182 РАЗДЕЛ 5. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ ЛЕКЦИЯ № 38. Основные понятия и задачи развития машиностроительного комплекса Машиностроительный комплекс это совокупность отраслей промышленности, изготовляющих важнейшие средства производства, предметы потребления (автомобили, бытовая техника, инвентарь), а также продукцию оборонного значения. В его состав входят: станкостроение, приборостроение, электротехническая и электронная промышленность, энергетическое, транспортное, химическое, нефтяное, сельскохозяйственное машиностроение, авиационная, автомобильная, тракторная промышленность и ряд других отраслей машиностроения. Этот комплекс охватывает тысячи предприятий, институтов, конструкторских, технологических организаций. По своим масштабам и численности работающих машиностроение - самая крупная отрасль промышленности, в ней занято около 1 / 3 всех работающих, а номенклатура выпускаемых изделий составляет десятки тысяч наименований. По масштабам выпуска продукции различают три вида машиностроительного производства - массовое, серийное, единичное. К массовому производству относится выпуск таких широкоиспользуемых машин и изделий, как автомобили, трактора, электродвигатели, холодильники, часы, стиральные машины, подшипники и т. д. Серийно выпускаются насосы, компрессоры, вентиляторы, металлорежущие станки, прессы, летательные аппараты и др. Единичным (индивидуальным), как правило, является производство особо крупных и уникальных машин и оборудования, таких как прокатные станы, тепловые и гидравлические турбины, мощные прессы, крупные морские суда, космические аппараты и др. Ведущая роль машиностроения среди других отраслей народного хозяйства определяется тем, что основные производственные процессы во всех отраслях промышленности, строительства и сельского хозяйства выполняются посредством машиностроительной продукции, и в существенной степени производительность труда в любой отрасли определяется техническим уровнем машиностроения. Машиностроительные предприятия производят изделия, т.е. предметы или наборы предметов, изготовленные на предприятии. Установлены следующие виды изделий: - деталь - изделие, изготовленное из однородного материала, без применения каких-либо механических соединений (деталь может иметь какое-либо покрытие, например, путем хромирования или может быть применена при ее изготовлении местная пайка, сварка); примеры деталей -болт, гайка, ключ от замка, шайба и др.; - сборочная единица - изделие, имеющее составные части, соединенные между собой на предприятии - изготовителе в результате сборочных (соединительных) операций (например, путем свинчивания, склеивания, сварки, запрессовки, сшивки и т.п.); примеры сборочных единиц - автомобиль, станок, сварной корпус и др.; - комплекс - это изделие, состоящее из сборочных единиц и деталей, не соединенных между собой на предприятии-изготовителе, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций; примеры комплексов автоматическая телефонная станция, корабль, автоматическая линия по изготовлению какой-либо продукции, космическая станция и др.; 183 комплект - то же, что и комплекс, т.е. изделие из набора более простых изделий, но имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера; примеры - комплект запасных частей, комплект тары и др. Машиностроение занимает одно из первых мест в экономике Украины. Учитывая общемировые тенденции развития глобализации, т.е. перерастание индустриальной экономики в постиндустриальную, для которой характерен новый технологический способ производства, его роль все больше возрастает. Как показывает опыт промышленно развитых стран мира, наиболее интенсивно процессы обновления должны осуществляться в машиностроительной отрасли, так как выпускаемая ею продукция является технической базой производства для других отраслей промышленности. Степень обновления и уровень конкурентоспособности продукции, производимой в государстве, зависит, прежде всего, от степени обновления продукции машиностроения. Вообще, нужно сказать о том, что машиностроению в товарной структуре экспорта Украины принадлежит второе место – 13,2% (металлургия – 63,8%). Однако наблюдается отрицательная динамика экспорта впервые освоенной продукции. Так, за последние три года ее объем ежегодно сокращается примерно на 5-7 млн. грн. Кроме того, за период с 1990 года рентабельность продукции уменьшилась в 80 раз. В структуре потребления энергетических ресурсов на машиностроительных предприятиях наибольший объем занимает электроэнергия, что отражается на себестоимости продукции, которая с 1990 года увеличилась почти в 9 раз. Нехватка денежных средств остается одной из главных причин, которые препятствуют техническому обновлению производства. В настоящий момент основным источником финансирования являются собственные средства предприятий (как и в других отраслях их естественно не хватает). Только 10% из бюджета идет на обновление основного капитала. Несмотря на активное участие коммерческих банков (предоставление кредитов) в этом процессе, их вклад остается слишком незначителен – всего лишь 5%. Иностранный инвестор также не спешит оказать помощь машиностроителям, так как предпочитает вкладывать свои капиталы в сферу торговли. Здесь следует отметить, что машиностроение, тем не менее, является одной из наиболее привлекательных для иностранных инвесторов отраслей. Так, на начало этого года сюда поступало 9,3% от общего объема инвестиций ( но для решения всех проблем комплекса этого явно недостаточно). Машиностроение Украины должно осуществить быстрый переход к производству новых поколений машин и оборудования, способных обеспечить внедрение прогрессивных технологии, и в первую очередь энерго- и ресурсосберегающих, открыть путь к автоматизации всех стадии производства. Первостепенное внимание должно быть уделено выпуску современных