Создание усовершенствованной существующей базовой конструкции ручки к кастрюле диаметром 250 мм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1.Введение

2.Конструкция ручки к кастрюле

2.1 Условия эксплуатации ручки к кастрюле

3. Материал ручки для кастрюли

4.Технология контактной сварки

Элементы технологии

Выбор типа соединения, вида и способа сварки

Оценка свариваемости материала конструкции

Выбор средств производства

Подготовка поверхности деталей

Выбор и расчет электродов

Контроль прочности контактной сварки

Составление плана обработки, нормирование

5. Расчет режима сварки

6. Расчет силового трансформатора

Список литературы

1. Введение

Создание усовершенствованной существующей базовой конструкции ручки к кастрюле диаметром 250 мм является одной из главных задач конструктора, поэтому целью курсовой работы является разработка более совершенной технологии и оборудования для сварки ручки к кастрюле.

2. Конструкция ручки к кастрюле

Ручка к кастрюле представляет собой элемент конструкции, состоящей из нержавеющей стали 18/10 - надежного, гигиенически безопасного материала и присоединенный к изделию двумя сварными точками.

Данная маркировка нержавеющей стали означает, что в сплаве имеется 18% хрома и 10% никеля. Благодаря хрому сталь становится устойчивой к ржавчине, а добавление никеля делает сталь пластичной.

2.1 Условие эксплуатации ручки к кастрюле

Ручка к кастрюле в процессе эксплуатации испытывает физические нагрузки. Усилие нагрузки ручки находится в пределах от 5 до 20 кг. В процессе эксплуатации ручка подвержена термо- и износостойкости и может выдерживать температуру до 450°C, не рекомендуется подвергать к резкому изменению температуры. Категория ответственности делали - А. Класс точности - 7. Прочность одной сварочной точки рассчитывается по формуле (1): Прочность одной сварочной точки рассчитывается по формуле [6]:

; (1)

? - предел выносливости на растяжение материала детали, Мпа

F-площадь сварной точки.

(2)

Dя - диаметр ядра точки, мм

Прочность соединения:

n-количество сварных точек.

3. Материал ручки для кастрюли

Сталь 18/10 применяется для изготовления кухонной посуды и деталей, работающих в интервале температур от -40 до 450°С, к которым предъявляются требования высокой пластичности.

Таблица 1. Общие свойства стали 18/10 [3]

Значение модуля упругости, Мпа	Значение плотности, кг/м3	Свариваемость
206	7856	Без ограничений

Таблица2.Механическая характеристики стали 18/10 [3]:

Предел текучести, МПа	Временное сопротивление разрыву (предел прочности), МПа	Относительное удлинение, %	Относительное сужение, %	Твердость по Бринеллю (без термической обработки)	Ударная вязкость, Дж/см2 (после нормализации)
205	330	31	55	143	235

Таблица 3.Химический состав стали 18/10 [3]:

Химический элемент	Кремний (Si)	Марганец (Mn)	Медь (Cu)	Мышьяк(As)	Ни кель (Ni)	Сера (S)	Углерод (C)	Фосфор (P)	Хром (Cr)
Сталь 10	0.17-0.37	0.35-0.65	не  более 0.25	не более 0.08	не более 0.25	не  более 0.04	0.07-0.14	не  более 0.035	Не  более 0.15

Таблица 4. Физические свойства стали 18/10 [3]:

	Температура плавления	Удельный вес	Теплоёмкость при 20С Сср	Темпера-туропро-водность ср	Тепло-провод-ность при 20С ср	Скрытая теплота плавле-ния m	Удельное электро-сопро-тивление при 20С ср
Сталь 10	1530	7,8	0,15	0,08	0,06	65	126

4. Технология контактной сварки

4.1 Элементы технологии ручки к кастрюле

Технология контактной сварки включает в себя подготовку поверхностей, сборку, прихватку, сварку, последующая обработку, контроль качества.

Выбор оптимальной технологии предоставляется исходными данными:

1. Программа выпуска детали- массовая.(более 100000 тысяч штук в год)

2. Конструкция ручки к кастрюле.

3. Вид сварки - точечный.

