PL238181B1 - Urządzenie do ciągłej obróbki cieplnej części wykonanych ze stali, metali i ich stopów oraz urządzenie do schładzania gazowego w nadciśnieniu obrabianych cieplnie części - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do ciągłej obróbki cieplnej części wykonanych ze stali, metali i ich stopów. Przedmiotem wynalazku jest także urządzenie do schładzania gazowego w nadciśnieniu obrabianych cieplnie części.

W publikacji patentowej PL409705A1 przedstawiono urządzenie do jednostkowego schładzania gazowego. Urządzenie to jest wyposażone w wymienny nieruchomy stolik oraz otaczający go zestaw wymiennych dysz, przy czym każdorazowo, po usytuowaniu na stoliku przeznaczonej do schłodzenia części, pozycjonuje się dysze w zależności od ich kształtu i gabarytów.

Z kolei w publikacji patentowej PL411158A1 został ujawniony piec wielokomorowy do nawęglania próżniowego i hartowania kół zębatych, wałków, pierścieni i tym podobnych detali, wyposażony, między innymi, w skojarzony system transportu obrabianych cieplnie detali oraz urządzenie do indywidualnego chłodzenia gazowego detali, przy czym urządzenie to stanowi dwuczęściowy kolektor dyszowy z ruchomymi częściami wyposażony w podstawę z napędem obrotowym oraz system regulowanych dysz gazowych.

Urządzenia znane ze stanu techniki nie są jednakże praktyczne w przypadku samego hartowania z wysoką wydajnością serii jednakowych gabarytowo i materiałowo części.

Urządzenie do ciągłej obróbki cieplnej części wykonanych ze stali, metali i ich stopów, stanowiące zintegrowany zestaw komór procesowych, w którym zorientowana poziomo komora grzewcza w obudowie próżniowej jest usytuowana pomiędzy dwiema pionowymi komorami przeładunkowymi, przy czym do wejścia pierwszej komory przeładunkowej jest przyłączona komora załadunkowa, natomiast do wyjścia drugiej komory przeładunkowej jest przyłączona co najmniej jedna komora chłodzenia wyposażona w ruchomy trzon w postaci obrotowego stołu oraz w osadzone w dwóch ruchomych i wymiennych kolektorach dysze gazu chłodzącego, które są rozmieszczone bezpośrednio wokół stanowisk obrabianych cieplnie części, charakteryzuje się tym, że komora grzewcza ma ruchomy trzon zawierający od 2 do 50 stanowisk obróbczych o przestrzennym zarysie cylindrycznym o średnicy do 1000 mm i wysokości do 1000 mm, zaś napęd trzonu oraz napędy mechanizmów załadowczo-wyładowczych komór przeładunkowych są wyposażone w układ wzajemnej synchronizacji, natomiast komora chłodzenia jest wyposażona w co najmniej jeden zespół wentylatora z wymiennikiem ciepła.

Korzystnie, komora chłodzenia zawiera wewnątrz dwa usytuowane naprzeciwlegle zespoły wentylatora, z których każdy jest wyposażony w wymiennik ciepła.

Korzystnie, komora chłodzenia jest wyposażona w zewnętrzny zespół wentylatora z wymiennikiem ciepła i rurociągami do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.

Korzystnie, trzon komory grzewczej jest trzonem pokrocznym.

Korzystnie, trzon komory grzewczej jest trzonem obrotowym.

Korzystnie, urządzenie do ciągłej obróbki cieplnej części wykonanych ze stali, metali i ich stopów jest wyposażone w układ sterowania przepływem gazu.

Urządzenie do schładzania gazowego w nadciśnieniu obrabianych cieplnie części, zwłaszcza do ich hartowania, stanowiące autonomiczną komorę chłodzenia wyposażoną w ruchomy trzon w postaci obrotowego stołu oraz w osadzone w dwóch ruchomych i wymiennych kolektorach dysze gazu chłodzącego, które są rozmieszczone bezpośrednio wokół stanowisk schładzanych części, charakteryzuje się tym, że komora chłodzenia jest wyposażona w usytuowany zewnętrznie zespół wentylatora z wymiennikiem ciepła i rurociągami do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.