станков, кузнечно-прессового, литейного, сварочного и другого прогрессивного оборудования, компьютеризации, механизации и автоматизации машиностроительного производства. - Объектами производства машиностроительных предприятий являются различные машины. Машина — это механизм или сочетание механизмов, осуществляющих целесообразные движения для преобразования энергии или производства работ. Различают два вида машин: машины-двигатели, с помощью которых один вид энергии преобразуется в другой, удобный для применения, и рабочие машины 184 (машины-орудия), с помощью которых производится изменение формы, свойств и положения объекта труда. Машины, механизмы и установки, агрегаты или детали в процессе производства на машиностроительных предприятиях являются изделиями. Изделие — это предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии. ГОСТом 2.101-68 установлены перечисленные ниже виды изделий. Деталь — это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операции (например, валик из одного куска металла, литой корпус и т.п.). У каждой детали, участвующей в сборке, имеются сопрягаемые и несопрягаемые поверхности. Первые при сборке соприкасаются с поверхностями других деталей, образуя соответствующие сопряжения. При этом сопрягаемые поверхности могут иметь различное назначение. Одни служат для присоединения данной детали к другим деталям (например, нижняя плоскость передней бабки токарного станка сопрягается с соответствующей поверхностью станины и определяет этим положение передней бабки относительно станины; хвостовик турбинной лопатки, сопрягаясь с соответствующими пазами ротора, задает конкретные положения турбинной лопатке). Такие поверхности называются основными базами. Сопрягаемые поверхности служат для присоединения к заданной детали других деталей сборочного соединения и носят название вспомогательных баз (например, поверхность станины, на которую опирается основная база передней бабки — ее нижняя плоскость, — является вспомогательной базой станины и т.д.). Таким образом, при сборке соединений основные базы одной детали опираются на вспомогательные базы другой. Сопрягаемые поверхности, выполняющие некоторые рабочие функции (поверхность шкива с приводным ремнем, поверхность резьбы в винтовых механизмах и т.д.), называются функциональными. Остальные поверхности детали являются несопрягаемыми (свободными) и служат для оформления требуемой конфигурации детали. Они часто не обрабатываются или обрабатываются с пониженной точностью для уравновешивания и балансировки. Базовые детали — это детали с базовыми поверхностями, выполняющие в сборочном соединении (узле) роль соединительного звена, обеспечивающего при сборке соответствующее относительное положение других деталей. Сборочная единица (узел) — это часть изделия, которая собирается отдельно и в дальнейшем участвует в процессе сборки как единое целое (соединяются между собой свинчиванием, склеиванием, клепкой, прессовкой, сваркой и т.д.). Бывают 1-го порядка (входящие в изделие) и 2-го порядка (входящие в сборочный узел). Сборочный комплект — это группа составных частей изделия, которые необходимо подать на рабочее место для сборки изделия или его составной части. | Комплектующее изделие — это изделие предприятия-поставщика, применяемое как составная часть изделия, выпускаемого предприятием-изготовителем. Составными частями изделия могут быть детали и сборочные единицы (ГОСТ 3.110982). Каждая сборочная единица включает в себя определенные виды соединений деталей. По возможности относительного перемещения составных частей соединения подразделяются на подвижные и неподвижные. 185 По сохранению конструкции при сборке соединения подразделяются на разъемные и неразъемные. Соединение считается разъемным, если при его разборке сохраняется конструкция его составных частей, и неразъемным, если при разборке его составные части повреждаются и их конструкция нарушается. Соединения могут быть неподвижными-разъемными (пазовые, конические); неподвижными-неразъемными (запрессовка, расфальцовка, клепка); подвижными-разъемными (подшипники скольжения, плунжеры-втулки, зубья зубчатых колес); подвижными-неразъемными (подшипники качения, запорные клапаны). Количество разъемных соединений в современных машинах и механизмах составляет 65 — 85 % от количества всех соединений. По методу образования соединения разделяются на резьбовые, клиновые, штифтовые, шпоночные, клееные, клепанные, фланцевые, прессовые, фальцованные (загибание кромок совместное), развальцованные и др. Важнейшей характеристикой современных машин является их качество. Под качеством продукции понимается совокупность свойств, обусловливающих ее способность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением [16 ]. Для общей оценки качества машины большое значение имеет ее работоспособность, под которой понимается такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значение заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Надежность — это свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность. Отказ — это событие, заключающееся и нарушении работоспособности изделия. Срок службы изделия, определяемый его наработкой до достижения предельного регламентированного состояния, называется ресурсом. Трудоемкость определяется продолжительностью изготовления изделия при нормальной интенсивности труда (и часах). Станкоемкость характеризуется продолжительностью времени, в течение которого должны быть заняты станки или другое оборудование для изготовления всех деталей изделия. Единица измерения — станко-час. Изготовление современных машин и приборов требует четкой организации производственного процесса при тщательной технологической подготовке производства. 