Технологический процесс термической обработки впускного клапана газораспределительного механизма

СОДЕРЖАНИЕ
1 Исходные данные для выполнения курсовой работы
2.2 Выбор типа производства
2.2 Выбор материала для изготовления детали
     2.2.1удовлетворение эксплуатационным требованиям
     2.2.2технологические требования
     2.2.3экономические требования
2.3 Обоснование способа получения заготовки
2.4 Разработка технологического маршрута изготовлениядетали
2.6 Разработка технологического процесса термическойобработки
     2.6.1полный отжиг
     2.6.2цементация
     2.6.3закалка
     2.6.4 низкийотпуск
3 Составление операционной карты
4 Список используемой литературы

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯКУРСОВОЙ РАБОТЫ
Исходными данными для выполненияработы являются: чертёж детали и технические условия на её изготовление. Марка материала, указанная на чертеже, рассматриваетсякак условно-рекомендательная.
В данной курсовой работе используется материал 18ХГ2, где
18- 0,18% углерода
Х- 1% хрома
Г2- 2% марганца

2.1 Выбортипа производства.
Вмашиностроении различают три типа производства:единичное, серийное и массовое.
В единичном производстве выпускаютизделии широкой номенклатуры в небольших количествах или индивидуально.Изготовление однотипных деталей либо совсем не повторяется, либо повторяется через определённые промежутки времени. Приизготовлении деталей, как правило, используетсяуниверсальное оборудование.
В серийном производстве изготавливаютпартии деталей, регулярно повторяющиесячерез определенные промежутки времени. В зависимости от размера партийразличают мелко- средне- и крупносерийное производство. В производствеиспользуют специализированное оборудование.
Длямассового производства характерно изготовление большого количества однотипныхдеталей на конвейерах с узкоспециализированным оборудованием.
В данном случае за основу берётся серийный тип производства.

2.2. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯДЕТАЛИ
В данной части работы описываются условияработы детали при эксплуатации, выявляютсяосновные факторы внешней среды, с которой контактирует деталь (температура,воздушная или газовая среда, условиясмазки и т.д.) характер действующих нагрузок и качественная их оценка
Выбранный материал должен удовлетворять эксплуатационным и экономическим требованиям.
2.2.1УДОВЛЕТВОРЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ТРЕБОВАНИЯМ
Выбранный материал должен обеспечиватьдлительную, эффективную работу детали в эксплуатационных условиях, то есть должен обеспечивать необходимуюконструкционную прочность, выявленнуюрасчетами инженера конструктора. Он должен противостоятьвоздействию внешней окружающей среды (воздуха, воды, масла, кислоты, тепловымвоздействиям и т.п.). Все это вместеопределяет комплекс необходимыхфизико-механических свойств, которыми должен обладать материал, назначаемый для изготовленияконкретной детали, т.е. предел прочности, предел текучести, показателипластичности δ, Ψ, коэффициент ударной вязкости,предел выносливости, величина работы распространениятрещин, контактная усталостная прочность, сопротивленияизносу, высоким и низким температурам и т.д.
2.2.2ТЕХНАЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
С этой точки зрения материал должен удовлетворятьтребованиям максимальнойтрудоёмкости изготовления детали. Впервую очередь он должен обладать хорошей обрабатываемостью режущиминструментом, различными методами обработки давлением. В ряде случаев дляулучшения обрабатываемости приходится назначать предварительную термическую обработкузаготовок (типа отжига). Выбранный материал должен иметь хорошую свариваемость,что обеспечит получение конструктивно прочной детали или узла при наименьшихзатратах.
2.2.3ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Материал должен обеспечить изготовлениенаиболее дешёвой конструкции, способной эффективно и длительно работать вразличных эксплутационных условиях.В первую очередь нужно стремиться киспользованию менее дорогой стали – углеродистой или низколегированной.Применение легированной стали может быть технически и экономическицелесообразным и оправданным в том случае, если она даёт экономический эффектза счёт повышения долговечностидеталей, уменьшения массыконструкции, уменьшения расходазапасных частей и, таким образом, экономии металла.

