Разработка расчетно-экспериментального метода анализа и контроля охлаждающей способности закалочных сред с использованием датчика градиентного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Шевченко, Светлана Юрьевна

• Шевченко, Светлана Юрьевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шевченко, Светлана Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКАЛОЧНЫХ СРЕД

1.1. Особенности охлаждения деталей в различных закалочных средах

1.1.1. Закалочные среды и области их применения.

1.1.2. Физические процессы, протекающие на поверхности охлаждаемых деталей.

1.2. Методы оценки охлаждающей способности закалочных сред.

1.2.1. Прямые методы исследования охлаждающей способности закалочных сред.

1.2.2. Косвенные методы оценки охлаждающей способности закалочных сред.

1.2.3. Оценка охлаждающей способности с помощью градиентных датчиков.

1.3. Методы использования характеристик закалочных сред для прогнозирования свойств детали после закалки.

1.3.1. Метод С>ТА.

1.3.2. Расчет распределения структуры по сечению детали.

1.3.3. Нейросетевые методы решения практических задач.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка расчетно-экспериментального метода анализа и контроля охлаждающей способности закалочных сред с использованием датчика градиентного типа»

Проблема повышения качества и увеличения конкурентоспособности выпускаемой продукции является весьма актуальной для машиностроения. В целом в промышленности наблюдается тенденция перехода от крупносерийного к мелко- и среднесерийному производству. Для обеспечения надлежащего качества необходима специализация технологических процессов изготовления деталей с учетом условий их последующей эксплуатации. В термическом производстве проблема специализации процессов закалки может быть решена путем расширения круга закалочных сред прежде всего за счет применения новых сред на основе водных растворов полимеров.

В последние годы разработаны различные среды для закалки, но их внедрение в термическое производство сдерживается отсутствием данных об их охлаждающей способности, необходимых для прогнозирования поведения деталей в процессе охлаждения. Возникает необходимость проведения большого числа экспериментов для определения рационального режима охлаждения различных групп деталей. Актуальность оценки охлаждающей способности закалочных сред в полной мере относится к полимерным закалочным средам, которые ввиду их экологической чистоты и пожаробезопасности были разработаны как альтернатива закалочным маслам. Характерная особенность полимерных закалочных сред - изменение их охлаждающей способности в процессе эксплуатации, что требует внедрения методов и средств для систематического контроля охлаждающей способности закалочных сред. Известные датчики охлаждающей способности имеют ряд недостатков, которые не позволяют успешно использовать их для целей выбора и контроля. Поэтому, несмотря на то, что разработка полимерных закалочных сред ведется уже многие годы, количество машиностроительных предприятий, на которых эти среды применяются в массовом термическом производстве, весьма невелико.

Таким образом, актуальной задачей для успешного решения проблемы повышения качества закалки является разработка методов и средств для исследования охлаждающей способности закалочных сред, прогнозирования результатов закалки в различных средах, а также методов контроля охлаждающей способности в промышленных условиях.

Цель работы. Повышение качества и эффективности термической обработки деталей в результате применения полимерных закалочных сред на основе разработки расчетно-экспериментального метода анализа и контроля их охлаждающей способности.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработать метод оценки теплового потока при поверхностном растечении тепла в процессе закалочного охлаждения и конструкцию датчика охлаждающей способности градиентного типа.

2) Создать расчетно-экспериментальны комплекс, включающий в себя:

- датчик охлаждающей способности градиентного типа;

- оборудование для нагрева и охлаждения датчика и систему регистрации и обработки сигналов датчика;

- программное обеспечение для расчета тепловых полей и распределения твердости в деталях при закалке в различных полимерных средах.

3) Установить закономерности охлаждения и изменения структуры и свойств сталей при закалке в различных закалочных средах.

4) Разработать метод контроля охлаждающей способности закалочных сред в промышленных условиях.

5) Провести промышленное опробование полимерных закалочных сред для термообработки деталей и разработать рекомендации их применения для закалки типовых деталей машин и инструмента с целью повышения качества термической обработки.

