Содержание
1. Индукционная поверхностная закалка
1. Общие сведения об индукционном нагреве…………………………3
2. Исходные данные и задача расчета………………………………….3
3. Расчет параметров…………………………………………………….5
2. Упрочнение деталей поверхностным пластическим деформированием
2.1 Общие сведения ……………………………………………………..10
2.2 Исходные данные и задача расчета…………………………………10
2.3 Расчет параметров дробеударного упрочнения резьбы……………11
2.4 Расчет параметров алмазного выглаживания цилиндрической
поверхности…………………………………………………………..12
3. Список использованных источников……………………………………….14
1. Индукционная поверхностная закалка
1. Общие сведения об индукционном нагреве
В основе метода лежат два физических закона: закон электромагнитной
индукции Фарадея (возникновение индукционных токов в проводнике, который
находится в переменном магнитном поле); и закон Джоуля-Ленца (нагрев
проводников электрическом током).
Закона электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре
пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность,
ограниченную контуром.
Закон Джоуля–Ленца: Если на участке цепи под действием
электрического поля не совершается механическая работа и не происходят
химические превращения веществ, то работа электрического поля приводит
только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна
количеству теплоты, выделяемому проводником с током: [pic].
2. Исходные данные и задача расчета
Диаметр заготовки [pic]=50 мм.
Длина заготовки подвергаемой закалке [pic]=50 мм.
Материал детали: Углеродистая сталь 12Х2Н4А
[pic]
Рис.1 Эскиз детали
Характеристики материалов:
Плотность стали [pic] [pic]
Удельная теплоемкость [pic] [pic]
Теплопроводность [pic] [pic]
Температуропроводность [pic]=20 [pic]
Удельное электрическое сопротивление [pic]=1.2 [pic]
Характеристики индуктора:
Число витков [pic]
Покрытие Ан.Окс.100 из.
[pic]- сплав (АМГ6)
Удельное электрическое сопротивление (АМГ6) [pic] [pic]
[pic]
Рис.2. Индуктора с деталью
1- индуктор; 2- канал для протока воды; 3-деталь
Температурный режим:
Температура поверхности [pic] [pic]
Минимальная [pic] [pic]
Скорость нагрева [pic] [pic]
Задача расчета:
— Расчитать глубину закаленного слоя на частотах [pic] [pic]
— Необходимую плотность мощности [pic] [pic]
— Амплитуду тока в индукторе [pic] А.
— Мощность технологической установки [pic] [pic]
— Выбрать схему нагрева и охлаждения детали
— Привести эскиз индуктора
— Дать рекомендации по выбору частоты [pic] в зависимости от глубины
закалки.
3. Расчет параметров
Толщина скин-слоя [pic] (1):
[pic] (1)
[pic] – удельное электрическое сопротивление материала заготовки
[pic] относительная магнитная проницаемость, ( = 1;
[pic] магнитная постоянная, [pic]= 1,257 [pic]
[pic]– частота, [pic]
Для одновиткового индуктора шаг намотки S равен длине индуктора L.
Времени нагрева [pic] находим по формуле (2):
[pic] (2)
[pic] с.
Толщина скин-слоя в зависимости от частоты тока [pic], где [pic] — частота
в [pic]:
[pic]
[pic] [pic] [pic] [pic]
[pic] [pic] [pic] [pic]
Запишем толщину скин-слоя ( в безразмерном виде :
[pic]
[pic] [pic]
[pic] [pic]
Здесь [pic]– безразмерный параметр.
По графику на рис.3. определим [pic] при [pic]:
[pic]
Рис.3. Решение задачи нагрева одномерного полубесконечного
тела внутренними источниками теплоты
[pic] [pic]
[pic] [pic]
Зная безразмерную [pic], определим ( :
[pic]
[pic] [pic]
[pic] [pic]
По графику на рис.3 определим глубину закалки [pic] в безразмерном виде:
[pic] [pic]
[pic] [pic]
Переведем [pic] в размерный вид используя выражение [pic]:
[pic] [pic] [pic] [pic]
[pic] [pic] [pic] [pic]
На основе проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что при
увеличении частоты тока [pic] глубина закалки уменьшается. Наилучший
результат был получен при [pic][pic] при глубине закалки [pic] [pic] или
2.55 мм.
