улучшение эксплуатационных свойств вала редуктора на основе ионно-плазменного упрочнения его поверхности

Поэтому необходимо проводить группировку элементов объекта, главная задача которой состоит в предварительном формировании (избыточной) совокупности количественных и качественных признаков, которые могут быть выбраны в качестве контролируемых.Одним из главных метрологических признаков является точность, с которой проводятся измерения. В ходе процесса ТК контролируются различные параметры: шероховатость поверхности, допуски формы и расположения поверхностей, размерные характеристики. Эти параметры контролируются с помощью различных технических средств, имеющих разную точность (ту, с которой необходимо провести соответствующее измерение). Определим, какие средства измерения для контроля, каких параметров детали будут использоваться в разрабатываемом процессе ТК.Для обеспечения радиального биения поверхности Ø35k6, Ø35d9, Ø32k6 необходимо установить вал в центра. Индикатор с ценой деления 0,01 мм установить к поверхности Ø35k6, Ø35d9, Ø32k6 последовательно.Установить индикатор на ноль и повернуть вал в центрах на полный оборот. Максимальное значение отклонения будет соответствовать радиальному биению.Рис. 2.4. Схема контроля2.16. Маршрутный технологический процесс изготовления валаСодержание операцийЭскиз операцииОборудование, приспособление, режущий инструмент005 Заготовительная 1. Отрезать заготовку от прутка Ø50+0,8мм на L=260±1 мм.Дисковый отрезной станок модель ПМ- 400, призматические тиски, круг отрезной 225x2,5x32010 Фрезернo - центровальнаяФрезеровать с 2- х сторон на L=255±0,4мм,Сверлить с 2-х сторон два центровых отверстия 06 мм.Фрезерно- центровальный станок модель 281. Призматические тиски, фреза торцевая Т5К10 0100 ГОСТ 15086-89, сверло центровое Р6М5 06мм. ГОСТ 14952-75015 Токарная с ЧПУУстанов АПереход 1. Точить по ступеням поверхности с диаметрами до:начерно Ø46±0.5 на L = 119 мм, начерно, начисто Ø42±0.1 на L = 100 мм, Ø40±0.1 на L = 17 мм, снять фаску 1.6×45º.Переход 2. Точить 2 канавки В шириной L=3 мм.Переустановить заготовкуУстанов АТокарно-винторезный станок с ЧПУ модель 16К20Ф3, 3-х кулачковый патрон,Резец проходной Т15К6 ГОСТ18880-79, Резец канавочный Т15К6ГОСТ18878-79Установ БПереход 3. Точить по ступеням поверхности с диаметрами до: начисто Ø46±0.1 на L = 19 начерно, начисто Ø40±0.1 на L= 137 мм, Ø36±0.1 на L=68 мм, снять фаску 1.6×45º.Переход 4.Точить 2 канавки В шириной L=3 мм.Установ Б020 Вертикально - фрезернаяПереход 1. Фрезеровать начерно, начисто паз bБ=10 мм на L = 50 мм,Переход 2. Фрезеровать начерно, начисто паз bА=12 мм на L=50 мм.Вертикально-фрезерный модель 6Р10.Призматические тискиКонцевая фреза Ø10 ГОСТ 18372- 73 Т15К6,Концевая фреза Ø12 ГОСТ 18372- 73 Т15К6.025 ТермическаяМуфельная печь030 КруглошлифовальнаяУстанов АПереход 1. Шлифовать начерно, начисто поверхности вала: ∅46k6 на длину L=19 мм, ∅40k6 на длину L=69 мм, ∅36k6 на длину L=68 мм, выдерживая параметр шероховатости Ra = 6,3 мкм.Установ БПереход 2. Шлифовать начерно, начисто поверхности вала: ∅40js6 на длину L=22 мм, выдерживая параметр шероховатости Ra = 6,3 мкм.Круглошлифовальный станок модель 3М151,3-х кулачковый патрон,Круг шлифовальный ПП 100х32х20 25А25СМГОСТ 2424-83035 Токарная с ЧПУПереход 1. Сверлить отверстие ∅10 мм на глубину L=36 мм,Переход 2. Нарезать резьбу М10-6H на глубину L = 30 мм .Токарно-винторезный станок с ЧПУ модель 16К20Ф3,3-х кулачковый патрон, Приспособление:3-х кулачковый патрон, Сверло спиральное ∅10 мм Р6М5,Метчик машинный М10 Р6М5040 МоечнаяПереход 1. Промыть и продуть детальМоечная машина045 СлесарнаяПереход 1. Удалить заусенцы, притупить острые кромки Подготовить деталь для контрольной операции.050 КонтрольнаяПроизвести контроль технических требованийШтангенциркуль II ГОСТ 166-88, микрометр ГОСТ 6507-78,стойка с индикаторомГОСТ 577-68, образец шероховатости ГОСТ 9378-75Операционные эскизы005 Заготовительная010 Фрезерно-центровальная015 Токарная с ЧПУУстанов АУстанов Б020 Вертикально-фрезерная030 Круглошлифовальная035 Горизонтально-сверлильнаяГОСТ 3.1404 - 86 Форма 3Дубл.