ГОСТ 15878-79-Кт-4

4.2 Выбор типа соединения, вида и способа сварки

Пользуясь классификацией (табл. 1)[6]. Выбран способ точечной контактной сварки ручки, осуществляется на переменном токе, так как не требуется дополнительного оборудования(1.2), наиболее целесообразно использовать один импульс тока, так как сталь хорошо сваривается(4.1), с двухсторонним подходом для уменьшения шунтирования тока(3.2), без подготовки поверхности , так как она уже подготовлена(9.1), с и постоянным сжатием детали до конца сварки для увеличения проплавления (7.1), с неизменным задним и передним формой тока так как не требуется дополнительного оборудования(2.1), с нормативным формированием точки по ГОСТу(8.1), с нахлёсточным соединением (10.2), с расплавлением точки для повышения прочности соединения (6.2), без введения дополнительной энергии, потому что переменный ток(11.1), при сварки одновременно одной точки на среднем режиме, так как на средних режимах имеется широкий диапазон значений для регулирования тока и времени сварки.( 12.2)

В соответствии с ГОСТ 15878-79 выбираем геометрические размеры точечно-сварного соединения (табл. 5) для стали толщиной 0,8+0,8 мм.

Таблица 5

Геометрические размеры точечно-сварного соединения по ГОСТу 15878-79

Способ сварки	Группа соединения	Толщина	Диаметр ядра, мм	Шаг между точками	Расстояние от точки до края детали
КТ	А	1,2	4	10	5

4.3 Оценка свариваемости материала изделия

Так как критерий свариваемости является отсутствие или склонность к горячим и холодным трещинам, следовательно, проверяем эту склонность.

Оценка склонности к горячим трещинам.

Для оценки сопротивляемости металла ручки к сковороде к горячим трещинам применяют расчетный метод. Одно из параметрических уравнений (по Итамуре) применительно к нержавеющим сталям имеет вид [6]:

(3)

где НСS - параметр, оценивающий склонность сварных швов к кристаллизационным горячим трещинам, %;

С , S и др. - химические элементы, %.

Если HCS > 4, то сварные швы потенциально склонны к горячим трещинам. сварка кастрюля деталь контактный

Так как HCS=1,12<4, то сварные точки почти не склонны к горячим трещинам.

Оценка склонности к холодным трещинам.

Холодные трещины в сварных точках образуются, главным образом, при повышенном содержании в металле шва углерода и легирующих элементов, близком к содержанию их в основном металле.

Расчет значения эквивалента углерода СЗК. (согласно ГОСТ 27772-88);

Сэкв = С + Мn/6 + Si/24 + Cr/5 + Ni/40 + Cu/13 + Р/2, (4)

где С , Мn и др . - символы элементов и их содержание, %.

Стали, у которых С_экв ? 0,35 %, считаются потенциально склонными к образованию трещин

С_экв ? 0,40 % , склонны к образованию холодных трещин.

С_экв = 0,13+0,5/6 +0,34/24 +0,15/5 + 0,25 /2 + 0,035/2=0,38

Так как С_экв 0,38%, то сварные точки не склонны к образованию холодных трещин.

В результате расчётов, сталь 18/10 имеет хорошую свариваемость и опасности к образованию горячих и холодных трещин отсутствует.

4.4 Выбор средств производства

К средствам производства при контактной сварки относят:

1. Оборудование для подготовки поверхностей не требуется, так как в условиях массового производства все детали поставляются с обработанной поверхностью.

2. Приспособления для обеспечения точности сварки:

Не требуется.

3. Инструмент и оснастка для подведения тока к детали:

Колпачковый электрод проектируется в проекте

4. Сварочное оборудование с проектируемым вторичным контуром:

Минимальный вторичный сварочный контур (см. приложение 2).

5. Устройство для механизации и автоматизации подготовительно - заключительных и сборочно-сварочных операций:

Не требуется

6. Оборудования для добавочных операций после сварки:

Не требуется

7. Аппаратура для активного и пассивного контроля.

Достаточен визуальный контроль, так как изделие группы Б ответственности.

4.5 Подготовка поверхностей деталей

Так как ручка к сковороде массового производства, то вся сварка ведется без подготовки поверхностей, потому что все поставляемые исходные материалы высокого качества.