Научная новизна работы заключается в:

1) разработке нового метода определения охлаждающей способности закалочных сред, включающего принцип оценки локального теплового потока на поверхности в процессе закалки, положенный в основу новой конструкции датчика градиентного типа, а также математическую модель теплообмена на поверхности закаливаемого металла, позволяющую рассчитывать температурные зависимости коэффициентов теплоотдачи закалочных сред;

2) установлении экспериментальных зависимостей коэффициентов теплоотдачи от состава закалочных сред, выявленных путем оценки локального теплового потока с помощью датчика градиентного типа;

3) установлении закономерности влияния состава закалочных сред на структуру и свойства сталей после закалки;

4) сравнительном анализе кривых охлаждения различных закалочных сред, положенном в основу метода контроля охлаждающей способности закалочных сред в промышленных условиях;

5) анализе возможности применения нейросетевого моделирования для расчета распределения твердости по сечению после закалки.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1) Создан расчетно-экспериментальный комплекс для оценки охлаждающей способности закалочных сред и прогнозирования свойств закаленных деталей, включающий в себя градиентный датчик, систему регистрации сигналов датчика, модели для расчета коэффициентов теплоотдачи закалочных сред, тепловых полей и распределения твердости в закаливаемых деталях. Применение комплекса обеспечивает научно обоснованный выбор состава закалочной среды для достижения требуемого качества и свойств закаливаемых деталей.

2) Разработан и опробован в промышленных условиях метод контроля охлаждающей способности закалочных сред. Метод позволяет поддерживать требуемый состав закалочной ванны в процессе эксплуатации и тем самым дает возможность использовать прогрессивные экологически чистые закалочные среды, требующие более тщательного контроля по сравнению с традиционно применяемыми закалочными маслами.

3) Установлены оптимальные концентрации полимерных закалочных сред, обеспечивающие требуемое качество стальных деталей. Даны рекомендации по промышленному применению полимерных закалочных сред с обратимой растворимостью для закалки деталей из подшипниковых, конструкционных и инструментальных сталей.

Автор выражает глубокую признательность профессору, д.т.н. A.M. Макарову и доценту, к.т.н. А.Г. Ксенофонтову за научные консультации при выполнении и оформлении работы, а также коллективу кафедры «Материаловедение» за всестороннюю помощь и поддержку.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Шевченко, Светлана Юрьевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Разработан расчетно-экспериментальный метод анализа и контроля охлаждающей способности закалочных сред, который дал возможность повысить качество и эффективность термической обработки деталей с применением полимерных закалочных сред оптимального состава. При достижении поставленной цели были решены следующие научно-прикладные задачи:

1. Разработана математическая модель теплообмена в условиях поверхностного растечения тепла, на основе которой выполнено расчетное обоснование градиентного метода оценки теплового потока и определены геометрические размеры термочувствительного элемента датчика градиентного типа.

2. Создана установка для исследования охлаждающей способности закалочных сред, для функционирования которой разработаны и изготовлены два типа конструкции градиентных датчиков и создана компьютерная программа для расчета коэффициентов теплоотдачи закалочных сред по результатам их испытания с помощью градиентных датчиков.

3. Получены температурные зависимости коэффициентов теплоотдачи различных закалочных сред на основе исследований их охлаждающей способности.

4. На основе применения нейросетевого моделирования показана возможность прогнозирования твердости закаленных сталей с использованием в качестве исходных данных расчетных кривых охлаждения и химического состава сталей.

5. Разработан метод контроля охлаждающей способности закалочных сред в промышленных условиях, основанный на сравнительном анализе кривых охлаждения закалочных сред. Метод и разработанные для его применения методики позволяют поддерживать оптимальный состав закалочной ванны в процессе эксплуатации и тем самым дают возможность использовать в термическом производстве экологически чистые полимерные закалочные среды, которые требуют более тщательного контроля по сравнению с традиционно применяющимися закалочными маслами.

6. Проведено промышленное опробование охлаждающих сред с обратимой растворимостью для закалки деталей из различных сталей. Установлено, что требуемые свойства деталей обеспечиваются при закалке:

- шариков и роликов подшипников из стали ШХ15 в (19.23)% растворах среды ЗАК-ПГ;

- колец из цементуемых сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ в (5.27)% растворах среды ЗАК-ПГ, при этом величина закалочных деформаций колец в 1,3 раза меньше, чем при закалке в масло;

- поковок деталей автомобиля из сталей 45, 40Р, 40Х, 40ХН, 50ХФА, а также заготовок и инструментов из сталей ХВГ, 9ХС, 60С2ВА, У8А, ЗХ2В8, Р6М5 в (6.9)% растворах среды Камгидрол-ЗАК.

