Разработка маршрутной технологии изготовления режущего инструмента: резца проходного, фрезы прорезной и метчика машинно-ручного

Термическая обработка приобретает все большее значение как для совершенствования технологических процессов изготовления и обработки материалов с целью их экономного и рационального использования, так и для получения заготовок и инструментов с заданными свойствами. В настоящее время можно считать установленным, что имеющийся опыт и научное обоснование технологии термообработки позволяют на отдельных стадиях производства во все возрастающем масштабе использовать изменения температуры (т.к. все изготовленные из стали изделия в процессе их получения и эксплуатации подвергаются воздействию многократно изменяющихся температур, с чем связано и изменение свойств металла) для целенаправленного влияния на технологические и эксплуатационные свойства металла. Это означает, что область термообработки быстро расширяется, а само понятие должно охватывать все термические процессы, целью которых является изменение свойств материала.

Повышение качества режущих инструментов — это по существу вопросы совершенствования технологии термической обработки, важность научно-технического направления, предусматривающего создание новых и совершенствование существующих технологических процессов термической обработки. При этом получение высоких и однородных заданных свойств должно быть обеспечено автоматизированными термическими операциями в высокопроизводительных агрегатах. Среди контрольных параметров технологического процесса термической обработки в последние годы все больше применяются быстродействующие аппаратуры по контролю и регулированию температурных, деформационных и химических факторов, определяющих протекание и качество в целом запланированного и реализованного цикла термической обработки режущего инструмента.

Одним из основных факторов, влияющих на стойкость режущего инструмента является термическая обработка. Правильное проведение процесса термической обработки инструмента в большой степени определяет его дальнейшее поведение в эксплуатации. Помимо придания инструменту необходимой твердости в сочетании с вязкостью, уменьшение деформации и обеспечение высокого качества инструмента (оно достигается закалкой и отпуском) термическая обработка решает и некоторые вспомогательные задача, например, предварительное улучшение структуры материала инструмента.

Так как режущий инструмент работает при высоких температурах и скоростях резания, в тяжелых условиях, следовательно, качество режущего инструмента зависит не только от правильного назначения и проведения термической обработки, но и от качества стали из которой изготовлен инструмент и от правильности изготовления.

Для получения режущего инструмента высокого качества необходимо большое внимание уделять снижению трудоемкости заготовительных процессов, экономии металла и сокращению стоимости заготовки за счет ее максимального приближения к формам и размерам готовой детали, т.к. от качества инструмента зависит точность и работоспособность деталей машин. Высокая стойкость инструмента увеличивает производительность механической обработки, сокращает расход инструментальной стали и в конечном счете снижает себестоимость изделий.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Производственная программа термического участка

В номенклатуру изделий, выпускаемых участком термообработки, входят следующие инструменты: резцы токарные проходные, фрезы дисковые прорезные, метчики машинно-ручные.

Резцы токарные проходные изготавливаются составными, из двух частей: режущая часть из твердого сплава Т15К6, державка из среднеуглеродистой стали 45, по требованию чертежа они должны иметь твердость державки 241 НВ. Такую твердость можно получить путем отжига нормализационного.

Фрезы дисковые прорезные изготавливаются из быстрорежущей стали Р6М5 и по требованию чертежа должны иметь твердость 62−65 НRС. Такую твердость можно получить путем трехступенчатой закалки и двукратного отпуска.

Метчики машинно-ручные изготавливаются сварными. Режущая часть из быстрорежущей стали Р6М5, хвостовик из низколегированной стали 40Х. По требованию чертежа режущая часть метчиков должна иметь твердость 62−65 НRС, а хвостовик — 35−50 НRС. Такую твердость можно получить путем отдельной трехступенчатой закалкой и двукратным отпуском режущей части и закалкой с отпуском хвостовика.

Годовая программа участка термообработки (таблица 1.1) режущего инструмента делится на 3 группы:

1) резцы, подвергаемые отжигу нормализационному;

2) фрезы, подвергаемые отжигу, трехступенчатой закалке и двукратному отпуску;

3) метчики, подвергаемые отжигу, трехступенчатой закалке и двукратному отпуску режущей части, закалке и отпуску — хвостовика.

Таблица 1.1 — Производственная программа

1.2 Краткая характеристика инструмента, который подвергается термической обработке

Резцы проходные отогнутые являются простейшими и наиболее распространенными однолезвийными режущими инструментами, которые используются для обработки поверхностей цилиндрических валов, конических поверхностей большой длины, при точении фасонных поверхностей, при сложном движении подачи резца, соответствующего профилю обрабатываемой детали. Резцы получили широкое применение из-за их универсальности, большой жесткости возможности вести обработку в трудно доступных местах. В целях экономии дорогостоящих материалов и повышения стойкости и долговечности резцов, их изготавливают составными. Режущую часть изготавливают из твердого сплава Т15К6, который наплавляют на державку, изготовленную из стали 45. При работе резца его режущая часть клиновидной формы под действием силы, передаваемой механизмом сжатия, врезается в поверхностный слой заготовки, сжимая его. В этом сжатом слое возникают внутренние напряжения. Когда при движении резца они превысят напряжение, допускаемые силами сцепления между молекулами материала, сжатый элемент сломается и сдвинется вверх по передней поверхности резца. При движении резец сжимает, скалывает и сдвигает очередные элементы материала, образуя стружку.

Фреза прорезная представляет собой тело вращения, на поверхности которого размещены режущие зубья, предназначенные для фрезерования. Фрезерование — один из высокопроизводительных и распространенных методов обработки поверхностей заготовок многолезвийным режущим инструментом. Фреза совершает главное вращательное движение, а обрабатываемая заготовка — поступательное или вращательное движение подачи. Особенность процесса фрезерования — прерывистость резания каждым зубом фрезы. Зуб фрезы находится в контакте с заготовкой и выполняет работу резания только на некоторой части оборота, а затем продолжает движение, не касаясь заготовки, до следующего врезания.

