Технология производства распределительного вала ЗИЛ-130

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

штамповка прокатка сталь коленчатый вал

Введение

1. Технология производства распределительного вала ЗИЛ-130

1.1 Описание свечи зажигания

1.2 Анализ условия работы головки цилиндра

1.3 Выбор материала для изготовления детали

2. Анализ существующей технологии производства распредвала ЗИЛ-130

2.1 Последовательность технического производства

2.2 Подготовка материалов к доменной плавке

2.3 Выплавка чугуна

2.4 Получение стали в электрических печах

2.5 Сифонная разливка стали

2.6 Сортовая прокатка стали

2.7 Технология горячей объемной штамповки

2.8 Слесарно-механическая обработка

2.9 Технология упрочняющей термической обработки

2.10 Контроль

3. Определение типа производства коленчатого вала

3.1 Процесс доменного производства

3.2 Производство стали

3.3 Сифонная разливка стали

3.4 Горячая обработка металла давлением

3.5 Горячая объемная штамповка

3.6 Слесарно-механическая обработка и термическая обработка

3.7 Вывод

4. Разработка требований к технологичности конструкции изделия

4.1 Требования технологичности для доменного процесса

4.2 Требование технологичности распределительного вала из Стали 45

4.3 Требование технологичности для разливки стали

4.4 Требование технологичности для горячей объемной штамповки

4.5 Требования технологичности для слесарно-механической обработки

4.6 Требование технологичности для термической обработки

4.7 Вывод

5. Новейшие технологии на производстве при литье

Заключение



Введение

Распределительный вал (распредвал) - элемент ГРМ (ГазоРаспределительного Механизма), отвечающий за синхронизацию работы двигателя (тактов впуска и выпуска). Распредвал представляет собой вал, на котором расположены кулачки, отвечающие за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.

Распределительного вал обязан выдерживать режим работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000 ⁰С в цилиндрах и минус 50 ⁰С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок. Выдержать такие громадные нагрузки могут только специальные стали или отбеленный чугун, из которых делаются распределительные валы современных моторов, да и то при условии упрочняющей термообработки их, хорошей смазки.

Цель исследования: изучить технологию производства распределительного вала.

Объект исследования: процесс технологии производства распределительного вала.

Предмет исследования: технология производства распределительного вала.

Задачи исследования:

Изучить научную литературу по теме.

Описать деталь.

Проанализировать условия работы распределительного вала.

Проанализировать, какие материалы необходимы для изготовления свечи зажигания.

5.Описать каждый технологический этап производства детали.



1. Технология производства распределительного вала ЗИЛ-130

1.1 Описание свечи зажигания

В двигателях внутреннего сгорания своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов обеспечивается газораспределительным механизмом.

На двигателе ЗиЛ-130 установлен газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов.

Газораспределительный механизм состоит из распределительных шестерен, распределительного вала, толкателей, штанг, коромысел с деталями крепления, клапанов, пружин с деталями крепления и направляющих втулок клапанов.

Распределительный вал расположен между правым и левым рядами цилиндров.

При вращении распределительного вала кулачок набегает на толкатель и поднимает его вместе со штангой. Верхний конец штанги надавливает на регулировочный винт во внутреннем плече коромысла, которое, провертываясь на своей оси, наружным плечом нажимает на стержень клапана и открывает отверстие впускного или выпускного канала в головке цилиндров. В рассматриваемых двигателях распределительный вал действует на толкатели правого и левого рядов цилиндров.

Газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов дает возможность улучшить форму камеры сгорания, наполнение цилиндров и условия сгорания рабочей смеси. Лучшая форма камеры сгорания позволяет повысить также степень сжатия, мощность и экономичность двигателя.

Распределительный вал служит для открытия клапанов в определенной последовательности в соответствии с порядком работы двигателя.

Устанавливают его в отверстия стенок и ребрах картера. Для этой цели на валу имеются цилиндрические шлифованные опорные шейки. Для уменьшения трения между шейками вала и опорами в отверстия запрессовывают втулки, внутренняя поверхность которых покрыта антифрикционным слоем.

На валу, помимо опорных шеек, имеются кулачки -- по два на каждый цилиндр, шестерня для привода масляного насоса и прерывателя-распределителя и эксцентрик для привода топливного насоса.

От переднего торца распределительных валов двигателя ЗИЛ-130 приводится в действие датчик пневмоцентробежного ограничителя частоты вращения коленчатого вала двигателя. Трущиеся поверхности распределительного вала для уменьшения износа подвергнуты закалке с помощью нагрева током высокой частоты.

Привод распределительного вала от коленчатого вала осуществляется при помощи шестеренчатой передачи. Для этой цели на переднем торце коленчатого вала насажена стальная шестерня, а на переднем конце распределительного вала -- чугунная шестерня. Распределительная шестерня от провертывания на валу удерживается шпонкой и закрепляется шайбой и болтом, завернутым в торец вала. Обе распределительные шестерни имеют косые зубья, вызывающие при вращении вала его осевое смещение.

Для предупреждения осевого смещения вала при работе двигателя между шестерней и передней опорной шейкой вала установлен фланец, который закреплен двумя болтами к передней стенке блока цилиндров. Внутри фланца на носке вала установлено распорное кольцо, толщина которого несколько больше толщины фланца, в результате чего достигается небольшое осевое смещение распределительного вала. В четырехтактных двигателях рабочий процесс происходит за четыре хода поршня или два оборота коленчатого вала, т. е. за это время должны последовательно открыться впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра, а это возможно если число оборотов распределительного вала будет в 2 раза меньше числа оборотов коленчатого вала, поэтому диаметр шестерни, установленной на распределительном валу, делают в 2 раза большим, чем диаметр шестерни коленчатого вала.

