Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный Минерально-Сырьевой Университет «Горный»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: Материаловедение

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Тема: Разработка технологического процесса изготовления и термической обработки шлицевого вала

Автор: студент гр. ММ-10

Королев С.Ю/

Руководитель проекта профессор

Болобов В.И/

Санкт - Петербург 2012 год



Аннотация

Данная пояснительная записка представляет собой отчет о выполнении курсового проекта. Задача работы заключается в разработке технологического процесса изготовления и термической обработки шлицевого вала. В ней рассматривается разработка технологического процесса свободной ковки, а так же механической и термической обработки.



Введение

Валы и оси предназначены для поддержания, установки и крепления на них вращающихся деталей механизмов типа зубчатых колес, шкивов, полумуфт, муфт, маховичков, указателей и т.д.

При работе валы нагружены поперечными, а иногда и продольными силами, всегда передают вращающий момент, т.е. подвижны, и испытывают деформацию кручения и изгиба. Наибольшее распространение получили прямые валы и оси. Ступенчатые валы обеспечивают равнопрочность по длине, более удобны при сборке, установке сопряженных деталей, но менее технологичны. Число и расположение ступеней вала зависят от числа закрепленных на нем деталей (зубчатых колес и т.д.) и от принятого способа сборки, фиксации вала в осевом направлении. Посадочные поверхности под ступицы насаживаемых на вал деталей выполняют цилиндрическими, реже коническими. Конические поверхности сложнее в изготовлении, но позволяют повысить точность центрирования и соосности соединяемых деталей.

Валы и оси по назначению являются ответственными деталями механизмов. Материал валов и осей должен хорошо обрабатываться и быть прочным. Чаще всего в качестве материалов применяют следующие углеродистые и легированные стали: качественные стали 40, 45, 50, сталь 40Х - для валов с термообработкой; стали 20, 20Х - для быстроходных валов на подшипниках скольжения с поверхностной цементацией цапф; углеродистые стали обыкновенного качества Ст4, Ст5 - для неответственных валов без термообработки; сталь Х18Н10Т - для коррозионно-стойких, немагнитных валов. Для уменьшения массы валов и осей применяют дюралюминий, для обеспечения электроизоляционных свойств - пластмассы или керамические материалы. Для валов - червяков, валов - зубчатых колес материал выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу червяка, зубчатого колеса.

Основное применение в коробках передач находят прямобочные и эвольвентные шлицевые соединения, применяемые как для подвижных, так и неподвижных посадок. Прямобочные шлицевые соединения стандартизованы трех серий: легкой, средней й тяжелой. Серии различаются тем, что при одинаковом внутреннем диаметре другие размеры и число зубьев различны, что дает возможность подбирать шлицевые валы для разных нагрузок, передаваемых зубьями, но при одинаковом расчетном внутреннем диаметре. Чаще всего применяются два способа центрирования: по внутреннему диаметру d и наружному диаметру D.

Этот способ центрирования применим в том случае, когда втулка закаливается до невысокой твердости (НВ<350), такой, при которой возможно прокалибровать отверстие протяжкой, или остается незакаленной. При высокой твердости втулки, получаемой при закалке, искажение профиля и размеров исправить протяжкой нельзя. При центрировании по внутреннему диаметру посадочные поверхности вала и втулки шлифуются и, кроме того, можно произвести любую термообработку парных деталей.

Сочетание этих технологических возможностей обеспечивает высокую точность соединения, большую износостойкость парных поверхностей, что особенно важно для подвижных соединений, передающих переменные нагрузки. Прямобочные шлицевые соединения по сравнению со шпоночными обладают рядом достоинств: лучшее центрирование и направление деталей при перемещении их вдоль вала, меньшие напряжения смятия на рабочих поверхностях зубьев, большая динамическая и усталостная прочность валов.

Находят также применение эвольвентные шлицевые соединения с центрированием по наружному диаметру D боковым граням, причем первый способ находит более широкое применение.

