Загрузил viktor.menshutin

Курс лекций ТПвМ

Реклама
Курс лекций по дисциплине «Технологические процессы в машиностроении»
Лекция 1. Введение.
В современных условиях развития общества одним из самых значимых факторов технического прогресса в машиностроении является совершенствование технологии производства. Коренное преобразование производства возможно в результате создания более совершенных средств труда, разработки
принципиально новых технологий.
Развитие и совершенствование любого производства в настоящее время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычислительной техники,
применением станков с числовым программным управлением. Все это составляет базу, на которой
создаются автоматизированные системы управления, становятся возможными оптимизация технологических процессов и режимов обработки, создание гибких автоматизированных комплексов. Важным направлением научно-технического прогресса является также создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, полимерные и другие материалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Обработка этих материалов
связана с решением серьезных технологических вопросов.
Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая на практике их заданные характеристики и
надежность работы с учетом экономических показателей, инженер должен уверенно владеть методами изготовления деталей машин и их сборки. Для этого он должен обладать глубокими технологическими знаниями.
Предметом курса являются современные рациональные и распространенные в промышленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин. Содержание курса представлено
на принципе единства основных, фундаментальных методов обработки конструкционных материалов: литья, обработки давлением, сварки и обработки резанием. Эти методы в современной технологии конструкционных материалов характеризуются многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении.
Описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряется сведениями о строении и свойствах конструкционных материалов. Комплекс этих знаний обеспечивает универсальный подход к изучению технологии.
Большой вклад в развитие металлургии внесли русские ученые и инженеры. Российская металлургия
является одной из самых передовых в мире и давно оставила позади самые развитые страны запада.
Такие учёные как Обухов П. М., является основателем крупнейшего производства литой стали и
стальных пушек в России. В 1857 году изобрёл способ массового производства тигельной стали высокого качества. Калакуцкий Н. В. наиболее полно представил влияние способов и условий ковки на
структуру металла, его свойства, образование дефектов. Впервые объяснил образование внутренних
напряжений в стали и чугуне. Лавров А. С. выдвинул теорию по которой сталь представляет собой
твёрдый раствор углерода в железе. Совместно с Калакуцким Н. В. объяснил процесс ликвации.
Впервые в мире применил алюминий для раскисления стали. Чернов Д. К. основатель современного
металловедения. Его открытия – критические температуры, теория кристаллизации слитка, совершенствование конверторного процесса, применение спектроскопа для определения конца процесса
производства получили признание во всём мире.Аносов П. П. впервые использовал вместо угля газ.
Раскрыл рецепт булатной стали, который был утерян. Он в течении 10 лет делал опыты по сплавлению железа с кремнием, золотом, платиной и другими элементами.Бадаев С. И. Изобрёл способ получения новой «бадаевской» стали, которая обладает хорошей вязкостью и свариваемостью.
Взаимосвязь конструкции изделия с технологией его производства обусловила одну из наиболее
сложных функций технологически подготовки производства - отработку конструкции изделия н технологичность.
Недостаточно полное и четкое выполнение этой функции на практике является причиной изготовления в промышленности неотработанных на технологичность изделий, что вызывает неоправданные
затраты труда, средств, материалов и времени.
На отдельных предприятиях различных отраслей промышленности производится отработка конструкции изделия на технологичность, но методы отработки обычно существенно различаются.
Отсутствие единой методики отработки конструкций на технологичность затрудняет сравнительную
оценку технологичности изделий и обмен опытом создания технологичных изделий.
Обязательность отработки конструкций изделий на технологичность на всех стадиях их создания
устанавливается стандартами ЕСТПЛ.
Совершенство конструкции машины характеризуется ее соответствием современному уровню техники, экономичностью и удобством в эксплуатации, а также тем, в какой мере учтены возможности
использования наиболее экономичных и производительных технологических методов ее изготовления применительно к заданному выпуску и условиям производства. Конструкцию машины, в которой эти возможности полностью учтены, называют технологичной.
Таким образом, технологичность конструкции изделий (ТКИ) - это совокупность таких свойств конструкции изделия, которые определяют ее приспособленность к достижению оптимальных затрат
при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и
условий выполнения работ.
Отсюда
следует,
что
ТКИ
понятие
относительное.
Технологичность
одного и того же изделия в зависимости от тина производства, где оно
изготавливается,
и
от
конкретных
производственных
условий
может
быть,
различной.
ТКИ - понятие комплексное. Ее нельзя рассматривать изолированно, без взаимной связи и учета
условий выполнения заготовительных процессов, процессов обработки, сборки и контроля, ремонта
и эксплуатации.
Улучшением
технологичности
выпуск
продукции
при
тех
машин нередко удается сократить
изготовления на 5-10%.
же
на
конструкции
средствах
15-25% и
можно
увеличить
производства.
Трудоемкость
более, а себестоимость их
Основная задача обеспечения ТКИ заключается в достижении оптимальных трудовых, материальных
и топливно-энергетических затрат на проектирование, подготовку производства, изготовление, монтаж вне предприятия-изготовителя, технологическое и техническое обслуживание, ремонт при обеспечении прочих заданных показателей качества изделия в принятых условиях проведения работ.
Главными факторами, определяющими требования к ТКИ, являются:
· вид изделия, степень его надежности и сложности, условия изготовления, технического ремонта и
обслуживания, показатели качества;
· тип производства;
·
условия
производства,
прогрессивных
методов
оборудования, оснастки и т. д.
в
том
числе
изготовления
наличие
передового
аналогичных
опыта
и
изделий,
Производственный и технологический процессы.
Под производственным процессом понимают совокупность отдельных процессов, осуществляемых
для получения из материалов и полуфабрикатов готовых машин (изделий).
В производственный процесс входят не только основные, т. е. непосредственно связанные с изготовлением деталей и сборкой из них машины, процессы, но и все вспомогательные процессы, обеспечивающие возможность изготовления продукции (например, транспортирование материалов и деталей, контроль деталей, изготовление приспособлений и инструмента, заточка последнего и т. д.).
Технологическим процессом называют последовательное изменение формы, размеров, свойств материала или полуфабриката в целях получения детали или изделия в соответствии с заданными техническими требованиями.
Технологический процесс механической обработки деталей является частью общего производственного процесса изготовления всей машины.
Производственный процесс разделяется на следующие этапы:
1)изготовление заготовок деталей — литье, ковка, штамповка или первичная обработка из прокатного материала;
2)обработка заготовок на металлорежущих станках для получения деталей с окончательными размерами и формами;
3)сборка узлов и агрегатов (или механизмов), т. е. соединение отдельных деталей в узлы и узлов – в
агрегаты (механизмы); в единичном (индивидуальном) производстве применяются слесарная обработка и пригонка деталей к месту постановки при сборке; в серийном производстве эти работы выполняются в незначительном объеме, а в массовом н крупносерийном — не применяются, так как
благодаря применению предельных калибров при обработке на металлорежущих станках достигается взаимозаменяемость деталей;
4) окончательная сборка всей машины;
5) регулирование и испытание машины;
6) окраска и отделка машины (изделия). (Окраска состоит из нескольких операций, выполняемых па
разных этапах технологического процесса: например шпаклевка, грунтовка и первая окраска отливок, окраска обработанных деталей, окончательная окраска всей машины.)
На каждом этапе производственного процесса, по отдельным операциям технологического процесса
данного этапа, осуществляется контроль изготовления деталей в соответствии с техническими условиями, предъявляемыми к изготовляемой детали на данном этапе процесса для обеспечения должного качества готовой машины (изделия).
Технологический процесс механической обработки деталей должен проектироваться и выполняться
таким образом, чтобы посредством наиболее рациональных и экономичных способов обработки удовлетворялись требования к деталям (точность обработки и чистота поверхностей, взаимное расположение осей и поверхностей, правильность контуров и т. д.), обеспечивающие правильную работу собранной машины.
Особенности обработки на станках с программным управлением. Технологическая документация:
операционные карты, эскизы, маршрутный тех. процесс.
Лекция 2. Разработка технологических процессов обработки деталей и сборки изделий с технико-экономическим обоснованием. Классификация конструкционных материалов и их основные свойства.
Основные требования, предъявляемые к технологическому процессу механической обработки и
сборки, заключается в том, чтобы процесс протекал в рациональной организационной форме, с полным использованием всех технических возможностей оборудования, инструмента и приспособлений
при оптимальных режимах обработки, допускаемых на данном оборудовании, наименьшей затрате
времени и наименьшей себестоимости обработки.
В состав технологического процесса обработки и сборки в качестве технологических операций или
переходов включаются разнообразные механические и сборочные работы: токарная обработка, сверление, фрезерование, строгание, сборка, фиксация положения деталей, проверка точности взаимного
расположения деталей, очистка и промывка деталей и сборочной единицы и т. д. Технологический
процесс обработки и сборки состоит из операций, переходов, приёмов.
Технологический процесс сборки разрабатывается в следующей последовательности:
1. Устанавливается организационная форма обработки и сборки, определяются ее такт и ритм;
2. Анализируются чертежи с позиции отработки технологичности конструкции;
3. Производится размерный анализ с выполнением соответствующих размерных расчетов и устанавливаются рациональные методы обеспечения требуемой точности;
4. Определяется целесообразная в данных условиях производства дифференциация проектируемого
процесса;
5. Устанавливается последовательность соединения всех сборочных единиц и деталей изделия, и составляются схемы общей сборки и узловых сборок изделия;
6. Составляется содержание технологических операций механической обработки и сборки задаются
методы контроля и испытаний изделия;
7. Определяется и разрабатывается необходимая для выполнения технологического процесса технологическая
оснастка
(приспособления),
монтажный, контрольно-измерительный инструмент и оборудование;
8. Производится техническое нормирование работ и рассчитываются экономические показатели процесса;
9. Оформляется техническая документация процесса;
10. Разрабатываются ведомости потребного числа рабочих мест, и площадей;
11. Разрабатывается планировка участка, цеха.
Технико-экономическая эффективность спроектированных или существующих процессов обработки
и сборки оценивается технико-экономическими показателями.
К числу наиболее характерных технико-экономических показателей относятся следующие:
1) Себестоимость детали;
2) Себестоимость (цеховая), слагающаяся из величины основной заработной платы производственных рабочих и цеховых накладных расходов;
3)
Норма
штучного
обработки и сборки;
и
штучно-калькуляционного
времени
полной
4) Основное (технологическое) время по всем операциям.
Технологические характеристика типовых заготовительных процессов.
Технологическая оснастка.
Основы классификации сталей и их маркировка
Стали являются наиболее многочисленными сплавами и широко применяются в промышленности
как основной машиностроительный материал.
Стали классифицируют по химическому составу, способу производства и применению.
По химическому составу классифицируют в основном конструкционные стали. Согласно этой классификации стали подразделяют на углеродистые, хромистые, хромоникелевые и т. д. Другие стали,
например инструментальные с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу
почти не классифицируют.
По способу производства (определение условий металлургического производства сталей и содержание в них вредных примесей) стали классифицируют на группы А, Б, В и Г.
Группа А. К ней относятся стали обыкновенного качества. Они могут иметь повышенное содержание
серы (до 0,055%) и фосфора (до 0,07%).
Механические свойства сталей обыкновенного качества ниже механических свойств сталей других
классов. Основным элементом, определяющим механические свойства этих сталей, является углерод. Их выплавляют в кислородных конвертерах и мартеновских печах. Стали обыкновенного качества подразделяют на спокойные (полностью раскисленные), кипящие (не полностью раскисленные)
и полуспокойные (занимающие промежуточное положение между спокойными и кипящими). Согласно ГОСТу спокойные, полуспокойные и кипящие стали обозначают в конце марки буквами, соответственно сп; пс и кн.
Группа Б. К ней относятся качественные стали — углеродистые или легированные. В этих сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,035% каждого. Выплавляют их в основных мартеновских печах.
Группа В. К этой группе относятся высококачественные стали, главным образом легированные, выплавляемые в электропечах. В этих сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,025%
каждого.
Группа Г. Стали особовысококачественные, выплавляемые в электропечах, электрошлаковым переплавом или другими методами. Содержание серы и фосфора до 0,015% каждого.
По применению стали подразделяют на строительные, машиностроительные (конструкционные, общего назначения), инструментальные, машиностроительные специализированного назначения, с
особыми физическими свойствами, с особыми химическими свойствами (устойчивые против коррозии).
Строительные стали — это углеродистые и некоторые низколегированные стали с небольшим содержанием углерода — стали обыкновенного качества.
Для машиностроительных сталей (конструкционных) общего назначения главной характеристикой
являются их механические свойства, которые зависят от содержания углерода, изменяющегося в
пределах 0,05—0,65%.
Инструментальные стали имеют высокие твердость, прочность и износостойкость. Их используют
для изготовления режущего и измерительного инструментов, штампов и т. д. Твердость и вязкость
зависят от содержания в инструментальных сталях углерода.
Машиностроительные стали и сплавы специализированного назначения характеризуются их механическими свойствами при низких и высоких температурах; физическими, химическими и технологическими свойствами. Они могут быть использованы для эксплуатации в особых условиях (на холоде,
при нагреве, при ди-намических и гидроабразивных нагрузках и т. п.).
Стали и сплавы с особыми физическими свойствами получают эти свойства в результате специального легирования и термической обработки. Их применяют в основном в приборостроении, электронной, радиотехнической промышленности и т. д.
Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (стойкие против коррозии). Стойкости сталей
против коррозии достигают при содержании хрома не ниже 12,5—13%. Стали с высоким содержанием хрома и никеля — стойкие в агрессивных средам.
Маркировка сталей. Стали обыкновенного качества обозначают марками Ст0 — Ст6. Чем выше номер, тем выше прочностные свойства стали и содержание углерода.
Качественные, высококачественные и особовысококачественные стали маркируют следующим образом. Содержание углерода указывают в начале марки цифрой, соответствующей его содержанию: в
сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,7% С (конструкционные стали), и в десятых долях процента для сталей, имеющих более 0,7% С (инструментальные стали). Соответственно сталь,
содержащую до 0,1 % С, обозначают как сталь К сталь с 0,5% С — сталь 50, сталь с 1% С — сталь
У10.
Легирующие элементы обозначают русскими буквами, например Н (никель); Г (марганец); X (хром);
С (кремний) и т. д. Если после буквы нет цифры, то сталь содержит 1,0—1,5% легирующего элемента; если стоит цифра, то она указывает содержание легирующего элемента в процентах, кроме молибдена и ванадия, содержание которых в сталях обычно до 0,2—0,3%.
Различие в обозначении качественной стали по сравнению с высококачественной сталью состоит в
том, что в конце марки высококачественной стали ставят букву А: сталь 30ХНМ — качественная, а
сталь ЗОХНМА — высококачественная. В конце марки особовысококачественной стали стоит буква
Ш.
Для некоторых высококачественных сталей бывают следующие отклонения в обозначении:
1) все инструментальные, легированные стали и сплавы с особыми физическими свойствами всегда
высококачественные, поэтому в марках этих сталей букву А не ставят;
2) шарикоподшипниковые стали обозначают в начале марки буквами ШХ, затем стоит содержание
хрома в десятых долях процента; например, сталь ШХ15;
3) быстрорежущие сложнолегированные стали обозначают буквой Р, следующая за ней цифра указывает на содержание в ней вольфрама в %;
4)электротехнические стали обозначают буквой Э; следующая за ней цифра указывает на содержание в ней кремния в %.
Цветные металлы и сплавы
Алюминий и его сплавы. Алюминий – легкий металл (плотность 2,7 г/см3), обладает высокими теплопроводностью ~ 200 Вт/(м°С) и электропроводностью (3,8•105 Ом–1см–1). Алюминий имеет
большое сродство к кислороду, легко окисляется на воздухе. При этом его поверхность покрывается
плотной пленкой окиси алюминия (~ 0,2 мкм), которая хорошо защищает от дальнейшего окисления,
поэтому алюминий стоек против коррозии. Температура плавления алюминия 660° С.
Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. К деформируемым алюминиевым
сплавам относятся дуралюмины (Д1—Д16), содержащие 3,8—4,9% Сu, 0,4— 1,8% Mg, 0,4—0,9%
Мn; авиали (АВ), содержащие 0,2—0,6% Сu, 0,4—0,9% Mg, 0,15—0,35% Мn, 0,5—1,2% Si; высокопрочные алюминиевые сплавы, содержащие медь, магний, марганец и упрочняющие добавки (до
8,5% Zn или 0,1—0,25% Сг); ковочные алюминиевые сплавы (АК), содержащие 1,8—4,8 Сu, 0,4—
0,8% Mg, 0,4—1,0% Мn, 0,6 — 1,2% Si, а также жаропрочные алюминиевые сплавы, в которые в качестве упрочняющих добавок вводят железо, никель, титан и цирконий. Эти сплавы хорошо обрабатываются ковкой, штамповкой, прокаткой. Механические свойства их повышаются после термической обработки. Благодаря высоким механическим свойствам и малой плотности эти сплавы широко
применяют в машиностроении, самолетостроении, химической промышленности, транспортном и
пищевом машиностроении, приборостроении и т. д. Кроме термически обрабатываемых деформируемых сплавов, широко применяют алюминиевые деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц до 1,6 % Мn)
или магнием и марганцем (АМг), содержащие 1,8—5,8% Mg и 0,2-0,8% Мn.
Эти сплавы хорошо обрабатываются давлением (штамповкой в холодном состоянии, гибкой и т. д.),
свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость. Их широко применяют в строительных
конструкциях (рамах, перегородках, дверях, витражах и т. д.), при изготовлении баков для бензина,
трубопроводов и т. д.
Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления деталей машин и приборов литьем.
Они имеют хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть в расплавленном состоянии, малую усадку при затвердевании, высокие механические свойства. Кроме того, они хорошо обрабатываются резанием. Из литейных алюминиевых сплавов наибольшее применение имеют силумины —
сплавы алюминия с 10 – 13% Si; сплавы алюминия с медью и марганцем, содержание 4,5 –5,3% Си и
до 1% Мn; сплавы алюминия с 9,5-11,5% Mg.
Силумины наиболее широко используют для изготовления многих деталей в машиностроении и
приборостроении: блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, картеров блоков, корпусов
компрессоров, арматуры и т. д.
Сплавы алюминия с медью, обладающие повышенной прочностью, применяют для литья деталей,
работающих при нагрузках (арматуры, кронштейнов и др.).
Сплавы алюминия с магнием обладают хорошей коррозионной стойкостью и применяются для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении. Многие отливки из алюминиевых сплавов подвергают термической обработке для повышения их механических свойств,
пластичности, а также снижения остаточных напряжений.
Алюминий применяют для приготовления спеченных алюминиевых сплавов (САС) и спекаемых
алюминиевых пудр (САП), из которых методами порошковой металлургии (прессованием с последующим спеканием) изготовляют детали машин.
Магний и его сплавы. Магний относится к группе легких металлов, плотность его в твердом состоянии 1,738 г/см3, температура плавления 651° С. Магний, являясь весьма химически активным металлом, широко применяется в виде сплавов с алюминием, цинком, марганцем.
Магниевые сплавы подразделяют на деформируемые сплавы (МА), используемые в виде листов, полос, профилей, прутков и поковок, и литейные сплавы (Мл), из которых получают фасонные отливки.
Деформируемые магниевые сплавы обычно содержат 1—2% Мn, до 0,8% А1, десятые доли процента
кальция и церия; высокопрочные сплавы — до 5% А1 и 1,5% Zn, а жаропрочные магниевые сплавы
содержат добавки циркония, никеля и др. Деформируемые магниевые сплавы имеют прочность до
264—274 МН/м2 при удлинении 7—12%. Из этих сплавов изготовляют сварные бензо - и маслобаки,
арматуру бензо - и маслопроводов самолетов, летательных аппаратов, детали прядильных и ткацких
станков.
Литейные магниевые сплавы содержат 2,5—9,0% А1 и 0,2—1,5% Zn, а также 0,15—0,5% Мп; предел
прочности при растяжении 177—235 МН/м2, при удлинении 3—8%. Детали, отлитые из жаропрочных магниевых сплавов, способны работать продолжительное время при температуре до 250° С, а
кратковременно при температурах до 400—450° С.
Литейные магниевые сплавы имеют невысокий модуль упругости (Е 43 000 МН/м2) и вследствие
этого высокие демпфирующие свойства (гасят колебания и вибрации конструкции). Однако литейные магниевые сплавы имеют невысокую коррозионную стойкость, для ее повышения отливки из
этих сплавов оксидируют и покрывают защитными лаками. Отливки из магниевых сплавов широко
применяют в самолето - и ракетостроении, в автомобильной промышленности (для картеров двигателей, коробок передач), в электротехнике, радиотехнике (для деталей и корпусов приборов), в текстильной и полиграфической промышленностях, транспортном машиностроении и т. д.
Медь и ее сплавы. Технически чистая медь обладает высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, электропроводностью и теплопроводностью. Плотность меди 8,97 г/см3, температура плавления 1083°С, теплопроводность 385 Вт/(м°С), удельное электросопротивление 0,018 Ом∙мм2/м. В литом состоянии медь имеет предел прочности на растяжение 170—200 МН/м2, предел текучести 70—
90 МН/м2 и относительное удлинение 17—20%. Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости медь широко применяют для изготовления линий электропередач и проводной связи, в электромашиностроении — для деталей электрических машин и приборов.
Около 50% всей меди используют в электропромышленности.
Высокая теплопроводность и коррозионная стойкость способствуют широкому использованию меди
в химическом машиностроении для изготовления вакуум-аппаратов, трубчатых змеевиков, теплообменников в холодильных агрегатах.
Медные сплавы подразделяют на бронзы и латуни. Бронзами называются сплавы меди с оловом (4—
33% Sn), свинцом (~30%Рb), алюминием (5—11% А1), кремнием (4—5% Si), сурьмой и фосфором.
Бронзы имеют более высокую прочность и твердость, чем чистая медь. Бронзы применяют для изготовления фасонных отливок (литейные бронзы) и деталей машин штамповкой, ковкой, прокаткой
(бронзы для обработки давлением).
Литейные бронзы применяют для изготовления червячных шестерен, подшипников скольжения, ходовых гаек, корпусов вентилей, клапанов, задвижек, золотников и т. д. Бронзы при обработке давлением применяют для изготовления прутков, полосы, ленты, толстостенных труб, из которых штамповкой, ковкой, обработкой резанием изготовляют различные детали машин и приборов (втулки,
коллекторы электрических машин, пружины, мембраны, детали часовых механизмов, решетки, сетки, электроды иликтросварочных машин и т. д.).
Латунямн называют сплавы меди с цинком (до 50% Zn) с небольшими добавками других элементов
(алюминия, кремния, никеля, марганца). Латуни, так же как и бронзы, применяют для изготовления
деталей машин обработкой давлением и резанием и фасонных отливок.
Из латуней, обрабатываемых давлением, получают прутки, трубы, листы, ленту, из которых затем
штамповкой, обработкой резанием изготовляют различные детали машин — радиаторные и манометрические трубки, сильфоны (гофрированные трубы), корпуса сварочных горелок, детали приборов и т. д.
Из литейных латуней отливают корпуса паропроводной арматура с повышенной коррозионной стойкостью в морской воде, шестерни, втулки, подшипники, гребные винты, гайки нажимных винтов и т.
д.
Титан и его сплавы. Титан относится к группе тугоплавких металлов. Температура плавления титана
1665 ± 5° С, плотность ~ 4,5 г/см3. Предел прочности при растяжении чистого титана σв = 250
МН/м2, удлинение δ = 70%; технического титана, содержащего примеси, σв = 300 – 550 МН/м2, δ =
20 – 30%, т. е. чем больше примесей содержится в титане, тем выше его прочность и ниже пластичность. Однако отношение σв/γ (удельная прочность) титана значительно выше, чем у многих легированных конструкционных сталей. Вследствие этого при замене стали титановыми сплавами можно
при равной прочности получить до 40% экономии по массе детали. Несмотря на высокую температуру плавления, титан имеет более низкую жаропрочность, чем сплавы на основе железа и никеля.
Предельная температура использования титана и его сплавов не выше 550—600° С. При более высокой температуре титан и его сплавы легко окисляются и поглощают водород.
Технический титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовлять
сложные фасонные отливки, но обработка резанием затруднительна.
Для получения сплавов с заданными механическими свойствами титан легируют алюминием, молибденом и др.
Наибольшее применение нашли сплавы, в которых основным легирующим элементов является алюминий, например сплав ВТ5, содержащий до 5% А1, с σв —700 – 900 МН/м2 при удлинении δ = 10 –
12%. Из этих сплавов получают отливки, поковки, листы и т. д. Кроме того, применяют и сложнолегированные сплавы, например, ВТ3–1, ВТ–6, ВТ–8.
Титановые сплавы можно упрочнять термической обработкой в печах с защитной атмосферой. Титан
и его сплавы широко используют в различных областях техники (авиационной, ракетнокосмической, судостроении, химической промышленности), когда требуются высокая удельная
прочность и хорошая сопротивляемость коррозии.
Из титановых сплавов делают обшивку фюзеляжей, крыльев сверхзвуковых самолетов, лонжероны,
шпангоуты и другие детали. Для стационарных паровых и газовых турбин из титановых сплавов изготовляют диски и лопатки. В судостроении титан и его сплавы применяют для обшивки корпусов и
подводных крыльев, а также для различной аппаратуры. Титан и его сплавы применяют и в химическом машиностроении для изготовления емкостей фильтров, трубопроводов, змеевиков и других аппаратов. Некоторые титановые сплавы обладают повышенной пластичностью при низких температурах, поэтому их используют и для изготовления деталей машин в криогенной технике.
Общая характеристика свойств инструментальных материалов
Инструментальные материалы должны удовлетворять ряду эксплуатационных требований. Материал
рабочей части инструмента должен иметь следующие физико-механические характеристики: большую твердость и высокие допускаемые напряжения на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала рабочей части инструмента должна значительно превышать твердость обрабатываемого материала.
Высокие прочностные свойства необходимы для того, чтобы инструмент мог сопротивляться соответствующим деформациям в процессе резания. Одновременно требуется, чтобы материал инструмента был достаточно вязким и воспринимал ударную динамическую нагрузку, которая возникает
при обработке хрупких материалов или прерывистых поверхностей заготовок.
Инструментальные материалы должны обладать высокой красностойкостью, сохраняя большую
твердость при высоких температурах нагрева.
Материал рабочей части инструмента должен быть износостойким, т. е. хорошо сопротивляться изнашиванию. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент, тем выше его
размерная стойкость. Это значит, что детали, последовательно обработанные одним и тем же инструментом, будут иметь более стабильные размеры.
Материалы для изготовления режущих инструментов должны по возможности содержать наименьшее количество дефицитных элементов.
Инструментальные стали
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435—74). Эти стали содержат 0,6—1,3 %С. Для изготовления инструментов применяют качественные стали У10А, УНА, У12А, содержащие более 1 %
С. После термической обработки стали имеют HRC 60—62, однако красностойкость их невысока
(200—250° С). При этой температуре их твердость резко уменьшается и они не могут выполнять работу резания. Эти стали находят ограниченное применение, так как допустимые скорости резания
обычно не превышают 15—18 м/мин. Из них изготовляют метчики, плашки, ножовочные полотна и
т. д.
Легированные инструментальные стали. Основой этих сталей является инструментальная углеродистая сталь марки У10А, легированная хромом (X), вольфрамом (В), ванадием (Ф), кремнием (С) и
другими элементами. После термической обработки твердость легированных сталей составляет HRC
62—64; их красностойкость 250-300° С.
Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям и трещинам при закалке. Режущие свойства легированных сталей немного выше инструментальных. Допустимые скорости резания составляют 15—25 м/мин.
Для изготовления инструментов: протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток и т. д. наиболее широко используют стали 9ХВГ, ХВГ, 9ХС, 6ХС и др.
Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265—73). Эти стали содержат 8,5-19% W; 3,8-4,4% Сr; 2-10% Со и
V. Для изготовления режущего инструмента используют быстрорежущие стали Р9, Р12, Р18, Р6МЗ,
Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2. Резжущий инструмент из быстрорежущих
сталей после термической обработки имеет HRC 62–65. Красностойкость сталей 600–630° С; они
имеют повышенную износостойкость. Инструмент из быстрорежущей стали может работать со скоростями резания до 100 м/мин.
Сталь Р9 рекомендуется для изготовления инструментов простой формы (резцов, фрез, зенкеров).
Для фасонных и сложных инструментов (резьбонарезных, зуборезных), для которых основным требованием является высокая износоустойчивость, целесообразнее использовать сталь Р18.
Кобальтовые быстрорежущие стали (Р18К5Ф2, Р9К5, Р9К10) применяют для обработки труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов в условиях тяжелого прерывистого резания, вибраций, при плохих условиях охлаждения.
Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуются для изготовления инструментов
для чистовой обработки (протяжек, разверток, шеверов). Их также применяют для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании небольших поперечных сечений стружки.
Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6МЗ) используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки, а также для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез, сверл и другого инструмента.
Для экономии быстрорежущих сталей режущий инструмент делают сборным или сварным. Рабочую
часть инструмента сваривают с хвостовиком из конструкционной стали (45, 50, 40Х и др.). Часто используют пластинки из быстро режущей стали, которые приваривают к державкам или корпусам инструментов.
Лекция 3. Литейное производство. Общая характеристика литейного производства.
Общие сведения о литейном производстве.
Современное состояние и роль литейного производства в машиностроении.
Теория и практика технологии литейного производства на современном этапе позволяет получать
изделия с высокими эксплуатационными свойствами. Отливки надежно работают в реактивных двигателях, атомных энергетических установках и других машинах ответственного назначения. Они используются в изготовлении строительных конструкций, металлургических агрегатов, морских судов, деталей бытового оборудования, художественных и ювелирных изделий.
Современное состояние литейного производства определяется совершенствованием традиционных и
появлением новых способов литья, непрерывно повышающимся уровнем механизации и автоматизации технологических процессов, специализацией и централизацией производства, созданием научных основ проектирования литейных машин и механизмов.
Важнейшим направлением повышения эффективности является улучшение качества, надежности,
точности и шероховатости отливок с максимальным приближением их к форме готовых изделий путем внедрения новых технологических процессов и улучшения качества литейных сплавов, устранение вредного воздействия на окружающую среду и улучшения условий труда.
Литье является наиболее распространенным методом формообразования.
Преимуществами литья являются изготовление заготовок с наибольшими коэффициентами использования металла и весовой точности, изготовление отливок практически неограниченных габаритов
и массы, получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием (магниты).
Классификация литых заготовок
По условиям эксплуатации, независимо от способа изготовления, различают отливки:
– общего назначения – отливки для деталей, не рассчитываемых на прочность
– ответственного назначения – отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих
при статических нагрузках;
– особо ответственного назначения - отливки для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагрузках.
В зависимости от способа изготовления, массы, конфигурации поверхностей, габаритного размера,
толщины стенок, количества стержней, назначения и особых технических требований отливки делят
на 6 групп сложности.
Первая группа характеризуется гладкими и прямолинейными наружными поверхностями с наличием
невысоких усиливающих ребер, буртов, фланцев, отверстий. Внутренние поверхности простой формы. Типовые детали – крышки, рукоятки, диски, фланцы, муфты, колеса вагонеток, маховики для
вентилей и т. д.
Шестая группа – отливки с особо сложными закрытыми коробчатыми и цилиндрическими формами.
На наружных криволинейных поверхностях под различными углами пересекаются ребра, кронштейны и фланцы. Внутренние полости имеют особо сложные конфигурации с затрудненными выходами
на поверхность отливки. Типовые детали – станины специальных МРС, сложные корпуса центробежных насосов, детали воздуходувок, рабочие колеса гидротурбин.
В зависимости от способа изготовления их габаритных размеров и типа сплавов ГОСТ 26645-85
устанавливает 22 класса точности.
Литейные сплавы
Требования к материалам, используемым для получения отливок:
Состав материалов должен обеспечивать получение в отливке заданных физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура должны быть стабильными в течение всего срока
эксплуатации отливки.
Материалы должны обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов, герметичностью), хорошо свариваться, легко обрабатываться режущим инструментом. Они не должны быть
токсичными и вредными для производства. Необходимо, чтобы они обеспечивали технологичность в
условиях производства и были экономичными.
Литейные свойства сплавов
Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных
свойств сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме. К основным литейным свойствам сплавов относят: жидкотекучесть, усадку сплавов,
склонность к образованию трещин, газопоглощение, ликвацию.
Жидкотекучесть – способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять
ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.
При высокой жидкотекучести сплавы заполняют все элементы литейной формы.
Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д.
Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в интервале температур (твердые растворы). Чем выше
вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть
понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и формы жидкотекучесть
улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. Так же влияет химический состав сплава (с увеличением содержания серы, кислорода, хрома жидкотекучесть снижается; с
увеличением содержания фосфора, кремния, алюминия, углерода жидкотекучесть увеличивается).
Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды. Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры заливки,
конфигурации отливки.
Различают объемную и линейную усадку.
В результате объемной усадки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивных
частях отливки.
Для предупреждения образования усадочных раковин устанавливают прибыли – дополнительные
резервуары с расплавленным металлом, а также наружные или внутренние холодильники.
Линейная усадка определяет размерную точность полученных отливок, поэтому она учитывается при
разработке технологии литья и изготовления модельной оснастки.
Линейная усадка составляет: для серого чугуна – 0,8…1,3 %; для углеродистых сталей – 2…2,4 %;
для алюминиевых сплавов – 0,9…1,45 %; для медных сплавов – 1,4…2,3 %.
Газопоглощение – способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород,
азот, кислород и другие газы. Степень растворимости газов зависит от состояния сплава: с повышением температуры твердого сплава увеличивается незначительно; возрастает при плавлении; резко
повышается при перегреве расплава. При затвердевании и последующем охлаждении растворимость
газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры.
Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и
свойств литейной формы.
Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация образуется в процессе затвердевания отливки, из-за различной растворимости отдельных компонентов
сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и углерод.
Различают ликвацию зональную, когда различные части отливки имеют различный химический состав, и дендритную, Когда химическая неоднородность наблюдается в каждом зерне.
Литейные сплавы
1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.
Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем
стальные, в несколько раз – чем из цветных металлов). Область применения чугунов расширяется
вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.
2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении
(колеса гидравлических турбин с массой 85 тонн, иногда несколько сотен тонн) – до 60 %.
Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим
свойствам поковкам.
Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.
Среди литейных материалов из сплавов цветных металлов широкое применение нашли медные и
алюминиевые сплавы.
1. Медные сплавы – бронзы и латуни.
Латуни – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для
морских судостроения, работающей при температуре 300 °С, втулок и сепараторов подшипников,
нажимных винтов и гаек прокатных станов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.
Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки.
Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело
нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической и пищевой промышленности.
2. Алюминиевые сплавы.
Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой
удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных
условиях.
Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) –
силумины АЛ2, АЛ9. Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной
промышленности, электротехнической промышленности.
Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий –
магний.
3. Магниевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, но их литейный свойства невысоки. Сплавы системы магний – алюминий – цинк – марганец применяют в приборостроении, в
авиационной промышленности, в текстильном машиностроении.
Особенности изготовления отливок из чугуна и стали
Чугун. Преобладающее количество отливок из серого чугуна изготовляют в песчаных формах. Отливки получают, как правило, получают без применения прибылей.
При изготовлении отливок из серого чугуна в кокилях, в связи с повышенной скоростью охлаждения
при затвердевании, начинает выделяться цементит – появление отбеливания. Для предупреждения
отбела на рабочую поверхность кокиля наносят малотеплопроводные покрытия. Кокили перед работой их нагревают, а чугун подвергают модифицированию. Для устранения отбела отливки подвергают отжигу.
Отливки типа тел вращения (трубы, гильзы, втулки) получают центробежным литьем.
Отливки из высокопрочного чугуна преимущественно изготовляют в песчаных формах, в оболочковых формах, литьем в кокиль, центробежным литьем. Достаточно высокая усадка чугуна вызывает
необходимость создания условий направленного затвердевания отливок для предупреждения образования усадочных дефектов в массивных частях отливки путем установки прибылей и использования холодильников.
Расплавленный чугун в полость формы подводят через сужающуюся литниковую систему и, как
правило, через прибыль.
Особенностью получения отливок из ковкого чугуна является то, что исходный материал – белый
чугун имеет пониженную жидкотекучесть, что требует повышенной температуры заливки при изго-
товлении тонкостенных отливок. Для сокращения продолжительности отжига чугун модифицируют
алюминием, бором, висмутом. Отливки изготавливают в песчаных формах, а также в оболочковых
формах и кокилях.
Лекция 4. Теоретические основы производства отливок. Способы изготовления отливок.
Стальные отливки
Углеродистые и легированные стали – 15Л, 12Х18Н9ТЛ, 30ХГСЛ, 10Х13Л, 110Г13Л – литейные
стали.
Литейные стали имеют пониженную жидкотекучесть, высокую усадку до 2,5%, склонны к образованию трещин.
Стальные отливки изготовляют в песчаных и оболочковых формах, литьем по выплавляемым моделям, центробежным литьем.
Для предупреждения усадочных раковин и пористости в отливках на массивные части устанавливают прибыли, а в тепловых узлах – используют наружные или внутренние холодильники. Для предупреждения трещин формы изготавливают из податливых формовочных смесей, в отливках предусматривают технологические ребра.
Подачу расплавленного металла для мелких и средних отливок выполняют по разъему или сверху, а
для массивных – сифоном. В связи с низкой жидкотекучестью площадь сечения питателей в 1,5…2
раза больше, чем при литье чугуна.
Для получения высоких механических свойств, стальные отливки подвергают отжигу, нормализации
и другим видам термической обработки.
Способы изготовления отливок. Изготовление отливок
в песчаных формах
Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов,
образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.
Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы, формы изготовляемые по выплавляемым моделям, оболочковые формы) для одноразового использования, так и
из металлов (кокили, изложницы для центробежного литья) для многократного использования.
Изготовление отливок в песчаных формах
Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких грамм до сотен тонн, с толщиной стенки от 3…5 до 1000 мм и длиной до 10000 мм.
Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах
Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла,
затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.
Литейная форма для получения отливок в песчаных формах представлена на рис. 2.
Литейная форма обычно состоит из верхней 1 и нижней 2 полуформ, которые изготавливаются в
опоках 7, 8 – приспособлениях для удержания формовочной смеси. Полуформы ориентируют с помощью штырей 10, которые вставляют в отверстия ручек опок 11.
Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные
стержни 3, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки).
Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему.
Литниковая система – совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы.
Основными элементами являются: литниковая чаша 5, которая служит для приема расплавленного
металла и подачи его в форму; стояк 6 – вертикальный или наклонный канал для подачи металла из
литниковой чаши в рабочую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 12, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 13 – один или несколько, через которые расплавленный металл подводится в полость литейной формы.
Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным металлом и питания отливки при ее
затвердевании служат прибыли или выпор 4. Для вывода газов предназначены и вентиляционные каналы 9.
Рис. 2. Литейная форма
Разновидности литниковых систем представлены на рис. 3.
Рис. 3. Разновидности литниковых систем
Различают литниковые системы с питателями, расположенными в горизонтальной и вертикальной
плоскостях.
По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые системы делят на: нижнюю,
верхнюю, боковую.
Нижняя литниковая система (рис. 3.б) – широко используется для литья сплавов, легко окисляющихся и насыщающихся газами (алюминий), обеспечивает спокойный подвод расплава к рабочей полости формы и постепенное заполнение ее поступающим снизу, без открытой струи металлом. При
этом усложняется конструкция литниковой системы, увеличивается расход металла на нее, создается
неблагоприятное распределение температур в залитой форме ввиду сильного разогрева ее нижней
части.
Возможно образование усадочных дефектов и внутренних напряжений. При такой системе ограничена возможность получения высоких тонкостенных отливок (при литье алюминиевых сплавов форма не заполняется металлом, если отношение высоты отливки к толщине ее стенки превышает
,
).
Нижний подвод через большое количество питателей часто используется при изготовлении сложных
по форме, крупных отливок из чугуна.
Верхняя литниковая система (рис. 3.в).
Достоинствами системы являются: малый расход металла; конструкция проста и легко выполнима
при изготовлении форм; подача расплава сверху обеспечивает благоприятное распределение температуры в залитой форме (температура увеличивается от нижней части к верхней), а следовательно, и
благоприятные условия для направленной кристаллизации и питании отливки.
Недостатки: падающая сверху струя может размыть песчаную форму, вызывая засоры; при разбрызгивании расплава возникает опасность его окисления и замешивания воздуха в поток с образованием
оксидных включений; затрудняется улавливание шлака.
Верхнюю литниковую систему применяют для невысоких (в положении заливки) отливок, небольшой массы и несложной формы, изготовленных из сплавов не склонных к сильному окислению в
расплавленном состоянии (чугуны, углеродистые конструкционные стали, латуни).
Боковая литниковая система (рис. 3.а).
Подвод металла осуществляется в среднюю часть отливки (по разъему формы).
Такую систему применяют при получении отливок из различных сплавов, малых и средних по массе
деталей, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью разъема формы. Является промежуточной между верхней и нижней, и следовательно сочетает в себе некоторые их достоинства и недостатки.
Иногда при подводе металла снизу и сверху используют массивные коллекторы.
Приготовление формовочных и стержневых смесей
Для приготовления смесей используются природные и искусственные материалы.
Песок – основной компонент формовочных и стержневых смесей.
Обычно используется кварцевый или цирконовый песок из кремнезема SiO2
Глина является связующим веществом, обеспечивающим прочность и пластичность, обладающим
термической устойчивостью. Широко применяют бентонитовые или каолиновые глины.
Для предотвращения пригара и улучшения чистоты поверхности отливок используют противопригарные материалы: для сырых форм – припылы; для сухих форм – краски.
В качестве припылов используют: для чугунных отливок – смесь оксида магния, древесного угля,
порошкообразного графита; для стальных отливок – смесь оксида магния и огнеупорной глины, пылевидный кварц.
Противопригарные краски представляют собой водные суспензии этих материалов с добавками связующих.
Смеси должны обладать рядом свойств.
Прочность – способность смеси обеспечивать сохранность формы без разрушения при изготовлении
и эксплуатации.
Поверхностная прочность (осыпаемость) – сопротивление истирающему действию струи металла
при заливке,
Пластичность – способность воспринимать очертание модели и сохранять полученную форму,
Податливость – способность смеси сокращаться в объеме под действием усадки сплава.
Текучесть – способность смеси обтекать модели при формовке, заполнять полость стержневого ящика.
Термохимическая устойчивость или непригарность – способность выдерживать высокую температуру сплава без оплавления или химического с ним взаимодействия.
Негигроскопичность – способность после сушки не поглощать влагу из воздуха.
Долговечность – способность сохранять свои свойства при многократном использовании.
По характеру использования различают облицовочные, наполнительные и единые смеси.
Облицовочная – используется для изготовления рабочего слоя формы. Содержит повышенное количество исходных формовочных материалов и имеет высокие физико - механические свойства.
Наполнительная – используется для наполнения формы после нанесения на модель облицовочной
смеси. Приготавливается путем переработки оборотной смеси с малым количеством исходных формовочных материалов.
Облицовочная и наполнительная смеси необходимы для изготовления крупных и сложных отливок.
Единая – применяется одновременно в качестве облицовочной и наполнительной. Используют при
машинной формовке и на автоматических линиях в серийном и массовом производстве. Изготавливается из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей связующей способностью для обеспечения долговечности.
Приготовление формовочных смесей
Сначала подготавливают песок, глину и другие исходные материалы. Песок сушат и просеивают.
Глину сушат, размельчают, размалывают в шаровых мельницах или бегунах и просеивают. Аналогично получают угольный порошок.
Подготавливают оборотную смесь. Оборотную смесь после выбивки из опок разминают на гладких
валках, очищают от металлических частиц в магнитном сепараторе и просеивают.
Приготовление формовочной смеси включает несколько операций: перемешивание компонентов
смеси, увлажнение и разрыхление.
Перемешивание осуществляется в смесителях-бегунах с вертикальными или горизонтальными катками. Песок, глину, воду и другие составляющие загружают при помощи дозатора, перемешивание
осуществляется под действием катков и плужков, подающих смесь под катки.
Готовая смесь выдерживается в бункерах-отстойниках в течение 2…5 часов, для распределения влаги и образования водных оболочек вокруг глинистых частиц.
Готовую смесь разрыхляют в специальных устройствах и подают на формовку.
Стержневая смесь
Стержневые смеси соответствуют условиям технологического процесса изготовления литейных
стержней, которые испытывают тепловые и механические воздействия. Они должны иметь боле высокие огнеупорность, газопроницаемость, податливость, легко выбиваться из отливки.
Огнеупорность – способность смеси и формы сопротивляться растяжению или расплавлению под
действием температуры расплавленного металла.
Газопроницаемость – способность смеси пропускать через себя газы (песок способствует ее повышению).
В зависимости от способа изготовления стержней смеси разделяют: на смеси с отвердением стержней тепловой сушкой в нагреваемой оснастке; жидкие самотвердеющие; жидкие холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом.
Приготовление стержневых смесей осуществляется перемешиванием компонентов в течение 5…12
минут с последующим выстаиванием в бункерах.
В современном литейном производстве изготовление смесей осуществляется на автоматических
участках.
Модельный комплект
Модельный комплект – приспособления, включающие литейную модель, модели литниковой системы, стержневые ящики, модельные плиты, контрольные и сборочные шаблоны.
