Технологический процесс термической обработки впускного клапана газораспределительного механизма
СОДЕРЖАНИЕ
1 Исходные данные для выполнения курсовой работы
2.2 Выбор типа производства
2.2 Выбор материала для изготовления детали
2.2.1
удовлетворение эксплуатационным требованиям
2.2.2
технологические требования
2.2.3
экономические требования
2.3 Обоснование способа получения заготовки
2.4 Разработка технологического маршрута изготовления
детали
2.6 Разработка технологического процесса термической
обработки
2.6.1
полный отжиг
2.6.2
цементация
2.6.3
закалка
2.6.4 низкий
отпуск
3 Составление операционной карты
4 Список используемой литературы
1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ
КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Исходными данными для выполнения
работы являются: чертёж детали и технические условия на её изготовление. Марка материала, указанная на чертеже, рассматривается
как условно-рекомендательная.
В данной курсовой работе используется материал 18ХГ2, где
18- 0,18% углерода
Х- 1% хрома
Г2- 2%
марганца
2.1 Выбор
типа производства.
В машиностроении различают три типа производства:
единичное, серийное и массовое.
В единичном производстве выпускают
изделии широкой номенклатуры в небольших количествах или индивидуально.
Изготовление однотипных деталей либо совсем не повторяется, либо повторяется через определённые промежутки времени. При
изготовлении деталей, как правило, используется
универсальное оборудование.
В серийном производстве изготавливают
партии деталей, регулярно повторяющиеся
через определенные промежутки времени. В зависимости от размера партий
различают мелко- средне- и крупносерийное производство. В производстве
используют специализированное оборудование.
Для
массового производства характерно изготовление большого количества однотипных
деталей на конвейерах с узкоспециализированным оборудованием.
В данном случае за основу берётся серийный тип производства.
2.2. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ДЕТАЛИ
В данной части работы описываются условия
работы детали при эксплуатации, выявляются
основные факторы внешней среды, с которой контактирует деталь (температура,
воздушная или газовая среда, условия
смазки и т.д.) характер действующих нагрузок и качественная их оценка
Выбранный материал должен удовлетворять эксплуатационным и экономическим требованиям.
2.2.1
УДОВЛЕТВОРЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ТРЕБОВАНИЯМ
Выбранный материал должен обеспечивать
длительную, эффективную работу детали в эксплуатационных условиях, то есть должен обеспечивать необходимую
конструкционную прочность, выявленную
расчетами инженера конструктора. Он должен противостоять
воздействию внешней окружающей среды (воздуха, воды, масла, кислоты, тепловым
воздействиям и т.п.). Все это вместе
определяет комплекс необходимых
физико-механических свойств, которыми должен обладать материал, назначаемый для изготовления
конкретной детали, т.е. предел прочности, предел текучести, показатели
пластичности δ, Ψ, коэффициент ударной вязкости,
предел выносливости, величина работы распространения
трещин, контактная усталостная прочность, сопротивления
износу, высоким и низким температурам и т.д.
2.2.2
ТЕХНАЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
С этой точки зрения материал должен удовлетворять
требованиям максимальной
трудоёмкости изготовления детали. В
первую очередь он должен обладать хорошей обрабатываемостью режущим
инструментом, различными методами обработки давлением. В ряде случаев для
улучшения обрабатываемости приходится назначать предварительную термическую обработку
заготовок (типа отжига). Выбранный материал должен иметь хорошую свариваемость,
что обеспечит получение конструктивно прочной детали или узла при наименьших
затратах.
2.2.3
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Материал должен обеспечить изготовление
наиболее дешёвой конструкции, способной эффективно и длительно работать в
различных эксплутационных условиях.
В первую очередь нужно стремиться к
использованию менее дорогой стали – углеродистой или низколегированной.
Применение легированной стали может быть технически и экономически
целесообразным и оправданным в том случае, если она даёт экономический эффект
за счёт повышения долговечности
деталей, уменьшения массы
конструкции, уменьшения расхода
запасных частей и, таким образом, экономии металла.
2.3 ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ
В машиностроении и ремонтном производстве применяются
следующие виды заготовок: отливки, поковки и штамповки, а также комбинированные
(штампосварные, литые в сочетании со сваркой) и заготовки из сортового проката.
При выборе способа изготовления
заготовки необходимо учитывать её материал, размеры, конструктивные формы,
размеры и условия нагружения детали, а также тип производства, для которого разрабатывается
техпроцесс.
