Проектирование технологического процесса изготовления биметаллического калибровочного кольца

Оглавление

 

Аннотация2

Введение3

1. Свойства материалов после СВ4

2. Проектировка детали 11

3. Характеристика материалов 12

3.1. Сталь 09Г2С 12

3.2. Сплав АМц 13

4. Карта раскроя14

5. Маршрутная карта15

6. . Оборудование16

7.1.Листоправильная машина UBR 40x315016

7.2. Портальная установка термической резки металла CyberCUT 2060………….18

7.3. Машина для вальцовки W11S 75*300019

8. Расчет параметров сварки взрывом20

9. Планировка участка……………………………………………………………..….25

Заключение30

Список использованных источников31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

 

Задачей данного курсового проекта является проектирование технологического процесса изготовления биметаллического калибровочного кольца, состоящего из материалов: стали 09Г2С и сплава АМц. В проекте рассматриваются характеристика изделия, условия его работы и свойства материалов из которых оно изготовлено, рассматриваются режимы сварки взрывом, выбирается оборудование для производства заготовок, а также проектируется цех для изготовления деталей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Современному машиностроению необходимы конструкционные материалы с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами – удельной прочностью и жесткостью, жаропрочностью и износостойкостью, высоким сопротивлением усталостному разрушению, способностью работать в условиях высоких и криогенных температур. Этими свойствами не обладают традиционные металлы и сплавы. Комплекс необходимых свойст можно получить созданием композиционных материалов, состоящих их двух или более разнородных фаз и имеющих свойства, отличные от свойств исходных компонентов.

Необходимость разработки и выпуска широкой гаммы композиционных материалов обусловлена развитием новых отраслей науки и техники, стремлением к существенному улучшению служебных характеристик различных установок и агрегатов. Среди различных типов композиционных материалов видное место занимают металлические слоистые композиционные материалы (МСКМ), выпускаемые в виде плоского проката (листы, полосы и ленты), осесимметричных (прутки, трубы, проволока) и другой сложной пространственной формы изделий и полуфабрикатов. Не смотря на высокую техническую и экономическую эффективность МСКМ, их производство значительно отстает от потребностей, особенно, если учесть, что области их применения непрерывно расширяются. В настоящее время в промышленности применяют следующие основные способы производства слоистых композитов: литейное плакирование, горячее и холодное пластическое деформирование (прокатка, прессование, волочение и др.), сварку взрывом, а также комбинированные способы (литье + прокатка, сварка взрывом + прокатка и т.д.).

 

 

 

 

Применение металлических композиционных материалов позволяет существенно повысить эффективность производства широкого класса деталей и оборудования для предприятий химического, нефтяного, сельскохозяйственного,транспортного, энергетического и других отраслей машиностроения.

Потребителями таких материалов являются также приборостроение и радио

электроника, инструментальная промышленность, предприятия, производящие товары культурно-бытового и хозяйственного назначения.

Композиционные материалы (КМ) и соединения (КС) слоистого строения различается между собой по степени разнородности свариваемых металлов, числу и толщине слоев, конструкции и технологии изготовления, условиям работы и областям применения.

Номенклатура свариваемых взрывом КМ включает практически все конструкционные стали, а также цветные, благородные и тугоплавкие металлы и сплавы. По сочетанию материалов в одной композиции можно выделить две основные группы КМ - из однородных и разнородных металлов. Сварку взрывом наиболее целесообразно  применять для соединения металлов и сплавов, которые известными способами получить невозможно  или затруднительно.

 

Свойства материалов после сварки взрывом

 

Многообразные виды коррозионного разрушения стали при ее эксплуатации обуславливают множество путей защиты от коррозии. Одним из направлений защиты и эффективного использования металла является изготовление его в виде нескольких слоев. Это позволяет снизить расход дефицитных металлов и использовать главное техническое преимущество металлических композитов - возможность сочетания в одном материале различных служебных свойств.

Коррозионностойкие биметаллы производят в РФ в виде листов размером 2-100x600- 1500х 1800-8000 мм. Технические требования к указанной продукции определены ГОСТ 10885-75[2] и различными ТУ.

