Технологический маршрут обработки детали вал-шестерня

Обозначения:

Механические свойства :
sв	- Предел кратковременной  прочности , [МПа]
sT	- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной  деформации), [МПа]
d5	- Относительное удлинение при  разрыве , [ % ]
y	- Относительное сужение  , [ % ]
KCU	- Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB	- Твердость по Бринеллю , [МПа]

 

Термическую обработку  детали проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.

Для данной детали - вал-шестерня необходимо выполнить следующие виды термической обработки:

Поковку нормализовать  твердость по Брюнелю 158…229НВ, величина зерна 5…8 по ГОСТ 5639-82, нитроцементировать h 0,4…0,6 твердость зубьев на поверхности 57…63 НRСэ.

Твердость сердцевины нитроцементированного зуба после  закалки 32…46 НRСэ.

Твердость сердцевины нитроцементированного вала не менее 269 НВ.

H14 – обозначение поля допуска отверстия, где цифра характеризует квалитет точности.

 

h14 – обозначение поля допуска вала, где цифра характеризует квалитет точности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава II. Выбор  и обоснование способа получения материала детали, способа разливки

 

Данная деталь  вал-шестерня изготавливается из Стали 25ХГМ.

Тип производства детали серийный (20 тысяч).

Сталь – сплав железа с углеродом и другими примесями, где углерода содержится до 2%.

Основными материалами  для производства стали являются передельный чугун (жидкий и твердый), чугунный и стальной лом (скрап), железная руда, ферросплавы и т.д.

Основные технологические  этапы выплавки стали:

1. Расплавление металлической шихты и нагрев ванны жидкого металла (понижается содержание кремния, марганца, фосфора);
2. Интенсивное окисление элементов (кипение металлической ванны с удалением углерода в виде соединения СО, водорода и азота в атмосферу печи, а также с удалением серы в виде FеS в шлак);
3. Раскисление – проводится с целью снижения содержания кислорода в металлическом расплаве за счет введения в расплав элементов - раскислителей Mn, Si, Аl, при этом идут реакции:

FeO + Mn → MnO + Fe

2FeO + Si → SiO₂ + 2Fe

3FeO + 2Al → Al₂O₃ + 3Fe

 

Выплавку стали осуществляют в мартеновских печах, в кислородных - конвертерах и электропечах.

Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки, сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали.

Недостатки   кислородно-конвертерного способа:   повышенный расход огнеупоров и высокий угар металлов.

Производство стали  в электрических печах — наиболее совершенный способ получения специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 270 т . При электроплавке стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской    печи   или    конвертера.

Для изготовления данной стали 25ХГМ, выбираем дуговую электрическую  печь, т.к. в электродуговой печи можно легко регулировать тепловой процесс, меняя параметры тока; можно создавлениеть окисну, нейтральную и восстановительную атмосферу или вакуум; можно легко получать высоколегированные стали с минимальными потерями легирующих элементов. Сталь, полученная в электродуговых печах, содержит минимальные количества серы, фосфора, газов, неметаллических включений. По качеству она превосходит мартеновскую и кислородно-конвертерную сталь. Поэтому в электродуговых печах получают, в первую очередь, ответственные высококачественные стали (высокопрочные, коррозионностойкие, жаропрочные, инструментальные и др.).

Рис. 1

Через трансформатор  к электродам (9) с помощью гибких кабелей (7) привстает сменный ток ~~842 100-200 В для печей емкостью до 12 тонн и 400-600 В — для печей емкостью 200 и более тонн; сила тока достигает десятков тысяч ампер. Шихту (3) загружают на подину печи (12). Загрузка ферросплавов, шлакообразующих, взятие проб металла и шлаков осуществляется через рабочее окно (10) в стенке корпуса. Печь опирается секторами днища на ролики (11) и имеет повод для наклона в сторону рабочего окна (10) (выпуск шлаков самотеком) или желоба (2) (выпуск стали из печи). Основную массу шихты составляет стальной скрап ( до 90%), другое — передельный чугун в редком или твердом виде (кроме железосодержащей шихты используют ферросплавы, содержание которых может достигать 50% от общей массы металлической шихты).