1. Общие сведения о процессе свободной ковкой

В современном горном машиностроении горячая объемная обработка металлов давлением находит широкое применение. Свободной ковкой, горячей объемной штамповкой получают заготовки (поковки) для таких ответственных тяжелонагруженных деталей, как шестерни, диски, зубчатые колеса, червяки, клапны, крестовины, полуоси, валы редукторов и пр. Такие детали работают в узлах комбайнов, экскаваторов, погрузочно-доставочных машин, буровых станков и других машин, испытывающих значительные динамические нагрузки.

Крупные ответственные поковки изготавливают свободной ковкой на молотах и прессах. В качестве ковочного оборудования используют прессы и молоты различных конструкций. Исходной заготовкой в этом случае являются кузнечные слитки или прокат больших сечений.

Гидравлические прессы - машины статического действия. Продолжительность деформации заготовки составляет от единиц до десятков секунд. Металл деформируется за счет усилий, создаваемых с помощью жидкости, подаваемой в рабочий цилиндр пресса. Эти машины предназначены преимущественно для крупных поковок, изготавливаемых из слитков. Кроме того, на прессах рекомендуют ковать поковки из высоколегированных сталей.

Молоты - машины динамического, ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной подвижными (падающими) частями молота к моменту их соударения с заготовкой.

Кузнечное производство весьма трудоемко. Повышение производительности труда во многом зависит от качества разработаной технологии, которое определяется оптимальной конфигурацией поковки, выбором рационального типа заготовки, ковочного оборудования, способов нагрева и охлаждения, схемой технологического процесса деформирования (выбор и назначение операций, их количество и последовательность), а также оптимальной геометрией рабочей части ковочного инструмента (бойки, осадочные плиты и т.д.).

При свободной ковке ударом заготовку, которую нужно отковать, кладут, не закрепляя, на неподвижную подставку - наковальню, над которой вниз и вверх ходит молот - боек. Быстро опуская и поднимая молот, по предварительно нагретому металлу наносят удары. При этом металл расплющивается (кузнецы говорят - течет). Ширина и длина заготовки увеличивается, а толщина уменьшается. После того как заготовку обожмут с одной стороны, ее поворачивают на 90° и вновь куют. Такие операции совершаются до тех пор, пока металл не примет нужной формы,- поковка готова.

Поковкой называется кованая заготовка преимущественно простой конфигурации, полученная свободной ковкой на молоте или прессе.

Поковка отличается от готовой детали большими размерами, менее жесткими допусками на размеры, наличием напусков в тех случаях, когда заданную конфигурацию после назначения припусков выполнить на имеющемся ковочном оборудовании и с помощью стандартных инструментов и приспособлений невозможно или экономически нецелесообразно.

Припуском S называется предусмотренное ГОСТ превышение размеров поковок по сравнению с номинальными размерами готовой детали или ободранной заготовки, обеспечивающее после обработки резанием требуемые конфигурацию, размеры и качество поверхности. Ободранная заготовка - это заготовка, подвергнутая в процессе изготовления предварительной механической обработке.

Допуск ±Д/2 - это разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами годной поковки или детали.

Напуском называется увеличение припуска (сверх выбранного по ГОСТ) с целью упрощения конфигурации поковки из-за невозможности или нерентабельности ее изготовления по контуру готовой детали.

Для ступенчатых валов различают основной S и дополнительный S' припуски. Дополнительный припуск прибавляется на диаметры ступеней поковки к основному для компенсации возможного их смещения относительно друг друга при изготовлении валов сложной конфигурации. Дополнительный припуск назначается на все диаметры поковки, кроме основного. В качестве основного диаметра обычно принимают наибольший, или ступень с необрабатываемой поверхностью.