Коррозионностойкие биметаллы поставляют в термообработанном состоянии. При этом, как правило, уровень механических свойств биметаллических листов выше, чем материала плакирующего слоя. Это обстоятельство связано с возможностью использование в качестве основного слоя биметалла низколегированных сталей повышенной прочности[20].

Ниже представлены сравнительные данные о средних прочностных характеристиках сталей, используемых для изготовления биметаллической полки.

 

Таблица 1 – Прочностные характеристики сталей

Марка стали	Ϭ0,2, МПа	Ϭв, МПа	δ5, %
Сталь 09Г2С	285	450	21,4
Сплав АМц	180	220	5,0

 

Сочетание низколегированной стали Стали 09Г2С основного слоя со сплавом плакирующего слоя АМц дает заметное повышение прочности композиции по сравнению с металлом плакирующего слоя. Это подтверждается данными о механических свойствах биметаллических корозионостойких листов.

 

Таблица 2 - Механические свойства биметаллических листов после термообработки (средние значения)

Биметалл	Ϭ0,2, МПа	Ϭв, МПа	δ5, %	Ϭср, МПа	KCU, МДж/м2
Ст09Г2С+АМц	240	360	29	300	1,2

 

Как видно из таблицы 2[3], прочность соединения слоев, как правило, приближается к прочности одного из компонентов биметалла, а иногда превышает ее.

Другими важными свойствами биметаллов являются их теплопроводность и технологичность (способность к сварке, гибке, штамповке).

Двухслойная сталь имеет более высокую теплопроводность по сравнению с монолитной коррозионностойкой. Биметаллы с плакирующим слоем из коррозионностойкой стали имеют теплопроводность, которая лишь немного уступает теплопроводности основного слоя и в 2-3 раза выше теплопроводности коррозионностойкой стали. Это обстоятельство особенно важно при изготовлении теплообменной аппаратуры благодаря улучшению ее эксплутационных характеристик.

 

Способность биметалла противостоять коррозии в той или иной среде определяет область его применения. При этом коррозионная стойкость определяется материалом плакирующего слоя.

Наиболее широкое промышленное применение получили биметаллы низколегированная сталь – коррозионостойкий сплав. Близкие температуры рекристаллизации и плавления значительно облегчают подбор температур термической обработки.

В конструкционной низколегированной стали после CВ за промежуточным слоем выявляется слой сильно деформированного металла. В зернах основного металла наблюдаются двойниковые образования. Сварка взрывом приводит к значительному упрочнению в зоне соединения низколегированной и нержавеющего сплава. По данным [4], сталь 09Г2С после обработки на двухфазную структуру имеет повышенный предел выносливости; одновременно примерно в 3—3,5 раза увеличивается число циклов до разрушения в области малоцикловой усталости.

Упрочнение ДФМС (двухфазные ферритно-мартенситные стали) создают участки мартенсита: каждый 1 % мартенситной составляющей в структуре повышает временное сопротивление разрыву примерно на 10 МПа независимо от прочности и геометрии мартенситной фазы. Разобщенность мелких участков мартенсита и высокая пластичность феррита значительно облегчают начальную пластическую деформацию. Характерный признак ферритно-мартенситных сталей — отсутствие на диаграмме растяжения площадки текучести. При одинаковом значении общего (δобщ) и равномерного (δр) удлинения ДФМС обладают большей прочностью и более низким отношением σ0,2/σв (0,4—0,6), чем обычные низколегированные стали. При этом сопротивление малым пластическим деформациям (σ0,2) у ДФМС ниже, чем у сталей с ферритно-перлитной структурой.

При всех уровнях прочности все показатели технологической пластичности ДФМС (σ0,2/σв, δр, δобщ, вытяжка по Эриксену, прогиб, высота стаканчика и т. д.), кроме раздачи отверстия, превосходят аналогичные показатели обычных сталей.

