Дипломная работа: Проект участка термической обработки дисковых фрез

Дипломная работа: Проект участка термической обработки дисковых фрез

Министерство образования и науки Украины

Национальный политехнический университет

"Харьковский политехнический институт"

Кафедра "Металловедение и термическая обработка металлов"

Расчетно-пояснительная записка

К дипломному проекту

на тему: "Проект участка термической обработки дисковых фрез"

Выполнил:

студент группы МТ35а

Надточий Т.С.

Руководитель проекта:

доц. Протасенко Т.А.

Харьков 2010 г.

Министерство образования и науки Украины

Национальный политехнический университет

"Харьковский политехнический институт"

Кафедра "Металловедение и термическая обработка металлов"

Задание

На дипломный проект

на тему: "Проект участка термической обработки дисковых фрез"

ст. группы МТ-35а

Надточия Тимофея Сергеевича

Руководитель проекта:

доц. Протасенко Т.А.

Характеристика детали:

Наименование детали: дисковая фреза

Марка стали: Р6М5

Размер: Ø= 150 мм

Масса: 2 кг

Таблица 1

Реферат

Расчетно-пояснительная записка содержит: 55 страниц, 8 рисунков, 8 таблиц, 7 источников информации.

Ключевые слова: дисковая фреза, быстрорежущая сталь, закалка, легирующие элементы, шахтная печь, соляная печь-ванна.

Целью проекта является проектирование участка термической обработки дисковых фрез из стали Р6М5. Произведен анализ нагружения детали, структура детали, выбрана марки стали и разработан технологический процесс термообработки. Проведен расчет температурно-временных параметров процесса, а также основного, вспомогательного и дополнительного оборудования, производственной программы, предложены средства механизации и автоматизации процесса. Рассчитаны площади, и спроектирована планировка участка и печей СВС-3,5.8.3,5/13 и СШО-4.4/7.

В работе содержится графическая часть, включающая планировку участка, термического оборудования, схема технологической карты и маршрутная технология.

Содержание

Введение

1. Проектирование технологии термической обработки

1.1 Анализ нагружения деталей и требования к ним

1.2 Структура деталей

1.3 Выбор марки стали и ее описание

1.4 Разработка технологического процесса

1.4.1 Маршрутная технология изготовления деталей

1.4.2 Выбор и обоснование технологического процесса

1.4.3 Описание операций технологического процесса

1.4.4 Расчет и описание температурно-временных параметров технологических процессов

1.4.5 Разработка и описание технологической карты термической обработки деталей

1.4.6 Контроль производства

2. Выбор и расчет оборудования

2.1 Выбор и обоснование основного оборудования

2.2 Описание основного оборудования

2.3 Выбор и описание, вспомогательного и дополнительного оборудования

2.4 Расчет необходимого количества оборудования

2.5 Механизация и автоматизация производства

3. Строительная часть

3.1 Разработка плана расположения оборудования на проектируемом участке

3.2 Расчет площадей и описание основных элементов здания

Заключение

Список источников информации

Введение

В последнее время наблюдается существенное изменение в развитии и применении инструментальной стали. Не только для инструментов, но и во многих других областях техники. Применение инструментальных сталей в качестве конструкционных и для других условий эксплуатации требует знания таких свойств сталей, которые раньше мало изучали, в первую очередь вязкость, сопротивление знакопеременным нагрузкам и контактной выносливости в разных структурных состояниях.

В настоящее время для повышения механических свойств инструментальных сталей начинают использовать некоторые новые способы обработки.

В современном машиностроении для повышения долговечности ответственных деталей широко используют процессы термической обработки, из которых наибольшее распространение получили закалка и отпуск. В результате применения этих методов термической обработки повышается износостойкость детали, возрастает усталостная прочность и т.д.

Перспективным направлением совершенствования технологии термической обработки является интенсификация процессов нагрева, установка агрегатов для термической обработки, применение автоматических линий с включением в них процессов термической обработки.

1. Проектирование технологии термической обработки

1.1 Анализ нагружения деталей и требования к ним

Фрезерование является одним из высокопроизводительных и широко распространенных методов обработки заготовок резанием. Работа производится многозубыми режущими инструментами – фрезами.

Фреза отрезная используется в качестве режущего инструмента для механической обработки металла резанием, при которой режущий инструмент – фреза имеет вращательное (главное) движение, а обрабатываемая заготовка – поступательное движение (движение подачи), оно может быть направлено как по направлению вращения фрезы, так и против.

