Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
Новосибирский государственный технический университет
Автор:
Попелюх Альберт Игоревич
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 324
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7782-3781-0
Артикул: 778363.01.99
Рассмотрены основные вопросы теплообмена в печах, методы расчета термических устройств, проанализированы и изложены основные конструктивно-технологические схемы современного термического оборудования, описаны средства автоматизации процессов тепловой обработки материалов. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Материаловедение и технология новых материалов».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ А.И. ПОПЕЛЮХ ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия НОВОСИБИРСК 2018
УДК 621.365.036-83(075.8) П 573 Рецензенты: канд. техн. наук, доцент В.Ю. Скиба канд. техн. наук, доцент Н.П. Гаар Работа подготовлена на кафедре материаловедения в машиностроении для подготовки бакалавров по направлению 22.03.01 – Материаловедение и технология новых материалов Попелюх А.И. П 573 Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки: учебное пособие / А.И. Попелюх. – Новосибирск. – Изд-во НГТУ, 2018. – 324 с. ISBN 978-5-7782-3781-0 Рассмотрены основные вопросы теплообмена в печах, методы расчета термических устройств, проанализированы и изложены основные конструктивно-технологические схемы современного термического оборудования, описаны средства автоматизации процессов тепловой обработки материалов. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Материаловедение и технология новых материалов». УДК 621.365.036-83(075.8) ISBN 978-5-7782-3781-0 Попелюх А.И., 2018 Новосибирский государственный технический университет, 2018
ВВЕДЕНИЕ В настоящее время тепловая обработка является неотъемлемой частью большинства технологических процессов изготовления материалов и изделий. Термической обработке подвергается до 30 % деталей в автомобильной промышленности и сельскохозяйственном машиностроении [1]. В середине прошлого века в развитых промышленных странах термическая обработка материалов выделилась в отдельную часть промышленного бизнеса. Появились компании, для которых технологические процессы упрочнения, нанесения защитных и износостойких покрытий являются коммерческим продуктом. В настоящее время услугами заводов коммерческой термической обработки (ЗКТО) пользуются большинство мелких и средних предприятий машиностроительного профиля в Западной Европе и Северной Америке. Как правило, заводы коммерческой термической обработки – это предприятия численностью от 25 до 50 человек. Они работают в круглосуточном режиме в три смены с одним выходным днем или без выходных, останавливаясь на планово-профилактические ремонты на 2–3 дня в месяц. ЗКТО могут быть универсальными, оказывающими широкий спектр услуг по термической или химико-термической обработке, или специализированными, выполняющими обработку определенного вида, например, по наплавке износостойких покрытий. В связи с тем что спектр упрочняющих технологий неуклонно расширяется, все более актуальной становится тенденция специализации предприятий по отдельным областям тепловой обработки. Термообработка на специализированных заводах имеет ряд достоинств. Она обеспечивает более высокое качество упрочняемых деталей за счет: высококвалифицированного персонала; отработанных режимов обработки; отлаженного оборудования; применения эффективных методов оценки качества обрабатываемых изделий.
Кроме того, термообработка на ЗКТО позволяет снизить стоимость деталей в связи: с высоким коэффициентом использования термического оборудования; автоматизацией и механизацией процессов тепловой обработки; высокой организацией производства; меньшей численностью персонала и высокими показателями его эффективности. На крупных зарубежных предприятиях машиностроительного профиля наблюдается тенденция расформирования крупных термических производств, которые были созданы во второй половине прошлого века. Это обусловлено расширением ассортимента выпускаемой продукции, в том числе объемов изделий, изготавливаемых под заказ, повышением мобильности и гибкости производств, уменьшением затрат на складирование и консервацию деталей. С этой целью наиболее рациональным является выполнение тепловой обработки деталей на небольших участках на универсальном оборудовании с большим количеством приспособлений. В этом случае затраты на переоснащение производства при переходе на новые материалы или новые виды обработки являются минимальными. В нашей стране первые попытки создания регионального центра коммерческой термической обработки были сделаны в девяностых годах прошлого века [2]. Анализ рынка Московской области показал, что основные потребности машиностроительных предприятий в технологиях упрочнения распределились следующим образом. Традиционные виды объемной термической обработки занимали 84 % от общего портфеля заказов. Из них около 20 % занимали услуги по отжигу и нормализации деталей, приблизительно 50 % приходилось на закалку с отпуском, доля термической обработки с использованием индукционного нагрева (закалка ТВЧ) составляла около 10 %. На долю технологий напыления приходилось 4 % портфеля заказов, около 2 % заказов было обусловлено лазерными технологиями. В связи с кризисом в машиностроительной отрасли России в девяностые годы прошлого века проект создания регионального центра термической обработки не был осуществлен. Однако в последнее десятилетие в Российской Федерации начали появляться специализированные предприятия, для которых тепловая обработка и процессы упрочнения материалов являются основным коммерческим продуктом (компании Термомет, Термохим, НПО Магнетрон и т. д). В портфеле заказов заводов коммерческой термической обработки доля новых технологических процессов упрочнения постоянно растет, однако традиционные виды объемной тепловой обработки до настоящего времени остаются наиболее востребованными.
1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ 1.1. Этапы внедрения новых технологических процессов и функции специалиста по тепловой обработке материалов Для выпуска новых изделий необходима предварительная подготовка документации, материальных, финансовых, энергетических и трудовых ресурсов, а также средств технического оснащения. В подготовке производства можно выделить ряд этапов [3]. Основанием для принятия решений о выпуске изделий или предоставлении услуг является бизнес-план (технико-экономическое обоснование), который включает в себя программу пошаговых действий для реализации нового проекта и оценку эффективности достижения поставленных целей. Бизнес-план должен быть пессимистичным, гибким и легко корректируемым. Он включает в себя следующие основные разделы: предположительные объемы продукции (услуг) и способы достижения заданных объемов; способы продвижения продукта на рынок; предполагаемую цену реализуемой продукции; анализ основных потребителей продукции; оценку сезонности продаж; оценку конкурентов и их возможной реакции на ваши действия; анализ сырьевой базы; анализ трудовых ресурсов и ситуации на рынке труда; оценку финансовых затрат и возможных источников инвестиций; оценку возможных рисков; На начальном этапе составления бизнес-плана основные функции инженера-технолога заключаются в помощи специалистам-маркето
логам при анализе рынка и расчете параметров себестоимости получаемой продукции. При принятии положительного решения на реализацию проекта начитается разработка конструкции изделия (разработка технического задания и составление рабочих чертежей). На втором этапе инженер-технолог консультирует конструкторов по вопросам использования материалов, их свойствам и возможным способам обработки. Он проводит анализ конфигурации деталей с точки зрения технологичности изготовления и тепловой обработки, а также оценку возможности возникновения дефектов. Результатом работы является согласие технолога в виде визы на рабочих чертежах в разделе технологического контроля. Третий этап работ по постановке новой продукции на производство заключается в непосредственной разработке технологии изготовления изделия и составления пакета технологической документации. На этом этапе инженер-технолог производит разработку технологии процесса производства изделий и осуществляет: выбор заготовок; выбор технологических баз; подбор типового или составление нового технологического процесса; определение последовательности и содержания технологических операций; определение, выбор или конструирование новых средств технологического оснащения (в том числе средств контроля и испытания); назначение и расчет режимов обработки; нормирование производства; выбор средств механизации и автоматизации технологических процессов; синхронизацию операций, определение технологических заделов. Результатом работ на третьем этапе является пакет технологической документации на производство изделия. Следующий этап работ заключается в проектировании участка (или цеха) производства изделий. На этом этапе инженер-технолог принимает участие: в проектировании участка, расстановке оборудования и составлении планировок; в адаптации транспортного и грузоподъемного оборудования, средств автоматизации и механизации к конкретным технологическим процессам;
в выборе тары и способов упаковки продукции; в согласовании вопросов со смежными подразделениями и подрядчиками (строителями, энергетиками, экологами) и адаптации технологии к их требованиям. В процессе заключительного пуско-наладочного этапа инженертехнолог выдает рекомендации в приобретении оборудования, его монтаже, проводит доводку технологии изготовления, корректировку конструкторской и технологической документации, оценивает технологичность процесса при выпуске опытной партии изделий, проводит выявление дефектов и устранение проблемных мест в технологии изготовления детали. Статистика показывает, что технологический и пуско-наладочный этап являются наиболее трудоемкими и занимают от 60 до 75 % всего времени на внедрение новой продукции [3]. Ускорение процессов ввода в производство новой продукции возможно за счет внедрения систем автоматизированного проектирования (особенно на первом, втором и третьем этапах) с использованием баз данных по бизнеспланированию, типовым конструкциям, технологиям, оборудованию, оснастке, планировкам и расчетам потребных мощностей. Системы автоматизированного проектирования позволяют осуществлять многовариантное проектирование, что упрощает выбор наиболее рационального процесса производства изделий, однако при принятии окончательного решения важнейшим фактором является квалификация инженера-технолога. В результате выполнения работ на предприятии формируется пакет технической документации, который выполняется в соответствии с требованиями единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП) и единой системы технологической документации (ЕСТД) [4, 5]. Наличие на участках и рабочих местах технологической документации при производстве продукции является обязательным условием. 1.2. Организационные формы выполнения процессов тепловой обработки Производственным процессом называется совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых для выпуска или ремонта изделий. Он может быть рассмотрен с различных точек зре
