Разработка ресурсосберегающего технологического процесса изготовления детали "шайба" методом порошковой металлургии

Курсовой проект по дисциплине

Стратегический менеджмент

Разработка ресурсосберегающего технологического процесса изготовления детали «шайба» методом порошковой металлургии

Содержание

Введение

1. Информация к проектированию технологического процесса

Чертеж детали

1.1. Термическая обработка пресс-формы

1.2. Схема пресс-формы

3. Классификация детали по группе сложности

4. Расчет состава шихты графическим и аналитическим способом

5. Определение массы навески порошков

6. Разработка схемы участка порошковой металлургии

6.1. Выбор пресса

6.2. Выбор печи для спекания

7. Определение объема стартовых инвестиций

Заключение

Список используемых источников

Введение

Вопрос ограниченности ресурсов и благ в современном мире является одним из самых актуальных. Известно, что запасы многих природных ресурсов уже находятся в дефиците, а то, что некоторые сохранились в достаточно больших количествах, не означает их нескончаемость. Удовлетворение потребностей общества напрямую зависит от создания благ, а блага в свою очередь требуют всё большее количество ресурсов для их производства. Понятно, что при постоянном увеличении населения земли, блага и ресурсы будут ограничиваться, их не будет хватать для удовлетворения всех потребностей. В настоящее время уже можно заметить, что на производство благ тратиться огромное количество ресурсов. Необходимо ограничить использование ресурсов, потому что в будущем проблема их ограниченности может оказаться неразрешимой и привести к фатальным последствиям.

Развитие научно-технического прогресса ведет к необходимости использования в устройствах различных механизмов и машин материалов как конструкционного, так и функционального назначения со специальными свойствами.

Важное место в создании таких материалов занимает порошковая металлургия, позволяющая целенаправленно конструировать структуру и свойства материалов, а также производить изделия с минимальными отходами.

В ведущих развитых странах, несмотря на спады различных видов производства, всегда наблюдается рост изделий, получаемых методом порошковой металлургии.

Так, объем продаж порошковых изделий в Северной Америке в 1998г. составил 5 млрд. долларов, а в 2003г. - порядка 9 млрд. долларов.Развитие порошковой металлургии обусловлено главным образом тем, что её технологические операции сравнительно просты, а достигаемый с их помощью эффект во многих случаях оказывается поразительным. Только порошковая металлургия позволила преодолеть трудности, возникшие при производстве изделий из тугоплавких (температура плавления 2000 °С и выше) металлов, получать сплавы из металлов с резко различающими температурами плавления, изготавливать материалы из металлов и неметаллов или из нескольких слоёв разнородных компонентов, производить фильтрующие материалы с равномерной объёмной пористостью и успешно решать другие задачи.

Пять основных преимуществ: безотходность, производительность, высочайшая точность, широкий диапазон свойств, получение уникальных свойств.

* Безотходность

Технологию порошковой металлургии можно назвать безотходной. Потери сырья составляют не более 5%.

* Производительность

Также экономический эффект можно получить за счет полной автоматизации изготовления деталей на пресс-автоматах (а еще лучше - на роторных линиях). Простые детали можно прессовать свыше 5000 штук в час.

* Высочайшая точность

Высокая точность формы и размеров детали обеспечивается особенностями технологии, высокоточным прессовочным и калибровочным пресс-инструментом.

* Широкий диапазон получаемых свойств

Можно регулировать физические, механические, электрические, магнитные и др. свойства производимой продукции. Например, задавать нужные электрические свойства контактов, магнитные свойства магнитопроводов и механические свойства конструкционных деталей.

Особенностью порошковой металлургии является возможность изготавливать пористые материалы. Например, можно задавать необходимую пористость для фильтров или самосмазываемых подшипников скольжения.

Эксплуатационные характеристики продукции можно сделать более гибкими за счет применения возможностей порошковой металлургии.

* Получение уникальных свойств, не достижимых другими традиционными методами.

Порошковая технология предоставляет возможности для создания псевдосплавов (из несплавляющихся металлов) и материалов с особыми специальными свойствами, которые нельзя получить, применяя другие известные промышленные методы изготовления. Также она предоставляет возможность получения материалов высокой чистоты.