Литейная модель – приспособление, с помощью которого в литейной форме получают отпечаток,
соответствующий конфигурации и размерам отливки.
Применяют модели разъемные и неразъемные, деревянные, металлические и пластмассовые.
Размеры модели больше размеров отливки на величину линейной усадки сплава.
Модели деревянные (сосна, бук, ясень), лучше изготавливать не из целого куска, а склеивать из отдельных брусочков с разным направлением волокон, для предотвращения коробления.
Достоинства: дешевизна, простота изготовления, малый вес. Недостаток: недолговечность.
Для лучшего удаления модели из формы ее окрашивают: чугун – красный, сталь – синий.
Металлические модели характеризуются большей долговечностью, точностью и чистой рабочей поверхностью. Изготавливаются из алюминиевых сплавов – легкие, не окисляются, хорошо обрабатываются. Для уменьшения массы модели делают пустотелыми с ребрами жесткости.
Модели из пластмасс устойчивы к действию влаги при эксплуатации и хранении, не подвергаются
короблению, имеют малую массу.
Стержневой ящик – формообразующее изделие, имеющее рабочую полость для получения в ней литейного стержня нужных размеров и очертаний из стержневой смеси. Обеспечивают равномерное
уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня. Изготавливают из тех же материалов, что и модели. Могут быть разъемными и неразъемными (вытряхными), а иногда с нагревателями.
Изготовление стержней может осуществляться в ручную и на специальных стержневых машинах.
Модельные плитыформируют разъем литейной формы, на них закрепляют части модели. Используют для изготовления опочных и безопочных полуформ.
Для машинной формовки применяют координатные модельные плиты и плиты со сменными вкладышами (металлическая рамка плюс металлические или деревянные вкладыши).
Лекция 5. Изготовление литейных форм и стержней. Методы литья
Изготовление литейных форм
Основными операциями изготовления литейных форм являются: уплотнение формовочной смеси
для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности;
устройство вентиляционных каналов для вывода газов из полости формы; извлечение модели из
формы; отделка и сборка формы.
Формы изготавливаются вручную, на формовочных машинах и на автоматических линиях.
Ручная формовка применяется для получения одной или нескольких отливок в условиях опытного
производства, в ремонтном производстве, для крупных отливок массой 200…300 тонн.
Приемы ручной формовки: в парных опоках по разъемной модели; формовка шаблонами; формовка
в кессонах.
Формовка шаблонами применяется для получения отливок, имеющих конфигурацию тел вращения в
единичном производстве
Шаблон – профильная доска. Изготовление формы для шлаковой чаши (рис. 4.а.) показано на рис. 4.
Рис.4. Шаблонная формовка
В уплотненной формовочной смеси вращением шаблона 1, закрепленного на шпинделе 2 при помощи серьги 3, оформляют наружную поверхность отливки (рис. 4. в.) и используют ее как модель для
формовки в опоке верхней полуформы 6 (рис. 4.г). Снимают серьгу с шаблоном, плоскость разъема
покрывают разделительным слоем сухого кварцевого песка, устанавливают модели литниковой системы, опоку, засыпают формовочную смесь и уплотняют ее. Затем снимают верхнюю полуформу. В
подпятник 7 устанавливают шпиндель с шаблоном 4, которым оформляют нижнюю полуформу,
сжимая слой смеси, равный толщине стенки отливки (рис. 4.д). Снимают шаблон, удаляют шпиндель, отделывают болван и устанавливают верхнюю полуформу (рис. 4.е). В готовую литейную форму заливают расплавленный металл
Изготовление стержней
Изготовление стержней осуществляется вручную или на специальных стержневых машинах из
стержневых смесей.
Изготовление стержней включает операции: формовка сырого стержня, сушка, окраска сухого
стержня. Если стержень состоит из нескольких частей, то после сушки их склеивают.
Ручная формовка осуществляется в стержневых ящиках. В готовых стержнях выполняют вентиляционные каналы. Для придания стержням необходимой прочности используются арматурные каркасы
из стальной проволоки или литого чугуна.
Готовые стержни подвергаются сушке при температуре 200…230 0С, для увеличения газопроницаемости и прочности. Во время сушки из стержня удаляется влага, частично или полностью выгорают
органические примеси
Часто стержни изготавливают на пескодувных машинах. При использовании смесей с синтетическими смолами, стержни изготавливают в нагреваемой оснастке.
Изготовление стержней из жидкостекольных смесей состоит в химическом отверждении жидкого
стекла путем продувки стержня углекислым газом.
Технико–экономические характеристики и область применения
Методы литья
В современном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие.
Эти способы позволяют получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключают ее,
что обеспечивает высокую производительность труда. Каждый специальный способ литья имеет
свои особенности, определяющие области применения.
Литье в оболочковые формы
Литье в оболочковые формы - процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, изготовленных по горячей модельной оснастке из специальных песчано-смоляных смесей.
Формовочную смесь приготовляют из мелкого кварцевого песка с добавлением термореактивных
связующих материалов.
Технологические операции формовки при литье в оболочковые формы представлены на рис. 5.
Металлическую модельную плиту 1 с моделью нагревают в печи до 200…250 °C.
Затем плиту 1 закрепляют на опрокидывающемся бункере 2 с формовочной смесью 3 (рис. 5. а) и поворачивают на 180 0 (рис. 5.б). Формовочную смесь выдерживают на плите 10…30 секунд. Под действием теплоты, исходящей от модельной плиты, термореактивная смола в приграничном слое расплавляется, склеивает песчинки и отвердевает с образованием песчано-смоляной оболочки 4, толщиной 5…15 мм. Бункер возвращается в исходное положение (рис. 5. в), излишки формовочной смеси
осыпаются с оболочки. Модельная плита с полутвердой оболочкой 4 снимается с бункера и прокаливается в печи при температуре 300…350 ?C, при этом смола переходит в твердое необратимое состо-
яние. Твердая оболочка снимается с модели с помощью выталкивателей 5 (рис.5.г). Аналогичным
образом получают вторую полуформу.
Для получения формы полуформы склеивают или соединяют другими способами (при помощи скоб).
Рис. 5. Технологические операции формовки при литье в оболочковые формы
Собранные формы небольших размеров с горизонтальной плоскостью разъема укладывают на слой
песка. Формы с вертикальной плоскостью разъема 6 и крупные формы для предохранения от коробления и преждевременного разрушения устанавливают в контейнеры 7 и засыпают чугунной дробью
8 (рис. 5. д).
Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометрическую точность отливок, малую шероховатость поверхностей, снижает расход формовочных материалов (высокая прочность оболочек
позволяет изготавливать формы тонкостенными) и объем механической обработки, является высокопроизводительным процессом.
В оболочковых формах изготавливают отливки массой 0,2…100 кг с толщиной стенки 3…15 мм из
всех литейных сплавов для приборов, автомобилей, металлорежущих станков.
Технико–экономические характеристики и область применения
Литье по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям – процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, рабочая полость которых образуется благодаря удалению (вытеканию) легкоплавкого материала
модели при ее предварительном нагревании.
Технологические операции процесса литья по выплавляемым моделям представлены на рис. 6.
Выплавляемые модели изготавливают в пресс-формах 1 (рис. 6.а) из модельных составов, включающих парафин, воск, стеарин, жирные кислоты. Состав хорошо заполняет полость пресс-формы, дает
четкий отпечаток. После затвердевания модельного состава пресс-форма раскрывается и модель 2
(рис. 6.б) выталкивается в холодную воду.
Затем модели собираются в модельные блоки 3 (рис. 6.в) с общей литниковой системой припаиванием, приклеиванием или механическим креплением. В один блок объединяют 2…100 моделей.
Формы изготавливают многократным погружением модельного блока 3 в специальную жидкую огнеупорную смесь 5, налитую в емкость 4 (рис.6.г) с последующей обсыпкой кварцевым песком. За-
тем модельные блоки сушат на воздухе или в среде аммиака. Обычно наносят 3…5 слоев огнеупорного покрытия с последующей сушкой каждого слоя.
Модели из форм удаляют, погружая в горячую воду или с помощью нагретого пара. После удаления
модельного состава тонкостенные литейные формы устанавливаются в опоке, засыпаются кварцевым песком, а затем прокаливают в печи в течение 6…8 часов при температуре 850…950 0C для удаления остатков модельного состава, испарения воды (рис. 6.д)
Рис.6. Технологические операции процесса литья по выплавляемым моделям
Заливку форм по выплавляемым моделям производят сразу же после прокалки в нагретом состоянии.
Заливка может быть свободной, под действием центробежных сил, в вакууме и т. д.
После затвердевания залитого металла и охлаждения отливок форма разрушается, отливки отделяют
от литников механическими методами, направляют на химическую очистку, промывают и подвергают термической обработке.
Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение точных и сложных отливок из различных
сплавов массой 0,02…15 кг с толщиной стенки 0,5…5 мм.
Недостатком является сложность и длительность процесса производства отливок, применение специальной дорогостоящей оснастки.
Литьем по выплавляемым моделям изготавливают детали для приборостроительной, авиационной и
другой отраслевой промышленности. Используют при литье жаропрочных труднообрабатываемых
сплавов (лопатки турбин), коррозионно-стойких сталей, углеродистых сталей в массовом производстве (автомобильная промышленность).
Технологический процесс автоматизирован и механизирован.
Технико–экономические характеристики и область применения
Литье в металлические формы
Литье в металлические формы (кокили) получило большое распространение. Этим способом получают более 40% всех отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, отливки из чугуна и стали.
Литье в кокиль – изготовление отливок из расплавленного металла в металлических формахкокилях.
Формирование отливки происходит при интенсивном отводе теплоты от расплавленного металла, от
затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю, что обеспечивает
более высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных в песчаных
формах.
Схема получения отливок в кокиле представлена на рис. 7.
Рабочую поверхность кокиля с вертикальной плоскостью разъема, состоящую из поддона 1, двух
симметричных полуформ 2 и 3 и металлического стержня 4, предварительно нагретую до 150…180
°C покрывают из пульверизатора 5 слоем огнеупорного покрытия (рис. 7.а) толщиной 0,3…0,8 мм.
Покрытие предохраняет рабочую поверхность кокиля от резкого нагрева и схватывания с отливкой.
Покрытия приготовляют из огнеупорных материалов (тальк, мел, графит), связующего материала
(жидкое стекло) и воды.
Рис. 7. Технологические операции изготовления отливки в кокиль
Затем с помощью манипулятора устанавливают песчаный стержень 6, с помощью которого в отливке
выполняется полость (рис. 7.б).
Половинки кокиля соединяют и заливают расплав. После затвердевания отливки 7 (рис. 7.в) и охлаждения ее до температуры выбивки кокиль раскрывают (рис. 7.г) и протягивают вниз металлический
стержень 4. Отливка 7 удаляется манипулятором из кокиля (рис. 7.д).
Отливки простой конфигурации изготовляют в неразъемных кокилях, несложные отливки с небольшими выступами и впадинами на наружной поверхности – в кокилях с вертикальным разъемом.
Крупные, простые по конфигурации отливки получают в кокилях с горизонтальным разъемом. При
изготовлении сложных отливок применяют кокили с комбинированным разъемом.
Расплавленный металл в форму подводят сверху, снизу (сифоном), сбоку. Для удаления воздуха и
газов по плоскости разъема прорезают вентиляционные каналы.
Все операции технологического процесса литья в кокиль механизированы и автоматизированы. Используют однопозиционные и многопозиционные автоматические кокильные машины.
Литье в кокиль применяют в массовом и серийном производствах для изготовления отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов с толщиной стенки 3…100 мм, массой от нескольких граммов
до нескольких сотен килограммов.
Литье в кокиль позволяет сократить или избежать расхода формовочных и стержневых смесей, трудоемких операций формовки и выбивки форм, повысить точность размеров и снизить шероховатость
поверхности, улучшить механические свойства.
Недостатки кокильного литья: высокая трудоемкость изготовления кокилей, их ограниченная стойкость, трудность изготовления сложных по конфигурации отливок.
Технико–экономические характеристики и область применения
Изготовление отливок центробежным литьем
При центробежном литье сплав заливается во вращающиеся формы. Формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.
Центробежным литьем изготовляют отливки в металлических, песчаных, оболочковых формах и
формах для литья по выплавляемым моделям на центробежных машинах с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Металлические формы изложницы изготовляют из чугуна и стали. Толщина изложницы в 1,5…2 раза
больше толщины отливки. В процессе литья изложницы снаружи охлаждают водой или воздухом.
На рабочую поверхность изложницы наносят теплозащитные покрытия для увеличения срока их
службы. Перед работой изложницы нагревают до 200 0C.
Схемы процессов изготовления отливок центробежным литьем представлены на рис. 8.
Рис. 8. Схемы процессов изготовления отливок центробежным литьем
При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вертикальной оси (рис. 8.а) металл
из ковша 4 заливают во вращающуюся форму 2, укрепленную на шпинделе 1, который вращается от
электродвигателя.
Под действием центробежных сил металл прижимается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания отливки. После остановки формы отливка 3 извлекается.
Отливки имеют разностенность по высоте – более толстое сечение в нижней части. Применяют для
получения отливок небольшой высоты – коротких втулок, колец, фланцев.
При получении отливок типа тел вращения большой длины (трубы, втулки) на машинах с горизонтальной осью вращения (рис. 8.б) изложницу 2 устанавливают на опорные ролики 7 и закрывают кожухом 6. Изложница приводится в движение электродвигателем 1. Расплавленный металл из ковша 4
заливают через желоб 3, который в процессе заливки металла перемещается, что обеспечивает получение равностенной отливки 5. Для образования раструба трубы используют песчаный или оболочковый стержень 8. После затвердевания металла готовую отливку извлекают специальным приспособлением.
Скорость вращения формы зависит от диаметра отливки и плотности сплава, определяется по формуле:
,
где:
– плотность сплава;
– внутренний радиус отливки.
Центробежным литьем изготавливают отливки из чугуна, стали, сплавов титана, алюминия, магния и
цинка (трубы, втулки, кольца, подшипники качения, бандажи железнодорожных и трамвайных вагонов).
Масса отливок от нескольких килограммов до 45 тонн. Толщина стенок от нескольких миллиметров
до 350 мм. Центробежным литьем можно получить тонкостенные отливки из сплавов с низкой текучестью, что невозможно сделать при других способах литья.
Недостаток: наличие усадочной пористости, ликватов и неметаллических включений на внутренних
поверхностях; возможность появления дефектов в виде продольных и поперечных трещин, газовых
пузырей.
Преимущества – получение внутренних полостей трубных заготовок без применения стержней, экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы, возможность получения двухслойных заготовок, что получается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь – чугун, чугун – бронза).
Используют автоматические и многопозиционные карусельные машины с управлением от ЭВМ.
Технико–экономические характеристики и область применения
Лекция 6. Методы литья (продолжение). Качество отливок, автоматизация и механизация
процессов получения отливок
Литье под давлением
Литьем под давлением получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осуществляют под давлением.
Отливки получают на машины литья под давлением с холодной или горячей камерой прессования. В
машинах с холодной камерой прессования камеры прессования располагаются либо горизонтально,
либо вертикально.
На машинах с горизонтальной холодной камерой прессования (рис. 9) расплавленный металл заливают в камеру прессования 4 (рис. 9.а). Затем металл плунжером 5, под давлением 40…100 МПа, подается в полость пресс-формы (рис.9.б), состоящей из неподвижной 3 и подвижной 1 полуформ.
Внутреннюю полость в отливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма
раскрывается, стержень 2 извлекается (рис. 9.в) и отливка 7 выталкивателями 6 удаляется из рабочей
полости пресс-формы.
Рис. 9. Технологические операции изготовления отливок на машинах с горизонтальной холодной камерой прессования
Перед заливкой пресс-форму нагревают до 120…320 °C. После удаления отливки рабочую поверхность пресс-формы обдувают воздухом и смазывают специальными материалами для предупреждения приваривания отливки. Воздух и газы удаляются через каналы, расположенные в плоскости
разъема пресс-формы или вакуумированием рабочей полости перед заливкой металла. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов
массой до 45 кг.
На машинах с горячей камерой прессования (рис. 10) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера 3 металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстие перекрывается, сплав
под давлением 10…30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного металла сливаются в камеру прессования, а отливка удаляется из пресс-формы выталкивателями 6.
Получают отливки из цинковых и магниевых сплавов массой от нескольких граммов до 25 кг.
Рис. 10. Схема изготовления отливки на машинах с горячей камерой прессования
При литье под давлением температура заливки сплава выбирается на 10…20 °C выше температуры
плавления.
Литье под давлением используют в массовом и крупносерийном производствах отливок с минимальной толщиной стенок 0,8 мм, с высокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности,
за счет тщательного полирования рабочей полости пресс-формы, без механической обработки или с
минимальными припусками, с высокой производительностью процесса.
Недостатки: высокая стоимость пресс-формы и оборудования, ограниченность габаритных размеров
и массы отливок, наличие воздушной пористости в массивных частях отливки.
Технико–экономические характеристики и область применения
Изготовление отливок электрошлаковым литьем
Сущность процесса электрошлакового литья заключается в переплаве расходуемого электрода в водоохлаждаемой металлической форме (кристаллизаторе).
При этом операции расплавления металла, его заливка и выдержка отливки в форме совмещены по
месту и времени.
Схема изготовления отливок электрошлаковым литьем представлена на рис. 11.
Рис. 11. Схема изготовления отливок электрошлаковым литьем
В качестве расходуемого электрода используется прокат. В кристаллизатор 6 заливают расплавленный шлак 4 (фторид кальция или смесь на его основе), обладающий высоким электро - сопротивлением. При пропускании тока через электрод 7 и затравку 1 выделяется значительное количество теплоты, и шлаковые ванна нагревается до 1700 ?C, происходит оплавление электрода. Капли расплавленного металла проходят через расплавленный шлак и образуют под ним металлическую ванну 3.
Она в водоохлаждаемой форме затвердевает последовательно, образуя плотную без усадочных дефектов отливку 2. Внутренняя полость образуется металлической вставкой 5.
Расплавленный шлак способствует удалению кислорода, снижению содержания серы и неметаллических включений, поэтому получают отливки с высокими механическими и эксплуатационными
свойствами.
Изготавливаются отливки ответственного назначения массой до 300 тонн: корпуса клапанов и задвижек атомных и тепловых электростанций, коленчатые валы судовых двигателей, корпуса сосудов
сверхвысокого давления, ротора турбогенераторов.
Технико–экономические характеристики и область применения
Изготовление отливок непрерывным литьем
При непрерывном литье (рис. 12) расплавленный металл из металлоприемника 1 через графитовую
насадку 2 поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 3 и затвердевает в виде отливки 4, которая
вытягивается специальным устройством 5. Длинные отливки разрезают на заготовки требуемой длины.
Используют при получении отливок с параллельными образующими из чугуна, медных, алюминиевых сплавов. Отливки не имеют неметаллических включений, усадочных раковин и пористости, благодаря созданию направленного затвердевания отливок.
Технико–экономические характеристики и область применения
Рис. 12. Схема непрерывного литья (а) и разновидности получаемых отливок (б)
Качество отливок. Автоматизация и механизация процессов получения отливок
Дефекты отливок по внешним признакам подразделяют: на наружные (песчаные раковины, перекос
недолив); внутренние (усадочные и газовые раковины, горячие и холодные трещины),
Песчаные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы и других причин.
Перекос – смещение одной части отливки относительно другой, возникающее в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной установке стержня.
Недолив – некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низкой температурой заливки, недостаточной жидкотекучести, недостаточным сечением элементов литниковой системы.
Усадочные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки с шероховатой поверхностью
и грубокристаллическим строением.
Возникают при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной конструкции отливки,
заливки перегретым металлом, неправильная установка прибылей.
Газовые раковины – открытые или закрытые пустоты с чистой и гладкой поверхностью, которая возникает из-за недостаточной газопроницаемости формы и стержней, повышенной влажности формовочных смесей и стержней, насыщенности расплавленного металла газами.
Трещины горячие и холодные – разрывы в теле отливки, возникающие при заливке чрезмерно перегретым металлом, из-за неправильной конструкции литниковой системы, неправильной конструкции
отливок, повышенной неравномерной усадки, низкой податливости форм и стержней.
Методы обнаружения дефектов
Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром после извлечения отливки из формы или после очистки.
Внутренние дефекты определяют радиографическими или ультразвуковыми методами дефектоскопии.
При использовании радиографических методов (рентгенография, гаммаграфия) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта,
размеры и глубину его залегания.
При ультразвуковом контроле ультразвуковая волна, проходящая через стенку отливки при встрече с
границей дефекта (трещиной, раковиной) частично отражается. По интенсивности отражения волны
судят о наличие, размерах и глубине залегания дефекта.
Трещины выявляют люминесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией.
Автоматизация и механизация процессов получения отливок.
Лекция 7. Технология обработки металлов давлением. Физико-механические основы обработки металлов давлением.
Технология обработки давлением. Общие сведения
Обработкой давлением называются процессы получения заготовок или деталей машин силовым
воздействием инструмента на исходную заготовку из исходного материала.
Пластическое деформирование при обработке давлением, состоящее в преобразовании заготовки
простой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии.
Обработкой давлением получают не только заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла, надежность работы изделия.
Высокая производительность обработки давлением, низкая себестоимость и высокое качество продукции привели к широкому применению этих процессов.
Классификация процессов обработки давлением
Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных
схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходная заготовка может быть объемным телом, прутком, листом.
По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:
– для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления деталей – прокатка, волочение, прессование;
– для получения деталей или заготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и
формам готовых деталей, требующих механической обработки для придания им окончательных размеров и заданного качества поверхности – ковка, штамповка.
Основными схемами деформирования объемной заготовки являются:
– сжатие между плоскостями инструмента – ковка;
– ротационное обжатие вращающимися валками – прокатка;
– затекание металла в полость инструмента – штамповка;
– выдавливание металла из полости инструмента – прессование;
– вытягивание металла из полости инструмента – волочение.
Характер пластической деформации зависит от соотношения процессов упрочнения и разупрочнения. Губкиным С. И. предложено различать виды деформации и, соответственно, виды обработки
давлением.
Горячая деформация – деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные
зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Деформация имеет место при температурах выше температуры начала рекристаллизации.
Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью процесса рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее недостаточна по сравнению со скоростью деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные
остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.
При неполной холодной деформации рекристаллизация не происходит, но протекают процессы возврата. Температура деформации несколько выше температуры возврата, а скорость деформации
меньше скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, интенсивность
упрочнения снижается.
При холодной деформации разупрочняющие процессы не происходят. Температура холодной деформации ниже температуры начала возврата.
Холодная и горячая деформации не связаны с деформацией с нагревом или без нагрева, а зависят
только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения. Поэтому, например, деформация
свинца, олова, кадмия и некоторых других металлов при комнатной температуре является с этой
точки зрения горячей деформацией.
Технологические свойства
При выборе металла или сплава для изготовления изделия различными способами обработки давлением учитывается способность материала к данному методу обработки.
Ковкость – свойство металла изменять свою форму под действием ударов или давления, не разрушаясь.
Степень ковкости зависит от многих параметров. Наиболее существенным из них является пластичность, характеризующая способность материала деформироваться без разрушения. Чем выше пластичность материала, тем большую степень суммарного обжатия он выдерживает.
В условиях обработки металлов давлением на пластичность влияют многие факторы: состав и структура деформируемого металла, характер напряженного состояния при деформации, неравномерность
деформации, скорость деформации, температура деформации и др. Изменяя те или иные факторы,
можно изменять пластичность.
Состав и структура металла. Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние
оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура
плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит
к потере пластичности.
Пластичность зависит от структурного состояния металла, особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных усло-
виях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.
Характер напряженного состояния. Один и тот же материал проявляет различную пластичность при
изменении схемы напряженного состояния. Еще в 1912 году немецкий ученый Карман осаживал образцы из мрамора и песчаника, помещенные в толстостенный цилиндр, в который нагнетался глицерин под давлением до 170 МН/м2. Деформация происходила при схеме всестороннего сжатия. В результате остаточная деформация образцов составила 9 %, в дальнейшем удалось достигнуть деформации в 78 %. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Появление в схеме растягивающих напряжений снижает пластичность.
Самая низкая пластичность наблюдается при схеме всестороннего растяжения.
Неравномерность деформации. Чем больше неравномерность деформации, тем ниже пластичность.
Неравномерность деформации вызывает появление дополнительных напряжений. Растягивающие
напряжения всегда снижают пластичность и способствуют хрупкому разрушению. Кроме того, неравномерность напряженного состояния понижает механическую прочность материала, так как
напряжения от внешней нагрузки суммируется с остаточными растягивающими напряжениями, то
разрушение наступает при меньшей нагрузке.
Скорость деформации. С повышением скорости деформации в условиях горячей деформации пластичность снижается. Имеющаяся неравномерность деформации вызывает дополнительные напряжения, которые снимаются только в том случае, если скорость разупрочняющих процессов не меньше скорости деформации.
Влияние температуры. Качественная зависимость пластичности от температуры представлена на
рис. 13.
Рис. 13. Влияние температуры на пластичность сталей
Влияние температуры неоднозначно. Малоуглеродистые и среднеуглеродистые стали, с повышением
температуры, становятся более пластичными (1). Высоколегированные стали имеют большую пластичность в холодном состоянии (2). Для шарикоподшипниковых сталей пластичность практически
не зависит от температуры (3) . Отдельные сплавы могут иметь интервал повышенной пластичности
(4). Техническое железо в интервале 800…1000 0С характеризуется понижением пластических
свойств (5). При температурах, близких к температуре плавления пластичность резко снижается изза возможного перегрева и пережога.
Влияние обработки металлов давлением на структуру и свойства металлов, и эксплуатационные характеристики деталей
Лекция 8. Нагрев металлов перед обработкой давлением. Прокатка.
При нагреве металла с повышением температуры уменьшается его временное сопротивление, а относительное удлинение увеличивается. Таким образом, при деформации стали, нагретой, например, до
1200°С, можно достичь большего формоизменения при меньшем приложенном усилии, чем при деформировании ненагретой стали. Все металлы и сплавы имеют тенденцию к увеличению пластичности и уменьшению сопротивления деформированию при повышении температуры в случае выполнения ряда требований, предъявляемых к процессу нагрева. Так, каждый металл должен быть нагрет до
вполне определенной максимальной температуры. Если нагреть, например, сталь до температуры,
близкой к температуре плавления, наступает пережог, выражающийся в появлении хрупкой пленки
между зернами металла вследствие окисления их границ. При этом происходит полная потеря пластичности. Пережог исправить нельзя, пережженный металл может быть отправлен только на переплавку.
Ниже температуры пережога находится зона перегрева. Явление перегрева заключается в резком росте размеров зерен. Вследствие того, что крупнозернистой первичной кристаллизации (аустенит), как
правило, соответствует крупнозернистая вторичная кристаллизация (феррит + перлит или перлит +
цементит), механические свойства изделия, полученного обработкой давлением из перегретой заготовки, оказываются низкими. Брак по перегреву в большинстве случаев можно исправить отжигом.
Однако для некоторых сталей (например, хромоникелевых) исправление перегретого металла сопряжено со значительными трудностями, и простой отжиг оказывается недостаточным.
Максимальную температуру нагрева, т. е. температуру начала горячей обработки давлением, следует
назначать такой, чтобы не было пережога и перегрева. В процессе обработки нагретый металл обычно остывает, соприкасаясь с более холодным инструментом и окружающей средой. Заканчивать горячую обработку давлением следует также при вполне определенной температуре, ниже которой
пластичность вследствие упрочнения (рекристаллизация не успевает произойти) падает и в изделии
возможно образование трещин. Но при высоких температурах заканчивать деформирование нецелесообразно (особенно для сплавов, не имеющих фазовых превращений). В этом случае после деформирования зерна успевают вырасти и получается крупнозернистая структура, характеризующаяся низкими механическими свойствами.
Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. Например, алюминиевый сплав АК4 470—350 °С; медный сплав БрАЖМц 900—750
°С; титановый сплав ВТ8 1100—900 °С. Для углеродистых сталей температурный интервал нагрева
можно определить по диаграмме состояния (см. разд. 1) в зависимости от содержания углерода.
Например, для стали 45 температурный интервал 1200—750 °С, а для стали У10 1100—850 °С.
Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до требуемой температуры. Разность
температур по сечению заготовки приводит к тому, что вследствие теплового расширения между более нагретыми поверхностными слоями металла и менее нагретыми внутренними слоями возникают
напряжения. Последние тем больше, чем больше разность температур по сечению заготовки, и может возрасти настолько, что в центральной зоне с растягивающими напряжениями при низкой пластичности металла образуются трещины. Разность температур по сечению увеличивается с повышением скорости нагрева, поэтому существует допустимая скорость нагрева. Наибольшее время требуется для нагрева крупных заготовок из высоколегированных сталей из-за их низкой теплопроводности. Например, время нагрева слитка массой ~ 40 т. из легированной стали составляет более 24 ч.
Однако с увеличением времени нагрева увеличивается окисление поверхности металла, так как при
высоких температурах металл активнее химически взаимодействует с кислородом воздуха. В результате на поверхности, например, стальной заготовки образуется окалина—слой, состоящий из оксидов железа: Fe2O3, Fe3O4, FeO. Кроме потерь металла с окалиной, последняя, вдавливаясь в поверхность заготовки при деформировании, вызывает необходимость увеличения припусков на механическую обработку. Окалина увеличивает износ деформирующего инструмента, так как ее твердость значительно больше твердости горячего металла.
При высоких температурах на поверхности стальной заготовки интенсивно окисляется не только железо, но и углерод: происходит так называемое обезуглероживание. Толщина обезуглероженного
слоя в отдельных случаях достигает 1,5—2 мм.
Для уменьшения окисления заготовки нагревают в нейтральной или восстановительной атмосфере.
Повышение эффективности нагревательных устройств. Понятие о механизации и автоматизации
нагревательных устройств.
Прокат и его производство
Прокатка – это способ обработки пластическим деформированием – наиболее распространённый.
Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. Способ
зародился в XVIII веке и, претерпев значительное развитие, достиг высокого совершенства.
Сущность процесса: заготовка обжимается (сдавливается), проходя в зазор между вращающимися
валками, при этом, она уменьшается в сво¨м поперечном сечении и увеличивается в длину. Форма
поперечного сечения называется профилем.
Способы прокатки
Когда требуется высокая прочность и пластичность, применяют заготовки из сортового или специального проката. В процессе прокатки литые заготовки подвергают многократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего повышается плотность материала за сч¨т залечивания литейных дефектов, пористости, микротрещин. Это придает заготовкам из проката высокую прочность
и герметичность при небольшой их толщине.
Существуют три основных способа прокатки, имеющих определенное отличие по характеру выполнения деформации: продольная, поперечная, поперечно – винтовая (рис. 14).
Рис. 14. Схемы основных видов прокатки:
а – продольная; б – поперечная; в – поперечно – винтовая
При продольной прокатке деформация осуществляется между вращающимися в разные стороны валками (рис. 14 а). Заготовка втягивается в зазор между валками за счет сил трения. Этим способом изготавливается около 90 % проката: весь листовой и профильный прокат.
Поперечная прокатка (рис. 14.б). Оси прокатных валков и обрабатываемого тела параллельны или
пересекаются под небольшим углом. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка круглого сечения – в противоположном.
В процессе поперечной прокатки обрабатываемое тело удерживается в валках с помощью специального приспособления. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения
обеспечивается профилировкой валков и изменением расстояния между ними. Данным способом
производят специальные периодические профили, изделия представляющие тела вращения – шары,
оси, шестерни.
Поперечно – винтовая прокатка (рис. 14.в). Валки, вращающиеся в одну сторону, установлены под
углом друг другу. Прокатываемый металл получает ещ¨ и поступательное движение. В результате
сложения этих движений каждая точка заготовки движется по винтовой линии. Применяется для получения пустотелых трубных заготовок.
Технико–экономические показатели производства отдельных видов проката.
Лекция 9. Прессование и волочение
Прессование
Прессование – вид обработки давлением, при котором металл выдавливается из замкнутой полости
через отверстие в матрице, соответствующее сечению прессуемого профиля.
Это современный способ получения различных профильных заготовок: прутков диаметром 3…250
мм, труб диаметром 20…400 мм с толщиной стенки 1,5…15 мм, профилей сложного сечения сплошных и полых с площадью поперечного сечения до 500 см2.
Впервые метод был научно обоснован академиком Курнаковым Н. С. в 1813 году и применялся
главным образом для получения прутков и труб из оловянисто-свинцовых сплавов. В настоящее
время в качестве исходной заготовки используют слитки или прокат из углеродистых и легированных сталей, а также из цветных металлов и сплавов на их основе (медь, алюминий, магний, титан,
цинк, никель, цирконий, уран, торий).
Технологический процесс прессования включает операции:
подготовка заготовки к прессованию (разрезка, предварительное обтачивание на станке, так
как качество поверхности заготовки оказывает влияние на качество и точность профиля);
нагрев заготовки с последующей очисткой от окалины; укладка заготовки в контейнер; непосредственно процесс прессования; отделка изделия (отделение пресс-остатка, разрезка).
Прессование производится на гидравлических прессах с вертикальным или горизонтальным расположением плунжера, мощностью до 10 000 т.
Применяются две метода прессования: прямой и обратный (рис. 15.)
При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы
происходят в одном направлении. При прямом прессовании требуется прикладывать значительно
большее усилие, так как часть его затрачивается на преодоление трения при перемещении металла
заготовки внутри контейнера. Пресс-остаток составляет 18…20 % от массы заготовки (в некоторых
случаях – 30…40 %). Но процесс характеризуется более высоким качеством поверхности, схема
прессования более простая.
Рис. 15. Схема прессования прутка прямым (а) и обратным (б) методом
1 – готовый пруток; 2 – матрица; 3 – заготовка; 4 - пуансон
При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение металла из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансона, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей. Обратное прессование
требует меньших усилий, пресс-остаток составляет 5…6 %. Однако меньшая деформация приводит к
тому, что прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла. Конструктивная схема
более сложная
Процесс прессования характеризуется следующими основными параметрами: коэффициентом вытяжки, степенью деформации и скоростью истечения металла из очка матрицы.
К основным преимуществам процесса относятся:
· возможность обработки металлов, которые из-за низкой пластичности другими методами обработать невозможно;
· возможность получения практически любого профиля поперечного сечения;
· получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой
только матрицы;
· высокая производительность, до 2…3 м/мин.
Недостатки процесса :
· повышенный расход металла на единицу изделия из-за потерь в виде пресс-остатка;
· появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических свойств по длине и поперечному сечению изделия;
· высокая стоимость и низкая стойкость прессового инструмента;
· высокая энергоемкость.
Технико–экономические показатели получения изделий методом прессования
Волочение
Сущность процесса волочения заключается в протягивании заготовок через сужающееся отверстие
(фильеру) в инструменте, называемом волокой. Конфигурация отверстия определяет форму получаемого профиля. Схема волочения представлена на рис. 16.
Рис.16. Схема волочения
Волочением получают проволоку диаметром 0,002…4 мм, прутки и профили фасонного сечения,
тонкостенные трубы, в том числе и капиллярные. Волочение применяют также для калибровки сечения и повышения качества поверхности обрабатываемых изделий. Волочение чаще выполняют при
комнатной температуре, когда пластическую деформацию сопровождает наклеп, это используют для
повышения механических характеристик металла, например, предел прочности возрастает в 1,5…2
раза.
Исходным материалом может быть горячекатаный пруток, сортовой прокат, проволока, трубы. Волочением обрабатывают стали различного химического состава, цветные металлы и сплавы, в том
числе и драгоценные.
Основной инструмент при волочении – волоки различной конструкции. Волока работает в сложных
условиях: большое напряжение сочетается с износом при протягивании, поэтому их изготавливают
из твердых сплавов. Для получения особо точных профилей волоки изготавливают из алмаза. Конструкция инструмента представлена на рис. 17.
Рис.17. Общий вид волоки
Волока 1 закрепляется в обойме 2. Волоки имеют сложную конфигурацию, ее составными частями
являются: заборная часть I, включающая входной конус и смазочную часть; деформирующая часть II
с углом в вершине (6…18 0 – для прутков, 10…24 0 – для труб); цилиндрический калибрующий
поясок III длиной 0,4…1 мм; выходной конус IV.
Технологический процесс волочения включает операции:
предварительный отжиг заготовок для получения мелкозернистой структуры металла и повышения его пластичности; травление заготовок в подогретом растворе серной кислоты для
удаления окалины с последующей промывкой, после удаления окалины на поверхность наносят подсмазочный слой путем омеднения, фосфотирования, известкования, к слою хорошо
прилипает смазка и коэффициент трения значительно снижается; волочение, заготовку последовательно протягивают через ряд постепенно уменьшающихся отверстий; отжиг для
устранения наклепа: после 70…85 % обжатия для стали и 99 % обжатия для цветных металлов ; отделка готовой продукции (обрезка концов, правка, резка на мерные длины и др.)
Технологический процесс волочения осуществляется на специальных волочильных станах. В зависимости от типа тянущего устройства различают станы: с прямолинейным движением протягиваемого металла (цепной, реечный); с наматыванием обрабатываемого металла на барабан (барабанный).
Станы барабанного типа обычно применяются для получения проволоки. Число барабанов может
доходить до двадцати. Скорость волочения достигает 50 м/с.
Технико-экономические показатели работы волочильных станов.
ЛЕКЦИЯ 10. Ковка. Горячая и холодная объемная штамповка.
Ковка
Ковка – способ обработки давлением, при котором деформирование нагретого (реже холодного) металла осуществляется или многократными ударами молота или однократным давлением пресса.
Формообразование при ковке происходит за счет пластического течения металла в направлениях,
перпендикулярных к движению деформирующего инструмента. При свободной ковке течение металла ограничено частично, трением на контактной поверхности деформируемый металл – поверхность инструмента: бойков плоских или фигурных, подкладных штампов.
Ковкой получают разнообразные поковки массой до 300 т.
Первичной заготовкой для поковок являются:
слитки, для изготовления массивных крупногабаритных поковок; прокат сортовой горячекатаный простого профиля (круг, квадрат).
Ковка может производиться в горячем и холодном состоянии.
Холодной ковке поддаются драгоценные металлы – золото, серебро; а также медь. Технологический
процесс холодной ковки состоит из двух чередующихся операций: деформации металла и рекристаллизационного отжига. В современных условиях холодная ковка встречается редко, в основном в
ювелирном производстве.
Горячая ковка применяется для изготовления различных изделий, а также инструментов: чеканов,
зубил, молотков и т. п.
Материалом для горячей ковки являются малоуглеродистые стали, углеродистые инструментальные
и некоторые легированные стали. Каждая марка стали имеет определенный интервал температур
начала и конца ковки, зависящий от состава и структуры обрабатываемого металла.
Технико-экономические показатели производства поковок методом свободной ковки.
Горячая объемная штамповка
Объемной штамповкой называют процесс получения поковок, при котором формообразующую полость штампа, называемую ручьем, принудительно заполняют металлом исходной заготовки и перераспределяют его в соответствии с заданной чертежом конфигурацией.
Применение объемной штамповки оправдано при серийном и массовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной
ковки.
Объемную штамповку осуществляют при разных температурах исходной заготовки и, в соответствии с температурой, делят на холодную и горячую. Наиболее широкое распространение получила
горячая объемная штамповка (ГОШ), которую ведут в интервале температур, обеспечивающих снятие упрочнения.
Исходным материалом для горячей объемной штамповки являются сортовой прокат, прессованные
прутки, литая заготовка, в крупносерийном производстве – периодический прокат, что обеспечивает
сокращение подготовительных операций.
Формообразование при горячей объемной штамповке
Основная операция ГОШ может быть выполнена за один или несколько переходов. При каждом переходе формообразование осуществляется специальной рабочей полостью штампа – ручьем (гравюрой). Переходы и ручьи делятся на две группы: заготовительные и штамповочные. Схема технологического процесса получения сложной заготовки в нескольких ручьях представлена на рис.18.
Рис. 18. Стадии получения сложной поковки в нескольких ручьях
1 – черновой ручей; 2 – подкатной ручей; 3 – протяжной ручей; 4 – чистовой ручей, 5 – гибочный ручей
Заготовительные ручьи предназначены для фасонирования в штампах.
Фасонирование – перераспределение металла заготовки с целью придания ей формы, обеспечивающей последующую штамповку с малым отходом металла.
К заготовительным ручьям относятся протяжной, подкатной, гибочный и пережимной, а также площадка для осадки.
Протяжной ручей предназначен для увеличения длины отдельных участков заготовки за счет
уменьшения площади их поперечного сечения, выполняемого воздействием частых слабых ударов с
кантованием заготовки.
Подкатной ручей служит для местного увеличения сечения заготовки (набора металла) за счет
уменьшения сечения рядом лежащих участков, то есть для распределения объема металла вдоль оси
заготовки в соответствии с распределением его в поковке. Переход осуществляется за несколько
ударов с кантованием.
Пережимной ручей предназначен для уменьшения вертикального размера заготовки в местах, требующих уширения. Выполняется за 1…3 удара.
Гибочный ручей применяют только при штамповке поковок, имеющих изогнутую ось. Служит для
придания заготовке формы поковки в плоскости разъема. Из гибочного ручья в следующий заготовку передают с поворотом на 90 0.
При штамповке поковок, имеющих в плане форму окружности или близкую к ней, часто применяют
осадку исходной заготовки до требуемых размеров по высоте и диаметру. Для этого на плоскости
штампа предусматривают площадку для осадки.
Штамповочные ручьи предназначены для получения готовой поковки. К штамповочным ручьям относятся черновой (предварительный) и чистовой (окончательный).
Черновой ручей предназначен для максимального приближения формы заготовки к форме поковки
сложной конфигурации. Глубина ручья несколько больше, а поперечные размеры меньше, чем у чистового ручья (чтобы заготовка свободно укладывалась в чистовой ручей). Радиусы скругления и
уклоны увеличиваются. В открытых штампах черновой ручей не имеет облойной канавки. Применяется для снижения износа чистового ручья, но может отсутствовать.
Чистовой ручей служит для получения готовой поковки, имеет размеры «горячей поковки», то есть
больше, чем у холодной поковки, на величину усадки. В открытых штампах по периметру ручья
предусмотрена облойная канавка, для приема избыточного металла. Чистовой ручей расположен в
центре штампа, так как в нем возникают наибольшие усилия при штамповке.
Технологический процесс ГОШ отличается значительным разнообразием и определяется выбором
самого изделия и применяемым оборудованием.
Технологический процесс зависит от формы поковки. По форме в плане поковки делятся на две
группы: диски и поковки удлиненной формы.
К первой группе относятся круглые или квадратные поковки, имеющие сравнительно небольшую
длину: шестерни, диски, фланцы, ступицы, крышки и др. Штамповка таких поковок производится
осадкой в торец исходной заготовки с применением только штамповочных переходов.
Ко второй группе относятся поковки удлиненной формы: валы, рычаги, шатуны и др. Штамповка
таких поковок производится протяжкой исходной заготовки (плашмя). Перед окончательной штамповкой таких поковок в штамповочных ручьях требуется фасонирование исходной заготовки в заготовительных ручьях штампа, свободной ковкой или на ковочных вальцах.
Так как характер течения металла в процессе штамповки определяется типом штампа, то этот признак можно считать основным для классификации способов штамповки. В зависимости от типа
штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах (рис. 19).
Рис. 19. Схемы штамповки в открытых и закрытых штампах: 1 – облойная канавка
Штамповка в открытых штампах (рис.19.а) характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла – облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет
не предъявлять высокие требования к точности заготовок по массе. Штамповкой в открытых штампах можно получить поковки всех типов.
Штамповка в закрытых штампах (рис.19.б) характеризуется тем, что полость штампа в процесс
деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа постоянный и небольшой, образование в нем облоя не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит
от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а
верхняя – выступ (на прессах), или верхняя – полость, а нижняя – выступ (на молотах). Закрытый
штамп может иметь две взаимно перпендикулярные плоскости разъема (рис. 19.в).
При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и
поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер
поковки по высоте будет больше требуемого. Отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность.
Существенное преимущество штамповки в закрытых штампах – уменьшение расхода металла из-за
отсутствия облоя. Поковки имеют более благоприятную структуру, так как волокна обтекают контур
поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой. Металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших сжимающих напряжениях, это позволяет получать
большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.
Технологический процесс горячей объемной штамповки
Технологический процесс изготовления поковки включает следующие операции: отрезка проката на
мерные заготовки, нагрев, штамповка, обрезка облоя и пробивка пленок, правка, термическая обработка, очистка поковок от окалины, калибровка, контроль готовых поковок.
Перед штамповкой заготовки должны быть нагреты равномерно по всему объему до заданной температуры. При нагреве должны быть минимальными окалинообразование (окисление) и обезуглероживание поверхности заготовки. Используются электроконтактные установки, в которых заготовка,
зажатая медными контактами, нагревается при пропускании по ней тока; индукционные установки, в
которых заготовка нагревается вихревыми токами; газовые печи, с безокислительным нагревом заготовок в защитной атмосфере.
Штамповку осуществляют в открытых и закрытых штампах. В открытых штампах получают поковки
удлиненной и осесимметричной формы. В закрытых штампах – преимущественно осесимметричные
поковки, в том числе из малопластичных материалов. Поковки простой формы штампуют в штампах
с одной полостью. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине, с изогнутой осью и
т. п. штампуют в многоручьевых штампах.
