Выбор материала и технология термической обработки при изготовлении детали

Размещено на http://www.Allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание

Реферат

Введение

1. Обоснование выбора материала и технологии термической обработки деталей машин лесного комплекса

1.1 Анализ условий работы картера распределительных шестерен

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления картера

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной заготовки и самой детали

1.4 Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения термической обработки заготовки и детали

2. Разработка технологического процесса изготовления отливки в разовой форме для деталей машин лесного комплекса

2.1 Чертеж детали

2.2 Разработка чертежа отливки

2.2.1 Выбор плоскости разъема отливки

2.2.2 Определение припуска на механическую обработку

2.2.3 Определение минимально допустимой толщины стенок отливки

2.2.4 Определение радиусов галтелей и закруглений модели

2.2.5 Определение формовочных уклонов

2.3 Разработка чертежа стержня

2.4 Разработка чертежа модели

2.5 Разработка чертежа литейной формы в сборе

2.5.1 Определение массы отливки

2.5.2 Определение размеров опок

2.5.3 Расчет элементов литниковой системы

2.6 Определение массы стержня и формовочной смеси

2.7 Оценка технико-экономической эффективности

3. Определение режимов резания при механической обработке отливок для деталей машин лесного комплекса

3.1 Выбор режущего инструмента

3.2 Выбор подачи

3.3 Определение скорости резания

3.4 Определение силы резания

3.5 Определение мощности резания

3.6 Определение машинного времени

Заключение

Список использованных источников

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Студент 233 группы механического факультета Корчагин П.И.

Раздел 1. Обоснование выбора материала и технологии термической обработки деталей машин лесного комплекса

Исходные данные:

1. Тип машиностроительного производства - массовое.

2. Машина - трелевочный трактор ТДТ-55.

3. Сборочная единица - двигатель СМД-14Б.

4. Деталь-картер шестерен.

5. Метод получения первичной заготовки -отливка в песчаную форму.

6. Материал детали - сплав СЧ15

7. Твердость материала после термической обработки - 163…229 HB.

8. Условия работы детали:

Нагрузки - статические;

Среда - неагрессивная;

максимальная рабочая температура-до 100°С.

Порядок выполнения раздела 1:

1.1 Анализ условий работы детали.

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали.

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной заготовки и детали.

1.4 Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения термической обработки

Раздел 2 Разработка технологического процесса изготовления отливок в разовой форме для деталей машин лесного комплекса

Исходные данные:

1. Тип машиностроительного производства - единичное.

2. Автомобиль ГАЗ 53-А

3. Сборочная единица - двигатель

4. Деталь - маховик

5. Материал детали - сплав СЧ20

Порядок выполнения раздела 2:

2.1 Чертеж детали.

2.2 Разработка чертежа отливки.

2.3 Разработка чертежа стержня.

2.4 Разработка чертежа модели.

2.5 Разработка чертежа литейной формы.

2.6 Определение массы стержня и формовочной смеси.

2.7 Оценка технико-экономической эффективности.

Раздел 3 Определение режимов резания при механической обработке отливок для деталей машин лесного комплекса

Исходные данные:

1. Тип машиностроительного производства - единичное

2. Автомобиль ГАЗ 53-А

3. Сборочная единица - двигатель

4. Деталь - маховик

5. Материал детали - сплав СЧ20

6. Условия обработки отливки:

- глубина резания - t = 0,8мм;

- твердость - 170 НВ;

- диаметр обрабатываемой поверхности - d = 140мм;

- длина обрабатываемой поверхности -18,5мм

Порядок выполнения раздела 3

3.1 Выбор режущего инструмента

3.2 Выбор подачи

3.3 Определение скорости резания

3.4 Определение силы резания

3.5 Определение мощности резания

3.6 Определение машинного времени

Руководитель курсовой работы

Доцент Высоцкий А.Г.

Техническое задание принял к исполнению

Студент Корчагин П.И.

РЕФЕРАТ

Курсовая работа по дисциплине «Материаловедение. Технология инструкционных материалов» содержит 46 страниц, 4 рисунка, 3 таблицы, 5 чертежей, 20 источников информации.

Трактор, двигатель, картер, серый чугун, термопара тхк-040т, автомобиль, маховик, литейная форма, технический процесс, обработка резанием, режим, расчеты, инструмент

Техническим заданием по разделу 1 курсовой работы определено две задачи:

1. Обосновать выбор материала для изготовления картера распределительных шестерен двигателя СМД- 14Б трактора ТДТ-55.

2. Обосновать технологию термической обработки при изготовлении детали.

На основе анализа условий работы картеров обоснована целесообразность применения серого ферритного чугуна марки СЧ18. Данный сплав по химическому составу, механическим и эксплуатационным свойством в наибольшей степени удовлетворяет требованиям, предъявленным к заданной детали.

В данном сплаве содержание С = 3,4…36%, Mn = 0,5…0,7%, Si = 1,9…2,3%, P<0,2, S<0,12. Первичная заготовка из чугуна СЧ18 получается путем отливки в песчаную форму. Отливка выбивается из опок, очищается дробью, а затем проводится термическая обработка. Первичная заготовка подвергается низкотемпературному отжигу, который заключается в нагреве загруженных отливок до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью. Контроль температуры нагрева заготовок в печи следует осуществлять с помощью термоэлектрического пирометра и использованием термопар типа ТХК-040 Т. Деталь не нуждается в дальнейшей термической обработке так, как она корпусная деталь и её не надо упрочнять. Для контроля качества термообработки заготовки в цехе должен быть установлен пресс Бринелля.

Из технического задания по разделу 2 вытекает одна задача: разработка технологии получения отливки в разовой форме.

