Программа дополнительного профессионального образования «Резчик металла на ножницах и прессах» Содержание Модуль 1 Тема 1. Чтение чертежей и схем…………………………………………………3 1 Тема 2. Основы материаловедения……………………………………………..20 Тема 3. Охрана труда и техника безопасности………………………………...49 Модуль ............................................................................................................................ 1 Тема 1. Общие сведения о процессе резания металлов и металлорежущих станках .......................................................................................................................... 58 Тема 2. Металлорежущие станки ............................................................................... 68 Тема 3. Технология резки металлов на ножницах и прессах ................................ 102 Тема 4. Контроль качества резки ............................................................................. 117 Модуль 1 Тема 1. Чтение чертежей и схем. Развитие современного машиностроения невозможно без чертежей. Чертеж служит средством передачи большого количества информации, описывающей конструкции различных машин. Чертеж поясняет устройство и работу машин, взаимосвязь составляющих их деталей и механизмов. Чертеж передает форму каждой детали и характеристику этой формы, т. е. шероховатость, предельные отклонения размеров, формы и расположение поверхностей. На чертеже указывается материал детали и состояние этого материала, т. е. твердость, термообработка, покрытие и т.д. По чертежам производится изготовление деталей, а затем и сборка из них различных устройств механизмов и машин, а также целых сооружений. Поэтому выполнение чертежа должно обеспечить полноту соответствующей информации по каждой детали, каждой сборочной единице и всей машине. Чтение чертежей должно давать в простом и доступном виде понятие о формах деталей, их взаимодействии в машине и назначении самой машины. Выполнение и чтение чертежей должно происходить в соответствии с правилами Единой системы конструкторской документации.Единая система конструкторской документации (ЕСКД) - комплекс стандартов, устанавливающих взаимосвязанные нормы и правила по разработке, оформлению и обращению конструкторской документации, разрабатываемой и применяемой на всех стадиях жизненного цикла изделия (при проектировании, изготовлении, эксплуатации, ремонте и др.). 2 Конструкторская документация является товаром и на нее распространяются все нормативно-технические акты, как на товарную продукцию. Основное назначение стандартов ЕСКД состоит в установлении единых оптимальных правил выполнения, оформления и обращения конструкторской документации, которые обеспечивают: 1) применение современных методов и средств при проектировании изделий; 2) возможность взаимообмена конструкторской документацией без ее переоформления; 3) оптимальную комплектность конструкторской документации; 4) механизацию и автоматизацию обработки конструкторских документов и содержащейся в них информации; 5) высокое качество изделий; 6) наличие в конструкторской документации требований, обеспечивающих безопасность использования изделий для жизни и здоровья потребителей, окружающей среды, а также предотвращение причинения вреда имуществу; 7) возможность расширения унификации и стандартизации при проектировании изделий; 8) упрощение форм конструкторских документов и графических изображений; 9) возможность создания единой информационной базы автоматизированных систем (САПР, АСУП и др.). Технологическая карта - технологическая документация в виде карты, листка, содержащего описание процесса изготовления, обработки, производства определенного вида продукции, производственных операций, применяемого оборудования, временного режима осуществления операций. КМ (КМД) - конструкции металлические (конструкции металлические деталировочные). Этот вид документации позволяет размещать на одном чертеже также таблицы сварных швов, спецификацию и таблицы отправочных марок (комплекс деталей объединенных в одну конструкцию/устройство). На чертежах КМ должна быть представлена вся информация необходимая для изготовления и монтажа конструкции. Вся документация КМ (КМД) разрабатывается в соответствии с требованиями ОСТ 95.512-77. 3 КТД – конструкции трубные деталировочные. Разрабатывается с целью оптимизации процесса монтажа трубопроводов. Так изначально по аксонометрическим схемам, строительным чертежам и ряду другой документации разрабатывается трассировка трубопроводов, после чего трубопровод разделяют на сегменты часто имеющие сложную форму, которые изготавливаются и контролируются на заводе. Такая организация работ позволяет существенно снизить затраты на монтаж трубопроводов и повысить надежность трубопроводов. СПДС – система проектной документации для строительства. Обеспечивает максимально необходимый объем документации для производства строительно-монтажных работ. К особенностям системы относят: применение строительных осей для упрощения чтения и разработки чертежей; указание размеров без отклонений, кроме особых случаев с требованиями высокой точности; размещение спецификаций и изображения на одном чертеже; предпочтение вертикальным размерам высотных отметок и ряд других. Формат чертежа, масштаб, линии, виды, разрезы, сечения Форматы Форматом чертежного листа называется размер листа, на котором выполняется данный чертеж или другие конструкторские документы. ГОСТ 2.301 - 68 устанавливает пять основных и ряд дополнительных форматов. Размеры и обозначения основных форматов приведены в таблице 2. Таблица 2 - Размеры и обозначения основных форматов чертежного листа Обозначение форматов А0 А1 А2 А3 А4 Размеры форматов в мм 841Х1189 594X841 420X594 297X420 210X297 Исходным для обозначения форматов служит формат А4 (297 X 210). В обозначение формата входят два числа, первое из которых указывает кратность одной стороны формата размеру 297 мм (точнее 297,25 мм), а второе - кратность другой стороны формата размеру 210 мм (точнее 210,25 мм). Стороны формата, например А1, равны 2 х 297 = 594 мм и 4 х 210,25 - 841 мм. Произведение же чисел, составляющих обозначение формата, равно количеству форматов А4, содержащихся в данном формате. 4 В машиностроении проекции предмета получают только с помощью прямоугольного проецирования на две, три и большее число плоскостей проекций. При этом плоскости располагают перпендикулярно друг к другу, а предмет помещают так, чтобы его основные измерения (длина, ширина, высота) или плоскости симметрии формы были бы параллельны плоскостям проекций. Переход к плоскому изображению осуществляется путем совмещения плоскостей проекций Н, V и W в одну плоскость. Условные границы плоскостей и воображаемые линии связи проекций предмета обычно на проекциях не показывают. Оси проекций также не наносят, так как при параллельном проецировании расстояние от плоскости проекции до изображаемого предмета не влияет на очертание его проекций. Следовательно, проекции можно располагать на произвольном расстоянии, сохраняя между ними проекционную связь. При необходимости каких-либо дополнительных построений линии связи восстанавливают, а для перехода от горизонтальной проекции к профильной и обратно проводят так называемую постоянную, прямую чертежа. В машиностроении проекции предмета получают только с помощью прямоугольного проецирования на две, три и большее число плоскостей проекций. При этом плоскости располагают перпендикулярно друг к другу, а предмет помещают так, чтобы его основные измерения (длина, ширина, высота) или плоскости симметрии формы были бы параллельны плоскостям проекций. Переход к плоскому изображению осуществляется путем совмещения плоскостей проекций Н, V и W в одну плоскость. Условные границы плоскостей и воображаемые линии связи проекций предмета обычно на проекциях не показывают. Оси проекций также не наносят, так как при параллельном проецировании расстояние от плоскости проекции до изображаемого предмета не влияет на очертание его проекций. Следовательно, проекции можно располагать на произвольном расстоянии, сохраняя между ними проекционную связь. При необходимости каких-либо дополнительных построений линии связи восстанавливают, а для перехода от горизонтальной проекции к профильной и обратно проводят так называемую постоянную, прямую чертежа. Масштабы В практике приходится выполнять изображения очень крупных деталей, например деталей самолета, корабля, автомашины, и очень мелких деталей часового механизма, некоторых приборов и др. Изображения крупных деталей могут не поместиться на листах стандартного формата. Мелкие детали, которые еле заметны невооруженным глазом, 5 невозможно вычертить в натуральную величину имеющимися чертежными инструментами. Поэтому при вычерчивании больших деталей их изображение уменьшают, а малых увеличивают по сравнению с действительными размерами. Масштаб - это отношение линейных размеров изображения предмета к действительным. Масштабы изображений и их обозначение на чертежах устанавливает стандарт. Масштаб уменьшения - 1:2; 1:2,5; 1:4; 1:5; 1:10 и др. Натуральная величина - 1:1. Масштаб увеличения - 2:1; 2,5:1; 4:1; 5:1; 10:1 и др. Наиболее желателен масштаб 1:1. В этом случае при выполнении изображения не нужно пересчитывать размеры. Масштабы записывают так: 1:1; 1:2; 5:1 и т. д. Следует помнить, что в каком бы масштабе ни выполнялось изображение, размеры на чертеже наносят действительные, т. е. те, которые должна иметь деталь в натуре. Угловые размеры при уменьшении или увеличении изображения не изменяются. Линии Изображения выполняют в виде сочетания линии, различных по начертанию, размерам, наименованию и назначению. За исходную принята сплошная основная линия толщиной от 0,6 до 1,5 мм. Толщину остальных линий устанавливают по толщине основной линии. Толщина каждого типа линий должна быть одинакова для всех изображений одного масштаба на данной. Сплошная основная линия применяется для изображения видимого контура предмета. Толщину ее (s) берут в пределах от 0,6 до 1,5 мм в зависимости от размеров чертежа и его сложности. 6 Сплошная тонкая линия применяется при вычерчивании контура наложенного сечения, размерных и выносных линий, линий штриховки, линий-выносок и линий построения характерных точек, подчеркивания надписей, линий сгиба на развертках. Толщина ее равна от s/2 до s/З. Сплошная волнистая линия применяется при вычерчивании линии обрыва длинной детали, линии разграничения вида и разреза. Проводят ее от руки, слегка волнистой. Толщину линии принимают от s/2 до s/З. Штриховая линия применяется при вычерчивании линий невидимого контура. Толщина линии s/2 до 5/3. Длина каждого штриха должна быть 2 - 8 мм, расстояние между штрихами I - 2 мм. Штриховые линии должны пересекаться и заканчиваться штрихами. Штрихпунктирная тонкая применяется при вычерчивании осевых и центровых линий, линий сечений, являющихся осями симметрии для наложенных и вынесенных сечений, линий для изображения частей изделий в крайних и промежуточных положениях. Ее толщина от s/2 до s/3. Длина штрихов может быть от 5 до 30 мм, но, как правило, берут 15 - 20 мм. Расстояние между штрихами от 3 до 5 мм, Штрихпунктирные линии должны пересекаться и заканчиваться штрихами. Штрихпунктирная утолщенная линия применяется для обозначения поверхности, подлежащей термообработке или покрытию, для изображения элементов, расположенных перед секущей плоскостью (наложенные проекции). Практически ее толщина равна от s/2 до 2/3 s, длина штрихов равна 3 - 8 мм, а расстояние между штрихами 3 - 4 мм. Разомкнутая линия применяется при вычерчивании положения и направления линий сечения. В сложных сечениях и разрезах допустимо концы разомкнутой линии соединять штрихпунктирной линией толщиной от s/2 до s/3, Сплошная тонкая линия с изломами применяется при вычерчивании длинного края оборванного изображения детали. Правила изображения изделий рисунок 11 сооружений и их элементов устанавливает ГОСТ 2.305-68. Изображения выполняются по методу прямоугольного проецирования (в аксонометрии допускается 7 косоугольное проецирование). При этом предмет располагают между наблюдателем и соответствующей плоскостью проекций. За основные плоскости проекций принимают шесть граней куба. Изображение на фронтальной плоскости (вид спереди) является главным. Изображения разделяются на виды, разрезы, сечения. Вид – изображение обращенной к наблюдателю видимой части поверхности предмета, который располагают так, чтобы изображение давало наиболее полное представление о форме и размерах предмета. Основные виды: вид спереди (главный вид); вид сверху; вид слева; вид справа; вид снизу; вид сзади. Если часть предмет невозможно показать на основных видах без искажения формы и размеров, то используют дополнительный вид. Правила изображения видов: если главные виды изображены на своих местах рисунок 11, то они не подписываются; в противном случае имеется надпись по типу "Вид А". Направление взгляда указано стрелкой, обозначенной прописной буквой. Дополнительный вид и местный вид оформлены аналогично. По изображениям предмета на чертеже судят о его величине и величине его отдельных частей. Основанием для этого служат размерные числа, независимо от того, в каком масштабе и с какой точностью выполнены изображения. Размеры на чертеже указывают размерными числами, размерными и выносными линиями. Размерные числа на чертежах, как правило, указывают в миллиметрах без указания единиц измерения. В тех случаях, когда необходимо применять другие единицы измерения длины, их показывают после размерного числа. Размерные числа наносят над размерной линией, возможно ближе к ее середине. Зазор между размерным числом и размерной линией должен быть около 1,0 мм. Высоту цифр размерных чисел принимают не менее 3,5 мм . С целью упрощения ряда изображений, создания удобств для чтения чертежа стандарт предусматривает применение условных обозначений и графических знаков, которые ставятся перед размерными числами. Так, перед размерным числом диаметра наносится знак Ø. Причем между знаком и числом никаких пропусков не предусмотрено. Разрезы 8 Значительное количество штриховых линий, применяемых для изображения контуров невидимых поверхностей, может затруднить чтение чертежа. В этих случаях для лучшего чтения чертежа можно применять разрезы. Разрезом называют изображение предмета, мысленно рассеченного одной или несколькими плоскостями, причем часть предмета, находящуюся между наблюдателем и секущей плоскостью, мысленно удаляют, в результате чего закрывавшиеся этой частью поверхности становятся видимыми. Разрез представляет собой совмещение сечения предмета (секущей плоскостью) с изображением частей предмета, расположенных за секущей плоскостью. Мысленное рассечение предмета относится только к конкретному разрезу и не влечет за собой изменения других изображений того же предмета. В зависимости от числа секущих плоскостей разрезы делят на простые (одна секущая плоскость) и сложные (несколько секущих плоскостей). Применяют также местные разрезы. Разрезы называют продольными, если секущие плоскости направлены вдоль длины или высоты предмета, и поперечными, если секущие плоскости направлены перпендикулярно длине или высоте предмета. Простые разрезы Разрезы, полученные в результате применения одной секущей плоскости, называют простыми. В зависимости от положения секущей плоскости относительно горизонтальной плоскости проекций разрезы делят на горизонтальные (секущая плоскость параллельна горизонтальной плоскооти проекций), вертикальные (секущая плоскость перпендикулярна горизонтальной плоскости проекций) и наклонные (секущая плоскость составляет с горизонтальной плоскостью проекций угол, отличный от прямого угла). Вертикальный разрез называется фронтальным, если секущая плоскость параллельна фронтальной плоскости проекции, и профильным, если секущая плоскость параллельна профильной плоскости проекций. В общем случае положение секущей плоскости указывают на чертеже линией сечения, для которой применяют разомкнутую линию. Штрихи линии сечения выполняют длиной 8-20 мм. Перпендикулярно этим штрихам наносят стрелки, указывающие направление взгляда. Стрелки наносят на расстоянии 2-3 мм от внешнего конца штриха линии сечения. 9 Около стрелок с внешней стороны концов штрихов линии сечения наносят прописную букву русского алфавита. Размер шрифта букв должен быть в 2 раза больше размера цифр размерных чисел (на этом чертеже). Независимо от положения штрихов линии сечения буквы всегда наносят так, как будто они расположены на горизонтальной строке. Разрез сопровождают надписью, которая состоит из соответствующих букв, обозначающих положение секущей плоскости и написанных через тире (например: А - А, Б - Б, В - В и т. д.). Надпись помещают над разрезом и подчеркивают тонкой линией. Рисунок 11 - Виды объектов на чертеже Горизонтальный разрез позволяет уточнить внутренние контуры детали и форму проема в днище детали. Профильный разрез поясняет форму проема в правой стенке детали. Если секущая плоскость совпадает с плоскостью симметрии предмета в целом, а соответствующие изображения расположены в непосредственной проекционной связи и не разделены какими-либо изображениями, то для горизонтальных, фронтальных и профильных разрезов положение секущей плоскости не отмечают, а сам разрез надписью не сопровождают. Часть вида и часть соответствующего разреза допускается совмещать на одном изображении, разделяя их сплошной волнистой линией. На соединяемых частях вида и разреза обычно не проводят штриховые линии, соответствующие невидимым контурам. Если соединяемые части вида и разреза представляют собой симметричные фигуры, то их отделяют друг от друга тонкой штрихпунктирной линией, являющейся 10 осью симметрии соединяемых изображений. Часть изображения, представляющую собой разрез, обычно располагают правее или ниже оси симметрии, разделяющей соединяемые изображения. Если с осью симметрии изображения совпадает какая-либо линия, например, проекция ребра, то вид от разреза отделяют сплошной волнистой линией, проводимой левее или правее оси симметрии. Местные разрезы - разрезы, предназначенные для выявления конструктивных особенностей предмета в отдельном, ограниченном месте, называют местными. Местный разрез выделяют на виде сплошной волнистой тонкой линией, которая не должна совпадать с какими-либо другими линиями изображения. Если местный разрез выполняют на части предмета, представляющей собой тело вращения, то такой разрез можно отделить от вида штрихпунктирной линией, являющейся изображением оси этой части предмета. Наклонные разрезы. В ряде случаев особенности конструкции той или иной детали могут быть выявлены применением наклонного разреза. Наклонный разрез осуществляется секущей плоскостью, наклоненной к горизонтальной плоскости проекции под углом, отличным от 90Q. Наклонный разрез допускается располагать в любом месте чертежа. Сложные разрезы. Сложные разрезы получают в результате применения нескольких секущих плоскостей. Сложные разрезы применяют в тех случаях, когда простые разрезы не позволяют достаточно просто пояснить форму предмета и его элементов. Ступенчатые разрезы. Сложный разрез называется ступенчатым, если образующие его секущие плоскости параллельны между собой. На начальном и конечном штрихах ставят стрелки, указывающие направление взгляда. Места перехода от одной секущей плоскости к другой помечают перегибами линии сечения. Перегибы линии сечения выполняют линиями той же толщины, что и штрихи линии сечения. У начального и конечного штрихов линии сечения наносят прописную букву (как и при простых разрезах). Над полученным разрезом выполняют надпись, указывающую при помощи каких секущих плоскостей получен этот разрез. 11 При выполнении ступенчатого разреза все параллельные секущие плоскости мысленно совмещают в одну, поэтому на разрезе перегибы линии сечения не отражаются (т. е. сложный разрез оформляется как простой). В зависимости от положения секущих плоскостей относительно горизонтальной плоскости проекций ступенчатые разрезы могут быть горизонтальными, вертикальными (в том числе фронтальными и профильными) и наклонными. Ломаные разрезы образуют пересекающиеся секущие плоскости. При построении ломаных разрезов обычно одну из секущих плоскостей располагают параллельно какой-либо из основных плоскостей проекций, а вторую секущую плоскость поворачивают до совмещения с первой. Когда совмещенные плоскости будут параллельны плоскости проекций, то ломаный разрез допускается помещать на месте соответствующего вида. Вместе с секущей плоскостью поворачивают расположенное в ней сечение. Части предмета, расположенные за секущей плоскостью, изображают на разрезе так, как они проецируются на соответствующую плоскость, до совмещения с которой производится поворот секущей плоскости. Сечения Сечением называется изображение фигуры, получающееся при мысленном рассечении предмета одной или несколькими плоскостями. На сечении показывают только то, что расположено непосредственно в секущей плоскости. По форме сечения делят на симметричные и несимметричные. По характеру выполнения на чертеже сечения делят на наложенные, и вынесенные. Предпочтение следует отдавать вынесенным сечениям. Вынесенные сечения допускается располагать в разрыве между частями одного и того же вида. Контур вынесенного сечения изображают сплошными основными линиями, а контур наложенного сечения - сплошными тонкими линиями, причем контур изображения в месте расположения наложенного сечения не прерывают. В общем случае положение секущей плоскости указывают на чертеже линией сечения, на которой наносят стрелки, указывающие направление взгляда и обозначенные одинаковыми прописными буквами 12 русского алфавита, при этом над сечением выполняют надпись, состоящую из тех же букв. Для несимметричных сечений наложенных, или расположенных в разрыве проводят линию сечения со стрелками, но буквами ее не обозначают. Ось симметрии вынесенного или наложенного симметричного сечения указывают штрихпунктирной тонкой линией. Наложенные симметричные сечения оформляют без нанесения линии сечения. Симметричное вынесенное сечение, расположенное в разрыве, также оформляют без нанесения линии сечения. Линию сечения не проводят и в том случае, если вынесенное симметричное сечение расположено в непосредственной близости от изображения, а ось симметрии пересекает контуры изображения. Как правило, по построению и расположению на чертеже сечение должно соответствовать направлению взгляда, указанному стрелками на штрихах линии сечения. Допускается располагать сечение на любом месте поля чертежа, а также с поворотом, добавляя в надписи над ним слово повернуто. Для нескольких одинаковых сечений, относящихся к одному предмету, линии сечения обозначают одной буквой и вычерчивают одно сечение. Если при этом секущие плоскости расположены под разными углами, то надпись повернуто не наносят. Если секущая плоскость проходит через ось поверхности вращения, ограничивающей отверстие или углубление, то контур отверстия или углубления в сечении показывают полностью. Если секущая плоскость проходит через сквозное некруглое отверстие и сечение получается состоящим из отдельных самостоятельных частей, то вместо сечения следует выполнять разрез. Сечение можно выполнять несколькими секущими плоскостями. Схемы кинематические, гидравлические, пневматические, электрические. Основные графические обозначения оборудования и трубопроводов на технологических схемах Понятие «схема» означает упрощенное, абстрактное описание или изображение чего-либо в общих основных чертах. При разработке конструкторской документации схемой называют документ, на котором 13 показаны в виде условных изображений или обозначений составные части изделия и связи между ними. Процесс конструирования начинается со схематического представления о будущей конструкции, с основной идеи, которая, постепенно «обрастая» подробностями, свойственными особенностям изготовления и эксплуатации, получает конкретное конструктивное выражение. Правила выполнения схем и условные графические обозначения, применяемые при выполнении схем, даны в стандартах седьмой классификационной группы ЕСКД (ГОСТ 2.701-84 и последующие). Согласно ГОСТ 2.701-84, схемы в зависимости от видов элементов и связей, входящих в состав изделия, подразделяют на следующие виды и соответственно обозначают прописными буквами: - электрические - Э; - гидравлические - Г; - пневматические - П; - кинематические - К; - оптические - Л; - комбинированные - С. Допускается разрабатывать схемы: - вакуумные - В; - газовые - X; - автоматизации - А. В зависимости от основного назначения схемы подразделяют на следующие типы, которые обозначают цифрами: - структурные - 1; - функциональные - 2; - принципиальные - 3; 14 - соединений - 4; - подключения - 5; - общие - 6; - расположения - 7; - прочие - 8; - объединенные - О. Из перечисленных типов схем можно выделить две основные группы: схемы, отражающие ход рабочего процесса в устройстве с более или менее подробным разъяснением средств, обеспечивающих необходимый процесс, и схемы, отражающие взаимное расположение отдельных частей устройства, а также наличие или характер связи между ними. К первой группе относят схемы структурные, функциональные, принципиальные. Ко второй группе относят схемы соединений, подключений, расположения и общие. Наименование схемы определяется ее видом и типом, например: схема электрическая принципиальная, схема электрическая структурная. Это наименование вписывают в графу 1 основной надписи после наименования изделия, на которое выполнена схема. Наименование схемы вписывают шрифтом меньшего размера, чем шрифт, примененный для наименования изделия. Каждой схеме присваивают шифр. Шифр должен состоять из буквы, определяющей вид схемы, и цифры, обозначающей тип схемы. Например: схема гидравлическая принципиальная - ГЗ, схема электрическая соединений - Э4. В отдельных случаях допускается выполнять на одном формате (с одной основной надписью) два типа схем одного изделия. Наименование такого объединенного документа определяется видом и объединяемыми типами схем (например: схема электрическая принципиальная и соединений),а его шифр должен состоять из буквы, определяющей вид схемы, и цифры 0, в данном случае - ЭО. Обозначение схемы, помещаемое в графе 2 основной надписи), состоит из обозначения изделия, на которое разработана схема, и ее шифра (например: АБВГ.