SE0900325A1 - Vals innefattande en drivaxel och en valsring - Google Patents

Description

30 35 40 45 Användningen av valsringar av hårdmetall i valsar av det aktuella slaget, har en mångårig utvecklingshistoria, alltifrån enkla valskonstruktioner i vilka man försökte förbinda en hårdmetallring direkt med drivaxeln enbart på mekanisk väg (via kilar, klackar, bommar eller andra medbringare), fram till dagens konstruktioner i vilka den enskilda hårdmetallringen vanligen förenas metallurgiskt med en innerring av ett segare material, som i sin tur kan förbindas med drivaxeln utan att besvärande spänningsfenomen uppstår i hårdmetallringen. Under senare år har utvecklingen fokuserats på två huvudsakliga problemområden, nämligen för det första valet av material i valsringen, och då i synnerhet valet av lämpligt material i dennas innerring, och för det andra problemet att tillförlitligt vridsäkra valsringen relativt drivaxeln. Materialutvecklingen har bland annat (se EP 0374116) lett fram till att såsom material i innerringen använda ett magnesiumhaltigt segjärn med dispers, sfäroidiserad grafit, som genom värmebehandling kan befrias från en lämplig mängd restaustenit under omvandling till exempelvis bainit. Försöken att lösa det andra problemet, nämligen att kunna överföra stora vridmoment från drivaxeln till valsringen utan att dessa slirar relativt varandra, har resulterat i ett stort antal förslag till lösningar, som år väldokumenterade i patentlitteraturen (se förutom ovannämnda EP 0374116, även US 5558610, US 5735788, US 6685611, samt EP 1733816). Gemensamt för hittills kända problemlösningar är dock fortfarande att vridmomentet från drivaxeln till valsringen sker via mekaniska låsmedel, som på ett eller annat sätt verkar mellan drivaxeln och valsringens innerring. En kategori av låsmedel består av i varandra ingripande han- och honelement lokaliserade antingen i gränsytan mellan innerringens insida och drivaxelns mantelyta, eller i mot varandra ansatta ändytor på valsringen och ett antal med denna samverkande ringar utanpå drivaxeln (se i båda fallen EP 0374116). En annan kategori av låsmedel förlitar sig på friktionsförband mellan samverkande ytor. Även i detta fall kan Förbanden vara lokaliserade antingen i gränssnittet mellan innerringens insida och drivaxelns mantelyta eller i de 50 55 60 65 70 ringformiga ändytoma på ringar, som samverkar med valsringarna. För att förverkliga dylika friktionsförband kan användas kilar, låsmuttrar, hydrauldon, etc.

En nackdel med även de enklaste låsmedlen av mekanisk natur, är emellertid att desamma kräver någon form av skärande eller spånavskiljande bearbetning utöver den obligatoriska svarvningen, nämligen fräsning, borrning, gängformning, etc. Varje dylik, tillkommande bearbetningsoperation fördyrar tillverkningen icke blott till följd av att den enskilda arbetsoperationen är tidskrävande, utan kanske framför allt till följd av att detalj erna måste förflyttas mellan olika bearbetningsstationer, med ty åtföljande ställtider. En annan nackdel med de mekaniska låsmedlen är att desamma försämrar valsens kapacitet, vilken ju avgörs av hur många valsringar (eller spår i dessa), som kan monteras inom den givna valsbredden sådan denna bestäms av drivaxelns effektiva längd. Om låsmedlen inkräktar på valsbredden reduceras givetvis antalet verksamma valsspår. Stundom kan låsmedlen även ge upphov till menliga spänningsfenomen i valsringen. Härtill kommer att i synnerhet honartade urtagningar i respektive komponenter kan försvaga valskonstruktionen i dess helhet.

Uppfinningens syften och särdrag Föreliggande uppfinning tar sikte på att undanröja ovannämnda nackdelar hos tidigare kända valsar och skapa en förbättrad vals. Ett primärt syfte med uppfinningen är därför att skapa en vals vars valsring kan vridsäkras på ett tillförlitligt sätt relativt drivaxeln utan några mekaniska låsmedel av traditionellt slag. Ett ytterligare syfte är att skapa en vals med optimal kapacitet med avseende på antalet valsringar och/eller valsspår utmed drivaxelns längdutsträckning. Ännu ett syfte med uppfinningen är att skapa en vals vars båda huvudkomponenter, dvs. drivaxeln och valsringen eller -ringarna, låter sig tillverkas medelst ett absolut minimum av bearbetningsoperationer. 75 80 85 90 Enligt uppfinningen nås åtminstone det primära syftet medelst de särdrag, som är angivna i patentkravets 1 kännetecknande del. Fördelaktiga utföranden av valsen enligt uppfinningen är vidare definierade i de osj älvständiga kraven 2-4.

