Разработка технологического процесса термической обработки детали

 

 

 

 

1. Эскиз шлицевого  вала, описать область применения  и условия работы, сформулировать требования к эксплуатационным характеристикам и механическим свойствам детали.

Рис.1. Эскиз шлицевого вала.

Шлицевое (зубчатое) соединение –  соединение вала и отверстия с  помощью шлицев и зубьев, радиально  расположенных на поверхности. Обладает большой прочностью, обеспечивает способность вала и отверстия,  с возможностью осевого перемещения детали вдоль оси.  Назначению подразделяются на: передачи (зубчатые, ременные, цепные и т.д.) и коренные валы машин, несущие кроме деталей передач, рабочие органы машин-двигателей или рабочих машин. В качестве примера коренных валов можно указать валы турбин, на которых насажены турбинные диски, валы электродвигателей, несущие роторы.По форме геометрической оси валы делят на три группы: прямые, коленчатые, гибкие.Материалом валов и осей, как правило, является сталь. При отсутствии термообработки в основном применяют Ст.5. Для термообрабатываемых валов используют среднеуглеродистую и легированную сталь, в частности сталь марок 45 и 40Х, в особо ответственных случаях для тяжелонагруженных валов – легированные стали марок 40ХН, 40ХНМА, 25ХГТ и др. Быстроходные валы, работающие в подшипниках скольжения, требуют высокой износостойкости цапф, которая обеспечивается при их цементации и последующей закалке. В этом случае применяют стали марок 20 и 20Х, а в более ответственных случаях – 12ХНЗА, 18ХГТ и др.Следует помнить, что для валов, размеры которых устанавливают в зависимости от требований жесткости, использование дорогих легированных сталей не оправдано, так как модуль продольной упругости для всех сталей примерно одинаков, а поэтому применение стали повышенного качества не способствует уменьшению диаметра вала. Для валов диаметром до 150-200 мм заготовкой является круглый прокат; для валов большего диаметра и фасонных валов – поковки. Валы обрабатывают на токарных станках, а посадочные поверхности затем шлифуют. Чистота посадочных поверхностей находятся обычно в пределах Ra0,8…Ra1,6.Вал шлицевый представляет собой вал с нарезанными на его поверхности шлицами, присоединительный конец вала представляет собой фланец. Вал изготавливается из поковки, присоединительный конец шлицевого вала рекомендуется изготавливать методом горячей штамповки.

 

2.Расшифровать марку  заданной марки.

Марка :	20ХН
Классификация :	Сталь конструкционная легированная
Дополнение:	Сталь хромоникелевая.
Применение:	шестерни, втулки, пальцы, детали крепежа  и другие детали, от которых требуется  повышенная вязкость и умеренная  прокаливаемость.

Химический состав в % материала    20ХН

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.17 - 0.23	0.17 - 0.37	0.4 - 0.7	1 - 1.4	до   0.035	до   0.035	0.45 - 0.75	до   0.3

Температура критических точек  материала 20ХН.

Ac1 = 735 ,      Ac3(Acm) = 805 ,       Ar3(Arcm) = 790 ,       Ar1 = 660 ,       Mn = 410

Технологические свойства материала 20ХН .

Свариваемость:	ограниченно свариваемая.
Флокеночувствительность:	чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	склонна.

Механические свойства при Т=20oС  материала 20ХН .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток, ГОСТ 4543-71	Ø 15		780	590	14	50	780	Закалка и отпуск

 

Твердость   20ХН   после отжига ,             ГОСТ 4543-71

HB 10 -1 = 197   МПа

Обозначения:

Механические свойства :
sв	- Предел кратковременной прочности  , [МПа]
sT	- Предел пропорциональности (предел  текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5	- Относительное удлинение при  разрыве , [ % ]
y	- Относительное сужение , [ % ]
KCU	- Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB	- Твердость по Бринеллю , [МПа]
Свариваемость :
без ограничений		- сварка производится без подогрева  и без последующей термообработки
ограниченно свариваемая		- сварка возможна при подогреве  до 100-120 град. и последующей термообработке
трудносвариваемая		- для получения качественных  сварных соединений требуются  дополнительные операции: подогрев  до 200-300 град. при сварке, термообработка  после сварки - отжиг

