«Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Министерство образования Российской Федерации ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ (ВГЛТА) Кафедра технологии конструкционных материалов КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» Пояснительная записка ТКМ–23–0.00П3 Студент 234 группы Иммель Н.Н. Руководители курсовой работы доцент Высоцкий А. Г. старший преподаватель Миронов В. П. Воронеж 2003

Министерство образования Российской Федерации

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

(ВГЛТА)

Кафедра технологии конструкционных материалов

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Пояснительная записка

ТКМ–23–0.00П3

Студент 234 группы____________________Иммель Н.Н.

Руководители курсовой работы

доцент _________________Высоцкий А. Г.

старший преподаватель__________________Миронов В. П.

Воронеж 2003

ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ

УДК 621.78:

РЕФЕРАТ

Курсовая работа по учебной дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» 55с., 2 рис., 5 чертеж., 5 табл., 15 источников.

ДВИГАТЕЛЬ, КАРТЕР ШЕСТЕРЕН ДВИГАТЕЛЯ, ШКИВ ТОРМОЗНОЙ ЛЕБЕДКИ ТРАКТОРА ТДТ-55, ОТЛИВКА ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА, РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ

Цели курсовой работы:

– закрепление, расширение и углубление теоретических знаний по дис­циплине;

– получение навыков практического применения полученных теорети­- ческих знаний при самостоятельном творческом решении конкретных технологических задач;

– обучение самостоятельному пользованию специальной литературой - каталогами, книгами, справочниками, государственными стандартами, научно - производственными журналами, реферативной информацией и

др.

– получение навыков составления пояснительной записки и оформления иллюстративного материала (чертежей, схем, графиков) согласно дей- ствующим стандартам.

Раздел 1 технического задания на курсовую работу определяет две техно­логических задачи:

1 Обосновать выбор материала для изготовления картера шестерен двигателя трактора ТДТ-55.

2 Обосновать технологию термической обработки первичной заготовки детали.

Раздел 1 курсовой работы выполнен на основе сбора и анализа обширно­го материала, полученного при изучении специальной литературы

На основе анализа условий работы картера шестерен двигателя обоснована целесообразность применения чугуна СЧ 18 для изготовления картера шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55.

Первичная заготовка должна быть получена методом литья в песчаную форму. Отливки необходимо подвергнуть отжигу по режиму: нагрев до температуры 500...600°С, выдержка, охлаждение с печью. Контроль температуры в печи следует осуществлять с помощью термоэлектрического пирометра с использованием термопар ТХК–040Т. Контроль твердости после ТО проводится по методу Бринелля.

Из второго раздела технического задания определена одна задача: разработать технологический процесс изготовления отливок в разовой форме для шкива тормозной лебедки трактора ТДТ-55.

Технико – экономическая эффективность составила 77,5%, при этом масса отливки 19,64кг, масса стержня равна 7,82кг, масса формовочной смеси равна 70,9кг.

Из третьего раздела определена одна задача: рассчитать режимы резания при механической обработке отливок для шкива тормозной лебедки трактора ТДТ-55.

Для обработки заданной цилиндрической поверхности выбран проходной резец из твердого сплава ВК6, принятая подача равна 0,65 мм/об, скорость резания равна 76,61 мм/мин, сила резания равна 14,58 кгс, мощность резания равна 0,18 кВт, машинное время требуемое для всего технологического процесса 3,81 мин.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
...............................................................................................................7

Техническое задание
........................................................................................12

1 Обоснование выбора материала и технологии термической

обработки деталей машин лесного комплекса
..........................................16

1.1 Анализ условий работы детали...................................................................16

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали......................19

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной

заготовки и детали........................................................................................25

1.4Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения

термической обработки......................................................................................29

1.5Охрана труда в термических цехах..............................................................31

2 Разработка технологического процесса изготовления отливки

в разовой форме для деталей машин лесного комплекса
........................34

2.1 Обоснование выбора способа получения отливок...............................34

2.2 Чертеж детали......................... .................................................................34

2.3 Разработка чертежа отливки. ..................................................................34

2.3 Выбор плоскости разъема.........................................................................34

2.3 Определение припуска на механическую обработку......................... ...36

2.3 Определение минимально допустимой толщины стенок отливки......36

2.3 Определение радиусов галтелей и закруглений.....................................38

2.3 Определение формовочных уклонов.......................................................38

2.4 Разработка чертежа модели......................................................................38

2.5 Разработка чертежа стержня.....................................................................39

2.6 Определение массы отливки.....................................................................39

2.3 Выбор размеров опок.................................................................................42

2.3 Расчет элементов литниковой системы....................................................42

2.3 Разработка чертежа литейной формы в разрезе.......................................44

2.7 Определение массы стержня и формовочной смеси...............................46

2.8 Оценка технико-экономической эффективности....................................46

3 Определение режимов резания при механической обработке

отливок для деталей машин лесного комплекса ..........................................48

3.1 Выбор режущего инструмента......................................................................48

3.2 Выбор подачи ................................................................................................49

3.3 Определение скорости резания.....................................................................49

3.4 Определение силы резания............................................................................50

3.5 Определение мощности резания...................................................................51

3.6 Определение машинного времени................................................................51

Заключение
...........................................................................................................52

Список использованных источников
..............................................................54

ВВЕДЕНИЕ

В дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» изучают закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки, а также современные рациональные и распространенные в промышленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин [1,2].

Основная задача «Материаловедения. Технологии конструкционных материалов» состоит в правильности выбора материала, метода его упрочнения и снижения металлоемкости изделия при одновременном достижении наиболее высокой технико–экономической эффективности [2].

В машиностроении наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготавливается не менее 90 – 95% всех деталей машин и оборудования лесного комплекса. Широкое распространение железа и его сплавов связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью, высокими механическими и технологическими свойствами. Стоимость цветных металлов во много раз выше стоимости железа и его сплавов.

Чистые металлы в МОЛК практически не применяются, так как они обладают в структурном состоянии низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств. Наиболее широко используются сплавы. Сплавы получают с плавлением или спеканием порошков из двух или более металлов с неметаллами. Сплав может состоять из двух и более компонентов.

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств: высокой теплопроводностью и электропроводностью, термоэлектронной эмиссией, повышенной способностью и пластическим деформациям, как правило, высокой твердостью, прочностью и другими свойствами [2].

Для МОЛК конструкционные материалы расположены в следующей пропорциональности по массе:

– сталь – 88 – 96 % массы многих машин;

– чугун – 5 – 13 %;

– цветные металлы и их сплавы – 0,003 – 1,03 %;

– неметаллические материалы (пластмассы, резина, керамика, стекло и др.) – 0,02 – 0,08 %[1].

В автомобильной промышленности Российской Федерации используются: 26 сплавов алюминия; 22 сплава меди; 7 сплавов цинка и один сплав магния [3].

Фундаментальные методы в современной технологии конструкционных материалов характеризуется многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении [1].

Основным технологическим процессом, применяемым в лесном машиностроении является: обработка металлов давлением, которая основана на их способностях в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело внешних сил. Обработка металлов резанием – это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения определённых свойств. Методы отделочной обработки поверхностей – это полирование заготовок, абразивно–жидкая отделка, притирка поверхностей, хонингование.

Существуют различные способы обработки металлов давлением:

– прокатка – заключается в обжатии заготовки между вращающимися валками. В результате уменьшают поперечные размеры заготовки;

– прессование – заключается в продавливании заготовки, находящейся в замкнутой форме;

– волочение – заключается в протягивании заготовки через сужающуюся полость матрицы;

– ковкой изменяют форму, и размеры заготовки путем последовательного воздействия универсальным инструментом на отдельные части заготовки;

– штамповкой изменяют форму и размеры детали с помощью специализированного инструмента – штампа (для каждой детали изготавливают свой штамп);

– листовой штамповкой получают плоские и пространственные полые детали из заготовок, толщина у которых значительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса);

– горячая объемная штамповка – это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента – штампа.

Литейное производство – отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки;

Сварка – технологический процесс получение не разъёмных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическим деформировании, или совместным действием того и другого [1].