На основе решения поставленной задачи получены следующие результаты: технико-экономическая эффективность разработанного метода составила 83,3%, при этом масса отливки равна 20,96 кг, масса стержня 1,75 кг, масса формовочной смеси 83,15 кг.

Техническое задание по разделу 3 определяет одну задачу: обоснование и расчет режимов резания при механической обработке полученной отливки.

На основании поставленной задачи получены следующие результаты: для обработки заданного глухого отверстия выбран расточный резец из твердого сплава ВК6, принятая подача равна 0,35 мм/об, скорость резания-1,17 м/с, сила резания - 25,98 H, мощность резания-0,2799 кВт, машинное время требуемое для всего технологического процесса,- 22,4 с.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая курсовая работа по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» выполнена в соответствии с требованиями стандарта предприятия СТП ВГЛТА 02.01.2004. Курсовое проектирование. Организация, порядок проведения, оформление пояснительной записки и графической части [1].

Изучение курса дает знание об основных закономерностях, определяющих строение и свойства материалов о составе и методах их обработки, а также позволяет научиться выполнять наиболее широко применяемые в технике испытания материалов и работать с основными приборами и машинами, уметь самостоятельно пользоваться современной технической и справочной литературой для выбора основных промышленных, а также новых перспективных материалов и эффективных методов их обработки для повышения надежности долговечности изготовляемых из них изделий в зависимости от наиболее типичных условий и службы [2].

Важным направлением научно-технического прогресса является создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, полимерные и другие материалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Обработка этих материалов связана с решением серьезных технологических вопросов.

Задачей курса и является изучение современных рациональных и распространенных в промышленности прогрессивных методов формообразование заготовок и деталей при конструировании машин и оборудования лесного комплекса [3].

Одним из перечисленных материалов для многих деталей лесных машин следует считать высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Это обусловлено тем, что высокопрочный чугун обладает сравнительно высокой износостойкостью, прочностью, достаточной пластичностью, хорошими литейными свойствами и обрабатываемостью, возможностью изготовления сложных по конструкции изделий. Себестоимость отливок из высокопрочного чугуна в среднем на 30-40% ниже себестоимость из стали и ковкого чугуна. Поскольку высокопрочный чугун характеризуется личными сравнению с ковким чугуном физико-механическими свойствами, то конструкции из него можно изготавливать без запасов прочности по сечениям. Это сокращает металлоемкость заготовок и увеличивает коэффициент использования металла [3].

Анализ конструкции основных узлов машин и оборудования лесного комплекса, проведенный проф. Д.И. Станчевым [4] показывает следующее распределение массы деталей с учетом материала их изготовления:

- масса деталей, изготовленных из стальных заготовок, полученных песчаную форму, а так же из сортового листового проката, от 88... 96% от массы машины;

- массы деталей, изготовленных из чугунных отливок (серый чугун, ковкий и высокопрочный чугун), составляет 5... 13% от массы машины;

- масса деталей, изготовленных из цветных деталей и сплавов, составляет от 0,003... 1,03% от массы машины;

Стали и чугуны, например, наибольшее применение находят в узлах трения машин. Их износостойкость в большей мере зависит от структуры, от совокупности отдельных микрообъемов, характеризуемых разними структурными составляющими. При этом большое влияние оказывает превалирующий тип этих составляющих, их количество, морфология и взаимное расположение [5].

Основными технологическими процессами, применяемыми в лесном машиностроении являются [3],[6]:

- Литейное производство - отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок и деталей путём заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки. Для заготовки отливок применяют множество способов литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и др.

- Горячая объемная штамповка - это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляется с помощью специального инструмента -- штампа. В качестве заготовок для горячей объемной штамповки применяют круглый прокат, квадратного и других профилей.

- Листовая штамповка -- это вид обработки в качестве заготовки используют полученный прокатный лист, полосу или ленту, свернутую в рулон. К преимуществам листовой штамповки относится возможность получения минимальной массы при заданной прочности и жесткости, достаточно высокие точности размеров и качества поверхности.

- Сварка металлов - это технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, при пластичном деформировании или совместными действиями того и другого.

Сварка экономически выгодный, высокопроизводительный технологический процесс, широко применяемый почти во всех отраслях машиностроения.

- Механическая обработка резанием -- это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения определенных свойств. Методы отделочной обработки поверхности - это полирование заготовок [4].

- Химико-термическая обработка -- это тепловая обработка металлических изделий в химически активных средах для изменения химического состава, структуры и свойства поверхностных слоёв металла.

Термическая обработка - совокупность операций теплового воздействия на материал (главным образом на металлы и сплавы) с целью изменения структуры и свойств в нужном направлении.

Обработка сверхчистых, сверхтвердых, жаропрочных, композиционных, порошковых, полимерных материалов связана с решением связанных технологических вопросов, которые требуют внедрение прогрессивных технологических процессов и новейшего оборудования в лесное машиностроение [3].

Результаты исследований, проеденных авторами [5,7,8], показали, что наименьшую наработку на отказ до предельного состояния или капитального ремонта и наибольшие затраты на техническое обслуживание и ремонт от стоимости новой машины имеют узлы и детали ходовой части и рабочих органов. Увеличение срока службы этих деталей позволит повысить надежность и эффективность использования машин и оборудования лесного комплекса. Вместе с тем следует учитывать возможности оптимизации условий работы пар трения и рабочих органов машин за счет применения других материалов и способов их упрочнения.

Одним из путей снижения материалоемкости машины является рациональное использование как материалов, так и размеров деталей. Однако вопросы выбора деталей с учетом снижения их материалоемкости сохранения прочных характеристик решены не полностью [9].

Транспорт леса является составной, наиболее энергоемкой частью производственного процесса лесозаготовительного производства и включает подвозку и вывозку деревьев. Для трелевки применяются трелевочные тракторы и специальные машины, созданные на их базе, а для вывозки - лесовозные автомобили, тракторы, тепловозы.

