Анализ работы хвостового прямозубого долбяка

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. АНАЛИЗ РАБОТЫ ДЕТАЛИ «Долбяк хвостовой прямозубый»…………………………………………………..3
2. Выбор материала………………...............................................3
3. Требования предъявляемые к материалу.…………...………9
4. Расчет термообработки……..………………………….……23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ГРАФИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ.

 

Номер п/п	Наименование документа	Обозначение документа	Формат
1	Долбяк хвостовой прямозубый	15 01 01 – 01	А2
2	Выбор материала долбяка	15 01 01 – 02	А1
3	Схема цикла термической обработки долбяка	15 01 01 – 03	А2

 

 

 

1. Анализ работы хвостового прямозубого долбяка

 

Зуборезные долбяки применяют для нарезания зубчатых колес с наружными и внутренними зубьями, с прямыми, винтовыми и с наружными шевронными зубьями.

Зубодолбление преимущественно применяют для колес с внутренним зацеплением, блочных колес, колес с закрытыми зубчатыми венцами и колес с небольшим количеством зубьев.

Долбяки имеют вид зубчатого колеса с изменяющимся по длине зубом, смещением исходного контура (высотной коррекцией), контур торца зубчатого венца является режущей кромкой. Долбяки работают по принципу обката. Изменение высотной коррекции по длине зуба обеспечивает образование задних углов на лезвиях зубьев.

Долбяки образуют зубья колеса методом огибания; профиль их зубьев соответствует для нарезаемого колеса, для обработки колес с эвольвентными зубьями он тоже имеет эвольвентную форму.

Размеры долбяков для нарезания прямозубых и косозубых колес и технические условия для их изготовления регламентированы ГОСТ 19265-73.

Заданная деталь выполнен из быстрорежущей стали  и служит для нарезания зубчатых колес с прямыми зубьями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор материала.

 

Марка стали	Предел прочности, Н/мм	Красностойкость 620 С	Обработка резанием, К	Шлифу-емость	Прока-ливае-мость,мм	Корро-зийная стой-кость
Р18	2600-3000	62-64HRC	0,3	Повышенная	1-3	4
Р12	2600-3500	61-64HRC	0,4	Удовл.	1-3	4
Р9	2600-3200	Более 64HRC	0,6	Пониженная	1-3	4
Р6М3	3200-3600	61-64HRC	0,6	Пониженная	2-4	4
Р6М5	3200-3600	63-65HRC	0,6	Пониженная	2-4	4

 

3. Требования, предъявляемые к материалу для изготовления детали.

 

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, обеспечивающей сохранение режущей кромки инструмента, достаточной прочностью и вязкостью.

Условия работы инструмента зависят от режимов резания и свойств нагреваемого материала. Чем больше скорость резания, сечение снимаемой стружки, а также прочность и вязкость обрабатываемого материала, тем выше температура нагрева режущей кромки инструмента.

Режущие кромки инструмента могут нагреваться до 500 – 900 ºС. В этих случаях основным свойством инструментальных материалов является теплостойкость, (то есть способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве). От теплостойкости материала  зависит производительность резания.

Этот комплекс свойств обеспечивается выбором стали и оптимальным режимом термической обработки. При этом важное значение имеет прокаливаемость стали.

Для обработки сталей и чугунов применяют инструменты из быстрорежущей стали.  Быстрорежущие стали получили свое название за свои свойства. Вследствие высокой теплостойкости (550-600°С) инструменты могут работать со скоростями резания, в 3-4 раза большими, чем инструменты из углеродистых и легированных сталей.

Быстрорежущие стали содержат 0,7-1,5 % С, до 18% W, являющегося основным легирующим элементом в стали. Они обладают высокой прочностью, ударной вязкостью и трещиностойкостью, высокой теплостойкостью.

Высокая теплостойкость объясняется следующими особенностями.  Для сохранения твердости при нагреве быстрорежущую сталь легируют такими элементами, карбиды которых образуются и коагулируют при более высоких температурах, чем карбиды в углеродистых сталях. Такими легирующими элементами являются вольфрам (основной такой легирующий элемент), хром, ванадий кобальт и др. Они образуют сложные карбиды, связывающие почти весь углерод в стали.

Кроме того, добавление ванадия повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650°С и вторичную твердость до НRС 67-70.

Высокую твердость и теплостойкость быстрорежущие стали приобретают после термической обработки.

