Разработка технологического процесса для термической обработки нижних рубочных ножей

ВВЕДЕНИЕ

 

Перед машиностроением стоит задача обеспечить все отрасли промышленности высокоэффективным оборудованием, значительно увеличить производство приборов и средств автоматизации. Для решения этой задачи необходимо увеличение выпуска машин и механизмов, производство которых невозможно без наличия качественного и сложного инструмента.

Инструментальная промышленность в настоящее время выпускает огромное количество режущего, штамповочного и измерительного инструмента, который должен обладать высокой  твердостью, прочностью, износостойкостью и т. п.

Качество инструмента зависит от его термической обработки. Внедрение в промышленность новых марок стали и сплавов, изготовление сложных конструкций, точность изготовляемого инструмента требует от термиста инструментального цеха умения быстро ориентироваться при выборе технологического процесса термической обработки, в причинах возможного брака, приемах его предотвращения и исправления, а также понимания металловедческих основ термообработки.

При проектировании термических цехов разрабатывают чертежи нестандартного термического оборудования для нагрева (печи, ванны, высокочастотные, лазерные, газопламенные и другие установки), для охлаждения (закалочные баки и машины, спрейерные устройства, охладительные камеры, установки обработки холодом и др.); конструкции автоматизированных нестандартных агрегатов с обслуживающими механизмами, роботами и автоматизацией их работы; схемы автоматического управления технологическими процессами, установки приготовления контролируемых атмосфер, составленные из стандартных узлов; компоновки охладительных установок; конструкции устройства для неразрушающего контроля качества и свойств изделий после термической обработки; планировки оборудования термического цеха.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ РУБОЧНЫХ НОЖЕЙ

И ВЫБОР МАРКИ СТАЛИ

 

1. Анализ условий работы рубочных ножей

 

Наиболее широко распространена в цехах массового и крупносерийного производства резка заготовок ножницами и ломка в холодноломах.  
По конструкциям ножницы делятся на дисковые, рычажные и гильотинные. Чаще всего в кузнечных цехах применяются пресс-ножницы. Эти ножницы работают по принципу кривошипного пресса. Гильотинные ножницы применяются для резки листового металла. Ножницами режутся как холодные, так и горячие заготовки. В настоящее время выпускаются пресс-ножницы, которые режут холодный металл сечением до 300 X 300 мм.  
Пресс-ножницы — производительное оборудование, так как за каждый ход производится отрезка заготовки. В течение одной минуты пресс-ножницы делают от 3 до 32 ходов, причем, чем больше сечение разрезаемого металла, тем меньше ходов ножницы могут делать. Ножницами можно резать заготовки и фасонных профилей, но для этого необходимо применять специальные приспособления и ножи. 

При резке холодного металла в месте среза возникают большие напряжения и могут образоваться трещины. Поэтому, когда режутся заготовки из высокоуглеродистых и легированных сталей, последние перед резкой подогреваются до температуры 350—700° С; чем выше температура подогрева, тем меньше приходится затрачивать энергии на резку.  
Малоуглеродистые и среднеуглеродистые мягкие стали сечением до 200 X 200 мм обычно режутся в холодном состоянии. При резке ножницами торцы заготовок получаются неровными, причем неровность их тем больше, чем больше сечение заготовки и выше температура подогрева металла. Поэтому выбор температуры подогрева металла перед резкой зависит от марки стали и от способа последующей штамповки. 

При штамповке в торец срез должен быть, по возможности, ровным и прямым. Этого не всегда можно достигнуть, особенно при резке высоколегированных и высокоуглеродистых сталей, так как во избежание образования в месте реза трещин металл необходимо подогревать до более высокой температуры (700— 800 и даже до 1000° С), а при таком высоком подогреве получить с помощью ножниц прямой срез нельзя. Поэтому в таких случаях нужно применять другой способ резки, например электрический, на пилах холодной резки и пр. 

 

2. Выбор марки стали

 

Ножи для холодной резки металла.

Ножи изготовляются из сталей У8, 4ХС, 6ХС, 5ХВ2С, 8ХФ, 9ХВГ, Х12М и Х12Ф1. Под закалку ножи лучше всего нагревать в подвешенном состоянии в соляной ванне или в шахтной печи, в зависимости от длины ножа и глубины ванны. При отсутствии этих печей нагрев ножей производится в камерной печи в положении «на ребро». Нагрев следует вести медленно, загружая ножи в печь, имеющую температуру 500—600°. Необходимо наблюдать за равномерным нагревом ножей. Быстрый и неравномерный нагрев ножей ведет к повышенному короблению их. Ножи из сталей У8 и 8ХФ закаливают в воду с переносом в масло. Опускать ножи в воду нужно быстро и ровно. Ножи из сталей 4ХС, 9ХВГ и 5ХВ2С закаливают в масло, а ножи из сталей Х12М и Х12Ф1—на воздухе. Последние почти не коробятся при закалке на воздухе и имеют высокую стойкость. Отпуск ножей из углеродистых сталей производят при температуре 250— 350°, легированных — при 250—400°, а высокохромистых сталей Х12М и Х12Ф1—при 300—400°. Твердость ножей HRC= 52—58.

