СОДЕРЖАНИЕ 
 

Введение____________________________________________________________2 

1. Описание изделия___________________________________________________3 

2. Технологический маршрут термообработки штампа нижнего______________ 

3. Выбор  оборудования для термической обработки________________________ 

4. Расчет  основных параметров оборудования_____________________________ 

5. Расчет  нагревательных элементов_____________________________________ 

6. Вспомогательное  оборудование и электрооборудование  агрегата___________ 

Заключение__________________________________________________________ 

Список  литературы___________________________________________________ 

Спецификация________________________________________________________ 

    Введение

    Важнейшая задача машиностроения – улучшение рабочих свойств. Повышение производительности и надежности машин – не может быть эффективно достигнута без упрочнения поверхности деталей машин работающих на истирание при  высоких давлениях и несущих многократные циклические нагрузки.

    Большая роль в повышении качества, надежности и долговечности изделий машиностроительной промышленности принадлежит термической  обработке, которая является наиболее эффективным методом упрочнения металла.

    На  современном оборудовании для термической  обработки можно изменять и получать определенные свойства металла. При химико-термической обработке металл нагревается в среде, насыщающей поверхность металла углеродом, азотом, бором, хромом, и т.д.

    При нагревании металла в насыщающей атмосфере полностью исключается взаимодействие нагреваемого металла с воздухом и. следовательно, его окисление. Для нагревания в насыщающей атмосфере используют герметичные печи, обогреваемые электрическими нагревателями сопротивления или природным газом, сжигаемым  в специальных радиационных трубах, размещенных в рабочем пространстве печи.

    Современное оборудование для термической обработки  металлов – это высокомеханизированное и автоматизированное оборудование, оснащенное всей необходимой аппаратурой, обеспечивающей получение продукции высокого качества. 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Описание изделия.

    В данном курсовом проекте спроектировано оборудование для термической обработки штампа нижнего железнодорожного колеса. Эти штампы, а также другие детали выпускаются на заводе ЗАО «РЗСИТО».

    Основными технологическими операциями горячего деформирования являются: объемная штамповка (прессование, высадка, калибровка и др.), формовка, гибка, резка, свободная ковка на молотах. Наиболее тяжелонагруженные из них - операции прессования, высадки и точной штамповки.

    При штамповке в горячем состоянии  штампуемый металл под действием  сближающихся половинок штампа деформируется  и заполняет внутреннюю полость  штампа. В работе внутренняя полость  штампа («фигура»), которая деформирует  металл, соприкасается с нагретым металлом, поэтому штамповая сталь для горячей штамповки должна обладать не только определенными механическими свойствами в холодном состоянии, но и достаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии. Особенно желательно иметь высокий предел текучести (упругости), чтобы при высоких давлениях штамп не деформировался. Для кузнечных штампов большое значение имеет и вязкость, чтобы штамп не разрушился во время работы при ударах по деформируемому металлу. Устойчивость против износа во всех случаях очень важна, так как она обеспечивает сохранение размеров «фигуры» — долговечность работы штампа.

    Для горячего деформирования используют штамповочные молоты и кривошипные машины различных  конструкций (прессы, горизонтально-ковочные машины и т.д.). Скорость деформирования при штамповке на молотах значительно выше, чем при штамповке на кривошипных машинах. Для первых она составляет 5-8 м/с, для вторых 0,5 - 1,0 м/с. Фрикционные прессы по скорости деформирования занимают промежуточное положение. В последние годы появился новый технологический процесс - высокоскоростная штамповка, которая занимает одно из первых мест среди прогрессивных процессов обработки металлов давлением, так как позволяет изготавливать поковки сложной конфигурации и высокой точности из многих конструкционных (в том числе труднодеформируемых) сталей и сплавов. Штамповку в этом случае осуществляют на высокоскоростных молотах и гидровинтовых прессах, начальная скорость деформирования которых составляет до 10 -30 м/с.

