AFM - výroba čapu

1.Úvod


Pri návrhu výroby súčiastok je veľmi dôležite uvažovať o všetkých možných aspektov. Tieto v sebe musia zahrňovať tak ekonomické ako aj ekologické parametre. Preto, správne zvolený materiál a správne zvolené základné technologické operácie ako aj vhodne navrhnuté strojno-technologické zariadenia, budú mať rozhodujúci vplyv na efektívnosť výrobného procesu.
V súčastnej dobe je treba dbať na zvýšenú produktivitu, s prípadnou úsporou materiálu , pri dodržani požadovanej kvality.



2. Úloha


Podľa zadania.

Upozornenie: Norma STN 02 2101 a STN 02 2102 boli nahradene normou
EN 22 340. Podľa tejto normy čap 25x110 nie je definovaný
a norma odporúča nenormované rozmery vyrábať len po
dohode so zákazníkom. 2.1 Čap


Používa sa k rozoberateľnému klbovému spojeniu, ktoré prenášajú silový účinok pôsobiacich kolmo na os čapu (obr.č.2). Čap teda umožňuje spojovaným súčiastkam vzájomné natáčanie, alebo kývanie o malý uhol. Čap je namáhaný otlačením a šmykom. Priemer čapu d pri namáhaní ohybom sa určuje zo vzťahu:
3 3
M0 = 0,1 * d * sD (Nmm; mm, MPa)

kde ohybový moment:

M0 = ½ * F * a = 1 / 8 * F * l (Nmm; N, mm)

Ďalej sa čap kontroluje na tlak p0 v stykovej ploche:


p0 = F / ( b * d ) < alebo = p0 alebo p0 = F / [ ( l – b ) * d ] (MPa)




Ak spojované súčasti nedovoľujú vznik ohybovej deformácie čapu, alebo sú spojené súčasti z materiálu vyššej pevnosti ako materiálu vyššej pevnosti, ako materiál čapu, kontroluje sa šmykové napätie t v čape:


2 2
t= 2 * F / ( Ő * d ) < alebo = tD (MPa; N, mm)


Norma EN 22 340 odporúča použitie materiálu 11 500, 11 600 alebo automatové ocele[ ].

Tie nám však nevyhovujú vzhľadom k požadovanej hodnote medzi pevnosti Rm.
Pre výrobu spojovacieho čapu preto navrhujem použit polotovaru podľa
STN 41 2042 s následovným tepelným spracovanim, ktorá pozostáva zo zápustkového kovania a následného tepelného spracovania, pozostáva s normalizačného žíhania, cementácie, kalenia a následného popúšťania [3 ].



2.2 Požiadavky na materiál


Čap bez hlavy (obr.č.1) musí byť rovnomernú kvalitu povrchu bez nepravidelností a neprípustných chýb a súčastne musí byť odihlené[6].
Materiál na výrobu spojovacieho čapu má byt´ tvrdý,oteruvzdorný s vysokou húževnatosťou a odolnosťou voči korózii. Uvažovaná medza pevnosti je dana v rozmedzi Rm=680-700 MPa. Vzhľadom na bespečnosť, uvažujme s bespečnostným koeficientom min. 1,2 a potom bude požadované celkové napätie 840Mpa. Preto volím oceľ STN 41 2042 s Rmmin=981 Mpa[7]. Podľa [1] oceľ 12 042 je uhlíková oceľ k zušľachťovaniu, pre nízke teploty a vyhovuje daným požiadavkám na mechanické vlastnosti materiálu a tepelné spracovanie.







2.3 Voľba materiálu

2.3.1 Chemické zloženie ocele


Tab.č.1 [6] Chemické zloženie ocele 12 042 :

0,32 - 0,40 % C
0,50 - 0,80 % Mn

max 0,35 % Si
0,001 - 0,005 %B

max 0,040 % P
max 0,40 % S
(fázové premeny podľa diagramu železo-uhlík : AC1=725°C, AC3=815°C)



2.3.2 Mechanické vlastnosti ocele


Tab.č.2 [6] Mechanické vlastnosti spojovacieho čapu:

stav : .7

rozmer d: 20 - 40 mm

najnižšia medza sklzu : R = 598 MPa

pevnosť v ťahu: R = 834-1030 MPa

najnižšia ťažnosť: A = 10 %

kontrakcia : Z = 40 %

vrubová húževnatosť KCU : 59 J/cm2






2.3.3 Vplyv prísad na vlastnosti ocele


Uhlík, C- je karbidotvorný prvok, s jeho rastom sa zvyšuje pevnosť a tvrdosť a však rastie krehkosť ocele.