ХХХХХХ.013.Э2). 15 Допускается выполнять совмещенные схемы. В этом случае на схемах одного типа помещают сведения, характерные для схемы другого типа, например, на схеме соединений изделия показывают его внешние подключения. Согласно ГОСТ 2.701 - 84, можно совмещать только принципиальную схему со схемой соединений и схему соединений со схемой подключения. Совмещенной схеме присваивают шифр и наименование схемы, тип которой имеет меньший порядковый номер. Схемы выполняют без соблюдения масштаба, действительное пространственное расположение составных частей изделия либо вообще не учитывают, либо учитывают приближенно. Схемы должны быть выполнены компактно, но без ущерба для ясности и удобства их чтения. Линии связи должны состоять из горизонтальных и вертикальных отрезков и иметь наименьшее количество изломов и пересечений. Допускается применять наклонные отрезки линий связи относительно небольшой длины. При выполнении схем применяют условные графические обозначения элементов и устройств, установленные стандартами ЕСКД, упрощенные внешние очертания и прямоугольники. Применение тех или иных графических обозначений определяется правилами выполнения различных видов и типов схем. Условные графические обозначения, стандартизованные или построенные на основе стандартизованных обозначений, на схемах не поясняют. Нестандартизованные условные графические обозначения и не строящиеся на основе стандартизованных должны быть пояснены на поле схемы. Условные графические обозначения элементов следует выполнять по размерам, установленным в соответствующих стандартах, и линиями той же толщины, что и линии связи. Если в условных графических обозначениях имеются утолщенные линии, то их следует выполнять в два раза толще линий связи. На схемах допускается помещать различные технические данные, характер которых определяется назначением схемы. Такие сведения указывают либо около графических обозначений (по возможности справа или сверху), либо на свободном поле схемы (по возможности над основной надписью). Около графических обозначений элементов и устройств указывают, например, номинальные значения их параметров, а на свободном поле схемы - диаграммы, таблицы, текстовые указания (например, диаграммы последовательности временных процессов, таблицы замыкания контактов коммутирующих устройств, указания о специфических требованиях к монтажу и т. п.).Технологическая схема представляют из себя внемасштабный рисунок, на котором представлена 16 схема объекта (НПС или ЛЧ МН) в виде системы основного и вспомогательного оборудования, соединенного технологическими трубопроводами с указанием их условных диаметров и направлений потоков . В каталогах на арматуру, в номенклатуре арматурных заводов, в ведомостях для заказа арматуры и в прейскурантах применяют отраслевые условные обозначения. Шифр общепромышленной арматуры состоит из цифровых и буквенных знаков, включающих пять элементов, расположенных последовательно, например: 30ч925бр. Первое двузначное (30) число обозначает тип арматуры (задвижка, запорный клапан, кран и т. д.) приведено в таблице 3. Таблица 3- Условные обозначения конструктивных типов арматуры Условное № Тип арматуры обозначение 1 Кран пробно-спускной 10 2 Кран трубопроводный 11 3 Запорное уровня устройство указателя 12 4 Запорный клапан 13, 14, 15 Клапан обратный подъемный и 5 16 приемный с сеткой 6 Клапан предохранительный 17 7 Обратный затвор 19 8 Регулятор давления 21 9 Клапан запорный и отсечной 22 10 Клапан регулирующий 25 11 Клапан смесительный 27 12 Задвижка 30,31 13 Затвор 32 14 Конденсатоотводчик 45 Первое буквенное обозначение (ч) указывает материал, из которого изготовлены корпусные детали арматуры. 17 Цифры после букв указывают порядковый номер (25) модели (одна, две или три цифры), если в этих трех цифрах первая больше 2, она означает тип привода (9). Ручной привод, представляющий собой маховик или рукоятку, не отмечается. Буквы после второй группы цифр означают материал деталей уплотнения (бр) или вид внутреннего покрытия корпуса. Если уплотнительные поверхности выполнены непосредственно в самом корпусе, обозначение их отсутствует или указываются буквы «бк» (без колец). Иногда после букв, обозначающих материал уплотнения, стоит еще одна цифра, обозначающая вариант конструктивного исполнения. Например, шифр 15с22нж1 обозначает: 15 – Запорный клапан, с – корпус из углеродистой стали, 22 –порядковый номер модели (с ручным приводом маховиком), нж – с уплотнительными кольцами из нержавеющей стали, 1 – конструктивное исполнение 1. Условное обозначение арматуры для нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности построены по другой системе. Здесь обычно сначала идет ряд букв, обозначающих сокращенное наименование арматуры, а затем цифры, указывающие условный диаметр и условное давление. Например, ЗКЛ2 – 1000 – 80, задвижка клиновая литая второй модификации ручного привода с условным диаметром 1000 мм и с условным давлением 80 кгс/см2; ЗКЛПЭ – 1000 – 80 – задвижка клиновая литая с электроприводом с условным диаметром 1000 мм и с условным давлением 80 кгс/см2 ;СППК4 - 150 – 16 – специальный полноподъемный пружинный клапан четвертой модификации с условным проходом 150 мм и с условным давлением 16 кгс/см2. На схемах трубопроводы изображаются горизонтальными и вертикальными отрезками линий (если это возможно) и должны иметь наименьшее количество изломов и взаимных пересечений. Толщина линий обозначающих трубопровод варьируется в пределах от 0,2 до 1,0 мм в зависимости от форматов схемы и назначения трубопровода (основной или вспомогательный трубопровод). Расстояние между соседними параллельными линями на схемах должно быть не менее 3,0 мм, а между отдельными условными графическими обозначениями – не менее 2,0 мм. Таблица 4-Условные обозначения элементов арматуры 18 Тема 2. Основы материаловедения. Материаловедение – раздел научного знания, связанный с созданием материалов с заранее заданными рабочими характеристиками, а также изучением и целенаправленным изменением свойств существующих материалов. Фундаментальной базой этой дисциплины являются все разделы физики, химии, механики, которые включают теоретические основы 19 современных наукоемких технологий получения, обработки и применения материалов. Материалами называют твердые тела с известными свойствами, которые определяются их составом и строением. Под ними понимают исходный, необработанный предмет труда или полуфабрикат, используемый для производства изделия. Свойства материала зависят от химического состава и пространственной ориентации его элементов – структуры. Материаловедение как наука исследует триединое сочетание состав – структура – свойство (С–С–С) и показывает, как на основании состава и строения материала следует управлять этими свойствами с целью получения нового материала с заданными характеристиками. Будущее научно-технического прогресса определяется доступностью высокотехнологических процессов, обеспечивающих получение новых материалов. Развитие материаловедения требует предварительного моделирования свойств материалов. Цель исследований – описание свойств материалов на основе атомистических физических моделей, которые могут быть сформулированы с помощью уравнений состояния. Это позволяет предсказать свойства материалов и не требует проведения длительных и дорогостоящих экспериментов по исследованию поведения материалов в разных условиях. Для успешного применения моделей необходимы фундаментальные знания физических основ процессов и механизмов, определяющих микроструктуру и свойства на атомном уровне. В промышленном масштабе производится широкий спектр материалов: металлы, сплавы металлов, керамика, стекла, пластмассы, композиты, материалы для электроники и др. В современных условиях необходимость разработки дешевых материалов и материалов, работающих в экстремальных условиях, привела к созданию многофункциональных керамических, пластических и композиционных материалов. Исследование конкретных материалов имеет свои особенности. Создание и производство новых многофункциональных материалов, их применение в технологиях приводит к появлению на мировом рынке новой, конкурентоспособной продукции, при этом решаются ключевые проблемы современного общества – рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды. К способам управления относятся выбор химического состава сырья и технологических этапов, в процессе которых получают изделие. 20 Технологические этапы в общем виде включают: получение монолитного материала, деформирование, термическую (тепловую) обработку полуфабрикатов и изделий, обработку поверхности и др. Основой правильного выбора и применения материалов является знание следующих связей: внешние факторы воздействия на материал на разных этапах технологического процесса → строение материала; строение материала (химический и фазовый состав, структура) → свойства, необходимые при эксплуатации: прочность, пластичность, жаропрочность, износостойкость, трещиностойкость и др. Материаловедение дает основу для правильного выбора и назначения материалов не только по физической структуре и свойствам, но и по экономическим и экологическим показателям. Правильно выбранные материалы будут служить необходимое время, при этом стоимость изделия будет допустимой в данных условиях эксплуатации. Материалы, как исходный ресурс для производства товаров и многих услуг, имеют большое значение для обеспечения необходимого технического и экономического эффекта. Они предопределяют технологию производства и качество готовой продукции. Основные характеристики определяют сферу применения материала. КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ МАТЕРИАЛОВ Материалы – это сложные или простые вещества, их смеси, гетерогенные композиции природного или искусственного происхождения, используемые или пригодные к использованию для решения практических задач. Самым общим признаком классификации материалов является состав атомов и молекул, по которому материалы делятся на простые и сложные. Простые материалы состоят из веществ, образованных атомами одного элемента. Примеры таких материалов (веществ) – графит, алмаз, сера и др. Сложные материалы (вещества) состоят из молекул, образованных атомами разных элементов (сплавы металлов, вода, стекла, пластмассы, древесина и др.). Широко используемым признаком классификации материалов является их функциональное назначение. 21 По функциональному назначению материалы делят на две большие группы – основные и вспомогательные. Основные материалы обеспечивают заданные технические характеристики изделий: прочность, мощность, устойчивость конструкции и др. Вспомогательные материалы обеспечивают параметры сооружений и агрегатов в процессе их эксплуатации (материалы для смазки узлов трения, охлаждения, защиты от коррозии, декоративной отделки и обеспечения эстетических параметров и требований дизайна и т. д.). Классификация функций промышленных материалов приведена в табл. 1. Таблица 1 Классификация функций промышленных материалов Функции промышленных материалов Основные Обеспечение прочности конструкции, Вспомогательные Снижение трения. Защита от ее надежности и долговечности. Обеспечение физико-химических физического и химического воздействия. Защита от коррозии и параметров изделий. Обеспечение технологического воздействия – эрозии. Защита от биологического воздействия. Повышение биологического, лазерного, эстетических качеств. Прочие плазменного, химического и др. Прочие функции по улучшению функции по обеспечению технических параметров изделий. характеристик изделий. По степени однородности различают гомогенные и гетерогенные материалы. Гомогенный материал однороден по свойствам во всех частях образца. Примером однородного материала является чистое вещество с определенным химическим составом (чистый сахар, чистая вода, но не водный раствор сахара). Гетерогенный материал имеет в разных частях образца разные свойства (например, гранит состоит из кварца, слюды и полевого шпата). Другие классификационные признаки: 1) по сфере использования и назначению (по промышленным секторам, объектам производства и т. п.); 22 2) по технологичности обработки и сборки (материалы для деформации, литья, резания и пр.); 3) по степени готовности к использованию (сырье, полуфабрикаты и пр.); 4) по уровню эффективности применения (оптовые цены, технологичность, серийность выпуска и пр.); 5) по ресурсопригодности и дефицитности, по возможности замещения другими материалами; 6) по степени безопасности использования; 7) по экологическим параметрам. Классификация материалов по назначению основана на функциях, которые выполняет материал (обеспечение конструкционной прочности, звукоизоляции, коррозионной стойкости, сохранности продукта (тара, упаковка, защита от излучений и пр.). Многие материалы многофункциональны, однако можно выделить сферы преимущественного использования: машиностроительные материалы, для строительства и т. д. Разделение материалов по технологичности обработки и сборки учитывает трудоемкость получения деталей, узлов, агрегатов и связано с показателями себестоимости изделия. Материалы могут обрабатываться методами давления, литья и сварки, а также склеиваться. Технические особенности материалов следует учитывать при выборе назначения. Степень готовности материала к использованию определяется его геометрическими размерами и формой, состоянием поставки. Материалы для придания изделиям товарного вида формы должны подвергаться дополнительной обработке (механической, пропитке, нагреву, дроблению, спеканию и пр.), которая в существенной мере влияет на затраты труда и времени, на расход материала. По степени готовности материалы подразделяют на четыре группы: - сырье и полуфабрикаты, которые в дальнейшем используются как материалы; - материалы для получения полуфабрикатов и изделий или используемые в качестве сырья для другого материала; 23 - полуфабрикат для изготовления готовой продукции; - готовые изделия, используемые для комплектации более сложной продукции. Полуфабрикаты требуют дальнейшей обработки, чем отличаются от готовых изделий. Сырье. Все многообразие материалов, применяемых в современной технике, по химическому составу можно разделить на металлические, неметаллические и композиционные, в составе которых использованы сочетания металлических и неметаллических веществ. Такое деление отражает исторический путь развития техники, обусловленный реализацией запросов по созданию материалов с прогрессивным для данного исторического периода уровнем потребительских свойств, и является основанием для использования в качестве признака классификации. Из числа цветных металлов наиболее широко применяются сплавы на основе меди и алюминия. Остальные металлы используются в технике в соответствии со своими специальными свойствами: легкие (магний, титан), тугоплавкие (вольфрам, молибден и др.), легкоплавкие (олово, свинец и др.), радиоактивные (уран, радий и др.), благородные (золото, серебро и др.) металлы. Из неметаллических материалов находят применение соединения кремния. Силикаты и соединения кремния с другими химическими элементами применяются как конструкционные материалы. Природный силикат слюда используется как электроизолятор, асбест как огнеупор, соединения кремния с углеродом имеют высокую твердость и используются в качестве абразивного материала. Силикаты служат сырьем для производства стекла. Стеклянные волокна являются одним из компонентов стеклопластиков. Широкое применение находят полимеры на основе углерода – это один из самых распространенных элементов, его общее содержание в земной коре 0,35%. Разделение материалов по уровню эффективности применения исходит из капитальных и текущих затрат на получение и обработку, технического уровня производства, качества сырья и т. п. 24 Классификация по ресурсопригодности и дефицитности, по возможности замещения другими материалами учитывает частоту ремонта изделий, конъюнктуру на рынке материалов. Доступные для использования ресурсы разных металлов не всегда соответствуют их значению для развития современной техники. Лишь некоторые металлы содержатся в земной коре в больших количествах: алюминий – 8,8%, железо – 4,65%, магний – 2,1%, титан – 0,63%. Содержание других металлов оценивается в значительно меньших долях. Особенно бедна природа благородными металлами. Природные ресурсы неметаллических материалов имеют больший объем. В составе технической керамики кремний является одним из основных элементов. Земная кора состоит главным образом из кремнезема и солей кремниевой кислоты – силикатов. Содержание кремния в земной коре составляет 26%. Это самый распространенный в природе элемент. Деление материалов в зависимости от степени безопасности и по экологическим параметрам предусматривает возможность оценки ущерба от негативного воздействия материала на здоровье человека и окружающую среду. Это воздействие может происходить на стадиях технологической обработки, эксплуатации и последующей утилизации. Могут применяться и другие классификации (более общие или детализированные), построенные на разных критериях. Создать единую классификацию материалов сложно, пользуются следующими классификаторами: – Общероссийский классификатор продукции (ОКП); – Товарная номенклатура внешнеэкономической деятельности (ТН ВЭД) (необходима для осуществления экспортно-импортной деятельности). Наука рассматривает химическое вещество как основной, наряду с физическим полем, вид материи, составляющей любое физическое образование, т. е. все, что занимает пространство и имеет твердое, жидкое или газообразное агрегатное состояние. Вещество – совокупность взаимодействующих частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.), расположенных определенным образом в пространстве и связанных между собой некоторыми силами. Состав и форма частиц, их 25 пространственное распределение, природа и особенности химической связи определяют все физические и химические свойства. Наименьшей частицей вещества, еще сохраняющей его химические свойства, является атом, т. е. атом – это предел химического разложения любого вещества. Атом – это система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов. Все виды известных науке атомов содержит Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Атомы одного элемента идентичны. Химические соединения образуются при взаимодействии атомов двух и более элементов. Причиной периодичности в изменении свойств атомов является послойное заполнение электронами пространства вокруг ядра, заряд которого равен номеру элемента в Периодической системе. Молекула – это группа взаимосвязанных атомов, микрочастица, обладающая свойствами химического вещества, способная существовать самостоятельно. Образование молекулы из атомов энергетически выгодно. Совокупность атомов и молекул образует твердое, жидкое или газообразное вещество. Молекулы простого вещества могут содержать разное число атомов. Например, гелий Не, аргон Аr, неон Ne – одноатомные молекулы простых газов; водород Н2, азот N2 и кислород О2 – двухатомные. Молекулы сложного вещества содержат атомы разных видов: оксид углерода (угарный газ) СО – это двухатомная молекула сложного вещества, а диоксид углерода (углекислый газ) СО2 и вода Н2О – это трехатомные молекулы сложного вещества. Молекула аммиака NН3 построена из четырех атомов, а молекула метана СН4 – из пяти. Атомы в молекулах объединяются за счет химических связей. Под химической связью понимают силы, удерживающие атомы в молекуле – структуре со стабильной электронной конфигурацией. Межатомное взаимодействие. Основной принцип межатомных взаимодействий: атом стремится к устойчивой конфигурации, чтобы на его внешней оболочке располагалось восемь электронов, что соответствует конфигурации благородного газа (например, гелия Не). В этом случае атом не взаимодействует с другими атомами. Элементы, электронная конфигурация которых не совпадает с конфигурацией благородного газа, при взаимодействии способны отдавать, принимать или обобществлять валентные электроны внешнего уровня. 26 Обычно атомы испытывают взаимное притяжение или отталкивание. Сила связи Fсв двух и более атомов обусловлена энергией их взаимодействия Евз и пропорциональна сумме энергий взаимного притяжения Епр или отталкивания Еот: Fсв ≈ Есв = Епр + Еот. Ковалентная связь. Если конфигурацию благородного газа нельзя достичь путем обмена электронами, так как их сумма не достигает восьми, то стабильного сочетания атомов в молекуле можно достичь путем образования общих электронных пар. Ковалентная связь принципиально отличается от ионной тем, что она устанавливается путем слияния, соединения внешних валентных электронов, а не передачей их от одного атома к другому. Обобществленные электроны, осуществляющие ковалентную связь, частично принадлежат обоим атомам, которые приобретают таким образом конфигурацию благородного газа. Локализация электронов создает резко направленный характер связи. Металлическая связь. Металлы относятся к простым веществам и в обычных условиях являются (за исключением ртути) кристаллами с особыми свойствами, обусловленными металлической связью. Если число валентных электронов меньше четырех, то достичь конфигурации благородного газа за счет образования электронных пар даже в трехмерной структуре невозможно. Металлическая связь атомов наиболее сложная и состоит из рассмотренных выше, но несколько измененных типов связей: ионной и ковалентной. Она реализуется в кристаллах разных металлов и не имеет аналогов в двухатомных молекулах. Атомы металлов не имеют на внешних оболочках достаточного количества валентных электронов для образования обычных ковалентных связей со всеми ближайшими атомами кристаллической решетки. В то же время атомы в металлических кристаллах настолько сближены, что орбиты их внешних электронов перекрываются не с одним, а с большим числом атомов. Такое сближение возможно только в случае установления ионной связи или ковалентной связи, но электронами нижележащего (второго от поверхности) уровня. В этом случае электроны внешних орбит (валентные) могут легко переходить от одного атома к другому. Эти обобществленные электроны получили название «электронный газ». 27 Молекулярный тип связи. Между молекулами могут возникать водородные (химические) связи и силы Ван-дер-Ваальса (физические). Водородная связь образуется между положительно заряженным атомом водорода Н одной молекулы и отрицательно заряженным атомом (О, S, N) другой молекулы, т. е. в полярных молекулах. Малые размеры протона водорода не позволяют ему иметь ближайшими соседями более чем два атома, поэтому водородная связь осуществляется только между двумя атомами. Энергия ее невелика, но она играет большую роль в формировании свойств веществ: повышает температуру кипения и температуру плавления, объясняет жидкое (а не газообразное) состояние воды в нормальных условиях и особые физические свойства воды и льда. Водородная связь имеет важное значение в химических и биологических процессах: определяет размеры и геометрическую структуру белковых молекул, образование двухспиральной молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и пр. Связь Ван-дер-Ваальса не связана с обменом электронов. Физическая природа связи заключается в том, что свойством всех атомов является поляризация вследствие наличия у них электрических диполей или способности электронных оболочек деформироваться под влиянием дальнего (а поэтому слабого) электромагнитного взаимодействия атомов. Появление электрических диполей в электронных оболочках приводит к установлению между атомами и молекулами устойчивой взаимосвязи. Полярность связи обусловлена смещением общей пары электронов связи к более электроотрицательному атому. При одинаковой (или близкой) электроотрицательности образуется неполярная связь (молекулы Cl2, Н2), атомы с разной электроотрицательностью образуют ковалентную полярную связь и полярные молекулы – диполи. Диполь – это система, состоящая из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов, расположенных на некотором расстоянии. Полярность связи оценивается дипольным моментом μ = q*l, где q – величина заряда, l – длина диполя. Дипольное взаимодействие атомов возникает вследствие того, что в диполе центры тяжести положительного ядра и отрицательной электронной оболочки не совпадают. Это приводит к возникновению дипольного момента атома, который притягивает другие атомные диполи. Если атомы или молекулы вещества являются электрическими диполями, то они соединяются, располагаясь относительно друг друга так, чтобы положительный заряд диполя одного атома подходил к отрицательному 28 заряду другого. Таким образом достигается устойчивая взаимосвязь, механизм взаимодействия частиц называется ориентационным. Электростатическое взаимодействие диполей является физическим взаимодействием. Силы притяжения, действующие между частицами с полярным типом связи, называются силами Ван-дер-Ваальса, они обусловлены ориентационным, индукционным и дисперсионным взаимодействием диполей: Есв = Еориен + Еинд + Едисп. Мгновенные дипольные моменты создаются благодаря постоянному движению электронов и ядра атомов. Образующийся дипольный момент электрическим полем поляризует соседний атом или молекулу – появляется второй диполь и т. д. Эти силы универсальны, так как действуют между любыми атомами, ионами и молекулами. Иногда силы Ван-дер-Ваальса называют молекулярными. При наличии сильных взаимодействий (например, при ковалентной связи) слабые молекулярные силы играют второстепенную роль небольшой добавки (они слабее химических связей в 10 – 100 раз). Однако в ряде случаев взаимодействие Ван-дер-Ваальса играет значительную и даже определяющую роль. Например, силы, удерживающие атомы хлора в молекуле хлора, почти в десять раз больше, чем силы, связывающие молекулы Cl2 между собой. Но без этого слабого межмолекулярного притяжения нельзя получить жидкий и твердый хлор. Силы притяжения Ван-дер-Ваальса обеспечивают взаимодействие между атомами благородных газов или атомами, далеко расположенными друг от друга, когда непосредственный обмен электронами невозможен. Примерами веществ с молекулярным типом взаимодействий (связей) атомов и молекул являются Н2, СО2, Н2О, СН4, органические полимеры и др. Ковалентная связь сильно зависит от ориентации в пространстве, так как электроны, образующие пары, располагаются таким образом, чтобы центр тяжести заряда оставался на ядре атома – образуется тетраэдр, угол связи между атомами составляет 109,5о (алмаз из атомов углерода С). Если связь образована между атомами разных элементов (например, в молекуле этилена С2Н4 с двойной связью), электронная структура искажается за счет атомов водорода, что приводит к линейному расположению молекулы мономера. 