Технико-экономические показатели производства поковок методом объемной штамповки
Лекция 11. Холодная объемная штамповка. Листовая штамповка.
Холодная штамповка
Холодная штамповка производится в штампах без нагрева заготовок и сопровождается деформационным упрочнением металла.
Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения высококачественных заготовок небольших и точных из стали и цветных металлов. Она обеспечивает достаточно
высокую точность и малую шероховатость поверхности при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости изготовления изделий. Возможность осуществления холодной штамповки
и качество заготовок определяются качеством исходного материала. Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок: удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов.
Процессы холодной штамповки часто выполняют за несколько технологических переходов, постепенно приближая форму и размеры заготовок к форме и размерам готовых изделий и осуществляя
промежуточный отжиг для снятия наклепа и восстановления пластических свойств металла. В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов холодную штамповку делят на объемную и листовую.
Объемная холодная штамповка
Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных
автоматах. Основными ее разновидностями являются: высадка, выдавливание, объемная формовка,
чеканка.
Листовая штамповка
Листовая штамповка – один из видов холодной обработки давлением, при котором листовой материал деформируется в холодном или подогретом состоянии.
Листовой штамповкой изготавливаются разнообразные плоские и пространственные детали – от
мелких, массой от долей грамма и размерами в доли миллиметра (секундная стрелка часов), до средних (металлическая посуда, крышки, кронштейны) и крупных (облицовочные детали автомобилей).
Толщина заготовки при листовой штамповке обычно не более 10 мм, но иногда может превышать 20
мм, в этом случае штамповка осуществляется с предварительным подогревом до ковочных температур.
При листовой штамповке используют: низкоуглеродистые стали, пластичные легированные стали,
цветные металлы и сплавы на их основе, драгоценные металлы, а также неметаллические материалы:
органическое стекло, фетр, целлулоид, текстолит, войлок и др.
Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно, автомобилестроении, ракетостроении, самолетостроении, приборостроении, электротехнической промышленности.
Основные преимущества листовой штамповки:
возможность изготовления прочных легких и жестких тонкостенных деталей простой и
сложной формы, получить которые другими способами невозможно или затруднительно; высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить механическую обработку; сравнительная простота механизации и автоматизации процессов
штамповки, обеспечивающая высокую производительность (30 000…40 000 деталей в смену
с одной машины); хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой ли-
стовая штамповка может быть экономически выгодна и в массовом, и в мелкосерийном производствах.
Холодная листовая штамповка заключается в выполнении в определенной последовательности разделительных и формоизменяющих операций, посредством которых исходным заготовкам придают
форму и размеры детали.
Операцией листовой штамповки называется процесс пластической деформации, обеспечивающий
характерное изменение формы определенного участка заготовки.
Различают разделительные операции, в которых этап пластического деформирования обязательно
завершается разрушением, и формообразующие операции, в которых заготовка не должна разрушаться в процессе деформирования. При проектировании технологического процесса изготовления
деталей листовой штамповкой основной задачей является выбор наиболее рациональных операций и
последовательности их применения, позволяющих получить детали с заданными эксплуатационными свойствами при минимальной себестоимости и хороших условиях труда.
Все операции выполняются при помощи специальных инструментов – штампов, которые имеют различные конструкции в зависимости от назначения. Штампы состоят из рабочих элементов – матрицы
и пуансона, и вспомогательных частей – прижимов, направляющих, ограничителей и т. д. Пуансон
вдавливается в деформируемый металл или охватывается им, а матрица охватывает изменяющую
форму заготовку и пуансон.
Операции листовой штамповки
Разделительные операции предназначены или для получения заготовки из листа или ленты, или для
отделения одной части заготовки от другой. Операции могут выполняться по замкнутому или по незамкнутому контуру.
Отделение одной части заготовки от другой осуществляется относительным смещением этих частей
в направлении, перпендикулярном к плоскости заготовки. Это смещение вначале характеризуется
пластическим деформированием, а завершается разрушением.
Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных машинах – ножницах или в штампах.
Обычно ее применяют как заготовительную операции для разделения листов на полосы и заготовки
нужных размеров.
ЛЕКЦИЯ 12. Технология сварочного производства.
Сварочное производство. Сварка плавлением
Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений в результате возникновения
атомно-молекулярных связей между соединяемыми деталями при их нагреве и пластическом деформировании.
Сварные соединения можно получать двумя принципиально разными путями: сваркой плавлением и
сваркой давлением.
При сварке плавлением атомно-молекулярные связи между деталями создают, оплавляя их примыкающие кромки, так, чтобы получилась смачивающая их, общая ванна. Эта ванна затвердевает при
охлаждении и соединяет детали в одно целое. Как правило, в жидкую ванну вводят дополнительный
металл, чтобы полностью заполнить зазор между деталями, но возможна сварка и без него.
При сварке давлением обязательным является совместная пластическая деформация деталей сжатием
зоны соединения. Этим обеспечивается очистка свариваемых поверхностей от пленок загрязнений,
изменение их рельефа и образование атомно-молекулярных связей. Пластической деформации
обычно предшествует нагрев, так как с ростом температуры уменьшается значение деформации, необходимой для сварки и повышается пластичность металла.
Нагрев свариваемых деталей осуществляется разными способами: электрической дугой, газокислородным пламенем, пропусканием тока, лазером и т. д. По-разному обеспечиваются защита зоны
сварки от воздействия воздуха и ее принудительная деформация.
Существует множество технологических процессов сварки (более 70).
Сварка является наиболее важным способом получения неразъемных соединений из различных материалов, свариваются металлы и сплавы, керамика, стекло, пластмассы, разнородные материалы.
Сварка применяется во всех областях техники.
Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами
или молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо
выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов
и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния,
сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.
Указанные условия реализуются различными способами сварки путем энергетического воздействия
на материал в зоне сварки. Энергия вводится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздействия. В результате поверхностные
атомы металлов и кристаллических неметаллических материалов образуют общие для соединяемых
заготовок кристаллические решетки, а на поверхности пластмасс происходит объединение частей
молекулярных цепей.
В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды
сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.
К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой
энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).
К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической
энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).
Свариваемость — свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Свариваемость материалов оценивают степенью соответствия заданных свойств сварного соединения одноименным свойствам основного металла и их склонностью к образованию таких сварочных
дефектов, как трещины, поры, шлаковые включения и др. По этим признакам материалы разделяют
на хорошо, удовлетворительно и плохо сваривающиеся. Многие разнородные материалы, особенно
металлы с неметаллами, не вступают во взаимодействие друг с другом. Такие материалы относятся к
числу практически несваривающихся.
Свариваемость материалов в основном определяется типом и свойствами структуры, возникающей в
сварном соединении при сварке. При сварке однородных металлов и сплавов в месте соединения как
правило, образуется структура, идентичная или близкая для соединяемых заготовок. Этому случаю
соответствует xopoшая свариваемость материалов. При сварке разнородных материале в зависимости от различия их физико-химических свойств в месте соединения образуется твердый раствор с
решеткой одного n:s материалов либо химическое или интерметаллидное соединение с решеткой,
резко отличающейся от решеток исходных материалов. Механические и физические свойства твердых растворов, особенно химических или интерметаллидных соединений, могут значительно отличаться от свойств соединяемых материалов. Такие материалы относятся к удовлетворительно сваривающимся. Если образуются хрупкие и твердые структурные составляющие в сварном соединении,
то в условиях действия сварочных напряжений возможно возникновение трещин в шве или околошовной зоне. В последнем случае материалы относятся к категории плохо сваривающихся.
К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).
ЛЕКЦИЯ 13. Сварка плавлением
Дуговая сварка
Источником теплоты является электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой.
Сварочной дугой называется мощный электрический разряд между электродами, находящимися в
среде ионизированных газов и паров.
В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки
в цепь электрического тока различают следующие разновидности дуговой сварки (рис. 20):
сварка неплавящимся (графитовым или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис. 20.а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3, либо с применением присадочного металла 4; сварка плавящимся электродом
(металлическим) 1 дугой прямого действия с одновременным расплавлением основного металла и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом (рис. 20.б); сварка
косвенной дугой 5, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами, при
этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги (рис. 20.в); сварка
трехфазной дугой, при которой дуга горит между каждым электродом и основным металлом
(рис. 20.г).
Рис. 20. Схемы дуговой сварки
Разновидности дуговой сварки различают по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.
Ручная дуговая сварка.
Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают вручную в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 21) дуга 8
горит между стержнем 7 электрода и основным металлом 1.
Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя защитную газовую атмосферу 5 вокруг дуги
и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак образует твердую шлаковую
корку 2.
Рис. 21. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом
Ручная сварка позволяет выполнять швы в любых пространственных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном. Ручная сварка удобна при выполнении коротких криволинейных швов в любых пространственных положениях, при выполнении швов в труднодоступных
местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы.
Оборудование для ручной сварки: источник питания дуги, электрододержатель, гибкие провода, защитная маска или щиток.
Автоматическая дуговая сварка под флюсом.
Для сварки используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной
ванны от воздуха.
Схема автоматической дуговой сварки под флюсом представлена на рис. 22.
Рис. 22. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом
Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. Дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом
8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса
5 толщиной 30…50 мм. Часть флюса плавится и образуется жидкий шлак 4, защищающий жидкий
металл от воздуха. Качество защиты лучше, чем при ручной дуговой сварке. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва
7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу с помощью механизма подачи 2.
Ток к электроду подводят через токопровод 1.
Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.
Преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной: повышение производительности процесса сварки в 5…20 раз, повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.
Флюсы. Применяемые флюсы различают по назначению.
Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей предназначены для раскисления
шва и легирования его марганцем и кремнием. Для этого применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые получают путем сплавления марганцевой руды, кремнезема и плавикового
шпата в электропечах.
Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минимальное
окисление легирующих элементов в шве. Для этого применяют керамические низкокремнистые, безкремнистые и фторидные флюсы, которые изготавливают из порошкообразных компонентов путем
замеса их на жидком стекле, гранулирования и последующего прокаливания. Основу керамических
флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочно-земельных металлов.
Дуговая сварка в защитных газах.
При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа
(инертного – аргон, гелий; активного – углекислый газ, азот, водород).
Сварку в инертных газах можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.
В качестве неплавящегося электрода применяется пруток вольфрама, а в качестве плавящегося –
проволока из основного металла или близкого ему по химическому составу. Область применения ар-
гонодуговой сварки охватывает широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов,
элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов). Аргонодуговую
сварку применяют для легированных и высоколегированных сталей, цветных (алюминия, магния,
меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов.
Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом. Защита сварочной ванны
осуществляется углекислым газом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому металлу. При нагреве он диссоциирует на оксид углерода и кислород, который окисляет железо и легирующие элементы. Окисляющее действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца. Хорошее качество
сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.
Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегированных сталей (газо - и нефтепроводы, корпуса судов и т. п.). При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.
Преимуществами данного способа являются низкая стоимость углекислого газа и высокая производительность.
Основной недостаток – разбрызгивание металла (на зачистку расходуется 30…40% времени сварки).
Плазменная сварка
Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет собой направленный поток частиц или
полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10000…200000С. Плазму получают в
плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги. В качестве плазмообразующих газов
применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.
Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную струю, выделенную из столба
косвенной дуги и плазменную дугу, в которых дуга прямого действия совмещена с плазменной струей.
Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких
пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, и ее применяют для сварки и резки тонких металлических листов и неэлектропроводящих материалов, для напыления тугоплавки материалов.
Плазменная дуга обладает большой тепловой мощностью, имеет более широкое применение: для
сварки высоколегированной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама. Плазменную дугу
применяют для резки материалов (меди, алюминия), наплавки тугоплавких материалов на поверхность.
Плазменной дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без разделки кромок и применения
присадочного материала. Так как плазменная дуга обладает высокой стабильностью, то обеспечивается повышенное качество сварных швов. Это позволяет выполнять микроплазменную сварку металла толщиной 0,025…0,8 мм.
Недостаток плазменной сварки – недолговечность горелок.
Электрошлаковая сварка.
Сущность процесса заключается в том, что тепловую энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного металла, дает теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при прохождении через нее тока (рис. 23).
Рис. 23. Схема электрошлаковой сварки
Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении. В замкнутое пространство
между водоохлаждаемыми медными ползунами 4 и вертикально установленными кромками изделий
засыпают флюс и подают электродную проволоку 7 при помощи специального механизма подачи 6.
В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется электропроводный шлак 5. Шлак
шунтирует дугу, она гаснет, выходная цепь источника питания замыкается через шлак. Ток, проходя
через шлак, разогревает его, это приводит к раславлению кромок основного металла и электрода.
Расплав стекает вниз и образует сварочную ванну 8, выжимая шлак вверх, и затвердевает.
В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале шва – непровар кромок, в конце шва – усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой.
Преимущества: возможна сварка металла любой толщины (с 16 мм). Заготовки с толщиной до 150
мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечное колебание в плоскости стыка,
при толщине более 150 мм используются нескольких проволок. Есть опыт сварки толщиной до 2 м.
Недостаток способа – образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение термической обработки: нормализации или отжига для измельчения зерна.
Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления кованосварных и лито-сварных конструкций; станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т. п.
Лучевые способы сварки
Электронно-лучевая сварка.
Сущность процесса состоит в том, что свариваемые детали, собранные без зазора, помещают в вакуумную камеру и подают на них электродный луч – пучок электронов, движущихся с большой скоростью. При соударении с изделием электроны тормозятся, их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и расплавляет металл. Температура в месте соударения достигает 5000…6000 0С.
Перемещая электронный луч вдоль стыка, получают сварной шов.
Схема установка для электронно-лучевой сварки представлена на рис. 24.
Рис. 24. Схема установки для электронно-дуговой сварки
Электроны, испускаемые катодом 1 электронной пушки, формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20…150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность луча. Ток электронного луча невелик – от нескольких миллиампер до единиц ампер.
Процессу электронно-лучевой сварки присущи две характерные особенности:
сварка протекает в вакууме, обеспечивается получение зеркально чистой поверхности и дегазация расплавленного металла; интенсивность нагрева очень велика, что обеспечивает быстрое плавление и затвердевание металла. Шов получается мелкозернистый с высокими механическими свойствами, с минимальной шириной, что позволяет сваривать сплавы, чувствительные к нагреву.
Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких, химически активных металлов и
их сплавов (вольфрамовых, танталовых, молибденовых, ниобиевых, циркониевых), а также алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в
однородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плавления.
Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная – до 100 мм.
Лазерная сварка.
Лазерная сварка – способ сварки плавлением, при которых металл нагревают излучением лазера.
Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя. Оно возникает в результате вынужденных
скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел на более низкие энергетические уровни.
Основными параметрами режимов лазерной обработки являются мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча.
Преимуществом лазерной сварки является быстрый точечный нагрев металла до плавления. Интенсивный сосредоточенный нагрев обуславливает и чрезвычайно большую скорость охлаждения после
прекращения воздействия луча. Это позволяет свести к минимуму ширину околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации.
Механизм процессов при лазерной сварке схож с электронно-лучевой сваркой, но не обязательно вакуумировать изделие.
Лазером сваривают преимущественно толщины до 1 мм, так как коэффициент полезного действия
преобразования энергии в лазерное излучение довольно низкий.
Газовая сварка
При газовой сварке заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем 4 газовой горелки 3 (рис. 25).
Рис. 25. Схема газовой сварки
Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода.
Мощность пламени регулируют сменой наконечников горелки.
Нагрев заготовки осуществляется более плавно, чем при дуговой сварке, поэтому газовую сварку
применяют для сварки металла малой толщины (0,2…3 мм), легкоплавких цветных металлов и сплавов; металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали,
латуни); для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла снижается производительность и увеличивается деформация.
Сварка давлением
Сущность получения неразъемного сварного соединения двух заготовок в твердом состоянии состоит в сближении идеально чистых соединяемых поверхностей на расстояния (2…4) 10 – 10 см, при
которых возникают межатомные силы притяжения.
Необходимым условием получения качественного соединения в твердом состоянии являются хорошая очистка и подготовка поверхностей и наличие сдвиговых пластичных деформаций в зоне соединения в момент сварки.
Контактная сварка
Сварные соединения получаются в результате нагрева деталей проходящим через них током и последующей пластической деформации зоны соединения.
Сварка осуществляется на машинах, состоящих из источника тока, прерывателя тока и механизмов
зажатия заготовок и давления.
К деталям с помощью электродов подводят ток небольшого напряжения (3…8 В) и большой силы
(до нескольких десятков кА). Большая часть тепла выделяется в зоне контакта деталей.
По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на точечную, шовную, стыковую. Схемы контактной сварки представлены на рис. 26.
Рис. 26. Схемы контактной сварки:
а – стыковой; б – точечной; в – шовной
Стыковая контактная сварка (рис. 26.а) – способ соединения деталей по всей плоскости их касания.
Свариваемые заготовки 1 плотно зажимают в неподвижном 2 и подвижном 3 токоподводах, подключенных к вторичной обмотке сварочного трансформатора 4. Для обеспечения плотного электрического контакта свариваемые поверхности приводят в соприкосновение и сжимают. Затем включается
ток. Поверхность контакта заготовок разогревается до требуемой температуры, ток отключается,
производится сдавливание заготовок – осадка.
Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют
сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов до оплавления с последующей осадкой – сваркой
оплавлением. В результате пластической деформации и быстрой рекристаллизации в зоне образуются
рекристаллизованные зерна из материала обеих деталей.
Сварка применяется для соединения встык деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов и т.
п.
Точечная сварка (рис.26.б) – способ изготовления листовых или стержневых конструкций, позволяющий получить прочные соединения в отдельных точках.
Свариваемые заготовки 1, собранные внахлест, зажимают между неподвижным 2 и подвижным 3
электродами, подсоединенными к обмотке трансформатора 4.
Электроды изнутри охлаждаются водой, нагрев локализуется на участках соприкосновения деталей
между электродами. Получают линзу расплава требуемого размера, ток выключают, расплав затвердевает, образуется сварная точка. Электроды сжимают детали, пластически деформируя их.
Образующееся сварное соединение обладает большой прочностью и его можно применять для изготовления несущих конструкций. Этот способ широко применяют в авто - и вагоностроении, строительстве, а также при сборке электрических схем.
Шовная сварка (рис.26.в) – способ соединения деталей швом, состоящим из отдельных сварных точек.
Свариваемые заготовки 1 помещают между двумя роликами-электродами, один из электродов 2 может иметь вращательное движение, а другой 3 – вращательное движение и перемещение в вертикальном направлении. Электроды подключаются к вторичной обмотке трансформатора 4. Электроды-ролики зажимают и передвигают деталь.
Шовная сварка обеспечивает получение прочных и герметичных соединений их листового материала
толщиной до 5 мм.
Диффузионная сварка
Диффузионная сварка – способ сварки давлением в вакууме приложением сдавливающих сил при
повышенной температуре.
Свариваемые детали тщательно зачищают, сжимают, нагревают в вакууме специальным источником
тепла до температуры рекристаллизации (0,4 Тпл), и длительно выдерживают. В начальной стадии
процесса создаются условия для образования металлических связей между соединяемыми поверхностями. Низкое давление способствует удалению поверхностных пленок, а высокая температура и
давление приводят к уменьшению неровностей поверхностей и сближению их до нужного расстояния. Затем протекают процессы диффузии в металле, образуются промежуточные слои, увеличивающие прочность соединения. Соединения получают при небольшой пластической деформации. Изменение размеров мало.
Сварка может осуществляться в среде инертных и защитных газов: гелий, аргон, водород.
Способ применяется для соединения металлов, металлов и полупроводников, а также других неметаллических материалов.
Диффузионная сварка широко применяется в космической технике, в электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности.
Лекция 14. Огневая резка металлов и сплавов. Технология сварки металлов и сплавов.
Термохимическая резка металлов
В процессе резки металл из полости реза может быть удален термическим способом (расплавляется
по линии реза и вытекает) и химическим способом (окисляется, превращается в окислы и шлаки, которые также удаляются из полости реза). Оба эти процесса могут происходить одновременно. К термическому и химическому воздействию может присоединиться механическое действие струи газа,
электрода, порошка, способствующее наталкиванию жидких и размягченных продуктов из полости
реза.
Существует несколько способов резки, но в промышленности наиболее распространена газокислородная резка.
Газокислородная резка. Этот способ относится к термохимической резке и заключается в сжигании
металла в струе технически чистого кислорода и удалении этой струей образующихся окислов. При
горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты по реакции:
Рис. 27. Схема газокислородной резки
Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например,
сталь до 1000—1200 °С). На рис. 27 показан процесс газокислородной резки. Металл 3 нагревается в
начальной точке реза до температуры воспламенения специальным подогревающим ацетиленокислородным пламенем 2, затем направляется струя режущего кислорода 1, и нагретый металл начинает гореть. Горение металла сопровождается выделением теплоты, которая вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои и распространяется на всю толщину металла. Образующиеся окислы 5 в расплавленном состоянии выдуваются струей режущего кислорода из зоны реза 4. Конфигурация перемещения струи соответствует заданной форме реза. Металл будет разрешаться по заданной линии.
Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим требованиям:
1. температура его плавления должна быть выше температуры горения в кислороде;
2. температура плавления окислов металла должна быть ниже температуры его плавления;
3. количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла и кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки;
4. теплопроводность не должна быть слишком высокой, в противном случае слишком интенсивно
отводится теплота и процесс резки прерывается;
5. образующиеся окислы должны быть достаточно жидкотекучими и легко выдуваться вниз струей
режущего кислорода.
Практически указанным требованиям отвечают железо, низкоуглеродистые и низколегированные
стали.
Процесс газовой резки затрудняется при содержании в стали свыше 0,7% С, так как температура
воспламенения в связи с этим повышается и достигает температуры плавления сплава. Содержание
легирующих примесей не должно превышать 5 %, так как они способствуют образованию тугоплавких окислов.
Чугуны, медные и алюминиевые сплавы, высокохромистые и хромоникелевые стали не поддаются
нормальному процессу резки. Чугун имеет температуру горения, равную температуре плавления.
Медь и ее сплавы не режутся вследствие высокой теплопроводности и малой теплоты сгорания.
Алюминий и его сплавы и высоколегированные стали покрыты тугоплавкой пленкой окислов, поэтому процесс резки затруднен.
По характеру и направленности кислородной струи существуют три основных вида резки: разделительная, образующая сквозные разрезы; поверхностная, при которой на поверхности металла образуются канавки круглого очертания; кислородным копьем, заключающаяся в прожигании в металле
глубоких отверстий.
При разделительной резке режущая струя направлена нормально к поверхности металла и прорезает
его на всю толщину. Разделительной резкой раскраивают листовую сталь, режут профильный материал, вырезают косынки, круги, фланцы и т. п.
При поверхностной резке режущая струя направлена под очень малым углом к поверхности металла
(почти параллельно ей) и обеспечивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные дефекты отливок.
Резку кислородным копьем выполняют тонкостенной стальной трубкой (копьем), присоединенной к
рукоятке. Кислород проходит через стальную трубку, прижатую свободным концом к прожигаемому
металлу. Начинается резка с подогрева конца отливки или места реза на металле сварочной дугой
или горелкой. При пропускании кислорода конец копья быстро загорается, и дальнейший подогрев
не нужен. Копье прижимают к металлу и углубляют в него. Таким образом, выжигают отверстие
круглого сечения. Кислородным копьем прожигают летки в металлургических печах, отверстия в бетоне и т. п.
Резка может быть ручной и машинной. Для ручной резки применяют универсальный резак типа УР
со сменными мундштуками (рис. 28). В резаке конструктивно объединены подогревающая и режущая части. Подогревающая часть аналогична таковой у сварочных горелок. Режущая часть состоит
из дополнительной трубки 4 для подачи режущего кислорода. В мундштуке находятся два концентрически расположенных отверстия для выхода подогревающего пламени 1 и режущей струи 2.
Мундштук резака 3 образует прямой угол со стволом и в него впаяна трубка 4 для подачи режущего
кислорода. Газы в мундштук резака подаются с помощью вентилей.
Рис. 28. Схема газокислородного резака.
Ацетилен можно заменить более дешевыми газами: природными, светильным, парами бензина и керосина. При замене ацетилена другими газами увеличивают в резаке сечения каналов инжектора и
смесительной камеры.
Ручная резка вследствие неравномерности перемещения решит и вибрации режущей струи не обеспечивает высокого качества поверхности реза, поэтому ее затем механически обрабатывают.
Для получения реза высокого качества применяют машинную резку, которая обеспечивает равномерное перемещение резака по линии реза, строгую перпендикулярность режущей струи но отношению к разрезаемой поверхности и постоянное расстояние мундштука от поверхности металла.
Машинную резку выполняют на специальных автоматах и полуавтоматах с одним или несколькими
резаками, при вырезке прямолинейных и криволинейных фасонных заготовок — по металлическому
копиру. Копир изготовляют по чертежу вырезаемой заготовки, по ребру копира катится копирный
ролик, сообщающий соответствующее перемещение резаку.
Управление движением копирного ролика может быть ручное, механическое и электрическое. Наша
промышленность для кислородной резки выпускает машины всех типов.
Обычной кислородной резкой режут металлы толщиной 5 – 300 мм. При резке металла толщиной
более 300 мм применяют специальные резаки.
Кислородно-флюсовая резка. При этом способе в зону резки вместе с режущим кислородом вдувают
порошкообразный флюс с железной основой. При сгорании флюса в кислородной струе выделяется
дополнительное количество теплоты. Окислы железа, образующиеся при сгорании железного порошка, сплавляясь с окислами разрезаемого металла, образуют более легкоплавкий и жидкотекучий
шлак. В то же время частицы флюса, выходя из сопла резака с большой скоростью механически удаляют тугоплавкие окислы. Для получения флюса к железному порошку примешивают флюсующие
добавки, поэтому, кроме термического и механического удаления окислов, происходит флюсование,
т. е. перевод тугоплавких окислов в более легкоплавкие соединения.
Кислородно-флюсовой резкой режут металлы и сплавы, не поддающиеся обычной газовой резке,
например высокохромистые и хромоникелевые стали, чугуны, медные сплавы. Кислороднофлюсовую резку выполняют с помощью специальной аппаратуры: флюсопитателя и кислородного
резака с приспособлениями для подачи флюса. Флюс в место реза подают из бункера через инжектирующее устройство вместе с режущим кислородом по дополнительной трубке через мундштук.
Наша промышленность выпускает установки типа УФР и УРХС.
Наряду с кислородной и кислородно-флюсовой резкой в современной технике применяют термические способы резки: электрической дугой; газоэлектрическую; проникающей плазменной струей;
струей дуговой плазмы.
Дуговая электрическая резка. Эта резка основана на выплавлении металла по линии реза теплотой
электрического дугового разряда. Дуга возбуждается угольным или стальным электродом. Расплавленный металл стекает по стенкам образующегося углубления — реза под действием собственной
массы и незначительного давления дуги. Качество реза и производительность резки низкие. Этот
способ является подсобным процессом при сварочно-монтажных работах.
Воздушно-дуговая резка. При этом способе металл расплавляется дугой с неплавящимся угольным
или графитовым электродом, а расплавленный металл выдувается из полости реза потоком сжатого
воздуха, подаваемого параллельно электроду. Воздушно-дуговую резку можно выполнять во всех
пространственных положениях. Основная область ее применения — поверхностная обработка металла (различные углубления в виде канавок, снятие лишнего или дефектного металла и т. п.). Применяют разделительную воздушно-дуговую резку.
Для воздушно-дуговой резки используют специальные резаки, представляющие собой держатель
электродов; головка его имеет сопла для воздуха. Рукоятку держателя можно присоединять к токоподводящему кабелю и воздушному шлангу; она имеет устройство для пуска и выключения воздуха.
Плазменно-дуговая резка. Эту резку выполняют проникающей дугой и струей дуговой плазмы. При
резке проникающей дугой металл выплавляется из полости реза направленным потоком плазмы,
совпадающим с токоведущим столбом создающей его дуги прямого действия. Этим способом режут
толстые листы алюминия и его сплавов (до 80—120 мм), коррозионно-стойкую сталь и медные сплавы.
При резке струей дуговой плазмы используют струю свободной газовой плазмы полученной в столбе
дугового разряда независимой дуги. Плазменной струей независимой дуги режут неэлектропроводные материалы (например, керамику), тонкие стальные листы, алюминиевые и медные сплавы, жа-
ропрочные сплавы и т. д. При плазменно-дуговой резке используют аргон и его смесь с водородом
(до 35% Н2). Скорость резки зависит от толщины разрезаемого металла, параметров плазменной головки и режима. Скорость резки проникающей дугой при прочих равных условиях выше скорости
резки струей плазмы независимого действия.
Плазменную резку выполняют специальным резаком, называемым плазмотроном. Плазмотрон отличается от плазменной сварочной горелки размерами, большей электрической мощностью, большим
расходом газа, обязательным водяным охлаждением. В установку для плазменной резки, помимо
плазменной горелки, входят устройства для перемещения плазмотрона по линии реза, источники питания током, устройства для питания газом, подачи охлаждающей воды и др.
Технология сварки различных металлов и сплавов
Свариваемость металлов и сплавов
В современном машиностроении наряду с обычной низкоуглеродистой сталью широко применяют
металлы и сплавы, обладающие высокими механическими или специальными физическими свойствами, такими как жаропрочность, коррозионная стойкость и т. д. При наличии высоких эксплуатационных свойств многие из них имеют пониженную или плохую свариваемость. К таким металлам и
сплавам относятся углеродистые и легированные конструкционные и теплоустойчивые стали, высоколегированные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали, чугун, медь, алюминий, магний, тугоплавкие металлы и их сплавы. Пониженная свариваемость проявляется в изменении свойств металла
в зоне сварного соединения по сравнению с основным металлом, а также в образовании сварочных
дефектов в виде трещин, пор, неметаллических включений и т. п.
Рис. 29. Распределение твёрдости по сечению сварного соединения из закаливающейся стали 40
ХФА
Наиболее часто встречается неоднородность свойств сварного шва, зоны термического влияния и
основного металла, обусловленная различием структур, величин зерен и т. д. Например, при сварке
углеродистых и легированных сталей вследствие значительных скоростей охлаждения, характерных
для процесса сварки, металл закаливается в зоне термического влияния (рис. 29). Закаленная зона 2
имеет более высокую твердость и пониженную пластичность, чем основной металл 3 и сварной шов
1.
Следствием плохой свариваемости металлов являются трещины в сварных соединениях, которые
разделяют па горячие и холодные. Трещины образуются в процессе сварки в результате действия
сварочных напряжений в периоды времени, когда отдельные зоны сварного соединения находятся в
разупрочненном и хрупком состояниях. При сварке почти всегда возникают остаточные сварочные
напряжения, как правило, растягивающие напряжения в шве и сжимающие в основном металле.
Возникновение сварочных напряжений происходит следующим образом (рис. 30). Вследствие неравномерного разогрева изделия при сварке (рис. 30, а) свободное термическое расширение шва и
околошовной зоны ограничивается реакцией менее нагретых зон основного металла. Вместо удлинения отдельных слоев свариваемого металла по кривой α1Т происходит равномерное удлинение всей
свариваемой пластины, в результате чего первоначальная грань пластины 1 в момент максимального
разогрева занимает положение 2. Поэтому шов и прилегающая к нему зона металла при нагреве претерпевают местную пластическую деформацию сжатия, пропорциональную заштрихованной площади 3. После охлаждения (рис.30,б) контур пластины занимает положение 5, а участки сварного соединения, претерпевшие при нагреве пластическую деформацию, оказываются укороченными в соответствии с контуром 4 пропорционально заштрихованной площади 6. Поскольку они связаны с основным металлом, который пластически не деформировался и первоначальные размеры которого не
изменились, то шов и околошовная зона после сварки претерпевают растяжение. Растягивающие
напряжения (+) в шве уравновешиваются сжимающими напряжениями (–) в основном металле
(рис.30, в).
Рис. 30 Процесс возникновения сварочных напряжений при сварке пластины встык:
T = f(y) – распределение температуры по оси Оу: σх=f(x) и σx=f(y) – соответственно распределение
остаточных продольных напряжений по осям Ох и Оу.
Горячие трещины образуются в основном в сварных швах различных сплавов (рис. 31, а) в процессе
их кристаллизации. Сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются в некотором интервале
температур (Тлик – Тсол). Во время пребывания (шва в температурном интервале кристаллизации он
находится в твердо-жидком состоянии, т. е. состоит из твердых кристаллов, окруженных жидкими
прослойками. В отдельных случаях сварочные деформации и напряжения оказываются достаточными, чтобы вызвать разрушение по жидким межкристаллическим прослойкам, т. е. привести к образованию горячих трещин. Горячие трещины часто образуются в швах высоколегированных сталей,
алюминиевых и медных сплавов.
Рис. 31. Трещины в сварных соединениях:
а – горячие в шве; б – холодные в зоне термического влияния.
Рис. 32. Сварочные технологические пробы для оценки склонности металлов к образованию горячих
(а) и холодных (б) трещин при сварке:
1–4 – последовательность сварки швов; 5 – направление сварки; δ – толщина металла; b, h, l – соответственно ширина, высота и длина элементов проб.
Склонность металла к образованию горячих трещин при сварке может быть качественно оценена
сваркой образцов малой жесткости, так называемых технологических проб (рис. 32, а). Материалы, в
которых при сварке проб образовались горячие трещины, считаются склонными к образованию трещин. Один из способов количественной оценки сопротивляемости металла образованию горячих
трещин при сварке заключается в испытании сварных образцов на специальной испытательной машине (рис. 33). При испытании образцов кристаллизирующаяся сварочная ванна подвергается деформации растяжения. Скорость растяжения, вызывающая образование горячих трещин в образце,
является критической и служит количественной цепкой сопротивляемости металла сварного шва образованию трещин. Холодные трещины чаще возникают в зоне термического влияния после полного
затвердевания сварного шва в период заверения охлаждения или последующего вылеживания сварной конструкции (см. рис. 32, б). Холодные трещины часто образуются сталях перлитного и мартенситного классов, если в процессе варки происходит частичная или полная закалка металла в зоне
термического влияния. Холодные трещины возникают под действием остаточных сварочных напряжений, которые постоянно действуют в сварной конструкции. Склонность к образованию холодных
трещин увеличивается при насыщении шва водородом, который попадает в него из влажных электродных покрытий, флюсов и окружающего воздуха.
Рис. 33 Схема машины для определения сопротивления металла шва образованию горячих трещин:
1 – разрезанный образец, испытуемый в момент нахождения сварочной ванны в месте разреза; 2 –
захваты машины; 3 – механический привод
Рис. 34. Схема испытательной установки (а) для определения сопротивляемости сталей образованию
холодных трещин при сварке и схема нагружения образца (б).
Наиболее простым качественным способом определения сопротивляемости сталей образованию холодных трещин является сварка жестких технологических проб (см. 32, б). Материалы, в которых
при сварке проб образуются холодные трещины, считаются склонными к образованию трещин. Количественный метод оценки сопротивляемости сталей образованию холодных трещин при сварке
состоит в механическом испытании сварных образцов непосредственно после сварки постоянной
длительно действующей нагрузкой. В специальных установках сварные образцы небольших размеров нагружают грузами различных масс (рис. 34). Под действием груза образцы выдерживают в течение 20 ч. Минимальные напряжения в образце, при которых возникают холодные трещины, являются критическими и служат для оценки сопротивляемости сталей образованию трещин.
Почти на всех металлах и сплавах можно получать сварные соединения. Однако в отдельных случаях
для получения качественных и работоспособных сварных соединений необходимо применять сложные технологические приемы (подогрев, отжиг и т. п.). В зависимости от этого все материалы можно
подразделить на хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся. Например, к хорошо сваривающимся относятся низкоуглеродистые и низколегированные стали 25, 15Н2М, 20Х и
др., к удовлетворительно сваривающимся — стали 35, 20ХН2М, 20ХГС и др. При сварке этих сталей
необходимо строго соблюдать режим сварки, иногда их нужно подогревать до 100—150° С. К ограниченно сваривающимся относятся материалы, которые для получения качественных соединений
требуют специальных сварочных материалов, подогрева до 150—350° С, термической обработки и т.
д. К таким материалам относятся стали 45, ЗОХГСА, 30ХН2МА и др.; к плохо сваривающимся —
стали 50Г2, 40ХФА и др, которые, хотя и сваривают некоторыми способами с применением сложных
технологических приемов, одноко сварные соединения из этих сталей имеют пониженное качество.
Сварка углеродистых и легированных конструкционных сталей
Углеродистые (более 0,30% С) и легированные (легирующих элементов до 3—5%) конструкционные
стали (45, ЗОХГСА, 40ХФА и др.) применяют в состоянии закалки и отпуска как материал повышенной прочности для изготовления деталей машин и конструкций. В нормализованном состоянии
(закалка с охлаждением на воздухе) они имеют перлитную или мартенситную структуру и по этому
признаку являются сталями перлитного или мартен-ситного класса.
Стали, одновременно легированные хромом, молибденом и ванадием, относятся к теплоустойчивым
сталями (15ХМ, 15Х1М1Ф и др.). По структуре в нормализованном состоянии теплоустойчивые стали могут быть перлитного и мартенситного классов.
Электродуговую сварку углеродистых и легированных сталей выполняют электродными материалами, обеспечивающими необходимые механические свойства или теплоустойчивость наплавленного
металла. Основная трудность при сварке углеродистых и легированных сталей заключается в закалке
околошовной зоны и возможности образования холодных трещин. Для предупреждения холодных
трещин рекомендуется:
· подогревать изделия до 100—300° С для замедления охлаждения и исключения закалки сварного
соединения;
· заменять однослойную сварку многослойной; при этом сваривают валиками небольшого сечения
по
неостывшим
(ниже
100—
300° С) нижним слоям металла;
· применять для сварки основные электроды и флюсы; перед сваркой прокаливать электроды и флюсы при 400—450° С в течение нескольких часов для удаления из них влаги; сваривать на постоянном
токе обратной полярности;
· производить отпуск изделий непосредственно после сварки до 300° С и выше для повышения пластичности закаленной структуры.
Контактную точечную сварку конструкционных сталей выполняют на мягких режимах (продолжительный нагрев током и быстрое удаление заготовок из машины во избежание отвода теплоты электродами). Контактную стыковую сварку этих сталей производят методом прерывистого оплавления,
что обеспечивает подогрев деталей перед сваркой.
Сварка высокохромистых сталей
Высокохромистые стали, содержащие 12—28% Сr, обладают антикоррозионными и жаропрочными
свойствами. В зависимости от структуры в нормализованном состоянии их подразделяют на ферритные (12X17, 15Х25Т, 15X28), ферритно-мартенситные (12X13) и мартеиситные (20X13, 30X13,
40X13).
Трудности при сварке ферритных сталей связаны с охрупчи-ванием металла шва и зоны термического влияния. При нагреве до высоких температур происходит интенсивное укрупнение зерен. При замедлении охлаждения в области температур 550—400° С по границам зерен выпадают хрупкие фазы.
Для предупреждения указанных явлений при сварке этих сталей необходимо:
1) сваривать при малых погонных энергиях, т. е. применять пониженные значения тока и валики малого сечения для ускорения охлаждения при сварке;
2) отжигать после сварки при 800—900° С для растворения хрупких фаз с последующим быстрым
охлаждением. При сварке ферритно-мартенситных и мартенситных сталей возможны закалка шва и
околошовной зоны и образование холодных трещин. Для предупреждения трещин эти стали сваривают с подогревом до 200—300° С.
Сварка аустенитных хромоникелевых сталей
Введение в хромистую сталь, содержащую 18% Cr, 8%Ni переводит ее из ферритного класса в аустенитный. По сравнению с ферритными сталями аустенитные обладают более высокой коррозионной
стойкостью и жаропрочностью. При сварке коррозионно-стойких сталей типа 18-8 (18% Сr и 8% Ni)
возможно выпадение карбидов хрома по границам зерен при продолжительном пребывании металла
в зоне температур 500--800° С и возникновение склонности к межкристаллитной коррозии. Для получения коррозионно-стойких сварных соединений необходимо применять следующие меры:
·
сваривать
при
малых
погонных
энергиях
с
теплоотводящими медными подкладками и водяным охлаждением для ускорения охлаждения и сокращения времени пребывания в зоне опасных температур;
· вводить в сталь и шов сильные карбидообразующие элементы (титан, ниобий) и снижать содержание углерода с целью исключения выпадения карбидов хрома;
· закаливать после сварки с 1050°С; при этом нагрев до высокой температуры приводит к растворению карбидов хрома и получению чисто аустенитной структуры; закалка фиксирует эту структуру в
сварном соединении.
Повышение содержания хрома до 25% и никеля до 20% обеспечивает стойкость стали против коррозии в высокотемпературной газовой среде и концентрированных кислотах. При сварке аустенитных
сталей этого типа металл шва склонен к образованию крупнокристаллической первичной структуры
и возникновению горячих трещин. Для уменьшения склонности к горячим трещинам необходимо :
· применять специальную аустенитную сварочную проволоку и электроды, легированные марганцем
(Св-30Х25Н16Г7 и др.);
· сваривать на небольших токах и пониженном напряжении для получения широких и выпуклых, а
не вогнутых сварных швов.
Аустенитные хромоникелевые стали хорошо свариваются контактной сваркой. Точечную и шовную
сварку проводят на пониженных плотностях тока, так как эти стали обладают высоким удельным сопротивлением и при повышенном давлении, вследствие их значительной прочности при высоких
температурах.
Сварка чугуна
Чугун относится к категории плохо свариваемых сплавов. Его сваривают для исправления дефектов
в отливках и при ремонте деталей, получивших трещины при эксплуатации. Дуговая сварка холодного металла чугунными электродами с покрытиями пе обеспечивает хорошего качества сварных соединений. Металл шва и переходной зоны получает отбеленную структуру, а околошовная зона закаливается. Закалку и отбеленную структуру устраняют высокотемпературным продолжительным
отжигом.
Горячую сварку чугуна выполняют с предварительным подогревом свариваемых деталей до 400—
700° С. Детали подогревают в нагревательных печах и горнах с применением древесного угля и воздушного дутья. Перед сваркой в деталях вырубают дефектные места и разделывают кромки, которые
затем заформовывают с помощью графитных пластин и кварцевого песка, замешанного на жидком
стекле.
Сваривают чугунными электродами (диаметром 8—25 мм) со стабилизирующей или специальной
обмазкой. Ток выбирают, принимая 50—90 А на 1 мм диаметра электрода. Сваренные детали охлаждают вместе с печыо. При горячей сварке чугуна получают сварное соединение без твердых отбеленных и закаленных участков. Однако горячая сварка — дорогой и трудоемкий процесс; ее применяют для ремонта уникальных деталей. Горячую сварку также выполняют науглероживающим газовым пламенем с флюсом на основе буры.
При холодной сварке чугуна сваривают стальными, медно-железными, медно-никелевыми электродами и электродами из аустенитного чугуна. В случае применения стальных электродов валики
наплавляют низкоуглеродистыми электродами со стабилизирующей или качественной обмазкой. Заготовку сваривают при малых погонных энергиях электродами небольшого диаметра. Наплавку выполняют многослойной. Применяют также стальные электроды с покрытием, содержащим большое
количество карбидо-образующих элементов. Наплавленный металл имеет мягкую основу с вкрапленными карбидами. Эти способы не исключают образования отбеленных и закалочных структур в
околошовной зоне, но они просты и обеспечивают мягкую хорошо обрабатываемую наплавку.
Для усиления связи между основным металлом и наплавкой иногда устанавливают шпильки, укрепляемые с помощью резьбы на поверхности свариваемых кромок. Процесс начинают с кольцевой обварки шпилек, затем их соединяют общей наплавкой по всей поверхности кромок.
Медно-железные электроды состоят из медного прутка с оплеткой из жести или пучка из медных и
стальных стержней. Электроды имеют специальное или стабилизирующее покрытие. Медноникелевые электроды состоят из стержней монель-металла (70% Ni, 28% Си и остальное Fe) или
мельхиора (80% Си, 20% Ni) со стабилизирующей обмазкой. Применение медно-железных и медноникелевых электродов позволяет получить наплавку, у которой отбеливание в переходной зоне
наблюдается только на отдельных участках. Наибольшее применение имеют медно-железные электроды, как более дешевые и обеспечивающие достаточную прочность металла шва.
Сварка меди и ее сплавов
На свариваемость меди большое влияние оказывают содержащиеся в ней вредные примеси (кислорода, водорода, висмута, свинца). Кислород, находящийся в меди в виде закиси Сu2О, является причиной образования горячих трещин. Закись меди образует с медью легкоплавкую эвтектику (Сu2О
— Сu) с температурой плавления 1064° С (для меди 1080° С), которая располагается по границам
кристаллов сварного шва. В результате действия сварочных деформаций и напряжений шов может
разрушаться по жидким прослойкам с образованием горячих трещин. Наличие сетки эвтектики по
границам зерен делает шов хрупким и при комнатных температурах. Для расплавленной меди характерна высокая растворимость водорода, который при затвердевании сварочной ванны, интенсивно
выделяясь, может вызвать пористость в случае относительно быстрого охлаждения и задержании
процесса его выделения в атмосферу.