7. Показана высокая эффективность полимерных закалочных сред оптимального состава при обработке промышленной партии роликов подшипника (17000 штук) в 23% растворе ЗАК-ПГ. В результате применения 9% раствора Камгидрол-ЗАК для закалки пластин отрезных резцов из стали Р6М5 резцы показали стойкость не хуже, чем резцы с пластинами, закаленными в масло.

8. Даны рекомендации по рациональным составам полимерных закалочных сред для их эффективного применения в термическом производстве при проведении закалки деталей из подшипниковых, конструкционных и инструментальных сталей.

163

6.4. Заключение

С учетом анализа опыта использования полимерных закалочных сред в промышленности выбраны закалочные среды с обратимой растворимостью ЗАК-ПГ и Камгидрол-ЗАК и проведено их опробование для закалки деталей из различных сталей. По результатам опробования даны рекомендации для промышленного применения вышеуказанных сред (табл. 20). Закалочные среды ЗАК-ПГ и Камгидрол-ЗАК в концентрациях, приведенных в таблице, могут быть рекомендованы к применению для закалки деталей, имеющих сходные с приведенными в таблице конфигурации и размеры. ff

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шевченко, Светлана Юрьевна, 2005 год

1. Люты В. Закалочные среды: Справочник / Под ред. С.Б. Масленкова: Пер. с польск. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1990. - 192 с.

2. Блинковский В.А., Шугай К.К. Использование водных растворов моносульфитного щелока для закалки деталей после динамического горячего прессования // Металловедение и термическая обработка металлов. 1986. -№10. - С. 35-36.

3. Закалочная среда ПК-2 / В.В. Горюшин, В.Ф. Арифметчиков, А.К. Цветков и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1986. -№10.-С. 9-13.

4. Ежов В.М., Дунаев Н.В., Яхнин A.C. Закалка крупных поковок в охлаждающей среде на основе водорастворимого полимера // Металловедение и термическая обработка металлов. 1986. - №10. - С. 1316.

5. Русов К.Д., Едемский С.Г. Новая полимерная закалочная среда УЗСП-1 // Металловедение и термическая обработка металлов. 1986. - №10. -С. 29-31.

6. Горюшин В.В. Свойства улучшаемых сталей после закалки в водных растворах УЗСП-1 // Металловедение и термическая обработка металлов. 1989. - №5. - С. 5-7.

7. Жукова Т.Д. Эксплуатационные характеристики закалочной полимерной среды УЗСП-1 // Синтез, свойства и применение водорастворимых полимеров. Ярославль, 1989. - С. 14.

8. Цукров С.Л., Комов В.И., Мирзабекова Н.С. Водополимерная закалочная среда Лапрол-ЗС // Металловедение и термическая обработка металлов. 1993. - №4. - С. 5-7.

9. Сосновский П.В., Оловянишников В.А. Влияние молекулярной массы среды УЗСП-1 на ее охлаждающую способность // Металловедение и термическая обработка металлов. 1991. - №4. - С. 17-20.

10. О влиянии вязкости водных растворов полимеров на охлаждающую способность / Г.Т. Божко, О.А. Банных, М.Н. Тропкина и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1983. - №11. - С. 1214.

11. Теория тепло- и массообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 683 с.

12. Кобаско Н.И., Констанчук Д.М. Оценка охлаждающей способности с использованием характеристик процесса кипения // Металловедение и термическая обработка металлов. 1973. - №10. - С. 2832.

13. Кобаско Н.И. Закалка сталей в жидких средах под давлением. -Киев: Наукова думка, 1982. 224 с.

14. Moore D. Developments in Liguid Quenchants // Heat Treatment of Metals. 1999. - Vol. 26, № 3. - P. 68-71.

15. Hilder N. A. The Behaviour of Polymer Quenchants // Heat Treatment of Metals. 1987. - Vol. 14, № 2. - P. 31-46.

16. Ясногородская C.B., Бутовский М.Э., Боброва А.А. Исследование закалочных сред на основе водных растворов полиэтиленгликоля // Известия вузов. Черная металлургия. 1998. - №4. - С. 39-41.

17. Кобаско Н.И. Интенсификация технологических процессов термической обработки деталей энергетического оборудования. — Киев: Знание УССР, 1986. 20 с.

18. Luty W. Die Reproduzierbarkeit der Abschreckkurven bei der Untersuchung von Polymerlosungen und Olen // Harterei Technische Mitteilungen. 1983. - Bd. 38. - №6. - S. 263-267.