 

Из плавильной печи сталь  выпускается в стопорный ковш или сначала в установку для  внепечной обработки (рафинирование), а потом в стопорный ковш. Последний предназначенный для порционного разливания стали, для чего имеет в своем днище отверстие, которое закрывается и приоткрывается с помощью стопорного устройства. В ковш обычно выпускают всю плавкую, наиболее большие ковши имеют вместительность до 400 тонн. С помощью мостового крана сталь в ковшах транспортируется к месту разливания.

Процесс разливки стали включает подготовку жидкой стали  к разливке, ее транспортировку от сталеплавильного агрегата до места разливки и непосредственную заливку стали в формы с целью получения отливок заданных параметров по линейным размерам, форме, весу, механическим свойствам и требуемой структуры.

 

 

 

Основной особенностью, которую  следует учитывать при разливке стали, является то, что она имеет меньшую жидкотекучесть, чем чугун, повышенную усадку - линейную 2% и объемную 6%.

Применяют три основных способа  разливки стали:

1. в изложницы сверху;
2. в изложницы снизу;
3. на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Способ разливки в  значительной степени зависит от типа производства детали (единичного, серийного, массового).

В данной работе серийный тип производства, следовательно, преимущественнее применить непрерывный способ разливки стали.

Непрерывная разливка стали - процесс получения из жидкой стали слитков - заготовок (для дальнейшей прокатки, ковки или прессования), формируемых непрерывно по мере поступления жидкого металла с одной стороны изложницы - кристаллизатора и удаления частично затвердевшей заготовки с противоположной стороны. При этом следует отметить, что процессу непрерывного литья подвергают исключительно спокойную сталь, поскольку, ввиду высокой скорости вытягивания, получить удовлетворительное качество поверхности не удается.

Непрерывная разливка стали имеет следующие преимущества перед обычной разливкой: на 10 … 15% сокращается расход металла на 1 т годного проката вследствие уменьшения обрези головной и донной части заготовки, сокращаются капитальные затраты на изготовление парка чугунных изложниц, которые полностью исключаются при данном техпроцессе, отсутствуют участки для подготовки изложниц и извлечения слитков из них, полностью отсутствуют дорогостоящие блюминги и слябинги, на которых крупные слитки обжимаются в заготовку для последующей прокатки; создаются условия для полной механизации и автоматизации процесса разливки; благодаря ускорению затвердевания повышается степень однородности металла, улучшается его качество.

                                                  Рис. 2

Жидкий металл (стрелка 1) из разливочного ковша через промежуточное устройство непрерывно подают в специальную водоохлаждаемую изложницу без дна, называемую кристаллизатором 2, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 5. В процессе работы кристаллизатор совершает небольшое возвратно-поступательное движение для облегчения выхода слитка из кристаллизатора.

Перед началом процесса разливки к кристаллизатору 2 прикрепляют  затравку 3, выполняющую роль временного дна изложницы и связанную  с механизмом валков 4, предназначенных для вытягивания непрерывного слитка 5. Жидкий металл, попадая в кристаллизатор 2 и на затравку 3, охлаждается, затвердевает и образует твердую корку, которая связана с затравкой.  С момента образования прочной корки затравка 3 тянущими валками 4 вытягивается из кристаллизатора вместе с затвердевающим слитком 5, сердцевина 6 которого находится еще значительное время в жидком состоянии. Скорость вытягивания слитков составляет 1-2,5 м/мин.

