Участок химико-термической обработки деталей в условиях Минского автомобильного завода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет механико-технологический

Кафедра "Материаловедение в машиностроении".

УДК 621.7.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему :"УЧАСТОК ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ МАЗ".

Исполнитель : Филонюк А.С.

Руководитель: Стефанович В.А.

Минск

2005



Содержание.

Реферат

Введение

1. Расчет программы цеха

2. Характер эксплуатации деталей и предъявляемые к ним технические требования

3. Выбор марки стали

4. Проектирование технологического процесса

5. Выбор оборудования и расчет его количества

6. Теплотехнический расчет

7. Определение площади цеха и разработка планировки

8. Строительная часть

Заключение

Литература



Реферат

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ на тему:" УЧАСТОК ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ МАЗ".Стефанович В.А., Филонюк А.С. Белорусский Национальный Технический Университет.

С - 29, рис. - 4, табл. - 8, библ. - 5.

ШЕСТЕРНЯ ПОЛУОСИ, 26ГТЦА, 12ХН3А, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ПЛАНИРОВКА, СТРОИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Цель - разработать планировку участка химико-термической обработки деталей в условиях завода МАЗ. Для шестерни полуоси выбрали сталь и разработали технологический процесс для агрегата 26ГТЦА, спроектировали планировку участка и строительную часть.



Введение

Проектирование - разработка технических документов, расчет технико-экономических показателей и другой необходимой документации. Проекты подразделяются на новые, реконструкции, техническое перевооружение.

Проектирование применяется как для предприятия в целом, так и для отдельных подразделений.

Проектирование термических цехов сводится к разработке технологического процесса с определением всего необходимого оборудования и расчету его количества. Завершающим этапом проектирования является разработка планировки цеха и строительной части.

Технологический процесс может существенно влиять на площадь разрабатываемого цеха.

Данный технологический процесс (цементация, закалка и отпуск) является самым распространенным для тяжелонагруженных изделий, требующих повышенные твердость и прочность, а также достаточную вязкость сердцевины. К таким изделиям относятся различного рода шестерни, ступицы муфт, крестовины, муфты, зубчатые венцы и др.



1. Расчет программы цеха

Расчет программы цеха сводится к составлению обобщенной таблицы по годовому выпуску всех деталей, обрабатываемых на агрегате 26ГТЦА, а также выбору детали-представителя.

ТАБЛИЦА 1.Годовая программа участка.

Наименование детали	Марка стали	Вес, кг	Годовая программа, шт	Годовая программа, тыс.тонн
Шестерня	25ХГТ	10,5	3960	41,580
Шестерня	20ХН3А	14,6	6800	99,280
Шестерня ведущая	20ХН3А	8,1	51960	420,876
Шестерня полуоси	20ХН3А	1,52	579318	880,563
Крестовина дифференциала	20ХН3А	2,2	171400	377,080
Ступица муфты	25ХГТ	10,9	4320	47,080
Зубчатый венец	20ХН3А	6,0	9840	59,040
Шестерня заднего вала	20ХН3А	2,2	240	0,528
Саттелит	20ХН3А	0,45	203560	91,602
Шестерня	25ХГТ	6,8	4080	27,744
Шестерня нижнего вала	25ХГТ	4,8	2640	12,672

В качестве детали-представителя принимаем шестерню полуоси массой 1,52 кг, т.к. она является преобладающей деталью, которую обрабатывают на данном агрегате.

Суммарная программа выпуска Рвып= 1038118шт

Определяем программу запуска, т.е. необходимое количество деталей для выполнения плана:

где К-коэффициент в долях единицы, учитывающий брак на всех стадиях изготовления изделия. Принимаем равным 0,01.



2. Характер эксплуатации деталей и предъявляемые к ним технические требования

Зубчатые колеса - основные детали большинства машин и механизмов. Они служат для передачи вращательных движений между отдельными элементами механизмов.

Вращение передается через зубчатое зацепление. Отказ или разрушение зубчатого колеса влечет за собой прекращение передачи крутящего момента и отказ двигательных агрегатов. Наиболее загруженной частью колеса является зуб.

В процессе работы зубья испытывают ударные нагрузки , в результате чего в них возникают контактные напряжения. Поверхность работает на износ, в процессе работы зубья нагреваются; для охлаждения на них непрерывно подается масло.

