Термическая обработка коленчатого вала

Реферат

     ПЗ: 44 с., 5 рис., 8 джерел.

     Мета  курсової роботи: отримання навичок  у виборі матеріалів для виробу колінчастого валу із урахуванням умов експлуатації та вимог до матеріалу, розробки технології термічної обробки. 

КОЛІНЧАСТИЙ ВАЛ, ЕКСПЛУАТАЦІЯ, НАПРУЖЕННЯ, ПОЛІПШЕННЯ, КРИТИЧНІ ТОЧКИ, ЛЕГУВАЛЬНІ ЕЛЕМЕНТИ, ГАРТУВАННЯ, ВІДПУСК, АЗОТУВАННЯ, СОРБІТ, ДЕФЕКТ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ЗМІСТ 

    Вступ……………………………………………………………………………….

1. Характеристика та умови експлуатації колінчастого валу. Вимоги до матеріалів……………………………………………………………………….
2. Маршрутна технологія виготовлення колінчастого валу …........................
3. Обґрунтування вибору матеріалів для колінчастого валу …………….…..
4. Характеристика обраного матеріалу……………………………....................
5. Розробка режимів та технології термічної обробки………………………..
6. Технічний контроль, попередження та виправлення дефектів…………….

    Висновки……………………………………………………………………………

    Перелік посилань…………………………………………………………………. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ВСТУП 

    Термічною обробкою називається процес обробки  виробу із металів і сплавів шляхом теплового впливу із метою зміни  їх структури та властивостей в заданому напрямку.

    Ця  взаємодія може поєднуватись також  із хімічною, деформаційною, магнітною  та іншими взаємодіями.

    Термічна  обробка – найпоширеніший в сучасній техніці спосіб зміни властивостей металів та сплавів. На металургійних  та машинобудівних заводах термічна обробка є однією із найважливіших  частин технологічного процесу виробництва  напівфабрикатів та деталей машин. Термообробку застосовують як проміжну операцію для покращення технологічних  властивостей (оброблюваність тиском, різанням та інше) і як завершальну  операцію для надання металу або  сплаву такого комплексу механічних, фізичних і хімічних властивостей, який забезпечує необхідними експлуатаційними характеристиками виріб. Чим відповідальніше  конструкція, тим, як правило, більше в  ній термічно оброблюваних деталей.

    Теорія  термічної обробки є частиною металознавства. Головне в металознавстві – це учення про взаємодію між  будовою та технічно важливими властивостями  металів та сплавів. При нагріванні та охолодженні змінюється структура  металевого матеріалу, що обумовлено зміною механічних, фізичних та хімічних властивостей та впливає на його поведінку при  обробці та експлуатації.

    Теорія  термічної обробки складає учення про зміни будови і властивостей металів або сплавів при тепловій взаємодії, які не зникають після  його завершення.

    По  глибині та різновиду структурних  змін, які виникають в результаті термообробки, з нею не можуть порівнятися  ні механічні, ні будь які інші види взаємодії на метали.

    Колінчастий вал належить до найбільш відповідальних і дорогих деталей двигуна. Колінчастий  вал двигуна повинен мати високу міцність, жорсткість і зносостійкість поверхонь (шийок), що труться, при відносно невеликій масі (маса валу складає 7-15% маси двигуна). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Характеристика та умови експлуатації  колінчастого валу. Вимоги до матеріалів. 

    Колінчастий вал — вал складної форми, призначений для перетворення зворотно-поступового руху в обертальний. Працює в умовах високого рівня знакозмінних напружень від згину або крутильних коливань валу.

    Він зазнає значних зусиль тиску, від  сил інерції поступально і  обертально рухомих мас. Крім того, виникає напруження від крутильних коливань. Шийки валу зазнають змінного тиску, що обумовлює значну роботу тертя і знос шийок.

    Основні елементи колінчастого валу

    Корінна шийка - опора валу, що лежить в корінному підшипнику, розміщеному в картері двигуна.

    Шатунна шийка - опора, за допомогою якої вал зв'язується з шатунами (для змащення шатунних підшипників є масляні канали).