29 Ионная связь пространственно независима, возникает между атомами разных типов. Современная квантовая теория не только объясняет строение и свойства атомов, но и позволяет на основе математического моделирования предсказать строение и свойства гипотетически возможных, но еще не открытых в природе веществ. Это дает возможность сокращать сроки разработки новых материалов и экономить средства за счет сокращения объема дорогостоящих натурных экспериментов. Материалы с разным типом химической связи. Тип химической связи определяет энергию связи, физическуюприроду материала (проводник или диэлектрик), физические имеханические свойства, а также тип упаковки при образовании кристаллических структур. От типа связи зависят величина энергии связи; физические,химические,механические и технологические свойства; плотность атомов в кристалле, а также способ получения материала. Величина энергии связи Есв имеет наибольшее значение у материалов с ковалентной и ионной связью . Металлическая связь в 3 – 4 раза слабее. Влияние типа связи на свойства наглядно проявляется при рассмотрении веществ одинакового химического состава. Так, двумя модификациями углерода являются алмаз и графит. Алмаз – вещество с ковалентным типом связи, самый твердый кристалл в природе, диэлектрик с высокой температурой плавления. Графит также имеет высокую температуру плавления. Однако для этого вещества характерен смешанный тип связи: в его структуре кроме атомов с ковалентным типом связи присутствуют атомы, между которыми действуют слабые нехимические молекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса). Этим объясняется очень низкая твердость графита, склонность к расслаиванию, электрическая проводимость и более высокий коэффициент линейного расширения α, чем у алмаза. Эти состоящие из атомов углерода вещества с резко различающимися свойствами имеют разные пространственные структуры. В пространственной структуре алмаза атомы углерода организованы в объемную кубическую кристаллическую решетку, а в структуре графита кристаллическая решетка плоская гексагональная, что и предопределяет различие их свойств. Вещества, состоящие из одних и тех же атомов, но имеющие разные 30 кристаллические решетки, образуют аллотропные модификации, их называют полиморфными, а их взаимные превращения – аллотропным (полиморфным) превращением. Полиморфизм – явление, при котором химические элементы в зависимости от температуры имеют разные кристаллические структуры. Такими элементами кроме углерода являются железо, олово, сера, фосфор и др. Свойства материала, полученного из данного вещества с определенным кристаллическим строением, зависят от двух уровней структуры – надкристаллического и дисперсного. Изменяя структуру, из одного вещества можно получить материалы с различными свойствами. В последние десятилетия открыта новая модификация углерода – фуллерен. Это молекулы углерода C60 или C70, для которых характерна неполная делокализация электронов, т. е. смешанный тип связи. Молекула фуллерена представляет собой углеродную оболочку диаметром примерно 1 нм со сравнительно большой внутренней полостью (рис. 8). Фуллереновые молекулы могут конденсироваться в молекулярные кристаллы. Кристалл фуллерит является полупроводником, имеет проводимость, промежуточную между алмазом и графитом. Для отличия одного химического вещества от другого используют набор констант: атомная масса, плотность, температура плавления, температура кипения, термодинамические характеристики (в частности, запас внутренней энергии) и химические свойства. Свойства веществ и материалов – это их характерные качества: цвет, твердость, пластичность, точка плавления, электропроводность, вкус и др. Для их определения пользуются Международной системой единиц СИ, в которой принята температурная шкала Кельвина с абсолютным нулем 0оК, равным минимальной температуре -273,15оС. АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВ Агрегатное состояние – это состояние вещества в определенном интервале температур и давлений, характеризуется свойствами: способностью (твердое тело) или неспособностью (жидкость, газ) сохранять объем и форму; наличием или отсутствием дальнего (твердое тело) или ближнего (жидкость) порядка и другими свойствами. 31 Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком или газообразном, в настоящее время выделяют дополнительно плазменное (ионное) состояние. В газообразном состоянии расстояние между атомами и молекулами вещества велико, силы взаимодействия малы и частицы, хаотично перемещаясь в пространстве, обладают большой кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию. Материал в газообразном состоянии не имеет ни своей формы, ни объема. Газ заполняет все доступное пространство. Это состояние свойственно для веществ с малой плотностью. В жидком состоянии сохраняется лишь ближний порядок атомов или молекул, когда в объеме вещества периодически возникают отдельные участки с упорядоченным расположением атомов, однако взаимная ориентация этих участков также отсутствует. Ближний порядок неустойчив и под действием тепловых колебаний атомов может либо исчезать, либо возникать вновь. Молекулы жидкости не имеют определенного положения, и в то же время им недоступна полная свобода перемещения. Материал в жидком состоянии своей формы не имеет, сохраняет лишь объем. Жидкость может занимать только часть объема сосуда, но свободно перетекать по всей поверхности сосуда. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым телом и газом. В твердом веществе порядок расположения атомов становится строго определенным, закономерно упорядоченным, силы взаимодействия частиц взаимно уравновешены, поэтому тела сохраняют свою форму и объем. Закономерно упорядоченное расположение атомов в пространстве характеризует кристаллическое состояние, атомы образуют кристаллическую решетку. Твердые тела имеют аморфное или кристаллическое строение. Для аморфных тел характерен только ближний порядок в расположении атомов или молекул, хаотичное расположение атомов, молекул или ионов в пространстве. Примерами аморфных тел являются стекло, пек, вар, внешне находящиеся в твердом состоянии, хотя на самом деле они медленно текут, подобно жидкости. Определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Большинство твердых тел имеет кристаллическое строение, которое отличается упорядоченным расположением атомов или молекул в 32 пространстве. Для кристаллической структуры свойственен дальний порядок, когда элементы структуры периодически повторяются; при ближнем порядке такое правильное повторение отсутствует. Характерной особенностью кристаллического тела является способность сохранять форму. Признаком идеального кристалла, моделью которого служит пространственная решетка, является свойство симметрии. Под симметрией понимается теоретическая способность кристаллической решетки твердого тела совмещаться самой с собой при зеркальном отражении ее точек от некоторой плоскости, называемой плоскостью симметрии. Симметрия внешней формы отражает симметрию внутренней структуры кристалла. Кристаллическую структуру имеют, например, все металлы, для которых характерны два типа симметрии: кубическая и гексагональная. Материал в целом представляет собой систему. Система – группа веществ, объединенных физическими, химическими или механическими взаимодействиями. Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей физическими границами раздела (в чугуне: графит + зерна железа; в воде со льдом: лед + вода). Составные части системы – это различные фазы, образующие данную систему. Компоненты системы – это вещества, образующие все фазы (составные части) данной системы. Материалы, состоящие из двух и более фаз, представляют собой дисперсные системы. Дисперсныесистемы разделяют на золи, поведение которых напоминает поведение жидкостей, и гели с характерными свойствами твердых тел. В золях дисперсионной средой, в которой распределено вещество, является жидкость, в гелях преобладает твердая фаза. Гелями являются полукристаллический металл, бетон, раствор желатина в воде при низкой температуре (при высокой температуре желатин переходит в золь). Гидрозолем называют дисперсию в воде, аэрозолем – дисперсию в воздухе. Диаграммы состояния. В термодинамической системе каждая фаза характеризуется такими параметрами, как температура Т, концентрация с и давление Р. Для описания фазовых превращений используется единая энергетическая характеристика – свободная энергия Гиббса ΔG (термодинамический потенциал). 33 Термодинамика при описании превращений ограничивается рассмотрением состояния равновесия. Равновесное состояние термодинамической системы характеризуется неизменностью термодинамических параметров (температуры и концентрации, так как в технологических обработках Р = const) во времени и отсутствием в ней потоков энергии и вещества – при постоянстве внешних условий. Фазовое равновесие – равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из двух или большего числа фаз. Для математического описания условий равновесия системы существует правило фаз, выведенное Гиббсом. Оно связывает число фаз (Ф) и компонентов (К) в равновесной системе с вариантностью системы, т. е. числом термодинамических степеней свободы (С). Число термодинамических степеней свободы (вариантность) системы – это число независимых переменных как внутренних (химический состав фаз), так и внешних (температура), которым можно придавать различные произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не появились новые и не исчезли старые фазы. Уравнение правила фаз Гиббса: С = К – Ф + 1. В соответствии с этим правилом в системе из двух компонентов (К = 2) возможны следующие варианты степеней свободы: для однофазного состояния (Ф = 1) С = 2, т. е. можно менять температуру и концентрацию; для двухфазного состояния (Ф = 2) С = 1, т. е. можно менять только один внешний параметр (например, температуру); для трехфазного состояния число степеней свободы равно нулю, т. е. нельзя менять температуру без нарушения равновесия в системе (система нонвариантна). Например, для чистого металла (К = 1) во время кристаллизации, когда имеются две фазы (Ф = 2), число степеней свободы равно нулю. Это означает, что температура кристаллизации не может быть изменена, пока не закончится процесс и не останется одна фаза – твердый кристалл. После окончания кристаллизации (Ф = 1) число степеней свободы равно 1, поэтому 34 можно менять температуру, т. е. охлаждать твердое вещество, не нарушая равновесия. Поведение систем в зависимости от температуры и концентрации описывается диаграммой состояния. Диаграмма состояния воды — система с одним компонентом H2O, поэтому наибольшее число фаз, которые одновременно могут находиться в равновесии, равно трем. Эти три фазы — жидкость, лед, пар. Число степеней свободы в этом случае равно нулю, т.е. нельзя изменить ни давление, ни температуру, чтобы не исчезла ни одна из фаз. Обычный лед, жидкая вода и водяной пар могут существовать в равновесии одновременно только при давлении 0,61 кПа и температуре 0,0075°С. Точка сосуществования трех фаз называется тройной точкой (O). Кривая ОС разделяет области пара и жидкости и представляет собой зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОС показывает те взаимосвязанные значения температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом, поэтому она называется кривой равновесия жидкость — пар или кривой кипения. Кривая ОВ отделяет область жидкости от области льда. Она является кривой равновесия твердое состояние — жидкость и называется кривой плавления. Эта кривая показывает те взаимосвязанные пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии. Кривая OA называется кривой сублимации и показывает взаимосвязанные пары значений давления и температуры, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар. Диаграмма состояния — наглядный способ представления областей существования различных фаз в зависимости от внешних условий, например от давления и температуры. Диаграммы состояния активно используются в материаловедении на разных технологических этапах получения изделия. Жидкость отличается от твердого кристаллического тела малыми значениями вязкости (внутреннего трения молекул) и высокими значениями текучести (величина, обратная вязкости). Жидкость состоит из множества агрегатов молекул, внутри которых частицы расположены в определенном порядке, подобно порядку в кристаллах. Природа структурных единиц и межчастичного взаимодействия определяет свойства жидкости. Различают жидкости: моноатомные (сжиженные благородные газы), молекулярные (вода), ионные (расплавленные соли), металлические (расплавленные 35 металлы), жидкие полупроводники. В большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической (жидкой) фазой. Жидкие вещества чаще всего представляет собой растворы. Раствор однороден, но не является химически чистым веществом, состоит из растворенного вещества и растворителя (примеры растворителя – вода или органические растворители: дихлорэтан, спирт, четыреххлористый углерод и др.), поэтому представляет собой смесь веществ. Пример – раствор спирта в воде. Однако растворами также являются смеси газообразных (например, воздух) или твердых (сплавы металлов) веществ. При охлаждении в условиях малой скорости образования центров кристаллизации и сильного увеличения вязкости может возникнуть стеклообразное состояние. Стекла – это изотропные твердые материалы, получаемые переохлаждением расплавленных неорганических и органических соединений. Известно много веществ, переход которых из кристаллического состояния в изотропное жидкое осуществляется через промежуточное жидкокристаллическое состояние. Оно характерно для веществ, молекулы которых имеют форму длинных стержней (палочек) с асимметричным строением. Такие фазовые переходы, сопровождаемые тепловыми эффектами, вызывают скачкообразное изменение механических, оптических, диэлектрических и других свойств. Жидкие кристаллы, подобно жидкости, могут принимать форму удлиненной капли или форму сосуда, обладают высокой текучестью, способны к слиянию. Они получили широкое применение в разных областях науки и техники. Их оптические свойства сильно зависят от небольших изменений внешних условий. Эта особенность используется в электрооптических устройствах. В частности, жидкие кристаллы применяют при изготовлении электронных наручных часов, визуальной аппаратуры и др. К числу основных агрегатных состояний относится плазма – частично или полностью ионизированный газ. По способу образования различают два вида плазмы: термическую, возникающую при нагревании газа до высоких температур, и газообразную, образующуюся при электрических разрядах в газовой среде. 36 Плазмохимические процессы заняли прочное место в ряде отраслей техники. Они применяются для резки и сварки тугоплавких металлов, синтеза разных веществ, широко используют плазменные источники света, перспективно применение плазмы в термоядерных энергетических установках и пр. СТРУКТУРА МАТЕРИАЛОВ Структура – это закономерная пространственная организация объектов, составляющих материал, включая границы их раздела. К структуре также относят дефекты, возникающие при изготовлении материала и деталей. Приобретая промышленный продукт, обращают внимание на его внешний вид и функции (блеск благородных металлов, декоративная керамика и металлические детали). Однако потребительские свойства товаров и срок эксплуатации определяются свойствами материалов, из которых они изготовлены, а свойства, в свою очередь, зависят не столько от химического состава, сколько от распределения составляющих компонентов. Распределение составных частей материала (пространственное распределение элементов, фаз, их ориентация), а также дефектов объединяются термином «микроструктура». Различают следующие иерархические уровни структурной организации материалов: - макроуровень – размеры структурных составляющих находятся в пределах 10-3 - 10-1 м; изучаемая структура называется макроструктурой; - микроуровень – размеры структурных составляющих находятся в пределах 10-4 - 10-7 м; изучаемая структура называется микроструктурой; - субмикро- или наноуровень – размеры структурных составляющих находятся в пределах 10-7 - 10-9 м; изучаемая структура называется тонкой структурой или наноструктурой соответственно. Прямое наблюдение и идентификацию структуры (ее визуализацию) проводят с помощью микроскопического анализа, при котором используются специальные приборы – микроскопы. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 37 Качество материала – это совокупная характеристика его свойств, показывающая способность материала удовлетворять существующие и предполагаемые требования (потребности). Исходными показателями качества являются значения его свойств. Свойство материала – это объективная особенность, проявляющаяся при создании, эксплуатации или потреблении материала. Каждый конкретный вид материала имеет множество разных свойств, совокупность которых позволяет отличить данный материал от других. Количественно свойство выражается в виде характеристики, определяемой способом и условиями испытания материала (изделия). Уровень значений любой характеристики является следствием внутреннего строения материала и строения его поверхности. Все свойства материалов можно разделить на простые и сложные. Примером сложного свойства является прочность. Она обусловлена такими проявлениями, как силовое сопротивление разрыву, изгибу, кручению, статическому или циклическим нагружениям и т. д. К числу простых свойств можно отнести твердость, износостойкость, теплостойкость и др. Качественная или количественная характеристика любых свойств или состояний изделий называется признаком. К качественным признакам относятся форма или профиль материала, наличие на поверхности защитного или декоративного покрытия и др. Количественный признак материала является его параметром, характеризующим одно из свойств или состояний, и относится к единичным показателям качества. Единичными показателями являются показатели назначения материала, надежности, технологичности, стандартизации, унификации, некоторые эргономические, эстетические, патентно-правовые, а также технико-экономические показатели. Важнейшими показателями качества материалов являются показатели состава, структуры и физико-химических свойств. Надежность материала – свойство материала выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение гарантированного промежутка времени. Сохраняемость – свойство материала сохранять эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного в технической документации (например, средний срок сохранности). Долговечность – свойство материала 38 длительное время сохранять работоспособность до перехода в предельное состояние в процессе эксплуатации изделия. Предельное состояние материала определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации или обусловлено снижением эффективности либо требованиями безопасности и оговаривается в технической документации. Показателями долговечности могут служить, например, характеристики длительной прочности, износостойкости и другие временные параметры работоспособности материалов. Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию (разрушение поверхности из-за отделения частиц) в условиях трения. Она оценивается величиной, обратной скорости изнашивания и определяется при испытаниях на трение. С течением времени в процессе эксплуатации или при хранении происходит необратимое изменение строения материалов, что приводит к ухудшению потребительских свойств изделий: снижается прочность и эластичность полимеров, повышается хрупкость и пр. Изменение строения и свойств материалов во времени называют старением. Технологичность материала оценивается разными единичными и комплексными показателями, например, простотой изготовления изделий из данного материала, трудоемкостью, восстанавливаемостью, фондоемкостью, себестоимостью обработки и др. Эргономические показатели определяются экологическими, гигиеническими и физиологическими воздействиями материалов на человека. Безопасность материала – важнейший эргономический показатель. Эстетические показатели наиболее важны для отделочных и упаковочных материалов. Они включают гармоничность, выразительность, оригинальность внешнего вида, а также соответствие окружающей среде, стилю и т. п. Патентно-правовые показатели качества материала характеризуют его патентную чистоту и конкурентоспособность на мировом рынке. Показатели экономичности материала определяют величину затрат, направленных на повышение его качества: себестоимость, прибыль от реализации, цена, рентабельность производства материала и др. Показатель качества материала, по которому принимается решение оценивать его качество, называется определяющим. 39 Свойства материалов определяют область их использования и при заданном химическом составе зависят от структуры и внешнего воздействия. Наиболее часто производителей в первую очередь интересуют механические и физикохимические свойства материалов. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Механические свойства оценивают способность материала сопротивляться механическим нагрузкам, характеризуют работоспособность изделий. Механическими называются свойства, которые определяются при испытаниях под действием внешних нагрузок – результатом этих испытаний являются количественные характеристики механических свойств. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием напряжений (приводящих к деформации и разрушению), действующих как в процессе изготовления изделий (литье, сварка, обработка давлением и др.), так и при эксплуатации. Стандартные характеристики механических свойств определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров посредством создания необратимой пластической деформации или разрушения образцов. Испытания проводят в условиях воздействия внешних нагрузок: растяжение, сжатие, кручение, удар; в условиях знакопеременных и изнашивающих нагрузок. Значения полученных характеристик обычно приводятся в справочниках. Примером могут служить характеристики: сопротивление разрушению, оцениваемое пределом прочности, или временным сопротивлением – это максимальная удельная нагрузка (напряжение), которую выдерживает материал до разрушения при его растяжении; сопротивление пластической деформации, оцениваемое пределом текучести – это напряжение, при котором начинается пластическая деформация материала при растяжении; сопротивление упругим деформациям, оцениваемое пределом упругости – это напряжение, выше которого материал приобретает остаточные деформации; 40 способность выдерживать пластические деформации, оцениваемые относительным удлинением образца при растяжении и относительным сужением его поперечного сечения; способность сопротивляться динамическим нагрузкам, оцениваемая ударной вязкостью; твердость, оцениваемая сопротивлением материала проникновению индентора (эталонного образца). Механические свойства материалов определяют в статических и динамических условиях нагружения. Статические испытания. В условиях статического нагружения происходит медленное, плавное нарастание прилагаемой нагрузки. Наиболее распространенным способом определения механических свойств материалов в статических условиях нагружения является испытание на растяжение. Растяжение производится с силой, достаточной для вытягивания с постоянной скоростью образца стандартных размеров (для исключения погрешностей). Испытания на растяжение проводят на разрывной машине с использованием специальных образцов, например лопаток. В процессе приложения нагрузки записывающее устройство разрывной машины фиксирует зависимость удлинения образца от приложенной нагрузки. После обработки диаграммы деформации и замера геометрических размеров образца рассчитывают разные характеристики, важнейшими из которых являются: - предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σв = P1/Fо, МПа; - предел текучести στ = P2/Fо, МПа; - относительное удлинение δ = lк - l0/ l0*100, %, где Fо – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм2; P1 и P2 – нагрузки, Н; lк – длина образца после разрыва, мм; l0 – длина образца до 41 испытания, мм. Прочность – способность тела воспринимать в определенных пределах воздействие внешних сил без признаков разрушения. Относительное удлинение δ и предел текучести στ характеризуют пластичность материала. Под действием приложенной нагрузки образец деформируется. Деформация может быть упругой или пластической. Упругая деформация после снятия нагрузки P исчезает, и геометрические размеры образца восстанавливаются до исходных значений, а пластическая деформация после снятия нагрузки P не исчезает, т. е. размеры образца изменяются на величину Δl. Важной характеристикой физико-механических свойств материала является модуль упругости Е, который определяют как тангенс угла наклона прямолинейного участка диаграммы деформации в виде отношения Е = P/Δl, МПа. Он характеризует сопротивляемость материала упругой деформации, т. е. его жесткость. Чем выше Е, тем жестче материал и меньше упругая деформация, получаемая при одном и том же напряжении. Модуль сдвига – модуль упругости при деформации сдвигом. Большинство твердых материалов при малых и умеренных напряжениях следуют закону Гука. Эластичность характеризует упругие свойства полимера, способность материала к большим обратимым изменениям формы при малых нагрузках из-за колебания звеньев и способности макромолекул изгибаться. К статическим испытаниям относятся также испытания на сжатие, кручение, изгиб и другие виды нагружения. Общим недостатком статических методов определения физико-механических свойств материалов является необходимость разрушения образца, что исключает возможность дальнейшего использования детали по прямому назначению в результате вырезки из нее образца для испытания. Определение твердости. Это метод неразрушающего контроля механических свойств материала при статической нагрузке. Твердость оценивают главным образом у металлов, так как для большинства неметаллических материалов твердость не является свойством, определяющим их работоспособность. Твердость оценивают по сопротивлению материала проникновению в него при статической нагрузке инородного тела правильной геометрической формы, имеющего эталонную твердость. Вдавливание эталонного образца в испытуемый образец 42 выполняется на специальных приборах, из которых чаще применяют приборы Бриннеля, Роквелла, Виккерса. Метод Бриннеля является наиболее распространенным – в образец вдавливают шарик из закаленной стали. Диаметр отпечатка dотп измеряют с помощью лупы со шкалой. Далее по таблицам находят твердость материала. В испытаниях по методу Виккерса используется алмазный резец, а по методу Роквелла – алмазный конус. Минералогическая шкала по Моосу – шкала твердости при испытаниях методом царапания поверхности материала набором из десяти минералов, расположенных в порядке возрастания твердости: от талька, который легко царапается ногтем, до более высокого числа (максимальная оценка 10 баллов) у самого твердого материала – алмаза. Данный метод широко используется для относительной характеристики твердости неметаллических материалов – он менее точен, но прост в исполнении и не требует приборов. Динамические испытания. Условия нагружения в этих испытаниях характеризуются резким приложением максимальной нагрузки. Определяются ударная вязкость разрушения образца, конструкционная прочность и другие показатели. Хрупкость – способность материала мгновенно разрушаться под давлением внешних сил без заметной пластической деформации. Хрупкие материалы плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Разрушение материала в результате воздействия многократных, часто знакопеременных, нагрузок называют усталостью. Сопротивление материала усталости называют выносливостью. Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме под давлением истирающих усилий. Внешние воздействия оказывают влияние на технологические и эксплуатационные свойства материалов, которые зависят не только от химического состава и структуры материала, но и от условий его эксплуатации. К внешним условиям относят давление (напряжение) и температуру. Например, всестороннее сжатие уменьшает расстояние между атомами в веществе, что вызывает реакцию отталкивания. Это увеличивает сопротивление деформированию, не разрывает связей, но может изменить их качественно. При этом тело не разрушается, а чаще переходит в вязкотекучее состояние. На этом основаны технологии обработки металлов давлением (прессование) и экструзия – выдавливание 43 всесторонне сжимаемого материала через относительно небольшое отверстие. При двустороннем сжатии деформация идет в область, свободную от внешних сил. В этом направлении расстояния между атомами увеличиваются, и по достижении определенной величины силы связей между атомами становятся меньше напряжений от действия внешней нагрузки, и тело разрушается. Простое одноосное растяжение материала увеличивает расстояние между атомами. Этой растягивающей деформации противодействуют силы межатомного притяжения, которые сильно уменьшаются с увеличением расстояния. Как только напряжение становится больше силы притяжения, происходит разрыв связей, тело разрушается. В этом состоит физическая сущность упругости, прочности, деформируемости и разрушения материалов. Влияние температуры на прочность материалов таково: с увеличением температуры прочность кристаллических (твердых) и аморфных тел уменьшается, так как возрастание кинетической энергии способствует разрыву связей атомов от действия растягивающей внешней силы. Для материалов изделий, работающих в условиях высоких температур, используют оценку жаропрочность – способность материала сопротивляться деформированию и разрушению в высокотемпературной области. Термопрочностью называют способность материала не разрушаться под действием градиента (перепада) температур. Большинство металлов и их сплавы, как правило, термопрочны, существенно менее термопрочны керамические материалы. При оценке эксплуатационных свойств материалов существенное значение имеют комплексные характеристики, определяемые несколькими параметрами. Примером комплексной характеристики может служить конструкционная прочность, включающая набор механических и пластических параметров, или жаропрочность, оцениваемая окалиностойкостью и параметрами прочности при повышенной температуре. Многие характеристики материалов прямо или косвенно связаны с периодом времени эксплуатации изделий. Так, сопротивление усталости определяет допустимые напряжения, которые выдерживает материал до разрушения за определенное количество циклов изменения нагрузки; ползучесть связана с длительностью действия нагрузки; химическая стойкость и износостойкость 44 оцениваются по количеству расходуемого материала за определенное время; радиационная прочность – временной стойкостью материалов к радиоактивному излучению. Временной фактор является определяющим при нахождении сопротивления коррозии и эрозии. Физико-химические свойства связаны со способностью материала взаимодействовать с физическими полями, излучениями, химически активными средами (например, сопротивление коррозии, электрическое сопротивление). Химические свойства. Окружающая, или рабочая, среда любого изделия (устройства) может оказывать отрицательное воздействие на материал, а следовательно, влиять на его механические свойства. Процесс разрушения металлических материалов при химическом взаимодействии с активными средами называют коррозией. Процесс имеет электрохимическую природу, его скорость определяется разницей в электрохимических потенциалах контактируемых тел (фаз). Из-за коррозии из строя преждевременно выходит большое число машин и оборудования, она приводит к огромным экономическим потерям. Наибольший ущерб от вредного воздействия химически активных сред наносится черным металлам. По возрастанию химической активности эксплуатационные среды можно расположить в следующей последовательности: воздушная атмосфера – морская атмосфера – морская вода – промышленные среды (щелочи, кислоты, растворы и расплавы солей). Основной химически активной составляющей воздушной среды является кислород, содержание которого в воздухе около 21%. Наличие в воздухе водяных паров активизирует процессы коррозии. Содержание их зависит как от местных условий, например, наличия водоемов, так и от температуры воздуха. Повышенная химическая активность морских сред вызвана присутствием в них продукта диссоциации морских солей – ионов хлора, активирующих процесс коррозии. Сопротивление металлических материалов воздействию химически активных сред, их способность оставаться пассивными, не меняя первоначальных свойств, называют коррозионной стойкостью. В случае неметаллических материалов используют термин «химическая стойкость». Химические свойства материалов оценивают по величине потери массы, отнесенной к единице поверхности, после выдержки образца в течение 45 определенного времени в химически активной среде. Для повышения точности определения используют образцы с большим отношением поверхности к объему. Состав среды должен моделировать эксплуатационную среду намечаемого применения материала. Условия контакта образца с активной средой также имитируют условия эксплуатации изделия: образец выдерживают в парах, растворе или расплаве солей, а также при постоянном или периодическом погружении в жидкость и пр. Коррозионную стойкость металлических материалов оценивают с помощью балльной системы. Меньший балл соответствует более высокой коррозионной стойкости, т. е. меньшей скорости коррозии. Используют также прямые методы оценки влияния химического воздействия на механические свойства материалов. Для этого химическому воздействию в течение определенного времени подвергают стандартные образцы для испытания на растяжение. О химической стойкости материала судят по изменению механических свойств в результате химического воздействия. Сопротивление материала высокотемпературной газовой коррозии называют жаростойкостью. Критерием оценки жаростойкости материала служит величина потери массы, отнесенной к единице поверхности, после выдержки образца в течение определенного времени в химически активной среде при заданной температуре. Энергетическое состояние поверхности материала обусловливает ее эрозию. Эрозией называют процесс постепенного разрушения рабочей поверхности материала в скоростном потоке химически активной среды (газа или жидкости) с участием механических, физических и химических видов воздействия. Основная причина эрозии – химическое взаимодействие материала с рабочей средой. Эрозионную стойкость определяют на установках, имитирующих условия работы материала в натурном изделии. Натурным испытаниям предшествуют лабораторные, модельные и полунатурные испытания. Толщину металлического покрытия определяют химическим способом – методами струи или капли. Метод струи основан на растворении покрытия раствором, вытекающим на поверхность детали в виде струи с определенной скоростью. Толщину покрытия рассчитывают по времени, затраченному на растворение покрытия, или по объему раствора, израсходованного на его растворение. Окончание растворения покрытия устанавливают визуально 46 или с помощью приборов. Метод капли основан на растворении покрытия каплями раствора, который наносят на поверхность и выдерживают в течение определенного промежутка времени. Физические свойства. К физическим свойствам материалов относят электрические, магнитные, тепловые свойства и плотность. Чем выше значение удельной прочности материала, тем меньшую материалоемкость будут иметь изготовленные из него детали машин и оборудования. Материалы с пониженной плотностью пригодны для применения в движущихся конструкциях. Важнейшее значение удельная прочность материала имеет в транспортном машиностроении; она возрастает в ряду: водный транспорт → наземный транспорт → воздушный транспорт → космический транспорт. Считается, что процент снижения массы автомобиля соответствует уменьшению расхода топлива на столько же процентов. Изнашивание (износ) – это постепенное изменение размеров тела, обусловленное удалением материала с поверхности. Основным видом механического изнашивания считается абразивное, возникающее в результате режущего или царапающего воздействия твердых частиц или тел на поверхность материала. Термические свойства материалов. Температурный коэффициент линейного расширения α (К-1) необходим для оценки величины зазоров между деталями в конструкции. Теплопроводность – скорость переноса энергии в форме тепла через материал при разности температур, зависит от коэффициента теплопроводности через единицу поверхности, в результате чего происходит выравнивание температуры тела. Коэффициент теплопроводности (Вт/(м*К)) необходим для оценки работоспособности материала в условиях резких теплосмен, а также учитывает технологию изготовления изделия, например, сварку или спекание. В процессе эксплуатации изделия (например, фарфоро-фаянсовые, особенно посуда) выдерживают, не разрушаясь, значительные перепады температур. Термическую стойкость можно оценивать разными методами, но наиболее приемлем метод теплосмен: последовательное нагревание и охлаждение образцов. 47 Теплоотдача – явление передачи тепла от одного тела другому при их контакте. Теплопередача – явление передачи тепла из одной среды в другую через промежуточную среду. Теплоемкость – свойство материала поглощать теплоту при нагревании и отдавать ее при охлаждении. Теплоемкость оценивают по коэффициенту теплоемкости, который определяют по количеству тепла, необходимого для нагрева 1 кг материала на 1 оС. Огнестойкость – способность материала противостоять действию огня без потери необходимых прочностных, конструкционных и эксплуатационных качеств. По степени огнестойкости материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые материалы плохо возгораются, но тлеют или обугливаются; сгораемые – воспламеняются или тлеют. Морозостойкость – способность материала выдерживать многократное замораживание и оттаивание без видимых процессов разрушения и понижения прочности (для строительных материалов). Эргономические (гигиенические) характеристики. Проницаемость – скорость прохождения газа или пара сквозь материал через единицу площади. Газопроницаемость– способность материала пропускать газ или воздух. Водопроницаемость– способность материала пропускать воду под давлением. Уровень водопроницаемости материала зависит от его плотности и строения. Оценкой водопроницаемости служит количество воды, которое при постоянном давлении проходит за 1 час через 1 см2 поверхности материала. Влажность – массовая доля влаги в материале в сухом состоянии, выраженная в процентах. Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду, характеризуется пористостью и определяется по формуле: В = (m1 - m2)/ m1*100, %, где m1 – первоначальная масса образца, г; m2 – масса образца после обводнения, г. 48 Немаловажное значение при экспертизе качества многих товаров имеет безвредность, которая определяется гигиеничностью (стеклянная посуда). Обязательным условием для такого товара является наличие гигиенического сертификата, выдаваемого предприятию-изготовителю. Стеклянные изделия постоянно контактируют с пищевыми продуктами, поэтому они должны быть устойчивы к действию кислот и щелочей, раствора солей и воды. Гигиенические свойства стеклянных изделий обусловлены также безвредностью состава декоративного покрытия и прочностью закрепления красочных составов на поверхности изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. Показателем безвредности для стеклянных изделий считается отсутствие или предельно допустимое количество свинца и кадмия в красках, используемых для украшений. Электрические и магнитные свойства материалов. Электроны в изолированном атоме занимают дискретные уровни энергии. В твердом теле атом не изолирован и электроны находятся не только под влиянием собственных ядер, но и соседних атомов. В твердом теле поэтому дискретные уровни энергии расширяются, образуя энергетические зоны. У полупроводников и диэлектриков энергетические зоны проводимости не пересекаются. Условно считают, что если зона проводимости отделена от валентной зоны интервалом менее 2 эВ, то вещество относится к полупроводникам, а если больше 2 эВ – к диэлектрикам (изоляторам). Удельной проводимостью σ (удельной электропроводностью) называют способность вещества проводить электрический ток. Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением. Электрическая проводимость G проводника длиной L с площадью поперечного сечения S может быть выражена через удельную проводимость вещества σ, из которого сделан проводник, следующей формулой: G = σ* S/L, Ом−1·м−1. Движение электрических зарядов вызывает появление магнитного поля. Плотность магнитного потока (магнитная индукция) В – величина потока, проходящего через единицу площади. Напряженность магнитного поля Н – подведенная к системе энергия, которая создает магнитный поток. 49 У разных материалов под действием внешнего магнитного поля магнитный момент атомов является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. Когда накладывается внешнее магнитное поле, эти магнитные моменты по-разному ориентируются вдоль поля. Существуют вещества с диамагнитным эффектом – диамагнетики, у которых в атоме индуцируется магнитный момент, направленный против поля. Оптические свойства материалов. Оптика – наука о природе и распространении света. Свет – это совокупность электромагнитных волн, при этом векторы переменных магнитных и электрических полей перпендикулярны друг другу в направлении распространения волны, длина λ и частота v которой связаны уравнением: v*λ = с, где с = 3*1010 м/с – скорость света в вакууме. Видимый свет – электромагнитное излучение с λ = 0,34 – 0,747 мкм. УФизлучение обладает меньшими, а ИК (тепловое), микроволновое и радиочастотное излучение – большими λ по сравнению с видимым диапазоном. Оптические свойства тел обусловлены их взаимодействием с электромагнитным излучением. Вещество может быть охарактеризовано цветом и прозрачностью. Прозрачность – свойство света проникать через вещество, многие изоляторы прозрачны. Если вещество непрозрачно, оно поглощает свет полностью (имеет черный цвет), частично (окрашено) или отражает свет. Большинство металлов полностью отражает свет (выглядят серебристо-белыми) или частично (выглядят окрашенными) – красная медь, желтое золото. Оптические свойства веществ имеют огромное прикладное значение. Преломление света используется для изготовления линз оптических приборов, отражение – теплоизоляция: подбором соответствующих покрытий можно влиять на свойства материалов с целью поглощения или отражения теплового излучения, но пропуская видимый свет. Оконные стекла имеют характерный цвет для кондиционирования. Декоративные свойства материалов определяются их внешним видом и зависят от их наружного рисунка, дизайна, текстуры, структуры, способа обработки поверхности, от наличия покрытий и рельефов. 50 Биологические свойства материалов определяются: их воздействием на окружающую среду, степенью их токсичности для живых организмов; их пригодностью для существования и развития каких-либо организмов (грибков, насекомых, плесени и пр.). Тема 3. Охрана труда и техника безопасности. 1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ ОХРАНЫ ТРУДА 1.1. К работе по резке металла на ножницах допускаются работники старше 18 лет, прошедшие медицинский осмотр, прошедшие вводный инструктаж по охране труда при приеме на работу и первичный инструктаж на рабочем месте, а также повторный и, при необходимости, внеплановый и целевой инструктажи по охране труда, освоившие безопасные приемы резки металла на ножницах и прошедшие проверку знаний требований охраны труда. 51 1.2. Работникам, допущенным к выполнению работ, необходимо соблюдать Правила внутреннего распорядка, установленные в организации. 1.3. При работе на ножницах следует соблюдать режим труда и отдыха. Отдыхать и курить допускается в специально отведенных и оборудованных для этого местах. 1.4. Допускается работать только на тех ножницах, которые указаны в технологической карте на выполнение данной операции, и выполнять только ту работу, которая поручена работодателем. 1.5. В процессе работы при резке металла на ножницах на работника возможно воздействие следующих опасных и вредных производственных факторов: шум, запыленность, неблагоприятные параметры микроклимата, опасность порезов рук при установке листов на стол и возможность попадания пальцев рук работников под ножи и прижимы. 1.6. Спецодежда, спецобувь и другие средства индивидуальной защиты выдаются работникам в соответствии с действующими нормами и выполняемой работой. 1.7. Спецодежду, спецобувь и другие средства индивидуальной защиты следует хранить в специально отведенных местах с соблюдением правил хранения и применять в исправном состоянии. 1.8. Работникам необходимо соблюдать правила пожарной безопасности, знать сигналы оповещения о пожаре, места расположения средств пожаротушения и уметь пользоваться ими. 1.9. При несчастном случае прекратить работу, известить об этом руководство и обратиться за медицинской помощью. 1.10. При несчастном случае с другим работником следует оказать ему первую доврачебную помощь и отправить в медицинское учреждение. 1.11. Работникам, выполняющим работы с ножницами, необходимо соблюдать правила личной гигиены (мыть руки с мылом или принимать душ). 1.12. В случае возникновения в процессе работы каких-либо вопросов, связанных с ее безопасным выполнением, следует обратиться к работнику, ответственному за безопасное производство работ. 52 1.13. Работники, не выполняющие требования настоящей инструкции, несут ответственность согласно действующему законодательству Российской Федерации. 2. ТРЕБОВАНИЯ ОХРАНЫ ТРУДА ПЕРЕД НАЧАЛОМ РАБОТЫ 2.1. Перед началом работы следует привести в порядок рабочую одежду: — заправить одежду так, чтобы не было свисающих частей; — надеть облегающий головной убор, заправить под него волосы. 2.2. Отрегулировать местное освещение так, чтобы рабочая зона была достаточно освещена, и свет не слепил глаза. 2.3. Подготовить исправный и устойчивый инвентарь для укладки листов и нарезанных заготовок (столы, этажерки и т.п.), а также тару для обрезков. При наличии механизации стапелирования и уборки нарезанных полос строго следить за исправностью механизмов. Листы, подлежащие раскрою, следует располагать примерно в одной плоскости со столом ножниц и невдалеке от них. 2.4. Внешним осмотром убедиться в исправности силовой электропроводки и ограждений других частей, находящихся под напряжением, а также в отсутствии обрыва проводника защитного заземления. 2.5. Убедиться в наличии и надежности крепления ограждений всех движущихся частей передаточного механизма приводных ножниц (шкивов, ремней, шестерен, маховиков, валов), а также предохранительных линеек или подвижных прижимов и ножей. 2.6. При педальном включении проверить наличие щитка, ограждающего педаль сверху. Опробовать усилие нажатия на педаль: оно должно быть не очень слабым, но и не сильным (2,5-3,6 кг). 2.7. Проверить крепление и правильность установки ножей в соответствии с толщиной и твердостью материала, подлежащего раскрою, а также правильность их заточки. 2.8. На механических ножницах следует проверить на холостом ходу отсутствие сдвоенных ударов (исправность муфты включения), а также надежность работы тормоза. 2.9. На ручных ножницах проверить положение противовеса: он должен препятствовать произвольному опусканию рычага-ножедержателя вниз и возвращать его в верхнее положение при опускании рычага. 53 2.10. Закрепить жестко упоры, фиксирующие разрезаемый лист в соответствии с предстоящей работой. Длина нарезаемых полос должна быть меньше расстояния между направляющими стержнями упора. 2.11. Приготовить необходимый во время работы инструмент, предусмотренный технологией, проверить его исправность и расположить на специальной тумбочке вблизи ножниц в порядке, удобном для пользования. 3. ТРЕБОВАНИЯ ОХРАНЫ ТРУДА ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ 3.1. Все операции с листовым материалом: транспортировку, укладку, подачу к ножницам, сбор, сортировку и удаление обрезков следует производить только в исправных рукавицах. 3.2. Работая с подручным, согласовывать свои действия с его работой и предупреждать о пуске ножниц. 3.3. Листовой материал, подлежащий разрезке, следует надежно укладывать на специальные столы или подставки ровными стойками. 3.4. Не допускать скопления у ножниц нарезанных заготовок и обрезков. Следить, чтобы обрезки не попадали под пусковую педаль. 