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

Курсовой проект по дисциплине

«Проектирование и экономический анализ высокоэффективных технологий»

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

Содержание

Введение

1. Основные характеристики детали «вставка»

2. Классификация детали по группе сложности

3. Разработка этапов прессования детали

3.1 Теория по прессованию

3.1.1 Понятие прессования

3.1.2 Виды прессования

3.1.3 Назначение прессования

3.2 Схема, этапы прессования для детали вставка

4. Выбор смесителя

5. Дозировка и засыпка порошка в прессформу

5.1 Классификация прессформ

5.2 Детали прессформы, их назначение

5.3 Способы дозировки порошка и засыпки его в прессформу

5.4 Расчет величины навески порошка

5.5 Программа изготовления детали

6. Расчет состава шихты графическим и аналитическим способом

7. Схема прессформы

8. Выбор материала для деталей прессформы

9. Разработка режимов термообработки

10. Выбор пресса для прессования

11. Выбор печи для спекания

12. Схема маршрутно-технологического процесса изготовления детали методом порошковой металлургии

13. Экономическая часть

13.1 Предлагаемое оборудование для изготовления деталей методом порошковой металлурги

13.2 Экономическое обоснование применения метода порошковой металлургии для изготовления детали «вставка»

Заключение

Список использованных источников

Приложения

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 требую 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. [2]

Технология изготовления деталей определяющим образом влияет на величину и структуру затрат. От совершенства технологии зависят экономические показатели производственной деятельности предприятия, а также влияние предприятия на состояние окружающей среды и степени износа природного капитала.

Любое производство связано с использованием природных ресурсов. Как сказано выше природные ресурсы составляют вещественную основу продукции предприятия, а так же выполняет энергетическую функцию.

Анализ структуры рынка в металлургическом и машиностроительном производствах, являющихся крупнейшими потребителями невозобновимых ресурсов показывает, что в структуре затрат при производстве продукции около 60% занимают материально-энергетические затраты, амортизация занимает около 6%, оплата труда - 12-15% и прочие затраты.

Высокая доля материально-энергетических затрат связано с двумя причинами:

1. Высокая стоимость материально-энергетических ресурсов

2. Значительное технологическое совершенство производств, связанных с использованием невозобновимых природных ресурсов и технологическое отставание от развитых стран, т.е. оборудование эксплуатируется за пределами сроков амортизации, высокий износ оборудования, низкий коэффициент выбытия и обновления оборудования.

Соответственно устаревшее оборудование не позволяет реализовывать новые технологии, т.е. технологии ресурсосберегающие, ресурсозаменяющие, высокоэффективные.

Важнейшим путем решения связанным с повышение эффективности технологий промышленного производства, а тем самым решение вопросов, связанных с повышением рациональности использования ресурсов, прежде всего невозобновимых, является инновационный путь развития экономики. При этом одновременно необходимо ориентировать инновационный подход

  на совершенствование базовых технологий на основе освоения инновационных технологий - эволюционные инновации

  параллельное развитие альтернативных технологий (революционных инноваций), т.е. технологии с принципиально иными воздействиями на вещество.

В частности сегодня основным подходом в технологических процессах связанных с изготовлением деталей в машиностроительном производстве является использование технологий на основе снятия стружки, т.е. это технологии механической обработки, в основе которой лежит использование металлорежущих станков и металлорежущего инструмента, которые обеспечивают формообразование детали т.е. её изготовление в соответствии с заданными размерами, точностью и шероховатостью. При этом в результате такой обработки коэффициент использования материала в целом составляет 50%.

В качестве основных путей, направленных на снижение отходов металла при обработке резанием является:

1. Совершенствование основных технологических процессов заготовительного производства (ковка, литье, штамповка), т.е. использование для детали не универсальной заготовки (прутка), а заготовки, которая по своим размерам и форме максимально приближена к готовой детали позволяет увеличить коэффициент использования материала, а соответственно уменьшить долю материальных затрат в структуре затрат и обеспечивает ресурсосбережение.

2. Использование более совершенных машин, оборудования, инструмента

3. Совершенствование технологических процессов на основе автоматизации и активации режимов обработки СОЖ, система контроля и т.д.

При замене технологического процесса на принципиально новый производиться новое воздействие на вещество.

В частности такой альтернативной технологией по отношения к технологии обработки резанием являются технологии, связанные с изготовлением детали из металлических порошков, т.е. технологии порошковой металлургии.

Порошковая металлургия - это технологические процессы, связанные с получение порошковых материалов и последующим изготовление из этих порошковых материалов изделий конструкционного, инструментального и специального назначения

Производство порошков, как правило, в основном, производятся на специализированных заводов порошковой металлургии. В Российской Федерации производство порошков организовано на:

1. Заводе попрошковой металлургии, г. Москва

2. ТулаЧернМете

3. Уральских предприятиях (Екатеринбург, Пермь)

Сегодня имеет место тенденция, связанная с организацией производства металлических порошков на предприятиях черной и цветной металлургии

Производство деталей из порошков ведется как на специализированных предприятиях, так и организуется при машиностроительном предприятии путем организации участка порошковой металлургии.[4]

Опыт изготовления деталей из порошков имеют и предприятия г. Вологды (ЗАО «Вологодский Подшипниковый Завод»). Более 20 лет на заводе работает небольшой участок при ШИП, который занимается изготовлением пластинок из металлокерамических твердых сплавов группы ВК т ТК крестца, используемые в производстве. Участок обеспечивает производство не в полном объёме, но наличие участка является гарантом бесперебойности работы основного производства. На участке изготовляют пластинки сложных форм для экспериментального производства. Участки порошковой металлургии имеются так же на ЭлектроТехМаш и на ВОМЗ.