После выхода из кристаллизатора  слиток движется вниз (стрелка 7) через зону вторичного охлаждения водой, чтобы как можно скорее происходило затвердевание жидкого металла в лунке 6. Далее слиток подходит к зоне резки, где разделяется газовым резаком на заготовки определенной длины, которые подаются на прокатные станы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава III. Выбор и обоснование способа получения заготовки

 

 

Основными технологическими процессами получения заготовок  являются литье, обработка давлением и сварка.

На выбор метода получения  заготовки оказывают влияние: материал детали; ее назначение и технические требования на изготовление; объем и серийность выпуска; форма поверхностей и размеры детали.

Сварку как самостоятельный  процесс формообразования заготовки  можно рассматривать только условно, поскольку ее применяют для неразъемного неподвижного соединения отдельных частей заготовки, ранее полученных на основе других процессов.

В данной работе деталь изготавливается  из Стали марки 25ХГМ – легированная конструкционная сталь. Сложная конфигурация детали и низкое литейное свойство данного материала затрудняют процесс получения заготовки литьем.

Заготовки для изготовления валов сложной конфигурации с  большим количеством ступеней, значительно  различающимися по диаметру, в условиях серийного и массового производства целесообразно получать методами пластического деформирования  - горячей объемной штамповкой, поперечно-винтовой прокаткой, обжатием на ротационно-ковочных машинах и др. эти методы обеспечивают получение заготовок близких по форме и размерам к готовой детали, что повышает производительность механической обработки и уменьшает отходы металла, а также получение у заготовок качественной структуры металла с высокой степенью его надежности.

Для данной детали выбран метод горячей объемной штамповки, т.к. применение горячей объемной штамповки экономически целесообразно для тяжелонагруженных деталей ответственного назначения в условиях серийного и массового производства.

 

Главным при выборе заготовки  является обеспечение заданного  качества готовой детали при ее минимальной себестоимости и коэффициент использования материала.

КИМ 1 = ;

V_{исх.заг.}=πR²h = 3,14˟0,17м˟(0,0415м)²=0,000919м³;

M_{заготовки} = ρ˟V_{исх.заг.}= 7,8˟10³˟0,919˟10^-3=7,168кг

КИМ 1=

КИМ 2=

V_пок.=3,14˟0,022²˟0,025+3,14˟0,03²˟0,007+3,14˟0,04²˟0,075+3,14˟0,027²˟

˟0,04+3,14˟0,025²˟0,03=0,00059м³;

  М_{поковки}= ρ˟V_пок=7,8˟10³˟0,59˟10^-3= 4,6кг

КИМ 2=

Т. к. КИМ 2˃КИМ 1 → выбираем для данной детали способ обработки – штамповка.

Объемная штамповка – способ обработки металлов давлением, при котором заготовке придают заданную форму и размеры путем заполнения материалом рабочей полости штампа.

При объемной штамповке  металл деформируют в нагретом и  холодном состоянии. Поэтому различают горячую и холодную объемную штамповку.

При штамповке течение  металла ограничено стенками рабочей  полости штампа и происходит по заданным направлениям до определенного предела. При этом конфигурация и размеры  изготовляемой поковки полностью  определяются формой и размерами рабочей полости штампа. Штамп является специальным инструментом, пригодным для изготовления только одной определенной поковки.

В качестве исходных заготовок  при горячей объемной штамповке  используют горячекатаные и прессованные прутки круглого, квадратного и прямоугольного профиля, а также периодический прокат.

Применяют два основных способа горячей объемной штамповки:

1. штамповку в открытых штампах;
2. штамповку в закрытых штампах.

В открытом штампе по контуру  штамповочного ручья в плоскости  разъема сделана заусенечная канавка. При штамповке заусенечная канавка воспринимает избыточный объем металла заготовки, а образующийся в ней заусенец затрудняет вытеснение металла из ручья штампа, что способствует лучшему оформлению контура поковки. В конечный момент штамповки находящийся в канавке заусенец предохраняет верхнюю и нижнюю части штампа от жесткого соударения, что способствует продлению срока службы штампа.