Клапаны в цилиндрах двигателя должны открываться и закрываться в зависимости от направления движения и положения поршней в цилиндре. При такте впуска, когда поршень двигается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан должен быть открыт, а при такте сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска закрыт. Чтобы обеспечить такую зависимость, на шестернях газораспределительного механизма делают метки: на зубе шестерни коленчатого вала и между двумя зубьями шестерни распределительного вала. При сборке двигателя эти метки должны совпадать.

Толкатели предназначены для передачи усилия от кулачков распределительного вала к штангам.

Штанги передают усилие от толкателей к коромыслам и выполнены в виде стальных стержней с закаленными наконечниками (ЗИЛ-130) Коромысла передают усилие от штанги к клапану. Изготовляют их из стали в виде двуплечего рычага, посаженного на ось. В отверстие коромысла для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку.

Полая ось закреплена в стойках на головке цилиндров. От продольного перемещения коромысло удерживается сферической пружиной. На двигателях ЗИЛ-130 коромысла не равноплечие. В короткое плечо завернут регулировочный винт с контргайкой, упирающийся в сферическую поверхность наконечника штанги.

Клапаны служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов в зависимости от положения поршней в цилиндре и от порядка работы двигателя.

В двигателе ЗиЛ-130 впускные и выпускные каналы выполнены в головках цилиндров и заканчиваются вставными гнездами из жаропрочного чугуна.



Рисунок 1. Профиль кулачка: 1 - сектор отдыха; 2 - сектор ускорения; 3 - боковая поверхность; 4 - вершина; 5 - сектор максимального открытия клапана

Клапан состоит из головки и стержня. Головка имеет узкую, скошенную под углом 45 или 30° кромку (рабочая поверхность), называемую фаской. Фаска клапана должна плотно прилегать к фаске седла, для чего эти поверхности взаимно притирают. Головки впускных и выпускных клапанов имеют неодинаковый диаметр. Для лучшего наполнения цилиндров свежей горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают большим, чем диаметр выпускного.

1.2 Анализ условия работы головки цилиндра

Распределительного вал обязан выдерживать режим работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000 ⁰С в цилиндрах и минус 50 ⁰С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок.

Важнейший элемент распределительного вала -- кулачок. Толстая, или широкая, часть его предназначена для отдыха, тонкая -- самая нагруженная. У него важны абсолютно все участки поверхности, которые с соответствующими названиями показаны на рисунке 1. Причем важность и тонкость расчета профиля каждой части кулачка постоянно возрастают по мере роста максимального числа оборотов у двигателей.

Поворачиваясь вместе с валом, кулачок должен выбрать тепловой зазор в работающей с ним паре трения и начать подъем клапана от седла, подготавливая его к полному открытию. Здесь в дело включается сектор ускорения. От профиля этого участка кулачка зависит скорость подъема клапана и характер нарастания нагрузок на кулачок от клапанной пружины. В свободном состоянии пружина прижимает клапан к седлу с усилием до 15 килограмм. При полном открытии клапана сопротивление пружины добавляет еще 30 килограмм. Если учесть, что соотношение плечей рычагов в клапанном приводе не в пользу кулачка, то нагрузка на него возрастает и в максимальном значении может приблизиться к 50 килограмм. Распределяется же она всего лишь на тоненькой линии по всей ширине кулачка, площадь которой, как правило, не более 0,2 мм².

Все эти цифры приблизительны, но их значения близки к реальным для большинства легковых двигателей, и благодаря им можно посчитать удельные нагрузки на рабочую площадь поверхности кулачка. Грубый подсчет даст величину 200 кг/мм².

Выдержать такие громадные нагрузки могут только специальные стали или отбеленный чугун, из которых делаются распределительные валы современных моторов, да и то при условии упрочняющей термообработки их, хорошей смазки и точного соблюдения времени работы и отдыха кулачков, что определяется зазорами. От величины «зазоров в клапанах» зависит и как -- с ударом или постепенно -- начнет открываться клапан, и как -- мягко или с отскоком -- сядет он обратно в седло.

На распредвал воздействует целый комплекс внешних силовых факторов, могущих вызвать его неработоспособность. Основная причина выхода РВ из строя - износ или выкрашивание рабочих поверхностей кулачков. Для того чтобы успешно противостоять износу вал должен иметь высокую твердость. Однако высокая твердость материала по всему объему может вызвать повышение хрупкости и, как следствие - усталостное разрушение. Поэтому наилучший результат дает поверхностное упрочнение материала распредвала (цементация, закалка ТВЧ). При этом повышается твердость (а вместе с ней и износостойкость) поверхностного слоя, а сердцевина вала остается достаточно вязкой для того чтобы успешно сопротивляться усталостным трещинам.

Также предъявляются жесткие требования к точности изготовления отдельных элементов вала:

Опорные шейки должны быть обработаны по 2-му классу точности и по 8-му классу чистоты; биение их размеров относительно крайней шейки не должно превышать 0,015-0,02мм. Упорный торец первой шейки должен иметь 7-й класс чистоты, допускаемая перпендикулярность его по отношению к шейке не более 0,02-0,03мм. Овальность и конусность шеек не более 0,01мм.

Рабочие поверхности кулачков должны быть обработаны по 8-му классу чистоты. Оси симметрии кулачков должны быть выдержаны с точностью 0є30' по отношению к шпоночной канавке. Отклонение оси симметрии среднего кулачку относительно шпоночной канавки не должно превышать 0є30'. Отклонение осей симметрии остальных кулачков относительно среднего не должно превышать 0є20'. Отклонение от теоретического подъема плоского толкателя при проверке профиля кулачка в отдельных точках должно быть не более 0,1-0,2 мм и от номинального реального положения фаз кулачков не более 1є…2є.

