Процесс термической обработки детали "Палец"

Вертикальный станок для закалки токами высокой частоты - это комплекс средств механизации предназначен для совместной работы с высокочастотным генератором ВЧГ3-160/0,066 по закалке длинномерных изделий. Он состоит из: станины, подвижной тележки с установленным на ней редуктором. На редукторе установлен электродвигатель, вращение от которого через клиноременную передачу передается редуктору и от него через сменные шестерни на колесо, которое катится по направляющим, тем самым, перемещая тележку и установленный индуктор. Кроме того, с помощью установки осуществляется вращение закаливаемого изделия и перемещение индуктора и спрейера относительно изделия.

Изменение скорости подачи производится переустановкой клинового ремня на трехступенчатых шкивах и переустановкой сменных шестерен. На станке установлены конечные выключатели для отключения нагрева, вращения и подачи детали.

Технические характеристики вертикального станка для закалки токами высокой частоты приведены в таблице 1.12.

Генератор высокочастотный ВЧГ3-160/0,066 предназначен для индукционного нагрева деталей. Основным элементом является ламповый генератор, преобразующий электрический ток высокой частоты в ток высокой частоты при помощи электронной лампы. Генератор конструктивно выполнен в виде двух металлических шкафов - генераторного блока и блока контуров [9].

Таблица 1.12. Технические характеристики вертикального станка для закалки токами высокой частоты

Наименование	Единицы измерения	Числовая величина
Максимальный диаметр детали	мм	200
Максимальная длина детали	мм	1450
Скорость вращения детали	Об/мин	60
Скорость рабочего хода	м/мин	0…1,42
Напряжение подводимого тока	В	380
Напряжение в цепи управления	В	127
Производительность	шт./ч	70
Габаритные размеры:
Длина	мм	2900
Ширина	мм	1230
Высота	мм	4305
Масса станка	кг	1000

Генераторный блок представляет собой стальной шкаф с тремя дверьми для доступа к аппаратуре, расположенной внутри. В левой части шкафа расположен анодный трансформатор, полупроводниковый выпрямитель, контактор и токовые реле. В правой части шкафа находится генераторная лампа с блокировочными элементами схемы, сопротивление гридлика и антипаразитные.

Блок контуров представляет собой алюминиевый шкаф с тремя съемными листами. Внутри шкафа расположены элементы анодного и нагревательного контуров: регулятор мощности, высокочастотный трансформатор и батареи конденсаторов этих контуров. Внутри высокочастотного трансформатора расположена катушка, которая совместно с первичной катушкой высокочастотного трансформатора образует трансформатор обратной связи.

Технические характеристики генератора характеристики ВЧГ3 -160/0,066 приведеныв таблице 1.13.

Таблица 1.13. Технические характеристики ВЧГ3-160/0,066

Наименование	Единицы измерения	Числовая величина
Напряжение питающей сети	В	380
Частота питающей сети	Гц	50
Частота рабочая	МГц	0,066
Число фаз	-	3
Мощность, потребляемая от сети	кВт	230
Мощность колебательная	кВт	160
Габаритные размеры
Длина	мм	3200
Ширина	мм	2150
Высота	мм	2040
Масса	кг	3020

Электропечь СШ3-10.10/7М3 входит в размерный ряд унифицированной серии шахтных электропечей. Предназначена для низкого отпуска стальных изделий. Шахтная электропечь СШЗ-10.10/7М3 имеет цилиндрической формы кожух, футерованный легковесным и пенодиатомитовым кирпичом; зигзагообразные нагревательные элементы металлические, выполненные из сплава Х25Н20; крышка печи, футерованная легковесными огнеупорными блоками и перлитовой засыпкой. Место разъёма крышки с кожухом герметизируется песочным затвором. Изделия загружаются в приспособлениях, устанавливаются на жароупорную подставку или подвешиваются в рабочем пространстве печи. Для предохранения нагревательных элементов и футеровки от ударов при загрузке и выгрузке садки электропечь имеет направляющие.

Рисунок 10 - Электропечь шахтная СШЗ-10.10/7М3

Направление циркуляции атмосферы осуществляется при помощи центробежного вентилятора, расположенного на крышке, предназначенного для выравнивания температуры и атмосферы в печи. Подъём и поворот крышки производится вручную посредством рычажного механизма. Регулировка температуры в печи автоматическая, осуществляемая термопарой и приборами теплового контроля. Для обслуживания электропечи требуется специальный приямок или площадка. Электропечи надежны в работе, обеспечивают высокое качество термообработки изделий, просты в обслуживании и эксплуатации.

Электропечь камерная предназначена для нагрева под закалку, нормализацию, отжиг изделий большой номенклатуры в условиях индивидуального и мелкосерийного производства. Применение защитной атмосферы в электропечах типа СНЗ позволяет получить изделия без окалины, что снижает объем механической работы [15].

Электропечи состоят из следующих частей: сварного кожуха, футеровки, нагревателей, механизма открывания дверцы. Сварной кожух электропечи зафутерован теплоизоляционным и огнеупорным кирпичем, образующим рабочую камеру. Загрузочный проем электропечи закрыт футерованной дверцей, которая подвешена к кожуху электропечи на рычагах. Открывание и закрывание дверцы производится вручную.

1 - дверца; 2 - футеровка; 3 - нагреватель боковой; 4 - нагреватель оводовый; 5 - кожух; 6 - монтаж проводов; 7 - вал; 8 - нагреватель подовый.

Рисунок 11 - Электропечь СН3-4.8/10

Примером исполнения камерной печи с шаровым подом является электропечь типа НШ-100. В электропечи может осуществляться нагрев под закалку, нормализацию, отжиг. Так же она предназначена для термообработки штампов и других тяжелых изделий. Нагреватели этой электропечи в виде петель из ленты сплава высокого омического сопротивления расположены на своде, поду и боковых стенках камеры, что обеспечивает минимальный температурный перепад в рабочем пространстве. Изделия на поддонах загружают в электропечь и выгружают из печи при помощи толкателя - таскателя. Перемещение поддонов в электропечи и на толкателе - таскателе осуществляется по свободно перекатывающимся шарам, уложенным в направляющие желоба. Шары, поддоны и направляющие выполнены из жаропрочного сплава. Технические данные печи: мощность 100 кВт, напряжение 380/220 В, рабочая температура 860⁰С, масса садки 2m.