1. Основные характеристики детали «вставка»

Методы порошковой металлургии широко применяют в промышленности для получения металлокерамических, металлических и керамических композиций. Достаточно отметить получаемые этим методом и широко используемые в технике металлорежущие твердосплавные пластины, представляющие собой спеченную смесь порошков кобальта и карбидов вольфрама или титана. Однако для получения волокнистых композиционных материалов методы порошковой металлургии стали использовать относительно недавно, причем почти все эти методы - прессование с последующим спеканием, горячее прессование, экструзия, динамическое уплотнение и др. - оказались пригодными для указанных целей, разумеется, в зависимости от природы составляющих композиционных материалов - матрицы и упрочнителя.

В качестве исходных материалов используют металлические или металлокерамические порошки, образующие матрицу, и армирующие волокна в виде непрерывных или дискретных волокон, либо в виде металлических сеток. Оборудование, применяемое при изготовлении композиционных материалов, как правило, существенно не отличается от оборудования, применяемого в порошковой металлургии. В основном это разного типа вибрационные столы для уплотнения смеси, прессы, печи для спекания.[3]

2. 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/д ? (8ч10);

III группа - детали второй группы, но соотношением h/д > (8ч10);

IV группа - детали с наружным или внутренним буртом и отношением h/д ? (6ч8);

V группа - детали четвертой группы, но с соотношением h/д > (6ч8);

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; [3]

Предложенная деталь «вставка» относится ко III группе, т.к. сечение данной детали не изменяется по высоте, она ограниченна двумя параллельными плоскостями, но имеется одно отверстие 10Ч10.

Высота изделия равна 40 мм, а толщина 10 мм, т.е. соотношение высоты изделия к толщине стенки h/д = (4ч1), т.е. h/д > (8ч10).

3. Разработка этапов прессования детали

3.1 Теория по прессованию

3.1.1 Понятие прессования

Прессование металлов, способ обработки давлением, заключающийся в выдавливании (экструдировании) металла из замкнутой полости (контейнера) через отверстие матрицы, форма и размеры которого определяют сечение прессуемого профиля. При прессовании создаётся высокое гидростатическое давление, вследствие чего значительно повышается пластичность металла. Прессованием можно обрабатывать многие хрупкие материалы, неподдающиеся обработке другими способами (прокаткой, ковкой, волочением).

Процесс прессования металла заключается в вытеснении с помощью пуансона металла исходной заготовки (обычно цилиндрической по форме), которая помещена в контейнер, сквозь отверстие матрицы. Этот метод широко применяется для деформирования металлов, как в горячем, так и холодном состоянии. Металлы могут обрабатываться разные, не только имеющие высокую податливость, но и значительно жесткие, также возможна обработка металлических порошков и неметаллических материалов, например, пластмасс.

3.1.2 Виды прессования

Различают следующие виды прессования (рис 1.): с прямым истечением металла (направление движения металла совпадает с направлением движения пресс-шайбы - схемы а и б) и с обратным (металл течёт навстречу движению матрицы, которая выполняет также функции пресс-шайбы, - схемы в и г).



Рис.1 Схемы прессования профиля сплошного сечения с прямым истечением (а), т рубы с прямым истечением (б), профиля сплошного сечения с обратным истечением (в), т рубы с обратным истечением (г), т рубы или полого профиля из заготовки сплошного сечения (прессование со сваркой, д); 1 - заготовка; 2 - пресс-штемпель; 3 - пресс-шайба; 4 - контейнер; 5 - матрица; 6 - матрицедержатель; 7 - пресс-изделие; 8 - игла; 9 - иглодержатель; 10 - пробка.

При прессовании с прямым истечением профиля сплошного сечения пресс-штемпель через пресс-шайбу передаёт давление на заготовку, находящуюся в контейнере. При этом металл заготовки выдавливается в отверстие матрицы, закрепленной в матрицедержателе, и образует профиль. Скорость истечения профиля во столько раз превышает скорость движения пресс-штемпеля (скорость прессования), во сколько раз площадь сечения полости контейнера больше площади отверстия в матрице. Отношение указанных площадей называется коэффициентом вытяжки. При прессовании т рубы с прямым истечением металл заготовки выдавливается в кольцевой зазор между матрицей и иглой, образуя т рубу заданной конфигурации. В этом случае заготовка перемещается не только относительно контейнера, но и относительно иглы.

При прессовании с обратным истечением силовое воздействие на заготовку осуществляется через контейнер, получающий движение в направлении, указанном стрелкой, через укороченный пресс-штемпель - пробку, запирающую контейнер. С другой стороны контейнер запирается удлинённым матрицедержателем, в котором закреплена матрица. При перемещении контейнера вместе с ним перемещается заготовка, и металл выдавливается в канал матрицы, образуя профиль.

При прессовании с прямым истечением вследствие трения металла о поверхность контейнера периферийные слои заготовки испытывают значительно более высокие сдвиговые деформации, чем центральные слои. Неравномерность деформации приводит к различию структуры и свойств по сечению изделия; особенно заметно это при прессовании прутков большого диаметра. При прессовании с обратным истечением трение металла о поверхность контейнера отсутствует, вследствие чего неравномерность структуры и свойств по сечению изделия значительно меньше. Кроме того, при обратном истечении значительно меньше усилия, требуемые для пресовании., благодаря чему возможно снижение температуры нагрева заготовок и повышение скорости процесса.

Для получения т руб и полых профилей из алюминиевых и магниевых, а в некоторых случаях медных и титановых сплавов используется также прессовании со сваркой (схема д). Заготовка под давлением, передаваемым пресс-штемпелем, рассекается гребнем матрицы в зависимости от его конструкции на 2 или несколько потоков металла. Эти потоки затем под действием высокого давления свариваются, охватывая сплошной массой иглу матрицы, выполненную за одно целое с гребнем. Окончательно т руба формируется в кольцевом зазоре между матрицей и иглой.