Смещение оси шпоночной канавки относительно диагональной плоскости не должно превышать 0,02-0,03 мм.

Зубья зубчатого венца привода масляного насоса и распределителя должны иметь 7-й класс чистоты.

1.3 Выбор материала для изготовления детали

В настоящее время используют большое разнообразие применяемых материалов и методов упрочнения, что связано с различным характером эксплуатации валов, масштабом, условиями и традициями производства на предприятиях различных отраслей. В основном применяют следующие варианты изготовления и упрочнения распределительных валов:

1. Валы из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, изготавливаемые горячей штамповкой, с упрочнением кулачков и опорных шеек поверхностной закалкой при поверхностном индукционном нагреве. Этим методом изготавливают большинство распределительных валов двигателей грузовых автомобилей и тракторов.

2. Валы из цементуемых сталей (20Х, 18ХГТ и др), упрочняемые цементацией с последующей поверхностной закалкой при поверхностном индукционном нагреве кулачков и шеек

В этом случае облегчается обработка валов резанием, но возрастает общая трудоемкость и сложность термической обработки.

3. Литые валы из перлитного серого и высокопрочного чугуна, упрочняемые путем поверхностной закалки при индукционном нагреве кулачков и шеек либо путем отбела рабочих поверхностей (носиков) кулачков.

Таблица 1. Состав стали 40х СЧ35

Химический элемент	40	СЧ35
С	0.36-0.44	2,9-3
Si	0.17-0.37	1,2-1,5
Cu	0.30	-
Mn	0,50-0,80	0,7-1,1
Ni	0,3	-
P	0,035	до 0,2
Cr	0,80-1,10	-
S	0,035	до 0,12

Таблица 2. Цены материалов

Марка	профиль	ГОСТ, ТУ :	Цена руб/т
сталь 45	Круг стальной 100мм немерный	1050-88	28 041
сталь 40	Круг стальной 180мм немерный	ГОСТ 2590-88	27 620
сталь 20Х	Круг стальной 100мм немерный	ГОСТ 4543	30 142
сталь 18ХГТ	Круг стальной 100мм немерный	ГОСТ 4543-71	33 609
Чугун СЧ25	Длина 1560мм Ш 220	ГОСТ 1412-85	92 000

Характеристика стали Сталь 40:

Сталь конструкционная углеродистая качественная, маркируемая как сталь 40, имеет широкую область применения:

- ее используют для изготовления коленчатых валов, распредвалов, шатунов, зубчатых венцов, маховиков, зубчатых колес, болтов, осей и других деталей после улучшения;

- ее также используют для изготовления деталей средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации, к примеру, длинных валов, ходовых валиков, зубчатых колес, использую дополнительное поверхностное упрочнение с нагревом ТВЧ;

- ограниченная свариваемость (для получения качественных сварных соединений необходим предварительный подогрев до 100-120 град. и отжиг после сварки), флокенонечувствительность, кроме того, сталь 40 не склонна к отпускной хрупкости.

Механические свойства, которыми обладает сталь 40: предел кратковременной прочности - 520-600 МПа, предел пропорциональности - 320-340 МПа, относительное удлинение - 16-20%, относительное сужение - 45%, ударная вязкость - 600 кДж/кв. м., твердость материала: HB 10 -1 = 217 МПа

Характеристика серого чугуна СЧ35:

- Несмотря на наличие графита, герметичность чугуна достаточно велика, если в отливке отсутствуют литейные дефекты. Так, при испытании водой или керосином при давлении до 10--15 МПа втулки толщиной 2 мм имеют полную герметичность. Чугунные отливки с мелким графитом и низким содержанием Р при отсутствии волосяных трещин могут противостоять давлению жидкости до 100 МПа и газов до 70 МПа.

- Свариваемость серого чугуна значительно хуже, чем у углеродистой стали; поэтому газовая и дуговая сварка, как и заварка дефектов (особенно крупных) на отливках, проводится по особой технологии.

- Обрабатываемость серого чугуна обратно пропорциональна его твердости. Она улучшается по мере увеличения количества феррита в структуре, а также по мере повышения однородности структуры, т. е. при отсутствии в ней включений фосфидной эвтектики, карбидов, обладающих повышенной твердостью. Наличие графита полезно, так как стружка получается крошащейся и давление на инструмент уменьшается.

Механические свойства которыми обладает серый чугун СЧ35: Модуль упругости Е Н/мм²*10^-4 - 13-14,5; относительное удлинение, у,% - 0,6-0,9; предел прочности при изгибе, у, Н/мм² - 630\, Твердость материала: HB - 179-290 МПа.

Требования к распределительному валу:

* Точность обработки (Опорные шейки должны быть обработаны по 2-му классу точности и по 8-му классу чистоты; биение их размеров относительно крайней шейки не должно превышать 0,015-0,02мм; Упорный торец первой шейки должен иметь 7-й класс чистоты, допускаемая перпендикулярность его по отношению к шейке не более 0,02-0,03мм; Рабочие поверхности кулачков должны быть обработаны по 8-му классу чистоты.);

* Износостойкость (Твердость всех упрочняемых элементов вала составляет HRC 54-62)

* Низкая масса (15,7 кг);

* Уравновешенность.

В соответствии с механическими свойствами изготовления распредвала из подходящих материалов, будет Сталь 40(по твердости материала, низкая цена).



2. Анализ существующей технологии производства распределительного вала ЗИЛ-130

2.1 Последовательность технического производства

Подготовка материала к доменной плавке.

Выплавка чугуна

Получение стали в электрических печах

Разливка стали

Сортовая прокатка металла давлением

Штамповка

Слесарно-механическая обработка

Термическая обработка

2.2 Подготовка материалов к доменной плавке

Доменная печь работает нормально, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и других материалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать в их внутренних слоях и при этом часть материала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различные затруднения в работе, наиболее удобным материалом для доменной плавки являются куски до 80 мм в поперечнике.

