Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

−−−−−−−

Федеральное государственное унитарное предприятие

Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей»

В.Б. ЗВЯГИН, В.В. ЦУКАНОВ, А.В. СИВЕНКОВ

Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки материалов и изделий Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2014

УДК 669.017: 620.193

ББК 34.651

3 451

3 451 Звягин В. Б., Цуканов В. В., Сивенков А. В. Оборудование и автоматизация процессов тепловой

обработки материалов и изделий : Учеб. пособие / В. Б. Звягин, В. В. Цуканов, А. В. Сивенков. СПб. : ЦНИИ КМ «Прометей», Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2014. 235 с. : ил.

ISBN 978-5-900791-30-2

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования. Посвящено изучению основного, дополнительного и вспомогательного оборудования; средств автоматизации тепловой обработки материалов и изделий. В учебном пособии приведены классификация оборудования термических цехов и подробные сведения по термическому оборудованию, необходимые при проектировании новых и реконструкции старых термических подразделений. Рассматриваются печи и нагревательные установки, закалочные баки, установки для обработки холодом, средства и системы автоматизации технологических процессов термической обработки деталей, общие положения о проектировании производства термической обработки.

Учебное пособие по дисциплине «Оборудование и автоматизация процессов тепловой обработки материалов и изделий» предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 150501.65 «Материаловедение в машиностроении» и направлению подготовки 150100.62 «Материаловедение и технологии материалов», профиля подготовки «Материаловедение и технологии новых материалов». Учебное пособие будет также полезно аспирантам, инженерно-техническим и научным работникам.

УДК 669.017: 620.193 ББК 34.651

Рецензенты: кафедра «Технология конструкционных материалов и материаловедение», СПбГПУ, д-р техн. наук, профессор Н Б. Кириллов; канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология приборостроения» НИУ ИТМО К. П. Помпеев.

ISBN 978-5-900791-30-2 ©Национальный минерально-сырьевой университет

«Горный», 2014

© Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей», 2014

© Звягин В. Б., Цуканов ELB., Сивенков А. В., 2014

Введение

Современное производство требует повышения качества, надежности и долговечности машин. Большая роль в этом принадлежит термической обработке – наиболее эффективному методу упрочнения сплавов.

Термическую обработку широко применяют на металлургических и машиностроительных заводах. Она является обязательным составным элементом большинства процессов изготовления полуфабрикатов, изделий, конструкций и инструментов, определяет их свойства и долговечность в работе.

В основе термической обработки металлов лежат процессы нагрева, выдержки и охлаждения. Поэтому печи, нагревательные и охладительные устрой­ства составляют основное оборудование термических цехов.

Начало печной теплотехники относится к XVIII в., когда М.В. Ло­моносов в своем труде «Начала металлургии» изложил основные прин­ципы работы самодувных печей.

Во второй половине XVIII в. кузнечные горны для на­грева под закалку начинают заменять пламенными печами, рабо­тающими на твердом топливе.

В конце XVIII и начале XIX вв. стали строить машинострои­тельные заводы, на которых уже применяют термическую обра­ботку стали. В 1841 г. была напечатана работа инженера П.П. Аносова (1797 – 1851) «О булатах». Ему удалось раскрыть утерянный секрет получения булатной стали.

Научную основу термическая обработка стали получила только после опубликования работ Д.К. Чернова (1839 – 1921), открывшего критические точки в стали.

В результате развития промышленности машиностроение к 70-м годам XIX в. превратилось в отрасль крупного фабрично-заводского производства. Часть заводов производила текстиль­ные и сельскохозяйственные машины и станки. Другие заводы выпускали наряду с этими машинами и приборы. На заводах в начале XX в. появляются закалочные мастерские или цехи для обработки продукции – деталей машин и инструментов.

В 1911 г. русский ученый В.Е. Грум-Гржимайло (1864 – 1928) создал теорию движения газов, в которой он показал, что движение газов в печах подчиняется законам гидравлики.

В том же году А.И. Дегтярев разработал и ввел в экс­плуатацию первую в мировой практике промышленную печь сопротив­ления с металлическими нагревателями мощностью 20 кВт. В 1913 – 1914 годах на Путиловском заводе А.Н. Королевым была построена про­мышленная электрическая печь сопротивления для нагрева под закалку артиллерийских снарядов, а в 1916 г. такие печи использовались на ряде заводов для нагрева крупных пушечных деталей.

Продукция машиностроительных заводов до 1917 г. со­вершенно не обеспечивала потребностей страны. Много машин и станков заводы получали из-за границы. В годы первых пятилеток невиданными темпами строились новые заводы и реконструировались старые. Термические цехи этих заводов располагались в высоких просторных помещениях, полу­чали современное оборудование и приборы. Все печи оснащались контрольными приборами для определения и регулирования тем­ператур.

В 1923 г. были построены первые тракторы, в 1929 г. была выполнена первая реконструкция Московского автозавода им. А.И. Лихачева (бывшего АМО) и сборка автомобилей была переведена на конвейер. В термических цехах для обработки де­талей автомобиля были установлены печи непрерывного действия – конвейерные и толкательные.

На заводах появились электрические печи. В термических цехах машиностроительных заводов были внедрены новые тех­нологические процессы – газовая цементация, цианирование, азо­тирование, чистая закалка и др. Технология термической обра­ботки в автомобильной, тракторной промышленности разрабаты­валась под руководством и при непосредственном участии д-ра техн. наук профессора Н.А. Минкевича (1883 – 1942). Ему при­надлежит создание трудов по термической обработке и оборудо­ванию термических цехов. Под его руководством были созданы механизированные агрегаты для термической обработки, печи для газовой цементации и др.

В 1935 г. В.П. Вологдин и Б.Н. Ромашов предложили метод поверхностной закалки с нагревом током высокой частоты (ТВЧ). Для разработки конструкций электрических печей и электротерми­ческого оборудования был создан ряд проектных организаций и печестрои­тельных заводов.

Отечественное печестроение значительно усовершенствовалось в свя­зи с развитием массового производства специальных машин. Возросшие требования к точности и стабильности результатов обработки деталей предопределили широкое внедрение в термических цехах механизиро­ванного и автоматизированного оборудования.

Применение автоматизированных печей, поточных линий и агрегатов позволяет повысить эффективность производства: увеличить производи­тельность труда и оборудования; достичь стабильности и точности вы­полнения технологических процессов; сократить количество рабочих и необходимых площадей; упростить планирование производства.

В последнее время созданы и используются новые методы нагрева лучами лазера, электронной пушкой, низкотемпературной плазмой.

Параллельно с совершенствованием конструкций печей и нагрева­тельных аппаратов механизируются закалочные баки, закалочные ма­шины.

При проектировании оборудования термических цехов основное вни­мание должно уделяться внедрению технологии, повышающей качество выпускаемой продукции и ускоряющей цикл термической обработки, в связи с чем, необходимо систематически совершенствовать оборудова­ние, механизировать и автоматизировать процессы, создавая поточные линии. Это позволит не только улучшить качество продукции, но и зна­чительно повысить производительность и облегчить труд рабочих.

В настоящее время все термические цехи машиностроительной промышленности оснащены современным оборудованием и прибо­рами, во многих цехах осуществлены комплексная механизация и автоматизация технологических процессов.

В учебном пособии уделено внимание комплексной механизации и автоматизации техно­логических процессов термической обработки. Отечественная про­мышленность знает много примеров работы автоматизированных аг­регатов для термической обработки типовых деталей станков, сель­скохозяйственных машин, автомобилей, тракторов и др.

Механизация в термических цехах машиностроительных за­во­дов, предста­вляя одну из сторон рационализации производствен­ных процессов термической обработки металла, в той или иной сте­пени исключает применение ручного труда. Полная механизация производ­ственных процессов, включая контроль и упра­вление этими процес­сами, приводит к наиболее совершенной форме орга­низации произ­водства – к автоматизации.

Анализируя производственные методы в современных тер­ми­ческих цехах, необходимо констатировать громадное значение и эф­фективность механизации и автоматизации этого вида производ­ства. Более того, проведение многих терми­ческих процессов в со­времен­ном машиностроении стало возможным только благодаря ис­пользо­ванию средств механизации и автоматизации.

В настоящее время нельзя представить осуществление про­цес­сов терми­ческой обработки в тяжелом машиностроении без ме­хани­зации – применение грузоподъемных или загрузочных машин является здесь абсолютно необходи­мым. Также необходима механи­зация про­цессов термической обработки в совре­менном массовом производ­стве, где без этого невозможно обеспечить получе­ние про­дукции в соответствии с предъявляемыми к ней техническими усло­виями при обеспечении рентабельности производства.

Механизация и автоматизация термических процессов по­зво­ляют включить эти процессы обработки деталей в общий произ­водст­венный поток машинострои­тельного завода.

Осуществление этого условия может быть достигнуто в раз­личных случаях различными средствами.

Нагревательные средства, применяемые для термической об­работки металла, отличаются большим разнообразием. Сюда отно­сятся печи различных систем и конструкций: пламенные и элек­три­ческие, установки для индукционного нагрева, установки для скоро­стного газового нагрева. Использование всех этих нагрева­тельных устройств в той или иной степени предусматривает внедре­ние средств механизации и автоматизации.

Большой вклад в развитие современных конструкций печей и разра­ботку отдельных вопросов теории печной теплотехники внесли и вносят ряд проект­ных организаций и печестроительных фирм: проектно-конструкторский и технологический институт ВНИИЭТО (Всесоюзный научно-исследовательский институт электротермического оборудования), ООО «Научно-производственный центр ИНФРАТЕРМ», АО «ВНИИЭТО», ЗАО «Накал»-промышленные печи»,научно-производственная компания «ЛенТерм».

Во ВНИИЭТО была разработана номенклатура печей сопротивления (СНО, СНОЛ, СУОЛ, СДО, СШО, СНЗ и др.), которая стала основной в отношениях между потребителями и производителями термического оборудования в СССР.

В последние годы на рынке термического оборудования ситуация изменилась: практически все производящие фирмы ввели собственные торговые марки, и некоторым пользователям, привыкшим к номенклатуре ВНИИЭТО, достаточно трудно найти подходящие именно им печи.

В связи с этими соображениями, на примере НПК «ЛенТерм» показано соответствие наиболее распространенных печей номенклатуры ВНИИЭТО и наиболее близких по характеристикам печей сопротивления, выпускаемых НПК «ЛенТерм».

В настоящее время на машиностроительных предприятиях России и ближнего зарубежья эксплуатируется достаточно много термического оборудования, выпущенного в СССР. Это оборудование во многих случаях является достаточно работоспособным и удовлетворяющим потребностям производства. Замена всего парка дорогостоящего оборудования, используемого для термической обработки изделий, нецелесообразна и невозможна из-за большого количества этого оборудования. В связи с изложенным выше, в учебном пособии рассматриваемое оборудование расположено по хронологии выпуска (СССР – наше время), что позволяет ознакомиться с возможностями оборудования для термической обработки в совершенствовании и развитии.

Место термической обработки в заводской структуре определяется объемом произ­водства. В соответствии с этим термическая обработка деталей на заводах может происходить в самостоятельных термических цехах, в отделениях или на участках.

Все термические цеха машиностроительных заводов можно разделить по признакам: по месту в заводской струк­туре, по обрабатываемым деталями преобладающим операциям тер­мической обработки и производственному признаку.

Термическое отделение или участок, на котором обрабатывается одна деталь или группа деталей, носит название по наименованию обрабатываемой детали или группы (участок термической обра­ботки коленчатого вала, участок термической обработки инстру­ментов из углеродистой стали, отделение термической обработки инструментов и т. д.).

На некоторых заводах сохранилась классификация терми­ческих цехов по преобладающим операциям термической обработки (закалочный цех, цех азотирования и др.).

Наиболее правильной является классификация по производ­ственному признаку, по которому все термические цехи завода разделяются на две группы: основные термические цехи для обра­ботки деталей товарного производства завода – основной его продукции и вспомогательные термические цехи для обработки деталей вспомогательного производства завода.

Основные термические цеха подразделяются на цеха (отделе­ния, участки), связанные с заготовительными цехами (кузнечно-штамповочными, литейными и др.), в которых производится тер­мическая обработка поковок, штамповок или отливок, т. е. полу­фабрикатов до их механической обработки; с обрабатывающими механическими цехами, где производится термическая обработка деталей товарной продукции завода, т. е. после механической обра­ботки, и с цехами, объединяющими заготовительные и обрабаты­вающие операции, например, рессорные цехи, пружинные цехи и др.

К термическим цехам вспомогательного производства отно­сятся цехи (отделения, участки) для обработки инструментов, штампов, деталей оборудования и др., связанные соответственно с инструментальным, штамповым, ремонтно-механическим и дру­гими цехами.

На ведущих предприятиях промышленности обычно различают следующие термические цехи или отделения: отжигательные – для обработки отливок (чаще всего они являются отделениями литейных цехов); термические отделения в кузнечно-штамповочных цехах для отжига, нормализации, закалки и высокого отпуска по­ковок и штамповок, они носят также названия черновых или пер­вых термических цехов (существуют участки термической обра­ботки, расположенные вблизи штамповочных молотов и прессов); отделения в прессовых цехах для обработки листов, заготовок и деталей холодной штамповки между операциями холодного деформирования; термические цехи для обработки чистовых дета­лей (цементация, нитроцементация, цианирование, нормализа­ция, закалка, низкий отпуск и др.), т. е. деталей товарной про­дукции завода после механической обработки или холодной штам­повки, называемые также чистовыми или вторыми термическими цехами; рессорно-пружинные для обработки рессор и пружин; инструментальные для обработки режущих, измерительных и дру­гих инструментов, изготовляемых на заводе для собственных нужд (на инструментальных заводах термические цехи, обрабатываю­щие инструменты как основную продукцию завода, являются основными термическими цехами); штамповые для обработки штампов горячей и холодной штамповки.

Небольшие термические отделения имеются также в ремонтно-механических цехах для обработки деталей оборудования, в цехах, изготовляющих детали широкого потребления, и т. п.

В зависимости от программы и наличия свободных площадей на отдельных предприятиях могут отсутствовать те или иные тер­мические цехи или отделения, а некоторые термические цехи (отделения) объединены в один, например, инструментальный и штамповый, кузнечный и штамповый, прессовый и штамповый и т. д.

Каждый термический цех (отделение) имеет свое характерное оборудование в зависимости от формы и размеров обрабатывае­мых деталей и процессов их термической обработки.

В отжигательных и кузнечных термических цехах (отделениях) обработке подвергаются отливки и поковки, которые обычно требуют сравнительно простых технологических операций тер­мической обработки. Основным оборудованием, устанавливаемым в цехах – (отделениях), являются камерные печи, печи с выдвижным подом или толкательные печи. Для использования тепла ковоч­ного нагрева при термообработке, поковок и штамповок приме­няют механизированные агрегаты. Выбор типа оборудования определяется характером производства.

Различают индивидуаль­ное (единичное), серийное и массовое производство.

При индивидуальном характере производства детали изго­товляются единичными экземплярами и имеют различные кон­структивные формы и размеры. При таком производстве необхо­димо применение универсального оборудования.

При серийном производстве однотипные детали изготовляют партиями или сериями. В зависимости от численности однотипных деталей в партии или серии серийное производство подразделяется на мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное. При серий­ном производстве затраты на термическую обработку уменьшаются по сравнению с индивидуальным производством. Термические цехи инструментальных заводов относятся к крупносерийному производству. В этих цехах используют полуавтоматические и автоматические агрегаты и линии.

При массовом производстве однотипные детали изготовляются непрерывным потоком и имеют стандартную форму, размеры, вес и материал. Термическая обработка этих деталей также ведется непрерывным потоком. При массовом производстве необходимо иметь специализированное оборудование высокой производи­тельности с полной автоматизацией процесса.

К массовому производству относятся термические цехи, пред­назначенные для обработки деталей после их механической обра­ботки. Массовое производство характеризуется небольшими за­тратами на термическую обработку и высокой производительностью оборудования.

Все оборудование термических цехов разделяется на основное, дополнительное и вспомогательное.

В данном издании приведены: классификация оборудования термических цехов; подробные сведения по термическому оборудованию, необходимые при проектировании новых и реконструкции старых термических подразделений.

Настоящее издание представляет собой учебное пособие для студентов технических вузов, обучающихся по специаль­ностям «Металловедение, оборудование и технология термической обработки металлов» и «Материаловедение в машиностроении».

Изложение материала в учебном пособии предусматривает, что студенты располагают необходимыми знаниями в области хи­мии, физики, электротехники, основ промышленной электроники, тепло­передачи, теории строения материалов, технологии материалов и по­крытий, теории и технологии термической и химико-термиче­ской об­работки и других общеинженерных и специальных дисцип­лин.