Существуют и другие способы прессования: т руб из сплошной заготовки с предварительной прошивкой её иглой; сплошных и полых профилей плавно-переменного или ступенчато-переменного сечения; широких ребристых листов (панелей) из плоского (щелевого) контейнера и т.д. Промышленное применение находит также гидростатическое прессование (гидроэкструзия), при котором давление на заготовку передаётся через жидкость. При этом способе силовое поле создаётся жидкостью высокого давления, подаваемой в контейнер от внешнего источника, или давлением на жидкость уплотнённого пресс-штемпеля. В современных установках для гидростатического прессования давление жидкости в контейнере достигает примерно 3 Гн/м² (30 000 кгс/см²).

Прессование осуществляется как с предварительным нагревом заготовки и инструмента, так и без нагрева. Холодное прессование (т. е. без нагрева) используют при обработке легкодеформируемых металлов (олова, свинца, чистого алюминия). Холодное гидростатическое прессование вследствие весьма высоких давлений и отсутствия трения заготовки о поверхность контейнера позволяет обрабатывать и более труднодеформируемые металлы и сплавы (дуралюмины, медные сплавы, стали). Горячим прессованием получают изделия из различных металлов и сплавов: алюминиевых, титановых, медных, никелевых, а также тугоплавких металлов. Наиболее высокие температуры нагрева заготовок (до 1600-1800 °С) используют при прессовании вольфрама и молибдена.

Прессование осуществляют на горизонтальных гидравлических прессах; реже, в основном при прессовании т руб и гидроэкструзии, используют вертикальные гидравлические прессы. В некоторых случаях для холодного прессования т руб из легкодеформируемых металлов используют прессы с механическим приводом. П. м. позволяет получать сплошные профили с площадью сечения 0,3-1500 см² и диаметром описанной окружности 1,5-90 см, круглые прутки диаметром 0,6-60 см и т рубы диаметром 0,8-120 см с толщиной стенки 0,1-10 см.[7]

3.1.3 Назначение прессования

Посредством прессования можно изготовить прутки размером от 3 до 250 мм, т рубы диаметром от 20 до 400 мм (при толщине стенки от 1,5 до 12 мм), а также полые профили, обладающие каналами сложных сечений, с внутренними и наружными ребрами.

Также - разнообразные профили, либо с постоянным, либо с изменяющимся сечением по длине. Зачастую, метод позволяет сделать изготовление профилей для несущих конструкций, деталей машин и прочих изделий, более экономичным, нежели при изготовлении методами прокатки, штамповки или отливки с последующей механической обработкой. Прессование позволяет получить изделие очень сложной конфигурации, что исключено при использовании других методов пластической обработки.

Основными преимуществами прессования металла являются:

* возможность успешной пластической обработки с высокими вытяжками, в том числе малопластичных металлов и сплавов;

* возможность получения практически любого поперечного сечения изделия, что при обработке металла другими способами не всегда удается;

* получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матрицы;

* производство изделий с высокими качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения, что во многих случаях превышает принятую точность при пластической обработке металла другими способами (например, при прокатке).

Недостатками данного метода являются:

* повышенный расход металла на единицу изделия из-за существенных потерь в виде пресс-остатка;

* появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических и других свойств по длине и поперечному сечению изделия;

* сравнительно высокую стоимость прессового инструмента.

Главным признаком всех разновидностей процесса прессования является наличие/отсутствие поступательного движения металла относительно стенок контейнера. Исключаются при этом движении только небольшие участки вблизи матрицы (мертвые зоны). В мертвых зонах движения металла нет.[6]

3.2 Схема, этапы прессования для детали вставка

Как было сказано выше деталь «вставка» относиться к III группе сложности, это довольно легкая деталь и нам не приходиться упрощать её для прессования, чтобы в дальнейшем её дорабатывать другим способом обработки.

4. Выбор смесителя

Смешивание порошков является в порошковой металлургии весьма важной операцией, от качества проведения которой во многом зависит физико-механические свойства получаемых спеченных изделий. Смешивание порошков производят в специальной аппаратуре, обеспечивающей получение однородной массы. Наиболее известны два метода смешивания: химический и механический. Наиболее производительный и технологический метод смешивания порошков - механический. Механические смесители могут быть периодического и непрерывного действия. Смесители периодического действия: шаровые мельницы, барабанные, конусные, со смещенной осью, шнековые, центробежные, У - образные. Объем разовой загрузки шихты составляет не более 30 % емкости устройства. Смесители непрерывного действия: вибрационные, центробежные, магнитные, "кипящего" слоя и др. - используются для создания автоматических линий. Производительность смесителей периодического действия зависит от объема и времени смешивания (1 ч- 20 часов). Продолжительность процесса определяется опытным путем для шихты конкретного состава. Критерий качества - равномерность распределения компонентов в объеме смеси. Обычно время смешивания не превышает 3-5 часов.

Я считаю, что с учетом программы выпуска детали (в смеситель загружается 123 кг порошка) для изготовления деталей на нашем предприятии нужен один из смесителей периодического действия [3]

Смеситель ЦП-600-01 предназначен для смешивания порошкообразных и пастообразных компонентов. Процесс перемешивания происходит в нескольких плоскостях по сложной траектории, что гарантирует равномерное распределение малого количества одного или нескольких компонентов во всем объеме смеси за 20 - 30 сек.

