С.С.Вечканов, А.Н.Проценко

МОДЕЛЬ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПОДШИПНИКОВЫХ КОЛЕЦ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ПЕРЕД РАСКАТКОЙ

С.С.Вечканов, А.Н.Проценко.

МП ЭСО г.о.Самары

Россия, 443110, г.Самара, ул.Искровская,7

Самарский государственный технический университет

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

В статье описывается разработка и исследование модели индукционного нагрева подшипниковых колец большого диаметра перед раскаткой. Нагрев осуществляется индуктором поперечного магнитного поля. Предлагается конструкция индуктора поперечного магнитного поля, который встроен в непрерывный процесс производства. Показаны преимущества использования непрерывного индукционного нагрева в процессе производства, относительно традиционного отдельного нагрева в печи, с точки зрения экономичности, безопасности и повышения производительности.

Ключевые слова: поперечное магнитное поле, система индукционного нагрева, раскатка подшипниковых колец, заготовка, трехфазная система.

Высокие темпы развития машиностроения неразрывно связаны с внедрением в производство новых технологий. Одним из прогрессивных направлений развития технологии машиностроения является замена процессов резания обработкой металлов давлением. К эффективным методам такой обработки относится машинная раскатка. Это прогрессивный метод производства бесшовных кольцевых изделий, позволяющий получать заготовки ответственных деталей. Изготовление кольцевых заготовок раскаткой значительно рациональнее по сравнению со свободной ковкой и молотовой раскаткой за счет большей производительности, меньшей трудоемкости, меньших припусков под обработку резанием. Большое распространение машинная раскатка получила в производстве колец подшипников. Подшипники по своей конструкции являются высокотехнологичными изделиями, имеющие в рабочих условиях сложнейшую динамику взаимодействия составляющих компонентов для восприятия высоких и разнообразных нагрузок, обеспечения точности вращения вала при большом диапазоне частот вращения и температур. И хотя каждой конструктивной группе подшипников соответствует своя технология изготовления, но в общем случае составляющие технологического процесса примерно схожи. К подшипникам предъявляются высокие эксплуатационные требования. Заготовки, полученные раскаткой, полностью удовлетворяют этим требованиям. Кроме того, обеспечивается высокая экономичность и производительность изготовления колец, что очень важно в массовом производстве подшипников. Форма колец, получаемых машинной раскаткой, может быть весьма разнообразной. В данной работе рассматривается процесс горячей раскатки на примере производства колец подшипников большого диаметра.

Дело в том, что в процессе горячей раскатки помимо самого механического процесса, меняющего геометрию кольца, немаловажное значение имеет процесс нагрева. В современном машиностроении кольца нагревают различными способами. Но все они сводятся к нагреву с помощью газовый печей при различных условиях (эндогаз) и электрических печей, например печей сопротивления. Помимо затрат на такого рода нагрев, еще имеет место увеличение времени нагрева, простоя оборудования для механической раскатки, что приводит к снижению производительности.

Процесс печного нагрева колец состоит из загрузки колец в печь при помощи специального робота-погрузчика. Затем выгрузку и установку кольца на раскаточный станок. Кольцо в горизонтальном положении зажимается валками и направляющим роликом и приводится во вращение. После непродолжительной раскатки кольца таким образом, происходит его охлаждение до температуры при которой раскатка в заданных условиях становится невозможной. Цепочка действий: снятие кольца со станка, загрузка в печь, нагрев, выгрузка и установка на станок - повторяется вновь. Такой способ нагрева значительно усложняет и удорожает производство. Еще один минус такого способа состоит в его значительной трудоемкости и опасности для обслуживающего персонала, так как температуры разогретого кольца превышают 1000 градусов.

