Процесс термической обработки детали "Палец"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Технологическое проектирование заводов прошло путь от простой систематизации практического опыта в области проектирования до создания научной дисциплины в течение короткого времени.

Основными задачами промышленности является ввод в действие новых предприятий и агрегатов, а также увеличение мощностей действующих предприятий путем их реконструкции, установления нового оборудования, механизация и интенсификация производства и улучшение технологических процессов. Изучение основных вопросов проектирования и создания машиностроительных предприятий является весьма сложной задачей. Необходимо применение комплекса знаний и найти рациональные методы решения этих задач, необходимые для практических целей проектирования.

В данной дипломной работе был разработан проект термического участка мощностью 2350 тонн в год в условиях завода КЛМЗ корпорации «Казахмыс».

Предприятие перестраивается в направлении производства новых образцов техники, запасных частей и узлов с увеличением существующих объёмов выпуска. На заводе уделяется особое внимание качеству выпускаемой продукции. Однако борьба за качество предусматривает не только контроль уже произведённой продукции. Основная задача - повысить качество на стадии изготовления. Этому в значительной мере способствуют модернизация имеющегося оборудования, а также внедрение новой высокопроизводительной техники, использование прогрессивных технологических процессов термообработки.

Основой проекта участка в данной дипломной работе является детально разработанная технологическая часть. Решение вопросов всех остальных частей проекта производится на основе данных и требований технологического процесса, в результате чего определяются задания и условия для разработки этих частей. Также одной из основных задач является повышение качества выпускаемой продукции и снижение затрат на ее изготовление. При проектировании технологического процесса одновременно разрабатываются и решаются экономические, технические и организационные задачи, тесно связанные между собой. В данном проекте применяется сталь 40Х - конструкционная легированная улучшаемая сталь. В работе также отражается влияние производства на окружающую среду и разработаны мероприятия по охране труда.

1. Основная часть

1.1 Производственная программа термического участка

Разработка проектирования действующего участка необходима с целью повышения качества и расширения номенклатуры металлопродукции, уменьшения численности обслуживающего персонала и повышения производительности труда, улучшения условий труда путем механизации трудоемких процессов, повышения экономической эффективности производства, снижение себестоимости изделий, увеличения размера прибыли и повышения рентабельности производства. Основанием для проектирования термических цехов, отделений является годовая производственная программа.

Производственная программа это перечень товарной продукции в тоннах (штуках), которая должна быть изготовлена цехом за установленное время (год). В данной дипломной работе необходимо спроектировать участок для термической обработки деталей производительностью 2350 тонн в год. Производственная программа составлена на основе номенклатуры изделий, подвергаемых термической обработке на участке. В таблице 1.1 показана производственная программа термического участка.

Таблица 1.1. Производственная программа термического участка

Наименование изделия	Материал	Технические требования	Масса, кг	Годовой выпуск
				штук	тонн
Палец	40Х	HB 280-320 50-56HRC (ТВЧ)	37.5	10000	375
Диск составной ДСТОRO440Д-010АНСБ	20	Отжиг	220	2000	440
Оси вагонетки	40Х	HB 220-280	100	10000	1000
Палец балансира ПБ-TORO-0011.001	20Х2Н4А	Цементировать h 0,8-1,2 58-62 HRC	25,5	10000	255
Шток ПМЗШ	45	НВ 241-285 4050HRC (ТВЧ) 88	16	10000	160
Подшипник сцепки С3-00.415	ШХ15	HRC 61-65	4	30000	120
Итого:	-	2350

Место расположения проектируемого термического участка - город Караганда. Источником тепловой энергии для проектируемого участка является электроэнергия.

1.2 Описание изделий и условий их работы

Палец является сборочной единицей, входящей в гидростойку шахтного оборудования.

Диск составной - сварная конструкция. Диск составной состоит из свариваемых между собой колец. Кольца свалованы из листа толщиной 30 мм и сварены ручной дуговой сваркой. Цикл сварки, обуславливая появление уравновешенных упругих деформаций в зоне сварного шва, приводит к возникновению остаточных сварочных напряжений в сварном соединении. Необходимость снятия или снижения остаточных сварочных напряжений обусловлено их вредным влиянием на работоспособность изделия. Снятие напряжений производится термической обработкой низкотемпературным отжигом.

Палец балансира ПБ - ТОRО - деталь самосвала TOROPLUS, обладающий грузоподъемностью 50 тонн. Деталь эксплуатируется в тяжелых напряженных условиях. Материал пальца испытывает высокие динамические знакоперименные нагрузки, интенсивные изнашивающие нагрузки.

Оси вагонетки - детали узла тележки вагонетки. Оси являются опорными деталями. Оси должны обладать высокой прочностью и вязкостью, что обеспечивается термообработкой - улучшением. Оси подвергаются в процессе работы истиранию без значительных ударных нагрузок. При выборе материала следует учитывать прокаливаемость.

Шток - это деталь, которая работает в гидроцилиндре для подъема и наклона ковша экскаватора. Эта деталь входит в цилиндро-поршневую группу. Основное требование, предъявляемое к штоку, повышенная прочность в сочетании с мягкой сердцевиной. Это обеспечивается термической обработкой, заключающейся в улучшении сердцевины и поверхностной закалки токами высокой частоты.

Подшипник сцепки расположен между передней подвеской и кузовом самосвала. Подшипники сцепки обеспечивают поворот кузова. Условия работы характеризуются сложным комплексом возникающих в детали напряжений. Подшипник сцепки аналогичен стандартному подшипнику качения, где контакт трущихся поверхностей обеспечивают два кольца - обойма и сфера. При работе подшипника сцепки имеет место трение от проскальзывания деталей при наличии значительных контактных переменных нагрузок.

