Разработка технологии термической обработки изделия типа «палец»

Основным инструментом для крепления толкателя в штампе для листовой штамповки является стальной палец. Данное изделие – это ответственный вид крепления. К которому предъявляются высокие требования по прочности на изгиб и излом.
Палец испытывает триботехнический износ поверхности при выталкивании штампованной листовой детали толкателем, который держит палец. Палец крепится к плите штампа, и тем самым возвращает толкатель в исходное положение. В этот момент шляпка и столб пальца испытывают износ поверхностного слоя.
В производстве существую ряд способов повышения износостойкости и твердости поверхностного слоя стальных изделий. К таким способам относятся термическая обработка, химико–термическая обработка, электроискровое легирование, электродуговое легирование, накатка, и нанесение тонких твердых покрытий.
Каждый способ имеет ряд преимуществ и недостатков. Не каждый способ подойдет для конкретной стали изделия. В следствии того, что упрочнению следует проводит после полного изготовления пальца, т.е. после чистового точения. Обычно после упрочнения поверхности идет операция шлифования. Поэтому для упрочнения стального пальца не подойдут такие методы как легирование. Метод нанесения сверхтвердых покрытий проводятся в вакуумных установка, которые имеют большую себестоимость, и не выгодно будет производить упрочнение поверхностного слоя, вследствие того, что в штампе применяются один или два пальца.
Процесс химико–термического упрочнения, а именно такие как цементация и азотирование занимают длительный процесс. Соответственно производительность упрочнения поверхностного слоя пальца будет низкой. Твердость после цементации и азотировании сложно и трудоемко выравнивать к значению чертежа. У изделия типа «палец» существует некоторая особенность касательно твердости различных участков.
Накатка по производительности выигрывает у термической обработки, так как ее совершают на токарном станке, но есть большой недостаток неизвестно усилие при накатке, которое даст необходимую твердость поверхностного слоя.
В машиностроении широко применяется термическое упрочнение с использованием индукционного нагрева, который обеспечивает высокую скорость, производительность и высокое качество нагрева.
В данной работе проведен расчет основных параметров индукционной нагревательной установки с целью определения режимов нагрева изделия типа «палец» из стали 45. На основании разработанной технологии термического упрочнения будет произведено исследование твердости поверхностного слоя цилиндрических образцов. В соответствии с результатами исследования откорректируются режимы термического упрочнения [1].
 

1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ 13
1.1 Конструкция и материал изделия типа «палец» 13
1.2 Теоретические основы термической обработки 16
1.2.1 Образование аустенита 17
1.2.2 Перлитное превращение 20
1.2.3 Мартенситное превращение 23
1.2.4 Промежуточные превращения 26
1.2.5 Превращения в закаленной стали при отпуске 28
1.3 Технологические процессы термической обработки стали 33
1.3.1 Закалка 34
1.3.1.1 Метод поверхностной закалки стали 36
1.3.1.2 Метод поверхностной закалки токами высокой частоты 36
1.3.2 Охлаждающие среды 38
1.4 Оборудование для поверхностного термического упрочнения ТВЧ 40
1.4.1 Устройство индукционной нагревательной установки 40
1.4.1.1 Принцип индукционного нагрева 43
1.5 Патентное исследование 46
2 ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 53
3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ИНДУКТОРА ДЛЯ НАГРЕВА «ПАЛЬЦА» ПОД ЗАКАЛКУ И ОТПУСК 55
3.1 Конструкция изделия типа «палец» 55
3.2 Расчет конструкции индуктора 59
3.2.1 Тепловой расчет индуктора 60
3.2.2 Электрический расчет индуктора 62
3.2.3 Расчет охлаждения индуктора 75
4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЯ ТИПА «ПАЛЕЦ» ИЗ СТАЛИ 45 84
4.1 Выбор индукционной установки для термической обработки 91
4.2 Технологический процесс термической обработки изделия типа «палец» 93
4.2.1 Маршрутная технология термической обработки 94
4.2.2 Описание операций 95
4.3 Исследование образцов из стали 45 после термической обработки индукционным и муфельным нагревом 84
4.3.1 План эксперимента процесса термической обработки образцов из стали 45 84
4.3.2 Измерение макротвердости образцов после термического упрочнения 88
4.3.3 Результаты измерения макротвердости образцов после термической обработки 89
5 БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНОГО ИЗДЕЛИЯ ТИПА «ПАЛЕЦ» 98
5.1 Декомпозиция опасных и вредных производственных факторов 98
5.2 Инженерные решения для устранения или снижения воздействий опасных и вредных факторов на рабочий персонал 99
5.2.1 Расчет заземления индукционной термической установки 99
5.2.2 Расчет вытяжной вентиляции термического участка 102
5.2.3 Расчет искусственного освещения 103
5.3 Рекомендации по снижению воздействий опасных и вредных факторов на участке термической обработки 105
6 ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ИНДУКЦИОННОЙ И МУФЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 107
6.1 Расчет стоимости электроэнергии для термической обработки индукционным нагревом 108
6.2 Расчет стоимости электроэнергии для термической обработки муфельным нагревом 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115
ПРИЛОЖЕНИЕ А 123

Рассмотрены вопросы разработки оборудования для термической обработки изделия машиностроения типа «палец». Приведены расчеты для определение основных параметров индукционной нагревательной установки, а также разработка конструкции индуктора на основании расчетных показателей. Разработана технология изготовления стального рычага методом горячей свободной ковки. Проведено исследование твердости упрочненных стальных изделий по сечению нагретых индукционным и муфельным способами. Были проанализированы вопросы наладки производства, охраны труда и безопасной жизнедеятельности. Проанализирована экономическая целесообразность проведения термической обработки изделия типа «палец» индукционным нагревом.