Метчик машинно-ручной — инструмент, предназначенный для образования внутренней резьбы. Метчик представляет собой винт с прорезанными прямыми канавками, образующими режущие кромки. Метчик состоит из двух частей (в связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали): режущей части из стали Р6М5 и хвостовика из стали 40Х. Обе части соединяются с помощью стыковой сварки.

1.3 Выбор материала

Все режущие инструменты объединяет то, что в процессе резания режущая часть инструмента внедряется в обрабатываемую деталь и отрывает частицы металла (в виде стружки). В процессе эксплуатации режущий инструмент испытывает высокие контактные напряжения и давления на рабочую кромку. Рабочая кромка находится в условиях, близких к неравномерному всестороннему сжатию и переводящих металл в более пластичное состояние в следствии возрастания доли касательных напряжений. При очень высоких напряжениях происходит деформация поверхностного слоя либо всего инструмента. Поэтому режущий инструмент должен быть стойким, прочным, иметь высокую твердость, превышающую твердость обрабатываемого материала. Кроме того, инструмент должен быть вязким, т.к. при низкой вязкости образуются трещины, приводящие к поломке инструмента.

В процессе работы режущего инструмента происходит непрерывное трение, что вызывает износ поверхности режущей кромки инструмента. Потому режущий инструмент должен быть износостойким.

Механическая энергия в процессе резания превращается в тепловую. Происходит нагрев инструмента, обрабатываемой заготовки и стружки. При работе с большими скоростями резания и при снятии стружки большого сечения режущая кромка инструмента нагревается до высокой температуры, что приводит к снижению твердости. Поэтому инструмент должен быть теплостойким.

Резец проходной Державка резца проходного изготовлена из стали 45, которая обладает достаточно высокой жесткостью, прочностью при незначительном истирании, не склонна к отпускной хрупкости и флокенообразованию, хорошо обрабатывается резанием в горячем состоянии. Сталь 45 доступная и недорогая.

Химический состав стали 45 приведен в таблице 1.2, механические свойства в таблице 1.3.

Таблица 1.2 — Химический состав стали 45, % (ГОСТ 1050−74)

Таблица 1.3 — Механические свойства стали 45

Фреза прорезная До настоящего времени фрезы данного типа изготавливались из стали Р18 (механические свойства которой приведены в таблице 1.4). Это дорогая и дефицитная сталь, поэтому заменяем ее на более дешевую и менее дефицитную сталь Р6М5, кроме того, эта сталь имеет более высокую износостойкость.

Таблица 1.4 — Механические свойства стали Р18

Сталь Р6М5 обладает удовлетворительной шлифуемостью, низкой склонностью к обезуглероживанию, для предотвращения которой при закалке рекомендуется раскислять соляные ванны наиболее эффективным ректификатором — фтористым магнием в количестве: 5% от веса соли — ванна окончательного нагрева, 3% - ванна ІІ подогрева [2,3].

Химический состав стали Р6М5 приведен в таблице 1.5, механические свойства после термообработки в таблице 1.6.

Таблица 1.5 — Химический состав стали Р6М5, % (ГОСТ 19 265−73)

Таблица 1.6 — Механические свойства после термообработки стали Р6М5

Метчик машинно-ручной Метчик данного типа изготавливается составным в связи с высокой стоимостью быстрорежущей стали и с учетом того, что инструмент с размером более 10 мм в сечении (у метчика 52 мм) экономически более выгодно изготовлять сварным. Поэтому для изготовления режущей части метчика выбираем сталь Р6М5 (см. 1.3.2), а для хвостовика — сталь 40Х, т.к. она примерно в 17 раз дешевле быстрорежущей стали [3,4].

Химический состав стали Р6М5 приведен в таблице 1.5, а стали 40Х в таблице 1.7. Механические свойства стали Р6М5 после термообработки в таблице 1.6, стали 40Х в таблице 1.8.

Таблица 1.7 — Химический состав стали 40Х, % (ГОСТ 4543−71)

Таблица 1.8 — Механические свойства стали 40Х

1.4 Разработка маршрутной технологи изготовления режущего инструмента

Резец проходной

Фреза прорезная

Метчик машинно-ручной

1.5 Разработка технологического процесса термической обработки режущего инструмента

Разработка технологического процесса и назначение технологических параметров термической обработки проходного резца.

Технологический процесс изготовления проходного резца предусматривает отжиг нормализационный, который включает следующие операции:

а) нагрев резца в электрической камерной печи типа СНО 8.16.5/10 до температуры 850С:

— продолжительность нагрева инструмента до этой температуры 40−45 минут, определялась следующим образом [5]:

фн = 0,1 Д1 К1 К2 К3, мин (1.1)

где Д1 — сечение инструмента, мм;

К1 — коэффициент формы (для пластины — 4);

К2 — коэффициент среды нагрева (для воздуха — 2);

К3-коэффициент неравномерности нагрева (К3 = 4);

фн = 0,112,5424 = 40 (мин.);

— выдержка при температуре нагрева 15 минут, определялась из расчета 1мин 1 мм сечения резца [5]: 112,5 = 12,5 (мин.);

— охлаждение на спокойном воздухе до температуры участка;

б) зачистка 10% заготовок от партии на обдирочно-шлифовальном станке проводится с целью очистки поверхности инструмента, для более точного определения твердости;

в) проверка твердости 10% заготовок осуществляется по методу Бринелля;

г) контроль режима термообработки осуществляется с помощью потенциометра КСП-3, преобразователя термоэлектрического ТХА-0806 и часов электрических ПЧК-16р, т.к. потенциометр КСП-3 относится к группе самых точных приборов с допустимой погрешностью измерений не более ± 0,5% от верхнего предела температуры шкалы.