2. Исходные данные

Деталь - Вал

Допускаемое напряжение - 300 МПа

Годовая программа - 1000



3. Выбор материала и метода получения детали

При выборе материала учитывали:

· условия работы детали

· характер и величину действующей на деталь нагрузки;

· температуру и коррозионное воздействие среды;

· степень и вид изнашивания: под действием сил трения, абразивное, усталостное и др.

Учитывая условия эксплуатации детали и встречающиеся на практике виды разрушений и износа, вал относится к деталям I группы.

Материал должен обладать высокой твердостью и износостойкостью поверхностного слоя при вязкой и достаточно прочной сердцевине. Такие свойства обеспечивают цементуемые низкоуглеродистые и легированные стали, наиболее применяемые марки которых представлены в (табл. 1)

Таблица 1

Термическая обработка и механические свойства улучшаемых сталей

Марки стали	Термическая обработка	Механические свойства
	Закалка, оС; среда	Отпуск, оС; среда	уВ	у0,2	у-1	HB
			МПа
35	850; вода	550; вода, масло	700	520	310	1950
45	850; то же	550; то же	800	580	340	2400
40Х	860; масло	500; то же	1000	800	400	2400
50Х	830; то же	520, то же	1100	850	440	2900
40ХН	820; то же	550, то же	1000	800	400	2500
30ХГСА	880; то же	540, то же	1100	850	440	2700
40ХНМА	850; то же	620, то же	1100	950	410	2700

Расчёт необходимых прочностных характеристик:

Основные марки конструкционных материалов стандартизованы, т.е. поставляются с гарантированными свойствами. При расчете деталей на прочность определяют рабочие напряжения [у]доп.

[у] < у 0,2/ 1,6 или < у B/ 2,4.

[у]=300 МПа

у 0,2 ?1,6*[у]=1,6*300=480

у 0,2?480 МПа

у B ?2,4*[у]=2,4*300=720

у B ?720 МПа

Исходя из рассчитанных и табличных данных, можно прийти к выводу, что для изготовления шлицевого вала подходит сталь 45 (у0,2=580 МПа, уВ = 800 МПа).

Материал детали - Сталь 45. В условиях мелкосерийного производства предпочтительным способом получения заготовок для детали типа “вал” является свободная ковка.

Ковка не только изменяет форму и размеры обрабатываемого металла, но и способствует улучшению его структуры и механических свойств. Она измельчает и уплотняет зерна, устраняет внутренние раковины и пузыри. Свободная ковка обычно применяется для получения единичных поковок различной формы и размеров, а также при изготовлении небольших партий поковок.



4. Разработка технологии получения заготовки свободой ковкой

Порядок выполнения работы:

1. Назначить по ГОСТ 7062-90 припуски, допуски и напуски.

2. Вычертить эскиз поковки.

3. Определить массу поковки.

4. Определить массу заготовки (слитка или проката).

5. Выбрать тип и размеры кузнечного слитка (если исходной заготовкой является слиток).

6. Составить график нагрева заготовки и охлаждения поковки, рассчитать продолжительность нагрева, выбрать режим охлаждение.

7. Определить и изобразить основные, вспомогательные и отделочные операции для получения заданной поковки, последовательность их выполнения.

4.1. Назначение припусков, допусков и напусков

Поковкой называется кованная заготовка преимущественно простой конфигурации, полученная свободной ковкой на молоте или прессе.

Поковка отличается от готовой детали большими размерами, менее жесткими допусками на размеры, наличием напусков в тех случаях, когда заданную конфигурацию после назначения припусков выполнить на имеющемся ковочном оборудовании и с помощью стандартных инструментов и приспособлений невозможно или экономически нецелесообразно.

Припуском д называется предусмотренное ГОСТ превышение размеров поковок по сравнению с номинальными размерами готовой детали или ободранной заготовки, обеспечивающее после обработки резанием требуемые конфигурацию, размеры и качество поверхности. Ободранная заготовка - это заготовка, подвергнутая в процессе изготовления предварительной механической обработке.

Допуск ± ?/2 - это разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами годной поковки или детали.