W urządzeniu według wynalazku, wprowadzane do komory grzewczej części są indywidualnie obrabiane cieplnie i przemieszczają się w potokowo, jedna za drugą, w stałym takcie czasowym, przy czym części przemieszczają się przez urządzenie samoistnie, bez żadnego dodatkowego oprzyrządowania lub elementów służących do ich podtrzymywania albo układania.

Zastosowanie stołu obrotowego w komorze chodzenia, na którym rozgrzane części są chłodzone w ruchu obrotowym, zapewnia jednorodność chłodzenia z możliwością kontroli deformacji obrabianej części.

Urządzenie stanowi korzystną alternatywę w odniesieniu do tradycyjnego hartowania na prasie, a także w odniesieniu do wspomnianych już metod indywidualnego hartowania gazowego, przy czym jako zalety technologiczne proponowanego rozwiązania można tu wymienić: pełną powtarzalność procesu i wyników, całkowitą automatyzację systemu, eliminację wpływu i błędu czynnika ludzkiego, ochronę przed odwęgleniem i utlenieniem z idealną jakością powierzchni obrabianych części, eliminację

PL 238 181 B1 zagrożenia pożarowego, eliminację oleju, emisji par i zanieczyszczeń olejo-pochodnych, eliminację procesu i urządzeń myjących oraz środków chemicznych do mycia, bezpieczny, czysty i przyjazny środowisku naturalnemu proces, możliwość zastosowania inteligentnych układów nadzorujących (INN), udostępniających pełne monitorowanie, sterowanie, śledzenie i uzyskiwanie danych, a także możliwość obróbki z dedykowaną wydajnością - obróbka seryjna jednakowych gabarytowo i materiałowo części, przy zachowaniu standardów technologicznych obróbki indywidualnej.

Wynalazek został bliżej opisany w przykładach wykonania oraz zilustrowany na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój urządzenia wg wynalazku z komorą grzewczą z trzonem pokrocznym, fig. 2 przedstawia komorę chłodzenia z dwoma wentylatorami wewnętrznymi, natomiast fig. 3 przedstawia komorę chłodzenia z wyposażonym w wymiennik ciepła wentylatorem zewnętrznym.

P r z y k ł a d 1

Przedstawiono urządzenie do ciągłej obróbki cieplnej według fig. 1 i fig. 2, w którym pomiędzy dwiema pionowo zorientowanymi komorami przeładunkowymi 4a i 4b znajduje się poziomo zabudowana przelotowa komora grzewcza 1 w obudowie próżniowej, przy czym do wejścia pierwszej komory przeładunkowej 4b jest przyłączona komora załadunkowa 3, natomiast do wyjścia drugiej komory przeładunkowej 4a jest przyłączona komora chłodzenia 2 z trzonem 6 w postaci obrotowego stołu. Wszystkie połączenia poszczególnych urządzeń technologicznych są połączeniami szczelnymi. Komora grzewcza 1 jest wyposażona w trzon pokroczny 5, zawierający odpowiednią do gabarytów obrabianych części ilość stanowisk obróbczych o przestrzennym zarysie cylindrycznym o średnicy do 1000 mm i wysokości do 1000 mm, a także w system grzejny i system pompowy, które umożliwiają uzyskanie i utrzymanie temperatury w zakresie od 150 do 1500°C oraz podciśnienia w zakresie 10^-5 do 10² hPa podczas procesu technologicznego. Z kolei komora chłodzenia 2 jest wyposażona w dwa kolektory 7 z dyszami gazu chłodzącego, rozmieszczonymi wokół stanowisk obróbczych, oraz w dwa wewnętrzne, usytuowane naprzeciwlegle zespoły wentylatorów 8 z wymiennikami ciepła 9. Ponadto przedstawiane urządzenie jest wyposażone w układ sterowania przepływem gazu chłodzącego a także w układ wzajemnej synchronizacji napędów mechanizmów załadowczo-wyładowczych komór przeładunkowych 4a i 4b oraz napędu trzonu pokrocznego 5.