1 - толкатель - таскатель; 2 - механизм подъема дверцы;

3 - сводовые электронагреватели; 4 - боковые электронагреватели;

5 - подовые электронагреватели; 6 - шар; 7 - поддон; 8 - подовая плита

Рисунок 12 - Камерная электропечь НШ-100

Таблица 1.14. Параметры основного печного оборудования

Наименование параметров	Ц -105А	СШЗ - 10.10/10	СШЗ - 6.12/10	СН3-4.8/10	НШ-100	СШЗ-10.10/7МЗ
Мощность печи, кВт	105	85	85	100	100	85
Рабочая температура, оС	950	1000	1000	860	860	700
Напряжение сети, В	380	380	380	380/220	380/220	380
Частота питающей сети, Гц	50	50	50	50	50	50
Число фаз	3	-	-	3	3	-
Число тепловых зон	2	1	2	1	1	1
Напряжение на печи, В	380	380	380	380	380	380
Масса печи, т	5,1	4,33	3,45	3,1	9,5	4,33
Масса садки, т	0,78	1,1	1		3	1,1
Среда рабочего пространства	Наугле-роживающая	Защит-ный газ	Защит-ный газ	воздух	воздух	Защитный газ
Расход газа, м3/ч	-	30	30	-	-	30
Расход воды, м3/ч	-	0,25	-	-	-	0,25
Размер рабочего пространства, мм диаметр высота	600 1200	1000 1000	600 1200	600 1200	600 1200	1000 1000

1.13 Режимы работы и годовой фонд времени работы оборудования

Проектируемый участок по обработке деталей будет работать в три смены по 16 часов в сутки с двумя выходными днями в неделю. Выбираем график работы на производстве с непрерывным технологическим процессом при пятидневной и 41 часовой недели.

Эффективный годовой фонд времени работы единицы оборудования () определяется как разность между номинальным фондом () и проектируемыми затратами времени на ремонт, наладку и переналадку оборудования в течение года [13]:

, (1.7)

где - нормативность затрат времени на ремонт, наладку и переналадку оборудования к номинальному фонду в процентах.

Номинальный фонд времени работы оборудования при трехсменном режиме работы принимается .

Расчет потребного количества оборудования

Исходными данными для расчета необходимого количества основного и дополнительного оборудования служат годовое задание по операциям термической обработки, выбранный тип оборудования и установленный режим его работы, а для вспомогательного оборудования также и удельные нормы расхода отдельных вспомогательных материалов.

Необходимое количество единиц оборудования данного типа () рассчитывается по общей формуле:

, (1.5)

где - необходимый фонд эффективного времени работы оборудования данного вида для обработки предусмотренного программой количества продукции i-го вида, пече-часов (агрегато-часов);

- количество видов продукции, обрабатываемой на данном оборудовании;

- годовой фонд эффективного времени работы единицы оборудования, час.

Величина определяется из выражения

, (1.6)

где - годовое задание по продукции i-го вида;

- расчетная норма часовой производительности единицы оборудования данного вида при обработке продукции i-гoвида.

Расчет потребного количества основного оборудования

Расчет необходимого количества шахтных печей Ц-105А для нагрева под закалку (Pi =0,338 тонн/час):

Необходимое количество единиц оборудования для закалки деталей в шахтных печах Ц-105А:

Принимаем необходимое количество шахтных печей под закалку 1.

Коэффициент загрузки оборудования составит:

Расчет необходимого количества камерных печей СН3-4,8/10, НШ-100 для нагрева под закалку (Pi =0,290 тонн/час):

Необходимое количество единиц оборудования для закалки деталей в камерных печах:

Принимаем необходимое количество камерных печей под закалку 2.

Коэффициент загрузки оборудования составит:

Расчет необходимого количества шахтных печей СШЗ-6.12.7/М1 для нагрева под отпуск (Pi =0,275 тонн/час):

Необходимое количество единиц оборудования для отпуска:

Принимаем необходимое количество шахтных печей под отпуск 3.

Коэффициент загрузки оборудования составит:

Расчет необходимого количества установок ТВЧ (Pi =70 шт./час):

Необходимое количество установок ТВЧ:

Коэффициент загрузки составит:

В результате расчета получилось, что для выполнения годовой программы по закалке изделий токами высокой частоты, в термическом участке необходимо установить одну установку. Но в случае поломки установки это приведет к торможению технологического процесса, а, следовательно, и к снижению производительности термического участка. Поэтому принимаем необходимое количество установок ТВЧ на участке 1.

2. Теплотехническая часть

2.1 Определение глубины закаленного слоя

Глубина закаленного слоя выбирается в соответствии с технологическими требованиями детали. На основании технического процесса термической обработки, глубина закаленного слоя пальца, диаметром должна находиться в приделах . Достаточная же прочность стальных деталей малых и средних размеров достигается из соблюдения условия:

(2.1)

где - радиус закаливаемого изделия, .

Тогда для нашего случая, глубина закаленного слоя составит:

2.2 Выбор частоты

Выбор частоты при закалке производится исходя из необходимости получения высокого к.п.д. процесса нагрева при обеспечении требуемой глубины закаленного слоя . При глубине закаленного слоя целесообразно использовать средние частоты с применением машинных преобразователей частоты, при используются ламповые преобразователи.

Так как глубина закаленного слоя в нашем случае составляет , следовательно, выбор частоты следует вести среди ламповых преобразователей.

Оптимальная частота при поверхностном нагреве определяется из соотношения:

(2.2)

где - глубина закаленного слоя, м.

Следовательно

Согласно данным справочника выпускаемые промышленные ламповые генераторы имеют рабочую частоту 25000 Гц, 66000 Гц, 250000 Гц, 440000 Гц. Так как по технологии необходимо чтобы глубина закаленного слоя лежала в пределах , а чем больше частота, тем меньше глубина закаленного слоя, поэтому для достижения лучших результатов закалки принимаем .

