Технологии изготовления режущего инструмента

метки: Инструмент, Режущий, Технология, Изготовление, Производство, Ванна, Температура, Часть

1.1 Производственная программа термического участка

Годовая программа термического участка режущего инструмента разделена на три группы:

1) фреза дисковая (пазовая затылованная) подвергается изотермическому отжигу, трехступенчатой закалке и трехкратному отпуску.

2) сверло подвергается изотермическому отжигу, закалке со ступенчатым нагревом, высокотемпературному трехкратному отпуску — режущая часть, закалке и отпуску — хвостовик.

3) метчик подвергается режимам термической обработки аналогичным для сверла.

Таблица 1.1 Производственная программа

Наим. услуг	Марка стали	Размеры инструмента в планах, мм	Твердость HRC	Масса инструмента, кг	Годовая программа	Термообработка
					шт	т
Фреза дисковая	11М5Ф	100	62-65	0,75	1,4 млн	1050	Отжиг, трехступенчатая закалка, двухкратный отпуск
Сверло	Р6М5Ф3	6,8 — режущая часть; 9,4 — хвостовая часть	Режущая часть 62-65 Хвостовая часть 30-45	0,07	15 млн	1050	Для режущей части: отжиг, закалка со ступенчатым нагревом, трехкратный отпуск; для хвостовой части: закалка и отпуск
Метчик	Р6М5	М14х1,5-3	Режущая часть 63-66 Хвостовая часть 31-51	0,09	10 млн	900	Для режущей части: отжиг, закалка со ступенчатым нагревом, трехкратный отпуск; для хвостовой части: закалка и отпуск

1.2 Анализ условий работы режущего инструмента

1.2.1 Фрезы дисковые

Фреза используется в качестве режущего инструмента для механической обработки металла резанием, при которой режущий инструмент — фреза имеет вращательное (главное) движение, а обрабатываемая заготовка — поступательное движение (движение подачи), оно может быть направлено как по направлению вращения фрезы, так и против.

Особенностью фрезерования является прерывистость процесса резания. Это обусловлено тем, что при вращении фрезы каждый зуб врезается в заготовку с ударом, а затем работает только на некоторой части оборота и выходит из зоны резания. При дальнейшем движении зуб не касается заготовки, что способствует его охлаждению и обусловливает более благоприятные условия для работы.

Врезание зубьев фрезы в заготовку с ударами приводит к возникновению вибрации, что отрицательно сказывается на точности и шероховатости обработки[1].

Рабочая кромка инструмента испытывает тепловые воздействия за счет тепла, выделяющегося при резании и трении. Температура достигает 400-600єС и может повышаться при дальнейшем повышении скорости резания. Тепловой фактор влияет на свойства и поведение инструментальных сталей. Каждый режущий зуб фрезы имеет такие же элементы и как и любой резец или другой режущий инструмент, врезаясь в металл, снимает стружку.

Поэтому наиболее важные требования к дисковой фрезе следующие:

• высокая твердость 63-65 HRC;
• высокая прочность и сопротивление пластической деформации;
• теплостойкость, при температуре резанья 615-620 °С;
• формо- и размероустойчивость.

1.2.2 Свёрла

Сверло — режущий инструмент для обработки отверстий в сплошном материале, или для рассверливания отверстий при двух одновременно выполняющихся движениях: вращения сверла вокруг его оси и поступательного движения подачи вдоль оси инструмента.

В промышленности применяются такие основные типы свёрл: спиральные, перьевые, кольцевые, центровочные. Свёрла изготавливаются из быстрорежущих сталей, марок Р18, Р12, Р9, Р6М3, Р6М5, Р6М5К5. Основным типом свёрл, наиболее широко применяющимся в промышленности, является спиральное сверло. Оно применяется при сверлении и рассверливании отверстий диаметром до 80 мм.Такие свёрла состоят с основных частей : режущая, направляющая, хвостовик. Режущая и направляющая части составляют рабочую зону сверла, оснащённую двумя винтовыми канавками. Режущая часть сверла состоит из двух (зубьев), которые в процессе сверления своими режущими кромками врезаются в материал заготовки и срезают его в виде стружки. Условия работы сверла определяются главным образом конструкцией режущей части. Направляющая часть сверла необходима для направления сверла при работе. Направляющая часть имеет вспомогательные режущие кромки — кромки ленточки, принимающие участие в формировании поверхности обрабатываемого отверстия. Хвостовик служит для крепления сверла. В свёрлах с коническим хвостовиком рабочая часть изготавливается из быстрорежущей стали, а хвостовик из стали 45.

1.2.3 Метчики

Метчик представляет собой закаленный винт, на котором прорезано несколько прямых или винтовых канавок, образующих режущие кромки инструмента. Канавки также обеспечивают размещение стружки, образующейся при резании; стружка может выводиться из зоны резания.

Условия резания при снятии стружки метчиком очень тяжелые из-за несвободного резания, больших сил резания и трения, а также затрудненных условий удаления стружки. Кроме того, метчики имеют пониженную прочность из-за ослабленного поперечного сечения. Особенно отрицательно это сказывается при нарезании резьбы в вязких материалах метчиками малых диаметров, которые часто выходят из строя из-за поломок, вызванных пакетированием стружки.

Поэтому материал для изготовления метчика должен обладать высокой твердостью (63—66 HRC) и износостойкостью, т. е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

1.3 Выбор материала

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурации и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью и износостойкостью, т. е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Чем больше твердость обрабатываемых материалов, толще стружка и выше скорость резания, тем больше энергия, затрачиваемая на процесс обработки резанием. Механическая энергия переходит в тепловую. Выделяющееся тепло нагревает резец, деталь, стружку и частично рассеивается. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость, т. е. способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы.