    Щоки - зв'язують корінні і шатунні шийки.

    Передня вихідна частина  валу - частина валу на якій кріпиться зубчасте колесо.

    Задня вихідна частина  валу (хвостовик) - частина валу що з'єднується з маховиком або шестернею.

    Противаги - забезпечують розвантаження корінних підшипників від відцентрових сил інерції першого порядку незрівноважених мас кривошипа і нижньої частини шатуна.

    Колінчастий вал працює при температурах не вище 400̊С.

    Причинами поломки колінчатих валів є: високий  рівень знакозмінних напружень від згину або крутних коливань валу, ливарні дефекти та дефекти обробки валу (рихлоти, пористості, підрізи). Підвищення рівня напружень при згині в шийках і щоках вала відбувається в результаті утворення ступінчастості суміжних опор, збільшеного згину валу, порушення врівноваженості валу (неправильний підбір поршнів і шатунів за масою). Великими концентраторами напруження є місця переходу з одного діаметра на інший.

    Справна робота колінчастого валу з підшипниками залежить від правильності укладки  колінчастого валу, стану його поверхні шийок і вкладишів, подачі мастила  в потрібній кількості і необхідної якості та інших умов. Основними  несправностями колінчатих валів є: тріщини і злами, які можуть бути наслідком порушень при виготовленні або ремонту валу, зокрема неправильної установки в підшипниках; вищерблення, корозія і знос вкладишів.

    Згин  валу буває двох видів: пружний і  залишковий. Пружний згин валу відбувається під дією сил, що діють від шатунів  і валу якоря тягового генератора, при неправильній укладці колінчастого валу в ліжках блоку і порушення  центрування валів: колінчастого і  якоря генератора.

    Залишковий  згин колінчастого валу утворюється  в результаті неправильного шліфування корінних шийок (неспіввісності шийок) або релаксації залишкових внутрішніх напружень.

    Для виготовлення колінчастих валів  використовують конструкційні поліпшувальні леговані сталі з вмістом вуглецю 0,3-0,5%. Сталі піддають гартуванню при 820-880̊ С в маслі і високому відпусканні при 550-680̊ С. Після такої обробки структура сталі сорбіт. Сталі повинні мати високу границю текучості, малу чутливість до концентраторів напруження, а в виробах, які працюють при багаторазово прикладених навантаженнях – висока границя витривалості і достатній запас в’язкості. Крім того поліпшувальні сталі повинні мати гарну прогартовуваність і малу чутливість до відпускної крихкості.

    Колінчасті  вали виготовляють з вуглецевих, хромомарганцевих, хромонікельмолібденових, та інших сталей, а також із спеціальних високоміцних чавунів. Найбільшого застосування знаходять, сталі марок 45, 45Х, 45Г2, 50Г та ін.

    Колінчасті  вали з легованих сталей зміцнюються  азотуванням. Азотування використовують як для зміцнення крупних валів  діаметром  шийки  (150—300  мм) відповідального  призначення, так і для масових  колінчастих валів малого середнього розміру з менш легованих сталей. Переваги азотування — висока зносостійкість і втомна міцність валів (вище чим  при обкатці роликами) при їх мінімальній деформації. Основний недолік - більша тривалість і відповідно мала продуктивність процесу. Азотуванню піддають ті місця колінчастих валів, які зазнають високих напружень тертя, тобто азотують шийки валів для їх зміцнення і довговічності.

    У зв'язку з високими вимогами механічної міцності валу велике значення має  розташування волокон матеріалу  при отриманні заготовки щоб  уникнути їх перерізання при подальшій механічній обробці. Для цього застосовують штампи із спеціальними згинальними струмками. Після штампування перед механічною обробкою, заготовки валів піддають термічній обробці – нормалізації - і потім очищенню від окалини травленням або обробкою на дробовій машині.