Напуском называется увеличение припуска (сверх выбранного по ГОСТ) с целью упрощения конфигурации поковки из-за невозможности или нерентабельности ее изготовления по контуру готовой детали.

Для ступенчатых валов различают основной д и дополнительный д ' припуски. Дополнительный припуск прибавляется на диаметры ступеней поковки к основному для компенсации возможного их смещения относительно друг друга при изготовлении валов сложной конфигурации. Дополнительный припуск назначается на все диаметры поковки, кроме основного. В качестве основного диаметра обычно принимают наибольший, или ступень с необрабатываемой поверхностью.

Припуски и допуски следует назначать, используя выдержки из ГОСТ, представленные в таблицах 2.1 и 2.2. Если необходимо, то сверх припусков назначить напуски.

Припуски и допуски на длины определяются следующим образом. На обрубаемые ступени припуск на длину (на сторону обработки) принимается равным 1,5 припускам на диаметр рассматриваемой ступени. На остальные ступени припуск на длину на сторону обработки принимается равным 0,75 от припуска на рассматриваемый диаметр. Отклонение на длину принимается равным трем отклонениям на диаметр.



Эскиз детали с основными (1), дополнительными (2) припусками на обработку и напусками (3).

Таблица 2.1

Длина	Диаметр детали D (или размер сечения В и Н)
	ДО	50-	70-	90-	120-	160-	200-	250-	300-
детали, L, мм	50	70	90	120	160	200	250	300	360
	Припуск 5 на диаметр и предельные отклонения ±Д/2
До 250	5±2	6±2	7±2	8±3	9±3	-	-	-	-
250-500	6±2	1±2	8±3	9±3	10±3	п±з	12±4	13±4	14±5
500-800	7±2	8±3	9±3	10±3	11±3	12±4	13±4	14±5	15±5
800-1200	8±3	9±3	10±3	11±3	12±4	13±4	14±5	15±5	16±6
1200-1700	-	10±3	11=1=3	12±4	13±4	(14	15±5	16±6	!7±6
1700-2300	-	11±3	12±	13±4	14±5	Г5±5	16^6	Ц±6	18±6
2300-3000	-	-	13±	14±5	15±5	16±6	17±6	18±6	19±7
3000-4000	-	-	-	15±5	16±6	17±6	18±6	19±7	20±7
4000-5000	-	-	-	16±6	17±6	18±6	19±7	20±7	21±8
5000-6000	-	-	-	-	18±6	19±7	20±7	21±8	22±8

Припуски на механическую обработку и предельные отклонения размеров поковок, мм

Таблица 2.2 Дополнительный припуск д ', мм

Разность диаметров (размеров) наибольшего и рассматриваемого сечений	До40	40-80	80-100	100-120	120-140	140-160	160-180	Св.180
Дополнительный припуск	3	4	5	6	7	8	9	10



Эскиз детали с основными (1), дополнительными (2) допусками и напусками (3) представлен на чертеже 2

После разработки эскиза поковки определяется объем и масса поковки. Воспользуемся ранее изученной программой КОМПАС - 3D. Спроектируем поковку по заданным размерам, в свойствах поковки укажем выбранную марку стали 25 и в параметрах МЦХ получим массу и объем поковки.

Объем поковки:

Окончательная масса поковки (с учетом допусков):

4.2 Так как размеры и масса поковки малы, то принимаем для изготовления нашей дели прокат круглого сечения диаметром 100

4.3 Режим нагрева и охлаждения

Для нагрева слитков и заготовок перед ковкой служат кузнечные мазутные или газовые печи, которые по способу нагрева подразделяются на камерные и методические.

Методические печи имеют переменную по зонам нагрева температуру (две и более зон) и обеспечивают качественный нагрев. Однако такие печи применяются только для нагрева заготовок из проката или мелких кузнечных и прокатных слитков.