2.3 Тепловой расчет

Глубина проникновения тока в сталь определяется по формуле

(2.3)

где - частота, Гц.

Тогда глубина проникновения тока

и

Принимаем ориентировочно величину магнитной проницаемости слоя, нагретого до температуры ниже точки Кюри , тогда получим параметр m равный:

По таблице справочника находим значение параметра М, зависящего от и . М =0,902. Отсюда находим:

1) Глубину активного слоя :

2) Относительную глубину активного слоя :

3) Относительную глубину рассматриваемого слоя :

Задаемся значением критерия Фурье . Тогда по таблице справочника определяем и . Тогда

Следовательно, время нагрева изделия может быть найдено по формуле:

(2.4)

где - температура поверхности изделия, ⁰С;

- конечная температура нагрева изделия, ⁰С;

- критерий Фурье.

Температура поверхности изделия определяется по формуле:

Принимаем температуру поверхности изделия равной:

Тогда время нагрева изделия:

В нашем случае:

Полученное значение достаточно близко к заданному.

Значение коэффициента температуропроводности определяется по формуле:

(2.5)

где - теплопроводность стали, ;

- средняя теплоемкость материала изделия, ;

- плотность материала изделия, .

Таблица 2.1. Значение средних физических параметров стали 40Х

,	,	,
28,4	0,528	7744

Используя данные таблицы 2.1 определим коэффициент температуропроводности:

Исходя из полученного значения критерия Фурье и коэффициента температуропроводности определим время нагрева изделия до требуемой температуры по формуле:

(2.6)

где - критерий Фурье;

- коэффициент температуропроводности, ;

- радиус закаливаемого изделия, .

Удельная мощность определяется по формуле:

(2.7)

где - теплопроводность стали, ;

- температура поверхности изделия, ⁰С;

- диаметр закаливаемого изделия, .

С учетом утечки тепла в осевом направлении удельная мощность составит:

2.4 Электрический расчет

Диаметр и ширину индуктора принимают по заданным размерам детали:

(2.8)

(2.9)

где - диаметр индуктора, м;

- диаметр закаливаемой детали, м;

- ширина индуктора, м;

- длина закаливаемой детали, м;

- величина зазора между индуктором и деталью, м.

Принимаем величину зазора h между индуктором и деталью равной 3 мм, находим диаметр индуктора

Ширина индуктора (т.е. ширина обрабатываемой поверхности)

Толщину стенки трубки для изготовления индуктора определяем из условия минимума потерь , где - глубина проникновения тока в медь, которая определяется по формуле:

(2.10)

где - удельное сопротивление, ;

- частота, Гц.

Так как для меди при 50^оС величина , то

Отсюда

Принимаем толщину стенки трубки.

Определим расчетный диаметр детали

(2.11)

где - глубина активного слоя,.

Следовательно,

Коэффициент самоиндукции определяется из соотношений

(2.12)

(2.13)

где и - коэффициенты самоиндукции бесконечно длинной цилиндрической детали и цилиндрической детали конечной длины, соответственно, Гн;

- длина закаливаемой детали, м;

- диаметр закаливаемой детали, м;

- поправочный коэффициент.

Значение поправочного коэффициента находим из справочной таблицы [11].При отношении величина .

Тогда коэффициент самоиндукции

Реактивное сопротивление детали определяется из соотношений

(2.14)

(2.15)

где и - реактивное сопротивления бесконечно длинной цилиндрической детали, и цилиндрической детали конечной длины, Ом.

- удельное сопротивление, ;

- частота, Гц.

Тогда реактивное сопротивление детали

Сопротивление нагреваемого слоя детали находим по формулам:

- Активное

(2.16)

- Реактивное

(2.17)

(2.18)

где - расчетный диаметр детали, м.

- длина закаливаемой детали, м;

- частота, Гц.

К - комплекс, учитывающий влияние второго не перегретого слоя;

- угол, на который напряженность магнитного поля отстает от напряженности электрического поля;

- поправочный коэффициент.

Значения , , , определяем по таблицам справочника, с учетом того, что и параметр .

Тогда;; ; .

Активное сопротивление нагреваемого слоя детали

Реактивное сопротивление нагреваемого слоя детали

При расчете параметров системы индуктор-деталь необходимо привести параметры детали к параметрам индуктора. Поэтому коэффициент приведения параметров равен

(2.19)

где - поправочный коэффициент для определения коэффициента взаимной индукции;

- активное сопротивление нагреваемого слоя детали, Ом;

- реактивное сопротивление бесконечно длинной детали, Ом.

Значение поправочного коэффициента для определения коэффициента взаимной индукции определяется по таблицам справочника [11].

При и при , .

Приведенные параметры нагреваемого слоя детали определяются по формулам:

;

; (2.20)

.

Следовательно,

Сопротивление одновиткового индуктора:

- Активное

(2.21)

где - омическое сопротивление проводника толщиной ;

- удельное сопротивление, ;

- диаметр индуктора, м;

- ширина индуктора, м;

- толщина стенки трубки индуктора, м;

- коэффициент, при; ;

- Реактивное

(2.22)

где - поправочный коэффициент для вычисления коэффициента самоиндукции.

Значение поправочного коэффициента для определения коэффициента самоиндукции определяется по таблицам справочника.

При поправочный коэффициент .

- коэффициент, при;;

Омическое сопротивление проводника толщиной :

Активное сопротивление одновиткового индуктора

Реактивное сопротивление одновиткового индуктора

Эквивалентное сопротивление одновиткового индуктора:

- Активное

(2.23)

- Реактивное

(2.24)

- Полное

(2.25)

Коэффициент мощности индуктора

(2.26)

Мощность, поглощаемая деталью

(2.27)

где - удельная мощность, с учетом утечки тепла, .

Тогда

Потери тепла нагреваемой деталью происходят излучением и теплопроводностью (вследствие малого зазора между индуктором и деталью конвекцией можно пренебречь).

Потери тепла излучением

(2.28)

термический нагрев деталь закаленный

где - степень черноты изделия ();

- степень черноты индуктора ();

, - соответственно площадь поверхности индуктора и детали, .