Поэтому добываемые на рудниках куски руды просеивают через так называемые грохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых размеров.

При дроблении материалов, как и при добыче руды в рудниках, наряду с крупными кусками образуется и мелочь, тоже не пригодная к плавке в шахтных печах. Возникает необходимость окускования этих материалов до нужных размеров.

2.3 Выплавка чугуна

Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах. Доменные печи являются крупнейшими современными шахтными печами. Большинство действующих сейчас доменных печей имеет полезный объем 1300--2300 м3 -- объем, занятый загруженными в нее материалами и продуктами плавки. Эти печи имеют высоту примерно 30 м и дают в сутки по 2000 т чугуна.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верхнюю часть печи, называемой колошником, руды (или агломерата), кокса и флюсов, располагающихся, поэтому в шахте печи слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горячий воздух, в печи идут сложные физико-химические процессы (которые описаны ниже) и шихта постепенно опускается вниз навстречу горячим газам, поднимающимся вверх. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмешивающихся жидких слоя -- чугун и шлак.

Материалы подаются к печи двумя скиповыми подъемниками с опрокидывающимися ковшами вместимостью по 17 м3, доставляющими агломерат, кокс и другие добавки к засыпному устройству на высоту 50 м. Засыпное устройство доменной печи состоит из двух поочередно опускающихся конусов. Для равномерного распределения материалов на колошнике печи малый конус с цилиндром после каждой засыпки поворачивается на заданный угол (обычно 60°).

В верхней части горна располагаются фурменные отверстия (16--20 шт.), через которые в печь подается под давлением около 300 кПа горячий, обогащенный кислородом воздух при температуре 900--1200° С.

Жидкий чугун выпускается каждые 3--4 ч поочередно через две или три летки, которые для этого вскрываются с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяется от чугуна в желобах с помощью гидравлических запруд и направляется в шлаковозы. Кроме того, значительную часть шлака обычно выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летка закрывается путем ее забивки пробкой из огнеупорной глины с помощью пневматической пушки.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы: горение углерода топлива разложение компонентов шихты; восстановление окислов; науглероживание железа; шлакообразование.

Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до 900--1200°С кислородом воздуха, поступающим через фурмы.

Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха поднимается вверх и, встречаясь с раскаленным коксом, взаимодействует с ним по реакции

СО2 + С=2СО

Разложение компонентов шихты протекает различно -- в зависимости от ее состава. При работе на буром железняке важнейшими процессами здесь являются разрушение гидратов окиси железа и окиси алюминия, разложение известняка по реакции



СаСО3=СаО+СО2

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главной целью доменного процесса является восстановление железа из его окислов. Согласно теории академика Баикова восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме

Fе2О3 -Fе3О4 -FеО -Fе

Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода

ЗРе2О3 + СО = 2Ре3О4 + СО2

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития этой реакции вправо необходимы температура не ниже 570° С и значительный избыток СО в газах

Fе3О4 + СО = ЗFеО + СО2 - Q

Затем происходит образование твердой железной губки

FеОтв + СО = Fетв + С02 + Q3.

Одним из главных показателей работы доменных печей, используемых для сравнения результатов деятельности различных заводов, является коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИПО):

K = V/Q.



Он равен отношению полезного объема V (м3) к суточному выпуску чугуна Q (т). Так как производительность печи Q стоит в формуле в знаменателе, то чем меньше коэффициент использования полезного объема доменной печи, тем лучше она работает. Средний КИПО в СССР в начале 70-х годов был около 0,6, в то время как в 1940 г. он равнялся 1,19, а в 1913 г. -- 2,3.

Наилучший КИПО, равный 0,39--0,42, был достигнут в последние годы на Череповецком металлургическом заводе.

Для производства чугуна кроме доменных печей применяют различное вспомогательное оборудование. Наибольшее значение среди них имеют воздухонагреватели. Для успешной работы современной доменной печи объемом 2700 м3 в нее требуется вдувать с помощью мощных воздуходувок около 8 млн. м3 воздуха и 500000м3 кислорода в сутки.

2.4 Получение стали в электрических печах

Получение стали в электрических печах из года в год увеличивается, так как в них можно получить более высокую температуру и восстановительную или нейтральную атмосферу, что очень важно при выплавке высоколегированных сталей.

Для производства стали наиболее часто применяют дуговые трехфазные электрические печи с вертикальными графитовыми или угольными электродами и непроводящим подом. Ток, нагревающий ванну в этих печах, проходит по цепи электрод--дуга--шлак--металл--шлак--дуга--электрод. Вместимость таких печей достигает 270 т.

Печь состоит из металлического кожуха цилиндрической формы и сферического или плоского дна. Внутри печь футерована огнеупорными материалами. Подобно мартеновским, дуговые печи могут быть кислыми и основными. В основных печах подина выкладывается из магнезитового кирпича, сверху которого делается набивной слой из магнезита или доломита (150--200 мм). Соответственно в кислых печах применяют динасовый кирпич и набивку из кварцита на жидком стекле.

Загрузку печей производят через окно (с помощью мульд и завалочной машины) или через свод (с помощью загрузочной бадьи или сетки). В этом случае свод с электродами делают съемным и в период загрузки его поднимают, а печь отводят в сторону и мостовым краном сразу или в два приема загружают полную садку печи. После этого сводом вновь быстро накрывают печь.

Получение стали в дуговых электрических печах имеет неоспоримые преимущества: высокое качество получаемой стали, возможность выплавлять любые марки стали, включая высоколегированные, тугоплавкие и жаропрочные; минимальный угар железа по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, минимальное окисление дорогостоящих легирующих присадок благодаря нейтральной атмосфере печи, удобство регулирования температурного режима.