1. Информация к проектированию технологического процесса

Шамйба -- деталь, подкладываемая под гайку или головку болта (винта) с целью создания бомльшей опорной площади, уменьшения повреждений поверхности детали, а также предотвращения самоотвинчивания крепёжной детали. Шайбы бывают: круглые, косые, корончатые, пружинные (гровер), стопорные, быстросъёмные, уплотнительные, концевые, сферические и т. д

Плоская шайба применяется в случае недостаточности площади контакта прилегающей поверхности головки болта с поверхностью детали, либо при опасности повреждения материала детали. Применение шайб возможно также при опасности провала головки болта или элементов механической фиксации резьбового соединения (таких как шайба гровер или корончатая шайба) в отверстие в детали. В остальных случаях применение плоских шайб считается нецелесообразным.

В связи с простотой формы детали, отсутствием фасок и дополнительных отверстий ее форма будет совпадать с формой прессовки.

Чертеж детали

Для изготовления прессовки спроектируем формовочный узел пресс-формы.

Формовочный узел пресс-формы является основным, при разработке всей конструкции пресс-формы. Кроме формовочного узла - матрицы, пуансона, выталкивателя, стержня, пресс-форма дополнительно включает в себя такие детали как: корпус, верхняя и нижняя формовочные плиты, захваты, пуансонодержатель, направляющие колонки и втулки, крепежные детали.

Схема маршрутно-технологического процесса изготовления детали методом порошковой металлургии

1.1. Термическая обработка пресс-формы

С целью увеличения прочности и износостойкости деталей пресс-формы проводят термическую обработку. При назначении режимов термической обработки учитывают то обстоятельство, что необходимо обеспечить режимом Т.О. пуансонов меньше чем HRC матрицы, это связано с тем, чтобы уменьшить истирающий износ матрицы.

В качестве материала для формообразующих деталей пресс-форм применятся различные марки сталей:

1) Если пресс-форма изготовляется как экспериментальная, то возможно ее изготовление из углеродистой инструментальной высококачественной стали;

2) Для условий промышленного производства применят легированную сталь

В качестве технологического параметра термической обработки, которая позволяет получить для одной и той же марки стали разные значения твердости служит температура отпуска.

В нашем случае используем сталь ШХ15. Это шарикоподшипниковая сталь, с содержанием хрома 1,5%.

Термическая обработка для матрицы

Закалка с температурой нагрева до Т_з= 840 °С.

Затем низкий отпуск при температуре Т_от= 160 °С.

Данная термическая обработка позволяет получить твердость матрицы равную 62 HRC.

Термическая обработка для пуансона

Закалка с температурой нагрева до Т_з=840 °С.

Затем средний отпуск при температуре Т_от= 220 °С.

В результате среднего отпуска получаемая твердость пуансона равна 60 HRC, что на 2 ед. ниже твердости матрицы.

Термическая обработка для вспомогательных деталей пресс-формы

Назначим термическую обработку для направляющих колонок и втулок. Условия работы данных деталей сопровождается высоким поверхностным износом и вибрацией, поэтому материал детали должен сочетать в себе следующие свойства:

1. высокая поверхностная твердость для противодействия износу;

2. мягкую вязкую сердцевину способную воспринимать динамические нагрузки.

Для изготовления используем цементуемые марки стали с 0,25% С - 15Х, 20Х, 20ХН, 20ХНМ.

Цементация

Цементация стали -- поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900--950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) -- при 850--900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Цементация в твёрдом карбюризаторе

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь в зёрнах поперечником 3,5-10мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляют активизаторы.

Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.

Стандартный режим: 920 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя. для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов.

При "ускореном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией.

Цементация в газовом карбюризаторе

Этот процесс осуществляют в среде газов содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.

В случае с газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

После цементации термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска. Т_з=760°С.

В результате поверхностный слой приобретает структуру мартенсита отпуска, а сердцевина становиться ферритно-перлитной.

1.2 Схема пресс-формы

1. Пресс-форма - основной инструмент при прессовании порошков, основными деталями которой являются:

* матрица, которая обеспечивает формирование боковой поверхности прессовки;

* нижний пуансон, который формирует нижнюю поверхность прессовки и обеспечивает функцию выталкивания детали после прессования;

* верхний пуансон, который формирует верхнюю часть прессовки и передающий усилия от ползуна пресса на порошок.

