Проектирование свариваемой конструкции

 

Содержание

 

 

Введение

Сваркой называют технологический процесс получения механически неразъемных соединений, характеризующихся непрерывностью структур – непрерывной структурной связью.

Это технологический процесс, с помощью которого изготавливаются все основные конструкции гидротехнических сооружений, паровых и атомных электростанций, автодорожные, городские и железнодорожные мосты, вагоны, наводные и подводные корабли, строительные металлоконструкции, всевозможные подъемные краны и многие другие изделия.

Если некоторое время тому назад конструкции изготавливались в основном из относительно просто сваривающихся материалов, то в настоящее время, наряду с традиционными, для сварных конструкций применяются материалы с весьма различными физическими характеристиками: коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплавы, никелевые и медные сплавы с особыми свойствами, лёгкие сплавы на алюминиевой о магниевой основах, титановые сплавы, ниобий, тантал и другие металлы и сплавы.

Многообразие свариваемых конструкций и свойств материалов, используемых для изготовления, заставляют применять различные способы сварки, разнообразные сварочные источники теплоты.

Для сварочного нагрева и формирования сварного соединения используются:

1. энергия, преобразованная в тепловую посредством дугового разряда, электронного луча, квантовых генераторов;
2. джоулевое тепло, выделяемое протекающим током по твёрдому или жидкому проводнику;
3. химическая энергия горения, механическая энергия, энергия ультразвука и других источников.

Все эти способы требуют разработки, производства и правильной эксплуатации разнообразного оборудования, в ряде случаев с применением аппаратуры, точно дозирующей энергию, со сложными схемами, иногда с использованием технической электроники и кибернетики.

Разнообразие способов сварки, отраслей промышленности, в которых её

используют, свариваемых материалов, видов конструкций и огромные объём применения позволяют охарактеризовать технологический процесс сварки, как один из важнейших  в металлообработке.

Заданием на курсовой проект является технологическая подготовка производства сваркой изделия. Изделием проекта считается «Рычаг верхний».

Результатом работы является план  участка для изготовления данного изделия.

 Рычаг верхний представляет собой конструкцию, свариваемую из отдельных деталей, с последующей обработкой детали в сборе.

Для сборки и сварки рычага верхнего необходимо специальное приспособление.

Для решения конечной задачи курсового проекта – разработки плана участка, необходимо спроектировать свариваемую конструкцию, определить тип сварки, выбрать приспособление для сборки и сварки; пронормировать технологический процесс.

При выполнении курсового проекта необходимо разработать мероприятия по технике безопасности и провести упрощенный экономический расчет разработанного технологического процесса.

1 Проектирование свариваемой конструкции

Свариваемое изделие - рычаг верхний, состоит из металлической пластины 1, цилиндра 2, трубы 3 и еще одного цилиндра 4, приваренного к нему. На пластину 1приваривается цилиндр 2, с заранее выточенным внутренним отверстием, на него сверху приваривается труба 3 и слева вставляется в пазы в пластине другой цилиндр 4, обработанный: обточенный снаружи и выточенный внутри. Все детали изделия привариваются согласно рисунку 1.1.

 

Рисунок 1.1 – Сборочный чертеж изделия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Определение серийности производства

Таблица 2.1 – Определение типа производства

Тип производства	Число обрабатываемых деталей одного наименования и типоразмера, в год.
	Детали крупных размеров; большой трудоемкости массой >30 кг	Детали средних размеров и трудоемкости  массой  от 8 до 30 кг	Детали небольших размеров и трудоемкости массой < 8 кг
Единичное	< 5	< 10	< 100
Мелкосерийное	5…100	10…200	100…500
Среднесерийное	100…300	200…500	500…5000
Крупносерийное	300…1000	500…5000	5000…50000
Массовое	> 1000	> 5000	> 50000

 

Данное изделие рычаг верхний имеет массу равную 4,282 кг. Согласно таблице 3.1 тип производства – среднесерийное, так как годовая программа выпуска 4000 шт. Значит, применяем предметную форму работы. Она обычно используется для деталей, требующих одинакового порядка обработки. Характерно для среднесерийного и мелкосерийного производства.

Согласно ГОСТ 14.004 (ЕСТПП)→ 10< - среднесерийное производство - массовое производство, т.е. в течение месяца на 1 рабочем месте можно выполнять от 10 до 20 операций.

ЕСТПП – единая система технологической подготовки производства.

 

3 Описание материала изделия

Изделие изготавливается из конструкционной низколегированной стали 20ХГСА, свойства которой приведены соответственно в таблицах 3.1, 3.2.

Сталь 20ХГСА  конструкционная высококачественная хромокремнемарганцовая сталь, обладает большой прочностью и повышенным сопротивлением к ударным нагрузкам. В состав марки входит углерод 0,20%, кроме углерода содержит марганец, кремний и хром, примерно в равных долях по 0,8-1,1%

Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,03% для каждого из этих элементов, поэтому в конце таких марок ставится буква А, что свидетельствует о дополнительных показателях качества марок.