График горячей обработки слитка до момента получения заданной по чертежу поковки состоит из нескольких этапов (рисунок 4): 1 - нагрев заготовки до критической температуры; 2 - выдержка; 3 - нагрев до температуры ковки с максимально возможной скоростью; 4 - выдержка; 5 - ковка; 6 - охлаждение поковки.

Если поковка куется за несколько нагревов (выносов), то этапы 3, 4 и 5 повторяются на графике соответствующее количество раз.

Критическая температура tk - это температура структурных превращений в стали Ac1.

Ковочная температура tk - это температура нагрева слитка (или заготовки) перед ковкой. Превышение tK может привести к перегреву, сопровождающемуся ростом зерен. Это брак, исправляемый термической обработкой. Нагрев до более высокой температуры может привести к окончательному браку, называемому пережогом (оплавление границ зерен).

Температура t'K - это температура окончания ковки. Ниже этой температуры металл плохо деформируется, так как его пластические характеристики снижаются. Ковка при температуре ниже t'K сопровождается упрочнением (наклепом) и появлением трещин.

Величины температур и t'K зависят от химического состава обрабатываемой стали. Температурный интервал ковки выбирают по таблице 2.5.

При нагреве до ковочной температуры особое внимание следует обратить на два основных периода (рис. 2.5).

I - нагрев до tкр который осуществляется с минимальной скоростью из за низкой теплопроводности и малой пластичности холодной стали. Большая скорость нагрева может привести к трещинам в теле слитка (внутри заготовки).

II - нагрев до, который производится с максимально возможной для данного нагревательного устройства скоростью.

Общее время нагрева (до tK) складывается из времени нагрева первого г, и второго г2 периодов. Для углеродистых и низколегированных сталей

где D наименьший диаметр или меньшая сторона сечения слитка или заготовки, м.

Продолжительность выдержек при критической и ковочной темперагурах принимают в пределах в зависимости от нагреваемой стали. Наличие выдержек при температурах tv и tK вызвано необходимостью выравнивания разности температур по сечению слитка или заготовки. Эта разница температур всегда возникает при нагреве стали из-за ее ограниченной теплопроводности. Чем больше сечение нагреваемой заготовки, тем продолжительнее должна быть выдержка.

Важное значение для получения высококачественных поковок имеет правильный выбор режима их охлаждения. Чрезвычайно высокие термические напряжения, Возникающие в поковке при неправильном охлаждении, могут привести к появлению трещин.

В зависимости от химического состава стали и размеров сечения, поковки охлаждаются на воздухе, в колодцах, в колодцах с подогревом и в термических печах.

Возникающие в поковке при неправильном охлаждении, могут привести к появлению трещин. Поэтому производим охлаждение нашей поковки на воздухе.



Рис.4. График нагрева и охлаждения поковки

4.2 Определение последовательности кузнечных операций

Основные технологические операции это операции, связанные с изменением формы и размеров слитка или промежуточной заготовки, с целью получения поковки соответствующей требованиям чертежа. К основным операциям относятся протяжка (вытяжка), осадка, прошивка глухих или сквозных отверстий, рубка, вытяжка на оправке, раскатка на оправке, гибка, разгонка и т.д.

Вспомогательные операции - это операции, связанные с подготовкой слитка или промежуточной заготовки для выполнения последующих основных операций. К ним относятся заделка цапфы, биллетировка слитка, разметка заготовки, правка, клеймление.

Отделочные операции - это операции, связанные с получением требуемого по чертежу качества поверхности поковки. Основные отделочные операции: проглаживание, торцовка, обкатка сферы.

Выбор операций определяется конфигурацией и соотношением размеров поковки, величиной укова, техническими условиями на ее изготовление. Большое значение для успешного выполнения операций ковки имеет конструкция, профиль рабочей части и размеры кузнечного инструмента. Применяемый в свободной ковке инструмент по назначению может быть объединен в три группы: основной технологический, поддерживающий переносной, мерительный. Основной технологический инструмент включает технологическую оснастку (верхние и нижние ковочные, правильные, гибочные и разгоночные бойки, осадочные плиты, кольца, оправки и т.д.) и подкладной инструмент (раскатки, угольники, топоры, прошивки, пуансоны и т.п.). Поддерживающий переносной инструмент - клещи, патроны, цепи, кантователи.