Взам.Подп.1Разраб.Провер.Метрол.Утв.Вал010Н.контр.Наименование операцииМатериалТвердостьЕВМДПрофиль и размерыМЗКОИДФрезерно-центровальнаяСталь 45 ГОСТ 1050-811Оборудование, устройство ЧПУОбозначение программыТоТвТп.з.Тшт.СОЖФрезерно-центровальный станок модель 281РПИD или BLtiSnvА01Фрезеровать с 2- х сторон на L=255±0,4мм, начерно 46255110,2800250начисто 462550,510,1100028602Сверлить с 2-х сторон два центровых отверстия 06 мм 46102,510,142010ГОСТ 3.1405 - 86 Форма 7ГОСТ 3.1405 – 86 Форма 3Дубл.Взам.Подп.010СтудентКонсул.Руковод.Зав. каф.ВалН.контр.Глава 3. Инновационная частьУпрочнение методами ионно-плазменной обработки применяют для повышения износостойкости и коррозионной стойкости режущих инструментов, коленчатых валов, деталей насосов, дизелей и других деталей, подвергающихся изнашиванию и коррозионному воздействию [1]. Покрытие получают способами термического испарения, катодного или ионно-плазменного распыления, либо путём бомбардировки поверхности ионами осаждаемого вещества. В качестве реакционного газа используют азот или углерод. Покрытие состоит из нитридных или карбидных соединений тугоплавких металлов. Покрытия могут быть нанесены на детали из твёрдых сплавов, углеродистой и легированной стали, коррозионно-стойкой аустенитной стали, инконеля, нейзельбера, а также на покрытие из твёрдого хрома. Для осаждения покрытий используют герметизированные камеры - печи и вакуумные установки с автоматизированным регулированием температуры. Причём толщина твёрдого слоя составляет 1-3 мкм, а общая толщина покрытия не превышает 25мкм.3.1. Технологический процессДля выполнения технологического процесса ионно-плазменной обработки применяют ряд оборудования, например, установка ионной цементации ЭВТ 25 (рис. 3.1); установка для ионного азотирования (рис. 3.2); установка УА-63-950/3400 с изменяемой геометрией рабочей камеры (рис. 3.3); установка «ВИПА-1» (рис. 3.4). Рис. 3.1. Общий вид установка ионной цементации ЭВТ 25Рис. 3.2. Внешний вид установки для ионного азотированияРис. 3.3. Установка УА-63-950/3400 с изменяемой геометрией рабочей камеры (высота 1,7 или 3,4 м)Рис. 3.4. Общий вид установки «ВИПА-1»Используя последнюю установку, может быть применено ионно-плазменное упрочнение, которое является эффективным методом упрочняющей химико-термической обработки деталей в вакууме из: конструкционных сталей (шестерен, валов, зубчатых венцов, конических и цилиндрических шестерен, вал-шестерен, шнеков экструдеров, валов, прямозубых, пресс-форм, муфт сложной геометрической конфигурации и др.), чугунов (пресс-формы, валы, шестерни и др.), нержавеющих сталей, титановых сплавов. При этом будут использованы газовые среды, в которых отсутствует аммиак, исключено водородное охрупчивание поверхности, а технология позволяет упрочнять необходимые участки деталей.Технологияионно-плазменного упрочнения имеет следующие преимущества:- используется нагрев только поверхностного слоя детали без прогрева ее сердцевины (нагрев происходит за счет энергии тлеющего разряда, поэтому нет необходимости использовать печи);- циклические нагревы и охлаждения детали создают термические напряжения в поверхностном слое, что в 2-3 раза ускоряет диффузионные процессы и соответственно сокращается время обработки;- форма и размеры детали и чистота ее поверхности остаются без изменений, поэтому не нужна финишная механическая обработка;- сокращение длительности обработки, циклический характер скоростного дискретного энерговвода и нагрев только поверхностного слоя сокращают затраты электроэнергии до 10 раз.