Выбранный метод должен быть экономически
целесообразным.
Одним из производительных способов получения заготовок является
штамповка на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). Штамповкой называют процесс получения
поковок, при котором формообразующую полость штампа, называемую ручьем,
принудительно заполняют металлом
исходной заготовки и перераспределяют
его в соответствии с заданной чертежом конфигурацией.
Производительность до 400 поковок в час.
Штамповкой на ГКМ получают поковки массой 0,1 — 100 кг с максимальным диаметром
315 мм. Кроме ГКМ в качестве оборудования
для штамповки применяют молоты и прессы.
Допуски и припуски на поковки регламентируются ГОСТ 7505-89.
На ГКМ изготавливаются
следующие поковки: зубчатые колеса, шестерни, конические шестерни с валом;
цилиндрические шестерни с валом, кольца, втулки, шестерни с фланцем и т. д.
В том случае, когда поковку невозможно технологически
выполнять на ГКМ, необходимо
проектировать штамповку на кривошипных прессах. На прессах штампуют детали
весом до 200 кг типа плоских поковок, шестерен, крестовин, ступенчатых валов,
валов-шестерен, поворотных кулаков, рычагов, шатунов, коленчатых валов и т.д.
Штамповка на кривошипных прессах в 2—3 раза
производительнее, а припуски и допуски на 20-35% ниже по сравнению со
штамповкой на молотах, расход металла поковки снижается
на 10 —15%. Допуски и припуски заготовок, штампуемых на кривошипных прессах,
принимают по ГОСТ 7505-95.
Применение объемной штамповки оправдано при серийном и
массовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать
очень сложные по форме изделия,
которые невозможно получить приемами свободной ковки
Технологический процесс горячей объемной штамповки
Технологический процесс изготовления поковки включает следующие операции: отрезка
проката на мерные заготовки, нагрев, штамповка, обрезка облоя и пробивка пленок, правка, термическая обработка, очистка поковок от окалины, калибровка,
контроль готовых поковок.
Перед штамповкой заготовки должны быть нагреты
равномерно по всему объему до заданной температуры. При нагреве должны быть
минимальными окалинообразование (окисление) и обезуглероживание поверхности
заготовки.
Используются
электроконтактные установки, в которых заготовка, зажатая
медными контактами, нагревается при
пропускании по ней тока; индукционные установки, в которых заготовка нагревается вихревыми токами; газовые печи, с безокислительным
нагревом заготовок в защитной атмосфере.
Штамповку осуществляют
в открытых и закрытых штампах. В открытых штампах получают поковки удлиненной и
осесимметричной формы. В закрытых штампах – преимущественно осесимметричные
поковки, в том числе из малопластичных материалов. Поковки простой формы
штампуют в штампах с одной полостью. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине, с изогнутой осью и т.п.
штампуют в многоручьевых штампах.
После штамповки в открытых штампах производят обрезание облоя
и пробивку пленок в специальных штампах, устанавливаемых на кривошипных прессах
(рис..1).
Рис. 1 Схемы обрезания
облоя (а) и пробивки пленок (б)
Правку штампованных поковок выполняют для
устранения искривления осей и искажения
поперечных сечений, возникающих при затрудненном извлечении поковок из штампа,
после обрезания облоя, после термической обработки. Крупные поковки и
поковки из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей правят в горячем
состоянии либо в чистовом ручье
штампа сразу после обрезания облоя, либо на обрезном прессе (обрезной штамп
совмещается с правочным штампом),
либо на отдельной машине. Мелкие поковки правят
на винтовых прессах в холодном состоянии
после термической обработки.
Термическую обработку применяют
для получения
требуемых механических свойств поковок и облегчения
их обработки резанием. Отжиг снимает в поковках из высокоуглеродистых и легированных
сталей остаточные напряжения, измельчает зерно, снижает твердость, повышает
пластичность и вязкость.
Нормализацию применяют для устранения
крупнозернистой структуры в поковках из сталей с содержанием углерода до 0,4%.
Очистку поковок от окалины производят для
облегчения контроля поверхности поковок, уменьшения износа металлорежущего инструмента и правильной
установки заготовки на металлорежущих станках. На дробеструйных установках
окалину с пковок, перемещающихся по
ленте конвейера, сбивают потоком быстро летящей
дроби диаметром 1…2 мм. В галтовочных барабанах окалина удаляется
благодаря ударам поковок друг о
друга и о металлические звездочки, закладываемые во вращающийся барабан.