1.3 Обоснование выбора марки стали

Палец эксплуатируется в сложных напряженных условиях, испытывает высокие динамические нагрузки. Материал должен обладать высокой поверхностной твердостью, в сочетании с мягкой сердцевиной. Такими свойствами обладает сталь 40Х. Сталь 40Х - конструкционная легированная улучшаемая сталь. Данная марка стали обладает повышенной прочностью и ее применяют деталей ответственного назначения [1].

Таблица 1.2. Характеристика стали 40Х

Массовая доля элементов, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
0,36-0,44	0,17-0,37	0,50-0,80	0,035	0,035	0,80-1,10	0,30	0,30
Технологические характеристики
Прокаливаемость, мм	Склонность к отпускной хрупкости	Обрабатываемость резанием
В масле		HB	Kv	Материал резца
17-45/10-30	Склонна	163	1,2	Твердый сплав

Таблица 1.3. Температура критических точек для стали 40Х

Ac1	Ac3(Acm)	Ar3(Arcm)	Ar1
743	782	730	693

Диск составной изготавливается из стали 20. Сталь 20 - конструкционная, углеродистая, качественная сталь для сварных конструкций. Стали с содержанием углерода 0,2% и менее - низкоуглеродистые. Цикл сварки приводит к возникновению остаточных сварочных напряжений в сварном соединении. Снятие напряжений производится термической обработкой - низкотемпературным отжигом.

Таблица 1.4. Характеристика стали 20

Массовая доля элементов, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
0,17-0,24	0,17-0,37	0,35-0,65	0,040	0,035	0,25	0,30	0,30
Технологические характеристики
Прокаливаемость, мм	Склонность к отпускной хрупкости	Обрабатываемость резанием
в воде		HB	Kv	Материал резца
7-15	Не склонна	126	1,7	Твердый сплав

Палец балансира изготавливаются из стали 20Х2Н4А. Материал пальца испытывает высокие динамические и интенсивные изнашивающие нагрузки. Термическая обработка материалаобеспечивает требуемые свойства. Материал - сталь низколегированная, цементуемая 20Х2Н4А. Сталь содержит 0,2% С, 2% Сr и 4% Ni. Хром (Cr) - делает сталь стойкой против коррозии и окисления, уменьшает склонность к ломкому разрушению.

Таблица 1.5. Характеристика стали 20Х2Н4А

Массовая доля элементов, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
0,16-0,22	0,17-0,37	0,30-0,60	0,025	0,025	1,25-1,65	3,25-3,65	0,30
Технологические характеристики
Прокаливаемость, мм	Склонность к отпускной хрупкости	Обрабатываемость резанием
В масле		HB	Kv	Материал резца
-	малосклонна	163	1,4	Твердый сплав

Хромистая сталь имеет повышенную стойкость против отпускания. Хром сильно увеличивает прокаливаемость и снижает критическую скорость закалки. Хром повышает дозакаливание стали, способствует получению высокой и равномерной твердости, обеспечивает повышенную износоустойчивость. Никель (Ni) понижает критическую скорость охлаждения стали и повышает дозакаливание стали. Сильно уменьшает склонность к ломкому разрушению закаленной и отпущенной стали при комнатной и пониженных температурах. Никель обеспечивает получение высокой пластичности и вязкости одновременно с повышенной прочностью [4].

При выборе материала оси вагонетки следует учитывать прокаливаемость. Для обеспечения прокаливаемость сечения оси (d = 120 мм) при изготовлении выбирается материал 40Х. Сталь 40Х - легированная улучшаемая сталь. Прокаливаемость легированной стали выше, чем у углеродистой. Это позволяет получить высокие механические свойства в больших сечениях.

Шток эксплуатируется в сложных напряженных условиях, испытывает высокие динамические нагрузки. Материал должен обладать высокой поверхностной твердостью, в сочетании с мягкой сердцевиной. Такими свойствами обладает сталь 45. После улучшения и поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ детали из данной марки стали удовлетворяют требованиям высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости.

Таблица 1.6. Характеристика стали 45

Массовая доля элементов, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
0,42-0,50	0,17-0,37	0,50-0,80	0,040	0,035	0,25	0,30	0,30
Технологические характеристики
Прокаливаемость, мм	Склонность к отпускной хрупкости	Обрабатываемость резанием
в воде	В масле		Kv	Материал резца
15-35	6-12	Не склонна	1,0	Твердый сплав (HB 170-179)

В соответствии с условиями работы подшипника сцепки, характеризующимися сложным комплексом возникающих в детали напряжений, материал должен обладать высокой твердостью, износостойкостью и контактной выносливостью. А также высокой прочностью, определяющей способность детали противостоять значительным статическим и динамическим нагрузкам. ШХ15 - шарикоподшипниковая сталь с содержанием 1,5% Cr.

Таблица 1.7. Характеристика стали ШХ15

Массовая доля элементов, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
0,95-1,05	0,17-0,37	0,20-0,40	0,020	0,027	1,30-1,65	0,30	0,25
Технологические характеристики
Свариваемость	Склонность к отпускной хрупкости	Обрабатываемость резанием
		Kv	HB	Материал резца
Трудносвариваемая	склонна	0,90	179-217	Твердый сплав

1.4 Выбор материала для детали - палец

Для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик составных деталей оборудования большое значение имеет марка стали. Помимо этого, марка стали оказывает существенное влияние на весь технологический процесс изготовления деталей, включая производство поковок, обработку резанием, механическую и термическую обработку деталей. Поэтому марка стали должна одновременно в максимальной степени способствовать достижению высоких и стабильных механических и эксплуатационных свойств деталей, обладать хорошей технологичностью на всех этапах технологического процесса и не должна быть дорогой и дефицитной.

Для изготовления пальцев применяются улучшаемые стали марок: 45, 40Х, 30ХГСА. Углеродистая сталь 45 отличается низкой коррозионной стойкостью, сравнительно высоким температурным коэффициентом модуля упругости и пониженной релаксационной стойкостью даже при небольшом нагреве. Поэтому она непригодна для работы при повышенных температурах[1].