Особенности аппарата:

4. Автоматическая выгрузка продукта

5. Отсутствие окрашенных поверхностей (все поверхности выполнены из стали 12X18H10T)

6. рубашка для охлаждения [8]

Таблица 1 - технические характеристики

Потребляемая мощность, кВт	15
Напряжение трехфазной сети переменного тока частотой 50 ГЦ	380
Влажность обрабатываемых продуктов, %	0 - 70
Скорость вращения мешалки, об/мин	700
Объем рабочей камеры, л	114
Рабочий объем, л	76
Разовая загрузка, кг	120-140
Габаритные размеры:
высота, мм	1550
длина, мм	1100
ширина, мм	750
Масса, кг	300

Рис. 1. Смеситель ЦП-600-01

5. Дозировка и засыпка порошка в прессформу

5.1 Классификация прессформ

Прессформы, применяемые в производстве порошковых изделий могут быть квалифицированны:

а) по эксплуатационным особенностям (стационарные и съемные);

б) по принципу заполнения порошком полости матрицы (с объемной и весовой дозировкой);

в) по принципу прессования (односторонние, двусторонние);

г) по конструкции матрицы (со сплошной и разъемной матрицей);

д) по количеству гнезд (одногнездные и многогнездные);

е) по роду применяемых прессов (для неспециализированных прессов);

ж) по методу прессования (для ручного, полуавтоматического и автоматического прессования);

з) по количеству слоев прессуемой детали (для однослойных и многослойных деталей)

и) по конструкции прессформы, которая зависти от конфигурации прессуемой детали и её размеров, в частности от отношения высоты детали к её диаметру (поперечному размеру) или толщине стенки [4]

Прессформа для детали «вставка» относится к:

съемным т.к. в условиях мелкосерийного и серийного производства их использование целесообразно, они обеспечивают легкую переналаживаемость процесса производства и возможность расширения ассортимента деталей, подлежащих переводу традиционных технологий на технологию порошковой металлургии; с объемной дозировкой; с односторонним прессование, т.к. процесс прессование происходит с одной стороны; со сплошной матрицей; одногнездная; для автоматического прессования; для изготовления однослойных деталей.

5.2 Детали пресс-формы, их назначение

Современные пресс-формы имеют значительное число деталей, однако основными являются три: стакан или матрица, обеспечивающие формирование боковой поверхности прессовки и служащие для размещения прессуемой навески порошка или заготовки (изделия) при калибровании; подставка или нижний пуансон, формирующие нижнюю поверхность прессовки и предотвращающие высыпания порошка или выпадение калибруемой детали из пресс-формы; верхний пуансон, служащий для формирования верхней части прессовки и передачи прессующего усилия обжимаемому порошку или калибруемому изделию.

Кроме того, в пресс-формах есть различные вспомогательные устройства: детали крепления, пружины, приспособления для засыпки порошка или загрузки заготовки и выталкивателя , стержень для формирования в брикете отверстия и т.д. [3]

5.3 Способы дозировки порошка и засыпки его в прессформу

Заполнение формующей полости матрицы пресс-формы порошком зависит от способа взятия его навески. При весовом дозировании отмеренное на весах количество порошка засыпают в матрицу, как правило, вручную. При объемном дозировании требуемое количество порошка попадает в матрицу либо из мерной емкости переменного объема, что позволяет корректировать объем навески при изменении насыпной плотности порошка, либо отмеривается непосредственно в полости матрицы, объем которой регулируют положением одного из пуансонов (как правило, нижнего).

К объемному дозированию, более простому и производительному, но менее точному, прибегают при прессовании сравнительно малогабаритных заготовок и при использовании для формования прессов-автоматов. В последнем случае порошок к матрице транспортируете либо в подвижной мерной емкости или бункере (редко) либо с помощью кассеты-питателя (как правило), передвигающейся от стационарного бункера с порошком полости матрицы пресс-формы и обратно. В этом последнем случае движение кассеты-питателя осуществляется при помощи одного из пуансонов пресс-формы ил автономным приводом. Движение элементов пресс-формы, формирующих дозирующую полость в матрице, может быть поступательным или колебательным и может осуществляться любым из известных типов приводов:* механическим, пневматическим, гидравлическим, электрическим, электромагнитным и т.п. Лучшему заполнению полости матрицы порошком способствует создание, засасывающего эффекта при движении пуансона, регулирующего объем полости, в тот момент, когда питатель с порошком перекрыл засыпное отверстие матрицы, или применение вибраторов, устанавливаемых как на питателе, так и на матрице. [4]

5.4 Расчет величины навески порошка

При расчете массы навески порошка необходимо учитывать, что полученное порошковое изделие будет не компактным, а пористым.

m = V Ч ј_k Ч( 1- П/100) Чk₁ Чk₂,

где V - объем детали, см³;

П - фактическая пористость спеченного изделия, 15 %

k₁ - коэффициент, учитывающий потери порошка при прессовании, k₁=1,01;

k₂ - коэффициент, учитывающий потери порошка при спекании, k₂=1,03

ј_k - микрометрическая плотность - плотность смеси, соответствующая её компактному состоянию. Определяется по справочникам:

с(Fe) = 7,6 г/см³

с(Cu) = 8,8 г/см³

с(С) = 2,25 г/см³

т.к. предусматривается прессование разнородных материалов, то необходимо рассчитать ј_k аддитивное

где а₁, а₂, а₃ - содержание компонентов по массе, %.

Решение:

1. V = V_дет. - V_отв.

V_дет. = h ЧдЧc,

где h - высота детали; h = 40мм = 4 см

д - толщина детали; д = 40 мм = 4 см

е - длина детали; е = 10 мм = 1 мм

V_отв. = aЧbЧc,

где a - высота отверстия; a = 10 мм = 1 см

b - ширина отверстия; b = 10 мм = 1см

c - глубина отверстия; c = 10 мм = 1см

V_дет. = 4Ч4Ч1 = 16 см³

V_отв. = 1Ч1Ч1 = 1 см³

V = 16 - 1 = 15 см³

2.