Современное производство, двигаясь по пути повышения производительности и энергоэффективности, нуждается в более прогрессивных технологиях. В данной статье предлагается иной способ горячей раскатки подшипниковых колец, в котором используется индукционный нагрев для последующей обработки давлением. Практически во всех отраслях промышленности применяются индукционные системы для преобразования электромагнитной энергии в тепловую. Опыт показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. Они надежны, безопасны, компактны и позволяют осуществлять автоматическое управление процессом нагрева. Применительно к горячей обработке давлением колец подшипников, установки индукционного нагрева позволяют ускорить, упростить, удешевить и обезопасить производство. Определенную специфику представляет процесс индукционного нагрева колец крупногабаритных подшипников в комплексе «индуктор – рас­катка» с помощью системы индукторов поперечного поля, охватывающих ограниченный сектор кольца непос­редст­вен­но перед очагом деформации. Широкая номенклатура колец и мелкосерийность производства (осо­бен­но при изготовлении уникальных подшипников большого диаметра) выдвигают особые требования к гибкости нагревательного комплекса, его способности в кратчайшие сроки перестраиваться с нагрева одной партии колец на другую во всем номенклатурном диапазоне. В современных раскаточных прессах не применяются средства термостатирования из-за технических трудностей, связанных с подобной технологией. Существенно то, что геометрия кольца меняется не только от партии к партии, но и в процессе раскатки каждого кольца (рис. 1).

Рис.1. Схема системы раскатки подшипниковых колец со встроенным индуктором.

В ходе раскатки непрерывно меняется диаметр кольца, при этом его центр перемещается по траектории , так как шаг деформации фиксирован благодаря неподвижности центра опорного валка, и деформирующее усилие в ходе раскатывающего валка (1) с центром . Валки с центрами и являются направляющими, они фиксируют кольцо на зеркале раскатывающего пресса и гасят биения. Усилия в валках создаются пневмоцилиндрами, а вращающий момент – электроприводом. Перед главными валками (1) и (2) расположен индуктор (И), обеспечивающий непрерывный равномерный нагрев непосредственно перед деформацией.

Специфические условия работы индукционной системы (рисунок 2) в процессе раскатки накладывают жесткие ограничения на размеры индуктора, которые должны позволять размещение последнего на зеркале машины без ущерба для механизмов собственно раскатки и обеспечивать постоянство зазора системы «индуктор–кольцо». Для обеспечения зазора также есть возможность поворота индуктора, выполненного в виде вилки (разомкнутый) для цели погружения в него заготовки.

Рис.2. Индуктор для нагрева кольца.

Базовая модель процесса индукционного нагрева колец в данной системе сводится к последовательному связанному решению электромагнитной и тепловой задач, меняющих свои начальные данные в зависимости от совпадения полученных результатов требуемым условиям.

одномерному линейному уравнению Гельмгольца для напряженности магнитного поля [19] и линейному неоднородному уравнению теплопроводности для температурного поля [58], допускающим последовательное несвязанное решение электромагнитной и тепловой задач.

Математическая формулировка тепловой задачи имеет вид:

(1.9)

с соответствующими граничными условиями 1–3 родов.

Здесь: r – радиус кольца, x – аксиальная координата, – угловая координата кольца.

Мощность источников тепла является сложной функцией трех координат и времени. В первом приближении ее можно представить в виде произведения функций

; (1.10)

где – функция распределения мощности теплоисточников вдоль радиальной координа­ты r, определяемая из решения электромагнитной задачи, F(y) – функция распределения мощности теплоисточников вдоль аксиальной координаты, – функция распределения мощности теплоисточников по угловой координате, U(t) – изменение мощности во времени.

С достаточной степенью точности функцию F(y) можно принять постоянной. Функция распределения мощности вдоль радиальной координаты может быть аппроксимирована экспонентой вида [108]

. (1.11)

Третья составляющая функции распределения внутренних теплоисточников определяется на основе анализа тепловых и механических процессов в системе.

Проблемы данной конструкции заключаются в сложности технической реализации индуктора, имеющего толстые шины с большими токами. Кроме сложности самой реализации, есть еще сложность добиться равномерного нагрева заготовки за требуемое короткое время. Пути решения этих проблем заключаются в создании более практичного проводника и усовершенствовании конструкции индуктора с целью повышения равномерности и скорости нагрева.