Химический состав их приведен в таблице 1.8. В таблице 1.9 показаны механические свойства этих сталей до термической обработки.

Таблица 1.8. Химический состав сталей 45, 40Х, 30ХГСА

Сталь	Содержание элементов, %
	С	Si	Mn	Ni	S и P	Cr
45	0,42-0,5	0,17-0,37	0,5-0,8	0,25	0,035-0,04	0,25
40Х	0,37-0,45	0,17-0,37	0,5-0,8	0,25	0,025	0,8-1,1
30ХГСА	0,28-0,34	0,9-1,2	0,8-1,1	0,3	0,025	0,8-1,1

Таблица 1.9. Механические свойства сталей до термической обработки

Марка стали	уВ, МПа	ут, МПа	д, %	KCU, кДж / м2	ш, %	НВ
45	570	315	17	390	38	207
40Х	590	345	18	590	45	217
30ХГСА	615	395	17	590	45	229

Как в стали 45, так и в стали 40Х углерод присутствует почти в одинаковых пропорциях. Этого количество углерода достаточно чтобы обеспечить необходимую износостойкость и контактную выносливость. Однако известно, что с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность, повышается порог хладноломкости и уменьшается ударная вязкость и пластичность стали (Рисунок 1).

Высокое содержание углерода увеличивает прочностные свойства мартенсита, включая и сопротивление пластическим деформациям. С увеличением содержания углерода сильно возрастают пределы упругости и текучести, например у_Т=780 МПа стали после закалки и отпуска, а также снижается внутреннее трение при повышенных напряжениях, или так называемое микропластическое внутреннее трение. Это объясняется тем, что с увеличением содержания углерода изменяется субструктура мартенсита и в результате отпуска выделяется возрастающее количество частиц карбидной фазы, играющих роль препятствий для движения дислокаций [4].

Рисунок 1 - Влияние содержания углерода на механические свойства стали

Но также с увеличением содержания углерода ухудшается способность стали деформироваться в горячем состоянии.

Сталь 40Х легированная улучшаемая отличается более высокой релаксационной стойкостью, чем углеродистая, и, кроме того, позволяет получить высокие прочностные свойства (в том числе и предел упругости) в сочетании с повышенной вязкостью и сопротивлением хрупкому разрушению.

Легированная хромо-марганце-кремнистая сталь 30ХГСА используется для изготовления пальцев особо ответственного назначения, которые могут работать при температурах до 200°С. Рассматриваемый палец работает в обычных условиях (от 4 до 18^оС), значит, более рационально будет использовать сталь 40Х, которая, во-первых, дешевле стали 30ХГСА, во-вторых, по свойствам мало различима со сталью 30ХГСА.

При небольшом содержании хром незначительно повышает ударную вязкость феррита, а при содержании 1% он практически не влияет на упрочнение феррита (слабо упрочняет). Хром вводят для обеспечения необходимой прокаливаемости, он растворим в обеих фазах отожженной стали - в феррите и цементите. Легированный хромом цементит медленнее растворяется в аустените, а аустенит замедленно распадается, чем и объясняется меньшая критическая скорость закалки этих сталей по сравнению с углеродистыми.

Хром в стали образует карбиды, которые остаются устойчивыми при повышении температуры. Избыточные карбиды, нерастворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. Поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого количества нерастворимых карбидов хрома сохраняет мелкозернистое строение до весьма высоких температур нагрева. Прокаливаемость хромовой стали 40Х из-за невысокой устойчивости переохлажденного аустенита, в общем, невелика [4].

1.5 Термическая обработка пальцев

Режим термической обработки назначают в зависимости от состава стали и условий работы. Палец эксплуатируется в сложных напряженных условиях, испытывает высокие динамические нагрузки. Материал должен обладать высокой поверхностной твердостью, в сочетании с мягкой сердцевиной. Такими свойствами обладает сталь 40Х. После улучшения и поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ детали из данной марки стали удовлетворяют требованиям высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости. Первоначальной термической обработкой пальца из стали 40Х является отжиг. При отжиге одновременно обеспечивается мелкозернистая структура и улучшение структуры стали для облегчения последующей механической обработки. Сталь 40Х доэвтектоидной. Для доэвтектоидной стали проводят полный отжиг детали при 840 ⁰С, выдерживаются при этой температуре и медленно охлаждаются с печью. В этом случае феррито - перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при медленном охлаждении превращается обратно в феррит и перлит. Происходит полная перекристаллизация. Далее проводят закалку с отпуском. Она основана на перекристаллизации стали при нагреве до температуры выше критической. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвектоидной стали на 30-50 выше точки Ас_3. После выдержки 2 часа при этой температуре для завершения закалки следует быстрое охлаждение. Таким путем предотвращают превращение аустенита в перлит. Закаленная сталь имеет неравновесную структуру мартенсита. Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А₁. Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При высоком (500-700) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно в состояние сорбита отпуска. Чем выше отпуск, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механических свойств, прочности, пластичности и вязкости, поэтому высокий отпуск применяется для стали после закалки ее на мартенсит - для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений. Так как палец работает в условиях высоких изнашивающих нагрузок необходимо проводить поверхностное упрочнение с нагревом ТВЧ.

Закалка ТВЧ - токами высокой частоты (индукционная закалка). Разогрев детали производится за счет наведения в ней токов высокой частоты. Деталь помещается внутрь индуктора, подключенного к истокам токов высокой частоты. Достоинство способа - высокая производительность. Структура после закалки: на поверхности мелкоигольчатый мартенсит, а сердцевина остается вязкой и пластичной (сорбит отпуска). Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке - отпуску. Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения. В данном случае применяем низкий отпуск. Низкий отпуск применяется для деталей, которые должны иметь высокую твердость и прочность. При низком отпуске мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска. Мартенсит отпуска отличается от мартенсита закалки отсутствием внутренних напряжений за счет выделения из него избытка углеводорода в виде мельчайших карбидов. Твердость мартенсита отпуска такая же или немного меньше, чем у мартенсита закалки (58 - 62 HRC). Механические свойства стали 40Х после закалки и высокого отпуска приведены в таблице 1.11.