- средняя температура поверхности детали, К;

и - соответственно начальная и конечная температура детали, К;

- температура индуктора, К (Обычно , поэтому в расчете примем ).

Площадь поверхности индуктора (закаливаемой поверхности)

Площадь поверхности детали

Средняя температура поверхности детали

Тогда потери тепла излучением составят

Потери тепла теплопроводностью определяем по формуле

(2.29)

где - коэффициент теплопроводности воздуха, при средней температуре воздуха , ;

- ширина индуктора, м;

При средней температуре воздуха коэффициент теплопроводности воздуха согласно справочным данным [11] равен .

Суммарная мощность

Сила тока в одновитковом индукторе определяется по формуле

(2.30)



Напряжение в одновитковом индукторе

(2.31)

Принимая ориентировочно к.п.д. установки равным , находим забираемую индуктором мощность

Полученное значение мощности близко к значению мощности выбранного нами преобразователя повышенной частоты ВЧГ3-160/0,066, который при отдаваемой мощности 160 кВт имеет частоту тока 66000 Гц и напряжение 380 В.

Необходимое число витков индуктора в этом случае можно определить по формуле

(2.32)

При выбранном напряжении на индукторе определим величину зазора между витками

(2.33)



Минимально допустимая величина зазора между витками . Даже при минимально допустимой величине зазора разместить 24 витка на длине 960 мм невозможно, поэтому необходимо уменьшить величину витков.

Условно зададимся числом витков .

Необходимое напряжение на зажимах индуктора

Так как сопротивление реального многовиткового индуктора отличается от сопротивления одновиткового индуктора, необходимо внести поправку в расчет сопротивления индуктора. С учетом коэффициента заполнения

Активное сопротивление

Реактивное сопротивление

Сопротивление многовиткового индуктора:

- Активное



- Реактивное

- Полное

Сила тока многовиткового индуктора

Активная мощность установки с многовитковым индуктором

складывается из активной мощности, выделяемой в детали (с учетом потерь)

и потерь в многовитковом индукторе



Реактивная мощность установки с многовитковым индуктором

К.П.Д установки:

- Тепловой

- Электрический

- Полный

Полученное значение к.п.д. не ниже принятого значения при выборе генератора, т.е. мощность выбранного генератора достаточна для питания установки.

Длина закаливаемой поверхности детали и изготовление индуктора такой длины не экономично, так как для равномерного нагрева изделия необходимо использовать индуктирующую трубку сравнительно большого диаметра, что не эффективно. При использовании же трубки малого диаметра нам необходимо увеличить величину зазора между витками, но в тоже время увеличение зазора между витками при одновременной закалки всей поверхности приведет к снижению к.п.д. индуктора и к неравномерному распределению тепла по поверхности закаливаемого изделия [Д]. Поэтому более рационально будет изготовить индуктор меньшей длины, и перемещать этот индуктор относительно детали при определенной скорости. Такой способ высокочастотной закалки называется непрерывно-последовательным. Использование данного способа закалки деталей обеспечивает более равномерный нагрев по всей поверхности, при чем зазор между витками может быть много больше, чем [14].

Примем длину индуктора таким образом, чтобы она была кратной длине всей обрабатываемой поверхности. Тогда .

Наилучшее соотношение закаливаемой поверхности будет достигнута при использовании индуктирующей трубки прямоугольного сечения, причем ширина трубки по оси индуктора должна быть в 2-3 раза больше высоты этой трубки. Трубка прямоугольного сечения обеспечит более равномерный нагрев по всей поверхности детали, так как она обеспечивает больше точек соприкосновения с обрабатываемой поверхностью [17].

Ширина трубки по оси индуктора определяется по формуле

(2.34)

где - ширина обрабатываемой поверхности, м;

- коэффициента заполнения индуктора, учитывающий наличие электрической изоляции между витками, обычно принимается ;

- число витков индуктора.

Тогда ширина трубки

Соответственно высота трубки принимается

Толщина стенки медной трубки используемой для изготовления индуктора была найдена ранее и составляет . Таким образом, сечение трубки для пропускания воды составит .

Так как ширина трубки индуктора , а ширина самого индуктора составляет , то зазор между витками индуктора будет .

2.5 Расчет охлаждения индуктора

Полная мощность, отводимая охлаждающей водой, равна

- потери тепла излучением, кВт;

- потери тепла теплопроводностью, кВт;

- потери в одновитковом индукторе, кВт.

Требуемое количество воды

(2.35)

где - температура воды на выходе из индуктора, ⁰С ();

- температура воды на входе в индуктор, ⁰С ();

- теплоемкость воды; .

Скорость движения воды в индукторе

(2.36)

где - объем воды, ;

- площадь поперечного сечения трубки индуктора, предусмотренного для пропускания воды, .

Скорость движения воды при определенном расходе зависит от числа параллельно соединенных секций. Как показывает практика, при скорости движения воды больше 1,5 м/с потери напора в индукторе превышают допустимые, поэтому ориентировочно принимаем число секций равным

Тогда ориентировочно находим число секций

Скорость воды в каждой секции

Проверяем условие отвода тепла водой.

Учитывая, что при средней температуре воды кинематический коэффициент вязкости воды [11] равен , а эквивалентный (гидравлический) диаметр , принятый для изготовления индуктирующей трубки

(2.37)

Тогда поверхность теплоотдачи индуктора

 (2.38)

где - эквивалентный (гидравлический) диаметр трубки, м.

- диаметр индуктора, м;

Вычислим число Рейнольдса для определения турбулентности движения воды

(2.39)

Так как , следовательно, движение в воды в индукторе турбулентное.

Для охлаждения индуктора чаще всего воду подводят из магистрали. В этом случае давление на входе и выходе из него не должен превышать .

Перепад давления по длине трубки определяется по формуле

(2.40)

где - коэффициент трения;

- коэффициент, учитывающий шероховатость внутренней поверхности трубки ();

- диаметр индуктора, м;

- эквивалентный (гидравлический) диаметр трубки, м.

- коэффициент местных сопротивления поворота потока в змеевике, определяемый по справочнику [15].

- число витков индуктрора.

Полученное давление , поэтому число секций для охлаждения индуктора выбрано правильно.