Выпускная квалификационная работа направлена на разработку технологии термической обработки изделия типа «палец» из конструкционной стали 45. Целью работы является разработка технологии и выбор оборудования для закалки и отпуска стального пальца для упрочнения структуры. Разработана конструкция индуктора для индукционной нагревательной установки. Проведен расчет основных параметров для индукционного нагрева под закалку и отпуск. Разработана технология термического упрочнения стали 45. Пояснительная записка сделана на 99 листах, содержит 34 рисунка, 19 таблиц, 7 чертежей и схем (презентация MSPowerPoint – __ слайдов), в качестве аналитического материала использовались79 источник
Выпускная квалификационная работа направлена на разработку технологии термической обработки изделия типа «палец» из конструкционной стали 45. Целью работы является разработка технологии и выбор оборудования для закалки и отпуска стального пальца для упрочнения структуры. Разработана конструкция индуктора для индукционной нагревательной установки. Проведен расчет основных параметров для индукционного нагрева под закалку и отпуск. Разработана технология термического упрочнения стали 45. Пояснительная записка сделана на 99 листах, содержит 34 рисунка, 19 таблиц, 7 чертежей и схем (презентация MSPowerPoint – __ слайдов), в качестве аналитического материала использовались79 источник

1. Гуляев, А.П. Инструментальные стали: учеб. / А.П. Гуляев, К.А. Малинина, С.М. Саверина. – 2–е изд. – М. : Машиностроение, 1975. – 272 с.
2. ГОСТ 18782–80*. Пальцы к толкателям Конструкция и размеры – введ. 01.01.1982. – М.: Стандартинформ, 2008. – 24 с.
3. ГОСТ 12.2.109–89. Штампы для листовой штамповки. Технические условия – введ. 01.01.1982. – М.: Стандартинформ, 2008. – 15 с.
4. ГОСТ 1050–2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия – введ. 01.01.2015. – М.: Стандартинформ, 2014. – 45 с.
5. Bryson, W.E. Heat Treatment, Selection, and Application of Tool Steels / W.E. Bryson. – Carl Hanser Verlag, Munich, Germany, 2009. – 249 p.
6. Cain, T. Hardening, Tempering and Heat Treatment / T. Cain. – Argus Books Ltd, 1984. – 124 p.
7. Шемшурова, Н.Г. Способы упрочнения поверхности изделий машиностроения/ Н.Г. Шемшурова, В.Г. Антипова, Е.П. Киселева // М.: Машиностроение. – Магнитогорск. – 2014. – С. 112–122.
8. Liedtke, D. Merkblatt 450.Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren / D. Liedtke. – Düsseldorf: Stahl–Informations–Zentrum, 2005. – 38 s.
9. Steel Heat Treatment: Metallurgy And Technologies / G.E. Totten [et al.] – Taylor & Francis Group, 2006. – 820 p.
10. Термоциклирование. Структура и свойства / А.М. Гурьев [и др.] // Ползунский альманах, 2014. – № 2. – С. 5–9.
11. Малькова, Н.Ю. Недостатки процессов и перспективные способы термической обработки / Н.Ю. Малькова // Успехи современного естествознания, 2007. – №12. – С. 87
12. Исследование износостойкости упрочненных сталей 40 и 40Х / В.Н. Гадалов [и др.] // Материалы и технологии ХХI века. – Пенза, 2016. – С.11–16.
