Разработка режимов нагрева и охлаждения нагревательного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Разработка режимов нагрева и охлаждения нагревательного устройства

Содержание

нагревательный устройство типоразмер производительность заготовка

Задание на курсовую работу

1. Выбор температурного интервала ковки (штамповки)

2. Определение размеров исходной заготовки

3. Выбор типоразмера основного технологического оборудования и его ориентировочной производительности

4. Выбор способа, режима нагрева и режима охлаждения заготовок

5. Выбор режима термической обработки поковок

6. Выбор типа нагревательного устройства и определение его основных параметров

Список используемой литературы

Задание на курсовую работу

Выбрать нагревательное устройство в составе технологического комплекса ковки или горячей объемной штамповки на основе разработки режимов нагрева и охлаждения для указанного типоразмера основного технологического оборудования применительно к определенному типу производства в соответствии с заданными технологическими условиями.

Вариант №8

Кривошипный горячештамповочный пресс

Масса 9кг

Диаметр прутка/диаметр поковки - ? мм

Прутки круглого сечения

Группа сложного 3 (сложные поковки)

Среднелегированная сталь

(Марки: 20ХН, 40ХН, 50ХН, 34ХН1МА, 38ХГН, 12Н1М1Ф, 25ХГМ)

Массовое производство

Режим работы двухсменный

1. Выбор температурного интервала ковки (штамповки)

Температурный интервал ковки является одним из основных термомеханических параметров, без знания которого невозможна разработка технологического процесса ковки. Под термином «температурный интервал ковки» подразумевается максимальная температура нагрева металла в печи и температура окончания ковки поковки. Температурный интервал ковки имеет нижний и верхний приделы. Для одной и той же стали (сплава) температурные интервалы ковки и штамповки могут иметь разные значения. Объясняется это тем, что ковка производится за несколько ударов молота или ходов пресса, а штамповка на механических прессах или на автоматах (кроме молотов), как правило, за один ход. Тепловой эффект деформации и потеря тепла при ковке и штамповке разные.

Максимальная температура нагрева металла в печи перед ковкой, т. е. верхний предел температурный интервал ковки, не совпадает с температурой начала ковки, а всегда выше последний. Объясняется это тем, что при переносе металла из печи к кузнечному агрегату температура поверхностных слоев нагретого тела снижается из-за потери тепла излучением в окружающую среду, а также теплопроводностью через инструмент и конвективными потоками. Температура внутренних слоев массивных слитков и заготовок остается на том же уровне, что была в печи. Нижний предел температурного интервала ковки - это температура поверхности поковки в момент последнего хода пресса или удара молота.

Температурный интервал ковки зависит от химического состава стали (сплава), металлургической технологии, структуры (литая или деформированная), скорости деформирования (молот, пресс), степени деформирования (дробная или единичная, частная или суммарная), схемы напряденного состояния (осадка, протяжка, отрубка) и массы поковки.

Требуемая степень деформации или объем ковочных работ оказывают влияние на максимальную температуру нагрева.

Повышение температуры нагрева слитка перед ковкой и снижение температуры поверхности в конце ковки в сочетании с тепловым эффектом за счет работы деформации повышают градиент температур между поверхностью и осевой зоной. Благодаря этому увеличивается доля сжимающих напряжений, действующих на осевую зону в процессе протяжки.

Повышение температуры нагрева слитка способствует росту пластичности, интенсифицирует диффузионные процессы: гомогенизацию химического состава и структуры, рекристаллизацию и, как следствие, разупрочнение и «залечивание» дефектов.

Учитывая все выше перечисленное, следует различать допустимый и рациональный температурные интервалы ковки. Допустимый интервал является универсальной характеристикой данной стали (сплава) для обработки давлением. Н не зависит от размеров и формы поковки, процесса, операции, оборудования и др. Допустимый температурный интервал ковки устанавливают по результатам исследования на образцах механических свойств, а так же рекристаллизации металла, подлежащего деформации. Рациональный интервал устанавливают на основе допустимого интервала и опыта освоения технологического процесса изготовления конкретной поковки в конкретных условиях данного кузнечного цеха.

Температурные интервалы ковки для сплава 40ХН приведены в таблице 1.