При единичном производстве изделий и ремонтных работ применяют газовую сварку меди ацетилено-кислородным пламенем повышенной мощности; для листов толщиной свыше 5 мм предварительный подогрев. Присадочным материалом служит медные прутки с небольшими добавками олова,
цинка, иногда серебра для улучшения жидкотекучости, а также кремния и фосфора как раскислителей. Сваривают с флюсами, в состав которых входят бура (Na2B4O7), борная кислота (Н3ВО3) и
борный ангидрид (В3О2). После сварки рекомендуется быстрое охлаждению деталей в воде и проковка или прокатка швов в холодном состоянии. Проковкой устраняют хрупкость, связанную с
крупнозернистой структурой и сеткой закиси меди по границам кристаллов.
Получили развитие ручная и автоматическая дуговая сварки меди угольным и металлическим электродами. При ручной сварке угольным электродом применяют присадочные прутки из оловянистой
или кремнистой бронзы и флюсы, основной частью которых является бура. Сваривают длинной дугой на постоянном токе прямой полярности. Металлические электроды состоят и;) медного стержня,
покрытого специальной обмазкой. Металлическими электродами сваривают короткой дугой на постоянном тока обратной полярности. Сварочный ток выбирают, принимая 50— 60 А на 1 мм диаметра электрода; при большой толщине свариваемые листы подогревают.
Автоматическую сварку угольным электродом ведут под слоем плавленого флюса, применяемого
для низко углеродистых и легированных сталей. Присадочный материал в виде полосы из латуни
укладывают на свариваемый стык. Цинк, входящий в состав латуни, является раскислителем медного
сварного шва. Автоматическую сварку металлическим электродом ведут медной проволокой под
слоем плавленого флюса.
Рассмотренные виды дуговой сварки меди не обеспечивают механических и особенно специальных
физических свойств сварного шва, близких к свойствам основного металла (электропроводность и
др.). Сварка металлическим электродом дает более высокое качество сварных соединений по сравнению со сваркой угольным электродом. Применение специальных керамических флюсов для автоматической сварки меди обеспечивает наряду с хорошим формированием сварного шва механические и
физические свойства, близкие к требуемым.
Успешно применяют сварку меди в атмосфере защитных газов (аргоне, азоте или в их смесях). Сваривают вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности. В качестве присадочного
материала применяют прутки из меди, содержащие кремний, олово, марганец. Рекомендуется подогрев от 200 до 800° С.
Латуни являются сплавами меди, содержащими до 50% Zn. Основной трудностью при их сварке является испарение цинка. И результате испарения цинка латунный шов теряет свои свойства и в нем
возможно возникновение пор. Пары цинка ядовиты, сварщики должны работать в специальных масках (респираторах).
Для сварки латуни применяют те же методы, что и для сварки миди, но используют приемы, уменьшающие испарение цинка. При газовой сварке латуни применяют газовый флюс. При этом способе в
пламя горелки вместе с ацетиленом вводят пары боросодержащих жидкостей. Образующийся на поверхности сварочной ванны борный ангидрид связывает окислы цинка и образует сплошной слой
шлака. Шлак препятствует выходу паров цинка из сварочной ванны. Возможна также газовая сварка
латуни окислительным пламенем, что приводит к появлению тугоплавкой пленки описи цинка на
поверхности сварочной ванны, препятствующей иго испарению. Сваривают таким образом, чтобы
эта пленка не разрушалась. Во всех случаях ядро пламени удаляют от сварочной ванны и направляют
на присадочный пруток. Сваривают с большой скоростью.
При сварке угольной дугой присадочными материалами служат кремнистые и марганцовистые бронзы или латунь с повышенным содержанием цинка. Дугу зажигают и поддерживают не на основном
металле, а на конце присадочного прутка. Металлическими электродами со специальными покрытиями сваривают очень короткой дугой без колебаний конца электрода. Почти все методы сварки латуни не обеспечивают необходимого качества сварных швов. Исключение составляет газоэлектрическая и автоматическая сварка под керамическим флюсом.
Латунь можно успешно сваривать контактной сваркой, так как электропроводность и теплопроводность латуни приблизительно такие же, как и у низкоуглеродистой стали.
Большинство бронз является литейными материалами и сварку их применяют только для заварки
дефектов или ремонта. Наиболее широко применяют дуговую сварку металлическим электродом.
Электроды для Сварки бронз представляют собой стержень, состав которого близок к составу основного металла с нанесенным на него специальным покрытием. Оловянные бронзы рекомендуется сваривать быстро, чтобы не перегреть основной металл, в противном случае возможно выплавление
легкоплавкой составляющей.
Сварка алюминия и его сплавов
Сварка алюминия затруднительна из-за образования прочной и тугоплавкой пленки окисла А12О3,
плавящейся при 2050°С, пленка окисла покрывает капли расплавленного металла и препятствует
сплавлению их между собой и основным металлом. Только применение активных флюсов позволяет
растворить этот окисел и обеспечить условия для нормального формирования сварного шва. Флюсы
и обмазки для сварки алюминия и его сплавов состоят из смеси хлористых и фтористых солей щелочноземельных металлов (NaCl, KC1, LiF и т. п.).
Алюминий можно сваривать различными способами дуговой и газовой сварки. При ручной дуговой
сварке металлическим электродом применяют прутки того же состава, что и свариваемый материал,
с обмазкой их из смеси хлористых и фтористых солей. При низкой температуре плавления (657° С)
алюминий обладает высокой теплопроводностью и большой теплотой плавления. Для его сварки
необходимо применять электрическую дугу относительно большой мощности. Сваривают на постоянном токе обратной полярности.
Автоматическую сварку металлическим электродом выполняют полуоткрытой дугой по слою флюса.
Для формирования корня шва применяют медные и железные подкладки. Необходимо иметь в виду,
что при 400—500° С алюминий имеет низкую прочность и нагретое сварное соединение может разрушиться под действием собственной массы. В таких случаях необходимо наличие подкладок.
Наиболее широко применяют сварку алюминия и его сплавов в защитных газах. Листы толщиной
0,5—10 мм сваривают неплавящимся вольфрамовым электродом с присадочным материалом, листы
большей толщины — плавящимся металлическим электродом. Толстые листы и отливки рекомендуется подогревать до 400° С. При сварке в защитных газах получают более высокое качество сварных
швов по сравнению с другими способами дуговой сварки.
Сплавы алюминия с магнием и цинком (АМг и АМц) сваривают без особых затруднений и теми же
способами, что и алюминий. Исключение составляют дюралюмины, представляющие собой сплавы
алюминия и меди. Эти сплавы являются термически упрочняемыми закалкой и последующим старением. В результате старения значительно повышаются прочность и твердость сплавов. Нагрев свыше
500°С приводит к оплавлению и окислению границ зерен, вследствие чего резко снижаются механические свойства. Свойства перегретого дюралюминия не могут быть восстановлены никакой термической обработкой. Таким образом, сварка дюралюминов связана с разупрочнением зоны термического влияния на 40—50%. При сварке в атмосфере защитного газа также снижается прочность дюралюминия, однако термической обработкой ее можно восстановить до 80—90% относительно прочности основного металла.
Алюминий и некоторые его сплавы удовлетворительно сваривают контактной сваркой. Для точечной
контактной сварки алюминия, обладающего высокими электропроводностью и теплопроводностью,
необходима большая мощность тока при очень коротком времени его протекания. Стыковую сварку
выполняют методом оплавления при повышенной плотности сварочного тока.
Сварка тугоплавких металлов и сплавов
К тугоплавким металлам относятся титан, цирконий, ниобий, молибден и др., у которых температура
плавления выше, чем у железа. При нагреве тугоплавкие металлы интенсивно поглощают газы (кислород, водород, азот). При этом даже незначительное содержание газов, например кислорода, приводит к резкому снижению пластических свойств указанных металлов. Для получения качественных
сварных соединений необходимо создавать совершенную защиту места сварки от воздействия воздуха.
Титан сваривают в атмосфере аргона с дополнительной газовой защитой корня шва и еще неостывшего участка шва до температуры 400° С. Титановые сплавы склонны к образованию холодных трещин при сварке. Сильное влияние на образование трещин оказывают газы (водород и кислород). Допустимо следующее содержание этих газов: 0,01% Н2; 0,15% О2. Перед сваркой проволоку и металл
подвергают дегазации путем отжига в вакуумных печах.
Цирконий и ниобий являются тугоплавкими металлами, обладающими высокой коррозионной стойкостью. Их сваривают в атмосфере аргона высокой чистоты с защитой корня шва или в камере с контролируемой защитной атмосферой.
Молибден — тугоплавкий и жаропрочный металл. При содержании свыше 0,001 % О2 пластические
свойства молибдена резко снижаются. Молибден сваривают электронным лучом в камера с вакуумом 133∙10–4 Н/м2.
Лекция 15. Пайка металлов и сплавов
Физическая сущность процесса пайки
Пайкой называется технологический процесс соединения металлических заготовок без их расплавления посредством введении между ними расплавленного промежуточного металла припоя. Припой
имеет температуру плавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет
зазор между соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В процессе пайки наряду с
нагревом необходимо удаление окисных пленок с поверхности паяемых металлов.
Образование соединения без расплавления кромок обеспечивает возможность распая, т. е. разъединения паяемых заготовок без нарушения исходных размеров и формы элементов конструкции.
Процесс образования паяного шва состоит из прогрева материала, образующего соединение, до температуры, близкой к температуре плавления припоя; расплавления припоя; растекания жидкого припоя по поверхности твердого материала и заполнение паяемого шва; охлаждения и кристаллизации
припоя в паяном шве. Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с металлом основы. В результате смачивания твердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Эта связь может образоваться при растворении металла
основы в расплавленном припое с образованием жидкого раствора, распадающегося при последующей кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в основной твердый металл
с образованием твердого раствора; за счет реактивной диффузии между припоем и основным металлом с образованием на границе интерметаллических соединений; за счет бездиффузионной связи в
результате межатомного взаимодействия.
По особенностям процесса и технологии пайку можно разделить на капиллярную, диффузионную,
контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и пайку-сварку.
Капиллярная пайка. Припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается
в нем за счет капиллярных сил. На рис. 35 показана схема образования шва. Соединение образуется
за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют в тех случаях, когда применяют соединение внахлестку. Однако капиллярное
явление присуще всем видам пайки.
Рис. 35. Схема капиллярной пайки: а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – припой
Диффузионная пайка. Соединение образуется за счет взаимной диффузии компонентов припоя и
паяемых материалов, причем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких хрупких интерметаллов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при температуре образования единого шва и после завершения процесса при температуре ниже солидуса припоя.
Контактно-реактивная пайка. При пайке между соединяемыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой Другого металла в результате контактного плавления образуется Сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. На рис. 36 показана схема
контактно-реактивной пайки.
Рис. 36. Схема контактно–реактивной пайки:
а – перед пайкой; б – после пайки; 1 – медь; 2 – серебро; 3 – эвтектический сплав меди с серебром.
Реактивно-флюсовая пайка. Припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом 3ZnCl2 + 2Аl = 2А1Сl3 + Zn восстановленный цинк является припоем. Реакционно-флюсовую пайку можно вести без припоя и с припоем.
Пайка-сварка. Паяное соединение образуется так же, как при сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяют припой.
Наибольшее применение получила капиллярная пайка и пайка-сварка. Диффузионная пайка и контактно-реактивная более трудоемки, но обеспечивают высокое качество соединения и применяются,
когда в процессе пайки необходимо обеспечить минимальные зазоры. Качество паяных соединений
(прочность, герметичность, надежность и др.) зависит от правильного выбора основного металла,
припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.
Материалы для пайки
Припой. Припои для пайки, заполняющие зазор в расплавленном состоянии между соединяемыми
заготовками, должны отвечать следующим требованиям:
1. температура их плавления должна быть ниже температуры плавления паяемых материалов;
2. они должны хорошо смачивать паяемый материал и легко растекаться по его поверхности;
3. должны быть достаточно прочными и герметичными;
4. коэффициенты термического расширения припоя и паяемого материала не должны резко различаться;
5. иметь высокую электропроводность при паянии радиоэлектронных и токопроводящих изделий.
Все припои по температуре плавления подразделяют на низкотемпературные (температура плавления ниже 500° С), или мягкие припои, и высокотемпературные (температура плавления выше 500°
С), или твердые припои. Припои изготовляют в виде прутков, проволок, листов, полос, спиралей, колец, дисков, зерен и т. д., укладываемых в место соединения.
К низкотемпературным, или мягким припоям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, кадмия, цинка, олова, свинца. К высокотемпературным, или твердым припоям относятся медные, медно-цинковые, медно-никелевые с благородными металлами (серебром, золотом, платиной).
Изделия из алюминия и его сплавов паяют с припоями на алюминиевой основе с кремнием, медью,
оловом и другими металлами.
Магний и его сплавы паяют с припоями на основе магния с добавками алюминия, меди, марганца и
цинка.
Изделия из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов, работающих при высоких температурах (выше 500°С), паяют с припоями на основе железа, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония, гафния, ниобия и палладия.
Паяльные флюсы. Эти флюсы применяют для очистки поверхности паяемого металла, а также для
снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания и смачиваемости жидкого припоя.
Флюс (кроме реактивно-флюсовой пайки) не должен химически взаимодействовать с припоем. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и газообразном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного
металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные, жидкие и газообразные.
Наиболее распространенными паяльными флюсами являются бура (Na2B4O7) и борная кислота
(Н3ВО3), хлористый цинк (ZnCl2), фтористый калий (KF) и другие галлоидные соли щелочных металлов.
Способы пайки
Способы пайки классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка в печах, индукционная, сопротивлением, погружением, радиационная, горелками, экзофлюсовая, паяльниками, электронагревательными металлами и блоками.
Пайка в печах. Нагревают соединяемые заготовки в специальных печах: электросопротивления, с
индукционным нагревом, газопламенных и газовых. Припой заранее закладывают в шов собранного
изделия, на место пайки наносят флюс и затем помещают в печь, где это изделие нагревают до температуры пайки. Припой расплавляется и заполняет зазоры между соединяемыми заготовками. Процесс пайки продолжается несколько часов.
Этот способ обеспечивает равномерный нагрев соединяемых деталей, без заметной их деформации.
Крупные детали паяют в камерных печах с неподвижным подом; большую партию мелких деталей
— в печах с сетчатым конвейером или роликовым подом. Пайка в печах позволяет механизировать
паяльные работы и обеспечивает стабильное качество изделий и высокую производительность труда.
Индукционная пайка. Паяемый участок нагревают в катушке-индукторе. Через индуктор пропускают т. в. ч., в результате чего место пайки нагревается до необходимой температуры. Для предохранения от окисления изделие нагревают в вакууме или в защитной среде с применением флюсов. Индуктор выполнен в виде петли или спирали из красной меди. Формы и размеры индуктора зависят от
конструкции паяемого изделия. Различают две разновидности пайки с индукционным нагревом: стационарную и с относительным перемещением индуктора или детали.
Пайка сопротивлением. Соединяемые заготовки нагревают теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через паяемые детали и токоподводящие элементы. Соединяемые детали
являются частью электрической цепи. Нагрев сопротивлением можно осуществлять на контактных
сварочных машинах. С нагревом в контактных сварочных машинах паяют при изготовлении тонкостенных изделий из листового материала или при соединении тонкостенных элементов с толстостенными.
Пайка погружением. Эту пайку выполняют в ваннах с расплавленными солями или припоями. Соляная смесь обычно состоит из 55%КС1 и 45%НС1. Температура ванны 700—800° С. На паяемую
поверхность, предварительно очищенную от грязи и жира, наносят флюс, между кромками или око-
ло места соединения размещают припой, затем детали скрепляют и погружают в ванну. Соляная
ванна предохраняет место пайки от окисления. Перед погружением в ванну с расплавленным припоем покрытые флюсом детали нагревают до 550° С. Поверхности, не подлежащий пайке, предохраняют от контакта с припоем специальной обмазкой из графита с добавками небольшого количества извести. Пайку погружением в расплавленный припой используют для стальных, медных и алюминиевых твердых сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот процесс расходуется большое
количество припоев. Разновидностью пайки погружением является пайка бегущей волной припоя,
когда расплавленный припои подается насосом и образует волну над уровнем расплава. Паяемая деталь перемещается в горизонтальном направлении. В момент касания ванны происходит пайка. Бегущей волной паяют в радиоэлектронной промышленности при производстве печатного радиомонтажа.
Пайка с радиационным нагревом. Пайку выполняют за счет излучения кварцевых ламп, расфокусированного электронного луча или мощного светового потока от квантового генератора (лазера).
Конструкцию, подлежащую пайке, помещают в специальный контейнер, в котором создают вакуум.
После вакуумирования контейнер заполняют аргоном и помещают в приспособление, с двух его сторон устанавливают для обогрева кварцевые лампы. После окончания нагрева кварцевые лампы отводят, а приспособление вместе с деталями охлаждают. При применении лазерного нагрева сосредоточенная в узком пучке тепловая энергия обеспечивает испарение и распыление окисной пленки с поверхности основного металла и припоя, что позволяет получать спаи в атмосфере воздуха без применения искусственных газовых сред. При радиационном способе пайки лучистая энергия превращается в тепловую непосредственно в материале припоя и паяемых деталей. Этот способ пайки непродолжителен.
Экзофлюсовая пайка. В основном этим способом паяют коррозионно-стойкие стали. На очищенное
место соединения наносят тонкий порошкообразный слой флюса. Соединяемые поверхности совмещают, на противоположные стороны заготовок укладывают экзотермическую смесь. Смесь состоит
из разных компонентов, которые укладывают в форме пасты или брикетов толщиной в несколько
миллиметров. Собранную конструкцию устанавливают в приспособлении и помещают в специальную печь, в которой происходит зажигание экзотермической смеси при 500° С.
В результате экзотермических реакций смеси температура на поверхности металла повышается и
происходит расплавление припоя. Этим методом паяют соединения внахлестку и готовые блоки конструкций небольших размеров.
Газопламенная пайка. Паяемые заготовки нагревают и расплавляют припой газосварочными и
плазменными горелками. Газовые горелки обладают наибольшей универсальностью. В качестве горючих газов используют ацетилен, природные газы, кислород, пары керосина и т. п.
При использовании газового пламени припой можно заранее помещать у места пайки или вводить в
процессе пайки вручную. На место пайки предварительно наносят флюс в виде жидкой пасты, разведенной водой или спиртом; конец прутка из припоя также покрывают флюсом.
Нагревают также паяльными лампами, которые по существу являются газовыми горелками, работающими па жидком топливе. Паяльные лампы используют для работы в полевых условиях или в ремонтных мастерских.
Плазменной горелкой, обеспечивающей более высокую температуру нагрева, паяют тугоплавкие металлы — вольфрам, тантал, молибден, ниобий и т. п.
Пайка паяльниками. Основной металл нагревают, и припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, который перед пайкой или в процессе ее подогревают. Для
низкотемпературной пайки применяют паяльники с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом, ультразвуковые, и абразивные. Рабочую часть паяльника выполняют из красной меди. Паяльник
с периодическим нагревом в процессе работы периодически подогревают от постороннего источника
теплоты. Паяльники с постоянным нагревом делают электрическими. Нагревательный элемент состоит из нихромовой проволоки, намотанной на слой асбеста, слюды или на керамическую втулку,
устанавливаемую на медный стержень паяльника. Паяльники с периодическим и непрерывным
нагревом чаще используют для флюсовой пайки черных и цветных металлов мягкими припоями с
температурой плавления ниже 300—350° С.
Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой низкотемпературной пайки па воздухе и
для пайки алюминия легкоплавкими припоями. Окисные пленки разрушаются за счет колебаний
ультразвуковой частоты.
Абразивные паяльники. Такими паяльниками можно паять алюминиевые сплавы без флюса. Окисная
пленка удаляется в результате трения паяльника об обрабатываемую поверхность. Абразивный паяльник в отличие от электропаяльники имеет рабочий стержень, изготовленный прессованием из порошки црипоя и измельченного асбеста.
Типы паяных соединений. Основными типами паяных соединений являются стыковое и внахлестку. Остальные разновидности соединений являются комбинациями перечисленных. Например, плоские элементы могут быть соединены внахлестку (рис. 37, а), ступенчатым (рис. 37, б), гребенчатым
(рис. 37, в), косостыковым (рис. 37, г), стыковым (рис. 37, д) и тавровым (рис. 37, е) соединениями.
Рис. 37. Типы паяных соединений
Стыковое соединение применяют в тех случаях, когда изделие работает не в жестких условиях и от
него не требуется герметичности; соединение внахлестку — во всех остальных случаях, причем чем
больше площадь перекрытия паяемых заготовок, тем выше будет прочность паяного шва.
Криволинейные поверхности соединяют между собой и с плоскими поверхностями в сотовых конструкциях, в панелях с гофрированными проставками и т. п. Эти соединения используют в самолетостроении и для изготовления теплообменников.
К паяным соединениям в зависимости от назначения изделия, кроме общих требований, могут быть
предъявлены и специальные но герметичности, электропроводности, коррозионной стойкости и т. п.
Сборные части изделий перед пайкой должны быть прочно соединены между собой для предотвращения перекосов и относительных смещений. Способы соединения подбирают экспериментальным
путем в зависимости от конструкции изделия
ЛЕКЦИЯ 16. Технология обработки конструкционных материалов резанием. Точность в машиностроении.
При конструировании и построении машин необходимо наряду с расчетами кинематическими, расчетами на прочность, жесткость и износоустойчивость производить расчеты на точность.
Точность — основная характеристика деталей машин или приборов. Абсолютно точно изготовить
деталь невозможно, так как при ее обработке возникают погрешности; поэтому точность обработки
бывает различной.
Точность детали, фактически полученная в результате обработки, зависит от многих факторов и
определяется:
а) отклонениями от геометрической формы детали или ее отдельных элементов;
б) отклонениями действительных размеров детали от номинальных;
в) отклонениями поверхностей и осей детали от точного взаимного расположения (например, отклонениями от параллельности, перпендикулярности, концентричности).
Трудоемкость и себестоимость обработки деталей в значительной мере зависят от требуемой точности и с повышением точности (при неизменных прочих условиях) увеличиваются.
В массовом и крупносерийном производстве при изготовлении взаимозаменяемых деталей требуемая точность обработки обеспечивается гланным образом соответствующей настройкой станков. В
мелкосерийном и единичном производстве высокая точность достигается применением дополнительных отделочных операций путем использования исполнителей работы более высокой квалификации.
Точность заготовок, методы предварительной и окончательной механической обработки, методы
термической обработки значительно влияют на точность окончательно обработанных деталей.
Чем выше точность заготовок, тем меньше число операций их механической обработки и тем выше
точность готовых деталей.
Точность геометрической формы деталей повышается при использовании более совершенных методов термической обработки.
Так как точность обработки в производственных условиях зависит от многих факторов, обработку на
станках ведут не с достижимой, а с так называемой экономической точностью.
Под экономической точностью механической обработки понимают такую точность, которая при минимальной себестоимости обработки достигается в нормальных производственных условиях, предусматривающих работу на исправных станках с применением необходимых приспособлений и инструментов при нормальной затрате времени и нормальной квалификации рабочих, соответствующей характеру работы.
Под достижимой точностью понимают такую точность, которой возможно достичь при обработке в
особых, наиболее благоприятных условиях, необычных для данного производства, высококвалифицированными рабочими, при значительном увеличении затраты времени, не считаясь с себестоимостью обработки.
На точность обработки на металлорежущих станках влияют следующие основные факторы.
1. Неточность станков, являющаяся следствием неточности изготовления их основных деталей и узлов и неточности сборки, в частности недопустимо больших зазоров в подшипниках или направляющих, износа трущихся поверхностей деталей, овальности шеек шпинделей, нарушения взаимной
перпендикулярности
или
параллельности осей, неточности или неисправности направляющих, ходовых винтов и т. п.
2. Степень точности изготовления режущего и вспомогательного инструмента и его изнашивание во
время работы.
3. Неточность установки инструмента и настройки станка на размер.
4. Погрешности базирования и установки обрабатываемой детали на станке или в приспособлении
(например, неправильное положение детали относительно оси шпинделя и т. п.).
5. Деформации деталей станка, обрабатываемой детали и инструмента во время обработки под влиянием силы резания, вследствие недостаточной жесткости их и упругой системы станок — приспособление— инструмент — деталь (СПИД), в частности деформация детали, возникающая при ее
закреплении для обработки.
6. Тепловые деформации обрабатываемой детали, деталей станка и режущего инструмента в процессе обработки и деформации, возникающие под влиянием внутренних напряжений в материале детали.
7.
Такое
качество
поверхности
детали
может дать неправильные показания при измерениях.
после
обработки,
которое
8. Ошибки в измерениях вследствии неточности измерительного инструмента, неправильного пользования им, влияния температуры и т. п.
9. Ошибки исполнителя работы.
Лекция 17. Физические основы обработки металлов резанием
Общая характеристика размерной обработки
Механическая обработка поверхностей заготовок является одной из основных завершающих стадий
изготовления деталей машин.
Одна из актуальных задач машиностроения – дальнейшее развитие, совершенствование и разработка
новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки деталей машин.
Наряду с обработкой резанием применяют методы обработки пластическим деформированием, с использованием химической, электрической, световой, лучевой и других видов энергии.
Классификация движений в металлорежущих станках
Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки
слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаимного расположения и шероховатости поверхностей детали.
Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщать
относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают на рабочих органах станков, обеспечивающих движение.
Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя материала или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания:
Главное движение – определяет скорость деформирования материала и отделения стружки (Дг);
Движение подачи – обеспечивает врезание режущей кромки инструмента в материал заготовки (Дs);
Движения могут быть непрерывными или прерывистыми, а по характеру – вращательными, поступательными, возвратно-поступательными.
Движения подачи: продольное, поперечное, вертикальное, круговое, окружное, тангенциальное.
В процессе резания на заготовке различают поверхности (рис.38.а):
обрабатываемую поверхность (1); обработанную поверхность (3); поверхность резания (2).
Установочные движения – движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя металла.
Вспомогательные движения – транспортирование заготовки, закрепление заготовки и инструмента,
быстрые перемещения рабочих органов.
Рис.38 Схемы обработки заготовок: а – точением; б – шлифованием на круглошлифовальном станке;
в – сверлением
Режимы резания, шероховатость поверхности
При назначении режимов резания определяют скорости главного движения резания и подачи, и глубину резания.
Скоростью главного движения – называют расстояние, пройденное точкой режущей кромки инструмента в единицу времени (м/с).
Для вращательного движения:
,
где:
– максимальный диаметр заготовки (мм);
– частота вращения (мин-1).
Для возвратно-поступательного движения:
,
где: – расчетная длина хода инструмента;
– число двойных ходов инструмента в минуту;
коэффициент, показывающий соотношение скоростей рабочего и вспомогательного хода.
–
Подача
- путь точки режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один ход заготовки или инструмента.
В зависимости от технологического метода обработки подачу измеряют:
мм/об – точение и сверление;
мм/дв. ход – строгание и шлифование.
Глубина резания ( ) – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки,
измеренное перпендикулярно к обработанной поверхности (мм).
Шероховатость поверхности – совокупность неровностей с относительно малыми шагами.
Шероховатость является характеристикой качества поверхностного слоя заготовки. Она оценивается
несколькими параметрами, в частности критерием
.
- среднее арифметическое отклонение профиля (среднее арифметическое абсолютных значений
отклонений профиля) в пределах определенной базовой длины обработанной поверхности.
Допустимые значения шероховатости поверхностей деталей указываются на чертежах.
Значение параметра
для разных технологических методов обработки лежат в пределах, мкм:
для предварительной черновой обработки – 100…22,5 ; для чистовой обработки – 6,3…0,4 ;
для отделочной и доводочной обработки – 0,2…0,012.
Элементы токарного проходного резца
Токарный прямой проходной резец (рис. 39) состоит из двух частей: рабочей 1 и стержня 2. Стержень имеет квадратную или прямоугольную форму поперечного сечения и служит для закрепления
резца в резцедержателе станка. Рабочая часть резца выполняет работу резания и состоит из нескольких элементов.
Рис. 39. Элементы токарного прямого проходного резца.
Передняя поверхность 1 – поверхность, по которой сходит стружка в процессе резания. Главная задняя поверхность 2 – поверхность, обращенная к поверхности резания заготовки. Вспомогательная
задняя поверхность 5 – поверхность, обращенная к обработанной поверхности заготовки. Главное
режущее лезвие 3 – линия пересечения передней и главной задней поверхностей. Вспомогательное
режущее лезвие 6 – линия пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей. Вершина
резца 4 – точка пересечения главного и вспомогательного режущих лезвий.
Перечисленные элементы имеют не только резцы, но и другие режущие инструменты. Кроме этих
элементов, инструменты могут иметь переходное (дополнительное) режущее лезвие, располагающееся между главным и вспомогательным режущими лезвиями. В этом случае рабочая часть инструмента имеет еще переходную заднюю поверхность. У некоторых инструментов возможно дублирование элементов.
Вершина рабочей части резца может быть острой или закругленной. Если вершина резца закруглена,
то шероховатость обработанной поверхности уменьшается, так как в этом случае уменьшается площадь остаточного сечения срезаемого слоя материала. Наличие переходного режущего лезвия также
уменьшает шероховатость обработанной поверхности заготовки.
Координатные плоскости для определения углов резца
Для выполнения работы резания рабочей части режущего инструмента придают форму клина. Для
этого инструмент затачивают по передней и задним поверхностям. Для определения углов, под которыми располагаются поверхности рабочей части инструмента относительно друг друга, вводят координатные плоскости. Рассмотрим координатные плоскости применительно к токарной обработке.
Основная плоскость (ОП) — плоскость, параллельная направлениям продольной и поперечной подач. У токарных резцов за основную плоскость принимают плоскость, проходящую через основание
стержня (рис. 40, а).
Рис. 40. Координатные плоскости
Плоскость резания (ПР) проходит через главное режущее лезвие резца, касательно к поверхности резания заготовки.
Главная секущая плоскость (NN) — плоскость, перпендикулярная к проекции главного режущего
лезвия на основную плоскость (рис. 40, б).
Вспомогательная секущая плоскость (N1N1) — плоскость, перпендикулярная к проекции вспомогательного режущего лезвия на основную плоскость. На рис. 40, б показаны следы плоскостей NN и
N1N1.
Углы токарного резца
Углы резца определяют положение элементов рабочей части в пространстве относительно координатных плоскостей и относительно друг друга. Эти углы называют углами резца в статике. Знание
углов инструмента необходимо для его изготовления в металле. Кроме того, углы инструмента оказывают существенное влияние на процесс резания и качество обработки. У токарного резца различают главные и вспомогательные углы, которые рассматривают исходя из предположения, что ось
стержня резца перпендикулярна к линии центров токарного станка; вершина резца находится на линии центров станка; совершается лишь главное движение резания. Углы токарного прямого проходного резца показаны на рис. 41.
Главный передний угол γ измеряют в главной секущей плоскости между следами передней поверхности и плоскости, перпендикулярной к следу плоскости резания. В дальнейшем угол γ будем называть передним углом.
Передний угол γ оказывает большое влияние на процесс резания материала. С увеличением угла γ
уменьшается деформации срезаемого слоя, так как инструмент легче врезается в материал снижаются сила резания и расход мощности. Одновременно улучшаются условия схода струнит и повышается качество обработанной поверхности заготовки. Однако чрезмерное увеличении угла γ приводит к
ослаблению главного режущего лезвия, снижению его прочности, увеличению износа вследствие
выкрашивания, ухудшению условий теплоотвода от режущего лезвия.
Рис. 41. Углы резца в статике
При обработке хрупких и твердых материалов для повышения прочности и увеличения времени работы инструмента (стойкости) следует назначать меньшие углы; при обработке мягких и вязких материалов передний угол имеет большие значении.
Главный задний угол α измеряют в главной секущей плоскости между следами плоскости резания и
главной задней поверхности. Наличие угла α уменьшает трение между главной задней поверхностью
инструмента и поверхностью резания заготовки, вследствие чего уменьшается износ инструмента по
главной задней поверхности. Увеличение угла α приводит к снижению прочности режущего лезвия.
Угол α назначают исходя из величины упругого деформирования обрабатываемого материала.
Вспомогательный задний угол α1 измеряют во вспомогательной секущей плоскости между следами
вспомогательной задней поверхности и плоскости, проходящей через вспомогательное режущее лезвие перпендикулярно основной плоскости. Наличие у инструмента угла α1 уменьшает трение между
вспомогательной задней поверхностью инструмента и обработанной поверхностью заготовки.
Главный угол в плане φ — угол между проекцией главного режущего лезвия на основную плоскость
и направлением подачи.
Угол φ влияет на шероховатость обработанной поверхности заготовки: с уменьшением φ шероховатость обработанной поверхности уменьшается. Одновременно уменьшается толщина и увеличивается ширина срезаемого слоя материала. Это приводит к тому, что увеличивается активная
длина главного режущего лезвия. Сила и температура резания, приходящиеся на единицу длины режущего, лезвия, уменьшаются, что снижает износ инструмента. С уменьшением угла φ резко возрастает составляющая силы резания, направленная перпендикулярно оси заготовки, что вызывает повышенную ее деформацию. С уменьшением угла φ возможно возникновение вибраций в процессе
резания, что снижает качество обработанной поверхности.
Вспомогательный угол в плане φ1 — угол между проекцией вспомогательного режущего лезвия на
основную плоскость и направлением, обратным движению подачи. С уменьшением угла φ1 шероховатость обработанной поверхности уменьшается, одновременно увеличивается прочность вершины
резца и снижается его износ.
Угол наклона главного режущего лезвия λ измеряют в плоскости, проходящей через главное режущее лезвие резца перпендикулярно основной плоскости, между главным режущим лезвием и линией,
проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости.
Угол λ может быть положительным, отрицательным и равным нулю (рис. 42, а – в), что влияет на
направление схода стружки.
Угол λ может быть положительным, отрицательным и равным нулю (рис. 42, а – в), что влияет на
направление схода стружки.
Рис. 42. Угол наклона главного режущего лезвия
Если вершина резца является высшей точкой главного режущего лезвия, то угол λ отрицателен и
стружка сходит в направлении подачи. Если главное режущее лезвие параллельно основной плоскости, то λ = 0 и стружка сходит по оси резца. Если вершина резца является низшей точкой главного
режущего лезвия, то угол λ положителен и стружка сходит в направлении, обратном направлению
подачи.
Направление схода стружки важно учитывать при обработке заготовок на токарных автоматах. При
обработке заготовок стружку необходимо отводить так, чтобы она не мешала работе инструментов в
соседних позициям автомата.
С увеличением угла λ качество обработанной поверхности ухудшается, осевая составляющая силы
резания уменьшается, а радиальная и вертикальная составляющие увеличиваются.
Углы γ, α, φ и φ1 могут изменяться вследствие погрешности установки резца в резцедержателе станка. Если при обтачивании цилиндрической поверхности вершину резца установить выше линии центров станка, то угол γ увеличится, а угол α уменьшится. При установке вершины резца ниже линии
центров станка угол γ уменьшится, а угол α увеличится.
Если ось резца не будет перпендикулярна линии центров станка, то это вызовет изменение углов φ и
φ1.
В процессе резания углы резца γ и α также изменяются. Это объясняется тем, что изменяется положение плоскости резании в пространстве из-за наличия двух движений: вращения заготовки и посту-
пательного движения резца. В этом случае фактической поверхностью резания, к которой касательна
плоскость резания, является винтовая поверхность. Положение плоскости резания в пространстве
определяется соотношением скоростей этих двух движений. При работе с большими подачами, а
также при нарезании резьбы резцом, углы γ и α будут изменяться существенно, что необходимо учитывать при изготовлении резцом.
Углы γ и α в процессе резания могут быть переменными (например, при обработке сложных поверхностей деталей типа кулачков, лопаток турбин и т. п.).
Углы при обработке таких деталей изменяются вследствие сложного относительного движения заготовки и резца, в результат чего изменяется положение плоскости резания в пространстве при обработке различных участков поверхности заготовки.
Резание как процесс последовательного деформировании срезаемого слоя металла
Металлы в твердом состоянии являются поликристаллическими телами, имеющими зернистую (полиэдрическую) структуру с определенной кристаллической решеткой. При резании металлов и их
сплавов отдельные кристаллы деформируются, а затем разрушаются по кристаллографическим плоскостям.
Процесс резания металла можно представить следующей схемой. В начальный момент, когда движущийся резец под действием силы Р вдавливается в металл (рис. 43), в срезаемом слои возникают
упругие деформации. При дальнейшем движении резца упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В материале заготовки возникает сложное упругопапряженное состояние. В плоскости, совпадающей с траекторией движения вершины резца, возникают касательные τх и нормальные напряжения σу. Величина τх имеет наибольшее значение в точке А
приложения действующей силы, а по мере удаления от нее уменьшается до нуля.
Рис. 43. Схема упругонапряженного состояния металла при обработке резанием.
Нормальные напряжения σу вначале действуют как растягивающие (+σу), что при определенных
условиях может вызвать «раскалывание» металла – опережающую трещину в направлении приложения внешней силы. Напряжения σу имеют наибольшее значение в точке А, а затем быстро
уменьшаются и, переходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия (–σу ).
Срезаемый слой металла находится под воздействием давления резца, касательных и нормальных
напряжений, и сложное упруго-напряженное состояние металла переходит в пластическую деформацию. Возрастание пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям – смещению
частей; кристаллов относительно друг друга.
Наибольшие пластические деформации возникают в зоне стружкообразования ABC (рис. 43). Зона
деформирования (стружкообразования) ограничивается линией АВ, вдоль которой происходят первые сдвиговые деформации, и линией АС, вдоль которой происходят последние сдвиговые деформации.
Сдвиговые деформации вызывают скольжение отдельных частей зерен по кристаллографическим
плоскостям (плоскостям скольжений) в определенных направлениях. Плоскости скольжения, возникающие вследствие необратимого перемещения атомов, дробят зерна на отдельные части (пластины), которые в процессе деформации повертываются в определенном направлении по отношению к
действующей силе. Зерна вытягиваются, располагаются цепочками; кроме того, упрочняется металл
(рис. 44).
Рис. 44. Схема процесса образования стружки
В момент, когда пластические деформации достигнут наибольшей величины, а напряжения превысят
силы внутреннего сцепления зерен металла, зерна смещаются относительно друг друга и скалывается элементарный объем металла 1 (рис. 44). Далее процесс деформирования повторяется, скалываются следующий элементарные объемы металла 2, 3 и т. д. и образуется стружки.
При больших скоростях резания считают, что сдвиговые деформации происходят не по линиям АВ и
АС, а по одной плоскости – плоскости сдвига 00 (см. рис. 34). Наличие такой плоскости было впервые установлено русским ученым И. А. Тиме, а математическое обоснование положения этой плоскости в пространстве дано проф. К. А. Зворыкиным. Плоскость сдвига 00 располагается под углом θ
к направлению движения резца. Этот угол называют углом сдвига.
Срезаемый слой, деформированный в зоне стружкообразования, превратившись в стружку, подвергается дополнительной деформации вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента, что окончательно формирует структуру в виде вытянутых зерен. Зерна вытягиваются по
плоскости О1О1 которая составляет с плоскостью сдвига 00 угол β (рис. 44).
Таким образом, резание — это процесс последовательного доформирования срезаемого слоя металла: упругого, пластического разрушения.
Характер деформации зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания, условий обработки. Наибольшее значение в процессе резания
пластичных материалов (сталей средней твердости) имеют пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая деформация практически отсутствует.
Для сталей средней твердости положение плоскости сдвига 00 в пространстве практически постоянно (угол θ 30°). Угол зависит от свойств обрабатываемого материала и угла резании (δ = 90° – γ)
режущего инструмента и составляет 0 – 30°. При резании хрупких металлов угол β меньше (близок к
нулю), при резании пластичных металлов β доходит до 30°.
Стружкообразование — сложный физико-механический процесс доформирования металла, на который влияют многие факторы. Знание законом пластического деформирования и явлений, сопровождающих процесс резания, позволяет найти пути повышения качества обработанных поверхности дегалей машин, их надежности, износостойкости, снижения мощности резания и т. д.
Виды стружек и их усадка
При резании металлов с разными физико-механическими свойствами образуются три вида стружек:
сливная, скалывании и надлома (рис. 45, а—в).
Сливная стружка образуется при резании пластичных металлов и сплавов и представляет собой
сплошную ленту с гладкой внутренней (прирезцовой) стороной. С внешней стороны сливная стружка имеет слабо выраженные пилообразные зазубрины.
Стружка скалывания образуется при обработке металлов средней твердости. Она имеет гладкую
внутреннюю сторону, а на внешней стороне — ярко выраженные зазубрины. Она как бы состоит из
отдельных элементов, соединенных между собой в ленту.
Стружка надлома образуется при обработке хрупких металлов и состоит из отдельных элементов, не
связанных между собой. С внутренней стороны она шероховатая.
Вид стружки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима резания,
геометрии режущего инструмента, применяемых смазочно-охлаждающих веществ в процессе резания. Вид образующейся стружки влияет на скорость изнашивания режущего инструмента, шероховатость обработанной поверхности, силы резания, конструкцию инструмента (размеры стружечных
канавок). Вид стружки (надлома) упрощает или усложняет (сливная стружка) ее отвод из зоны резания и транспортировку.
Рис. 45. а – сливная; б – скалывания; в – надлома
С точки зрения удобства удаления стружки из зоны резания и ее транспортировки, а также предохранения обработанной поверхности от царапания ее образующейся стружкой, целесообразна обработка резанием в условиях образования стружки надлома. Для получения стружки надлома (элементной) на режущем инструменте выполняют стружкозавивательные и стружколомные устройства,
применяют прерывистый процесс резания, изменяют геометрию режущего инструмента и режим резания, а при изготовлении деталей на автоматах часто используют специальные автоматные стали.
Изменяя факторы, влияющие на характер образующейся стружки, можно при резании одного и того
же металла получить разные виды стружек, так как пластичность и хрупкость являются не свойствами вещества, а характеризуют его состояние.
Стружка скалывания претерпевает наибольшие деформации и на ее образование затрачивается
большая работа по сравнению с работой, затрачиваемой при образовании сливной стружки и стружки надлома.
Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается значительной пластической деформации
одним из проявлений которой является ее усадка. Усадка состоит в том, что длина стружки меньше
длины обработанной поверхности, а толщина – больше толщины срезанного с заготовки слоя металла. Ширина стружки практически не изменяется.
Укорочение и утолщение стружки по сравнению с длиной и толщиной срезанного слоя называют
усадкой стружки, которой характеризуется коэффициентом усадки К.
Чем пластичнее металл, тем больше коэффициент усадки стружки. Для хрупких металлов К близок к
единице, для пластичных металлов К = 5 – 7. Усадка стружки зависит от физико-механических
свойств обрабатываемого металла, режима резания, геометрии инструмента, условий резания и т. д.
При скоростях резания 10—50 м/мин усадка стружки наиболышая, а при скоростях резания более
200—500 м/мин она резко уменьшается. С увеличением угла резания усадка увеличивается, с возрастанием главного угла в плане – уменьшается. Смазочно-охлаждающие жидкости снижают усадку
стружки.
Силы резания
Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы Р,
приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке, направление которой совпадает
с направлением скорости резания v. Произведение Pv представляет собой работу, затрачиваемую на
деформацию и разрушение материала заготовки:
A = Ау+Аи+Ат
где А — работа, затраченная на срезание припуска с обрабатываемой заготовки; Ау — работа, затраченная на упругое деформирование металла; Аи — работа, затраченная на пластической деформирование металла и его разрушение; Ат — работа, затраченная на преодоление сил трения задних поверхностей инструмента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмент.
В результате сопротивления металла деформированию возникают реактивные силы, действующие на
резец: нормального давления и трения. Реактивные силы – это силы упругого Ру1 и пластического
Рп1 деформирования, действующие перпендикулярно передней поверхности резца, и силы РУ2 и
РП2, действующие перпендикулярно главной задней поверхности резца (рис. 46, а). Наличие нормально действующих сил обусловливает возникновение силы трения Т1 = f1(Py1 + Рп1), действующей вдоль породней поверхности резца, и Т2 = f2(Pу2 + Рп2), действующей вдоль главной задней
поверхности резца (f1, и f2 — коэффициенты троими стружки о резец и резца о заготовку).
Указанную систему сил приводят к одной силе R — равнодействующей силе резания:
Условно считают, что точка приложения силы R находится па рабочей части главного режущего лезвия резца (рис. 46, б).
Абсолютная величина, точка приложения и направление в пространстве равнодействующей силы
резания R в процессе обработки являются переменными.
Это объясняется неоднородностью структуры и переменной поверхностной твердостью материала
заготовки, непостоянством сечения срезаемого слоя (наличие штамповочных и литейных уклонов,
галтелей и т. д.); изменением углов γ и α в процессе резания и т. д. Поэтому для практических расчетов используют не равнодействующую рилу резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям: координатным осям металлорежущего станка. Такими осями для токарно- винторезного станка являются: ось х — линия центров станка, ось у — линия, пер-
пендикулярная к линии центров станка, ось z — линия, перпендикулярная к плоскости х — у (рис.
46, б).
Рис. 46. Схема сил, действующие на резец (а), и разложение силы резания на составляющие (б).
Вертикалъная составляющая силы резания Рz действует в плоскости резания в направлении главного
движения (по оси z). По силе Рz определяют крутящий момент на шпинделе станка (заготовке), эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости х — z (рис. 47, а), изгибающий момент Мz, действующий на стержень резца (рис. 47, б); по силе Pz ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.
Радиальная составляющая силы резания Ру действует в плоскости х — у перпендикулярно оси заготовки. По силе Ру определяют упругое отжатие резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в
плоскости х — у (рис. 47, а).
Осевая составляющая силы резания Рх действует в плоскости х — у вдоль оси заготовки. По силе Рх
рассчитывают механизмы подач станка и изгибающий момент Мх, действующий на стержень резца
(рис. 47, б).
По величине деформации заготовки от сил Рz и Рy рассчитывают ожидаемую точность размерной
обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы. По величине суммарного изгибающего момента от сил Pz и Рх рассчитывают стержень резца на прочность и т. д.
Рис. 47. Схема деформации заготовки (а) и резца (б) под действием силы резания
Величину и направление равнодействующей силы резания определяют как диагональ параллелепипеда, построенного на составляющих силах:
Силу Pz (в Н) определяют по эмпирической формуле:
где СPz — коэффициент, учитывающий физико-механические cвойства обрабатываемого материала;
t — глубина резания, мм, s — подача, мм/об; v — скорость резания, м/мин; kMPz — коэффициент,
учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (величины углов резца, условия обработки, материал режущего инструмента и т. д.).
Коэффициенты СPz и kMPz и показатели степеней хPz, yPz, и nPz даны в справочниках в зависимости от конкретных условий обработки.
Аналогичные формулы существуют для определения сил Ру, Рх. Однако на практике определяют
лишь силу Рz, а силы Рх и Ру берут в частях от Рz.
Соотношение между силами Pz, Py, Рх зависит от геометрии режущей части резца, режима резания,
износа резца, физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий обработки.
При обработке стали резцом с γ = 15°, φ = 45°, λ = 0, без охлаждения приближенно считают, что
Рz:Рy:Рх = 1:0,45:0,35.
Отношения Ру : Рz : Рх возрастают с увеличением износа резца; с уменьшением угла φ увеличивается
отношение Ру : Pz; с увеличением подачи возрастает отношение Рх : Рz и т. д.
Крутящий момент на шпинделе станка (в Нм)
где Dзаг — диаметр обрабатываемой поверхности, мм.
Эффективной мощностью Ne называют мощность, расходуемую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя материала.
При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность в
(кВт)
где n —частота вращения заготовки, об/мин. Мощность электродвигателя станка (в кВт)
где η — к. п. д. механизмов и передач станка.
Точность обработки и качество обработанной поверхности
Точность и надежность работы узлов и машины во многом зависят от точности обработки деталей,
качества обработанных поверхностей и точности сборки.
Под точностью обработки понимают отклонение истинных размеров обработанной поверхности детали от ее конструктивных размеров, указанных в рабочем чертеже. Точность обработки определяется допуском на размер обрабатываемой поверхности, т. е. крайними предельно допустимыми
размерами. ГОСТ установлено семь основных классов точности: 1, 2, 2а, 3, За, 4, 5.
Самым высоким является первый класс точности.
Детали, обработанные разными технологическими методами, имеют не только отклонения от конструктивных размеров, но и погрешность геометрических форм поверхностей.
Погрешность геометрической формы поверхности (конусообразность, овальность, неплоскостность
и т. д.) должна укладываться в допуск на размер поверхности в соответствии с классом точности изготовления детали. Предельные отклонения формы и расположения поверхностей на рабочих чертежах деталей указывают условными обозначениями в соответствии с ГОСТом или оговаривают в технических требованиях на изготовление деталей.
Под качеством обработанной поверхности понимают совокупность следующих характеристик: шероховатости (микрогеометрии); волнистости; структурного состояния (микротрещины, надрывы, измельченная структура); упрочнения поверхностного слоя (глубины и степени); остаточных напряжений (глубины их проникновения, величины и знака) и др. Из этих характеристик наиболее легко
поддающейся непосредственным измерениям является шероховатость поверхности.
Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей, образующих рельеф поверхности и
рассматриваемых в пределах определенного ее участка.
Шероховатость характеризуется средним арифметическим отклонением профиля от среднего значения Rа и высотой неровностей Rz. ГОСТ 2789—73 устанавливает 14 классов шероховатости.
Классы шероховатости можно условно подразделять на четыре группы.
К первой группе (1—3-й классы) относят грубые поверхности, получаемые при обдирочном (черновом) точении, строгании, фрезеровании, сверлении.
Ко второй группе (4—6-й классы) относят поверхности, полученные получистовой обработкой разными технологическими методами.
Третью группу (7—9-й классы) составляют чистовые поверхности, обработанные абразивными инструментами, отделочными методами обработки (тонкое точение, развертывание, протягивание),
электрофизическими методами обработки, методами пластического деформирования.
К четвертой группе (10—14-й классы) относят поверхности, тонко обработанные доводочными инструментами (притирка, хонингование, суперфиниширование, алмазное выглаживание и другие технологические методы обработки).
Производительность и выбор режима резания
Производительность обработки (в шт/мин) определяют числом деталей, изготовляемых в единицу
времени.
Время Т складывается из основного, подготовительно-заключительного, вспомогательного времени
и времени на оргтехобслуживание.
Из формулы для определения основного технологического времени при обтачивании цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке:
следует, что высокая производительность будет при работе с большими подачей, глубиной резания,
скоростью резания при наименьших длине обрабатываемой поверхности и припуске h (мм) на обработку. Стремление получить высокую производительность входит в противоречие с точностью обработки и качеством обработанных поверхностей. Действительно, при увеличении snp и t производительность возрастает, а качество поверхностей резко снижается. Поэтому поверхности заготовок
следует обрабатывать на таких режимах резания, при которых достигаются высокие точность обработки и качество поверхностей при удовлетворительной производительности.
Элементы режима резания назначают в следующей последовательности. Вначале выбирают значение
глубины резания. При этом стремятся весь припуск на обработку снять за один рабочий ход режущего инструмента. Если по технологическим причинам необходимы два рабочих хода, то при первом
снимают да 80% припуска, при втором да 20% припуска. Затем выбирают величину подачи. Рекомендуется назначать наибольшую допустимую подачу, исходя из требований точности и допустимой
шероховатости обработанной поверхности и учитывая мощность станка, режущие свойства материала инструмента, жесткость и виброустойчивость системы СПИД. Наконец, определяют скорость резания исходя из выбранных глубины резания, подачи и стойкости режущего инструмента.
Скорость резания при точении, например, определяют по следующей эмпирической формуле:
,
где Cv — коэффициент, учитывающий физико-механические свойства обрабатываемого материала и
условия обработки.
После определения скорости резания находят частоту вращения (в об/мин) шпинделя станка, соответствующую этой скорости резания:
Так как станок точно такой частоты вращения шпинделя может не иметь вследствие ее ступенчатого
регулирования, то назначают ближайшую меньшую величину. В результате этого незначительно
снижается скорость резания, но зато стойкость режущего инструмента повышается.
Технологические возможности способов резания
Точение
Точение является основным способом обработки поверхностей тел вращения.
Процесс резания осуществляется на токарных станках при вращении обрабатываемой заготовки
(главное движение) и перемещении резца (движение подачи).
Движение подачи осуществляется:
параллельно оси вращения заготовки (продольная); перпендикулярно оси вращения заготовки (поперечная); под углом к оси вращения заготовки (наклонная).
Схемы обработки поверхностей заготовки точением представлены на рис. 48.
С помощью точения выполняют операции: обтачивание – обработку наружных поверхностей (рис.
48.а); растачивание – обработку внутренних поверхностей (рис. 48.б); подрезание – обработку торцевых поверхностей (рис.48.в); резку – разрезание заготовки на части ( рис.48.г); резьбонарезание –
нарезание резьбы (рис.48.д).
По технологическим возможностям точение условно подразделяют на: черновое, получистовое, чистовое, тонкое.
Рис. 48. Схемы обработки поверхностей заготовки точением
В качестве режущего инструмента при точении используют резцы.
Главным принципом классификации резцов является их технологическое назначение.
Различают резцы:
проходные – для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей; расточные – проходные и упорные – для растачивания глухих и сквозных отверстий; отрезные –
для отрезания заготовок; резьбовые – для нарезания наружных и внутренних резьб; фасонные
– для обработки фасонных поверхностей; прорезные – для протачивания кольцевых канавок;
галтельные – для обтачивания переходных поверхностей между ступенями валов по радиусу.
По характеру обработки – черновые, получистовые, чистовые.
По направлению движения подачи – правые и левые (справа на лево и слева на право).
По конструкции – целые, с приваренной или припаянной пластиной, со сменными пластинами.
Установка к закреплению заготовки зависит от типа станка, вида обрабатываемой поверхности, характеристики заготовки (
), точности обработки и других факторов.
Лекция 18. Качество машиностроительной продукции и ее основные показатели. Обработка на
станках токарной группы.
Критерии оценки и классификация шероховатости поверхности установлены по ГОСТом. Приведем
основные определения и термины, регламентированные этим стандартом.
Под шероховатостью поверхности, получающейся в результате обработки, понимается совокупность
неровностей с относительно малыми шагами, образующие рельеф поверхности и рассматриваемых в
пределах участка, длина которого выбирается в зависимости от характера поверхности и равна базовой длине l.
Шаг неровностей — расстояние между вершинами характерных неровностей измеренного профиля.
Базовая длина l — длина участка поверхности, выбираемая для измерения шероховатости без учета
других видов неровностей, имеющих шаг более l.
Шероховатость поверхности определяется одним из следующих параметров:
а) средним арифметическим отклонением Ra;
б) высотой неровностей Rz.
За среднее арифметическое отклонение профиля Ra принимают среднее значение расстояний точек
измеренного профиля до его средней линии.
Средняя линия делит измеренный профиль таким образом, что в пределах базовой длины сумма
квадратов расстояний точек профиля до этой линии минимальна.
Приближенно Ra =
Высота неровностей Rz определяется как среднее расстояние между находящимися в пределах базовой длины пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин, измеренное от линии, параллельной средней линии.
Стандартом установлено 14 классов чистоты поверхности, для которых максимальные числовые
значения шероховатости Rа или Rz при базовых длинах l.
Лекция 19. Устройство токарно–винторезного станка.
Токарно-винторезный станок состоит из следующих узлов (рис. 49). Станина 2 с призматическими
направляющими служит для монтажа узлов станка и закреплена на тумбах. В передней тумбе 1
смонтирован электродвигатель главного привода станка, в задней тумбе 12 — бак для смазочноохлаждающей жидкости и насосная станция.
В передней бабке 6 смонтированы коробка скоростей станка и шпиндель. Механизмы и передачи коробки скоростей позволяют получать разные частоты вращения шпинделя. На шпинделе закрепляют
зажимные приспособления для передачи крутящего момента обрабатываемой заготовке. На лицевой
стороне передней бабки установлена панель управления 5 механизмами коробки скоростей.
Коробку подач 3 крепят к лицевой стороне станины. В коробке смонтированы механизмы и передачи, позволяющие получать разные скорости движения суппортов. С левой торцовой стороны станины установлена коробка 4 сменных зубчатых колес, необходимых для наладки станка на нарезание
резьбы.
Продольный суппорт 7 перемещается по направляющим станины и обеспечивает продольную подачу
резцу. По направляющим продольного суппорта перпендикулярно к оси вращения заготовки перемещается поперечная каретка, на которой смонтирован верхний суппорт 9. Поперечная каретка
обеспечивает поперечную подачу резцу. Верхний поворотный суппорт можно устанавливать под
любым углом к оси вращения заготовки, что необходимо при обработке конических поверхностей
заготовок.
Рис. 49. Схема токарно–винторезного станка.
На верхнем суппорте смонтирован четырехпозиционный поворотный резцедержатель 8, в котором
можно одновременно закреплять четыре резца. К продольному суппорту крепят фартук 10. В фартуке смонтированы механизмы и передачи, преобразующие вращательное движение ходового валика
или ходового винта в поступательные движения суппортом. Задняя бабка 11 установлена с правой
стороны станины и перемещается по ее направляющим. В пиноли задней бабки устанавливается задний центр или инструмент для обработки отверстии (сперла, зенкеры, развертки).
Корпус задней бабки смещается относительно основания в поперечном направлении, что необходимо при обтачивании наружных конических поверхностей. Для предохранения работающего от травм
сходящей стружкой на станке устанавливают специальный защитный экран.
Классификация металлорежущих станков
К современным машинам и приборам предъявляются высокие требования по техникоэксплуатационным характеристикам, точности и надежности работы. Эти показатели обеспечиваются высокой точностью размеров и качеством обработанных поверхностей деталей машин и приборов.
Поэтому, несмотря на большие достижения технологии производства высококачественных заготовок, роль обработки резанием и значение металлорежущих станков в машиностроении непрерывно
повышаются.
Современные металлорежущие станки — это разнообразные и совершенные рабочие машины, использующие механические, электрические и гидравлические методы осуществления движений и
управления рабочим циклом, решающие самые сложные технологические задачи.
Станкостроение развивается как в количественном, так и качественном отношении. Непрерывно повышаются точность, производительность, мощность, быстроходность и надежность работы станков.
Улучшаются эксплуатационные характеристики, расширяются технологические возможности, совершенствуются архитектурные формы станков. Успешное развитие станкостроения обеспечивает
перевооружение всех отраслей нашей промышленности высокопроизводительными и высококачественными станками, многие из которых отвечают требованиям мировых стандартов.
В основу классификации металлорежущих станков, принятой в нашей стране, положен технологический метод обработки заготовок. Классификацию по технологическому методу обработки проводят в
соответствии с такими признаками, как вид режущего инструмента, характер обрабатываемых поверхностей и схема обработки. Станки делят на токарные, сверлильные, шлифовальные, полировальные и доводочные, зубообрабатывающие, фрезерные, строгальные, разрезные, протяжные, резьбообрабатывающие и т. д.
Классификация по комплексу признаков наиболее полно отражается в общегосударственной Единой
системе условных обозначений станков. Она построена по десятичной системе; все металлорежущие
станки разделены на десять групп, группа — на десять типов, а тип — на десять типоразмеров. В
группу объединены станки по общности технологического метода обработки или близкие по назначению (например, сверлильные и расточные). Типы станков характеризуют такие признаки, как
назначение, степень универсальности, число главных рабочих органов, конструктивные особенности. Внутри типа станки различают по техническим характеристикам.
Различают станки универсальные, широкого применения, специализированные и специальные. На
универсальных станках выполняют самые разнообразные работы, используя заготовки многих
наименований. Примерами таких станков могут быть токарно-винторезные, горизонтальнофрезерные консольные и др. Станки широкого назначения предназначены для выполнения определенных работ на заготовках многих наименований (многорезцовые, токарно-отрезные станки). Специализированные станки предназначены для обработки заготовок одного наименования, но разных
размеров (например, станки для обработки коленчатых валов). Специальные станки выполняют
определенный вид работ на одной определенной заготовке.
Лекция 20. Обработка на строгальных станках.
Характеристика метода строгания
Технологический метод формообразования поверхностей заготовок строганием характеризуется
наличием двух движений: поступательным резца или заготовки (скорость резания) и прерывистым
поступательным подачи, направленным перпендикулярно лектору главного движения.
Заготовки обрабатывают на поперечно-строгальных или продольно-строгальных станках. На поперечно-строгальных станках резец совершает возвратно-поступательное движение v, а заготовка —
движение поперечной подачи в горизонтальной плоскости (рис. 50, а). При некоторых видах обработки движение подачи имеет резец. На продольно-строгальных станках заготовка совершает возвратно-поступательное движение v, а режущий инструмент (рис. 50, б) — движение подачи.
Рис. 50. Схемы обработки плоской поверхности на поперечно–строгальном (а), продольно–
строгальном (б) и долбёжном (в) станках
Разновидностью строгания является долбление на долбежных станках. На них заготовки обрабатывают при возвратно-поступательном движении v режущего инструмента, совершаемом в вертикальной плоскости, и движении подачи Sn заготовки в горизонтальной плоскости (рис. 50, в).
Процесс резания при строгании прерывистый, и удаление материала происходит только при прямом
(рабочем) ходе. Во время обратного (холостого) хода резец работу резания не производит. Прерывистый процесс резания способствует охлаждению инструмента во время обработки заготовки, что исключает в большинстве случаев применение смазочно-охлаждающих жидкостей.
Прерывистый процесс резания приводит к значительным динамическим нагрузкам режущего инструмента, так как резец, врезаясь в материал заготовки при каждом рабочем ходе, испытывает удар.
Поэтому строгание осуществляют на умеренных скоростях резания, а режущий инструмент делают
более массивным и прочным по сравнению с резцами, применяемыми при обработке точением.
Наличие холостого хода при строгании увеличивает время обработки и снижает производительность.Благодаря низкой производительности строгание во многих случаях заменяют фрезерованием.
Строгальные станки широко применяют в станкостроении и тяжелом машиностроении, когда необходимо обрабатывать крупные тяжелые заготовки станин, корпусов, рам, оснований, колонн и других деталей. Строгальные станки используют также во вспомогательных цехах машиностроительных
заводов: ремонтных, инструментальных, опытного производства и т. д.
Режим резания. Силы резания
Режим резания. При строгании режим резания составляет совокупность величин: скорости резания v
подачи s и глубины резания t.
Глубину резания измеряют в миллиметрах. При строгании она определяется величиной припуска,
оставленного на обработку. Черновое строгание выполняют с большей глубиной резания, чем получистое и чистовое. При строгании и долблении движение подачи (мм/дв. х.) является прерывистым и
осуществляется в конце обратного холостого хода заготовки или резца. Величины t и s выбирают из
справочников. Задавшись глубиной резания и подачей, по эмпирической формуле определяют расчетную скорость резания. Скорость резания при строгании и долблении измеряют в метрах в минуту.
Для строгальных станков с гидроприводом главного движения число двойных ходов ползуна (стола)
в минуту:
,
где L = l + (l1 + l2) – длина хода ползуна (рис. 51), мм; l – длина обрабатываемой поверхности заготовки, мм; l1+l2 – длина перебега резца в обе стороны, мм; k – отношение скорости рабочего хода к
скорости холостого хода
После вычисления скорости резания определяют число двойных ходов ползуна поперечнострогального или долбежного станка или стола продольно-строгального станка.
Силы резания. Схема сил, действующих в процессе обработки заготовки на строгальном станке, показана на рис. 52. Так же как и при точении, силу резания R раскладывают на три составляющие силы: Pz; Ру; Рх.
Тангенциальную составляющую Pz силы резания определяют по эмпирической формуле, так же как
при точении. Величины вертикальной Ру и горизонтальной Рх составляющих обычно берут в долях
от силы Pz.
По силе Pz определяют эффективную мощность резания, упругую деформацию резца при рабочем
ходе, размеры поперечного сечения стержня резца. По силе Рх рассчитывают механизм подачи станка; по силе Ру — упругие отжатия резца от обрабатываемой заготовки, что влияет на точность размера обработанной поверхности, а прочность механизма резцедержателя и суппорта станка.
Для продольно-строгальных станков эффективная мощность:
где Рz — вертикальная составляющая силы резания, Н; v — скорость резания, м/мин.
Основное (технологическое) время. Основное время (в мин) обработки поверхности заготовки на
строгальном (долбежном) станке:
,
где В — ширина строгания (долбления), мм (рис. 51);
B=b+b1+b2
Лекция 21. Строгальные и долбежные резцы, приспособления и станки
Строгальные резцы по сравнению с токарными работают в более тяжелых условиях, так как они испытывают ударную (динамическую) нагрузку. Под действием этой нагрузки резец изгибается в сторону опорной поверхности стержня.
Если вершина резца расположена слева от оси стержня, то она вследствие деформации опишет дугу,
и глубина резания изменяется. Во избежание этого необходимо, чтобы при деформировании вершина резца описывала дугу радиусом R, касательную к обработанной поверхности (рис. 53, а). Для этого вершина резца должна быть расположена между опорной поверхностью стержня и плоскостью,
проходящей через ось стержня резца. Чтобы выдержать это условие, строгальные резцы выполняют
изогнутыми.
В зависимости от назначения различают следующие типы строгальных резцов (рис. 53): проходные
(б), подрезные {в), отрезные (г) и фасонные. Указанные резцы выполняют правыми и левыми, черновыми и чистовыми; их конструкции аналогичны конструкциям резцов для токарной обработки.
Рис. 53. Строгальные и долбёжные резцы
Долбежные резцы изготовляют трех основных типов (рис. 53): проходные (д), прорезные (е) и для
шпоночных пазов (ж). Долбежные резцы, как правило, изготовляют с пластинками из быстрорежущей стали.
Приспособления для обработки заготовок на строгальных станках
Обрабатываемые заготовки небольших размеров и простых форм закрепляют в универсальных машинных тисках, устанавливаемых и закрепляемых на столе строгального станка.
Рис. 54. Приспособления и резцовые державки к строгальным станкам.
Заготовки больших размеров и сложных форм устанавливают непосредственно на столе станка,
имеющем Т-образные пазы, и закрепляют, используя прихваты, призматические (рис. 54, а) и клиновые (рис. 54, б) подкладки, упоры (рис. 54, в), призмы (рис. 54, г) и т. д.
Специальные приспособления при выполнении строгальных работ применяют редко.
Резцы на строгальных станках закрепляют в специальных державках: однорезцовых (рис. 54, д, е),
двух-, трех - и четырех-резцовых. На рис. 54, ж показана трехрезцовая державка для строгания плоской поверхности по схеме деления подачи на части. Это позволяет обрабатывать заготовки с большой величиной поперечной подачи, в то время как на каждый резец приходится
. Применяя аналогичные конструкции державок, можно строгать поверхности по схеме деления припуска на части.
Эти станки входят в седьмую группу. К ним относятся поперечно-строгальные, продольнострогальные (одностоечные и двухстоечные), долбежные и разные строгальные станки.
Поперечно-строгальные станки используют в серийном производстве и во вспомогательных цехах
машиностроительных заводов. На них обрабатывают заготовки, когда длина строгания не превышает
1000 мм. Общий вид поперечно-строгального станка показан на рис. 55.
Рис.55. Общий вид поперечно–строгального станка
Фундаментная плита 1 служит для установки и закрепления станка на фундаментном основании пола. На плите закреплена станина 2 с фланцевым электродвигателем 8. В станине смонтированы коробка скоростей станка и кулисный механизм или гидропривод, обеспечивающие возвратно-поступательное движение ползуна 7 по горизонтальным направляющим станины.
По вертикальным направляющим станины перемещается траверса 3 с горизонтальными направляющими. На траверсе консольно установлен стол 4 с Т-образными пазами, на котором закрепляют обрабатываемую заготовку.
На торце ползуна 7 закреплен вертикальный суппорт 6, который можно устанавливать под углом при
строгании наклонных плоскостей. На суппорте смонтирован откидной резцедержатель 5, в котором
закрепляют строгальный резец. Резцедержатель сделан откидным и может поворачиваться на шарнирном пальце, что необходимо для свободного скольжения резца по обработанной поверхности заготовки при холостом ходе ползуна.
На продольно-строгальных станках обрабатывают крупные тяжелые заготовки. Станки характеризуются наибольшей длиной строгания (ходом стола), которая составляет 1,5—12 м, и шириной строгания, равной 0,7—4,0 м. Продольно-строгальные станки подразделяют на одностоечные и двухстоечные. На двухстоечных станках, имеющих более жесткую конструкцию, обрабатывают более крупные заготовки.
Общий вид двухстоечного продольно-строгального станка показан на рис. 56. Станина 1 имеет продольные горизонтальные направляющие, по которым стол 2 совершает возвратно-поступательное
движение. Стол с закрепленной на нем обрабатываемой заготовкой получает прямолинейное движение от реечнойпередачи, червяка и червячной рейки или от гидроцилиндра. Приводом главного
движения служит электродвигатель 12.
Рис. 56. Общий вид двухстоечного продольно–строгального станка.
Со станиной жестко связаны две стойки: левая 3 и правая 8, соединенные в верхней части попепечиной 7, что попытает общую жесткость станка. По вертикальным направляющим стоек перемещается
траверса 5, которую в зависимости от размера обрабатываемой заготовки устанавливают на определенном уровне от плоскости стола. На траверсе смонтированы два верхних суппорта 6 и 9, получающие поперечную подачу от коробки подач 10. Суппорты можно поворачивать в вертикальной
плоскости. На суппортах установлены откидные резцедержатели для закрепления резцов. По вертикальным направляющим стоек перемещаются боковые суппорты 4 и 11, на которых также установлены откидные резцедержатели. Боковые суппорты имеют индивидуальные коробки подач.
Наличие четырех суппортов позволяет одновременно обрабатывать несколько поверхностей заготовки.
Лекция 22. Долбёжные станки
Долбежные станки. Долбежные станки характеризуются тем, что главное движение резания осуществляется в вертикальной плоскости. Это движение имеет ползун, на котором установлен резцедержатель для закрепления долбежного резца. Длина хода ползуна обычно не превышает 200 мм. Заготовку закрепляют па столе станка, который имеет продольную и поперечную подачи. Кроме того,
стол имеет круговую подачу относительно своей вертикальной оси.
На строгальных станках обрабатывают плоские поверхности — горизонтальные, вертикальные и
наклонные; уступы; пазы Т-обзазные, V-образные, типа «ласточкина хвоста», призматические прямоугольные, трапецеидальные; рифленые поверхности; фасонные поверхности (фасонными резцами
или по копиру). Кроме того, на них разрезают заготовки.
Рис. 57. Схемы обработки поверхностей заготовок на строгальных и долбёжных станках.
На долбежных станках обрабатывают плоские вертикальные поверхности, многогранники, многогранные отверстия, наружные пазы, фасонные поверхности.
На рис. 57 показаны примеры обработки различных поверхностей на строгальных и долбежных
станках.
Обработка заготовок на поперечно-строгальных станках показана схемами строгания горизонтальной (а), вертикальной (б) и наклонной (в) плоскостей. На рис. 57, г показано строгание рифлений.
Наклонную плоскость обрабатывают при повороте верхнего суппорта на угол, равный углу наклона
обрабатываемой плоскости, и подаче, направленной параллельно обрабатываемой поверхности.
Обработка заготовок на продольно-строгальных станках показана схемами одновременного строгания горизонтальной и вертикальной плоскостей заготовки (д); одновременного строгания призматического паза и паза «ласточкин хвост» (е); строгания фасонной поверхности (ж) по копиру.
Обработка заготовок на долбежных станках показана схемами долбления вертикальной плоскости
(з), цилиндрической поверхности (и) и шпоночного паза (к).
Строгание горизонтальных плоскостей выполняют проходными резцами, вертикальных и наклонных
плоскостей — подрезными резцами, пазов — прорезными резцами и т. д.
Лекция 23. Обработка на протяжных станках станках
Характеристика метода протягивания
Протягивание – высокопроизводительный метод обработки внутренних и наружных поверхностей,
обеспечивающий высокую точность формы и размеров обрабатываемой поверхности. Протягивают
многолезвийным режущим инструментом — протяжкой при ее поступательном движении относительно неподвижной заготовки (главное движение).
Принцип протягивания заключается в том, что размер каждого последующего зуба протяжки больше
предыдущего, при этом каждый зуб срезает с обрабатываемой поверхности заготовки стружку небольшой толщины, вследствие чего обработанная поверхность имеет малую шероховатость. Несмотря на сравнительно низкую скорость резания при протягивании, этот метод является высокопроизводительным вследствие большой суммарной длины одновременно работающих режущих лезвий.
На рис. 58, а, б приведены схемы протягивания и прошивания отверстий. При протягивании заготовка 2 торцовой частью опирается на кронштейн станка 1. Силой Р протяжка 3 протягивается через обрабатываемое отверстие заготовки. При прошивании заготовка 2 опирается на стол пресса 5. Сила Р,
приложенная к торцу прошивки 4, проталкивает ее через обрабатываемое отверстие заготовки.
В отличие от протяжки, которая работает на растяжение прошивка работает на сжатие. Длина прошивки во избежание продольного изгиба не превышает 15 ее диаметров.
Режим резания
Скорость резания. При протягивании скоростью резания v является скорость поступательного движения протяжки относительно заготовки. Скорость резания лимитируется условиями получения обработанной поверхности высокого качества и ограничивается технологическими возможностями
протяжных станков. Обычно v = 8 –15 м/мин.
Подача. Движение подачи при протягивании как самостоятельное движение инструмента или заготовки отсутствует. За величину подачи sz, определяющую толщину срезаемого слоя отдельным зубом протяжки, принимают подъем на зуб, т. е. разность размеров по высоте двух соседних зубьев
протяжки; sz является одновременно и глубиной резания. Подача в основном зависит от обрабатываемого материала, конструкции протяжки и жесткости заготовки и составляет 0,01—0,2 мм/зуб. Оптимальные величины режима резания выбирают по справочным данным.
Протяжки
По характеру обрабатываемых поверхностей протяжки делят на две основные группы: внутренние и
наружные. Внутренними протяжками обрабатывают различные замкнутые поверхности, а наружными – полузамкнутые и открытые поверхности различного профиля.
По форме различают круглые, шлицевые, шпоночные, многогранные и плоские протяжки. По конструкции зубьев протяжки бывают режущими и уплотняющими. В первом случае зубья имеют острые режущие лезвия, во втором – округленные, работающие по методу пластического деформирования поверхности без снятия стружки. Различают также сборные протяжки со вставными ножами,
оснащенными пластинками из твердого сплава.
На рис. 59, а показаны элементы круглой протяжки.
Элементы круглой протяжки. Замковая часть (хвостовик) l1 служит для закрепления протяжки в
патроне тянущего устройства станка; шейка l2 — для соединения замковой части с передней направляющей частью; передняя направляющая часть l3 вместе с направляющим конусом — для центрирования обрабатываемой заготовки в начале резания.
Режущая часть l4 состоит из режущих зубьев, высота которых последовательно увеличивается на
толщину срезаемого слоя, и предназначена для срезания припуска.
Калибрующая часть l5 состоит из калибрующих зубьев, форма и размеры которых соответствуют
форме и размерам последнего режущего зуба, и предназначена для придания обработанной поверхности окончательных размеров, необходимой точности и шероховатости.
Задняя направляющая часть l6 служит для направления и поддержания протяжки от провисания в
момент выхода последних зубьев калибрующей части из отверстия. Для облегчения образования
стружки на режущих зубьях выполняют стружколомные канавки в шахматном порядке.
Рис. 59. Элементы и геометрия зуба круглой протяжки
Геометрия зуба протяжки. Геометрия зубьев режущей и калибрующей частей показана на рис. 59,
б. Передние и задние углы протяжки измеряют в плоскости, перпендикулярной к главному режущему лезвию. Передний угол γ (5–20°) выбирают в зависимости от свойств обрабатываемого материала,
задний угол α (1–4°) – в зависимости от класса точности обработки.
Калибрующие зубья имеют на задней поверхности фаску (ленточку) шириной f = 0,2 – 0,3 мм, у которой задний угол αк= 0°. Фаска необходима для того, чтобы после переточки по передней поверхности зуба размеры протяжки не изменялись.
Шаг режущих зубьев tp протяжки определяют в зависимости от длины L протягиваемой поверхности, при этом исходят из того, чтобы в резании участвовало одновременно не менее трех зубьев. Шаг
режущих зубьев tp = (1,25–1,5)
мм; шаг калибрующих зубьев tк = (0,6 – 0,7) tp мм.
Силы резания и мощность при протягивании.
Сила резания при протягивании складывается из сил, приложенных ко всем одновременно участвующим в резании зубьям.
Сила, действующая на каждый зуб протяжки, может быть paзложена на две составляющие: Рz,
направленную вдоль оси, и Pu, направленную перпендикулярно оси.
Практическое значение имеет лишь осевая составляющая Pz, направленная в сторону, противоположную движению протяжки. Ома создает напряжения в протяжке. Для круглых протяжек сила резания (в Н):
,
для шпоночных и шлицевых протяжек:
,
где Cpz — коэффициент, характеризующий материал заготовки и условия обработки; sz — подача на
зуб, мм; xpz – показатель степени при подаче; D — диаметр отверстия, мм; z — число одновременно
работающих зубьев протяжки; n — число шлицев; kγ, Ка, Ки, Ко — соответственно коэффициенты,
характеризующие влияние переднего и заднего углов, износа и смазочно-охлаждающей жидкости.
Значения Cpz, xpz, kγ, Ка, Ки, Ко приводятся в справочных материалах по выбору режимов резания.
По силе резания Pz рассчитывают прочность протяжки на растяжение, эффективную мощность и
проверяют возможность выполнения заданного процесса резания на данном станке (тяговая сила
станка должна быть больше силы резания).
Эффективная мощность (в кВт):
Обработка поверхностей заготовок на протяжных станках
Протяжные станки отличаются простотой конструкции и эксплуатации. Это обусловлено тем, что
форма поверхности при обработке на протяжном станке зависит от формы режущих лезвий зубьев
инструмента. Основными характеристиками протяжного станка являются тяговое усилие и длина
хода протяжки. Протяжные станки имеют гидравлический привод и часто работают по полуавтоматическому циклу. В зависимости от вида обрабатываемых поверхностей их делят на станки для
внутреннего и наружного протягивания; по направлению главного движения—на горизонтальные и
вертикальные.
Рис. 60. Общий вид горизонтально–протяжного станка
Горизонтально-протяжной станок. Этот станок для внутреннего протягивания (рис. 60) состоит из
станины 1, насосной станции 2, гидроцилиндра 3, каретки 4, опорного кронштейна 5 и корыта 6.
Протяжку хвостовой частью вставляют в предварительно обработанное отверстие заготовки и закрепляют в патроне каретки 4. Каретка с протяжкой получает поступательное движение от штока
поршня гидроцилиндра — главное движение vp
Рис. 61. Общий вид вертикально–протяжного станка.
Заготовка при протягивании опирается торцом на опорную поверхность кронштейна 5. Поступательное движение протяжке сообщают до тех пор, пока она не выйдет из отверстия заготовки. Поело
окончания протягивания заготовка падает в корыто 6, протяжка извлекается из каретки 4, последняя
возвращается в исходное положение (холостой ход vx) и цикл обработки повторяется.
Рис. 61. Общий вид вертикально–протяжного станка.
Вертикально-протяжной станок. Этот станок для наружного протягивания (рис. 61) состоит из основания 7, станины 5, насосной станции 4, каретки 3, стола 2. Заготовку устанавливают в приспособлении на столе станка. Протяжку закрепляют в каретке и от гидропривода сообщают ей поступательное перемещение – главное движение. Протяжка, опускаясь (рабочий ход vp) обрабатывает заготовку. Обработанную заготовку снимают и подвижная каретка быстро возвращается в исходное положение (холостой ход vx).
Протяжные стайки непрерывной обработки (рис. 62). Эти станки являются станками высокой
производительности. На них обрабатывают заготовки непрерывно. Заготовки 2 устанавливают в
приспособлениях замкнутой цепи 1 и сообщают им главное поступательное движение со скоростью
v относительно неподвижной протяжки 3. Жесткие направляющие 4 обеспечивают параллельное перемещение цепи в зоне прохождения заготовок под протяжкой.
На протяжных станках непрерывной обработки карусельного типа заготовки устанавливают на вращающемся круглом столе.
Рис. 62. Схема обработки заготовок на протяжном станке непрерывной обработки.
Отверстия различной геометрической формы протягивают на горизонтально-протяжных станках для
внутреннего протягивания. Размеры протягиваемых отверстий составляют 5—250 мм.
Цилиндрические отверстия протягивают круглыми протяжками после сверления, растачивания или
зенкерования. Применяют также протягивание отверстий, полученных при литье и штамповке, без
предварительной их обработки. Обычно длина отверстий не превышает трех диаметров.
Если торец отверстия в заготовке не обработан, то для ее установки применяют приспособления со
сферической опорной поверхностью (рис. 63, а). Заготовка в этом случае может самоустанавливаться
(центрироваться) по оси протяжки, даже если торец заготовки не перпендикулярен оси отверстия. В
тех случаях, когда при предыдущей обработке предусмотрено получение торца отверстия, перпендикулярного к его оси, заготовка опирается на жесткую (неподвижную) поверхность.
Многогранные отверстия (треугольные, квадратные и т. п.) протягивают многогранными протяжками. Исходной поверхностью для протягивания является круглое отверстие
На рис. 63, б приведена схема протягивания квадратного отверстия.
Шлицевые отверстия с различным профилем шлицев протягивают многошлицевыми протяжками,
формирующим одновременно весь профиль отверстия.
На рис. 63, в приведена схема протягивания прямых шлицев. Винтовые шлицы протягивают протяжкой, режущие зубья которой расположены по винтовой линии, с приспособлением обеспечивающим
дополнительное вращение протяжки (рис. 63, г) или заготовки.
Шпоночные и другие пазы протягивают протяжками, форма зубьев которых в поперечном сечении
соответствует профилю протягиваемого паза. Шпоночные пазы протягивают плоской шпоночной
протяжкой (рис. 63, д) с применением специального приспособления — направляющей втулки 3,
Вдоль всей втулки прорезают прямоугольный паз, который является направляющим для протяжки.
Наружные поверхности различной геометрической формы с прямолинейной образующей протягивают на вертикально-протяжных станках для наружного протягивания, а также на станках непрерывной обработки конвейерного типа.
Протягивание наружных поверхностей успешно применяют вместо других методов обработки с целью снижения ее трудоемкости и стоимости. Наружным протягиванием можно заменить строгание,
фрезерование, а в некоторых случаях и шлифование. При протягивании сложных фасонных контуров
взамен фрезерования (например, плоских кулачков) не только снижается трудоемкости обработки,
но и обеспечивается высокое качество обработанной поверхности. Плоские и более сложные наружные поверхности протягивают плоскими протяжками прямого и фасонного профиля.
Рис. 63. Схемы обработки поверхностей заготовок на протяжных станках:
1 – заготовка, 2 – протяжка, 3 – направляющая втулка
На рис. 63, е приведена схема протягивания вертикальной плоскости.
На специальных протяжных станках можно обрабатывать наружные поверхности заготовок формы
тел вращения плоскими (рис. 63, ж) и дисковыми (рис. 63, з) протяжками. В обоих случаях заготовке
сообщают круговую подачу. Плоская протяжка имеет главное движение — поступательное, а дисковая протяжка — вращательное вокруг своей оси.
Цилиндрические и конические зубчатые колеса наружного зацепления протягивают следующим образом. Цилиндрические зубчатые колеса с прямыми зубьями и другие детали, имеющие наружные
пазы, изготовляют последовательным протягиванием впадины между зубьями за один или несколько
проходов на горизонтальных и вертикальных протяжных станках с делительными автоматическими
устройствами. На специальных протяжных автоматах с непрерывно вращающейся круглой протяжкой специальной конструкции нарезают цилиндрические и конические зубчатые колеса с прямыми
зубьями.
Лекция 24. Обработка на сверлильных станках
Сверление является основным способом получения глухих и сквозных цилиндрических отверстий в
сплошном материале заготовки.
В качестве инструмента при сверлении используется сверло, имеющее две главные режущие кромки.
Для сверления используются сверлильные и токарные станки.
На сверлильных станках сверло совершает вращательное (главное) движение и продольное (движение подачи) вдоль оси отверстия, заготовка неподвижна (рис. 64.а).
При работе на токарных станках вращательное (главное движение) совершает обрабатываемая деталь, а поступательное движение вдоль оси отверстия (движение подачи) совершает сверло
(рис.64.б).
Рис. 64. Схемы сверления, зенкерования и развертывания
Диаметр просверленного отверстия можно увеличить сверлом большего диаметра. Такие операции
называются рассверливанием (рис.64.в).
При сверлении обеспечиваются сравнительно невысокая точность и качество поверхности.
Для получения отверстий более высокой точности и чистоты поверхности после сверления на том же
станке выполняются зенкерование и развертывание.
Зенкерование – обработка предварительно полученных отверстий для придания им более правильной
геометрической формы, повышения точности и снижения шероховатости. Многолезвийный режущим инструментом – зенкером, который имеет более жесткую рабочую часть, число зубьев не менее
трех (рис. 64.г).
Развертывание – окончательная обработка цилиндрического или конического отверстия разверткой
в целях получения высокой точности и низкой шероховатости. Развертки – многолезвийный инструмент, срезающий очень тонкие слои с обрабатываемой поверхности (рис. 64.д).
Схемы сверления, зенкерования и развертывания представлены на рисунке 64.
ЛЕКЦИЯ 25. Обработка на расточных станках
Обработка заготовок на расточных станках
Характеристика метода растачивания. Поверхности на расточных станках формообразуются за
счет сочетания главного вращательного движения резца или другого режущего инструмента и движения подачи, сообщаемого инструменту или заготовке. Направление подачи может быть продольным, поперечным, радиальным и вертикальным в зависимости от характера обрабатываемой поверхности.
На расточных станках выполняют сверление, зенкерование, развертывание и растачивание отверстий, обтачивание наружных цилиндрических поверхностей резцом, подрезание торцов, нарезание
резьбы и фрезерование плоскостей.
Расточные станки применяют в основном для обработки отверстий с точно координированными
осями в крупно - и среднегабаритных заготовках корпусных деталей.
Обработка поверхностей заготовок резцами наиболее характерна для расточных станков.
Расточные резцы работают в менее благоприятных условиях, чем токарные. Они имеют меньшие
размеры, зависящие от размера оправок, в которых их закрепляют, и диаметра обрабатываемого отверстия. Оправка с резцом под действием силы резания может изгибаться. Нежесткость инструмента
является причиной вибраций в процессе резания и снижения качества обработанной поверхности.
Поэтому для обеспечения высокой точности обрабатываемых поверхностей расточные станки имеют
повышенную жесткость.
Режим резания. При работе на расточных станках (рис. 65) главное вращательное движение инструмента характеризуется скоростью резания.
Рис. 65. Схема растачивания отверстия
За скорость резания (м/мин) принимают окружную скорость вращающегося режущего инструмента
,
где D — диаметр обработанной поверхности, мм; n — частота вращения режущего инструмента,
об/мин.
Подача s — перемещение режущего инструмента (или заготовки) относительно обрабатываемой поверхности (измеряется в мм/мин или за один оборот шпинделя в мм/об).
Глубина резания t (мм) при растачивании отверстий:
,
где D — диаметр отверстия после обработки, мм; d — диаметр отверстия до обработки, мм.
Режущий инструмент
На расточных станках для обработки поверхностей используют различные инструменты: резцы,
сверла, зенкеры, развертки, метчики, фрезы.
Расточные резцы по форме поперечного сечения стержня подразделяют на квадратные, прямоугольные (рис. 66, а) и круглые (рис.66, б).
Рис. 66. Режущий инструмент для растачивания отверстий.
В зависимости от вида обработки используют различные типы расточных резцов: проходные, подрезные, канавочные и резьбовые. Широко применяют пластинчатые резцы — основной инструмент
или растачивания отверстий диаметром более 20 мм. Пластинчатые резцы делят на одно - и двухлезвийные (рис. 66, в). Двухлезвийные пластинчатые резцы выполняют по размеру растачиваемого отверстия.
Расточные блоки (рис. 66, г) представляют собой сборную конструкцию, состоящую из корпуса 1 и
вставных регулируемых резцов 2, закрепленных винтами 3 и 4. Резцы регулируют по диаметру растачиваемого отверстия.
Расточные головки применяют для обработки отверстий большого диаметра. На рис. 66, д показана
разъемная расточная головка для обработки отверстий диаметром 130—225 мм. Подрезные резцы
головки предварительно устанавливают по диаметру и торцу на заданный размер, что позволяет обрабатывать ряд соосных отверстий как по диаметру, так и по торцам.
Специальные развертки с нерегулируемыми и регулируемыми ножами применяют для окончательной обработки отверстий после предварительного растачивания их резцами. Регулируемая плавающая развертка (рис. 66, е) имеет два ножа 5, взаимно перемещающихся по шпонке 7 и скрепленных
винтами 6 при упоре в винт 8 положение которого регулируется в зависимости от заданного размера
обрабатываемого отверстия. Развертка оснащена пластинками из твердого сплава.
Приспособления для обработки заготовок на расточных станках
Заготовки на столе расточного станка закрепляют с помощью различных универсальных приспособлений: прижимных планок, станочных болтов, угольников, призм (рис. 67).
Рис. 67. Оправки для закрепления режущего инструмента на расточных станках
При обработке отверстий и плоскостей, расположенных под углом к основанию заготовки или друг к
другу, применяют угольники. Заготовки с опорными поверхностями цилиндрической формы устанавливают на призмы.
Корпусные детали отличаются большим многообразием форм и размеров обрабатываемых поверхностей и точностью их обработки. В зависимости от этого используют различные конструкции расточных кондукторов для закрепления корпусных заготовок и обеспечения правильного положения
инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
Режущий инструмент на расточных станках закрепляют с помощью вспомогательного инструмента:
консольных оправок, двухопорных оправок и патронов. Использование вспомогательного инструмента обусловлено тем, что резец нельзя непосредственно закреплять в расточном шпинделе или радиальном суппорте. Расточные оправки имеют прямоугольные, квадратные или круглые окна для
установки резцов, расположенные под углом 45 или 90° к оси оправки. Короткие консольные оправки предназначены для закреплении одного или двух резцов при растачивании глухих и сквозных отверстии небольшой длины.
Для растачивания отверстий, находящихся на большом расстоянии от торца планшайбы станка, или
нескольких соосных отверстий используют удлиненные консольные оправки (рис. 67, а). Применяют
консольные оправки также для пластинчатых плавающих разверток (рис. 67, б). Пластинку 3 встав-
ляют в гнездо оправки и винтом 1 удерживают от выпадения. В то же время благодаря наличию небольшого зазора (0,1 – 0,15 мм) между пазом 2 пластинки 3 и винтом 1 развертка может самоустанавливаться («плавать»).
Двухопорная расточная оправка (рис. 67, в) представляет собой длинный вал с коническим хвостовиком на одном конце для установки его в шпинделе станка. Другой конец оправки закрепляют и
люнете задней стойки станка. По длине оправки расположены окна для установки стержневых и пластинчатых резцов.
Для закрепления стандартных многолезвийных режущих инструментов (сверл, зенкеров, разверток,
фрез и т. п.) на расточных станках применяют специальные оправки, переходные втулки и патроны.
Обработка заготовок на горизонтально-расточных станках
Горизонтально-расточные станки относятся к числу наиболее распространенных, на их базе выполнены конструкции других универсальных и специальных расточных станков.
Рис. 68. Горизонтально–расточной станок
На рис. 68 показан горизонтально-расточной станок. На станине 1 установлена стойка 2, на вертикальных направляющих которой смонтирована шпиндельная бабка 3. В шпиндельной бабке расположены коробка скоростей и коробка подач. Шпиндель коробки скоростей полый, на нем закреплена
планшайба 4 с радиальным суппортом 5. Внутри полого шпинделя смонтирован расточной шпиндель
6. Задняя стойка с люнетом 8 предназначена для поддержания длинных расточных оправок. Люнет 8
перемещается по задней стойке 7 синхронно со шпиндельной бабкой 3, сохраняя соосность со шпинделем.
Заготовку устанавливают на поворотном столе 11, состоящем из двух частей: салазок 9, перемещающихся вдоль станины, и каретки 10, имеющей поперечное перемещение. Глазным движением является вращение расточного шпинделя или планшайбы. Движение подачи в зависимости от характера
обрабатываемых поверхностей получает стол (заготовка) или инструмент за счет осевого перемещения расточного шпинделя 6, радиального перемещения суппорта 5 или вертикального перемещения
шпиндельной бабки 3 по направляющим стойки 2.
На расточных станках обрабатывают отверстия, наружные цилиндрические и плоские поверхности,
уступы, канавки, реже конические отверстия и нарезают внутреннюю и наружную резьбы резцами.
Наиболее распространенный вид обработки на расточных станках — растачивание отверстий.
Растачивание цилиндрических отверстий выполняют резцами, установленными на консольной или
двухопорной оправке. Использование консольной оправки целесообразно в тех случаях, когда длина
обрабатываемого отверстия
, так как с увеличением длины оправки снижается ее жесткость.
На рис. 69, а показана схема растачивания отверстия небольшой длины двухлезвийным пластинчатым резцом, закрепленным в консольной оправке. Заготовке сообщают продольную подачу. При небольшой длине отверстия, когда возможна работа с короткой жесткой оправкой, растачивают при
осевой подаче расточного шпинделя. Растачиванием с продольной подачей заготовки получают более правильное отверстие вследствие постоянного вылета шпинделя.
Отверстия с отношением l/d > 5 и соосные отверстия растачивают резцами, закрепленными в двухопооной оправке.
Рис. 69. Схемы обработки заготовок на горизонтально–расточных станках
На рис. 69. показано одновременное растачивание двух соосных отверстий. Оправка с резцами получает главное вращательное движение, а заготовка – продольную подачу в направлении от задней
стопки к шпиндельной бабке.
Отверстия большого диаметра, но малой длины, растачивают резцом, закрепленным в радиальном
суппорте планшайбы (рис. 69 в). Планшайбе с резцом сообщают главное вращательное движение, а
столу с заготовкой — продольную подачу. Отверстия диаметром более 130 мм обрабатывают расточными блоками и головками.
Растачивание параллельных и взаимно перпендикулярных отверстий выполняют с одной установки
заготовки. После растачивания первого отверстия перемещают стол в поперечном направлении или
шпиндельную бабку в вертикальном направлении на величину, равную межцентровому расстоянию,
затем растачивают второе и другие отверстия. Если требуется расточить взаимно перпендикулярные
отверстия, то после растачивания первого отверстия стол поворачивают на 90° и растачивают второе
отверстие.
Растачивание конических отверстий осуществляют расточными головками, закрепленными в расточном шпинделе, которому сообщают осевую подачу. Конические отверстия диаметром более 80
мм растачивают резцом с использованием универсального приспособления, смонтированного на радиальном суппорте планшайбы (рис. 69, г).
Сверление, зенкерование, развертывание, цекование, зенкование и нарезание резьбы метчиками выполняют на расточных станках так же, как и на вертикально-сверлильных. Инструмент закрепляют в
расточном шпинделе и сообщают ему главное вращательное движение и осевую подачу. Заготовка,
установленная на столе станка, остается неподвижной.
Подрезание торцов выполняют двумя способами: с подачей резца в направлении, перпендикулярном
или параллельном оси шпинделя.
На рис. 69, д показано подрезание торца проходным резцом, закрепленным на радиальном суппорте
планшайбы. Резцу, вращающемуся вместе с планшайбой, сообщают радиальную подачу перемещением суппорта по направляющим планшайбы. Небольшие плоскости подрезают пластинчатым
резцом (рис. 69, е), которому сообщают осевую подачу перемещением расточного шпинделя. Обработка торцовых поверхностей с радиальной подачей обеспечивает большую их точность.
Фрезерование поверхностей показано на рис. 69, ж. При фрезеровании вертикальной плоскости торцовой фрезерной головкой, закрепленной в расточном шпинделе, фрезе сообщают главное вращательное движение и вертикальную подачу перемещением шпиндельной бабки.
При использовании специальных приспособлений на горизонтально-расточных станках можно обрабатывать фасонные поверхности и нарезать резьбу резцами.
Обработка заготовок на координатно-расточных станках
На координатно-расточных станках обрабатывают с высокой точностью отверстия, при этом обеспечивается большая точность расположения их осей.
На рис. 70 показан одностоечный координатно-расточной станок. На станине 1 смонтирована стойка
2. В верхней части стойки расположена коробка скоростей 3 и расточная головка 4 со шпинделем 5.
Шпинделю с инструментом сообщают главное вращательное движение через коробку скоростей 3.
Шпиндель станка имеет также вертикальное перемещение (движение подачи).
Заготовку относительно инструмента устанавливают на заданные координаты перемещением стола 6
в двух взаимно перпендикулярных направлениях: продольном по направляющим салазок 7 и поперечном по направляющим станины 1.
Для точного отсчета перемещений (координат) на станке имеются специальные оптические устройства. Точность установки координатных размеров достигает 0,001 мм.
Для обеспечения высокой точности обработки эти станки изолируют от воздействия колебаний соседнего оборудования и устанавливают в помещении с постоянной температурой +20 °С (±1°С ).
Координатно-расточные станки используют также для точных измерений и разметки. Наибольшее
применение эти станки получили в инструментальном производстве для изготовления штампов,
пресс форм, шаблонов, копиров и т. п.
Рис. 70. Координатно–расточной станок
На базе горизонтально - и координатно-расточных станков создают расточные станки с ЧПУ. На
этих станках весь цикл обработки заготовки производится в автоматическом или полуавтоматическом режиме. В последнем случае программируется установка заготовки относительно инструмента
на заданные координаты и фиксация подвижных узлов станка.
Обработка заготовок на алмазно-расточных станках
На алмазно-расточных станках окончательно обрабатывают отверстия алмазными и твердосплавными резцами.
Рис. 71. Алмазно–расточной станок
На рис. 71 показан одношпиндельный алмазно-расточной станок с горизонтальным расположением
шпинделя. На станине 1 установлена расточная головка 2. В головке расположен шпиндель, в котором закреплена оправка с резцом. Заготовку закрепляют на столе 3, имеющем перемещение по
направляющим станины – продольную подачу, величина которой регулируется механизмом подач 4,
Два соосных отверстия обрабатывают на алмазно-расточных станках двустороннего действия, имеющих две расточные головки.
Высокая точность и малая шероховатость обработанной поверхности обеспечиваются применением
высоких скоростей резания (200-1000 м/мин), малых подач (0,01—0,1 мм/об) и глубин резания
(0,05—0,2 мм). Обработка на этих станках ведется по полуавтоматическому циклу.
Алмазно-расточные стайки широко применяют для растачивания отверстий в блоках цилиндров и
гильзах тракторных, автомобильных и мотоциклетных двигателей.
Лекция 26. Обработка заготовок на фрезерных станках
Фрезерование – высокопроизводительный и распространенный метод обработки поверхностей заготовок: многолезвийным режущим инструментом – фрезой.
Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы, а вспомогательным поступательное перемещение заготовки. Движение подачи может быть и вращательное движение заготовки вокруг оси вращающегося стола или барабана (карусельно - фрезерные, и барабанно-фрезерные станки). Каждый режущий зуб при вращении фрезы врезается в заготовку и осуществляет резание только
в пределах определенного угла поворота фрезы, а затем вращается в холостую до следующего врезания. Таким образом, особенностью процесса фрезерования является периодичность и прерывистость
процесса резания каждым зубом фрезы, при чем процесс врезания зуба сопровождается ударами.
По исполнению фрезы делятся на цилиндрические, когда зубья располагаются только на цилиндрической поверхности фрезы и торцевые, у которых режущие зубья располагаются на торцевой и цилиндрической поверхности фрезы.
Схемы обработки заготовок на станках фрезерной группы представлены на рис. 72.
Рис. 72. Схемы обработки заготовок на станках фрезерной группы.
Горизонтальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках цилиндрическими фрезами (рис. 72.а) и на вертикально - фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 72.б).
Вертикальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках торцовыми фрезами (рис.
72.в) и торцовыми фрезерными головками, а на вертикально - фрезерных станках – концевыми фрезами (рис. 72.г).
Комбинированные поверхности фрезеруют набором фрез (рис. 72.д) на горизонтально - фрезерных
станках.
Уступы и прямоугольные пазы фрезеруют концевыми (рис. 72.е) и дисковыми (рис. 72.ж) фрезами.
Шпоночные пазы фрезеруют концевыми или шпоночными фрезами на вертикально - фрезерных
станках (рис. 72.з).
Фасонные поверхности незамкнутого контура с криволинейной образующей и прямолинейной
направляющей фрезеруют фасонными фрезами соответствующего профиля (рис. 72.и).
Пространственно-сложные поверхности обрабатывают на копировально-фрезерных автоматах (рис.
72.к). Обработку производят специальной концевой фрезой. Фрезерование ведут по трем координатам: x, y, z (объемное фрезерование).
Лекция 27. Зубонарезание. Методы изготовления зубчатых колёс
Формообразование профилей зубьев зубчатых колес
В передачах современных машин и приборов широко применяют зубчатые колеса с эвольвентным
зацеплением, т. е. такие, у которых боковая поверхность зуба очерчена эвольвентной кривой. Эвольвентой называют траекторию точки прямой, катящейся по окружности без скольжения.
Различают два метода профилирования эвольвентных зубчатых колес: копирование и обкатку (огибание).
Копирование. Метод основан на профилировании зубьев фасонным инструментом, профиль режущей части которого соответствует профилю впадины нарезаемого зубчатого колеса. По методу копирования зубчатые колеса нарезают дисковой модульной фрезой на горизонтально - или универсально-фрезерных станках (рис. 73, а) и пальцевой фрезой на вертикально-фрезерных станках (рис.
73, б) последовательно по одной впадине с использованием делительной головки.
Рис. 73. Схемы фрезерования зубьев по методу копирования:
1 – фреза; 2 – нарезаемое колесо.
В процессе фрезерования впадины между зубьями колеса сообщают фрезе главное вращательное
движение, а заготовке — продольную подачу. По окончании фрезерования одной впадины стол отводят в исходное положение и заготовку поворачивают
на — часть оборота (z — число зубьев нарезаемого зубчатого колеса). Пальцевыми фрезами нарезают зубчатые колеса больших модулей и шевронные колеса.
Нарезание зубчатых колес методом копирования не обеспечивает высокой точности вследствие погрешностей фасонного инструмента и неточности делительных головок. Этот метод применяют для
нарезания зубчатых колес невысокой точности. Зубонарезание методом копирования производят
также долблением одновременно всех впадин зубчатого колеса. В качестве инструмента используют
резцовую головку, которая имеет столько радиально расположенных фасонных резцов, сколько впадин у нарезаемого колеса.
Нарезание одновременно всех зубьев колеса по методу копирования обеспечивает высокую производительность, но в связи со сложностью и высокими требованиями к точности изготовлении режущего инструмента этот метод имеет ограниченное применение.
Обкатка. Метод основан на зацеплении зубчатой пары, элементами которой являются режущий инструмент и заготовка. Режущие лезвия инструмента имеют профиль зуба сопряженной рейки (рис.
74, а) или сопряженного колеса (рис. 75, а),
Рис. 74. Схема формообразования зубьев цилиндрического колеса червячной модульной фрезой: 1 –
червячная модульная фреза; 2 – нарезаемое колесо
Рис. 75. Схема формообразования зубьев цилиндрического колеса долбяком:
1 – долбяк; 2 – нарезаемое колесо
Боковая поверхность зуба на заготовке образуется как огибающим последовательных положений режущих лезвий инструмента в их относительном движении (рис. 74, б и 75, б).
Различные положения режущих лезвий относительно формируемого профиля зубьев на заготовке
получают в результате кинематически согласованных вращательных движений инструмента и заготовки на зуборезном станке.
Метод обкатки обеспечивает непрерывное формообразовании зубьев колеса. Нарезание зубчатых
колес этим методом получило преимущественное распространение вследствие высокой произво-
дительности и значительной точности обработки. Наиболее широко применяют нарезание зубчатых
колес методом обкатки на зубофрезерных, зубодолбежных и зубострогальных станках.
Режущие инструменты для нарезания зубчатых колес по методу обкатки
Червячная модульная фреза (рис. 76, а). Фреза представляет собой винт с прорезанными перпендикулярно к виткам канавками. В результате этого на червяке образуются режущие зубья, расположенные по винтовой линии. Профиль зуба фрезы и нормальном сечении имеет трапецеидальную форму
и представляет собой зуб рейки с задним а и передним у углами заточки. Червячные фрезы изготовляют однозаходными и многозаходными. Чем больше число заходов, тем выше производительность
фрезы, но точность ее работы при этом немного снижается. Поэтому для сохранения точности при
чистовом нарезании надо применять однозаходные червячные фрезы. Многозаходные фрезы находят
применение для чернового зубонарезания. Червячными модульными фрезами нарезают цилиндрические колеса с прямыми и косыми зубьями и червячные колеса
Рис. 76. Червячная модульная фреза (а); зуборезный долбяк (б) и зубострогальный резец (в)
Зуборезный долбяк (рис. 76, б). Долбяк представляет собой зубчатое колесо, зубья которого имеют
эвольвептный профиль с задним а и передним у углами заточки. Различают два типа долбяков: прямозубые для нарезания цилиндрических колёс с прямыми зубьями и косозубые для нарезания цилиндрически колес с косыми зубьями.
Зубострогальный резец (рис. 76, в). Резец имеет призматическую форму с соответствующими углами
заточки и прямолинейным режущим лезвием. Режущее лезвие затачивают с передним углом γ = 20°
и задним углом α = 0°. Задний угол образуется в результате наклонного закрепления резца в державке, при этом уменьшается передний угол у. Эти резцы применяют попарно для нарезания конических
зубчатых колес с прямыми зубьями.
Нарезание зубчатых колес на зубофрезерных станках
На зубофрезерных станках нарезают цилиндрические колеса внешнего зацепления с прямыми и косыми зубьями и червячные колеса червячной модульной фрезой по методу обкатки.
Рис. 77. Общий вид зубофрезерного станка.
На рис. 77 показан общий вид зубофрезерного станка. На станке 1 установлена неподвижная стойка
2. Фрезу, закрепленную на оправке, устанавливают в шпинделе фрезерного суппорта 3, который перемещается по вертикальным направляющим стойки. Заготовку закрепляют на оправке вращающегося стола 7. Верхний конец оправки поддерживается подвижным кронштейном 5. Салазки 8 oбеспечивают горизонтальное перемещение стойки 6 и стола 7 по направляющим станины. Поперечина 4
связывает обе стойки и тем самым повышает жесткость станка.
Для обеспечения требуемых скоростей вращения и поступательного перемещения фрезы и заготовки
в процессе нарезания зубьев станок имеет четыре гитары сменных зубчатых колес.
С помощью гитары скоростей 9 устанавливают частоту вращения шпинделя в минуту. Гитара деления 11 (обкатки) служит для сообщения заготовке окружной скорости, необходимой для автоматического деления заготовки на заданное число зубьев. С помощью гитары подач 10 устанавливают вертикальную подачу фрезы или горизонтальную подачу заготовки. Гитара дифференциала (находится в
одной коробке с гитарой подач) сообщает заготовке дополнительное вращательное движение при
нарезании колёс с косым зубом. Она позволяет увеличить или уменьшить скорость вращения заготовки, которая определяется настройкой делительной гитары, и получить левый или правый наклон
зубьев колеса.
Нарезание цилиндрических колес с прямыми зубьями (рис. 78, а).
При нарезании червячная фреза вращается и перемещается вдоль оси заготовки. Скоростью резания
при зубофрезеровании является скорость вращения фрезы, а подачей — перемещение фрезы вдоль
оси вращения заготовки.
Рис. 78. Схемы нарезания цилиндрических зубчатых колёс на зубофрезерном станке:
1 – червячная фреза; 2 – заготовка
Скорость резания (в м/мин):
,
где Dф — наружный диаметр фрезы, мм; n — частота вращения фрезы, об/мин.
Подачу sB измеряют в миллиметрах на один оборот заготовки и выбирают из нормативов по режимам резания в зависимости от числа зубьев, требуемой шероховатости и точности обработки. Так как
червячная фреза представляет собой ряд реек, режущие лезвия которых расположены на винтовых
поверхностях червячная фреза и заготовка должны находиться в относительном движении, соответствующем зацеплению колеса с рейкой.
Вращение фрезы и заготовки связано отношением:
,
где nзаг — частота вращения заготовки, об/мин; nф—частота вращения фрезы, об/мин; А — передаточное отношение передач цепи обкатки; k — число заходов червячной фрезы; z — число нарезаемых зубьев на заготовке.
Отсюда следует, что при каждом обороте червячной фрезы заготовка должна повернуться на k/z
часть оборота. Согласованной и непрерывное вращение заготовки и фрезы являются обкаточным
движением. Таким образом, для нарезания цилиндрических колес с прямыми зубьями необходимы
три движения: главное вращательное червячной фрезы v, круговая подача заготовки (делительное
движение) sкp. заг. и вертикальная подача фрезы sB. Для согласования этих движений на станке
настраивают кинематический цепи: скоростную, делительную и вертикальной подачи.
Кинематическая скоростная цепь связывает вращение черничной фрезы с вращением вала электродвигателя. Кинематическая цепь деления (обкатки) связывает вращение червячной фрезой с вращением заготовки; кинематическая цепь вертикальной подачи — перемещение фрезы в вертикальной
плоскости с вращением заготовки.
Чтобы нарезаемые зубья имели симметричный профиль, ось вращения червячной модульной фрезы
устанавливают под углом λ к торцу заготовки колеса.
При нарезании цилиндрических колес с прямыми зубьями (рис. 78, б) ось червячной фрезы устанавливают относительно плоскости, перпендикулярной к оси заготовки, под углом λ, равным углу подъема витков червячной фрезы w.
Нарезание цилиндрических колес с косыми зубьями (рис. 78 в).
При нарезании ось фрезы устанавливают под углом λ, при определении которого учитывают угол
подъема витков червячной фрезы w и угол наклона нарезаемых зубьев β:
;
знак «плюс» берут при разноименном наклоне зубьев фрезы и колеса, «минус» – при одноименном
наклоне.
Для формообразования косого зуба необходимы три движения: вращение фрезы v, вертикальная подача фрезы sB и ускоренном (или замедленное) вращение заготовки sкp. заг, которое складывается из
основного и дополнительного ее вращений. Первые дни движения и основное вращение заготовки
осуществляются настройкой тех же кинематических цепей, что и при нарезании колес с прямыми
зубьями.
При вертикальном перемещении фрезы на величину подачи sB зубья фрезы должны перемещаться
вдоль винтовых линий зубьев колеса. Для обеспечения этого условия необходимо, чтобы заготовка
совершила один дополнительный оборот, что достигается настройкой дифференциальной кинематической цепи. Дифференциальная цепь сообщает заготовке один дополнительный оборот за Т/tв оборотов вертикального ходового винта фрезерного суппорта ( T — шаг винтовой линии зубьев нарезаемого колеса; tB — шаг резьбы вертикального ходового винта фрезерного суппорта).
Суммирование основного и дополнительного вращательных ишжений заготовки осуществляется
дифференциалом. Основное и ращение заготовки зависит от отношения числа заходов червячной
фрезы к числу зубьев нарезаемого колеса, а дополнительное к ращение — от угла наклона нарезаемых зубьев.
Направление дополнительного вращения заготовки Δsкр. заг совпадает с направлением ее основного
движения (ускоренное вращение заготовки), если направления винтовых линий зубьев нарезаемого
колеса и фрезы одинаковы. Если же направления винтовых линий различны, то дополнительное
вращение будет направлено в сторону, обратную основному движению (замедленное вращение заготовки).
Нарезание червячных колес (рис. 78, г).
При нарезании ось фрезы устанавливают горизонтально (λ = 0°) на высоте середины заготовки.
Для нарезания червячных колес необходимы три движения: вращение червячной фрезы v, вращение
заготовки sкp. заг и радиальная подача заготовки sp. Первые два движения осуществляют настройкой
тех же кинематических цепей, что и при нарезании колес с прямыми и косыми зубьями. Для нарезания зуба на полную глубину заготовке сообщают радиальную подачу sp, настраивая кинематическую
цепь горизонтальной подачи. Цепь горизонтальной подачи связывает перемещение заготовки в горизонтальной плоскости с ее вращением (sp мм/об, заг.).
Нарезание зубчатых колес на зубодолбежных станках
На зубодолбежных станках нарезают цилиндрические зубчатые колеса внешнего и внутреннего зацепления с прямыми и косыми зубьями. На этих же станках можно нарезать блоки зубчатых колес с
малым расстоянием между венцами колес, а также шевронные колеса. Зубчатые колеса на зубодолбежных станках нарезают долбяками по методу обкатки, в основу которого положено зацепление
двух цилиндрических зубчатых колес (см. рис. 75, б).
Зубодолбежные станки в зависимости от расположения оси нарезаемого колеса делят на горизонтальные и вертикальные.
Рис. 79. Общий вид зубодолбёжного станка.
На рис. 79 показан общий вид вертикального зубодолбежного станка. Станина станка состоит из
двух частей – нижней 1 и верхней 2. Долбяк, закрепленный в шпинделе 6, получает вращение и одновременно возвратно-поступательное движение. Суппорт 4 перемещается по направляющим станины 2 и в роперечном направлении. Заготовку закрепляют на шпинделе стола 7 и сообщают ей вращательное движение. Кроме того, заготовка имеет возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости для отвода заготовки от долбяка во время его холостого хода. Гитара скоростей 8
предназначена для изменения числа двойных ходов в минуту долбяка. Гитара делении 3 сообщает
долбяку окружную скорость для автоматического деления заготовки на заданное число зубьев. С помощью механизма подачи 5 устанавливают радиальную подачу долбяка.
Нарезание цилиндрических колес с прямыми зубьями (рис. 80, а).
Такие колеса нарезают прямозубыми долбяками.
Рис. 80. Схемы нарезания цилиндрических колёс с прямым зубов внешнего (а) и внутреннего (б) зацеплений на зубодолбёжном станке:
1 – долбяк; 2 – нарезаемое колесо
Главным движением, определяющим скорость резания, является возвратно-поступательное движение долбяка. Движение долбяка вниз является рабочим ходом vp, движение его вверх — холостым
ходом vx. Оба движения — рабочее и холостое составляют двойной ход долбяка.
Скорость резания (в м/мин) при зубодолблении:
,
где L — длина хода долбяка, мм; n — число двойных ходов долбяка в минуту.
Долбяк и заготовка, находясь в зацеплении, вращаются со скоростью, обратно пропорциональной
числу их зубьев:
,
где nзаг — частота вращения заготовки, об/мин; nд — частота вращения долбяка, об/мин; zд — число зубьев долбяка; zзar — число зубьев нарезаемого колеса.
Вращение долбяка (круговая подача долбяка sкp. д) и вращение заготовки (круговая подача заготовки sкp. заг) являются движением обкатки.
Круговая подача выражается длиной дуги делительной окружности долбяка, на которую он поворачивается за один двойной ход (мм/дв. ход). Поперечным перемещением суппорта долбяку сообщают
радиальную подачу — движение врезания долбяка в заготовку (sp мм/об. заг). Радиальная подача сообщается до достижения полной глубины впадины между зубьями. В дальнейшем процесс нарезания
происходит при постоянном межцентровом расстоянии в течение одного оборота заготовки. Для
устранения трения зубьев долбяка о заготовку во время холостого хода заготовка вместе со столом
отводится от долбяка, а в начале рабочего хода подводится к долбяку (на схеме — движение Δs).
Рис. 81. Схемы нарезания цилиндрического колеса с косым зубом внешнего зацепления на зубодолбёжном станке:
1 – копир; 2 – долбяк; 3 – нарезаемое колесо
Нарезание цилиндрических колес с прямыми зубьями внутреннего зацепления (рис. 80, б). При нарезании таких колес долбяку и заготовке сообщают те же движения, что и при нарезании колес внешнего зацепления. Различие заключается лишь в том, что при нарезании зубчатых колес внутреннего
зацепления направления вращения долбяка и заготовки одинаковы, тогда как при нарезании колес
внешнего зацепления они противоположны.
Нарезание цилиндрических колес с косыми зубьями (рис. 81). Нарезают такие колеса косозубыми
долбяками. Для нарезания колес с косыми зубьями нужен комплект косозубых долбяков с таким же
углом наклона зубьев, как и у нарезаемых колес. Этот комплект состоит из двух долбяков: левого —
для нарезания правого колеса и правого — для нарезания левого колеса.
Долбяку и заготовке сообщают те же движения, что и при нарезании колес с прямыми зубьями. Дополнительно долбяку сообщают вращательное движение (дополнительную круговую подачу Δsкр.
д), обусловленное углом наклона зубьев и согласованное с его возвратно-поступательным движением. Дополнительное вращение долбяка обеспечивается установкой на шпинделе станка винтовых
направляющих (копиров). Угол наклона винтовой линии копира должен соответствовать углу наклона зубьев нарезаемого колеса.
Цилиндрические колеса с косыми зубьями внутреннего зацепления нарезают долбяками с одноименным направлением зубьев.
Преимуществом метода зубодолбления, помимо возможности нарезания колес внутреннего зацепления и блочных колес, является более высокая точность и меньшая шероховатость боковых поверхностей зубьев по сравнению с поверхностями, получаемыми при зубофрезеровании.
Нарезание конических колес с прямыми зубьями на зубострогальных станках
Конические зубчатые колеса на зубострогальных станках нарезают методом обкатки. В основу этого
метода положено зацепление двух конических колес, одно из которых плоское (рис. 82, а).
Рис.82. Схема нарезания конического колеса с прямым зубом на зубострогальном станке: 1 – производящее колесо; 2 – нарезаемое колесо; 3 – люлька; 4 – зубострогальный резец
Нарезаемое коническое колесо (заготовка) находится в зацеплении с производящим плоским коническим колесом, у которого угол при вершине конуса φп = 90°, а зубья ограничены плоскостями сходящимися в общей вершине, и имеют форму зуба рейки, т. е. плоское коническое колесо представляет собой кольцевую ройку. Роль производящего колеса выполняют два зубострогальных резца, образуя впадину между зубьями.
На рис. 83 показан общий вид зубострогального станка. На станине 1 слева расположена стойка 3 с
люлькой 4. По направляющим люльки перемещаются два резцовых суппорта 5, несущих зубострогальные резцы. Резцы попеременно совершают возвратно-поступательное движение в направлении к
вершине конусов комических колес — плоского и заготовки. Число двойных ходов резцов в минуту
устанавливают настройкой гитары скоростей 2. Люлька смонтирована на планшайбе и при обкатке
вращается вокруг горизонтальной оси, имитируя вращение плоского конического колеса.
В шпинделе делительной бабки 6 на оправке закрепляют заготовку. Салазки 8 делительной бабки,
перемещаясь по продольным направляющим станины, подводят заготовку к резцам и отводят ее от
них. Величина подвода и отвода заготовки регулируется с помощью барабана механизма 9. Настройкой гитары деления 7 заготовке при отводе ее от резцов сообщают поворот на один угловой
шаг, т. е. на 1/z оборота. Делительная бабка 6 может поворачиваться вокруг вертикальной оси для
установки оси шпинделя (заготовки) под углом φ (угол при вершине конуса нарезаемого колеса) к
оси люльки.
Рис. 83. Общий вид зубострогального станка
В процессе зубострогания конических колес с прямыми зубьями (см. рис 82, б) главным движением
является возвратно-поступательное движение резцов. Движение резцов в направлении к вершине конуса заготовки является рабочим — vp, а обратный ход резцов является холостым — vх. Оба движения — рабочее и холостое — составляют двойной ход резца.
Вращение заготовки (круговая подача заготовки sкp. заг) и люльки с резцами (круговая подача люльки sкp. л) является движением обкатки и должно соответствовать передаточному отношению:
,
где zп — фиктивное число зубьев производящего колеса; z — число зубьев нарезаемого колеса.
В результате главного и обкаточного движений на заготовке образуются две неполные впадины и
один полностью обработанный зуб. После нарезания одного зуба заготовка отводится от резцов,
направление вращения люльки с резцами и заготовки изменяется, затем они возвращаются в исходное положение (холостой ход). Во время отвода заготовки от резцов шпиндель бабки вместе с заготовкой поворачивается на угловой шаг (1/z оборота), обеспечивая деление. Затем заготовке сообщают подачу на глубину впадины, и начинается нарезание второго зуба.
Нарезание конических колес с круговыми зубьями на зуборезных станках
Конические колеса с круговыми зубьями (с криволинейным профилем, описанным по окружности)
имеют значительные эксплуатационные преимущества (плавность и бесшумность работы, большую
прочность зубьев, высокий к. п. д. и др.) по сравнению с коническими колесами с прямыми зубьями.
Рис. 84. Схема нарезания конического колеса с круговыми зубьями.
Конические колеса с круговыми зубьями нарезают по методу обкатки резцовыми головками, у которых резцы расположены по окружности, на зуборезных станках специальной конструкции. Общая
компоновка и конструкция зуборезного станка принципиально аналогичны зубострогальному станку
для нарезания конических колес с прямыми зубьями.
На рис. 84 приведена схема нарезания конического колес круговыми зубьями. Нарезаемое коническое колесо 1 (заготовки) в процессе обработки находится в зацеплении с плоским коническим колесом 3 с круговыми зубьями (круговой рейкой), которое является производящим колесом. Роль зубьев
производящего колеса выполняют резцы резцовой головки 2, закрепленной на шпинделе люльки.
Главным движением является вращение резцовой головки вокруг своей оси. Вращение заготовки 1
вокруг своей оси (круговая подача заготовки sкp заг) и вращение резцовой головки 2 вокруг оси
люльки 4 (круговая подача люльки sкр. л) являются движением обкатки. При повороте заготовки на
один зуб резцовая головка также поворачивается на угол, соответствующий одному зубу. Вращательное движение люльки продолжается и тех пор, пока не будет закончена обкатка профиля одной
впадины, после чего заготовка отводится от резцовой головки, и люлька начинает вращение в обратную сторону. Заготовка продолжает вращаться в том же направлении. Когда люлька придет в исходное положение, заготовка займет угловое положение, соответствующее новой впадине. Затем заготовку подводят к резцовой головке, сообщая ей движение подачи st на глубину впадины, и цикл обработки повторяется.
Отделочная обработка зубьев зубчатых колес
В процессе нарезания зубчатых колес на поверхностях зубьев возникают погрешности профиля, появляется неточность шага зубьев и др. Для уменьшения или ликвидации погрешностей зубья дополнительно обрабатывают. Отделочную обработку для зубьев незакаленных колес называют шевингованием. Предварительно нарезанное прямозубое или косозубое колесо 2 плотно зацепляется с инструментом 1 (рис. 85, а). Скрещивание их осей обязательно. При таком характере зацепления в точке А можно разложить скорость vш на составляющие. Составляющая v направлена вдоль зубьев и
является скоростью резания, возникающей в результате скольжения профилей. Обработка состоит в
срезании (соскабливании) с поверхности зубьев очень тонких волосообразных стружек, благодаря
чему погрешности исправляются, зубчатые колеса становятся более точными, значительно сокращается шум при их работе. Отделку проводят специальным металлическим инструментом — шевером
(рис. 85, б). Угол скрещивания осей чаще всего составляет 10—15°. При шевинговании инструмент и
заготовка воспроизводят зацепление винтовой пары. Кроме этого, зубчатое колесо перемещается
возвратно-поступательно (sпp) и после каждого двойного хода подается в радиальном направлении
(st). Направления вращения шевера (vш) и, следовательно, заготовки (vзаг) периодически изменяются. Шевер режет боковыми сторонами зубьев, которые имеют специальные канавки (рис. 85, в) и,
следовательно, представляют собой режущее зубчатое колесо.
На закаленных зубчатых колесах погрешности боковых поверхностей зубьев удаляют хонингованием (если припуск на обработку не превышает 0,01—0,03 мм на толщину зуба). Процесс хонингования заключается в совместной обкатке заготовки и абразивного инструмента, имеющего форму зубчатого колеса. Оси заготовки и инструмента скрещиваются под углом 15—18°. При вращении зубчатой пары (рис. 85, г) возникает составляющая скорости скольжения. Абразивные зерна хона обрабатывают боковые стороны зубьев заготовки (рис. 85, д). Скорости vx и vзаг вращения пары, находящейся в зацеплении при хонингованин, во много раз больше, чем скорости вращения при шевинговании.
Хонингуемые прямозубые или косозубые цилиндрические колеса вращаются в плотном зацеплении
с хоном. Зубчатое колесо кроме вращения совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси
(sпp). Направление вращения пары изменяется при каждом двойном ходе.
При изготовлении хонов в качестве абразива используют карбид кремния или электрокорунд. Число
зубьев как хона, так и шевера не должно быть кратным числу зубьев обрабатываемого колеса. Вершина зуба колеса постоянно контактирует с впадиной зуба хона. Благодаря этому уменьшается скорость изнашивания хона, а вследствие постоянного внедрения головки зуба колеса во впадину хона
происходит автоматическое восстановление его зубьев. Необходима лишь периодическая правка хона по его наружной поверхности, чтобы поддерживать требуемый зазор Δ (рис. 85, д).
Значительные погрешности зубчатых колес, возникшие после термической обработки, исправляют
методом зубошлифования. Этот метод отделки обеспечивает получение высокой точности с малой
шероховатостью поверхности зубьев и может быть использован при обработке цилиндрических и
конических зубчатых колес.
Шлифование зубьев цилиндрических колес возможно копированием и обкаткой. Метод копирования
по своей сущности соответствует зубонарезанию дисковой модульной фрезой. Эвольвентный профиль зуба воспроизводится абразивными кругами, имеющими профиль впадин обрабатываемого колеса.
Шлифование зубьев методом обкатки основано на принципе зацепления обрабатываемого колеса с
зубчатой рейкой. При этом элементы воображаемой зубчатой рейки образованы абразивными инструментами. Так, рейку могут представить два абразивных круга, шлифующие торцы которых расположены вдоль сторон зубьев рейки. Элемент рейки может быть образован и одним абразивным
кругом, заправленным по форме ее зуба. Для выполнения процесса шлифования методом обкатки
осуществляют не только все движения указанной пары, находящейся в зацеплении, но и движения,
необходимые для процесса резания. После обработки двух боковых поверхностей зубьев колесо поворачивается на величину углового шага (1/z). Движения резания и деления обеспечивает специальное устройство зубошлифовальных станков.
Результаты, получаемые при обработке зубчатых колес зубошлифованием, могут быть улучшены
зубопритиркой. С ее помощью можно получать поверхности высокого качества, увеличивать плавность хода и долговечность работы зубчатой пары. Такой метод отделки применяют для закаленных
зубчатых колес.
Притиры выполняют в виде зубчатых колес. В зацеплении в результате давления между зубьями
притира и обрабатываемого колеса мелкозернистый абразив в смеси с маслом внедряется в более
мягкую поверхность притира. Благодаря скольжению, возникающему между зубьями при вращении
пары, зерна абразива снимают мельчайшие стружки с обрабатываемого колеса. При зубопритирке
происходит искусственный износ материала колеса в соответствии с профилем зуба притира
В ходе обработки притир и колесо, находящиеся в зацеплении, совершают возвратно-поступательное
движение. Кроме того, притир совершает возвратно-поступательное перемещение вдоль своей оси,
что обеспечивает равномерность обработки по всей ширине зуба. Наибольшее распространение получили схемы обработки тремя притирами. Такой метод увеличивает производительность обработки.
Зубопритирка может обеспечить более высокое качество обработки, чем зубошлифование, лишь в
случае точного изготовления зубчатого колеса. Максимальный припуск, удаляемый притиркой, не
должен превышать 0,05 мм.
Лекция 28. Обработка на шлифовальных станках и сборка соединений.
Шлифование
Шлифование – процесс обработки заготовок резанием с помощью инструментов (кругов), состоящих
из абразивного материала.
Абразивные зерна расположены беспорядочно. При вращательном движении в зоне контакта с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого числа тонких стружек (до 100000000 в
мин.).
Процесс резания каждым зерном осуществляется мгновенно. Обработанная поверхность представляет собой совокупность микро-следов абразивных зерен и имеет малую шероховатость.
Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки деталей с высокой точностью.
Главным движением при шлифовании является вращение шлифовального круга, а перемещение круга относительно детали является движением подачи.
Различают следующие основные схемы шлифования: плоское, круглое, внутреннее (рис. 86).
При плоском шлифовании (рис. 86.а) возвратно-поступательное движение заготовок необходимо для
обеспечения продольной подачи
. Для обработки поверхности на всю ширину
заготовка или
круг должны иметь поперечную подачу
, которая осуществляется прерывисто при крайних положениях заготовки в конце продольного хода. Периодически осуществляется движение вертикальной подачи
, в крайних положениях заготовки в конце поперечного хода.
Плоское шлифование может осуществляться периферией или торцом шлифовального круга.
При круглом шлифовании (рис. 86.б) движение продольной подачи осуществляется возвратнопоступательным перемещением заготовки. Подача
соответствует осевому перемещению заго-
товки за один ее оборот. Вращение заготовки является движением круговой подачи. Подача
глубину резания происходит при крайних положениях заготовки.
на
Движения, осуществляемые при внутреннем шлифовании показаны на рис. 68.в.
Для выполнения процесса шлифования наружных поверхностей деталей используются круглошлифовальные, плоско-шлифовальные и бесцентрово-шлифовальные станки. Для обработки сложных фасонных поверхностей используются специальные ленто - шлифовальные станки.
В ленто-шлифовальных станках применяется инструмент в виде бесконечной абразивной ленты.
Лента в процессе шлифования поверхности сложной формы (например: лопатки турбин) огибает
сложную поверхность и перемещается в осевом и продольном направлениях.
Абразивный слой наносят на бумажную или тканевую основу ленты.
Шлифованием обрабатываются только жесткие детали, не формирующиеся в процессе обработки.
Данный способ не допускает обработки малых отверстий.
Рис. 86. Основные схемы шлифования.
Лекция 29. Методы отделочной отработки поверхностей
Дальнейшее развитие машиностроения связано с увеличением нагрузок на детали машин, увеличением скоростей движения, уменьшением массы конструкций. Выполнить это возможно при достижении особых качеств поверхностей деталей. Однако эти качества не всегда могут быть обеспечены
описанными методами. Поэтому требуется дополнительная отделочная обработка для повышения
точности, уменьшения шероховатости поверхностей или для придания им особого вида, что важно
для эстетических или санитарно-гигиенических целей.
Велика роль отделочной обработки в повышении надежности работы деталей машин. Для отдельных
методов обработки характерны малые силы резания, небольшие толщины срезаемых слоев материала, незначительное тепловыделение. При обработке силы, прикладываемые для закрепления заготовок, относительно невелики. Поэтому заготовки деформируются незначительно. Эти технологические особенности способствуют дальнейшему развитию и широкому применению методов
отделочной обработки.
Отделочными методами обработки являются топкое обтачивание, тонкое растачивание, тонкое шлифование, полирование, притирка, абразивно-жидкостная отделка, хонингование, суперфиниширование. Распространены отделочные методы обработки зубчатых колес: зубозакругление, зубошевингование, зубохонингование, зубошлифование и зубопритирка.
Методы отделки поверхностей чистовыми резцами и шлифовальными кругами
Тонким обтачиванием иногда заменяют шлифование. Процесс осуществляется при высоких скоростях резания, малых глубинах и подачах. Находят применение токарные резцы с широкими режущими лезвиями, расположенными строго параллельно оси обрабатываемой заготовки. Подача на
оборот заготовки составляет не более 0,8 ширины лезвия, а глубина резания — не более 0,5 мм. Это
приводит к уменьшению шероховатости обрабатываемой поверхности.
Алмазными резцами обтачивают заготовки из цветных металлов и сплавов, пластмассы и другие неметаллические материалы. Обладая очень высокой стойкостью, алмазные резцы продолжительное
время работают без подналадки и обеспечивают высокую точность.
Тонкое обтачивание требует применения быстроходных станков высокой жесткости и точности а
также качественной предварительной обработки заготовок. Это же необходимо при тонком строгании. Применяют и тонкое фрезерование.
Тонким растачиванием заменяют шлифование, особенно в тех случаях, когда заготовки выполнены
из вязких цветных сплавов, либо из стали, но являются тонкостенными. Тонкое растачивание целесообразно при точной обработке глухих отверстий или когда по условиям работы детали не допустимо, чтобы абразивные зерна оставались в порах обработанной поверхности.
Режимы резания при тонком растачивании аналогичны режимам при тонком обтачивании. Необходимо использование жестких станков и исключение вибраций шпинделей и оправок с расточным инструментом. Расточные резцы выполняют из твердого сплава или алмазов.
Тонкое шлифование производят мягким, мелкозернистым кругом при больших скоростях резания
(vK > 40 м/с) и очень малой глубине резания. Шлифование сопровождается обильной подачей охлаждающей жидкости. Особую роль играет жесткость станков, способных обеспечить безвибрационную работу.
Для тонкого шлифования характерен процесс «выхаживания». По окончании, например, обработки
вала подача на глубину резания выключается, а продольная подача не включается. Процесс обработки, тем не менее, продолжается за счет упругих сил, возникающих в станке и заготовке, когда они
были деформированы силой резания при шлифовании с подачей на глубину. В таком режиме станок
работает некоторое время, силы резания постепенно уменьшаются, становясь исчезающе малыми, а
точность обработки значительно повышается.
Полирование заготовок
Полированием уменьшают шероховатость поверхностей заготовок. Этим методом получают зеркальный блеск на ответственных частях деталей (дорожки качения подшипников), либо на деталях
для декоративных целей (облицовочные части автомобилей).
Обрабатывают полировальными настами или абразивными зернами, смешанными со смазкой. Эти
материалы наносят на быстро вращающиеся эластичные круги (например, фетровые) или колеблющиеся щетки. Хорошие результаты дает полирование быстро-движущимися бесконечными абразивными лентами (шкурками). Заготовку подводят к носителю пасты или абразива и перемещают
так, чтобы вся поверхность подвергалась обработке. При полировании фасонных поверхностей заготовки, как правило, перемещают вручную, а при полировании плоских, цилиндрических и конических поверхностей могут быть использованы полировальныо станки.
В зоне полирования одновременно происходят следующие основные процессы: тонкое резание, пластическое деформирование поверхностного слоял химические реакции — воздействие на металл химически активных веществ, находящихся в полировочной пасте. Качество и эксплуатационные свойства полированной поверхности зависят от того, какой из указанных процессов имеет преобладаю-
щее значение. При полировании абразивной шкуркой положительную роль играет подвижность ее
режущих зерен. Эта особенность шкурок приводит к тому, что зернами в процессе обработки не могут наноситься микроследы, глубина которых значительно отличается друг от друга. В ходе полирования происходит постепенный переход от процесса резания к процессу выглаживания.
Рис. 87. Схемы полирования
В качестве абразивного материала применяют порошки из электрокорунда и окиси железа при полировании стали; карбида кремния и окиси железа при полировании чугуна; окиси хрома и наждака
при полировании алюминия и сплавов меди. Порошок смешивают со смазкой, которая состоит из
смеси воска, сала, парафина и керосина. Пасты могут содержать абразивные материалы: крокус,
окись хрома, венскую известь и др. Полировальные круги изготовляют из войлока, фетра, кожи, капрона, спрессованной ткани и других материалов.
Полируют на больших скоростях (до 40—50 м/с). Заготовка поджимается к кругу усилием Р (рис. 87,
а) и совершает движения подачи sпp и sкp в соответствии с профилем обрабатываемой поверхности.
Полирование лентами (рис. 87, б) имеет ряд преимуществ. Рабочая поверхность ленты значительно
превышает рабочую поверхность круга, вследствие чего происходит интенсивное рассеяние теплоты.
Эластичная лента огибает всю шлифуемую поверхность. Поэтому движений подачи может не быть.
