Технологический процесс термической обработки колеса зубчатого

Федеральное агентство  по образованию РФ

Сибирская государственная  автомобильно-дорожная академия

                                                  (СибАДИ)

                                       Сургутский филиал

 

 

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная  записка к курсовой работе

по материаловедению и ТКМ

 

 

 

 

 

Тема: Технологический процесс термической обработки колеса зубчатого

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Выполнил:

  Группа:

  Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    

 

                                                   Сургут – 2011

 

 

Федеральное агентство по образованию  РФ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

                                                       (СибАДИ)

                                                  Сургутский филиал

 

 

Задание

на курсовой проект по материаловедению и ТКМ

 

 

 

 

Студенту  АТ факультета АТХ   группы 110

 

________________________________________________

(Ф.И.О.)

 

 

 

Разработать технологический  процесс термической обработки 

колеса зубчатого

 

 

Исходные данные:

Вариант – 6а

Материал детали - Сталь 30Х2НВФА

Метод упрочнения (термообработки) – Азотирование

Термообрабатываемая поверхность – Зубья

Глубина упрочняемого слоя, мм - 0,35...0,5

Твердость - 64...66 HRC

 

 

Объём курсового проекта: пояснительная записка 22 листа; графический материал 2 листа формата А4

 

 

Дата выдачи: "___" _________2010 г.

 

Срок выполнения: "___" ________2010 г.

 

Студент __________________ (Роспись).

 

 

 

                                      Сургут – 2011

 

 

Оглавление работы:

1. Введение

1.1. Определение типа  производства

1.2. Выбор материала  для изготовления детали:

1.2.1. Описание эксплуатационных  требований

1.2.2. Описание технологических  требований

1.2.3. Описание экономических  требований

2. Обоснование способа  получения заготовки

3. Разработка технологического  маршрута изготовления детали

4. Разработка чертежа  заготовки: 

4.1. определение класса  точности поковки;

4.2. определение группы  стали;

4.3. определение степени  сложности поковки;

4.4. определение массы  заготовки

4.5. выбор конфигурации поверхности разъема штампа;

4.6. определение исходного  индекса;

4.7. выбор припусков  на механическую обработку;

4.8. определение допусков  на размеры поковки;

4.9. выбор кузнечных  напусков.

5. Разработка технологического  процесса Т.О.:

5.1. Последовательность операций и назначение режима

5.2. Выбор технологического  оборудования и контроль качества 

6. Операционная кapтa

7. Список используемой  литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение является главной отраслью народного хозяйства, которая определяет возможность развития других отраслей.

Машиностроение –  комплекс отраслей промышленности, изготовляющих  орудия труда, транспортные средства, а также предметы потре6ления  и продукцию оборонного назначения. Уровень развития машиностроения определяет производительность труда в целом, качество продукции других отраслей промышленности, о6ороноспособность страны. Машиностроение – техническая основа интенсификации материального производства и база повышения его эффективности. Оно призвано играть ведущую роль в ускорении научно-технического прогресса.

Машиностроение должно развиваться опережающими темпами: предусматривается ускоренное развитие производства приборов и средств  автоматизации, вычислительной техники, прогрессивных видов металлоо6рабатывающего и электротехнического оборудования, приборов и аппаратов для атомных электростанций и химической промышленности, сельхозмашин, машин для легкой и пищевой промышленности, транспорта. Наряду с созданием систем и комплексов машин, оборудования и приборов для комплексного технического перевооружения, автоматизации и механизации отдельных отраслей производства, важнейшей задачей машиностроения является создание машин и агрегатов большой единичной мощности для металлургии, угольной, горнодо6ывающей, химической и нефтяной промышленности, энергетики и других отраслей. Наиболее важной частью машиностроения является станкостроительная промышленность, о6еспечивающая машиностроение и другие отрасли металлообрабатывающими станками, кузнечно-прессовым и литейным оборудованием, режущими и измерительными инструментами. Опережающие темпы роста машиностроения позволяют резко увеличить выпуск многих видов изделий, используемых в 6ыту. Отрасль машиностроения охватывает десятки тысяч о6ъединений, заводов, конструкторских и технологических 6юро и научно-исследовательских институтов. Удельный вес продукции машиностроения в о6щем объеме продукции промышленности превышает одну четверть.

Решение этих задач невозможно без совершенствования применяемых  конструкционных материалов и без создания новых, более совершенных.

Основными направлениями  научно-технического прогресса в  промышленности являются: электрификация производства — широкое применение электрической энергии в технологических  процессах и двигательных устройствах, в средствах управления производством, широкое развитие и внедрение радиоэлектроники; химизация производства,  отличающаяся расширением сырьевой базы промышленности, разработкой и внедрением химических материалов и методов обработки; комплексная механизация и автоматизация производства — замена ручного труда механизмами, переход от механизации отдельных операций к комплексной механизации всего процесса труда, разработка и внедрение в производство автоматизированных систем управления (АСУ) и промышленных роботов, которые завершают комплексную автоматизацию производственных процессов, освобождая человека от участия в процессе производства и возлагая на него функции контроля и оперативного управления, требующие высокой квалификации, создание гибких автоматизированных производственных систем (ГАПС).

На базе новейших научных  открытий возникли принципиально новые, более совершенные и производительные технологические процессы, резко  увеличивающие производительность труда и повышающие качество продукции. К таким процессам следует, например отнести процессы элионной технологии, которые основаны на использовании сфокусированных лучей различных видов энергии: лазерные, ультразвуковые, плазменные, электронно-лучевые, ионно-лучевые, электроискровые, световые и некоторые другие. Также огромные перспективы имеют нанотехнологии.

Новая техника и технологии, вводимые в производство, должны быть непременно лучше и эффективнее  прежних. В противном случае нельзя достигнуть ни роста производительности труда, ни снижения себестоимости продукции, ни увеличить необходимые накопления на повышение жизненного уровня граждан России, на новое строительство, развитие науки, культуры, здравоохранения и т. д.

Также необходимо учитывать, что именно развитие отечественного машиностроения, а не импорт машин, является единственно правильным направлением в прогрессивном развитии промышленности и государства в целом.

Для облегчения должного качества продукции машиностроения ( изделий, деталей и т.д.) формирование их свойств осуществляется различными технологиями и очень широко применяются технологией термической обработки.

Термическая обработка. Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения структуры и свойств сплавов.

Термической обработке  подвергают слитки, отливки, поковки, сварные  соединения, детали машин, инструменты  и др.

Все виды термической  обработки в зависимости от назначения делятся на предварительные и окончательные.

Предварительная термообработка проводится для улучшения обрабатываемости материала режущим инструментом, повышения его пластичности, снятия внутренних напряжений и улучшения структуры.

Предварительной термообработке подвергаются заготовки деталей  машин. К видам предварительной термической обработки, как правило, относятся: отжиг, нормализация, улучшение.

Окончательная (упрочняющая) термообработка проводится для придания требуемых эксплуатационных характеристик (твердость, износостойкость и т.д.) поверхностям деталей машин.

Все детали, подвергаемые окончательной (упрочняющей) термообработке, можно разделить на две группы. К первой группе относятся детали, работающие на трение, поэтому проведенная термообработка должна обеспечить необходимую твердость, износостойкость поверхностного слоя. Ко второй группе относятся детали, испытывающие при работе значительные нагрузки различного характера: растягивающие, изгибающие, крутящие, контактные.

В деталях, испытывающих в процессе эксплуатации растягивающие  и сжимающие нагрузки, напряжения по сечению распределены более или менее равномерно. Для таких деталей применяют сквозную закалку и отпуск.

В деталях, работающих на изгиб, кручение или при высоких  контактных нагрузках, сквозное упрочнение сечения не обязательно, но, желательно поверхностное упрочнение при сохранении вязкой сердцевины.

Виды термической  обработки:

Отжиг (полный, неполный, нормализационный) – это вид термической обработки, в результате которой металл или сплав приобретает равновесную структуру с минимальной свободной энергией, отличающиеся высокой пластичностью и невысокой твердостью. При отжиге сталь нагревают на на 30-500С выше критической точки Ас3 (Ас1) и после прогрева и последующей выдержки при температуре нагрева, проводят медленное охлаждение. Как правило, детали охлаждают вместе с печью со скоростью 30-100 0С/час. При нормализации сталь после нагрева и выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Закалка – вид термической обработки, в результате которой в сплавах образуются неравновесные структуры (мартенситные), отличающиеся высокой твердостью. Закалка сталей заключается в их нагреве выше критической температуры A3 (для доэвтектоидных сталей) или A1 (для заэвтектоидных сталей), выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и охлаждении со скоростью, равной или большей критической скорости закалки стали в охлаждающих средах.

Отпуск -  это вид термической обработки, в результате которой в закаленных  сплавах происходят превращения, приближающие их структуру к равновесной. Для обеспечения требуемых свойств, в зависимости от температуры нагрева применяют три вида отпуска: низкий (150–1800С), средний (350–4500С), и высокий (500–6500С).

Химико-термическая  обработка стали (ХТО) - заключается в сочетании термического и химического воздействия с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя детали в необходимом направлении.

При этом происходит поверхностное  насыщение металлического материала  соответствующим элементом (C, N, B, Al, Cr, Si, Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой температуре.

Назначение ХТО –  поверхностное упрочнение и защита от коррозии с целью повысить надежность деталей машин.

 

 

 

 

1.1. Определение  типа производства.

В машиностроении, в зависимости  от широты номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изделий, различают три типа производства: единичное, серийное и массовое.

В единичном производстве выпускают изделия широкой номенклатуры в небольших количествах или индивидуально. Изготовление однотипных деталей совсем не повторяется или повторяется через определенные 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 партии различают мелко-, средне- и крупносерийное производство. Используется специализированное оборудование.

Для массового производства характерно изготовление большого количества однотипных деталей на специальном оборудовании.

Так как большинство  деталей автомобильной и дорожной техники (валы, зубчатые колеса, шестерни, рычаги, оси, стаканы) изготавливаются партиями различных размеров, то в нашем случае тип производства – серийный

 

1.2. Выбор материала для изготовления детали:

1.2.1. Соответствие  эксплуатационным требованиям

Условия работы нашей  детали достаточно сложны: динамические нагрузки, напряжения изгиба в теле зуба, высокие контактные нагрузки, износ сопрягаемых поверхностей и т.д. (для других случаев, например, воздействие воздуха, воды, масла, кислоты, тепловые воздействия и т.п.). Такие условия работы детали предъявляют к материалу особые требования. Сталь 30Х2НВФА, низколегированная, содержащая 0.30% углерода, 2% хрома, по 1% никеля, вольфрама, ванадия, высококачественная сталь соответствует этим требованиям – после азотирования обеспечивает высокую конструктивную прочность и износостойкость поверхности и хорошую вязкость сердцевины зуба.

1.2.2. Соответствие технологическим требованиям

С этой точки зрения сталь 30Х2НВФА удовлетворяет требованиям минимальной трудоемкости изготовления детали. Она обладает хорошей обрабатываемостью режущим инструментом, различными методами обработки давлением. Позволяет улучшать обрабатываемость предварительной термической обработкой (отжигом) и сформировать требуемые конечные свойства азотированием. Вышеперечисленное обеспечивает получение конструктивно прочной детали при наименьших затратах.

1.2.3. Соответствие  экономическим требованиям

Сталь 30Х2НВФА обеспечивает изготовление наиболее дешевой конструкции, способной эффективно и длительно работать в заданных эксплуатационных условиях. Относительно недорогая сталь, применение которой технически и экономически целесообразно и оправданно, т.к. она дает экономический эффект за счет повышения долговечности деталей, уменьшения массы конструкции, уменьшения расхода запасных частей и, таким образом, экономии металла.

Упрочняющая ХТО - Низкотемпературное газовое азотирование применяется для среднеуглеродистых легированных сталей. Азот образует с легирующими элементами устойчивые нитриды, которые придают поверхностному азотированному слою очень выскоую твердость. Азотирование применяется для упрочнения, повышения предела усталости и износостойкости, а также повышения коррозионной стойкости различных изделий (штамповый инструмент, распредвалы и др.)

 

2. Обоснование  способа получения заготовки

Заготовки для автомобильных  деталей серийного производства обычно выполняются штамповкой. Одним из производительных способов получения заготовок является штамповка на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), 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 нашем случае, поковку  невозможно технологически выполнить  на ГКМ, поэтому необходимо выполнять штамповку на кривошипном прессе. 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. (рис. 6, [9])

 

3. Разработка  технологического маршрута изготовления  детали

Маршрут обработки - общий  план получения детали, начиная с  заготовительной операции и до окончательного получения детали с заданными размерами и техническими параметрами - можно представить в виде табл.1.

Таблица 1. Технологический маршрут изготовления детали

№ п/п

Операция

Цех (участок)

Оборудование

Инструмент

1

Заготовительная

Заготовительный

Пресс-ножницы

Нож

2

Изготовление заготовки (штамповка)

Кузнечный

Кривошипный пресс

Штамп

3

Черновая механическая обработка

Механический

Зубофрезерный станок

Фреза

4

Предварительная ТО -  нормализация

Термический

Нагревательная печь СН3-5.6.5,2/13

подвесные клещи на монорельсе

5

ХТО – азотирование, с последующей закалкой и низким отпуском

Термический

Нагревательная печь СШЦ-4.6/10,5

Корзина

6

Чистовая механическая обработка

Механический

Зубошлифовальный станок

Шлифовальный круг

7

Контроль

Лаборатория ОТК

Контроль твердос-ти, толщины слоя после ХТО

Прибор ТК (пресс Роквелла)


 

 

4. Разработка  чертежа заготовки:

Методика проектирования и разработки чертежа штампованной заготовки представлена в [9]. Конструирование поковки производится на базе чертежа готовой детали в соответствии с требованиями ГОСТ 7505–89. Контур готовой детали на чертеже (эскизе) вычерчивается штрихпунктирными линиями, а контур поковки должен быть вычерчен вокруг контура готовой детали сплошными линиями.