Таблица 1.11. Механические свойства стали 40Х после термической обработки (закалки и высокого отпуска)

Марка стали	уВ, МПа	ут, МПа	д, %	ш, %	HВ
40Х	1000	800	9	45	280



а) б)

а - у поверхности детали сорбит 258-269 НВ;

б - середина сечения детали - перлит, сорбит и сетка феррита, твердость 248-258 НВ

Рисунок 4 - Микроструктура стали 40Х после закалки и высокого отпуска

Палец, как ответственная деталь, работает на истирание, и одновременно подвергается действию ударных нагрузок. Поэтому шток должен иметь высокую поверхностную твердость, хорошую износостойкость и в то же время не быть хрупкими, т.е. не разрушаться под действием ударов.

Высокая твердость поверхности пальца при сохранении вязкой и прочной сердцевины достигается методом поверхностной закалки, в частности токами высокой частоты (ТВЧ). Такой метод является одним из самых высокопроизводительных методов поверхностного упрочнения металлов. Открытие этого метода иразработка его технологических основ принадлежит талантливому русскому ученому В.П. Вологдину.

Высокочастотный нагрев основан на следующем явлении. При прохождении переменного электрического тока высокой частоты по медному индуктору вокруг последнего образуется магнитное поле, которое проникает в стальную деталь, находящуюся в индукторе, и индуктирует в ней вихревые токи Фуко. Эти токи и вызывают нагрев металла.

Особенностью нагрева ТВЧ является то, что индуктируемые встали вихревые токи распределяются по сечению детали не равномерно, а оттесняются к поверхности. Неравномерное распределение вихревых токов приводит к неравномерному ее нагреву: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагревается незначительно благодаря теплопроводности стали. Толщина слоя, по которому проходит ток, называется глубиной проникновения тока. Толщина слоя в основном зависит от частоты переменного тока, удельного сопротивления металла и магнитной проницаемости.

Высокая скорость высокочастотного нагрева (сотни градусов в секунду) обусловливает следующую важную особенность фазовых превращений: с повышением скорости нагрева фазовые превращения смещаются в область более высоких температур. К этому следует добавить, что в доэвтектоидных сталях повышение температуры при индукционном нагреве как бы обгоняет диффузию углерода, в результате чего избыточный феррит превращается в малоуглеродистый аустенит.

Следовательно, температура высокочастотной закалки должна быть выше температуры закалки при обычном печном нагреве и тем выше, чем больше скорость нагрева и грубее выделения избыточного феррита. Оптимальный интервал температур закалки ТВЧ для легированной стали 40Х при скорости нагрева 200^оС/сек с исходной структурой сорбит составляет 900^оС[10].

С увеличением степени перегрева скорость зарождения центров аустенита растет быстрее линейной скорости их роста. Поэтому в условиях высокочастотного нагрева, отличающихся сильным перегревом выше точек Ас₁и Ас₃и почти отсутствием выдержки при максимальной температуре, образуется очень мелкое аустенитное зерно.

Оптимальная температура закалки обеспечивает характерную для высокочастотного нагрева структуру мелкоигольчатого («бесструктурного») мартенсита.

Твердость поверхностного слоя пальцев, закаленных при нагреве ТВЧ, получается на 3-4 единицы НRС выше, чем твердость при обычной объемной закалке, при этом возможны причины возникновения такого явления, как сверхтвердость. Это тонкое строение мартенсита, повышенная концентрация углерода в мартенсите и наличие на поверхности значительных сжимающих остаточных напряжений. Если эти напряжения сразу не приводят к разрушениям - трещинам или отколам - для снятия напряжений может быть проведен отпуск в печах или масляных ваннах. Однако часто последующий отпуск не дает положительных результатов. Единственным средством, снижающим остаточные напряжения раньше, чем произошел откол или трещина, является самоотпуск. Он осуществляется за счет тепла, которое остается в закаливаемой поверхности, если прекратить подачу охлаждающей жидкости раньше, чем деталь полностью охладится [3].

Рисунок 5 - Микроструктура стали 40Х после закалки ТВЧ-мелкоигольчатый (бесструктурный) мартенсит, твердость 524-580НВ

При температуре самоотпуска 200°С твердость поверхностно-закаленного изделия сравнивается с твердостью, полученной после объемной закалки с нагревом в печи. Таким образом, если после поверхностной закалки применяется отпуск выше 200°С, то явление сверхтвердости исчезает. Поэтому для сохранения повышенной твердости самоотпуск проводят при температуре немного выше 100°С. При самоотпуске поверхностно-закаленных изделий твердость снижается главным образом в пределах слоя, где структура состоит преимущественно из мартенсита.

Применение нагрева ТВЧ для поверхностной закалки пальцев позволяет резко сократить продолжительность технологического процесса термической обработки.

1.6 Маршрутная технология изготовления пальца

При разработке технологического процесса термической обработки изделия является установление маршрутной технологии его изготовления, в которой указываются движение изделия по цехам и совершаемые операции [2]. Таким образом, палец из стали 40Х изготавливается согласно маршрутной технологии представленной ниже. Палец приходит на термообработку в виде отрезной заготовки заданного диаметра и длинны с припуском на механическую обработку. После отжига заготовка поступает на предварительную механическую обработку. Далее подвергнувшись улучшению проводится контроль твердости. После закалки ТВЧ контроль твердости повторяют. Далее проводят окончательную механическую обработку и деталь поступает на сборку.