I en ytterligare aspekt hänför sig uppfinningen även till ett förfarande för hopsättning av en vals enligt uppfinningen. Särdragen hos detta förfarande framgår av det självständiga kravet 5.

Sammanfattning av uppfinningen Uppfinningen grundar sig på den överraskande insikten att ett tillräckligt kraftfullt krympförband, som låter sig förverkligas medelst noggranna spänningsberäkningar och en välavvägd dimensionering av valsringen i förhållande till drivaxeln, är fullt tillräckligt för att vridsäkra den förstnämnda relativt den sistnämnda. Genom att ha ett krympförband med ett grepp eller en kiymppassning av minst 0,01 % av den aktuella drivaxelns diameter, har det sålunda visat sig att valsringen kan påföras fullt nöj aktiga vridmoment utan att slira på drivaxeln trots att alla typer av mekaniska låsmedel mellan de båda komponenterna elimineras. Stick i stäv mot traditionell konstruktionsfilosofi kan därför den uppfinningsenliga valsen tillverkas utan några som helst ytterligare detaljer än de båda vitala huvudkomponenterna, nämligen en drivaxel och en valsring (eller flera).

Kort beskrivning av bifogade ritningar På ritningarna är: Fig. 1 en skuren perspektivvy av en vals enligt uppfinningen i hopsatt skick, Fig. 2 en längdsektion genom samma vals i samma skick, Fig. 3 en längdsektion enbart genom en i valsen ingående valsring, 95 100 105 110 Fig. 4 en längdvy av enbart valsens drivaxel, Fig. 5 en tvärsektion V-V i Fig. 3, Fig. 6 en tvärsektion VI-VI i Fig. 4, och Fig. 7 en detalj förstoring VII i Fig. 3.

Detaljerad beskrivning av ett föredraget utförande av uppfinningen På ritningama betecknar l generellt en vals- eller drivaxel, och 2 en utanpå denna monterad valsring. I exemplet innefattar denna valsring 2 dels en innerring 3, dels två ytterringar 4 i vilkas mantelytor är utfonnade runtomgående valsspår 5 för valsning av långsmala produkter.

Drivaxeln 1 inbegriper en valsbana i form av en cylindrisk mantelyta 6 (se Fig. 4), vilken är koncentrisk med en geometrisk centrumaxel Cl för axeln, och vilken vid motsatta ändar övergår i mantelytor på axeltappar 7 med reducerad diameter. Axelns båda ändar utgörs i detta fall av plana ändytor 8 på de båda axeltappama 7. Axelns totala längd Ll bestäms av avståndet mellan de båda ändytorna 8. I och med att varje axeltapp 7 har en viss längd L2 är mantelytans 6 axiella utsträckning eller längd L3 mindre än axelns totallängd Ll.

Axelns ytterdiameter utmed mantelytan 6 är betecknad ODl (se Fig. 6).

V alsringens 2 innerring 3 (se Fig. 3) inbegriper en mantelyta 9 och en invändig yta eller insida 10, som båda har cylindrisk grundform och är koncentriska med valsringens geometriska centrumaxel C2. Innerringens båda motsatta ändar utgörs av ringfonniga, plana ytor ll, vilkas avstånd från varandra bestämmer innerringens axiella längd L4. I Fig. 3 och 5 betecknar ID innerringens 3 innerdiameter, medan OD2 betecknar dess ytterdiameter. Var och en av de båda ytterringarna 4 är ingjutna i innerringens 3 mantelyta och på så sätt permanent 115 120 125 130 135 förenade med innerringen på metallurgisk väg. Den enskilda ytterringens 4 ytterdiameter (saknar hänvisningsbeteckning) är i detta fall större än innerringens ytterdiameter OD2 (de kan även vara lika stora), medan ytterringens insida har en diameter, som är å ena sidan mindre än innerringens ytterdiameter, men å andra sidan större än innerdiametern ID. Det må även nämnas att valsringens 2 centrumaxel C2 sammanfaller med drivaxelns l centrumaxel Cl, då valsen satts ihop.

I praktiken föredras att tillverka drivaxeln l av stål, ehuru även andra material är tänkbara, i synnerhet gjutjärn med jämförelsevis hög hårdhet (hög kolhalt). Såsom material i valsringens 2 ytterringar 4 används med fördel traditionell hårdmetall, dvs. ett pulvermetallurgiskt material, som erhålls genom pressning och sintring av ett hårdmetallpulver innehållande WC och bindefas, t.ex. Co, eller Co+Ni+Cr. Dock skall påpekas att även andra hårda material än just traditionell hårdmetall kan användas, t.ex. snabbstål. Slutligen utgörs materialet i innerringen 3 generellt av ett material som är segare än det hårda materialet i ytterringen, såsom exempelvis en metall eller en metallegering. I de allra flesta fall föredras här segjärn, t.ex. av det slag som beskrivs i EP 0753594.

