem gazowym HPGQ kół zębatych i detali o podobnych kształtach, z wymiarami f do 200 mm i masie detali do ok. 1,5 kg, ze stali umożliwiających krótki czas przebywania w temperaturze ok. 1050°C lub z zastosowaniem procesu przedazotowania, dla t ypowych handlowych stali do nawęglania, w fazie nagrzewania w/g procesu i sposobu przedstawionego w opisach patentowych EP1980641, US7967920 oraz PL210958, z warstwami nawęglonymi w zakresie od 0,25 do 1,0 mm.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Piec wielokomorowy do nawęglania próżniowego i hartowania kół zębatych, wałków, pierścieni i tym podobnych detali, stanowiący zestaw co najmniej dwóch, równolegle usytuowanych, przelotowych komór technologicznych, umiejscowionych we wspólnej obudowie próżniowej i wyposażonych w skojarzony system transportu obrabianych cieplnie detali, znamienny tym, że zawiera:

   - trzy komory technologiczne nagrzewania (2a), nawęglania (2b) i dyfuzji (2c), które są usytuowane we wspólnej obudowie próżniowej (1) z gazoszczelnym oddzieleniem w układzie jedna nad drugą, przy czym każda z tych komór jest wyposażona w grafitowy system grzejny, izolację termiczną, trzon z mechanizmem pokrocznym (13a, 13b, 13c) do potokowego przemieszczania pojedynczych detali oraz, zamocowane na obydwu wylotach każdej z tych komór, drzwi (4) z izolacją gazowo-termiczną;

   - dwie pionowe komory transportowe (5 i 6), umiejscowione na obydwu końcach zestawu komór technologicznych (2a, 2b i 2c) i wyposażone w mechanizmy załadowczowyładowcze X-Y (7a i 7b),

   - dwie śluzy: załadowczą (8) oraz wyładowczą (4), umożliwiające zewnętrzny dostęp do komór transportowych (5 i 6), przy czym śluza wyładowcza (14) jest wyposażona w środki techniczne do chłodzenia pojedynczych detali w cyklu pracy pieca.
2. 2. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że mechanizm pokraczny (13a, 13b, 13c) jest wyposażony w urządzenie do sytuowania pojedynczych detali w przedziale od 2 do 100 pozycji, z taktem przemieszczania w przedziale czasowym od 0,1 do 60 minut.
3. 3. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że w śluzie wyładowczej (14) jest umiejscowione urządzenie do chłodzenia olejowego pojedynczych detali na prasie hartowniczej lub w przyrządach krępujących.

   PL 228 603 Β1
4. 4. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że w śluzie wyładowczej (14) jest umiejscowione urządzenie do indywidualnego chłodzenia gazowego detali.
5. 5. Piec według zastrz. 4, znamienny tym, że urządzenie do indywidualnego chłodzenia gazowego detali stanowi dwuczęściowy kolektor dyszowy z ruchomymi częściami (19, 20), wyposażony w podstawę (18) oraz system regulowanych dysz gazowych (21) o prędkości napływu gazu chłodzącego do 300 m/s.
6. 6. Piec według zastrz. 5, znamienny tym, że podstawa (18) ma napęd obrotowy.