 

Рисунок 1 ─ Кривые усталости горячекатаной и термически обработанной на двухфазную структуру стали 09Г2С. Штриховые линии – в состоянии поставки; сплошные линии – после деформации на 5% и отпуска на 200C0 , 1ч. Лист толщиной 4 мм

 

Для плакированной стали может применяться низкотемпературная (отжиг для снятия напряжений) или высокотемпературная термическая обработка(нормализация или закалка с отпуском для получения заданных механических свойств металла основы). Термообработка полученного СВ биметалла низколегированная  сталь – нержавеющий сплав способствует значительному изменению состава промежуточного слоя.

Отжиг в интервале 600-700˚С приводит к обезуглероживанию прилегающих к шву слоев низколегированных сталей типа Ст.09Г2С  и резкому уменьшению прочности сварного соединения[6].

Сварка листов 09г2с толщиной не более 40мм осуществляется без разделки кромок. При этом прочность сварного шва по всей длине обеспечивается переходом в металл шва легирующих элементов из электрода. Для многослойной сварки рекомендуется использовать каскадный метод, а для предупреждения перегрева стали на 1 мм электрода использовать ток 40-50 А. Рекомендуемый диаметр электрода –4-5мм. Сварку более толстых листов рекомендуется проводить многослойным методом с небольшими перерывами в работе перед наложением новых слоев. При выполнении дуговой сварке кромок различной толщины большую часть дуги необходимо направлять на ту кромку, что толще, параметры тока определяются по ней же. Для устранения закалки и повышения твердости шва необходимо нагреть материал до 650 °С и выдержать при данное температуре определенное время, которое зависит от толщины материала (30 минут на каждые 12,5 мм толщины). После этого необходимо охладить в горячей воде или на воздухе.

Повышенная технологическая пластичность ДФМС позволяет применять их для листовой штамповки деталей достаточно сложной конфигурации, что является преимуществом этих сталей перед другими высокопрочными сталями.

Сопротивление коррозии ДФМС находится на уровне сопротивления коррозии сталей для глубокой вытяжки.

ДФМС удовлетворительно свариваются методом точечной сварки. Предел выносливости при знакопеременном изгибе составляет для сварного шва и основного металла (σв = 550 МПа) соответственно 317 и 350 МПа, т. е. 50 и 60 % ов основного металла.

В случае применения ДФМС для деталей массивных сечений, когда необходимо обеспечить достаточную прокаливаемость, целесообразно использовать составы с повышенным содержанием марганца или с добавками хрома, бора и т. д.

Экономическая эффективность применения ДФМС, которые дороже низкоуглеродистых сталей, определяется экономией массы деталей (на 20—25%). Применение ДФМС в некоторых случаях позволяет исключить упрочняющую термическую обработку деталей, например высокопрочных крепежный изделий, получаемых методом холодной высадки.  

Нержавеющий сплав АМц - наиболее распространенный сплав системы А1-Мn - в отожженном состоянии имеет коррозионную стойкость, близкую к коррозионной стойкости чистого алюминия. Введение в сплав марганца благоприятно влияет в связи с тем, что он образует с железом интерметаллические соединения (Мn, Fe) Al, AlFeMnSi и другие с достаточно отрицательным электродным потенциалом и тем самым нейтрализует катодное влияние железа и повышает защитные свойства оксидной пленки на алюминии. Этим можно объяснить, что иногда в атмосферных условиях коррозионная стойкость сплава АМц становится выше коррозионной стойкости алюминия. Положительная роль интерметаллических соединений проявляется также в образовании структурной анизотропии, которая способствует торможению развития коррозии в направлении, перпендикулярном поверхности полуфабриката.