Tillverkningen av valsens båda huvudkomponenter sker i separata operationer.

Drivaxeln 1 tillverkas av ett cylindriskt ämne genom utvändig längdsvarvning av mantelytan 6 och tapparnas 7 utsidor, samt plansvarvning av ändytorna 8. Valsringen 2 framställs genom gjutning av ett ämne i vilket förformade hårdmetallringar bäddas in i flytande segjärn, som skall bilda innerringen. Detta ämne bearbetas genom svarvning, nämligen utvändig längdsvarvning av mantelytan 9, invändig längdsvarvning av insidan 10 samt plansvarvning av ändytorna ll. Eventuellt kan såväl valsringens invändiga yta 10 som drivaxelns mantelyta 6 henas för att åstadkomma god måttnoggrannhet. 140 145 150 155 160 I ett prototyputförande har drivaxelns 1 mantelyta 6 en längd L3 av 756 mm och en diameter OD1, som i rumstemperatur uppgår till 200 mm. Måttet L3 representerar den maximala valsbredden. Valsringens 2 längd L4 är i detta fall mindre än valsbredden och uppgår till 700 mm. I rumstemperatur har valsringen en innerdiameter, som är mindre än drivaxelns diameter ODl och uppgår i prototyputförandet till 199,84 mm. Detta innebär att differensen mellan ID och OD1 uppgår till 0,16 mm eller 0,08 % av drivaxelns ytterdiameter OD1.

Hopmontering av komponenterna 1 och 2 sker genom påkrympning av valsringen på drivaxeln. Detta kan ske på olika sätt, varav ett är att kyla ned drivaxeln 1 och bibehålla rumstemperatur i valsringen 2. Om drivaxeln i sitt prototyputförande kyls ned till -170°C (t.ex. i flytande kväve) reduceras mantelytans 6 ytterdiameter ODl från 200 mm till 199,55 mm. I detta tillstånd blir ODl sålunda 0,29 mm mindre än ID. På så sätt kan drivaxeln föras in i valsringens inre. Efter positionering av de båda komponenterna i önskat läge relativt varandra utj ämnas temperaturen i båda komponenterna till rumstemperatur. Härvid expanderar drivaxeln och åstadkommer ett krympförband, vars grepp uppgår till 0,16 mm.

Utförda försök har visat att ett krympförband av denna styrka är fullt tillräckligt för att överföra avsevärda vridmoment från drivaxeln till valsringen utan att den sistnämnda slirar relativt drivaxeln (även då valsen arbetar under svåra yttre förhållanden, såsom hård belastning och frekventa temperaturväxlingar).

För att underlätta drivaxelns 1 införande i valsringen 2 under påkrympningsproceduren, är i anslutning till den enskilda ändytan 11 på valsringens innerring 3 (se Fig. 7) utformad en konisk yta 12, som övergår i innerringens invändiga cylinderyta 10 via en radieövergång R. Konvinkeln (x för denna yta 12 uppgår i exemplet till 150 (2 x a = 30°), varvid ytan har en axiell utsträckning eller längd L5, som bör uppgår till minst 5 mm, 165 170 175 180 185 lämpligen minst 10 mm. Det är även tänkbart att kombinera den honartade konytan 12 i valsringen med en hanartad konyta i anslutning till drivaxelns mantelyta 6.

I det ovan angivna, konkreta exemplet uppgår det åstadkomna krympförbandets grepp till 0,08 % av drivaxelns diameter (0,16/200). Storleken av detta grepp kan variera i beroende av valsens dimensioner och önskade vridmoment, men bör dock under alla omständigheter uppgå till minst 0,01 %, lämpligen 0,05 %, mer lämpligen 0,07 %. Å andra sidan bör detsamma ej överskrida 0,12 % för att tillförlitligt undvika risken för menliga spänningsfenomen i valsringen. Med fördel ges förbandet ett grepp inom området 0,07- 0,10%.