Калибровка поковок повышает точность размеров всей
поковки или отдельных ее участков. В результате этого последующая механическая
обработка устраняется полностью или ограничивается
только шлифованием. Различают плоскостную и объемную калибровку. Плоскостная калибровка служит для
получения точных вертикальных
размеров на одном или нескольких участках поковки. Объемной калибровкой
повышают точность размеров поковки в разных направлениях
и улучшают качество ее поверхности. Калибруют в штампах с ручьями, соответствующими конфигурации поковки.
')
if(js>11)d.write('<'+'!-- ')//-->
|
№
|
Операция
|
Цех
(участок)
|
Оборудование
|
Инструменты
|
|
1
|
Получение
заготовки
|
Заготовительный
|
Гильотина,
пилы, пресса, вулканиты
|
Пилы,
ножи
|
|
2
|
Получение
поковки
|
Кузнечный
|
Печи,
пресса, штампы
|
Штампы,
мерительный инструмент, кран-балки, конвеиры
|
|
3
|
Предварительная термическая
обработка (полный отжиг)
|
Кузнечный
|
Печи,
подъёмники, клещи
|
Клещи,
твердомеры
|
|
4
|
Механическая обработка (черновая)
|
Механический
цех
|
Токарные,
фрезерные, строгальные, долбёжные станки
|
Фрезы,
свёрла, резцы, зенкеры,
|
|
5
|
Упрочняющая
термическая обработка
|
Термический
|
Печи,
установки, подъёмники
|
Твердомеры,
микроскопы
|
|
6
|
Механическая обработка (чистовая)
|
Механический
|
Шлифовальные
станки, доводочные механизмы, полировальные машины, установки для суперфиниширования
|
Микрометры,
штангенциркуль, оптиметры, миллиметры, длинномеры, калибры
|
|
7
|
Инструментальный
полный контроль по всем параметрам
|
Центрально
заводская лаборатория
|
Шлифовальные
станки, доводочные механизмы, полировальные машины, установки для суперфиниширования
|
Микрометры,
штангенциркуль, оптиметры, миллиметры, длинномеры, калибры
|
2.4
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ.
В объёме
предлагаемой курсовой работы предлагается
технологический маршрут изготовления
детали представить в виде движения
детали по отдельным цехам или участкам согласно технологическим операциям.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
МАРШРУ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ
2.6
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.
2.6.1 Полный отжиг.
Основные цели полного отжига -
устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (лить, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение
напряжений, для
придания стали определенных
характеристик. В целом отжиг рода проводят
для приближения
системы к равновесию.
При полном
отжиге доэвтектоидная сталь после
нагрева выше критической точки АC3 на 30 – 50 ºC (рис.
3) медленно охлаждается вместе с
печью. Охлаждение при отжиге проводят
с такой малой скоростью (порядка
несколько градусов в минуту), чтобы аустенит распадался
при небольшой степени переохлаждения.
Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых,
то отжигаемые изделия можно выдавать
из печи на спокойный воздух при температурах 500 – 600 ºC, если
не опасны термические напряжения.
Рис. 3. Участок
диаграммы Fe-Fe3Ccнанесенным
интервалом
температур термической
обработки:
І – полный отжиг;
ІІ – нормализация.
Полный отжиг
проводят для
снижения твердости, повышения пластичности и получения
однородной мелкозернистой структуры.
Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на
30-50 С выше температуры Ас 3 (чрезмерное повышение температуры выше
этой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойств
стали), выдержке для полного
прогрева и завершения фазовых
превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом выше
Аcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагрева
образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. Для
доэвтектоидных сталей время нагрева
и продолжительность обработки зависят
типа печи, способа укладки, типа отжигаемого материала (лист, прокат, ... ).
Наиболее распространенная скорость
нагрева составляет ~ 100 C / ч, а
продолжительность выдержки - от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловлено необходимостью избежать
образования слишком дисперсной
ферритно - цементитной структуры и следовательно более высокой твердости.
Скорость охлаждения зависит от
устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Ее
регулируют, проводя охлаждение печи
с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным
обогревом.
