Расчёт фонда времени работы оборудования

Хром в штамповых сталях может изменяться в очень широких пределах: от 0,5 до 13% и выше. В зависимости от содержания хрома и углерода в сталях могут образовываться наряду с легированным хромом цементитом специальные карбиды Me7C3 и Me23С6. Входя в состав специальных карбидов, хром может существенно снижать температуру их растворения и, следовательно, увеличивать легированность твердого раствора. Увеличение содержания хрома и других легирующих элементов благоприятно влияет на прокаливаемость, а после закалки – на склонность к дисперсионному твердению и теплостойкость. Хром – наиболее дешевый и распространенный элемент. Он повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость.

Никель – придает стали коррозионную стойкость, прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость. Кроме того, никель способствует разупрочнению сталей при нагреве и снижает сопротивление термической усталости. В связи с этим содержание никеля в штамповых сталях повышенной прокаливаемости для горячего деформирования ограничивается 1,5– 2,0%.

Молибден – увеличивает красностойкость, упругость, временное сопротивление разрыву, предел текучести, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.  Молибденовые, и особенно хромомолибденовые, стали при повышенных температурах имеют значительное преимущество по сравнению с нелегированной сталью. Это определяет целесообразность использования молибдена в качестве элемента для легирования сталей, работающих при повышенных температурах [10].

Исходя из данных таблицы 3, можно сделать следующие выводы:

В составе марки стали 5ХНВ присутствует легирующий элемент – вольфрам, один из дорогостоящих легирующих элементов. Сталь 5ХНМ имеет необходимую твердость после отпуска HRC = 45. После отпуска при одинаковых температурах хромоникельмолибденовые стали характеризуются более высокими показателями прочности, чем хромистые, никелевые и молибденовые. Однако первые стали уступают вторым в отношении вязкости и пластичности. Хромоникельмолибденовые стали имеют несомненные преимущества  работы при ударных нагрузках по сравнению с марками стали 5ХГМ и 5ХНВ. Из приведенных данных видно, что сталь марки 5ХНМ обладает более высоким температурным запасом вязкости, чем другие стали, а следовательно, меньшей склонностью к хрупкому разрушению. Сталь 5ХНМ совершенно не склонна к отпускной хрупкости. Молибден содержащийся в этой стали имеет такое же влияние как и вольфрам, но более дешевый. Это лишний раз доказывает что целесообразнее использовать именно эту марку стали. Стали 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ, применяемые для изготовления прокатных валков, содержат одинаковое количество (0,5–0,6%) углерода и легированы хромом. Такое содержание углерода позволяет получить достаточно высокую ударную вязкость, а хром повышает прочность и увеличивает прокаливаемость. Никель вводят в стали с целью повышения вязкости и улучшения прокаливаемости. Вольфрам и молибден повышают твердость и теплостойкость, уменьшают отпускную хрупкость, измельчают зерно и уменьшают склонность стали к перегреву. Марганец, как более дешевый легирующий элемент, является заменителем никеля. Все три стали удовлетворяют всем требованиям для изготовления прокатных валков, имеют схожие механические свойства. [12]

 Исходя из вышеперечисленного, можно сделать вывод, целесообразнее  использовать именно сталь марки 5ХНМ, соответствует техническим  требованиям на деталь. Также в ее состав входят недорогие легирующие элементы, что является еще одним положительным фактором для выбора именно этой марки, что более выгодно для производства.

 

 

 

4. Обоснование выбора технологии термической обработки

изделия

 

1. Маршрутная технология изготовления трехзаходного валка для прокатки шара диаметром 30 мм

 

Для того чтобы разработать технологический процесс окончательной термической обработки деталей, необходимо сначала определить маршрутную технологию, которая отражается в технологических картах. Детали изготавливают по технологии, представленной на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Схема маршрутной технологии детали

1. Изготовление заготовок. Ковкой получают поковки для последующей механической обработки. Ковка применяется в индивидуальном и мелкосерийной производстве и разделяется на ручную и машинную.
2. Контроль ОТК. На данном этапе производят контроль заготовок, которые должны пройти  внешний осмотр. Заготовки не должны иметь никаких дефектов, трещин и т.п.
3. Механическая обработка. Заключается в обтачке и шлифовке, приданию надлежащего вида изделию. Обработка происходит в ремонтно - механическом цехе.
4. Окончательная термическая обработка. Заключается в полной закалке и среднем отпуске. Именно после такой термической обработки технические требования на деталь полностью удовлетворены.
5. Приемка ОТК. Отдел технического контроля осуществляет приёмку готовых изделий по всем параметрам, предусмотренных чертежом и техническими условиями на термообработку, включая визуальную проверку наружных дефектов, измерении твердости, определении ударной вязкости.

 

2. Выбор технологии термической обработки валка для прокатки шара диаметром 30мм

 

При выборе оптимального варианта термической обработки значительное внимание уделяется процессам нагрева обрабатываемых деталей до необходимой температуры.

Температура ковки : начала 1240оС, конца 750оС. Охлаждение заготовок стали 5ХНМ с сечением до 100 мм, происходит на воздухе, с сечением 101– 350 мм в яме.

Цель окончательной термической обработки – получение в готовом инструменте оптимального сочетания основных свойств: твердости, прочности, износостойкости, вязкости и теплостойкости. Наиболее распространенный технологический процесс окончательной термической обработки прокатных валков для горячего деформирования состоит из закалки и отпуска. Режимы закалки и отпуска не универсальны, а их следует назначать дифференцированно в соответствии с условиями работы инструмента.

В частности, при повышении температуры нагрева под закалку возрастает теплостойкость и прокаливаемость штамповых сталей, но из-за укрупнения зерна снижается их вязкость. Для валка из стали марки 5ХНМ применяется окончательная термическая обработка.