W komorze chłodzenia 2 przeprowadzono hartowanie części, którą stanowił pierścień łożyskowy o średnicy zewnętrznej 160 mm, średniej grubości 12 mm i wysokości 35 mm. Część wykonana jest ze stali 16MnCr5, dla której twardość powierzchniowa po zahartowaniu powinna wynosić 58-62 HRC, zaś warstwa utwardzona powinna mieć grubość 0,8-1,1 mm.

W oddzielnej operacji część ta została wcześniej nawęglona do zawartości węgla 0,7% na powierzchni oraz 0,35% węgla na głębokości 0,9 mm i ochłodzona do temperatury otoczenia, po czym bez żadnego oprzyrządowania została ono wprowadzona do urządzenia według wynalazku.

Po otwarciu drzwi załadowczych obrabiana część została umieszczona w komorze załadunkowej 3. Następnie, po zamknięciu szczelnych drzwi, komora 3 została odpompowana do ciśnienia 0,1 hPa, po czym otwarte zostały drzwi wewnętrzne, zaś pionowy mechanizm transportowy komory przeładunkowej 4a podniósł obrabianą część i wprowadził - poprzez otwarte drzwi termiczne - do komory grzewczej 1 z trzonem pokrocznym 5, ustawiając ją na pierwszej pozycji. W komorze grzewczej 1 utrzymywano temperaturę 860°C oraz ciśnienie cząstkowe azotu na poziomie 3 mbar, co umożliwiło zajście w stali przemiany austenitycznej. Następnie obrabianą część przemieszczano pokrocznie wzdłuż komory grzewczej 1 w takcie 120 s. Po 15 taktach, na ostatniej pozycji, podgrzewana część uzyskała jednolitą temperaturę austenityzacji tj. około 860°C i była gotowa do hartowania. Po otwarciu wyładowczych drzwi termicznych komory grzewczej 1 mechanizm transportowy komory przeładunkowej 4b pobrał podgrzaną część i umieścił - poprzez otwarte drzwi wewnętrzne i rozchylone górne i dolne kolektory dyszowe 7 - na trzonie obrotowym w postaci stołu 6 w komorze chłodzenia 2. Po zamknięciu drzwi załadowczych nastąpił powrót obu kolektorów dyszowych 7 do pozycji roboczej i napełnienie komory 2 azotem do ciśnienia 0,50 MPa, a równocześnie rozpoczął się obrót stołu 6 z podgrzaną częścią przy częstotliwości 0,25 Hz. Następnie uruchomione zostały oba wentylatory 8 celem wymuszenia cyrkulacji gazu chłodzącego (azotu) w układzie zamkniętym z wymiennikami ciepła 9. Zachodzący proces hartowania trwał 75 s i polegał na wymuszonym przez wentylatory 8 przepływie azotu chłodzącego, który ukierunkowany przez dysze obu kolektorów 7 odbierał ciepło z powierzchni hartowanej części.

Po zakończeniu procesu hartowania ciśnienie w komorze zrównano - poprzez zawór upustowy - z poziomem ciśnienia atmosferycznego, oraz zatrzymano stół obrotowy 6 w pozycji do wyładunku. Następnie rozsunięte zostały kolektory dyszowe 7 oraz otwarte drzwi wyładowcze, umożliwiając wyładowanie części, której temperatura wynosiła ok. 60-70°C. W kolejnym etapie część została ochłodzona

PL 238 181 B1 do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia, następnie przeprowadzono operację odpuszczania w temperaturze 180°C i w czasie 90 min w urządzeniach zewnętrznych. W międzyczasie kolejne części były ładowane w stałym takcie 120 s do urządzenia i w trybie potokowym przemieszczały się przez wszystkie pozycje technologiczne.

W wyniku tak przeprowadzonego procesu hartowania uzyskano na serii obrabianych części średnią twardość powierzchniową 61 HRC oraz grubość warstwy utwardzonej 0,90 mm przy kryterium 550 HV, z wysoką powtarzalnością i dokładnością wyników procesu. Osiągnięto wymaganą strukturę stali i warstwę utwardzoną, przy czym stwierdzono deformacje wielokrotnie mniejsze od powstających w tradycyjnym hartowaniu olejowym. Z tego względu użycie urządzenia według wynalazku wydaje się konkurencyjne w stosunku do tradycyjnych pieców atmosferowych i hartowania w oleju lub na prasie. Zwiększona została powtarzalność wyników oraz jakość obrobionych detali poprzez zmniejszenie deformacji hartowniczych, przy akceptowalnych kosztach produkcji i zachowaniu warunków ochrony środowiska i BHP.