При конструировании пресс-форм учитываются основные требования:

* Формирование детали заданных форм и размеров;

* Равномерная плотность по всему объему прессовки;

* Возможность наиболее простого извлечения изделия, т.е. выпрессовки;

* Простота в изготовлении, в т.ч. обеспечение простоты и доступности ремонта;

* Надежность эксплуатации;

* Долговечность, а значит рабочие детали должны иметь высокую поверхностную стойкость, прочность для противостояния деформации, стиранию, износу и т.д.

3. Классификация детали по группе сложности

Все виды прессуемых из порошковых материалов изделий можно разделить на семь групп по сложности конфигурации:

· I группа - детали без отверстий с неизменным сечением по высоте, ограниченными двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными направлению прессования;

· II группа - детали с неизменным сечением по высоте, ограниченные двумя параллельными плоскостями, с одним или несколькими отверстиями в направлении прессования с соотношением высоты изделия к толщине стенки h/? ? (8?10);

· III группа - детали второй группы, но соотношением h/? > (8?10);

· IV группа - детали с наружным или внутренним буртом и отношением h/? ? (6?8);

· V группа - детали четвертой группы, но с соотношением h/? > (6?8);

· VI группа - детали без отверстий, имеющие по высоте несколько сечений и переходов;

· VII группа - детали с отверстием, имеющие несколько наружных и внутренних переходов по высоте и детали, ограниченные не параллельными плоскостями или криволинейными поверхностями;

Предложенная деталь «вставка» относится ко II группе, т.к. сечение данной детали не изменяется по высоте.

Высота изделия равна 10м, а толщина 15мм, т.е. соотношение высоты изделия к толщине стенки

h/? = (10?15), т.е. h/? < (8?10).

4. Расчет состава шихты графическим и аналитическим способом

Для изготовления деталей на основе порошковой шихты предварительно производят расчет ее состава исходя из рабочего объема смесителя. Смеситель - оборудование, которое позволяет получить шихту требуемого химического и гранулометрического состава. Обычно на участке порошковой металлургии шихту готовят не ежедневно, а 1-2 раза в неделю.

Деталь формируется на основе следующих порошковых материалов:

Ш порошок железа;

Ш порошок графита;

Ш порошок меди.

Формирование шихты с использованием железа и графита позволяет обеспечить химические состав и структуру аналогичную углеродистым сталям. Содержание графита от 1 до 4% позволяет обеспечить структуру преимущественно доэвтектоидных сталей. Это связано с тем, что не весь графит взаимодействует с железом, образуя соответствующие фазы (феррит - твердый раствор углерода в ?-железе, цементит - химическое соединение Fe₃C, перлит - тонкая механическая смесь феррита и цементита).Часть графита (до 75%) остается в свободном виде.

Медь нужна для стабилизации усадки при спекании детали.

Состав шихты: 91,5 Fe + 3,0 C + 5,5 Cu

Подшихтовка: 89,5 Fe + 2,5 C + 8 Cu

Решение:

91,5% Fe + 3,0% C + 5,5% Cu = 100% (на 7 кг порошка)

m (Fe) = 7,0/10,0*9150,0 = 6,405 кг

m (C) = 7,0/10,0*300 = 0,210 кг

m (Cu) = 7,0/10,0*550 = 0,385 кг

Подшихтовка:

89,5% Fe + 2,5% C + 8% Cu = 100%

Расчет производим по С, т.к. в разы большее увеличение произошло именно по С:

100 г (шихты) - 3 г (С)

Х г - 2,5 г (С)

Х =2,5/3*100 = 83,33 г

Отсюда:

Х (Fe) = 91,5*83,33/100 = 76,25 г

Х (Cu) = 5,5*83,33/100 = 4,58 г

89,5 Fe + 3,0 C + 8 Cu = 100

76,25 Fe +2,5 С + 4,58 Cu = 83,33

13,25 Fe + 0 С + 3,42 Cu = 16,67

5. Определение массы навески порошков

Общепринятой считается расчётная формула для величины навески:

Q = ?_к * V* (I - П_с / 100)* К₁*К₂

Где Q - навеска порошка, г

?_к -- плотность беспористого материала, г/см

V - объём изделия после спекания, см³

П_с-- фактическая плотность спечённого изделия, %

К₁ -- коэффициент, учитывающий потери порошка при прессовании и зависящий от точности изготовления деталей пресс-формы.