Режущие свойства инструмента ухудшаются не только под влиянием высокой температуры, но и таких явлений, как адгезия, вызывающая спаривание обрабатываемого материала с рабочей поверхностью инструмента, ускоренное выкрашивание и окисление поверхности, диффузия, абразивно-механическое изнашивание режущей кромки и поверхностей инструмента. Во избежание преждевременного разрушения режущей кромки необходимо, чтобы инструментальный материал был достаточно прочным.

Рабочая кромка инструмента находится в условиях, близких к неравномерному всестороннему сжатию и переводящих металл в более пластичное состояние вследствие возрастания доли касательных напряжений. При очень больших напряжениях может наблюдаться деформирование и пластическое течение тонкого поверхностного слоя.

Режущие инструменты подвергаются воздействию повышенных напряжений, чаще всего изгиба и кручения. Максимальный изгибающий или крутящий момент возникает в участках, несколько удаленных от контактирующей поверхности, например в основании зуба фрезы, метчика и т.д. В некоторых инструментах могут возникать растягивающие напряжения. Работа многих инструментов связана с ударными нагрузками или вибрациями, не устраняемыми полностью в системе станок — обрабатываемая деталь — инструмент или создаваемыми условиями резания, например при сквозном сверлении, при работе многолезвийных инструментов (фрезы, долбяки и т.д.).

Поэтому инструмент должен обладать высокой твердостью рабочей части режущего инструмента, превышающей твердость детали. Инструмент с недостаточной твердостью не может резать: его форма и размеры быстро изменяются. Кроме того инструмент должен быть вязким. При низкой вязкости образуются трещины, происходит выкрашивание и поломка инструмента.

В процессе работы режущего инструмента происходит непрерывное трение — износ поверхности режущей кромки инструмента. Поэтому режущий инструмент должен обладать высокой износостойкостью.

Материал для режущего инструмента должен отвечать не только основным эксплуатационным свойствам, перечисленным выше, но и технологическим свойствам, которые характеризуют поведение стали при изготовлении инструмента и его термической обработке: стали для режущего инструмента должны обладать высокой закаливаемостью и прокаливаемостью, устойчивостью к деформации при термической обработке, стойкостью против закалочных трещин, стойкостью против окисления и обезуглероживания, не должны быть загрязнены неметаллическими включениями, снижающими качество инструмента.

Режущие свойства инструмента ухудшаются под действием адгезии, вызывающей сваривание обрабатываемого материала с рабочей поверхностью инструмента, ускоренное выкрашивание и окисление поверхности; диффузии, абразивно-механического изнашивания режущей кромки и поверхности инструмента.

Сталь 11М5Ф является быстрорежущей безвольфрамовой и имеет следующий химический состав:

Таблица 1.2 Химический состав стали 11М5Ф (ТУ 14-1-2678-0)

C	Si	Mn	Cr	Ce	Mo	W	V
1.02-1.1	до 0.5	до 0.4	3.8 — 4.2	до 0.15	5.2 — 5.8	до 0.6	1.3 — 1.6

При изготовлении режущего инструмента особый интерес представляет использование безвольфрамовой быстрорежущей стали типа 11М5Ф, которая относится к сталям заэвтектоидного класса. Эту сталь, особенно модифицированную, по сравнению со сталями чисто ледебуритного класса, отличает значительно меньшая карбидная неоднородность — объемная доля эвтектических карбидов не превышает 1% при кристаллизации металла в кокиле и 5% — в керамической форме.

Важно подчеркнуть, что избыточных карбидов очень мало и после термической обработки, включающей закалку от 1180°С и трёхкратный отпуск при 560 °С, они практически отсутствуют в структуре стали. Как следствие, после окончательной термической обработки сталь марки 11М5Ф при всех используемых способах литья значительно превосходит сталь марки Р6М5 по ударной вязкости. Благодаря тому, что вторичные карбиды более полно растворяются в аустените при нагреве под закалку, сталь марки 11М5Ф не уступает по твёрдости и теплостойкости стали марки Р6М5.

Таблица 1.3 Механические свойства стали 11М5Ф в состоянии поставки (после отжига) (ТУ 14-1-2678-0)

у0,05	у0,2	уВ	д	ш	усж0,2	усж	е	KCU
МПа	%	МПа	%	Дж/см2
210	490	840	10	29	620	2500	56	26

Данные свойства стали 11М5Ф удовлетворяют требованиям для изготовления фрезы дисковой.

Стали с повышенным содержанием вольфрама, ванадия, кобальта имеют высокую твёрдость, но у них сильно проявляется карбидная неоднородность, которая негативно влияет на их твёрдость, что приводит к выкрашиванию режущих кромок. Этому меньше подвержены молибденосодержащие стали, которые имеют стабильные по всему сечению характеристики.

В наше время наблюдается тенденция к замене быстрорежущих сталей с высоким содержанием вольфрама на сложнолегированные стали с малым содержанием вольфрама. Наиболее типичными представителями таких сталей есть стали Р6М5 и Р6М5Ф3. Добавление молибдена даёт возможность значительно уменьшить карбидную неоднородность, что повышает как прочность, так и стойкость режущего инструмента. Поэтому во всех случаях сталь Р18 можно заменять сталью Р6М5, особенно при изготовлении крупногабаритных инструментов, когда особенно видна карбидная неоднородность стали Р18.

Повышенная стойкость, прочность и технологичность дали возможность стали Р6М5 занять доминирующее место среди сталей нормальной продуктивности. Её применяют при изготовлении широкой гаммы режущих инструментов.

