Проект термического участка мощностью 900 т/год в условиях АО Завод РГТО

При проектировании  термического участка были использованы следующие данные:

- расчет программы  цеха (участка) годового выпуска  продукции;

- выбор, описание и  расчет технологии детали в  соответствии с условиями ее работы;

- зная вид термообработки, осуществляется подбор технологического оборудования;

- ведется расчет числа  единиц технологического оборудования  на данную годовую программу;

          - планируются цеховые оперативные  склады деталей;

          - выбирается вспомогательное и  транспортное оборудование;

- рассчитывается годовая  потребность в энергии, топливе  и вспомогательных материалах;

- определяется планировка  участка и расположение в нем  оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
1 Производственная программа термического  участка

 

Годовая производственная программа по выпуску продукции проектируемого термического участка составляет 900 тонн. С точки зрения характера производства, проектируемый участок является серийным. Серийное производство занимает промежуточное положение между единичным и массовым производствами. Оно характеризуется изготовлением изделий, ежемесячно повторяющихся партий или серий, состоящих из одноименных, однотипных по конструкции и близких по размерам изделий, запускаемых в производство одновременно. Такое производство значительно экономичней чем единичное, благодаря тому, что оборудование меньше  простаивается. Производственная программа термического участка приведена в таблице 1.1.

Место расположения проектируемого термического участка – город  Караганда. Источником тепловой энергии для проектируемого участка является электроэнергия.

 

Таблица 1.1 – Производственная программа термического подразделения

Наименование детали	Марка стали	Масса, т	Годовой выпуск
			штук	тонн
Вал	20Х2Н4А	0,0123	5121	63
Втулка зубчатая	40Х	0,061 0,016 0,0255 0,026	846 4177 1211 1187	51,6 66,84 30,88 30,88
Обойма	45	0,650 0,038	147 2384	95,4 90,6
Втулка	35ХМ	0,685	606	415,2
Звездочка	40ХН	0,0008	4000	3,2
Шток	35ХГСА	0,0387	1354	52,4
Итого				900

 

 

1.1 Описание изделия и условия его работы

 

Условия работы вала определяются их быстроходностью, уровнем контактных и изгибающих нагрузок.

Для работоспособности  вала необходимо обеспечить:

- объемную прочность;

- поверхностную прочность;

- жесткость на изгиб;

- крутильную жесткость;

В процессе эксплуатации шлицы вала подвергаются:

а) изгибу при максимальном однократном нагружении (при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента);

б) изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне шлица развиваются наибольшие напряжения и может происходить усталостное разрушение.

в) контактным напряжением  на боковых рабочих поверхностях шлицов, приводящим к образованию контактно-усталостного выкрашивания (питтинга). Уровень контактных напряжений определяет при проектировании выбор размера валов;

г) износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакта) либо торцевых поверхностей зубьев (при переключении передач в коробках передач). При  относительном скольжении в условиях недостаточной смазки либо без смазки на рабочих поверхностях зубьев может происходить «схватывание» и образование грубых задиров, приводящих к катастрофически быстрому (в течении нескольких часов) изнашиванию.

Прежде чем выбрать  марку стали, следует определить условия, в которых работает вал, действующие на него нагрузки и соответствующие технологические требования, предъявляемые к изделию.

Вал работает в условиях высокой нагруженности и при высоких контактных давлениях. В общем случае валы подвергаются действию динамической пульсирующей нагрузки в направлении вращения. Работоспособность определяется контактной выносливостью и износостойкостью. В этом случае валы должны иметь высокую поверхностную твердость не менее HRC 40-50. Также к валам предъявляются повышенные требования к усталостной прочности на изгиб.

 

1.2 Выбор материала для детали – вал

 

Рациональный выбор материала для валов  и применение качественных заготовок способствует не только их повышению надежности и долговечности, но улучшает условия обрабатываемости материала и качества валов по величине деформации при термической обработке.

Сталь, применяемая для  изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать высокой прочностью и надежностью.

В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали - сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными.

Таким образом, детали машин  должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности имеет сталь, поэтому сталь является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам.

Механические свойства стали зависят  от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали.

На механические характеристики стали  влияют изменение содержания углерода, легирование, диспергирование структурных составляющих, измельчение зерна, наклеп. Упрочнение обычно ведет к уменьшению вязкости и пластичности.

Прочность стали в первую очередь  зависит от прокаливаемости. Поэтому  основной целью легирования конструкционных  сталей является увеличение прокаливаемости. В состав большинства конструкционных сталей входят такие элементы, как хром, никель, марганец, часто небольшими добавками титана.

В соответствии с условиями эксплуатации детали наиболее подходят стали марок 20Х2Н4А, 40Х и сталь 45.

Сталь 20Х2Н4А – конструкционная хромо-никелевая сталь для особо ответственных высоконагруженных деталей к которым предьявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок или при отрицательных температурах.

Сталь 20Х2Н4А, согласно ГОСТ, после термообработки имеет твердость – сердцевины-360, поверхности – 57-64.