Недостатком является: потребность в большом количестве электроэнергии и высокая стоимость передела. Поэтому дуговые электрические печи применяют главным образом для получения высоколегированных сортов стали.

2.5 Сифонная разливка стали

Разливка стали - это процесс перелива жидкой стали из разливочного ковша в формы-металлоприемники, где металл затвердевает, формируя слитки. Разливка стали - важный этап технологического цикла производства, в ходе которого формируются многие физико-механические свойства металла, определяющие характеристики качества готовых металлоизделий.

В сталеплавильном производстве жидкую сталь из ковша разливают либо в изложницы, либо на установках непрерывной разливки стали. Существует 2 способа разливки стали в изложницы - сверху и сифоном (также существует и условно третий метод разливки - сифоном сверху, однако он мало распространен и потому в данной статье не рассмотрен). В первом случае сталь поступает непосредственно из ковша в изложницу; после наполнения изложницы отверстие в ковше закрывают, краном перемещают ковш к следующей изложнице, и процесс повторяют. Сифонная разливка позволяет одновременно заполнять металлическим расплавом несколько изложниц (от 2 до 60), установленных на поддоне, в котором имеются каналы, выложенные пустотелым огнеупорным кирпичом; сталь из ковша заливают в центровую литниковой системы, затем она по каналам в поддоне поступает в изложницы снизу. Выбор способа зависит от сортамента сталей, массы и назначения слитков и других факторов.

Рисунок 2. Сифонная разливка стали.1-чугунный поддон, 2 -- изложница, 3 -- разливочный ковш, 4--центральный литник, 5 -- огнеупорная масса, 6 -- шлакоуловители, 7 -- сифонный кирпич

Сифонным методом, как правило, отливают слитки небольшого развеса, однако тенденции последних лет показывают, что этот метод получает все большее распространение и при отливке крупных слитков массой до нескольких сотен тонн. Это связано, во-первых, с тем, что современный уровень развития технологии внепечной обработки позволяет воспроизводимо обеспечивать низкое содержание водорода и соответственно, необходимость в вакуумной разливке отпадает. Во-вторых, при сифонной разливке есть возможность менее затратного (чем разливка в вакууме) и при этом достаточного надежного способа защиты струи металла от вторичного окисления. В-третьих, такой метод разливки позволяет стабилизировать в готовом металле содержание азота (актуально для марок стали, легированных азотом). И, наконец, в-четвертых, современные огнеупорные материалы позволяют практически исключить загрязнение металла экзогенными включениями из сифонных каналов.

Преимущества способа сифонной разливки относительно разливки сверху получение высокого качества поверхности слитка, связанного с тем, что металл поступает снизу и поднимается сравнительно медленно и спокойно, в связи с этим, слитки, отлитые сифонным способом, не требуют обдирки и значительной зачистки; исключение кюмпельной части слитка, ввиду отсутствия необходимости ее наличия (кюмпель служит для сокращения времени разбрызгивания струи при ее ударе о дно изложницы на первых этапах разливки за счет более быстрого создания лунки металлического расплава); наличие возможности одновременной отливки нескольких слитков, что позволяет без прерывания струи залить сразу большую массу металла, равную массе каждого отдельного слитка, помноженной на количество одновременно заливаемых изложниц; упрощение системы защиты поверхности металла на разливке от вторичного окисления: для этого все изложницы закрывают крышками, под которые вводят аргон; аргоном надувают и весь сифонный припас; разливочный ковш опускают до касания шибером приемной воронки стояка; при тщательной сборке состава с изложницами, аккуратном обращении с сифонным припасом (без опасения испортить) можно разливать чистую сталь, прошедшую глубокое рафинирование на установках доводки металла; продолжительность разливки меньше, т.к. одновременно осуществляется отливка нескольких слитков, при этом плавку большой массы можно разливать в мелкие слитки; разливка сифонным способом дает возможность регулирования в более широких пределах скорости наполнения изложниц и наблюдения за поведением металла в изложницах на протяжении всего периода разливки. Недостатки сифонного способа разливки металла смещение теплового центра к низу слитка, и, как следствие, ухудшение условий направленного (снизу вверх) затвердевания и, соответственно, повышение вероятности образования осевой рыхлости; необходимость нагрева металла перед разливкой до более высокой температуры из-за охлаждения металла в центровых и сифонных трубках и из-за более низкой, чем при разливке сверху скорости разливки; увеличение расходов на огнеупоры литниковой системы; повышенная загрязненность экзогенными включениями из сифонной проводки; повышенный расход металла на литниковую систему (от 0,7 до 2 % от массы разливаемого металла); повышение трудоемкости при сборке литейной оснастки.

Установку поддонов производить строго горизонтально (по уровню). Температура поддона перед наборкой должна быть не менее 100 °С. Сифонный припас (звездочки, стаканчики, пролетные и концевые трубки), предназначенный для наборки поддона, должен быть сухим и не иметь сколов и трещин. Наборку поддонов начинают с укладки на подину из сухого песка или просеянных через сито с ячейкой 3 мм отходов, образующихся при разборке поддонов. При укладке четного количества ручьев, сифонные кирпичи со смазанными буртиками укладывают одновременно в два противоположных канала поддона, начиная со звездочки. Каждый кирпич притирают к ранее уложенному. В торцы ручьев закладывают по половинке нормального кирпича, и оба ручья одновременно заклиниваются. Зазоры между сифонным кирпичом и поддоном засыпают, просеянным через сито, сухим песком или отходами. Засыпку тщательно трамбуют, и швы заливают 25...30 % водным раствором сульфитно-спиртовой барды.

Подготовленные изложницы необходимо установит на поддончик устойчиво, строго вертикально. Между поддончиком и изложницей уложить асбестовый шнур. При установке изложниц запрещается ударять изложницей о поддон и центровую.