В процессе работы зубчатое колесо испытывает статические, динамические, знакопеременные и вибрационные нагрузки величиной до 930Н. Деталь работает в масляной среде с рабочей температурой до 300C.

Требуемые свойства приведены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2.Механические свойства.

Марка стали	у0,2, МПа	ув, МПа	д, %	KCU, Дж/см2
Задание	>850	>1100	>11	>95

3. Выбор марки стали

Сведем возможные марки сталей, применяемые для изготовления шестерен, в таблицу 3 в соответствии с требуемыми свойствами.



ТАБЛИЦА 3.Выбор марки стали.

Марка стали	у0,2, МПа	ув, МПа	д, %	KCU, Дж/см2
Задание	>850	>1100	>11	>95
12ХН2	-	-	+	+
12ХН3А	+	+	+	+
20ХН3А	+	+	-	-
25ХГТ	+	-	+	-
12Х2Н4А	+	+	+	+
30ХГТ	+	+	-	-
18ХГТ	+	-	-	-

Выбираем для изготовления шестерни полуоси сталь 12ХН3А, т.к. она удовлетворяет требуемым свойствам и более дешевая, чем 12Х2Н4А.

Химический состав стали и температуры критических точек приведены в таблицах.

ТАБЛИЦА 4.Химический состав, %[1]

С	Mn	Si	Cr	Ni	P	S	Cu
0.09-0.16	0.3-0.6	0.17-0.37	0.6-0.9	2.75-3.15	<0.025	<0.025	<0.3

ТАБЛИЦА 5.Температуры критических точек, С[1]

Ас1	Ас3(Асм)	Аr3	Ar1	Мн
715	773	726	659	380

Технологические свойства стали12ХН3А приведены в таблице 6

ТАБЛИЦА 6. Технологические свойства.[2]

Сталь	Прокаливаемость, диаметр, мм	Температура ковки, С	Обрабатываемость резанием
12ХНА	В воде	В масле	начала	конца	НВ	Кv	Материал резца
	32-65	20-50	1220	800	187	0,95	Быстрорежущая сталь

Зависимость механических свойств от режима термической обработки приведена в таблице 7.



ТАБЛИЦА 7.Механические свойства[2]

Режим термообработки	ут, МПа	ув, МПа	д, %	Ш, %	КСU,Дж/см2
Закалка + низкий отпуск	700	950	11	55	90
Цементация + закалка + низкий отпуск	850	1100	12	55	120

Полосы прокаливаемости приведены на рисунке 1.

4. Проектирование технологического процесса

Разработка технологического процесса заключается в выборе всех параметров и их обосновании.

На рисунке 2 приведены возможные режимы термической обработки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. Режимы термообработки шестерни

Выбираем 4 режим термообработки: цементация 930-950С, подстуживание до температур700-600С, выдержка при 640С, нагрев под закалку до 840С, отпуск 170-180С. Данный режим является наиболее технологичным и экономным, чем режим 3 с повторным нагревом под закалку. Режимы 1 и 2 неподходят, т.к. сталь 12ХН3А является наследственно крупнозернистой. Поэтому после цементации требуется охладить сталь ниже температуры Ас1 для измельчения зерна аустенита.

Составляем технологический процесс.

Таблица 8. Технологический процесс [5]

Вид операции	Оборудование	Транспорт	Параметры	Контроль	Примечания
Входной контроль	Контрольный стол	Вручную	В пределах d=45.2-45.26мм Биение торца-0,035мм, Центра-0,02мм	Ролик d=4.773 , внешний осмотр
Обмазка пастой	Приспособление для спекания	салазки		Контроль сплошности слоя	Выгрузить в тару для полного высыхания в течении 1,5-2ч.
Науглероживание	Цементационная печь	поддон	T=930±10C фдиф=11ч среда: СО:15-20% H2:37-45% CH4:2-12% CO2?0.4%	КСП потенциометр, темп толкания	Контролировать t не реже 3-х раз в смену. Давление избыточное 5-15кгс/м2. Перемещение в камеру подстуживания.
Подстуживание	Камера подсуживания	поддон	физ.выд=1ч t=650±50C среда: эндогаз	КСП потенциометр	Перемещение в закалочную печь толкателем
Закалка	Печь нагрева под закалку	поддон	T=840±10C Среда: эндогаз ф=3.7ч	КСП потенциометр	Контролировать t не реже 3-х раз в смену
Охлаждение	Закалочный бак	поддон	Tмасла=100-180С	Термометр	Определять вязкость 1 раз в неделю
Операционный контроль	Контрольный стол	вручную	HRC?60-65 h=1.0-1.5мм	Твердомер, микроскоп	На свидетелях-образцах
Промывка	Моечная машина	поддон	T=60-90C, 3-4% раствор Na2CO3	термометр	Проверять химический состав 1 раз в неделю
Отпуск	Отпускная толкательная печь	поддон	T=150±10C Среда: эндогаз	КСП потенциометр	Контролировать t не реже 3-х раз в смену
Очистка	Камера дробеметная	Стол вращения	Время обработки=10мин	Внешний осмотр
Выходной контроль	Контрольный стол	вручную	HRC?58 структура	Твердомер,микроскоп	5-8 деталей от партии



