МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ОБЪЕМНО - ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОЙ ЗАКАЛКИ КОЛЕЦ КАССЕТНОГО ПОДШИПНИКА

Abstract

Одной из последних тенденций в современном машиностроении является применение инновационных «закрытых» подшипниковых узлов с повышенным межсервисным и гарантийным сроком, которые отвечают самым высоким требованиям в плане надежности и долговечности. Для достижения высоких эксплуатационных показателей таких подшипниковых узлов необходимо при их изготовлении использовать современные технологии и передовое оборудование. В работе рассмотрены проблемы разработки математической модели и численных методов расчета физико-механических параметров материала кольца кассетного подшипника во время и после электроиндукционной закалки, а также оптимизации ее режимов с целью обеспечения необходимой картины твердости, остаточных напряжений и аустенита. Полученные результаты могут быть использованы при создании промышленной технологии и оборудования для применения при массовом производстве кассетных подшипников. В работе получена математическая мульти-физическая модель, состоящая из взаимосвязанных уравнений электромагнитного поля Максвелла и уравнений теплопроводности Фурье с соответствующими граничными условиями, дополненная соотношениями, моделирующими превращение микроструктуры стали из одного состояние в другое в процессе термообработки. Математическая модель верифицирована на тестовых задачах, а также «настроена на подшипниковую сталь» (по результатам решения тестовых задач идентифицированы недостающие характеристики стали). Решены задачи моделирования одношаговой объемной закалки внутреннего кольца и трех-этапной объемно-поверхностной закалки наружного кассетного подшипника с оптимизацией режимов закалки исходя из условий обеспечения твердости на поверхности 59<ИЯС<63 (с глубиной слоя s > 2 мм) и в ядре заготовки - ИЯС<45 с достижением минимума потребляемой энергии.

Однією з останніх тенденцій в сучасному машинобудуванні є використання інноваційних «закритих» підшипникових вузлів з підвищеним міжсервісним та гарантійним терміном, які відповідають найвищим вимогам в плані надійності та довговічності. Для досягнення високих експлуатаційних показників таких підшипникових вузлів необхідо при їх виготовленні використовувати сучасні технології та передове обладнання. В роботі розглянуті проблеми розробки математичної моделі і чисельних методів розрахунку фізико-механічних властивостей матеріалу кільця касетного підшипника під час та після електроіндукційного гарту, а також оптимізації його режимів з метою забезпечення необхідної картини твердості, залишкових напруг та аустеніту. Отримані результати можуть бути використані при створенні промислової технології і обладнання для застосування при масовому виробництві касетних підшипників. В роботі отримано математичну мульти-фізична модель, що кладається з взаємозв'язаних рівнянь електромагнітного поля Максвелла і рівнянь теплопровідності Фур'є з відповідними граничними умовами, доповнена співвідношеннями, що моделюють перетворення мікроструктури стали з одного стану в інший в процесі термообробки. Математична модель верифікована на тестових завданнях, а також «налаштована на подшипниковую сталь» (за результатами вирішення тестових завдань ідентифіковані бракуючі характеристики стали). Вирішені задачі моделювання однокрокової об'ємної гарту внутрішнього кільця і трьохетапної об'ємно-поверхневого гарту зовнішнього касетного підшипника з оптимізацією режимів гартування виходячи з умов забезпечення твердості на поверхні 59<HRC<63 (з глибиною шару s > 2 мм) і в ядрі заготовки - HRC<45 з досягненням мінімуму споживаної енергії.

One of the last tendencies in modern machine engineering is application of innovative "closed" bearing units with increased service intervals and warranty period that correspond to the top requirements in regard to reliability and durability. To get high performance figures of such bearing units it is required to use modern technologies and advanced equipment during their production. Problems in development of mathematical model and numerical methods for calculation of physical and mechanical parameters of material of cassette bearing rings during and after electric induction hardening and optimization of its modes to provide required picture of hardening, residual stresses and austenite are considered in this paper. The obtained results can be used during creation of industrial technology and equipment for application during mass production of cassette bearings. In the work, a mathematical multi-physical model is obtained, consisting of the interconnected equations of the Maxwell electromagnetic field and the Fourier heat equations with the corresponding boundary conditions, supplemented by relations modeling the transformation of the icrostructure of steel from one state to another during heat treatment. The mathematical model was verified on test problems, and also “tuned to bearing steel” (according to the results of solving test problems, the missing characteristics of steel were identified). The research solved the problems of modeling one-step volumetric hardening of the inner ring and three-stage volumetric-surface hardening of the outer cassette bearing with optimization of hardening conditions based on the conditions for ensuring hardness on the surface 59<HRC<63 (with a layer depth s > 2 mm) and in the core of the workpiece - HRC<45 with a minimum of energy consumption.