а₁ = 96%, с(Fe) = 7,6 г/см³

а₂ = 2,5%, с(Cu) = 8,8 г/см³

а₃ = 1,5%, с(С) = 2,25 г/см³

ј_k = 100: (96/7,6 + 2,5/8,8 + 1,5/2,25) = 100: (12,63 + 0,28 + 0,67) =

=100:1263,95 = 0,79

3. m = V Ч ј_k Ч( 1- П/100) Чk₁ Чk₂

m = 15Ч0,79Ч(1-0,15)Ч1,01Ч1,03 = 10,48 г

5.5 Программа изготовления детали

Предприятием предусмотрена программа выпуска деталей, составляющая 600 000, фонд рабочего времени составляет 256 рабочих дней, т.е ежедневно будет выпускаться 2344 деталей. С расчетом, что на изготовление одной детали требуется 10,48 г. порошка, значит на ежедневный выпуск 200 деталей требуется примерно 24,6 кг. порошка.

С учетом того, что смесь можно в смесителе держать в течение пятидневной недели, то в данный смеситель будет загружено около 123 кг порошка. Эту массу мы будем учитывать в расчете шихты.

6. Расчет состава шихты графическим и аналитическим способом

Деталь формируется на основе следующих порошковых материалов:

· порошок железа;

· порошок графита;

· 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 б-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:

96 Fe + 2,5 C + 1,5 Cu

Подшихтовка:

96 Fe + 2 Cu + 2 C

Решение:

96% Fe + 2,5% C + 1,5% Cu = 100%

m (Fe) = 123Ч0,96 = 118,08 кг

m (C) = 123Ч0,025 = 3,075 кг

m (Cu) = 123Ч0,015 = 1,845 кг

По графику:

m (Fe) = 106 кг

m (C) = 3 кг

m (Cu) = 1,8 кг

Рис. 2

Подшихтовка:

96% Fe + 2% Cu + 2% С = 100%

100 г (шихты) - 2,5г (С)

Х г - 2 г (С)Х = 80 г

Х (Fe) = 80Ч0,96 = 76,8 г

Х (С) = 80Ч0,025 = 2 г

Х (Cu) = 80Ч0,015 = 1,2 г

96 Fe + 2 Cu + 2 С = 100

76,8 Fe + 1,2 Cu + 2 С = 80

19,2 Fe + 0,8 Cu + 0 С = 20



Рис. 3

7. Схема прессформы

1. Прессформа - 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 прессформ 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]

8. Выбор материала для деталей прессформы

Материал для деталей прессформы выбирается в соответствии со сложностью конфигурации основных деталей прессформы матрицы и пуансона.

Итак, приведем таблицу для выбора материалов для изготовления деталей прессформы: [4]

Таблица 2

Наименование деталей пресс-форм	HRC после термообработки	Примеры сталей
Простая	54-58 ед.	У10А, У8А
Средняя	54-60 ед.	9ХС, ХВГ
Сложная (при больших нагрузках)	58-62 ед.	Х12М, Х12Ф1, ШХ15

Т.к конфигурация матрицы и пуансона средняя, то для их изготовления подойдет сталь 9ХС

А для изготовления втулок и направляющих колонок мы применим сталь 15Х (0,15% углерода, и 1% хрома)

9. Разработка режимов термообработки

При назначении режимов термообработки необходимо учитывать, что после термообработки необходимо обеспечить несколько меньшую твердость пуансона примерно на HRC 1-2 единиц. Это необходимо для того, чтобы в процессе работы пуансон не истирал матрицу.

Итак, назначаем обработку, если детали изготовлены из стали

  9ХС

  15Х

Согласно Справочнику термиста имеем:

- для стали 9ХС:

Таблица 3

Закалка, єС	Охлаждающая среда	Твердость, HRC	Отпуск
			tє нагрева, єС	Твердость,HRC
850-880	Масло	61-65	150-200 200-300 300-400 400-500 500-600	64-63 63-59 59-54 54-47 47-39

- для стали 15Х:

Так как содержание углерода ровно 0,15%, что меньше 0,3%, то такая сталь закалке не поддается. Температура закалки 780-820єС. Она относиться к классу цементуемых сталей

Цементация в твердом карбюризаторе

Состав карбюризатора: древесный уголь (основа) углекислый барий, сода, кокс, торфяной кокс, мазут.

Влажность в карбюризаторе не должна превышать 5-7%.

Для цементации применяют смесь из 20-30%-го свежего карбюризатора с 70-80% обработанного. Расстояние между деталями, между стенками ящика и деталями - 15 мм. Ящик устанавливается в нагретую до требуемой температуры печь. Ящик следует прогревать насквозь до 780-800єС, после чего повышать температуру до 900-950єС.

Газовая цементация:

В качестве карбюризатора применяют керосин, пиробензол, веретенное масло, синтин и др.Температура цементации 900-950єС

Таблица 4

Время выдержки, г	Глубина цементации, мм
2-3	0,3-0,5
4-5	0,6-0,7
6-7	0,8-1,0
8-9	1,1-1,2
9-10	1,2-1,4

Температура закалки цементированных деталей, изготовленных из 15Х 78-800єС, отпуска - 200єС [5]

10. Выбор пресса для прессования

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.

Специализированное прессовое оборудование должно обеспечивать создание требуемых давлений в необходимых направлениях; возможность регулирования наполнения пресс-форм порошком и автоматического удаления спрессованных заготовок из пресс-оснастки; возможность применения нескольких пуансонов; синхронизирование и регулирование их ходов; жесткость конструкции для достижения высокой размерной точности получаемых заготовок; износостойкость против абразивного действия прессуемого материала; быстроту и удобство при замене прессуемого инструмента; простоту систем смазки и удобное расположение механизмов управления и регулировки.