19. Faulkner C.H. Causes of Quenching Problems // Advanced Materials and Processes. 1998. - №2. - P. 36aa-36cc.

20. Segerberg S., Bodin J. Variation in the Heat Transfer Coefficient Around Components of Different Shapes During Quenching // Proceedings of the

21. First International Conference on Quenching and Control of Distortion. Chicago (Illinois, USA), 1992.-P. 196-199.

22. Тензи Г.М., Стицельбергер-Якоб П. Влияние повторного смачивания на процессы закалки //Промышленная теплотехника. — 1989. — Т. 11, №4.-С. 57-66.

23. Анисимов B.C. Анализ и моделирование процессов охлаждения при закалке сталей в водополимерных средах: Автореф. дисс. . канд. техн. наук.-Л., 1989. -18 с.

24. Commission Mixte ATTT-SFM: Drasticite des huiles de trempe. Essai au capteur d'argent. Paris, 1983. - 13 p.

25. Wolfson Heat Treatment Center: Laboratory Test for Accessing the Quenching Characteristics of Industrial Quenching Media. Birmingham, 1982. -27 p.

26. ISO 9950:1995(E). Industrial quenching oils Determination of cooling characteristics - Nickel-alloy probe test method. - Geneve: International Organization for Standardization, 1995. - 9 p.

27. Totten G.E. Standards for Cooling Curve Analysis of Quenchants // Heat Treatment of Metals. 1997. - Vol.12, №4. - P. 92-94.

28. Totten G.E., Bates C.E., Clinton N.A. Handbook of Quenchants and Quenching Technology. Cleveland: ASM International, 1993. - P.69-129.

29. Ксенофонтов А.Г., Шевченко С.Ю. О критериях оценки охлаждающей способности закалочных сред // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. - №10 - С. 18-21.

30. Grossmann М.А., Asimov М., Urban S.F. The Hardenability of Alloy Steel. Cleveland: ASM, 1939. - P. 124-180.

31. Liscic B. Möglichkeiten der Berehnung, Messung und Steuerung des Temperaturverlaufes beim Abschrecken // Neue Hütte. 1983. - №11. - S. 405411.

32. Svaic S. Simulation of Cooling a Cylinder in the Surroundings of Arbitrary Chosen Temperature. Zagreb: University of Zagreb, 1991. - 26 p.

33. Wunning J., Liedtke D. Versuche zum Ermitteln der Warmesdromdichte beim Abschrecken von Stahl in Flussigen Abschreckmitteln nach der QTA-Methode // Harterei Technische Mitteilungen 1983. - Vol. 38. -P. 149-155.

34. Tensi H.M., Stich A. Possibilities and Limits to Predict the Quench Hardening of Steel // Proceedings of the First International Conference on Quenching and Control of Distortion. Chicago (Illinois, USA), 1992. - P. 27-32.

35. Попова JI.E., Попов A.A. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана. М.: Металлургия, 1991. — 502 с.

36. Shimizu N. Effect of Discontinuous Change in Cooling Rate During Continuous Cooling in Pearlite Transformation Behaviour of Steel // Netsu Shori. 1977.-Vol. 17, №5.-P. 275-279.

37. Wang K.F., Chandrasekar S, Yang H.T.Y. Experimental and Computational Study of the Quenching of Carbon Steel // Journal of Manufacturing Science and Engineering. August 1997. - Vol. 119. - P. 257-265.

38. Сарычев В.Д., Юрьев А.Б. Математическое моделирование неизотермического превращения в доэвтектоидных сталях. // 5 собрание металловедов России: Тез. докл. Краснодар, 2001. - С. 52-53.

39. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах. — М.: Мир, 1978.-806 с.

40. Ежов A.A., Шумский С.А. Нейрокомпьютинг и его применения в экономике и бизнесе. М.: МИФИ, 1998. - 224 с.

41. Holland J.H. Adaptive Algorithms for Discovering and Using General Patterns in Growing Knowledge-bases // Int. Journ. Of Policy Analysis and Information Systems. 1980. - P. 217-240.

42. Goldberg D.E. Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. London: Addison Wesley Publishing Company, Inc., 1989. -357 p.

43. Емельянов В.В., Ясиновский С.И. Введение в интеллектуальное имитационное моделирование сложных дискретных систем и процессов. Язык РДО. М.: АНВИК, 1998. - 427 с.

44. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение. М., 1997.-38 с.

45. Е.И. Пустыльник. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. - 288 с.

46. Пат. 2008635 (РФ). Датчик теплового потока / А.Е. Александров, А.Г. Галянов, Б.А. Прусаков и др. // Б.И. 1994. - №4

47. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 599 с.

48. Агафонов С.А., Герман А.Д., Муратова Т.В. Дифференциальные уравнения: Учеб. для вузов / Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 336 с.

49. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 798 с.

50. Бабичев А.П., Бабушкина H.A., Братковский A.M. Физические величины. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

51. Казанцев Е.И. Промышленные печи: Справочное руководство для расчетов и проектирования. М.: Металлургия, 1975. - 368 с.

52. Пат. 2221226 (РФ). Датчик теплового потока / А.Г. Ксенофонтов, Б.А. Прусаков, С.Ю. Шевченко // Б.И. 2004. - №1.

53. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979.-267 с.

54. Марочник сталей: Справочник / Под ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1980. - 466 с.

55. Теплофизические свойства веществ: Справочник / Под ред. Н.Б. Варгафтика. М.: Машгиз, 1956. - 311 с.

56. Галушкин А.И. Теория нейронных сетей. М.: ИПРЖР, 2000.416 с.

57. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника. М.: Мир, 1992.240 с.

58. Бэстенс Д.-Э., ван ден Берг В.-М., Вуд Д. Нейронные сети и финансовые рынки: принятие решений в торговых операциях. М.: ТВП, 1997.-236 с.

59. Бабийчук М.И., Ксенофонтов А.Г., Прусаков Б.А. Применение датчиков цилиндрического типа для оценки охлаждающей способности закалочных сред // 3-е Собрание металловедов России.: Тез. докл. Рязань, 1996. - С.68-69.

60. Fletcher J., Griffiths W.D. Quenching of Steel Plates in Sodium Polyacrylate Solutions // Materials Science and Technology. 1993. - Vol. 9, №2. -P. 176-182.

61. Горюшин B.B., Ксенофонтов А.Г., Шевченко С.Ю. Исследование кинетики охлаждения подшипниковой стали в полимерной закалочной среде УЗСП-1 // Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. - №7. -С. 14-17.

62. Водно-полимерная закалочная среда для оптимизации охлаждения при закалке / В.И. Комов, В.Г. Давыдов, Л.Б. Бер и др. // Технология легких сплавов. 1998. - №4. - С. 23-29.

63. РТМ 37.006.155-75. Нормы и методы контроля термической обработки деталей подшипников общего и специального назначения из стали ШХ. М.: ВНИПП, 1987. - 29 с.

64. РД 37.006.113-91. Нормы и методы контроля качества химико-термической и термической обработки деталей подшипников общего и специального назначения из цементуемых сталей. М.: ВНИПП, 1991. - 20 с.1. УТВЕРЖДАЮ»1. УТВЕРЖДАЮ»

65. Зам. главного инженера главный металлург ОАО «1^П» (ГПЗ-1)1. Марсель A.B.1. Jj 1998г.

66. Зав. кафедрой МТ-8 МГТУ им. Н.Э.Баумана, профессор, д.т.н.1. Прусаков Б.А.1. УА се^/^л^л 1998г.1. АКТо промышленных испытаниях закалочной среды ЗАК-ПГ

67. К 09.07.98 г. концентрацию полимера в закалочном баке повысили до 22,8%. Было обработано две кассеты (17000 штук) роликов типа 7510. Их качество соответствовало требованиям РТМ. Закалочных трещин не наблюдалось.

68. Таким образом, на промышленном оборудовании в цеховых условиях подобран режим закалки в водном растворе закалочной среды ЗАК-ПГ, позволяющий получать ролики требуемого качества.

69. Закалочная среда ЗАК-ПГ с концентрацией полимера 22.8% обеспечивает получение необходимого качества изделий в соответствии с требованиями чертежа и РТМ;

70. Разработчику и производителю ЗАК-ПГ необходимо выяснить причины возникновения запаха и принять меры к предотвращению его появления;

71. Производителю изыскать возможность замены испортившейся закалочной жидкости на новую с учетом пЛ;

72. Ведущий научный сотрудник, д.х.н. (^tlotsjo^ ¿с/^е«/МирзабековаН.С.