Универсальные автоматы и полуавтоматы обеспечивают высокую производительность труда. Для расширения технологических возможностей станков используют системы с числовым программным управлением (ЧПУ). Высшей формой организации работы станков с ЧПУ является создание комплексных автоматизированных участков с централизованным управлением от ЭВМ. Сильно повышает производительность внедрения автоматических линий – систем автоматически действующих станков, связанных транспортирующими средствами и имеющих единое управляющее устройство. Они разделяются на синхронные и несинхронные. Современные средства автоматизации могут быть рационально использованы, в массовом производстве. Возможность быстрого перенаправления оборудования в условиях серийного производства при изготовлении даже небольших партий заготовок обеспечивают даже небольших гибкие автоматические производства (ГАП). ГАП организуется на базе оборудования, управляемого ЭВМ с помощью программ. ГАП способствует увеличению производительности труда в условиях серийного производства, обеспечивает повышения качества продукции [4].

Одним из путей экономии металлов является увеличение производства качественных сплавов, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками. Применение таких сплавов, поможет получить экономический эффект как при изготовлении, так и при ремонте быстро изнашивающихся деталей машин путем их замены на более прочные, с увеличенным сроком службы [4].

Цели курсовой работы:

– закрепление, расширение и углубление теоретических знаний по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»;

– приобретение навыков практического применения полученных теоретических знаний при решении технологических задач, предусмотренных техническим заданием на курсовую работу;

– получение навыков самостоятельного творческого подхода к решению конкретных инженерных задач;

– обучение самостоятельному пользованию специальной и периодической литературой: каталогами, справочниками, стандартами, ТУ, нормами, научно-производственными журналами, реферативной информацией и другой литературой;

– выработка навыков оформления технической документации, составления пояснительной записки и оформления иллюстрированного материала (чертежей, схем, графиков) согласно действующего стандарта;

– овладение навыками использования современной вычислительной техники при решении конкретных инженерных задач;

– подготовка к более сложному этапу процесса обучения – защите дипломного проекта.

В целом техническое задание на курсовую работу определяет четыре технологических задачи, которые должен решить студент при выполнении курсовой работы.

Первый раздел определяет две задачи: обосновать выбор материала для изготовления заданной детали, обосновать технологию термической обработки первичной заготовки и самой детали.

Из второго раздела технического задания вытекает одна задача: разработать технологический процесс изготовления отливок в разовой форме для заданной детали.

Третий раздел определяет задачу: рассчитать режимы резания при механической обработке отливок для деталей машин лесного комплекса.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине

«Материаловедение. Технология конструкционных материалов
»

Студент 234
группы лесомеханического факультета

Иммель Н.Н.

Раздел 1 Обоснование выбора материала и технологии термической

обработки деталей машин лесного комплекса.

Вариант 28.

Исходные данные:

1 Тип машиностроительного производства – массовое.

2 Машина – трелевочный трактор ТДТ – 55.

3 Сборочная единица – двигатель СМД – 14Б.

4 Деталь – картер шестерен.

5 Метод получения первичной заготовки – литье в песчаную форму.

6 Материал детали – СЧ15.

7 Твердость материала после термической обработки – 163…229 НВ.

8 Условия работы детали:

– нагрузки – статические;

– среда – неагрессивная;

– максимальная рабочая температура – до 100°С.

Порядок выполнения раздела 1:

1.1 Анализ условий работы детали.

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали.

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной заготовки и детали.

1.4 Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения термической обработки.

1.5 Охрана труда в термических цехах.

Раздел 2 Разработка технологического процесса изготовления

отливки в разовой форме для деталей машин

лесного комплекса.

Вариант 68.

Исходные данные:

1 Тип машиностроительного производства – единичное.

2 Машина – трактор ТДТ–55.

3 Сборочная единица – тормозная лебёдка с карданным приводом.

4 Деталь – шкив.

5 Материал детали – СЧ 50.

Порядок выполнения раздела 2:

2.1 Обоснование выбора способа получения отливок.

2.2 Чертеж детали.

2.3 Разработка чертежа отливки.

2.3.1Выбор плоскости разъема.

2.3.2Определение припуска на механическую обработку.

2.3.3Определение минимально допустимой толщины стенок отливки.

2.3.4Определение радиусов галтелей и закруглений.

2.3.5Определение формовочных уклонов.

2.4 Разработка чертежа модели.

2.5 Разработка чертежа стержня.

2.6 Определение массы отливки.

2.6.1 Выбор размеров опок.

2.6.2 Расчет элементов литниковой системы.

2.6.3Разработка чертежа литейной формы в разрезе.

2.7 Определение массы стержня и формовочной смеси.

2.8 Оценка технико-экономической эффективности.

Раздел 3 Определение режимов резания при механической обработке

отливок для деталей машин лесного комплекса.

Вариант 68.

Исходные данные:

1 Тип машиностроительного производства – единичное.

2 Машина – трактор ТДТ–55.

3 Сборочная единица – тормозная лебёдка с карданным приводом.

4 Деталь – шкив.

5 Материал детали – СЧ 50.

6 Условия обработки отливки:

– глубина резания – t=1,1 мм;

– твердость 220 НВ;

– диаметр обрабатываемой поверхности d=275 мм;

– длина обрабатываемой поверхности l=80 мм.

Порядок выполнения раздела 3:

3.1 Выбор режущего инструмента.

3.2 Выбор подачи.

3.3 Определение скорости резания.

3.4 Определение силы резания.

3.5 Определение мощности резания.

3.6 Определение машинного времени.

Техническое задание выдано 10 сентября 2003г.

Дата защиты курсовой работы – 18 декабря 2003г.

Руководители курсовой работы

доцент Высоцкий А. Г.

ст. преподаватель Миронов В. П.

Техническое задание принял к исполнению

студент Иммель Н.Н.

1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА И ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАВОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

1.1 Анализ условий работы детали

На передней плоскости блока картера двигателя смонтированы картер распределительных шестерен и его крышка, между которыми расположены шестерни, осуществляющие привод всех механизмов и агрегатов двигателя, кроме электрогенератора, водяного насоса и вентилятора. Ведущей шестерней является шестерня, посаженная с натягом на носок коленчатого вала со шпонкой. Эта шестерня находится в зацеплении с двумя промежуточными шестернями.

Первая промежуточная шестерня является шестерней привода масляного насоса и приводит во вращение шестерню масляного насоса. Вторая промежуточная шестерня вращается на оси, запрессованной в переднюю стенку блока-картера двигателя, и входит в зацепление с двумя ведущими шестернями. Первая шестерня приводит во вращение кулачковый валик топливного насоса высокого давления. Вторая шестерня с помощью специального поводка, соединенного с этой шестерней приводит во вращение счетчик моточасов двигателя. Эта шестерня приводит также во вращение шестерню привода насоса гидросистемы[5].

Картер распределительных шестерен является корпусной деталью, с помощью которой смонтированы шестерни привода механизмов и агрегатов двигателя, поэтому он испытывает статические нагрузки при изменениях крутящего момента, передаваемого от двигателя.

Так как картер залит маслом, то среда, в которой находится картер распределительных шестерен, — не агрессивная. Температура при перегрузках может достигать значение до 100°С[5].

Длительная работоспособность трактора зависит от надежности и долговечности деталей и узлов. Надежность работы деталей во многом определяется сопротивлением материала распространению трещин, то есть его вязкостью разрушения. Это значит, что основное требование, предъявляемое к детали при эксплуатации — высокое сопротивление нагрузкам (статическим), чтобы не появились микротрещины, вырывы. Картер распределительных шестерен должен иметь статическую и усталостную прочность.

Прочность детали, и особенно усталостная, в значительной степени зависит от состояния поверхности и наличия в ней концентраторов напряжений. Надежность — свойство детали сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Долговечность — свойство детали сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности ее дальнейшей эксплуатации). Долговечность зависит от усталости, износа, коррозии детали[2].

Следовательно, существует комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей зависимости с эксплуатационными свойствами картера распределительных шестерен. К таким свойствам, повышающим предел выносливости, сопротивление контактной усталости, сопротивление износу, коррозии. К наиболее важным технологическим свойствам чугунных картеров относятся герметичность картера, износостойкость, работоспособность. Они определяют поведение чугуна при работе картера под давлением валов и шестерен[2,6].

Сопряженные поверхности картера с другими деталями должны иметь высокую износостойкость, минимальный коэффициент трения. Кроме того, картер распределительных шестерен должен иметь низкую себестоимость, а это связано с технологическими свойствами — литейные свойства и обрабатываемость резанием[7].

Износ, который определяет долговечность детали, представляет собой процесс удаления материала в результате многократного нарушения фрикционных связей, и поэтому, как правило, носит усталостный характер, особенно для деталей, находящихся в соприкосновении друг с другом. Эти разрушения происходят, несмотря на статические давления[6].

Износостойкость является одной из важнейших характеристик чугуна. При трении наряду с упругими деформациями происходят пластические и разрушаемые деформации — смятие и срез, а иногда и вырывание частиц. При трении подшипников о поверхность вала соприкасающиеся точки проходят серийно повторяющийся цикл, что вызывает контактную усталость и соответствующий износ.

Картер распределительных шестерен имеет износ при трении со смазкой (нижняя часть картера). Большое значение для износостойкости при трении со смазкой имеют количество, форма и расположение графита в структуре. Наилучшими формами являются среднепластинчатая, компактная и шаровидная. С размельчением графита износ увеличивается. Очень мелкие шаровидные включения уступают по своему влиянию на износостойкость среднему по величине пластинчатому графиту в сером чугуне.

При статическом нагружении чугун испытывает упругие деформации матрицы и обратимые деформации полостей, занятых графитом, причем интенсивность этих деформаций возрастает с увеличением нагрузки. Кроме упругих деформаций происходят остаточные деформации, которые обязаны своим происхождением пластичной матрице и полости графита. Эта деформация особенно резко проявляется на поверхности образцов, где она приводит к образованию трещин. Серый чугун имеет вязкий излом, происходящий по зернам (темный излом) и хрупкий. Но чаще комбинированный (частично вязкий, частично хрупкий).

Характерным дефектом картера распределительных шестерен являются трещины, обломы, срывы резьб в резьбовых отверстиях и износ посадочных поверхностей в отверстиях под подшипники. Иногда наблюдаются случаи износа поверхности картера торцом блока шестерен заднего хода[6].

Очаг разрушений обычно возникает вблизи поверхности, которая как наиболее нагруженная часть детали претерпевает микродеформацию, я затем образуется микротрещина. В чугунах включения графита, сульфида, фосфата не разрушаются, а служат препятствием для дальнейшего распространения трещины, выполняя функцию ингибирования, и требуют дополнительной энергии для своего разрушения или вырывания. Форма графита и его распределение в чугуне определяют отличие в поведении чугуна от стали при разрушении[8].

Самый большой износ картера шестерен — это деформация поверхностей. Несоосность осей посадочных отверстий подшипников в картере можно объяснить деформацией картера, происходящей вследствие действия реакций в опорах, возникающих при передаче окружных усилий шестернями.

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали

Отливка картера шестерен двигателя СМД-14Б получается методом литья в земляную форму. Для получения качественной отливки необходимо применять материал с высокими литейными свойствами. Кроме того, материал отливки должен необходимые эксплуатационные требования. Для картера шестерен, испытывающего при работе статические нагрузки, наиболее подходящим является серый чугун.

Серый ферритный чугун СЧ 15 применяется в двигателе СМД-14Б,

СЧ 18 в двигателе СМД-60 и СЧ 20 в двигателе трактора ТТ-4[9].

За рубежом в тракторостроении применяется серый чугун G 20 (США)[7].

При выборе оптимальной марки чугуна необходимо исходить из требований, которым должен удовлетворять серый чугун: достаточная механическая прочность, способная противостоять статическим нагрузкам; хорошие литейные свойства, позволяющие получить отливку сложной формы; хорошая обрабатываемость резанием, допускающая механическую обработку на автоматических линиях в массовом производстве; невысокая стоимость чугуна и входящих в него компонентов. В соответствии с перечисленными требованиями необходимо при выборе оптимального чугуна провести сравнительный анализ СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20 и G 20 по химическому составу, механическим и технологическим свойствам.

В таблице 1.1 показан химический состав серых чугунов, применяемых для изготовления картера шестерен[10].

Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими Fe, C, Si, Mn и небольшие примеси серы и фосфора.

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды Cr, Ni, и Cu. Так в СЧ 15 на ХТЗ находится 0,058% Cr, в СЧ 15 отлитом на ЛТЗ – 0,17% Cr и 0,2% Ni[7].

Таблица 1 – Химический состав рекомендуемых серых чугунов для изготовления картера шестерен

Марка чугуна	Массовая доля элементов
	C	Si	Mn	P	S	Другие
СЧ 15	3,5…3,7	2,0…2,4	0,5…0,8	0,2	0,15	–
СЧ 18	3,4…3,6	1,9…2,3	0,5…0,7	0,2	0,15	–
СЧ 20	3,3…3,5	1,4…2,2	0,7...1,0	0,2	0,15	–
G 20	3,45	2,0	1,3	0,1	0,01	0,15 Cr 0,15 Ni

Содержание углерода в СЧ 15 от 3,5 до 3,7% и кремния от 2,0 до 2,4%, в СЧ 18 меньше (3,4…3,5% C и 1,4...2,2% Si) еще меньше в СЧ 20 (3,3…3,5% C и 1,4…2,2% Si). В СЧ 20 находится до 1% марганца. В чугуне G20 содержание углерода и кремния находится на уровне СЧ 20, но марганца повышено до 1,3%, а серы и фосфора снижено до 0,1%.

Надежность и долговечность картера шестерен зависит от механических и технологических свойств материала, из которого он изготовлен. В таблице 1.2 показаны механические свойства чугунов при сжатии, растяжении, изгибе и кручении[7].

Прочностные свойства чугуна (σв, σс, τв, σu ) определяются характером его структуры, которая в свою очередь, зависит от химического состава и ус-

ловий охлаждения чугуна в литейной форме.

Таблица 1.2 – Механические свойства чугунов

Марка чугуна	При растяжении
	σв, МПа	HB			Е •,МПа			δ, %			,МПа
СЧ 15	117	163...229			70			0,2...1,0			60
СЧ 18	176	170...241			80			0,2...1,0			70
СЧ 20	196	170...241			85			0,4...0,6			90
Марка чугуна	При сжатии								При кручении
	, МПа		φ, %			, МПа			, МПа			, МПа
СЧ 15	600		40			80			280			70
СЧ 18	800		35			90			300			80
СЧ 20	850		30			120			300			100
Марка чугуна	При изгибе						КСU, Дж/			φ, % при вибрации под нагрузкой
	, МПа			, МПа
СЧ 15	300			62			60			30...32
СЧ 18	360			66			50			30...33
СЧ 20	400			67			40			30

Прочность серого чугуна определяется, прежде всего, его металлической основой. Такие свойства как σв, ударная вязкость (КСU), длительная прочность зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитных включений.

Прочность серого чугуна зависит от вида нагружения: при растяжении σв имеет наименьшее значение; наибольшее значение прочности серые чугуны имеют при сжатии. При кручении τв и изгибе σu ниже, сжатии, но выше чем при растяжении. Усталостная прочность характеризуется по пределам выносливости (σ-1, τ-1, σ-1С и σ-1u), значения которых почти равны при различных видах нагружения (таблица 1.2). От предела выносливости зависит долговечность картера шестерен.

Пластические свойства ферритных чугунов СЧ 15 и СЧ 18 зависят от вида нагруженного состояния: при сжатии φ наиболее высокое, при кручении и изгибе пластичность меньше и при растяжении еще меньше (δ = 0,2...1,0).

Ударная вязкость выявляет склонность к хрупкому разрушению и определяется работой распространения трещины, чем больше KCU, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. Ударная вязкость серого чугуна зависит от пластичности[2].

Твердость чугуна почти полностью зависит от структуры металлической основы, а модуль упругости зависит от графита[10].

Физические свойства серого чугуна (плотность, тепловые свойства) зависят от состава и структуры, а именно от марки чугуна (таблица1.3). Наименьшая плотность у СЧ 15 и большая и СЧ 20. Это объясняется тем, что у СЧ 20 уменьшается содержание углерода и графита. В жидком состоянии плотность можно принять для серого чугуна γ = 6,7..7,1 г/.

Коэффициент линейного расширения (α), теплоемкость (с) и теплопроводность (λ) зависят также от состава и структуры чугуна, но главным влияющим фактором является температура, с повышением которой с и α увеличиваются, а λ понижается[6].

Таблица 1.3 – Физические свойства серых чугунов, применяемых для изготовления картера шестерен

Марка чугуна	γ, г/	, 1/ºC	, калл/(см•с•ºC)	, Дж/кг•ºC	tл, ºС
СЧ 15	7,0	10...11	0,11...0,13	586...628	1160...1200
СЧ 18	7,2	10...11	0,11...0,13	586...628	1160...1200
СЧ 20	7,0...7,2	10...11	0,10...0,12	586...628	1200...1240

Коррозионная стойкость серого чугуна повышается по мерее измельчения графита и уменьшения его количества, при однофазной структуре матрицы, а также при уменьшении Si, S и P. В чистой атмосфере металла составляют 0,025 мм/год, в городской атмосфере – 0,125 мм/год, в воде – < 0,125 мм/год, в почве – 0,13...0,60 мм/год. Термостойкость серого чугуна определяется механическими свойствами, теплопроводностью и коэффициентом расширения. Чем больше α, δ и σв, меньше Е, тем выше термостойкость[6].

Технологические свойства – обрабатываемость чугуна определяются его составом и структурой. Обрабатываемость серого чугуна связана с его твердостью НВ обратной зависимостью. Присутствие графита при механической обработке делает структуру ломкой и давление на инструмент уменьшается. Обрабатываемость оценивается стойкостью инструмента или по эквивалентной скорости резания. При 150 НВ – Vэкв = 1,0; при 180 НВ – Vэкв = 0,65 и при 200 НВ – Vэкв = 0,55[6].

Литейные свойства характеризуются по жидкотекучести, которая определяется по спиральной пробе, отливаемой в песчаной форме. Жидкотекучесть (λж) повышается с увеличением углеродного потенциала и температуры заливки. Чем ниже марка чугуна и выше содержание P, тем больше λж. При высоком значении λж уменьшается вероятность образования спаев, газовых раковин, усадочной пористости[6].

На механические свойства влияют графитные включения. Наличие пластинчатого графита в сером чугуне делает его практически не чувствительным к надрезам, что позволяет ему конкурировать с более прочной сталью по сопротивлению усталости и пределу выносливости.

Графитные включения оказывают сильное влияние на прочность при изгибе. Благодаря большому количеству надрезов металлической основы графитными включениями серый чугун имеет хорошую демпфирующую способность, возрастающую с повышением числа включений графита. Углерод в виде графита оказывает большое влияние на поведение картера шестерен при трении и на величину износа.

Необходимая прочность и твердость серого чугуна достигается изменением содержания углерода и кремния. Структура серого чугуна в первую очередь зависит от суммарного содержания углерода и кремния. Углерод и кремний способствуют графитизации чугуна. Чем меньше содержание углерода, тем меньше графита и выше прочность чугуна. При увеличении содержания связанного углерода увеличивается σв, НВ, Е. При увеличении содержания Si общая твердость чугуна уменьшается[7].

Марганец положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию.

Сера – вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугуна и повышает склонность к образованию трещин.

Учитывая химический состав, механические, технологические и физические свойства можно отметить, что СЧ 1

5 содержит большее количество углерода и кремния, следовательно, прочность СЧ 15 меньше, чем СЧ 18 и СЧ 20, но жидкотекучесть СЧ 15 выше, чем СЧ 18 и СЧ20. Кроме того, СЧ 15 имеет выше пластичность при сжатии и ударную вязкость. Однако, при более низкой твердости серый ферритный чугун СЧ 15 обладает более низкой износостойкостью, чем СЧ 18 и СЧ 20.

Серый чугун СЧ 18 и СЧ 20 имеют одинаковую твердость, предел прочности при кручении и пластичность при вибрации. Но СЧ 18 имеет хорошие механические свойства при высокой пластичности при сжатии (φ = 35%) и достаточно высокой усталостной прочности (σ-1 = 70 МПа, σ-1С = 90 МПа, τ-1 = 80 МПа и σ-1u = 66МПа). Серые чугуны СЧ 18 и СЧ 20 имеют одинаковую износостойкость, но СЧ 20 более хрупкий, чем СЧ 18 и СЧ 15, его ударная вязкость KCU = 40 Дж/.

Демпфирующая способность у СЧ 15 и СЧ 18 одинаковая и выше чем у СЧ 20.

Для картера распределительных шестерен, испытывающего при работе статические нагрузки, целесообразно рекомендовать серый чугун СЧ 18, который обладает хорошим комплексом прочностных и технологических свойств, обеспечивающих надежность и долговечность детали. Отливка из СЧ 18 имеет низкую стоимость, способна выдерживать значительные статические нагрузки. Серый чугун СЧ 18 имеет хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием. Отливка картера шестерен из СЧ 18 не склонна к короблению и трещинообразованию. Наличие в структуре этого чугуна свободного углерода в виде пластинчатого графита придает ему хорошие эксплуатационные качества[7].

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной заготовки и детали

Первичная заготовка картера шестерен получается методом литья в песчаную форму. После охлаждения отливку выбивают из опок, осуществляют очистку, обрубку и зачистку отливок.

Очистка отливок дробью основана на абразивном и скалывающем действии потока дроби на поверхностный слой отливки, покрытой коркой пригара и окислов.

Обрубка отливки проводится воздушно-дуговой резкой (наиболее широко применяется чугунных отливок).

Зачистка отливок производится шлифовальными кругами (абразивная обработка), металлическими (зачистка трением) и металлическими с подводом электрического тока (электроконтактная зачистка)[6].

В отливке в процессе затвердевания и последующего охлаждения возникают напряжения, которые классифицируются как механические, температурные, фазовые. Причем некоторые из них являются временными, другие остаточные. Возникающие напряжения являются причиной образования горячих и холодных трещин и искривления отливок.

Механические напряжения возникают в отливках вследствие препятствий ее усадке со стороны формы или стержня.

Термические напряжения возникают при неравномерном распределении температур в отливке, что определяется геометрической формой отливки[6].

Фазовые напряжения и деформации образуются в отливке, если сплав претерпевает структурные или фазовые превращения. В чугуне — при перлитном превращении, при котором объем остывающего сплава увеличивается. Кроме того, в сером чугуне из-за разного коэффициента термического расширения графита и металлической основы при охлаждении возникают структурные напряжения[10].

Величина остаточных напряжений зависит от конфигурации отливки, технологии ее заливки и условий охлаждения. С увеличением прочности увеличивается величина остаточных напряжений.

Значительно снизить остаточные напряжения, стабилизировать размеры и повысить прочность отливок можно только отжигом при 500...600°С. Остальные методы стабилизации размеров (силовое нагружение, вылеживание, отжиг при 200°С) на прочность практически не влияют[6].

Отжиг при 500...600°С производится в печах и состоит в нагреве отливок до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью. Стабилизация размеров достигается в основном за счет резкого снижения остаточных напряжений, имеющихся в отливке.

Скорость нагрева выбирается максимально возможной и ограничивается только опасностью разрушения отливок σт, складывающихся из имеющихся в отливках σост. Обычно нагрев происходит со скоростью от 50 до 150 °С/час.

Температура отжига назначается максимально допустимой из условия, чтобы после отжига отсутствовало снижение твердости металла.

Время выдержки при t отжига должно составить 2...4 часа. Как меньшее, так и большее время выдержки ухудшает процесс стабилизации размеров отливок. Время выдержки отсчитывается от момента прогрева наиболее массивных участков отливки до заданной температуры. Продолжительность прогрева зависит от многих факторов (типа печи, конфигурации отливок, их расположения в печи) и определяется экспериментально.

Охлаждение до 350°С должно производится медленно, чтобы в отливках не возникали новые напряжения. Скорость охлаждения в интервале 600...350°С рекомендуется 30...60°С/час. В интервале 350...200°С охлаждение должно быть 30°С/час, чтобы уменьшить коробление отливок. Ниже 200°С охлаждение любое.

На рисунке 1.1 показан график отжига картера шестерен из СЧ 18; на рисунке 1.2 – схема микроструктуры СЧ 18 после отжига.

τ, с

Рисунок 1.1 – График отжига отливки картера шестерен из СЧ 18

Структурные превращения при отжиге в СЧ 18:

нагрев

охл до 350°С

Ф + П + Гпл Ф + П + Гпл Ф + П + Гпл

Vох =50°С/ч

охл.

Ф + П + Гпл Ф + П + Гпл

Vохл = 30°С/ч

воздух

В отливках из СЧ 18 могут быть различные дефекты: усадочные, поверхностные, включения, разрывы сплошности металла, приливы, искажение формы и размеров, несоответствие свойств, структуры и состава.

Усадочные дефекты — концентрированные раковины, макро- и микропористость, утяжины — являются следствием изменения размеров,

Рисунок 1.2 – Схема микроструктуры Ф + П + Гпл

а значит и объема, то есть так называемая усадка металла в процессе затвердевания.

К поверхностным дефектам относятся нагар (слой формовочного материала на поверхности), складчатость, сетевидная пористость (вытянутые раковины с гладкими стенками).

К включениям относятся шлаковые включения — неметаллические включения, наличие в отливках частиц чугуна, отличающихся от основного металла, черные пятна — неметаллические включения, преимущественно на горизонтальных плоскостях и верхних частях отливки[6].

К разрывам сплошности металла относятся, горячие, холодные, термические трещины из-за разницы в температурах различных частей отливки при быстром охлаждении после выбивки.

К приливам относятся залив, подутость, обвал, подрыв, обжим, задир.

Искажение формы и размеров происходит при недоливе. Коробление (искажение) из-за возникновения в отливке значительных напряжений при охлаждении.

Перекос из-за неточной сборки модельного комплекса.

Отбел — образование структуры белого чугуна из-за повышенного содержания C и Si[6].

1.4 Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения термической обработки.

Для выбивки отливки из опок и стержней из отливок применяется установка, состоящая из четырех или шести решеток модели 428С, устанавливаемых на общей фундаментной раме.

Очистка отливок дробью основана на абразивном и скалывающем действии потока дроби на поверхностный слой отливки, покрытой корочкой пригара и окалины. Применяют дробеструйную очистку. Для дробеструйной очистки применяются дробеструйные аппараты модели 234М, в которых дробь с помощью сжатого воздуха направляется на очищенную отливку со скоростью до 20...80 м/с[6].

При дробеструйной очистке дробь на очищенную отливку подается с помощью дробеметного аппарата (модели 2М 392), имеющего вращающееся рабочее колесо с лопатками, на которые дробь попадает с помощью распределительного колеса.

Обрубка отливок производится с помощью воздушно-дуговой резки или пневматическими рубильными молотками.

Зачистка отливок проводится на шлифовальных кругах.

После зачистки отливка поступает в печь толкательного типа ст 3. – 6.48.4/7 — электропечь сопротивления непрерывного действия с максимальной температурой 750°С[11].

Картеры загружаются на поддоны, которые передвигаются внутри печи посредством толкателя, действующего от электродвигателя, гидравлического или пневматического механизма. Толкатели печей приводятся в действие кнопочным управлением у загрузочного конца печи через определенный интервал времени, который рассчитывается из общего времени пребывания деталей в печи[12].

Для загрузки и выгрузки печей и для перемещения обрабатываемых деталей по технологическому циклу применяется в термических цехах различные подъемно-транспортные средства — ручные и электрические тали и поворотные консольные краны.

Температуру в печах (свыше 500°С) измеряют термоэлектрическим способом. Этот способ основан на явлении возникновения электродвижущей силы в месте соединения двух проводников из различных металлов или сплавов, составляющих термопару. Величина электродвижущей силы зависит от материала термоэлектродов, от температуры горячего спая термопары (рабочий конец) и холодного спая — свободных концов термопары, которые присоединяются к милливольтметру. Термопара и милливольтметр составляют прибор — пирометр. В печи для отжига — термопара хромель-копелевая ТХК-040Т (до 600°С)[12].

Обеспечение высокого качества отливок требует строгой системы контроля как исходных материалов и всего технологического процесса, так и получаемых отливок. Контроль качества термически обработанных деталей осуществляется как во время изготовления детали, так и после окончания всех операций. Контролируется качество структур, твердость, механические свойства по образцам или по выборочным деталям. Твердость определяется сопротивлением испытуемого образца вдавливанию в него закаленного стального шарика на приборе Бринелля. Металлографический контроль проводят методом макро- (анализ структуры излома невооруженным глазом: трещины, газовые пузыри, ликвацию и т. п.) или микроанализа (анализ структуры с помощью оптического или электронного микроскопа)[11].

Разработаны косвенные методы определения механических свойств и микроструктуры, основанные на применении ультразвука и электромагнитных колебаний.

Поверхностные дефекты на чугунных отливках наиболее удобно выявлять капиллярными методами. Сущность метода заключается в заполнении мелких невидимых невооруженным глазом дефектов, окрашенными или люминесцирующими жидкостями с последующим удалением этих жидкостей с поверхности детали и нанесением проявительного слоя специальной краски или порошка, который экстрагирует оставшуюся в полости дефекта жидкость и вызывает контрастное выкрашивание поверхности[6].

Внутренние дефекты в отливке выявляются либо методами проникающей радиации, либо акустическими методами[6].

1.5 Охрана труда в термических цехах

Оборудование термических цехов должно располагаться в соответствии с общим направлением основного грузопотока. Расстояние между оборудованием и стенами цеха должно быть не менее 1 м.

В таблице 1.4 приводятся допустимые расстояния между различными видами оборудования. Такие виды оборудования, при работе с которыми происходят вредные выделения (дробеструйные аппараты, травильные установки, установки для приготовления твердого карбюризатора, а также опасные в пожарном отношении установки), должны быть установлены в помещениях, изолированных от печных пролетов [13].

Таблица 1.4 – Рекомендуемое расстояние между видами оборудования

Наименование оборудования

Расстояние, м

Крупное оборудование: толкательные и конвейерные печи Крупные камерные печи с выдвижным подом, с шарами и т. п. (для обработки штампов, литья, поковок и т. д.) Некрупное универсальное печное оборудование для термообработки изделий в инструментально-термических цехах и отделениях Высокочастотные установки при размещении их в потоке механической обработки Закалочные ванны малые Закалочные ванны для охлаждения крупных деталей

3,0 1,5–3,0 1,0–1,5 1,5 1,0 (от печей) 1,5–2,5 (от печей)

Системы отопления и вентиляции должны обеспечивать в производственных помещениях температуру согласно данным таблицы 1.5.

Вентиляция в термических цехах и отделениях должна обеспечиваться: естественным проветриванием помещений, устройством общих приточно-вытяжных систем; устройством отсосов непосредственно в местах установки оборудования и на местах, где выделяются вредные пары, газы и пыль [13].

Таблица 1.5 – Допустимая температура в производственных помещениях

Наименование помещения	Расчетная температура, °С
	в холодный период года	в теплый период года
Склады металла Печные залы Травильные отделения Отделение очистки металла Кабины крановщиков	не нормируется +15 +18 +18 +20	Не более чем на 5°С выше наружной

Основными вредными и опасными производственными факторами литейного производства являются запыленность и загазованность литейных цехов, особенно в производстве отливок в песчаные формы. Длительное воздействие пыли и газов может привести может привести к ухудшению здоровья работающих.

При организации работ необходимо полностью исключить опасность поражения электрическим током. Основные меры защиты от поражения электрическим током при проведении работ в литейном или термическом цехе следующие: тоководящие части оборудования должны быть недоступны для случайного прикосновения, устранения возможности поражения при появлении напряжения на корпусе оборудования.

Источники пыли, вредного газа и пара изолируются и снабжаются местной вентиляцией.

Рабочий в термическом цехе должен работать в спецодежде и в рукавицах, чтобы не получить ожог от горячего материала. Работать обязательно в темных очках.

Чтобы свести до минимума возможность производственного травматизма и профессиональных заболеваний, необходимо проводить обучение рабочих основам гигиены и техники безопасности. Поступающий на предприятие рабочий, независимо от того на каком участке он будет работать, получает вводный инструктаж. Его знакомят с основными мерами по охране труда. В цехе на рабочем месте вновь принятый рабочий получает основной инструктаж, подробно знакомящий его с условиями труда и обучающий технике безопасности с показом безопасных приемов труда на рабочем месте[11].

2 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ В РАЗОВОЙ ФОРМЕ ДЛЯ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

2.1 Обоснование выбора способа получения отливок

Сложные и фасонные заготовки можно получить путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки. При охлаждении металл затверде­вает и образует отливку.

2.2
Чертеж детали

Конструкция и размеры детали показаны на чертеже 2.1.

Заданная деталь – шкив тормозной лебедки трактора ТДТ-55.

2.3 Разработка чертежа отливки

Основой для разработки чертежа отливки служит чертеж детали. Разработку начинают с анализа технологичности отливки, требований к наиболее ответственным ее частям, свойств используемого сплава и т. д. Поверхности, предназначенные для механической обработки должны иметь знак обработки (Ö).

2.3.1 Выбор плоскости разъема

Технологичность получения отливки определяется правильности выбора плоскости разъема. Разъем литейной формы целесообразно совместить с разъемом модели. Шкив тормозной лебедки отливается в двух опоках. Линия разъема показана на чертеже и делит его на две неравные части. Большая по габаритам часть размещается в нижней опоке. На чертеже отливки (чертеж 2.2), показан штрих пунктирной линией, заканчивающий знаками «х-----х», а направление разъема – сплошной основной линией (со стрелками), перпендикулярной линии разъема.

Положение отливки в форме при заливке обозначают буквами В (верх) Н (низ). Наиболее ответственные поверхности отливки располагают в нижней части формы или вертикально, т.к. в верхней части формы скапливаются газы, неметаллические включения, что способствуют появлению газовых раковин.

2.3.2 Определение припусков на механическую обработку

Припуски на механическую обработку наносят на чертеж там, где стоят знаки механической обработки (Ö).

Припуски назначаются на посадочные внутренние цилиндрические поверхности, а также на торцевые поверхности. На чертеже 2.2 припуски указаны сплошными тонкими линиями.

Величина припусков зависит от габаритных размеров обрабатываемой поверхности, и от положения ее при заливке. Величину припуска определяем по таблице . Припуски на нижние и боковые поверхности – 3мм, на верхние – 3,5мм. Припуски на верхние поверхности увеличены из-за неметаллических включений, пузырьков газа, всплывающих на поверхность жидкого металла.

2.3.3 Определение минимально допустимой толщины стенок отливки

2L+b+h 3

Минимальная толщина стенки, которая может быть получена данным способом литья, зависит от жидкотекучести металла и габаритных размеров отливки. Поэтому минимальную толщину стенки детали проверяют на минимальную допустимую толщину стенки отливки S, которая зависит от параметра N, учитывающие габаритные размеры отливки. Параметр Т определяется по формуле: N = , м,

2*0,275+0,275+0,080 3

где L – наибольший размер отливки; b и h – соответственно ширина и высота отливки, м.

N= = 0,541 (м).

Зная параметр N =1, по таблице определяем минимальную допустимую толщину стенки отливки Smin =8мм, по чертежу конструктивная минимальная величина Smin =12,5мм; 12,5>8, следовательно, заливка металла в форму будет хорошая.

2.3.4 Определение радиусов галтелей и закруглений

S 1 + S 2 2

Сопряжение стенок отливки, так же как и модели, должны быть плавными, т.е. скругленными. Скругления внутренних углов называют галтелями, наружных – закруглениями. Галтели и закругления облегчают удаление модули из формы, уменьшают возможность появления трещин и усадочных раковин в отливках. Величину радиуса галтели (закругления) определяют по формуле: r =(1/3…1/5)× , мм, где S1 и S2 – толщины сопрягаемых стенок отливки, мм.

2.3.5 Определение формовочных уклонов

Формовочные уклоны назначают в тех случаях, когда деталь не имеет конструктивных уклонов, обеспечивающих свободное извлечение модели из формы. Существует три возможных варианта выполнение уклонов: путем увеличение размеров отливки («в плюс») на обрабатываемую поверхность сверх припусков на механическую обработку; путем одновременного увеличения и уменьшения размеров отливки («в плюс–минус») на не обрабатываемых поверхностях, которые не сопрягаются с другими деталями, или при толщинах стенок не более 12мм; путем уменьшения размеров отливки («в минус») на необрабатываемых поверхностях, сопрягаемых с другими деталями, или при толщинах более 12мм.

2.4 Разработка чертежа модели

Модель – это приспособление, с помощью которой получают полость в форме с размерами, близкими к размерам отливки.

При разработке чертежа модели за основу принимают форму и размеры отливки и увеличивают на величину литейной усадки (ВЧ– 50–1%).

В единичном производстве модели изготавливают из древесины.

Модель имеет стержневые знаки, которые служат для получения в формовочной смеси полости, в которые укладываются и центрируются стержни. Конструкция и размеры модели показана на чертеже 2.3.

2.5 Разработка чертежа стержня

Стержни служат для образования в отливках отверстий и внутренних полостей. В единичном мелкосерийном производстве литейные стержни изготавливают в стержневых ящиках ручным способом.

К основным элементам конструкции стержня относят знаковые части, которые служат для установки стержня в форме и обеспечивают его фиксацию. Величина стержневых знаков определяется по таблице 4.7а. Формовочные уклоны на знаковых частях стержня принимают в пределах от 6 до 10°. Числовые значения размеров стержня показаны на чертеже 2.4 [14].

2.6
Определение массы отливки

Масса отливки определяется по формуле: Q =V×r, где V – объем, м3
; r –плотность металла, кг/м3
.

Для расчета объема отливки, разобьем ее на несколько частей цилиндрической формы. Затем по формуле Vц =pR2
h найдем объем каждой цилиндрической части и сложим все полученные объемы: Vотл = Vа+Vв+Vс = ((V1 –V2)+ (V3 –V4) + (V5 –V6)) =((pR2
1h1 – pR2
2h2)+ (pR2
3h3 – pR2
4h4)+ (pR2
5h5 – pR2
6h6)) =((3,14×0,14352
×0,0905 – 3,14×0,1252
×0,0905)+(3,14×0,1252
×0,026 – 3,14×0,09752
×0,026)+(3,14×0,09752
×0,052–3,14×0,0682
×0,052))=0,0014+0,0005 +0,00079 = 0,00269 (м3
); Q = 0,00269×7300 = 19,64 (кг).

2.6.1 Выбор размеров опок

Применяемые в литейных цехах опоки изготавливают из стали, чугуна, алюминиевых сплавов и в некоторых случаях в условиях индивидуального производства из древесины.

Прежде чем выбрать размеры опок, следует определить место расположения литниковой системы и по таблице принять расстояния между элементами модели, литниковой системы и стенками опок. Полученные размеры опок округляют и из таблицы 4.9 выбирают внутренние размеры опок l=450мм; b=450мм; h=250мм, где l;b;h – длина, ширина и высота [14].

2.6.2 Расчет элементов литниковой системы

Литниковая система – это система каналов, предназначенная для подвода расплавленного металла и полость литейной формы и пита­ния отливки при затвердевании.

Основными элементам и литниковой системы являются литниковая чаша или воронка, стояк, шлакоуловитель, питатель, выпор.

Литниковая чаша предназначена для приема жидкого металла из ковша и удержания шлака, попавшего вместе с металлом в чашу. Стенки чаши выполняются под углом 45º, а дно перед входом в стояк имеет возвышение (порожек).

Литниковая воронка представляет собой расширение верхней части стояка и предназначена для приема жидкого металла.

Литниковый стояк – вертикальный канал для подачи жидкого металла из чаши к другим элементам системы. Стояк выполняют в верхней полуформе с конусностью до 5º.

Шлакоуловитель служит для распределения металла из стояка по питателям и улавливания шлаков, движущихся вместе с жидким металлом. Он имеет трапецеидальную форму и расположен в верх­ней полуформе. Питатель – это литниковый канал предназначен для подвода жидкого металла в полость формы. Питатель выполняют по разъему в нижней полуформе.

Выпор предназначен для выхода газов из полости формы, пита­ния отливки при затвердевании и облегчения контроля заполнения формы. Количество выпоров зависит от размеров и конфигурации отливки, а устанавливают их в самых высоких точках верхней полуформы. Выпор имеет конусность до 5º с сечением у основания ½ ­– ¼ сечения стенки отливки.

Припыль является добавочной частью отливки, служащей для ее питания в процессе затвердевания и для предотвращения появления в отливке усадочных раковин. Остальные функции припыли те же, что и выпора.

Литниковая система оказывает существенное влияние на каче­ство отливки и расход металла.

Q×106 rtmÖ2g×Hр

Вначале рассчитывается наиболее узкое сечение литниковой системы. Для сужающей системы, наиболее часто используемой при литье в песчаные формы, узким сечением является питатель, сум­марная площадь которого определяется по эмпирической формуле:

SFmin = , мм2
;

где t - продолжительность заливки, с; m - коэффициент расхода металла: для чугунного литья 0,27 – 0,55; g – ускорение свободного падения, м/c2
(g=9,83 м/c2
); Hр
– расчетный напор, м.

Так как продолжительность заливки и расчетный статический напор нам известны, то найдем сначала две величины: продолжительность заливки формы t, с для отливки массой до 450 кг определяют по формуле: t= кÖQ , с где к – коэффициент, учитывающий толщину стенки отливки S, мм:

t = 2,2Ö19,64 =9,7 (с).

Расчетный напор зависит от размеров отливки, верхней опоки расположения питателей и должен быть минимальным, но достаточным для предупреждения брака отливок по недоливу:

Нр
=(Нст
– hb
/2ho
)×103
,м;

где Нст
– максимальный напор, мм (высота верхней опоки);

hb
– высота над уровнем питателей, мм;

ho
– полная высота отливки, мм.

Нр
=(119,3 – 59,3/2×91,4)×0,001 =0,118 (м).

Теперь находим суммарную площадь питателя:

SFmin = 19,64×106
/7,3×103
×9,7∙ 0,4Ö2×9,83×0,118 = 455,95 (мм2
).

Площадь каждого питателя равна:

Fпит
= SFmin
/2; Fпит
=455,95/2 =227,975 (мм3
).

Площади остальных элементов литниковой системы определяются из следующих соотношений для чугунных отливок: Fст
: Fшл
: Fпит
= 1,15:1,1:1,0

Fст
= Fпит
×1,15; Fст
= 227,975×1,15 =262,17 (мм2
);

Fшл
= Fпит
×1,1; Fшл
=227,975×1,1 =250,77 (мм2
).

После размеров элементов литниковой системы необходимо выбрать их конструкции. Литниковая чаша правильной формы тормозит металл по пути в форму, успокаивает потоки, улавливает шлаки и содействует выделению газов из металла в момент заливки. Внутренние размеры чаши устанавливаются из следующих соотношений: B =3dст
; h = 0,7b; l =1,6b, где l,B,h – длина, ширина и высота чаши; dст
– диаметр стояка в нижней части.

Диаметр стояка определяется по формуле:

dст
=Ö4×Fст
/p ; dст
= Ö4×262,17/3,14 = 18,27 (мм).

B =3×18,27 =54,81 (мм); h =0,7×54,81 =38,367 (мм); l =1,6×54,81 = 87,696 (мм).

Сечения питателей и шлакоуловителей имеют форму равнобедренной трапеции. Определим их размеры по таблице: h =4мм; А =29мм; B =33мм [18].

2.6.3 Разработка чертежа литейной формы в разрезе

Чертеж литейной формы в разрезе показан на чертеже 2.5.

2.7 Определение массы стержня и формовочной смеси

Массу стержня определяют по формуле: Q =V1
×r1
,кг, где V – объем стержня, м3
; r –плотность металла, кг/м3
(r =1700 кг/м3
).

Для расчета объема стержня разобьем его на три части: одну цилиндрическую и две конических. Объем цилиндрической части находим по формуле Vц
=pR2
h, а объем конической части находим из разности объемов по формуле Vк
= = ph/3 (R2
+ R∙r + r2
).После того как найдем объемы всех частей, сложим и получим объем стержня: Vст
= Vа
+Vв
+Vс
= (V1 +V2+Vс) = 3,14×0,02/3∙(0,1342
+ + 0,134∙0,063 + 0,0632
) + 3,14×0,035/3∙(0,1342
+ 0,134∙0,06 + 0,062
) + + 3,14×0,1342
×0,052 = 0,0046 (м3
);

Q = 0,0046×1700 = 7,82 (кг).

Массу формовочной смеси определяют как произведение плотности формовочной смеси на разность объемов опок и объема, занимающего отливкой, стержнем и литниковой системой: Q4
=(V3
– (V+V1
+V2
))×r2
, кг;

где – V,V1
,V2
,V3
– объемы отливки стержня, литниковой системы и опок, м3
;

r1
– плотность уплотненной формовочной смеси; r2
=1700 кг/м3
.

Объем литниковой системы состоит из объемов питателя, шлакоуловителя, стояка, литниковой чаши и выпоров. V2
=0,00078 (м3
).

Q4
=(0,05 –(0,00269+0,0046+0,00078))×1700 = 70,9 (кг).

2.8 Оценка технико-экономической эффективности

Одним из наиболее важных показателей технико–экономической эффективности технологического процесса, позво­ляющих оценить его совершенство, является удельный расход жид­кого металла на получение отливки с учетом потерь на литниковую систему.

Удельный расход жидкого металла определяется по формуле:

К = (Q/Q+Q2
)×100%;

где Q2
–масса литниковой системы, определяющая из выражения Q2
=V2
×r, кг

Q2
=0,00078×7300 =5,694 (кг); К =(19,64/19,64+5,694)×100% =77,5%

Вывод: среднее значение удельного расхода чугуна в машиностроении составляет 75%. В данной работе, при расчетах удельный расход чугуна составил 77,5%, что чуть больше 75%, это показывает, что процесс достаточно эффективен [14].

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ОТЛИВОК ДЛЯ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

3.1 Выбор режущего инструмента

Из анализа чертежа определено, что обрабатываемая поверхность внешняя цилиндрическая. Длина обработки поверхности 80мм. Для обработки этой поверхности выбирается проходной резец. Геометрические параметры заточки режущей части и материал режущей части выбирается в зависимости от условий резания по таблице 6,7,8. Материал режущей части - твердый сплав ВК 6. Геометрические параметры режущей части резца: g = 8º ; a =10°;l =0°; j =60…75°; j1
=5…10°.

g –главный передний угол, оказывающий большое влияние на процесс режима резания - с увеличением этого угла, уменьшается деформация срезанного слоя, снижается усилие резания и расход мощности.

a – главный задний угол, уменьшает трение между задней поверхностью инструмента и поверхностью резания заготовки, уменьшает износ инструмента, увеличение угла снижает прочность режущего лезвия.

l – угол наклона режущего лезвия влияет на направление схода стружки, с увеличением его качество обработанной поверхности ухудшается, усилие резания увеличивается.

r - радиус при вершине резца уменьшает шероховатость обработанной поверхности.

j – главный угол в плане, влияющий на чистоту обработанной поверхности и на износ инструмента.

j1
– вспомогательный угол в плане, влияющий на шероховатость поверхности – с уменьшением угла шероховатость поверхности уменьшается, одновременно увеличивается прочность вершины резца и снижается его износ.

3.2 Выбор подачи

Подача S – величина, перемещения режущей кромки резца в направлении движения подачи в единицу времени или за один оборот заготовки.

При черновой обработке величина подачи выбирается, возможно, большей с учетом допускаемой прочности режущего инструмента и механизма подачи станка, технологических условий обработки.