13. Чейлях, А.П. Влияние закалки на структуру, состав метастабильного остаточного аустенита и абразивную износостойкость цементованных конструкционных сталей / А.П. Чейлях, М.А. Рябикина, Н.Е. Караваева // Висник приазовського державного техничного университету, 2012. – С. 95 – 101.
14. Ву Ван Гюи, Исследование износостойкости поверхности стали после термического упрочнения / Ву Ван Гюи, А.Е. Балановский // Машиностроение и машиноведение. –Вестник ИрГТУ, 2017. – Т.21. – №4. – С. 10–21.
15. Термическая обработка / Л.Х Иванова [и др.] // Березень, 2011. – С. 14–17.
16. Крылова, С.Е. Термическая обработка изделий из микролегированной стали / С.Е. Крылова, О.А. Клецова, С.С. Кочковская // Университетская наука, 2014. – С. 227–229.
17. Иващенко, В.Ю. Анализ стойкости и влияние термоциклирования на рабочие характеристики штампового инструмента / В.Ю. Иващенко // Университетская наука, 2010. – С. 10–20
18. Куницкая, В.Е. Термическая обработка металлов / В.Е. Куницкая, Л.И. Рослякова, И.Н. Росляков // Взгляд молодых ученых, 2016. – Т.3. – С. 212–215.
19. Головин, А.Ю. Повышение стойкости инструмента термической обработки / А.Ю. Головин, С.Л. Лазуткин, С.В. Гусев // Успехи современного естествознания: Материалы конференции, 2012. – №6. – С. 173–174
20. Бахрачева, Ю.С. Повышение долговечности узлов трения термоциклической обработкой / Ю.С. Бахрачева // Машиностроение, 2012. – №3. – С. 7–12.
21. Применение термической обработки для упрочнения деталей машин / В.В. Серебровский [и др.] // Медицинское приборостроение, 2012. – №2. – Ч.2. – С. 11–13.
22. Формирование структуры и свойств поверхностных слоев при термической обработки низкоуглеродистых мартенситных сталей / А.С. Иванов [и др.] // Новые технологии получения и обработки материалов, 2006. – №6. – С. 72–79.
23. Лахтин, Ю.М. Термическая обработка металлов: учеб. / Ю.М. Лахтин, Б.Н. Арзамасов. – М. : Металлургия, 1985. – 256 с.
24. Атлас микроструктур черных и цветных металлов и сплавов: учеб. / А.А. Андрушевич [и др.]. – Минск.: БГАТУ, 2012. – 100 с.
25. ОСТ4. 054.004–89 Детали из сплавов черных и цветных металлов, термическая обработка. Типовые технологические процессы редакция / редакция 1–76. – 1989. – 61 с.
26. Энергосберегающие технологии индукционного нагрева / В.Б. Демилович [и др.] // Энергосбережение. – 2010. – № 98. – С. 52–56.
27. Трусова, И.А. Совершенствование технологий тепловой обработки металла на основе индукционного нагрева. Сообщение 1. Анализ перспективных направлений использования индукционного нагрева / И.А. Трусова, Менделев Д.В., Ратников П.Э. // Литье и металлургия. – 2012. – № 66. – С. 52–55.
28. Глуханов, Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева: учеб. / Н.П. Глуханов. – 3–е изд. – М. – Л.: Машиностроение, 1965. – 80 с.
29. Электро–технологические промышленные установки: учеб. / И.П. Евтюкова [и др.] . – М.: Энергоиздат, 1982. – 400 с.
30. Слухоцкий, А.Е. Индукторы: учеб. / А.Е. Слухоцкий. – 5–е изд. – М: Машиностроение, 1983. – 69 с.
31. Кудрин, В.А. Внепечная обработка чугуна и стали: учеб. / В.А. Кудрин. – М.: Металлургия, 1992. – 336 с.
32. Бодажков, В.А. Объемный индукционный нагрев: учеб. / В.А, Бодажков. – СПб.: Политехника, 1992. – 72 с.
33. Поволоцкий, Д.Я. Внепечная обработка стали: учеб. / Д.Я. Поволоцкий, В.А. Кудрин, А.Ф. Вишкарев. – М.: «МИСИС», 1995. – 256 с.
34. Матюхин, В.И. Конструкция и расчет индукционных тигельных печей: учеб. / В.И. Матюхин. – Екатеринбург, 2003. – 61 с.
35. Пат. 77867 Российская Федерация, МПК7 C21D1/10. Индуктор для нагрева деталей токами высокой частоты / Котельников В.И., Беляков В.В., Гоева В.В., Краснов А.О., Вольнов О.И., заявитель и патентообладатель ГОУВПО НГТУ. – №2216598; заявл. 20.11.2003; опубл. 21.12.2004, Бюл. № 2. – 6 с.