В основе данной технологии ионно-плазменного упрочнения лежит процесс, связанный с дискретным вводом энергии, возникновением и релаксацией напряжений в обрабатываемом материале (рис. 3.5, а, б) накоплением дефектов кристаллического строения, за счет чего существенно увеличивается кинетика диффузии, приводящая к ее аномальному течению. Вследствие этого создаются условия для перераспределения компонентов в твердом растворе, измельчения фаз, а, следовательно, для повышения твердости, прочности и ударной вязкости. Рис. 3.5. Изменения микронапряжений при ионно-плазменном упрочнении: а – от температурного цикла; б – в поверхностном слоеНа диаграммах показаны микронапряжения, возникающие в слое материала (рис. 3.5, рис. 3.6). В точке М достигается максимальное значение сжимающих (отрицательных) напряжений. При снижении температуры (рис. 3.5, а) достигаются максимальные растягивающие (положительные) напряжения в точке Q (рис. 3.5, б). Таким образом, можно рассчитать суммирующие значения напряжений в зависимости от температуры в детали (рис. 3.6). Реализация метода ионно-плазменного упрочнения достигается с помощью сформированных импульсов тока (рис. 3.7, а), которые осуществляют дискретный ввод подводимой энергии. Такое технологическое решение позволяет сократить время нагрева детали (рис. 3.8) и время процесса диффузионного насыщения поверхности.Рис. 3.6. Диаграмма накопления напряжений в основе материала в зависимости от температуры процесса ионно-плазменного упрочненияабРис. 3.7. Форма импульса: а – ионно-плазменное упрочнение; б – изотермический режим ХТОРис. 3.8. Скорость нагрева образцов методом ионно-плазменного азотирования при изотермическом и импульсном режимахПриведем процесс использования технологии ионно-плазменного азотирования вала редуктора. Ионно-плазменному азотированию подвергался вал редуктора из стали 45. Использовалось два технологических подхода: изотермический и термоциклический. Азотирование валов одним и вторым методом проводилось в смеси газов азота и аргона (в соотношении 20-80 %). Время азотирования составляло 360 мин., при рабочем давлении 120 Па. Температура процесса – 550 ˚С (при изотермическом режиме) и 550±25, 550±50, 550±100 ˚С (при термоциклическом режиме). Охлаждение валов проводили в камере при давлении 1,5-2,0 Па. Из рис. 3.8 следует, что применение термоциклического режима более эффективно, чем изотермического. Полученные данные показывают, что циклическая обработка в режиме ± 50 ºС позволяет достичь максимальной твердости поверхностного слоя (рис. 3.9), тем самым снизить износ рабочих поверхностей вала при работе в абразивных средах и увеличить срок службы в 2-4 раза.Рис. 3.9. Влияние длительности циклов ионно-плазменного азотирования на глубину диффузионного слоя вала редуктора: 1 – при изотермической обработке; 2 – при циклировании ± 25 ºС; 3 – при циклировании ± 50 ºС; 4 – при циклировании ± 100 ºССтруктура поверхностного слоя вала после ионно-плазменного упрочнения приведена на рис. 3.10.Рис. 3.10. Структура поверхностного слоя вала после ионно-плазменного упрочненияНиже показана эффективность применения технологии ионно-плазменного азотирования: обработанные валы редуктора были испытаны на износостойкость и сравнивались с износостойкостью валов, которые были обработаны в изотермическом режиме. Испытание покрытий на износостойкость проводили на экспериментальной установке в соответствии с ГОСТ 23.208-79, который совпадает с американским стандартом АСТМ С 6568. Процесс трения моделировался в присутствии свободного не жесткозакрепленного абразива. Образцы валов изнашивались свободным абразивом, увлекаемым резиновым роликом на поверхность трения. В качестве абразива использовался кварцевый песок (SiO2) зернистостью 200…250 мкм. Перед испытанием абразив просушивали (влажность не превышала 0,16 %). Износ замеряли весовым методом на аналитических весах АДВ-200 с точностью до 0,0001 г. До и после испытаний образцы валов промывали в этиловом спирте, просушивали и взвешивали. Эксперимент проводили при скорости скольжения 0,158 м/с, нагрузке 20 кг (при плече 272 мм) и пути трения 100 м. В результате экспериментальных исследований (рис. 3.11) установлено, что наибольшая интенсивность износа наблюдалась у вала без упрочнения. Рис. 3.11. Весовой износ валов в песке: 1 – без упрочнения; 2 – термоциклический режим азотирования; 3 – изотермический режим азотированияТакже выявлено, что обработка методом ионно-плазменного азотирования повышает износостойкость стали 45 в песке в 3,5 раза, а при изотермическом режиме азотирования повышается износостойкость стали 45 в песке – 2 раза. Проведенные испытания показали перспективность и целесообразность применения ионно-плазменного азотирования для повышения надежности валов редуктора.