Разработка кузнечного цеха на определённый выпуск продукции по современным ресурсосберегающим и экологически чистым технологиям

Введение

1. Характеристика проектируемого цеха

2. Структура, свойства и термообработка обрабатываемых материалов

2.1 Сталь 12Х2Н4А

2.2 Титановый сплав ВТ3-1

2.3 Сталь 30ХГСА

2.4 Штамповая сталь 5ХНМ

3. Разработка технологических процессов

3.1 Разработка технологического процесса изготовления поковки «обойма»

3.1.1 Конструктивно-технологическая характеристика детали и базовый технологический процесс изготовления поковки

Исходя из данных видно что сплав в интервале температур 800-1250?С обладает не высокой прочностью и достаточно высокой пластичностью, поэтому этот интервал температур можно принять за допустимый температурный интервал ковки.

Заготовкой для штамповки служит цилиндрический пруток, который поставляется в цех в отожженном состоянии.

Механические свойства стали в отожженном состоянии при комнатной температуре:

_в - 680 МПа; _0,2 - 560 МПа; - 12 %; - 55 %.

Технологические свойства:

- температура ковки - начала 1220С, конца 800С. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-300 мм - в яме;

- свариваемость ? ограниченно свариваемая. РДС, АДС под флюсом;

- обрабатываемость резанием ? при НВ 183-187 K_{? тв.спл.} = 1,26, K_{? б.ст.} = 0,96. Здесь, K_{? тв.спл.} и K_? б.ст. - скоростные коэффициенты обработки при применении инструмента из твердого сплава и быстрорежущей стали соответственно;

- сталь 12Х2Н4А склонна к отпускной хрупкости II рода. Отпускная хрупкость II рода обнаруживается после отпуска при температуре выше 500-600С. Характерная особенность хрупкости этого вида заключается в том, что она проявляется в результате медленного охлаждения после отпуска. При быстром охлаждении вязкость разрушения не уменьшается [11];

- сталь 12Х2Н4А флокеночувствительна. После ковки (прокатки) флокены образуются при быстром охлаждении от 200С до 20С. Причиной образования флокин является растворившийся в жидкой стали водород, который при температурах ниже 200С выделяется из раствора и создает сильные внутренние напряжения, которые и приводят к образованию трещин (флокенов). Если же сталь охлаждается медленно, то водород успевает продиффундировать из раствора и совсем удалиться из стали и флокены не образуются. [11]

После штамповки поковки не подвергаются дополнительной термообработки.

2.2 Титановый сплав ВТ3-1

Шпильки изготавливаются из жаропрочного титанового сплава ВТ3-1.

Рассматриваемый нами жаропрочный титановый сплав ВТ3-1 системы Ti-Al-Cr-Mo-Fe-Si в отожженном состоянии имеет ?+?-структуру.

Химический состав сплава ВТ3-1 приведен в табл. 3.

термообработка обойма ниппель шпилька поковка

Таблица 3 - Химический состав сплава ВТ3-1 ГОСТ 19807-74 [10]

Сплав ВТ3-1 имеет следующие физические свойства:

- плотность 4,5 г/см³ ;

- термический коэффициент линейного расширения = 8,6 • 10 -⁶ град-¹ для t(20?100) и ?=11,6 • 10-⁶ град -¹ для t(100?500).

Титановые сплавы с ?+?-структурой можно подвергать упрочняющей термической обработке (закалке из ?+?-области и последующему искусственному старению)[9].

Для стабилизации структуры и характеристик жаропрочности двухфазные титановые ?+?-сплавы, предназначаемые для работы при повышенных температурах, обычно подвергают отжигу в ?+?-области (обычному, двойному или изотермическому) с охлаждением до температуры 600°С в защитной атмосфере, а затем на воздухе.

Механические свойства сплава ВТ3-1 приведены в табл. 4,

Таблица 4 - Механические свойства сплава ВТ3-1 [10]

Температура начала и конца рекристаллизации (t_рекр) сплава ВТ3-1 составляет 800 и 980С соответственно, а полное фазовое превращение протекает в интервале температур 980?1020С [18].

Заготовки в виде кованного прутка поступают в цех после изотермического отжига при 870-650°С, охлаждаемые на воздухе.

Температурный интервал ковки сплава ВТ3-1 выбираем также как для сплава 12ХН4А с учетом того, что сплав при нагреве должен находиться в двух фазной области при температуре окончания ковки. Температурно-деформационные режимы обработки представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Температурно-деформационные режимы обработки сплава ВТ3-1 [10]

Технологические данные:

сплав удовлетворительно деформируется в горячем состоянии: куется, штампуется, прокатывается, прессуется. Температурный интервал ковки слитка 1150?900С, предварительно кованных заготовок - 950?910С. После горячей деформации заготовки деталей подвергают двойному отжигу по режиму: нагрев до температуры 950С, выдержка 1 час, охлаждение до 600С, охлаждение на воздухе. Применение двойных режимов термической обработки ?+?-титановых сплавов, по сравнению с одинарными режимами, позволяет повысить комплекс механических свойств получаемых заготовок.