4.6 Выбор и расчет электродов

Электроды при контактной сварке служат для замыкания вторичного контура через свариваемые детали. Важнейшая характеристика электродов - стойкость, т.е. способность сохранять исходную форму, размеры и свойства при нагреве рабочей поверхности до 600^о С и ударных усилиях сжатия до 5 кг/мм².Электроды для контактной точечной сварки являются быстроизнашивающимся сменным рабочим инструментом сварочной машины.

В большинстве случаев изготовления электродов используют медь и жаропрочные медные сплавы, бронзы. Температура разупрочнения бронз не превышает 0,5 Т_пл, в тоже время как рабочая поверхность электрода нагревается до 0,6 Т_пл материала электрода. В таких условиях электродные бронзы относительно быстро разупрочняются. Приостановить разупрочнение, используя известные приемы легирования, т.е. дислокационный механизм упрочнения материалов, принципиально невозможно. Использование для производства электродов нового класса материалов (композиционных) также малоперспективно из-за их высокой стоимости. Наиболее перспективным путем повышения износостойкости электродов для контактной точечной сварки является использование технических факторов.

Число точек, выполняемых новым электродом до полного износа длины его рабочей части l, определяется по формуле Чулошникова (5):

n= К₀К₁К₂К₃К₄К₅К₆К₇ m n₀ (5)

где К₀...К₇- коэффициенты, зависящие от толщины детали (К₀= 0,5...0,95);

диаметра (К₁= 1...1,2);формы (К₂= 1...0,9); сменяемости (К₃= 1...0,9) и случайного износа электрода (К₄= 1...0,7); качества подготовки поверхности деталей (К₅= 1...0,3); типа сварочной машины (К₆= 1,2...0,4); темпа сварки (К₇= 1,2...0,7);

n0- число сварных точек, выполненных при износе 1мм рабочей части электрода при сварке листа толщиной 1+1мм (n₀= 3000 для пальчиковых электродов и n₀= 6000 для колпачковых электродов ).m- изнашиваемая часть электрода (8мм).

Износ электрода: n=0,511110,50,70,486000=3360 точек

Анализ зависимости коэффициентов К₀...К₇ от различных технологических факторов позволяет наметить пути повышения износостойкости электродов отдельно для легких сплавов и черных металлов. Выбираем электрод колпачкового типа, так как он обеспечивает минимальную массу при свободном доступе рабочей части электрода к месту сварки, удобную и надежную установку на машине и высокую и стойкость рабочей части.

Выбор электрода для контактной сварки состоит в следующем:

1. Марка электродного материала - Бр НТХ (табл. 6)

Таблица 6. Характеристики электродных материалов

Свариваемый материал	Рекомендуемая марка электродного материала	Состав; электропровод-ность, %; твёрдость, HB
Углеродистые, нержавеющие и жаропрочные сплавы	Дисперсионно - твердеющие сплавы, упрочняемые термомеханической обработкой Бр НТХ (для Кт)	Ni- 1,5; Cr- 1 Ti- 0,1; 55%; 200

2. Диаметр рабочей поверхности электрода по соотношению:

D	d0	1:X	L1	L2	h	dэ	L
13	8	1:10	15	8	11	3	26

dя= 4S=4*1,2=4,8

Рис. 1. Размеры колпачкового электрода.

Конструктивная форма электрода, его размеры:.для сварки петля багажника выбираем электрод колпачкового типа. D=13мм, для принятого D = 13 мм принимаем конусность посадочной части 1:10, L=26мм, d0=8мм, h=11мм , L1=15мм, L2=8мм.

4.7 Контроль прочности контактной сварки

Прочность сварных соединений контролируют на образцах и деталях с разрушением и без разрушения соединений.

Контроль с разрушением выполняется на технологических образцах и деталях, отобранных из определенной партии готовых изделий в количестве 60 штук.

Так как ручка к кастрюле является группы ответственности А, то разрушающий способ контроля применять нецелесообразно.

Поэтому применяем контроль без разрушения, то есть визуальный осмотр ручки к кастрюле.