Отжиг нормализационный — это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве доэвтектоидной стали 45 до температуры 850 С, т. е. превышающей точку АС3 на 50 С, непродолжительной выдержке в течении 15 минут для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе (см. рисунок 1.1)

Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали 45 и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при ковке. Охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита, а количество образовывающегося перлита увеличивается, он получается более дисперсным, так как частично подавляет выделение феррита, и образуется квазиэвтектоид (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 — Схема нормализационного отжига и термокинетическая диаграмма доэвтектоидной стали 45

Рисунок 1.2 — Изменение размера зерна при фазовой перекристаллизации доэвтектоидной стали 45

В процессе нормализации горячекатаной стали 45 повышается ее прочность и твердость, сопротивление хрупкому разрушению, снижается порог хладноломкости. Нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности, а по сравнению с отжигом она является более экономичной операцией, т.к. не требует охлаждения вместе с печью [7,8].

Для осуществления нормализационного отжига выбрана электрическая печь типа СНО 8.16.5/10, т.к. она по своей производительности обеспечивает выполнение производственной программы и необходимый температурный интервал режима термообработки.

Разработка технологического процесса и назначение технологических параметров термообработки фрезы прорезной.

Технологический процесс изготовления фрезы прорезной предусматривает предварительную и окончательную термообработку.

Технологические задачи предварительной термообработки заготовок инструмента включают: улучшение обрабатываемости стали Р6М5, снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повышение пластичности. В качестве предварительной термообработки фрезы прорезной назначен отжиг, который включает следующие операции:

а) нагрев инструмента в электрической камерной печи типа СНО 8.16.5/10 до температуры 980 С 10 С:

— продолжительность нагрева 60 — 80 мин. 9;

— выдержка при температуре нагрева 20 минут, определялась из расчета ј от температуры нагрева 9;

— охлаждение с печью до 815 С 20 мин, затем на воздухе до температуры участка;

б) зачистка 10% заготовок от партии на обдирочно-шлифовальном станке;

в) контроль твердости 10% заготовок осуществляется по методу Бринелля;

г) контроль режима термообработки осуществляется с помощью потенциометра КСП-3, преобразователя термоэлектрического ТХА-0806 и часов электрических ПЧК-16р.

На предприятии ОАО «ХК «Лугансктепловоз» предварительная термообработка (отжиг) режущего инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 проводится при температуре 850 10 С, которая ниже критической точки А3.

Рисунок 1.3 — Режим предварительной термообработки (отжиг) фрезы прорезной из стали Р6М5

В данном дипломном проекте предлагается проводить отжиг (рисунок 1.3) инструмента из стали Р6М5 при температуре 980 С, т. е. выше А3. Так как температура отжига оказывает существенное влияние на прочность стали Р6М5 после закалки и отпуска. Прочность стали после окончательной термообработки снижается в случае предварительного отжига при температурах 860−880 С. Для быстрорежущих сталей это снижение твердости достигает 20−30% по сравнению с отжигом при температурах выше А3. Снижение прочности в этом случае можно объяснить увеличением количества остаточного аустенита после закалки и вторичного мартенсита после отпуска.

Повышение температуры нагрева при отжиге (выше 900 С) благоприятно сказывается на снижении склонности к перегреву и разнозернистости при закалке, что объясняется влиянием температуры нагрева при отжиге на полноту — превращения и размер зерна аустенита, размер и распределение вторичных карбидов, полученных после отжига. При нагреве до 860 С, т. е. ниже А3, из-за неполной перекристаллизации многие зерна сохраняют размеры, полученные после горячей пластической деформации, и неравномерны по форме и величине.

В этом случае при охлаждении вторичные карбиды выделяются по границам этих зерен. Нагрев выше А3 до температуры 980 С приводит к полному, практически мгновенному — превращению, перекристаллизации, в результате чего образуются равномерные мелкие зерна аустенита.

При охлаждении от температуры аустенизации до А3 происходит выделение карбидов по границам образовавшихся мелких зерен аустенита и рост карбидов, нерастворившихся при нагреве. Затем происходит — превращение в интервале А3-А1. С увеличением скорости охлаждения процессы выделения карбидов и — превращения замедляются, что сказывается на твердости отожженной стали. Скорость охлаждения ниже А1 не влияет на структуру и свойства стали.

Таким образом, отжиг с полной фазовой — перекристаллизацией, обеспечивает снижение твердости (НВ 212−127) отожженной стали Р6М5 (по режиму, проводимому на заводе НВ 235−241), получение однородной структуры и повышение стабильности основных свойств режущего инструмента после закалки и отпуска, улучшается обрабатываемость стали, снижается число поломок и повышается стойкость инструмента 9].

Технологические задачи окончательной термообработки фрезы — получение требуемых свойств готового инструмента, которые указаны в 1.3.2 таблица 1.6. Технология окончательной термообработки фрезы прорезной состоит из трехступенчатой закалки (для того, чтобы снизить опасность образования трещин) и двукратного отпуска и включает следующие операции:

а) первый подогрев проводится в нагревательном газовом колодце до температуры 500−600 С:

— продолжительность нагрева 14−20 минут, определялась из расчета 1,4 мин мм сечения фрезы 10: 1,4 10 = 14 мин.

Второй нагрев проводится в соляной ванне до температуры 800−850 С:

— продолжительность нагрева и выдержки 3 мин, определялась из расчета 18 сек 1 мм сечения фрезы 6: 18 10 = 180 сек = 3 мин.

Окончательный нагрев проводится в высокотемпературной соляной ванне до температуры 1210−1230 С:

— продолжительность нагрева и выдержки 2−2,5 мин., определяется из расчета 12 сек 1 мм сечения фрезы 6: 12 10 = 120 сек = 2 мин;

— охлаждение в масле;

б)двукратный отпуск проводится в электродной селитровой ванне при температуре 560 10 С:

— продолжительность каждого отпуска 1 час 11;

— охлаждение после каждого отпуска на воздухе;

в) очистка готового инструмента от остатков селитры в пескоструйной камере;

г) зачистка 100% фрез шкуркой шлифовальной;

д) контроль твердости 100% фрез осуществляется по методу Роквелла;

е) контроль плоскостности при помощи щупа;

ж) правка на правильно-винтовом прессе;

з) контроль режимов термообработки осуществляется с помощью потенциометра КСП-3, преобразователя термоэлектрического ТХА-0806, часов электрических ПЧК3−16р.