Таблица 1.4 Химический состав сталей Р6М5 и Р5М5Ф3 [ГОСТ 19265-73]

Сталь	C	Cr	W	V	Mn	Si	Co	Mo	Ni	S	P
					не более
Р6М5	0,82-0,90	3,8-4,4	5,5-6,5	1,7-2,1	0,5	0,5	0,5	4,8-5,3	0,4	0,025	0,03
Р5М5Ф3	0,95-1,05	3,8-4,3	5,7-6,7	2,3-2,7	0,5	0,5	0,5	4,8-5,3	0,6	0,025	0,03

Вольфрамомолибденовые стали целесообразно применять для инструментов, от которых требуются повышенная прочность и вязкость. Сталь Р6М5 применяется для всех видов режущего инструмента, работающего при обычных скоростях резания, предназначенного для резания углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей с уВ до 900-1000 МПа; зуборезного и резьборезного инструмента для обработки нержавеющих сталей. Стойкость инструментов из стали Р6М5 равна или несколько выше (примерно на 20%) стойкости инструментов из стали Р18. Поэтому данные свойства стали Р6М5 удовлетворяют требованиям для изготовления метчика. Сталь Р6М5Ф3 применяется для изготовления режущего инструмента (резцы, свёрла, протяжки), предназначенного для обработки сталей и сплавов. Инструменты из стали Р6М5Ф3 имеют стойкость на 20% выше, чем из стали Р18. Поэтому данные свойства стали Р6М5Ф3 удовлетворяют требованиям для изготовления сверла.

Таблица 1.5 Механические свойства сталей Р6М5 и Р6М5Ф3 [ГОСТ 19265-73]

Сталь	HRC	в при изгибе МПа	Теплостойкость (HRC58), С	KCU кДж/см2
Р6М5	63-65	320-360	620	5,2
Р6М5Ф3	63-66	320-360	625	5,0

Хвостовая часть этих инструментов будет изготавливаться из конструкционной стали 45. Структура стали, содержащей меньше 0,8% углерода состоит из феррита и перлита. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Существенно влияние углерода на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т. е. при температурах выше порога хладноломкости).

Таблица 1.6 Химический состав стали 45 [ГОСТ 1050-74]

C Углерод	Si Кремний	Mn Марганец	S Сера	P Фосфор	Cr Хром	Fe Железо	Ni Никель	Cu Медь	As Мышьяк
от 0.42% до 0.5%	от 0.17% до 0.37%	от 0.5% до 0.8%	до 0.04%	до 0.035%	до 0.25%	от 97.425% до 98.91%	до 0.25%	до 0.25%	до 0.08%

Таблица 1.7 Механические свойства стали 45 [ГОСТ 1050-74]

Закалка	Отпуск	0,2	в	5, %	, %	KCU, кДж/см2	НВ
		МПа
850С	550С	640	780	16	50	98	185-210

1.4 Разработка маршрутной технологии изготовления режущего инструмента

1.4.1 Разработка маршрутной технологии изготовления дисковой фрезы из стали 11М5Ф

1. Получение заготовки — поковки (кузнечный цех).

2. Предварительная смягчающая термообработка — изотермический отжиг (термический участок кузнечного цеха).

3. Контроль твёрдости (термический участок кузнечного цеха).

4. Предварительная механическая обработка (механический цех).

5. Окончательная упрочняющая термообработка — закалка со ступенчатым нагревом, высокотемпературный трёхкратный отпуск (термический участок механического цеха).

6. Контроль твердости (термический участок механического цеха).

7. Окончательная механическая обработка (механический цех).

8. Контроль качества готовой детали (механический цех).

1.4.2 Разработка маршрутной технологии изготовления сверла из стали Р6М5Ф3

1. Получение заготовки — поковки (кузнечный цех).

2. Предварительная смягчающая термообработка — изотермический отжиг (термический участок кузнечного цеха).

3. Контроль твёрдости (термический участок кузнечного цеха).

4. Предварительная механическая обработка (механический цех)

5. Окончательная упрочняющая термообработка — закалка со ступенчатым нагревом, высокотемпературный трёхкратный отпуск; улучшение хвостовика (термический участок механического цеха).

6. Контроль твердости (термический участок механического цеха).

7. Окончательная механическая обработка (механический цех).

1.4.3 Разработка маршрутной технологии изготовления режущего инструмента метчик из стали Р6М5

1. Получение заготовки — поковки (кузнечный цех).

2. Предварительная смягчающая термообработка — изотермический отжиг (термический участок кузнечного цеха).

3. Контроль твёрдости (термический участок кузнечного цеха).

4. Предварительная механическая обработка (механический цех)

5. Окончательная упрочняющая термообработка — закалка со ступенчатым нагревом, высокотемпературный трёхкратный отпуск; улучшение хвостовика (термический участок механического цеха).

6. Контроль твердости (термический участок механического цеха).

7. Окончательная механическая обработка (механический цех).

8. Контроль качества готовой детали (механический цех).

1.5 Разработка технологического процесса термической обработки режущего инструмента

Термическая обработка режущих инструментов (дисковая фреза, сверло, протяжка) производится на полуавтоматической линии из печей-ванн для инструментов. В состав линии входят:

• соляная ванна 1го подогрева;
• соляная ванна 2го подогрева;
• ванна окончательного нагрева;
• селитровая ванна для закалки;
• камера охлаждения;
• селитровая ванна для отпуска;
• ванна выварки;
• ванна травления;
• ванна промывки;
• ванна нейтрализации;
• ванна пассивирования.

1.5.1 Технологический процесс предварительной термической обработки

1) Предварительная термическая обработка и назначение технологических параметров для фрезы дисковой.

• первый нагрев инструмента произвести в электрованне соляной электродной типа СВС 2.4.4/8,5 до температуры 650С. Продолжительность нагрева 20-25 мин. Выдержать при температуре нагрева 20-30 мин.
• второй нагрев инструмента произвести до температуры 920С.

Продолжительность нагрева 20-25 мин. Выдержать при температуре нагрева 1 ч.

• охладить в печи до 500С
• охладить на воздухе до температуры участка
• произвести контроль твердости 10% заготовок от партии по методу Бринелля

Характерной особенностью отжига безвольфрамовой быстрорежущей стали является образование феррито-цементитной смеси из аустенита при постоянной температуре. При нагреве стали 11М5Ф выше критической точки происходит переход перлита в аустенит. Механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении зёрен аустенита и их росте. Первоначальные зародыши аустенита при нагреве несколько выше критической точки А1 образуются сдвиговым путём (б > г) при сохранении когерентности. При росте зародыша когерентность б и г решёток нарушается, сдвиговый механизм заменяется нормальным механизмом роста, и зерна аустенита приобретают равноосную форму. Изотермическая выдержка необходима для полного распада аустенита и образования перлита.