186 ЛЕКЦИЯ № 39. Технологический процесс и его структура в машиностроении Применительно к машиностроению следует уточнить ряд основных производственно-технологических понятий. Производственным процессом в машиностроении называют совокупность действий, в результате которых обрабатываемые материалы, полуфабрикаты, заготовки превращаются в готовые изделия. В этом определении под полуфабрикатом понимается еще не готовая продукция, но уже прошедшая несколько стадий обработки. Следует при этом указать, что в случае, если полуфабрикат был изготовлен на другом предприятии, то на нем полуфабрикат будет рассматриваться как готовая продукция.. Под заготовкой понимается исходный материал, продукт (исходный предмет производства), из которого в результате обработки получают готовое изделие. Технологическим процессом в машиностроении называют основную часть производственного процесса, необходимую для изменения формы, размеров или состояния заготовки или для получения сборочных единиц. Технологический процесс обеспечивает выполнение требований, которые изложены в исходных документах – чертежах и технических условиях, созданных для конкретной продукции. Для исполнения этих требований проводится технологическая подготовка производства, включающая проектирование и изготовление специальной оснастки в виде приспособлений и инструмента, разработку методов контроля. Проводится эта работа в соответствии с требованиями стандартов Единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП), которая определяет общие правила организации процессов управления производством, предусматривает применение прогрессивных типовых технологических процессов, стандартной оснастки, средств механизации и автоматизации процессов. При изготовлении изделия машиностроения следует выделить два последовательных этапа: - технологические процессы по изготовлению деталей; - технологические процессы сборки. Сборка - это часть производственного процесса, заключающаяся в соединении в определенной последовательности готовых деталей (сборочных единиц) в сборочные единицы для получения готового изделия, полностью отвечающего установленным для этого изделия техническим требованиям. Изготовление деталей в свою очередь делится на этапы: - изготовление заготовок (т.е. предметов производства, из которых после обработки получают готовые изделия); - обработка заготовок; - специальные виды обработки деталей (например, хромирование -электролитическое нанесение хромового покрытия на поверхность металлического изделия для предотвращения коррозии, повышения сопротивления механическому износу и придания декоративного вида). Содержание указанных выше технологических процессов в значительной степени определяется конкретными условиями, в которых они реализуются. Применительно к условиям машиностроительного производства технологический процесс — это часть производственного процесса, включающая в себя 187 последовательное изменение размеров, формы, внешнего вида или внутренних свойств предмета производства и их контроль. Технологическая операция (ТО) — это законченная часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте, над одним или несколькими одновременно обрабатываемыми или собираемыми изделиями одним или несколькими рабочими. Технологическая операция является основной единицей производственного планирования и учета. На основе операций определяется трудоемкость изготовления изделий и устанавливаются нормы времени и расценки; задается требуемое количество рабочих, оборудования, приспособлений и инструментов; определяется себестоимость обработки; производится календарное планирование производства и осуществляется контроль качества и сроков выполнения работ. В условиях автоматизированного производства ТО — это законченная часть ТП, выполняемая непрерывно на автоматической линии (АЛ), которая состоит из нескольких станков, связанных автоматически действующими транспортнозагрузочными устройствами. В ряде случаев в состав ТП (поточное производство, АЛ, гибкие технологические комплексы) включаются вспомогательные операции (транспортная, контрольная, маркировочная, удаления стружки и т.п.), не изменяющие размеров, формы, внешнего вида или свойств обрабатываемого изделия, но необходимые для осуществления технологических операций. Установка представляет собой часть технологической операции, выполняемую при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или собираемой сборочной единицы. Позиция — фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижной части оборудования, для выполнения определенной части опера дай. Технологический переход представляет собой законченную часть технологической операции, выполняемую над одной или несколькими поверхностями заготовки, одним или несколькими одновременно работающими инструментами без изменения или при автоматическом изменении режимов работы станка. Из приведенного определения видно, что одним переходом является не только часть операции, относящаяся к обработке одной простой и фасонной поверхности простым или фасонным инструментом, но и одновременная обработка нескольких поверхностей комплектом режущих инструментов, а также обработка криволинейных поверхностей простым инструментом, движущимся по контуру или заданной программе (фрезерование кулачков, турбинных лопаток и т.п.). Элементарный переход — часть технологического перехода, выполняемая одним инструментом над одним участком поверхности обрабатываемой заготовки за один рабочий ход без изменения режима работы станка. Вспомогательный переход — законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением формы, размеров и шероховатости поверхностей предмета труда, но необходимы для выполнения технологического перехода (установка заготовки, смена инструментов и т.д.). 