Технологический процесс термической обработки развертки

МОСКВА 2012

Содержание

Введение………………………………………………………………………..3

1.Описание  детали и условия работы………………………………………..4

2.Выбор марки стали для изготовления  детали……………………………....9

3.Технологический процесс термической  обработки……………………….13

4.Выбор оборудования………………………………………………………...19

5.Расчет потребного количества  оборудования……………………………...22

6.Расчет времени нагрева печи………………………………………………..24

7.Методы контроля качества детали после термической обработки……….25

8.Мероприятия по охране окружающей среды……………………………...27

Выводы………………………………………………………………………....31

Список литературы………………………………………………………..…..32

Введение.

Термическая обработка металлов и сплавов  представляет собой  совокупность технологических  операций, связанных с нагревом, выдержкой и охлаждением.

Технологический процесс термической обработки  – это совокупность  последовательно  или одновременно выполняемых технологических  операций.

Цель  термической обработки – изменение  в нужном направлении механических, физико-химических и технологических  свойств без изменения основных размеров и формы деталей и  заготовок.

Термической обработкой можно в широком диапазоне  изменять прочность, жаропрочность, пластичность, вязкость, технологические свойства (ковкость, штампуемость, обрабатываемость резанием, шлифуемость, свариваемость,  прокаливаемость), магнитные, электрические, тепловые и оптические свойства.

Качество и стойкость инструмента  во многом определяют производительность и эффективность процесса обработки, а в некоторых случаях и вообще возможность получения деталей требуемых формы, качества и точности. Повышение качества и надежности режущего инструмента способствуют повышению производительности обработки металлов резанием.

Развертка - это режущий инструмент, позволяющий  получить высокую точность обрабатываемых деталей. Она является недорогим инструментом, а производительность труда при работе разверткой высока. Поэтому она широко используется при окончательной обработке различных отверстий деталей машин. При современном развитии машиностроительной промышленности номенклатура производимых деталей огромна и разнообразие отверстий требующих обработки развертками очень велико.

1.Описание детали и условия работы.

Развертка - осевой режущий инструмент, применяемый  для повышения точности формы и размеров отверстия и снижения шероховатости поверхности. Инструмент предназначен для предварительной и окончательной обработки отверстий с полями допуска по 6 - 11-му квалитетам и с параметром шероховатости поверхности Ra=2,5...0,32 мкм.

Рабочая часть разверток  состоит из режущей и калибрующих частей. Калибрующая часть развертки состоит из цилиндрического участка и участка с обратной конусностью. Обратная конусность делается для устранения затирания и заедания развертки, а также для уменьшения разбивки отверстия. Зубья, расположенные на режущей части, затачивают на остро, без оставления ленточки; на калибрующей части по задней поверхности вдоль режущей кромки оставляют цилиндрическую ленточку шириной 0,05-0,3 мм для лучшего направления при работе и сохранения диаметра развертки. Для снижения шероховатости поверхности и уменьшения огранки применяют развертки с неравномерным окружным шагом зубьев.

Для уменьшения разбивки обрабатываемого отверстия развертку рекомендуется закреплять в плавающем патроне.

При резании развертка  снимает очень маленькие припуски: порядка 0,4-0,6 мм. Поэтому сила резания невелика и зубья развертки испытывают весьма малые нагрузки. Тепловыделения в зоне резания также незначительны. Однако, применять СОЖ необходимо для уменьшения износа режущей и калибрующей частей развертки.

Развертки работают с малыми толщинами среза и на относительно низких скоростях резания, поэтому они изнашиваются в основном по задней поверхности и уголку; захватывается при этом и ленточка. Развертка является чистовым (отделочным) инструментом, а потому за критерий ее износа принимается технологический износ. Максимально допустимая величина износа по задней поверхности для разверток из инструментальных сталей h₃ = 0,5-0,8 мм; для разверток с пластинками из твердых сплавов h₃ = 0,4-0,7 мм.

При работе изношенной разверткой отверстие может быть меньше или больше номинального размера развертки. Последнее объясняется тем, что зубья развертки изнашиваются неравномерно. Мелкая стружка и металлическая пыль, образующиеся при развертывании, заклиниваясь между стенкой отверстия и изношенным в большей степени зубом, отжимают развертку на некоторую величину. Противоположный зуб начинает срезать слой большей глубины, увеличивая диаметр отверстия. Заклиненная мелкая стружка царапает при этом обработанную поверхность, увеличивая ее шероховатость.