Перед подачей металла на разливку следует замерить активность кислорода в металлическом расплаве и его температуру. Температура металла должна быть на 80...110 °С выше температуры ликвидуса для данной марки стали. Окисленность металла определяется требованиями к химическому составу и загрязненности неметаллическими включениями.

Для теплоизоляции зеркала металла и защиты его от вторичного окисления следует использовать шлаковые смеси: известково-криолитные, бестопливные шлаковые смеси (зельно-графитовая). Расход шлаковых смесей составляет 2...3,5 кг на тонну жидкой стали. Шлаковые смеси подают в изложницу перед разливкой в плотных трех-четырехслойных бумажных мешках. Время наполнения изложницы металлом до прибыли составляет 5,5...6 мин. Время наполнения прибыли должно быть ориентировочно не менее 50 % от времени наполнения тела слитка. Разливку металла контролирует непосредственно мастер плавильного участка, который наблюдает за поверхностью поднимающегося металла в изложнице и командует скоростью наполнения металла в изложнице. При наполнении изложницы необходимо избегать заворотов корочки и подкипания металла у стенок изложницы.

Сифонная разливка стали позволяет в широком диапазоне регулировать скорость наполнения слитка. Нормальной скоростью разливки считают такую скорость, при которой металл поднимается спокойно, без всплесков. После наполнения 2/3 прибыльной надставки, на поверхность металла засыпают часть утепляющей смеси и продолжают разливку с малой скоростью. После окончания разливки засыпают оставшуюся часть утепляющей смеси. Отбор пробы металла производить при входе металла в прибыльную часть и сокращения скорости струи.

Особенности сифонной разливки:

При сифонной разливке стали зона интенсивной циркуляции металла постоянно находится в нижней части слитка, здесь же расположен тепловой центр. Это способствует размытию твердой корочки металла и, соответственно, обуславливает уменьшение ее толщины. Причем это имеет место там, где ферростатическое давление достигает максимальной величины. Таки условия способствуют задержке образования зазора в нижней части слитка и создает торможение усадки стали по высоте слитка, которое может привести к образованию поперечных трещин на поверхности слитка.

Как правило, сифонным способом отливают слитки небольшой массы. Между тем, при переходе к сифонной отливке слитков массой свыше 20 т вероятность развития усадочных дефектов в осевой части слитка возрастает. При этом расположения теплового центра в нижней части слитка может привести к соответствующему смещению зоны осевой пористости. На рисунке ниже представлен слиток массой 435 т из NiCrMoV стали (H/D 1,15), предназначенный для ротора генератора массой 200 тонн, изготовленный на заводе фирмы Thyssen Heinrichshutte сифонным способом. Зона осевой усадочной пористости в этом слитке сместилась в его нижнюю часть.

При разливке сверху зона наиболее интенсивной циркуляции жидкой стали перемещается последовательно снизу вверх. Максимальное ферростатическое давление воспринимается уже вполне затвердевшей, прочной оболочкой слитка.

Нижняя часть слитка, отливаемого сверху, кристаллизуется в условиях относительно спокойного состояния стали, то есть с большей скоростью, что приводит к более быстрому образованию зазора между слитком и стенкой изложницы. Торможение усадки по высоте слитка уменьшается. По этой причине при разливке стали сверху возможно разливать сталь с большей скоростью, чем при разливке сифонным способом.

В процессе сифонной разливки жидкая сталь, протекая по каналам литниковой системы, неизбежно соприкасается с огнеупорами. При этом вследствие резкого изменения температуры на внутренней поверхности кирпича образуются мелкие трещины, приводящие к скалыванию (шелушению) кирпича. Частички огнеупора, отколовшиеся с поверхности канала, загрязняют сталь. В дальнейшем при одновременном действии на сифонный кирпич высокой температуры и продуктов раскисления поверхностный слой сифонного огнеупора размягчается. В образовавшиеся поры проникают окислы и продукты раскисления стали; вступая во взаимодействие с огнеупором, они образуют легкоплавкие соединения, которые смываются движущейся струей металла и также попадают в слиток. Наибольшее загрязнение стали экзогенными включениями происходит в конце заполнения изложниц, когда сифонный огнеупор размягчен в большей степени. Характер размывания сифонных огнеупоров зависит от их качества и химического состава разливаемой стали. При удовлетворительном качестве сифонных огнеупоров поверхность затвердевшего металлического литника получается гладкой и блестящей, и, наоборот, при низком качестве сифонных огнеупоров затвердевший литник имеет шероховатую поверхность.

При неудовлетворительном качестве огнеупоров при сифонной разливке загрязнение стали экзогенными неметаллическими включениями может происходить в большей степени, чем при отливке сверху. При этом достаточно большое количество таких включений может оставаться в нижней части слитка.

Однако, вопрос исключения перечисленных недостатков может быть решен применением качественных огнеупоров, поэтому выбору огнеупоров и подготовке литниковой системы и поддона следует уделять особое внимание.



2.6 Сортовая прокатка стали

Прокатка - обжатие металла между вращающимися валками с изменением формы поперечного сечения или соотношения геометрических размеров сечения. Слиток или заготовка благодаря действию сил трения втягивается валками в зазор между ними, обжимается по высоте и вытягивается по длине и ширине. При этом заготовка принимает форму зазора между валками, называемого калибром.

Прокаткой получают рельсы, строительные балки разнообразного сечения, листы разной толщины, прутковый материал, трубы, т. е. основную продукцию для развития многих видов промышленности, строительства и транспорта.

Схема прокатки показана на рисунке 3.