2.6 Устройство для установки и закрепления деталей на станке для закалки токами высокой частоты

Установка деталей в индукторе производится при помощи центровых отверстий, расположенных достаточно точно относительно поверхностей, подвергающихся закалке. С помощью центров относительно индуктора устанавливаются цилиндрические детали, имеющие на торцах центровые отверстия.

Нижний центр выполнен вращающимся, верхний - поддерживающим, снабженный пружиной и рукояткой для его поднятия при установке детали. Шпиндели центров выполняются удлиненными, с тем, чтобы индуктор и спрейер не мешали установке изделий.

Нижний, вращающийся центр, на котором устанавливается закаливаемая деталь, имеет возможность регулировки в горизонтальной плоскости, с целью возможности закалки деталей разного диаметра. Так как нижний центр наиболее подвержен воздействию охлаждающей воды, стекающей с детали, поэтому подшипниковые узлы его должны быть защищены особенно тщательно. Для защиты обслуживающего персонала от брызг этой воды предусмотрен телескопический водосборник, составленный из входящих друг в друга стаканов с выступами на наружной и внутренней поверхностях. При движении суппорта и индуктора верх или вниз стаканы образуют сплошную трубу для слива воды в специальный бак для сбора охлаждающей жидкости [Г].

Верхний центр в зависимости от длины детали перестанавливается по направляющим станины с помощью электродвигателя. Наличие в кинематической цепи привода самотормозящей червячной пары предотвращает произвольное опускание корпуса центра под действием собственного веса.

После установки детали на нижний центр корпус верхнего центра опускается вниз. При этом центр, упираясь в деталь, сжимает пружину до тех пор, пока конечный выключатель не отключит электродвигатель и не включит тормозную электромагнитную муфту, после чего корпус центра прижимается вручную к станине стопорными винтами. Для предотвращения поломки верхнего центра при неисправности в схеме управления электропроводом в кинематической цепи перемещения центра предусмотрена предохранительная фрикционная муфта. При необходимости центр можно перемещать вручную с помощью рукоятки [15].

3. Организационная часть

3.1 Планировка отделения и компоновка оборудования

Разработка плана термического участка включает выбор наиболее рациональной его компоновки, определение геометрических размеров здания и последующую детализацию с нанесением строительных элементов, оборудования, транспортных средств и коммуникаций. Планировка термического участка представляет собой графическое изображение помещения и располагаемого в нем оборудования [18].

Участок термообработки расположен в здании пролетного типа прямоугольной формы с расположением оборудования по прямой вдоль пролета. С одной стороны пролета располагаются шахтные и камерные печи, предназначенные для закалки, с другой - печи для отпуска. Для обслуживания печей, расстояние между смежными печами и пролетами составляют 1,5-2 м. Участок ТВЧ и участок промывки располагается согласно траектории грузопотока изделий по операциям, отделенные от печного оборудования сетчатой перегородкой, для уменьшения электромагнитного излучения высокочастотных установок и вредных паров, выделяемых при промывки и очистки изделий. В соответствии с основным направлением продукции по операциям размещается оборудование на расстоянии от стены 1,5 м, чтобы к нему был свободный доступ для ремонта. Закалочные баки располагаются вблизи печи, обеспечивая минимальные расстояния при переносе изделия для охлаждения.

Также в здании проектируемого участка ТО расположены: склад продукции, комната мастера, комната ОТК.

3.2 Определение основных параметров здания и разработка плана расположения оборудования

Производственные одноэтажные здания в большинстве случаев состоят из нескольких параллельных однотипных пролетов, образуемых рядами колон - металлических или железобетонных.

Производственную площадь цеха при укрупненном проектировании определяют по годовому выпуску готовой продукции в тоннах с 1м² площади.

Производственную площадь цеха можно также определить по удельной площади, т.е. по площади, приходящейся на единицу оборудования (печь, агрегат), которая, например, составляет для участка по обработке деталей, прошедших механическую обработку - 55-70 м².

Вспомогательная площадь принимаются в процентном отношении от производственной - 10-15%.

Общие размеры и площади цехов определяют на основе планировки оборудования и всех помещений цеха.

Ширина отдельных пролетов здания определяется на основании планировки оборудования в зависимости от размеров обрабатываемых деталей, применяемого оборудования и средств транспорта. Шириной пролета здания называется расстояние между осями подкрановых стоек или колонн и обычно принимается кратной 3.

Согласно стандарту ширина пролета находится в установленной размерной зависимости от пролета мостового крана.

Размеры пролетов для отдельных цехов в зависимости от рода машиностроения и характера выполняемых работ принимаются: для термических - 18 и 24 м.

Общая длина участка должна быть кратной величине шага колонн, который для всех цехов и размеров пролетов принимается равным 12 или 6 м.

В зданиях с мостовыми кранами высоту помещений (от отметки чистого пола до низа несущих конструкций) следует принимать независимо от грузоподъемности кранов. Высоту до верха консолей колонн здания принимают в зависимости от грузоподъёмности мостовых кранов. В данном проекте высота пролёта при подвесном подъемно-транспортном оборудовании грузоподъемностью 5 тонн принята равной 8,4 метров.

При планировке оборудования проходы между толкательными и конвейерными печами должны быть равными 2 - 3 метра, а между камерными печами 1,5 - 2 метра. Оборудование должно быть установлено таким образом, чтобы к нему был открыт свободный доступ для ремонта. Оборудование должно устанавливаться на расстоянии от стены не менее 1 - 1,5 метра.

При разработке планировок необходимо располагать печи в одну линию при установке как конвейерных, так и не больших камерных печей. Закалочные баки и ванны для охлаждения должны быть расположены в непосредственной близости от печей, таким образом, чтобы обеспечить минимальное расстояние при переносе изделия из печи в бак.

Рекомендуется при разработке компоновки участка использовать как основу типовые схемы, построенные на основе опыта проектирования и эксплуатации цехов различного назначения, которые можно модифицировать в соответствии со спецификой конкретного здания.