2.3 ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ
В машиностроении и ремонтном производстве применяютсяследующие виды заготовок: отливки, поковки и штамповки, а также комбинированные(штампосварные, литые в сочетании со сваркой) и заготовки из сортового проката.
При выборе способа изготовлениязаготовки необходимо учитывать её материал, размеры, конструктивные формы,размеры и условия нагружения детали, а также тип производства, для которого разрабатываетсятехпроцесс.
Выбранный метод должен быть экономическицелесообразным.
Одним из производительных способов получения заготовок являетсяштамповка на горизонтально-ковочных машинах (ГКМ).Штамповкой называют процесс полученияпоковок, при котором формообразующую полость штампа, называемую ручьем,принудительно заполняют металломисходной заготовки и перераспределяютего в соответствии с заданной чертежом конфигурацией.
 Производительность до 400 поковок в час.Штамповкой на ГКМ получают поковки массой 0,1 — 100 кг с максимальным диаметром315 мм. Кроме ГКМ в качестве оборудованиядля штамповки применяют молоты и прессы.
Допуски и припуски на поковки регламентируются ГОСТ 7505-89.
На ГКМ изготавливаютсяследующие поковки: зубчатые колеса, шестерни, конические шестерни с валом;цилиндрические шестерни с валом, кольца, втулки, шестерни с фланцем и т. д.
В том случае, когда поковку невозможно технологическивыполнять на ГКМ, необходимопроектировать штамповку на кривошипных прессах. На прессах штампуют деталивесом до 200 кг типа плоских поковок, шестерен, крестовин, ступенчатых валов,валов-шестерен, поворотных кулаков, рычагов, шатунов, коленчатых валов и т.д.
Штамповка на кривошипных прессах в 2—3 разапроизводительнее, а припуски и допуски на 20-35% ниже по сравнению соштамповкой на молотах, расход металла поковки снижаетсяна 10 —15%. Допуски и припуски заготовок, штампуемых на кривошипных прессах,принимают по ГОСТ 7505-95.
Применение объемной штамповки оправдано при серийном имассовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получатьочень сложные по форме изделия,которые невозможно получить приемами свободной ковки
Технологический процесс горячей объемной штамповки
 
Технологический процесс изготовления поковки включает следующие операции: отрезкапроката на мерные заготовки, нагрев, штамповка, обрезка облоя и пробивка пленок, правка, термическая обработка, очистка поковок от окалины, калибровка,контроль готовых поковок.
Перед штамповкой заготовки должны быть нагретыравномерно по всему объему до заданной температуры. При нагреве должны бытьминимальными окалинообразование (окисление) и обезуглероживание поверхностизаготовки.
Используютсяэлектроконтактные установки, в которых заготовка, зажатаямедными контактами, нагревается припропускании по ней тока; индукционные установки, в которых заготовка нагревается вихревыми токами; газовые печи, с безокислительнымнагревом заготовок в защитной атмосфере.
Штамповку осуществляютв открытых и закрытых штампах. В открытых штампах получают поковки удлиненной иосесимметричной формы. В закрытых штампах – преимущественно осесимметричныепоковки, в том числе из малопластичных материалов. Поковки простой формыштампуют в штампах с одной полостью. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине, с изогнутой осью и т.п.штампуют в многоручьевых штампах.
После штамповки в открытых штампах производят обрезание облояи пробивку пленок в специальных штампах, устанавливаемых на кривошипных прессах(рис..1).

Рис. 1 Схемы обрезанияоблоя (а) и пробивки пленок (б)
 