Uppfinningens fördelar En väsentlig fördel med uppfinningen är att den aktuella valsens kompositvalsring låter sig vridsäkras på drivaxeln på ett tillförlitligt och enkelt sätt utan några som helst mekaniska lås- eller kopplingsmedel. Vidare kan den effektiva valsbredden utnyttjas på ett optimalt sätt i och med att inga som helst kopplingsmedel inkräktar på det tillgängliga utrymmet utmed drivaxelns mantelyta. Vidare kan valsens båda huvudkomponenter tillverkas utan komplicerade och fördyrande bearbetningsoperationer i och med att väsentligen all nödvändig spånavskilj ande bearbetning kan ske i form av svarvning. Med andra ord behöver de båda komponentämnena ej förflyttas mellan olika bearbetningsstationer. Avsaknaden av mekaniska kopplingsmedel, i synnerhet honartade medel i form av spår, hål, försänkningar och liknande, medför dessutom att ingen av komponenterna onödigtvis försvagas. Tillsammans innebär dessa faktorer att totalkostnaden för tillverkningen av valsen kan reduceras. I och med att antalet komponenter i valsen minskats till ett absolut minimum, motverkas dessutom risken för haverier, driftsstopp etc, då valsverket är i drift. 190 195 Tänkbara modifikationer av uppfinningen Uppfinningen är ej begränsad enbart till det ovan beskrivna och på ritningarna visade utförandet. Sålunda är det tänkbart att bestycka drivaxeln med två eller flera valsringar, som var för sig kan inbegripa såväl en som flera hårdmetallringar. Vidare kan påkrympningen av den enskilda valsringen genomföras på annat sätt än just genom kylning av drivaxeln.

Sålunda kan drivaxeln bibehålla rumstemperatur samtidigt som valsringen värms för att vidga dess inre. Ävenledes är det tänkbart att kombinera kylning av drivaxeln med värmning av valsringen. Avslutningsvis skall påpekas att det uppfinningsenli ga monteringsförfarandet kan tillämpas icke blott vid produktion av nya valsar, utan även i samband med restaurering av begagnade valsar. Om den ena av valsens båda komponenter skulle skadas eller förslitas, kan sålunda den andra komponenten återanvändas efter upplösning av krympförbandet, närmare bestämt genom att krympas fast mot en ny eller restaurerad komponent. Ehuru det föredras att åstadkomma ett krympförband med fullständig ytkontakt mellan drivaxelns mantelyta och valsringens insida, är det även tänkbart att vid behov nöja sig med partiell ytkontakt.

Claims (5)

200 205 210 215 220 10 PATENTKRAV

1. Vals innefattande dels en drivaxel (1), vilken har en cylindrisk mantelyta (6) med en viss ytterdiameter (OD1) och en viss längd (L3), dels en kortare valsring (2), som inbegriper en ytterring (4) av ett hårt material och en med denna koncentrisk innerring (3) av ett segare material, vilken inbegriper en cylindrisk insida (10) med en viss innerdiameter (ID) och är, å ena sidan, permanent förenad med ytterringen (4) på metallurgisk väg, och, å andra sidan, vridstyvt förbunden med drivaxeln (1) för att från denna överföra vridmoment till ytterringen (4), kännetecknad därav, att den vridstyva förbindningen mellan drivaxeln (1) och valsringen (2) enbart utgörs av ett mellan drivaxelns mantelyta (6) och innerringens insida (10) etablerat krympförband, som har ett grepp av minst 0,01 % av drivaxelns (1) ytterdiameter (OD 1).

2. Vals enligt krav 1, kännetecknad därav, att krympförbandets grepp uppgår till minst 0,05 % av drivaxelns (1) ytterdiameter (OD1).

3. Vals enligt krav 1 eller 2, kännetecknad därav, att krympförbandets grepp uppgår till minst 0,07% av drivaxelns (1) ytterdiameter (OD1).

4. Vals enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att i anslutning till en ändyta (11) på valsringens (2) innerring (3) är utformad en konisk yta (12), som övergår i innerringens insida (10) via en radieövergång (R).

5. Förfarande för hopmontering av valsar av det slag som innefattar dels en drivaxel, vilken har en cylindrisk mantelyta med en viss diameter och en viss längd, dels en kortare valsring, som inbegriper en ytterring av ett hårt material och en med denna koncentrisk innerring av ett segare material, vilken inbegriper en cylindrisk insida med en viss diameter och är, å ena sidan, permanent förenad med ytterringen på metallurgisk väg, och, å 225 11 andra sidan, vridstyvt förbunden med drivaxeln för att från denna överföra vridmoment till ytterringen, kännetecknat av stegen att differentiera temperaturerna i drivaxeln respektive valsringen, att föra in drivaxeln i valsringen, och att utjämna temperaturerna under etablering av ett krympförband, som bildar den enda vridstyva förbindningen mellan drivaxeln och valsringen och har ett grepp av minst 0,01% av drivaxelns ytterdiameter.