В то же время на сплаве АМц проявляется и отрицательная роль коррозионной анизотропии. Если нагартовка повышает коррозионную стойкость алюминия (повышается сопротивление питтинговой коррозии), то для сплава АМц она может уменьшать ее - появляются предпосылки к расслаивающей коррозии. Эта тенденция увеличивается пропорционально степени нагартовкн и ее связывают с образованием микронадрывов вблизи твердых интерметаллических включений МnА16. Поэтому введение в сплав большого количества других элементов, способствующих образованию интерметаллических соединений, например титана, ухудшает его коррозионную стойкость в нагартованном состоянии. Однако с учетом изложенных выше закономерностей, по-видимому, более существенное влияние на расслаивающую коррозию сплава АМц могут оказывать интерметаллидные соединения марганца с железом в качестве катодов, поскольку концентрация последнего в сплаве достаточно велика (до 0,7 %).

В полунагартованном состоянии, особенно при условии получения листов по схеме НТМО, т.е. частичным отжигом, чувствительность сплава АМц к расслаивающей коррозии мала. По существу коррозия развивается по питтинговому механизму только в местах развития коррозионных очагов наблюдается локальное вспучивание металла, которое отмечается и для многих других сплавов, имеющих структурную анизотропию. Глубина коррозии при этом не больше, а, как правило, даже меньше вследствие положительного эффекта коррозионой анизотропии. По этой причине такое локальное отслаивание не оказывает отрицательного влияния на долговечность конструкций. Оно может только оказывать влияние на декоративный вид анодированных конструкций вследствие локального нарушения анодно-оксидной пленки. Увеличение степени деформации при нагартовке приводит к усилению интенсивности расслаивающей коррозии. Хотя и в этом случае опасность расслаивающей коррозии не достигает таких пределов, как для высоколегированных сплавов, однако в промышленной атмосфере повышенной агрессивности степень РСК достаточно велика.

Увеличение содержания меди до 0,2 % повышает сопротивление расслаивающей коррозии нагартованных полуфабрикатов из сплавов системы Аl-Мn. По-видимому, введение меди в сплав облагораживает потенциал пробоя и вследствие этого уменьшает вероятность зарождения и распространения подповерхностной коррозии вблизи катодных интерметаллическнх фаз.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Проектировка детали

 

Опорная балка изготавливается из двух материалов

1) Алюминиевая плита из сплава АМц, толщиной 35 мм, шириной 1200 мм, длиной 3000 мм, повышенной точности по толщине - Плита Д20.Б 35х1200х3000 ГОСТ 17232-99.

 

 

Рисунок 2 ─ Биметаллическая полка изготавливается из двух листовых *********

1. Листовой прокат из Стали 09Г2*. Поставляется только по механическим свойствам. Хорошо сваривается, штампуется в холодном и горячем состоянии, подвергается вытяжке.
2. Листовой прокат из сплава АМц. Горячекатаная листовая и рулонная сталь в части сортамента должна соответствовать ГОСТ 21631-76.

 

 Характеристика материалов

 

Сталь 09Г2С

 

Конструкционную низколегированную сталь обыкновенного качества **09Г2* применяют при производстве труб и другого металлопроката.

 

Таблица 3 – Химический состав Стали 09Г2С[13]

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	Fe
До 0,12	0,05-0,8	1,3-1,7	до 0,3	до 0,05	до 0,04	до 0,3	до 0,3	96-97

 

Таблица 4 – Механические свойства Стали 09Г2C

Марка стали	Предел текучести, МПа	Предел кратковременной прочности, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Твердость НВ, МПа
Ст09Г2С	295	405-420	27	112-127

 

Малоуглеродистая сталь обладает большой пластичностью, высокой ковкостью, хорошей свариваемостью, отсутствием тенденций к хрупкому разрушению все эти свойства в полной мере отвечают высоким требованиям, предъявляемым к строительным сталям.

Для повышения механических свойств конструкционных сталей при их изготовлении строго контролируют содержание вредных элементов – фосфора, серы, кислорода и азота, увеличивающих хрупкость, и легирующих – никеля, хрома, титана, молибдена и других элементов, повышающих прочность, пластичность и способность материала к свариваемости и закаливаемости.

 

 

 

 

Технологические свойства Стали 09Г2С

 

Сталь 09Г2С не склонна к отпускной хрупкости, нефлокеночувствительна, сваривается без ограничений.