Главное движение при полировании иногда совершает и заготовка 3, имеющая, например, форму
кольца с фасонной внутренней поверхностью (рис. 87, в). Абразивная лента 1 поджимается через полировальник 2 к обрабатываемой поверхности и периодически перемещается (движение sпр).
Полировать можно в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Заготовки, закрепленные на
транспортере, непрерывно перемещаются относительно круга или ленты. Детали снимают на ходу
транспортера.
В процессе полирования не удается исправить погрешности формы, а также отдельные местные дефекты предыдущей обработки.
Абразивно-жидкостная отделка
Отделка объемно-криволинейных и фасонных поверхностей обычными методами вызывает большие
технологические трудности. Она требует использования сложных кинематических схем станков и
дорогого режущего инструмента. Метод абразивно-жидкостной отделки позволяет решить задачу
сравнительно просто.
На обрабатываемую поверхность со следами предшествующей обработки подают струю антикоррозионной жидкости со взвешенными частицами абразивного порошка (рис. 88, а). Водно-абразивная
суспензия перемещается под давлением с большой скоростью. Частицы абразива ударяются о поверхность заготовки и сглаживают микронеровности, создавая эффект полирования. Интенсивность
съема обрабатываемого материала регулируют зернистостью порошка, давлением струи и углом β.
Изменяя скорость полета и размер свободных абразивных зерен, можно увеличить или уменьшить
степень пластической деформации и шероховатость поверхности. Одновременно с получением необходимого микрорельефа этот способ обработки создает полезное поверхностное упрочнение. Степень упрочнения поверхности возрастает пропорционально увеличению размера абразивных зерен в
струе.
Жидкостная пленка, покрывающая обрабатываемую поверхность, играет очень важную роль. Абразивные зерна, попадающие на микровыступы, легко преодолевают сопротивление пленки и удаляют
металл. Те же зерна, которые попадают на впадины, встречают большее сопротивление жидкости, и
съем материала замедляется. Шероховатость поверхности уменьшается.
Водная эмульсия может подаваться на обрабатываемую поверхность совместно с воздухом. Поэтому
отдельные абразивные частицы не имеют водной пленки, что немного повышает эффект резания. Если струю подают без воздуха, каждая частица абразива оказывается окруженной водной пленкой.
Эффект резания в этом случае снижается, а обработанная поверхность становится более блестящей.
В качестве абразива часто применяют электрокорунд. В суспензии содержится 30—35% абразива (по
массе).
На рис. 88, б показана схема жидкостного полирования. Обрабатываемая заготовка 3 сложного профиля перемещается (v1, snp) в камере 4 таким образом, что все ее участки подвергаются полированию. Абразивная суспензия 1, помещенная в баке 2, подается насосом 6 в рабочую камеру через
твердосплавное сопло 5. Обработанная суспензия падает обратно в бак 2 и может быть использована
многократно. Более экономичной считают ту установку, которая полнее преобразует потенциальную
энергию сжатого воздуха в кинетическую энергию, получаемую абразивными частицами. Для работы могут быть использованы одновременно два сопла. Наибольший съем металла получают при угле
β = 45°.
Метод жидкостного полирования особенно успешно применяют при обработке фасонных внутренних поверхностей. В этом случае сопло вводят в полость заготовки, которая совершает вращательные и поступательные перемещения в зависимости от профиля полируемой поверхности.
Жидкостное полирование, так же как и полирование эластичными кругами и лентами, не повышает
точности размеров и формы, а только уменьшает шероховатость поверхности.
Лекция 30. Методы отделочной отработки поверхностей (продолжение)
Притирка поверхностей
Поверхности деталей машин, обработанные на металлорежущих стайках, всегда имеют отклонения
от правильных геометрических форм и заданных размеров. Эти отклонения могут быть незначительными. Волнистость, неплоскостность, нецилиндричность и другие погрешности, возникающие на
заготовках после обработки и невидимые невооруженным глазом, могут быть устранены притиркой
(доводкой). Этим методом достигается наивысшая точность и наименьшая шероховатость поверхности.
Процесс осуществляют с помощью притиров соответствующей геометрической формы. На притир
наносят притирочную пасту или мелкий абразивный порошок со связующей жидкостью. Материал
притиров должен быть, как правило, мягче обрабатываемого материала. Паста или порошок внедряются в поверхность притира и удерживаются ею, но так, что при относительном движении каждое
абразивное зерно может снимать весьма малую стружку. Поэтому притир можно рассматривать как
очень точный абразивный инструмент, зерна которого одновременно обрабатывают всю или часть
поверхности заготовки.
Притир или заготовка должны совершать разнонаправленные движения. Наилучшие результаты дает
процесс, в ходе которого траектории движения каждого зерна не повторяются. Микронеровности
сглаживаются за счет совокупного химико-механического воздействия на поверхность заготовки.
Вначале микронеровности соприкасаются с притиром по малой контактной площади — срезаются
только их вершины. Этот этап обработки характеризуется большими давлением и пластическим деформированием поверхности. С увеличением контактной площади давление уменьшается, снижается
толщина съема металла. На последнем этапе обработки удаляются в основном окисные пленки, образующиеся на поверхности.
Большую роль играет вязкость связующей жидкости. Толщина жидкостного слоя между притиром и
заготовкой должна быть меньше величины выступающих из притира режущих зерен и определяется
вязкостью жидкости. Если толщина жидкостного слоя будет больше размеров абразивных зерен, то
процесс притирки прекратится, так как зерна не будут соприкасаться с обрабатываемой поверхностью.
В качестве абразива для притирочной смеси используют порошки электрокорунда, карбида кремния,
карбида бора, окиси хрома, окиси железа и др. Притирочные пасты состоят из абразивных порошков
и химически активных веществ, например олеиновой и стеариновой кислот, играющих одновременно роль связующего материала.
Рис. 89. Схемы притирки поверхностей
Материалами для притиров являются серый чугун, бронза, красная медь, дерево. В качестве связующей жидкости используют машинное масло, керосин, стеарин, вазелин.
Схема притирки наружной цилиндрической поверхности приведена на рис. 89, а. Притир 1 представляет собой втулку с прорезями, которые необходимы для полного прилегания притира под действием сил Р к обрабатываемой поверхности по мере ее обработки. Притиру сообщают возвратновращательное движение Vx и одновременно возвратно-поступательное движение v2. Возможно также равномерное вращательное движение заготовки 2 с наложением на него движения v2. Аналогичные движения осуществляются при притирке отверстий (рис. 89, б), однако притир должен равномерно разжиматься действием сил Р. Приведенные схемы осуществляют вручную и на металлорежущих станках.
Плоские поверхности можно притирать также вручную или на специальных доводочных станках
(рис. 89, в). Заготовки 4 располагают между двумя чугунными дисками 3 в окнах сепаратора 5. Диски-притиры имеют плоские торцовые поверхности и вращаются в противоположных направлениях и
с разными частотами вращения. Сепаратор относительно дисков расположен эксцентрично на величину е. Поэтому при вращении дисков притираемые детали совершают сложные движения со скольжением, и металл снимается одновременно с их параллельных торцов. Станок можно использовать и
для доводки коротких цилиндрических деталей с отверстиями, с помощью которых они ориентируются в сепараторе.
Разновидностью притирки является доведение двух сопрягающихся в собранной машине деталей до
нужной плотности контакта (в частности, для герметизации). Это достигается трением одной детали
о поверхность другой при наличии в стыке абразивного ворошка со связующей жидкостью. По окончании процесса детали промывают.
Хонингование
Хонингование применяют для получения отверстий высокой точности и малой шероховатости, а
также для создания специфического микропрофиля обработанной поверхности в виде сетки. Такой
профиль необходим для удержания на стенках отверстия смазки при работе машины (например, дви-
гателя внутреннего сгорания). Чаще обрабатывают сквозные и реже ступенчатые отверстия, как правило, неподвижно закрепленных заготовок.
Поверхность заготовки обрабатывают мелкозерпистыми абразивными брусками, которые закрепляют в хонинговальной головке (хоне), являющейся режущим инструментом. Инструмент вращается и
одновременно движется возвратно-поступательно вдоль оси обрабатываемого отверстия цилиндра
высотой h (рис. 90, а). Соотношение скоростей v1 и v2 указанных движений составляет 1,5—10,0 и
определяет условия резания. Скорость v1 для стали составляет 45—60, а для чугуна и бронзы — 60—
75 м/мин.
Описываемая схема обработки по сравнению с внутренним шлифованием имеет преимущества: отсутствует упругий отжим инструмента, реже наблюдаются вибрации, более плавная работа.
Сочетание движений v1 и v2 приводит к тому, что на обрабатываемой поверхности появляется сетка
микроскопических винтовых царапин — следов перемещения абразивных зерен. Угол 0 пересечения
этих следов зависит от соотношения скоростей. Поэтому необходимый вид сетки на поверхности отверстия можно получать в ходе хонингования. На рис. 90, б дана развертка внутренней цилиндрической поверхности заготовки и схема образования сетки.
Крайние нижнее 1 и верхнее 2 положения абразивных брусков устанавливают так, чтобы у инструмента создавался перебег п. Он необходим для того, чтобы образующие отверстия получались прямолинейными и оно имело бы правильную геометрическую форму. Совершая вращательное движение, абразивные бруски при каждом двойном ходе начинают резание с новых положений 3 хода с
учетом смещения t по углу. Поэтому исключается наложение траекторий абразивных зерен.
Вид сетки на обрабатываемой поверхности можно изменить дополнительными колебательными
движениями, сообщаемыми инструменту механическим вибратором (вибрационное хонингование).
Траектория абразивных зерен представляет собой сложную гипоциклическую кривую. Поэтому на
обработанной поверхности возникают как бы две сетки, соответствующие черновому и чистовому
хонингованию.
Абразивные бруски всегда контактируют с обрабатываемой поверхностью, так как могут раздвигаться в радиальных направлениях механическими, гидравлическими или пневматическими устройствами. Давление брусков должно контролироваться. Минимальное давление возникает при ультразвуковом хонинговании. В этом случае уменьшается засаливание брусков, так как частицы снятого металла легче отделяются от абразивов.
Хонингованием исправляются такие погрешности предыдущей обработки, как овальность, конусообразность, нецилиндричность и др., если общая величина снимаемого слоя не превышает 0,01—0,2
мм. Погрешности же расположения оси отверстия (например, увод ее или криволинейность) этим
методом не исправляются, так как режущий инструмент самоустанавливается по отверстию. Это достигается шарнирным закреплением инструмента в шпинделе, которое может передать только вращательное движение.
Наиболее распространены две схемы процесса хонингования, отличающиеся друг от друга методом
осуществления разжима (радиальной подачи) абразивных брусков: 1) с постоянным номинальным
давлением брусков на заготовку; 2) с дозированной радиальной подачей брусков на каждый двойной
ход головки. Первую схему применяют чаще.
Различают предварительное и чистовое хонингование. Предварительное хонингование используют
для исправления погрешностей предыдущей обработки, а чистовое — для получения малой шероховатости поверхности.
Хонинговальные бруски изготовляют из электрокорунда или карбида кремния, как правило, на керамической связке. Для чистового хонингования хорошие результаты дают бруски на бакелитовой
связке. Используют бруски зернистостью 3—8, а также М20 и М28. Все шире применяют алмазное
хонингование, главное преимущество которого состоит в эффективном исправлении погрешностей
геометрической формы обрабатываемого отверстия.
Бруски закрепляют в державках хона приклеиванием ацетоно-целлулоидным клеем или жидким
стеклом. Державки располагают равномерно по цилиндрической поверхности хонинговальной головки. Конструкции головок предусматривают расположение в них механизма радиального перемещения державок с брусками. Кроме того, головки имеют устройства для регулирования положения
брусков.
Число брусков в хонинговальной головке должно быть кратно трем. Поэтому в головке всегда
найдутся три бруска, которые будут обрабатывать реальную поверхность отверстия, имеющего погрешности формы от предыдущей обработки, и превращать ее в поверхность, близкую к круговому
цилиндру.
Хонингование производят при обильном охлаждении зоны резания. Смазочно-охлаждающими жидкостями являются керосин, смесь керосина (80—90%) и веретенного масла (20—10%), а также водно-мыльные эмульсии. Жидкости способствуют удалению абразивных зерен, оставшихся в порах
обрабатываемых поверхностей.
Для хонингования используют одно - и многошпиндельные станки. Некоторые станки оснащают
устройствами, позволяющими измерять на ходу обрабатываемое отверстие и выключать станки по
достижении необходимого размера отверстия.
Суперфиниш
Суперфинишем в основном уменьшают шероховатость поверхностей, оставшуюся от предыдущей
обработки. При этом изменяются высота и вид микровыступов, обработанные поверхности имеют
сетчатый рельеф, а каждый микровыступ округляется и поверхность становится очень гладкой. При
этом возникают более благоприятные условия взаимодействия трущихся поверхностей. Суперфинишем обрабатывают плоские, цилиндрические (наружные и внутренние), конические и сферические
поверхности из закаленной стали, реже из чугуна и бронзы.
Поверхности обрабатывают абразивными брусками, устанавливаемыми в специальной головке. Характерным для суперфиниша является колебательное движение брусков наряду с движением заготовки. Процесс резания происходит при давлении брусков (0,5—3,0) 105 Н/м2 и в присутствии смазки малой вязкости.
Схема обработки наружной цилиндрической поверхности приведена на рис. 91, а. Плотная сетка
микронеровностей создается сочетанием трех движений: вращательного sкp заготовки, возвратно-
поступательного snp и колебательного брусков со скоростью v. Амплитуда колебаний брусков составляет 1,5—6,0 мм, а частота 400—1200 колебаний в минуту. Движение snp ускоряет процесс
съема металла и улучшает однородность поверхности. Бруски, будучи подпружиненными, самоустанавливаются по обрабатываемой поверхности. Соотношение скоростей sкp и v в начало обработки
составляет 2—4, в конце 8—16. Процесс характеризуется сравнительно малыми скоростями резания
(5—7 м/мин).
Важную роль играет смазочно-охлаждающая жидкость. Масляная пленка покрывает обрабатываемую поверхность, но наиболее крупные микровыступы (рис. 91, б) прорывают ее и в первую очередь
срезаются абразивом. Давление брусков на выступы оказывается большим. По мере дальнейшей обработки давление снижается, так как все большее число выступов прорывает масляную пленку.
Наконец наступает такой момент (рис. 91, в), когда давление бруска не может разорвать пленку, она
становится сплошной. Создаются условия для жидкостного трения. Процесс отделки автоматически
прекращается. В качестве жидкости используют смесь керосина (80—90%) с веретенным или турбинным маслом (20—10%).
Рис. 91. Схема отделки суперфинишированием
При обработке сталей лучших результатов достигают при применении брусков из электрокорунда,
при обработке чугуна и цветных металлов — при применении брусков из карбида кремния. В большинстве случаев применяют бруски на керамической или бакелитовой связке. Большое влияние на
ход процесса оказывает твердость брусков. Если твердость при обработке данного материала завышена, бруски засаливаются и плохо режут; если твердость занижена, происходит непрекращающееся
самозатачивание и бруски быстро изнашиваются, поверхность оказывается низкого качества.
Применение алмазных брусков увеличивает не только производительность обработки, но и стойкость инструмента в 80—100 раз. Алмазные бруски работают на тех же режимах, что и абразивные,
но с давлением, большим на 30—50%.
Величина и форма абразивных брусков зависят от размера и конфигурации обрабатываемой заготовки. Для коротких открытых участков детали длина брусков должна быть равна длине обрабатываемой поверхности или немного больше ее, при наличии уступов с двух сторон длина брусков
немного меньше длины обрабатываемой поверхности. Чаще для суперфиниша применяют два бруска, а при обработке крупных деталей — три или четыре.
Обычно суперфиниширование не устраняет погрешностей формы, полученных на предшествующей
обработке (волнистости, конусообразности, овальности и др.), но при усовершенствовании процесса
можно снимать увеличенные слои металла, использовать особые режимы обработки. В этом случае
погрешности предыдущей обработки значительно уменьшаются.
Дальнейшим развитием суперфиниша является микрофиниш, который характеризуется повышенным
давлением абразивных брусков на поверхность и жесткой фиксацией их после подхода к заготовке.
Микрофиниш значительно уменьшает погрешности предшествующей обработки.
Лекция 31. Методы обработки заготовок без снятия стружки. Изготовление деталей из композиционных материалов
Чистовая обработка пластическим деформированием
Методы обработки без снятия стружки все больше применяют при изготовлении деталей машин в
связи с их высокой производительностью, способностью создавать поверхность с малой шероховатостью и необходимые физико-механические свойства поверхностного слоя.
Формы заготовок в современном производстве должны приближаться к формам готовых деталей.
Методами обработки без снятия стружки получают только те поверхности, которые будут сопрягаться с поверхностями других деталей. Представляется возможность отказаться от традиционных
методов обработки резанием. Производство деталей упрощается, отходы практически отсутствуют.
Методы обработки основаны на использовании пластических свойств металлов, т. е. способности
металлических заготовок принимать остаточные деформации без нарушения целостности металла.
Отделочная обработка методами пластического деформирования сопровождается упрочнением поверхностного слоя, что очень важно для повышения надежности работы деталей. Детали становятся
менее чувствительными к усталостному разрушению, повышаются их коррозионная стойкость и износостойкость сопряжений, удаляются риски и микротрещины, оставшиеся от предшествующей обработки. В ходе обработки шаровидная форма кристаллов поверхности металла может измениться,
кристаллы сплющиваются в направлении деформации, образуется упорядоченная структура волокнистого характера. Поверхность заготовки принимает требуемые форму и размеры в результате
перераспределения элементарных объемов под воздействием инструмента. Исходный объем заготовки остается постоянным.
В зоне обработки не возникает высокая температура. Поэтому в поверхностных слоях фазовые превращения не происходят.
Обработку без снятия стружки выполняют на многих металлорежущих станках, используя специальные инструменты. Созданы также особые станки, на которых наряду с резанием заготовки обрабатывают пластическим деформированием. Методы чистовой обработки используют для всех металлов,
способных пластически деформироваться, но наиболее эффективны они для металлов с твердостью
до НВ 280.
Обкатывание и раскатывание поверхностей
Обкатыванием и раскатыванием отделывают и упрочняют цилиндрические, конические, плоские и
фасонные наружные и внутренние поверхности.
Сущность этих методов состоит в том, что в результате давления поверхностные слои металла, контактируя с инструментом высокой твердости, оказываются в состоянии всестороннего сжатия и пластически деформируются. Инструментом являются ролики и шарики, перемещающиеся относительно заготовки. Микронеровности обрабатываемой поверхности сглаживаются путем смятия микровыступов и заполнения микровпадин.
Обкатывают, как правило, наружные поверхности, а раскатывают внутренние цилиндрические и фасонные поверхности. При обкатывании роликами основными параметрами режима упрочнения являются давление в зоне контакта с роликом, число его проходов, подача и скорость обкатывания.
Глубину деформированного слоя определяет давление.
Рис. 92. Схемы обкатывания и раскатывания поверхностей
На рис. 92 показаны распространенные схемы обкатывания и раскатывания поверхностей. К вращающейся цилиндрической заготовке подводят закаленный гладкий ролик — обкатку (рис. 92, а), который под действием рабочего давления деформирует поверхность. Продольная подача позволяет обрабатывать всю заготовку. Аналогичным инструментом обрабатывают элементы заготовок, но с поперечной подачей (рис. 92, б). При раскатывании ролик-раскатку закрепляют на консольной оправке
(рис. 92, в). Более совершенна конструкция инструмента с несколькими роликами (рис. 92, г).
Для обеспечения значительной однородности форм микронеровностей используют разнообразные
конструкции инструментов, различающихся числом и формой деформирующих частей (роликов,
шариков). Наилучшие результаты обеспечивают инструменты, на которые усилие передается через
упругие элементы. Этим достигается постоянное усилие обработки в любой точке обрабатываемой
поверхности. Усилие может регулироваться.
Для обработки поверхностей обкатыванием и раскатыванием чаще всего используют токарные или
карусельные станки, применяя вместо режущего инструмента обкатки и раскатки. Суппорты обеспечивают необходимую подачу. Раскатки можно устанавливать в пиноли задних бабок. Глубокие отверстия раскатывают на станках для глубокого сверления.
Так как нагрев заготовок в местах контакта с инструментом незначителен, охлаждения не требуется.
Для уменьшения трения используют смазывание веретенным маслом или керосином.
Обкатыванием и раскатыванием лишь в незначительной степени исправляют погрешности предшествующей обработки. Поэтому предварительная обработка заготовок должна быть точной с учетом
смятия микронеровностей и изменения окончательного размера детали. Решающее значение в достижении необходимого качества поверхностного слоя имеет давление на поверхность. Чрезмерно
большое давление так же, как и большое число проходов инструмента, разрушает поверхность и может привести к отслаиванию ее отдельных участков.
Алмазное выглаживание
Малой шероховатости поверхности и ее упрочнения можно достичь алмазным выглаживанием.
Сущность этого метода состоит в том, что оставшиеся после обработки резанием неровности поверхности выглаживаются перемещающимся по ней прижатым алмазным инструментом. Алмаз, закрепленный в державке, не вращается, а скользит с весьма малым коэффициентом трения. Рабочая часть
инструмента выполнена в виде полусферы, цилиндра или конуса. Чем тверже обрабатываемый металл, тем меньше радиус скругления рабочей части алмаза.
Преимущества алмазного выглаживания состоят в повышении эксплуатационных свойств обработанных поверхностей, снижении шероховатости поверхности, отсутствии переноса на обрабатываемую поверхность посторонних частиц, возможности обработки тонкостенных деталей и деталей
сложной конфигурации, простоте конструкции выглаживателей.
Заготовки обрабатывают на токарных станках. Державку с подпружиненным наконечником с алмазом устанавливают в резцедержателе вместо резца. Движения заготовки и инструмента аналогичны
движениям заготовки и инструмента при обтачивании.
Силы прижатия алмаза к обрабатываемой поверхности сравнительно малы и колеблются в интервале
50—300 Н. Процесс выглаживания ведут со смазыванием веретенным маслом, что примерно в 5 раз
уменьшает износ алмаза по сравнению с износом при выглаживании всухую. Применение керосина
или эмульсии приводит к интенсивному износу алмаза. Число проходов инструмента не должно быть
более двух.
Калибровка отверстий
Калибровкой повышают точность отверстий и получают поверхности высокого качества. Метод характеризуется высокой производительностью.
Сущность калибровки сводится к перемещению в отверстии с натягом жесткого инструмента. Размеры поперечного сечения инструмента несколько больше размеров поперечного сечения отверстия.
При этом инструмент сглаживает неровности, исправляет погрешности, упрочняет поверхность.
Простейшим инструментом служит шарик, который проталкивается штоком (рис. 93, а). Роль инструмента может выполнять также оправка — дорн (рис. 93,б), к которому прикладывается сжимающая или растягивающая (рис. 93, в) сила. Заготовки обрабатывают за один или несколько ходов инструмента.
Рис. 93. Схемы калибровки отверстий.
Заготовки обрабатывают с малыми или большими натягами. В первом случае зона пластической деформации не распространяется на всю толщину детали. Так обрабатывают толстостенные заготовки.
Во втором случае зона пластической деформации охватывает всю деталь. Этот вариант обработки
используют для тонкостенных деталей, что существенно повышает их точность.
Шарики, как инструмент, не обеспечивают оптимальных условий деформирования и имеют малую
стойкость. Калибрующие оправки выполняют одноэлементными, многоэлементными или сборными.
Каждый из элементов — поясков имеет свой размер. Деформирующие элементы изготовляют из
твердого сплава или стали, закаленных до высокой твердости.
В качестве смазочного материала для сталей и бронз применяют сульфофрезол. для чугунов – керосин. Разработаны специальные смазочные материалы, обеспечивающие жидкостное трение. Они
снижают рабочее усилие, способствуют повышению качества поверхности, увеличивают точность
обработки и стойкость инструмента.
Отверстия калибруют на прессах (рис. 93, а, б) или горизонтально-протяжных станках (рис. 93, в).
Для правильного взаимного расположения инструмента и заготовки обычно применяют самоустанавливающиеся приспособления с шаровой опорой. Заготовку не закрепляют.
Вибронакатывание
Для повышения износостойкости деталей машин на поверхностях трения целесообразно выдавливать слабозаметные, прилегающие друг к другу канавки. В канавках скапливаются смазочный материал и мелкие частицы, образовавшиеся в процессе изнашивания. Канавки образуются вибронакатыванием.
Упрочняющему элементу — шару или алмазу, установленному в резцедержателе токарного станка,
помимо обычного движения sпp (рис. 94) специальным устройством сообщают дополнительные
движения Δs с относительно малой амплитудой. Изменяя v, sпp, амплитуду и частоту колебаний,
можно на обрабатываемой поверхности получить требуемый рисунок. Распространение получили
рисунки с непересекающимися канавками, с неполностью пересекающимися и со сливающимися канавками. Возможно также вибронакатывание внутренних и плоских поверхностей.
Рис. 94. Схема вибронакатывания
Канавки одновременно упрочняют поверхность. Важнейшей характеристикой такой поверхности является общая площадь канавок (в процентах от номинальной площади обрабатывающей поверхности). Такие отклонения для каждого типа рисунка определяют аналитически.
Обкатывание зубчатых колес
Пластическое деформирование поверхностных слоев повышает работоспособность зубчатых колес.
Микронеровности, оставшиеся от предшествующей обработки, сглаживаются путем смятия специальным инструментом.
Обрабатываемое зубчатое колесо вводят в плотное зацепление с тремя стальными, закаленными эталонными колесами. Последние имеют полированные зубья и располагаются вокруг обкатываемого
колеса. Эталонные колеса прижимаются к обкатываемому с помощью пружинных устройств. Сила
прижима регламентируется. Одно из эталонных колес является ведущим и приводит во вращение
обрабатываемое колесо, а через него — два остальных эталонных колеса. Движение колес реверсируется. Колеса обкатывают со смазочными материалами на специальных зубообкатных станках.
Обкатыванием лишь частично исправляют профиль зуба и его размеры путем сглаживания шероховатостей.
Накатывание резьб, шлицевых валов и зубчатых колес
Формообразование фасонных поверхностей в холодном состоянии методом накатывания имеет ряд
преимуществ. Главное из них – очень высокая производительность, низкая стоимость обработки, высокое качество обработанных деталей. Накатанные детали имеют более высокое сопротивление
усталости. Это объясняется тем, что при формообразовании накатыванием волокна исходной заготовки не перерезаются, как при обработке резанием. Профиль накатываемых деталей образуется за
счет вдавливания инструмента в материал заготовки и выдавливания части его во впадины инструмента. Такие методы сочетают в себе функции черновой, чистовой и отделочной обработок. Их используют для получения резьб, валов с мелкими шлицами и зубчатых мелкомодульных колес.
Резьбы накатывают обычно до термической обработки, хотя точные резьбы можно накатывать и после нее.
Рис. 95. Схемы накатывания
При формировании резьбы плашками (рис. 95, а) заготовку 2 помещают между неподвижной 1 и подвижной 3 плашками, имеющими на рабочих поверхностях рифления, профиль и расположение которых соответствует профилю и шагу. накатываемой резьбы. При перемещении подвижной плашки
заготовка катится между инструментами, а на ее поверхности образуется резьба.
При формировании резьбы роликами (рис. 95,б) ролики 4 и 5 получают принудительное вращение,
заготовка 2 свободно обкатывается между ними. Ролику 5 придается радиальное движение для вдавливания в металл заготовки на необходимую глубину. Обработка роликами требует меньших усилий,
с их помощью накатывают резьбы с более крупными шагами.
При накатывании мелких шлицев на валах (рис. 95, в) накатной ролик имеет профиль шлицев. Он
внедряется в поверхность заготовки при вращении и поступательном продольном перемещении
вдоль вала.
Накатывание цилиндрических (рис. 95, г) и конических мелкомодульных колес в 15–20 раз производительнее зубонарезания. Процесс можно осуществлять на токарных станках накатниками 6 и 7, которые закреплены на суппорте и перемещаются с подачей sпр. Каждый накатник имеет заборную
часть для постепенного образования накатываемых зубьев на заготовке 2.
Для накатывания применяют универсальное специальное оборудование. Для образования резьб служат резьбонакатные станки, развивающие усилие до 2∙105 Н. Эти станки автоматизированы и имеют
горизонтальное, наклонное или вертикальное движение ползуна с плашкой. Резьбы роликами накатывают на автоматах.
На автоматизированном оборудовании – прессах – накатывают и шлицы. Шлиценакатный пресс может заменить 10–15 шлицефрезерных станков. Рабочие усилия создаются мощными гидравлическими устройствами.
Зубчатые колеса накатывают на специальных станках. Получает распространение, комбинированное
накатывание (горячее накатывание с последующей холодной калибровкой).
Накатывание рифлений и клейм
Методом холодного накатывания на отдельных элементах деталей наносят рифления, маркировочные клейма, знаки. Производительность метода весьма велика. В основе накатывания лежит способность металла получать местные деформации под действием накатных роликов или накатников.
На рис. 96, а приведена схема накатывания рифленой поверхности. Заготовку закрепляют на токарном станке, на суппорте которого установлена державка с одним или двумя накатными роликами.
Ролики внедряются в поверхность заготовки (st) и перемещаются вдоль заготовки с рабочей подачей
sпр. Вид рифлений (рис. 96, б) определяется характером зубчиков на роликах. Крестовое рифление
производят двумя роликами, один из которых имеет правое направление отпечатывающих зубчиков,
а другой — левое. Оба ролика вращаются на осях самоустанавливающейся державки. Для накатывания клейм (рис. 96, в) на накатнике 1 располагают негативно выступающие знаки. Заготовку 2 устанавливают на ролики для более легкого перемещения в момент накатывания.
Рис. 96. Схемы накатывания рифлений и клейм
Упрочняющая обработка поверхностей деталей
Упрочняющую обработку предпринимают для увеличения сопротивления усталости деталей. Методы упрочнения основаны на локальном воздействии инструмента на обрабатываемый материал. При
этом возникают многочисленные зоны воздействия на весьма малых участках поверхности, в результате чего создаются очень большие местные давления. Многочисленные контакты с инструментом
приводят к упрочнению поверхности. В поверхностных слоях возникают существенные напряжения
сжатия.
Прочность конструкционных материалов повышается благодаря воздействию нагрузок, создающих
эффективные препятствия для движения несовершенств кристаллической решетки. При этом создаются структуры с повышенной плотностью закрепленных и равномерно распределенных по всему
объему дислокаций.
Распространено упрочнение нанесением ударов по поверхности заготовки шариками, роликами, различными бойками. При динамическом упрочнении в качестве инструмента используют диск в котором по окружности в несколько рядов расположены ролики, свободно сидящие на осях. Диск закрепляют на шпинделе металлорежущего станка. При вращении диска ролики наносят по упрочняемой поверхности очень большое количество ударов.
При статическом упрочнении на поверхность заготовки воздействуют вращающимися роликами в
процессе обкатывания или раскатывания.
Процесс упрочнения можно выполнять на специальных установках. При ультразвуковом деформационном упрочнении заготовки закрепляют в камерах, содержащих большое количество стальных
шариков диаметром 1 – 3 мм, смачиваемых эмульсией. Камера получает колебания от ультразвукового генератора, и колеблющиеся шарики наносят удары по поверхности заготовки. Шероховатость
поверхности после деформационного упрочнения увеличивается.
Распространено дробеструйное динамическое упрочнение. Готовые детали машин подвергают ударному действию потока дроби в специальных камерах, где дробинки с большой скоростью перемещаются под действием потока воздушной струи. Их изготовляют из отбеленного чугуна, стали,
алюминия, стекла и других материалов. Исходная шероховатость обрабатываемой поверхности увеличивается.
Этот метод применяют для таких изделий, как рессорные листы, пружины, лопатки турбин, штоки,
штампы.
Эффект деформационного упрочнения повышается при использовании импульсных нагрузок, в
частности взрывной волны. При упрочнении взрывом необходимы энергоноситель и среда, передающая давление на упрочняемую деталь. В качестве энергоносителя используют бризантные взрывчатые вещества, обеспечивающие как поверхностные, так и сквозные упрочнения деталей.
Лекция 32. Сборка соединений
Основы технологии сборки машин и механизмов
Составными частями изделия являются группы, узлы и детали. Деталь это часть изделия изготовленная без применения сборочных операций.
Узел – разъёмное или неразъёмное соединение из составных частей изделия.
Группа – узел, для которого целесообразна самостоятельная организация производства (участок или
цех шасси автомобиля, рулевого управления)
В дополнение к этим стандартным составным частям изделия используются термины:
Подузел и подгруппа – они входят в состав узлов или групп. При этом если подгруппа является составной частью группы её называют подгруппой первого порядка. Если она входит в подгруппу первого порядка, то она считывается подгруппой второго порядка.
В машине или изделии различают конструктивные и сборочные элементы. Конструктивные элементы могут быть сборочными и наоборот. конструктивные элементы выделяются на основе назначения
их в машине (механизм рулевого управления, механизм газораспределения).
Обязательным условием сборочных элементов является возможность осуществления сборки каждого
из них независимо друг от друга.
Процесс комплектования сборочных элементов изображают в виде схем.
Для сложных машин с большим количеством деталей и узлов развёрнутая схема громоздка, поэтому
применяют укрупненные схемы, на которые наносят обозначения групп, а также деталей не входящих в группу (крепеж – выносят вверх).
Сборочной операцией называется законченная часть технологического процесса сборки выполненная над данным узлом одним или несколькими рабочими на отдельном рабочем месте.
Часть операций, выполняемая над одним соединением при неизменном инструменте, называется переходом. Отдельное законченное действие рабочего в процессе сборки или подготовки к сборке
называется элементом перехода.
Классификация соединений деталей.
Лекция 33. Изготовление деталей из композиционных материалов.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Развитие машиностроения, а также задача повышения надежности и качества выпускаемых
изделий потребовали создания новых конструкционных материалов. Композиционные материалы применяют во всех отраслях промышленности. В широком смысле практически всякий
современный материал представляет собой композицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде. На современном этапе понятие композиционного материала должно
удовлетворять следующим критериям: композиция должна представлять собой сочетание хотя
бы двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами); композиция должна характеризоваться свойствами, которых не имеет никакой из ее компонентов в отдельности.
Композиционный материал получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств.
Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц
входящих компонентов могут колебаться в широких пределах — от сотых долей микрометров
(для порошковых наполнителей) до нескольких миллиметров (при использовании волокнистых наполнителей). Например, автомобильную шину изготовляют из композиционного материала, основой которого является резина. Для повышения механических свойств в нее добавляют порошковые и волокнистые наполнители (в том числе металлическую проволоку), а
также вещества для повышения морозостойкости, износостойкости и т. д.
Широкое применение конструкционных композиционных материалов обусловлено их важными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Порошковая металлургия позволяет получать композиционные материалы и детали, характеризующиеся высокой жаропрочностью, износостойкостью, стабильными магнитными и другими специальными свойствами. Возможность получения псевдосплавов из таких несплавляющихся металлов, как медь—вольфрам, серебро—вольфрам и др., обладающих высокими
электропроводимостью и стойко-стью к электроэрозионному изнашиванию, делает их незаменимыми для изготовления электроконтактных деталей. Пористые материалы в отдельных
случаях становятся единственно приемлемыми для изготовления фильтров, подшипников
скольжения и др. Композиционные материалы на основе пластмасс характеризуются относительно высокой механической прочностью, высокой химической и коррозионной стойкостью,
хорошими диэлектрическими свойствами. Применением их достигается экономия дорогостоящих цветных материалов, повышение стойкости деталей, работающих на трение и в агрессивных средах, снижение массы, уменьшение трудоемкости изготовления деталей.
Конструкционные материалы на основе резины по своим свойствам существенно отличаются
от металлов и других материалов. Они характеризуются способностью выдержать значительные деформации без разрушения, высокой сопротивляемостью к изнашиванию, газо-, водонепроницаемостью и диэлектрическими, свойствами.
Стекло, керамика, древесные и другие неметаллические материалы также имеют свои специфические физико-механические и эксплуатационные свойства.
Выбор конструкционного материала зависит от физико-механических и эксплуатационных
свойств, на которые влияет технологический процесс получения самих конструкционных материалов и деталей из них. Процесс изготовления деталей из этих материалов характеризуется
высоким коэффициентом использования материала (0,85—0,95), малой трудоемкостью, высокой механизацией и автоматизацией.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Способы получения и технологические свойства порошков
Порошковая металлургия — отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Из металлического порошка или смеси порошков прессуют
заготовки, которые подвергают термической обработке – спеканию. Промышленность выпускает различные металлические порошки: железный, медный, никелевый, хромовый, кобальтовый, вольфрамовый, молибденовый, титановый и др. Способы получения порошков условно
разделяют на две основные группы: механические и физико-химические.
Наибольшее практическое применение имеют способы механического измельчения исходного
сырья (стружки, обрезков, скрапа и т. д.). Измельчение проводят в механических мельницах.
Размолом получают порошки из легированных сплавов строго заданного химического состава
и из хрупких материалов, таких, как кремний, бериллий и др.
При применении механических способов исходный продукт измельчается без изменения химического состава. К недостаткам механического измельчения следует отнести высокую стоимость порошков, включающую стоимость изготовления исходных литых металлов и сплавов,
и относительно низкую производительность процесса.
К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление оксидов, осаждение металлического порошка из водного раствора соли и др. Получение порошка связано с
изменением химического состава исходного сырья или его состояния в результате химического
или физического (но не механического) воздействия на исходный продукт. Физико-химические
способы получения порошков в целом более универсальны, чем механические. Возможность
использования дешевого сырья (отходы производства в виде окалины, оксидов и т. д.) делает
многие физико-химические способы экономичными. Порошки ряда тугоплавких металлов, а
также порошки сплавов и соединений, на их основе могут быть получены только физикохимическими способами.
Поведение металлических порошков при прессовании и спекании зависит от свойств порошков, которые, в свою очередь, определяются способами их получения. Металлические порошки
характеризуются их химическим составом, а также физическими и технологическими свойствами. Химический состав порошков определяется содержанием основного металла или компонента и примесей. Физические свойства порошков определяются размером и формой частиц,
микротвердостью, плотностью, состоянием кристаллической решетки. Технологические свойства характеризуются текучестью, прессуемостью и спекаемостью порошка.
Текучесть — способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением
размеров частиц порошка и повышением влажности. Текучесть оценивают количеством порошка, вытекаемого через отверстие диаметром 1,5 – 4 мм в секунду. Текучесть порошка имеет
большое значение, особенно при автоматическом прессовании, где производительность пресса
зависит от скорости заполнения формы. Низкая текучесть способствует также получению неоднородных по плотности заготовок.
Прессуемость характеризуется способностью порошка уплотняться под действием внешней
нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит
от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повышается с введением в его состав поверхностно-активных веществ.
Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.
Краткая характеристика композиционных порошковых материалов
Порошковой металлургией получают различные конструкционные материалы для изготовления заготовок и готовых деталей. Большое применение находят композиционные материалы
со специальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Из антифрикционных металлокерамических материалов изготовляют подшипники скольжения для различных отраслей промышленности. В антифрикционных материалах с пористостью 10—35 % металлическая основа является твердой составляющей, а поры, заполняемые
маслом, графитом или пластмассой, выполняют роль мягкой составляющей. Пропитанные
маслом пористые подшипники способны работать без дополнительного смазочного материала
в течение нескольких месяцев, а подшипники со специальными «карманами» для запаса масла
— в течение 2—3 лет.
Для пористых антифрикционных материалов используют железо-графитовые, железо-меднографитовые, бронзографитовые, алюминиево-медно-графитовые и другие композиции. Процентный состав этих композиций зависит от эксплуатационных требований, предъявляемых к
конструкциям деталей.
Фрикционные композиционные материалы представляют собой сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов
тугоплавких металлов и различных оксидов. Для уменьшения износа в композиции вводят
графит или свинец. Фрикционные материалы обычно применяют в виде биметаллических
элементов, состоящих из фрикционного слоя, спеченного под давлением с основой (лентой или
диском). Коэффициент трения по чугуну для фрикционных материалов на железной основе 0,4
–0,6. Они способны выдерживать температуру в зоне трения до 500 – 600 °С. Применяют фрикционные материалы в тормозных узлах и узлах сцепления (в самолетостроении, автомобилестроении и т. д.).
Из высокопористых материалов изготовляют фильтры и другие детали, В зависимости от
назначения фильтры выполняют из порошков коррозионно-стойкой стали, алюминия, титана,
бронзы и других материалов с пористостью до 50 %. Металлические высокопористые материалы получают спеканием порошков без предварительного прессования или прокаткой их между вращающимися валками при производстве пористых лент. В порошки добавляют вещества,
выделяющие газы при спекании.
Металлокерамические твердые сплавы характеризуются высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Поэтому из них изготовляют режущий и буровой инструменты, их
наносят на поверхность быстроизнашивающихся деталей и т. п. Твердые сплавы изготовляют
на основе порошков карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего
материала применяют кобальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают в
зависимости от их назначения.
Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами. В качестве связующего для алмазных порошков
применяют металлические порошки (медные, никелевые и др.) или сплавы.
Из жаропрочных и жаростойких материалов изготовляют детали, работающие при высоких
температурах. Эти материалы должны иметь высокую жаропрочность и стойкость против
окисления. Металлические сплавы на основе никеля, титана, тантала, вольфрама и других
элементов удовлетворяют этим требованиям при работе до температур 850—900 °С. При более
высоких температурах (до 3000°С) можно использовать тугоплавкие и твердые соединения типа оксидов, карбидов, боридов и др.
Порошковую металлургию широко применяют для получения материалов со специальными
"электромагнитными свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлектрики, ферриты и т.
д.).
В последнее время значительно возрос объем применения так называемых компактных конструкционных материалов, получаемых из порошков самых различных металлов и сплавов. В
связи с высокой плотностью механические свойства их практически не снижаются, а отдельные эксплуатационные свойства значительно увеличиваются. Например, спеченный алюминиевый порошок (САП) в своем составе содержит до 15% оксидов алюминия, которые в виде
тонкой пленки покрывают зерна алюминия и образуют в спеченном материале непрерывный
каркас. Такая структура придает материалу высокую теплостойкость. Этот материал может
длительное время работать при температурах до 600 °С. САП по сравнению с обычным алюминием имеет более низкий температурный коэффициент. Применяют САП для изготовления
компрессорных лопаток, поршней, колец для газовых турбин и т. д. Перспективно применение
компактных конструкционных материалов в условиях крупносерийного и массового производствах деталей сложной конфигурации небольших размеров.
В современной технологии композиционных материалов все большее место занимают волокнистые материалы, представляющие собой композицию из мягкой матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу. Материалы, упрочненные волокнами, характеризуются высокой удельной прочностью, а также могут иметь малую теплопроводность, высокую химическую и термическую стойкость и т. п. Для получения композиционных материалов
используют различные волокна: проволоки из вольфрама, молибдена, волокна оксидов алюминия, бора, карбида кремния, графита и т. п. – в зависимости от требуемых свойств создаваемого материала. Вопросами исследования и создания волокнистых материалов занимается
новая, быстроразвивающаяся отрасль порошковой металлургии – металлургия волокна
Приготовление смеси и формообразование заготовок
Процесс приготовления смеси включает предварительный отжиг, сортировку порошка по размерам
частиц (рассев) и смешение.
Предварительный отжиг порошка способствует восстановлению оксидов и снимает наклеп, возникающий при механическом измельчении исходного материала. Отжиг проводят при температуре,
равной 0,5 – 0,6 температуры плавления, в защитной или восстановительной атмосфере.
Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам просеиванием на ситах, а более
мелкие порошки — воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадочные материалы различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, одеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовок высокого качества; легкоплавкие
материалы, улучшающие процесс спекания; различные летучие вещества для получения деталей с
заданной пористостью. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах и
других смешивающих устройствах.
Заготовки из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.
При холодном прессовании в пресс-форму 2 (рис. 97, а) засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1. В процессе прессования увеличивается контакт
между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы.
Прочность получаемой заготовки обеспечивается в основном силами механического сцепления частиц порошка. С увеличением давления прессования прочность заготовки возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки вследствие влияния трения порошка о
стенки пресс-формы, в результате чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно - и
двустороннее прессование.
Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру
меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки
меньше трех. Двустороннее прессование (рис. 97, б) применяют для формообразования заготовок
сложной формы. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на 30 – 40%. Давление прессования зависит от требуемой плотности, формы прессуемой заготовки, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить необходимое давление.
В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим и пластическим деформациям, в
результате чего в заготовке накапливаются значительные напряжения. После извлечения из прессформы заготовки размеры ее изменяются за счет упругого последействия.
При горячем прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6—0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву процесс уплотнения протекает гораздо интенсивнее, чем при обычном
прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление прессования. Горячим
прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью, плотностью и однородностью структуры. Этот метод применяют для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды, силициды и т. д.). Для
изготовления пресс-форм используют, как правило, графит. Низкая производительность, малая стойкость пресс-форм (10 – 12 прессовок), необходимость проведения процесса в среде защитных газов –
все это ограничивает применение горячего прессования и обусловливает его использование только в
тех случаях, когда другие методы порошковой металлургии не обеспечивают заданных эксплуатационных свойств.