Закалка (рисунок 1.4) заключается в трехступенчатом нагреве стали Р6М5 до температуры близкой к ее плавлению 1210−1230 С и выдержке в течении 2−2,5 минут при этой температуре. Такой нагрев необходим для более полного растворения в аустените вторичных карбидов и повышению его легированности, изменению величины зерна. Однако даже при столь высоком нагреве часть карбидов (в основном Ме6С с высокой концентрацией вольфрама) остается нерастворенной и сохраняет мелкозернистость аустенита. Превращения, протекающие при охлаждении показаны с помощью диаграммы изотермического превращения аустенита (рисунок 1.5).

Рисунок 1.4 — Схема окончательной термообработки фрез прорезных из стали Р6М5

Для быстрорежущей стали характерны [12]:

а) значительное время, необходимое для превращения аустенита в перлитные и бейнитные структуры;

б) наличие выделений заэвтектоидных карбидов;

в) низкое положение интервала мартенситного превращения, в частности точки конца этого превращения. Малая критическая скорость охлаждения, которая обуславливает значительное время (инкубационный период) превращения аустенита в перлитной и бейнитной области, позволяет проводить закалку стали Р6М5 с ускоренным охлаждением в масле, в результате чего сталь приобретает лучшую красностойкость, механические и режущие свойства. Структура стали после закалки состоит из мартенсита, остаточного аустенита и нерастворившихся при нагреве карбидов.

При закалке фрез прорезных в качестве нагревательного оборудования выбраны: для предварительного подогрева газовый колодец, который обеспечивает полное просушивание инструмента для избежания взрыва при последующем нагреве в соляной ванне и предварительный прогрев инструмента для избежания образования трещин; для второго и окончательного нагрева инструмента выбраны соляные ванны, что обусловлено следующими преимуществами нагрева в жидких средах по сравнению с нагревом в печах 11:

а) жидкая среда обеспечивает одинаковую интенсивность нагрева со всех сторон, получение однородной структуры и свойств, уменьшает величину закалочной деформации инструмента;

б) жидкая среда, защищая нагреваемый инструмент от непосредственного воздействия кислорода и воздуха, препятствует окислению его поверхности в процессе нагрева;

в) в момент переноса закаленного инструмента в охлаждающую среду на его поверхности сохраняется тонкая пленка застывшей соли, которая защищает инструмент от интенсивного окисления в процессе охлаждения.

Отпуск (рисунок 1.4) заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже АС1, выдержке при заданной температуре с последующем охлаждением на воздухе.

Фрезы из быстрорежущей стали Р6М5 подвергаем отпуску при 560 С с охлаждением на воздухе с целью возможно более полного уменьшения количества остаточного аустенита (желательно до 2−3%), резко ухудшающего режущие свойства инструментов; отпуска мартенсита закалки и образовавшегося при превращении остаточного аустенита и вторичного мартенсита, а также уменьшения закалочных внутренних напряжений. В результате отпуска твердость стали Р6М5 не изменяется, либо немного возрастает в результате дисперсионного твердения мартенсита и распада остаточного аустенита. В микроструктуре отпущенной стали Р6М5 выявляются мартенсит и карбиды без заметных участков аустенита.

Для полного распада остаточного аустенита проводим отпуск второй раз, однако наибольшее количество аустенита превращается уже при первом отпуске.

Обеднение аустенита при отпуске, являющееся термически активируемым процессом, зависит от температурно-временных условий. Так количество остаточного аустенита снижается почти одинаково при отпуске 560 С в течении 40−60 минут. Большая выдержка при высоких температурах приводит к коагуляции выделившихся карбидов и недопустимому снижению твердости.

Двукратный отпуск повышает сопротивление пластической деформации (в результате превращения остаточного аустенита) и в то же время повышает вязкость, и прочность быстрорежущей стали Р6М5, что приводит к повышенной стойкости инструмента. Повышение прочности и вязкости связано с отпуском мартенсита. При каждом цикле отпуска снимаются напряжения в ранее образовавшемся мартенсите, но возникают новые за счет превращения дополнительных порций аустенита. Так как при каждом следующем отпуске количество превращающегося аустенита уменьшается, то напряжения будут все меньше и меньше. Поэтому наибольшее повышение прочности и вязкости наблюдается в результате второго отпуска.

Отпуск следует выполнять по возможности сразу же после закалки. Это связано как с опасностью возникновения трещин, так и со стабилизацией остаточного аустенита при выдержке более 3−5 ч при комнатной температуре, в результате превращение аустенита при отпуске идет не столь интенсивно [1,10,13].

Для проведения отпуска выбрана селитровая ванна, т.к. жидкая среда обеспечивает равномерную интенсивность нагрева со всех сторон инструмента.

Разработка технологического процесса и назначение технологических параметров термообработки метчика машинно-ручного.

Технологический процесс изготовления метчика машинно-ручного предусматривает предварительную и окончательную термообработку.

Технологические задачи предварительной термообработки заготовок инструмента включают: улучшение обрабатываемости стали Р6М5 и 40Х, снятие внутренних напряжений, снижение твердости и повышение пластичности.