36. Пат. 1779265 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10, H05B6/36. Индуктор для нагрева поверхностей изделий токами высокой частоты / Доронин В.Т.; заявитель и патентообладатель Алтайский ГТУ им. И.И. Ползунова. – №2216598; заявл. 22.04.2002; опубл. 20.11.2003. Бюл. № 5. – 3 с.
37. Пат. № 2112328 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10, H05B6/36, G05D23/13. Способ штучного нагрева заготовок из феромагнитного материала токами высокой частоты / Лачин В.И., Лапеев С.М., Савин М.М; заявитель и патентообладатель Новочеркасский ГТУ. – № 2112328; заявл. 13.05.1993; опубл. 13.02.1994. Бюл. № 3. – 5 с.
38. Пат. 2150517 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10. Устройство для индукционного нагрева концов длинномерных изделий и их подачи к технологическим позициям / Викулин В.В., Волгунин А.А., Горшков В.И., Мишин А.Ф., Романченко А.Ф., Сулин А.Н., Темянко Л.С.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "ГАЗ". – № 2150517; заявл. 10.01.1999; опубл. 10.06.2000. Бюл. № 3. – 4 с.
39. Пат. № 35496 Российская Федерация, МПК8 H05B6/36. Способ индукционного нагрева длинномерных изделий / Демидович В.Б., Оленин В.А., Чмиленко Ф.В.; заявитель и патентообладатель ФГУП ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина. – № 35496; заявл. 20.11.2006; опубл. 10.09. 2008. Бюл. № 11. – 7 с.
40. Пат. № 2312154 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10, H05B6/36. Кольцевой индуктор / Горюшин Г.А.; заявитель и патентообладатель ФГУП ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина. – № 2312154; заявл. 01.02.2006; опубл. 10.12.2007. Бюл. № 2. – 3 с.
41. Пат. № 2202748 Российская Федерация, МПК8 F27D3/02. Ролик печного рольганга / Филатов А.А., Лях А.П., Шадрин А.П., Кондратьев В.К., Сидоренко С.А., Лях П.А.; заявитель и патентообладатель Лях А.П. – № 2202748; заявл. 11.06.2002; опубл. 20.04.2003. Бюл. № 22. – 4 с.
42. Пат. № 2351658 Российская Федерация, МПК8 C21D1/10, B21B1/18, C21D8/06. Способ нагрева заготовок на сортовых и проволочных станах / Носов А.Д., Строгонов К.В., Бирюков А.В.; заявитель и патентообладатель Открытое Акционерное Общество "Магнитогорский металлургический комбинат". – № 2351658; заявл. 20.05.2010; опубл. 10.10.2011. Бюл. № 10. – 3 с.
43. Пат. № 2418075 Japan, МПК8 C21D1/10, Н05B6/44, C21D8/42. Система индукционного нагрева (варианты) и способ индукционного нагрева металлического листа / Хирота Ёсиаки.; заявитель и патентообладатель НИППОН СТИЛ КОРПОРЕЙШН. – № 2418075; заявл. 16.04.2008; опубл. 10.05.2011. Бюл. № 5. – 10 с.
44. Пат. № 2312154 Российская Федерация, МПК8 H05B6/08. Устройство для индукционного нагрева, обеспечивающее заданный температурный профиль / Земан С.К., Бабенко П.Г.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Магнит". – № 2312154; заявл. 16.07.2001; опубл. 10.10.2003. Бюл. № 12. – 7 с.
45. Пат. № 2024625 Российская Федерация, МПК8 C21D8/42. Установка для индукционного нагрева заготовок / Куропаткина М.Н., Усакин С.И., Купин И.В.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество открытого типа "Научно– исследовательский технологический институт". – № 2024625; заявл. 21.03.1990; опубл. 27.10.2004. Бюл. № 10. – 6 с.
46. Пат. № 2239202 Российская Федерация, МПК8 C21D8/42. Устройство для определения скорости индукционного нагрева материалов / Брусенцов Н.А., Полянский В.А., Брусенцова Т.Н., Шумаков Л.И.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество открытого типа "Научно– исследовательский технологический институт".– № 2239202; заявл. 25.03.2002; опубл. 15.12.1994; Бюл. № 8. – 10 с.
47. Пат. № 2110586 Российская Федерация, МПК8 C21D8/42. Установка для индукционного нагрева заготовок / Темянко Л.С., Мишин А.Ф., Сорокин И.В.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество открытого типа "Научно– исследовательский технологический институт". – № 2110586; заявл. 21.03.1990; опубл. 15.12.1994; Бюл. № 7. – 10 с.