Мерительный инструмент - линейки, кронциркули, скобы, и т.д., т.е. такой инструмент, с помощью которого контролируют геометрические размеры поковок как и процессе ковки, так и на ее окончании.

5. Выбор вида и расчёт режимов предварительной термической обработки

Термическую обработку применяют для получения требуемых механических свойств поковок и облегчения их обработки резанием. Отжиг снимает в поковках из углеродистых сталей остаточные напряжения, измельчает зерно, снижает твердость, повышает пластичность и вязкость.

Параметры для нормализации приведены в табл. 5

Таблица 5

Марка стали	Операция	Температура, оС	Охлаждение
Сталь 45	Нормализация	850	На воздухе

часа

время нормализации

час

График нагрева заготовки и охлаждения поковки представлен на рис. 5.

Рис. 5. График нагрева заготовки и охлаждения



6. Черновая механическая обработка

Механическая обработка поверхностей заготовок является одной из основных завершающих стадий изготовления деталей машин.

Одна из актуальных задач машиностроения - дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки деталей машин.

кузнечный деталь ковка термический



7. Чистовая механическая обработка

В качестве чистовой обработки вала применяют те же операции что и при черновой обработке детали, но с меньшей подачей и более высокой скоростью. Для получения заданной шероховатости деталь обрабатывают на круглошлифовальном станке.



8. Выбор вида и расчёт режимов упрочняющей термической или химико-термической обработки

После черновой и чистовой обработки произведена упрочняющая термическая обработка, включающая в себя закалку и высокий отпуск.

Закалка - ТО, заключающаяся в выдержке металлов при определённой температуре и быстром охлаждении с целью фиксации состояния металла, характерного для высоких температур.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при нагреве до 450-500°С; мартенсит закалки превращается в отпущенный мартенсит, снижаются закалочные макронапряжения при сохранении твердости.

Таблица 6

Марки стали	Термическая обработка
	Закалка, оС; среда	Отпуск, оС; среда
35	850; вода	550; вода, масло
45	850; то же	550; то же
40Х	860; масло	500; то же
50Х	830; то же	520, то же
40ХН	820; то же	550, то же
30ХГСА	880; то же	540, то же
40ХНМА	850; то же	620, то же

Время нагрева (t1) и время выдержки (t2) деталей при высоком отпуске могут быть рассчитаны по формуле

Где -условная толщина (диаметр) детали, мм.



Вывод

В данном курсовом проекте выполнена разработка технологического процесса изготовления и термической обработки шлицевого вала. В процессе выполнения были проведены следующие работы:

· Выбран материал;

· Разработана технология получения заготовки;

· Выбран вид и рассчитан режим предварительной термической обработки;

· Разработана технология черновой механической обработки;

· Выбран вид и рассчитан режим упрочняющей термической или химико-термической обработки;

· Разработана технология чистовой механической обработки.

В курсовой проект также входит перечень графического материала:

· Чертёж детали;

· Чертёж заготовки;

· Кузнечные операции.

Библиографический список

1. Материаловедение. Методические указания к лабораторным работам / СПГГИ. СПб, 2007.

2. Технология конструкционных материалов. Заготовительное производство. Методические указания к лабораторным работам / СПГГИ. СПб, 2006.

3. Технология конструкционных материалов. Обработка металлов резанием. Методические указания к лабораторным работам / СПГГИ. СПб, 2009.

4. Краткий справочник металлурга под редакцией доктора технических наук А. Н. Малова.

5. Справочник технолога машиностроителя в двух томах под редакцией под редакцией доктора технических наук В. М. Кована.

6. ГОСТ 3.1103-74

Размещено на Allbest.ru