 

Свойства:
Термообработка: Закалка и отпуск  Твердость материала: HB 10 -1 = 197 МПа  Температура критических точек: Ac1 = 735 , Ac3(Acm) = 805 , Ar3(Arcm) = 790 , Ar1 = 660 , Mn = 410  Температура ковки, °С: начала 1250, конца 830. Сечения до 50 мм охлаждаются на воздухе, 51-100 мм в мульде, 101-200 мм в закрытой мульде.  Свариваемость материала: ограниченно свариваемая.  Флокеночувствительность: чувствительна.  Склонность к отпускной хрупкости: склонна.
Механические свойства прутка стали 20ХН сечением 15 мм
ГОСТ	Состояние поставки, режим термообработки	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (Дж / см2)
ГОСТ  4543-71	Закалка 860 °С, вода или масло. Закалка 760-  810 °С, вода или масло. Отпуск 180 °С, вода или  масло	590	780	14	50	78

Твёрдость стали 20ХН после термообработки 

Режим обработки	НВ (HRCэ )
Нормализация 860 °С Цементация 910 °С, 16 ч на глубину 1,6-1,8 мм.  Подстуживание на воздухе до 860 °С, затем масло. Закалка 770-780 °С. Отпуск 190 °С	Сердцевина 262-290   Поверхность (59-62)

 

 

Механические свойства образцов стали 20ХН сечением 10 мм  в зависимости от температуры отпуска
Температура отпуска, °С						σ0,2 (МПа)					σв(МПа)		δ5 (%)	ψ %		KCU (Дж / см2)		HRC3
Закалка 850 °С, масло.
200  300  400  500  600						1050  1000  910  770  650					1290  1220  1100  950  770		11  -  11  14  20	48  50  51  54  60		90  80  75  110  180		62  60  -  -  -
Ударная вязкость стали 20ХН в зависимости от температуры, KCV, Дж/см2
Т=-50	Т=-20			Т=20		Т=200		Т=300			Т=400		Термообраотка
43	62			81-89		44-46		91-94			68-72		Закалка, высокий отпуск
Предел выносливости стали 20ХН
σ-1, МПА		n			Образец диа-  метром 6 мм				Термообработка
320  210		20*106  20*106			Гладкий  С надрезом   R=1 мм				Нормализация 830 °C. Отпуск 650-670 °C.  σ0,2=340 МПа, σв=550 МПа, HB 170
Прокаливаемость стали 20ХН
Расстояние от торца, мм
3	5		10				15			20		25			30		40
36,5-47,5	34-44,5		28-41				23-35,5			20,3-32		19-32			17,5-30		17,5-28

 

Количество мартенсита, %	Критическая твердость, HRCэ	Критический диаметр в воде	Критический диаметр в масле
50  90	31-37  38-43	33-52  23-34	12-28  6-14

Микроструктура углеродистой стали зависит от содержания углерода. При содержании 0,1% С сталь имеет преимущественно ферритную структуру (рис. 2). С увеличением содержания углерода в стали увеличивается количество перлита и при 0,8% С сталь имеет чисто перлитную структуру (рис 2), при этом ее прочность и твердость увеличиваются, а пластичность и магнитная проницаемость уменьшаются.

Рис. 2. Схема микроструктур стальных отливок (белое поле — феррит, заштрихованное — перлит)

На рис. 2 схематически изображена структура углеродистой стали с различным содержанием углерода. Легирующие элементы, добавленные в шихту в небольшом количестве, качественно не изменяют микроструктуру отливки, но измельчают ее, что повышает прочность стали. Большое количество легирующих добавок изменяет структуру стали, поэтому в ней могут образовываться новые структурные составляющие: аустенит, мартенсит, тростит, сорбит, которые придают стали различные особые специальные свойства: износоустойчивость, химическую стойкость, жаростойкость и т. п.