В качестве предварительной термообработки метчика машинно-ручного назначен отжиг, который включает следующие операции:

а) нагрев инструмента в электрической камерной печи типа СНО 8.16.5/10 до температуры 980 10 С:

— продолжительность нагрева 100−120 мин. 9];

— выдержка при температуре нагрева 30 минут, определялась из расчета ј от температуры нагрева [9];

— охлаждение с печью в течении 30 минут до 815 С, затем охлаждение на воздухе до температуры участка 9;

б) зачистка 10% заготовок от партии на обдирочно-шлифовальном станке;

в) контроль твердости 10% заготовок осуществляется по методу Бринелля;

г) контроль режимов термообработки осуществляется с помощью потенциометра КСП-3, преобразователя термоэлектрического ТХА-0806, часов электрических ПЧК3−16р.

Отжиг для метчика проводится по такому же режиму, как и для фрезы.

Технологические задачи окончательной термообработки метчика — получение требуемых свойств готового инструмента, которые указаны в 1.3.2 таблице 1.6 — для режущей части, в 1.3.3 таблица 1.8 — для хвостовой части метчика.

Технология окончательной термообработки метчика машинно-ручного состоит из отдельной термообработки для режущей и хвостовой частей. Термообработка режущей части метчика состоит из трехступенчатой закалки (для того, чтобы снизить опасность образования трещин в инструменте) и двукратного отпуска, которые включают следующие операции:

— первый подогрев проводится в нагревательном колодце до температуры 500−600 С:

— продолжительность нагрева 30 -35 мин., определяется из расчета:

1,2 мин мм сечения режущей части метчика = 1,2 26 = 31,2 мин. 10.

Второй подогрев проводится в соляной ванне до температуры 800−850 С:

— продолжительность нагрева 7−10 мин., определяется из расчета 15 сек 1 мм сечения = 15 26 = 390 сек. = 6,5 мин. 6;

Окончательный нагрев проводится в высокотемпературной соляной ванне до температуры 1210−1230 С:

— продолжительность нагрева и выдержки 4−6 мин., определяется из расчета: 9 сек 1 мм сечения = 9 26 = 234 сек. = 3,9 мин. 6;

— охлаждение в масле.

Двукратный отпуск режущей части метчика состоит из следующих операций:

— двукратный нагрев проводится в электродной селитровой ванне до температуры 560 10 С:

— продолжительность каждого отпуска 1 час [6];

— охлаждение на воздухе.

Закалка и отпуск (рисунок 1.4) режущей части метчика из стали Р6М5 аналогична закалке фрез (см. 1.5.2), отличаясь только временем нагрева и выдержки, которые указаны выше.

Термообработка хвостовой части метчика состоит из закалки и отпуска, которые включают следующие операции:

а) нагрев хвостовой части метчика под закалку до температуры 830−840 С проводится в соляной ванне:

продолжительность нагрева и выдержки 6−8 мин., определяется из расчета: 20 сек 1 мм сечения хвостовой части = 20 17,5 = 350 сек = 5,8 мин. 11;

охлаждение в масле;

б) отпуск хвостовой части метчика проводится в электродной селитровой ванне при температуре 450−500 С:

— продолжительность каждого отпуска 1,5 ч [6];

— охлаждение на воздухе;

в) очистка метчиков от остатков селитры в пескоструйной камере;

г) зачистка хвостовой и режущей частей всех метчиков шкуркой шлифовальной;

д) контроль твердости режущей и хвостовой частей всех метчиков проводится по методу Роквелла;

е) контроль режимов термообработки осуществляется с помощью потенциометра КСП-3, преобразователя термоэлектрического ТСА-0806, часов электрических ПЧК3−16р.

Закалка (рисунок 1.7) хвостовой части метчиков из стали 40Х заключается в нагреве до 840 С, т. е. выше АС3 на 30−50 С. В этом случае сталь 40Х с исходной структурой П+Ф при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении в масле со скоростью выше критической (рисунок1.8) превращается в мартенсит. В результате закалки прочность и твердость стали 40Х повышается, а пластичность понижается 1,3.

Отпуск (рисунок 1.7) хвостовой части метчика из стали 40Х проводим при температуре 450−500 С. Такой отпуск обеспечивает высокий пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали 40Х после отпуска — Сотп, а твердость 35−50 НRС [3,5].

Рисунок 1.7 — Схема окончательной термообработки хвостовой части метчиков из стали 40Х Рисунок 1.8 -Диаграмма изотермического превращения аустенита стали 40Х, на которой указана скорость охлаждения при закалке

1.6 Контроль технологических режимов и качества режущего инструмента

Контрольно-измерительная аппаратура электрических камерных печей для отжига.

Подача в электропечь электроэнергии, контроль и регулирование температуры осуществляется шкафом. На передней панели шкафа расположены прибор теплового контроля для измерения и регулирования температуры, ручка переключателя на ручной и автоматический режимы управления нагревом, сигнальные лампы.

Датчиком температуры является термопреобразователь, который соединяется компенсационным проводом с прибором теплового контроля.

На электропечи предусмотрена звуковая сигнализация падения температуры, которая включается потенциометром при снижении температуры в электропечи ниже 750 С. В этом случае, обслуживающий персонал должен отключить подачу воздуха в электропечь и устранить причину падения температуры.

На электропечи имеется блокировка, которая обеспечивает отключение питания нагревателей в начальный момент подъема дверцы и не позволяет включить подачу электропитания для нагревателей до полного опускания дверцы.

Контрольно-измерительная аппаратура соляных и селитровых ванн Ванны оборудованы световой и звуковой сигнализацией, предупреждающей работающих о превышении максимально допустимой температуры нагрева расплава и отключающая ванну от электросети. Электропитание ванн осуществляется через печной трансформатор (максимальное рабочее напряжение на электродах 12 В, пусковое — 18,5 В) от щита управления.

Контроль и регулирование температуры в ваннах осуществляется термопарой, подключенной к автоматическому электронному потенциометру типа КСП-3. Контроль температуры ванн и работу электронного потенциометра производится контрольной термопарой, которая установлена в ванне в месте свободном от загружаемых приспособлений.