Сплав обладает высокой термической стабильностью и не охрупчивается при длительной работе под напряжением при температуре до 450С. Удовлетворительно сваривается контактной стыковой сваркой. Удовлетворительно обрабатывается резанием.

Сплав ВТ3-1 обладает высокой коррозионной стойкостью в различных климатических условиях.

2.3 Сталь 30ХГСА

Ниппель изготавливается из стали 30ХГСА.

Общие сведения о стали 30ХГСА представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Общие сведения о виде поставки и назначении стали 30ХГСА

Химический состав стали 30ХГСА составлен в таблице 7.

Таблица 7 - Химический состав стали 30ХГСА по ГОСТ 4543-61

Сталь 30ХГСА хромокремнемарганцовая конструкционная.

Заготовкой для ковки служит отожженный пруток из стали 30ХГСА,

механические свойства которого приведены в таблице 8.

Таблица 8- Механические свойства стали 30ХГСА по ГОСТ 4543-61

Механические характеристики стали 30ХГСА при ковочных температурах приведены в табл. 9.

Рисунок 3.1.3 - Чертеж холодной поковки

3.1.3 Расчет размеров исходной цилиндрической заготовки

Расчет размеров профильной заготовки

С помощью САПР «Компас 3D» рассчитали площади основных сечений поковки рис. 3.1.4, построим эпюру сечений рис 3.1.5

Рисунок 3.1.4-Поковка обоймы

Рисунок 3.1.5-Эпюра сечений

Минимальный объем заготовки с учетом угара (Vзаг) рассчитывается по формуле:

где: ? - угар металла в % [2, гл.5] в зависимости от способа нагрева. Для нагрева заготовок будем применять индукционный способ нагрева. Потери металла в виде окалины при индукционном способе нагрева составляют 0,2?0,4 % массы нагреваемого металла, что почти в 10 раз меньше, чем при нагреве в пламенных печах. Уменьшение окалины повышает качество поковок и увеличивает стойкость штампов кузнечно-прессового оборудования.

Полученная площадь численно равна объёму заготовки без учёта отходов металла на угар, , следовательно

.

Далее проведем оценку сложности профильной заготовки, которая оценивается коэффициентом подкатки, определяемый по формуле

;

где:

Sэп.ср=Vзаг/l-средняя площадь эпюры сечений, Sэп.ср=116884/135=865мм2

Будем рассматривать формовку в закрытом ручье, как протяжку за один удар (рис 3.1.6).

,

где: - площадь сечения исходной заготовки, определяется по формуле

 ;

диаметр заготовки ориентировочно определим как

,

где:

- площадь сечения наибольшей части нашей поковки, в нашем случае это площадь головки. Исходя из эпюры сечений (рис.3.1.5) =1121,8мм2,

следовательно

,

;

?-интенсивность деформации;

;

f-интенсивность уширения для прямоугольной заготовки ,

;

где: l-длина осаживаемой части,

 ,

где: lзаг-длина заготовки, определяемая, как

и lгол-длина головки

b-ориентировочная ширина поковки.

Так как протянутая часть нашей поковки в сечении имеет форму эллипса, а приведенная формула интенсивности уширения применяется для прямоугольного сечения, мы можем понизить данный коэффициент на

20-25%.

Полученное значение площади несколько больше площади сечения протягиваемой части на эпюре сечений. В процессе штамповки предварительная гибка приведет к уменьшению этого сечения до необходимой величины. Найдем конечную длину протягиваемой части из равенства объемов

;

=1134•40/519=67мм.

Общая длина профильной заготовки будет находиться как сумма ;

Форма получаемой заготовки более рациональна для последующей штамповки, чем в базовом варианте после протяжки.

Рисунок 3.1.6- Формовочный ручей закрытого типа

3.1.4 Резка прутков на исходные заготовки

Резку прутков будем производить на кривошипных ножницах для разрезки сортового проката на заготовки машиностроительного назначения. Этот метод является самым производительным, металлосберегающим и экономичным способом разделения проката. Сортовой прокат разрезают путём сдвига на заготовки в штампах. Применяют сортовые и комбинированные ножницы. В основе конструкции современных ножниц заложена схема не полностью закрытой отрезки с активным поперечным зажимом и наклоном прутка на угол 4°. Ножницы снабжены упором точно устанавливаемым на заднюю длину с пульта управления.

Определение усилия отрезки:

,

где:

Кр - коэффициент зависящий от скорости деформирования и схемы резки;

- предел прочности;

F- площадь поперечного сечения прутка.

