Технология изготовления баллона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

курсовому проекту по дисциплине

Материаловедение

Иркутск 2014 г.



Размещено на http://www.allbest.ru/

ВАРИАНТ № 19

Порядок выполнения работы: 1. Обоснование и выбор материала (марки) деталей баллона. 2. Обоснование и выбор вида заготовки деталей баллона. 3. Разработка последовательности изготовления баллона. 4. Расчетное или экспериментальное определение рациональных режимов сварки одного из швов баллона.

Требования к баллону	Дополнительные требования
Вид производства	Условия работы	МПа	НВ, МПа (НРС)
	нагрузки	среда	темпера-тура
Серийное	Внутреннее давление Р, кгс/см2	Мас-ло	± 50	По расчету	-	Сварка механизиро-ванная



Исходные данные

Таблица № 1

Вид баллона	Размеры по чертежу, мм	Масса m, кг	Давление Р, кгс/см2	Коэффициент запаса К
	D	д	d	d1	?	?1
Шаровый баллон	700	4	30	40	-	70	28	120	1,8



1. Выбор материала деталей баллона

1.1 Расчет объема металла баллона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет делаем по формуле объема полого шара с днищем

Объем штуцера в расчет не принимаем из-за его малой величины.

V_Ш.Б. = р ? [D³ - (D - 2д)³] ч 6, см³, [1].

где: D - диаметр баллона, см,

д - толщина баллона, см.

V_Ш.Б. = 3,14 ? [70³ - (70 - 2 ? 0,4)³] ч 6 = 3,14 ? 11626 ч 6, см³ = 6084.

Объем металла полого шарового баллона равен 6084 см³.



1.2 Расчет плотности материала баллона

Расчет плотности конструкционного материала баллона (г) делаем по формуле:

г = m ч V, г/см³,

где: m - масса баллона, г,

V - объем металла баллона, см³

г = 28000 ч 6084 = 4,6.

Плотность конструкционного материала равна 4,6 г/см³.

По полученной плотности выбираем вид конструкционного материала.

Баллоны, работающие под давлением, изготавливают из сталей (плотность 7,87 г/см³), алюминиевых сплавов (плотность 2,7 г/см³) и титановых сплавов (плотность 4,5 г/см³). Так как у нас получена расчетная плотность 4,6 г/см³, материалом для изготовления баллона выбираем титан.

1.3 Расчет конструкционной прочности баллона

Конструкционная прочность (у_к) это величина разрушающего баллон напряжения, возникающего при его испытаниях до разрушения под действием заданного внутреннего давления Р.

Расчет производим по формуле:

у_к = Р ? D ч (4 ? д ? 100), кгс/см², [2].

где: Р - давление баллона, кгс/см²,

д - толщина баллона, мм,

D - диаметр баллона, мм.

у_к = 120 ? 700 ч (4 ? 4 ? 100) = 84000 ч 1600 = 52,5

Конструкционная прочность баллона равна 52,5 кгс/см² или 514,5 МПа.

1.4 Расчет прочности конструкционного материалы баллона

Для того, чтобы баллон работал без разрушения, для его изготовления нужен материал с прочностью (у_к.м.), выше конструкционной прочности на коэффициент запаса (К).

Расчет производим по формуле:

у_к.м. = у_к ? К, кгс/см²,

где К - заданный коэффициент запаса прочности.

у_к.м. = 52,5 ? 1,8 = 94,5

Прочность конструкционного материала баллона равна 94,5 кгс/см² или 926,1 МПа.

1.5 Выбор марки материала

Марку материала выбираем из условия у_к.м. = у_0,2, где у_0,2 - минимальный предел текучести выбираемой марки материала. В Справочнике конструкционных материалов [3] находим марку материала соответствующую полученному у_0,2, более подходит сплав титана ВТ6 (у_0,2 = 990 МПа).

Для выбранной марки материала приводим таблицу № 2 химического состава и таблицу № 3 механических свойств.