Mangán, Mn- patrí tiež medzi karbidotvorné prvky tvoriace špeciálne karbidy (napr. FeMn3C; /FeMn/7C31), jeho doležitá úloha je v odsírení a číastočne aj
v dezoxidácií.Je to legujúci prvok, ktorý sa pridáva s cieľom zlepšíť húževnatosť a oteruvzdornosť.

Kremík, Si- v malom množstve zlepšuje pevnosť, medzu pružnosti, prekalitel- nosť, do ocelí sa pridáva ako dezoxidačný prvok.

Chróm, Cr- tvorí ešte s ďalšímí prvkami komplexné karbidy (napr. /CrFe/7C3; /CrFe/23C6 ), zvyšuje odolnosť voči opotrebeniu, zvyšuje prekalitelnosť.

Fosfor, P- spôsobuje lámavosť ocele za studena.

Síra, S- spôsobuje lámavosť ocele za tepla [4].



3. Tepelné spracovanie


Pre moju súčiastku som navrhol nasledovné tepelné spracovanie, ktoré by som realizoval v takej postupnosti krokov a teplôt v akej sú zapísané:

Krok: Operácia: Približná teplota:

1. Ohrev materiálu 1255°C

2. Zápustkové kovanie 1150°C

3.

Normalizačné žíhanie 850-870°C/2,5
hod./vzduch
4. Cementovanie v plyne 850-950°C/vzduch
30min./0,1mm
5. Kalenie vo vode 850°C

6. Popúšťanie / vzduch 400-650°C


3.1 Technológia výroby

3.1.1 Ohrev materiálu


Rýchlosť akou ohrievame požadovaný výrobok značne ovplyvňuje výrobnosť, preto sa snažíme ohrievať materiál čo najrýchlejšie. Treba však mať na zreteli, že s vysokou rýchlosťou ohrevu rastie rozdiel teplôt po priereze ohrievaného materiálu a s rastom teplotného spádu úmerne rastú aj termické napätia. Ohrev približne na teplotu 1225°C.
Ohrev v indukčnej peci sa zdá byť najekonomickejší a najmenej ovplyvňuje povrchové vlastnosti z hľadiska chemického zloženia. Vhodné je uskutočniť pred ohrev materiálu.



3.1.2 Zápustkové kovanie


Zápustkové kovanie na rozdiel od voľného kovania sa uplatňuje vo veľkosériovej a hromadnej výrobe. Toto kovanie je presnejšie, získame
kvalitnejší povrch, lepší vzhľad výkovku, docielime dôkladné prekovanie materiálu ako aj správny priebeh vlákien [1].
Zápustkové kovanie sa bude vykonávať pri teplote približne 1150 °C, výkovky sa pomaly ochladzujú. Kovanie je tvarovanie materiálu za tepla tlakom alebo rázom. Kovaním sa zrovnomerňuje chemické zloženie a štruktúra, ktorá sa zjemní a zlepšia sa mechanické hodnoty, hlavne húževnatosť.
Po kovaní je potrebne osústružiť konce podľa obr.č.1 .


3.1.3 Normalizačné žíhanie


Normalizačné žíhanie (normalizácia) je najdôležitejší a najčastejšie používaný spôsob žíhania. Používa sa na zjemnenie zrna austenitu a vytvorenie jemnej rovnomernej výslednej štruktúry s priaznivými mechanickými vlastnosťami. Normalizačne sa žíhajú výhradne iba podeutektoidné ocele. Nevyhnutné je pri odliatkoch a výkovkoch, ktoré majú v pôvodnom stave nerovnomernú štruktúru a v niektorých častiach i veľmi hrubé zrno.



Teplota normalizačného žíhania podeutektoidných ocelí je 30 až 50 °C nad AC s výdržou 1 až 4 hodiny. Ochladzovanie sa robí zásadne voľne na vzduchu. Výsledná štruktúra nie je jednoznačne definovaná a záleží na

chemickom zložení ocele a na veľkosti žíhaného objektu. Žíhanie sa v závislosti na rýchlosti ochladzovania delí na normalizačné žíhanie s ochladzovaním na vzduchu a na žíhanie homogenizačné u ktorého sa ochladzovanie z nadkritickej teploty prevádza v peci.

