Проектирование технологического процесса

2.4.1. Маршрут технологического процесса

Проектирование маршрута обработки детали начинается обычно с установления последовательности и способов обработки отдельных поверхностей. При выборе способа обработки поверхностей исходят из его технологических возможностей по обеспечению точности и качества поверхности, и времени обработки в соответствии с заданной производительностью.

В зависимости от тре­бований, предъявляемых к точности размеров, формы, расположе­ния и параметров шероховатости детали с учетом ее размеров, массы, технических требований, выбирают один или несколько возможных способов обработки и тип соответствующего оборудова­ния [1]:

· наружных поверхностей вращения (стр. 67…69; 73);

· внутренних поверхностей вращения (стр. 67; 70; 72);

· плоских поверхностей (стр. 67; 71).

После установления способов обработки типовых поверхностей на основе типовых технологических процессов разрабатывается маршрут технологического процесса. В основу разработки типовых технологических процессов положена конструктивно-технологическая классификация, предусматривающая систематизацию деталей и узлов по основным признакам как конструктивного, так и технологического подобия.

При выборе маршрута технологического процесса необходимо использовать типовые технологические процессы и примеры технологических процессов изготовления [1]:

· валов (стр. 79…85; 108…110; 111…127);

· втулок и цилиндров (стр. 86…87; 131…132);

· дисков и барабанов (стр. 89…91; 132);

· зубчатых колес (стр. 92…104; 135…140);

· рычагов (стр. 107…108; 141…144);

Пример маршрута технологического процесса детали муфта представлен ниже (рис.13, табл. 2).

2.4.2. Место и роль термической и химико-термической обработки в технологическом процессе изготовления детали [4].

Большинство ответственных деталей машин, механизмов испытывают в процессе работы повышенные, высокие механические нагрузки. Такие детали требуют упрочняющей термической обработки на заданную твердость. Твердость указывается непосредственно на чертеже детали. В некоторых случаях, наоборот, деталь должна быть не столько прочной, сколько пластичной, относительно «мягкой», в этом случае назначается смягчающая термическая обработка.

Цельтермической и химико-термической обработки – получение заданных свойств материала изменением его структуры, что достигается нагревом до определенной температуры с последующим охлаждением. Основные факторы воздействия – температура, время и скорость охлаждения. В результате фиксируются остающиеся изменения структуры, обусловленные, в первую очередь, фазовыми превращениями.

Упрочняющая обработка:

- закалка и последующий отпуск;

- поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ);

- нормализация;

- цементация с последующей закалкой и отпуском;

-азотирование;

-нитроцементация.

Смягчающие обработки:

- отжиг;

- высокий отпуск (650…700^оС)

Упрочняющие обработки, повышая твердость и прочность стали, затрудняет их механическую обработку. Поэтому, как правило, поверхности заготовок не обрабатывают лезвийным режущим инструментом, если их твердость НRСэ≥40 ед. В случае армирования металлорежущего лезвийного инструмента сверх твердыми материалами (кубический нитрид бора, гексонит, минералокерамика) возможна обработка поверхности заготовки твердостью и НRСэ более 40 единиц.

В тоже время мягкие стали (HRСэ≤24 ед.), сплавы хорошо обрабатываются лезвийным режущим инструментом, но их не следует подвергать абразивной обработке (шлифованию).

Таким образом, от места термической обработке в технологическом процессе изготовления детали зависит:

- производительность обработки, т.е. основное технологическое время, которое должно быть минимальным;

- износ и стойкость режущих инструментов;

- трудозатраты и стоимость обработки каждой детали, партии деталей и изделия в целом;

- твердость, прочность, износостойкость и надежность детали и машины в целом.

Место термической и химико-термической обработки

Деталь при изготовлении последовательно находится в следующих трех состояниях: заготовка – полуфабрикат – готовое изделие.

Ø Состояние 1 (заготовка).

Материал заготовки находится в неустойчивом (метастабильном) состоянии по следующим причинам:

– искажение кристаллической решетки при холодной пластической деформации (нагартованные стали, полученные прокаткой, прессованием и волочением в холодном состоянии: проволока, лист, лента, цельнотянутые трубы и другие профили с тонким сечением);

– неоднородный состав зерна, образующегося при фазовых превращениях в процессе горячей обработки.

В рассматриваемом состоянии применяют два метода термической обработки – отжиг и нормализацию.

Отжиг – нагрев стали, выдержка и последующее медленное охлаждение (обычно вместе с печью).

Применение отжига на стадии заготовки возможно для большинства марок конструкционных сталей с целью повышения пластических свойств материала и улучшения обрабатываемости резанием.

Нормализация отличается от отжига режимом охлаждения (на спокойном воздухе), что позволяет получить более мелкое зерно и повышенную твердость материала.

Роль отжига и нормализации

Устраняются нежелательные свойства материала, приобретенные на предыдущих этапах обработки, что приводит к снижению внутренних напряжений, уменьшению искажения кристаллической решетки, и в конечном итоге значительно уменьшает вероятность искажения формы поверхности детали при дальнейшей механической обработке.

Ø Состояние 2 (заготовка после частичной обработки).