Таблица № 2

Химический состав титанового сплава ВТ6, %

Титана	Алюминия	Ванадия	Молибдена	Олова	Циркония	Марганца	Хрома	Кремния	Железа	Кислорода	Водорода	Азота	Углерода	Сумма прочих примесей
Основа, 86,485 - 91,2	5,3-6,8	3,5-5,3	-	-	0,30	-	-	0,10	0,60	0,20	0,015	0,05	0,10	0,30

Таблица № 3

Механические свойства титанового сплава ВТ6

Термическая обработка	Массовая доля Н2, %	Механические свойства
		ув, МПа	у0,2, МПа	д, %	KCU, МДж/м2	КСТ, МДж/м2
Закалка (900°С, 18 мин, вода) + старение (450°С, 24 ч)	0,005	1080	990	8	0,07	0,28

С учетом объема и прочности материала баллона нами выбран материал для его изготовления титановый сплав ВТ6.



2. Выбор заготовок для деталей баллона

2.1 Виды полуфабрикатов для выбора заготовок

Учитывая объем механической обработки и простоту изготовления деталей, в качестве заготовки для изготовления баллона выбираем:

для изготовления полусфер - листовой прокат.

для изготовления штуцера - поковку штампованную.

2.2 Выбор заготовки для штуцера баллона

Идеальным выбором будет выбор трубы длиной 70 мм, диаметром 40 мм и толщиной стенки 5 мм. Но в соответствии с ГОСТ (ТУ 1-9-672-78, ТУ У 14275539-004-2000) полуфабрикат из сплава титана ВТ6 выпускают только в прутках и слитках.

В связи с этим в качестве заготовки для штуцера рассмотрим следующие варианты:

1. Пруток круглый, изготовленный прокаткой (сортовой прокат) или прессованный.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Объем прутка, V₁ (см³):

где: ? = ?₁ + 4 = 74,

D = d₂ + 4, где d₂ = d₁ + 10 = 40 + 10 = 50,

D = 50 + 4 = 54.

Объем штуцера, V₂ (см³):

где: ? = ?₁,

D = d₁,

Объем заготовки из прутка круглого (V_?) равен 169 см³, объем штуцера (V₂) равен 38 см³.

Объем припуска на обработку (объем отходов) равен:

.

2. Поковка кованная.

Объем припуска на обработку 3 мм кругом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Объем заготовки, V₁ (см³):

где: ? = ?₁ + 6 = 70 + 6 = 76,

D = d₁ + 6 = 40 + 6 = 46,

Объем заготовки из поковки кованной (V_?) равен 92 см³, объем штуцера (V₂) равен 38 см³.

Объем припуска на обработку (объем отходов) равен:

.

3. Поковка штампованная.

Объем припуска на обработку 2 мм кругом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Объем заготовки, V₁ (см³):

где: ? = ?₁ + 4 = 70 + 4 = 74,

D = d₁ + 4 = 40 + 4 = 44,

Объем заготовки из поковки штампованной (V_?) равен 73 см³, объем штуцера (V₂) равен 38 см³.

Объем припуска на обработку (объем отходов) равен:

.



Таблица № 4

Результаты расчетов объема отходов и количеству операций на изготовление штуцера

Тип заготовки	Количество операций по изготовлению	Объем отходов	Преимущества	Недостатки
Пруток круглый	1 - обработка на токарном станке	131 см3	Обработка состоит из одной операции	Большое количество отходов
Поковка кованная	2 - ковка и обработка на токарном станке	54 см3	Небольшое количество отходов	Низкая производительность по сравнению с горячей штамповкой, боль-шие напуски и припуски
Поковка штампованная	2 - штамповка и обработка на токарном станке	35 см3	Позволяет получать более сложные по форме и более точные, с меньшими припусками и допусками поковки с лучшим качеством поверхности; ее производительность значительно превышает производительность ковки; уменьшаются объем последующей обработки резанием и соответственно расход металла	Штамповочный инструмент штамп - дорогостоящий инструмент и является пригодным только для изготовления какой-то одной, конкретной поковки, для объёмной штамповки поковок требуется гораздо боль-ше усилий деформи-рования, чем для ковки таких же поковок

По результатам расчетов объема отходов, простоты производства и качества поверхности, заготовкой для штуцера выбираем поковку штампованную.