3.5. Не допускается работа с ножницами, смазанными жиром или маслом. Ножи должны быть сухими; при загрязнении их следует протирать и очищать от окалины специальными щетками или кистями. Ножницы при этом следует отключить. 3.6. Если в процессе работы наблюдаются загибание кромок и образование заусенцев у разрезаемого листа, следует проверить правильность зазора между ножами. Зазор между ножами ножниц должен быть не более 0,05 толщины разрезаемого листового материала. 3.7. Образовавшиеся заусенцы удалять зачисткой на специальных абразивных кругах или специальными скребками (у тонкого материала). 3.8. Не допускается вводить руки в пространство между ножами при включенных ножницах и резать без предохранительной линейки. 3.9. Не допускается резать материал толщиной большей, чем допустимо паспортом ножниц и разрезать несколько листов одновременно. 3.10. Не допускается снимать упоры, ограничивающие подачу материала, предохранительные линейки и подвижные ограждения ножей и прижимов. Подвижное ограждение должно быть на петлях. 54 3.11. Необходимо следить за плотным прилеганием полосы и листа к столу ножниц; при обработке листов и полос, превышающих размеры стола, следует применять специальные приставки и упоры. 3.12. При резке листов малого размера и остатков листа следует подавать материал при помощи специального приспособления, а не руками. 3.13. В случае недостаточной устойчивости стола работу прекратить и надежно закрепить стол. 3.14. При резке на ручных ножницах положить на стол лист до упора, одной рукой прижать лист к столу, а другой опустить рычаг-ножедержатель. 3.15. При работе на гильотинных ножницах следует строго следить за наличием ограждения прижимов и ножей. Ограждение необходимо сблокировать с включением ножниц. Допускается ограждение ножей и прижимов неподвижной предохранительной линейкой, установленной перед прижимами. Зазор между материалами и нижней гранью линейки не должен превышать 6 мм. 3.16. Работать без предохранительных устройств ножей и прижимов, исключающих попадание рук под ножи, не допускается. 3.17. При работе ножницами не допускается применение вспомогательных рычагов для удлинения ручек или резка с ударами по лезвиям или ручкам. 3.18. Резчику следует включать ножи только после того, как он лично убедился в том, что деталь установлена правильно и его подручный не касается обрабатываемой детали. 3.19. Резать металл на ножницах, удерживая его на весу руками, не допускается. Выполняя резку коротких узлов, полос и мелких деталей, придерживать их плоскогубцами. 3.20. В процессе резки на гильотинных ножницах не допускается находиться подручному или другому работнику с задней стороны ножниц и вблизи вертикального ползуна. 3.21. Следует следить за исправным состоянием и прочным креплением ножей гильотинных ножниц, периодически проверяя затяжку прижимов и болтов на отсутствие ослабления. В случае обнаружения неисправности следует выключить электромотор и только после этого приступить к ее устранению. 55 3.22. После нажатия на педаль гильотинных ножниц поправлять лист металла не допускается. 3.23. При резке на гибочном станке не допускается поправлять на ходу вальцы, материал и смахивать окалину руками. 3.24. Вырезая металлические заплаты, острые углы, края и заусенцы следует тщательно зачистить, чтобы исключить травмирование рук. 4. ТРЕБОВАНИЯ ОХРАНЫ ТРУДА В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ 4.1. Следует прекратить выполнение работ, отключить используемое оборудование, о случившемся сообщить руководителю работ при возникновении хотя бы одной из следующих неисправностей: — ослабление крепления ножей гильотинных ножниц; — неисправность предохранительного устройства ножей и прижимов; — неисправность противовеса на ручных ножницах; — неисправность тормоза на механических ножницах; — неисправность крепления ограждений всех движущихся частей передаточного механизма приводных ножниц; — неисправность приспособлений; — неисправность силовой электропроводки; — обрыв проводника защитного заземления; — возникновение ситуации, сопряженной с отсутствием освещения. 4.2. При несчастном случае следует: — принять меры к освобождению пострадавшего от действия травмирующего фактора; — оказать пострадавшему первую доврачебную помощь в зависимости от вида травм; — информировать о случившемся руководство; — по возможности сохранить обстановку, если это не приведет к аварии или травмированию других людей; — при необходимости вызвать бригаду скорой помощи по телефону 103 или помочь доставить пострадавшего в медучреждение. 56 4.3. При возникновении пожара: — прекратить работу; — отключить электрооборудование; — вызвать пожарную охрану по телефону 101 и сообщить руководству организации; — приступить к тушению пожара имеющимися средствами пожаротушения. 4.4. При поражении электрическим током следует: — отключить электрооборудование; — пострадавшего освободить от токоведущих частей; — оказать пострадавшему первую доврачебную помощь; — сообщить руководителю организации о случившемся; — при необходимости вызвать бригаду скорой помощи по телефону 103 или помочь доставить пострадавшего в медучреждение. 5. ТРЕБОВАНИЯ ОХРАНЫ ТРУДА ПО ОКОНЧАНИИ РАБОТЫ 5.1. Выключить электромотор и закрыть на замок включающие устройства. 5.2. Протереть ножницы и смазать трущиеся части. Очистить стол от окалины и масла. 5.3. Привести в порядок рабочее место: сложить в ровные стопки остаток материала, убрать в тару или на предназначенное место обрезки, сдать готовую продукцию. 5.4. Собрать использованный обтирочный материал и сложить его в соответствующую тару. 5.5. Убрать на место ручной инструмент. 5.6. Вымыть руки и лицо теплой водой с мылом или принять душ. 5.7. Спецодежду повесить в специально предназначенный для этой цели шкаф. 5.8. Сообщить сменщику и руководителю работ о выполненной работе, обнаруженных при работе неполадках. 57 Модуль 2 Тема 1. Общие сведения о процессе резания металлов и металлорежущих станках. Процесс резания металлов и режущие инструменты Виды обработки металлов резанием. Всякая машина или прибор состоит из деталей, которые изготовляют из различных металлов и сплавов. В процессе изготовления заготовки* подвергают обработке резанием и давлением, термической обработке, антикоррозионным и декоративным покрытиям и т. д. Резание заключается в срезании с заготовки слоя металла (припуска на обработку) для придания ей формы и размеров в соответствии с чертежом детали и производится на металлорежущих станках с применением различного рода приспособлений и режущих инструментов. * (Заготовка - исходная форма полуфабриката для изготовляемой детали.) 58 Металлорежущий станок обеспечивает все необходимые движения заготовки и режущего инструмента. Приспособления используют для правильного ориентирования, а также прочного и удобного закрепления заготовок. Режущий инструмент изменяет форму обрабатываемой заготовки. На рис. 1 даны схемы основных видов обработки металлов резанием: точения, строгания, сверления, фрезерования, протягивания и шлифования. Процесс резания возможен при совмещении двух основных движений: главного движения резания и движения подачи, которым определяется толщина срезаемого слоя. По величине скорость резания во много раз больше подачи. При точении (рис. 1, а) главное движение - вращательное - совершает заготовка, а движение подачи - поступательное - совершает резец вдоль оси заготовки (продольная подача) или перпендикулярно оси заготовки (поперечная подача). При точении эти два движения осуществляются одновременно и непрерывно. Точение применяют для обработки тел вращения (валов, втулок, дисков, заготовок зубчатых колес и др.). 59 Рис. 1. Схемы основных видов механической обработки резанием: а - точения; б - строгания; в - сверления; г - фрезерования; д - протягивания; е - шлифования; 1 - обрабатываемая поверхность; 2 - поверхность резания; 3 - обработанная поверхность Обрабатываемой поверхностью 1 называется та поверхность заготовки, которая будет удалена режущим инструментом в процессе обработки. Поверхностью резания 2 называется поверхность, образуемая на обрабатываемой заготовке непосредственно режущей кромкой инструмента. 60 Эта поверхность является переходной обработанной 3 поверхностями. между обрабатываемой 1 и Обработанной поверхностью 3 называется поверхность детали, полученная в результате обработки. При строгании (рис. 1, б) главным движением резания является прямолинейное движение строгального резца, а подачей - перемещение заготовки в направлении, перпендикулярном движению резания. Срезание металла производится только при движении резца вперед*. Обратный ход резца является холостым. Подача осуществляется периодически во время холостого хода. С помощью строгания можно получить плоские и несложные фасонные поверхности. * (Иногда применяют специальные державки для двустороннего резания.) При сверлении (рис. 1, в) заготовка, как правило, неподвижна, а сверло или другой инструмент для обработки отверстия (зенкер, развертка) получают вращательное движение и подачу. Фрезерование (рис. 1, г) производится при одновременном быстром вращении многозубого инструмента (фрезы) и медленном перемещении заготовки. Фрезерование применяют чаще строгания из-за более высокой производительности* и универсальности. Фрезерованием можно изготовлять также резьбовые фрезы и тела вращения. * (Производительностью станка называется количество деталей, изготовленных на нем в единицу времени (час, смена). ) Протягивание (рис. 1, д) осуществляется при прямолинейном или вращательном движении многозубого режущего инструмента (протяжки) относительно заготовки. Движение подачи отсутствует, а подача обеспечивается конструкцией протяжки, так как каждый последующий зуб выше предыдущего на толщину срезаемого слоя (а = h2 - h1) и по аналогии с другими видами механической обработки эта разность называется подачей или подъемом на зуб (sz). Высокие точность и качество обработанной поверхности, высокая производительность, простота обслуживания протяжных станков дают возможность широко применять протягивание в серийном и массовом производстве. Протягиванием можно изготовлять отверстия и наружные поверхности различной формы. Шлифование (рис. 1, е) производят при быстром вращении (vK) режущего инструмента (шлифовального круга) и относительно медленном вращении (v3) заготовки [vK ≈ (60÷100) v3]. Продольной подачей является возвратнопоступательное движение заготовки вдоль своей оси*. В конце 61 каждого прохода заготовки в направлении продольной подачи s шлифовальный круг подается в радиальном направлении на глубину шлифуемого слоя материала (поперечная подача sn). Существует несколько видов шлифования (наружное и внутреннее круглое, плоское и др.), которые обеспечивают получение поверхностей тел вращения, фасонных и плоских поверхностей с высокой точностью и малой шероховатостью. Шлифование применяют для обработки деталей в закаленном состоянии**. * (При некоторых видах шлифования подача осуществляется шлифовальным кругом (шлифование отверстий и др.). ) ** (При определенных условиях закаленные детали можно обрабатывать резцами.) Механическая обработка резанием может быть предварительной (обдирочной) и окончательной (чистовой), промежуточная между ними называется получистовой. При предварительной обработке к качеству и точности обработанных поверхностей не предъявляется высоких требований, так как в дальнейшем поверхности будут обрабатывать окончательно, для чего оставляют определенный припуск на окончательную обработку. Например детали, которые должны иметь высокую точность и класс чистоты обработанных поверхностей, сначала предварительно обтачивают или фрезеруют, а затем окончательно шлифуют, причем при точении или фрезеровании оставляют соответствующий припуск на шлифование. При изготовлении деталей с высокой точностью и классом чистоты обработанных поверхностей после предварительной или чистовой обработки применяют отделочную обработку (алмазное точение, тонкое фрезерование, шлифование, хонингование и др.). При предварительной обработке снимают стружку большого сечения. Станки для такой обработки должны быть массивными и иметь мощный приводной двигатель. При чистовой и особенно при отделочной обработке снимают стружку небольшого сечения при высокой скорости резания. 62 Рис. 2. Элементы режущих инструментов: а - токарный резец; б цилиндрическая фреза; А - пластинка из твердого сплава; Б - головка резца; В державка; Е - зуб фрезы; К - шпоночный паз; 1 - передняя поверхность; 2 главная режущая кромка; 3 - главная задняя поверхность; 4 - вспомогательная задняя поверхность; 5 - вершина резца; 6 - вспомогательная режущая При обработке металлов применяют режущие инструменты разнообразных форм и конструкций. Простейшей формой режущего инструмента является токарный резец (рис. 2, а). Резец имеет рабочую часть - головку Б, на которой расположены режущие элементы, и державку* В, предназначенную для установки и закрепления резца на станке (в оправке или резцедержателе). * (У многозубых стержневых инструментов (фрез, сверл, разверток и др.) зажимная часть называется хвостовиком. ) Заточкой достигается клинообразная форма головки резца для внедрения в обрабатываемый материал и резания. На рис. 2, б показан многозубый инструмент - цилиндрическая фреза, которую можно себе представить состоящей из восьми резцов (зубьев) Е. Такая фреза называется насадной, так как она насаживается на круглую оправку и фиксируется от проворота шпоночным пазом К. На головке резца расположены рабочие поверхности 1, 3 и 4 и режущие кромки 2 и 6, на зубьях фрезы находятся рабочие поверхности 1 и 3 и режущие кромки 2. Режущий инструмент должен быть по возможности дешевым, жестким и виброустойчивым, а его рабочая (режущая) часть должна еще обладать высокой твердостью (HRC 60-65) при достаточной прочности, высокой износостойкостью и способностью работать при высоких температурах в зоне резания без значительной потери режущих свойств*. Режущие свойства инструментов в основном обеспечиваются высоким качеством материала, из которого их изготовляют. * (Это свойство режущего инструмента называется красностойкостью или теплостойкостью. ) Материал режущих инструментов значительно дороже конструкционных сталей, и поэтому для уменьшения стоимости режущих инструментов разрабатывают такие конструкции, на которые тратилось бы минимальное количество дорогостоящего материала. Например, большинство резцов изготовляют из конструкционных сталей марок 45 и 50; в резцах фрезеруют гнезда под пластинки из высококачественных материалов. Пластинки А вставляют в гнезда державок и припаивают (рис. 2, а) или прикрепляют механическим способом. Крупные фрезы делают со вставными ножами. Кроме высокой режущей способности, инструментальный материал должен также иметь хорошие технологические свойства. Наиболее важным из этих 63 свойств является хорошая обрабатываемость при изготовлении режущих инструментов. При резании должно получаться хорошее качество обработанной поверхности, а при термической обработке инструментальный материал должен хорошо прокаливаться и иметь минимальные деформации, что очень важно для длинных инструментов. При пайке и заточке не должно получаться микротрещин, чтобы не было выкрашивания и поломки пластинок в процессе работы инструмента. Перечисленным выше требованиям удовлетворяют применяемые в настоящее время следующие материалы: инструментальные стали - углеродистые, легированные и быстрорежущие; металлокерамические твердые сплавы; минералокерамические материалы; абразивные материалы и алмазы. Углеродистые инструментальные стали представляют собой сплавы железа с углеродом. Чем больше содержится в стали углерода, тем выше ее твердость и износостойкость, но меньше ударная вязкость и больше хрупкость. Для металлорежущих инструментов применяют углеродистые инструментальные стали с содержанием углерода в пределах 0,65-1,35%, что соответствует маркам У7-У13 и У7А-У13А. Недостатком инструментов из этих сталей является низкая теплостойкость - они теряют свои режущие свойства при температуре 200-250° С. Поэтому в настоящее время из углеродистых сталей марок У10А и У12А изготовляют инструменты для обработки отверстий малых диаметров (сверла, развертки) и резьбовые инструменты (метчики, плашки). Из низкоуглеродистых сталей марок У7А, У8А и У9А изготовляют штампы и слесарный ударный инструмент (зубила, кернеры, клейма и др.). Легированные инструментальные стали более качественны, чем углеродистые, благодаря наличию в них легирующих (улучшающих) элементов - хрома, вольфрама, марганца, ванадия, кремния и др. Легированная сталь, имея в своем составе один или несколько из указанных элементов, обладает более высокой износостойкостью, чем углеродистая сталь, выдерживает в процессе резания температуру до 300° С и инструменты из нее могут работать на несколько больших скоростях резания по сравнению с инструментами из сталей У10А-У12А. Для режущих инструментов применяют в основном стали марок 9ХС, ХВГ, ХбВФ (буквами обозначаются легирующие элементы: X - хром, В - вольфрам, Г - марганец, С - кремний, Ф ванадий). Из легированных инструментальных сталей изготовляют: сверла, фрезы, резьбонарезной инструмент (метчики, плашки), протяжки. Быстрорежущие стали сохраняют режущую способность при нагреве до 600-700° С. Из легирующих элементов в этих сталях больше всего вольфрама (до 17,5-19%). Стандартизованы и применяют быстрорежущие стали марок Р18, Р9, Р18Ф2, Р9Ф5, Р9К5, Р9КЮ, Р18К5Ф2 и др. (буква Р означает 64 быстрорежущая, а цифра за ней - среднее содержание вольфрама в процентах, цифры за буквами К и Ф соответственно показывают среднее содержание кобальта и ванадия в процентах). Быстрорежущие стали с повышенным содержанием кобальта и ванадия более производительны (теплостойкость 700° С). Из быстрорежущих сталей изготовляют все инструменты, которые по тем или иным причинам не могут оснащаться металлокерамическими твердыми сплавами. Металлокерамические твердые сплавы имеют технологический процесс изготовления, подобный технологическому процессу производства керамических изделий. Твердые сплавы высокопроизводительны, так как обладают высокой твердостью (HRA87-92) и теплостойкостью (800-900° С). Широкое распространение имеют две группы сплавов: вольфрамовые, состоящие из карбидов вольфрама, сцементированных кобальтом, и вольфрамотитановые, состоящие из карбидов вольфрама, карбидов титана и кобальта. Кобальт в сплавах является связующим элементом и с увеличением его содержания увеличивается прочность сплава, но уменьшается твердость и износостойкость. Для режущих инструментов применяют твердые сплавы с содержанием кобальта не более 12-15%. Вольфрамовые сплавы применяют для обработки деталей из чугунов, цветных металлов и сплавов и неметаллических материалов (пластмасса, фибра, резина и др.). Вольфрамотитановые сплавы применяют для обработки стальных деталей. Твердые сплавы изготовляют в виде пластинок различной формы или насадных коронок (фрезы-коронки и др.) по следующей схеме. Порошкообразные составляющие сплава тщательно перемешивают, затем полученную смесь прессуют в специальных прессформах под давлением 10001500 кГ/см2*. Полученные заготовки (полуфабрикаты) подают в специальные электропечи, где их спекают при температуре 1400-1500° С. Пластинки или коронки припаивают к державкам, а затем затачивают. * (По системе СИ 1 кГ /см2 = 98066,5 н/м2. ) Металлокерамические твердые сплавы при всех положительных качествах имеют существенный недостаток - малую прочность (примерно в 2-2,5 раза меньше, чем у закаленных быстрорежущих сталей). Для компенсации этого недостатка промышленностью выпускается ряд сплавов с различной прочностью, а в конструкциях инструментов стремятся, где это возможно, обеспечить работу пластинок на сжатие, а не на изгиб (при сжатии пластинки твердого сплава допускают примерно такие же нагрузки, как и быстрорежущая сталь). Жесткость системы станокприспособлениеинструмент-деталь (СПИД) должна быть высокой. Вольфрамовые сплавы выпускают следующих марок: ВК2, ВКЗМ, ВК4, В Кб, 65 ВК6М, ВК8, ВК8В, вольфрамотитановые - Т5К12В, Т5КЮ, Т14К8, Т15К6, Т30К4. Буква М указывает на мелкозернистость сплава, а буква В на крупнозернистость. При выборе марки твердого сплава руководствуются следующим: для предварительной обработки и особенно при ударных и переменных нагрузках следует применять более прочные сплавы, т. е. те, в которых имеется больше кобальта; для чистовых работ (небольшие нагрузки) следует применять более твердые сплавы, в которых меньше кобальта. Например, сплав Т30К4 как наиболее твердый и износостойкий из группы вольфрамотитановых сплавов целесообразно применять при чистовой и тонкой обработке сталей (с небольшими и равномерными нагрузками) на высоких скоростях резания. Освоены новые твердые сплавы, в которых, помимо карбидов вольфрама и титана, имеется карбид тантала. Эти сплавы, называемые титанотанталовольфрамовые, по своей режущей способности и прочности являются промежуточными между быстрорежущей сталью и вольфрамотитановыми сплавами. Стандартные сплавы марок ТТ7К12 и ТТ7К15 содержат 4% карбида титана, 3% карбида тантала и соответственно 12 и 15% кобальта (остальное карбид вольфрама). Эти два сплава, как и вольфрамотитановый сплав марки Т5К12В, более прочные, чем остальные, и могут успешно применяться при предварительной обработке деталей из сталей с ударными и переменными нагрузками. Высокое качество современных твердых сплавов дает возможность использовать их не только для оснащения режущих инструментов различного рода пластинками, но и изготовлять из некоторых марок монолитный твердосплавный инструмент (сверла, зенкеры, различного рода фрезы). Монолитный инструмент изготовляют двумя способами. Первый способ заключается в том, что нужная форма инструмента в окончательном виде формируется в специальной прессформе. Исходным материалом является мелкозернистый порошок с химическим составом, соответствующим определенной марке твердого сплава. Затем полуфабрикаты подвергают двукратному спеканию. Если полученный инструмент имеет форму коронок, то его припаивают к державкам, а затем затачивают. Если инструмент насадной, то его затачивают и надевают на соответствующие оправки. Второй способ изготовления малогабаритных монолитных твердосплавных инструментов разработан Всесоюзным научно-исследовательским институтом твердых сплавов (ВНИИТС). Этот способ заключается в том, что методами порошковой металлургии изготовляют пластифицированные твердосплавные заготовки из мелкозернистой смеси. Основными операциями технологического процесса изготовления фасонного твердосплавного инструмента являются: 66 • • • получение пластифицированных заготовок; механическая обработка заготовок для придания им нужной формы увеличенных размеров; спекание обработанных пластифицированных заготовок; шлифование, заточка и, если необходимо,доводка инструмента. Пластифицированные заготовки изготовляют в виде дисков (с центральным отверстием и без него), цилиндров, стержней, брусков и плиток разных размеров. После предварительного спекания пластифицированные заготовки имеют достаточную прочность и могут быть подвергнуты точению, фрезерованию и другим видам обработки. После механической обработки линейные размеры заготовки должны быть на 26-30% больше окончательных размеров инструмента, так как при спекании происходит усадка сплава (коэффициент усадки 1,25-1,3). Этим способом изготовляют различные инструменты из сплава ВК6М. Такие инструменты дали возможность повысить производительность в 2-3 раза по сравнению с инструментами из быстрорежущей стали. Применение малогабаритных твердосплавных инструментов в приборостроении дает возможность отказаться от малопроизводительных инструментов из легированных и быстрорежущих сталей. Из пластифицированных заготовок (сплавы ВК15М и ВК20М) изготовляют детали штампов. Такие штампы более долговечны и повышают точность штамповки. Минералокерамические материалы применяют для режущих инструментов в виде пластинок, изготовленных прессованием и специальным спеканием из окиси алюминия (А1203). Минералокерамические материалы обладают высокой твердостью (HRA 90-95) износостойкостью и теплостойкостью (до 1100-1200° С) и значительно меньшей стоимостью, чем твердые сплавы. Однако минералокерамические материалы еще более хрупки, чем твердые сплавы, и их можно применять только для окончательной обработки металлов. Пластинки из минералокерамики присоединяют к державкам прижимами, но их можно также припаивать или приклеивать специальными припоями и клеем. Алмазы применяют для оснащения резцов и изготовления различного рода шлифовальных кругов и паст для притирки. Алмазы обладают высокой твердостью и износостойкостью, сохраняют остроту режущих кромок в течение срока, исчисляемого месяцами работы, обеспечивают высокую точность и качество обработанных поверхностей, что создает стабильность размеров обработанных деталей партией 50-200 тыс. шт. Для получения резцов мелкие алмазы в 0,2-1,4 карата (1 карат равен 0,2 г) крепят в специальных державках путем припайки или механически. Алмазные 67 инструменты применяют главным образом для окончательного точения, фрезерования и шлифования металлов, а также доводки деталей из керамики, ситаллов*, закаленных сталей и других твердых материалов. Чугунными дисками, шаржированными алмазным порошком, окончательно затачивают и доводят режущие инструменты, в том числе и алмазные. Для изготовления державок и корпусов инструментов используются стали марок 40, 40Х, 45, 40ХН. Тема 2. Металлорежущие станки. Современные металлорежущие станки являются одними из наиболее совершенных машин, в которых широко используют технические достижения (средства электроники и автоматики, электрические, механические, гидравлические, пневматические и другие устройства). Металлорежущие станки классифицируют по следующим основным признакам: степени универсальности, степени точности, основному технологическому назначению и виду применяемого режущего инструмента, степени автоматизации управления, весу и габаритам. По степени универсальности различают: 1. Универсальные станки, предназначенные для выполнения различных работ при изготовлении разнообразных деталей в широком диапазоне габаритных размеров (токарно-винторезные, фрезерные широкого назначения, шлифовальные для наружного и внутреннего шлифования и др.). 