В здании участка должны быть размещены входящие в его состав производственные и вспомогательные отделения, склады деталей, поступающих на термообработку, готовой продукции, вспомогательных материалов, приспособлений, трансформаторных подстанций, а также служебные и бытовые помещения. В каждом конкретном случае состав цеха зависит от его мощности и структуры, характера технологических процессов.

Планировку оборудования разрабатывают в соответствии с компоновочным планом.

Планировка термического участка представляет собой графическое изображение помещения и располагаемого в нем оборудования [А]. Правильность планировки и организации работы участка проверяются по грузопотоку деталей. Часто грузопоток деталей осуществляется по замкнутому контуру, что ускоряет холостой пробег для возврата приспособлений.

На данном участке необходимо расположить 7 печей [А]. Производственную площадь цеха определяем по удельной площади - 48 - 55 м², т.е. по площади, приходящейся на единицу оборудования. Принимаем удельную площадь приходящуюся на единицу оборудования 55 м². Производится: следующим образом:

(3.1)

где S_i - площадь приходящаяся на единицу оборудования, м²,

n - количество печей.

Производственная площадь составляет:

К вспомогательной площади относят площадь, занимаемую кладовыми вспомогательных материалов, оснастки и приспособлений, мастерскими механика и энергетика по ремонту оборудования, аппаратуры и оснастка, экспресс - лабораториями и др. Вспомогательная площадь принимаются в процентном отношении от производственной - 10-15%. Она составляет 96 м².

Общую площадь участка (м²) находим как:

(3.2)

4. Охрана труда и окружающей среды

Охрана труда - система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия.

Трудовом Кодексе Республики Казахстан от 15 мая 2007 года №251: «Основным приоритетом государственной политики в области охраны труда является обеспечение безопасных и здоровых условий труда».

Охрана труда в нашей стране представляет собой систему законодательных актов и соответствующих им социально-экономических, технических, гигиенических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранность здоровья и работоспособность людей в процессе труда. Проведение этих мероприятий осуществляется на основе общих, межотраслевых и отраслевых инструкций, государственных стандартов системы безопасности труда и других нормативных документов, утвержденных в установленном порядке.

Согласно статье 22 и статье 314 Трудового кодекса Республики Казахстан (ТК РК) на предприятиях, в учреждениях и организациях работник, в данном случае работающий в участке термообработки, имеет право на здоровые и безопасные условия труда.

В соответствии со статьей 320 ТК РК проектирование, строительство и реконструкция производственных зданий и сооружений, разработка и использование технологий, конструирование и изготовление машин, механизмов, оборудования, не отвечающих требованиям безопасности и охраны труда, не допускаются [24].

4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов на термическом участке

В данном разделе рассматриваем анализ опасных и вредных факторов, возникающих при выполнении технологических операций на термическом участке КЛМЗ корпорации Казахмыс.

Длина термического участка составляет 24 м, ширина - 18 м, высота - 10 м. На участке имеется 10 окон. Полы на данном участке выполнены из чугунных плит, а стены и потолок окрашены огнестойкой краской. На рисунке 1 приведена схема термического участка. Освещение также является одним из необходимых условий в производстве. При плохом освещении человек быстро устает, работает менее продуктивно, возрастает опасность ошибочных действий и несчастных случаев. Поэтому освещение на участке предлагается выполнить комбинированным: естественное освещение через окна и фонари здания, и общее искусственное освещение лампами накаливания. Также при работе на участке немаловажен микроклимат участка. Производственная деятельность рабочих участка относится к работам средней тяжести. Исходя из этого установим надежный микроклимат:

- температура воздуха от 16 до 18 ^оС;

- относительная влажность воздуха от 40 - 60%;

- скорость воздуха до 0,3 м/с.

В теплый период:

- температура воздуха от 20 до 23 ^оС;

- относительная влажность воздуха от 40 - 60%;

- скорость воздуха до 0,3 м/с.

В термическом участке установлено следующее оборудование:

- Электропечь шахтная Ц 105 - А - 1 шт.

- Электропечь камерная НШ 100, СНЗ - 4,8/10 - 2 шт.;

- Электропечь шахтная СШЗ - 10.10/10 - 1 шт.;

- Электропечь шахтная СШЗ - 6.12/10 - 1 шт.;

- Электропечь шахтная СШЗ - 10.10/7МЗ - 1 шт.;

- Индукционная установка ИЗ 100/8,0 - 1 шт.

На участке производится отжиг, закалка, высокий и низкий отпуск, цементация и ТВЧ деталей по производственной программе. Работа производится на шахтных и камерных электропечах, в цементационной печи и установке ТВЧ (с нагревом токами высокой частоты). Перед измерением деталей на приборах контроля твердости их поверхность зачищается от металлического блеска. При выполнении различных операций могут возникнуть ряд опасных и вредных факторов.

При работе на участке могут возникнуть такие физические производственные факторы, как:

- движущиеся части электротермических установок, нагретых до высоких температур детали и части электротермических установок;

- опасность поражения электрическим током, соприкосновения человека с токоведущими деталями, которые обычно находятся под напряжением (прямой контакт), детали, которые в неисправном состоянии находятся под напряжением в результате пробоя изоляции (косвенный контакт);

- разлетания осколков деталей при их растрескивании и правке;

- разрыв шлифовального круга при зачистке деталей для измерения твердости;

- внутрицеховые транспортные средства (мостовые краны, электрокары, погрузчики;

- относительное положение движущихся деталей, которые могут создать зоны затягивания, раздавливания, пореза;

А также при работе на участке могут возникнуть такие вредные факторы, как:

- недостаточная освещенность рабочей зоны, возникающая при необходимости устранения ошибочных действий и несчастных случаев при работе на участке.

- высокая температура воздуха в производственных помещениях вызывает быструю утомляемость работающего, перегрев организма и большое потовыделение;

- температура и влажность воздуха, скорость его движения в рабочей зоне не соответствуют зоне комфорта. В связи с этим возникает риск заболевания рабочих различными профессиональными заболеваниями, в особенности органов дыхания.