Гусеничные трелевочные трактора ТДТ-55 класса 2т представляет собой модернизацию трактора ТДТ-40М применением более мощного двигателя, увеличение тяговых усилий тросе лебедки и улучшение конструкции ходовой части обеспечивает повышение производительности трактора, а установка гидроуправляемого толкателя сделала его более универсальным. На тракторе установлен двигатель СМД-14Б. Муфта сцепления трактора - двухдиновая сухая постоянно замкнутого типа. Гусеницы имеют стальные литые звенья, соединенные пальцами плавающего типа. Лебедка трактора ТДТ-55- реверсивная с одним барабаном. Она имеет карданный привод от вала отбора мощности коробки передач через промежуточные редуктор. Погрузочное устройство трактора состоит из щита с блоком, рамки, кронштейнов, опорных роликов и оси рамки [10].

Курсовое проектирование является завершающим этапом изучения специальной или общетехнической дисциплины и выполняется с целью:

- закрепления, расширения и углубления теоретических знаний по соответствующей дисциплине;

- приобретение навыков практического применения полученных теоретических знаний и комплексного решения конкретных задач, предусмотренных курсовой работой;

- получения навыков самостоятельного творческого подхода к решению конкретных инженерных задач;

- развития необходимых навыков по проведению расчетов и составлению технико-экономического обоснования применяемых технологических решений;

- обучения самостоятельному пользованию специальной литературой: каталогами, справочниками, стандартами, нормами;

- выработки навыков оформления технической документации, составления пояснительной записки и оформления иллюстративного материала, чертежей и схем согласно стандартам ЕСКД;

– овладения навыками использования современных средств вычислительной техники при решении конкретных инженерных задач;

– подготовки к более сложной задаче заключительного этапа учебного процесса - выполнению и защите дипломного проекта [1].

Из технического задания по разделу 1 вытекает две задачи:

– обоснование выбора материала, для изготовления картера шестерен СМД-14Б трелевочного трактора ТДТ-55;

– обоснование технологий термической обработки первичной заготовки и самой детали.

Из технического задания по разделу 2 вытекает одна задача: разработка технологии получения отливки в разной форме.

Из технического задания по разделу 3 вытекает одна задача: обоснование и расчет режимов резания при механической обработке полученной отливки.

1. Обоснование выбора материала и технологий термической обработки деталей машин лесного комплекса

1.1 Анализ условий работы картера распределительных шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55

На передней плоскости блока картера двигателя смонтированы картер распределительных шестерен и его крышка, между которыми расположены шестерни, осуществляющие привод всех механизмов двигателя, кроме электрогенератора, водяного насоса и вентилятора. Ведущей шестерней является шестерня, установленная с натягом на носок коленчатого вала со шпонкой. Эта шестерня находиться в зацеплении с двумя промежуточными шестернями.

Первая промежуточная шестерня является шестерней привода масляного насоса и приводит во вращение шестерню привода масляного насоса.

Вторая промежуточная шестерня вращается на оси, запрессованной в переднюю стенку блока-картера двигателя и входит в зацепление с двумя ведущими шестернями. Первая шестерня приводит во вращение кулачковый валик топливного насоса высокого давления. Вторая шестерня с помощью специального поводка, соединенного с этой шестернёй приводит во вращение счетчик моточасов двигателя. Эта шестерня приводит также во вращение шестерню привода насоса гидросистемы [11].

Картер распределительных шестерен является корпусной деталью с помощью которой смонтированы шестерни привода механизмов и агрегатов двигателя, поэтому он испытывает статические нагрузки при изменениях крутящего момента, передаваемого от двигателя [11].

Так как картер залит маслом, то среда, в которой находиться картер распределительных шестерен неагрессивная. Температура при перегрузках может достигать значений вплоть до 100°С [11].

Длительная работоспособность автомобиля зависит от надежности и долговечности деталей и узлов. Надежность работы деталей во многом определяется сопротивлением материалов распространению трещин, то есть его вязкостью разрушения. Это значит, что основные требования, предъявляемое к детали при эксплуатации,- высокое сопротивление статическим нагрузкам, чтобы не появилось микротрещины, вырывы. Картер распределительных шестерен должен иметь статическую и усталостную прочность.

Прочность детали, и особенно усталостная, в значительной степени зависит от состояния поверхности и наличия в ней концентратов напряжений.

Надежность-это свойство деталей сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризуя способность выполнить требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Долговечность-свойство детали сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации).Долговечность зависит от усталости, износа, коррозии детали [12].

Следовательно, существует комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей зависимости от эксплуатационных свойств картера распределительных шестерен. К таким свойствам, повышающим надежность и долговечность картера, относятся трещиностойкость, высокий предел выносливости, сопротивление контактной усталости, сопротивление износу, коррозии[12].

К наиболее важным технологическим свойствам чугунных картеров относятся герметичность картера, износостойкость, работоспособность. Они определяют поведение чугуна при работе картера под давлением валов и шестерен [13].

Сопротивление поверхности картера с другими деталями должны иметь высокую износостойкость, минимальный коэффициент трения. Кроме того, картер распределительных шестерен должен иметь низкую себестоимость, а это связано с технологическими свойствами, такими как: литейные свойства и обрабатываемость резанием [14].

Износ, который определяет долговечность детали, представляет собой процесс удаления материала в результате многократного нарушения фрикционных связей, и поэтому, как правило, носит усталостный характер, особенно для деталей, находящихся в соприкосновении друг с другом. Эти разрушения происходят, несмотря на статические давления [13].

Износостойкость является одной из важнейших характеристик чугуна. При тернии, наряду с упругими деформациями, происходят пластические и разрушаемые деформации - смятия и срез, а иногда и вырывание частиц. При трении подшипников о поверхности вала соприкасающиеся точки проходят серийно повторяющийся цикл, что вызывает контактную усталость и соотетственующий износ.