2.3 Выбор заготовки для полусферы баллона

Расчет готовой детали делаем по формуле объема полусферы

V = р ? [D³ - (D - 2д)³] ч 12, см³,

где: D - диаметр полусферы, см,

д - толщина полусферы, см.

V = 3,14 ? [70³ - (70 - 2 ? 0,4)³] ч 12 = 3,14 ? 11626 ч 12 = 3042 (см³),

В качестве заготовки для полусферы баллона рассмотрим следующие варианты:

1. Поковка кованная с припуском на механическую обработку 3 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Объем заготовки, V₁ (см³):

V₁ = р ? [D³ - (D - 2д)³] ч 12,

где: D = 70 + 0,6 = 70,6 (см),

д = 0,4 + 1,2 = 1,6 (см)

V₁ = 3,14 ? [70,6³ - (70,6 - 2 ? 1,6)³] ч 12 = 3,14 ? 45713,792 ч 12, см³ = 1962.

Объем припуска на обработку (объем отходов) равен:

V₂ = V₁ - V = 11962 - 3042 = 8920 (см³).

2. Поковка штампованная объемной штамповкой с припуском на механическую обработку 2 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Объем заготовки, V₁ (см³):

V₁ = р ? [D³ - (D - 2д)³] ч 12,

где: D = 70 + 0,4 = 70,4 (см),

д = 0,4 + 0,4 = 0,8 (см)

V₁ = 3,14 ? [70,4³ - (70,4 - 2 ? 0,8)³] ч 12 = 3,14 ? 23252,992 ч 12, см³ = 6085.

Объем припуска на обработку (объем отходов) равен:

V₂ = V₁ - V = 6085 - 3042 = 3043 (см³).

3. Поковка штампованная листовой штамповкой с припуском на механическую обработку 1 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Объем заготовки, V₁ (см³):

V₁ = р ? [D³ - (D - 2д)³] ч 12,

где: D = 70 + 0,2 = 70,2 (см),

д = 0,4 + 0,2 = 0,6 (см),

V₁ = 3,14 ? [70,2³ - (70,2 - 2 ? 0,6)³] ч 12 = 3,14 ? 17439,408 ч 12, см³ = 4563.

Необходимо также учесть объем части листа для прижима (V₃),

V₃ = 1? 0,6 ? 70,2 ? 2 = 84 (см³).

Объем припуска на обработку (объем отходов) равен:

V₂ = V₁ + V₃ - V = 4563 + 84 - 3042 = 1605 (см³).

Таблица № 5

Результаты расчетов объема отходов и количеству операций на изготовление полусферы шарового баллона

Тип заготовки	Количество операций по изготовлению	Объем отходов	Преимущества	Недостатки
Поковка кованная	2 - ковка и обработка на токарно-кару-сельном станке	8920 см3		Низкая производительность по сравнению с горячей штамповкой, боль-шие напуски и припуски
Поковка штампованная объемной штамповкой	2 - штамповка и обработка на токарно-кару-сельном станке	3043 см3	Достигается более высокая точность размеров поковки при лучшем состоянии поверхности, уменьшаются потери металла, повышается производительность труда. Допуски на штампованную поковку в 3-4 раза меньше, чем на кованную, поэтому значительно сокращается объем последующей механической обработки.
Поковка штампованная листовой штамповкой	2 - штамповка и обработка на токарно-кару-сельном станке	1605 см3	Наименьшее количество отходов, простота изготовления

По результатам расчетов объема отходов, простоты производства и качества поверхности, для производства полусферы баллона выбираем поковка штампованная листовой штамповкой.



3. Разработка технологии сварки кольцевого шва баллона

3.1 Выбор способа сварки

Для сварки баллона из титана выбираем дуговую сварку в камере с контролируемой атмосферой. В качестве защитного газа применяем аргон (Ar) [4, страница 248].

Шаровые баллоны, предназначенные для работы под давлением, должны быть прочными и герметичными, поэтому выбираем механизированный способ сварки.

3.2 Выбор вида электрода

Так как толщина свариваемых стенок полусфер баллона 4 мм, то выбираем для сварки вольфрамовый электрод (Т_пл = 3370°С) применяемый для сварки металла толщиной 0,8…6 мм [4, стр. 248].