- термическое излучение или процессы, связанные с выбросом расплавленных частиц, химическими процессами при коротких замыканиях, перегрузкам;

- повышенные уровни шума, вибрации, ультразвука и различных излучений тепловых, электромагнитных и инфракрасных;

- повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны при погрузке, выгрузке, просеивании и транспортировании сыпучих материалов, при бурении и взрывании земляных масс, при некоторых химических и термических процессах;

- наличие электромагнитного излучения при работе установки ТВЧ может вызывать нарушения функционального состояния нервной и сердечно-сосудистой систем;

- потенциальная энергия упругих элементов (пружин), жидкостей, пара, газов, находящихся под давлением или в вакууме;

Такого рода вредные факторы могут возникнуть от любого оборудования находящегося на термическом участке, а также при передвижении обработанных деталей, загрузке и выгрузке крупногабаритных деталей, при передвижении деталей по крану на участке и т.п. Также при работе на участке могут возникнуть различные профессиональные заболевания, такие как, травмы спинного и поясничного отдела позвоночника, травмы головы, рук и ног при загрузке и выгрузке крупногабаритных деталей. Могут возникнуть поражения электрическим током, заболевания дыхательных органов, органов зрения и т.д. [23].

4.2 Расчет вентиляции термического участка

В термическом участке установлено следующее оборудование:

- Электропечь шахтная Ц 105 - А - 1 шт.

- Электропечь камерная НШ 100, СНЗ - 4,8/10 - 2 шт.;

- Электропечь шахтная СШЗ - 10.10/10 - 1 шт.;

- Электропечь шахтная СШЗ - 6.12/10 - 1 шт.;

- Электропечь шахтная СШЗ - 10.10/7МЗ - 1 шт.;

- Индукционная установка ИЗ 100/8,0 - 1 шт.

Тепловыделение от каждой печи определим по формуле:

Вт (4.1)

где F - площадь тепловыделяющей поверхности печи, м²;

К - коэффициент теплопередачи стенок печи, Вт/(м²С);

t_{ВН. П} - температура внутри печи, С;

t_уч - температура воздуха на участке, С (t_уч = 20С).

Коэффициент теплопередачи стенок печи определим по формуле [24],

приняв, что теплоизоляция разных печей одинакова.

(4.2)

где Вт/(м²С) - коэффициент теплоотдачи внутренней стенки из шамотного кирпича;

Вт/(м²С) - коэффициент теплоотдачи внутренней стенки из строительного кирпича;

b₁ = 0,25 м - толщина стенки из шамотного кирпича;

b₂ = 0,12 м - толщина стенки из строительного кирпича;

b₃ = 0,003 м - толщина стального кожуха;

Вт/(м²С) - коэффициент теплопроводности стенки из

шамотного кирпича;

Вт/(м²С) - коэффициент теплопроводности стенки из строительного кирпича;

Вт/(м²С) - коэффициент теплопроводности стального кожуха.

Определим тепловыделение от каждой из печей в течение 1 часа.

- Для печи НШ 100 - t_ВН.П =1000С; F = 6,5 м² (определено по чертежу печи):

Q₁ =

- Для печи СШЗ - 10.10/10 - t_ВН.П =1200С; F = 7,8 м² (определено по чертежу печи):

Q₂ =

- Для печи СШЗ - 10.10/7М3 - t_ВН.П =700С; F = 4,5 м² (определено по чертежу печи):

Q₃ =

- Для печи СШЗ - 6.12/10 - t_ВН.П =1000С; F = 2,8 м² (определено по чертежу печи):

Q₁ =

- Для печи ТВЧ - t_ВН.П =1000С; F = 2,5 м² (определено по чертежу печи):

Q₄ =

- Для печи Ц105 - А - t_ВН.П =950С; F = 2,8 м² (определено по чертежу печи):

Q₅ =

Определим суммарное тепловыделение от всего оборудования участка в течение 1 часа:

Q_c=

Определим тепловыделение от остывающего металла (Вт) по формуле:

, (4.3)

где М_м - масса остывающего металла за 1 час;

С_м = 0,46 кДж/(кгС) - средняя теплоемкость остывающего металла;

t_НАЧ - начальная температура деталей при их выемке из печи, С;

t_КОН = 40С - температура, при которой детали отправляются из

термического участка.

- Для печи НШ -100. Производительность печи 0,16 т/час, значит М_м =160 кг. Из печи детали выгружают при температуре 860С, тогда:

Q_М1 =

- Для печи СШЗ-10.10/7М3. Производительность печи 0,19 т/час, значит М_м = 190 кг. Из печи детали выгружают при температуре 200С, тогда:

Q_М3 =

- Для печи ИЗ 100/8,0. Производительность печи 0,25 т/час, значит М_м =250 кг. Из печи детали выгружают при температуре 900С, тогда:

Q_М4 =

- Для печи СШЗ - 6.12/10. Производительность печи при отжиге 0,145 т/час, значит М_м = 145 кг. Из печи детали выгружают при температуре 860С, тогда:

Q_М1 =

- Для печи СШЗ-10.10/10. Производительность печи при закалке

0,94 т/час, значит М_м = 940 кг. Из печи детали выгружают при температуре 850С, тогда:

Q_М =

- Для печи Ц 105 - А. Производительность печи при цементации 0,023 т/час, значит М_м =23 кг. Из печи детали выгружают при температуре 900С, тогда:

Q_М4 =

Тогда суммарное тепловыделение от остывающего металла за 1 час составит:

Q

Тогда полное избыточное тепловыделение на участке составит:

(4.5)

Вт

Количество воздуха, необходимое для удаления избыточного тепла с участка (м³/час), определим по формуле:

(4.6)

где t_НАР - средняя температура наружного воздуха в летнее время, С;

По [24] принимаем t_НАР = 18С;

t_УЧ - температура воздуха на участке, С (t_уч = 20С);

С = 0,992 Дж/ С - теплоемкость воздуха;

= 1,222 кг/м³ - плотность приточного воздуха.

Определим кратность обмена воздуха на участке:

(4.7)

где L - количество воздуха необходимое для удаления избыточного тепла с

участка, м³/час;

V_УЧ - объем помещения участка, м³.

Определим объем участка. S_УЧ = 540 м², высота цеха Н_Ц = 10,5 м, следовательно объем участка:

V_УЧ = S_УЧ, (4.8)

V_УЧ =

Тогда кратность обмена воздуха:

раз/час

Вывод: для нормальной вентиляции помещения термического участка необходимо обеспечить кратность обмена воздуха 27 раз в час.