    По  условиям работы штамповые инструменты для горячего деформирования можно разделить на три основные группы:

    - прессовые инструменты - работают  в условиях сравнительно медленного  нагружения, что приводит к длительному  контакту с заготовкой и соответственно  значительному разогреву их поверхности;

    - инструменты молотовых штампов  - работают в условиях ударного  нагружения, при этом вследствие  кратковременного контакта инструментов  с заготовкой их поверхность  разогревается до более низких  температур, чем прессовых;

    - инструменты для высокоскоростного деформирования - претерпевают высокие ударные нагрузки и удельные давления. Принципиальным отличием в условиях их работы является кратковременность теплового и силового взаимодействия.

    Таким образом, можно указать на следующие  основные характерные особенности работы инструментов при горячем деформировании:

    1) высокий разогрев штамповых инструментов  в процессе работы. По данным  Ю.А. Геллера, С.И.Бельского, Н.Ф.Меркулова  и др., температура поверхностных  слоев (толщиной до 0,6 - 1,0 мм) штамповых инструментов скоростных молотов и прессов может достигать при штамповке жаропрочных и других труднодеформируемых материалов 650 - 750°С; при этом основная масса штампа остается  прогретой до 400 - 500°С. При некоторых процессах горячего прессования поверхностный слой рабочих частей глубиной в несколько микрон разогревается до 900 - 1000°С. Максимальные температуры разогрева поверхностных слоев рабочих частей молотовых штампов достигают, по данным тех же исследователей, 500 – 550°С.

    Значительное  влияние на тепловой баланс штамповых инструментов и особенно их рабочих поверхностей оказывают тип и качество смазки, а также метод и интенсивность охлаждения;

    2) одновременное воздействие циклически  изменяющихся температур и давлений. Наложение рабочих (т.е. обусловленных сопротивлением деформированию материала заготовок) и термических напряжений в сочетании с конструктивно неизбежными (резкие переходы, местные углубления и т.п.) и технологическими (подрезы, риски) концентраторами способствует возникновению в теле штампа сложного напряженного состояния;

    3) большие удельные давления на  инструмент. Они зависят от вида  штампуемого материала, температуры  нагрева, конфигурации детали, качества  смазки, степени удаления окалины,  величины износа штампа и т.п.

    Сопротивление деформированию сталей и сплавов в значительной степени зависит от скорости деформирования (с повышением скорости- сопротивление деформированию, как правило, возрастает). Эта зависимость в общем виде выражается следующим образом:

     ,

    где у и у₀-напряжения, соответствующие скоростям деформирования V и V₀;

    n — коэффициент, зависящий от типа материала и температуры деформирования.

    Поэтому удельные давления при штамповке  на молотах выше, чем на прессах, а средние удельные давления при скоростном деформировании намного превышают таковые при штамповке на прессах и молотах и составляют от 30 до 90 кгс/мм² при деформировании алюминиевых сплавов и конструкционных сталей и свыше 100 -150 кгс/мм² - труднодеформируемых сталей и сплавов.

    Величина  и характер распределения возникающих в инструментах (в процессе деформирования) напряжений зависят главным образом от конструктивных особенностей инструментов и значений удельных давлений.

    Наиболее  простая конфигурация характерна для  инструментов холодного и горячего прессования (выдавливания), а также некоторых типов пуансонов, выталкивателей и прошивников для горячего объемного деформирования. Такие инструменты имеют, как правило, осесимметричную форму и характеризуются (при качественном изготовлении) наличием сравнительно небольшого количества мест, способных служить эффективными концентраторами напряжений. Детали типа пуансонов, выталкивателей, прошивников и т.д. работают в условиях сжатия (одноосного или неравномерно всестороннего) и продольного изгиба. Как было отмечено, величина удельных давлений при горячей штамповке до 30 - 90 кгс/мм² и более.