Картер распределительных шестерен в своей нижней части имеет износ при трении со смазкой. Большое значение для износостойкости при таком трении имеют количество, формы и расположение графита в структуре. Наилучшими формами являются среднепластинчатая, компактная и шаровидные включения уступают по своему влиянию на износостойкость среднему по величине пластинчатому графиту в сером чугуне.

При статическом нагружении чугуна испытывает упругие деформации матрицы и обратимые деформации полостей, занятых графитом, причем интенсивность этих деформаций возрастает с увеличением нагрузки. Кроме упругих деформаций происходят остаточные, которые обязаны своим происхождением пластичной матрице и полости графита. Эта деформация особенно резко проявляется на поверхности образцов, где они приводят к образованию трещин. Серый чугун имен хрупкий излом и вязкий излом, происходящий по зернам (темный излом). Но чаще бывает комбинированный (частично вязкий, частично хрупкий).

Характерным дефектом картера распределительных шестерен являются трещины, обломы, срывы резьб в резьбовых отверстиях и износ посадочных поверхностей в отверстиях для подшипников. Иногда наблюдают случаи износа поверхности картера торцом блока шестерен заднего хода [13].

Очаг разрушения обычно возникает вблизи поверхности, которая как наиболее нагруженная часть детали претерпевает микродеформацию, а затем образуется микротрещина. В чугунах включение графита, сульфида фосфора не разрушаются, а служат препятствием для дальнейшего распространения трещины, выполняя функцию ингибирования, и требуют дополнительной энергии для своего разрушения или вырывания. Форма графита и его распределение в чугуне определяют отличие в поведении чугуна от стали при разрушении [15].

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления картера распределительных шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55

Из технического задания на курсовую работу 1 следует, что на Онежском тракторном заводе при производстве тракторов ТДТ-55 картер распределительных шестерен двигателя СМД-14Б изготавливается из сплава СЧ15.Эта марка сплава относиться к серым ферритным чугунам.

В двигателе СМД-60 для картера распределительных шестерен применяют сплав СЧ18. На Алтайском тракторном заводе для заданной детали в двигателе АМ-01 трактора ТТ-4 используют сплав СЧ20.за рубежом в тракторостроении для картера распределительных шестерен используют сплавы GG18(Германии).

В таблице 1.1 показан химический состав рекомендуемых чугунов для изготовления картера распределительных шестерен.

Механические свойства материалов, применяемых для изготовления заданной детали, представлены в таблице 1.2.

В таблице 1.3 показаны механические свойства сплавов, промышляемых для изготовления картера распределительных шестерен.

Согласно данным на 1992 год цена одного килограмма СТ 3кп равнялось 198 р/кг, одного килограмма СЧ15-119 р/кг, сплава СЧ18-139 р/кг, сплава СЧ20-149 р/кг. Исходя из этого, получаем, что стоимость одного килограмма сплава С415 составляет от стоимости килограмма стали 3кп-0,6, сплава СЧ18-0,7, сплава СЧ20-0,75 [17].

Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими Fe, C, Si, Mn и небольшие примеси серы и фосфора.

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды Cr, Ni, Cu [14].

Таблица 1.1

Химический состав материалов, применяемых для изготовления картера распределительных шестерен на разных заводах-изготовителях

Марка чугуна	Массовые доли элементов,%
	C	Mn	Si	P	S
С415	3,5…3,7	0,5…0,8	2,0…2,4	<0,2	<0,12
С418	3,4…3,6	0,5…0,7	1,9…2,3	<0,2	<0,12
С420	3,3…3,5	0,7…1,0	1,4…2,2	<0,2	<0,12
GG18 (Германия, аналог отечественного сплава С418)	3,4…3,6	0,6	1,9…2,1	<0,2	<0,12

Таблица 1.2

Механические свойства материалов,применяемых для изготовления картера распределительных шестерен на различных заводах-изготовителях

Марка чугуна	Механические свойства
	при растяжении	при сжатии
	у, МПа	HB	, МПа	у, МПа	д, %	у, МПа	Ш, %	у , МПа
С415	147	163…229	70	60	0,2…0,1	600	40	80
С418	176	170…241	80	70	0,2…1,0	800	35	90
С420	196	170…241	85	90	0,4…0,6	850	30	120
	при кручении	при изгибе	вибрации под нагрузкой
	ф, МПа	ф, МПа	Ш, %	у, МПа	KCU, Дж/см	ш, %
С415	280	70	10…18	-	60	30…32
С418	300	80	20…40	70…90	50	30…33
С420	400	100	10…18	-	40	30

Марганец положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации чугуна или способствует его отбеливанию.

Сера - вредная примесь, снижающая механические и литейные свойства чугуна и повышающая склонность к образованию трещин.

Газосодержание оказывает значительное влияние на свойства серых чугунов. Особенно отрицательно влияют азот и кислород [14].

При выборе оптимальной марки чугуна необходимо исходить из требований, которым должен удовлетворять серый чугун: достаточная механическая прочность, способность противостоять статическим нагрузкам, хорошие литейные свойства, позволяющие получать отливку сложной формы, хорошая обрабатываемость резанием, допускающая механическую обработку на автоматических линиях в массовом производстве, невысокая стоимость чугуна и входящих в него исходных компонентов.