2) Предварительная термическая обработка и назначение технологических параметров для сверла.

Режущая часть:

• нагреть режущую часть инструмента в электрованне соляной электродной типа СВС 2.4.4/8,5 до температуры 840-860С. Продолжительность нагрева 5 мин. Выдержать при температуре нагрева 10 мин.
• охладить в печи до 720-730С и выдержать 2ч
• охладить в печи до 600С
• охладить на воздухе до температуры участка
• произвести контроль твердости по методу Бринелля

Хвостовая часть:

• нагреть хвостовую часть инструмента в электрованне соляной электродной типа СВС 2.4.4/8,5 до температуры 840С10С. Выдержать при температуре нагрева 20 мин.
• охладить на воздухе до температуры участка
• произвести контроль твердости по методу Бринелля

3) Предварительная термическая обработка и назначение технологических параметров для метчика.

Режущая часть:

• нагреть режущую часть инструмента в электрованне соляной электродной типа СВС 2.4.4/8,5 до температуры 840-860С. Продолжительность нагрева 5 мин. Выдержать при температуре нагрева 10 мин.
• охладить в печи до 720-730С и выдержать 2ч
• охладить в печи до 600С
• охладить на воздухе до температуры участка
• произвести контроль твердости по методу Бринелля

Хвостовая часть:

• нагреть хвостовую часть инструмента в электрованне соляной электродной типа СВС 2.4.4/8,5 до температуры 840С10С. Выдержать при температуре нагрева 20 мин.
• охладить на воздухе до температуры участка
• произвести контроль твердости по методу Бринелля

Цели отжига:

1) уменьшить карбидную неоднородность литой и катаной стали;

2) понизить твердость и обеспечить, таким образом, возможность обработки резанием;

3) подготовить структуру для закалки и предупредить нафталиновый излом.

Для изотермического отжига сталь нагревают до температуры, на 20-30С выше А3 и после выдержки быстро охлаждают до температуры немного ниже критической точки А1700С. При этой температуре сталь выдерживается до полного распада аустенита и затем охлаждается на воздухе.

Преимуществом изотермического отжига по сравнению с обычным является значительное сокращение времени отжига и получение более однородной структуры. Температура изотермической выдержки оказывает влияние на получающуюся структуру и свойства. С понижением температуры изотермической выдержки, т.е. с увеличением степени переохлаждения аустенита зерна цементита измельчаются и получается мелкозернистый перлит.

Отжиг осуществляется в электрованне соляной электродной типа СВС 2.4.4/8,5, которая по своей производительности обеспечивает выполнение производственной программы и необходимый температурный интервал режима термообработки.

1.5.2 Технологический процесс окончательной термической обработки

Окончательная термическая обработка режущих инструментов заключается в трехступенчатой закалке и трехкратном отпуске.

Технологический процесс закалки инструмента.

1) Технология закалки фрезы дисковой.

• первый подогрев инструмента произвести в электрованне соляной электродной типа СВС-3.8.4/8,5 до температуры 500С. Продолжительность нагрева 35 мин
• второй подогрев произвести в соляной ванне СВС-2,5.6.4/8,5 до температуры 800-850С.

Продолжительность нагрева 15 мин

• окончательный нагрев произвести в высокотемпературной соляной ванне СВС-2.3.4/13 до температуры 1210-1230С. Продолжительность нагрева и выдержки 15 мин
• охладить в масле
• очистить инструмент.

Для стали 11М5Ф проводят закалку с трехступенчатым подогревом до температуры 1210-1230оС. Высокая температура закалки проводится для более полного растворения вторичных карбидов и получения при нагреве аустенита, высоколегированного хромом, молибденом и ванадием.

При трехкратном подогреве стали 11М5Ф, обеспечивается более равномерный прогрев стали и возможность предотвращения образования трещин.

Структура стали 11М5Ф после закалки представляет собой высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3-0,4 % нерастворенных- избыточных карбидов и остаточного аустенита примерно 28-34%. Остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, и поэтому его присутствие в готовом инструменте не допустимо.

2) Технология окончательной термической обработки сверла

Режущая часть:

• первый подогрев режущей части инструмента произвести в электрованне соляной электродной типа СВС-3.8.4/8,5 до температуры 500С. Продолжительность нагрева и выдержки 30 мин
• второй подогрев произвести в соляной ванне СВС-2,5.6.4/8,5 до температуры 800-850С.

Продолжительность нагрева и выдержки 10 мин.

• окончательный нагрев произвести в высокотемпературной соляной ванне СВС-2.3.4/13 при температуре 1200-1230С. Продолжительность нагрева и выдержки 8-9 мин
• охладить в масле
• очистить инструмент.

Хвостовая часть:

• погрузить хвостовую часть инструмента в электрическую соляную ванну СВС-2,5.6.4/8,5 нагретую до температуры 820-840С. Выдержать при температуре нагрева 15 мин.
• охладить в 5% водном растворе NaCl до 150-200°С.
• охладить на воздухе.

3) Технология окончательной термической обработки для метчика

Режущая часть:

• первый подогрев режущей части инструмента произвести в электрованне соляной электродной типа СВС-3.8.4/8,5 до температуры 500С. Продолжительность нагрева и выдержки 30 мин
• второй подогрев произвести в соляной ванне СВС-2,5.6.4/8,5 до температуры 800-850С.

Продолжительность нагрева и выдержки 10 мин

• окончательный нагрев произвести в высокотемпературной соляной ванне СВС-2.3.4/13 при температуре 1200-1230С. Продолжительность нагрева и выдержки 8-9 мин
• охладить в масле
• очистить инструмент.