2. Специализированные станки, предназначенные для обработки одной или нескольких однотипных деталей в узком диапазоне габаритных размеров 68 (для обработки ступенчатых валиков, зубообрабатывающие, револьверные, резьбонарезные и др.). 3. Специальные станки, применяемые для обработки деталей одного типоразмера или выполнения определенной работы на однотипных деталях нескольких размеров (для фрезерования мелкомодульных зубчатых колес и трибов, копировальные для обработки кулачков и др.). По степени точности бывают станки нормальной точности и высокой точности (прецизионные). По основному технологическому назначению и виду применяемого режущего инструмента различают станки: токарные, сверлильные, строгальные, фрезерные, зубообрабатывающие, шлифовальные и др. По степени автоматизации управления различают: 1. Станки с ручным управлением, в которых процесс резания осуществляется автоматически, а все вспомогательные приемы работы (пуск и останов станка, подвод и отвод инструмента, установка и съем детали и др.) производятся рабочим. 2. Полуавтоматы - станки, работающие по заданному автоматическому циклу. Рабочий или наладчик, обслуживающий станок, производит его первичную наладку, а затем в процессе работы пускает станок в ход, устанавливает и снимает обрабатываемые детали, проверяет их качество и при необходимости производит подналадку станка. 3. Автоматы - станки, у которых автоматизированы все рабочие и вспомогательные (холостые) движения. Наладчик производит первичную наладку станка, а в процессе работы - контроль и подналадку. В зависимости от веса станки разделяют на легкие (весом до 1 т), средние (до 10 т) и тяжелые (свыше 10 т). В приборостроении применяют главным образом легкие станки, причем многие из них устанавливают на столы или верстаки (токарные, сверлильные, резьбонарезные). Для обозначения моделей станков принята система, разработанная экспериментальным научно-исследовательским институтом металлорежущих станков (ЭНИМС). По этой системе станку каждой модели присваивается шифр, состоящий из трех или четырех цифр, а иной раз из комбинации цифр и букв. Все применяемые станки разбиты на девять групп, а в каждой группе имеется 69 до девяти типов. Первая цифра указывает группу станков (1 - токарные, 2 сверлильные и расточные, 3 - шлифовальные и полировальные, 4 комбинированные, 5 - зубо- и резьбообрабатывающие, 6 - фрезерные, 7 строгальные, долбежные и протяжные, 8 - разрезные, 9 - разные), вторая цифра определяет тип станка в данной группе, третья цифра или третья и четвертая вместе дают представление об основных технических возможностях станка: для токарных станков - высота центров над станиной, для сверлильных - максимальный диаметр отверстия, которое можно просверлить на данном станке, и т. д. Буквы, расположенные между цифрами или в конце шифра, указывают на модернизацию (совершенствование) базовой модели станка. Для примера разберем обозначения нескольких моделей металлорежущих станков*. (В учебниках и учебных пособиях по металлорежущим станкам приводится полная таблица классификации станков отечественного производства по группам и типам.) * Станок мод. 1620 - универсальный токарный винторезный станок с высотой центров над станиной 200 мм. Станок мод. 1К620 представляет собой усовершенствованный станок на базе модели 1620 (более высокая точность и плавное изменение скорости вращения обрабатываемых деталей). Станок мод. 2106 - вертикальный сверлильный настольный станок; наибольший диаметр сверления 6 мм. Кинематика металлорежущих станков Каждый металлорежущий станок имеет рабочие органы, которым сообщаются определенные движения в зависимости от характера выполняемых работ. При изучении и эксплуатации металлорежущих станков пользуются кинематическими схемами. Кинематическая схема станка состоит из кинематических цепей, которые, в свою очередь, включают кинематические пары и звенья. Кинематическим звеном называется деталь механизма (или группа деталей, жестко соединенных между собой), связанная с другой деталью. Кинематическими звеньями являются зубчатые колеса, ходовые винты, гайки, звездочки, рейки, шкивы и др. Совокупность двух звеньев называется кинематической парой (два зубчатых колеса, винт и гайка, червяк и зубчатое колесо и т. д.). При составлении кинематических схем пользуются стандартными условными обозначениями. В табл. 1 приведены условные обозначения 70 наиболее важных и часто встречающихся кинематических пар станков. 71 72 Таблица 1. Условные обозначения для кинематических схем ГОСТ 3462-81 Несмотря на большое количество типов станков и разнообразие конструкций в них есть много общего в отношении движений органов, построения кинематических цепей и в типичности применяемых механизмов. Это облегчает изучение станков и дает возможность установить единую методику настройки для большинства из них. Под кинематической настройкой станка понимается установление определенных кинематических связей между отдельными его органами для получения необходимого относительного движения обрабатываемой детали и режущего инструмента. Движения в станках. В металлорежущих станках различают два вида движений: основные (рабочие) и вспомогательные. Соответственно кинематические цепи, обеспечивающие эти движения, называются основными или вспомогательными. К основным движениям относят главное движение (движение резания) и движение подачи. Главное движение может быть вращательным (вращение заготовки или режущего инструмента на токарных, сверлильных, фрезерных, шлифовальных и других станках) или возвратно-поступательным (на строгальных, долбежных, протяжных и других станках). Движение подачи также может быть вращательным или прямолинейным и сообщаться заготовке или режущему инструменту. Кинематическая цепь главного движения обеспечивает необходимую скорость резания v, которая измеряется в м/мин (у шлифовальных станков в м/сек). Величина подачи s измеряется: в миллиметрах на один зуб для многозубых инструментов (фрез, протяжек); в миллиметрах на один оборот заготовки или режущего инструмента (токарные, сверлильные, круглошлифовальные и другие станки); в миллиметрах в минуту минутная подача (фрезерные станки); в миллиметрах на один двойной ход (строгальные и долбежные станки). Вспомогательными движениями в металлорежущих станках называются такие, которые непосредственно не участвуют в процессе резания (в процессе формообразования детали), но необходимы для установки и снятия обрабатываемых деталей, подвода и отвода режущих инструментов, автоматизации управления станком, контроля размеров и качества обработанных поверхностей и т. д. В отдельных станках имеются специфические движения, присущие только одному типу или группе станков. Например, у станков для обработки зубчатых колес по методу обката имеются движения деления и 73 обката, которые обеспечивают образование нужного зубчатого венца у обрабатываемой заготовки. Передачи и передаточные отношения. Основными механическими передачами (кинематическими парами), применяемыми в металлорежущих станках, являются: ременная, зубчатая, цепная, червячная, храповая, реечная, винтовая. В каждой передаче различают: ведущий вал (вщ), передающий движение, и ведомый (ем), принимающий движение. Передаточным отношением кинематической пары называется отношение числа оборотов ведомого вала к числу оборотов ведущего (рис. 3): Рассмотрим основные передачи в станках. Рис. 3. Механические передачи: а - ременная; б - зубчатая цилиндрическая; в - цепная; г - червячная; д - зубчатая реечная; е - винтовая Ременная передача (рис. 3, а) состоит из двух шкивов, закрепленных на валах, и ремня (плоского или клиновидного). Эта передача проста по конструкции, обеспечивает плавность движения. В настоящее время наибольшее распространение имеет клиноременная передача, так как она компактна и может передавать значительно большую мощность (с увеличением сечения и количества ремней), чем плоскоременная передача. Недостатком ременной пер дачи является скольжение ремня, что не обеспечивает постоянства передаточного отношения, поэтому ременные 74 передачи не применяют в точных отсчетных кинематических цепях (для нарезания резьбы, деления и обкатки и др.). Без учета скольжения ремня линейные скорости точки А на ведущем шкиве и точки Б на ведомом равны окружной скорости ремня: откуда где n1 и n2 - числа оборотов ведущего и ведомого шкивов в минуту; d1 и d2 - диаметры ведущего и ведомого шкивов в мм. С учетом скольжения ремня число оборотов ведомого шкива (вала) где γ = 0,97÷0,98 - коэффициент, учитывающий скольжение ремня. Зубчатая передача (рис. 3, б) состоит из двух или более находящихся в зацеплении зубчатых колес (цилиндрических или конических) с прямыми или винтовыми зубьями. Зубчатые передачи широко применяют в металлорежущих станках, так как они надежны в работе, обеспечивают постоянное передаточное отношение, компактны и могут передавать большие мощности. Недостатком зубчатых колес является создаваемый шум, но в современных зубчатых передачах и этот недостаток почти устранен вследствие высокой точности профиля зубьев и качества рабочих поверхностей. Исходя из равенства линейных скоростей точек профиля зубьев по делительной окружности, имеем откуда 75 где m - модуль зубьев зубчатых колес в мм; z1 и z2 - число зубьев ведущего и ведомого колес. Цепная передача состоит из двух металлических звездочек, кинематически связанных цепью (рис. 3, в). Эта передача не имеет проскальзывания, может передавать значительные крутящие моменты и применяется взамен ременной передачи в тех случаях, когда происходит интенсивный износ и разрушение ремней (на станках с обильным охлаждением и др.). У цепной передачи, аналогично зубчатой, где z1 и z2 - числа зубьев ведущей и ведомой звездочек. Червячная передача (рис. 3, г) состоит из червяка и червячного зубчатого колеса. Ведущим звеном является червяк. Червячную передачу применяют для осуществления вращательного движения между валами со скрещивающимися осями, с резким понижением числа оборотов ведомого вала (с помощью червячной пары можно получить ). Червяк может быть с однозаходной и многозаходной трапецеидальной резьбой; за один оборот червяка червячное колесо повернется на число зубьев, равное числу заходов червяка. Передаточное отношение червячной пары где n2 - число оборотов червячного колеса в минуту; n1 - число оборотов червяка в минуту; k - 76 число заходов червяка; zч. к - число зубьев червячного колеса. Зубчатая реечная передача (рис. 3, д) состоит из зубчатого колеса (реечного) и рейки и предназначена для преобразования вращательного движения в прямолинейное и наоборот. Величина минутного пути рейки где t - шаг зубьев рейки в мм; zр.к - число зубьев реечного колеса; n - число оборотов реечного колеса в минуту; m - модуль зубьев реечного колеса в мм. Винтовая передача (рис. 3, е) состоит из винта и гайки с трапецеидальной или прямоугольной резьбой и применяется для преобразования вращательного движения в поступательное. Винтовую передачу используют в цепях движения подачи и для различных установочных перемещений. Обычно ведущим является винт, и при его вращении поступательно перемещается гайка вместе с каким-то узлом станка (подача суппортов* с режущими инструментами в станках токарной группы и др.). Возможны конструкции, у которых гайка неподвижна, а винт, вращаясь, перемещается прямолинейно внутри гайки вместе со столом станка (фрезерные станки). Величина минутного (прямолинейного) пути винта или гайки где t - шаг резьбы винта и гайки в мм; k - число заходов винта; n число оборотов винта в минуту. (Суппортом называется узел станка, на котором установлены и закреплены режущие инструменты.) * 77 Храповая передача (рис. 4) состоит из храпового колеса и храповой собачки, связанной с кривошипно-шатунным механизмом. За один оборот кривошипного диска храповая собачка 2 делает два качательных движения на угол а, чем осуществляется поворот храпового колеса 1 на угол а в одном направлении. Рис. 4. Храповая передача: 1 - храповое колесо; 2 - храповая собачка; 3 рычаг; 4 - пружина; 5 - кнопка Качательное движение храповой собачки в обратном направлении является холостым. Храповая передача применяется для осуществления прерывистого вращательного или поступательного движения (строгальные и долбежные станки). Для создания периодической (прерывистой) подачи винтовая передача соединяется в одну цепь с храповым механизмом (строгальные и долбежные станки); в этом случае величина подачи за один двойной ход стола с обрабатываемой заготовкой или ползуна с режущим инструментом где х - количество зубьев храпового колеса, захватываемых собачкой за один ход, в мм [качание на угол а (рис. 4)]*; z - число зубьев храпового колеса; i - передаточное отношение между храповым колесом и ходовым винтом**; t - шаг ходового винта в мм; k - число заходов резьбы ходового винта. 78 ( , если число получается дробным, то оно округляется до ближайшего меньшего целого числа.) * (Если храповое колесо непосредственно насажено на ходовой винт, то i = 1) ** Рассмотренные передачи в станках компонуют в кинематические цепи. Общее передаточное отношение цепи, состоящей из k последовательно включенных передач, равно произведению всех частных передаточных отношений: Число оборотов последнего звена цепи (ведомого) где n1 - число оборотов первого (ведущего) звена цепи за минуту. Пример. Определить величину перемещения рейки (рис. 5) в минуту, если модуль реечного колеса m = 2 мм. Рис. 5. Схема для решения кинематической цепи 79 Решение. Первым ведущим валом является вал приводного электродвигателя I; последним ведомым валом будет вал VII, на котором закреплено реечное колесо. Определив число оборотов вала VII и умножив его на длину делительной окружности реечного колеса (πmzч. к), получим величину минутного пути рейки или (0,98 = γ - коэффициент, учитывающий скольжение ремня). Чтобы обеспечить производительную обработку и получение качественных деталей, необходимо подбирать соответствующие скорости главного движения и подачи. В металлорежущих станках имеются механизмы и устройства для изменения величины скорости заготовки и режущего инструмента - коробки скоростей и подач. При точении изменяется число оборотов заготовки и величина линейного перемещения - подачи режущего инструмента. При фрезеровании изменяется число оборотов режущего инструмента и величина подачи заготовки. В металлорежущих станках применяют ступенчатое и бесступенчатое регулирование скоростей резания и подачи. У станка со ступенчатым регулированием имеется только определенный ряд чисел оборотов и подач в пределах регулирования а это означает, что между величинами чисел оборотов или подач имеются разрывы "ступени". У станка с бесступенчатым регулированием чисел оборотов изменение их производится плавно, т. е. в пределах регулирования можно установить любое число оборотов. Скоростью резания при вращательном движении будет линейная скорость точек, расположенных на поверхности вращающейся заготовки или режущего инструмента: 80 где D - диаметр заготовки или инструмента; n - число оборотов заготовки в минуту. Для получения заданной наиболее выгодной скорости резания, допускаемой режущим инструментом и условиями обработки, необходимо установить соответствующее число оборотов заготовки На металлорежущих станках с бесступенчатым регулированием можно установить требуемое число оборотов, если оно находится в пределах регулирования. При ступенчатом регулировании придется установить на станке ближайшее большее или меньшее к расчетному число оборотов, если последнее не совпало с числом оборотов, имеющемся в ряде станка. Например, у станка имеется ряд чисел оборотов шпинделя: 100, 141, 200, 282, 400; расчетное число оборотов nр = 350 об/мин, следовательно, мы можем установить на станке 282 (нижняя ступень) или 400 об/мин (верхняя ступень). Установив 400 об/мин, мы завышаем скорость резания на 12%, что приведет к быстрому затуплению инструмента. Установив 282 об/мин, мы занижем скорость резания на 20%. Таким образом, ступенчатое регулирование чисел оборотов шпинделя почти всегда вызывает некоторую потерю скорости резания и снижение производительности обработки. Однако ступенчатое регулирование скоростей в металлорежущих станках более распространено, чем бесступенчатое, из-за большей надежности и простоты конструкции. В металлорежущих станках принят ряд чисел оборотов шпинделей, построенный по геометрической прогрессии. Каждое последующее число (большее) такого ряда равно предыдущему, умноженному на знаменатель прогрессии υ. Если обозначить минимальное число оборотов nmin = n1, то геометрический ряд чисел оборотов будет иметь следующий вид: 81 где z - число различных чисел оборотов в ряде (число ступеней). Преимущество геометрического ряда чисел оборотов заключается в том, что относительная потеря скорости резания (из-за необходимости работать на меньшем числе оборотов шпинделя по сравнению с наивыгоднейшим расчетным пр) остается постоянной на всех ступенях ряда и зависит только от величины знаменателя ряда υ. Значения знаменателей υ геометрических рядов стандартизованы: 1,06; 1,12; 1,26; 1,41; 1,58; 1,78; 2. Чем больше величина знаменателя ряда υ, тем больше разность между числами оборотов в ряде. В универсальных станках применяют ряды чисел оборотов с меньшими значениями υ, а в специализированных и специальных станках - ряды с большими значениями υ. Ряды подач и чисел двойных ходов (у станков возвратнопоступательным движением резания) строят также геометрической прогрессии. с по Отношение максимального числа оборотов шпинделя станка к минимальному называется диапазоном регулирования чисел оборотов: Аналогично диапазон регулирования подач Диапазон регулирования скоростей резания и подач в некоторой мере дает представление о степени универсальности станка. Для универсальных станков станков 1К62 для специализированных например, у токарно-винторезного станка мод. 82 (Большая величина Rn объясняется тем, что станок модернизирован путем повышения верхнего предела чисел оборотов при сохранении нижнего предела.) * а у многорезцового полуавтомата мод. 1730 Диапазон регулирования чисел оборотов связан со знаменателем ряда υ: Следовательно, Бесступенчатое регулирование скоростей может производиться механическими, гидравлическими и электрическими устройствами. Привод металлорежущих станков. Приводом называется совокупность устройств (механизмов), передающих движение рабочим органам станка от источника движения. Привод может быть групповым (трансмиссионным), когда источником движения для группы, станков является один мощный электродвигатель, или индивидуальным, когда каждый станок имеет один или несколько приводных электродвигателей. В последнем случае различают приводы: главного движения, подач, быстрых холостых перемещений и т. д. В настоящее время из-за ряда своих недостатков групповой привод в приборостроении почти не применяется. В систему электрического привода входят: электродвигатель (или несколько двигателей), аппаратура управления двигателем, механические передачи, связывающие электродвигатель с рабочими органами станка. По способу управления движением электроприводы делятся на неавтоматизированные, полуавтоматизированные и автоматизированные. В первом случае управление электроприводом осуществляется вручную. Во втором случае управление электроприводом частично осуществляется рабочим (в настоящее время такой вид электропривода имеет наибольшее 83 распространение). В автоматизированном электроприводе полностью автоматизировано управление всеми движениями, начиная с загрузки заготовок на станок и кончая выдачей готовых изделий. Основным направлением развития электропривода в современном станкостроении является возможно большая автоматизация управления и приближение приводного электродвигателя к рабочим органам станка, что сокращает и упрощает механические передачи в станке. В станочных приводах применяют главным образом трехфазные асинхронные двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором и двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением ("шунтовые" двигатели). Наибольшее распространение в станкостроении имеют трехфазные асинхронные короткозамкнутые двигатели. По сравнению с другими электродвигателями они проще, дешевле, надежнее в эксплуатации, проще в управлении и не требуют специальных преобразовательных устройств, так как рассчитаны на использование стандартного промышленного тока. Особенно удобны такие двигатели для встраивания в станки. Возможности регулирования скорости вращения у асинхронных короткозамкнутых двигателей чрезвычайно ограничены, поэтому из многоскоростных двигателей этого типа в станках больше всего применяют двускоростные двигатели - реже трех- и четырехскоростные. Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением сложнее и дороже асинхронных короткозамкнутых двигателей. При одинаковой мощности первые имеют большие габариты. Коэффициент полезного действия (к. п. д) у них ниже, более сложна эксплуатация и они требуют специальных устройств для получения постоянного тока. Основным достоинством двигателей постоянного тока является возможность бесступенчатого регулирования чисел оборотов с диапазоном регулирования Rn = 3÷4. Гидравлический привод металлорежущего станка представляет собой совокупность гидравлических устройств, приводящих в движение исполнительные органы станка. В качестве рабочей жидкости, передающей давление и скорость силовому органу, в системах гидропривода применяют минеральные масла различных марок (индустриальное 12, индустриальное 20, турбинное, турбинное 22). Масло должно быть однородно по химическому составу, иметь достаточно высокую температуру вспышки и низкую температуру застывания, а также определенную вязкость. Для получения равномерности хода механизмов станка в масле ограничивается 84 содержание воздуха и пенообразующих веществ. Гидропривод широко применяют в металлорежущих станках (строгальных, протяжных, фрезерных, шлифовальных и др.) в силу ряда достоинств, из которых основными являются следующие: 1. бесступенчатое регулирование скорости рабочих органов станка путем изменения количества рабочей жидкости, подаваемой в единицу времени; 2. равномерность хода силового органа; 3. плавность реверсирования; 4. автоматическое управление гидравлическими устройствами; 5. возможность осуществления больших тяговых сил и крутящих моментов при относительно небольших габаритах гидропривода; 6. исключение возможности поломок при перегрузках применением гидравлических предохранительных клапанов. В гидравлическую систему металлорежущих станков входят: насосы, устройства, передающие движение рабочим органам станка (силовые гидроцилиндры для возвратно-поступательного перемещения, гидродвигатели для вращательного движения); аппаратура управления (золотники, краны и др.); контрольно-регулирующая аппаратура (клапаны, дроссели и другие регуляторы скорости). 85 Рис. 6. Принципиальная схема гидропривода для возвратно-поступательного движения: 1 - стол станка; 2 и 3 - упоры; 4 - поршень; 5 - шток; 6 распределительное устройство (реверсивный золотник); 7 - дроссель; 8 предохранительный клапан; 9 - кран управления; 10 - резервуар с рабочей жидкостью; 11 - шестеренный насос; 12 - рукоятка; 13 - гидроцилиндр На рис. 6 дана схема гидроприводов, применяемая для создания возвратно-поступательного движения исполнительных органов станков. Шестеренный насос 11, приводимый в движение электродвигателем, нагнетает рабочую жидкость из резервуара 10 в гидросистему. Жидкость по трубопроводам поступает в правую полость гидроцилиндра 13 и давит на поршень 4, связанный через шток 5 со столом станка 1. Стол движется равномерно влево с определенной скоростью. Из левой полости гидроцилиндра жидкость сливается по трубопроводам в резервуар 10. На столе 1 закрепляют переставные упоры 2 и 3, которые, механически воздействуя на рукоятку 12, смещают в осевом направлении поршни золотника 6, чем изменяется направление движения жидкости, а следовательно, и направление движения стола станка. Изменением расстояния между упорами 2 и 3 регулируется длина хода стола. Дроссель 86 1 служит для регулирования скорости стола. Плавно перекрывая отверстие, через которое проходит рабочая жидкость, дроссель пропускает меньшее количество масла, чем бесступенчато уменьшается скорость движения поршня и стола. Верхний предел скорости будет достигнут в момент полного открытия дросселя. Регулирование скорости возможно также изменением производительности насоса Q*. Однако большее распространение имеют насосы с постоянной производительностью, так как они более просты по конструкции. (Производительностью насоса Q называется количество масла, нагнетаемое им в литрах в одну минуту.) * При закрывании дросселя перед ним в трубопроводе повышается давление, шарик А предохранительного клапана 8 отжимает пружину, рассчитанную на определенное давление в системе, излишки масла сливаются в резервуар через открывшееся отверстие клапана. Таким образом предохранительный клапан 8 автоматически поддерживает постоянное давление в системе и в случае каких-либо непредвиденных остановок стола (из-за перегрузок) предохраняет от аварий, сбрасывая в резервуар 10 всю жидкость, подаваемую насосом. Кран 9 называется управляющим. Поворачивая его вокруг оси, можно соединить насос со сливной трубой Б, чем полностью прекратится подача жидкости в рабочий цилиндр и тем самым остановится стол станка (что необходимо при установке и съеме обрабатываемых деталей и при других вспомогательных приемах работы). Насосы, применяющиеся в гидроприводах металлорежущих станков, бывают трех типов: шестеренные, поршневые и лопастные, и обеспечивают равномерный, непрерывный поток нагнетаемой жидкости. Шестеренный насос (рис. 7, а) состоит из двух зубчатых колес с наружным зацеплением, вращающихся в корпусе, имеющем полость всасывания рабочей жидкости и полость нагнетания. Полость всасывания расположена в месте выхода зубьев колес из зацепления. Жидкость, заполняя впадины колес, переносится ими в полость нагнетания и выдавливается в трубопровод зубьями, входящими во впадины, чем и создается определенное давление в гидросистеме. Производительность шестеренного насоса зависит от числа оборотов зубчатых колес и размеров впадин между зубьями. Шестеренные насосы выпускают производительностью Q = 5÷125 л/мин при давлении р = 10÷25 кГ/см2. Шестеренные насосы низкого давления (р = 2÷5 кГ/см2) применяют только в системах смазки узлов станка и охлаждения зоны резания. 87 Рис. 7. Насосы: а - шестеренный; б - поршневой: 1 - ротор; 2 - статорное кольцо; 3 - поршни; 4 - ось; 5 - полость нагнетания; 6 - перегородка; 7 полость всасывания; в - лопастной: 1 - корпус: 2 - вал; 3 - статорное кольцо; 4 - ротор; 5 - лопасти Поршневой насос с радиально расположенными поршнями работает по схеме, показанной на рис. 7, б. Ротор 1 с поршнями 3 вращается вокруг оси 4, которая имеет полость всасывания 7 и полость нагнетания 5, изолированные друг от друга перегородкой 6. Ротор 1 вращается вокруг оси, смещенной относительно оси статорного кольца 2 на величину е. При вращении ротора поршни прижимаются к статорному кольцу центробежной силой или дополнительно специальными пружинами. За один оборот ротора каждый поршень делает один двойной ход в радиальном направлении (длина хода 2е), засасывает порцию масла из полости 7 и, двигаясь к оси вращения ротора, нагнетает масло в полость 5. Если для этого насоса можно изменять величину эксцентрицитета е, то его производительность будет переменной. С увеличением величины е производительность насоса увеличивается. Производительность поршневого насоса зависит от площади и числа поршней, величины эксцентрицитета и числа оборотов ротора насоса. 88 Поршневые насосы изготовляют производительностью Q = 50÷200 л/мин при давлении р = 75÷200 кГ/см2. Лопастной насос показан на рис. 7, в. Ротор 4 насажен на многошлицевой вал 2. В пазах ротора под углом 13° к радиусу в сторону вращения расположены лопасти. При вращении ротора лопасти 5 под действием центробежной силы и дополнительного давления масла, подаваемого с внутренних торцов лопастей, прижимаются к внутренней поверхности статорного кольца 3. Статорное кольцо имеет форму эллипса, вследствие чего за один оборот ротора лопасти 5 дважды выдвигаются из пазов ротора и вдвигаются обратно. Таким образом, за один оборот ротора дважды уменьшаются и увеличиваются объемы рабочего пространства между лопастями (при увеличении объемов происходит всасывание, при уменьшении - нагнетание жидкости). Насосы, работающие по такому принципу, называются насосами двойного действия с постоянной производительностью. Лопастные насосы изготовляют производительностью Q = 5÷100 л/мин при рабочем давлении р≤65 кГ/см2. Гидродвигатели представляют собой устройства, передающие движение непосредственно исполнительным органам станка. Гидродвигателями для осуществления возвратно-поступательного движения являются гидроцилиндры. Они делятся в основном на поршневые простые (двухштоковые, рис. 8, а) и дифференциальные (одноштоковые, рис. 6 и 8, б). Рис. 8. Гидроцилиндры: а - простой двухштоковый; б - дифференциальный; 1 - рабочий ход; 2 - холостой ход Простые гидроцилиндры применяют в тех случаях, когда скорости прямого и обратного хода исполнительного органа станка и связанного с 89 ним поршня гидроцилиндра должны быть равны. Это достигается тем, что диаметры обоих штоков d равны (рис. 8, а). Скорость движения поршня v зависит от объема рабочей жидкости Q, поступающей в цилиндр, и величины рабочей площади поршня F (площадь, на которую действует жидкость)*. * (Чем больше Q и меньше F, тем больше будет скорость поршня v) Дифференциальные цилиндры применяют тогда, когда резание на станке производится только в одну сторону - обратный ход является холостым (строгание, протягивание и др.). В этом случае для уменьшения времени, затрачиваемого на холостой ход, целесообразно значительно увеличить его скорость. В гидроцилиндре (рис. 6) рабочий ход осуществляется при подаче масла под давлением в правую полость цилиндра (со стороны поршня), а холостой ход - при подаче масла в левую полость цилиндра (со стороны штока), причем с увеличением площади штока скорость холостого хода будет больше. Другая схема работы дифференциального цилиндра показана на рис. 8, б. Рабочий ход осуществляется при подаче масла под давлением в полость цилиндра со стороны штока (правая полость); из левой полости масло сливается в бак. Для осуществления холостого хода масло под давлением подается в левую полость цилиндра. Из правой полости - масло перегоняется в левую полость, так как при холостом ходе полости соединены друг с другом (при холостом ходе нет слива масла в бак) и представляют собой замкнутый сосуд с одинаковым давлением в обеих полостях. Сила, действующая со стороны поршня, будет больше силы, действующей со стороны штока, Следовательно, под действием силы поршень с исполнительным органом станка будет двигаться слева направо, выжимая масло из правой полости цилиндра в левую, которая будет быстро заполняться маслом. 90 Дифференциальные цилиндры с тонким штоком* широко применяют в протяжных станках, в результате чего время холостого хода составляет всего 10-15% времени рабочего хода. (Чем меньше площадь штока, тем больше будет скорость холостого хода.) * Гидродвигателями для осуществления вращательного движения принципиально могут быть насосы всех типов, применяемые в гидроприводе, если в их рабочие органы подавать жидкость с определенными давлением и скоростью ее продвижения. В последние годы начала применяться оригинальная отечественная конструкция гидродвигателя для вращательного движения- винтовой гидродвигатель (рис. 9). Рис. 9. Винтовой гидродвигатель для вращательного движения: а - схема действия: 1 - шпиндель; 2 - корпус; 3 - соединение шпинделя с ведущим винтом; 4 - обойма винтов; 5 - ведущий винт; 6 - ведомые винты; 7 трубопровод нагнетания; 8 - сливной трубопровод; 9 - герметическая перегородка; 10 - опоры шпинделя (подшипники); б - винты гидродвигателя в обойме Принцип работы такого двигателя заключается в следующем. Шпиндель станка 1 соединен с ведущим винтом 5 гидродвигателя, который находится в беззазорном зацеплении с двумя ведомыми винтами 6. Резьба на винтах двухзаходная, циклоидального профиля, причем направления винтовой линии резьбы у ведущего и ведомых винтов противоположны. Соотношение размеров винтов выбраны такими, что ведомые винты разгружены от силового воздействия ведущего винта, и вращательное 91 движение они получают не от него, а от воздействия нагнетаемой рабочей жидкости. Ведомые винты играют только роль герметически уплотняющих прокладок, препятствующих протеканию жидкости из напорной полости в сливную. Радиальной опорой вращающихся винтов является внутренняя поверхность бронзовой обоймы 4, которая охватывает их с зазором, соответствующим посадке Масло под давлением через трубопровод 7 подводится к правому торцу обоймы, проходит вдоль винтов, заставляя их вращаться, и отводится от левого торца через сливной трубопровод 8 в бак. Таким образом, масло, поступающее под давлением со стороны полости нагнетания во впадины винтов, устремляется вдоль оси винтов подобно маточной гайке, движущейся по направляющей при вращении ходового винта*. Масло, протекая через гидродвигатель, течет спокойно без завихрений, что обеспечивает бесшумную и плавную работу двигателя даже при высоких числах оборотов шпинделя. (Ходовой, винт и соединяемая с ним маточная гайка представляют собой кинематическую пару, предназначаемую для сообщения прямолинейного движения различным узлам металлорежущих станков (суппортам, кареткам, столам и т. п.)) * Осевая сила, возникающая от давления масла на ведущий винт, воспринимается упорными подшипниками* шпинделя. Вращение винтов с небольшим трением (каждый винт фактически вращается благодаря потоку жидкости) исключает их интенсивный износ, чем обеспечивается длительная и качественная работа гидродвигателя. (Подшипником называется опора вала или вращающейся оси. Различают подшипники скольжения и подшипники качения.) * Шпиндель 1 вращается в подшипниках скольжения 10, в которых подачей смазки из основной трассы гидродвигателя обеспечивается жидкостное трение. Подшипники скольжения выгодно отличаются от подшипников качения, так как они, работая в режиме жидкостного трения, обеспечивают стабильность положения оси шпинделя как при малых рабочих нагрузках (чистовые работы), так и при больших нагрузках (предварительная обработка). Кроме того, подшипники скольжения обеспечивают высокую степень эластичности и бесшумности работы шпинделя на высоких скоростях. 92 На переднем конце шпинделя имеется резьба для навертывания трубчатого режущего инструмента, к которому подается охлаждающая жидкость через центральные отверстия в ведущем винте и шпинделе. Описанный гидродвигатель, имея небольшие габариты и обладая бесступенчатым регулированием скорости в пределах 1000-25 000 об/мин, является исключительно перспективным для использования высокой режущей способности металлокерамических, керамических и алмазных инструментов как при обработке металлов, так и при обработке неметаллических материалов. Аппаратура управления гидроприводом служит для переключения потоков рабочей жидкости в гидросистеме вручную или автоматически. В основном к аппаратуре управления относятся реверсивные золотники и краны управления. На рис. 6 показан реверсивный золотник 6, который изменяет направление потоков масла в гидроцилиндре 13 осевым смещением своих поршней, в результате чего реверсируется движение стола. Кран 9, переключая поток жидкости, подаваемый насосем 11 (в гидросистему или в бак 10), включает или выключает движение стола. К контрольно-регулирующей аппаратуре относится: аппаратура для изменения скорости движения рабочих органов станка, аппаратура для поддержания постоянства давления в гидросистеме и для изменения направления потоков жидкости при изменении давления в какой-либо части гидросистемы. Регуляторы скорости-дроссели (см. стр. 27) бывают разных конструкций (игольчатые, щелевые и др.), но в любой из них регулирование скорости производится изменением величины проходного сечения дросселя. В гидросистемах дроссели применяют вместе с переливными клапанами (для слива избыточной жидкости при дросселировании) и насосами с постоянной производительностью. Клапаны определенной конструкции также служат для включения или выключения какого-либо ответвления гидросистемы при достижении определенного давления. Типовые детали и механизмы металлорежущих станков Ряд основных деталей и механизмов является типовым, так как встречается почти во всех типах металлорежущих станков. Рассмотрим эти типовые детали и механизмы на примере универсального токарного станка (рис. 10). На этом станке можно производить разнообразные работы обтачивание наружных цилиндрических, конических и фасонных 93 поверхностей, подрезание торцов и вытачивание наружных и внутренних канавок, изготовление цилиндрических и конических отверстий, нарезание наружной и внутренней резьбы и т. п. Заготовка закрепляется в патроне 9, а в случае значительной длины может поджиматься центром задней бабки 3, а вместо патрона 9устанавливается центр. В четырехместном резцедержателе 10 устанавливаются и закрепляются необходимые резцы. Заготовка получает вращательное движение от шпинделя станка, на котором сидит патрон 9\ резцу вместе с суппортом 6 сообщается поступательное перемещение (подача) ходовым винтом 7 или ходовым валом 8. Рис. 10. Универсальный токарно-винторезный станок: 1 - станина; 2 передняя бабка с коробкой скоростей; 3 - задняя бабка; 4 - коробка подач; 5 - фартук; 6 - суппорт; 7 - ходовой винт; 8 - ходовой вал; 9 - патрон; 10 резцедержатель Станина 1 (рис. 10) является одной из самых ответственных частей станка, на которой монтируют все его механизмы. Некоторые из них (передняя бабка 2, коробка подач 4 и др.) прикрепляют к станине наглухо, а другие (задняя бабка 3, фартук 5 с суппортом 6) перемещают по так называемым направляющим станины (тщательно обработанные плоскости или поверхности призматического профиля). Для обеспечения длительной и высококачественной работы станка его станина должна обладать достаточной прочностью, жесткостью, виброустойчивостью и иметь высокую износостойкость направляющих. 94 Наибольшее распространение имеют литые станины из высококачественного чугуна, но применяют и сварные стальные станины, а также чугунные с прикрепленными стальными направляющими. Для увеличения жесткости станины изготовляют коробчатой формы с внутренними ребрами жесткости, соединяющими продольные стенки станины. Направляющие станины должны обеспечить прямолинейное перемещение суппорта и задней бабки, для чего они сами должны быть строго прямолинейны и параллельны. Это достигается предварительным строганием или фрезерованием направляющих с последующим окончательным шлифованием или шабрением. Коробка скоростей токарного станка располагается в передней бабке 2 (рис. 10). Она предназначена для передачи вращательного движения от приводного электродвигателя к шпинделю станка, а также для регулирования его числа оборотов в определенных пределах. Для ступенчатого регулирования чисел оборотов применяют главным образом два вида коробок скоростей: с передвижными (скользящими) блоками зубчатых колес и со сменными зубчатыми колесами. Рис. 11. Коробки скоростей: а - со скользящими блоками зубчатых колес; бсо сменными зубчатыми колесами: 1 - кожух коробки; 2 и 4 - сменные зубчатые колеса; 3 и 5 - валы; 6 - гайка; 7 - шайба; 8 - шпонка На рис. 11, а показана трехваловая коробка скоростей с передвижными блоками зубчатых колес. Валы четырехшлицевые, что обеспечивает хорошее центрирование и плавное скольжение передвижных блоков при 95 переключении скоростей. На валах I и III все зубчатые колеса закреплены жестко. На валу II установлено три двухвенцовых передвижных блока, из которых два соединяются с колесами вала I. Таким образом при одном числе оборотов вала I вал III путем всех возможных сочетаний включений зубчатых колес будет иметь 4×2 = 8 различных чисел оборотов. Например, (все передаточные отношения минимальные); (все передаточные отношения максимальные). Диапазон регулирования данной коробки Изменение чисел оборотов у таких коробок производится легко и быстро, чем объясняется их широкое применение в универсальных станках, где приходится часто изменять число оборотов шпинделя. Более проста и компактна коробка скоростей со сменными зубчатыми колесами (рис. 11, б). К станку с такой коробкой скоростей прилагается набор сменных зубчатых колес, причем шпинделю станка можно обеспечить столько различных чисел оборотов, сколько сменных зубчатых колес имеется в наборе*. Изменение числа оборотов производится установкой колес с различными числами зубьев на валах 3 и 5. (Набор зубчатых колес подбирают таким образом, чтобы при их перестановке получился геометрический ряд чисел оборотов.) * Коробки со сменными зубчатыми колесами применяют в специализированных и специальных станках, где изменение чисел оборотов, а значит и установка соответствующей пары зубчатых колес производится очень редко - при первичной настройке станка на изготовление партии деталей. 96 Коробки подач предназначены для изменения величины подачи режущих инструментов в токарных, сверлильных и других станках или обрабатываемых заготовок на фрезерных, поперечно-строгальных и других станках. На рис. 12 показаны наиболее часто встречающиеся схемы коробок подач. Коробку подач с накидным зубчатым колесом (рис. 12, а) применяют в универсальных станках. На валу I закреплены шпонками зубчатые колеса 1-6. Колесо 10 вместе с обоймой 9, в которой на пальце 7 свободно вращается накидное колесо 8, может скользить вдоль вала II. Величину подачи или шаг нарезаемой резьбы изменяют при зацеплении накидного зубчатого колеса 8 с любым из ведущих колес 1-6 с помощью рукоятки 11, перемещаемой вдоль вала II и фиксируемой в одном из положений А-Е. Такая коробка подач при одной скорости вала I обеспечивает валу II шесть различных скоростей, а следовательно, суппорту станка - шесть различных подач. Рис. 12. Схемы коробок подач: а - с накидным зубчатым колесом; б - со сменными зубчатыми колесами; в - с вытяжной шпонкой; I - ведущий вал; II - ведомый вал Коробку подач со сменными зубчатыми колесами (рис. 12, б) применяют в специальных ив специализированных станках, а в универсальных станках 97 ее используют в сочетании с коробкой с накидным зубчатым колесом. Такие коробки бывают одно-, двух- и трехпарные (по количеству пар сменных колес). Изменение величины подачи производится установкой различных сменных зубчатых колес а, b, с, d. Подобрав нужные сменные зубчатые колеса, передвигают палец У, вместе с установленными на нем колесами b и с вдоль паза 2, в гитаре 3 и закрепляют в положении, когда колесо с войдет в зацепление с колесом d. Затем для зацепления колеса b с колесом а поворачивают гитару 3 вокруг оси вала II. В нужном положении гитара закрепляется болтом 4, который, находясь в пазу гитары 3, одновременно является направляющим пальцем. При подборе сменных зубчатых колес следует произвести проверку чисел зубьев по условию сцепляемости, которое имеет следующий вид: Если условие сцепляемости не выдержано (например а + b < с + 15), то колесо с упрется в вал I, а колеса а и b не сцепятся - между их зубьями получится зазор. Коробку подач с вытяжной шпонкой (рис. 12, в) применяют в револьверных и сверлильных станках. На ведущем валу I закреплены на шпонке зубчатые колеса 1-6. Эти колеса входят в зацепление с колесами 810 и 12-14, свободно установленными на валу II. Вал II и колеса, установленные на нем, имеют шпоночные канавки. Вытяжная шпонка 15 перемещается вдоль вала II поворотом рукоятки 7 и реечного колеса 17 (рейка 18 круговая, зубья нарезаны на валике). Вал II будет вращаться тем колесом, которое связано с ним вытяжной шпонкой 15. При осевом перемещении шпонки она выводится из шпоночного паза колеса промежуточным кольцом 16, а затем вводится в паз другого колеса плоской пружиной 11. Это предотвращает одновременное включение двух зубчатых колес и дает возможность изменять величину подачи на ходу станка. Понятие о бесступенчатом регулировании скорости электрическими и гидравлическими устройствами было дано ранее. Примером механического бесступенчатого регулирования чисел оборотов может служить фрикционный вариатор с тороидными шкивами (рис. 13). От вала I к валу II движение передается роликами 2, которые прижимаются к тороидным поверхностям шкивов I. 98 Рис. 13. Фрикционный вариатор скоростей с тороидными шкивами При постоянном числе оборотов ведущего вала n1 число оборотов ведомого вала n2 будет плавно изменяться с изменением положения (наклона) роликов 2, так как будет меняться передаточное отношение вариатора (R1 и R2 - соответственно радиусы на ведущем и ведомом шкивах). Приведенный вариатор имеет диапазон регулирования чисел оборотов Rn = 4÷8. В металлорежущих станках приходится изменять направление движения исполнительных органов станка. Например, у токарного станка необходимо изменять направление вращения шпинделя, а также направление вращения ходового винта или ходового вала для изменения направления подачи суппорта с резцом. Механизмы, предназначенные для изменения направления движения, называются реверсирующими. Реверсирование можно осуществить электрическими, гидравлическими и механическими устройствами. Электрическое реверсирование производится реверсивными электродвигателями, гидравлическое различного рода золотниками и пилотами. Механическое реверсирование осуществляется устройствами с цилиндрическими или коническими зубчатыми колесами. 99 Рис. 14. Реверсирующий механизм с зубчатыми колесами: а - с цилиндрическими; б и в - с коническими: z1 и z3 - ведущие; z2 и z4 - ведомые; zn - промежуточное зубчатое колесо На рис. 14, а дана схема реверсирующего механизма с цилиндрическими зубчатыми колесами. При включении механизма, как показано на схеме, направления вращения ведущего I и ведомого II валов противоположны. При осевом смещении блока Б вправо ведущее зубчатое колесо z3 передает движение ведомому колесу z4 посредством промежуточного колеса zn. В этом случае передаточное отношение Из приведенного уравнения видно, что промежуточное колесо не оказывает влияния на передаточное отношение, а только изменяет направление движения ведомого вала II. Реверсирующие механизмы с коническими зубчатыми колесами применяют главным образом при передаче движения между взаимно перпендикулярными валами. Такие механизмы могут быть выполнены с передвижными зубчатыми колесами (рис. 14, б) или с переключающими муфтами -фрикционными или кулачковыми (рис. 14, в). При одном направлении движения вала I вал II будет реверсироваться в зависимости от включения ведомых зубчатых колес z2 или z4. Из-за большей жесткости конструкции механизм с кулачковой муфтой имеет более широкое распространение. Реверсирующим является и храповой механизм (рис. 4): поворотом на 180° кнопки 5 и храповой собачки 2 реверсируется храповое колесо I. Предохранительные механизмы предназначены для исключения аварий в слабых звеньях станка при внезапной перегрузке исполнительного органа. Роль предохранительного механизма заключается в размыкании кинематической цепи при перегрузке, причем ряд механизмов 100 автоматически восстанавливает целостность цепи при снятии нагрузки или при снижении ее до нормальной допускаемой величины. Рис. 15. Предохранительные и блокировочные механизмы: а - шариковая предохранительная муфта; б - муфта со штифтами; в - механизм блокировки ходового винта и ходового вала токарного станка На рис. 15, а представлена шариковая предохранительная муфта. От зубчатого колеса 3 движение передается валу I шариками 4 и втулкой 5 с фланцем. Шарики 4 расположены в отверстиях колеса 3 и одновременно входят в отверстия фланца втулки 5. К фланцу шарики прижимаются пружинами 6, которые другим концом упираются в плунжеры 2. Натяжение пружин, а соответственно, и величина передаваемого крутящего момента регулируются поворотом гайки У, перемещающей плунжеры 2. В нужном положении гайка 1 стопорится винтом 7. При перегрузке шарики отжимаются кромками отверстий фланца втулки 5 (пружины 6 сжимаются) и муфта будет проскальзывать (вал I остановится). При восстановлении нормальной нагрузки муфта опять работает как соединительная. Предохранительную муфту со штифтами, срезающимися при перегрузке (рис. 15, б), применяют в тех случаях, когда перегрузки случаются редко. В полумуфты 1 и 5 запрессованы закаленные стальные втулки 2 и 4 (несколько штук по окружности муфты). Во втулки вставляются штифты 3, срезающиеся при перегрузке. Если ведущей является полумуфта 5, то вал I остановится, а полумуфта 5 будет вращаться вхолостую. Для восстановления кинематической цепи необходимо остановить станок и заменить срезанные штифты новыми. 101 Блокировочные механизмы предназначены для исключения возможности включения двух или даже нескольких механизмов, совместная работа которых не предусмотрена, а также для обеспечения определенной последовательности включения механизмов станка. Например, если у станка для системы смазки его частей применяют насос с самостоятельным приводом, то блокируется включение насоса с включением станка, т. е. вначале должен быть включен насос, подающий масло, а затем станок (включение в обратной последовательности невозможно). На рис. 15, в дана схема блокировочного механизма, исключающего возможность одновременного включения ходового винта и ходового вала токарно-винторезного станка. В показанном положении рукоятки Р подача суппорта выключена. Установкой рукоятки Р в положение А зубчатыми колесами z1-z4 включается ходовой вал III (зубчатое колесо z1 смещается вправо). Установкой рукоятки Р в положение Б включается ходовой винт II. В качестве предохранительных и блокировочных устройств в станках широко применяют различного рода электрические реле, гидравлические клапаны, а также комбинированные устройства (электромеханические, гидромеханические и др.). Тема 3. Технология резки металлов на ножницах и прессах. Резка листового металла ножницами. Листовые материалы для холодной штамповки в большинстве случаев предварительно режут на полосы или заготовки необходимых размеров. Резка полос является заготовительной операцией и проводится на ножницах следующих типов: • • • • рычажных; гильотинных; дисковых (роликовых); вибрационных; на специальных отрезных штампах. 