Таблица 1.3

Технологические свойства материалов, применяемых для изготовления картера распределительных шестерен на различных заводах-изготовителях

Марка чугуна	Технологические свойства
	Плотность С,т/м	Коэф. линейного расширения ,1/°С	Теплопроводность л,кал / ()	Жидкотекучесть л,дж/
С415	7,0	10…11	0,11…0,13	586…622
С418	7,2	10…11	0,10…0,12	586…622
С420	7,0…7,2	10…11	0,11…0,13	586…622

Необходимая прочность серого чугуна достигается изменением содержания углерода и кремния. Структура серого чугуна в первую очередь зависит от их суммарного содержания, они способствуют графитизации чугуна. Углерод увеличивает число зародышей графита, образующихся при кристаллизации, а кремний увеличивает скорость роста этих зародышей. Чем меньше содержание углерода, тем меньше графита и выше прочность чугуна. При увеличении содержания углерода увеличивается д_B, HB, E. При увеличении содержания кремния общая твердость чугуна уменьшается [14].

Содержание углерода в сплаве С415 находится в пределах 3,5…3,7%, а кремния- 2,0…2,4%, в С418 этих элементов меньше (С = 3,4…3,6%

и Si = 1.9…2.3%), и еще меньше в С420 (С = 3,3…3,5% и Si = 1,4…2,2%). Однако в сплаве С420 содержание марганца достигает 1% [14].

Долговечность и надежность картера распределительных шестерен зависят от механических свойств, необходимых для сопротивления статическим нагрузкам, а именно: от прочности, пластичности, выносливости и ударной вязкости чугуна.

Прочность свойств чугуна у _в, у _е,ф_в, у _и определяется характером его структуры, которая в свою очередь зависит от химического состава и условий охлаждения чугуна в литейной форме. Прочность серого чугуна определяется, прежде всего, его металлической основой. Такие свойства, как предел прочности у _в, ударная вязкость KCU, длительная прочность (у _-1, у _-1С, ф_1,у_-1И), зависит как от свойств металлической основы, так и от формы, размеров и количества графитных включений [12].

Прочность серого чугуна зависит от вида нагружения: при растяжении имеет наименьшее значение, а при сжатии - наибольшее (у _С = 600…850 МПа для СЧ15, СЧ18, СЧ20), при кручении и изгибе ниже, чем при сжатии, но выше, чем при растяжении.

Но основное значение в прочности имеют либо графит, либо матрица. В сером чугуне графит имеет форму пластинок. Графит играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры. Количество графита зависит от содержания углерода. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита, и тем ниже его механические свойства (у _в <176 МПа у СЧ18).

Твердость - это сопротивление металла проникновению в него другого твердого тела. Твердость чугуна зависит преимущественно от структуры матрицы и, в сравнительно малой степени, от формы, количества и величины выделений графита [12].

Общая твердость чугуна зависит от микротвердости фаз. Минимальная микротвердость у графита (13,0…18,0 НВ), максимальная у цементита (800…1000 НВ).

Прочные свойства чугунов зависят от структуры металлической основы, степени деформации, количества включений графита. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют пределом прочности (у _в); напряжение вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2%, называют пределом текучести (у _т) [12].

Модуль упругости характеризует жесткость чугуна, с увеличением нагрузки он уменьшается. Модуль графита ниже модуля упругости металлической основы, так как образуются дополнительные обратимые деформации полостей, занятых графитом. Таким образом, модуль упругости зависит от количества и формы графита.

Увеличение количества графитных включений с одновременным их уменьшением не влияет на порог хрупкости серого чугуна. KCU зависит от структуры металлической основы и находится в прямой зависимости от пластичности чугуна. Ударная вязкость ферритного чугуна сохраняется при более низких температурах. Она определяет склонность чугуна к хрупкому разрушению.

Конструктивную прочность следует оценивать по пределу выносливости д, который определяет наибольшее напряжение, выдерживающее определенное число циклов изменений без разрушения детали. Предел выносливости характеризует работоспособность чугуна и увеличивается при повышении его статической прочности и пластичности [12].

Предел выносливости очень сильно зависит от состояния поверхности изделия, а так же от размеров и конфигурации отливки. Предел выносливости влияет на долговечность детали.

При вибрационных нагрузках важной характеристикой является циклическая вязкость (демпфирующая способность), которая зависит от амплитуды напряжений и числа циклов. Циклическая вязкость характеризует способность металла гасить эффект колебаний, возникающих в результате неоднократного приложения усилий [18].

Серый чугун обладает высоким значением циклической вязкости. При уменьшении количества графита и при округлой форме циклическая вязкость снижается, так как непосредственно зависит от свойств матрицы [13]. 19

При выборе чугуна для изготовления картера распределительных шестерен, Удовлетворяющего необходимым эксплуатационным требованиям, учитываются так же и технологические свойства. Плотность и тепловые свойства чугуна зависят от его состава и структуры.

Наименьшая плотность у СЧ15, наибольшая - у СЧ20. Это объясняется тем, что у СЧ20 уменьшается содержание углерода и графита. Точно так же на плотность влияет уменьшение толщины отливки. В жидком состоянии плотность для серого чугуна можно принять равной с = 6,7…7,1 г/см³.

Коэффициент линейного расширения (d), теплоемкость (с) и теплопроводимость (л) зависит от состава и структуры чугуна. Но главным влияющим фактором является температура, с повышением которой d и с увеличиваются, а л понижается [13].

Коррозионная стойкость серого чугуна повышается по мере измельчения графита и уменьшения его количества, при однофазной структуры матрицы, а так же при уменьшении кремния, серы, фосфора.

Термостойкость серого чугуна определяется механическими свойствами (Е, у _в, д), теплопроводностью л и коэффициентом расширения d. Чем больше d у _в, д и меньше Е, тем выше термостойкость [13].

Обрабатываемость чугуна резанием определяется его составом и структурой. Обрабатываемость серого чугуна связана с его твердостью обратной зависимостью. Присутствие графита при механической обработке делает стружку ломкой, и давление на инструмент уменьшается. Обрабатываемость оценивается стойкостью инструмента или эквивалентной скоростью резания [13].