Гидростатическое прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса (рис. 98) заключается в
том, что порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1. Отсутствие внешнего трения способствует получению заготовок равномерной плотности и снижению требуемого давления. В качестве
рабочей жидкости используют масло, воду, глицерин и др. Гидростатическим прессованием получают самые разнообразные по форме и размерам заготовки.
При газостатическом прессовании в качестве рабочей среды, создающей давление прессования, используют газ, нагретый до температуры спекания порошков. В этом случае процессы формообразования и спекания заготовок технологически совмещаются.
Выдавливанием изготовляют прутки, трубы и профили различного сечения. Сущность процесса получения заготовки заключается в выдавливании порошка через калиброванное отверстие прессформы. В порошок добавляют пластификатор в количестве до 12 % массы порошка, улучшающий
процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброванного отверстия пресс-формы. Полые профили получают с применением рассекателя. В качестве оборудования используют механические и гидравлические прессы.
Прокатка – один из наиболее производительных и перспективных способов переработки порошковых материалов. Порошок (рис. 99, а) непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками.
При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой
получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке с целью придания ей заданных размеров. Ленты, идущие для приготовления фильтров и антифрикционных изделий не подвергают дополнительной прокатке. Число обжатий, необходимое для получения беспористой ленты, зависит от пластичности композиции и параметров прокатки.
Прокаткой получают ленты из различных материалов (пористых, твердосплавных, фрикционных и
др.). Применяя бункеры с перегородкой (рис. 99, б), изготовляют ленты из различных материалов
(двухслойные).
Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02 – 3 мм и шириной до 300
мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного профиля, в том
числе и проволоку диаметром от 0,25 до нескольких миллиметров.
Рис. 99. Схема прокатки порошков
Спекание и окончательная обработка заготовок
Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием
или прокаткой. В спрессованных заготовках доля контакт, между отдельными частицами очень мала
и спекание сопровождается ростом контактов между отдельными частицами порошка. Это является
следствием протекания в спекаемом теле при нагреве следующих процессов: восстановления поверхностных оксидов, диффузии, рекристаллизации и др. Протекание этих процессов зависит от
температуры и времени спекания, среды, в которой осуществляется спекание и других факторов.
При спекании изменяются линейные размеры заготовки (большей частью наблюдается усадка —
уменьшение размеров) и физико-механические свойства спеченных материалов. Температура спекания обычно составляет 0,6 – 0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или
ниже температуры плавления основного материала для композиций, в состав которых входят несколько компонентов. Время выдержки после достижения температуры спекания по всему сечению
составляет 30 – 90 мин. Увеличение времени и температуры спекания до определенных значений
способствует увеличению прочности и плотности в результате активизации процесса образования
контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к
снижению прочности в результате роста зерен кристаллизации.
Проведение спекания в условиях, когда входящий в композицию легкоплавкий компонент образует
при спекании жидкую фазу, активизирует усадку и обеспечивает получение заготовок с малой или
даже нулевой пористостью, с высокими физико-механическими свойствами. С этой же целью,
например, применяют пропитку тугоплавких материалов серебром или медью при производстве
электроконтактных деталей.
К атмосфере спекания предъявляются требования – безокислительные условия нагрева заготовок. В
большинстве случаев спекание проводят в восстановительной атмосфере, способствующей удалению
оксидов, или в вакууме. Для спекания используют электропечи сопротивления или печи с индукционным нагревом.
После спекания заготовки в ряде случаев подвергают дополнительной обработке в целях повышения
физико-механических свойств, получения окончательных размеров и формы, нанесения декоративных покрытий и защиты поверхности детали от коррозии.
Для повышения физико-механических свойств спеченных заготовок применяют следующие виды
обработки: повторное прессование и спекание, пропитку смазочными материалами (антифрикционных деталей), термическую или химико-термическую обработку.
Повторное прессование и спекание позволяет получать детали с более высокой плотностью. Промежуточные отжиги, снимая наклеп в зернах заготовки, способствуют дальнейшему их уплотнению
при относительно небольшом давлении. Процесс повторного прессования осуществляют в тех же
пресс-формах или в пресс-формах с повышенной точностью изготовления формообразующих деталей. В производственных условиях, как правило, ограничиваются двукратным прессованием и спеканием.
Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке при повышенных температурах. Обработка давлением позволяет снизить пористость материалов и повысить их пластичность.
Например, у спеченных заготовок вольфрама с исходной пористостью 38 – 40 % после ковки пористость снижается до 2 – 5 %, и металл приобретает пластичность, необходимую для протяжки через
фильеры или прокатки. Перед прокаткой для снятия напряжений заготовки из вольфрама подвергают
промежуточному отжигу при температурах выше 1200 °С. После протяжки вольфрама в проволоку
диаметром 0,05 мм пористость его снижается до 1%.
Пропитку заготовок обычно выполняют погружением их в масляную ванну с температурой 70 – 140
°С. Длительность пропитки колеблется от 15 мин до 2 ч. Степень заполнения пор при этом составля-
ет 90 – 95 %. Более высокое заполнение пор маслом достигается при применении вакуумной пропитки.
Основными видами термической обработки являются отжиг и закалка. Операцию отжига используют для повышения технологических свойств при производстве деталей из тугоплавких металлов.
Отжиг снижает прочностные характеристики и в несколько раз повышает пластичность материала,
что облегчает дальнейшую обработку давлением (ковка, протяжка, прокатка и т. д.). Наличие пор в
материалах делает их чувствительными к окислению при нагреве и к коррозии при попадании закалочной жидкости в поры при закалке. В качестве охлаждающих сред необходимо выбирать жидкости, не представляющие опасности с точки зрения коррозии в процессе хранения и эксплуатации закаленных деталей. В некоторых случаях детали из железного порошка подвергают науглероживанию
методами химико-термической обработки — нагреву в ящиках с карбюризатором или в газовой науглероживающей атмосфере. Процесс насыщения углеродом протекает значительно быстрее вследствие проникания газов внутрь пористого тела.
Для повышения износостойкости деталей применяют операцию сульфидирова-ния; для придания
спеченным заготовкам необходимых размеров и формы калибровку, протягивание, штамповку и обработку резанием.
Калибровка позволяет получать детали высокой точности. Эту сперадию проводят в специальных
пресс-формах или приспособлениях. Перед калибровкой заготовки должны иметь размеры на 0,5—1
% больше (меньше для внутренних поверхностей) окончательных. Большая степень деформации при
калибровке может значительно повысить прочность и снизить пластичность деталей. Поэтому после
калибровки применяют дополнительное спекание или отжиг.
Рис. 100. Схема калибровки подшипников скольжения
Рассмотрим схему последовательных операций калибровки подшипников скольжения на автоматическом прессе (рис. 100). Специальный захват устанавливает подшипник 3 над отверстием калибрующей матрицы 4 (положение I), Затем направляющая часть центрального стержня 2 входит во внутреннюю часть подшипника (положение II) и верхний пуансон 1 вдавливает подшипник в матрицу 4
(положение III). После этого центральный стержень продвигается вниз и его калибрующая часть
проходит через подшипник (положение IV). Этим осуществляется калибровка внутреннего и наружного диаметров. Для обеспечения калибровки по высоте нижний 5 и верхний 1 пуансоны продолжают движение навстречу друг другу до заданного предела (положение V). Затем нижний пуансон отводится вниз, а центральный стержень вверх, и верхний пуансон 1 при дальнейшем своем ходе проталкивает подшипник из матрицы вниз (положение VI), после этого цикл повторяется. Такое последовательное расчленение деформаций на ряд операций позволяет снизить усилие калибровки в 2
– 3 раза, в сравнении с калибровкой, при которой деформация производится почти одновременно.
Предварительная пропитка заготовок маслом значительно облегчает процесс.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Классификация и технологические свойства пластмасс
Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, основу которых составляют природные или синтетические высокомолекулярные соединения. Высокомолекулярные соединения состоят
из большого числа низкомолекулярных соединений (мономеров), связанных между собой силами
главных валентных связей. Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят из
одинаковых структурных звеньев, называют полимерами. Макромолекулы полимеров могут иметь
линейную форму, разветвленную и пространственную (сшитую).
Рис. 101. Схемы строения молекул полимеров:
а – линейная; б – разветвленная; в – пространственная
Линейные макромолекулы (рис. 101, а) имеют форму цепей, в которых атомы соединены между собой ковалентными связями. Отдельные цепи связаны межмолекулярными силами, в значительной
степени определяющими свойства полимера. Наличие в цепях разветвлений (рис. 101 б) приводит к
ослаблению межмолекулярных сил и тем самым к снижению температуры размягчения полимера.
Пространственные структуры (рис. 101, в) получаются в результате химической связи (сшивки) отдельных цепей полимеров либо в результате поликонденсации или полимеризации. Большое значение для свойств «сшитого» полимера имеет частота поперечных связей. Если эти связи располагаются сравнительно редко, то образуется полимер с сетчатой структурой.
Полимеры с линейной структурой молекул хорошо растворяются, так как молекулы растворителя
могут внедряться в промежутки между макромолекулами и ослаблять межмолекулярные силы. Полимеры с сетчатой структурой нерастворимы, они лишь набухают. При частом расположении связей
полимер становится практически нерастворимым и неплавким.
Полимеры в зависимости от расположения и взаимосвязи макромолекул могут находиться в аморфном (с неупорядоченным расположением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным расположением молекул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного состояния в кристаллическое
повышается их прочность и теплостойкость. Значительное влияние на полимеры оказывает воздействие на них теплоты. В зависимости от поведения при повышенных температурах полимеры подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).
Термопласты при нагреве размягчаются и расплавляются, затем вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного физического состояния в другое может осуществляться неоднократно без изменения химического состава. Термопласты имеют линейную или разветвленную
структуру молекул.
Реактопласты при нагреве превращаются в вязкотекучее состояние и в результате химической реакции переходят в твердое, необратимое состояние. Отвержденные реактопласты нельзя повторным
нагревом вновь перевести в вязкотекучее состояние. В процессе полимеризации под действием указанных факторов линейная структура полимера превращается в пространственную. Отдельные виды
термореактивных смол (эпоксидные, полиэфирные) при введении в них отвердителя отверждаются
при нормальной температуре.
Поведение термопластов и реактопластов под действием теплоты имеет решающее значение при
технологическом процессе переработки пластмасс.
В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяются на простые и композиционные.
Простые (полиэтилен, полистирол и т. д.) состоят из одного компонента – синтетической смолы;
композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль. В композиционных пластмассах смола является связующим для других составляющих. Свойства связующего во многом определяют физикомеханические и технологические свойства пластмассы. Содержание связующего в пластмассах достигает 30 – 70 %.
Помимо связующего в состав композиционных пластмасс входят следующие составляющие: 1)
наполнители различного происхождения для повышения механической прочности, теплостойкости,
уменьшения усадки и снижения стоимости композиции; органические наполнители — древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, древесный шпон и др.; неорганические – графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань и др.; 2) пластификаторы (дибутилфталат, кастровое масло и др.), увеличивающие эластичность, текучесть, гибкость и уменьшающие
хрупкость пластмасс; 3) смазочные вещества (стеарин, олеиновая кислота и др.), увеличивающие текучесть, уменьшающие трение между частицами композиций, устраняющие прилипание к формообразующим поверхностям пресс-форм, 4) катализаторы (известь, магнезия и др.), ускоряющие процесс отверждения материала; 5) красители (сурик, нигрозин и др.), придающие нужный цвет изготовляемым деталям.
При изготовлении газонаполненных пластмасс (поро - и пенопластов) в полимеры вводят газообразователи – вещества, которые различаются при нагреве с выделением газообразных продуктов.
Конструкционные пластмассы в зависимости от показателей механической прочности подразделяют
на три основные группы: низкой, средней и высокой прочности.
Основными технологическими свойствами пластмасс являются текучесть, усадка, скорость отверждения (реактопластов) и термостабильность (термопластов).
Текучесть – способность материалов заполнять форму при определенных температуре и давлении –
зависит от вида и содержания в материале смолы, наполнителя, пластификатора, смазочного материала, а также от конструктивных особенностей пресс-формы. Для ненаполненных термопластов за показатель текучести принимают «индекс расплава» – количество материала, выдавливаемого через
сопло диаметром 2,095 мм при определенных температуре и давлении в единицу времени.
Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьшение размеров детали по сравнению с
размером полости пресс-формы. В абсолютной величине усадки наибольшую долю составляет разность между температурными коэффициентами материала пресс-формы и материала детали. Величина усадки зависит от физико-химических свойств связующей смолы, количества и природы наполнителя, содержания в нем влаги и летучих веществ, температурного режима переработки и других факторов. Усадку необходимо учитывать при проектировании пресс-формы.
Продолжительность процесса перехода реактопластов из высокоэластичного или вязкотекучего состояния в состояние полной полимеризации определяет скорость отверждения. Скорость отверждения (полимеризации) зависит от свойств связующего (термореактивной смолы) и температуры переработки. Низкая скорость отверждения увеличивает время выдержки материала в пресс-форме под
давлением и снижает производительность процесса. Повышенная скорость отверждения может вызвать преждевременную полимеризацию материала в пресс-форме, в результате чего отдельные участки формующей полости не будут заполнены пресс-материалом.
Под термостабильностью понимают время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложения. Высокую термостабильность имеют полиэтилен, полипропилен,
полистирол и др. Переработка их в детали сравнительно проста. Для материалов с низкой термостабильностью (полиформальдегид, поливинилхлорид и др.) необходимо предусматривать меры, пре-
дотвращающие возможность разложения их в процессе переработки: например, увеличение сечения
литников, диаметра цилиндра и т. д.
зависимости от физического состояния, технологических свойств и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наиболее целесообразно разбить на следующие основные группы: переработка в вязкотекучем состоянии (прессованием, литьем под давлением, выдавливанием и др.);
переработка в высокоэластичном состоянии (пневмо - и вакуум-формовкой, штамповкой и др.); получение деталей из жидких пластмасс различными способами формообразования; переработка в
твердом состоянии разделительной штамповкой и обработкой резанием; получение неразъемных соединений сваркой, склеиванием и др.; различные способы переработки (спекание, напыление и др.).
Способы формообразования деталей в вязкотекучем состоянии
Большинство пластмасс перерабатывают в детали в вязко-текучем состоянии способами прессования, литья, выдавливания. Прямое (компрессионное) прессование — один из основных способов переработки реактопластов в детали, В полость матрицы пресс-формы 3 (рис. 102, а) загружают предварительно таблетизи-рованный или порошкообразный материал 2. При замыкании пресс-формы под
действием усилия пресса пуансон / создает давление на прессуемый материал (рис. 102, б). Под действием этого давления и теплоты от нагретой пресс-формы материал размягчается и заполняет формообразующую полость пресс-формы. После определенной выдержки, необходимой для отверждения материала, пресс-форма раскрывается и с помощью выталкивателя 5 из нее извлекается готовая
деталь 4 (рис. 102, б).
Рис. 102. Схема прямого прессования Рис. 103. Схема литьевого прессования
Процесс отверждения сопровождается выделением летучих составляющих композиционного материала и паров влаги. Для удаления газов в процессе прессования выполняют так называемую подпрессовку, заключающуюся в переключении гидропресса после определенной выдержки на обратный ход, в подъеме пуансона на 5 – 10 мм и выдержке его в таком положении в течение 2 – 3 с. После этого пресс-форма снова смыкается. При прессовании крупных толстостенных деталей из материалов с повышенной влажностью подпрессовку проводят дважды.
Температура и давление прессования зависят от вида перерабатываемого материала, формы и размеров изготовляемой детали. Время выдержки под прессом зависит от скорости отверждения и толщины прессуемой детали. Для большинства реактопластов время выдержки выбирают из расчета 0,5—2
мин на 1 мм толщины стенки. Технологическое время может быть сокращено вследствие предварительного подогрева материала в специальных шкафах. Давление зависит от текучести прессматериала, скорости отверждения, толщины прессуемых деталей и других факторов.
Нагрев пресс-формы осуществляют обычно электронагревателем. Рабочую температуру в процессе
прессования поддерживают постоянной с помощью автоматически действующих приборов. Для загрузки в полость пресс-формы определенного количества пресс-материала используют объемную
дозировку или дозировку по массе. Применяют также поштучную дозировку (загружают определен-
ное число таблеток). Прессуют на гидравлических прессах. При выпуске большого числа деталей используют прессы, работающие по автоматическому циклу.
Прямым прессованием получают детали средней сложности и небольших размеров из термореактивных композиционных материалов с порошкообразным и волокнистым наполнителями.
Литьевое прессование отличается от прямого тем, что прессуемый материал загружают не в полость
пресс-формы, а в специальную загрузочную камеру 2 (рис. 103). Под действием теплоты от прессформы прессуемый материал переходит в вязкотекучее состояние и под давлением со стороны пуансона / выжимается из загрузочной камеры 2 в полости матрицы пресс-формы через специальное отверстие в литниковой плите 3. После отверждения материала пресс-форму разъединяют и готовые
детали 4 извлекают из матрицы 5.
Литьевое прессование позволяет получать детали сложной формы, с глубокими отверстиями, в том
числе резьбовыми. Возможна установка сложной и тонкой арматуры. В процессе перетекания через
литниковое отверстие пресс-материал прогревается одинаково, что обеспечивает более равномерную
структуру прессуемой детали. При литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессовках,
так как образующиеся газы могут выходить в зазор между литниковой плитой и матрицей.
Недостатком литьевого прессования является повышенный расход пресс-материала, так как в загрузочной камере и литниковых каналах остается часть отвержденного и неиспользуемого в дальнейшем пресс-материала. Кроме того, пресс-формы для литьевого прессования сложнее по конструкции
и дороже пресс-форм для прямого прессования.
Для прессования деталей применяют одно- и многогнездные пресс-формы. Многогнездные прессформы используют для получения деталей простой формы и небольших размеров.
Форма и размеры прессуемых деталей зависят от формообразующих элементов пресс-формы, к которым предъявляют высокие требования по точности и качеству поверхности. Формообразующие
детали пресс-форм изготовляют из высоколегированных или инструментальных сталей с последующей закалкой до высокой твердости. Для повышения износостойкости и улучшения внешнего вида
прессуемых деталей формообразующие элементы пресс-форм полируют и хромируют.
Листы, и плиты из термореактивных композиционных материалов прессуют пакетами на прессах.
Заготовки материала (из хлопчатобумажной ткани, стеклоткани и т. д.) пропитывают смолой и укладывают между горячими плитами прессов. Число уложенных слоев ткани определяет толщину листов и плит. Размеры прессуемых деталей ограничиваются мощностью гидравлического пресса. Трубы, прутки круглого и фасонного сечения получают прессованием реактопластов через калиброванное отверстие пресс-формы. Процесс прессования характеризуется низкой производительностью и
сложностями технологического характера.
Литье под давлением — высокопроизводительный и эффективный способ массового производства
деталей из термопластов. Перерабатываемый материал из загрузочного бункера 8 (рис. 104) подается
дозатором 9 в рабочий цилиндр 6 с электронагревателем 4. При движении поршня 7 определенная
доза материала поступает в зону обогрева, а уже расплавленный материал через сопло 3 и литниковый канал — в полость пресс-формы /, в которой формируется изготовляемая деталь 2. В рабочем
(нагревательном) цилиндре на пути потока расплава установлен рассекатель 5, который заставляет
расплав протекать тонким слоем у стенок цилиндра. Это ускоряег прогрев и обеспечивает более равномерную температуру расплава. При движении поршня в исходное положение с помощью дозатора
9 очередная порция материала попадает в рабочий цилиндр. Для предотвращения перегрева выше
50—70 °С в процессе литья пресс-форма охлаждается проточной водой. После охлаждения материала пресс-форма размыкается, и готовая деталь с помощью выталкивателей извлекается из нее.
Рис. 104. Схема литья под давлением.
Литьем под давлением получают детали сложной конфигурации с различными толщинами стенок,
ребрами жесткости, с резьбами и т. д. Применяют литейные машины, позволяющие механизировать
и автоматизировать процесс получения деталей. Производительность процесса литья в 20 – 40 раз
выше производительности прессования, поэтому литье под давлением является одним из основных
способов переработки пластических масс в детали. Качество отливаемых деталей зависит от температур пресс-формы и расплава, давления прессования, продолжительности выдержки под давлением
и т. д.
Центробежное литье применяют для получения крупногабаритных и толстостенных деталей из термопластов (кольца, шкивы, зубчатые колеса и т. п.). Центробежные силы плотно прижимают залитый материал к внутренней поверхности формы. После охлаждения готовую деталь извлекают из
формы и заливают новую порцию расплавленного материала.
Выдавливание (или экструзия) отличается от других способов переработки термопластов непрерывностью, высокой производительностью процесса и возможностью получения на одном и том же оборудовании большого многообразия деталей. Выдавливание осуществляют на специальных червячных машинах, Перерабатываемый материал в виде порошка или гранул из бункера 1 (рис. 105, а) попадает в рабочий цилиндр 3, где захватывается вращающимся червяком 2, Червяк продвигает материал, перемешивает и уплотняет его. В результате передачи теплоты от нагревательного элемента 4 и
выделения теплоты при трении частиц материала друг о друга и о стенки цилиндра перерабатываемый материал переходит в зязкотекучее состояние и непрерывно выдавливается через калиброванное
отверстие головки 6. Расплавленный материал проходит через радиальные канавки оправки 5.
Оправку применяют для получения отверстия при выдавливании труб.
Рис. 105. Непрерывное выдавливание:
а – схема установки; б – профили получаемых деталей
Непрерывным выдавливанием можно получить детали различного профиля (рис. 105, б). При получении пленок из термопластов (полиэтилена, полипропилена и др.) используют метод раздува. Расплавленный материал продавливают через кольцевую щель насадной головки и получают заготовку
в виде труб, которую сжатым воздухом раздувают до требуемого диаметра. После охлаждения пленку подают на намоточное приспособление и сматывают в рулон. Способ раздува позволяет получить
пленку толщиной до 40 мкм. Для получения листового материала используют щелевые головки шириной до 1600 мм. Выходящее из щелевого отверстия полотно проходит через валки гладильного и
тянущего устройств. Здесь же происходит предварительное охлаждение листа, а на роликовых конвейерах — окончательное охлаждение. Готовую продукцию сматывают в рулоны или разрезают на
листы определенных размеров с помощью специальных ножниц.
Получение деталей из композиционных пластиков
С технологической точки зрения удобно использовать отдельные пластмассы, находящиеся в жидком состоянии при нормальной температуре. В первую очередь это относится к производству крупногабаритных деталей из композиционных пластиков. Пластики состоят из связующей смолы,
наполнителя и в некоторых случаях отвердителя и ускорителя отверждения. В качестве связующего
предпочтительнее использовать полиэфирные и эпоксидные смолы. Эти смолы характеризуются высокой адгезией к наполнителю и способностью отверждаться при нормальной температуре за счет
добавления к ним отвердителей и ускорителей отверждения (перекиси бензола, нафтената, кобальта,
полиэтиленполиамина и др.). Высокая прочность композиционных пластиков зависит от применяемых наполнителей (стеклоткани и стекловолокна, хлопчатобумажные ткани и волокна, металлическая сетка и проволока, углеродные и борные волокна и т. п.). Тип наполнителя зависит от требуемых свойств создаваемого материала. В отдельных случаях в состав пластиков вводят пластификаторы и красители.
К основным способам изготовления деталей из композиционных пластиков относятся контактная
формовка, автоклавная формовка, стирометод, вихревое напыление, центробежная формовка, намотка и др.
Контактной формовкой изготовляют крупногабаритные детали с наполнителями из стеклотканей,
стекломатов и т. д. Применяют формы из дерева, гипса и легких сплавов. Форма должна точно воспроизводить наружный или внутренний контур детали.
Перед формовкой на рабочие поверхности формы наносят разделительный слой (поливиниловый
спирт, нитролаки, целлофановую пленку и др.), предотвращающий прилипание связующего к поверхности формы. По разделительному слою наносят слой связующего, затем слой предварительно
раскроенной ткани, которую тщательно прикатывают резиновым роликом к поверхности формы.
Этим достигаются плотное прилегание ткани к поверхности формы, удаление пузырьков воздуха и
равномерное пропитывание ткани связующим. Затем снова наносят связующее, ткань и т. д. до получения заданной толщины. Отверждение происходит при нормальной температуре в течение 5–50 ч, в
зависимости от вида связующего. Время отверждения сокращают увеличением температуры до 60–
120 °С. После отверждения готовую деталь извлекают из формы и в случае необходимости подвергают дальнейшей обработке (обрезке кромок, окраске и т. д.).
Особенность контактной формовки – простота оснастки и возможность получения деталей любых
размеров и форм. Однако этот метод малопроизводителен, качество получаемых деталей не достаточно высокое из-за неравномерной укладки наполнителя и связующего. К нему предъявляют определенные требования по технике безопасности. Поэтому контактную формовку применяют в опытном и мелкосерийном производствах.
Автоклавную формовку применяют при выпуске деталей большими сериями. Форму с деталью
накрывают резиновым чехлом и помещают в герметический резервуар (автоклав). С помощью пара
или воды в автоклаве создают определенное давление.
Стирометодом изготовляют крупногабаритные детали из композиционных пластиков с замкнутым
полым профилем (полые рамы, диски, кронштейны и т. д.). На тонкостенный поливинилхлоридный
чехол, размеры которого соответствуют размерам изготовляемой детали, наматывают волокно. Заготовку укладывают в разогретую до температуры 100–120 °С пресс-форму. Под действием давления
воздуха, разогретого внутри шланга, заготовка растягивается до размеров полости пресс-формы. В
пространство между чехлом и пресс-формой за счет создания вакуума засасывается связующее.
Приведенные способы формовки используют в основном для изготовления деталей из пластиков с
длинноволокнистыми наполнителями. При применении измельченных наполнителей процесс изготовления деталей удается механизировать. Наполнитель и связующее подают под давлением сжатого
воздуха.
Вихревым напылением изготовляют крупногабаритные детали из стеклопластиков (кузова легковых
и грузовых автомобилей, корпуса лодок, емкости и др.). Стекловолокно и смолу с отвердителем и
ускорителем отверждения наносят на форму специальным пульверизатором. Смола смачивает стекловолокно в вихревом потоке, образованном сжатым воздухом. Стекловолокно со связующим, нанесенные на форму, вручную уплотняют роликом.
Высокой степенью механизации отличается напыление с помощью передвижной установки, в которой смонтированы режущее устройство для стекловолокна, вентилятор для подачи сжатого воздуха,
распылитель и емкости для связующего, отвердителя и ускорителя. Стекловолокно разрезают на отдельные куски длиной 10–90 мм. Распылитель имеет три сопла: центральное для подачи стекловолокна и два боковых (одно служит для подачи связующего и отвердителя, другое — связующего и
ускорителя отверждения). Смешение компонентов происходит на поверхности формы или перед нею
в потоке сжатого воздуха.
Центробежной формовкой получают детали больших габаритных размеров, имеющие форму тел
вращения, толщиной 2–15 мм, диаметром до 1 м и высотой до 3 м.
Стекловолокно и связующее равномерно подают во вращающуюся форму. После формовки в форму
помещают резиновый мешок, с помощью которого создается давление на заготовку. В таком состоянии происходит отверждение композиции при определенной температуре. Намоткой получают трубы и сложные по форме оболочки из композиционных пластиков. Основным элементом технологической оснастки является металлическая оправка, на которую перед намоткой укладывают пленку,
облегчающую снятие изделия. При намотке оправка совершает вращательное и возвратнопоступательное движение. Волокно или тканевую ленту смачивают связующим. Отформованную
заготовку покрывают защитной целлофановой пленкой и отправляют в камеру для отверждения.
Основной недостаток производства крупногабаритных деталей из пластиков — невысокая производительность труда, повышение которой возможно за счет механизации технологического процесса.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕЗИНОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
Состав, свойства и области применения резиновых деталей
В производстве резиновых технических деталей основным видом сырья являются натуральные и
синтетические каучуки. Натуральные каучуки не нашли широкого применения, так как сырьем для
их получения служит каучукосодержащий сок отдельных сортов растений. Сырьем для получения
синтетических каучуков является нефть, нефтепродукты, природный газ, древесина и т. д. Каучук в
натуральном виде в промышленности не применяют, его превращают в резину вулканизацией. В качестве вулканизирующего вещества обычно используют серу. Количество серы определяет эластичность резиновых деталей. Например, мягкие резины содержат 1 – 3 % серы, твердые (эбонит) –
до 30 % серы. Процесс вулканизации происходит под температурным воздействием (горячая вулканизация) или без температурного воздействия (холодная вулканизация). Для улучшения физико-
механических и эксплуатационных свойств резиновых технических деталей и снижения расхода каучука в состав резиновых смесей вводят различные компоненты.
Наполнители уменьшают расход каучука, улучшают эксплуатационные свойства деталей. Наполнители подразделяют на порошкообразные и тканевые. В качестве порошкообразных наполнителей
применяют сажу, тальк, мел и др. К тканевым наполнителям относят хлопчатобумажные, шелковые
и другие ткани. В некоторых случаях для повышения прочности деталей их армируют стальной проволокой или сеткой, стеклянной или капроновой тканью. Количество наполнителя зависит от вида
выпускаемых деталей.
Мягчители (парафин, стеариновая кислота, канифоль и др.) служат для облегчения процесса смешивания резиновой смеси и обеспечения мягкости и морозоустойчивости. Для замедления процесса
окисления в резиновые смеси добавляют противостарители (вазелин, ароматические амины и др.).
Процесс вулканизации ускоряют введением в смесь оксида цинка и др.
Красители (охра, пятисернистая сурьма, ультрамарин и др.) вводят в смесь в количестве до 10 %
массы каучука.
Высокая эластичность, способность к большим обратимым деформациям, стойкость к действию активных химических веществ, малая водо - и газопроницаемость, хорошие диэлектрические и другие
свойства резины обусловили ее применение во всех отраслях народного хозяйства. В машиностроении применяют разнообразные резиновые технические детали: ремни — для передачи вращательного движения с одного вала на другой; шланги и напорные рукава— для передачи жидкостей и газов под давлением; сальники манжеты, прокладочные кольца и уплотнители — для уплотнения подвижных и неподвижных соединений; муфты, амортизаторы — для гашения динамических нагрузок;
конвейерные ленты — для оснащения по-грузочно-разгрузочных устройств и т. д.
Способы формообразования резиновых деталей
Технологический процесс изготовления резиновых технических деталей состоит из отдельных последовательных операций' приготовления резиновой смеси, формования и вулканизации. Процесс
подготовки резиновой смеси заключается в смешении входящих в нее компонентов. Перед смешением каучук переводят в пластичное состояние многократным пропусканием его через специальные
вальцы, предварительно подогретые до температуры 40—50 °С. Находясь в пластичном состоянии,
каучук обладает способностью хорошо смешиваться с другими компонентами. Смешение проводят в
червячных или валковых смесителях. Необходимо иметь в виду, что первым из компонентов при
приготовлении смеси вводят проти-востаритель, последним — вулканизатор или ускоритель вулканизации.
Рис. 106. Схема получения прорезиненных тканей
Резиновые технические детали в зависимости от предъявляемых к ним требований формообразуют
каландрованием, непрерывным выдавливанием, прессованием, литьем под давлением, намоткой и т.
д. Многие технологические процессы переработки резиновых композиций в детали подобны тем, которые были рассмотрены при формообразовании деталей из пластмасс.
Каландрование применяют для получения, резиновых деталей в виде листов и прорезиненных лент, а
также для соединения листов резины и прорезиненных лент (дублирование). Операцию выполняют
на многовалковых машинах — каландрах. Валки каландров снабжают системой внутреннего обогрева или охлаждения, что позволяет регулировать температурный режим. Листы резины, полученные
прокаткой на каландрах, сматывают в рулоны и используют затем в качестве полуфабриката для
других процессов формообразования резиновых деталей. Во избежание слипания резины в рулонах
ее посыпают тальком или мелом при выходе из каландра.
В процессе получения прорезиненной ткани в зазор между валками каландров 3 (рис. 106) одновременно пропускают пластифицированную сырую резиновую смесь 4 и ткань 2. Резиновая смесь поступает в зазор между верхним и средним валками, обволакивает средний валок и поступает в зазор
между средним и нижним валками, через который проходит ткань. Средний валок вращается с
большей скоростью, чем нижний. Разность скоростей обеспечивает втирание резиновой смеси в
ткань. Толщину резиновой пленки на ткани регулируют, изменяя зазор между валками каландра.
Многослойную прорезиненную ткань получают при пропускании определенного числа листов однослойной прорезиненной ткани через валки каландра. Полученную ткань наматывают на барабан 1 и
затем вулканизируют.
Непрерывное выдавливание используют для получения профилированных, резиновых деталей (труб,
прутков, профилей для остекления и т, д.). Детали непрерывным выдавливанием изготовляют на машинах червячного типа. Таким способом покрывают резиной металлическую проволоку.
Прессование — один из основных способов получения фасонных деталей (манжет, уплотнительных
колец, клиновых ремней и т. д.). Прессуют их в металлических формах. Применяют горячее и холодное прессование. При горячем прессовании резиновую смесь
закладывают в горячую прессформу и прессуют на гидравлических прессах с обогреваемыми плитами. Температура прессования
140 – 155 °С. При прессовании одновременно происходят формообразование и вулканизация деталей. Высокопрочные детали (например, клиновые ремни) после формования подвергают дополнительной вулканизации в специальных приспособлениях – пакетах. Xолодным прессованием получают детали из эбонитовых смесей (корпуса аккумуляторных батарей, детали для химической промышленности и т. д.). После прессования заготовки отправляют на вулканизацию. В состав эбонитовой смеси входят каучук и значительное количество серы (до 30 % массы каучука). В качестве
наполнителей применяют размельченные отходы эбонитового производства.
Литьем под давлением получают детали сложной формы. Резиновая смесь поступает под давлением
при температуре 80—120 °С через литниковое отверстие в литейную форму, что значительно сокращает цикл вулканизации.
Вулканизация – завершающая операция при изготовлении резиновых деталей – проводят в специальных камерах (вулканизаторах) при температуре 120—150 °С в атмосфере насыщенного водяного
пара при небольшом давлении. В процессе вулканизации происходит химическая реакция серы и каучука, в результате которой линейная структура молекул каучука превращается в сетчатую, что
уменьшает пластичность, повышает стойкость к действию органических растворителей, увеличивает
механическую прочность.
При массовом производстве резиновых технических деталей рее технологические операции выполняют с помощью высокопроизводительного и автоматизированного оборудования.
Лекция 34. Электрофизические и электрохимические методы обработки. Электроэрозионные
способы обработки.
Характеристика электрофизических и электрохимических методов обработки
Эти методы предназначены в основном для обработки заготовок из очень прочных, весьма вязких,
хрупких и неметаллических материалов.
Эти методы имеют следующие преимущества:
– отсутствует силовое воздействие инструмента на заготовку (или очень мало и не влияет на суммарную погрешность обработки);
– позволяют менять форму поверхности заготовки и влияют на состояние поверхностного слоя:
наклеп обработанной поверхности не образуется, дефектный слой незначителен; повышаются коррозионные, прочностные и другие эксплуатационные характеристики поверхности;
– можно обрабатывать очень сложные наружные и внутренние поверхности заготовок.
ЭФЭХ методы обработки являются универсальными и обеспечивают непрерывность процессов при
одновременном формообразовании всей обрабатываемой поверхности. Эти методы внедряются в
различных отраслях промышленности.
Электроэрозионные методы обработки
Эти методы основаны на явлении эрозии электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока.
Разряд между электродами происходит в газовой среде или при заполнении межэлектродного пространства диэлектрической жидкостью – керосин, минеральное масло.
При наличии разности потенциалов на электродах происходит ионизация межэлектродного пространства. При определенном значении разности потенциалов – образуется канал проводимости, по
которому устремляется электроэнергия в виде импульсного искрового или дугового разряда.
На поверхности заготовки температура возрастает до 10000…12000 0C. Происходит мгновенное
оплавление и испарение элементарного объема металла и на обрабатываемой поверхности образуется лунка.
Удаленный металл застывает в диэлектрической жидкости в виде гранул диаметром 0,01…0,005 мм.
При непрерывном подведении к электродам импульсного тока процесс эрозии продолжается до тех
пор, пока не будет удален весь металл, находящийся между электродами на расстоянии, при котором
возможен электрический пробой (0,01…0,05 мм) при заданном напряжении.
Для продолжения процесса необходимо сблизить электроды до указанного расстояния. Электроды
сближаются автоматически с помощью следящих систем.
Электроискровая обработка
Схема электроискровой обработки представлена на рис. 107.
Рис.107. Схема электроискрового станка:
1 – электрод-инструмент; 2 – ванна; 3 – заготовка-электрод; 4 – диэлектрическая жидкость; 5 – изолятор
При электроискровой обработке – используют импульсные искровые разряды между электродами (
обрабатываемая заготовка (анод) – инструмент (катод)).
Конденсатор заряжается через резистор
от источника постоянного тока напряжением 100…200
В. Когда напряжение на электродах 1 и 3 достигает пробойного образуется канал, через который
осуществляется искровой разряд энергии, накопленной конденсатором.
Продолжительность импульса 20…200 мкс.
Точность обработки до 0,002 мм,
0,63…0,16 мкм.
Для обеспечения непрерывности процесса ( зазор =const) станки снабжаются следящей системой и
системой автоматической подачи инструмента.
Получают сквозные отверстия любой формы поперечного сечения, глухие отверстия и полости, отверстия с криволинейными осями, вырезают заготовки из листа, выполняют плоское, круглое и
внутреннее шлифование.
Изготовляют штампы и пресс-формы, фильеры, режущий инструмент.
Схемы электроискровой обработки представлены на рис. 108.
Рис. 108. Схемы электроискровой обработки:
а – прошивание отверстия с криволинейной осью; б – шлифование внутренней поверхности фильеры
Электроискровую обработку применяют для упрочнения поверхностного слоя металла. На поверхность изделия наносят тонкий слой металла или композиционного материала. Подобные покрытия
повышают твердость, износостойкость, жаростойкость, эрозионную стойкость и так далее.
Электроимпульсная обработка
При электроимпульсной обработке используют электрические импульсы большой длительности
(5…10 мс), в результате чего происходит дуговой разряд.
Большие мощности импульсов от электронных генераторов обеспечивают высокую производительность обработки.
Электроимпульсную обработку целесообразно применять при предварительной обработке штампов,
турбинных лопаток, фасонных отверстий в детали из коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов.
Схема обработки показана на рис.109.
Рис. 109. Схема электроимпульсной обработки:
1 – электродвигатель; 2 – импульсный генератор постоянного тока; 3 – инструмент-электрод; 4 – заготовка-электрод; 5 – ванна.
Электроконтактная обработка.
Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом-инструментом и удалении размягченного или расплавленного металла из зоны обработки механическим способом: относительным движением заготовки или инструмента.
Источником теплоты служат импульсные дуговые разряды.
Этот вид обработки рекомендуется для крупных деталей из углеродистых и легированных сталей,
чугуна, цветных сплавов, тугоплавких и специальных сплавов (рис.110).
Рис. 110. Схема электроконтактной обработки плоской поверхности:
1 – обрабатываемая заготовка; 2 – инструмент-электрод; 3 – трансформатор
Этот метод применяют для зачистки отливок от заливов, отрезки литниковых систем, зачистки проката, шлифования коррозионных деталей из труднообрабатываемых сплавов.
Анодно-механическая обработка
Анодно-механическая обработка основана на сочетании электротермических и электромеханических
процессов и занимает промежуточное место между электроэрозионным и электрохимическим методами.
Заготовку подключают к аноду, а инструмент – к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку.
Обработку ведут в среде электролита (водный раствор жидкого натриевого стекла).
Рабочие движения, как при механической обработке резанием.
Электролит в зону обработки подают через сопло ( рис. 111).
Рис. 111. Схема анодно-механической обработки плоской поверхности.
При пропускании через раствор электролита постоянного электрического тока происходит процесс
анодного растворения, как при электрохимической обработке.
При соприкосновении инструмента с микронеровностями заготовки происходит электроэрозия, присущая электроискровой обработке. Металл заготовки в месте контакта с инструментом разогревается
и разжижается. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются при относительных
движениях инструмента и заготовки.
Этим способом обрабатывают заготовки из высокопрочных и труднообрабатываемых сплавов, вязких материалов.
Этим способом разрезают заготовки на части, прорезают пазы и щели, обрабатывают поверхности
тел вращения, шлифуют плоские поверхности и поверхности, имеющие форму тел вращения, полируют поверхности, затачивают режущий инструмент.
Лекция 26. Электрохимическая, ультразвуковая и лучевая обработка материалов
Электрохимическая обработка
Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металлов при электролизе.
При прохождении электрического тока через электролит на поверхности заготовки происходят химические реакции, и поверхностный слой металла превращается в химическое соединение.
Продукты электролиза переходят в раствор или удаляются механическим способом.
Производительность этого способа зависит от электрохимических свойств электролита, обрабатываемого материала и плотности тока.
Электрохимическое полирование.
Электрохимическое полирование осуществляется в ванне, заполненной электролитом (растворы кислот и щелочей).
Обрабатываемую заготовку подключают к катоду (рис. 112). Катодом служит металлическая пластинка из свинца, меди, стали (иногда электролит подогревают).
Рис. 112. Схема электрохимического полирования:
1 – ванна; 2 – обрабатываемая заготовка; 3 – пластина-электрод; 4 – электролит;
5 – микровыступ; 6 – продукты анодного растворения
При подаче напряжения начинается процесс растворения металла заготовки (в основном на выступах
микронеровностей). В результате избирательного растворения, микронеровности сглаживаются, и
обрабатываемая поверхность приобретает металлический блеск.
Улучшаются электрофизические характеристики деталей: уменьшается глубина микротрещин, поверхностный слой не деформируется, исключаются упрочнения и термические изменения структуры,
повышается коррозионная стойкость.
Этим методом получают поверхности под гальванические покрытия, доводят рабочие поверхности
режущего инструмента, изготовляют тонкие ленты и фольгу, очищают и декоративно отделывают
детали.
Электрохимическая размерная обработка
Электрохимическая размерная обработка выполняется в струе электролита, прокачиваемого под давлением через межэлектродный промежуток.
Электролит растворяет образующиеся на поверхности заготовки – анода соли и удаляет их из зоны
обработки. Высокая производительность процесса заключается в том, что одновременно обрабатывается вся поверхность заготовки.
Участки, не требующие обработки, изолируют. Инструменту придают форму, обратную форме обрабатываемой поверхности. Формообразование происходит по методу копирования ( рис. 113).
Рис. 113. Схема электрохимической размерной обработки:
1 – инструмент – катод; 2 – заготовка – анод
Точность обработки повышается при уменьшении рабочего зазора. Для его контроля используют высокочувствительные элементы, которые встраивают в следящую систему.
Этот способ рекомендуют для обработки заготовок из высокопрочных сталей, карбидных и труднообрабатываемых материалов. Также можно обрабатывать тонкостенные детали с высокой точностью
и качеством обработанной поверхности (отсутствует давление инструмента на заготовку).
Комбинированные методы обработки
Электроабразивная и электроалмазная обработка.
При таких видах обработки инструментом служит шлифовальный круг из абразивного материала на
электропроводящей связке (бакелитовая связка с графитовым наполнителем).
Между анодом – заготовкой и катодом – шлифовальным кругом имеется зазор, куда подается электролит. Продукты анодного растворения удаляются абразивными зернами; шлифовальный круг имеет вращательное движение, а заготовка – движение подачи, которые соответствуют процессу механического шлифования (рис. 114).
Рис. 114. схема электроабразивного шлифования:
1 – заготовка; 2 – абразивные зерна; 3 – связка шлифовального круга.
Введение в зону резания ультразвуковых колебаний повышает производительность в 2…2,5 раза при
улучшении качества поверхности. Эти методы применяются для отделочной обработки заготовок из
труднообрабатываемых материалов, а также нежестких заготовок, так как силы резания незначительны.
Лучевые методы обработки
Электроннолучевая обработка – основана на превращении кинетической энергии направленного
пучка электронов в тепловую энергию. Высокая плотность энергии сфокусированного электронного
луча позволяет обрабатывать заготовку за счет нагрева, расплавления и испарения материала с локального участка.
Схема электроннолучевой обработки представлена на рис. 115.
Электронный луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме катода. Он с помощью электростатических и электромагнитных линз фокусируется на заготовке.
При размерной обработке установка работает в импульсном режиме, что обеспечивает локальный
нагрев заготовки.
Электроннолучевой метод эффективен при обработке отверстий диаметром 1…0,010 мм, при прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги, изготовлении заготовок
из труднообрабатываемых металлов и сплавов, керамики, кварца, полупроводникового материала.
Рис. 115. Схема установки для электроннолучевой сварки: 1 – катод электронной пушки; 2 – электрод; 3 – анод; 4 и 5 – отклоняющая магнитная система; 6 – заготовка
Лазерная обработка – основана на тепловом воздействии светового луча высокой энергии на поверхность заготовки. Источником светового излучения служит лазер – оптический квантовый генератор.
Энергия светового луча не велика 20…100 Дж, но она выделяется в миллионные доли секунды и сосредотачивается в луче диаметром 0,01 мм. Поэтому температура в зоне контакта 6000…8000 0С.
Слой металла мгновенно расплавляется и испаряется. С помощью этого метода осуществляется прошивание отверстий, разрезание заготовки, прорезание пазов в заготовках из любых материалов
(фольга из тантала, вольфрама, молибдена). Также с помощью этого метода можно осуществить контурную обработку по сложному периметру.
Скачать