    Складність  конструктивної форми колінчастого валу, його недостатня жорсткість, високі вимоги до точності оброблюваних поверхонь  викликають особливі вимоги до вибору методу методів базування, закріплення  і обробки валу, а також послідовності, поєднання операцій і вибору устаткування. Основними базами колінчастого валу є опорні поверхні корінних шийок. Проте  далеко не на усіх операціях обробки  можна використати їх в якості технологічних. Тому в деяких випадках технологічними базами вибирають поверхні центрових отворів. У зв'язку з  порівняно невеликою жорсткістю валу на ряду операцій при обробці  його в центрах в якості додаткових технологічних баз використовують зовнішні поверхні заздалегідь оброблених шийок. При обробці шатунних шийок, які відповідно до вимог технічних  умов повинні мати необхідну кутову координацію, опорною технологічною  базою є майданчики, що спеціально фрезеруються, на щоках. 
 
 
 
 
 
 

    2. Маршрутна технологія виготовлення  колінчастого валу 

    Заготовки сталевих колінчастих валів середніх розмірів у багатосерійному і масовому виробництві виготовляють куванням в закритих штампах на молотах або пресах при цьому процес отримання заготовки проходить декілька операцій. Після попереднього і остаточного кування колінчастого валу в штампах роблять обрізання облоя на пресі обріза і гарячу правку в штампі під молотом. У зв'язку з високими вимогами механічної міцності валу велике значення має розташування волокон матеріалу при отриманні заготовки щоб уникнути їх перерізання при подальшій механічній обробці. Для цього застосовують штампи із спеціальними згинальними струмками. Після штампування перед механічною обробкою, заготовки валів піддають термічній обробці - нормалізація - і потім очищенню від окалини (травлять або обробляють на дробострумінній машині). Правку валів роблять після нормалізації в гарячому стані в штампі на пресі після виїмки заготовки з печі без додаткового підігрівання.

    1. Кування. Заготовки з прутків виготовляють на пресах шляхом згинання з висадкою при зональному індукційному нагріванні. При цьому окремо нагрівають і штампують кожне коліно валу, що значно скорочує витрати металу і знижує зусилля пресів. Штампування дозволяє отримати хорошу макроструктуру оброблюваної деталі - завдяки штампуванню волокна не перерізуються і проходять рівномірно які підвищують міцність деталі.

    2. Попередня термічна обробка для поліпшення оброблюваності різанням: нормалізація ( термічна операція, при якій сталь нагрівають до температур на 30 - 50 ̊С вище верхній критичній точці Ас₃ і Асm, потім витримують при цій температурі і охолоджують на спокійному повітрі). При нормалізації зменшується внутрішня напруга, відбувається перекристалізація сталі, зменшується крупнозернистість структури металу. Твердість після такої обробки не повинна перевищувати НВ 270.

    Після попередньої термічної обробки  від верху поковок відрізають темплет для перевірки макро- і мікроструктури  (ліквації сірки, флокенів, шиферності, скупчень неметалевих включень).

    3. Попередня механічна обробка з припуском близько 8 мм на діаметр по корінним шийкам.

    4. Попередня термічна обробка для об'ємного зміцнення валів - поліпшення: гартування (нагрівання до 850° С, охолодження в маслі) + відпуск (посадка в піч з температурою не вище 200 °С, нагрівання до 600° С).

    5. Правка валу (при необхідності) під пресом в гарячому стані, після правки - повторний відпустку по тому ж режиму.

    6. На зразках, оброблених разом  з валом, визначаюся механічні  властивості.

    7. Термічна стабілізація. Вали укладають на підставки таким чином, щоб забезпечити повну відсутність прогину. Всі зазори між підставками і валом вибирають клинами. Режим стабілізації: посадка в піч з температурою не вище 200°С, нагрівання до 500-530 °С протягом 8-9 годин, охолодження з піччю до 300°С зі швидкістю 50-60 °С / год, потім на повітрі.

    8. Попереднє шліфування з припуском 0,3 мм на діаметр шийок.

    9. Очищення і знежирення поверхні валу (наприклад бензином з протиранням ганчір'ям); поверхні, що не підлягають азотуванню, покривають оловом.