Mikroštruktúra podeutektoidných ocelí sa pri takejto rozdielnej rýchlosti ochladzovania rozlišuje tvrdosťou, pomerom feritu a perlitu, disperzitou perlitu a hodnotou vnútorných napätí. Veľkosť vnútorných napätí po ochladení na vzduchu z teploty normalizačného žíhania nie je zanedbateľná a môže byť príčinou zvýšenej miery bortenia pri zušľachťovaní po obrobení [5].
Pri označovaní ocelí sa stav normalizačného žíhania označuje doplnkovým číslom 1.[2] Normalizačné žíhanie sa v prípade výroby čap bude vykonávať na žíhacej teplote 850 – 870 °C, s výdržou približne 2,5 hodiny a nasledovným ochladením na vzduchu.



3.1.4 Cementovanie


Cementovanie je nasycovanie povrchu oceľových súčiastok uhlíkom. Používa sa vtedy, ak sa od súčiastok požaduje vysoká povrchová tvrdosť, pri súčastnom zachovaní húževnatého jadra. Na cementovanie sú vhodné mäkké ocele s obsahom od 0,1 až 0,4 %C. Povrch súčiastok sa obohacuje na eutektoidnú alebo mierne nadeutektoidnú koncentráciu.
Zakalením nacementovanej súčiastky sa získa vo vrstve martenzitická štruktúra vysokej tvrdosti, pričom v jadre dochádza, v závislosti od prekaliteľnosti ocele a veľkosti prierezu, väčšinou iba k čiastočnému zakaleniu, prípadne vznikajúci martenzit má vzhľadom na nízky obsah uhlíka nízku tvrdosť. Jadro súčiastky preto zostane mäkke a húževnaté.
Cementovanie sa robí pri teplotách asi 50°C nad AC. Pre ocele uhlíkove s obsahom 0,4 %C je to asi 850 až 950°C. Hĺbka cementačnej vrstvy býva 0,5 až 2 mm.
Pri cementovaní môže uhlík do ocele difundovať buď z plynnej alebo kvapalnej fázy. Atmosféra pre cementovanie predstavuje zložité zmesi plynov, najmä CO, CO2, N2, H2, H2O a uhľovodíkov. Cementovanie sa robí v tuhom, kvapalnom alebo plynnom prostredí [5].
súčiastku odporúčam cementovať v plyne pri teplote 880°C a po dobu 3 hodín kedy dosiahnem cementačnú vrstvu o hrúbke 0,6 mm.




3.1.5 Kalenie


Kalenie je tepelné spracovanie pozostávajúce z ohrevu ocele na kaliacu teplotu, výdrže na tejto teplote a ochladenia rýchlosťou väčšou než je rýchlosť kritická.
Pri voľbe vhodného spôsobu kalenia je potrebné zohľadniť chemické zloženie ocele, žiadané mechanické a iné vlastnosti po tepelnom spracovaní, potrebu čo najnižších výrobných nákladov, čo najnižšej časovej náročnosti zvoleného spôsobu kalení [5].
Pri mojom potrebnom tepelnom spracovaní som zvolil kalenie pri teplote okolo 850 °C s ochladením do vody. 3.1.6 Popúšťanie


Popúšťanie je ohrev zakalenej ocele s martenzitickou štruktúrou, na teploty pod AC za účelom vytvorenia štruktúr bližších k rovnovážnym.

Popúšťanie pri nízkych teplotách ( do 350 °C) sa prevádza za účelom zníženia napätí po kalení, zmenšenia podielu zvyškového austenitu, stabilizácia rozmerov, zvýšenia húževnatosti. Pokles tvrdosti je minimálny.
Popúšťanie pri vyššých teplotách ( nad 350°C ) sa prevádza za účelom dosiahnutia štruktúr vykazujúcich priaznivejší komplex mechanických vlastností – vysokú húževnatosť pri vysokých hodnotách medze sklzu, medze únavy, kontrakcie. Je súčasťou procesu anizotermického zušľachťovania.[5]
Pri výrobe čapu budem teda popúšťať pri teplotách 400 - 650 °C.