 

Таблица 1.1 – Химический состав стали У8, %
C	0,76 - 0,83
Si	0,17 - 0,33
Mn	0,17 - 0,33
Ni	до 0,25
S	до 0,028
P	до 0,03
Cr	до 0,2
Cu	до 0,25
Fe	~97

 

 

Твердость стали У8 в зависимости от температуры отпуска
Температура отпуска, °С	Твердость, HRCЭ
Закалка 780-800 °С, вода
160-200  200-300  300-400  400-500  500-600	61-65  56-61  47-56  37-47  29-37
Таблица 1.2 – Свойства и полезная информация:

Удельный вес: 7839 кг/м3  Термообработка: Закалка 780 °C, масло, Отпуск 400 °C.  Твердость материала: HB 10 -1 = 187 МПа  Температура критических точек: Ac1 = 720°C , Ar1 = 700°C , Mн = 245°C  Температура ковки, °С: начала 1180, конца 800. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-300 мм в яме.  Обрабатываемость резанием: при HB 187-227, σв=620 МПа,  К υ тв. спл=1,2 и Кυ б.ст=1,1  Свариваемость материала: не применяется для сварных конструкций.  Флокеночувствительность: не чувствительна.  Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.
Предел выносливости стали У8
σ-1, МПА	Термообработка
490	σв=1860 МПа, НВ 611

 

 

Прокаливаемость стали  У8
Расстояние от торца, мм									Примечание
2	4	6	8	10	12	14	16	18	Закалка 790 °С
65,5-67	63-65	45,5-55	42-43,5	40,5-42,5	39,5-41,5	37-40,5	39-40	36-39,5	Твердость для полос прокаливаемости, HRC

 

Физические свойства стали У8
T (Град)	E 10- 5 (МПа)	a 10 6 (1/Град)	l (Вт/(м·град))	r (кг/м3)	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20	2.09			7839
100	2.05	11.4	49	7817	477	230
200	1.99	12.2	46	7786	511	305
300	1.92	13	42	7752	528	395
400	1.85	13.7	38	7714	548	491
500	1.75	14.3	35	7676	565	625
600	1.66	14.8	33	7638	594	769
700		15.2	30	7600	624	931
800		14.5	24	7852	724	1129
900						1165

 

 

Механические свойства стали У8 в зависимости от температуры испытания
Температура испытаний, °С	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	НВ
Отжиг или нормализация
100  200  300  400  500  600  700	-  -  -  -  -  -  -	710  640  -  -  500  370  255	17  15  17  19  23  28  33	24  15  16  23  29  39  50	195  205  205  190  170  150  120
Закалка 780 °С, масло. Отпуск 400 °С (образцы гладкие диаметром 6,3 мм)
20  -40  -70	1230  1270  1300	1420  1450  1470	10  11  12	37  36  35	-  -  -
Образец диаметром 5мм и длиной 25мм, деформированный и отожженный  Скорость деформирования 10 мм/мин. Скорость деформации 0,007 1/с
700  800  900  1000  1100  1200	-  -  -  -  -  -	105  91  55  33  21  15	58  58  62  62  80  69	91  100  100  100  100  100	-  -  -  -  -  -

 

 

Теплостойкость стали У8

Температура, °С	Время, ч	Твердость, HRCэ
150-160  200-220	1  1	63  59

 

Расшифровка марки стали У8: буква У говорит о том, что перед нами инструментальная качественная нелегированная сталь, в которой присутствует углерод в среднем количестве 0,8%.

Рисунок детали приведен в приложении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА ЕГО ПАРАМЕТРОВ

 

1. Выбор технологического процесса

 

Инструмент для холодного деформирования работает при удельных давлениях (1400-1600 МПа) и достаточно небольших температурах разогрева не выше (150-200 )

Повысить стойкость инструмента можно благодаря использованию оптимальных температурно-временных параметров термической обработки, учету причин вывода из строя и правильному выбору марки стали.

В качестве окончательной термической обработки для штампов холодного деформирования применяют закалку и отпуск.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо-углерод. Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30-60 выше А

При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше, но ниже в структуре на ряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной, и, как правило, ее не принимают.

Термическая обработка углеродистых инструментальных сталей состоит из двух этапов: предварительная и окончательная.

Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) деталей из углеродистых сталей при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–770 °С с охлаждением в масле и последующем отпуске при 600 °С (1 ч).

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в табл. 2.1.

Мелкие инструменты (диаметром до 120 и длиной до 250 мм) целесообразно нагревать под закалку в соляных ваннах (70 % BaCl2 + 30 % NaCl), так как при этом не надо защищать детали от окисления и обезуглероживания.

При нагреве более крупного инструмента в камерных печах без защитной атмосферы необходимо применять для его защиты упаковочные материалы, например для сталей с температурой закалки до 900 °С — древесный уголь + карбюризатор или смесь свежей и пережженной чугунной стружки.

Время выдержки на 1 мм диаметра (толщины): 20–35 с при нагреве в ванне и 50–80 с при нагреве в печи.

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки — порядка 200–300 °С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен.

Поэтому только инструменты малого диаметра могут после закалки в воде прокаливаться насквозь.

Инструменты крупных размеров при закалке в воде и водных растворах солей, кислот и щелочей, охлаждающая способность которых выше, чем воды, закаливаются на мартенсит лишь в тонком поверхностном слое. Структура же глубинных зон инструментов представляет собой продукты распада аустенита перлитом в интервале температур. Сердцевина инструментов, имеющих такую структуру, является менее хрупкой по сравнению с мартенситной структурой. Поэтому инструменты, имеющие такую сердцевину, лучше переносят толчки и удары по сравнению с инструментами, закаленными насквозь на мартенсит.