Сталь 20ХГСА применяется: для изготовления горячекатаного толстолистового проката; ходовых винтов, осей, валов, червяков и других деталей, работающих в условиях износа и при знакопеременных нагрузках при температурах до +200 °С; цельнокатаных колец различного назначения.

Таблица 3.1-Химический состав

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0,9-1,20
Медь (Cu), не более	0,30
Марганец (Mn)	0,80-1,10
Никель (Ni), не более	0,30
Фосфор (P), не более	0,025
Хром (Cr)	0,80-1,10
Сера (S), не более	0,025

 

Таблица 3.2-Механические свойства

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	σ0,2, МПа	σв, МПа	δ5, %	Ψ, %	KCU, Дж/м2
Закалка 880 0С, масло. Отпуск 500 0С, вода и масло.	15	640	780	12	45	69

 

 

 

Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006,  ГОСТ 2879-2006, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 10702-78. Шлифованный пруток и серебрянка:  ГОСТ 14955-77. Полоса  ГОСТ 103-2006. Поковки и кованые заготовки: ГОСТ 1133-71, ГОСТ 4543-71.

 

4 Анализ свариваемости

Совокупность технологических характеристик основного металла, определяющих его реакцию на изменения, происходящие при сварке, и способность при принятом технологическом процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, объединяют в понятие "свариваемость". Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла или сплава, подобно физическим свойствам. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется способом и режимом сварки, составом дополнительного металла, флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.

В начальный период развития сварочной техники все материалы и сплавы в зависимости от их способности образовывать сварные соединения необходимого и достаточного качества разделяли на обладающие хорошей, удовлетворительной и неудовлетворительной свариваемостью. Для сталей в основном эта характеристика была связана с содержанием в них углерода. Современные знания о природе сварочных процессов позволяют утверждать, что все однородные металлы и сплавы могут образовывать при сварке плавлением сварные соединения удовлетворительного качества. Разница между металлами, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для соединения последних необходима более сложная технология сварки (предварительный подогрев, ограничение погонной энергии сварки, последующая термообработка, сварка в вакууме, облицовка кромок и т. п.).

Более всего на свариваемость оказывают влияние химический состав сплава, фазовая структура и ее изменения в процессе нагрева и охлаждения, физико-химические и механические свойства и др.

В связи с тем, что параметров, характеризующих основной и присадочный (электродный) материалы, очень много, то свариваемость представляет комплексную характеристику, включающую:

1. чувствительность металла к окислению и порообразованию;
2. соответствие свойств сварного соединения условиям эксплуатации;

 

3. реакцию на термические циклы, сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин и т.д.

Из перечисленных параметров наиболее существенным при сварке и наплавке углеродистых и низколегированных сталей является сопротивляемость образованию трещин.

В легированных сталях доля влияния каждого легирующего элемента на свариваемость может быть отнесена к доле влияния углерода.

Влияние основных легирующих примесей, пристутвующих в стали 20 ХГСА, на свариваемость приведу ниже.

Углерод ("С" – 0,17-0,23%) – одна из важнейших примесей, определяющая прочность, пластичность, закаливаемость и др. характеристики стали. Содержание углерода в сталях до 0,25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание "С" приводит к образованию закалочных структур в металле зоны термического влияния (далее по тексту – ЗТВ) и появлению трещин.

Сера ("S" – до 0,025%) и фосфор ("P" – до 0,025%) – вредные примеси. Повышенное содержание "S" приводит кобразованию горячих трещин – красноломкость, а "P" вызывает хладноломкость. Поэтому содержание "S" и "P" в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0,4-0,5%.

Кремний ("Si" – 0,9-1,2%) присутствует в сталях как примесь в количестве до 0,3% в качестве раскислителя. При таком содержании "Si" свариваемость сталей не ухудшается. В качестве легирующего элемента при содержании "Si" – до 0,8-1,0% (особенно до 1,5%) возможно образование тугоплавких оксидов "Si", ухудшающих свариваемость стали.

Марганец ("Mn" – 0,8-1,1%) при содержании в стали до 1,0% – процесс сварки не затруднен. При сварке сталей с содержанием "Mn" в количестве 1,8-2,5% возможно появление закалочных структур и трещин в металле ЗТВ.

Хром ("Cr" – 0,8-1,1%) в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0,7-3,5%. В легированных сталях его содержание колеблется от 12% до 18%, а в высоколегированных сталях достигает 35%. При

 

сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель ("Ni" – до 0,3%) аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5%, а в высоколегированных – до 35%. В сплавах на никелевой основе его содержание является превалирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость.

Медь ("Сu" – до 0,3%) содержится в сталях как примесь (в количестве до 0,3% включительно), как добавка в низколегированных сталях (0,15 до 0,5%) и как легирующий элемент (до 0,8-1%). Она повышает коррозионные свойства стали, не ухудшая свариваемости.

При оценке влияния химического состава на свариваемость сталей, кроме содержания углерода, учитывается также содержание других легирующих элементов, повышающих склонность стали к закалке. Это достигается путем пересчета содержания каждого легирующего элемента стали в эквиваленте по действию на ее закаливаемость с использованием переводных коэффициентов, определенных экспериментально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом.