Проектирование участка термической обработки протяжки из стали Р6М5

Оглавление

1.Годовая программа участка
2.Протяжки
3.Термическая обработка быстрорежущих сталей
4.Выбор оборудования
5.Расчет параметров закалки
6.Тепловой расчёт электропечи-ванны
7.Проектирование участка термообработки протяжек
7.1. Сменность работы участка и определение в рабочей силе
7.2. Расчет количества оборудования участка
7.3. Технические расчеты
Литература

Проектирование участка термической обработки протяжки из стали Р6М5

Рис. 12. 1 – гидротурбинка; 2 – нижний центр; 3 – каретка; 4 – протяжка; 5 – верхний центр; 6 – направляющие; 7 – станина; 8 – вытяжка; 9 – блок; 10 – гидропанель; 11 – гидроцилиндр; 12 – гидростанция.
Деталь протяжка 4 устанавливается во вращающихся центрах, из которых нижний 2 приводится во вращение гидротурбинкой 1, а верхний 5 – подпружинивается. После установки протяжки нажатием кнопки на гидропанели 10 вкдючается автоматический режим работы. При этом открывается электровентиль, вода начинает вращать турбинку и поступает в спрейер для охлаждения. Одновременно электрогидравлический золотник включает гидроцилиндр 11, который перемещает каретку 3 по направляющей 6 вниз. При этом кулачек, установленный на кронштейне каретки, последовательно приводит в действие путевые выключатели блока 9, включающие и выключающие в нужный момент индуктор. При достижении нужной точки кулачек нажимает на последний путевой выключатель, срабатывает электрогидравлический золотник, и шток гидроцилиндра изменяет направление движения на обратное. При этом каретка возвращается в исходное положение. Установка смонтирована на станине 7, в верхней части которой имеется вытяжной зонт 8. Гидропривод осуществляется с помощью гидростанции 123.
Если понадобиться протяжки опять отправляют на правку на пресс.
4.1. Тепловой контроль при термообработке
Высокие требования, предъявляемые к термической обработке, и точный технологический режим не могут быть выполнены без применения непрерывного контроля. Тепловой контроль осуществляется при помощи контрольно-измерительных и регулирующих приборов.
Для измерения низких температур в промышленных печах применяют термометры, а для высоких – термоэлектрические пирометры и оптические пирометры.
Термометры делятся на три группы: ртутные, манометрические и термометры сопротивления (лагометры).
Ртутными термометрами измеряют температуру жидкой и газообразной среды в пределах от -50 до 500º. Манометрические термометры применяют не только для измерения температур в пределах от -40 до 500ºС, но и для автоматического регулирования температур.
Термопары бывают: платинородий-платиновая с фарфоровым наконечником защитный чехол из фарфора, измеряемая температура - 1300 ºС, 1600 ºС – при кратковременном применения; коленчатая без штуцера, из стали 20 с наконечником из стали Х27, максимальная температура - 1000 ºС. Еще есть хромель-алюмелевая – до 1000 ºС, хромель-копелевая термопары - 600 ºС.
Высокие температуры измеряют термоэлектрическими пирометрами в пределах 1600 ºС с точностью ±5 ºС.
Милливольтметр предназначен для измерения температур и бывает двух видов – указывающий и самопишущий. Действие пирометров с нитью накала основано на визуальном сравнении цвета накала эталонной нити с цветом накала измеряемой поверхности. Действие радиационных пирометров – ардометров – основано на тепловом воздействии лучей, исходящих от нагретого тела. Ардометры выпускаются двух видов – переносной типа РП и стационарный типа РПС с измерением температур в пределах 700-2000 ºС и погрешностью измерения ± 2%.
5. Расчет параметров закалки
Для инструмента, а именно протяжки из быстрорежущей стали Р6М5 применяют трехступенчатый обогрев. Для расчета возьмем протяжку для отверстия d = 14 мм, L = 460 мм. Время прогрева нагруженной шахтной печи 1-1,5 часа.
Отсчет времени ведем с момента выхода загруженной печи на рабочую температуру.
Общее время нагрева при закалке стальных изделий (τобщ) определяется как сумма времени сквозного прогрева до заданной температуры (τф.) и времени изотермической выдержки, необходимой для завершения структурных превращений в стали (τв.).
τобщ = τф. + τв..
Расчетная формула:
где k1 – коэффициент в мин/см характеризует время прогрева.
Температурная зависимость может быть приближенно выражена:
При предварительном подогреве до 650ºС по эмпирической формуле:
,
где Тн – температура нагрева,
При нагреве до 850 ºС и прогреве до 1280 ºС по формуле:
,
tв при окончательном нагреве – 10 сек. На 1 мм расчетной прогреваемой толщины: tв = 10 · 7 = 70 сек. Или 1,17 мин.
tв при прогреве принимаем удвоенным по сравнению с окончательным нагревом: tв = 140 сек. Или 2,33 мин.
- характеристический размер, представляющий отношение объема этих тел к их поверхности; для сплошного цилиндра:
;
kф – критерий формы:
;
kk – критерий формы:
- коэффициент конфигурации инструмента, = 0,35.
τобщ1 = 4,9 + 1,17 = 6,07мин.
τобщ2 = τобщ3 = 4,2 + 2,33 = 6,53мин.
τобщ = 6,07 + 6,53 + 6,53 = 16,13мин.
Время охлаждения детали принимаем 15 мин. Расчет общего времени нагрева и выдержки стальных изделий при отпуске протяжек в печах-ваннах с температурой 560˚С .
Общее время: 10 мин. + 1 мин. на 1 мм приведенной толщины. Значение приведенной толщины изделия определяется как произведение толщины изделия на коэффициент формы детали:
Для dз = 14 мм время отпуска: 10 + 1,0 · 14 = 24 мин. Время выдержки 0,5-1 час.
Общее время отпуска: 55 · 3 = 165 мин.
τобщ = 14,03 + 15 + 165 = 194,03 мин.
Рис. 14. График термической обработки протяжки для отв. Ø60 мм4.
6. Тепловой расчёт электропечи-ванны
Расчет заключается в составлении теплового баланса, который включает статьи расхода и прихода тепловой энергии. При тепловом расчете электрической печи СВС определяются потребная и установленная мощность, удельный расход электроэнергии, термический коэффициент полезного действия. Печь для предварительного подогрева: СВС-75/8,5, диаметр рабочего пространства – 600 мм; высота пространства – 1250 мм; максимальная температура 1000ºС.
Технические характеристики печи
Таблица 3.
Тип печи
Габаритные размеры печи, мм.
Максимальная рабочая температура °С
Мощность печи,
кВт
Габаритные размеры
рабочего пространства, мм
СВС-75/8,5
Длина 1654
Ширина 1660
Высота 3200
850
75
Диаметр 340
Высота 650
1. Постановка задачи
Необходимо рассчитать электрическую печь-ванну СВС-75/85 для предварительного нагрева под закалку.
Исходные данные:
- обрабатываемая деталь – протяжка под отв. Ø14 мм. - сталь Р6М5
- температура нагрева 850С
- температура начальная 20ºС.
Оба предварительных нагрева проделаем в одной печи, настроив соответствующие режиме в программе печи.
Максимальная производительность печи 100 кг/ч.
2. Определение времени нагрева.
Условия и соответственно методы расчета времени нагрева изделия зависит от того, к какой категории тел оно относится к теплотехнически « тонким » или « массивным ». Массивность тел определяется безразмерной величиной – критерием (числом) Био ( Bi )
Bi = αср · R ( S ) / λср (7.1)
где αср – средний коэффициент теплоотдачи на поверхности нагреваемого тела, Вт/ ( м2К);
λср – средний коэффициент теплопроводности нагреваемого тела, Вт/(мК);
R (S) – радиус ( толщина ) изделия, м.
Суммарный коэффициент теплоотдачи:
α = 0,03 · 3 ( Тср/100 )3 + 10 (7.2)
α = 25,3 Вт/( м2 К)
λ = 13,8 Вт/ ( м К )
Bi = 25,3 · 0,3 /13,8 = 0,55 – тело массивное
Bi = 0,55
Qповцентра = 0,3
F0 = 3,3
τ = F0 ·R2/а (7.3)
τ = 3,3 ·0,09/0,2826 = 1,1 часа.
Но у нас не одна протяжка будет, умножим на коэффициент 1,4: 1,1 · 1,4 = 1,54 ч.
3. Составление теплового баланса
В расходной части баланса учитывают следующие статьи:
Qпол- полезно затраченное тепло, Вт;
Qтары - полезно идущее на нагрев тары, Вт;
QКЛ - потери тепла через кладку печи, Вт;
QИЗД- потери тепла излучением через отверстия в футеровке, Вт;
QРАСХ = QПОЛ + QТАРЫ + QКЛ + QИЗЛ + QК.З + QН.
3.1. Определение полезной теплоты
QПОЛ =G·C· (t - t) / 3,6, (7.4)
где G - производительность печи, кг/ч;
с- средняя массовая удельная теплоёмкость нагреваемого металла, кДж/кг-к;
tM.K.- конечная температура металла, °С;
tM.H.- начальная температура металла, °С;
Qпол. = 120• 0,514·(850 - 20) /3,6 = 14,22 кВт.
3.2 Затраты тепла на нагрев вспомогательных устройств
Qтары =Gт·C*(t-t)/3.6 (7.5)
где Gт- масса тары, нагреваемая вместе с изделием;
Отношение массы тары к массе нагреваемого металла обычно составляет 0,2-0,5, принимаем 0,3;
Gт=120 · 0,3 = 36 кг
ст- средняя массовая теплоёмкость материала тары, кДж/кг-к;
tк tн- конечная и начальная температуры нагрева, °С.
QТАРЫ = 36 · 0,514(850 - 20) /3.6 = 4,3кВТ.
3.3 Тепловые потери через стенки печи
Qст = q ст · Fст (7.6)
Где qст - удельные тепловые потери
Fст – общая поверхность наружной стенки печи, м2
qст=( tп – to)/(δ/λ + 1/αст)
где tп и to- температуры внутренней поверхности футеровки печи и
окружающей среды,°С;
δ-толщина теплоизоляционного слоя стенки, м;
 - коэффициент теплопроводности слоя стенки, Вт/м·К
αст.- коэффициент суммарной теплоотдачи с внешней поверхности
стенки в окружающую среду, Вт/м ·К;
qст = (850 – 20)/ (0,190/0,520+1/1,63) =1,18;
Qст = 1,18 · 0,975 =1,1 кВт .
3.4 Потери теплоты через короткие замыкания
QK3 = 0,5 · QCT; (7.7)
QK3 = 0,5 · 1,1 = 0,55кВт.
3.5 Неучтённые потери тепла
QH = 0,2 · (QCT +QK); (7.8)
QH = 0,2 · (1,11+0,55)= 1,66 кВт.
3.6 Общая сумма расхода тепла печью
 Q расх= 30,51кВт
Результаты расчёта общей суммы представлены в табл. 4.
Общая сумма расхода тепла печью
Таблица 4.
Статьи расхода
Вт
%
Qпол
14,22
65,1
Qтары
4,3
19,8
Qст
1,1
5,0
QK3
0,55
2,5
Qн
1,66
7,6
Всего:
21,83
100
3.7 Статьи прихода энергии
Qприх. =  Qрасх; (7.9).
Qприх. = 21,83кВт.
4. Определение установленной мощности печи с учётом увеличения производительности:
Руст= к · РОБЩ,кВт; (7.10)
где к- коэффициент запаса, принимается в пределах 1 ,2- 1 ,6;
Робщ =  Qрасх. - общий расход теплоты, кВт; (7.11)
Руст = 1,6 · 21,83 = 35,0 кВт.
5. Технико-экономические показатели работы печи
К технико-экономическим показателям работы электрической печи относятся:
- производительность печи G = 120 кг/час
- коэффициент использования электроэнергии
ηкит = 1 – ψ (7.12)
где ψ – коэффициент потерь мощности во внешней сети;
η = 1- 0,016=0,894
- удельный расход электроэнергии на единицу выпущенной продукции
q=P · (1-ψ)/G (7.13)
q=35,0 · (1-0,016)/120=0,29
- термический коэффициент полезного действия;
ηтерм=(Qпол/Qэл) ·100% ; (7.14)
η=14,22/21,83 · 100%=65,1%.
Печь 3-х фазная. Мощность одной фазы равна:
Рф= 35 / 3=11, 7 кВт.
6. Определение времени разогрева печи
tp=Еакт /(Рср-Qп ср) (7.15)
где Еакт-полное количество энергии, аккумулированной за время разогрева печи, кВт/час
Рср - средняя мощность нагревательных элементов печи в период разогрева, кВт;
Qп ср -средние тепловые потери за время разогрева, кВт;
tр=21,83 / (35-11,7)=0,94 часа.