Исходя из толщины свариваемого материала принимаем диаметр электрода 2,5-3,0 мм [5].

В качестве присадочного материала выбираем присадочную проволоку из титанового сплава диаметром 0,5…0,7 мм от диаметра электрода [4, страница 248]

3.3 Выбор тока

Аргонодуговую сварку в камере с контролируемой атмосферой титановых баллонов выполняют на постоянном токе прямой полярности, сила сварочного тока 200-260 А [5].

По диаметру тока принимаем силу тока 250 А [1, таблица 4].



3.4 Выбор электрода и присадочной проволоки

По ГОСТ выбираем электрод вольфрамовый марки ЭВЛ (присадка лантана - 1,1-1,4 %) диаметром 3,0 мм длиной 150 мм: ЭВЛ-Ш 2-150 ГОСТ 23949-80 [6].

По ГОСТ в качестве присадочного материала выбираем присадочную проволоку марки ВТ6св диаметром 1,6 мм: ВТ6св 1,6 ГОСТ 27265-87 [7].

3.5 Выбор количества проходов шва

По справочнику [5] исходя от толщины свариваемого металла выбираем число проходов - 2.



4. Выбор рациональных режимов сварки одного из швов баллона, обеспечивающих заданные дополнительные требования

сварка шов баллон металл

Режимы автоматической аргонно-дуговой сварки неплавящимся (вольфрамовым электродом) стыковых соединений полусфер баллона из сплава титана с подачей присадочного материала (при толщине свариваемого материала 4,0 мм) [5]:

сварочный ток (I_св) - 250 А,

скорость сварки (V_св) - 15-20 м/ч,

скорость подачи присадочной проволоки (V_п) - 50-70 м/ч,

напряжение дуги (U_д) - 30-32 В,

расход аргона (Q): для защиты дуги - 10-12 л, для защиты остывающего шва - 5-7 л, для защиты обратной стороны - 2-3 л,

число проходов - 2.

Сварка проводится непрерывно.

Перед проведением сварки необходимо провести обработку кромок:

зачистить кромки металлической щеткой или шрабером,

свариваемые кромки и присадочный металл очистить от окислов и загрязнений травлением в течение 5 мин. в растворе следующего состава: соляная кислота - 340-250 мл, азотная кислота - 55-60 мл, фтористый калий - 50 г, вода - 600 мл.

Сварка титана толщиной до 8 мм производится без разделки кромок.

С Х Е М А механизированной дуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом постоянным током прямой полярности с присадочной проволокой в камере с контролируемой атмосферой

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - неподвижная стойка вращателя баллона; 2 - шаровый баллон; 3 - сварочная дуга; 4 - камера; 5 - подвижная стойка вращателя баллона; 6 - машинная сварочная горелка; 7 - токоподводящий мундштук горелки; 8 - вращающиеся ролики подачи присадочной проволоки; 9 - кассета с проволокой (повернута на 90 градусов); 10 - сварочная проволока; 11 - неплавящийся вольфрамовый электрод; 12 - насосы вакуумированной камеры

После дуговой сварки изделий из титана для снятия внутренних напряжений рекомендуется произвести отжиг не позже чем через 2 часа после окончания сварки.

Отжиг сварных изделий производится при температуре 600-650° С с выдержкой в течении 30-45 минут.

Организация сварочных работ

Организация сварочных работ должна предусматривать: технологическую подготовку; обеспечение квалифицированного руководства; материально-техническое обеспечение; подготовку и аттестацию сварщиков; рациональное использование и распределение труда квалифицированных сварщиков, сварочного оборудования.

Сварочные работы должны выполняться в соответствии с проектами производства работ (ППР), технологическими картами или картами трудовых процессов. Основные составляющие раздела сварки ППР: расчет объема сварочных работ в натуральном и нормативном (трудовом) исчислении, ведомости трудовых и материальных ресурсов, схемы энергоснабжения, технологические указания по сварке, термообработке и контролю качества сварных соединений, выбор форм организации труда, требования техники безопасности и охраны труда. При необходимости составляется график производства работ.