Хром (Cr). Суживает область α-фазы в стали, способствуя распаду в ней аустенита. Обладая высокой температурой рекристаллизации, повышает таковую для всего сплава в целом, что (при содержании хрома до 1,5%) несколько повышает жаропрочность сталей. Образует ряд карбидов, однако последние склонны к растворению в феррите, после чего упрочняющее действие упомянутых карбидов хрома не может быть использовано. Являясь чрезвычайно активным раскислителем, хром связывает в окись практически весь свободный кислород, обеспечивая высокие антикоррозионные свойства стали как при низких, так и при высоких температурах, а также жаростойкость стали (окалиностойкость), содержащей хром. При содержании Cr=5+8% сталь становится нержавеющей. Образуя на поверхности металла прочную оксидную пленку, защищающую сталь от дальнейшего окисления (ржавления), хром затрудняет сварку стали, что заставляет применять предварительный и сопутствующий подогревы и особо тщательную термическую обработку сварных стыков. В больших количествах (и в присутствии молибдена) хром является также антиграфитизатором.

Никель (Ni). Это сильный расширитель α-фазы в стали. Никель является активным стабилизатором аустенита (в чем и заключается его основное назначение как легирующего элемента), сохраняя в стали аустенит до самых низких температур. При легировании аустенитная структура в стали обеспечивается при содержании Ni 25%; при одновременном легировании другими элементами (например, хромом) расход никеля может сократиться в 2 раза. На жаропрочность никель влияет лишь косвенно, создавая в стали структуру наиболее жаропрочного аустенита. Никель является также графитизатором, повышает вязкость стали и улучшает ее свариваемость, склонен к окислению, а в комбинации с хромом способствует развитию в стали тепловой хрупкости.

3. Выбрать метод получения  и обработки заготовки ( литье,  ковка или штамповка, прокат  механическая обработка).

 

В большинстве случаев заготовками для валов служит прокат. Заготовки отрезают из прокатного материала фрикционными и дисковыми пилами, абразивными кругами, резцом и др. Для валов, диаметры ступеней которых отличаются больше чем на 10 мм, заготовки отрезают из проката и затем куют под молотами или штампуют в подкладных или закрытых штампах. Главное требование к заготовкам – прямолинейность, которая не должна выходить за пределы 0,1–0,15 мм на 1м длины. Поэтому прокат перед отрезкой заготовок подвергают правке на специальных правильно-калибровочных станках и др.

Основные технологические базы - преимущественно центровые отверстия, центровые фаски для пустотелых валов.

Основные операции при обработке гладких и ступенчатых валов – это центрование, обточка на токарных станках, шлифование посадочных поверхностей, доводка поверхностей.

Таблица 39

Маршрутный технологический процесс обработки ступенчатых валов

№	Операция		Оборудование	Технологическая база
	Наименование	Содержание
000	Заготовительная Правильная Отрезная Термическая	Правка прутка	Правильно-калибровочная машина	Наружная  поверхность
		Разрезание прутка по длине	Токарный, отрезной станки. Ножницы. Ножовка.	Наружная  поверхность
010	Фрезерно-центровальная. Токарная	Фрезерование (подрезание) торцов и центрование (Подготовка технологических  баз)	Фрезерно-центровальный  или токарный станки	Наружная  поверхность
015	Токарная	Черновая и чистовая токарная обработка	Токарный станок	Центровые отверстия
020	Фрезерная	Фрезерование шпоночных канавок, лысок, уступов	Фрезерный станок (шпоночно-фрезерный)	Центровые отверстия, шейки вала
025	Сверлильная.	Сверление отверстий, нарезание  резьбы	Сверлильный станок	Шейки вала
030	Шлицефрезерная	Черновая, чистовая обработка шлицев	Шлицефрезерный станок	Центровые отверстия
035	Зубообрабатывающая	Черновое, чистовое нарезание зубьев	Зубофрезерный станок	Центровые отверстия
040	Термическая	Термообработка	Печь, установка ТВЧ	Центровые отверстия
045	Токарная. Шлифовальная	Зачистка, центровых отверстий	Токарный. Центрошлифовальный	Центровые отверстия
050	Шлифовальная	Шлифование опорных шеек	Шлифовальный станок	Центровые отверстия
055	Шлицешлифовальная	Обработка боковых поверхностей шлицев и центрирующих диаметров шлицевой части вала	Шлицешлифовальный, круглошлифовальный станки	Центровые отверстия
060	Зубообрабатывающая	Отделка зубьев		Центровые отверстия
065	Моечная
070	Контрольная