Виды разверток.

По форме обрабатываемого отверстия  развертки можно разделить на цилиндрические, применяемые для обработки, круглых цилиндрических отверстий, и конические, используемые для обработки конических отверстий (Рис. 2). По способу применения различают развертки машинные и ручные. Ручные развертки применяются для развертывания отверстий вручную, а машинные используются на различных станках (сверлильных, токарных, револьверных и др.). Развертки могут быть хвостовые и насадные, цельные и сборные, постоянного диаметра и регулируемые. Развертки относительно малого диаметра изготовляются с цилиндрическим или коническим хвостовиком, который служит для ее закрепления на станке, либо в воротке с квадратным отверстием при работе вручную.

Развертки цельные являются наиболее простыми по конструкции, но не могут регулироваться по диаметру. Поэтому находят применение разжимные и сборные развертки с быстрорежущими и твердосплавными вставными зубьями, которые после износа и переточек могут быть отрегулированы на требуемый размер, что повышает срок службы их. Разжимные развертки используются при ремонте всевозможных машин (Рис. 2, а). Они позволяют в определенных пределах регулировать размер диаметра. Это дает возможность применять одну и ту же развертку при обработке отверстий различных диаметров. На Рис. 2, б изображена развертка, у которой вставные зубья с рифлениями закрепляются с помощью клина. Эта конструкция допускает регулировку по диаметру перестановкой зубьев на рифлениях, с их последующим шлифованием по диаметру и заточкой. Во избежание осевого сдвига предусматриваются упорные кольца.

Для обработки  конических отверстий применяют конические развертки (Рис.2, в).

При этом отверстие, предварительно обработанное, может быть цилиндрическим или коническим

 Отверстия  с небольшим припуском развертываются  на конус за один проход. При  обработке же конических отверстий,  когда требуется снимать значительный припуск, используют комплект конических разверток.

Черновая  развертка имеет ступени на зубьях, расположенные по винтовой линии. Торцовыми кромками каждой ступени развертка срезает узкие стружки, свободно размещающиеся в канавках. Эта развертка превращает цилиндрическое отверстие в ступенчатое. Для развертывания отверстий в металлических листах применяют котельные развертки (рис. 2, г). Они имеют винтовые зубья, направление которых обратно направлению вращения. Это предупреждает самозатягивание и заедание развертки при работе.

Развертки по ГОСТ.

Твердость рабочей части разверток:

2.Выбор  марки стали для изготовления  детали.

Для изготовления режущего инструмента небольших  размеров и несложной формы, работающего  при небольших нагрузках, не подвергающегося резким и сильным ударам, используют инструментальную углеродистую сталь У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А.

Для изготовления режущего инструмента большого размера, сложной конфигурации и для длинных  и тонких инструментов, деформация которых при закалке должна быть наименьшей, используют инструментальную легированную сталь 9ХС, ХВГ, Х12М.

Для изготовления инструмента, работающего в тяжелых  условиях, при высоких скоростях  резания, при обработке сталей повышенной твердости  применяют быстрорежущие  стали Р18, Р12, Р9 и др.

Назначение  стали 9ХС:

Сверла, развертки, метчики, плашки, гребенки, фрезы, машинные штампели, клейма для холодных работ. Ответственные детали, материал которых должен обладать повышенной износостойкостью, усталостной прочностью при изгибе, кручении, контактном нагружении, а также упругими свойствами. термический

Сталь 9ХС легирована хромом и кремнием. Она  обладает повышенной устойчивостью  аустенита и хорошей прокаливаемостью. После закалки в масле твердость HRC 60 и более. Сталь 9ХС имеет повышенную теплостойкость (твердость не ниже HRC 60 сохраняется при нагреве закаленной стали до 250—260° С), хорошие режущие свойства, равномерное распределение карбидов; отжигается сталь 9ХС при 780—800°С; закаливается в масле и в расплавленных солях (с температурой 150—200° С) при Т= 840—860° С.

Кремний является постоянными спутником  практически в любой стали, поскольку  их специально вводят при ее производстве. Кремний, наряду с марганцем и  алюминием является основным раскислителем стали. Кремний не является карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести и прочность стали и при содержании более 1% снижает вязкость, пластичность и повышает порог хладноломкости. Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Хром  вводят в сталь 1.5-2.5%. Он повышает твердость  и прочность, незначительно уменьшает  пластичность, увеличивает коррозионную стойкость. Инструментальная сталь 9ХС не применяется для сварных конструкций  и склонна к отпускной способности.