Po tepelnom spracovaní nasledujú operácie finalizácie výrobku ako sú brúsenie, leštenie poprípade natieranie farbou, lakom a pod.







4. Ekonomické aspekty


Pri porovnaní zápustkového kovania s kovaním voľným je zrejme že zápustkové kovanie sa používa vo veľkosériovej výrobe, zatiaľ čo voľné kovanie sa používa zväčša pri malosériovej výrobe. Zápustkové kovanie má viacero výhod ako: produktivita práce je niekoľkokrát vyššia, presnosť požadovaných výrobkov je väčšia, čím dochádza jednoznačne k úspore materiálu, vyššia možnosť docielenia dobrého vzhľadu, dôkladné prekovanie materiálu ako aj správny priebeh vlákien.
Pri malosériovej výrobe by som odporučil použiť ťahanie za tepla cez matricu, vzhľadom na vysokú cenu zápustky. Táto Oceľ 12 042 sa vyznačuje relatívne nízkym obsahom legúr, čo ju predurčuje na všestranné masové využitie.



5. Ekologické aspekty


Najväčšie znečistenie vznikne pravdepodobne pri tvarovaní súčiastky teda pri kovaní kde odpadne z materiálu tzv. opal ktorý vznikne pri predohreve materiálu na tvárniacu teplotu.
Pri tvárnení materiálu musíme brať do úvahy hluk, ktorým sa tvárniace procesy ( hlavne kovanie ) vyznačujú.
Pri ohreve a tepelnom spracovaní by som odporúčal ohrev materiálu v indukčnej peci so zabezpečeným odsávaním a filtráciou spalín pre zabránenie znečistenia ovzdušia.



6. Záver


Keďže čap musí splňať istú požadovanú presnosť rozmerov a dalsích dôležitých vlastnosti, zápustkové kovanie sa javí ako najvýhodnejší tvárniaci proces na výrobu takéhoto sortimentu. V jeho prospech hovorí malá pracnosť, cenová výhodnosť pri veľkosériovej výroby a hlavne požadovaná presnosť výkovku. Tepelné spracovanie je ďalšia nevyhnutná časť pri výrobe, pretože výkovok po vykovaní nemusí mať ešte požadované vlastnosti ako pevnosť oteruvzdornosť a pod.



Zoznam použitej literatúry



[1] Beneš, A. a kol.: Mechanická technológia kovov, Nakladatelství technické literatúry, Praha, 1967

[2] Homišin, J. a kol.: Základy strojného inžinierstva, Vienala, Košice, 2001

[3] Vrzal , B.

:Hutní druhovýroba , ČR, Praha,1975

[4] Vasilko, K.- Bogučava, G.: Výrobné Technológie, Fakulta Výrobných Technológii s COFIN, Prešov, 2001

[5] Puškár, A.- Micheľ,J.- Pulc, V.: Náuka o materiáli I, Edičné stredisko ŽU, Žilina, 1998

[6] EN 22 340
[7] STN 41 2042





























OBSAH



1. Úvod ………………………………………………………………………… 1

2. Úloha ................................................................................................... 1

2.1 Čap ....................................................................................... 1

2.2 Požiadavky na materiál .................................................... 2

2.3 Voľba materiálu ..................................................................... 3

2.3.1 Chemické zloženie ocele ........................................... 3

2.3.2 Mechanické vlastnosti ocele ..................................... 3

2.3.3 Vplyv prísad na vlastnosti ocele ............................... 4

3. Tepelné spracovanie ............................................................. 4

3.1 Technológia výroby .............................................................. 5

3.1.1 Ohrev materiálu ............................................................ 5

3.1.2 Zápustkové kovanie ..................................................... 5

3.1.3 Normalizačné žíhanie ................................................... 5

3.1.4 Cementovanie ............................................................... 6

3.1.5 Kalenie ........................................................................... 7

3.1.6 Popúšťanie .................................................................... 7

4. Ekonomické aspekty ........................................................ 8

5. Ekologické aspekty ........................................................... 8

6. Záver ........................................................................................... 8

Zoznam použitej literatúry ................................................. 9






Obr.č.1 [6] Čap bez hlavy




















Obr.č.2 [3] Schéma namáhania čapu.