4.8 Составление плана обработки, нормирование

Таблица 7.План обработки

Наименование операции	Оснастка	Профессия	Разряд	Норма времени, мин.
Сборка	Присутствует	слесарь	5	0,2 мин
Сварка	Сварочная контактная машина	сварщик	4	0,04 сек
Контроль	нет	контролер	5	0,1 мин

5. Расчет режима сварки

Исходными данными для расчета значений параметров режима являются:

1. Материал изделия и его теплофизические свойства.

2. Толщина, сечение соединяемых деталей.

К параметрам режима контактной сварки относятся:

При точечной сварке (К_т)

d_э- диаметр электрода, мм;

I_2p- расчетный сварочный ток, А;

_и- время сварки, с;

Р_св- давление сварки, Н;

Последовательность расчета режима контактной сварки

1.Расчитываем контактную часть электрода

При точечной сварке - диаметр рабочей части электрода

d_э= 4S₁ = d_я =41,2=4,8 мм

2. Находим сварочное усилие сжатия

а) При точечной классической сварке (К_т)

Р_св= (200...400) S₁, кг;

Р_св= 3001,2=360 кгс=3600Н;

б) Усилие привода установки при К_т, К_р

Р_п=1,3Р_св, кг

Р_п=1,3360=468 кгс=4000Н

3. Находим продолжительность импульса сварного тока:

При К_т

_св=Кж, с

для среднего режима К_ж=2,5

где h_пр- глубина проплавления, см; а- температуропроводность, см²/с (таблица 4)

По ГОСТу 15878-79 h_пр=(0,2...0,8)S₁

_св=,

4. Рассчитываем термический КПД- _т

Для проплавления в пределах

0,25 S₁ - _т =

где а_э- температуропроводность электродов, (таблица 4 )

а_d- температуропроводность деталей, ( таблица 4 )

5. Определяют действующее значение сварочного тока с учетом глубины проплавления через термический КПД.

,

для простоты расчета, действующее значение тока определяем с помощью номограммы.

Рис.2. Номограмма параметров режима точечной сварки низкоуглеродистых сталей.

Из номограммы следует: I_св= 6 кА

6. При точечной и двухсторонней сварке ток шунтирования находим:

I_ш=2•I_св =2•8000•1,2/15=1,2 кА

7.Определяют расчетный вторичный ток.

I_2р=I_св

8. Конструктивно вычерчивают в масштабе схему сварочного (вторичного) контура, включая все его элементы, а также вторичный виток, максимально приближая его к размерам детали, которая в этом случае полностью вводится в контур так, как необходимо по условиям сварки (рис.3).

Рис 3. Вторичный контур.

9. По габаритам сварочного контура определяют H и l- условные стороны квадрата, вписанного в площадь, охватывающую вторичный контур, при этом l-перпендикулярен окну магнитопровода, а Н-параллелен ему, простым замером по схеме. Примем H= 112мм,L=625мм

10. Определяют диаметр силового жесткого элемента контура из условий допустимых плотностей токовых нагрузок (см. приложение 2) и его механической прочности на изгиб. По ГОСТу 297-73 прогиб сварочных консолей в среднем не должен превышать 1мм, допустимая плотность тока для медных массивных неохлаждаемых водой элементов вторичного контура равна 3А/ мм.

Отсюда

где i- плотность тока, А/ мм; P_n-усилие привода сжатия, кгс

Е- модуль продольной упругости материала вторичного контура,

кГс/ мм(для меди Е= (1,1... 1,3)10кГс/ мм);

f_п- допустимый прогиб элементов вторичного контура по ГОСТу 297-73.

l_к-неподкрепленный вылет электродов

Уточняют диаметр, полученный по токовой нагрузке с учетом поверхностного эффекта:

d_ф=d_т, мм. К_ф=1...2

Окончательно выбирают диаметр жесткости силового элемента вторичного контура, исходя из условия наибольшего диаметра:

12. Находят активное сопротивление вторичного контура по средней линии, включая вторичный виток сварочного трансформатора

, Ом,

где l,l,l- длина элементов вторичного контура, включая длину вторичного витка трансформатора, см; F- сечение этих элементов, см² .