Литейные свойства серого чугуна значительно лучше, чем у других сплавов, поэтому количество годных отливок высокое. Литейные свойства характеризуются по жидкотекучести, которая определяется по спиральной пробе, отливаемой в песчаной форме. Жидкотекучесть повышается с увеличением углеродного потенциала и температуры заливки. Чем ниже марка чугуна и выше содержание углерода, тем больше жидкотекучесть. При высоком значении жидкотекучести уменьшается вероятность образования слоев, газовых раковин, усадочной пористости [13].

Учитывая химический состав, механические, технологические и физические свойства чугунов, можно заметить, что СЧ15 содержит большее количество углерода и кремния, следовательно, прочность его меньше, чем у СЧ18 и СЧ20, но жидкотекучесть у СЧ15 выше, чем у двух других сплавов. Кроме того С415 имеет выше пластичность при сжатии Ш = 40% и ударную вязкость.

Однако при более низкой твердости серый ферритный чугун СЧ15 обладает более низкой износостойкостью, чем СЧ18 и СЧ20.

Серые чугуны СЧ18 и СЧ20 имеют одинаковую твердость (170…241НВ), предел прочности при кручении (ф = 300 МПа) и пластичность при вибрации (Ш = 30…33%). Но СЧ18 имеет еще и хороший комплекс механических свойств при высокой пластичности (у = 170 МПа,

у _С = 700 МПа_, ф = 300 МПа), при сжатии (Ш = 35%) и при достаточно высокой усталостной прочности (у _-1 = 70 МПа, у _-1с = 90 МПа, ф_-1 = 80 МПа,

у_-1И = 66МПа). Серые чугуны СЧ18 и СЧ20 имеют одинаковую износостойкость. Серый чугун СЧ20, имея у = 200 МПа и д = 0,4…0,6% более хрупкий, чем СЧ15 и СЧ18, его ударная вязкость KCU = 40дж/см³.демпфирующая способность у СЧ15 и СЧ18 одинаковая и выше, чем у СЧ20.

На основе проведенного сравнительного анализа химического состава, механических и технологических свойств материалов, применяемых для изготовления картера распределительных шестерен, приходим к выводу о том, что чугун С418 наиболее целесообразен для изготовления заданной детали, так как он имеет следующие преимущества по сравнению с другими материалами:

- обладает хорошим комплексом прочности и технологических свойств, обеспечивающих надежность и долговечность детали;

- отливка из этого чугуна способна выдерживать значительные статические нагрузки;

- имеет хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием;

- отливка из этого чугуна не склонна к короблению и трещинообразованию;

- наличие в структуре этого чугуна свободного углерода в виде пластинчатого графита придает ему хорошие эксплуатационные свойства.

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной заготовки и самой детали

Первичная заготовка из чугуна получена путем отливки в песчаную форму. Отливка выбивается из опок, очищается дробью, а затем проводится термическая обработка.

Качество отливки зависит от точного подбора состава С418 (содержание углерода в примеси), условий его плавления и получения отливки. К таким условиям относятся температура заливки, время выдержки и режим охлаждения. Точное выполнение технологического процесса получения отливки позволит получить более мелкий и разобщенный графит [15].

Для увеличения центров кристаллизации, что ведет к размельчению графита, проводится встряхивание жидких отливок или в чугун вводят специальные примеси.

При охлаждении отливки происходит увеличение при кристаллизации и превращении г > d. Это превращение неминуемо ведет к возникновению значительных внутренних напряжений. Кроме структурных напряжений, возникают чисто термические напряжения, связанные с неравномерностью охлаждения поверхности и внутренних слоев [15].

Значительное снижение остаточных напряжений можно получить в результате изменения конструкции и податливости стержней, заливки и выбивки форм. Высока податливость стержня и легкое его удаление обеспечивают свободную усадку отливки в процессе кристаллизации и более равномерное охлаждение отливки после выбивки [14].

Иногда для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна (выдержку на складе в течение 6-10 месяцев). Такая выдержка снижает напряжение на 40…50%.

Наиболее эффективное снижение внутренних напряжений и стабилизации размеров детали может быть получено путем низкотемпературного отжига. Отжиг производится в печах и заключается в нагреве загруженных отливок до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью. Стабилизация размеров достигается за счет резкого снижения остаточных напряжений, имеющихся в отливке. Отжиг применяется не только для стабилизации размеров, но и для повышения прочности отливки за счет снижения имевшихся в них остаточных напряжений. Скорость нагрева выбирается максимально возможной и обычно составляет от 50 до 150^?С в час [13].

Температура отжига назначается максимально допустимой из условия, чтобы после отжига отсутствовало снижение твердости металла, и, как показывает практика, наиболее оптимальным режимом отжига отливок является интервал температур от 500 до 550^?С.

Наиболее интенсивно остаточные напряжения снижаются в первые 30 минут. В частности при температурах 500…550^?С релаксируется порядка 50…60% всех напряжений. При выдержке 2-3 часа напряжения достигают величины, близко к номинальной. Дальнейшее увеличение времени выдержки не обеспечивает существенного снижения остаточных напряжений и приводит к распаду перлитной структуры. В этой связи правильно подобранный режим низкотемпературного отжига обеспечивает наилучшее соотношение прочных и пластических свойств в отливках, а это является необходимым условием высокой эксплуатационной стойкости детали [13].

Охлаждение до 350..200^?С должно производиться медленно, чтобыв отливках не возникли новые остаточные напряжения. Обычно скорость охлаждения в этом интервале температур составляет 30^?С в час. Ниже 200^?С охлаждение может быть любым, но исключающим возможность разрушения отливок от временных температурных напряжений [13].

На рисунке 1.1 показан график отжига катрера распределительных шестерен из чугуна СЧ18.