102 Процесс резки листового материала ножницами состоит из трех последовательных стадий: • упругой; пластической; скалывания. На срезанной кромке листа четко выделяются две зоны: узкая блестящая полоска, соответствующая пластической стадии, и более широкая, матовая, зона скалывания. При резке толстого материала получается Sобразная форма скола. Различные способы резки листового металла и типы режущих инструментов приведены в табл. 8.1 Таблица 8.1. Способы резки листовых материалов Тип ножниц и схема Рабочие элементы режущих инструментов Основное применение 1 2 3 Гильотинные и рычажные Угол наклона: для гильотинных ножниц υ = 2 ÷ 6°; для рычажных ножниц: υ = 7 ÷ 12° Угол резания: = 75 ÷ 85° Задний угол y = 2 ÷ 3° Резка листовых материалов на полосы или искусственные заготовки. Толщина режущегося материала, до 40 мм (в зависимости от типа ножниц). Для упрощения заточки ножей допускается: = 90° и y = 0 Зазор между ножами от 0,05 до 0,2 мм 103 Дисковые параллельными осями) (с Угол захвата а < Заход ножей b = (0,2 ÷ 0,3) S Размер ножей (дисков): для толстых материалов (S > 10 мм) D = (25 ÷ 30) S, h = 50 ÷ 90 мм; для тонких материалов (S < 3 мм) D = (35 ÷ 50)S, h = 20 ÷ 25 мм Резки листов на полосы, а также резки круглых (дисковых) заготовок с выходом на край листа. Толщина режущегося материала, до 30 мм (различные типы ножниц) Угол наклона y = 30 ÷ 40° Размеры ножей (дисков): для толстых материалов (S > 10 мм) D = 20S, h = 50 ÷ 80 мм; для тонких материалов (S < 3 мм) D = 28S, h = 15 ÷ 20 мм Резки полос и круглых дисковых и кольцевых заготовок. Толщина режущегося материала, до 30 мм (различные типы ножниц) Дисковые (с наклонными ножами) Зазор a ≤ 0,2 S Зазор b ≤ 0,3 S Размер ножей (дисков); для толстых материалов (S > 10 мм) D = 12S, h = 40 ÷ 60мм; для тонких материалов (S < 5 мм) D = 20S, h = 10 ÷ 15мм; Резки круглых, дисковых кольцевых и криволинейных заготовок с малым радиусом, толщиной до 20 мм. Криволинейная поверхность задней режущей грани обеспечивает свободный поворот материала Многодисковые (с параллельными осями) а Угол резания 90e Размеры ножей: D = (40 ÷ 125) S, h = 15 ÷ 30 мм Перекрытие: b = ± 0,5 S; зазор а = (0,1 ÷ 0,2) S Для одновременного резания нескольких полос, а также для обрезки полос и ленты по ширине. Толщина материала до 10 мм Дисковые (с наклонным нижним ножом) 104 (различные типы ножниц) Вибрационные Отрезные штампы Число ходов 2000 - 25 000 в минуту Ход ножа 2-3 мм Передний угол = 6 ÷ 7° Угол створа υ= 24 ÷ 30° Резка криволинейных заготовок по разметке или шаблонам с малым радиусом (до r = 15 мм). Толщина материала до 10 мм Передний угол β= 2 ÷ 3° Угол створа υ= 0 Резки полос на штучные заготовки Самая распространенная нарезка листов на гильотинных ножницах. В цехах металлоконструкций и заготовительных цехах некоторых заводов производится резка сортового и профильного проката на специальных прессножницах усилием до 1600 тс при наибольшем размере сечения 250х250 мм. Определение усилий при резке ножницами делают по формулам, приведенным в табл. 8.2. Учитывая наличие изгиба при резке, а также неравномерность толщины и притупления ножей, расчетное усилие увеличивают на 30% и полное усилие резания принимают равным = 1,3 , для чего в формулах вместо быть принято может = l, 3 На рис. 8.1 приведена схема резки листа гильотинными ножницами или ножом с наклонной режущей кромкой, на которой показаны графики местного (единичного) усилия резания. Таблица 8.2. Определение усилий резания ножницами Способ резки Схема Усилие резания, кгс 105 Параллельными ножницами P = LS Гильотинными ножницами Дисковыми ножницами Обозначения: - длина реза, мм; υ- угол створа ножниц, град; ]; - глубина вдавливания [ = (0,6 ÷ 0,8) сопротивление срезу, ножей до момента скалывания, мм; - угол захвата роликовых ножниц, град. На рисунке обозначены: - текущее усилие резания в точке А при погружении режущей кромки на глубину . В процессе резки положение графика перемещается по линии резки. В производственных условиях усилия резания гильотинными ножницами обычно не подсчитывают, так как в паспорте ножниц имеются указания о предельной толщине и наибольшей длине разрезающихся стальных листов ( ≥ 45 ). 106 Рисунок 8.1. Схема резки листового металла на гильотинных ножницах Процесс резки дисковыми ножницами осуществляется вращающимися круглыми ножами. Верхние и нижние дисковые ножи вращаются принудительно в разные стороны с одинаковой угловой скоростью. Разрезаемый материал, передвигается за счет трения металла о ножи. Дисковые ножницы подразделяются по количеству ножей на одном диске (второй нож - неподвижный - выполнен в виде полосы и прикреплен к столу), • парнодисковые; многодисковые. В штамповочных цехах используются главным образом парно-дисковые и многодисковые ножницы (Далее "ножницы" - "Н."; ). Парнодисковые ножницы имеют два вращающихся ножа - верхний и нижний. Они бывают трех типов: • • с параллельным расположением ножей (осей); с одним наклонным ножем; двумя наклонными ножами. Первая группа Н. (рис. 8.2, а) применяется для резки листов на полосы и для вырезки круглых заготовок с выходом на край листа (из материалов толщиной в основном от 2,5 до 30 мм) со скоростью резания от 20 до 5 м/мин . Скорость резки листов толщиной ниже 2,5 мм достигает 60 - 90 м/мин. В парнодисковых ножниц угол захвата ф < 14° (10 - 14° или рад). Заход 107 (перекрытие) ножей для стали, латуни а = (0,2 ÷ 0,3)S; для мягких металлов - меди а = (0,3 ÷ 0,5)S. Конструктивные размеры (D и Б) ножей принимаются в зависимости от толщины разрезаемого материала. Угол скоса ножей для указанных толщин берется в пределах а = 1° ÷ 1° 30'( рад.). Наименьший диаметр заготовки, вырезанная для толщин от 2,5 до 20 мм Dз = 200 ÷ 950 мм. Вторая группа ножниц с наклонным нижним ножом (рис. 8.2, б) применяется для резки полос и круглых дисковых и кольцевых заготовок из материалов толщиной S от 2,5 до 30 мм. Скорость резки от 20 до 5 м/мин. Угол наклона y = 30 ÷ 40° ( рад.). Угол скоса a = 1° 30' ÷ 2° ( рад.). Наименьший диаметр заготовки, вырезанная Dз = 170 ÷ 800 мм. Рисунок. 8.2. Схемы работы и конструктивные (рабочие) элементы ножей парнодисковых ножниц: а - с параллельными осями, б - с нижним наклонным ножом; в - с двумя наклонными ножами. Третья группа - ножницы с наклонным расположением верхнего и нижнего ножей (рис. 8.2, в) применяются для резки круглых, кольцевых и криволинейных заготовок с малым радиусом. Криволинейная поверхность задней режущей грани ножей обеспечивает свободный поворот материала. Толщина материала, разрезаемого такими Н. может быть до 20 мм, скорость резки от 10 до 1,25 м/мин. Угол скоса а = 6 ÷ 10° ( рад). Зазор Z1 ≤ 0,2S; зазор Z2 ≤ 0,3S. Наименьший диаметр заготовки, вырезанная Dз = 130 ÷ 600 мм. Положение ножей устанавливается в зависимости от толщины разрезаемого материала. Работа на таких Н. выполняется по разметке вручную или с помощью специальных приспособлений. 108 Производительность таких Н. при продольной резке листов больше производительности гильотинных ножниц, но они имеют тот же недостаток, что и полосы, отрезаемые ними: получают искривление и нуждаются в исправлении. Для уменьшения искривления листов, при его выходе из дисков иногда дается небольшое смещение оси верхнего ножа относительно нижнего, или со стороны отрезаемой кромки, устанавливая нож меньшего диаметра. Точность резки такими ножницами может быть доведена до 8го класса. При замене ножей профильными роликами и, применяя соответствующие приспособления на этих машинах, можно также делать и различные профилировочные работы: • • подсечка; отбортовка; закачка бортов и т.д.. Многодисковые ножницы имеют несколько пар ножей (рис. 8.3, б). Они применяются для разрезки листов и лент в рулонах на полосы. Толщина материала, разрезаемого до 3 мм. Скорость резки 24 м/мин. Количество одновременно устанавливаемых пар ножей зависит от того, на какое количество полос разрезается лист или лента, а также и от мощности ножниц. Число пар ножей берется на одну больше числа полос. Расстояние между ножами устанавливают по необходимой ширине разрезанной полосы, с помощью мерных распорных колец. Для уменьшения искривления полос и образования заусенцев при резке на металлические распорные кольца насаждают резиновые кольцевые прижимы (рис. 8.3, а). Угол резания у ножей многодисковых ножниц δ = 90° ( рад.). Размер ножей может быть принят: D = (70 ÷ 40)S; Б = 15 ÷ 30 мм. Перекрытие а берется в зависимости от толщины в пределах от - 0,5 S до +0,5 S. Зазор Z1 = (0,1 ÷ 0,2) S (рис. 8.3, б.). Производительность, качество поверхности среза и точность резки многодисковыми ножницами значительно выше, чем парно-дисковыми и гильотинными. Многодисковые ножницы обеспечивают (по ширине резки) 7-й класс точности. Качество и точность здесь достигают благодаря двустороннему резу по всей ширине полосы и надежном прижиме материала резиновыми кольцами в процессе резки. 109 Ножи изготавливаются из сталей тех же марок, что и ножи ножниц с параллельными и наклонными ножами. Рисунок. Рис. 8.3. Многодисковые ножницы а схема расположения ножей и распорных колец; б - рабочие элементы ножей. Пресс-ножницы. Гильотинные ножницы. Вибрационные ножницы. Прежде чем изготовить отдельные детали определенных размеров, листовой и профильный материалы подвергаются резке. В котельном производстве применяются три метода резки: механический, автогенный и электрический. Эти методы резки имеют принципиальное различие по влиянию, оказываемому на свойства металла, по своему осуществлению и по экономичности. При механическом методе разделение металла происходит благодаря действию внешней силы. При автогенном методе — благодаря сгоранию металла в струе кислорода. При электрической резке металл расплавляется в пламени электрической дуги. Как тот, так и другой метод может быть ручным и механизированным. Кроме сказанного выше, механический метод может быть разделен на два вида: — резка скалыванием; — резка, осуществляемая чистым резанием (снятие стружки резцом). В зависимости от профиля разрезаемого материала при резке применяются специальные инструменты, приспособления и станки. 110 Рис. 1. Ножницы: а – ручные; б – стуловые. Резка тонколистового металла ножницами. Резка скалыванием. Резка скалыванием осуществляется на ручных и стуловых ножницах (рис. 1, а и б), на рычажных (рис. 2), вибрационных, гильотинных, дисковых (рис. 3) ножницах, пресс-ножницах, на специальных отрезных штампах. Рис. 2. Рычажные ножницы. Посмотрев на обрезанную часть листа, мы видим три полосы: две из них, которые по краям, будут узкими и блестящими, это следы врезания ножей (а и в), а поверхность посередине будет матовая (б) от скалывания (рис. 4). По линии реза можно наблюдать маленькие трещины и заусенцы. Кроме того, полоса металла толщиной от 2 — 3 мм, от сдавливания ножами по всей линии реза, будет иметь наклеп. В зависимости от изготавливаемой конструкции, наклеп и трещины необходимо сострогать. 111 Рис. 3. Дисковые ножницы. Резка скалыванием происходит следующим образом: разрезаемый материал 2 помещается между двумя ножами 1 и 3 (рис. 5), из которых нижний 3 обыкновенно бывает неподвижным, а верхний 1 — подвижным. Верхний нож 1, опускаясь, давит на металл, прижимая его к нижнему ножу. Оба ножа несколько вдавливаются в металл С врезанием ножей в металл поперечное сечение его уменьшается, появляются вначале мелкие, а затем крупные трещины, и он скалывается. Рис. 4. Схема действия ножей на металл. Под действием ножей на разрезаемый металл часть его, лежащая на столе, приподнимается и поворачивается вокруг грани нижнего ножа. Для предотвращения этого металл прижимается к столу специальным прижимом. Однако при резке металла между ножом и прижимом стремится изогнуться перпендикулярно плоскости резания. Исходя из этого, расстояние между прижимом и режущей кромкой ножа выбирают такое, чтобы изгиб листа был наименьшим. 112 Рис. 5. Схема работы ножей: α – угол раствора ножей; ẞ – угол заострения ножей; ɣ – угол скоса; δ – угол режущей кромки. Угол скалывания. Для резки длинного листа металла за один ход ножа необходимо немалое усилие, которое будет тратиться на врезку ножей в металл и на его скалывание. Чтобы снизить потребляемую мощность на все эти операции, ножи устанавливают под углом друг к другу (рис. 5). Чем больше будет угол α, тем меньше будет усилие нужное для резки. Так, например, если резать одинаковой толщины листы с наклоном ножей (угол наклона 5°) и без, то разница усилий будет значительной: — усилие с наклоном 8,3 т; — усилие без наклона (с параллельными ножами) 120 т. Однако нужно заметить, что из-за большого угла наклона ножей создается усилие, которое выталкивает лист из-под ножей. Из-за чего угол наклона устанавливают в пределах от 6 до 8°. Для того, чтобы облегчить врезку ножей в металл угол реза δ устанавливают меньше 90°, в пределах от 70 до 85°. Для меньшего трения ножей о разрезаемый металл, скашиваются их передние грани на угол от 2 до 3°. Зазор между ножами зависит от толщины разрезаемого металла и допускается не более 0,5 мм. Ручные рычажные ножницы. Ручные стуловые ножницы. 113 Резка листового металла вручную осуществляется на ручных, стуловых и рычажных ножницах. Толщина разрезаемого металла обыкновенно бывает небольшой (2—3 мм), но на рычажных ножницах можно резать до 6—10 мм. Длина режущего ножа достигает 350 мм. Ручные ножницы мало производительны, требуют большой затраты мускульной силы рабочего. Для резки более толстой листовой стали используют гильотинные ножницы и пресс-ножницы. Их ножи приводятся в действие от электродвигателей. Пресс ножницы для резки металла. На пресс-ножницах режутся мелкие детали, а также на них можно распускать листы неограниченной длины толщиной до 32 мм. Ножи длиной до 600 мм располагаются вдоль или поперек оси станины. Недостатками у прессножниц являются низкая чистота реза и малая производительность вследствие многократного передвижения листа во время резки больших деталей. Однако ножницы очень удобны при резке мелких деталей. Резка гильотинными ножницами. Высокую чистоту и большую производительность дают гильотинные ножницы. Они состоят из двух, соединенных между собой станин, прикрепленных к рабочему столу. К внутренней кромке стола крепится неподвижный нож, состоящий из отдельных полос, длиной 600—1000 мм. В пазах станин ходит ползун с присоединенными к нему полосами верхнего ножа. Движение ползуну передается от электродвигателя через коленчатый вал. Для увеличения напора верхнего ножа в рабочем ходе ножницы снабжены тяжелым маховиком, который во время резки расходует большую силу, накопленную при холостом ходе. Разрезаемый лист укладывается на стол ножниц и прижимается к нему прижимами. Гильотинными ножницами возможна рубка листа толщиной до 40 мм и шириной до 3000 мм. На них можно легко распустить лист на полосы шириной несколько меньшей вылета зева, который у отдельных конструкций ножниц доходит до 600 мм. Резка металла вибрационными ножницами. Вибрационные ножницы представляют собой станок с короткими ножами. Число ходов у них достигает 2500 в мин., ход 2—3 мм. Ножницы предназначены для резки деталей криволинейной конфигурации с малыми радиусами (до 15 мм). Конструкция ножниц позволяет производить резку непрерывно. 114 Дисковые или роликовые ножницы имеют ножи круглой формы, что также позволяет производить резку непрерывно. Ножи вращаются от электродвигателя в противоположных направлениях. Ножницы применяют для резки полос из листа, а также производят резку по криволинейному контуру. Ножницы способны производить рез листа толщиной не более 25 мм. Интересно применение дисковых ножей в комбинации с правильными вальцами. Для этого двухпарные дисковые ножницы соединены с правильными вальцами. Вся установка работает от одного привода. Обе операции — правка и резка продольных кромок листов — проводятся на одном станке одновременно за один проход. Обрезные штампы применяются для резки узких полос и профильного материала на штучные заготовки. Резка профильного материала не отличается от резки листового. Ножницы также имеют ножи, один из которых неподвижный, а другой подвижный. Особенностью ножей является их форма (рис. 6), отвечающая профилю разрезаемого материала. Ножницы делят на: — ручные; — приводные. Также, часто встречаются ножницы комбинированного типа для резки профильного и листового материала. Рис. 6. Формы ножей для резки фасонного металла: 1 – верхний нож; 2 – профильный (разрезаемый) металл; 3 – упоры; 4 – нажимные винты. В сварных конструкциях для плотного прилегания деталей при сборе и сварке очень часто возникает необходимость делать в профильном материале всякого рода зарубы, закругления, выемки (рис. 7). Для этой цели применяются так называемые зарубочные машины. На этих машинах, кроме указанных работ, можно осуществлять резку профильного материала. 115 Рис. 7. Формы зарубок на полках уголка. В частных случаях допускается резка на ножницах по разметке, для этого лист устанавливается до совпадения линии разметки с внутренней плоскостью ножа. При серийном производстве детали с контуром, ограниченным прямыми линиями, выгоднее резать по упорам. Эти упоры располагаются за подвижным ножом и называются задними. Чаще всего они бывают универсальными, позволяющими настраивать их по заданным размерам деталей. Кроме задних упоров, применяются упоры передние и боковые, устанавливаемые в зависимости от конфигурации детали на столе ножниц. Дисковые и вибрационные ножницы служат для вырезания детали или заготовки по шаблону. Благодаря упорам и шаблонам при резке плоского или профильного металлопроката можно отказаться от их предварительной разметки. Для облегчения работы подача листового и профильного материалов к ножницам осуществляется с помощью всякого рода приспособлений: столов из роликовых тележек, рольгангов, столов «гусиные шейки», металлических шаров. Кроме того, некоторые модели ножниц монтируются на поворотном столе, что позволяет значительно сократить операции, связанные с кантовкой громоздких деталей. Резка скалыванием нашла широкое применение при изготовлении котельных конструкций. 116 Тема 4. Контроль качества резки. Вырезанное термической резкой детали по отклонениям от проектных линейных размеров должны соответствовать требованиям ГОСТ 23118-2012. Шероховатость поверхности реза после ручной кислородной резки, машинной кислородной и плазменно-дуговой резки должны соответствовать требованиям ГОСТ 23118-2012. Отклонение поверхности реза от перпендикулярности сопрягаемых кромок должны соответствовать требованиям ГОСТ 23118-2012, а свободных кромок должно соответствовать третьему классу по ГОСТ 14792-80. Количество выхватов на поверхности реза деталей, вырезанных ручной и машинной термической резкой, должно соответствовать требованиям ГОСТ 23118-2012. На нижних кромках поверхностей реза допускается образование грата, который удаляется по принятому на заводе технологическому процессу изготовления деталей, сборки и сварки конструкций. Допускается наличие грата в виде валика оплавленного металла на нижней кромке поверхности реза после плазменно-дуговой резки, если размеры валика не превышают 0,6 мм по высоте и 1,2 мм по ширине. Габаритные размеры деталей необходимо проверять путем замеров при помощи измерительного инструмента или шаблона. Отклонения углов разделки кромок под сварку определяют при помощи угломера или шаблона. 117 Контроль за процессом резки и качеством поверхности реза осуществляется газорезчиком и мастером участка. Выборочный контроль качества поверхности реза производится службой технического контроля не реже двух раз в смену. Механизация процесса резки Применение термической резки требует подготовленного персонала и специальных мер безопасности, главным образом из-за своей пожароопасности. Возможна резка фаски для К-, V-, и Х-образные разделки с одинарным скосом кромки. Специалистам понятно, что качество кромок, подготовленных с помощью ручной термической резки, практически никогда не соответствует требованиям ГОСТ, и кромки нуждаются в последующей обработке (как минимум зачистка грата абразивными кругами или проволочными щетками). Газокислородная резка легированных сталей осложнена тем, что во время сгорания углеводородных газов (пропана, ацетилена) в атмосфере кислорода образуется свободный углерод и угарный газ, которые, вступая во взаимодействие с легирующими элементами (прежде всего хромом и никелем), образуют тугоплавкие карбиды; удаление карбидов из зоны резки при температурах газокислородного пламени практически невозможно. Поэтому газокислородная резка, к примеру, нержавеющих хромоникелевых сталей практически невозможна. Плазменная резка - практически единственный способ выполнять качественную резку высоколегированных сталей и алюминиевых сплавов. При использовании машинной резки (особенно портальных машин термической резки с ЧПУ), качество кромок выше и размеры элементов разделки могут полностью соответствовать требованиям стандартов. Однако при термической резке (особенно легированных сталей) происходит интенсивное изменение химического состава и свойств поверхностного слоя реза - науглероживание, азотирование, появление рыхлостей - а также интенсивные деформации вырезанных деталей при больших толщинах металла. Рез зачастую требует зачистки для снятия дефектного поверхностного слоя, а полученная кромка имеет пониженную свариваемость и при сварке требует сварщика высокой квалификации (не ниже 5 разряда), особенно, если сварная деталь ответственная и сварное соединение подвергается неразрушающему контролю. Применение в качестве плазмообразующего газа газовых смесей типа Ar/He2, Ar/H2, N2/H2 или хотя бы кислорода существенно снижает степень науглероживания и азотирование поверхностного слоя и делает требования последующей механической зачистки реза неактуальными. 118 Лазерная резка применяется для весьма ограниченного диапазона толщин изза высокой стоимости лазеров большой мощности и сложности систем фокусировки и наведения. Так как наиболее оптимальные для лазерной резки толщины лежат в пределах от 0,5 мм до 10 мм, то необходимость в резке скоса кромки для них практически отсутствует. Ручная лазерная резка, очевидно, еще долгое время будет невозможна из-за большой массы оптических головок и высокой опасности для операторов. Переносные машины термической резки. Иногда их также называют переносными газорежущими машинами. На самом деле они могут быть оснащены как газопламенными, так и плазменными режущими горелками и используются для механизированной термической резки. Основное применение таких машин - вырезка небольших деталей и резка монтажных припусков. Конструктивно переносная машина термической резки представляет собой самоходную каретку с регулируемым электрическим приводом, на которой размещены режущие горелки: одна или две газопламенные или одна плазменная. Резаки установлены в кронштейнах, дающих возможность вертикальной и горизонтальной регулировки, а также поворота для резки скоса кромки. Переносные машины, оснащенные одной режущей горелкой, могут использоваться для разделительной резки и резки скоса кромки для Vобразной разделки без притупления кромки; оснащение машины двумя горелками позволят резать скосы кромок для Y-образной и X-образной разделок. Иногда на переносную машину устанавливается три горелки, что позволяет резать скосы кромок для К-образной разделки. Выпускаются два типа переносных машин термической резки - легкие и тяжелые. Легкие машины имеют собственную массу до 10 кг и комплектуются одной режущей горелкой, позволяющей резать металл толщиной не более 100 мм. Тяжелые машины могут весить до 15 - 20 кг и могут комплектоваться двумя или тремя режущими горелками. Тяжелые машины также более приспособлены для комплектации оснащением для плазменной резки, которая требует более высокой скорости, чем газокислородная. Переносные машины позволяют производить резку как прямых резов с перемещением по направляющим, так и вырезать криволинейные детали (с ручным направлением перемещения или при помощи циркульного устройства) и широко используются в монтажных устройствах. Наиболее сложный вид оборудования для раскроя листового металла - портальные 119 машины термической резки. На портале могут быть установлены несколько режущих суппортов, оснащенных горелками, как для газокислородной, так и для плазменной резки. Оснащены компьютерными системами управления, которые позволяют вырезать детали с высокой точностью и небольшим количеством отходов. Резка скоса кромки для газокислородных и плазменных режущих суппортов осуществляется по разному. Газокислородные режущие суппорты оснащаются так называемыми трехрезаковыми блоками, которые представляют собой зубчатый сектор, установленный на суппорте и поворачивающийся вокруг вертикальной оси. Режущие горелки крепятся на зубчатом секторе: одна горелка вертикально, две другие - по обе стороны сектора. Боковые горелки могут устанавливаться в зависимости от требуемого узла разделки. 120