Метод ионно-плазменного азотирования дает возможность: получать слои заданного состава, увеличить твердость стальных деталей до 9-12 ГПа по сравнению с традиционными методами ХТО; повысить производительность процесса в 3-5 раза; сформировать поверхностный нитридный слой без микротрещин. Полученные данные об износостойкости упрочненных слоев вала в условиях абразивного изнашивания свидетельствует о перспективности применения метода ионно-плазменного азотирования для поверхностного упрочнения вала редуктора. Применив новейшие технологические приемы и изменив комплекс специфических физико-механических и эксплуатационных свойств, были получены поверхности валов редуктора с высокими эксплуатационными свойствами.3.2. Расчет производительностиПроизведем расчет увеличения производительности при применении ионно-плазменного упрочнения.Для расчетов используем формулу Тейлора:Будем сравнивать применение трех методов: 1 – обычная ХТО; 2 – ионно-плазменное упрочнение притермоциклическом режиме азотирования; 3 – ионно-плазменное упрочнение при изотермическом режиме азотирования, значения которых будут приведены в таблице 3.1.Скорость обработки при применении методов: - ХТО – 5 м/мин;- ионно-плазменное упрочнение притермоциклическом режиме азотирования – 9 м/мин;- ионно-плазменное упрочнение при изотермическом режиме азотирования – 7 м/мин.T1 = 23 мин.T2 = 12 мин.T3 = 16 мин.Тогда:Таблица 3.1 Результаты расчетовМетодV, м/минCNT,минХТО8,113,623Ионно-плазменное упрочнение притермоциклическом режиме азотирования9,919,912Ионно-плазменное упрочнение при изотермическом режиме азотирования9,116,916Подсчитаем производительность:С применением ионно-плазменное упрочнение притермоциклическом режиме азотированияпроизводительность увеличивается на 22 %.ЗаключениеВ процессе дипломной работы был сконструирован одноступенчатый редуктор, который является одним из основных узлов привода к конвейеру и разработан технологический процесс изготовления вала редуктора.Для улучшения эксплуатационных характеристик вала редуктора было применено ионно-плазменное упрочнение его рабочей поверхности.За счет такого применения ионно-плазменного упрочнения была повышена производительность на 22%.Список использованной литературыСправочник технолога-машиностроителя в двух томах /А.Г. Косилова и Р.К. Мещеряков Станочные приспособления в двух томах / Б.Н. Вардашкин и А.А. ШатиловОбщемашиностроительные нормативы режимов резания. Часть 1Технология машиностроения / А.А. Гусев, Е.Р. Ковальчук, И.М. Колесов, Н.Г. Латышев, В.А. Тимирязев, Д.В. ЧарнкоТехнология конструкционных материалов /А.М. Дальский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова.Основы технологии машиностроения: учебник / В.А. Тимирязев, А.А.Кутин, А.Г. Схиртладзе – М.: ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2011.Анурьев В.И., Справочник конструктора машиностроителя. – М.: Машиностроение, 2001, Т.1, 920с.Балакшин Б.С., Основы технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 1969.-556с.Гусев А.А., Гусева И.А. Технологическая оснастка. Учебное пособие. – М.: ИЦ МГТУ «Станкин», ЯНУС-К, 2007. – 372 с.Гусев А.А., Ковальчук Е.Р., Колесов И.М., Технология машиностроения (специальная часть) - М.: Машиностроение, 1986. – 480 с.Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование. – Высш. шк. 1990. – 399 с.Латышев Н.Г., Методическое руководство по курсовому проектированию- М, Мосстанкин, 1982,-52с.Методическое указание. Сост. В.В. Плешаков, Т.В. Никифоров, В.К. Старков.-М.:МГТУ СТАНКИН, 1999.-43с.Основы технологии машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов/И.М. Колесов – М.: Машиностроение, 1997. – 592 с.Справочник технолога-машиностроителя. /Под ред.А.Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. - М.: Машиностроение, 1985. Т.1 - 656 с, Т.2 - 496с.Мягков В. Д. Допуски и посадки, справочник. – М.: Машиностроение, 1978. – 544 с.