Как следует из схемы, два валка, установленных на расстоянии h(щель), вращаясь в разные стороны, захватывают благодаря трению заготовку, имеющую высоту Н, которая проходит между валками по направлению стрелки. В процессе прохода между валками высота заготовки Н уменьшается до h, а длина увеличивается. Величина Н-h называется абсолютной величиной сжатия, а отношение (H-h)/H* 100% -- степенью обжатия, или относительным обжатием.

Рисунок 3. Схема процесса прокатки



Рисунок 4. Валки для прокатки металла: а -- листа, б -- профилей

На рисунке 4 показаны валки для прокатки листов и профилей. Группа валков, установленных в станине, образует так называемую клеть.

Несколько оборудованных специальными вспомогательными устройствами соединенных между собой клетей составляют прокатный стан.

Станы, в зависимости от изготовляемой продукции, бывают листопрокатные (производство листов), сортопрокатные (производство балок, прутков, полос), трубопрокатные (производство труб), рельсобалочные и специальные.

Прокатные станы различаются также в зависимости от того, в каком состоянии обрабатывается металл -- в горячем или холодном.

В зависимости от количества валков прокатные станы бывают двухвалковые, трехвалковые, многовалковые. Станы называются реверсивными, если прокатка производится как в одном, так и в обратном направлении.

За последние два десятилетия советские конструкторы создали много прокатных станов с высокой производительностью и очень большой скоростью прокатки. Стан для прокатки тонкой ленты может выдать до 35 м/сек готовой продукции. Металл движется здесь со скоростью 125 км/ч, т. е. со скоростью самого быстрого поезда.

Прокатные станы большой мощности, предназначенные для предварительной обжимки крупных слитков, называются блюмингами и слябингами. Блюминги с диаметром валков от 840 до 1150 мм позволяют получать продукцию в виде обжатых слитков сечением от 140 х 140 до 450x450 мм. Такие обжатые слитки квадратного сечения (блумсы) весят до 10--12 т и более.

Слябингами называются мощные станы для прокатки листовых заготовок толщиной до 250 мм и длиной до 5 м. Как блюминги, так и слябинги обладают огромной производительностью от 1,5 до 2 млн. 1 слитков в год.

Необходимость получения больших слитков объясняется тем, что растущая потребность в металле заставляет увеличивать размеры печей, разливка же стали из больших печей в мелкие изложницы сопровождается трудностями и невыгодна экономически.

Виды проката. Металл, подвергнутый обработке прокаткой, называется прокатом. Прокат делится на следующие основные виды: листовой, сортовой, трубы.

Прокатку этого профиля в зависимости от марки стали и размеров осуществляют по-разному (Рисунок 5).



Рисунок 5. Способы I-Х прокатки круглой стали:

I - овал, ромб или шестиугольник; II. IV. V - гладкая бочка или ящичный калибр; III - десятиугольный или ящичный калибры; VI - квадратный или шестиугольный калибры; VII - круг и т. д.; VIII - стрельчатый калибр, гладкая бочка или ящичный калибр; IX, Х - овал и т. д.

Способы 1 и 2 отличаются вариантами получения предчистового квадрата (квадрат точно зафиксирован по диагонали и имеется возможность регулировать высоту). Способ 2 является универсальным, так как позволяет получать ряд смежных размеров круглой стали (рис. 2). Способ 3 состоит в том, что предчистовой овал можно заменить десятиугольником. Этот способ применяют для прокатки крупных кругов. Способ 4 сходен со способом 2 и отличается от него только формой ребрового калибра. Отсутствие боковых стенок в этом калибре способствует лучшему удалению окалины. Так как данный способ позволяет широко регулировать размеры полосы, выходящей из ребрового калибра, его также называют универсальной калибровкой. Способы 5 и 6 отличаются от остальных более высокими вытяжками и большей устойчивостью овалов в проводках. Однако такие калибры требуют точной настройки стана, так как при небольшом избытке металла происходит их переполнение и образование заусенцев. Способы 7-10 основаны на применении системы калибровки овал-круг

Сравнение возможных способов получения круглой стали показывает, что способы 1-3 позволяют в большинстве случаев прокатывать весь сортамент круглой стали. Прокатка качественной стали должна проводиться по способам 7-10. Способ 9 как бы промежуточный между системами овал-круг и овал-овал, наиболее удобен в смысле регулирования и настройки стана, а также предупреждения закатов.

Во всех рассмотренных способах прокатки круглой стали форма чистового и предчистового калибров остается почти неизменной, что способствует установлению общих закономерностей поведения металла в этих калибрах для всех случаев прокатки.

Рисунок 6. Пример калибровки круглой стали по способу 2

Построение чистового калибра для круглой стали осуществляют следующим образом.

Определяют расчетный диаметр калибра (для горячего профиля при прокатке на минус) dг = (1,011-1,015)dх - это часть допуска +0,01dх где 0,01dх - увеличение диаметра по указанным выше причинам: dх = (d1 + d2)/2 - диаметр круглого профиля в холодном состоянии. Тогда



dг = (1,011-1,015) (d1 + d2)/2

где d1 и d2 - максимальная и минимальная допустимые значения диаметра.

Предчистовые калибры для круга конструируют с учетом точности, предъявляемой к готовому профилю. Чем больше форма овала приближается к форме круга, тем точнее получается готовый круглый профиль. Теоретически наиболее подходящей формой профиля для получения правильного круга является эллипс. Однако такой профиль довольно затруднительно удерживать при входе в чистовой круглый калибр, поэтому применяют его сравнительно редко.

Плоские овалы хорошо удерживаются проводками и, кроме того, обеспечивают большие обжатия. При малых обжатиях овала весьма незначительны возможности колебания размеров в круглом калибре. Однако обратное явление справедливо лишь для случая, когда применяют большой овал и большую вытяжку.