48. Мастрюков, Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т.2. Расчеты металлургических печей.: учеб. / Б.С. Мастрюков. – М.:Металлургия, 1978. – 272 с.
49. Простяков, А.А. Индукционные нагревательные установки; учеб. / А.А. Простяков. – М.:Энергия, 1970 – 120 с.
50. Оборудование для индукционно–термической обработки малогабаритных титановых изделий / А.А. Фомин [и др.] // Индукционный нагрев. – 2013. – №2. – С. 44–47.
51. ГОСТ 2.703–2011 Правила выполнения кинематических схем. – Введ. 2012–01–01–М.: Стандартинформ, 2011. – 12 с.
52. ГОСТ 2.770–68* Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики. – Введ. 1971–01–01– М.: Изд–во стандартов, 1981. – 16 с.
53. ГОСТ 2.78196 Обозначения условные графические. Аппараты гидравлические и пневматические, устройства управления и приборы контрольно–измерительные. – Введ. 1998–01–01– М.: Изд–во стандартов,1996. – 18 с.
54. ГОСТ 3.1118–82 ЕСТД. Формы и правила оформления маршрутных карт введения в действие – введ. 01.01.1984. –
М.: Стандартинформ, 2008. – 24 с.
55. ГОСТ 12.0.002–2014 – Система стандартов безопасности труда. Термины и определения. – Введ. 2016–06–01– М.: Изд–во стандартов, 2016. – 39 с.
56. ГОСТ 50014.3–92 Частные требования к электротермическим устройствам индукционного и прямого нагрева сопротивлением и индукционным электропечам. – 1993–01–01–М.: Изд–во стандартов, 1994. – 26 с.
57. ГОСТ 12.2.062–81 Оборудование производственное. Ограждения защитные. – Введ. 1987–07–01– М.: Изд–во стандартов, 1983. – 7 с.
58. ВСН 196–83 (Минтрансстрой) Отраслевые нормы проектирования искусственного освещения основных цехов промышленных предприятий Минтрансстроя. – Введ. 1984–01–01– Минтрансстрой, 1983. – 30 с.
59. СНиП 23–05–2010 Естественное и искусственное освещение. – Введ. 2011– М.: Изд–во стандартов, 2011–25 с.
60. ПБ 10–382–00 Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов. – Введ. 1999–12–27– М.: Изд–во стандартов, 2000–45 с.
61. ГОСТ 12.4.275–2014 Средства индивидуальной защиты органов слуха. – Введ. 2015–12–01– М.: Изд–во стандартов, 2015–60 с.
62. ГОСТ 12.1.030–2001 ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление. – Введ. 1982–07–01. – М.: Изд–во стандартов, 1981. – 24 с. : ил.
63. ГОСТ 12.1.038–82 Электробезопасность. – Введ. 1983–07–01. – М.: Изд–во стандартов, 2001. – 9 с.
64. ГОСТ 50014.3–92 Частные требования к электротермическим устройствам индукционного и прямого нагрева сопротивлением и индукционным электропечам. – Введ. 1993–01–01. – М.: Изд–во стандартов, 1994. – 55 с.
65. ГОСТ 12.2.003–91 Оборудование производственное. Общие требования безопасности. – Введ. 1992–01–01. М.: Изд–во стандартов, 1993. – 16 с.
66. ГОСТ 12.4.123–83 ССБТ. Средства коллективной защиты от инфракрасных излучений. Общие технические требования. – Введ. 1984–01–01. М.: Изд–во стандартов, 1985. – 5 с.
67. ГОСТ 12.1.005–88. ССБТ. Общие санитарно–гигиенически требования к воздуху рабочей зоны (с Изменением N 1) – Введ. 1989–01–01. – М.: Изд–во стандартов, 1988. – 50 с.
68. СанПин 2.2.4.1191–03. О введении в действие санитарных правил и нормативов. – Введ. 2003–02–19
69. ГОСТ Р 12.4.292–2013 ССБТ. Комплект экранирующий для защиты персонала от электромагнитных полей радиочастотного диапазона. Общие технические требования. – Введ. 2014–12–02. – М.: Изд–во стандартов, 2014 – 8 с.
70. Федюкин, В. К. Методы оценки и управления качеством промышленной продукции : учеб. / В. К. Федюкин. – М. : Информ. Изд. Дом «Филинъ», 2000. – 328 с.
71. ГОСТ 27867–88. Электропечи сопротивления для нагрева и термической обработки – введ. 01.01.1990. – М.: Стандартинформ, 2006. – 9 с.