Рисунок 6 - Проектирование режимов термической обработки пальца

1.7 Расчет времени нагрева и выдержки деталей при закалке

Нагрев деталей под закалку осуществляется до 860^оС со скоростью нагрева .

Общая продолжительность нагрева, т.е. общее время пребывания изделий в нагревающей среде ф_общ, состоит из двух слагаемых - времени нагрева до заданной температуры ф_н и времени выдержки при этой температуре ф_В:

(1.1)

Время нагрева ф_н расчитывается по формуле Смольникова Е.А:

, (1.2)

где V - обьём тела, см³;

F - поверхностность тела, см²;

- геометрический показатель тела, см.

К - суммарный физический фактор нагрева, мин/см. ()

Способ Смольникова Е.А. является наиболее точным при расчете времени нагрева под закалку, так как в нем учитывается геометрический показатель всего тела.

Расчет времени нагрева и выдержки при закалке для пальца

Цилиндрические поверхности пальца представляют собой сплошные цилиндры, нагреваемые со всех сторон, поэтому геометрический показатель тела можно определить по формуле:

, (1.3)

где - диаметр, закаливаемого изделия, см;

- длина закаливаемого изделия, см.

Следовательно, время нагрева пальцев под закалку:

или

Время выдержки обычно составляет 20-25% от времени нагрева .

Следовательно, выдержка пальцев при температуре 860°С:

Тогда, общее время закалки будет:

или

Расчет времени нагрева и выдержки при закалке для оси вагонетки

Ось вагонетки представляет собой сплошной циллиндр нагреваемыей со всех сторон, поэтому геометрический показатель детали

Следовательно, время нагрева вала под закалку

или

Время выдержки вала при температуре 860°С:

Тогда, общее время закалки будет:

или

Расчет времени нагрева и выдержки при закалке для пальца балансира

Палец балансира также представляет собой сплошной цилиндр, нагреваемый со всех сторон, поэтому геометрический показатель детали

Следовательно, время нагрева под закалку:

или

Время выдержки при температуре 860°С:

Тогда, общее время закалки будет:

или

Расчет времени нагрева и выдержки при закалке для штока

Принятые цилиндрические поверхности представляют собой сплошные цилиндры, нагреваемые со всех сторон.

Тогда геометрический показатель первой поверхности:

Геометрический показатель второй поверхности:

Геометрический показатель третьей поверхности:

Общий геометрический показатель всей поверхности:



Следовательно, время нагрева штоков под закалку:

или

Время выдержки обычно составляет 20-25% от времени нагрева .

Следовательно, выдержка штоков при температуре 860°С:

Тогда, общее время закалки будет:

или

Расчет времени нагрева и выдержки при закалке подшипника сцепки

Ось представляет собой сплошной цилиндр, нагреваемый со всех сторон. Тогда геометрический показатель детали

Следовательно, время нагрева оси под закалку

или

Время выдержки оси при температуре 860°С:

Тогда, общее время закалки будет:

или

1.8 Расчет времени нагрева и выдержки деталей при отпуске

Нагрев деталей под отпуск осуществляетсядо 640⁰С.

Время нагрева деталей при отпуске берется из расчета 1 минута на 1 мм условной толщины (диаметр) детали.

Тогда время нагрева деталей при отпуске:

Время выдержки при высоком отпуске (выше 400⁰С) берется из расчета 10 минут + 1 минута на 1 мм условной толщины (диаметр) детали.

Тогда время выдержки деталей при отпуске:

Общее время отпуска определяется по формуле (1.1).

Тогда общее время при отпуске составит

1.9 Расчет времени нагрева, выдержки и охлаждения деталей при закалке ТВЧ

Для выбора наиболее рациональных режимов высокочастотной закалки пользуются так называемыми номограммами преимущественных режимов. Номограмма представляет собой зависимость времени нагрева от диаметра нагреваемого изделия при определенной частоте тока.

Частота тока выбирается в зависимости от необходимой глубины закаленного слоя, которая определяется в соответствии с техническими требованиями детали. В данном дипломном проекте закалке токами высокой частоты подвергаются такие детали, как шток, вал, плунжер, ось. В соответствии с технологическими требованиями для этих деталей оптимальные свойства после закалки ТВЧ получаются при глубине закаленного слоя 1,5-2 мм, что соответствует использованию сравнительно высокой частоты в пределах 25000-440000 Гц. Условно зададимся средним значением частоты тока 66000 Гц.

Тогда время нагрева при закалке ТВЧ составит:

Охлаждение деталей проводится со скоростью , тогда оптимальное время для охлаждения детали с температуры нагрева 900^оС до температуры начала самоотпуска равной 200^оС составит 3 секунды.

1.10 Контроль качества

Контроль технологических процессов термической обработки

Выполнение операций по контролю металлов и качества термической обработки сочетается с контролем за соблюдением технологических процессов.

Основным объектом контроля технологического процесса термической обработки являются контроль температуры, времени нагрева и выдержки, контроль атмосферы в печи, контроль глубины закаленного слоя, исправности индукторов, приспособлений и инструментов.

Вода для закалки и охлаждения электрооборудования установок должна отвечать требованиям по температуре, механическим и минеральным примесям.

При работе на установках с ламповым генератором контролируется анодное напряжение, напряжение на контуре, токи анода и сетки. А также контролируется скорость перемещения детали относительно индуктора и зазор между индуктором и деталью. Зазор контролируют индикатором, щупом или другим мерительным инструментом. Контроль скорости перемещения детали относительно индуктора выполняют при настройке режима для каждой партии.

Контроль атмосферы в рабочем пространстве печи проводят постоянно в процессе работы. Контроль приспособлений и инструмента осуществляют путем систематического осмотра внешнего вида и узлов крепления [8].