188 Рабочий ход — это законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, качества поверхностей и свойств заготовки. Вспомогательный ход — это законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, не сопровождаемого изменением формы, качества поверхности или свойств заготовки, но необходимого для подготовки рабочего хода. Одним из основных принципов построения ТП является принцип совмещения технических, экономических и организационных задач, решаемых в данных производственных условиях. В соответствии с ГОСТом 14004-83, в зависимости от широт номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изделий, современное производство подразделяется на различные типы: единичное, серийное, массовое. Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры, изготовляемых или ремонтируемых изделий и малым объемом выпуска изделий. На предприятиях единичного производства количество выпускаемых изделий и размеры операционных партий заготовок исчисляются штуками и десятками штук; на рабочих местах — разнообразные технологические операции, повторяющиеся нерегулярно или вообще не повторяющиеся; используется универсальное точное оборудование, станки по технологическим группам (токарные, фрезерные, сверлильные, зуборезные и т.д.), специальные приспособления и инструмент, как правило, не применяют (только в редких случаях); исходные заготовки простейшие (прокат, поковка) с малой точностью и большими припусками; требуемая точность достигается методом пробных ходов и промеров, квалификация рабочих очень высокая. Технологическая документация сокращенная и упрощенная; технические нормы отсутствуют; применяется опытностатистическое нормирование труда. Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых или реме нтируемых в течение продолжительного времени. Коэффициент закрепления операций для массового производства равен единице, то есть на каждом рабочем месте закрепляется выполнение одной постоянно повторяющейся операции. При этом используется специальное оборудование, которое расставляется по поточному принципу (то есть по ходу ТП) и связано транспортирующими устройствами. Используются высокопроизводительные многошпиндельные автоматы и полуавтоматы, сложные станки с ЧПУ и обрабатывающие центры. Применяются АЛ и автоматизированные производственные системы, управляемые ЭВМ; высокопроизводительная технологическая оснастка, инструменты из синтетических сверхтвердых материалов и алмазов h фасонные инструменты всех видов. Используются точные исходные заготовки с минимальными припусками на механическую обработку (литье под давлением, точное литье и т.д.). Требуемая точность достигается методами автоматического получения размеров на настроенных станках при обеспечении взаимозаменяемости обрабатываемых заготовок. Средняя квалификация рабочих в массовом производстве ниже, чем в единичном, однако работают высококвалифицированные наладчики станков. Технологическая документация массового производства разрабатывается самым детальным образом, технические нормы тщательно рассчитываются. 189 Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых или ремонтируемых периодически повторяющимися партиями, и сравнительно большим объемом выпуска. В зависимости от количества изделий в партии или серии и значения коэффициента закрепления операций различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производство. Коэффициент закрепления операций определяется отношением числа всех различных технологических операций, выполненных или подлежащих выполнению в течение месяца, к числу рабочих мест. В соответствии с ГОСТом 3.1119-83 коэффициент закрепления операций составляет: • мелкосерийное — свыше 20 до 40 включительно; • среднесерийное — свыше 10 до 20 включительно; • крупносерийное — свыше 1 до 10 включительно. Серийное производство является основным типом современного машиностроительного производства, и предприятиями этого типа выпускается 75 — 80 % всей продукции машиностроения страны. Объем выпуска предприятия серийного типа — от десятков до сотен и тысяч регулярно повторяющихся изделий. Используется универсальное и специализированное оборудование, станки с ЧПУ и ОЦ, применяются гибкие автоматизированные системы станков с ЧПУ, связанные с ЭВМ, групповые поточные линии и переменно-поточные автоматические линии. Технологическая оснастка универсальная. Исходная заготовка — горячий и холодный прокат, литье под давлением, точное литье, поковки, точные штамповки. Целесообразность применения обосновывается технико-экономическими расчетами. Требуемая точность достигается как методами автоматического получения размеров, так и методами пробных ходов. Средняя квалификация рабочих выше, чем в массовом производстве, но ниже, чем в единичном. Технологическая документация и техническое нормирование подробно разрабатываются для наиболее сложных и ответственных заготовок при одновременном применении упрощенной документации и опытно-статистического нормирования простейших заготовок. В зависимости от размеров партий выпускаемых изделий характер ТП серийного производства может изменяться в широких пределах, приближаясь к процессам массового (в крупносерийном) или единичного (в мелкосерийном) типа производства. Правильное определение характера проектируемого ТП и степени его технической оснащенности, наиболее рациональных для данных условий конкретного серийного производства, является очень сложной задачей, требующей от технолога понимания реальной производственной обстановки, ближайших перспектив развития предприятия и умения проводить серьезные технико-экономические расчеты и анализы. В зависимости от условий производства и назначения проектируемого технологического процесса (ТП) применяются различные виды и формы технологических процессов. Каждый ТП разрабатывается при подготовке производства изделий, конструкции которых отработаны на технологичность (ГОСТ 14.301-83). Разрабатываемый ТП должен обеспечивать повышение производительности труда и качество изделия; сокращение трудовых и материальных затрат, металлоемкости; уменьшение вредных воздействий на окружающую среду; реализацию значений базовых показателей технологичности конструкции данного изделия. 