Курсовая работа (т): Разработка сквозной технологии производства шатуна

Разработка сквозной технологии производства шатуна

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе, рассматривается, и анализируется процесс производства и изготовления шатуна.

Шатун двигателя внутреннего сгорания соединяет поршень двигателя с коленчатым валом и во время работы двигателя передаёт все усилия от поршня на коленчатый вал и, наоборот, от коленчатого вала к поршню.

При этом шатун совершает достаточно сложное движение. Верхняя головка шатуна совместно с поршнем совершает возвратно-поступательное движение.

А нижняя головка шатуна, совместно с шатунной шейкой коленчатого вала совершает круговое движение.

На шатун воздействуют большие знакопеременные и изменяющиеся по величине усилия, вызванные давлением расширяющихся в цилиндре газов и инерцией деталей поршневой группы.

Качество шатуна зависит от конструкции, технологии изготовления и применяемых материалов.

1.      АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ШАТУНА И УСЛОВИЯ ЕГО РАБОТЫ

1.1    Анализ шатуна

Шатун двигателя внутреннего сгорания соединяет поршень двигателя с коленчатым валом и во время работы двигателя передаёт все усилия от поршня на коленчатый вал и, наоборот, от коленчатого вала к поршню. Шатун состоит из двух головок и соединяющего их силового стержня. Верхняя головка шатуна (поршневая), меньшего размера, через поршневой палец соединяется с поршнем, а нижняя головка шатуна (кривошипная) соединяется с шатунной шейкой коленчатого вала.

Верхняя (поршневая) головка шатуна неразъёмная. Её конструкция зависит от способа крепления поршневого пальца. Если двигатель имеет фиксированный поршневой палец, верхняя головка шатуна имеет цилиндрическое отверстие, изготовленное с высокой точностью и обеспечивающее установленный натяг (0,015 ÷ 0,040 мм) в соединении с поршневым пальцем.Соединением с натягом называется такое соединение, при котором диаметр вала, вставляемого в отверстие несколько больше внутреннего диаметра отверстия. Существует несколько методов сборки таких соединений - запрессовка при помощи пресса, нагрев детали с отверстием или, наоборот, сильное охлаждение вала.

Если поршневой палец плавающего типа, в верхнюю головку шатуна запрессовываются бронзовые или биметаллические втулки, изготовленные из стали с залитым во втулку тонким слоем бронзы. Но существуют двигатели с плавающим пальцем в верхней головке шатуна, в которой отсутствует втулка. В этом случае поршневой палец вращается непосредственно в отверстии верхней головки шатуна. Плавающий поршневой палец устанавливается в верхней головке шатуна с установленным зазором (0,015 ÷ 0,020 мм). Для смазывания плавающего поршневого пальца в верхней головке шатуна может быть сделано отверстие, через которое масло из внутренней полости поршня подаётся к поршневому пальцу.

Поскольку нагрузки на нижнюю часть поршневой головки шатуна значительно ниже, чем на верхнюю часть верхняя головка шатуна форсированных двигателей делается в виде трапеции, что увеличивает опорную поверхность пальца во время рабочего хода поршня.

Нижняя (шатунная) головка шатуна разборная. Состоит из верхней части, изготовленной как одно целое с шатуном и крышки нижней головки. Отверстие нижней головки шатуна растачивается на заводе при установленной крышке. Поэтому крышка нижней головки может использоваться только со своим шатуном.

Рисунок 1-шатун

1.2    Анализ условия работы шатуна

Шатун совершает сложное движение: верхняя головка вместе с поршнем движется возвратно-поступательно, повертываясь на некоторый угол относительно пальца или вместе с пальцем относительно бобышек поршня; нижняя головка вращается вместе с шатунной шейкой коленчатого вала; стержень шатуна совершает колебательное движение. В большинстве случаев нижнюю головку делают разъемной в плоскости, перпендикулярной оси шатуна.

Необходимость в разъеме нижней головки шатуна под углом возникает тогда, когда шатунные шейки коленчатого вала имеют большой диаметр. В этом случае нижняя головка шатуна получается значительных размеров, что затрудняет или делает невозможным монтаж и демонтаж поршня вместе с шатуном через цилиндр.

Крышку нижней головки шатуна крепят к нему двумя болтами, изготовленными из высококачественной стали. Гайки болтов шатуна затягивают только динамометрическим ключом и тщательно шплинтуют или стопорят специальными стопорными шайбами

Нижнюю головку шатуна и крышку растачивают вместе для получения отверстия правильной цилиндрической формы. Поэтому крышку нельзя перевертывать или переставлять на другие шатуны, так как это может вызвать изменение внутреннего диаметра вкладыша, что повлечет за собой выход из строя коленчатого вала или двигателя. Поэтому шатун должен быть прочным и жестким при возможно малой массе.