Основные виды брака и дефектов, возникающие при термической обработке

Под дефектом детали понимают каждое отклонение от формы, размеров, массы, внешнего вида, макро- и микроструктуры, физических или механических свойств и норм, установленных соответствующими стандартами или техническими условиями. Причины дефектов при термической обработке штоков следующие: применение сталей несоответствующих марок; внутренние пороки стали, своевременно не обнаруженные; нарушения технологического процесса термической обработки (температурного режима, состава среды, в которой происходит термообработка); применение неправильных приемов работы и контроля; неудачная конструкция детали

В процессе закалки при охлаждении стали в результате структурных превращений и изменения объема металла появляются внутренние напряжения. Эти напряжения приводят к следующим дефектам: образованию трещин, деформации и короблению, изменению объема стали, обезуглероживанию и окислению, появлению мягких пятен, низкой твердости и перегреву.

Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. В крупных деталях, закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому такие детали целесообразно охлаждать до 150 - 200°С с быстрым последующим отпуском.

Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве), большой скорости охлаждения и при несоответствии химического состава стали.

Закалочные трещины возникают также при неправильной конструкции деталей, резких переходах, грубых рисках, оставшихся после механической обработки, острых углах, тонких стенках и т.д.

Закалочные трещины образуются чаще всего при слишком резком охлаждении или нагреве в результате возникающих в деталях внутренних напряжений. Это часто наблюдается при закалке легированных сталей. Поэтому детали из этих сталей нагревают медленнее, чем из углеродистых, и более равномерно крепления [8].

Закалочные трещины обычно располагаются в углах деталей и имеют дугообразный или извилистый вид.

В заводской практике часто встречаются поверхностные трещины, которые обычно располагаются в виде сплошной или разорванной сетки. Такие трещины возникают в процессе поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты или газопламенной закалки, когда охлаждение ведется слишком холодной водой, а также при перегреве металла.

Поверхностные трещины могут возникать не только в процессе термообработки, но и при шлифовании закаленных деталей, если они были неправильно отпущены.

Равномерный отпуск после закалки и правильные режимы шлифования полностью устраняют возникновение трещин.

Во избежание брака все участки (части) деталей, на которых обычно появляются трещины, обматывают асбестовым шнуром и замазывают огнеупорной глиной. Строгое выполнение технологических режимов закалки может сократить количество бракованных деталей до минимума.

Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений и возникновения внутренних напряжений при охлаждении.

При закалке стали коробление во многих случаях происходит и без значительных объемных изменений, в результате неравномерного нагрева и охлаждения деталей. Если, например, деталь небольшого сечения и большой длины нагревать только с одной стороны, то она изгибается, нагретая сторона при этом удлиняется благодаря тепловому расширению и становится выпуклой, а противоположная - вогнутой. При одностороннем охлаждении в процессе закалки (особенно в воде) быстро охлажденная сторона детали за счет теплового сжатия станет вогнутой, а обратная сторона - выпуклой. Следовательно, нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно. На деформацию особенно большое влияние оказывает способ охлаждения. Поэтому при погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Например детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные осевые детали (валы, штока, оси, сверла, метчики и другие) - в строго вертикальном положении, а тонкие плоские детали (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) - ребром.

Очень большое значение для уменьшения деформации и коробления деталей имеют правильно выбранные и изготовленные приспособления.

При массовом производстве для каждой детали изготовляются специальные приспособления. Стоимость их изготовления быстро окупается. При серийном производстве, когда обрабатываются большие партии разнообразных деталей, более экономично иметь универсальные приспособления.

Мягкие пятна - это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Причинами такого дефекта могут быть наличие на поверхности деталей окалины и загрязнений, вызванных соприкосновением деталей друг с другом в процессе охлаждения в закалочной среде, участки с обезуглероженной поверхностью или недостаточно быстрое движение деталей в закалочной среде (паровая рубашка). Мягкие пятна полностью устраняются при струйчатой закалке и в подсоленной воде.

Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также малая выдержка при нагреве под закалку. Чтобы исправить этот дефект, детали или инструмент сначала подвергают высокому отпуску при температуре 600-625°С, а затем - нормальной закалке крепления [10].

Перегрев при закалке вызывает крупнозернистую структуру с блестящим изломом и, следовательно, ухудшает механические свойства стали. Для измельчения зерна и подготовки структуры для повторной закалки перегретую сталь необходимо подвергать отжигу.

Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже критической точки- для доэвтектоидных сталей и - для заэвтектоидных сталей.

При недогреве структура закаленной стали состоит из мартенсита и зерен феррита, который, как известно, имеет низкую твердость.

Недогрев можно исправить отжигом с последующей нормальной закалкой.

Виды брака при закалке ТВЧ следующие:

Продавливаниезакаленного слоя происходит в результате недостаточной его глубины.

Отколострых, не имеющих фасок кромок, в которых создаются повышенные напряжения.

Трещины возникающие из-за перегрева охлаждающей среды, недостатков в конструкции детали, острых кромок у отверстий и шпонок, шлицевых канавок и др.

Отслаивание закаленногослоя возникающий вследствие возникновения повышенных внутренних напряжений.

Контроль качества деталей

Контроль качества деталей осуществляют контролеры отдела технического контроля (ОТК).

Качество деталей, подвергаемых термической обработке, зависит от соблюдения режимов в соответствии с технологическим процессом производства деталей. Несоблюдение режимов нагрева, времени выдержки и охлаждения может привести к браку целой партии деталей.

Контроль за подготовкой деталей к термической обработке заключается в проверке чистоты деталей.

Сталь должна контролироваться на величину зерна (требуется не крупнее 5 номера) по ГОСТ 5639-82.

Глубина обезуглероженного слоя должна составлять менее 0,24 мм. Поверхностное обезуглероживание ухудшает прочность при статическом и многоцикловомнагружении и релаксационную стойкость, т.е. основные характеристики, определяющие долговечность штока, который работает в условиях больших угловых нагрузках в эксплуатации.