Рисунок 1.1 – Дисковая фреза.

Особенностью фрезерования является прерывистость процесса резания. Это обусловлено тем, что при вращении фрезы каждый зуб врезается в заготовку с ударом, а затем работает только на некоторой части оборота и выходит из зоны резания. При дальнейшем движении зуб не касается заготовки, что способствует его охлаждению и обусловливает более благоприятные условия для работы.

Врезание зубьев фрезы в заготовку с ударами приводит к возникновению вибрации, что отрицательно сказывается на точности и шероховатости обработки[1].

Рабочая кромка инструмента испытывает тепловые воздействия за счет тепла, выделяющегося при резании и трении. Температура достигает 400-600ºС и может повышаться при дальнейшем повышении скорости резания. Тепловой фактор влияет на свойства и поведение инструментальных сталей. Каждый режущий зуб фрезы имеет такие же элементы и как и любой резец или другой режущий инструмент, врезаясь в металл, снимает стружку.

Поэтому наиболее важные требования к дисковой фрезе следующие:

- высокая твердость 63-65 HRC;

- высокая прочность и сопротивление пластической деформации;

- теплостойкость, при температуре резанья 615-620 °С;

- формо- и размероустойчивость.

1.2 Структура детали

Отрезная фреза выполнена из быстрорежущей стали. К быстрорежущим сталям относят высоколегированные стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности.

Основное свойство этих сталей – высокая теплостойкость. Она обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами: молибденом, хромом, ванадием.

На завод сталь поступает в виде заготовок (поковок) и имеет структуру сорбитообразного перлита и карбидов.

При нагреве под закалку образуется аустенит, который интенсивно легируется и имеет сравнительно низкое содержание углерода из-за уменьшения растворимости под действием легирующих элементов.

После закалки инструмента получают структуру мелкоигольчатого мартенсита, карбидов и остаточного аустенита.

После отпуска структура будет иметь значительно меньшее количество остаточного аустенита, образуются больше специальных карбидов и происходит некоторое изменение в кристаллической решетки мартенсита (в основном под действием С, W, Mo, V, Cr).

1.3 Выбор марки стали и ее описание

Долговечность и надежность инструмента зависит от материала и его конструкционной прочности. Повышение эксплуатационных качеств инструмента достигается правильным выбором марки стали.

Материал для инструмента выбирается с обязательным учетом:

1)   Условий эксплуатации, а именно:

-           характера приложения нагрузки (статическая, динамическая, знакопостоянная, знакопеременная, контактная и т. д.) и ее максимальной величины;

-           характера напряжений;

-           температурных условий работы;

-           наличия агрессивной среды;

-           типа трения.

2)   Механических свойств и в первую очередь сочетания высоких пределов усталости и циклической вязкости, обеспечивающих надежную и длительную работу данного изделия.

3)   Технологических и структурных особенностей:

-           закаливаемости и прокаливаемости в рабочих сечениях;

-           устойчивость аустенита в процессах теплового воздействия и характера превращений;

-           склонность к обезуглероживанию, окислению и росту зерна при длительном нагреве;

-           обрабатываемости на различных стадиях формообразования.

4)   Особенностей конструкции обеспечивающих коробление и противодействие к образованию трещин.

5)   Экономические соображения:

-           стоимости;

-           минимального содержания легирующих элементов;

-           необходимости селектирования отдельных элементов;

-           условий поставки в соответствии с ГОСТами или отраслевыми нормативами.

Для изготовления дисковых фрез используются инструментальные, легированные, теплостойкие быстрорежущие стали: Р6М5, Р12, Р18, Р8М3, Р12Ф3 и др.). Для сравнения возьмем три марки стали: Р12, Р18 и Р6М5. Химический состав сталей указан в таблице 1.1:

Таблица 1.1 – Химический состав сталей, %.

В таблице 1.2 приведены механические свойства сталей, в таблице 1.3 - значения теплостойкости:

Таблица 1.2 – Механические свойства сталей.

Примечание. Закалка на зерно балла 10; трехкратный отпуск при 560 оС.

Таблица 1.3 Теплостойкость сталей

Быстрорежущие стали, в отличие от легированных и углеродистых сталей, имеют высокую теплостойкость, сохраняя мартенситную структуру и твердость более 60 HRC при нагреве до 600-650°С, более высокую прочность и повышенное сопротивление пластической деформации.