К₂ - коэффициент, учитывающий потерю массы прессовкой при спекании в результате восстановления оксидов и удаления примесей, в том числе и смазки.

?_к= 100/ (a₁/ ?₁+ а₂/ ?₂ + а₃/?₃+.. .+а_n/?_n)

где ?₁, ?₂, ?₃, ?_n - плотности отдельных компонентов

а₁, а₂, а₃, а_n -- содержание отдельных компонентов в смеси.

?_к = 100/ (91,5/7,6 + 3,0/2,2 + 5,5/8,8) = 100/(12,39 + 1,36 + 0,625) = 100/14,375 = 6,9565 г/см³

V = ?*R²*H- ?*r²*H

V = 3,14*20²*10-3,14*5²*10 = 12566,4 - 785,4 = 11781 мм³ = 11,781 см³

Q = 6,9565 * 11,781 * (1-23/100)* 1,006* 1,02 = 64,753 грамм

Данная масса порошка необходима для изготовления одной детали.

6. Разработка схемы участка порошковой металлургии

Серийность производства 300 тыс. деталей в год.

6.1 Выбор пресса

Прессование металлических порошков представляет собой технологическую операцию, в результате которой под действием приложенного усилия из бесформенного сыпучего порошка получается прочное тело - прессовка по форме и размерам близкая форме и размерам готового изделия.

Сложность явлений, сопровождающих уплотнение порошка и многообразие требований к свойствам готовых изделий вызывают необходимость проведения специальных операций по подготовке порошка к формованию.

Возможности порошковой металлургии как технологического метода изготовления деталей во многом определяются техническими характеристиками оборудования для формования заготовок из порошков.

Для формообразования заготовок из порошков необходимо наличие установки, создающей силовое воздействие на порошок (механический, гидравлический пресс или специальное устройство) и пресс-оснастки, обеспечивающей придание заготовке требуемой формы, размеров, плотности (пресс-формы).

Наиболее распространенным оборудованием для формования заготовок из порошков являются прессы различных типов.[1]

Выбираем один пресс с учетом, что на прессе автоматизированы основные операции.

Годовой фонд работы оборудования для двухсменной системы равен 3890 часов, для односменной - 1945.

Требуемое усилие прессования определяется по формуле:

Р=( р + р_тр ) * F, мН,

где F - площадь сечения прессовки в плоскости, нормальной к направлению перемещения пуансона, м²;

р - удельное давление пуансона на поверхность прессовки, необходимое для достижений требуемой плотности, мН/м² ( р = 400)

р_тр - потери давления на внешнее трение. Зависит от размеров поверхности трения, типа порошка, степени износа матрицы и др. факторов. Для упрощения расчетов принимаем р_тр=0,3 р.

F= F_общ -F_отв= ?*R²- ?*r² = 1256,64 - 78,54 = 1178,1 мм² = 0,0011781 м²

тогда Р = (400 + 120) * 0,0011781 = 0,6126 мН.

Согласно рассчитанному усилию пресса, мы выбираем пресс из предложенного перечня: КО628. Цена 2 900 000 рублей.

6.2 Выбор печи для спекания

После прессования деталь необходимо подвергнуть спеканию.

Спекание осуществляют путем нагревания сформированного изделия до температуры, которая составляет примерно 2/3 температуры плавления материала. В процесс спекания происходит «залечивание» пор, уплотнение и упрочнение материала.

Процессы спекания можно разделить на два основных вида:

спекание однокомпонентных систем;

спекание многокомпонентных систем

а) в твердой фазе;

б) с образованием жидкой фазы.

В первом случае спекание происходит за счет взаимодействия частиц в твердом состоянии, причем все частицы имеют одинаковый химический состав.

Спекание второго вида относиться к системам, которые относится к системам, которые состоят из частиц различного химического состава. При спекании в этом случае возможно взаимодействие частиц либо только в твердой фазе.

