1.2 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

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