Таблица 1

Сталь (сплав)	Максимальная температура нагрева металла перед ковкой	Минимальная температура окончания ковки
		Интенсивное сжатие	Проглаживание
	слиток	заготовка	слиток	заготовка	слиток	заготовка
40ХН	1220	1250	800	860	700	800

2. Определение размеров исходной заготовки

Размеры исходной заготовки определим из соотношения

V=m/с (1)

где V - объём заготовки, м3

m - масса заготовки, кг;

с - плотность заготовки, кг/м3.

V=9/7800=1,154·10-3 м3

Размеры заготовки, во избежание её искривления при обработке, должны удовлетворять условию

m =Lзаг/Dзаг?2,8 (2)

где m - коэффициент устойчивости, равный 1,5ч2,8

Lзаг - длина заготовки, м

Dзаг - диаметр заготовки, м

Чтобы облегчить отрезку заготовки принимают m?2,8, при таком значении m заготовка имеет наименьшую толщину.

Задавшись m можно найти диаметр круглой заготовки по формуле 2

Dзаг= Lзаг/m

Объём цилиндрической заготовки равен

V=р·D2заг·Lзаг/4 (3)

Исходя из того, что Lзаг=Dзаг·m, преобразуем формулу 3

V=р·D3заг·m/4 (4)

Из формулы 4 выразим диаметр заготовки

Dзаг=3v4·V/р·m,

Dзаг=1,08·3vV/m, (5)

Dзаг=1,08·3v1,154·10-3/2,8=0,08073 м

По ГОСТ 2590-71 выбираем сталь диаметром 80мм

Длину заготовки найдём из условия

Lзаг=Vзаг/Sзаг (6)

Площадь круглой заготовки определяется по формуле

Sзаг=рD2заг/4 (7)

Sзаг=3,14·802/4=5024 мм2

Длина заготовки будет равна

Lзаг=1154000/5024=229,7 мм

3. Выбор типоразмера основного технологического оборудования и его ориентировочной производительности

Прессы горячештамповочные кривошипные предназначены для штамповки поковок различной формы из прокатанного пруткового материала (при отсутствии необходимости предварительного придания формы ему протяжкой) или фасонного проката (при необходимости предварительного придания формы ему протяжкой) в открытых штампах, а так же для штамповки в закрытых штампах, в частности выдавливанием.

Для поковок массой 9 кг и группы сложности 3 выбираем пресс горячештамповочный кривошипный с усилием 25000 кН и производительностью 900 кг/ч.

Основные параметры пресса приведены в таблице 2.

Таблица 2

Номинальное усилие пресса, кН	25000
Ход ползуна, мм	350
Размеры стола, мм, не менее Слева на право В Спереди сзади L	1200 1400
Размеры ползуна, мм, не менее Слева направо В1 Спереди сзади L1	1070 1120
Размеры окон в стойке пресса, мм, не менее Высота Н1 Ширина В1	1000 800
Мощность привода, кВт	75
Масса, т	178

Рисунок 1. Кривошипный горячештамповочный пресс

4. Выбор способа, режима нагрева и режима охлаждения поковок

При нагреве стальных слитков и заготовок под ковку и штамповку должны быть обеспечены требуемая температура, равномерное распределение температуры по поверхности и по сечению, минимальное окисление и обезуглероживание поверхности, сохранение целостности нагреваемого материала, т. е. отсутствие микро- и макротрещин. Различают технически возможную и допустимую скорость нагрева. Технически возможная скорость нагрева зависит в основном от разности температуры печи и конечной температуры слитка. С такой скоростью можно нагревать катаные и кованные заготовки диаметром до 200мм.

На скорость или время нагрева влияют следующие факторы: температура печи (температурный напор), укладка заготовок в печи, форма и размеры нагреваемых заготовок, коэффициент теплопередачи, коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности, удельная теплоемкость, плотность заготовки и пластичность материала. Последние пять факторов являются внутренними факторами, не зависящими от условий нагрева.

Разница между температурой печи и температурой заготовки называется температурным напором. Превышение над температурой окончания нагрева называется окончательным температурным напором. При увеличении температуры печи увеличиваются скорость нагрева и температурный градиент. Максимальный температурный градиент наблюдается в зоне температур фазовых превращений. Влияние температурного напора на время нагрева заготовок показано на рисунке 2.

Расположение заготовок в печи определяет интенсивность нагрева излучением от стенок печи и возможность для нагрева конвекцией, что определяет степень неравномерности нагрева и время нагрева. Увеличение времени нагрева можно учесть коэффициентом К, значения которого колеблются от 1 до 3 в зависимости от расстояния между заготовками при нагреве в печи и от формы поперечного сечения заготовки.

Рисунок 2. Зависимость времени нагрева металла до 1200 єС от диаметра заготовок при различных температурах печи

Чем короче заготовка, тем быстрее она греется - сказывается влияние торцов. Если длина заготовки больше трёх её диаметров, то она на скорость нагрева практически не влияет. Влияние нагрева заготовки через торцы можно учесть коэффициентом торцов Кт. Чем больше размеры заготовки, тем больше время нагрева, ввиду того что площадь поверхности, приходящаяся на единицу объема нагреваемой заготовки, будет меньше.

Коэффициент теплопередачи определяется удельным тепловым потоком, отнесенным к разности в один градус между температурами нагревающего и нагреваемого потоков. Тепловой поток определяется количеством теплоты, падающей на поверхность в единицу времени. Коэффициент теплопередачи зависит от излучения и поверхности, воспринимающей теплоту. Коэффициент теплопередачи падает с увеличением температуры металла и увеличивается при увеличении температуры печи.

Коэффициент теплопроводности определяется удельным тепловым потоком, передаваемым на единицу длины, при температурном перепаде в 1 °С в единицу времени. Чем больше коэффициент теплопроводности, тем быстрее теплота отводится с поверхности и передается внутрь заготовки. Чем меньше коэффициент теплопроводности, тем больше температурный градиент в заготовке. С целью уменьшения температурного градиента нужно принимать специальные меры для выравнивания температур.

Удельная теплоемкость - это количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы заготовки на 1 °С. Чем больше теплоемкость, тем больше потребное время нагрева.

Плотность заготовки также влияет на время нагрева. Чем больше плотность заготовки, тем больше теплоты нужно подавать в единицу объёма, а поверхность заготовки по отношению к единице массы будет меньше. У сталей плотность меняется незначительно и влияние её изменения на нагрев не учитывается.

Посредством коэффициента температуропроводности можно оценить скорость нагрева или прогреваемость металлов. Коэффициент температуропроводности зависит от химического состава стали и от температуры заготовки.

При нагреве возникают термические и структурные напряжения, которые могут привести к разрушению металла. Если металл достаточно пластичен при данной температуре, то в местах наибольших термических напряжений происходят пластические деформации и разрушений не наблюдается. Чем выше пластичность металла, тем выше может быть скорость нагрева.

Время нагрева заготовок небольшого сечения (до диаметра 350мм) до 1200 °С при температуре печи 1300 °С можно определить по формуле Н.Н. Доброхотова:

(8)где Т -- время нагрева в часах;

б -- коэффициент, учитывающий способ укладки заготовок на под печи;

k -- коэффициент, учитывающий степень легирования стали (10 для углеродистых и 20 для легированных);

D -- диаметр (сторона квадрата) или толщина заготовки в м.

Время нагрева цилиндрической заготовки диаметром 260 мм из стали марки 40Х равно

T = 1 • 12,5 • 0,08 • v0,08 = 0,28ч = 17 мин

При нагреве за два этапа необходимо провести разбивку общего времени нагрева по двум периодам. При нагреве легированной стали время нагрева первого периода выбирают равным

T1=(2/3)Т,

где Т1 - время нагрева от 0 до 800 °С

Т1=(2/3)·17=11 мин;

Второго периода

Т2=(1/3)Т,

где Т2 - время нагрева от 800 до 1250 °С

Т2=(1/3)·17=6 мин.

Охлаждение заготовок начинается сразу после выдачи их из печи и продолжается как при транспортировании их к штамповочному агрегату, так и в процессе ковки, штамповки и прокатки. Процесс охлаждения заканчивается после обработки давлением, когда температура металла постепенно снижается до температуры окружающего пространства. Режим охлаждения после обработки давлением имеет такое же значение для ее качества, как и режим нагрева. Скорость охлаждения влияет на величину термических напряжений, которые в случае быстрого охлаждения могут приводить к наружным трещинам. При переходе через критический интервал температур (фазовые превращения) возникают структурные напряжения. Кроме этого, в легированных сталях есть опасность поверхностной закалки при быстром охлаждении, результаты которой трудно устранимы даже при необходимом в этом случае отжиге. Чем более легирована сталь и чем больше размеры поковки, тем медленнее должно быть охлаждение.

Охлаждение металла под бойками молота или пресса происходит быстрее, чем на воздухе. Продолжительность охлаждения от начала до конца ковки обуславливает возможную продолжительность процесса обработки давлением. Объем кузнечных работ, выполняемых за один нагрев, можно увеличивать путем теплоизоляции частей заготовки, отковываемых в последнюю очередь, а также уже откованных частей поковки. Теплоизоляцию выполняют покрытием кожухами из листовой стали с асбестом.

Применяют следующие способы охлаждения поковок в зависимости от из размеров сечения: на воздухе; в теплоизолирующих материалах; в термосах и не отапливаемых колодцах; в подогреваемых колодцах; в специальных печах.

Режим охлаждения поковок диаметром 80 мм из стали марки 40ХН - на воздухе.

5. Выбор режима термической обработки поковок

Качество поковок и изготовляемых из них изделий в значительной степени зависит от термической обработки, которая состоит из двух стадий - предварительной и окончательной. Целью предварительной термической обработки является: улучшение обрабатываемости металла для изготовления изделий; подготовка структуры металла для окончательной термической обработки, т. е. получение однородной мелкозернистой структуры; снятие наклепа, снижение уровня внутренних напряжений; улучшение комплекса механических свойств.

Цель окончательной термической обработки - придание металлу требуемых механических свойств.

Рисунок 3. Режим термической обработки для стали III группы (среднелегированные) марки 40ХН

6. Выбор типа нагревательного устройства и определение его основных параметров

Пламенные печи широко используют в кузнечно-штамповочном производстве. По способу загрузки их разделяют на печи с периодической и непрерывной загрузкой. Печи с непрерывной загрузкой обеспечивают определенный режим производства, более высокую производительность и лучшее использование топлива (более высокий КПД). При мелкосерийном и единичном производстве (крупные поковки) применяют камерные печи с периодической загрузкой. В крупносерийном и массовом производстве, когда за определенным агрегатом (молотом, прессом, ковочной машиной) закреплено небольшое количество однотипных заготовок, широко используют автоматизированные печи с непрерывной загрузкой.

По технологическому назначению пламенные печи, используемые в кузнечно-штамповочном производстве, можно также разделить на печи для нагрева под ковку и первичную термообработку и на печи для нагрева под объемную штамповку.

Для нагрева выбираем пламенную печь с наклонным подом для нагрева цилиндрических заготовок, применяющуюся при крупносерийном и массовом производстве.

Основные параметры выбранной печи

Производительность печи G, кг/ч

G=900 кг/ч

Масса нагреваемой заготовки g, кг

g=9 кг

Производительность печи N, шт/ч

N=G/g, (9)

N=900/9=100 шт/ч

Продолжительность нагрева заготовки ф, ч

ф=0,28 ч

Площадь проекции одной заготовки на под

f=Dзаг·Lзаг (10)

где f - площадь проекции заготовки на под, м2;

Dзаг - диаметр заготовки, м;

Lзаг - длина заготовки, м;

f=0,08073·0,2297=0,0185 м2

Число заготовок, одновременно находящихся в печи для получения необходимой производительности n, шт

n=N·ф, (11)

n=100·0,28=28 шт

Площадь пода, занятая металлом Fмет, м2

Fмет=n·f, (12)

Fмет=28·0,0185=0,518 м2

Коэффициент загрузки пода К(для печей с непрерывной загрузкой К=0,6ч0,85)

К=0,7

Площадь пода печи Fпода, м2

Fпода=Fмет/К, (13)

Fпода=0,518/0,7=0,74 м2

Напряженность (удельная производительность) пода печи X, кг/м2·ч

X=G/Fпода, (14)

X=900/0,74=1216 кг/м2·ч



Рисунок 4. Пламенная печь с наклонным подом для нагрева цилиндрических заготовок

Список используемой литературы

1. Семенов Е.И. Ковка и объемная штамповка. М.: Высшая школа, 1972.

2. Семенов Е.И. Ковка и штамповка: Справочник в 4 т. М.: Машиностроение, 1985. Т. 1: Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка.

3. Семенов Е.И. Ковка и штамповка: Справочник в 4 т. М.: Машиностроение, 1986. Т. 2: Горячая штамповка.

4. Норицын И.А. Проектирование кузнечных и холодноштамповочных цехов и заводов. М.: Высшая школа, 1972.

Размещено на Allbest.ru