P r z y k ł a d 2

Przedstawiono urządzenie do szybkiego schładzania gazowego w nadciśnieniu obrabianych cieplnie części, zwłaszcza do ich hartowania, według fig. 3, stanowiące autonomiczną komorę chłodzenia 2 wyposażoną w ruchomy trzon 6 w postaci obrotowego stołu oraz w osadzone w dwóch ruchomych i wymiennych kolektorach 7 dysze gazu chłodzącego, które są rozmieszczone bezpośrednio wokół stanowisk schładzanych części. Ponadto komora chłodzenia 2 jest wyposażona w usytuowany zewnętrznie zespół wentylatora 8 z wymiennikiem ciepła 9 i rurociągami 10 do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.

W komorze chłodzenia 2 przeprowadzono hartowanie części, którą stanowiła tuleja sprzęgająca w postaci pierścienia (koła zębate w skrzyni biegów) o średnicy zewnętrznej 155 mm, grubości 10 mm i wysokości 25 mm, z uzębieniem wewnętrznym o module 2. Część wykonana jest ze stali 20MnCr5, dla której twardość powierzchniowa po zahartowaniu powinna wynosić 58-62 HRC, zaś warstwa utwardzona powinna mieć grubość 0,3-0,6 mm w połowie wysokości zęba.

W oddzielnej operacji, zrealizowanej w dowolnym piecu do obróbki cieplnej, część została wcześniej nawęglona do zawartości węgla 0,7% na powierzchni oraz 0,35% węgla na głębokości 0,45 mm i ochłodzona do temperatury otoczenia, po czym była austenityzowana przed hartowaniem w temperaturze 860°C, a następnie została przeniesiona do komory chłodzenia 2 i ustawiona na trzonie obrotowym w postaci stołu 6, podczas gdy obydwa kolektory dyszowe 7 były rozsunięte umożliwiając załadunek obrabianej części. Po zamknięciu drzwi załadowczych nastąpił powrót obu kolektorów dyszowych 7 do pozycji roboczej i napełnienie komory 2 azotem do ciśnienia 0,58 MPa, a równocześnie rozpoczął się obrót stołu 6 z podgrzaną częścią przy częstotliwości 0,5 Hz z jednoczesnym otwarciem zaworów wlotowych azotu chłodzącego do kolektorów dyszowych 7 - górnego i dolnego, oraz wylotu gazu chłodzącego z komory chłodzącej 2, cyrkulującego w układzie zamkniętym z wentylatorem 8 i wymiennikiem ciepła 9. Następnie, po zamknięciu zaworu obejściowego obiegu gazu chłodzącego (otwartego w czasie pracy dmuchawy na biegu jałowym), rozpoczął się proces hartowania trwający 45 s, polegający na wymuszonym przez wentylator 8 przepływie azotu chłodzącego, z prędkością 50 m/s, który ukierunkowany przez dysze obu kolektorów 7 odbierał ciepło z powierzchni hartowanej części. Podgrzany w ten sposób azot został wyprowadzony z komory chłodzenia 2 i dalej - rurociągiem 10 - był kierowany do wymiennika ciepła 9 typu gaz-woda, po czym tak schłodzony azot był zasysany przez wentylator 8 i tłoczony ponownie do obu kolektorów dyszowych 7, cyrkulując w ten sposób w obiegu zamkniętym.

Po zakończeniu procesu hartowania ciśnienie w komorze zrównano - poprzez zawór upustowy - z poziomem ciśnienia atmosferycznego oraz zatrzymano stół obrotowy 6 w pozycji do wyładunku. Następnie rozsunięto kolektory dyszowe 7 oraz otwarto drzwi wyładowcze, umożliwiając wyładowanie części, której temperatura wynosiła ok. 50-60°C. W kolejnym etapie część została ochłodzona do temperatury bliskiej temperaturze otoczenia, a następnie przeprowadzono operację odpuszczania w temperaturze 180°C i w czasie 90 min w urządzeniach zewnętrznych. W międzyczasie drzwi komory chłodzenia 2 zostały zamknięte i rozpoczęto usuwanie powietrza za pomocą pomp próżniowych aż do uzyskania próżni 0,1 hPa, przygotowując w ten sposób komorę chłodzenia 2 na przyjęcie kolejnej części w takcie 90 s.