Для круглых профилей средних и больших размеров овалы, очерченные одним радиусом, оказываются чересчур вытянутыми по большой оси и вследствие этого не обеспечивают надежного захвата полосы валками. Применение острых овалов помимо того, что не обеспечивает получения точного круга, вредно отражается на стойкости круглого калибра, особенно в выходной клети стана. Необходимость частых замен валков резко снижает производительность стана, а быстрая выработка калибров приводит к появлению вторых сортов, а иногда и брака.

Изучение причин и механизма выработки калибров показало, что острые кромки овала, которые остывают быстрее, чем остальные части полосы, обладают значительным сопротивлением деформации. Эти кромки, входя в калибр валков чистовой клети, действуют на дно калибра как абразив. Жесткие кромки в вершинах овала образуют на дне калибра ложбинки, которые приводят к образованию выступов на полосе по всей ее длине. Поэтому для круглых профилей диаметром 50-80 мм и выше более точное выполнение профиля достигается применением двух и трех радиусных овалов. Они имеют примерно ту же толщину, что и овал, очерченный одним радиусом, но благодаря применению дополнительных малых радиусов кривизны, ширина овала уменьшается.

Подобные овалы достаточно плоские для удержания их в проводках и обеспечивают надежный захват, а более округленный контур овала, приближающийся по своей форме к форме эллипса, создает благоприятные условия для равномерной деформации по ширине полосы в круглом калибре.

2.7 Технология горячей объемной штамповки

Объемной штамповкой называют процесс получения поковок, при котором формообразующую полость штампа, называемую ручьем, принудительно заполняют металлом исходной заготовки и перераспределяют его в соответствии с заданной чертежом конфигурацией.

Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной ковки.

Объемную штамповку осуществляют при разных температурах исходной заготовки и, в соответствии с температурой, делят на холодную и горячую. Наиболее широкое распространение получила горячая объемная штамповка (ГОШ), которую ведут в интервале температур, обеспечивающих снятие упрочнения. Технологический процесс зависит от формы поковки. По форме в плане поковки делятся на две группы: диски и поковки удлиненной формы.

К первой группе относятся круглые или квадратные поковки, имеющие сравнительно небольшую длину: шестерни, диски, фланцы, ступицы, крышки и др. Штамповка таких поковок производится осадкой в торец исходной заготовки с применением только штамповочных переходов.

Ко второй группе относятся поковки удлиненной формы: валы, рычаги, шатуны и др. Штамповка таких поковок производится протяжкой исходной заготовки (плашмя). Перед окончательной штамповкой таких поковок в штамповочных ручьях требуется фасонирование исходной заготовки в заготовительных ручьях штампа, свободной ковкой или на ковочных вальцах.

Схемы штамповки:

Так как характер течения металла в процессе штамповки определяется типом штампа, то этот признак можно считать основным для классификации способов штамповки. В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах (рисунок 7).

Рисунок 7. Схемы штамповок:

а) открытый штамп: б) Закрытый штамп; в) закрытый штамп с двумя взаимно перпендикулярными плоскостями разъема

Штамповка в открытых штампах (рисунок 8, позиция а) характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла - облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высокие требования к точности заготовок по массе. Штамповкой в открытых штампах можно получить поковки всех типов.

Штамповка в закрытых штампах (рисунок 8, позиция б) характеризуется тем, что полость штампа в процесс деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа постоянный и небольшой, образование в нем облоя не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя - выступ (на прессах), или верхняя - полость, а нижняя - выступ (на молотах). Закрытый штамп может иметь две взаимно перпендикулярные плоскости разъема (рисунок 7, позиция в).

При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность.

Существенное преимущество штамповки в закрытых штампах - уменьшение расхода металла из-за отсутствия облоя. Поковки имеют более благоприятную структуру, так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой. Металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших сжимающих напряжениях, это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.

2.7 Слесарно-механическая обработка

Отштампованные распределительные валы подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений и обеспечения заданной твердости материала.

Обработка торцов и центровых отверстий на валах ведется на двухсторонних фрезерно-центровальных станках. Обтачивание шеек и подрезание торцов выполняются на токарных многорезцовых полуавтоматах с односторонним, двусторонним (вращение за оба конца вала) или центральным (вращение за среднюю шейку) приводом. В двух последних случаях значительно уменьшается скручивание вала при обработке.

Вследствие малой жесткости распределительных валов и возможности их прогиба от сил резания обработка шеек и кулачков производится с применением люнетов. Для этой цели средняя шейка вала четырехцилиндрового двигателя или две средние шейки вала многоцилиндрового двигателя после зацентровки заготовки обрабатываются начерно и начисто под люнет. Шейки валов шлифуются на кругло шлифовальных станках в центрах.

Кулачки имеют сложный фасонный профиль, и их обработка требует применения копировальных станков. Токарная обработка кулачков производится на копировально-токарных полуавтоматах. Для получения требуемого профиля кулачка при его обтачивании резец, установленный в резцедержателе, должен соответствующим образом смещаться относительно оси вращения вала в поперечном направлении. Чтобы обеспечить благоприятные условия резания (создание необходимых углов резания), резец должен также поворачиваться в зависимости от угла подъёма линии кулачка в данной точке. Оба эти движения на станке создаются путем использования соответствующих механизмов с кулачками.

Рисунок 8. Принципиальная схема обтачивания кулачка распределительного вала на токарно-копировальном станке: 1 -- заготовка; 2 -- копирный вал; 3 -- копир



На рисунке 8 показана принципиальная схема обтачивания кулачка на токарно-копировальном станке, израбатываемая заготовка, копирный вал и копир вращаются синхронно. Копирный вал создает радиальное перемещение резца в соответствии с профилем кулачка, а копир поворачивает резец, сохраняя постоянным угол резания. Продольная подача обеспечивается перемещением заготовки относительно своей оси. Для предотвращения изгиба валов используются поддерживающие люнеты.

...