Качество конструкционной стали определяется коррозионной стойкостью, механическими свойствами и свариваемостью. По своим механическим характеристикам стали делят на группы: сталь обычной, повышенной и высокой прочности.

Основные свойства стали непосредственно зависят от химического элементов, входящих в состав сплава и технологических особенностей производства.

К вредным примесям относятся фосфор и сера. Фосфор образует раствор с ферритом, таким образом снижает пластичность металла при высоких температурах и повышает хрупкость при низких. Образование сернистого железа при избытке серы приводит к красноломкости металла. В составе стали 09Г2С допускается не более 0,05% серы и 0,04 % фосфора.

В зависимости от эксплуатационных требований и вида конструкций, сталь должна отвечать требованиям ГОСТ 380-71 и ГОСТ 19903-74.

 

Сплав АМц

 

Применяются для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для масла и бензина, радиаторы тракторов и автомобилей, сварные бензобаки), а также для заклепок, корпусов и мачт судов, узлов лифтов и подъемных кранов, рам транспортных средств и др.

 

 

 

 

Таблица 5 – Химический состав АМц[13]

 

Fe	Si	Mn	Ti	Al	Cu	Mg	Zn
до 0,7	до 0,6	1-1,6	До 0,2	97-99	до 0,15	до 0,2	до 0,1

 

Таблица 6 – Механические свойства сплава АМц

Марка стали	Предел кратковременной прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Твердость НВ * 10-1, МПа
АМц	150	120	24	30

 

Сплав АМц  обладает хорошей технологичностью при горячей пластической деформации. Температурный интервал обработки давлением деформированного металла составляет 20-250 °С. Скорость нагрева и охлаждения не лимитируется.     

В холодном состоянии сплав *******ет высокие степени пластической деформации.     

Для снятия напряжений и улучшения стойкости сварных соединений кроме закалки сварные конструкции подвергают стабилизирующему отжигу при 20-300°С.

 

Карта раскроя

 

После получения основных материалов в заготовительном отделении цеха металлы подвергают предварительной обработке: правке, зачистке и вырезке заготовок из тяжелых и громоздких кусков листового проката. Резку производят в целях облегчения транспортировки и дальнейших операций по изготовлению деталей. При этом размеры заготовок под сварку взрывом, должны быть кратными размеру деталей [4].

Для изготовления заготовки 1 используем лист из стали 09Г2С толщиной 40  мм, шириной 1500 мм, длинной 6000 мм  ГОСТ 19903-74.

Для изготовления заготовки 2 используем лист из стали АМц толщиной 35  мм, шириной 1500 мм, длинной 6000 мм ГОСТ 5632-72.

Коэффициент использования материала при раскрое составил около 74%.

 

Рисунок 3 – Раскрой листов: а – Сталь 09Г2С, б – АМц

 

Маршрутная карта

 

1. Входной контроль качества. Контроль – визуальный, измерительный инструмент.
2. Правка листов – машина листоправильная UBR 40x3150.

Контроль – визуальный, измерительный инструмент(жесткая линейка).

3. Разметка листов. Контроль – измерительный инструмент (линейка жесткая)

4. Резка листов – плазменная резка. Контроль - визуальный, измерительный инструмент.

5. Подготовка свариваемых поверхностей – металлическая щетка, ацетон, спирт, безворсовая ткань, абразивный инструмент. Контроль – визуальный.
6. Изготовление оснастки для  СВ - проволока, картон, ножницы, вспомогательный инструмент. Контроль – визуальный.
7. Транспортировка на полигон – автотранспорт

8) Сварка взрывом. Контроль – визуальный

9) Транспортировка в цех.

          10) Правка биметаллического листа - машина листоправильная HD-W43G-80x4000. Контроль – визуальный.

          11) Резка листов на заготовки – Станок ленточнопильный вертикальный 8Б290МГ.

          12) Контроль – визуальный, измерительный инструмент.

   13) Выходной контроль.