При полном отжиге происходит полная фазовая
перекристаллизация стали. При
нагреве выше точки Ас 3 образуется
аустенит, характеризующийся мелким
зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую
высокую вязкость, пластичность и
получение высоких свойств после окончательной обработки.
Структура доэвтектоидной стали после
полного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.
Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу. Это отжиг на крупное зерно с
нагревом до 950-1100 оС, который применяют
для улучшения
обработки резанием мягких
низкоуглеродистых сталей.
2.6.2 Цементация.
Цементация
- процесс насыщения поверхностного
слоя стали углеродом с целью повышения прочности, твёрдости и износостойкости
поверхностного слоя.
За глубину цементованного слоя принимают расстояние
от поверхности до переходной зоны.
Различают следующие виды цементации:
цементация с применением твёрдого карбюризатора;
газовая цементация с применением жидкого или газового карбюризатора.
Наиболее перспективным является газовая
цементация. По сравнению с
цементацией в твёрдом карбюризаторе она имеет следующие преимущества:
значительно сокращается длительность
процесса благодаря быстрому нагреву
детали; возрастает пропускная
способность оборудования, что ведёт
к повышению производительности труда; улучшаются
условия труда; появляется возможность автоматизации процесса.
Газовая цементация
может проводиться с применением
жидкого и газового карбюризатора. В качестве жидкого карбюризатора, как
правило, применяется синтин, а в качестве газового - эндогаз.
Синтин получают из окиси углерода и
водорода, образующихся при
переработке твёрдого топлива. Синтин - это бесцветная
жидкость, содержащая 90% парафиновых
предельных углеводородов. Скорость цементации при применении синтина повышается на 20% и на 50% понижается
выделение сажи и кокса.
В шахтных печах жидкий карбюризатор
подаётся каплями,
а имеющийся вентилятор создаёт движение газового потока, и цементация протекает равномерно. Для
уменьшения сажеобразования карбюризатор подают топливным насосом через
форсунки в распылённом состоянии.
Оптимальный расход синтина составляет
0,8л газа на 1см2. Состав образующегося
газа: СО 20...28%, Н2 55...75%, СН4 2...5%. Режим подачи
синтина при насыщении определяют
опытным путём.
Для
легированных сталей температура цементации применяется выше точки Ас3, когда устойчив аустенит, способный
растворить в больших количествах углерод.
При использовании жидкого карбюризатора
эффективно применять комбинированный
цикл насыщения для получения
на поверхности цементованного слоя
содержания углерода в пределах
0,8...1%. После цементации структура цементованного слоя
приведена на рисунке 11.
Рис.11 Структура цементованного слоя
Расчёт времени нагрева и выдержки при
цементации.
Глубина упрочняемого
слоя 1,2…1,4мм
Скорость насыщения
1мм/час
Цементацию проводят
в газе, получаемом при разложении синтина, при температуре 900°С. Для получения
слоя
глубиной 1,2...1,4 мм время выдержки
должно составлять 5 часов:
Охлаждение после цементации проводим на
воздухе.
2.6.3 Закалка
Закалкой называется
процесс термической обработки металлов, состоящий
в их нагреве и быстром (иногда постепенном) охлаждении. Закалка применяется для повышения
твердости, прочности и износоустойчивости. У некоторых металлов в процессе
закалки повышается пластичность.
Условия закалки для различных металлов, а порой и различных изделий из
одного и того же металла отличаются.
Особое значение это имеет для
закалки инструментов, поскольку они подвергаются
различной нагрузке.
Технология
закалки следующая: изделие нагревают
до определенной температуры (для
стали 18ХГ2 температура равна 900оС) и некоторое время выдерживают. За этот период изделие равномерно
прогревается. Далее следует
охлаждение. Охлаждают изделие в воде, при необходимости к ней добавляют поваренную соль, которая
повышает эффективность закалки.
Температура воды для
закалки должна быть на уровне 27-28°. В холодной воде металл делается ломким. Чем теплее вода, тем менее эффективна
закалка (металл остается мягким).
Очень важно, чтобы во время охлаждения
температура воды или раствора оставалась почти неизменной. Контролировать это
непросто. Емкость для охлаждения должна быть такой, чтобы масса помещающейся в ней воды была в 30-50 раз больше массы
закаливаемого изделия. Тогда скачки
температуры воды от погружения
раскаленного металла будут менее значительны. Чтобы охлаждение изделия происходило быстрее, можно перемещать его в
емкости в различных направлениях.