5. Выбор оборудования и расчет его количества

В качестве оборудования для термической обработки был выбран агрегат 26ГТЦА непрерывного действия, т.к.загрузка цеха высокая и обеспечивается полный цикл обработки (не требуется другое технологическое оборудование).

В агрегате все операции по перемещению поддонов, контроль и поддержание заданных параметров термообработки выполняются автоматически, за исключением поддержания концентрации и температуры моющего раствора в моечной машине, а также операции загрузки-выгрузки. Особенностью агрегата является обогрев печи низкотемпературного отпуска продуктами сгорания, отбираемыми от радиационных труб печи цементации.

Технические характеристики. [5]

Производительность при глубине цементации 1 мм = 600кг/ч

Загрузка на поддон max = 150кг

Высота загрузки(с поддоном)= 600 мм

Габаритные размеры поддона 560*560*50мм

Количество поддонов 79 шт

Теплоноситель - природный газ (Q=8200ккал/м3)

Система обогрева печи цементации - U-образные терморадиационные трубы

Закалка в баке закалочном под прессом

Температура закалочного масла до 180С

Промывка - струйным обливом

Температура моющего раствора 80-90С

Система обогрева печи отпуска - отходящие дымовые газы печи цементации

Рабочая температура печи отпуска 180-220С

Масса агрегата 200т

Рассчитаем соотношение S/D, где

S - расстояние между центрами радиационных труб (S=200мм)

D - диаметр радиационной тубы (D=102мм)

S/D=200/102=1.96

Определяем угловые коэффициенты ц=0,55, ц=0,93

Рассчитаем приведенное излучение тела

,

Где Со=5,77Вт/м2*К4 - константа излучения черного тела

е1 - степень черноты поверхности труб (для ХТО 0,48)

е2 - степень черноты нагреваемого металла =0,45

Рассчитываем теплонапряжение радиационных труб

,

Где Тпр - температура радиационной трубы (Тпр=1353К)

Тм - средняя температура садки

Тм=2/3*Тхто=2/3*1203=893К

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи излучения

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи с учетом конвекции

Определяем критерий Био

,

Где X2 - характеристический размер

л- коэффициент теплопроводности

Кс - коэффициент сплошности (Кс=0,6)

Схема расположения деталей на поддоне приведена на рисунке 1.

Получаем

Коэффициент теплопроводности для t=893-273=620С

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тогда получаем

Определяем температурный критерий

,

Где t1 - температура поверхности радиационных труб

tкон - температура ХТО

tнач - начальная температура садки

По графикам Будрина определяем критерий Фурье Fо=1,8

Определяем время нагрева

,

Где а - коэффициент температуропроводности и равен 0,062*10кДж/кг*К

Время выдержки для получения диффузионного слоя толщиной 1мм принимаем 10ч.

Определяем время подстуживания до t=640C. [3]

Определяем температурный критерий

Определяем суммарный коэффициент теплопередачи

,

Где - коэффициент теплопередачи излучением

- коэффициент теплопередачи конвекцией

Тогда

Коэффициент теплопередачи принимаем равным 14,5Вт/м2*К.

Рассчитываем коэффициент теплопроводности для t=785C, т.к. это средняя температура между to и tх.

Тогда критерий Био

По графику Будрина определяем критерий Фурье Fo=1.8

Определяем время подстуживания

,

Где а=0,052*10кДж/кг*К

Продолжительность изотермической выдержки принимаем равной 1 ч.