 

4.1. Определение класса точности  поковки

Класс точности поковки устанавливается в зависимости от технологического процесса обработки давлением и оборудования, используемого для ее изготовления (табл. 1), а также исходя из требований, предъявляемых к точности размеров поковки. Т.к. в нашем случае тип производства – серийный, точность размеров поковки – нормальная, а способ получения заготовки - штамповка на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), то по таблице 1 получаем, что класс точности поковки – Т5.

4.2-5. Определение группы стали, степени  сложности поковки, 

массы поковки и конфигурации поверхности разъема штампа

В соответствии с ГОСТ 7505–89 эти характеристики определяются по табл. 2.

Группа  стали зависит от содержания углерода и легирующих элементов и в нашем случае, т.к. сталь 30Х2НВФА, низколегированная, с массовой долей углерода до 0,35% включительно и суммарной массовой долей легирующих элементов до 5,0% включительно, группа стали – М2.

Степень сложности поковки С определяют путем вычисления отношения массы (объема) поковки Mп к массе (объему) Mф геометрической фигуры, в которую вписывается поковка:

С = Mп / Mф.

Различным степеням сложности  поковок соответствуют следующие  численные значения отношения С = Mп / Mф:  С1 – свыше 0,63; С2 – свыше 0,32 до 0,63 включительно; С3 – свыше 0,16 до 0,32 включительно; С4 – до 0,16 включительно.

Для определения массы  поковки вначале необходимо рассчитать ее объем. Для чего необходимо условно разделить объем детали на несколько простых фигур:

1) кольцо с наружным  диаметром d4, внутренним диаметром d3 и высотой H33;

2) кольцо с наружным диаметром d3, внутренним диаметром d2 и высотой H2 (1,7 см);

3) цилиндр с наружным  диаметром d2,, внутренним диаметром d1 и высотой H1.

После вычисления объема каждой из этих фигур (объем  кольца определяется по формуле V=p · H · ((Dнаружн)2–(Dвнутр)2)/4, p=3,14) находится суммарный объем детали Vд.

V1 = 3,14 • 2(11,52 – 3,22) / 4 = 191,5557 см3

V2 = 3,14 • 0,7(6,22 – 3,22) / 4 = 15,4859 см3

V3 = 3,14 • 1(52 – 3,22) / 4 = 11,5866 см3

V4 = 3,14 • 0,5(6,22 – 3,22) / 4 = 11,0685 см3

Vд = V1 + V2 + V3 = 229,6967 см3

По известному объему детали с учетом массовой плотности  стали (r = 7,8 г/см3 = 0,0078 г/мм3) определяется масса детали Mд:

Mд = r • Vд. = 229,6967 • 7,8 = 1791,63426 г

Затем определяется расчетная масса поковки Mпр. Расчетная масса поковки представляет собой массу металла, подвергаемого пластической деформации в процессе объемной штамповки. В эту массу не входит масса облоя. Расчетную массу поковки вычисляют по формуле

Mпр = Mд • Kр,

где Kр – расчетный коэффициент, устанавливаемый согласно ГОСТ 7505–89 по табл. 3. Т.к. заготовку шестерни получают объемной штамповкой, принимается Kр = 1,5.

Mпр = 1791,63426 • 1,5 = 2687,45139 г или 2,7 кг

Объем Vф геометрической фигуры, в которую вписывается поковка:

Vф = 3,14 • 4,2(11,52 – 3,22) / 4 = 402,26697 см3

Масса Mф геометрической фигуры, в которую вписывается поковка:

Mф = r · Vф. = 402,26697 • 7,8 = 3137,682366 г

Следовательно степень  сложности поковки будет определяться

С = Mпр / Mф. = 2687,45139 /3137,682366 = 0,86

и, следовательно, соответствовать С1.

Поверхностью  разъема штампа называют поверхность, по которой соприкасаются между собой разъемные части штампа. Эта поверхность выбирается так, чтобы поковка свободно извлекалась из обеих половин штампа. С целью облегчения заполнения деформируемым металлом рабочей полости штампа желательно выбирать поверхность разъема штампа таким образом, чтобы внутренние полости штампа имели наименьшую глубину.