Рисунок 2- шатун с деталями

1.3    Выбор материала для изготовления детали

Многие фирмы по двигателестроению занимаются поисками альтернативных материалов для движущихся деталей поршневого двигателя с целью снижения их массы, в особенности массы шатуна. Это связано с тем, что движущиеся массы поршень-шатун создают несбалансированные колебательные нагрузки. В то же время, чтобы повысить эффективность использования топлива и обеспечить большую единичную мощность необходимы более высокие скорости. В свою очередь, при высоких скоростях несбалансированные силы становятся препятствием, достигая разрушающего уровня. Уменьшение массы шатуна, при условии сохранения высокого модуля упругости, позволяет устранить это препятствие и дает возможность решать проблему высокоскоростного двигателя. Кроме того, снижение массы шатуна приводит к снижению нагрузок на коленчатый вал и подшипники, уменьшению вибраций, шума, массы противовесов коленчатого вала и снижению потерь на трение. К материалу шатуна предъявляются высокие требования по прочности, жесткости и в особенности по многоцикловой усталостной прочности при температурах 150…180°С. В большей мере этим требованиям отвечают алюминиевые композиционные материалы (АКМ), армированные упрочнителем на основе карбида кремния и оксидов алюминия. Для этих материалов характерны высокая прочность и усталостная характеристика, повышенный модуль упругости, размерная стабильность при нагреве, износостойкость и технологичность при штамповке. Во внимание проведен цикл научно-исследовательских работ по изысканию материалов и разработке промышленной технологии производства шатунов из АКМ. Наиболее подходящим материалом признан композиционный материал класса AlSiC на основе сплава 1205. Этот сплав обладает высоким модулем упругости, достаточно высокой прочностью и усталостной характеристикой, но из за относительной дороговизны этот сплав используется в основном на спортивных и форсированных автомобилях.В данной работе рассмотрено изготовление шатунов для автомобилей серии ВАЗв котором используется более дешевый материал сталь 40ХН2МА (ГОСТ 4543-71), она не сильно отличается своими характеристиками от АКМ, но масса значительно выше. Самым подходящим материалом для шатунов является TI6AL4V grade 5, это «титановые» шатуны, но они предназначены для автомобилей у которых обороты более 12000, но значительным недостатком является их цена.

Для выбора материала шатуна сравним материалы AlSiCна основе сплава 1205, Хромомарганцевоникелевоюсталь 40XH2MA(ГОСТ 4543-71), и TI6AL4V grade 5, это «титановые».

Характеристики материалов.

.        Сплав 1205-SiC

предел прочности (временное сопротивление) σв=49МПа

Е, Гпа = 105

Твердость =148 НВ

.        40ХН2МА (ГОСТ 4543-71)

предел прочности (временное сопротивление) σв=46МПа

Е, Гпа = 70

Твердость =140 НВ

.        TI6AL4V grade 5 (титановые шатуны)

предел прочности (временное сопротивление) σв=110МПа

Е, Гпа = 127

Твердость =318 НВ

Легированная сталь, имеет хорошую прокаливемость и закаливается даже при больших сечениях заготовок. Цементация деталей проводится при температуре 900-920 °С. У изотермического превращения аустенита стали 40ХН2МА (ГОСТ 4543-71) отсутствует зона перлито-троститного распада. Аустенит распадается или на игольчатый тростит, или на мартенсит. Смягчающей обработкой для этой стали является высокий отпуск при 650-670°. Структура после такой термической обработки -сорбит с карбидами.

Табл. 1Химический состав

2.      РАЗРАБОТКА СКВОЗНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ШАТУНА

2.1 Технологическая схема производства шатуна

Разведка месторождения

Добыча железной руды открытым способом

Дробление и сортировка железных руд

(Дробление и сепаратизация руды)

Обогащение железной руды

(Добавление железо содержащих минералов)

Агломерация (Окускование руды)

Производство стали в дуговых электропечах.

Машины непрерывного литья заготовок (Получение слябов)

Прокат стали (Прокат прутков)

Резка стали

(Прессножницы)длинной 40 см

Горячая объемная штамповка заготовки (Придание будущей формы)

Цементация деталей при температуре 900-920  в течение 2-2.5 часов

Отпуск при температуре 600°С

Расточка верхней и нижней отверстий

Хонингование верхней и нижней

В шатунных шейках протачивают полости для центробежной очистки масла и пазы для замковвкладышей.

Срезание крышки от шатуна

2.2. Разведка месторождения

Разведка месторождения полезных ископаемых, совокупность геологоразведочных работ и связанных с ними исследований, проводимых для выявления и экономической оценки запасов минерального сырья в недрах. По данным разведки выясняются: геологическое строение месторождения, закономерности пространственного размещения, условия залегания, формы, размеры и строение залежей полезных ископаемых, количество и качество минерального сырья в недрах, его технологические свойства и факторы, определяющие условия ведения последующих эксплуатационных работ.