190 Основой для нового ТП обычно служит имеющийся типовой или групповой технологический процесс. Если таковые отсутствуют, то за основу берут действующие единичные технологические процессы изготовления аналогичных изделий. Исходную информацию для разработки ТП подразделяют ни базовую, руководящую и справочную. Базовая информация включает данные, содержащиеся в конструкторской документации на изделие и программу выпуска. Руководящая информация содержит требования отраслевых стандартов к ТП и методов управления ими, а также требования стандартов к оборудованию и оснастке, документации на действующие единичные, типовые и групповые ТП, классификаторов технико-экономической информации, производственных инструкций, материалов по выбору технологических нормативов (режимы обработки, припуски, нормы расхода материалов и др.), содержит документацию по технике безопасности и промышленной санитарии. Справочная информация имеет своим источником технологическую документацию опытного производства, описания прогрессивных методов изготовления, каталоги, паспорта, справочники, альбомы компоновок прогрессивных средств технологического оснащения, планировки производственных участков и методические материалы по управлению ТП. Вид технологического процесса определяется количеством изделий, охватываемых процессом (одно изделие, группа однотипных или разнотипных изделий). Единичный технологический процесс — это ТП изготовления или ремонта изделия одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства (ГОСТ 3.1109-82). Унифицированный технологический процесс — это ТП, относящийся к группе изделий (деталей, сборочных единиц), характеризующихся общностью конструктивных и технологических признаков. Унифицированные ТП подразделяются на типовые и групповые — применяются в мелкосерийном, серийном и частично в крупносерийном производствах при наличии специализированных участков, рабочих мест, переналаживаемой технологической оснастки и оборудования. Типовой технологический процесс — это ТП изготовления группы изделий с общими конструктивными и технологическими признаками (ГОСТ 3.1109-82). Характеризуется общностью содержания и последовательности большинства технологических операций и переходов для группы таких изделий и применяется как информационная основа при разработке рабочего ТП и как рабочий ТП при наличии всей необходимой информации для изготовления детали, а также служит базой для разработки стандартов на типовые технологические процессы. Групповой технологический процесс — это ТП изготовления группы изделий с разными конструктивными, но общими технологическими признаками (ГОСТ 3.110982) и представляет собой процесс обработки заготовок различной конфигурации, состоящий из комплекса групповых технологических операций, выполняемых на специализированных рабочих местах в последовательности технологического маршрута изготовления определенной группы изделий. Под специализированным понимается рабочее место, которое предназначено для изготовления или ремонта одного изделия или группы изделий при общей наладке и отдельных подналадках в течение длительного интервала времени. Групповой технологический процесс может состоять также из одной групповой операции (однооперационный групповой ТП). 191 Групповая технологическая операция характеризуется общностью используемого оборудования, технологической оснастки и наладки. Групповые ТП разрабатывают для всех типов производства только на уровне предприятия. Перспективный технологический процесс—это ТП, соответствующий современным достижениям науки и техники, методы и средства осуществления которого полностью или частично предстоит освоить на предприятии. Рабочий технологический процесс — это ТП, выполняемый по рабочей, технологической и (или) конструкторской документации. Разрабатывается только на уровне предприятия и применяется для изготовления или ремонта конкретного предмета производства. Проектный технологический процесс— это ТП, выполняемый по предварительному проекту технологической документации. Временный технологический процесс — это ТП, применяемый на предприятии в течение ограниченного периода времени из-за отсутствия надлежащего оборудования или в связи с аварией до замены на более современный. Стандартный технологический процесс — это ТП, установленный стандартом. Под стандартным технологическим процессом понимается технологический процесс, выполняемый по рабочей технологической и (или) конструкторской документации, оформленной стандартом (ОСТ, СТП), и относящийся к конкретному оборудованию, режимам обработки и технологической оснастке. Комплексный технологический процесс — это ТП, в состав которого включаются не только технологические операции, но и операции перемещения, контроля и очистки обрабатываемых заготовок по ходу ТП. Комплексные технологические процессы проектируются при создании автоматических линий и гибких автоматизированных систем. 192 ЛЕКЦИЯ № 40. Современные заготовительные технологии Для изготовления любой машиностроительной детали необходимо разработать технологию, т.е. решить сложную многовариантную задачу - учесть исходные данные и условия, оценить возможные технико-экономические и социальные параметры различных решений. Объем производства, традиции, уровень квалификации кадров, состояние оборудования - все это влияет на рациональность принимаемого решения. В одном случае выгодной оказывается слесарная обработка заготовок, в другом -на токарном автомате, в третьем штамповка. В разных условиях какие-то этапы отсутствуют, какие-то становятся трудоемкими и сложными, но «сумма технологий» в машиностроении сохраняется для деталей самого различного назначения, размеров, свойств материалов - сближаются технологии изготовления коленчатого вала для мощного двигателя судна и для легконого автомобиля, шестерен мощного редуктора и обычных часов, огромных труб и обода велосипедного колеса. Меняются станки, инструменты, но главное остается: перемещают части объема заготовки (обработка давлением, литье), либо с заготовки снимают лишний материал (обработка металлов резанием). Любая технологическая структура состоит из одних и тех же элементов, т.