Правку штампованных поковок выполняют дляустранения искривления осей и искаженияпоперечных сечений, возникающих при затрудненном извлечении поковок из штампа,после обрезания облоя, после термической обработки. Крупные поковки ипоковки из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей правят в горячемсостоянии либо в чистовом ручьештампа сразу после обрезания облоя, либо на обрезном прессе (обрезной штампсовмещается с правочным штампом),либо на отдельной машине. Мелкие поковки правятна винтовых прессах в холодном состояниипосле термической обработки.
Термическую обработку применяютдля получениятребуемых механических свойств поковок и облегченияих обработки резанием. Отжиг снимает в поковках из высокоуглеродистых и легированныхсталей остаточные напряжения, измельчает зерно, снижает твердость, повышаетпластичность и вязкость.Нормализацию применяют для устранениякрупнозернистой структуры в поковках из сталей с содержанием углерода до 0,4%.
Очистку поковок от окалины производят дляоблегчения контроля поверхности поковок, уменьшения износа металлорежущего инструмента и правильнойустановки заготовки на металлорежущих станках. На дробеструйных установкахокалину с пковок, перемещающихся поленте конвейера, сбивают потоком быстро летящейдроби диаметром 1…2 мм. В галтовочных барабанах окалина удаляетсяблагодаря ударам поковок друг одруга и о металлические звездочки, закладываемые во вращающийся барабан.
Калибровка поковок повышает точность размеров всейпоковки или отдельных ее участков. В результате этого последующая механическаяобработка устраняется полностью или ограничиваетсятолько шлифованием. Различают плоскостную и объемную калибровку. Плоскостная калибровка служит дляполучения точных вертикальныхразмеров на одном или нескольких участках поковки. Объемной калибровкойповышают точность размеров поковки в разных направленияхи улучшают качество ее поверхности. Калибруют в штампах с ручьями, соответствующими конфигурации поковки.
 

№
Операция
Цех (участок)
Оборудование
Инструменты
1
Получение заготовки
Заготовительный
Гильотина, пилы, пресса, вулканиты
Пилы, ножи
2
Получение поковки
Кузнечный
Печи, пресса, штампы
Штампы, мерительный инструмент, кран-балки, конвеиры
3
Предварительная термическая обработка (полный отжиг)
Кузнечный
Печи, подъёмники, клещи
Клещи, твердомеры
4
Механическая обработка (черновая)
Механический цех
Токарные, фрезерные, строгальные, долбёжные станки
Фрезы, свёрла, резцы, зенкеры,
5
Упрочняющая термическая обработка
Термический
Печи, установки, подъёмники
Твердомеры, микроскопы
6
Механическая обработка (чистовая)
Механический
Шлифовальные станки, доводочные механизмы, полировальные машины, установки для суперфиниширования
Микрометры, штангенциркуль, оптиметры, миллиметры, длинномеры, калибры
7
Инструментальный полный контроль по всем параметрам
Центрально заводская лаборатория
Шлифовальные станки, доводочные механизмы, полировальные машины, установки для суперфиниширования
Микрометры, штангенциркуль, оптиметры, миллиметры, длинномеры, калибры
2.4РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ.
  В объёмепредлагаемой курсовой работы предлагаетсятехнологический маршрут изготовлениядетали представить в виде движениядетали по отдельным цехам или участкам согласно технологическим операциям.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙМАРШРУ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ
2.6РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.
2.6.1Полный отжиг.
Основные цели полного отжига — устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке (лить, горячей деформации или сварке), смягчение стали перед обработкой резанием и уменьшениенапряжений, дляпридания стали определенныххарактеристик. В целом отжиг рода проводятдля приближениясистемы к равновесию.

При полномотжиге доэвтектоидная сталь посленагрева выше критической точки АC3 на 30 – 50 ºC(рис.3) медленно охлаждается вместе спечью. Охлаждение при отжиге проводятс такой малой скоростью (порядканесколько градусов в минуту), чтобы аустенит распадалсяпри небольшой степени переохлаждения.Так как превращение аустенита при отжиге полностью завершается при температурах значительно выше изгиба С-кривых,то отжигаемые изделия можно выдаватьиз печи на спокойный воздух при температурах 500 – 600 ºC, еслине опасны термические напряжения.