Схема входного контроля сварочных работ (контролирует руководитель сварочных работ -- прораб, мастер по сварке)

Элементы, подлежащие контролю	Техническая документация	Квалификация сварщиков	Сварочные материалы	Сварочное оборудование и сборочно-сварочные приспособления
Состав контроля	Проверка содержания технологического проекта и проекта производства работ (раздела сварки), технологичности сварных узлов, сертификатов на основные материалы. Расчет количества сварочных материалов и оборудования, трудоемкости сварочных работ и потребной численности сварщиков	Проверка допуска рабочих к сварке ответственных конструкций в соответствии с Правилами аттестации сварщиков». Проведение дополнительной подготовки для выполнения данной работы. Организация сварки и испытания пробных образцов	Проверка сертификатов, соответствия материалов техническим условиям, актов испытания технологических свойств, условий хранения, технологических свойств материалов по браковочным признакам	Комплектность и исправность оборудования, наличие контрольно-измерительной аппаратуры
Способ контроля	Изучение проекта	Проверка удостоверений сварщиков, дополнительные испытания	Осмотр, механические испытания	Осмотр, проверка формуляров, журнала учета и состояния оборудования
Время контроля	До начала сборочно-сварочных работ
Кто привлекается к контролю	Производственно-технический отдел	Сварочная лаборатория	Отдел главного механика (энергетика)

Схема операционного и приемочного контроля качества сборки и сварки (контролирует руководитель сварочных работ прораб, мастер по сварке)

Контроль	Операционный	Приемочный
Операции, подлежащие контролю	Подготовка конструкций под сварку	Сборка конструкций под сварку	Технология сварки	Сварные соединения	Оформление исполнительной документации
Состав контроля	Проверка: отсутствия поверхностных загрязнений, соответствия форму, размеров н качества подготовленных кромок требованиям нормативов, качества зачистки кромок	Проверка: состояния подготовленных кромок и прилегающих к ним поверхностей, соответствия марки и диаметра используемых для прихватки материалов требованиям проекта, качества прихватки, применения сборочных приспособлений, соблюдения последовательности сборочно-сварочных операций	Проверка: соответствия атмосферных и других условий требованиям нормативов» режима сварки, последовательности наложения швов (слоев), соответствия технических характеристик материалов я качества их подготовки к сварке. Организация сварки и испытания контрольных образцов	Корректировка схем расположения и уточнение количества сварных швов, проверка качества формирования швов, отсутствия наружных н внутренних дефектов незаверенных участков, брызг металла, шлака, трещин в металле шва и околошовной зоне, непроваров, пор, незаверенных прожогов, кратеров, подреза и пр.	Проверка документации на сварочные работы; журнала сварочных работ, сертификатов на материалы, копий удостоверений сварщиков, актов внешнего осмотра сварных швов, протоколов механических испытания сварных образцов, заключений по гамма- или рентгенопросвечиванию, ультразвуковому контролю и т. д., протоколов металлографических исследований, актов на сварку контрольных стыков
Способ контроля	Внешний осмотр и измерения	Внешний осмотр, измерения и механические испытания	Внешний осмотр, физический (просвечивание швов и т.д.) и химический контроль	Проверка технической документации
Время контроля	До начала сварки	Во время сварки	Во время и после сварки	После сварки
Кто привлекается к контролю	Мастер или прораб монтажного участка	Мастер или прораб сварочного участка	Сварочная лаборатория

Список литературы

1. А.И.Климычев. Методические указания по выполнению курсовой работы.

2. Г.А.Николаев. Сварные конструкции. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1982.

3. Б.Н.Арзамасов. Конструкционные материалы. Справочник. М.: Машиностроение, 1990.

4. А.М.Дальский. Технология конструкционных материалов. М.: Машино-строение, 2005.

5. В.В.Степанов. Справочник сварщика. М.: Машиностроение, 1974.

6. ГОСТ 23949-80. Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся, 1980.

7. ГОСТ 27265-87. Проволока сварочная из титана и титановых сплавов, 1987.

Размещено на Allbest.ru