е. имеется общность структуры токарного или шлифовального станка, пресса и автомобиля. Различия же лишь в движениях заготовки и инструмента, величине и характере приложения технологического усилия. Однако применение различных машин и технологий приводит к разным результатам. Разница особо заметна в заготовительном производстве, а от качества, прогрессивности заготовки существенно зависят все последующие этапы обработки и даже сборка машин. Литейное производство Одним из основных способов изготовления заготовок в машиностроительном производстве является получение их заливкой расплавленного металла в соответствующие формы. Ввиду того, что литьем можно получить, заготовки и для очень сложных по форме деталей и что получение их таким способом экономически аффективно, литье имеет очень широкое применение. Литые части составляют половину, а иногда и до 80% общего веса машин. Соответственно большое значение в составе машиностроительного завода имеет литейный цех (или специализированный литейный завод, снабжающий отливками ряд машиностроительных предприятий). Для получения заготовок или в ряде случаев сразу готовых деталей применяют различные материалы - металлические, пластмассовые, керамические и др. Технические требования к заготовкам зависят от типа производства, формы деталей, характеристик в отношении точности и шероховатости поверхностей и др. В заготовительных производствах применяют различные технологические процессы и, прежде всего, литейные технологии, технологии ковки и штамповки, сварочные технологии. Для сокращения затрат труда на обработку отливок и потерь металла в настоящее время все шире внедряют в производство методы точного литья, дающие отливки высокой точности, требующие лишь чистовой обработки. 193 Для получения точных и чистых отливок применяют заливку металла в формы под давлением и центробежное литье, (заливка металла во вращающуюся форму), обеспечивающие точное заполнение формы металлом. Из сплавов цветных металлов таким путем теперь получают детали с точностью до сотых долей миллиметра. Кокильное литье (как и другие неземляиые формы) тоже дает отливки повышенной точности. К методам точного литья относят также литье по выплавляемым моделям и литье в скорлупчатые (оболочковые) формы. Эти методы литья очень прогрессивны. Их применяют для получения малых отливок сложной формы и очень точных размеров. Полученные этими методами отливки не требуют механической обработки. Эти способы позволяют получать отливки повышенной точности, с чистой поверхностью, иногда без необходимости дальнейшей обработки поверхностей деталей, механизировать и автоматизировать технологические процессы изготовления отливок высокого качества, обеспечивая тем самым высокую производительность труда и снижение себестоимости этих изделий. Обработка металлов давлением Кузнечные работы относятся к технологическим процессам обработки металлов давлением, широко применяемым в машиностроении. При обработке давлением из исходной заготовки пластическим деформированием получают поковки полуфабрикаты или изделия без последующего снятия стружки. Кузнечные работы состоят в подготовке, нагреве, пластической деформации заготовок. При обработке давлением обычно преследуется две цели: получение изделий сложной формы из простой по форме заготовки; улучшение структуры и физико-механических свойств исходного литого металла. В основе обработки металлов давлением лежит процесс пластической деформации, при котором изменяется форма без изменения массы, т.е. объем обрабатываемого тела до и после пластической деформации принимается неизменным. В основном проводится так называемая горячая деформация (в результате нагрева), т.к. в этом случае пластические свойства металла выше, а сопротивление деформации ниже, чем при холодной деформации. Вследствие этого горячей деформации предшествует нагрев металла в нагревательных устройствах. Заготовки и слитки (литые металлические заготовки для переработки путем пластической деформации) перед обработкой давлением нагревают в горнах или нагревательных печах. Горны отличаются от нагревательных печей небольшими размерами, отапливаются каменным углем или коксом, металл нагревается в них при непосредственном контакте с топливом. Используют их для нагрева мелких заготовок при ручной ковке. Печи для нагрева подразделяются на пламенные и электрические, а по распределению температур - на камерные и методические. В камерных печах (печах периодического нагрева) температура одинакова по всему рабочему пространству. Методические печи с постоянно повышающейся температурой рабочего пространства от места загрузки заготовок к месту их выгрузки являются высокопроизводительными печами для непрерывного нагрева. Металл в этих печах нагревается постепенно, методически, по мере продвижения к месту выгрузки. Здесь кратко рассматриваются наиболее распространенные способы обработки металлов давлением - ковка и штамповка. 