Методы контроля термической обработки должны соответствовать утвержденным инструкциям.

После термической обработки деталей проводят следующие контрольные операции, предусмотренные в инструкционных картах контроля:

1) Наружный осмотр деталей перед термической обработкой.

Наружный осмотр деталей проводят для определения внешних дефектов деталей (трещин, коробления). Для определения деформации прямолинейность деталей проверяют с помощью линейки. Внешние дефекты определяют с помощью 5 - 10-кратного увеличения или микроскопа. На поверхности штоков не допускаются трещины, риски, волосовины и другие грубые дефекты. Контроль размеров детали производят по свободной высоте, наружному или внутреннему диаметрам. В соответствии с техническими условиями, контролю подвергают 100% деталей от партии.

2) Испытание твёрдости деталей.

Твёрдость является одной из характеристик качества термической обработки. Твёрдость измеряется после закалки, высокого отпуска и ТВЧ. Контроль твёрдости проводится по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) на приборе ТК-2 путём вдавливания в зачищенную поверхность алмазного конуса при нагрузке Р = 1470 Н. Показания прибора снимают по шкале «С» - чёрного цвета [10].

3) Контроль деталей перед обработкой ТВЧ.

Детали должны поступать на поверхностную термическую обработку очищенными от масла, стружки и других загрязнений. На поверхностях, подлежащих закалке токами высокой частоты, не допускаются местные дефекты (риски, вмятины), глубина которых превышает припуск на последующую механическую обработку. Шероховатость поверхностей, подвергаемых закалке, должна быть не ниже 5-ого класса, R_Z=20.

Все углы на деталях должны быть зачищены от заусенцев. При закалке цилиндрических и плоских поверхностей с отверстиями последние должны иметь фаски и для большой гарантии от образования трещин закрываться медными заглушками, влажным асбестом или медными трубками с деревянными пробками.

4) Проверка перпендикулярности опорных плоскостей деталей.

После закалки ТВЧ цилиндрических деталей обязательно проводят контроль перпендикулярности опорных плоскостей. Отклонение от перпендикулярности оси определяют в центрах или призмах с помощью индикатора часового типа (индикаторной головки). Отклонение от перпендикулярности допускается не более 0,3 мм.

5) Контроль микроструктуры.

Микроструктуру исследуют на микроскопах, вырезанных из и улучшенных образцов с помощью специальных шкал, разработанных для данной стали. Содержание углерода определяется послойным химическим или спектральным анализом.

Принятые контролером детали и инструмент клеймят кислотой, резиновым клеймом или окрашивают зеленой краской. На годные детали выписывают квитанцию за подписью работника ОТК, принявшего продукцию.

Бракованную продукцию после контроля окрашивают в желтый цвет и убирают в изолятор брака (металлический ящик) [10].

1.11 Обоснование выбора оборудования

Правильно выбранное оборудование обеспечивает высокое качество обрабатываемой продукции, требуемую производительность и экономичность обработки. Выбор типа оборудования определяется характером производства. При серийном производстве используется разнообразное оборудование. На участках с серийным производством применяется характер загрузки садками или партиями, который осуществляется на печах периодического действия (камерные и шахтные печи), способных к быстрой переналадке производства.

Номенклатура деталей годовой производственной программы проектируемого термического участка подобрана таким образом, что основную часть ее составляют длинномерные детали ответственного назначения. Термическая обработка таких деталей осложнена тем, что в результате нагрева и под действием силы тяжести они подвержены короблению и отклонению опорных плоскостей детали от перпендикулярности. Данное явление может привести к искажению профиля детали, нарушит кинематическую схему ее работы, что при эксплуатации приведет к шуму и разогреву, чрезмерной концентрации напряжений, и, в конечном счете, приведет к преждевременному износу детали или поломки всей сборочной единицы.

Поэтому закалку и отпуск таких деталей целесообразно проводить в электрических шахтных печах, в которых изделия нагреваются в вертикальном положении, будучи подвешенными на специальной подвеске или корзине. Шахтные печи предназначены для периодического режима работы. Они просты и компактны по конструкции, обеспечивают равномерный температурный нагрев в рабочем пространстве, а также шахтные печи дают возможность использования для загрузки и выгрузки деталей цеховых подъемных и транспортных механизмов.

Для достижения твердости и повышенной износостойкости поверхности деталей рационально применять высокочастотную термическую обработку, которая является одной из наиболее эффективных средств повышения производительности труда и качества продукции. Вертикальное расположение детали на станке обеспечивает наиболее благоприятные условия для равномерного охлаждения нагретой под закалку поверхности изделия, что способствует улучшению его качества.

Поэтому целесообразно использовать специализированные установки вертикального типа для закалки токами высокой частоты (ТВЧ) с использованием лампового генератора. С помощью лампового генератора можно получить частоту тока до 13,5 МГц, а, следовательно, и малую глубину закаливаемой детали, что способствует повышению твердости и качества поверхности. Такие установки можно использовать для нагрева как мелких, так и крупных изделий.

Для проведения закалки и отпуска мелких деталей, также входящих в состав производственной программы участка, целесообразно применять камерные печи сопротивления. Эти печи являются универсальными, что позволяет применять их для обработки небольших партий деталей.

1.12 Выбор основного оборудования

На основании заводских данных основное оборудование термического участка выбрано согласно всем необходимым нормам техники безопасности, охране окружающей среды, экологическим, экономическим показателям.

Выбор оборудования для проектируемого цеха должен быть произведён на основании характеристики оборудования и в соответствии с разработанной технологией. На основе разработанного технологического процесса термической обработки деталей типы оборудования подбираются таким образом, чтобы полностью обеспечить выполнение этого технологического процесса (или одной из операций тех. процесса), а основные размеры печей выбираются исходя из характера производства и габаритов обрабатываемых деталей. Правильно выбранное оборудование обеспечивает высокое качество обрабатываемой продукции, требуемую производительность и экономичность обработки.