Для обработки неупрочненных сталей и чугуна, а также цветных металлов и сплавов применяют низколегированные быстрорежущие стали с суммарным содержанием вольфрама и молибдена, не превышающим 5-6%, наиболее высокими свойствами в этой группе сталей обладают стали Р2М5 и 11М5Ф.

Для обработки сталей, имеющих твердость более 280-300НВ (т.е. сталей, прошедших улучшение и имеющих после проведения термообработки, закалки и отпуска  повышенную твердость) применяют инструменты из быстрорежущей стали такие как Р18, Р12, Р9, Р9Ф5 (вольфрамовые) и Р6М5, Р6М3 (вольфрамомолибденовые), сохраняющие твердость не ниже 58НRС до 620оС.  Это стали нормальной производительности, при одинаковой теплостойкости отличающиеся главным образом механическими и технологическими свойствами.

К сталям повышенной производительности относят стали Р12Ф3, Р12Ф3М8 (ванадиевые); Р18Ф2К5, Р6М5К5, Р9М5К5 (кобальтовые), В11М7К23, В4М2К23 (с интерметаллидным упрочнением).

Основные требования, предъявляемые к материалу для изготовления детали  «Долбяк хвостовой прямозубый» - это высокая горячая твердость (твердость в горячем состоянии) и красностойкость (насколько эта твердость сохранится во времени). (Гуляев, стр. 360)

Красностойкость – это способность сохранять высокую твердость, прочность и износостойкость при температуре до 600 °С. Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при местных контактных воздействиях в поверхностном слое.

Для изготовления  можно применить, кроме заданной марки  Р18, сталь Р6М5.

Химический состав данных марок стали приведен в таблице 1.

 

По теплостойкости (красностойкости) эти стали примерно одинаковы, различаются лишь технологическими свойствами.

Рассмотрим сталь Р6М5. Ее применяют как заменитель быстрорежущей стали Р18 в связи с дефицитом вольфрама и его дороговизной.

Сталь Р6М5 относится к быстрорежущим сталям нормальной производительности по ГОСТ 19265-73, предназначена для изготовления универсального инструмента для обработки сталей (σВ до 800 – 1000 МПа), чугунов (твердостью до 255 – 280 НВ) и цветных металлов и сплавов, обладающих хорошей обрабатываемостью (медных, алюминиевых, цинковых).

 

Таблица 1. Химический состав сталей Р18, Р6М5

 

Марка стали	С	Cr	W	V	Mo	Si	Mn	Ni		Со		S	Р
						Не более
Р18	0,73-0,83	3,80-4,40	17,0-18,5	1,0-1,4	Не более 1,0	0,5	0,5	0,4	0,5		0,03			0,03
Р6М5	0,8-0,88	3,8-4,4	5,5-6,5	1,7-2,1	5,3-5,5	0,5	0,4	0,4	-		0,025			0,035

 

Таблица 2 Температура закалки, состав γ-твердого раствора и красностойкость быстрорежущих сталей Р18, Р9 и Р6М5.

 

Сталь	Температура закалки, оС	Состав твердого раствора, % (атомн.)				Остаточн. аустенит	Красностойкость оС
		W	Mo	V	Cr
Р18	1280	3	-	1	4	30	620
Р6М5	1220	1	2	1	4		620

 

Рассмотрим сталь Р6М5. Ее применяют как заменитель быстрорежущей стали Р18 в связи с дефицитом вольфрама и его дороговизной.

Сталь Р6М5 относится к быстрорежущим сталям нормальной производительности по ГОСТ 19265-73, предназначена для изготовления универсального инструмента для обработки сталей (σВ до 800 – 1000 МПа), чугунов (твердостью до 255 – 280 НВ) и цветных металлов и сплавов, обладающих хорошей обрабатываемостью (медных, алюминиевых, цинковых).

Данная сталь относится к карбидному (ледебуритному) классу.

Для снижения твердости, улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке после ковки быстрорежущую сталь Р6М5 подвергают отжигу при 800 – 830 ºС. Фазовый состав в отожженном состоянии представляет собой легированный феррит (78% по массе) и карбиды  типа М6С, М23С6, МС, М3С (22% по массе).