Хвостовая часть:

• погрузить хвостовую часть инструмента в электрическую соляную ванну СВС-2,5.6.4/8,5 нагретую до температуры 820-840С. Выдержать при температуре нагрева 15 мин.
• охладить в 5% водном растворе NaCl до 150-200°С.
• охладить на воздухе.

Процесс закалки состоит в медленном нагреве инструмента, для предохранения от возникновения значительных внутренних напряжений, делается два подогрева. Первый производится в электродной соляной ванне СВС-3.8.4/8,5 до температуры 500С и второй — в СВС-2,5.6.4/8,5 до температуры 850С.

При подогреве до 800-850С из исходной структуры перлит + карбиды образуется структура аустенит + карбиды. Но аустенит при данной температуре малолегированный, т.к. основная масса карбидов находится вне твердого раствора. Для увеличения легированности аустенита производится окончательный нагрев до высокой температуры (закалки).

Закалка производится в высокотемпературной соляной ванне СВС-2.3.4/13 до 1300С. Необходимость быстрого нагрева связана со способностью быстрорежущей стали легко окислятся при высоких температурах. Структура при 1000-1300С аустенит + карбиды, т.е. такая же как и при 850С но в связи с тем, что при нагреве в данном температурном интервале происходит растворение карбидов, аустенит при 1300С получается значительно более легированным.

Полного растворения карбидов при нагреве до максимальной температуры не происходит и крупные первичные карбиды остаются вне раствора. Выдержку при высокой температуре делают очень незначительную, только такую, которая необходима для прогрева рабочего объема инструмента.

Охлаждение нагретой быстрорежущей стали производиться в масляном закалочном баке. Охлаждение в масле делает инструмент более стойким в работе.

При охлаждении (закалке) происходит распад аустенита с образованием мартенсита. Но не весь аустенит распадается, а часть его (25-30%) сохраняется в виде остаточного аустенита. Поэтому структура после закалки представляет собой мартенсит закалки + карбиды + остаточный аустенит. Образующийся мартенсит настолько мелко игольчатый, что по внешнему виду структура закаленной быстрорежущей стали кажется состоящей только из аустенита и карбидов. Образование мартенсита при закалке происходит в определенном температурном интервале. Температуры начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения понижаются с повышением температуры закалки. При закалке от температуры выше 1100С точка Мк располагается при температурах ниже нуля.

При нагреве инструментов нужно принимать все меры против обезуглероживания стали, которое в данном случае может быть очень сильным из-за высокой температуры нагрева. Поэтому соляные ванны должны быть хорошо раскислены.

Выдержка при температуре закалки обеспечивает растворение в аустените частиц карбидов в пределах их растворимости и прогрев рабочего объема инструментов. При выдержке происходит увеличение зерен аустенита и увеличение количества растворенных карбидов.

Охлаждение проводится в масле, но перед этим необходимо подстудить на воздухе до температуры 900-1000оС (желтый цвет каления) и после этого опустить в масло. При охлаждении в масле без подстуживания могут получиться закалочные трещины. Охлаждение в масле осуществляется до температуры 150-200оС, после чего закаленный инструмент вынимают из закалочного бака и дают остыть на спокойном воздухе.

Технологический процесс отпуска инструмента.

1) Технология отпуска фрезы дисковой:

• двухкратный нагрев произвести в ванне селитровой электрической до температуры 580С. Продолжительность каждого отпуска 20 мин
• охладить на воздухе.

Стандартный отпуск безвольфрамовой быстрорежущей стали двухкратный при температуре 520оС по 1 часу. Однако использование многократного отпуска с выдержкой по 1 часу (плюс время, необходимое для прогрева садки) с обязательным охлаждением между отпусками до нормальной температуры в производственных условиях усложняет цикл термообработки. С целью сокращения цикла рекомендуется провести высокотемпературный сокращённый отпуск. Для стали 11М5Ф применяем двухкратный отпуск при температуре 580оС и продолжительность каждого отпуска 20 мин. При таких отпусках достигается более высокая вторичная твёрдость, сопротивление изгибу, улучшается шлифуемость за счёт меньшей шероховатости поверхности по сравнению с этими характеристиками после стандартных отпусков.

2) Технология отпуска сверла

Режущая часть:

• трехкратный нагрев режущей части инструмента произвести в ванне селитровой электрической до температуры 540-560С. Продолжительность каждого отпуска 1-1,5 ч
• охладить на воздухе.

Хвостовая часть:

• нагреть хвостовую часть инструмента до температуры 450-500С в ванне селитровой электрической. Продолжительность отпуска 30-40 мин
• охладить на воздухе.

3) Технология отпуска метчика

Режущая часть:

• трехкратный нагрев режущей части инструмента произвести в ванне селитровой электрической до температуры 540-560С. Продолжительность каждого отпуска 1-1,5 ч
• охладить на воздухе.

Хвостовая часть:

• нагреть хвостовую часть инструмента до температуры 450-500С в ванне селитровой электрической. Продолжительность отпуска 30-40 мин
• охладить на воздухе.

После закалки быстрорежущая сталь должна быть обязательно подвергнута отпуску. При нагреве до 100-200С уменьшается степень тетрагональности мартенсита. В интервале 300-400С наблюдается снижение твердости, что объясняется снятием внутренних напряжений, возникших в процессе закалки.

При дальнейшем повышении температуры отпуска твердость повышается, достигая максимума при 550С.

По сравнению с твердостью после закалки твердость после отпуска при 550С получается более высокой. Эта максимальная высокая твердость способна сохранятся при последующих нагревах во время работы инструмента и обусловливает его теплостойкость.

В результате отпуска происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит.