Рис. 3. Участокдиаграммы Fe-Fe3Ccнанесенныминтервалом
температур термическойобработки:І – полный отжиг;ІІ – нормализация.
Полный отжигпроводят дляснижения твердости, повышения пластичности и полученияоднородной мелкозернистой структуры.
Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температур на30-50 С выше температуры Ас 3 (чрезмерное повышение температуры вышеэтой точки приведет к росту зерна аустенита, что вызовет ухудшение свойствстали), выдержке для полногопрогрева и завершения фазовыхпревращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Для заэвтектоидных сталей такой отжиг с нагревом вышеАcm не пойдет потому что при медленном охлаждении после такого нагреваобразуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. Длядоэвтектоидных сталей время нагреваи продолжительность обработки зависяттипа печи, способа укладки, типа отжигаемого материала (лист, прокат,… ).Наиболее распространенная скоростьнагрева составляет ~ 100 C / ч, апродолжительность выдержки — от 0.5 до 1 часа на тонну изделия. Медленное охлаждение обусловлено необходимостью избежатьобразования слишком дисперснойферритно — цементитной структуры и следовательно более высокой твердости.Скорость охлаждения зависит отустойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно, от состава стали. Еерегулируют, проводя охлаждение печис закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключеннымобогревом.
При полном отжиге происходит полная фазоваяперекристаллизация стали. Принагреве выше точки Ас 3 образуетсяаустенит, характеризующийся мелкимзерном, который при охлаждении дает мелкозернистую структуру, обеспечивающуювысокую вязкость, пластичность иполучение высоких свойств после окончательной обработки.
Структура доэвтектоидной стали послеполного отжига состоит из избыточного феррита и перлита.
Существует отжиг противоположный по целям обычному отжигу. Это отжиг на крупное зерно снагревом до 950-1100 оС, который применяютдля улучшенияобработки резанием мягкихнизкоуглеродистых сталей.
 
2.6.2Цементация.
Цементация- процесс насыщения поверхностногослоя стали углеродом с целью повышения прочности, твёрдости и износостойкостиповерхностного слоя.
За глубину цементованного слоя принимают расстояниеот поверхности до переходной зоны.
Различают следующие виды цементации:цементация с применением твёрдого карбюризатора;газовая цементация с применением жидкого или газового карбюризатора.
Наиболее перспективным является газоваяцементация. По сравнению сцементацией в твёрдом карбюризаторе она имеет следующие преимущества:значительно сокращается длительностьпроцесса благодаря быстрому нагревудетали; возрастает пропускнаяспособность оборудования, что ведётк повышению производительности труда; улучшаютсяусловия труда; появляется возможность автоматизации процесса.
    Газовая цементацияможет проводиться с применениемжидкого и газового карбюризатора. В качестве жидкого карбюризатора, какправило, применяется синтин, а в качестве газового — эндогаз.
Синтин получают из окиси углерода иводорода, образующихся припереработке твёрдого топлива. Синтин — это бесцветнаяжидкость, содержащая 90% парафиновыхпредельных углеводородов. Скорость цементации при применении синтина повышается на 20% и на 50% понижаетсявыделение сажи и кокса.
В шахтных печах жидкий карбюризаторподаётся каплями,а имеющийся вентилятор создаёт движение газового потока, и цементация протекает равномерно. Дляуменьшения сажеобразования карбюризатор подают топливным насосом черезфорсунки в распылённом состоянии.Оптимальный расход синтина составляет0,8л газа на 1см2. Состав образующегосягаза: СО 20...28%, Н2 55...75%, СН4 2...5%. Режим подачисинтина при насыщении определяютопытным путём.
Длялегированных сталей температура цементации применяется выше точки Ас3, когда устойчив аустенит, способныйрастворить в больших количествах углерод.
При использовании жидкого карбюризатораэффективно применять комбинированныйцикл насыщения для полученияна поверхности цементованного слоясодержания углерода в пределах0,8...1%. После цементации структура цементованного слояприведена на рисунке 11.

Рис.11 Структура цементованного слоя
Расчёт времени нагрева и выдержки прицементации.
Глубина упрочняемогослоя 1,2…1,4мм
Скорость насыщения1мм/час
Цементацию проводятв газе, получаемом при разложении синтина, при температуре 900°С. Для полученияслоя глубиной 1,2...1,4 мм время выдержкидолжно составлять 5 часов:

Охлаждение после цементации проводим навоздухе.
2.6.3Закалка
Закалкой называетсяпроцесс термической обработки металлов, состоящийв их нагреве и быстром (иногда постепенном) охлаждении. Закалка применяется для повышениятвердости, прочности и износоустойчивости. У некоторых металлов в процессезакалки повышается пластичность.Условия закалки для различных металлов, а порой и различных изделий изодного и того же металла отличаются.Особое значение это имеет длязакалки инструментов, поскольку они подвергаютсяразличной нагрузке.
Технологиязакалки следующая: изделие нагреваютдо определенной температуры (длястали 18ХГ2 температура равна 900оС) и некоторое время выдерживают. За этот период изделие равномернопрогревается. Далее следуетохлаждение. Охлаждают изделие в воде, при необходимости к ней добавляют поваренную соль, котораяповышает эффективность закалки.
Температура воды длязакалки должна быть на уровне 27-28°. В холодной воде металл делается ломким. Чем теплее вода, тем менее эффективназакалка (металл остается мягким).
Очень важно, чтобы во время охлаждениятемпература воды или раствора оставалась почти неизменной. Контролировать этонепросто. Емкость для охлаждения должна быть такой, чтобы масса помещающейся в ней воды была в 30-50 раз больше массызакаливаемого изделия. Тогда скачкитемпературы воды от погруженияраскаленного металла будут менее значительны. Чтобы охлаждение изделия происходило быстрее, можно перемещать его вемкости в различных направлениях.
Наиболее часто закалке подвергаются стальные изделия.Так, конструкционные стали обычно нагревают до 880-900 ° (цвет каления светло-красный). Особо твердые инструментыроссийская промышленность выпускаетиз специальных конструкционных сталей (маркировка «А») с содержаниемуглерода 0,25-0,7%. Эти стали обладают достаточно высокой прочностью, накоторую эффективно воздействует закалка.
Конструкционные углеродистые стали используются в основном в изделиях,для которых особая прочность не требуется.Закалка мало способна повлиять наизменение твердости этой стали. Эффективна закалка и дляизделий, выполненных из углеродистой инструментальной стали. Эти стали содержат0,7-1,5% углерода и отличаютсявысокой прочностью. Производить закалку инструментальной стали лучше притемпературе 750-760° (цвет калениятемно-вишнево-красный). Длянержавеющей стали эта температура составит 1050-1100° (цвет темно-желтый), чтообусловлено присутствием в ней более тугоплавких никеляи хрома.
Нагревают заготовки вначале медленно (до500°), а затем быстро. Это необходимо длятого, чтобы в металле не возникало внутреннее напряжение,зачастую приводящее к появлению трещин.
Дляохлаждения стали после закалкипомимо раствора поваренной соли можно использовать растительное или машинноемасло. Чаще всего в масле охлаждают конструкционные и инструментальные стали.Детали сложной формы сначала охлаждают в воде (до 300-400°), а затем до полногоостывания оставляют в масле. Еще один фактор, говорящий в пользу масла — в масле поверхность стальногоизделия покрывается плотной коричневой или черной пленкой оксидов,надежно предохраняя ее от коррозии.
В среднем времяпребывания заготовки в охладителерассчитывается, исходя из соотношения:одна секунда на 5-6 мм сеченияизделия. Дляболее интенсивного охлажденияизделие, погруженное в охладитель, надо постоянноперемещать во всех направлениях.
2.6.4Низкий отпуск.
Низкий отпуск — это операция термической обработки, заключающаяся внагреве закалённой стали до температуры не выше температуры в точке Ас1,выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Низкий отпуск проводят для снятиявнутренних напряжений, возникающихпри закалке и обработки холодом. Низкий отпуск данной стали проводят с нагревом до температуры 250°С.
Расчёт времени нагрева и выдержки принизком отпуске.
Принизком отпуске в структуре стали в основном остается мартенсит, который, однако, изменяетсярешетку. Кроме того, начинаетсявыделение карбидов железа из твердого раствора углерода в a-железе и начальное скопление их небольшимигруппами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличениепластических и вязких свойств стали,в деталях. Длянизкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно вмасляных или соляных ваннах. Если длянизкого отпуска детали нагревают на
воздухе,то для контролятемпературы часто пользуются цветамипобежалости, появляющимисяна поверхности детали. Появлениеэтих цветов связано с интерференциейбелого света в пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при еенагреве. В интервале температур от 220 до 330°в зависимости от толщиныпленки цвет изменяется от светло-желтого до серого (табл.). Низкий отпускприменяетсядля режущего, измерительногоинструмента и зубчатых колес.
Таблица
Цвет побежалости
Температура, °С
Светло-желтый
Соломенно-желтый