Для придания стали теплостойкости инструмент подвергают закалке и многократному отпуску. Температура закалки стали Р6М5  1210 – 1230 ºС. Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения вторичных карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Это обеспечивает повышение прокаливаемости, а также получение после закалки мартенсита. Для быстрорежущих сталей характерно сохранение мелкого зерна. Во избежание образования трещин при нагреве до температуры закалки применяют подогрев.

Высоколегированный аустенит, полученный при нагреве под закалку, обладает большой устойчивостью, поэтому охлаждающей средой при закалке является масло или горячие среды.

Структура стали Р6М5 после закалки представляет собой высоколегированный мартенсит, нерастворенные избыточные карбиды и остаточный аустенит (28-34%). Остаточный аустенит понижает механические свойства стали, ухудшает её шлифуемость и стабильность размеров инструмента. Поэтому его присутствие в готовом инструменте нежелательно.

После закалки следует отпуск, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов, главным образом М6С. Для полноты процесса применяют многократный отпуск. Для стали Р6М5 оптимальный режим отпуска, обеспечивающий наибольшую твердость и высокие механические свойства: 350 ºС, 1 ч (первый отпуск) и 560-570 ºС по 1 ч (последующие два отпуска). Получение более высокой твердости объясняется тем, что при 350 ºС выделяются частицы цементита, равномерно распределенные в стали. Это способствует более однородному выделению и распределению специальных карбидов М6С при 560 – 570 ºС. Твердость стали после закалки составляет 62 – 63 HRC, а после отпуска HRC 63 – 65. Но в связи с тем, что в химическом составе стали присутствует молибден, то данная сталь при проведении термообработки склонна к обезуглероживанию, что крайне нежелательно и экономически невыгодно, т. к. необходимо увеличивать припуска под механическую обработку.

 

Таким образом, для фасонных и сложных инструментов, к которым относится инструмент «Долбяк хвостовой пямозубый» необходимо применять быстрорежущую сталь Р18.

 

Таблица 3.

Механические свойства стали Р18 в состоянии поставки (после отжига) при 200С

s0,05, МПа	s0,2, МПа	sв, МПа	d, %	y, %	sсж.0,2, МПа	sсж, МПа	ε, %	τк, МПа	Υ, %	КСU, Дж/см2
210	510	840	8	10	520	2600	50	560	50	19

 

 

 

Таблица 4.

 Механические свойства стали  Р18 после термической обработки

s0,05, МПа	sв, МПа	sсж.0,2, МПа	sсж, МПа	τк, МПа	sизг, МПа	КСU, Дж/см2
2480	2150	3060	3820	1880	3000	30

 

 

Таблица 5

Механические свойства стали Р18 в состоянии поставки (после отжига) при повышенных температурах

 

Тиспытания, оС	s0,2, МПа	sв, МПа	d, %	y, %	τк, МПа	sсж, МПа	КСU, Дж/см2	НВ
200	450	830	13	22	520	1050	-	227
400	420	700	15	22	450	850	-	210
600	300	480	31	55	300	620	-	140
800	110	200	60	70	100	100	-	30
1000	90	100	42	55	50	50	100	24
1100	-	-	-	-	-	-	130	-
1200	30	30	12	25	40	40	45	4

 

Таблица 6

Механические свойства стали Р18 в термообработанном состоянии при повышенных температурах

 

Тиспытания	sизг., МПа	НV	НRC
200	3570	815	64
400	3730	755	62
500	3290	712	60
550	3060	661	58
600	2430	615	56
650	2180	504	51

 

Технологические свойства стали Р18:

Температура ковки: начала 1200, конца 900. Охлаждение в колодцах при  750–800 оС.

 

4. Расчет режима термообработки.

 

4.1 Расчет физических параметров  долбяка

 

Для расчета времени и параметров термообработки необходимо получить данные, которые не были в условии задания: масса и площадь поверхности.

 

4.1.1 Расчет массы долбяка

 

Для определения массы используем формулу:

 

M = ρ·V.

 

Плотность материала известна, найдем объем детали. Для этого необходимо разделить деталь на простые геометрические тела и отбросить зубья, посчитав их объем (как объем прямых треугольных призм) в конце расчета и прибавить к основному объему долбяка.

Рис. 1. Упрощенная схема долбяка при расчетах.

 

 

 

Рис. 2. Упрощенная схема зуба долбяка при расчетах.