4.3 Мероприятия по снижению опасных и вредных производственных факторов

Для обеспечения безопасной и удобной работы рабочих на термическом участке необходимо проводить мероприятия по снижению опасных и вредных производственных факторов. К таким мероприятиям относятся:

- применение местных отсосов от печей и емкостей с маслом и применение общеобменной вентиляции для удаления избыточного тепла, оксидов углерода и азота, аммиака, паров и аэрозолей масла из рабочей зоны цеха;

- применение на участке естественного освещения через окна и фонари здания, и общее искусственное освещение лампами накаливания для предотвращения опасности ошибочных действий и несчастных случаев при работе человека;

- заземление оборудования участка для защиты рабочего от поражения электрическим током.

4.4 Пожарная безопасность

Для обеспечения пожарной безопасности на термическом участке необходимо проводить ряд мероприятий направленные на предупреждение пожаров, предотвращения распространения огня в случае возникновения пожаров и создание условий быстрой ликвидации пожара на участке. К таким мероприятиям относятся:

- обучение термистов противопожарным правилам, проведение бесед, инструкций;

- правильная эксплуатация, профилактические ремонты, осмотры и испытания оборудования и устройств;

- соблюдение противопожарных норм и правил при устройстве и установке термического оборудования, систем вентиляции, подвода электропроводки, защитного заземления, зануления и отключения.

Пожары на термическом участке могут возникнуть из-за курения в неустановленных местах, не соблюдения правил безопасности при проведении сварочных и других огневых работ в пожароопасных местах, неисправностей электрических проводов, нарушения режимов технологических процессов, неосторожности и небрежности персонала, дефектов оборудования, а также невыполнения требований пожарной безопасности.

Термический участок оснащен такими средствами пожаротушения и защиты от огня, как - ящиками с песком, огнетушителями, лопатами, ведрами, противогазами, пожарным краном и другими средствами. Все рабочие умеют пользоваться первичными средствами пожаротушения. Первичным средством пожаротушения на участке является огнетушитель. В наличии имеются ручные огнетушители (воздушно-пенные(ОВП), порошковые(ОП) и углекислотные(ОУ)).

По жароопасности участок относится к категории Г. По степени огнестойкости участок относится к 3 ей степени, несущие конструкции перекрытий трудносгораемые, плиты совмещенных покрытий сгораемые, внутренние несущие стены трудносгораемые. Пожарная сигнализация имеется в общем цехе, поэтому на участке отсутствует. На рисунке 2 приведен план эвакуации термического участка [24].

1-огнетушитель, 2-пожарный щит, 3-ящик с песком, 4-пожарный кран, 5-телефон, 6-противогазы. Путь эвакуации: основной (слева), вспомогательный (справа).

Рисунок 2 - План эвакуации термического участка

5. Промышленная экология

Целью раздела является: Экологическое обоснование влияния вредных веществ на окружающую среду в процессе технологической операции.

Завод КЛМЗ находится в юго-восточной части г. Караганды (Фёдоровский участок) и в северо-западной части города (Кировский участок). На Фёдоровском участке располагается основное производство КЛМЗ, а на Кировском участке расположено литейное производство.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются следующие:

Котельная предназначена для выработки и снабжения теплоэнергией объектов, расположенных на его площадке в зимний период (212 дней в году).

Котельная оснащена шестью котлами марки ДКВ - 6,5/13 (один котел), КЕ - 6,5/14 (два котла), КТВС (один котел), КЕ - 25/14 (один котел), КВЦК (один котел). В настоящее время котел марки КЕ - 6,5/14 находится на капитальном ремонте. Котельная оборудована двумя металлическими трубами высотой 39 м и 45 м, диаметром каждая 1,5 м.

Режим работы котельной 212 дней в год (в отопительный период). Сжигание угля в топках котлов сопровождается выделением в атмосферу вредных веществ, в состав которых входят: твердые частицы, окись углерода, оксиды серы и азота. Годовой расход угля - 9000 тонн.

Цех №1 - механосборочный цех.

Основными источниками выбросов загрязняющих веществ в атмосферу являются следующие технологические процессы:

- Металлообработка - при работе металлорежущего оборудования выделяется металлическая пыль и пары эмульсола, который используется в качестве охлаждающей жидкости. От станков шлифовально-обдирочной группы предусмотрена вытяжная вентиляция в циклон типа ЛИОТ.

- Сварочные работы - основные загрязняющие вещества: сварочная аэрозоль, оксиды марганца, оксид углерода, оксиды азота.

- Лако-покрасочные работы - выделяют вредности: ксилот, уайт - спирит.

Цех №2 - металлоконструкций.

- Металлообработка. При работе металлорежущего оборудования выделяется пыль и пары эмульсола.

- Сварочные работы. Выделяемые вредности: сварочная аэрозоль, марганец и его оксиды, фтористый водород, оксиды железа, оксиды углерода, соединения кремния, фториды.

- Газовая резка. Основные загрязняющие вещества: сварочный аэрозоль, оксиды марганца, оксид углерода, оксиды азота.

- Лако-красочные покрытия. Выделяющие вредности: ксилол, уайт - спирит.

Цех №3 - литейно-механический цех.

- Стальное литье. При плавке стального литья выделяются вредности: пыль, оксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, фториды.

- Чугунное литье. При плавке чугунного литья выделяются вредности: пыль, оксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, фториды.

- Цветное литье. При плавке цветных металлов и сплавов на их основе в газовых выделениях содержатся: возгоны металла и его оксиды, оксиды серы и азота, фтористый водород, аммиак, ионы хлора, графитовая пыль, фтористый кальций, хлористый барий.

- Металлообработка. При металлообработке выделяются вредности: металлическая пыль и пары эмульсола.

При приготовлении формовочных смесей выделяется пыль. Для уменьшения выбросов вредных веществ в цехе установлен антициклон.

При сушке стержней в электросушилке выделяются вредности: оксид углерода, оксиды азота, сернистый антигрид, метан.