Контроль качества изделий после термообработки Основными видами контроля качества режущего инструмента после термообработки являются:

а) визуальный контроль для выявления трещин, оплавления режущей кромки инструмента и прочих поверхностных дефектов;

б) определение твердости инструмента;

в) контроль микроструктуры инструмента на качество отпуска в количестве 2−3% от садки;

г) визуальный контроль после обдувки на пескоструйном аппарате — 100%.

Контролю твердости инструмент подвергается:

а) после отжига — 10% заготовок от партии;

б) после отпуска — 100% партии.

Контроль твердости производится с помощью приборов:

а) ТБ-2М (пресс Бринелля) — для отожженного инструмента;

б) ТК-14−250 (прибор Роквелла) — для отпущенного инструмента.

Эти методы основаны на вдавливании закаленного шарика (твердомер ТБ-2М) и алмазного конуса (твердомер ТК-14−250). Твердость определяем по величине получаемого отпечатка, на приборе Роквелла значение твердости сразу указывается на шкале индикатора. Условия испытания и характеристика приборов приведены в таблице 1.9.

Таблица 1.9 — Техническая характеристика приборов для определения твердости

Производительность приборов колеблется в пределах: ТБ-2М 50−80 шт/ч, ТК-14−250 70−150 шт/ч.

После отжига и перед проверкой твердости заготовки инструмента подвергаются шлифованию на обдирочно-шлифовальном станке, что будет обеспечивать получение точных замеров твердости. Шлифование осуществляется с использованием быстро вращающегося абразивного круга. Окружная скорость круга составляет 8−50 м/с и выше в зависимости от твердости обрабатываемого материала (чем тверже материал, тем меньше скорость), наличия охлаждения и других условий. При вращении круга и подаче заготовки, происходит срезание лишнего материала с заготовки с образованием мельчайшей стружки. Также шлифование обеспечивает высокую точность (до 0,002 мм) и необходимый класс шероховатости поверхности (Rа = 0,151,2 мкм) 15.

В процессе закалки фрезы коробятся в следствии возникших внутренних напряжений. Это вызывает необходимость проверять такой инструмент на биение. Деформированный инструмент подвергаем правке на правильном винтовом прессе. Правка таким прессом осуществляется путем постоянного надавливания наконечника до полного выправления инструмента. Наконечник перемещается вниз при вращающем движении махового колеса 10.

1.7 Расчет трудоемкости термообработки режущего инструмента

Для определения трудоемкости термической обработки в условиях серийного производства применяем расчет по укрупненным показателям. Общая трудоемкость термообработки определяется по формуле, чел-ч:

Тобщ =, (1.2)

где — количество производственных рабочих;

— действительный годовой фонд времени рабочих, ч (см. в таблице 1.10).

Количество производственных рабочих определяется расстановочным способом, т. е. по нормам для обслуживания оборудования. На три камерные печи для отжига — три человека, на три соляные ванны для закалки фрез — три человека, на две селитровые ванны для отпуска — один человек, на четыре соляные ванны для закалки метчиков — четыре человека, на три селитровые ванны для отпуска — один человек. Количество вспомогательных рабочих принимаем из расчета 30−40% от числа основных производственных рабочих (в одну смену 12 чел.) на механизированном участке термообработке режущего инструмента. Следовательно, количество вспомогательных рабочих равно 5 чел.

Годовой фонд времени для одного рабочего при двухсменном режиме работы и с учетом того что, продолжительность нормальной смены в среднем 8,2 ч, количество рабочих дней в году 253, предпраздничных 6 дней, составляет:

(253 8,2 — 6) 2 = 4 140 ч Таблица 1.10 — Действительный годовой фонд времени рабочего

Общая трудоемкость термообработки (отжиг — 1 чел.) резцов проходных при двусменном режиме работы определяется:

= 1 2 = 2 (чел) Т общ = 2 3 975 = 7 950 (чел/ч) Общая трудоемкость термообработки (отжиг — 1 чел, закалка — 3 чел, отпуск — 1 чел) фрез прорезных при двусменном режиме работы определяется:

= 5 2 = 10 (чел) Т общ = 10 3 975 = 39 750 (чел/ч) Общая трудоемкость термообработки (отжиг — 1 чел, закалка — 4 чел, отпуск — 1 чел) метчиков ручных при двусменном режиме работы определяется:

= 6 2 = 12 (чел) Тобщ = 12 3 975 = 47 700 (чел/ч) Трудоемкость термической обработки 1 т инструмента, чел-ч/т определяется по формуле:

Тр =, (1.3)

где Пі - годовая программа термообработки, т;

Тобщ — общая трудоемкость термообработки, чел-ч.

Трудоемкость термообработки 1 т резцов проходных:

Тр = = 124,2 (чел-ч/т) Трудоемкость термообработки 1 т фрез прорезных:

Тр = = 552,1 (чел-ч/т) Трудоемкость термообработки 1 т метчиков машинно-ручных:

Тр = = 567,8 (чел-ч/т).

2. ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Определение действительного годового фонда времени работы оборудования

Установлена 41 часовая рабочая неделя с пятью рабочими и двумя выходными днями. Продолжительность смены в среднем 8,2 часа. В году 365 дней из которых: рабочих —253 дня, выходных -104 дня, праздничных -8, предпраздничных — 6 дней.

Действительный годовой фонд времени работы оборудования в условиях прерывной рабочей недели определяется по формуле:

Фд = Фн (1-), (2.1)

где П + Р — затраты времени на ремонт и переналадку оборудования равны 15%;

Фн — номинальный фонд времени работы оборудования определяется по формуле:

Фн = (365 — В — С) З, (2.2)

где В — годовое количество выходных дней;

С — количество праздничных дней, которые не совпадают с выходными;

З — количество смен в сутки (З = 2);

— продолжительность одной смены;

Фн = (365 — 104 — 8) 2 8,2 = 4 149 (ч) Фд = 4 149 (1-) = 3 527 (ч/год).