При разведке рудных участков применяются чувствительные приборы, регистрирующие изменения гравитационного и магнитного полей, электропроводности и других физических свойств горных пород земной коры. Геофизическое оборудование (магнитометры для поиска магнитных руд и гравиметры для выявления различий в плотности горных пород) может быть портативным или устанавливаться на автомобилях и самолетах.

Применение авиационных бортовых геофизических устройств значительно ускорило процесс разведки и повысило ее эффективность.

2.3 Добыча железной руды открытым способом

Существует множество способов добыч и железной руды, например: бурение; добыча с применением вертикальных стволов (способ добычи руды из глубоко залегающих месторождений; отбитая руда доставляется на поверхность подъемниками по главному стволу; для поддержания циркуляции воздуха используется вентиляция); добыча с применением наклонных горных выработок; штольни (горизонтальные горные выработки, обычно расположенные на склоне горы в местах, где уголь или руда выходят на поверхность или близки к поверхности); открытая разработка.

Мы будем рассматривать открытый способ добычи железной руды. Открытая разработка (добыча) - наиболее дешевый способ, поскольку при этом используется мощное производственное оборудование, позволяющее за смену извлекать большое количество полезного ископаемого. Условия работы при открытой разработке менее опасны для здоровья работающих, причем требуется меньшая численность контролирующего персонала, чем при подземной добыче. В процессе открытой разработки первоначально проводят вскрышные работы, т.е. удаление пустых пород, покрывающих залежь. Во многих крупных открытых рудниках существует разветвленная сеть рельсовых путей, по которым на грузовых составах, ведомых электровозами или локомотивами на аккумуляторах, перевозятся сотни тонн руды. В настоящее время для погрузки породы и руды используются механические погрузочные машины и автоматические погрузчики. Механические погрузочные машины подбирают материал и грузят в вагонетку. Автоматические погрузчики на колесном или гусеничном ходу внедряют кромку погрузочного органа достаточно далеко в отбитый материал, загребные лапы непрерывно подают его на цепной или ленточный конвейер, который выгружает руду со скоростью от 4 до 10 т/мин. В выработках, не оборудованных рельсовыми путями, автоматические погрузочные машины загружают материал в автомобили с конвейерами в донной части. Эти доставочные машины перевозят материал от пункта погрузки к распределительной станции системы ленточных конвейеров, транспортирующих его непосредственно на поверхность или к стволу для последующего подъема. Крутонаклонные ленточные конвейеры могут перемещать породу под углом 30-40°.. Погрузка и транспортировка отбитого материала составляют один из наиболее дорогостоящих процессов добычи, особенно по мере увеличения глубины горных работ и их удаления от выработок, имеющих выход на поверхность.

В настоящее время открытым способом добывают основную массу полезных ископаемых, в том числе около 80 % железорудного сырья, примерно 60 % марганцевых руд и почти 70 % руд цветных металлов, что объясняется большей экономической эффективностью открытых разработок по сравнению с подземными.

2.4 Дробление и сортировка железных руд

Подготовка руд к плавке осуществляется для повышения производительности , снижения расхода кокса и улучшения качества . Цель этой подготовки - увеличение содержания железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей -серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от ее качества. Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Дробление руды осуществляется на щековых или конусных дробилках, а также в шаровых мельницах и других агрегатах. Размельченную руду сортируют по крупности грохочением, подобным просеиванию, на различных по конструкции классификаторах и гидроциклонах. Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины.

Дробление осуществляется на специальных машинах - дробилках. При дроблении руды образуется некоторое количество мелочи, затрудняющей процесс плавки руды.

Самыми распространенными видами дробилок являются:

·    конусные;

·        щековые дробилки;

·        валковые;

·        молотковые.

2.5 Обогащение железной руды

Обогащением руды называется операция, увеличивающая содержание железа или снижающая содержание вредных примесей в руде.

Бедная железом и содержащая вредные примеси железная руда подвергается обогащению с целью увеличения в ней процентного содержания железа. В процессе обогащения из руды частично удаляется пустая порода.

Сначала проводим мокрый способ обогащения в отсадочных машинах. В них имеются по крайней мере два отделения. Тяжелые частицы, попавшие в приемное отделение, скапливаются на дне; более легкие частицы всплывают. Подаваемая болотная руда захватывается подаваемой по желобу текущей водой и поступает в поверхностный слой на нижней части уклона, который стремится выплеснуться через край. Вода отмывает и уносит с собой глинистые и песчанистые примеси. Так как железная руда и содержащаяся в ней пустая порода имеют различные удельные веса, то во время отсадки более тяжелые частицы руды быстрее оседают в воде, чем более легкие зерна пустой породы. Легкий материал смешивается с верхним слоем, и поперечный поток воды сносит его через перегородку в соседнее отделение, где происходит аналогичная сепарация. Потом желоб перекрывается и обогащенная руда удаляется.

Далее, полученные крупные куски железной руды размельчаем на дробилках до получения зерен определенной величины. Образующаяся при размельчении руды мелочь просеивается на ситах, либо отделяется дутьем. После этого руда сортируется.