Рисунок 1.1 - График отжига заготовки картера распределительных шестерен из серого чугуна СЧ18

Структурное превращение в сером чугуне СЧ18 при отжиге:

Нагр. Охлажд. Охлажд.

П+Ф+Г П+Ф+Г П+Ф+Г П+Ф+Г

500-550?С до 200°С воздух

Рисунок 1.2 - Схема микроструктуры СЧ18 после отжига

В любой отливке процесс затвердевания и последующего охлаждения возникают те или иные напряжения, которые классифицируются как механические, температурные, фазовые и другие. Причем некоторые из этих напряжений являются причиной образования горячих и холодных трещин и исправлений отливок.

Дефекты, полученные при общепринятой технологии в результате литья заготовки и её термической обработки, можно разделить на скрытые и обнаруживаемые в результате визуального осмотра. В результате литья заготовки могут образовываться пористость, рыхлость, как на поверхности заготовки, так и внутри неё [19].

Наружную пористость модно исправить с помощью заварки и пайки без ухудшения качества основного металла. Для исправления брака используют дуговую сварку чугуна до его графитизирующего отжига. В этом случае всю отливку или место заварки подогревают до температуры 300…400^?С. В качестве присадочного материала применяют пруток из белого чугуна или электроды из низкоуглеродистой стали с тонкой обмазкой. Одним из перспективных способов восстановления и исправления дефектов мест отливок следует считать пайку чугуна. Основная трудность пайки чугуна - наличие в его структуре углерода, затрудняющего смачивание поверхности основного металла расплавленным припоем. Графит удаляют или пескоструйной обработкой или электрохимической обработкой в соляной ванне при температуре 450…510^?С [19].

Наружную пористость можно исправить путем пропитки специальными смолами. Для пропитки применяются смолы из композиции, затвердевающие в порах полимеризации или реагирующие с металлом и прочно соединяющиеся с ним. Материал для пропитки должен противостоять вибрации и деформации, обладать термостойкостью и достаточной прочностью при повышенных температурах.

Дефекты структурного состояния чугуна заготовки могут наступить в результате нарушения режимов термической обработки. Такой брак можно исправить только повторной термообработкой.

В процессе отжига отливки из чугуна деформируются. Путем холодной или горячей правки отливок возвращают первоначальную форму. Правку осуществляют в штампах на гидравлических или фрикционных прессах. Считается, что для выравнивания отливки необходима нагрузка, при которой образуется остаточная деформация в чугуне. При холодной правке в отливках возникает местный наклеп, который снижает ударное сопротивление материала. Восстановление ударной вязкости материала проводят путем последующего отжига при температуре 550…600^?С [19].

1.4 Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения термической обработки отливки и детали

Картер распределительных шестерен термически обрабатывается с целью снятия внутренних напряжений после литья в песчаную форму. В связи с этим в термическом цехе используется среднетемпературная печь толкательного типа для отжига СТ3-6.48.4/7. Это электропечь сопротивления непрерывного действия с максимальной температурой при нагреве 750^?С.

Деталь не нуждается в дальнейшей термической обработке так, как она корпусная деталь и не нуждается в упрочнении.

Картеры загружаются на поддоны, которые передвигаются внутри печи посредством толкателя, действующего от электродвигателя гидравлического пневматического механизма. Толкатели печей приводятся в действие кнопочным управлением у загрузочного конца печи через определенный интервал времени, который рассчитывается из общего времени пребывания деталей в печи [20].

Температуру свыше 500^?С в печах измеряют термоэлектрическим способом. Этот способ основан на явлении возникновения электродвижущей силы в месте соединения двух проводников из различных металлов и сплавов, составляющих термопару. Величина электродвижущей силы зависит от материала термоэлектродов, от температуры горячего и холодного спаев термопары - свободных концов термопары, которые присоединяются к милливольтмеру. Термопара и милливольтметр составляют прибор называемый пирометром. В печи для отжига термопара хромель - копелевая ТХК-040Е (до 600^?С) [20].

Для загрузки и выгрузки печей и для перемещения обрабатываемых деталей по технологическому циклу в термических печах применяются различные подъемно-транспортные средства: ручные и электрические тали и поворотные консольные краны. Для определения состава газов и продуктов сгорания топлива в печах современных термических цехов применяются приборы, называемые газоанализаторами.

Обеспечение высокого качества отливок требует строгой системы контроля как исходных материалов и всего технологического процесса, так и получаемых отливок. Существуют косвенные методы определения механических свойств и микроструктуры, основанные на ультразвуковых и электромагнитных колебаниях.

Контроль качества термически обработанных деталей осуществляется как вовремя изготовления детали, так и после окончания всех операций. Контролируется качество структур, твердость поверхности и сердцевины детали, механические свойства по образцам или по выборочным деталям. Твердость определяется сопротивлением испытуемого материала вдавливанию в него твердого металлического или алмазного наконечника. Твердость определяется приборам типа ТШ и ТК, а так же переносным прибором типа ТКП-1, который предназначен для измерения твердости различных деталей метолом вдавливании алмазного конуса или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм. Контроль качества отливок проводят методом макроанализа (анализ структуры излома невооруженным глазом: трещины, газовые пузыри, ликвация, и тому подобное) или микроанализа (анализ структуры с помощью оптического или электронного микроскопа) [21].

технология термический резание деталь картер

2. Разработка технологического процесса изготовления отливки в разовой форме для деталей машин лесного комплекса

Сложные и фасонные заготовки можно получить путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки. При охлаждении металл затвердевает и образует отливку.

2.1 Чертеж детали

Конструкция и размеры деталей показаны на чертеже 1. Заданная деталь маховик автомобиля ГАЗ-53А представляет собой плоскую цилиндрическую деталь со ступенчатым центральным отверстием и боковой торцевой выточкой.