Роль термической обработки

На этой стадии формируется комплекс свойств, характеризующих прочность изделия в соответствии с техническими требованиями.

Задача повышения твердости поверхности изделия может рассматриваться для изделия в целом (объемная обработка) или его поверхностного слоя (при необходимости, для отдельных участков поверхности). В большинстве случаев это обеспечивается маршрутом технологического процесса, схема которого представлена на рис.7.

Закалка –нагрев стали (см. диаграмму состояния Железо-углерод) до температуры Ас₃ (GSК) + (30…50 °С) с последующим быстрым охлаждением (со скоростью больше критической). В результате получают структуру мартенсита закалки, обладающую высокой твердостью, хрупкостью и пониженной вязкостью.

Отпуск –нагрев закаленной стали (см. диаграмму состояния Железо-углерод) до температуры ниже Ас₁ (PSK) с выдержкой и последующим охлаждением, как правило, на воздухе. Отпуск решает задачу снятия внутренних напряжений, возникших при закалке.

Рис. 7.Схема применения термической и химико-термической обработки

Для конструкционных сталей, в большинстве случаев, проводят высокий отпускс нагревом до температуры 550...650°С. Закалка с высоким отпуском (термическое улучшение) позволяет получить хорошие показатели прочности и надежности для среднеуглеродистых сталей, но с ограничением по размерам сечения (мелкие детали с диаметром не более 10…15 мм). Причина заключается в недостаточной прокаливаемости.

Для получения твердого поверхностного слоя с вязкой сердцевиной (сочетание износостойкости с высокой динамической прочностью) применяют методы поверхностной закалки– нагрев поверхностного слоя с последующим быстрым охлаждением. Поверхностной закалке с последующим низким отпуском подвергают среднеуглеродистые стали, что позволяет сформировать твердый поверхностный слой (структура – отпущенный мартенсит) с достаточно вязкой и прочной сердцевиной.

Вторым направлением решения задачи упрочнения поверхностного слоя является применение методов химико-термической обработки (ХТО).

Сущность методов ХТО заключается в том, что изделие помещается в среду, насыщенную элементом, который диффундирует в сплав. В результате образуется слой с концентрацией диффундирующего элемента, уменьшающейся в направлении от поверхности к сердцевине.

ХТО уступает закалке по производительности, но имеет ряд преимуществ:

– результаты не зависят от внешней формы изделия;

– обеспечиваются большие различия свойств поверхности и сердцевины.

В машиностроении наиболее распространена цементация– насыщение углеродом поверхностного слоя изделия (поверхности, участка поверхности). Окончательное формирование свойств обеспечивает закалка, при которой на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит. Последующий низкий отпуск снимает внутренние (закалочные) напряжения. В результате поверхность имеет твердость HRCэ 58…62, а сердцевина HRCэ 25…35 для легированных сталей и менее HRCэ18 для низкоуглеродистых сталей.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и низкоуглеродистые легированные стали (с содержанием углерода 0,1…0,25 %). Глубина слоя цементации достигает 1,5…2,0 мм.

Цементации, обычно, подвергают не все, а лишь отдельные поверхности заготовок, поэтому нецементируемые поверхности должны быть изолированы. Существуют различные способы изолирования: меднение, применение специальных обмазок; назначение припусков, удаляемых с поверхностей после цементации, но до закалки.

Азотирование– насыщение поверхностного слоя азотом за счет диффузии, что обеспечивает повышение твердости, износоустойчивости, усталостной прочности и сопротивления коррозии. До азотирования заготовку подвергают закалке и высокому отпуску, проводят чистовую обработку. После азотирования выполняют отделочные операции (тонкое шлифование, притирку, доводку и т. п.). Азотированию подвергают лишь отдельные поверхности, все остальные участки защищают гальваническим лужением.

Для получения более высокого сопротивления износу, большей твердости, лучшего сопротивления коррозии, повышенной усталостной прочности применяют нитроцементацию.

Нитроцементация стали– процесс одновременного насыщения поверхностного слоя углеродом и азотом при использовании газообразной среды. После нитроцементации сразу проводят закалку с низким отпуском, обеспечивая высокую твердость.

Ø Состояние 3 (готовая деталь).

Состояние поверхностей соответствует окончанию отделочной (финишной) обработки. Воздействие (механическое, термическое, химическое и др.) ухудшит качество изделия и возможно только для решения задач консервации поверхностей. Исключение может составлять азотирование, которое часто проводят на готовых деталях, прошедших окончательную термическую обработку и шлифование, т. к. проявления коробления и образования оксидов незначительны.

Наиболее распространенные маршруты технологического процесса с термической и химико-термической обработкой

Ø Детали из малоуглеродистых сталей(содержаниеС < 0,3 %)

Стали этой группы не подвергаются термическому упрочнению вследствие незначительного содержания углерода (С). В качестве термического воздействия применяют нормализацию перед механической обработкой с целью получения более мелкозернистой структуры. Схема маршрута технологического процесса обработки деталей, изготавливаемых из малоуглеродистых сталей приведена на рис. 8.

Заготовка

¯

Термическая обработка (нормализация)

¯