- расчетная длина некратности, см;

- длина прорезки

- расчетная длина немерного проката, определяется по формуле:

Прутки поставляются длиной от 3 до 10 м из углеродистой обыкновенного качества и низколегированной стали; от 2 () до 6 м () из качественной углеродистой и легированной стали; от 1,5 до 6 м из высоколегированной стали.

При изготовлении прутков немерной длины допускается наличие прутков длиной не менее 2 м () из углеродистой обыкновенного качества и низколегированной стали и не менее 1 м из качественной углеродистой, легированной и высоколегированной стали в количестве не более 10 % (П) массы партии [1, с.77].

Тогда:

В кузнечно-штамповочном производстве для нагрева заготовок из различных сталей, цветных металлов и сплавов в интервале 800?1300С применяют электрические печи сопротивления, индукционные нагревательные установки, установки электроконтактного нагрева и ванны с расплавами сталей, стекла и электролитов.

Электронагрев по расходу энергии на тонну заготовок менее экономичен, чем нагрев в пламенных печах. Однако его широко применяют, так как он повышает производительность труда, позволяет провести полную автоматизацию и обеспечить высокую стабильность процесса, улучшить условия труда и сократить потери металла на окалинообразование.

Потери металла в виде окалины при индукционном и электроконтактном нагреве составляют 0,2?0,4 % массы нагреваемого металла, что почти в 10 раз меньше, чем при нагреве в пламенных печах.

В нашем случае, будем применять индукционный нагрев заготовок на 900 градусов.

Индукционный нагрев основан на передаче на малые расстояния специально сформированного потока электромагнитной энергии и превращении ее в тепловую в заготовке. Формирование направленного потока электромагнитной энергии осуществляется с помощью индукционных катушек-индукторов плоской или цилиндрической формы, выполненных из водоохлаждаемой медной трубки.

Индукторы подключают к специальным генераторам переменного напряжения различных стандартных частот.

Если внутрь индуктора поместить металлическую заготовку, то по закону электромагнитной индукции в ней возникает переменный электрический ток, под действием которого в заготовке будет выделяться тепловая энергия.

.

Обрезка облоя будет производиться на прессе однокривошипном закрытом обрезном. Выбор оборудования производим по расчетному усилию обрезки облоя.

Выбираем однокривошипный закрытый обрезной пресс с параметрами:

Номинальное усилие, кН - 1600;

Ход ползуна, мм - 220;

Число ходов ползуна в 1 мин - 36;

Наибольшее расстояние между столом и ползуном в его нижнем положении, мм - 450;

Величина регулировки расстояния между столом и ползуном, мм - 120;

Размеры стола, мм - 710?710;

Размеры отверстия стола, мм - 420?420;

Размеры ползуна, мм - 560?560;

Толщина подштамповой плиты, мм - 120;

Для устранения дефектов горячей обработки полуфабрикатов из стали 12Х2Н4А используют отжиг. Для стали 12Х2Н4А - это нагрев полуфабрикатов до температуры 820 - 840С, в процессе выдержки (0,5 - 1,5 ч) происходит процесс рекристаллизации. Охлаждение по окончании выдержки проводят с печью.

3.1.9 Очистка поверхности поковок

Для получения поковок с высоким качеством поверхности, требующих минимальной обработки резанием, необходимо очищать заготовки перед нагревом и поковки после ковки и штамповки от поверхностных дефектов, окалины, ржавчины и других загрязнений (мазута, масла, песка). В зависимости от размеров поковок, а также от технических условий на изготовление последних в кузнечно-штамповочных цехах для очистки поковок и заготовок применяют различные способы и оборудование.

Будем применять очистку дробью с помощью дробеструйных аппаратов.

Характеристика дробеструйных аппаратов приведена в табл. 19

Технические характеристики дробеструйных аппаратов

Контроль поковок

Штамповки и поковки по объему приемо-сдаточных испытаний механических свойств и твердости подразделяются на 3 группы:

I - штамповки и поковки, подлежащие поштучному контролю механических свойств и твердости;

II - штамповки и поковки, подлежащие выборочному контролю механических свойств и твердости;

III - штамповки и поковки, подлежащие только контролю на твердость в состоянии поставки.

Наша поковка относится к III группе контроля.

Согласно ТУ 14-1-950-86 к поковкам и штамповкам из конструкционных сталей предъявляются следующие технические требования:

- штамповки и поковки поставляются в термически обработанном состоянии;

- на обрабатываемых поверхностях штамповок и поковок не должно быть трещин. При обнаружении они должны быть удалены пологой зачисткой. Без удаления допускаются местные дефекты в виде шлаковых включений, волосовин, закатов и заковов, глубина залегания которых, определяемая контрольной зачисткой, а также глубина зачистки трещин не должны превышать половины припуска на механическую обработку, считая от номинала;

- контролю состояния поверхности подвергают все штамповки и поковки поштучно в состоянии поставки;

- контролю размеров подвергают все поковки поштучно, штамповки подвергают выборочному контролю размеров на 5% от числа предъявляемых в партии, но не менее чем на 2-х штамповках.