Оборудование состоит из шахтных электропечей, которые снабжены вентиляторами, автоматическим контролем и управлением температур и сконструированы с учетом последних достижений науки и техники. Они потребляют меньше электроэнергии, являются более экономичными по сравнению с ранее выпущенными печами.

Электропечь шахтная Ц - 105А. Шахтные муфельные электропечи серии «Ц» предназначены для газовой цементации и нитроцементации стальных изделий. Они применяются при мелкосерийном производстве или при небольших производительностях обрабатываемых изделий.

Муфельные электропечи не требуют длительного времени на восстановление цементационной атмосферы по сравнению с электропечами безмуфельными серии «СШЦ». Электропечи могут быть использованы с применением жидких и газообразных карбюризаторов.

Процесс цементации в электропечах серии «Ц» осуществляется в жароупорной реторте, которая устанавливается на специальной литой подставке. Сверху реторта закрывается футерованной крышкой. Уплотнение крышки обеспечивается песочным затвором. На крышке предусмотрены патрубки для выхода газа и подачи карбюризатора от специального бачка через капельницу. Также на крышке установлен вентилятор, обеспечивающий перемешивание газовой смеси внутри реторты. Подъём и опускание крышки осуществляется электромеханическим приводом, поворот крышки осуществляется вручную. Обрабатываемые изделия загружаются в печь в литых жароупорных корзинах. Нагреватели, выполненные из нихромовой проволоки в виде спиралей укладываются на керамических колодках по боковой стенке электропечи. В больших типоразмерах электропечей нагреватели выкладываются также и на поду. Огнеупорная и термоизоляционная кладка выполнена из легковесного шамота и перлитовых плит на керамической связке и диатомитовогокирпича. Регулировка температуры в электропечи осуществляется автоматически. Питание электропечи осуществляется от сети переменного тока напряжением 380 и 220 В. Для безокислительного охлаждения садки после цементации каждая электропечь комплектуется (по требованию заказчика) герметичным баком с водоохлаждающимистенками. Для установки и обслуживания электропечи требуется специальный приямок. В случае установки электропечи на уровне пола необходима специальная площадка для её обслуживания [18].

Преимущества данной конструкции:

- уменьшение тепловых потерь;

- увеличение стойкости нагревателей;

- улучшение герметичности электропечей;

- улучшение равномерности цементации;

- применён электромеханический привод подъёма крышки.

Рисунок 7 - Электропечь шахтная Ц - 105А

Электропечь СШ3-10.10/10 входит в размерный ряд унифицированной серии шахтных электропечей. Электропечь СШ3-10.10/10 с рабочей температурой до 100⁰С предназначена для высокого и низкого отпуска стальных изделий и термообработки цветных металлов и сплавов в защитных атмосферах типа экзогаза, азотно-водородных смесей (с содержанием горючих компонентов менее 3%). Электропечь выполнена с верхним расположением вентилятора, что увеличивает перепад температур по сравнению с нижним расположением вентилятора на ± 5⁰С, но облегчает обслуживания вентилятора и уменьшает глубину приямка. Основные потребители электропечи: термические цеха предприятий тракторной, автомобильной, подшипниковой промышленности [9].

Шахтная электропечь СШЗ-10.10/10 имеет цилиндрической формы кожух, футерованный легковесным и пенодиатомитовым кирпичом. Нагревательная камера закрывается крышкой, футерованной фильерной ватой «ВФ». Место разъёма крышки с кожухом герметизируется песочным затвором. Изделия загружаются в приспособлениях, устанавливаются на жароупорную подставку или подвешиваются в рабочем пространстве печи. Подвеска 5НТ.127.200 поставляется с электропечью в количестве 1 штуки. Для предохранения нагревательных элементов и футеровки от ударов при загрузке и выгрузке садки электропечь имеет направляющие. Направление циркуляции атмосферы осуществляется при помощи центробежного вентилятора, расположенного на крышке (имеющего водяное охлаждение подшипников), предназначенного для выравнивания температуры и атмосферы в печи. Нагревательные элементы имеют свободный обдув циркулируемым воздухом или газом. Подъём и поворот крышки производится вручную посредством рычажного механизма. Электропечь может поставляться по требованию заказчика с загрузочной корзиной. Регулировка температуры в печи автоматическая, осуществляемая термопарой и приборами теплового контроля щита управления типа ИЗР. Для обслуживания электропечи требуется специальный приямок или площадка.

1 - кожух; 2 - футеровка; 3 - нагреватель; 4 - направляющая; 5 - крышка; 6 - механизм подъема; 7 - монтаж проводов; 8 - монтаж водоохлаждения.

Рисунок 8 - Электропечь СШ3-10.10/10

Электропечи СШЗ-6.12/10. с рабочей температурой до 1000⁰ С предназначены для нагрева под закалку, отжиг и нормализацию стальных изделий с применением защитных атмосфер. Шахтные электропечи имеют цилиндрической формы кожух, футерованный легковесным и пенодиатомитовым кирпичом. Крышка нагревательной камеры футерована огнеупорными блоками и перлитовой засыпкой. Место разъема крышки с кожухом герметизируется песочным затвором. Изделия загружают в приспособление, которые устанавливают на жароупорную подставку или подвешивают в рабочем пространстве печи. Регулировка температуры в печи - автоматическая, осуществляемая термопарами и приборами теплового контроля, установленными на щите управления.

1 - кожух; 2 - футеровка; 3 - нагреватель; 4 - направляющая;

5 - крышка; 6 - механизм подъема; 7 - монтаж проводов

Рисунок 9 - Электропечь СШ3-6.12/10