С учетом режима термообработки можно взять низкотемпературную, автоматическую вакуумную печь непрерывного действия. Суточная программа: А_ст=159 шт./час. Тогда производительность в смену равна 1272 шт./смену.

Q = 64,753 грамм = 0,06475 кг.

Определим массу деталей произведенных за одну смену.

Q_см = 0,06475*1272=82,362 кг.

Данная величина необходима для расчета потребного количества печей для спекания. В данном случае целесообразно использовать две двух муфельные силитовые печи ОБ-357 с рабочей температурой 1200°С.

Таблица 1

Технические характеристики двухмуфельной силитовой печи ОБ-357

Установочная мощность	40 кВт
Рабочая температура	1200°С.
Производительность	40 кг/ч
Размер рабочего пространства	3803202200 мм

В качестве смесителя используем нестандартное оборудование. Объем камеры смесителя можно определить по формуле V=1,4*V_пр, где V_пр - необходимый объем порошка. Объем порошка в свою очередь определяется из необходимой массы порошка и его плотности (учтем, что шихту готовят 2 раза в неделю):

V_пр= 3Q_см * ?_к =3*82362 *6,9565 г/см³=1718853,8 см³=1,71885 м³

7. Определение объема стартовых инвестиций

В состав стартовых инвестиций войдут затраты на:

1. приобретение оборудования

a. гидравлического пресса. Цена 2 900 000 руб.

b. печей для спекания. Цена 50000 руб.

2. изготовление нестандартного оборудования (смесителя).

Цена 20 000 руб.

Таким образом объем стартовых инвестиций составит:

V_инв = Р_пресса + 2*Р_печи + Р_{смесителя} =2900000+2*50000+20000=3020000 руб.

Заключение

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей изделий. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлом трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные и др.) материалы.

Основные преимущества использования порошковой металлургии:

- снижает затраты на дальнейшую механическую обработку, которая может быть исключена или существенно уменьшена. Получает готовое изделие точное по форме и размерам. Обеспечивает высокое качество поверхности изделия.

- использует энерго и ресурсосберегающие технологии. Уменьшает количество операций в технологической цепи изготовления продукта. Использует более чем 97% стартового сырья. Реализует многие последующие сборочные этапы ещё на стадии спекания.

- позволяет получать изделия с уникальными свойствами, используя многокомпонентные смеси, объединяя металлические и не металлические компоненты. Изделия различной пористости (фильтры) с регулируемой проницаемостью; Подшипники скольжения с эффектом самосмазывания.

- получает более высокие экономические, технические и эксплуатационные характеристики изделий по сравнению с традиционными технологиями.

- упрощает зачастую изготовление изделий сложной формы.

- обеспечивает прецизионное производство. Соответствие размеров в серии изделий.

Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, а в ряде случаев существенно повысить экономические показатели производства. При этом способе в большинстве случаев коэффициент использования материала составляет около 100%. В настоящее время получает все большее распространение, в том числи и в связи с постоянно растущим дефицитом природных ресурсов и уделению большого внимания рациональности их использования.

Список используемых источников

1. Арутюнова И.А., Дальский А.Н. Технология конструкционных материалов: Учебник./ И.А Арутюнова., А.Н Дальский - М.: Машиностроение, 1985. - 450 с.

2. Курс переходной экономики: Учебник для вузов по экономическим
направлениям и специальностям / под ред. Л.И. Абалкина - М.: Финстатинформ, 1997. - 237с.

3. Либенсон Г.А.Оборудование цехов порошковой металлургии: учебное пособие для техникумов / Г.А Либенсон - М.: «Металлургия», 1983. - 264с.

4. Раковский В.С. Сакалинский В.В. Порошковая металлургия в машиностроении: справочное пособие / В.С Раковский, В.В. Сакалинский - М.: «Машиностроение», 1973. - 126с.

5. Справочник термиста

6. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением: учебник для вузов / М..В.Сторожев, Е.А. Попов - М.: «Машиностроение»,1977. - 235с.

7. Суворов И.К. Обработка металлов давлением: Учебник для вузов / И.К. Суворов - М.: Высш. школа,1980. - 453с.