Характерной особенностью отпуска быстрорежущий стали, является то, что полученный в результате закалки остаточный аустенит превращается в мартенсит не при нагреве и не при выдержке при отпуске, а во время охлаждения. Такой характер превращения носит название вторичной закалки быстрорежущей стали. Мартенсит отпуска (полученный при распаде остаточного аустенита при отпуске) отличается от мартенсита закалки тем, что в результате распада остаточного аустенита образуется не первичный мартенсит, а вторичный, кроме того, в связи с обеднением остаточного аустенита легирующими элементами образующейся мартенсит будет также менее легирован по сравнению с мартенситом закалки. В связи с большой устойчивостью остаточного аустенита лучший результат в отношении более легкого и полного его распада с получением более высоких режущих свойств дает трехкратный отпуск.

1.6 Контроль технологических режимов и качества режущего инструмента

Для точных измерений температуры применяется прибор потенциометр. Сущность потенциометрического метода измерения температуры заключается в том, что электродвижущая сила термопары уравновешивается равной ей по величине, но противоположной ей по знаку электродвижущей силой от постоянного источника тока. Такой прибор дает высокую точность при измерении температуры.

Контроль и регуляция температуры в ваннах осуществляется термопарой.

В термическом цехе приняты следующие методы контроля качества изделий после термообработки:

• а) внешний осмотр, т.е. невооруженным глазом, для определения таких дефектов как пережег, трещины, деформация и пр.;

• б) определение твердости;
• в) контроль микроструктуры после отпуска;
• г) визуальный осмотр после промывки и очистки инструмента.

После отжига производится контроль твердости 10% заготовок от партии по методу Бринелля, основанного на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и велечина нагрузки устанавливающаяся в зависимости от твердости и толщины материала.

После отпуска проверяют твердость всей партии заготовок на режущей и хвостовой части по методу Роквелла. Этим способом твердость определяют по глубине вдавливания наконечника прибора в поверхность испытываемого металла. Испытание осуществляется твердомером ТК. Наконечником служит алмазный конус с углом при вершине 120.

2. ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Определение действительного годового фонда времени работы оборудования

Режим работы оборудования (количество смен в сутки) устанавливают в зависимости от типа производства (единичное, серийное, массовое), технологии термообработки, типа оборудования и др. В мелкосерийном производстве рациональным является работа в две смены.

Для нормальных условий работы при прерывном графике следует исходить из пятидневной рабочей недели продолжительностью 41 час

Продолжительность одной смены:

ф=41:5=8,2 час.

Принимаем режим работы оборудования — 2-е смены. Тогда номинальный фонд времени работы составляет:

Фн=(365-105-10)Ч2Ч8,2=4100час.

Действительный годовой фонд времени работы оборудования в условиях прерывной рабочей недели составляет:

• где Р — затраты времени на ремонт оборудования, %;
• П — затраты времени на переналадку оборудования, %.

Значения Р зависят в основном от вида работы, типа оборудования и составляют 3-10%. Значения П выбирают в пределах 0-5%, это зависит от частоты переналадок.

Для камерных печей принимаем Р=4, П=2. Тогда действительный годовой фонд времени работы оборудования в условиях прерывной рабочей недели составляет:

час.

2.2 Выбор и расчет необходимого количества основного оборудования

2.2.1 Краткая характеристика основного оборудования

В качестве основного оборудования для термообработки инструментов выбрана полуавтоматическая линия из печей-ванн для инструментов (рис. 1)

Рис. 1 Полуавтоматическая линия из печей ванн для инструментов 1 — соляная ванна первого подогрева; 2 — соляная ванна второго подогрева; 3 — ванна окончательного нагрева; 4 — селитровая ванна для закалки; 5 — камера охлаждения; 6 — селитровая ванна для отпуска; 7 — ванна выварки; 8 — ванна травления; 9 — ванна промывки; 10 — ванна нейтрализации; 11 — ванна пассивирования; 12 — цепной конвейер; 13 — стол загрузки; I-III — пути автооператоров

В данном агрегате (рис.1,2) с печами ваннами для мелких деталей имеются горизонтальные конвейеры, которые движутся с заранее установленной скоростью и передвигают приспособления с деталями в соответствующих ваннах, и вертикальные, поднимающие приспособления с деталями с горизонтальных конвейеров и передающие их от одной ванны к другой. Вертикальные конвейеры движутся также с предварительно установленной скоростью, которую можно регулировать. Агрегат состоит из трёх горизонтальных конвейеров 1, 2 и 3, каждый из которых имеет свой привод и движется с необходимой скоростью. Это позволяет давать различную выдержку в отдельных ваннах агрегата. Время прохождения конвейером 1 первой ванны можно регулировать в течение 4-8 мин, конвейером 2 — в течение 10-30 мин и конвейером 3 — в закалочном баке или ванне в течение 1-8 мин. Вертикальные передающие конвейеры 4, 5, 6 и 7 получают движение также от независимых приводов. Каждый из конвейеров начинает работать, когда приспособление с деталями приходит к концу пути на горизонтальном конвейере в данной ванне, и включает автоматически соответствующий контакт.

Рис. 2 Схема полуавтоматической линии из печей-ванн а — схема агрегата; б — схема включения передаточных конвейеров; 1-7 — конвейеры агрегата; 8 — микровыключатель; 9 — электродвигатель; 10 — редуктор; 11 — магнитный пускатель; 12 — звёздочка; 13 — кулачок

Электрическая схема включения вертикальных транспортёров показана на рис. 2б. Загрузка новых приспособлений с деталями на конвейер 4 (рис. 2а) производится через 1-8 мин. Полное перемещение конвейера 5 производится в течение регулируемого интервала времени 4-30 сек, конвейера 6, в течение 4-20 сек и конвейера 7 — от 0,5 до 2 мин. Приспособления с деталями переходят с одного конвейера на другой автоматически. Преимуществом данного агрегата являются самостоятельные приводы и вариаторы скоростей 8 для каждого конвейера, что даёт возможность использовать агрегат для самых различных режимов обработки. Такой агрегат можно применять для обычной термической обработки (закалка и отпуск), а также для изотермической обработки, цианирования и др. Производительность такого агретата составляет 280 кг/ч.