ния. С технологической точки зрения производственный процесс может быть представлен следующим образом. Технологический процесс – это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению состояния предмета труда. С технологической точки зрения под операцией подразумевают часть технологического процесса, отличающуюся по виду воздействия на материал. Технологический прием (стадия) – это часть операции, связанная с манипулированием изделием. К вспомогательным процессам относят операции и приемы, которые непосредственно не связаны с формообразованием деталей и изменением их свойств, но необходимы для выполнения основного технологического процесса. Например, типичным вспомогательным процессом при термической обработке деталей является приготовление защитной или охлаждающей среды. С организационной точки зрения производственный процесс может быть представлен следующим образом.
Организационно под понятием технологической операции подразумевают законченную часть технологического процесса, выполняемую на одном рабочем месте и связанную с изменением формы и (или) свойств объекта производства. Под технологическим переходом понимают законченную часть операции, выполняемую одними и теми же средствами технологического оснащения при постоянных технологических режимах и установке. Вспомогательная операция или переход – это законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и не связанная с изменением формы и (или) свойств предмета труда, но обеспечивающая более качественное выполнение основных технологических операций или переходов. Например, к вспомогательным операциям относятся мойка или правка изделий. При термической обработке технологический процесс включает в себя группы операций, которые можно подразделить: на подготовительные, включающие в себя комплекс мероприятий для предотвращения образования дефектов; основные, предназначенные для изменения формы и (или) свойств объекта; отделочные, служащие для улучшения качества поверхности деталей или изделий; контрольные, в ходе которых осуществляется контроль качества изделия. По характеру воздействия на деталь термические операции подразделяются: на объемную обработку, в ходе которой изделие прогревается насквозь; поверхностную обработку, при которой у детали нагреваются только поверхностные слои; локальную обработку, направленную на упрочнение отдельных частей детали; последовательную обработку, при которой деталь нагревается последовательно путем перемещения в источнике нагрева. По месту в технологическом процессе термические операции подразделяются: на предварительные, выполняемые в начале технологического процесса (например, операция отжига перед механической обработкой);
промежуточные, находящиеся в его середине (например, операции промежуточного отжига при операциях обработки давлением); окончательные (например, операции светлой закалки, после которых изделие дополнительной обработке не подвергается); комбинированные, выполняемые на различных стадиях изготовления детали (в технологический процесс изготовления детали входит несколько различных операций термической обработки). По связанности со смежными процессами термические операции бывают: преемственные, следующие друг за другом в строгой хронологической последовательности; совмещаемые, допускающие изменение последовательности обработки деталей в зависимости от производственной ситуации. 1.3. Особенности выполнения термических операций Термические операции имеют ряд специфических особенностей. 1. Управление ходом операции осуществляется по косвенным признакам. При термической обработке основной контролируемой величиной является температура нагрева материала в объеме детали. Однако осуществлять контроль температуры внутри детали без ее повреждения практически невозможно. При выполнении операции термической обработки определение продолжительности нагрева, как правило, осуществляется расчетными способами либо с использованием деталей-свидетелей, в которые помещают датчики контроля температурного режима. 2. Существенное влияние на качество обработки оказывает продолжительность термических операций. Если времени выдержки при заданной температуре недостаточно, то не происходит сквозного прогрева детали, что приводит к уменьшению твердости и прочности материала. Увеличение времени термической обработки свыше необходимого также приводит к снижению качества обработки вследствие окисления и обезуглероживания поверхности обрабатываемых деталей. 3. У большинства материалов при их тепловой обработке ярко выражено явление наследования. Качество выполнения предыдущей операции оказывает значительное влияние на структуру и свойства материалов при последующей обработке.