Легирующие  элементы вводятся для увеличения закаливаемости, прокаливаемости, уменьшения деформаций и опасности растрескивания инструментов. Хром - постоянный элемент низколегированных сталей. В настоящее время применяются следующие стали:  9ХС, ХВГ, Х12М.

В соответствии с ГОСТ 5950-73 («Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия.») низколегированная сталь 9ХС подвергается следующей термической обработке:

1.        Отжиг при Т = 780—800°С

2.        Закалка при Т = 840-860°С, масло

3.        Отпуск  при Т = 150-200°С, воздух.

Механические свойства при Т=20⁰С материала 9ХС

Характеристика  материала. Сталь ХВГ

Таблица 4

Химический состав в % материала 9ХС.

Таблица 5

Технологические свойства стали 9ХС

Таблица 6

Прокаливаемость стали 9ХС

 Таблица 7

Физические свойства стали 9ХС

Таблица 8

Теплостойкость  и красностойкость стали 9ХС 

Таблица 9

3.Технологический  процесс термической обработки.

Масса метчика  – 2,1 кг

Производительность  оборудования – 205 кг/ч

Термической обработкой стали называется совокупность технологических операций ее нагрева, выдержки и охлаждения в твердом состоянии с целью изменения ее структуры и создания у нее необходимых свойств: прочности, твердости, износостойкости, обрабатываемости или особых химических и физических свойств.

Перед основной термической обработкой деталь отжигают для снятия остаточных напряжений. Внутренние напряжения в металле  могут возникать в результате различных видов обработки. Это  могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей  деформации, литья, сварки, шлифовки и  резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных  превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной  скоростью. Внутренние напряжения в  металле могут достигать большой  величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут  неожиданно превышать предел прочности  и приводить к разрушению. Устранение внутренних напряжений производится с  помощью различных видов отжига.

Отжиг - одна из важнейших операций термической  обработки, в результате которой  снимаются внутренние напряжения в  стали, измельчаются зерна и понижается твердость.

Отжиг второго  рода - это термообработка, которая  заключается в нагреве стали  до температур выше точки А_С1. В результате получается почти равновесное структурное состояние стали; в заэвтектоидной стали 9ХС - цементит + перлит+ Cr₂₃C₆. Сталь получается с низкой прочностью и твердостью при достаточном уровне пластичности. (HВ = 243)  Так как наша задача смягчить структуру для последующей механической обработки, мы проводим неполный отжиг. Основные цели неполного отжига - устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (литье, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшение напряжений, для придания стали определенных характеристик.

Неполный  отжиг заключается в нагреве  заэвтектоидной стали до температур на 30-50°С выше температуры А_C1, но не превышает А_Cm (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 данной стали t_отж= А_С1 +30÷50°С =770+30÷50°С=800÷820°С. Выбираем t_отж=810°С. При неполном отжиге происходит неполная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки А_С1 образуется аустенит + карбиды, характеризующийся мелким зерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающую высокую пластичность и невысокую твердость. Структура заэвтектоидной стали, после неполного отжига состоит из зернистого перлита (рис 3). Затем следует токарная обработка, которая заключается в том, что заготовку торцуют и протачивают наружный диаметр.

Рис.3 График неполного отжига для стали 9ХС

После отжига проводится механическая обработка  развертки, которая включает в себя токарную, круглошлифовальную, фрезерную, зубофрезерную, слесарную операции.

 Механически  обработанную деталь подвергают  термической обработке: закалке  и отпуску. Так как заданная  деталь должна обладать достаточно  высокой прочностью и твердостью  назначаем неполную закалку с  низким отпуском. Закалка - термическая  обработка, заключается в нагревании  стали до температуры выше  критической (А_С3 для доэвтектоидной и A_{C1 -} для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Данная сталь заэвтектоидная, поэтому её нагревают до температуры на 30-50° С выше точки А_{С1 (}рис.4), т. е до 800 - 820°С. Оптимальной охлаждающей средой при закалке для данной стали является масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается.

Рис.4 График неполной закалки для стали 9ХС

Чтобы уменьшить  хрупкость и напряжения, вызванные  закалкой, и получить требуемые механические свойства детали, сталь после закалки  обязательно подвергают низкотемпературному  отпуску.