По типу нагружения существующие прессующие установки можно условно классифицировать на механические гидравлические и специальные (гидростаты, газостаты и др.)

В данном курсовом проекте мы будем пользоваться западной системой, т.е. неспециализированный пресс, имеющий верхний и нижний ползун и который обеспечивает перемещение верхнего и нижнего пуансон Выбор силовой установки осуществляется после разработки пресс-оснастки и расчета основных параметров процесса формирования - усилия прессования, величины хода подвижных частей устройства, производительности.

При разработке прессов для порошковой металлургии в Российской Федерации принята исходная шестизначная шкала мощности:

9,81 15,69 24,52 39,24 61,8 98,1 кН

Это первый порядок мощности пресса

Второй порядок мощности пресса умножается на 10

Третий порядок еще на 10

В порошковой металлургии чаще используют вертикальные прессы верхнего давления с усилием от 3 до 10 тыс.т. [3]

Мощность пресса выбирают на основании давления, необходимого для прессования данной детали. При этом

Р = РЧS,

где Р - давление прессования для данной детали, МН/м², МПа; Р = 400Мпа

S - площадь, м²

Усилие пресса должно быть больше усилия прессования

P_пресса = РЧk_зап , k_зап = 1,25ч1,3

Его учет необходим для компенсации потерь давления на преодоление трения в рабочем сегменте.

S = aЧb ,

где a,b - габариты детали

S= 0,04Ч0,01 = 0,0004 м²

Р = 400 Ч0,0004 = 0,16 МПа

Р_пресса = 0,16Ч1,3 = 0,208 Мпа = 208 кПа

Согласно рассчитанному усилию пресса, мы выбираем пресс из предложенного перечня:

Автомат механический для прессования металлических порошков КБ8128 ус.63 т. [10]

Цена 2 900 000 рублей

Таблица 5

Основные технические характеристики	КБ 8124	КБ 8128	КБ 8130А
Номинальное усилие, кН (тс)	250 (25)	630 (63)	1000 (100)
Высота засыпки порошка а матрицу, мм	0…90	0…140	0…180
Наибольший путь прессования, мм	63	100	125
Наибольший размер изделия в плане (d описанной окружности), мм	63	100	125
Регулируемая частота ходов	12…40	10…32	9…25
Ход ползуна, мм	130±1,5	200±2	220±2,2
Величина регулировки положения пуансона, мм	60	140	180
Ход центрального стержня, мм	90	100	120
Габарит автомата слева - направо, мм	1500±15	1920±16	2350±25
Габарит автомата спереди - назад, мм	1400±14	1630±16	2100±20
Габарит автомата высота, мм	2800±28	4870±48	5680±55
Высота над уровнем пола, мм	2800±28	3740±37	4480±45
Масса автомата, кг	3600±70	9500±1000	12250±300

11. 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. [3]

Вакуумная печь - герметизированный агрегат, в котором проводится электротермический процесс при давлении газа в рабочем пространстве, поддерживаемом на уровнях от 10 мм. рт. ст до 10^-6 мм. рт. ст. Преимуществами проведения процесса в среде газа с низким остаточным давлением являются:

· возможность безокислительного нагрева металлов;

· во многих случаях применение низкого давления печной среды вместо защитных и инертных газов экономически выгоднее;

· плавка металлов в вакууме обеспечивает высокую степень очистки;

· увеличение рабочей температуры в печи за счет защиты нагревателей от окисления.

Данные преимущества определяют круг задач, решаемых в вакуумных печах:

· плавка, рафинирование, разливка в формы высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов, редких и цветных металлов;

· спекание изделий из тугоплавких и легко окисляющихся металлов;

· обезгаживание и сушка материалов;

· различные виды термической обработки, включая отжиг, закалку и др.

По конструктивному признаку вакуумные печи можно разделить на садочные и методические. Садочные вакуумные печи предназначены для индивидуального и серийного производства, в течение всего времени термообработки садка в них неподвижна. Методические вакуумные печи предназначены для массового производства; в таких печах садка перемещается в процессе обработки от загрузочного к разгрузочному отверстию вакуумной электропечи.

К числу наиболее распространенных садочных вакуумных электропечей можно отнести камерные вакуумные печи, шахтные вакуумные печи и колпаковые вакуумные печи.

Камерные вакуумные электропечи (печи с загрузкой сбоку) в свою очередь делятся на муфельные и безмуфельные печи. Безмуфельными вакуумными печами называются вакуумные печи, в которых садка помещается непосредственно в рабочую камеру электропечи, а сама печь помещается в кожух в котором создается вакуум. Муфельными вакуумными печами называются обычные электропечи в которых садка помещается в металлический муфель, из которого откачивается воздух, а сам муфель непосредственно загружается в печь. Также возможна изготовление печей с контрвакуумом. Такие печи представляют собой комбинацию рассмотренных моделей: в печах с контрвакуумом вакуумный муфель помещается в вакуумную печь(рассчитанную на г рубый вакуум). Данные печи обеспечивают высокий уровень вакуума в рабочем пространстве, и уменьшает окисление самого муфеля. Также возможно изготовление вакуумных печей с выдвижным подом.

Шахтные вакуумные печи имеют вертикальную шахту, загружаемую сверху. В шахтных вакуумных печах садка может находится в подвешенном состоянии, что позволяет избежать деформации нагреваемых изделий и контакта их с материалом пода электропечи. Шахтные вакуумные печи выполняются муфельными и безмуфельными, также возможно изготовить печи с контрвакуумом.