 

Таким образом, свели расчет объема сложной фигуры к расчету объемов цилиндра, усеченного конуса и треугольной прямой призмы:

 

Vдолб. = Vцил. + Vус. кон. +9·V призм

 

Vцил = πr2h

 

Vцил = 3,14·62·66 = 207,24·36 = 7460,64 мм3

 

Vус. кон. = (πH·(r2 + Rr + R2))/3

 

Vус. кон. = (3,14·15·(92 + 11·9 + 112))/3 = (47,1·(81+99+121))/3 =

 

47,1·301/3 = 4725,7 мм3

 

Vпризм. = Sосн. ·h = 0,5·Hтреуг.·Lосн. треуг.·h

 

Vпризм. = 0,5·6,5·5·15 = 243,75 мм3

 

Vдолб. = 7460,64 + 4725,7 +9·243,75 = 12186,34+ 2193,75 =

 

= 14380,09мм3 = 14380,09·10-9 м3

 

M = ρ·V, при ρ = 8800 кг/м3

 

M = 8800·14380,09·10-9= 126 544 792·10-9 ≈ 0,126545 кг

 

4.1.2 Расчет площади поверхности  долбяка

 

Для расчета площади поверхности долбяка, рассчитаем полные площади поверхностей основания без зубьев (см. рис. 1), и полную площадь поверхности зубьев долбяка. Необходимо учесть в расчетах сопряжения тел, т.е. вычесть те площади граней тел, которые наложены друг на друга:

 

Sдолб. = (Sцил. + Sус. кон. +9·S призм) – 2·(Sцилиндр-ус. конус + 9·Sус. конус- призма)

 

Sцил. = 2πRH + 2πR2

 

Sцил. = 2·3,14·6·66 + 2·3,14·662 = 2486,88+ 27355,68 = 29842,56 мм2

 

Sус. кон = πR2 + πr2 + π·(R + r)·h

 

Sус. кон = 3,14·112 + 3,14·92 + 3,14·(11 + 9)15 = 379,94 + 254,34 + 942 =

= 1576,28 мм2

 

Sпризм = Sбок. + 2Sосн. =Pосн·h + 2·0,5·Hтреуг.·Lосн. треуг

 

Sпризм = Pосн·h + 2·0,5·Hтреуг.·Lосн. треуг = 18,56·15 + 6,5·5 = 278,4 + 32,5 =

 

= 310,9 мм2

 

Sцилиндр-ус. кон = πr2ц

 

Sцилиндр-ус. кон = 3,14·62 = 113,04 мм2

 

Sус. конус-призма =Hп.·Lосн. треуг

 

Sус. конус-призма =15·5 = 75 мм2

 

Sдолб. = (29842,56 + 1576,28 + 9·310,9) –2·(113,04 + 9·75)=

= (31418,84 + 2798,1) – 1576,08 = 32640,86 мм2

 

Sдолб. = 32640,86·10-6 м2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Нагрев для закалки.

коэффициент теплоотдачи

масса долбяка

радиус долбяка

активн. поверх-ть

плотность стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициент теплопроводности

теплоёмкость

коэффициент температуропроводности

критерий Био

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 Нагрев для закалки

 

 

масса долбяка

коэффициент теплоотдачи

радиус долбяка

активн. поверх-ть

плотность стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициент теплопроводности

теплоёмкость

коэффициент температуропроводности

критерий Био

конечное время нагрева вала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 Нагрев для закалки.

 

 

 

коэффициент теплоотдачи

радиус долбяка

плотность стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициент теплопроводности

теплоёмкость

коэффициент температуропроводности

критерий Био

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

первое значение корня трансцендентного уравнения

упрощённые значения функций Бессеся

 

 

 

 

 

 

 

функции изменения температуры

от времени

График 1

упрощённое значение функций Бессеся

для точки, отстоящей от поверхности на 10 см

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конечное время нагрева вала

 

 

 

 

 

 

4.4 Охлаждение для закалки

 

 

коэффициент теплоотдачи

масса долбяка

радиус долбяка

плотность стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициент теплопроводности

теплоёмкость

коэффициент температуропроводности

критерий Био

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.5 Нагрев для отпуска .

 

 

 

 

 

коэффициент теплоотдачи

масса долбяка

радиус долбяка

плотность стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициент теплопроводности

теплоёмкость

коэффициент температуропроводности

критерий Био

конечное время нагрева вала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.6 Охлаждение для отпуска

 

 

коэффициент теплоотдачи