Наиболее часто закалке подвергаются стальные изделия.
Так, конструкционные стали обычно нагревают до 880-900 ° (цвет каления светло-красный). Особо твердые инструменты
российская промышленность выпускает
из специальных конструкционных сталей (маркировка "А") с содержанием
углерода 0,25-0,7%. Эти стали обладают достаточно высокой прочностью, на
которую эффективно воздействует закалка.
Конструкционные углеродистые стали используются в основном в изделиях,
для которых особая прочность не требуется.
Закалка мало способна повлиять на
изменение твердости этой стали. Эффективна закалка и для
изделий, выполненных из углеродистой инструментальной стали. Эти стали содержат
0,7-1,5% углерода и отличаются
высокой прочностью. Производить закалку инструментальной стали лучше при
температуре 750-760° (цвет каления
темно-вишнево-красный). Для
нержавеющей стали эта температура составит 1050-1100° (цвет темно-желтый), что
обусловлено присутствием в ней более тугоплавких никеля
и хрома.
Нагревают заготовки вначале медленно (до
500°), а затем быстро. Это необходимо для
того, чтобы в металле не возникало внутреннее напряжение,
зачастую приводящее к появлению трещин.
Для
охлаждения стали после закалки
помимо раствора поваренной соли можно использовать растительное или машинное
масло. Чаще всего в масле охлаждают конструкционные и инструментальные стали.
Детали сложной формы сначала охлаждают в воде (до 300-400°), а затем до полного
остывания оставляют в масле. Еще один фактор, говорящий в пользу масла - в масле поверхность стального
изделия покрывается плотной коричневой или черной пленкой оксидов,
надежно предохраняя ее от коррозии.
В среднем время
пребывания заготовки в охладителе
рассчитывается, исходя из соотношения:
одна секунда на 5-6 мм сечения
изделия. Для
более интенсивного охлаждения
изделие, погруженное в охладитель, надо постоянно
перемещать во всех направлениях.
2.6.4
Низкий отпуск.
Низкий отпуск - это операция термической обработки, заключающаяся в
нагреве закалённой стали до температуры не выше температуры в точке Ас1,
выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Низкий отпуск проводят для снятия
внутренних напряжений, возникающих
при закалке и обработки холодом. Низкий отпуск данной стали проводят с нагревом до температуры 250°С.
Расчёт времени нагрева и выдержки при
низком отпуске.
При
низком отпуске в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяется
решетку. Кроме того, начинается
выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в a-железе и начальное скопление их небольшими
группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение
пластических и вязких свойств стали,
в деталях. Для
низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в
масляных или соляных ваннах. Если для
низкого отпуска детали нагревают на
воздухе,
то для контроля
температуры часто пользуются цветами
побежалости, появляющимися
на поверхности детали. Появление
этих цветов связано с интерференцией
белого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее
нагреве. В интервале температур от 220 до 330° в зависимости от толщины
пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого (табл.). Низкий отпуск
применяется
для режущего, измерительного
инструмента и зубчатых колес.
Таблица
|
Цвет побежалости
|
Температура, °С
|
|
Светло-желтый
Соломенно-желтый
Коричнево-желтый
Коричнево-красный
Пурпурно-красный
|
220
240
258
265
275
|
|
Цвет побежалости
|
Температура, °С
|
|
Фиолетовый
Васильково-синий
Светло-синий
Серый
|
285
395
315
330 и выше
|
4 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технологический процесс термической
обработки стальных заготовок и деталей машин: Методические указания к курсовой работе по материаловедению./Сост. В.А.Плотников.
– г.Омск: Изд-во СибАДИ, 2001.-28с.
2. Ковка и штамповка: Справочник. В 4-х т./Ред., Совет;
Е.И. Семенов (пред.) и др.- Машиностроение, 1986.-Т.2 Горячая штамповка/Под. Ред.. Е.И.Семенова/, 1986. 592 с.,
ил. Стр.239.
3
Парфеновская Н.Г., Самоходский А.И. «технология термической обработки металлов».
4
Башнин
Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. «Технология
термической обработки стали». М.: Металлургия,
1986. 424с.
5Никифоров В.М. «Технология металлов и конструкционные материалы», Ленинград.:
1986.
6
Лахтин
Ю.М. «Материаловедение», М.: 1990