    10. Азотування в електропечах. Для запобігання деформації вали розміщують в печі в горизонтальному положенні на двох опорах. Газове азотування проводять в атмосфері дисоційованого аміаку. Після азотування вали охолоджуються з піччю під струмом аміаку приблизно до 200° С. Товщина азотованого шару азотування за наведеними режимам становить не менше 0,7 мм.

    11. Остаточне шліфування.

    12. Остаточний контроль якості (вимірювання твердості, деформації, магнітна дефектоскопія відсутність шліфувальні тріщин і великих скупчень неметалевих включень).

    Азотування  масових колінчастих валів малого та середнього розміру виконують  або в шахтних печах при вертикальній підвісці валів, або в колпакових печах з горизонтальним розміщенням декількох валів, зібраних в пакет і обертових щодо осі пакета (спосіб групового обертання). Другий спосіб більш універсальний і забезпечує меншу деформацію. У залежності від типорозміру валів і застосовуваної сталі кількість операцій технологічного циклу виготовлення може бути менше, ніж в описаному вище варіанті (особливо для невеликих валів), проте у всіх випадках зберігаються наступні етапи: попередня термічна обробка з метою забезпечення комплексу властивостей у всьому обсязі сталі (як правило, поліпшення), механічна обробка, азотування і доведення.

    Правка  валів після азотування є вкрай  небажаною, оскільки вона суттєво погіршує їх втомну міцність, тому вали слід рихтувати  до азотування і вживати всіх заходів  для запобігання деформації при  подальших операціях.

    Технологія  виготовлення виробів на підприємствах  уявляє собою логічну послідовність  технологічних операцій, виконання  яких дозволяє отримати якісні вироби із відповідними характеристиками та властивостями матеріалу. Маршрутна  технологія уявляє собою рух заготовок  по цехам та відділенням підприємства, в ній зазначаються виконувані операції, які можуть повторюватися, але мати різне призначення, режими та забезпечувати  зміну форми, розмірів, шорсткості поверхні, мікроструктури та властивостей. В  розробці маршрутної технології приймають  участь фахівці тих цехів, в яких відбувається обробка даного виробу. Вона може включати десятки операцій. Ураховуючи це в курсовому проекті  необхідно розробити спрощену маршрутну  технологію, тобто схему маршрутної технології (табл. 1.1). 
 
 
 
 
 
 

    Таблиця 1.1 – Схема маршрутної технології виготовлення колінчастого валу із сталі 38ХН3МФА  

3. Обґрунтування  вибору матеріалу для колінчастого  валу 

    Для виготовлення колінчастого валу оберемо  матеріали, які були запропоновані  в першому розділі, а саме поліпшувальні сталі (38ХН3МФА, 38ХН3МА, 30ХН2МА).

    Дані  сталі застосовують для виготовлення валів, шатунів, штоків і інших деталей, схильних до дії циклічних або  ударних навантажень. У зв'язку з  цим поліпшувальні сталі повинні мати високу межу плинності, пластичність, в'язкість, малу чутливість до надрізу.

    При повній прогартовуваності сталь має кращі механічні властивості, особливо опір крихкому руйнуванню - низький поріг холодноламкості, високе значення роботи розвитку тріщини і в'язкість руйнування.

    Хромонікельмолібденові сталі. Хромонікелеві сталі мають схильність до зворотної відпускної крихкості, для усунення якої багато деталей невеликих розмірів з цих сталей охолоджують після високого відпуску в олії, а більші деталі у воді для усунення цього дефекту сталі додатково легують молібденом або вольфрамом.

    Хромонікельмолібденованадієві сталі мають високу міцність, пластичність і в'язкість і низький поріг холодноламкості. Цьому сприяє високий вміст нікелю. Недоліками сталей є складність їх обробки різанням і велика схильність до утворення флокенів. Сталі застосовують для виготовлення найбільш відповідальних деталей турбін і компресорних машин.

    Хімічний  склад вибраних матеріалів наведено в таблиці 3.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Таблиця 3.1 – Хімічний склад матеріалів[2] 

     Таблиця 3.2 – Механічні властивості матеріалів в стані постачання [2] 

    Для того, щоб механічні властивості  по усьому перерізу деталі були однаковими, сталь повинна прогартовуватися по всьому перерізу, діаметру деталі. Прогартовуваність залежить від вмісту легуючих елементів і середовища, в якому охолоджується виріб.