 Сталь 40Х – конструкционная улучшаемая среднеуглеродистая хромистая сталь. Поковки шестерен из стали 40Х проходят предварительную термическую обработку, заключающейся в ускоренном охлаждении после ковки для обеспечения наследственной мелкозернистости стали и последующей нормализации для улучшение обрабатываемости и измельчение структуры перед закалкой.

При разработке составов конструкционных  сталей и режимом их термической  обработки нужно рассматривать  в первую очередь такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной  степени.

Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре (нормализованное состояние) приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1. % С и достигает всего лишь 1000 МПа, тогда как порог хладноломкости лежит ниже 0^ºС лишь при содержании углерода не более 0,4 %.

Таким образом, мы можем  заключить, что предельное содержание углерода в термически не упрочненной  стали с ферритоперлиrной структурой составляет 0,4 %; при этом сталь будет  иметь σ_в = 600 МПа, Т₅₀ = -20^ºС и а_0,25 = 600-:-700 кДж/м².

Получение дисперсных структур в результате переохлаждения аустенита  ведет к непрерывному повышению  твердости и прочности; максимальную твердость (прочность) имеет мартенситная структура. При 0,4 %С мартенситная структура имеет твердость около 60 HRC (650 НВ), что соответствует прочности порядка 2200-2400 МПа. Однако вязкость в этом случае недопустимо низкая, и должна быть повышена отпуском, правда, за счет снижения прочности.

Двойная обработка, при  которой окончательная структура формируется не из аустенита, а из мартенсита, т. е. применение закалки с последующим отпуском позволяет широко изменять прочностные свойства от максимальных, соответствующих закаленному состоянию, до минимальных, соответствующих отожженному, и важно, что при этом пластические и вязкие свойства оказываются более высокие, чем при одинарной обработке (продукты распада аустенита).

 

Таблица 1.2 Массовая доля элементов, %

Марка стали	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	N
20Х2Н4А	0,16-0,22	0,17-0,37	0,30-0,60	≤0,025	≤0,025	1,25-1,65	3,25-3,65	≤0,30	-
40Х	0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	≤0,035	≤0,035	0,8-1,1	≤0,3	≤0,3	≤0,008
45	0,42-0,50	0,17-0,37	0,50-0,80	≤0,040	≤0,035	≤0,25	≤0,30	≤0,30	≤0,008

 

Таблица 1.3 Температура критических точек, ºС

Марка стали	Ас1	Ас3	Ar1	Ar3
20Х2Н4А	710	800	640	-
40Х	743	815	693	730
45	730	755	690	780

 

Никель является ценным легирующим элементом. Однако ввиду сравнительно высокой стоимости никеля его применяют лишь там, где замена его другими, более дешевыми элементами нецелесообразна. Никель повышает точку А₄ и понижает точку А_3. Никель растворяется в феррите, упрочняет его и увеличивает ударную вязкость стали при комнатной, так и при пониженных температурах.

Никель увеличивает прокаливаемость  стали, но меньше, чем хром.

Очень выгодно совместное действие никеля и хрома, которое при легировании дает возможность хорошо использовать преимущества обоих элементов. Никель увеличивает вязкость, а хром- твердость стали. Хромоникелевая сталь  обладает хорошей прокаливаемостью и высокой прочностью, а при большом содержании хрома и никеля приобретает очень высокую сопротивляемость коррозии и жаропрочность.

Марганец является относительно дешевым легирующим элементом. Обычно марганец добавляется в сталь при ее выплавке для раскисления, а также для устранения вредного действия серы. Подобно никелю, марганец повышает точку А₄, понижает А₃.

Марганец сильно увеличивает устойчивость аустенита и прокаливаемость стали, причем действие 1% Мn равноценно 4% Ni. Марганец в отличие от других легирующих элементов способствует сильному росту зерна аустенита при перегреве.

Кремний как и марганец, является сравнительно дешевым и доступным легирующим элементом; он несколько препятствует снижению твердости при отпуске, повышает прочность, повышает прочность пленки окислов, образующуюся на поверхности стали при высокой температуре, и тем самым повышает ее oкалиностойкость. Вытесняя  из твердого раствора с ферритом углерод, кремний создает высокую магнитную проницаемость и понижает потери от гистерезиса. Кремний подобно хрому понижает точку А₄ и повышает точку А₃.

Для такого ответственного изделия, как  вал двигателя, поломка которого нарушает работу машины, применение более  дешевой по составу стали нерационально  Сталь должна иметь предел текучести  не ниже 750 Мпа, предел выносливости не ниже 400 Мпа и ударную вязкость не ниже 900 кДж/м².

Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20Х2Н4А к классу выококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42-0,50 и 0,16-0,22% С и принимают закалку. Для повышения прочности можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском. Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить не только более высокие характеристики прочности, но и более высокую вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости КСU (а_н) после нормализации составляют 200-300 кДж/м², а после закалки и отпуска с нагревом до 500⁰С достигают 600-700 кДж/м².