 

 

Рисунок 4 – Блок – схема технологического процесса

 

Оборудование

 

 

Листоправильная машина

 

Листоправильная машина HD-W43G стандартного типа предназначена для выравнивания листового материала при комнатной температуре. Оборудование состоит из системы питания, основной машины, системы электроуправления и т.д.

В соответствии с эффектом Баушингера, листовой металл меняет свою форму несколько раз, проходя между верхним и нижним рабочими валками. Таким образом, напряжение снимается, а кривизна выравнивается. Жесткие поддерживающие ролики расположены по внешним сторонам данного оборудовании, отличаются улучшенной плоскостностью и качеством.

Листоправильная машина допускает работу как отдельно, осуществляя процесс выравнивания одного листа, так и совместно с другим оборудованием в составе полной производственной линии, включая разматыватель, подающее устройство, отрезной станок, листоприёмное устройство, систему управления и пр. Наша продукция используется в основном в обрабатывающей промышленности - металлургия, судостроение, производство транспортных средств, контейнеров, металлоконструкций, сосудов высокого давления и т. д.

 

W43G-80×4000

 

Таблица 7 -технические характеристики

 

Макс. толщина обрабат- ываемого листа (мм)	80
Макс. ширина обрабат- ываемого листа	4000
Мин. толщина обрабат- ываемого листа	25
Макс. предел текучести обрабаты- ваемого материала (МПа)	800
Расстояние между рабочими валками (мм)	800/900
Диаметр рабочих валков (мм)	7
Количество рабочих валков	6-12
Скорость правки (м/мин)	2х450
Мощность главного двигателя (кВт)	22790
Общие габариты (Д×Ш×В, мм)	22790х6940х13220

 

 

 

 

Портальная установка термической резки металла CyberCUT 2060

 

позволяет резать листовой металл размерами до 2000 х 6000 мм.

Конструкция установки представляет собой портал с двусторонним приводом, перемещающийся по продольным рельсовым направляющим, и суппорта с закрепленным на нем плазмотроном.

 

Рисунок 5 - портальная установка термической резки металла CyberCUT 2060

 

На суппорте установлена система регулировки высоты плазмотрона THC, которая обеспечивает автоматическое поддержание требуемой высоты в процессе резки, что обеспечивает высокую точность, воспроизводимость и качество реза. Система THC контролирует процесс резки по напряжению дуги, система THC газопламенного резака (если установлен) имеет емкостный тип управления. Обе системы полностью независимы и обеспечивают комфортную работу оператора установки.

Система подвода коммуникаций (кабели, шланги) выполнена с использованием гибких кабельных каналов.

Управление установкой осуществляется с помощью системы ЧПУ.

 

 

 

 

Таблица 8 -технические характеристики

 

Технические характеристики установки плазменного раскроя CyberCUT 2060:
Ширина обрабатываемого листа, мм	2000
Длина обрабатываемого листа, мм	6000
Вертикальный ход перемещения плазмотрона, мм	150
Длина рельсового пути (с учетом парковочной зоны), мм	6800
Скорость позиционирования, мм/мин	до 30000
Точность воспроизведения заданного контура, мм	± 0,1
Стабилизация расстояния между плазмотроном и поверхностью заготовки	автоматическая
Система питания	220В, 50 Гц
Потребляемая мощность, кВт	2
Условия эксплуатации	закрытое помещение цеха +5…+40˚С

 

Машина для вальцовки W11S 75*3000

 

Рисунок 6 – Универсальная 3-х валковая листогибочная машина модели W11S 75*3000

Предварительный подгиб металлического листа является самой большой особенностью универсальных 3-х валковых листогибочных машин, верхний вал может двигаться так по вертикали так и по горизонтали . Вертикальное движение возникает оказанием на поршень с помощью гидравлического масла в гидроцилиндре, расположенном на обеих концах верхнего вала и оказывает давление на металлический лист для деформации; Горизонтальное движение верхнего вала осуществляется через электродвигатель и редуктор и производит предварительный подгиб на концах листа. Два нижних вала делают круговое движение в качестве главной передачи и предоставляет крутящий момент для изгиба металлического листа.