2.2 Выбор и расчет необходимого количества основного оборудования

В качестве основного оборудования для предварительной термообработки инструмента выбрана электрическая камерная печь типа СНО 8.16.5/10, основные технические данные и характеристики которой приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Технические данные и характеристики печи СНО 8.16.5/10

Электропечь состоит из следующих основных сборочных единиц:

— каркас сварен из листовой и профильной стали. Сводовые листы каркаса выполнены съемными. На задней стенке имеется арматура для вывода нагревателей. На своде электропечи имеется арматура для двух термопреобразователей рабочего и контрольного;

— футеровка выполнена из огнеупорных и теплоизоляционных материалов;- нагреватели проволочные зигзагообразные. На боковых стенках и на дверце нагреватели подвешиваются на штырях, на своде — на крючках. Подовые нагреватели укладываются в пазах, между опорными столбиками;

— дверца сварная, зафутерованная огнеупорными и теплоизоляционными материалами. Подъем и опускание дверцы осуществляется мотор-редуктором (электродвигатель со встроенным тормозом);

— монтаж механический. Все наружные соединения между выводами нагревателей выполняются проводом с теплостойкой изоляцией. Вся проводка закрыта защитными кожухами.

Производим расчет необходимого количества печей для отжига инструмента:

а) годовая программа по производству резцов проходных составляет 80 000 шт. Исходя из указанных в таблице 2.1 размеров рабочего пространства, определяем количество резцов, вмещающихся на под печи. Т.к. ширина резца 25 мм, расстояние между близ лежащими резцами 50 мм, определяем количество резцов, вмещающихся на ширину пода печи равную 800 мм: (800: 25): 3 = 110 шт. по ширине. Длина резца составляет 140 мм, длина пода печи равна 1 600 мм, следовательно: 1 600: 140 = 11 шт. Для более равномерного прогрева садки необходимо, чтобы заготовки, расположенные на поду печи не лежали вплотную друг к другу, поэтому вместо 11 штук берем 8 штук по длине. Определяем общее количество заготовок на поду печи: 11 8 = 88 шт. Продолжительность отжига нормализационного 1 час, количество смен в сутки две (16 час). За двусменный режим работы будет отжигаться: 88 шт 16 ч = 1 408 шт. Т.к. в году 253 рабочих дня, определяем максимальное количество отжигаемого инструмента в год: 1 408 253 = 356 224 шт.

Исходя из того, что заданная годовая программа составляет 80 000 шт., составляем пропорцию и определяем коэффициент загрузки печи:

356 224 шт. — 100%

80 000 шт. — Х %

х = 25%

Следовательно, для выполнения годовой программы 80 000 шт. с коэффициентом загрузки 25% достаточно одной печи;

б) вычисляем количество фрез (200 мм), находящихся на поду печи с учетом, что фрезы не лежат вплотную друг к другу:

— по ширине: (800: 200) — 2 шт. = 2 шт.;

— по длине: (1 600: 200) — 2 шт. = 6 шт.;

— общее количество заготовок на поду печи: 2 6 = 12 шт.

Продолжительность отжига фрез составляет 2 часа, количество смен в сутки две (16 ч): 12 шт 8 ч = 96 шт.;

— за год: 96 шт 253 дн = 24 288 шт.

Годовая программа составляет 20 000 шт. Составляем пропорцию:

24 288 шт. — 100%

20 000 шт. — Х Х = 82%

Следовательно, для выполнения годовой программы (20 000 шт.), с учетом того, что коэффициент загрузки равен 82%, достаточно одной печи для отжига фрез;

в) вычисляем количество метчиков (М 52, = 350 мм) находящихся на поду печи с учетом того, что метчики не лежат вплотную:

— по ширине: (800: 52) — 2 шт. = 8 шт.;

— по длине: (1 600: 350) — 1,5 шт. = 3 шт.;

— общее количество заготовок на поду печи: 8 3 = 24 шт.

Продолжительность отжига метчиков составляет 3 часа, количество смен в сутки две (16 ч): 24 шт 5 ч = 120 шт.;

— за год: 120 шт 253 дн. = 30 360 шт.

Годовая программа составляет 30 000 шт. Составляем пропорцию:

30 360 шт. — 100%

30 000 шт. — Х Х = 98%

Коэффициент загрузки равен 98% - это превышает норму (85%), поэтому для отжига метчиков одной печи не достаточно. Поэтому, часть метчиков будет отжигаться в печи, в которой отжигаются резцы, т.к. коэффициент загрузки в ней равен 25%.

Таким образом, на участке термообработки режущего инструмента необходимо три печи для отжига.

В качестве основного оборудования для окончательной термообработки инструмента выбраны для закалки газовый нагревательный колодец и соляная ванна, для отпуска — селитровая ванна.

Колодец нагревательный газовый предназначен для предварительного нагрева инструмента под закалку. Он имеет одну инжекционную горелку, на которую расходуется 12 м3/ч газа (метан + пропан). Давление газа 4 10 -6 Па. Колодец имеет металлический каркас, внутри которого находятся огнеупорная кладка и тигель.

Ванна электродная соляная предназначена для второго подогрева инструмента. Состав соли 25% ВаСl2 + 75% NаСl2. Вес садки 30 кг. В ванне нагревателем является сама соль. Электрический ток пропускается через расплавленную соль, она оказывает сопротивление прохождению тока и разогревается. Электроды установлены в рабочем пространстве ванны, ток к которым попадает от печного трансформатора.

Ванна электродная для окончательного нагрева инструмента имеет состав 100% ВаСl2 .

Ванна электродная селитровая для отпуска имеет состав — КNО3.

Рассчитываем необходимое количество ванн для закалки и отпуска фрезы с годовой программой 20 000 шт.