Определяем время нагрева до t=850С.[3]

Температурный критерий

Рассчитываем аналогично предыдущему пункту и получаем 102,7Вт/м2*К, а принимаем равным 13,3Вт/м2*К.

Суммарный коэффициент теплопередачи равен

Определяем коэффициент теплопроводности для средней температуры t=745C и получаем 27,55Вт/м2*К.

Критерий Био

По графику Будрина Fo=1.4

Коэффициент температуропроводности равен 0,053*10,кДж/кг*К.

Время нагрева

Время нагрева под отпуск принимаем 1,5ч.

Суммарное время пребывания садки в печи

Темп толкания поддонов

,

Где n - количество поддонов в цементационной печи

Производительность печи

,

Где

Рсад - масса 1 поддона с деталями

Рассчитываем требуемое количество оборудования

Определяем требуемое количество машино-часов

Расчетное количество оборудования

,

Фд - действительный фонд времени работы оборудования, ч

Принимаем Nпр=2.

Коэффициент загрузки

6. Теплотехнический расчет

Тепловой баланс составляется для определения расхода топлива, а также для анализа эффективности работы печей.

Тепловой баланс основан на законе сохранения энергии

Qрасх=Qприх

Qприх=Qт+Q+Q+Qэкз.,

Где Qт - тепло полученное при сжигании топлива

,

Где Q - теплотворность топлива

Q- физическое тепло воздуха и равно нулю, т.к. нет подогрева воздуха.

Q - физическое тепло топлива и равно нулю, т.к. нет подогрева топлива.

Qэкз - тепло экзотермической реакции

,

Где а - угар металла (принимаем 0,01).

Qрасх=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Qнеуч,

Где Q1 - расход тепла на нагрев металла

Q2 - потери тепла с уходящими газами

Q3 - потери тепла от механической неполноты горения (равно нулю)

Q4 - потери тепла от химической неполноты горения (равно нулю)

Q5 - потери тепла в окружающее пространство

Q6 - потери тепла на разогрев кладки (не учитываются, т.к. печь непрерывного действия).

Q7 - потери тепла на разогрев поддонов

Qнеуч - неучтенные потери тепла

,

Где iк, iн - конечное и начальное теплосодержание металла

Iк=657,98кДж/кг*К

Iн=8,4кДж/кг*К

,

Где Vух - объем уходящих газов

Сух - теплоемкость уходящих газов

tух - температура уходящих газов

Тогда получаем цементация закалка тяжелонагруженный шестерня

Q5=Qкл+Qотв,

Где Qкл - потери тепла через кладку

Qотв - потери тепла через отверстия

Qкл=Qп+Qсв+Qст+Qдв

Q=q*F,

Где q - плотность теплового потока

F - площадь кладки

,

Где д1,д2,д3- толщины стенок

л1,л2,л3 - коэффициенты теплопроводности

б - коэффициент теплопередачи

1 слой - тяжеловесный шамот толщиной 230мм.

2 слой - шамот легковес толщиной 230мм.

3 слой - вермикулитовые плиты толщиной 50мм.

Для каждого слоя

Принимаем t1=1050C, t5=20C, t4=80C.Рассчитаем температуры t2 и t3.

Определяем среднюю температуру слоев

Тогда получаем

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

Тогда

Поскольку найденное значение плотности теплового потока бело определено при допущении, что температура от t1 до t4 меняется по прямой линии, то необходимо проверить вычисления.

Находим средние температуры слоев

Тогда получаем

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

Тогда

Определяем ошибку

Поскольку ошибка больше 5%, то еще раз уточняем

Находим средние температуры слоев

Тогда получаем

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле

Тогда

Определяем ошибку

Принимаем qcc=791,4Вт/м2.

Схема кладки печи приведена на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассчитаем площадь кладки

,

Где Fвв - внутренняя площадь кладки

Fнар - наружная площадь кладки

Fc=Fпод=9,38м2

Тогда потери тепла через кладку составят

Потери через кладку составили

,

Где Fоо - площадь отверстия

Kd - коэффициент диафрагмированния

ф - относительное время

Kd определяется по графику исходя из размеров отверстия и их соотношений а/в и l/a, где а, в, l - высота, ширина и длина отверстия.