мкОм

14. Находят индуктивное сопротивление вторичного контура: включая вторичный виток сварочного трансформатора ,

Х₂ = 2 ??L =2 ???, мкОм

где f- частота тока, гц; L- индуктивность, мк гн;

l- вылет электродов, м; H- усреднённый раствор электродов, м.

мкОм

15. Рассчитывают полное сопротивление сварочного контура:

, Ом,

где R_э-э=R_d+R_к+2R_э-d,

где R_d- среднее сопротивление материала деталей в процессе сварки =_ср2S/d_э²

R_к- контактное сопротивление между деталями;(~ 20мкОм)

R_э-d- сопротивление в контакте электрод - деталь;(~10мкОм).

где R₁ - активное сопротивление первичной обмотки, приведенное ко вторичной ( =40... 80 мкОм);

X₁ - индуктивное сопротивление первичной обмотки, приведенное ко вторичной ( =80... 100 мкОм при одном вторичном витке и = 400... 500 мкОм при двух вторичных витках).

мкОм

16. Находят вторичное номинальное напряжение сварочного трансформатора:

U_2н=I_2рZ, В

В

17. Определяют потребную номинальную мощность сварочного трансформатора:

P_2н=U_2нI_2р, кВ·А.

кВ·А.

18. Находят коэффициент мощности машины в процессе сварки:

.

мкОм.

19. Составляют сводную таблицу найденных параметров режима сварки.

Таблица 8

Параметры режима контактной точечной сварки.

Величина	Диаметр рабочей поверхности электрода	Сварочное усилие	Продолжительность импульса тока	Сварочный ток	Термический КПД	Вторичный ток в контуре
Обозначение
Размерность	мм	Н	с	кА	%	кА
Значение	4	4000	0,04	6	0,62	6

6. Расчет силового трансформатора

Расчет силового трансформатора является приближенным и преследует цель получить данные, необходимые для выбора стандартной сварочной машины (сечение первичного и вторичного витков, габариты трансформатора, cos , к.п.д., ток холостого хода, расход охлаждающей воды). Исходными данными для электрического расчета трансформатора являются:

1. Напряжение питающей сети, частота тока - U₁ =380В, f;=50Гц

2. Продолжительность включения трансформатора-ПВ=50%;

3. Расчетная величина сварочного тока - I_2р=8;кА

4. Номинальное вторичное напряжение холостого хода трансформатора - U_{2н =}5кВ*А

Расчет силового трансформатора производят в следующей последовательности:

1. По значению I_2р определяется номинальный сварочный ток с учетом возможности автоматического регулирования тока:

I_2н=1,25 I_2р.=1,25•6=7,5 кА

2. Определяется напряжение холостого хода на первой ступени трансформатора: _ах = 1,1_н

_ах = 1,1•16=17,6 кВ•А

= _ах/2

=17,6 /2 =8,8 кВ•А

3. Рассчитывают сечение первичных и вторичных обмоток, для чего:

а) определяют полное количество витков в первичной обмотке:

Обычно для стационарных машин w₂=1, для подвесных w₂=2;

380(18,8)=43

б) определяется общее сечение первичных витков:

где i_н- допустимая плотность тока.

При дисковых медных обмотках, плотно прижатых к водоохлаждаемому витку, i_н=2,8... 3,2 А/мм².

,

,

.

в) определяется общее сечение вторичных витков:

Для водоохлаждаемого медного витка: i_н=6,3 А/мм².

,

.

4. Рассчитывается магнитопровод, т.е. сечение и размеры сердечника, высота и ширина окна. Вначале определяется фактическое сечение сердечника магнитопровода (рис.4):

, см².

где В- магнитная индукция в Гс (10 000- 20 000 Гс);

К_с- коэффициент, учитывающий не плотность сборки листов трансформаторного железа и слой изоляции на листе (К_с= 0,9- 0,82).

Рис.4 Магнитопровод.

В стержневом трансформаторе все его стержни имеют одинаковое сечение; в броневом только средний стержень имеет сечение Fc, сечение остальных стержней равно Fc/2. Минимальная длина витков первичной обмотки будет при равенстве сторон стержней магнитопровода, т.е. при h=b. Однако с целью уменьшения габаритов всего трансформатора принято считать размеры, исходя из соотношения: h= 2b и c=2a (рис. 2), отсюда размеры сердечника:

,

.