 Полная закалка, состоящая из нагрева выше температуры А3 на 50°С, выдержке при этой температуре и охлаждении в масле. Средний отпуск tн=400°С, медленное охлаждение на воздухе. График термической обработки представлен на рисунке 2.

 

Т,ºС tn=850 A3=780

    A1=730

                                     400ºС

    закалка                  отпуск

  tН=2ч20мин          tН=3ч

 

 τ

масло воздух

 

Рисунок 2 – График для термической обработки  трехзаходного валка  для прокатки шара

 

Посадка детали осуществляется в уже нагретую до 600°С температуры печь и выдержке в ней в течение 36 минут. Нагрев с печью до температуры закалки 850°С в течение 40 минут. Выдержка при температуре закалки  в течение 2часов 20 минут. Закалку валков осуществлять в предварительно подогретом масле до 40°С в 20 минут. После закалки деталь промывают в промывочном баке. Далее валок подвергают среднему отпуску при температуре 400°С 3 часа. Затем охлаждение валка осуществляется на воздухе.

 

3. Контроль качества термической обработки детали

 

После окончательной термической обработки, на контрольном столе измеряют твердость поверхности образца детали с помощью ультразвукового твердомера типа ТР5006М (рисунок 3, а). Затем образец стали отправляется в металловедческую лабораторию, где подвергается другим  испытаниям: определение ударной вязкости, структуры. Для определения ударной вязкости используется маятниковый копер (рисунок 3, б).

                                                                       

а)  б) 

 

Рисунок 3 – а) ультразвуковой твердомер ТР5006М ;б) маятниковый копер

4. Расчет времени нагрева детали под закалку

 

Определение времени нагрева, выдержки и охлаждения при проведении термической обработки необходимо для расчета количества потребного оборудования и производственных площадей, численности основных и вспомогательных рабочих.

 

Определение критерия Био:

 

где    R – радиус изделия, м;

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2°С ;

λ – средний коэффициент теплоотдачи за циклом нагрева, Вт/м2°С .

Цикл нагрева находится в интервале 600 – 850°С.

При конвективном теплообмене определяют также критерий Фурье по формуле:

 

а температурный критерий:

 

Значение температурного критерия по формуле 3:

   

При С=3,0, тогда αлуч по формуле (4):

 

 

где  Тс – абсолютная температура среды, К;

Тп.м. – температура поверхности нагреваемого металла:

 

Принимая скорость дымовых газов при их естественном движении 3 м/с, αконв.:

 

 

Теплопроводность определяется как средняя за цикл нагрева. λ20=48,8 Вт/м2·˚С; λ850=26,7 Вт/м2·˚С и λ950=24,4 Вт/м2·˚С, тогда λ860 и λср:

 

 

 

Средняя теплоемкость С принимается исходя из среднего от 900˚С и 800˚С, С=0,687 кДж/кг·˚С.

По найденным значениям λ и С определяем температуропроводность a по формуле (5):

 

 

Тогда:

 

 

По значениям θ=0,11 и Bi=0,51 на диаграмме (рисунок 5), Fo=2,78.

Тогда:

 

5. Расчет времени выдержки при температуре закалки

Время выдержки определяется по формуле:

 

где m – коэффициент пропорциональности;

     R – радиус детали, м;

 

где – коэффициент формы тела,

      - коэффициент степени выравнивания температур

 

Коэффициент температуропроводности определяется по формуле (5):

 

 

Общее время нагрева заготовки с учетом времени выдержки составит:

 

Исходя из технологии термической обработки валка время нагрева и выдержки необходимо увеличить [14]

 

6. Расчет времени охлаждения

Определение критерия Био:

 

где    R – радиус изделия, м;

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2°С ;

λ – средний коэффициент теплоотдачи за циклом нагрева, Вт/м2°С .

 

Средний коэффициент теплопроводности

 

Значение температурного критерия:

 

 

Тогда критерий Фурье, определенный по рисунку:

• при охлаждении в масле: 0,315.

Коэффициент теплопроводности взят для аустенитного соотношения:

.

Теплоемкость С=687 Дж/кг и γ=7830 кг/оэффициент температуропроводности:

 

Критерий Фурье:

 

При охлаждении в масле:

 

 

 

5. Выбор оборудования для реализации принятой

технологии термической обработки деталей

 

1. Выбор основного оборудования

 

Для реализации разработанной технологии термической обработки деталей необходимо правильно производить выбор оборудования с учетом его целесообразности.

При обосновании выбора принятого или проектируемого оборудования следует ориентироваться на общепринятую классификацию оборудования.

Для нагрева под закалку деталей из инструментальной штамповой стали применяют печи следующих видов:

1. Камерные;
2. Муфельные, нагреваемые за счет сопротивления электрических обмоток;
3. Печи- ванны, представляющие собой тигли, наполненные расплавами солей, например хлористым барием.
4. Шахтные печи, применяющиеся для термической обработки длинномерных изделий, подвешиваемых в вертикальном положении.

Преимущества шахтных печей: простота и компактность, легкость обслуживания, возможность использования для загрузки и разгрузки цеховых подъемных и транспортных механизмов, возможность обеспечения равномерной температуры в рабочем пространстве, относительно простое обеспечение герметичности рабочего пространства печи. Ввиду того, что деталь тяжелая, объемная, могут быть проблемы с загрузкой в печь, так же валок удобнее нагревать в вертикальном положении, целесообразнее использовать именно шахтную печь. Посадка в печь детали осуществляется кран – балкой. (рисунок 7).

 

1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – нагреватель; 4 – направляющая  и муфель ; 5 – крышка; 6 – механизм подъема крышки.