    Прогартовуваність оцінюють величиною критичного діаметру - максимального діаметру, в мм, прутка з відповідної сталі, в якому по усьому перерізу після загартування утворюється не менше 50% мартенситу.

    Критичний діаметр прогартовуваності матеріалів наведено в таблиці 3.3 

    Таблиця 3.3 – Критичний діаметр прогартовуваності сталі

     Усі легуючі елементи, особливо Ni, підвищують прогартовуваність, а у воді прогартовувати наскрізь вдається деталь великого перерізу, діаметру, чим в олії. Проте, гартувати у воді леговані сталі не рекомендується, із-за небезпеки отримання деформацій, тріщин.

     Технологічні  властивості матеріалів наведено в таблиці 3.4 

    Таблиця 3.4 - Технологічні властивості матеріалів [2] 

    Розглянувши та проаналізувавши хімічний склад, режим термічної обробки, механічні  властивості обраних матеріалів,  можна зробити висновок, що найбільш сприятливою із урахування потрібних  властивостей є сплав 38ХН3МФА. Сталь  38ХН3МА не відповідає вимогам границі плинності σ_0,2 та границі міцності σ_В тому вона не підходить для виробництва. Сталь 30ХН2МА відповідає заданим вимогам лише щодо ударної в’язкості матеріалу. Вона хоча й має відповідну в’язкість, але вона має низькі показники міцності та пластичності.

    Якщо  розглядати матеріали на основі техніко-економічного обґрунтування, враховуючи вартість матеріалу, рівень його легування, наявність у  складі коштовних та дефіцитних компонентів, можна сказати, що всі обрані матеріали  мають високу коштовність. Це все  пояснюється тим, що такі відповідальні  деталі, як колінчастий вал, виготовляються лише із високоякісних сталей, що мають гарні властивості. 
 
 
 
 

4. Характеристика  обраного матеріалу 

     Для виготовлення колінчастого валу, було запропоновано поліпшувальну сталь 38ХН3МФА. Цей сплав задовольняє вказаним вимогам, а саме: Т_експл<400^оС, σ_0,2 = 1100 МПа, σ_в=1200МПа, δ₅ =12%, Ψ =50%, KCU = 80 Дж/см².

     Хімічний  склад сплаву 38ХН3МФА наведено в таблиці 4.1. 

    Таблиця 4.1 – Хімічний склад сплаву 38ХН3МФА [2]

     Проаналізуємо вплив кожного хімічного елемента на структуру, механічні, фізико-хімічні, технологічні та експлуатаційні властивості  матеріалу.

     Легуючі елементи, впливаючи на процеси, що відбуваються при гартуванні і відпуску, будуть суттєво впливати і на механічні властивості поліпшувальної сталі.

     Легуючі елементи визначають розмір зерна аустеніту, його стійкість при переохолодженні, структуру мартенситу, властивості фериту і карбідної фази і інші фактори. В поліпшувальних конструкційних сталях легуючі елементи перш за все повинні забезпечити необхідну прогартовуваність і необхідні механічні властивості після відпуску. Тому легування сталі зазвичай має багатоцільове призначення. Один і той же елемент може впливати на декілька чинників, через них визначають механічні властивості сталі.

     Нерідко в хромонікелеву сталь крім молібдену (вольфраму) додають ванадій, який сприяє отриманню дрібнозернистої структури. Велика стійкість переохолодженого аустеніту забезпечує високу прогартовуваність цих сталей (критичний діаметр понад 100 мм), що дозволяє зміцнювати термічною обробкою великі деталі. Навіть у дуже великих перетинах (1000-1500 мм і більше) у серцевині після гарту утворюється бейніт, а після відпуску сорбіт. Сталі мають високу міцність, пластичність та в'язкість із низьким порогом холодноламкості. Цьому сприяє високий вміст нікелю. Молібден, присутній в сталі, підвищує її теплостійкість. Ці сталі можна використовувати при 400 -450° С.