Учитывая характер конструкции  поковки, получаемой в данной лабораторной работе (см. рис. 1), целесообразно выбрать плоский разъем штампа.

 

4.6. Определение исходного индекса

Исходный индекс, необходимый  для последующего назначения припусков  и  допусков на размеры поковки, определяется в зависимости от массы поковки, группы стали, степени сложности и класса точности поковки.

В соответствии с ГОСТ 7505–89 исходный индекс назначается  по табл. 4, а методика пользования  этой таблицей показана в табл. 5.

Для определения исходного  индекса по табл. 4 в графе «Масса поковки» необходимо найти строку, соответствующую этой массе, и, смещаясь вправо по горизонтали или по утолщенным наклонным линиям вправо вниз, до пересечения с вертикальными линиями, соответствующими заданным величинам группы стали М, степени сложности поковки С и класса ее точности Т, определить величину исходного индекса (от 1 до 23).

У нас масса поковки - 2,7 кг, класс точности поковки – Т5, группа стали – М2, степень сложности поковки – С1, поэтому величина исходного индекса будет равна – 13.

4.7. Выбор припусков на механическую  обработку

Припуск – это слой металла, который будет удаляться при дальнейшей обработке поковки на металлорежущих станках с целью получения из нее готовой детали.

Припуск на механическую обработку включает основной, а также  дополнительный припуск, учитывающий  отклонения формы поковки. Все припуски назначаются на одну сторону номинального размера поковки. Это означает, что любой обрабатываемый наружный размер поковки увеличивается (внутренний уменьшается) по сравнению с соответствующим ему размером готовой детали на величину, равную двум припускам на сторону. В данном случае толщинами считаются размеры поковки, обозначаемые H1, H2, H3 и H4 (см. рис. 1) а размеры, обозначаемые d1, d2, d3 и d4 будут считаться диаметрами.

Основной припуск на сторону на механическую обработку  линейных размеров и шероховатости поверхности готовой детали определяется по табл. 6 и, при исходном индексе 13, размеры с учетом удвоенного припуска будут равны:

на диметры:

115мм припуск на сторону = 2,2мм

62мм припуск на сторону = 2мм                

42мм припуск на сторону =  2,2мм

20мм припуск на сторону =  1,9мм

Дополнительный припуск на сторону, учитывающий возможную изогнутость поковки и ее отклонения от плоскостности и прямолинейности, определяется по табл. 7.

на диметр 115 мм при Т5 припуск на сторону – 0,5мм          

 

4.8. Определение допусков на размеры  поковки.

Допуски на размеры поковки  при исходном индексе 4 назначаются  по табл. 8. Согласно ГОСТ 7505–89 разрешается округлять линейные размеры поковки с точностью до 0,5 мм. Допуски, взятые по табл. 8, для внутренних размеров поковки берутся с обратным знаком:

для диаметров:

115 мм допуск = 2,8 мм (отклонения верхнее + 1,8 мм, нижнее – 1,0 мм)=116,8

62 мм допуск = 2,5 мм (отклонения верхнее +1,6мм, нижнее - 0,9мм)

42 мм допуск = 2,5 мм (отклонения верхнее + 1,6 мм, нижнее – 0,9 мм)

20 мм допуск = 2,2 мм (отклонения верхнее + 1,4 мм, нижнее - 0,8 мм)

 

4.9. Выбор кузнечных напусков.

Под кузнечным напуском понимают дополнительный объем или  слой металла на обрабатываемых или  необрабатываемых резанием частях поверхности поковки, необходимый для осуществления формообразующих операций штамповки.

Кузнечные напуски на поковке могут быть образованы штамповочными уклонами, радиусами закруглений углов поковки и перемычками наметок отверстий, которые получают при дальнейшей обработке резанием. Все кузнечные напуски назначают сверх припуска на обработку резанием. Это повышает отход металла при механической обработке и утяжеляет поковку.

 

4.9.1. Выбор штамповочных уклонов

Для облегчения заполнения рабочей полости штампа деформируемым металлом и извлечения из нее поковки на боковых поверхностях ручья штампа необходимы штамповочные уклоны. Они назначаются сверх припусков.

Величина штамповочных уклонов в соответствии с табл. 9  (ГОСТ 7505–89) на наружной поверхности  равна 5 мм, поэтому на наружный диаметр поковки по периметру поковки будет 116,8 + 5 = 121,8 мм.

 

2.6.2. Определение штамповочных радиусов

Все пересекающиеся поверхности  поковок сопрягаются по радиусам. Это необходимо для лучшего заполнения внутренней полости штампа деформируемым металлом и предохранения его от преждевременного износа и поломок.