При чистовой обработке выбор подачи согласовывается классом точности и чистотой обработанной поверхности. Подача выбирается по таблицам и равна S =0,65…0,70мм/об, при радиусе в вершине резца r=1,5мм.

Выбранная подача проверяется по паспортным данным станка 1А62 (таблица 13) s =0,65мм/об.

3.3 Определение скорости резания

Скорость резания расчетным путем определяется по формуле: Vp
=Cv
×Kv
/Tm
×txv
×Syv
; где Cv
– коэффициент влияющий на скорость резания; m, xv
,yv
–степенные показатели выбираются по таблице ,

Cv
=243, xv
=0,15, yv
=0,4, m =0,20;

Т – стойкость инструмента, Т =60мин;

Kv
– поправочный коэффициент, который определяется, как произведение частных коэффициентов, определяемых по таблице [15].

Kv
= Кm
×Кj
×Кr
×Кg
×Кl
;

где Кm
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние свойств обрабатываемого материала на скорость резания, Кm
=(190/HB)1,25
=(190/220)1,25
=0,83;

Кj
–поправочный коэффициент, учитывающий угол на скорость резания, Кj
=0,86;

Кr
– поправочный коэффициент, учитывающий радиус при вершине r=2мм на скорость резания Кr
=1,0;

Kg
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние сечения резца на скорость резания при сечения 16x25 Кg
=0,97;

Кl
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние материала режущей части на скорость резания.

Кv
=0,83×0,86×1,0×0,97×1,0 =0,692;

Vp
=(243/600,2
×1,10,15
×0,650,2
)×0,692 =79,66 (мм/мин).

Определяем частоту вращения шпинделя:

np
=1000×Vp
/p×d, об/мин;

где d – диаметр обрабатываемой поверхности мм, d =80мм.

np
=1000×79,66/3,14×80 = 317,1 об/мин.

Полученная расчетная частота вращения шпинделя, корректируется по паспортным данным станка с условием ng
£ np
по таблице , ng
=305 об/мин.

Тогда действительная скорость резания равна:

V = pdng
/1000; V =3,14×80×305/1000 = 76,61 мм/мин.

3.4
Определение силы резания

Сила резания подсчитывается по формуле:

Pz
=Cpz
×tx
×Sy
×Vz
×Kp
, кгс [15];

где Cpz
, x, y, z – коэффициенты определяемые по таблице ;

Cpz
=92, x =1,0, y =0,75, z =0;

Кр
– общий коэффициент; Kр
= Кm
р
×Кj
р
×Кr
р
×Кg
р
;

где Кmp
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние свойств обрабатываемого материала на силу резания, Кmp
=(HB/150)0,4
= (220/150)0,4
=1,16;

Кj
р
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние угла j на силу резания, Кj
=0,92;

Кg
р
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние угла g на силу резания, Кg
=1,0;

Кrp
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние радиуса r при вершине на силу резания, Кr
=1,0;

Кр
= 1,16×0,92×1,0×1,0 =1,06;

P2
=92×0,51
×0,20,75
×76,610
×1,06 =14,58 (кгс).

3.5 Определение мощности резания

Мощность резания определяется по формуле:

Np
=P2
×Va
/60×75×1,36 (кВт);

Np
=14,58×76,61/60×75×1,36 =0,18 (кВт).

Проверяем по мощности станка на шпинделе:

N =Nc
т
×h, кВт;

где Nст
– мощность привода станка, Nст
=7,8 кВт;

h -КПД станка, h =0,75

N =7,8 ×0,75 =5,87 (кВт); 5,85>0,18 кВт.

3.6 Определение машинного времени

Тм
=L×i/n×S

где L – расчетная длинна; L = l + а
+ b;

а
–величина резания; y =t×ctgj =0,18;

b – перебег резца; d =1…3мм;

n – число оборотов шпинделя;

S – принятая величина подачи;

i – число проходов; i =9,2.

L =80 + 0,18 + 2 = 82,18 (мм)

Тм
=82,18×9,2/305×0,65 = 3,81 (мин) [15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая курсовая работа по учебной дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» посвящается решению технологических задач по трем разделам:

Раздел 1 Обоснование выбора материала и технологии термической

обработки деталей машин лесного комплекса.

Раздел 2 Разработка технологического процесса изготовления отливки в

разовой форме для деталей машин лесного комплекса.

Раздел 3 Определение режимов резания при механической обработке

отливок для деталей машин лесного комплекса
.

Из технического задания по разделу «Материаловедение» определено две задачи:

1 Обосновать выбор материала для изготовления картера шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55

2 Разработка технологии получения отливки картера шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55

На основе анализа условий работы картера шестерен трактора ТДТ-55, обоснована целесообразность, применение чугуна СЧ 18 для изготовления картера распределительных шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55.

Первичная заготовка должна быть получена методом литья в песчаную форму. Отливки необходимо подвергнуть отжигу по режиму: нагрев до температуры 500...600°С, выдержка, охлаждение с печью. Контроль температуры в печи следует осуществлять с помощью термоэлектрического пирометра с использованием термопар ТХК–040Т. Контроль твердости после ТО проводится по методу Бринелля.

Из второго раздела технического задания определена одна задача: разработать технологический процесс изготовления отливок в разовой форме для шкива тормозной лебедки трактора ТДТ-55.

Технико – экономическая эффективность составила 77,5%, при этом масса отливки 19,64кг, масса стержня равна 7,82кг, масса формовочной смеси равна 70,9кг.

Из третьего раздела определена одна задача: рассчитать режимы резания при механической обработке отливок для тормозного шкива редуктора автогрейдера.

Для обработки заданной цилиндрической поверхности выбран проходной резец из твердого сплава ВК6, принятая подача равна 0,65 мм/об, скорость резания равна 76,61 мм/мин, сила резания равна 14,58 кгс, мощность резания равна 0,18 кВт, машинное время, требуемое для всего технологического процесса 3,81 мин.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Дальский А.М. Технология конструкционных материалов / А.М. Дальский, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1985 – 448 с.

2 Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990 –528 с.

3 Роговцев В.А. Устройство и эксплуатация транспортных средств / В.А. Роговцев, А.Г. Пузанков, В.Д. Олдфилд – М.: Транспорт, 1990 – 432 с.

4 Станчев Д. И. Конструкционные материалы для лесных машин / Д.И. Станчев – Воронеж: Изд-во воронеж. ун-та, 1982 – 172 с.

5 Аблонский Е.И Трелевочные тракторы / Е.И. Аблонский, А.В. Муравьев – М.: Лесная промышленность, 1972 – 224 с.

6 Гиршович Н.Г. Справочник по чугунному литью / Н.Г. Гиршович – Л.: Машиностроение, 1978 – 758 с.

7 Лакедемонский А.В. Материалы для карбюраторных двигателей: Справочник / А.В. Лакедемонский – М.: Машиностроение, 1969 – 269 с.

8 Щебатинов М.П Высокопрочный чугун в автомобилестроении / М.П. Щебатинов – М.: Машиностроение, 1988 – 352 с.

9 Федосеев О.В. Устройство двигателей трелевочных тракторов / О.В. Федосеев – М.: Машиностроение, 1979 – 201 с.

10 Арзамасцев Б.Н. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасцев – М.: Машиностроение, 1990 – 687 с.

11 Фиргер И.В. Термическая обработка сплавов / И.В. Фиргер – Л.: Машиностроение, 1982 – 304 с.

12 Рустем С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов / С.Л. Рустем – М.: Машгиз, 1962 – 588 с.

13 Филинов С.А. Справочник термиста / С.А. Фиргер, И.В. Филинов – М.: Машиностроение, 1969 – 320 с.

14 Кроха В. А. «Технология конструкционных материалов». Методические указания к выполнению лабораторных работ раздела «Литейное производство» / В. П. Миронов – Воронеж: ВГЛТА, 2002 – 40 с.

15 Кроха В. А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Методические указания к выполнению лабораторных работ по разделу «Основы механической обработки резанием материалов» / В.А. Кроха, В. П. Миронов, О. М. Костиков – Воронеж: ВГЛТА, 2002 – 64 с.