а/в=0,75/0,8=0,94

l/a=510/750=0.68

Получаем Кd=0,7

Относительное время выбирается исходя из темпа толкания и времени необходимого на загрузку поддона.

ф=0,1

Тогда получаем

,

Где iк, iн - конечное и начальное теплосодержание металла

Iк=637,98кДж/кг*К

Iн=8,4кДж/кг*К

Приравниваем Qприх и Qрасх

Получаем Вi=0.02

Qт=7800*0,02=156кВт

Q2=5766.56*0.02=115.33кВт

Рассчитаем КПД печи

7. Определение площади цеха и разработка планировки

Производственная площадь определяется двумя способами

1. по нормам площади приходящейся на единицу оборудования.

Определяем площадь, приходящуюся на единицу оборудования:

Sоб=150м2

Определяем суммарную площадь, занимаемую одним видом оборудования:

S=Nпр*Sоб=2*150=300м2

Определяем общую производственную площадь с учетом вспомогательной 25-35%по каждому участку

Sобщ=1,35*300=405м2

2. по удельным нормам площади, приходящейся на единицу нагревательного оборудования.

Рассчитаем общую площадь по каждому участку с учетом кратности нагрева

Sq=3000м2

Общая площадь каждого участка

Далее определяем потребность складских помещений

Определяем потребную площадь

S=Sобщ+П=526+10.8=537м2

Разработка планировки цеха.

1. На листе формата А1 в масштабе 1:100 наносим сетку колонн с шириной пролета 18м. Длину цеха вычисляем по формуле

ДЛ=S/L=537/18=30м

2. Намечаем пункты поступления изделий на ТО и выдачи готовой продукции.

3. Намечаем грузопоток изделий.

4. Наносим места складирования

5. В соответствии с требованиями к размещению оборудования в масштабе наносим его контуры ,соблюдая нормы расстояний между оборудованием и строительными конструкциями.

8. Строительная часть

Строительная часть проекта включает вертикальный разрез здания, который выполняют в соответствии с ГОСТ2.317-69 и СНиП460-74.

Разрез цеха выполняем в масштабе 1:50 по поперечному сечению цеха, в который попадает самая высокая и низкая точка оборудования. В разрезе приводится в условных контурах оборудование, подъемно-транспортные устройства и основные элементы здания (фундамент, колонны, стены, фонари, фермы).

Высота железобетонных колонн равна 8,4м2, размер 0,5*0,5м.

Используется подвесное оборудование с грузоподъемностью крана Q=5т.

В отапливаемых помещениях с подвесными кран-балками данной грузоподъемности с шагом колонн 6м и длиной пролета 18м выбираем сборную железобетонную ферму.

Фундамент под колонны проектируем в виде отдельностоящих железобетонных конструкций. При сечении 0,5*0,5 размеры подколонника составляют 1,2*1,2 и 1,8*3,0м.

Фонари применяются для улучшения освещения зданий и естественной аэрации. Для термических подразделений используем продольные фонари с вертикальным остеклением. Каркас делается металлическим. Для пролета 18м ширина фонарей 6м.

Окна изготавливаем металлическими со стеклянным остеклением.

Стены изготавливаем из блоков легковесного бетона, толщиной 500мм.

На ферму сверху укладываем крупнопанельные плиты. Сверху на плиты укладываем утеплитель: пенобетон, минеральная вата толщиной 80мм.На утеплитель укладываем рубероид в несколько слоев.



Заключение

Для данной детали и технологического процесса был выбран агрегат 26ГТЦА.В процессе теплотехнического расчета КПД печи получился низким, что связано с большими потерями с уходящими газами . Для увеличения КПД печи уходящие газы необходимо использовать для отапливания отпускной печи, а также различных рекуператоров.



Литература

1. Марочник сталей и сплавов. Под ред. В.Г. Сорокина. - М. :Машиностроение, 1989. - 640с.

2. Журавлев В.Н., Николаева О.Н. Машиностроительные стали. Справочник - Москва :Машиностроение, 1971.

3. Сатановский Л.Г., Мирский Ю.А. Нагревательные и термические печи в машиностроении. - Москва : Металлургия, 1971

4. Проектирование машиностроительных заводов и цехов. Под ред. Янпольского Е.С. Т1-6 , 1974 - 1976.

5. Технический паспорт агрегата 26ГТЦА.

Размещено на Allbest.ru