- согласно ТУ 14-1-950-86, для стали 12Х2Н4А твердость в состоянии поставки по Бринеллю должна быть не менее 3,8 (диаметр отпечатка, мм), рекомендуемая термическая обработка - нормализация при 840-880С или нормализация и отпуск.

1. Отрезка заготовок;

2. Нагрев в пламенной печи;

3. Штамповка на молоте 2?3 т:

а) осадка до Н = 38 мм;

б) штамповка в окончательном ручье;

4. Обрезка облоя на прессе 200?350 т;

5. Нормализация;

6. Отпуск;

7. Травление;

8. Правка;

а) взять деталь клешами и уложить в ручей штампа

б) взять деталь клешами и положить в тару

9. Зачистка под Бринелль;

10. Испытание твёрдости;

11. Окончательный контроль.

Для получения поковки будем использовать КГШП, которые имеют следующие преимущества по сравнению с молотами:

- повышенная точность размеров получаемых на КГШП поковок из-за постоянства хода пресса и определенности нижнего положения ползуна, что позволяет уменьшить отклонения размеров по высоте; поковки не контролируют на сдвиг, так как в конструкции пресса и штампа предусмотрено надежное направление ползуна в направляющих станины, а для точного совпадения верхней и нижней частей штампа - направляющие колонки и втулки;

- увеличенный коэффициент использования металла вследствие более совершенной конструкции штампов, снабженных верхним и нижним выталкивателями, что позволяет уменьшить штамповочные уклоны, припуски, напуски и допуски и тем самым приводит к экономии металла и уменьшению последующей обработки поковок резанием;

- улучшенные условия труда вследствие меньших шумовых эффектов, вибрации и сотрясения почвы, чем при работе на молотах, и относительно спокойным безударным характером работы, что позволяет устанавливать КГШП в зданиях облегченной конструкции;

- возможность применения автоматических перекладчиков заготовок;

- более высокая производительность, например в 1,4?2 раза при штамповке поковок фланцев, так как деформация на прессе в каждом ручье выполняется за один ход, а на молоте - за несколько ударов;

- более высокий КПД, достигающий 6?8 %; экономический (приведенный к энергии топлива) КПД пресса в 2?4 раза выше, чем у молота;

- снижение себестоимости продукции за счет снижения расхода металла и эксплуатационной стоимости.

Поковки, штампуемые на КГШП, подразделяют:

- в зависимости от характера формоизменения и течения металла при формоизменении - на два класса: класс поковок, получаемых с преобладанием процесса осадки, и класс поковок, получаемых с преобладанием процесса выдавливания;

- в зависимости от конфигурации и сложности изготовления - на пять основных групп. Методы изготовления учитывают при выделении подгрупп поковок.

В соответствии с классификацией поковок штампуемых на КГШП [2, с.178], наша поковка будет относиться к:

I группе - осесимметричные поковки, изготовляемые осадкой в торец или осадкой с одновременным выдавливанием, т.е. поковки круглые в плане или близкие к этой форме, в том числе квадратные и близкие к круглым и квадратным в плане, а также поковки с отростками. Поковки 1-й подгруппы штампуют за один переход, 2-й и 3-й подгрупп - соответственно за два и три перехода с применением осадочной площадки или заготовительно-подготовительного ручья. Штамповку осуществляют в открытых и закрытых штампах.

Поковку для изготовления данной детали можно получить горячей объемной штамповкой методом осадки заготовки в торец, следовательно ось заготовки должна быть перпендикулярна плоскости гравюры штампа.

Для изготовления данной поковки будем использовать открытый штамп (облойная штамповка).

3.2.2 Разработка чертежа поковки

Чертеж поковки, штампуемой на КГШП, составляют по тем же правилам, что и поковки, штампуемой на молоте. Припуски и допуски на поковки назначают в соответствии с ГОСТ 7505-89 [8] и рекомендациями [2, с. 182].

Абсолютно точную поковку при штамповке получить нельзя, однако чем меньше будут припуски, напуски и допуски, тем выше будет коэффициент использования металла К_и и меньше затраты на обработку резанием. При этом необходимо учитывать износ инструмента, срок его службы, потребность переналадок и выбирать оптимальный вариант.

Исходной информацией для разработки чертежа поковки является чертеж детали, содержащий все необходимые размеры с предельными отклонениями, шероховатостью поверхностей, маркой материала (см. рис 3.2.2а).