В конструкции агрегата с печами-ваннами в качестве транспортного устройства используется автооператор с программным управлением. Автооператор представляет собой сварную тележку со штангой и траверсой и с двумя электрическими приводами горизонтального и вертикального перемещения. Вследствии этого автооператор может совершать горизонтальные движения по реечному пути, а также поднимать и опускать штангу с траверсой. Подвеска для транспортировки инструментов в этой линии имеет универсальный зажим и позволяет захватывать инструменты любой формы сечением от 10 до 100 мм. Подвески могут быть использованы над всеми транспортирующими устройствами этой линии — цепным и штанговым конвеерами, механизмом возвратно-поступательного движения, автооператорами и подвесным конвейером. С помощью автооператора инструменты освобождаются от зажимов подвески. Перемещение подвесок в ваннах происходит при помощи штангового конвейера и пневмопривода. Перенос из ванны в ванну производится автооператорами.

Контрольно-измерительная аппаратура и система автоматического регулирования процесса и управление механизмами обеспечивают выполнение технологического процесса термической обработки по заданной программе.

Технологическое оборудование линии установлено внутри металлоконструкции, закрытой кожухом и снабженной вытяжной вентиляцией. На пульте управления линии расположены показывающие приборы-дублеры, позволяющие визуально контролировать температуру ванн. Схема автоматики синхронизирует работу трех агрегатов, обеспечивая заданные технологическим процессом параметры.

Техническая характеристика:

Производительность линии, кг/ч…………………..280

Темп выдачи, мин…………..2,7-5

Число груженых подвесок…54

Мощность приводов линии, кВт………18

Мощность технологического оборудования, кВт………..495

Габаритные размеры линии, мм27000Ч2800Ч4300

Масса линии, т……20

Для предварительной термической обработки инструмента выбрана электрованна соляная электродная СВС 2.4.4/8,5.

Рис. 3 Электрованна соляная электродная СВС-2.4.4/8,5: 1 — футеровка; 2 — крышка; 3 — термопара; 4 — электрод; 5 — кожух; 6 — водоохлаждение; 7 — вентиляционный кожух

На рис. 3 приведен общий вид низкотемпературной соляной электрованны СВС-2.4.4/8,5, которая входит в полуавтоматическую линию из печей ванн для инструментов. Нагрев изделий осуществляется в расплаве хлористых солей находящемся в футерованном тигле. Огнеупорный слой футеровки выложен из специальных высокоглиноземистых фасонных плит. Электрованна оборудована однофазной электродной группой. Электроды квадратного сечения расположены на одной стороне тигля ванны на близком расстоянии друг от друга, что обеспечивает наличие рабочего пространства, свободного от протекания тока. Электродная группа защищена керамической плитой со стороны рабочего пространства, чем предотвращается короткое замыкание электродов нагреваемыми изделиями.

Остальная часть электродной зоны перекрыта шамотной плитой для уменьшения тепловых потерь. Конструкция электродной группы позволяет заменять электроды без слива соли. Материал рабочей части электродов — высокохромистая сталь. Ванна питается электроэнергией через понижающий трансформатор, на высокой стороне которого имеется переключатель ступеней напряжения, позволяющий регулировать потребляемую мощность в зависимости от режима работы. Ванна снабжена подвижной футерованной крышкой, бортовым отсосом. На период пуска предусмотрена установка в ванну выемного блока нагревателей, питаемого от понижающего трансформатора ванны.

В однофазных соляных ваннах, отличающихся достаточной устойчивостью рабочего режима и повышенной интенсивностью движения расплава, перепад температур в его пределах не превышает ±3,5 град.

Соляные электрованны новой серии начали изготовлять с однофазными электродными группами, электродами погружного типа, подвижной футерованной крышкой и трехпозиционным регулированием температуры.

При изготовлении этих электродных ванн предусмотрены следующие технические решения:

• прямоугольная форма рабочего пространства;
• применение однофазных электродных групп, состоящих из двух электродов квадратного сечения, обеспечивающих электромагнитную циркуляцию расплавленной соли;
• перекрытие электродной зоны керамическими блоками в малых типоразмерах электрованн с керамическим тиглем;
• применение в качестве датчика температуры радиационного пирометра для электрованн до 1300 °С и термопары для электрованн до 1000 °С;
• возможность агрегатирования электрованн различных температурных групп и встраивания их в поточные линии;
• обеспечение техники безопасности путем установки бортовых отсосов, зонтов, крышек, применение специальных устройств для расплавления соли.

Ниже приведена техническая характеристика соляной ванны (в числителе — при рабочей температуре 850 °С, в знаменателе — при рабочей температуре 650 °С):

Таблица 2.1 Технологические данные и характеристика соляной электрованны СВС 2.4.4/8,5

№ п/п	Наименование параметра	Норма
1	Установленная мощность, кВт	35
2	Максимальная рабочая температура,С	850
3	Мощность холостого хода, кВт	16,5/10,5
4	Производительность, кг/ч	270/200
5	Напряжение питающей сети, В	380
6	Число фаз	1
7	Тип понижающего трансформатора	ТО-35АЗ
8	Количество трансформаторов	1
9	Напряжение на электродах, В
	пусковое	20; 16,5
	рабочее	14,1; 12,2
	холостого хода	9,8; 8,1; 6,9
10	Число электродных групп	1
11	Объём расплавленной соли, л	124
12	Удельный расход электроэнергии, кВт·ч/кг	0,113/0,152
13	Расход охлаждающей воды, м3/ч	0,3
14	Размеры рабочего пространства, мм
	ширина	200
	длина	400
	глубина	400
15	Габаритные размеры
	ширина	1466
	длина	1120
	высота	1425
16	Масса, т
	металлоконструкций	0,6
	запасных частей	0,156
	комплектующего оборудования	0,914
17	Общая масса ванны (без соли), т	1,8

Общий вид высокотемпературной соляной ванны СВС-2.3.4/13 предназначенной для окончательной термической обработки инструмента приведен на рис. 4, технические данные указаны в табл. 2.2.