Площадь окна трансформатора:

,

где Кз.о- коэффициент заполнения окна, Кз.о= 0,7. Размеры окна:

,

.

Вес трансформатора: С=G_ж+G_м

=

V=2hb(a+b+c)=

где V- объем железа;

_ж- удельный вес железа 6,5 г/см3

_м- удельный вес меди. 9,4 г/см3

Проверочный расчет

С целью проверки правильности расчета магнитопровода проводится сравнение потерь на токи холостого хода и условий водяного охлаждения данного трансформатора с допустимыми по ГОСТу 297- 61.

Определение тока холостого хода

По ГОСТу 297- 61 ток холостого хода трансформатора не должен превышать номинального первичного тока на:

50% при I_2н2500 А

32% при I_2н 5000 А;

20% при I_2н 10 000 А;

10% при I_2н 10 000 А.

Если ток холостого хода трансформатора больше допустимого, то делается перерасчет трансформатора в сторону уменьшения значения параметров q_ж;G_ж;a;l_ср;_з;В, определяющий ток холостого хода.

Ток холостого хода:

,

где I_a,I_p- активная и реактивная составляющие тока холостого хода;

- допустимые потери тока холостого хода по ГОСТу.

где P_ж - потери в железе; q_ж- удельные потери в железе (рис. 3);

G_ж- вес магнитопровода.

Реактивная составляющая:

,

где a - удельные ампервитки (рис. 4) при данном В,

В - магнитная индукция, гс;

l_ср- средняя длина магнитного потока, см;

=2(8+4+8)=40

К- коэффициент, учитывающий наличие в переменном токе четвертой и пятой гармонии (К=1,25... 1,5);

- число и величина зазоров в магнитной цепи (рис. 4).

Обычно n₃ = 0... 4; ₃=0,005 см.

Рис. 3 Рис. 4

Рис 5. К определению средней длины магнитного потока.

Определение нагрева трансформатора

Нагрев магнитопровода в трансформаторе

Удельная тепловая нагрузка при условии воздушного охлаждения магнит провода не должна превышать 7,5 10^-2 вm/cм²

,

=0,063=условие выполняется, следовательно водяного охлаждения магнитопровода не требуется.

Нагрев первичных и вторичных витков в трансформаторе

Удельная тепловая нагрузка на токоведущие обмотки трансформатора при условии только воздушного охлаждения не должна превышать 610^-2 вт/см², т. е.

,

где S₀- поверхность омываемых воздухом обмоток

>610, необходимо предусмотреть водяное охлаждение.

Р_м-потери мощности на нагрев меди:

где -активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной цепи;

- активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора;

- активное сопротивление первичной обмотки трансформатора, приведенное ко вторичной цепи;

Расход воды определяется по формуле:

где; - объемная теплоемкость воды ;

- допустимая удельная тепловая нагрузка на медные обмотки (6 вт/см²).

Необходимо учитывать, что в расчете предусматривается расход воды только для охлаждения трансформатора (25- 200 /сек), в то время как для охлаждения всех частей машины расходуется значительно больше воды (100-2000 /сек).

Сечение трубопровода для охлаждающей воды рассчитывается так, чтобы скорость воды в нем не превышала =2... 2,5 м/с. При этом внутренняя поверхность трубы должна обеспечивать отвод необходимого количества тепла и только в этом случае расчетный диаметр трубы равен

, см,

где Q_в - расход воды, /с;

V_в - скорость воды, м/с.

см

Список литературы

1. http://www.domplus.com.ua/87-1l.htm

2. http://www.fos.ru/science/6887.html

3. http://www.servize.com.ua/magazin нержавеющая сталь -18/10.html

4.http://metallexpert-nn.ru/primenenie_staley1

5. Банов М.Д. Технология и оборудование контактной сварки. Учебник для техникумов.-М., Академия 2009.-225с.

6. Банов М. Д. Методическое указание к курсовой работе. Издание 7,переработанное 2005.-23с.

Размещено на Allbest.ru