W wyniku tak przeprowadzonego procesu hartowania uzyskano część o twardości powierzchniowej 60 HRC, oraz grubość warstwy utwardzonej 0,45 mm przy kryterium 550 HV. W rezultacie hartowania nastąpił wzrost odkształceń części, który w przypadku bicia promieniowego i osiowego wynosił średnio 15 μm, natomiast deformacje profili i linii zębów nie przekraczały 2 μm.

PL 238 181 B1

Na serii części osiągnięto wymaganą strukturę stali i warstwę utwardzoną, oraz deformacje wielokrotnie mniejsze od powstających w tradycyjnym hartowaniu olejowym. W tym przypadku użycie komory hartowniczej według wynalazku zmniejsza lub nawet eliminuje potrzebę kosztownej obróbki wykończeniowej, a tym samym znacznie obniża koszty produkcji. Ponadto zastosowanie do hartowania azotu zamiast oleju, przyczynia się do wzrostu bezpieczeństwa, czystości otoczenia i ochrony śro dowiska.

Claims (7)

1. Urządzenie do ciągłej obróbki cieplnej części wykonanych ze stali, metali i ich stopów, stanowiące zintegrowany zestaw komór procesowych, w którym zorientowana poziomo komora grzewcza w obudowie próżniowej jest usytuowana pomiędzy dwiema pionowymi komorami przeładunkowymi, przy czym do wejścia pierwszej komory przeładunkowej jest przyłączona komora załadunkowa, natomiast do wyjścia drugiej komory przeładunkowej jest przyłączona co najmniej jedna komora chłodzenia wyposażona w ruchomy trzon w postaci obrotowego stołu oraz w osadzone w dwóch ruchomych i wymiennych kolektorach dysze gazu chłodzącego, które są rozmieszczone bezpośrednio wokół stanowisk obrabianych cieplnie części, znamienne tym, że komora grzewcza (1) ma ruchomy trzon (5) zawierający od 2 do 50 stanowisk obróbczych o przestrzennym zarysie cylindrycznym o średnicy do 1000 mm i wysokości do 1000 mm, zaś napęd trzonu (5) oraz napędy mechanizmów załadowczo-wyładowczych komór przeładunkowych (4a) i (4b) są wyposażone w układ wzajemnej synchronizacji, natomiast komora chłodzenia (2) jest wyposażona w co najmniej jeden zespół wentylatora (8) z wymiennikiem ciepła (9).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komora chłodzenia (2) zawiera wewnątrz dwa usytuowane naprzeciwlegle zespoły wentylatora (8), z których każdy jest wyposażony w wymiennik ciepła (9).

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komora chłodzenia (2) jest wyposażona w zewnętrzny zespół wentylatora (8) z wymiennikiem ciepła (9) i rurociągami (10) do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że trzon (5) komory grzewczej (1) jest trzonem pokrocznym.

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że trzon (5) komory grzewczej (1) jest trzonem obrotowym.

6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4 albo 5, znamienne tym, że jest wyposażone w układ sterowania przepływem gazu.

7. Urządzenie do schładzania gazowego w nadciśnieniu obrabianych cieplnie części, zwłaszcza do ich hartowania, stanowiące autonomiczną komorę chłodzenia wyposażoną w ruchomy trzon w postaci obrotowego stołu oraz w osadzone w dwóch ruchomych i wymiennych kolektorach dysze gazu chłodzącego, które są rozmieszczone bezpośrednio wokół stanowisk schładzanych części, znamienne tym, że komora chłodzenia (2) jest wyposażona w usytuowany zewnętrznie zespół wentylatora (8) z wymiennikiem ciepła (9) i rurociągami (10) do doprowadzania i odprowadzania gazu chłodzącego.