Разработка математической модели для проектирования технологического процесса термообработки заготовок

Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке. Термическая обработка стали в большинстве случае состоит в нагреве до температуры образования твердого раствора, выдержки при этих температурах и охлаждение с разными скоростями в зависимости от требований конечной структуры и физико-механических свойств стали [7].

Различают следующие основные режимы термообработки заготовок:

– закалка;

– отжиг;

– нормализация;

– отпуск.

Закалка – термическая обработка металлов, при которой заготовку нагревают до температуры в пределах 1000-1050°С, после чего сталь быстро охлаждают. Закалку применяют для придания стали повышенной прочности, твердости, снижения вязкости и пластичности [7].

Отжиг – термическая обработка металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. Цель отжига – снятие внутренних напряжений, снижение твердости. При отжиге изделия нагревают выше критических температур стали. Для низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей температура нагрева достигает 600-680°С. После нагрева изделие выдерживают в печи при этой температуре в течении 2.5 минут на 1 мм толщины металла. Для полного отжига стальное изделие нагревают до температуры 820-930°С, выдерживают при этой температуре и затем медленно охлаждают [8].

Нормализация – термическая обработка металла, подобная отжигу, но с более быстрым охлаждением изделий, которое обычно проводят на воздухе. При нормализации заготовку нагревают до температуры 850-890°С, выдерживают при этой температуре и охлаждают на воздухе.

Отпуск – термическая обработка металлов, применяемая для сталей склонных к закалке, для уменьшения внутренних напряжений и хрупкости. Изделие нагревают до температуры 400-700°С. Выдерживают при этой температуре из расчета 2.5 минуты на 1 мм толщины металла, медленно охлаждают с печью до нормальной температуры [8].

Определение расчетного размера заготовок для назначения продолжительности выдержки при температурах нормализации приведены в таблице 1.11. [9]

Таблица 1.11 – Определение расчетного размера заготовок для назначения продолжительности выдержки при температурах нормализации

Заготовки деталей и их конфигурация	Условия расчета	Расчетный размер равен
Гладкие валы	Диаметр вала (DB) меньше или равен длине L	Диаметру вала DB
Диаметр вала (DB) больше длины L	Длине вала L
Сплошные диски	Диаметр диска (Dd) больше его толщины (B)	Толщине диска (B)
Диаметр диска (Dd) меньше его толщины (B)	Диаметру диска (Dd)
Полая заготовка типа трубы	Диаметр наружный меньше длины L	2·B
Диаметр наружный больше длины L	1.5·B
Кольца, бандажи, шестерни	Диаметр наружный (Dh) больше высоты (Н)	Высоте (Н)
Диаметр наружный (Dh) меньше высоты (Н)	Толщине стенки (B)
Валы с уступами, валы-шестерни, валки, шестерни	Длина бочки L2 больше или равна половине диаметра бочки (D2)	Диаметр бочки (D2)
Длина бочки L2 меньше половины диаметра бочки диаметра бочки (D2)
Муфты и полумуфты	–
Гладкие пластины, штанги, рейки	–	Наименьшему размеру – толщине (В)
Пластины с уступами	Высота (Н) больше либо равна толщине (В)	Толщине (В)
Длина уступа (L) меньше либо равна половине высоты (Н)	Высоте (Н)
Длина уступа (h) больше половины высоты (Н)

Расчет норм времени выдержки при отпуске

Для определения времени нагрева первоначально необходимо расчитать геометрический показатель тела W. W – геометрический показатель тела, равный отношению объёма тела V к площади его поверхности F [9].

Далее рассмотрены формулы для вычисления величины W различных тел простой формы. Для шара:

W = D/6, (1.2)

где D – наружный диаметр шара.

Для цилиндра, нагреваемого со всех сторон:

W = , (1.3)

где D – наружный диаметр цилиндра;

l – длина тела.

Для сплошного цилиндра, нагреваемого с одной стороны:

W = , (1.4)

где D – наружный диаметр цилиндра;

l₁ – длина нагреваемой части тела.

Для полого цилиндра, нагреваемого со всех сторон:

W = , (1.5)

где D – наружный диаметр цилиндра;

d – внутренний диаметр цилиндра;

l – длина тела.

Для куба:

W = B/6, (1.6)

где B – ребро куба.

Для прямоугольной пластины, нагреваемой со всех сторон:

W = , (1.7)

где B – толщина пластины;

a – ширина пластины;

l – полная длина тела.

Рассчитав геометрический показатель W выбираем продолжительность нагрева заготовки при отпуске по таблице 1.12 [9].

Таблица 1.12 – Зависимость продолжительности нагрева при отпуске от величины W

Расчет норм времени выдержки при закалке.

Время нагрева в закалочной среде зависит от диаметра (толщины) массы заготовки, мощности печи и требований чертежа (термическая обработка с закалкой или с отпуском).

Общая продолжительность нагрева при закалке зависит от двух слагаемых – времени нагрева до заданной температуры t_H и времени выдержки при этой температуре t_B.

Время выдержки при заданной температуре t_B упрощенной принимают равным 1 минуте для углеродистых сталей и 1.5 – 2 минуты для легированных сталей на 1 мм толщины металла.

Время нагрева до заданной температуры t_H определяется по следующей формуле

t_H = a·D, (1.8)

где a – коэффициент, определяемый экспериментально, в с/мм;

D – диаметр изделия.

Если изделие квадратного или прямоугольного сечения, то вместо величины D используют толщину изделия H.

Значение коэффициента а в зависимости от условий нагрева и формы изделия приведены в таблице 1.13 [10].

Таблица 1.13 – Значение коэффициента а