Отпуск - термическая обработка, при которой  закаленную сталь нагревают до температуры  ниже температуры критической точки  A_C1, выдерживают необходимое время при этой температуре, а затем медленно охлаждают.

Рис.5 График отпуска для стали 9ХС

При такой  обработке несколько уменьшаются  внутренние напряжения, стабилизируется  структура стали, понижается ее твердость  и увеличивается вязкость. При  отпуске стали происходят структурные  превращения, заключающиеся в том, что мартенсит закалки и остаточный аустенит распадаются, образуя более  устойчивые структуры.

При нагреве  до 100°С заметных изменений в структуре закаленной стали не происходит. При нагреве от 100 до 350°С происходит распад мартенсита с выделением из него дисперсных частиц цементита. Этот распад происходит в две стадии.

В первой стадии при 100 - 200°С наблюдается выделение из мартенсита мельчайших карбидных включений пластинчатой формы и толщиной в несколько атомных слоев. Одновременно с этим происходит заметное уменьшение объема стали, связанное с образованием мартенсита отпуска.

Вторая  стадия отпуска происходит при 200-350°С. Она сводится к дальнейшему медленному выделению из мартенсита частиц карбида железа. В это время в стали развивается процесс разложения остаточного аустенита и переход его в мартенсит отпуска.

Заданную  сталь подвергают низкому отпуску, поэтому его проводят в интервале температур 150-160°С. При этих температурах в стали образуется мартенсит отпуска и почти полностью исчезают внутренние напряжения. Мартенситная структура обеспечивает наилучшее соотношение прочности и твёрдости для данной стали.

Закалка с низким отпуском повышает пределы  прочности и твёрдости. Термическую  обработку, состоящую из закалки  и низкого отпуска, называют изотермической закалкой.

Окончательная структура после термической  обработки – мартенсит отпуска  с включениями глобулярных карбидов, сердцевина – сорбит, тростит.

Механические  свойства 9ХС после термической обработки:

Твёрдость поверхности – HRC 62, сердцевины – HRC 35…45. 

4.Выбор  оборудования.

Выбор оборудования производим в соответствии с назначенными видами  и рассчитанными  видами термической обработки.

Выбираем:

Для закалки – Электропечь камерная для нагрева под закалку в защитной атмосфере СНЗ 6.12.5/11

Для отпуска – Электропечь для низко- и среднетемпературного отпуска в воздушной атмосфере СНО6.12.5/9,5

- Ванна закалочная ВЗМ для закалочного охлаждения нагретых до температуры закалки изделий в масле;

- Ванна промывочная ВП для промывки закаленных изделий от масла в моющем растворе;

- Транспортно-загрузочный механизм для загрузки, выгрузки и перемещения внутри технологических линий агрегата термообрабатываемых изделий;

- Клети, поддоны, корзины и кассеты для укладки и транспортировки термообрабатываемых изделий.

Процесс термообработки начинается с загрузки агрегата.

 Тpaнcпopтнo-зaгpузoчный мexaнизм (зaгpузчик) вxoдит в cocтaв линий зaкaлки и oтпуcкa и пpeднaзнaчeн для мexaнизиpoвaннoгo выпoлнeния зaгpузoчнo-paзгpузoчныx oпepaций внутpи линии. Вaнны мacляныe и пpoмывoчныe ocнaщeны гидpaвличecкими мexaнизмaми пoдъeмa и oпуcкaния пoддoнa c дeтaлями.

Электропечь для нагрева  под закалку выполняется в виде футерованного стального каркаса, внутри которого помещен жаропрочный герметичный муфель с водоохлажденным фланцем. На своде и на поду внутренней поверхности футеровки расположены выемные спиральные нагреватели, равномерно обогревающие муфель. Муфель имеет вертикальный разгрузочный лоток, герметизируемый гидрозатвором в масло закалочного бака, а со стороны загрузки – форкамеру с пламенной завесой, препятствующей попаданию воздуха в рабочее пространство муфеля, заполненное защитной атмосферой. Конвейер электропечи состоит из бесконечной конвейерной ленты, выполненной из жаропрочной проволочной сетки, привода и вспомогательных устройств, обеспечивающих минимизацию усилия натяжения конвейерной ленты в горячей зоне печи при огибании вертикальной разгрузочной части муфеля.