7. Расчет нагревательных элементов:
4.7.1 Расчет электродов печей-ванн:
В электродных печах-ваннах с опущенными электродами для нагрева изделия может быть использовано 70-85% общей поверхности ванны. Расстояние от низа электродов до дна тигля берется в зависимости от зазора между электродами и равняется:
мм, (7.19)
где Т- расстояние от поверхности соли до дна тигля в мм;
Н – высота погружения электрода от поверхности соли в мм;
S – зазор между электродами.
Зазор S = 18-25 мм.
Практикой установлено, что электроды можно нагружать так, чтобы плотность тока была 0,5-0,8 А/мм2 сечения электродов. Зная мощность, приходящуюся на пару электродов, и напряжение в ваннах (10-30 В), можно определить силу тока. Разделив силу тока на допускаемую плотность, получим площадь сечения электрода, а отсюда и диаметр. Допускаем, что условная плотность тока одинакова на всех участках этой поверхности ,
где f – условная плотность тока в А/см2;
Р – мощность, приходящая на одну пару электродов, в кВт;
l – рабочая длина электродов, см;
b – ширина электрода, см;
v – рабочее напряжение на ванне, 10В.
Из таблиц [13, стр.178], при мощности электродной пары 12 кВт – плотность тока сечения электрода: 86 А/см2, 30 кВт – 94 А/см2.
Очистку изделий от окалины производят в пескоструйных, дробеструйных аппаратах и в травильных ваннах. Еще работы по очистке проводят чугунным песком, не дающим пыли. Применяют гидравлическую очистку, при которой изделие очищают смесью, состоящей из 50% песка и 50% воды. Дробеструйная очистка принципиально не отличается от пескоструйной ни по устройству применяемого оборудования, ни по технологии очистки.
Более экономичным и эффективным является способ дробеметной очистки, при котором дробь диаметром 0,5-2,0 мм по трубе подают на лопатки вращающегося рабочего колеса и оттуда под действием центробежной силы дробь с большой скоростью выбрасывается на изделие.
Дробеструйную обработку применяют также для повышения усталостной прочности деталей машин.
Для очистки закаленных деталей от масла, передаваемых на промежуточный контроль и отпуск, необходима операция промывки в горячих водных растворах Na2CO3 или NaOH. Простейшей установкой для промывки является промывочный бак с подогревом раствора паром, который устанавливается в непосредственной близости закалочных баков. При небольших объемах производства, например, в инструментальных цехах, используют камерные моечные машины, в которые детали загружаются партиями и промываются подаваемым со всех сторон промывочным раствором. Время промывки в среднем составляет 3 – 4 мин.
Если промывке подвергают большое количество деталей применяют моечные машины конвейерного типа ММК, длиной от четырех метров. Детали помещают на сетчатый конвейер, движущийся со скоростью до 1 м/мин, и обильно поливают горячим раствором, подаваемым через трубы, расположенные над и под конвейером. Жидкость стекает в бак, фильтруется, подогревается и вновь может подаваться к деталям. Промывка обычно длится 4 – 8 мин.
В случае неудобства расположения деталей на конвейере применяют моечные машины толкательного типа ММТ, принцип промывки тот же.
Технические характеристики моечных машин
Таблица 5.
Тип моечной машины
Ёмкость, м3
Ширина конвейера, мм
Скорость движения конвейера, м/мин
Температура жидкости, 0С
Производительность, кг/ч
Габаритные размеры (ширина, длина, высота), м
ММК-400
1,2
400
0,75
90
250
1,7 х4,0 х2,25
ММК-600
1,2
600
0,75
450
1,7 х4,0 х2,25
ММК-800
2,2
800
-
2000
1,45 х4,5 х2,4
ММТ-600
0,58
600
-
350
1,8 х 2,4 х 1,65
ММТ-1200
0,8
1200
-
750
2,35 х 2,4 х 1,65
Моечные машины могут применяться как отдельное оборудование, а могут встраиваться в агрегаты для термической обработки. В последнем случае детали после промывки от закалочного масла падают на конвейер отпускной печи, либо в подставленную тару. Производительность моечных машин должна быть согласована с производительностью закалочной печи.
7. Проектирование участка термообработки протяжек