Колпаковые вакуумные печи применят, когда по технологическим параметрам целесообразно нагревать изделия под колпаком, а охлаждать вне печи, в то время как колпак вакуумной печи нагревает другую садку.

Рис 5. Вакуумная печь EV 018

· Полезный объем - 15 литров

· Температурный режим: от 400 до 800є С

· Таймер - до 100 часов

· Идеальная модель для мягкой сушки нестабильных образцов и работы с инертными газами

· Система установки и контроля температуры - микрокомпьютер PID

· Панель управления расположена на крышке с цифровым дисплеем для индикации температуры и времени

· Камера сделана из нержавеющей стали для высокой защиты от коррозии, большинства химических паров и загрязнений

· Вакуум отслеживается измерителем вакуума на боковой панели

· Два шаровых клапана: для откачки и подачи сухого воздуха или инертного газа

· Защищенное от нагрева стекло на крышке позволяет проводить наблюдение образца

· Независимый термостат в стандартной комплектации

· Сенсор температуры - Fe-const [10]

·

12. Схема маршрутно-технологического процесса изготовления детали методом порошковой металлургии

13. Экономическая часть

13.1 Предлагаемое оборудование для изготовления деталей методом порошковой металлургии

Одной из специфических сторон технологии порошковой металлургии является то обстоятельство, что для получения продукции достаточно высокого качества необходимо точно соблюдать технологические режимы на всех пределах. Продукция порошковой металлургии очень чувствительна к отклонениям от заданных технологических режимов, и в особенности на таких пределах, как приготовление шихт, операции прессования и спекания.

Для обеспечения точного соблюдения режимов необходимо применять оборудование, отвечающие требованиям порошковой металлургии. (см. Приложения А,Б,В)

В порошковой металлургии для восстановления порошков, предварительного и окончательного спекания и для термической обработки спеченных изделий применяют печи (приложение Г) Последние различают по принципу нагрева (печи сопротивления, индукционные), по характеру загрузки (садочные и непрерывного действия) и по среде (для работы с защитной атмосферой и вакуумные).

13.2 Экономическое обоснование применения метода порошковой металлургии для изготовления детали «вставка»

Программа выпуска детали 600 000 штук, на изготовление одной детали требуется 10,48 г порошка, т.е. на изготовление всей программы требуется примерно 6,3 т порошка. Примерная стоимость порошка показана в табл. 6 [11]

Таблица 6

1	Наименование порошков	Технические характеристики	Кол-во на складе	Цена включая налоги
2	Порошок никелевый ПНК-1л6	ГОСТ 9722-79, нетто 30 кг, Комбинат Североникель им. Ленина	30 кг	700 руб/ кг
3	Полоса мягкая АМг6Б 0,8-1,15	ТУ 48-21-50-85, размеры 0,2*110	5 кг	30 руб/ кг
4	Порошок ПР-10Р6М5 "Д"	Гран. Состав 80-140, 80-200, нетто 20 кг пластмассовые канистры, ПОЛЕМА	360 кг	150 руб/ кг
5	Платинит ПТМ диаметр 0,4	ОСТ 110077-84, никель 44%, банки по 3-6 катушек, нетто 1.5-2 кг	30 кг	300 руб/ кг
6	Полосы ВТЮ,? (Вт-1-0)	Ti-99,9% (0,3*150,) ОСТ 1-90027-71	150 кг	300 руб/ кг
7	Лента БрБ 20,4*110	ГОСТ 1789-70	4,8 кг
8	Проволка ДКРН		10 кг
9	Проволка	Cu-65% Zn-35	10 кг	100 руб/ кг
10	Проволка	Ni-0,7 Fe-71,4 Cr-27,4	10 кг
11	ПР-К17М10В9СР	Co-16,2% W-11 Mo-6 Ni-3,3 Fe-61,9	30 кг	100 руб/ кг
12	ПР-Г30Н8-МП	Cu-61,8 Mn-28,7 Ni-7,9 Fe-меньше -0,9	271,5 кг	80 руб/ кг
13	ДГ40Н10	Сu-52,1 Mn-37,6 Ni-7,8 Fe-1,3	258,5 кг	80 руб/ кг
14	ПР-РОМ6Ф1К8-5	Co-8,2 Mo-3,5 Cr-3,9 Fe-82,5	120 кг	80 руб/ кг
15	ПРВК6МН	Co-6,8 Ni-2,1 Fe-89,1	109,8 кг	50 руб/ кг
16	Х23Н5М3ГС	Mo-2,8 Ni-4,6 Cr-20,4 Mn-2 Fe-69,6	444 кг	55 руб/ кг
17	ПР-85Х18 М	Ni-16,7 Fe-81,5	110 кг	70 руб/ кг
18	ПР-Х12МФЗТ (ТСП-50)	Ni-13,3% Cr-2,7 Cu-5,8 Mn-1,4 Si-1,4 Fe-74,4	1277 кг	80 руб\ кг
19	Порошок железо-медь	Fe-95% Cu-4,1%	489 кг	40 руб/ кг
20	порошок ПЖ	Fe-99,9%	80 кг	50 руб/ кг
21	ПР-РОМ6Ф3-5	Mo-4,1% Cr-4 V-3 Fe-87,1
22	ПХ30СРНДЮ	Cr-30,6 Ni-1,6 Cu-1,7 Mn-1,4 Si-2,5 Fe-61,7	10тонн	40 руб/ кг
23	30Х6МСТ	Cr-8,4 Mo-1 Fe-88,6	283 кг	50 руб/ кг
24	ПР-Х12МФ-4	Cr-11,9 W-1 Cu-0,8 Fe-85,1	240 кг	40 руб/ кг
25	ПР30Х4В2М2ФС	Mo-2 W-1,7 Cr-4,1 Cu-1 Mn-1,2 Fe-88,6	2633 кг	45 руб/ кг
26	ПРВ-6Х4М5Ф2	W-6,3 Mo-3,1 Cr-3,6 Cu-1 V-1,9 Fe-82,6	101 кг	55 руб/ кг
27	БР А7Н6Ф	Cu-84,5 Ni-6,4 Al-4,8 P-1,2 Fe-1,9	270 кг	50 руб/ кг
28	FeCrAl-порошок	Cr-17,4 Fe-74 W-1,4 Mn-4,4 Al-1,2	416 кг	50 руб/ кг
29	Порошок титана	Ti-94%	164 кг	250 руб/ кг
30	Порошок вольврама	W-87% Ni-остальное	126 кг	250 руб/ кг
31	В70Д30-заготовки	W-70% Cu-30%	90 кг	250 руб/ кг
32	Д30-МП заготовки	ф-60 ф40*65 Cu-30, Fe-70	1300 кг	40 руб/ кг
33	Порошок хрома	Cr-31% Fe-65,7 Mo-1,5 Si-1,4 Mn-1	525,5 кг	45 руб/ кг
34	Порошок меди	Cu-84-99% Ni-7,3 Fe-0,9	450 кг	80 руб/ кг
35	Порошок КС-37 (кобальт-самарий)		89 кг	300 руб/ кг