а) в нагревательный колодец загружаются 3 фрезы на 30 минут, следовательно, за один час будет прогреваться 6 фрез. С учетом двусменного режима работы (16 ч), определяем количество прогреваемых фрез: 6 шт 16 ч = 96 шт. Вычисляем количество прогреваемых фрез за год: 96 шт 253 дн = 24 288 шт. Составляем пропорцию для определения коэффициента загрузки колодца:

24 288 шт. — 100%

20 000 шт. — Х Х = 84%

Следовательно, для прогрева фрез достаточно одного нагревательного колодца. Т.к. время нагрева инструмента в ваннах ІІ и ІІІ подогрева меньше (2−3 минуты), чем в колодце нагревательном, следовательно, достаточно будет одной ванны для ІІ подогрева и одной ванны для ІІІ нагрева фрез;

б) в ванну для отпуска загружается 6 фрез, продолжительность отпуска 1 час. Количество отпускаемых фрез за две смены: 6 шт 16 ч = 96 шт. Количество отпускаемых фрез за год: 96 253 = 24 2888 шт.

Следовательно, для выполнения годовой программы достаточно было бы одной ванны для отпуска, но т.к. отпуск двукратный — добавляем еще одну ванну.

Рассчитываем необходимое количество закалочных и отпускных ванн для метчика с годовой программой 30 000 шт.

Для режущей части:

а) в нагревательный колодец загружаются метчики режущей частью вниз в приспособлении (10 шт.), продолжительность нагрева которых составляет 30 минут, следовательно, за 1 час будет прогреваться 20 метчиков. Вычисляем количество метчиков прогреваемых в колодце за 2 смены: 20 16 = 320 шт. Вычисляем количество метчиков прогреваемых в колодце за год: 320 253 дн.= 80 960 шт.

Т.к. 80 960 штук больше требуемой годовой программы, следовательно, одного колодца нагревательного достаточно, а т.к. время нагрева инструмента в ваннах ІІ и ІІ І подогрева меньше (4−10 минут), чем в колодце нагревательном, следовательно, достаточно будет одной ванны для ІІ подогрева, и одной ванны для ІІІ нагрева режущей части метчиков;

б) в ванну для отпуска загружается приспособление с метчиками (10 шт.) с продолжительностью режима 1 ч. Количество метчиков отпускаемых за две смены: 10 16 ч = 160 шт.;

— за год: 160 253 = 40 480 шт.

Это больше годовой программы, а т.к. отпуск двукратный берем две ванны для отпуска.

Для хвостовой части метчика:

а) в соляную ванну метчики в приспособлении (10 шт.) загружаются хвостовой частью вниз на 6−8 минут (за 1 час- 160 метчиков):

— за две смены: 60 шт 16 ч = 960 шт.;

— за год: 960 253 = 242 880 шт.

Т.к. 242 880 на много превышает требуемую годовую программу, следовательно, достаточно одной закалочной ванны;

б) в ванну для отпуска метчики (10 шт.) загружаются на 1,5 часа (за 3 часа — 20 метчиков):

— за две смены: 20 шт 5 = 100 шт.;

— за год: 100 253 = 250 300 шт.

Следовательно, достаточно одной отпускной ванны.

Таким образом, на участке необходимо установить для окончательной термообработки фрез — три закалочных и две отпускных ванны, для метчиков — четыре закалочных и три отпускных ванны.

2.3 Подъемно-транспортные средства

Подъемно-транспортное оборудование предназначается для механизации подъемно-транспортных и погрузочных работ. Транспорт участка термообработки обеспечивает согласованность погрузки и перемещения инструмента с технологическим процессом, поточность производства, минимальную перегрузку инструмента, механизацию трудоемких процессов с полным использованием мощности подъемно-транспортных механизмов. На термическом участке по производству режущего инструмента для выполнения подъемно-транспортных операций используются две подвесные кран-балки грузоподъемностью Q = 1 т, каждая перемещается параллельно друг относительно друга вдоль участка по рельсам, уложенным на подкрановые балки. Управление осуществляется с пола. Скорость перемещения до 3 м/мин. Для ремонтных работ на участке используется мостовой кран (Q = 10 т), который перемещается по всему пролету цеха. Для транспортировки заготовок и инструмента на участок ТВЧ и на механический участок используется монорельс с тельфером.

2.4 Выбор и расчет необходимого количества дополнительного и вспомогательного оборудования

На участке термообработки имеется следующее дополнительное оборудование:

— обдирочно-шлифовальный станок, на котором проводится зачистка 10% заготовок после отжига для более точного проведения замеров твердости. Производительность станка 30 шт/ч. Количество инструмента, отжигаемого за две смены (16 ч): резцы — 1 408 шт. (140 шт.- 10%), фрезы — 96 шт. (10 шт.- 10%), метчики — 120 шт. (12 шт.- 10%), составляет: 140 + 10 + 12 = 162 шт. Производительность станка за 2-х сменный режим работы будет составлять: 30шт/ч 16ч = 480 шт. Следовательно, на участке термообработки для зачистки заготовок достаточно одного обдирочно-шлифовального станка;

— прибор Бринелля применяется для измерения твердости 10% (162 шт.) заготовок за 2 смены после отжига. Производительность прибора 60 шт/ч или 60 16 ч = 960 шт. Следовательно, на участке достаточно одного прибора Бринелля;

— после окончательного нагрева при закалке фрез, режущей и хвостовой частей метчиков, инструмент необходим охладить. Т.к. для окончательного нагрева после которого необходимо охладить инструмент в масле используется три ванны, следовательно, необходимо три закалочных бака, которые должны располагаться напротив закалочной ванны, на расстоянии 1,5−2 м. Закалочные баки на участке представляют собой небольшую емкость прямоугольной формы для закалки среднего инструмента. Баки сварены из листовой низкоуглеродистой стали толщиной 4−6 мм. Глубина баков 1 000 мм. Все процессы по передаче инструмента в бак, перемещению в баке и выдаче из бака выполняются вручную;