Расчет плотности мощности.
Обычно при расчетах плотность мощности [pic]определяется из условия
заданных [pic] и времени нагрева [pic]по формуле :
[pic] (3)
[pic] [pic] [pic][pic]
[pic][pic] [pic][pic]
Из полученных плотностей тока выберем наибольшую[pic][pic],
т.к. она обеспечивает необходимую мощность электромагнитной энергии на
всех частотах.
Расчет амплитуды тока в индукторе.
Амплитуда тока [pic] в зависимости от частоты [pic]:
[pic] (4)
[pic] [pic] [pic] [pic]
[pic] [pic] [pic] [pic]
Наибольшая амплитуду тока в индукторе: [pic] [pic]
Расчет мощности технологической установки.
[pic] будем выбирать из соотношения:
[pic],
где [pic] кпд блока питания;
[pic] находится по формуле:
[pic]-длина индуктора, равная длине обрабатываемого участка
[pic]
[pic]
Мощность технической установки [pic] [pic]
Выберем[pic] из ряда мощностей технической установки [pic]16; 25; 63; 100;
160 [pic]
т.е. [pic] [pic]
Тогда необходимая плотность мощности:
[pic]
или
[pic] [pic]
В связи с выбором мощности установки необходима коррекция
времени и скорости нагрева, а также амплитуды тока:
Из выражения (3) получаем:
[pic]
[pic]с.
Из (2) выражение для [pic]:
[pic]
[pic] [pic]
Из выражения (4) для амплитуды тока получаем:
[pic] [pic]
Рекомендации по выбору частоты и режимам нагрева и охлаждения:
Для получения максимальной глубины закаленного слоя рекомендуется
назначить частоту [pic] равной 10 [pic]
После закалки рекомендуется применить охлаждение в воде или масле и отпуск
для снятия внутренних напряжений при Т =200(С.
2.Упрочнение деталей поверхностным пластическим деформированием.
2.1 Общие положения.
Обработка дробью применяется для упрочнения разнообразных деталей
планера и двигателей летательных аппаратов – лонжеронов, бимсов,
монорельсов, деталей шасси, обшивок, панелей, лопаток турбины и
компрессора, подшипников и т.д.
Сущность дробеударного упрочнения заключается в бомбардировке
поверхности детали потоком дроби, обладающей значительны запасом
кинетической энергии. Источником энергии дроби является струя газа,
жидкости, центробежная сила или ускорение силы тяжести. В зависимости от
типов и конструктивного исполнения технологических установок (оборудования)
скорость дроби может изменяться от 10 до 100 [pic].
Основным достоинством дробеударной обработки является возможность
эффективного упрочнения деталей различной конфигурации, имеющих мелкие
надрезы, пазы, галтели и резьбовые поверхности.
Усталостная прочность детали после упрочнения дробью повышается на
15…50% в зависимости от марки материала и режимов упрочнения. Изменения
размеров деталей после дробеударного упрочнения незначительны и исчисляются
микронами. Поэтому точностные характеристики деталей определяются
операциями, предшествующими упрочнению (шлифование, чистовое точение и
др.).
2.2 Исходные данные и задача расчета
Эскиз детали приведен на рис.1.
Деталь изготовлена из стали 12Х2Н4А;
Предел прочности [pic] [pic]
Плотность стекла [pic][pic]
Предварительная обработка детали: термоупрочнение и чистовое точение с
шероховатостью:
[pic][pic]
После обработки ППД исходная шероховатость не должна ухудшиться.
Для обработки резьбы (см. рис.4.) использовать стеклянную дробь. Диаметр
стеклянной дроби из следующего ряда: 100; 160; 200; 250 [pic]
[pic]
Рис.4. фрагмент резьбы детали
Задача расчета
Расчитать параметры дробеударного упрочнения резьбы и алмазного
выглаживания цилиндрической поверхности.