Таблица 7

Наименование товара	Фасовка	Цена
Графит ГК-3 мешок 15 кг	15 кг	49 руб./ кг
Графит ГЛ-1 мешок 30 кг	30 кг	30 руб./ кг
Графит ГЛС-3 мешок 28 кг	28 кг	35 руб./ кг
Графит П мешок 20 кг	20 кг	39.5 руб./ кг
Препарат коллоидно-графитовый С-2 меш.15 кг	15 кг	38 руб./ кг
Углерод тех. К-354 в/с 18 кг	18 кг	88.5 руб./ кг
Углерод тех. К-354 в/с 25 кг	25 кг	88.5 руб./ кг
Углерод тех. П-324 меш. 20 кг	20 кг	40.12 руб./ кг
Углерод тех. П-803 13.5 кг	13.5 кг	35 руб./ кг
Углерод техн. К-354 п/п нефас. меш. ~20-30 кг	1 кг	47 руб./ кг

Вычисляем стоимость одной навески порошка:

m (железного порошка) = 0,96*10,48 = 10,0608 г = 0,0100608 кг

m (медного порошка) = 0,02* 10,48 = 0,2096 г = 0,0002096 кг =

= m (графита)

С (железного порошка) = 0,0100608*50 = 0,51352 руб.

С (медного порошка) = 0,0002096*80 = 0,016768 руб.

С ( графита) = 0,0002096*30 = 0,006288 руб.

С (навески) = 0,536576 руб.

С (программы выпуска) = 0,536576* 600000 = 321945,6 руб

Деталь вставка можно также изготовить и обработкой резанием.

Как известно, объем детали «вставка» равен 15 см³, а для изготовления такой же детали из прутка требуется заготовка объемом 16 см³. Коэффициент использования материала равен:

k = V_дет /V_заг = 15/16 = 0,9375

то есть в отходы (в виде стружки) идет 0,0625 металла.

Представим соотношение отходов и «полезного металла» в виде круговой диаграммы:

V (заготовки) = 16 см³ , с (стали) = 7,8 г/см³

m(заготовки) = V*с = 16*7,8 = 124,8 г = 0,1248 кг

m (стружки) = V*с = 0,1248*0,0625 = 0,0078 кг

Цена на пруток (сталь 40) 250 руб

Цена на металлическую стружку 6 руб.

С (заготовки) = 0,1248*250 = 62,4 руб

С (стружки) = 0,0078 * 6 = 0,0468 руб

С(детали) = 62,4 - 0,0468 = 62,3532 руб

То есть на изготовления одной детали «вставка» методом обработки резанием затрачивается 62,3532 руб., т.е. на выпуск программы в 600 000 тратиться 37411920 руб

Вывод: стоимость программы выпуска при обработке резаньем равна 37 411 920 руб., а при изготовлении методом порошковой металлургии

321 945,6 руб. То есть явно видно, что метод порошковой металлургии гораздо экономичнее обработки резанием.

Заключение

Методы порошковой металлургии широко применяют в промышленности для получения металлокерамических, металлических и керамических композиций. Достаточно отметить получаемые этим методом и широко используемые в технике металлорежущие твердосплавные пластины, представляющие собой спеченную смесь порошков кобальта и карбидов вольфрама или титана. Однако для получения волокнистых композиционных материалов методы порошковой металлургии стали использовать относительно недавно, причем почти все эти методы - прессование с последующим спеканием, горячее прессование, экструзия, динамическое уплотнение и др. - оказались пригодными для указанных целей, разумеется, в зависимости от природы составляющих композиционных материалов - матрицы и упрочнителя.

В качестве исходных материалов используют металлические или металлокерамические порошки, образующие матрицу, и армирующие волокна в виде непрерывных или дискретных волокон, либо в виде металлических сеток. Оборудование, применяемое при изготовлении композиционных материалов, как правило, существенно не отличается от оборудования, применяемого в порошковой металлургии. В основном это разного типа вибрационные столы для уплотнения смеси, прессы, печи для спекания.

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

1) Безотходность.

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

2) 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.

3) Высочайшая точность.

Высокая точность формы и размеров детали обеспечивается особенностями технологии, высокоточным прессовочным и калибровочным пресс-инструментом. Получаем 2-й класс точности (6-7 квалитет) 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.