Обрабатываемые поверхности указаны на чертеже знаком обработки V. О том, что остальные не обрабатываются, указывает знак V (V) в правом верхнем углу чертежа 1.

2.2 Разработка чертежа отливки

Основой для разработки чертежа отливки является чертеж детали. Разработку необходимо начинать с анализа технологичности отливки, требований к наиболее ответственным её частям.

2.2.1 Выбор плоскости разъема отливки

Технологичность получения отливки определяется правильностью выбора плоскости разъема модели формы. Разъем литейной формы целесообразно совмещать с разъемом модели. При это следует учесть удобство формовки и извлечения модели из формы. Наиболее ответственные поверхности отливки целесообразно располагать в нижней части формы или вертикально, так как в верхней части формы скапливаются газы, неметаллические включения, что способствует снижению качества отливки - появлению газовых раковин, шлаковых включений. Исходя их конструкции детали, отливку следует располагать в одной нижней опоке. На чертеже отливки разъем будущей модели показывают отрезком штрихпунктирной линией, заканчивающейся знаком ХХ, а направление разъема - сплошной основной линией со стрелками, положение отливки в форме при заливке буквами В(верх) и Н (низ).

2.2.2 Определение припусков на механическую обработку

Припуски - дополнительный слой металла (на сторону), который удаляют в процессе механической обработки отливки, чтобы обеспечить точность и высокое качество поверхности детали. Припуски на механическую обработку назначаются с учетом коробления отливки, а также неточности её изготовления.

Величина припусков для отливок из серого чугуна составляет для заданной детали от 3,5 до 4,5 мм. Припуски выбираются для ІІ класса точности отливок и зависят от габаритного размера и положения обрабатываемой поверхности при заливке горячим металлом. Припуски указаны на чертеже 2 тонкими линиями.

2.2.3 Определение минимальной допустимой толщины стенки отливки

Для получения качественной отливки необходимо, чтобы жидкий металл имел хорошую способность заполнения форм. Для этого минимальная конструктивная толщина стенки отливки должна быть больше или равна минимальной допустимой толщины стенки отливки, которая при литье в песочную форму зависит от заливаемого металла или параметра N,учитывающего габаритные размеры отливки. Параметр N,м, по формуле (2.1), проведем расчет величины N:

, (2.1)

Где l - наибольший габаритный размер отливки, l = 0,355 м;

b и h - соответственно ширина и высота отливки,b = 0,355м, h = 0,042 м.

Зная параметр N = 0,369м, по таблице 4.4 [22] определяем минимальная допустимая толщина стенки отливки из чугуна - = 4 мм; по чертежу 2 определяется минимальная конструктивная величина толщины стенки отливки - = 7,5 мм. Наполняемость формы в этом случает будет допустимая.

2.2.4 Определение радиусов галтелей и закруглений модели

Сопряжение стенок отливки, так же как и модели, должны быть плавными, т.е. скругленными. Скругления внутренних углов называют галтелями, наружных - закруглениями. Галтели и закругления облегчают удаление модули из формы, уменьшают возможность появления трещин и усадочных раковин в отливках.

Величину радиуса галтели (закругления) по формуле(2.2), проведем расчет величины R:

(2.2)

Где и - толщина сопрягаемых стенок отливки, мм

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем;

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем ;

, принимаем .

2.2.5 Определение формовочных уклонов

Формовочные уклоны назначают в тех случаях, когда деталь не имеет

конструктивных уклонов, обеспечивающих свободное извлечение модели из формы. Величина минимальных уклонов моделей и стержневых ящиков зависит от высоты поверхности и определяется по таблице 4.5 [2.2].

Для наружной поверхности в = 3° при L = 14,4 мм, 15 мм,7,5 мм и для внутренней поверхности в = 3? при L = 15 мм, 10 мм, 9 мм.

2.3 Разработка чертежа стержня

Стержень-приспособление, изготовленное из стержневой смеси и служит для получения отверстий и внутренней полости в отливке. Размеры стержня определяются по размерам внутренней полости отливки с учетом величины линейной усадки заливаемого металла. Величина линейной усадки для чугуна от 0,8 до 1,2%,принимаем 1%.

К основным элементам конструкции литейного стержня относятся стержневые знаки, которые служат для установки стержня форме, обеспечивают его устойчивость и точную фиксацию положения в форме. Высота нижнего стержневого знака 30мм, верхнего - 20 мм.

Формы знаковых частей стержня, их размеры назначаются с учетом размера стержня и его положения в форме по ГОСТ 3606-80. Формовочные уклоны на знаковых частях стержня принимают в пределах от 6 до 10°.

Конструкция и размеры стержня указаны на чертеже 3.

2.4 Разработка чертежа модели

Модель - это приспособление, с помощью которой получают полость в форме с размерами, близкими к размерам отливки.

При разработке чертежа модели за основу принимают форму и размеры отливки и увеличивают на величину литейной усадки. Модель имеет стержневые знаки, которые служат для получения в формовочной смеси полости, в которые укладываются и центрируются стержни.

Конструкция и размеры модели показана на чертеже 4. Величина литейной усадки d = 1%.

2.5 Разработка чертежа литейной формы в сборе

Для разработки литейной формы необходимо определить место расположения модели, литниковой системы и допустимые расстояния между элементами. Указанные размеры зависят от массы отливки.

2.5.1 Определение массы отливки

Масса отливки определяется по формуле (2.3), проведем расчет величины Q:

, (2.3)

Где - плотность металла, для чугуна = 7150 кг/м

V - объем отливки, мм.

2.5.2 Определение размеров опок

Прежде чем выбрать размеры опок, следует определить место расположения литниковой системы и по таблице принять расстояния между элементами модели, литниковой системы и стенками опок. Полученные размеры опок округляют и из таблицы 4.9 выбирают внутренние размеры опок.