Рис. 4 Электрованна соляная электродная СВС-2.3.4/13: 1 — футеровка; 2 — крышка; 3 — зонт; 4 — пирометр; 5 — электрод; 6 — шинопровод от трансформатора; 7 — трансформатор; 8 — вентиляционный кожух

Таблица 2.2 Технические данные и характеристика оборудования для окончательной термообработки

	Наименование параметра	Норма
Ванна соляная (I подогрев)
1.	Максимальная рабочая температура, С	850
2.	Мощность, квт	35
3.	Состав соли	25% BaCl2+75% NaCl2
4.	Объём расплавляемой соли, л	250
Ванна соляная (II подогрев)
1.	Максимальная рабочая температура, С	850
2.	Мощность, квт	50
3.	Состав соли	25% BaCl2+75% NaCl2
4.	Объём расплавляемой соли, л	170
Ванна соляная (окончательный нагрев)
1.	Максимальная рабочая температура, С	1300
2.	Мощность, квт	75
3.	Состав соли	100% BaCl2
4.	Объём расплавляемой соли, л	99
Ванна селитровая электрическая
1.	Рабочая температура, С	550
2.	Мощность, кВт	35
3.	Состав соли	100% KNO3
4.	Объём расплавляемой соли, л	66

На рис. 5 приведён общий вид электрической селитровой ванны для отпуска, технические данные указаны в табл. 2.3.

Рис. 5 Ванна селитровая электрическая для высокого отпуска 1 — короб вытяжной; 2 — тигель; 3 — каркас; 4 — крышка; 5 -ёмкость

Таблица 2.3 Технологические данные и характеристика ванны селитровой электрической

№ п/п	Наименование параметра	Норма
1	Назначение ванны	высокий отпуск
2	Установленная мощность, кВт	35
3	Максимальная рабочая температура,С	580
4	Рабочая температура,С	550
5	Напряжение питания, В	380
6	Количество нагревателей	3
7	Диаметр проволоки нагревателя, мм	4
8	Тип нагревателей	зигзагообразные
9	Регулирование температуры	автоматическое
10	Размеры рабочего пространства, мм
	диаметр	950
	высота	660

2.2.2 Расчет необходимого количества основного оборудования

При выборе оборудования необходимо учитывать такие факторы, как качество термообработки, экологическую безопасность, минимальную трудоемкость, низкую себестоимость и др.

Исходные данные для расчета необходимого количества основного оборудования так же, как дополнительного и вспомогательного, такие:

• годовая программа термической обработки изделий данной группы, Пi, кг, которая закреплена за данной операцией;

• производительность выбранного оборудования для обработки деталей этой группы, Рi, кг/год;
• выбранный режим работы оборудования Ф°D, год, т.е.

годовой действительный фонд времени работы оборудования.

Для термической обработки выбираем полуавтоматическую линию из печей ванн для инструментов, производительность которой составляет 280 кг/ч.

Количество единиц оборудования можно определить укрупнено, используя производительность оборудования Рi.

Необходимое количество часов Ei, для выполнения данной производственной программы для термообработки инструмента «фреза дисковая» определяем по формуле:

Расчетное количество оборудования, необходимого для выполнения годовой программы деталей данной группы:

Где Фд — годовой фонд времени работы оборудования, час.

Расчетное количество оборудования округляем до ближайшего целого числа и получаем принятое количество оборудования — Кпр=1

Коэффициент загрузки оборудования:

Необходимое количество часов Ei, для выполнения данной производственной программы для термообработки инструмента «сверло» определяем по формуле:

Расчетное количество оборудования, необходимого для выполнения годовой программы деталей данной группы:

Коэффициент загрузки оборудования:

Необходимое количество часов Ei, для выполнения данной производственной программы для термообработки инструмента «метчик» определяем по формуле:

Расчетное количество оборудования, необходимого для выполнения годовой программы деталей данной группы:

Коэффициент загрузки оборудования:

Таблица 2.4 Расчет количества производственного оборудования

Оборудование	Наимен. детали	Годовая программа , т	Необходимое ко-во часов работы, , час	Кол-во единиц оборудования	Коэф-нт загрузки оборуд.
				расч.	прин.
Полуавтоматическая линия из печей-ванн для инструментов	фреза дисковая	1050	3750	0,97	1	0,97
Полуавтоматическая линия из печей-ванн для инструментов	сверло	1050	3750	0,97	1	0,97
Полуавтоматическая линия из печей-ванн для инструментов	метчик	900	3215	0,84	1	0,84

2.3 Подъемно-транспортные средства

В термических цехах широко применяют различное подъемно-транспортное оборудование. Транспорт участка обеспечивает загрузку и перемещение инструмента в соответствии с технологическим процессом, поточностью производства; механизацию трудоемких процессов с полным использованием мощности подъемно-транспортных механизмов.

На термическом участке по производству режущего инструмента для выполнения подъемно-транспортных операций используются 3 подвесные кран балки грузоподъемностью 1т., каждая перемещается параллельно друг относительно друга вдоль участка по рельсам уложенным на подкрановые балки. Для ремонтных работ на термическом участке используются мостовой кран, который перемещается по всему пролету цеха.

2.4 Расчет и выбор необходимого количества дополнительного и вспомогательного оборудования

На участке термической обработки имеется следующее дополнительное оборудование:

• прибор Бринелля для измерения твердости 10% заготовок за 2 смены после отжига. Производительность прибора 60шт/ч или 0,60шт. за 2смены.
• после окончательного нагрева при закалке фрез, режущей и хвостовой части сверел и метчиков, инструмент необходимо охладить.

Т.к. для окончательного нагрева, после которого, необходимо охладить инструмент в масле используется три ванны, поэтому необходимо три камеры охлаждения, которые должны располагаться напротив закалочной ванны, на расстоянии 1,5-2м.

Камеры охлаждения предназначены для регулируемого охлаждения металлических деталей и изделий после нагрева и…