Проанализируем химические составы сталей Р6М5, Р18 и Р12.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающих высокую красностойкость, являются вольфрам, молибден, ванадий и кобальт. Кроме них все стали легируют хромом. Важным компонентом является углерод.

Содержание углерода в стали должно быть достаточным, чтобы обеспечить образование карбидов легирующих элементов. Так при содержании углерода меньше 0,7 % не получается высокой твердости в закаленном и в отпущенном состоянии. Влияние повышенного содержания углерода в сталях с молибденом более благоприятно, чем в вольфрамовых.

Карбидообразующие элементы образуют в стали специальные карбиды: Me6С на основе вольфрама и молибдена, MeС на основе ванадия и Me23С6 на основе хрома. Часть атомов Me составляет железо и другие элементы.

Вольфрам и молибден являются основными легирующими элементами, обеспечивающими красностойкость. Они образуют в стали карбид Me6С, который при аустенитизации часто переходит в твердый раствор, обеспечивая получение после закалки легированного вольфрамом (молибденом) мартенсита. Вольфрам и молибден затрудняют распад мартенсита при нагреве, обеспечивая необходимую красностойкость. Нерастворенная часть карбида Me6С приводит к повышению износостойкости стали. Молибден по влиянию на теплостойкость замещает вольфрам по соотношению Mo : W = 1 : 1,5.       

Ванадий образует в стали наиболее твердый карбид VC (MeС). Максимальный эффект от введения в сталь ванадия достигается при условии, что содержание углерода в стали будет достаточным для образования большого количества карбидов и для насыщения твердого раствора. Карбид MeС, частично растворяясь в аустените, увеличивает красностойкость и повышает твердость после отпуска благодаря эффекту дисперсионного твердения. Нерастворенная часть карбида MeС увеличивает износостойкость стали.

Хром во всех быстрорежущих сталях содержится в количестве около 4%. Он является основой карбида Me23С6. При нагреве под закалку этот карбид полностью растворяется в аустените при температурах, значительно более низких, чем температуры растворения карбидов Me6С и MeС. Вследствие этого основная роль хрома в быстрорежущих сталях состоит в придании стали высокой прокаливаемости. Он оказывает влияние и на процессы карбидообразования при отпуске.

Кобальт применяют для дополнительного легирования быстрорежущей стали с целью повышения ее красностойкости. Кобальт в основном находится в твердом растворе и частично входит в состав карбида Me6С. К недостаткам влияния кобальта следует отнести ухудшение прочности и вязкости стали, увеличение обезуглероживания.

Марганец в небольших количествах может переводить серу в более благоприятное соединение.

Сера является вредной примесью, способствующая красноломкости. В ледебуритных сталях отрицательная роль образующихся сульфидов меньше из-за присутствия в структуре значительно большего числа избыточных карбидов, которые могут также ухудшать эти свойства. Кроме того, сульфиды при низких температурах начала затвердевания этих сталей часто служат центрами кристаллизации и присутствуют внутри крупных эвтектических карбидов. Их количество уменьшается на границе зерен. Для уменьшения количества серы (до 0,015 %) используют электрошлаковый переплав.

Фосфор также является вредной примесью. При содержании фосфора более чем 0,02-0,03 % заметно снижается вязкость и прочность, усиливаются искажения в решетке мартенсита.

Ранее наиболее широко применялась сталь P18. Она содержит больше вольфрама, чем другие стали, и поэтому имеет повышенное количество карбидов (22-25 % после отпуска). Основной карбид М6С; доля карбида МС не более 2-3 % от общего количества карбидной фазы. Преимущества стали Р18: 1) малая чувствительность к перегреву (из-за влияния повышенного количества карбидов), и, в связи с этим, хорошая стабильность свойств сталей разных плавок; 2) хорошая шлифуемость; содержание ванадия в сталях с 18 % W меньше, чем в других сталях.

Сталь имеет немного лучшие режущие свойства при обработке сталей с избыточными карбидами (в частности, шарикоподшипниковых) и в инструментах относительно простой формы; это связано с более высоким сопротивлением пластической деформации из-за большего количества карбидов.