    Исследования, проведенные с помощью метода фотоупругости, показали, что поле напряжений, возникающее в правильно сконструированных  и тщательно изготовленных пуансонах (выталкивателях), характеризуется сравнительной однородностью. Однако и в инструментах простой конфигурации имеются отдельные участки (торны, места сопряжения рабочих и посадочных поверхностей и т.д.), в которых локальные напряжения могут превышать значения средних удельных давлений. Перераспределение действующих на инструмент нагрузок и возникновение локальных напряжений характерны и для штампов (вставок), используемых при горячем объемном деформировании; по этой причине величина напряжений в отдельных участках гравюры может значительно превосходить средние удельные давления, что способствует преждевременному выходу инструментов из строя.

    Возникновение в процессе штамповки значительных температурных градиентов по сечению  инструментов, а также циклический  характер теплового воздействия в сочетании с циклически изменяющимися напряжениями (вызывающими развитие пластической деформации в микрообъемах) способствует значительному возрастанию скорости диффузионных процессов и существенно ускоряет тепловое разупрочнение, а соответственно и выход инструментов из строя.

    В таблице 2 приведены примеры средней  стойкости и основные причины  выхода из строя штамповых инструментов для горячего деформирования.

    Таблица 1. Cтойкость и причины выхода из строя штамповых вставок

      Анализ этих результатов, данных  заводской практики, а также исследований  свидетельствует, что в ряде  случаев стойкость тяжелонагруженных  инструментов весьма близка к пределу, ниже которого получение деталей обработкой давлением становится малорентабельным. 

    Требуемые эксплуатационные и  механические свойства.

    Материал  штампов соприкасается с горячим  металлом и нагревается, причем нагрев чередуется с охлаждением. Эффективность  использования таких прогрессивных  методов точного формообразования, как горячая объемная штамповка, прессование и литье под давлением, зависит от стойкости инструмента. С расширением номенклатуры обрабатываемых сплавов, увеличением производительности и мощности оборудования формообразующий инструмент испытывает возрастающие нагрузки. Требования к материалу инструмента непрерывно растут.

    Материал  для горячих штампов должен удовлетворять  комплексу требований. К ним в  первую очередь относятся высокая  прочность (не менее 1000 МПа), необходимая  для сохранения формы штампа при  высоких удельных давлениях во время деформирования, и высокая теплостойкость, позволяющая сохранить высокие твердость и прочностные свойства при длительном температурном воздействии. В рабочих условиях штамп должен деформировать заготовку, а не наоборот — заготовка деформировать штамп. Стали должны иметь достаточную вязкость для предупреждения поломок при ударном нагружении. Они должны обладать высоким сопротивлением термической усталости (разгаростойкости), сохраняя способность выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования сетки трещин. Горячештамповые стали должны иметь хорошую окалиностойкость и высокую прокаливаемость для обеспечения необходимых механических свойств по всему сечению, что особенно важно для массивных штампов.

    В соответствии с указанными требованиями для штампов горячего формообразования применяют легированные стали, содержащие 0,3—0,6 % углерода, подвергаемые закалке и отпуску при 550—680°С с целью получения трооститной и трооститно-сорбитной структуры.

    Для молотовых штампов применяют сталь 5ХНМ и ее аналоги: 5ХНВ, 5ХНТ, 5ХГМ. После закалки и отпуска при 550 °С сталь 5ХНМ при комнатной температуре имеет следующие механические свойства: σ_в = 1200-1300 МПа, δ= 10—12%, КСЦ = 0,4 МДж/м². При нагреве до 500 °С σ_в = 850-900 МПа. При температурах эксплуатации выше 500 °С стойкость инструмента из стали 5ХНМ резко падает.

    Высокая стойкость инструмента и наиболее эффективные методы его производства (изготовления) определяются соответственно основными и технологическими свойствами штамповых сталей.