194 Ковка - способ обработки металлов давлением, при котором инструмент оказывает многократное прерывистое ударное воздействие на нагретую заготовку, в результате чего она, деформируясь, постепенно приобретает заданные форму и размеры. При ковке проводят такие операции как осадка (для уменьшения высоты заготовки и увеличения ее поперечных размеров), высадки (местная осадка), протяжка (для увеличения длины заготовки при уменьшении ее поперечного сечения), обкатка (для придания заготовке цилиндрической формы), раскатка (для увеличения внутреннего и наружного диаметра заготовки кольцевой формы), прошивка (для удаления донной части в углублении поковки) и др. Для выполнения работ, связанных с деформацией, перемещением, захватом, поддержанием, измерением заготовок используется разнообразный кузнечный инструмент.. Ковка осуществляется посредством соответствующего оборудования - ковочных молотов, характеризующихся массой падающих частей (до 5 т), за счет кинетической энергии которых деформируется заготовка, или же ковочных гидравлических прессов, развивающих усилие для деформации до 300 МН и даже более. Ковка используется в единичном и мелкосерийном производстве - для крупносерийного и массового производства она нерентабельна. Штамповка - способ пластического деформирования заготовки в штампах. Штамп (в переводе с немецкого - печать) - инструмент для обработки материалов давлением путем пластической деформации заготовки. Основные детали штампа - пуансон и матрица. При штамповке пуансон давит на заготовку, находящуюся на другой части штампа - матрице. Штамповка может быть листовой (заготовка - лист) и объемной; в зависимости от температуры заготовки холодной и горячей. Процесс штамповки в каждом конкретном случае специализирован для определенной номенклатуры поковок или даже для одного ее типа и требует соответствующего специализированною оборудования. Поэтому штамповка как правило применяется при серийном и массовом производстве, когда экономически оправдано применение специального оборудования и штампов. Для штамповки применяют кривошипные горячештамповочные прессы с усилием до 100 МП, штамповочные молоты с массой падающих частей до 60 т, фрикционные винтовые прессы - 20 МП, гидравлические штамповочные прессы с усилием до 700 МП, горячековочные машины -до 40 МП и др. В зависимости от материала, размеров, массы и сложности форм штампуемых поковок по специальным методикам определяется масса падающих частей молота или усилие пресса, а затем подбирается необходимое оборудование. Помимо молотов и прессов применяются и ротационные машины, рабочий инструмент которых, в отличии от молотов и прессов, совершает не возвратнопоступательное движение, а вращательное (например, вальцы, гибочные машины и др.). Благодаря преимуществам обработки металла и изготовления деталей машин методом давления ковку и особенно штамповку все шире применяют в машиностроительном производстве. Немало сложных машин собирают преимущественно из штампованных деталей. Например, в современном автомобиле штампованные детали составляют 80% от общего веса, в тракторе - 70%. Максимальная замена обработки металла резанием методом штамповки дает значительную экономию металла. 195 Сварка металла В машиностроении для получения сложных по конфигурации заготовок в ряде случаев используют, когда это экономически оправдано, такие способы, как соединение простых по форме исходных материалов таким образом, чтобы образовалась одна сложная деталь, когда обратный процесс разделения на исходные части стал бы невозможен без разрушения полученного изделия. К таким «соединительным технологиям» относят сварку. Сварка - процесс получения неразъемного соединения деталей машин, других конструкций при их нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого в результате установления межатомных связей в месте их соединения. Сваривают заготовки из металлов, керамических материалов (материалы на основе глин с добавками), пластмасс (материалы на основе природных или синтетических полимеров), стекла и др. Существуют способы сварки, при которых материал в месте соединения расплавляется (дуговая, газовая, плазменная, лазерная и др.) или деформируется без нагрева (холодная, взрывом и др.). По способу защиты материала от окисления бывает сварка под флюсом, в защитных газах и др.; по степени механизации - ручная, полуавтоматическая и автоматическая. Сущность дуговой сварки металлическим электродом заключается в том, что сварочный электрод (в виде - электропроводной проволоки со специальным защитным покрытием - обмазкой) зажимают в электродержатель (рукоятка для удерживания электрода) и подсоединяют его к одному из полюсов источника тока, а свариваемое изделие присоединяют к другому полюсу. Сварщик концом электрода прикасается к свариваемому изделию (зажигание дуги), создает короткое замыкание, возникает электрическая дуга, которая плавит электрод (если электрод металлический, плавящийся) и металл свариваемого изделия. По мере смещения электрода и, следовательно, продвижения дуги вдоль соединения образуется из расплавленных материалов изделия и электрода сварочный шов в виде валика. Для стабилизации дуги, защиты металла от окисления применяют, как уже указывалось, электроды с обмазкой, включающей специальные компоненты. При автоматической электросварке процесс происходит с использованием «голой», необмазанной проволоки, без участия человека, при этом по мере продвижения электрода вдоль сварочного шва и зону дуги непрерывно подсыпается флюс, и горение дуги происходит под частично расплавленным флюсом. Для повышения качества сварки ее проводят в искусственной защитной атмосфере, например, в среде аргона. Распространена также газовая сварка, при которой для местного расплавления свариваемых изделий используется теплота сгорания смеси горючего газа (например, ацетилена) с кислородом. В последние десятилетия находят применение новые методы сварки, например, сварка электронным лучом в вакууме. Суть метода в том, что поверхность бомбардируется быстродвижущимися электронами (115-165 тыс. км/с в зависимости от величины ускоряющего напряжения) и высоком вакууме - кинетическая энергия электронов почти без потерь преобразуется в тепловую. При перемещении детали под подвижным или неподвижным электронным лучом образуется сварной шов. Этот метод используется для сварки тугоплавких металлов (например, вольфрама), или соединения металлов с неметаллами, для получения микропрорезей и др. 196 Метод применяется в таких высокотехнологичных отраслях; как атомная энергетика, ракетостроение, в