Резкое сокращение производства стали Р18 объясняется как дефицитностью вольфрама и созданием теперь сталей с более высокими свойствами, так и тем, что сталь Р18 имеет следующие недостатки: а) более крупные размеры избыточных карбидов: до 30 мкм, что снижает стойкость инструментов с тонкой рабочей кромкой и небольшого сечения; б) недостаточно высокие прочность и вязкость, сильно зависящие от профиля проката; они удовлетворительные лишь в небольшом сечении; прочность составляет 3000-3300 и 2000-2300 MПa в прутках диаметром 30 и 60-80 мм соответственно; в) пониженная горячая пластичность, особенно в крупном профиле. Это затрудняет также изготовление инструментов горячей пластической деформацией.

Сталь Р12, разработанная позже, заменяет сталь Р18. Основной карбид М6С; количество карбида МС несколько больше (8 %), чем у стали Р18.

В твердом растворе стали Р12 больше ванадия, что позволяет устанавливать его содержание в стали более высоким; 1,5-1,9 % без заметного ухудшения шлифуемости. В этом случае теплостойкость стали Р12 немного выше, чем стали Р18.

При почти одинаковой карбидной неоднородности (в прокате равного профиля) размеры карбидных частиц и количество карбидов в стали Р12 меньше, чем у стали Р18.

Вследствие этого, а также и более низкого содержания хрома, горячая пластичность стали Р12 на 10-15 % выше, чем у стали Р18. По этой же причине прочность и вязкость стали Р12 в одинаковом профиле на 5-8 % выше, чем стали Р18.

Режущие свойства сталей Р18 и Р12 близки; они несколько выше у стали Р12 в инструментах с тонкой рабочей кромкой и немного ниже, чем у стали Р18 в инструментах простой формы, обрабатывающих более твердые материалы.

Сталь Р6М5 широко применяется для тех же назначений, как и сталь Р12. Теплостойкость этой стали лишь немного ниже, чем сталей Р12 и Р18.

Размеры карбидных частиц меньше, чем в стали Р18. Поэтому прочность стали Р6М5 после одинаковой деформации на 10-15 % больше, а вязкость на 50-60 % выше, чем у стали Р18. Это преимущественно наблюдается и в крупных сечениях.

С повышением температуры до 500-600 °С прочность стали Р6М5 снижается сильнее, а вязкость возрастает больше, чем у сталей Р18 и Р12. Пластичность стали Р6М5 при температурах деформирования выше, чем у стали Р18. Твердость после отжига ниже, что обеспечивает несколько лучшую обрабатываемость резанием. Ее шлифуемость хорошая и не ниже, чем у стали Р18.

У стали Р6М5 с 5 % Мо сохраняются (но в меньшей степени) недостатки, вносимые молибденом. Она чувствительна к обезуглероживанию и к разнозернистости. Для повышения стабильности свойств необходимо устанавливать содержание углерода в более узких пределах.

При увеличении содержания кремния до 0,8-0,9 % немного улучшаются вязкость и твердость стали[3,8].

Таким образом, проанализировав стали Р18, Р12 и Р6М5, можно сделать вывод, что для дисковой фрезы наиболее целесообразно выбрать сталь Р6М5, учитывая выше перечисленные характеристики, и ее меньшую стоимость.

Рисунок 1.2 Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита стали Р6М5.

Рассчитываем критическую скорость охлаждения по формуле:

,

где, Тз – температура закалки; Тз = 1220 оС;

Тmin – температура минимальной устойчивости аустенита; Тmin = 740 оС;

τкр – критическое время; τкр = 600 с.

0,53 оС/c.

1.4 Разработка технологического процесса

1.4.1 Маршрутная технология изготовления дисковых фрез

Маршрутная технология – это последовательность технологических операций от начальной до установки детали в узел или механизм.

Маршрутная технология изготовления дисковых фрез из стали Р6М5 приведена на рис. 1.3:

Рисунок 1.3 – Маршрутная технология изготовления дисковых фрез

1. Входной контроль представляет собой контроль поступающего в цех материала по следующим параметрам: химический состав, твердость, степень чистоты металла.

Химический состав контролируется в соответствии с ГОСТ 19265-73. Дилатометрическим методом определяется температура полной аустенизации Ас3.

2. После входного контроля металл поступает в кузнечный цех, где он подвергается горячей пластической деформации – штамповке.

3. После штамповки заготовка поступает в механической отделение, где производится зачистка заусенцев и шлифование боковых поверхностей. Так же в механическом отделении производится контроль геометрии форм и размеров, выявление поверхностных дефектов.