    Основные  свойства сталей:

    1) высокая теплостойкость, определяющая  сопротивление стали пластической  деформации, смятию при нагреве  и характеризующаяся пределом  текучести сталей при температурах  деформирования; теплостойкость чаще  всего условно определяется температурой четырехчасового отпуска, после которого твердость стали составляет HRC 45;

    2) высокая вязкость, определяющая  сопротивление стали хрупкому  разрушению, которое проявляется  в образовании макротрещин и  трещин разгара, характеризуется,  чаще всего, ударной вязкостью;

    3) окалиностойкость и сопротивление  коррозии под напряжением, характеризующие  сопротивление стали износу, протекающему  в результате образования окалины  и химического взаимодействия  штампа и обрабатываемого материала.

    Технологические свойства сталей:

1. минимальная деформация при термической обработке;
2. широкий интервал закалочных температур;
3. высокая закаливаемость и прокаливаемость;
4. устойчивость против обезуглероживания и окисления;
5. удовлетворительная обрабатываемость давлением и резанием;
6. удовлетворительная шлифуемость.

Теоретическое обоснование выбора марки стали для матрицы (штампа горячего деформирования)

         При выборе сталей для  штампового инструмента необходимо учитывать условия работы и конструкцию  штампов, а также характер производства. Для массового производства выбирают, как правило, высококачественные стали, обеспечивающие высокую стойкость, что обуславливает уменьшение времени на смену и переналадку инструмента.

         При серийном производстве или при изготовлении деталей  малыми партиями выгоднее применять более дешевые стали. Поэтому необходимо учитывать размеры инструмента.

         Так же при выборе марки стали для штампового инструмента  руководствуются их механическими, эксплуатационными и технологическими свойствами, которые будут рассмотрены ниже, а также химическим составом.

         Для изготовления изделия, данного в задании (пуансона-матрицы) подходят несколько сталей: 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, 4Х5В2ФС, которые подходят для  работы в условиях ударных нагрузок, сопровождающихся нагревом. Сравним  их свойства.

         Таблица 2. Химический состав некоторых сталей.

       Таблица 4. Механические свойства сталей для  штампов горячего деформирования.

       Из-за высокой прокаливаемости она  может применяться для изготовления даже крупных (наибольшая сторона призматических заготовок 400-500 мм) штампов сложной формы. 5ХНМ сохраняет достаточно высокие механические свойства (σ_в=900 МПа, σ_0,2=650 МПа) до 500⁰С.

       Сталь 5ХГМ при одинаковой со сталью 5ХНМ  прокаливаемостью уступает ей в вязкости. Она предназначена для средних штампов (наибольшая сторона заготовок 300-400 мм).

       По  стойкости сталь 5ХНВ равноценна 5ХНМ, но имеет более низкую прокаливаемость, так как вольфрам повышает ее слабее, чем молибден. Эту сталь можно применять для изготовления небольших (сторона заготовок ~ 200 мм) и средних штампов.

       Сталь 4Х5В2ФС также обладают высокой прокаливаемостью и механическими свойствами, но очень дорогая.

       На  основании этих данных делаем вывод, что наиболее подходящая сталь – 5ХНМ. Она может иметь необходимую нам твердость, механические свойства, а так же наиболее выгодна с экономической точки зрения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. Технологический маршрут термообработки штампа нижнего железнодорожного колеса.

       Операции:

       Входной контроль.

       Контроль  внешнего вида (изделие должно быть чистым, без следов масла, грязи, ржавчины, забоин и трещин), острые кромки притуплены фаской.

       Закалка

1. Установить 1 «кольцо» на приспособление

2. Установить второе кольцо сверху первого, переложив 2-мя технологическими

прокладками-планками (Рисунок 1)

3. Установить приспособление с деталями на загрузчике печи

4. Загрузить деталь в печь, прогретую до 650±30 °С

5. Выдержать при установленной температуре 3 часа

6. Поднять температуру в печи до 860°- 880 °С

7. Выдержать детали при температуре закалки 3,5 часа

8. Выгрузить из печи

9. Охладить в масле ( tмасла 30-50° С) при принудительной циркуляции 20 минут