2.3. Расчет параметров дробеударного упрочнения резьбы.
Назначим диаметр стеклянной дроби согласно исходным требованиям
([pic]<[pic]). Здесь [pic]-диаметр стеклянной дроби, [pic]-диаметр лунки
резьбы (рис.4) .
[pic]
[pic][pic]
При пластическом внедрении шарика в поверхность (рис.5.) баланс
энергии и работы имеет вид:
[pic][pic] (1)
[pic]
Рис.5. Пластическое внедрение шарика
в поверхность
Здесь:
[pic] – масса шарика:
[pic][pic][pic][pic] (2)
[pic]– работа сил сопротивления:
[pic] (3)
После подстановки (2) и (3) в (1)получаем:
[pic]
отсюда при HB ( 3(В имеем глубину отпечатка:
[pic]
при [pic] скорость вылета шарика[pic]:
[pic]
[pic] [pic]
Глубина упрочненного слоя находится из соотношения:
[pic]
Если учесть, что [pic]((d, то площадь поверхности отпечатка шарика
диаметром [pic] приблизительно равна площади круга с диаметром d :
[pic] (4)
Из (4) выражение для [pic]:
[pic]
[pic][pic]
глубина наклепанного слоя [pic] равна:
[pic]
[pic][pic] [pic]
2.4 Расчет параметров алмазного выглаживания цилиндрической части.
Алмазное выглаживание заключается в пластическом
деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом-
выглаживателем, что позволяет получить упрочненную поверхность с низкой
шероховатостью и сжимающими остаточными напряжениями, распространяющимися
на значительную глубину. При этом в месте контакта инструмент-деталь (в
очаге деформирования) происходит локальный переход металла в состояние
текучести, в результате чего изменяются характеристики поверхностного слоя,
что в итоге повышает сопротивление усталости деталей при эксплуатации.
Назначение режимов обработки выглаживания сводятся к
определению оптимальных значений силы выглаживания [pic], радиуса
[pic]рабочей части индентора, подачи [pic], скорости обработки [pic], числа
рабочих ходов [pic].
Критерий выбора радиуса сферы – твердость материала.
Для стали 12Х2Н4А назначим [pic]= 3.4 [pic] [2, стр.62].
Оптимальное значение силы выглаживания[pic] можно определить по формуле:
[pic]
[pic] Н
Здесь:
с = 0,008 – коэффициент, учитывающий условия обработки,
[pic]– диаметр детали,
[pic]
Рис. 6. Схема деформирования поверхностного слоя
при алмазном выглаживании ( в направлении подачи)
1-микронеровности исходной поверхности; 2- наплыв;
3-выглаживатель; 4- поверхность после выглаживания
Назначим величину продольной подачи s = 0,08 [pic] [2, стр.62], тогда
полученная шероховатость[pic]вычислится по следующей формуле:
[pic]
[pic] [pic]
Параметры шероховатости зависят также от числа рабочих ходов z
выглаживателя. С увеличением z до 2…3 параметр шероховатости уменьшается в
меньшей степени. При z ( 4 возможен перенаклеп ПС.
Определим глубину наклепанного слоя по зависимости Серенсена С.В. [2,
стр.19]:
[pic], где d – диаметр детали;
[pic]– прочность после упрочнения;
[pic]– прочность сердцевины;
( – глубина наклепанного слоя
[pic]=750 [pic]
[pic][pic] – Увеличение прочности поверхности повышается на 17% по
сравнению с исходной величиной прочности [2, стр. 64] для стали 12Х2Н4А.
Следовательно толщина упрочненного слоя:
[pic]
Список использованных источников
1. Саливанов Д.С. конспект лекций по курсу Белоусова В.С. «Обработка
поверхностей деталей ЛА», 2002.
2. А.К. Карпец, В.С. Белоусов, В.И. Мальцев упрочнение деталей авиационных
конструкций ППД: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ. 1995. – 79 с.