радиоэлектронной промышленности и др. Для каждого способа сварки необходимо соответствующее оборудование. Для ручной дуговой сварки необходимы источник питания дуги, электродержатель, гибкие провода и маска (щиток) для защиты лица от излучения, искр и брызг. При сварке сварщик может отходить от источника питания на расстояние до 50 м, но при большом удалении увеличивается потеря напряжения в проводах. Сварочная дуга может работать на постоянном и переменном токе. Переменным током дугу питают от сварочного трансформатора, постоянным - от сварочных выпрямителей или сварочных генераторов. Сварочные генераторы обычно имеют привод от электродвигателя (такой генератор называется сварочным преобразователем) или от двигателя внутреннего сгорания (сварочный агрегат}. Их обычно используют в условиях, где нет электросетей. Технические характеристики указанного оборудования всегда содержат данные о величине потребляемой мощности и величине сварочного тока (в амперах). 197 ЛЕКЦИЯ № 41. Механическая обработка заготовок. Современные методы обработки металлов Обработка металлов резанием Механическая обработка поверхностей заготовок является завершающей при изготовлении деталей. Она позволяет получить высокие показатели в отношении качества поверхностей, прежде всего в отношении их точности. Это очень важно, поскольку требования к этим показателям непрерывно возрастают из-за возрастания быстроходности и мощности машин для получения высокоэффективных технологических процессов. Механическая обработка связана главным образом с процессом резания, т.е. обработкой по снятию слоя материала для придания изделию заданных формы, размеров и обеспечения определенных технологией качества поверхностей. Сущность процесса резания заключается в отделении от заготовки части материала с превращением его в стружку посредством инструмента (например, резца), имеющего острую кромку (режущее лезвие) клиновидной формы. При анализе технологических процессов резания следует оценивать их энергоемкость, материалоемкость, трудоемкость и др. показатели. В приведенном далее примере в общем виде оценивается только одна из характеристик для процесса одного типа - его трудоемкость, поскольку, с одной стороны, нецелесообразно и невозможно в одной дисциплине рассмотреть все возможные технологии, а, с другой стороны определение указанных выше различных показателей в значительной степени единообразно, типизировано. Итак, ниже для примера в общем виде приводится способ определения затрат времени при выполнении одной операции технологического процесса при обработке заготовки резанием. Прежде всего, необходимо уточнить суть этого процесса и ввести необходимые понятия. Процесс реализуется при движениях заготовки и инструмента относительно друг друга, которые называют движениями резания. Эти движения делятся на главное (оно всегда одно), имеющее наибольшую скорость, и движения подачи, обеспечивающие снятие материала по всей площади обработки. Путь, пройденный режущей кромкой инструмента за единицу времени относительно заготовки в направлении главного движения, называют скоростью резания и обозначают буквой V (единица измерения м/с или м/мин). Путь, пройденный режущей кромкой относительно заготовки в направлении движения подачи за единицу принятого перемещения в направлении главного движения (например, за один оборот заготовки или за единицу времени), называют подачей и обозначают буквой S (единица измерения соответственно мм/об или мм/мин). Различают также дополнительные движения, установочные и вспомогательные, необходимые для придания инструменту и заготовке исходного положения перед началом резания, для их закрепления, замены инструмента, снятия готовой детали и др. Расстояние между обрабатываемой в данный момент и обработанной перед этим поверхностями, измеренное в направлении перпендикулярном к последней, называют глубиной резания и обозначают буквой t (единица измерения - мм), а весь слои материала (его толщину), подлежащий удалению с поверхности заготовки для получения требуемого размера, называют припуском и измеряют его в миллиметрах. Чтобы снять весь припуск при глубине резания t потребуется i проходов. Скорость резания, подача и глубина резания характеризуют напряженность процесса резания и относятся к параметрам режима резания. 198 Эти параметры в значительной степени предопределяют трудоемкость каждой технологической операции. Зная величину припуска и параметры режима резания, используя учебную или специальную литературу, можно по приведенным в ней формулам вычислить основное (технологическое) время То, необходимое для обработки поверхности заготовки. Используя нормативную литературу (специальные справочники) для заданной технологической операции и конкретных условии производства можно установить: - время на установку и снятие детали, управление станком и т.п. -вспомогательное время – Тв; - время на смену инструмента, уборку станка и т.д. - время обслуживания - Тобсл; - время на естественные нужды, личные перерывы и т.д. – время на отдых – Тотд; - время на настройку станка, подбор инструмента для партии, состоящей из nз заготовок, - подготовительно-заключительное время – Тп-з. После этого можно определить: - штучное время: Т шт Т о Т в Т обсл Т отд ; (8) - штучно-калькуляционное время: Т штк Т шт Т п з / n (9). Штучно-калькуляционное время, устанавливающее суммарные затраты времени на выполнение конкретной технологической операции при обработке одной заготовки резанием, является составной частью исходных материалов для выполнения различных производственно-экономических расчетов (начисления заработной платы, оценки производственных мощностей предприятия и др.). Приведенный частный пример, в котором представлена методика определения трудоемкости процесса резания, показывает, что при анализе любого технологического процесса прежде всего необходимо разобраться с его сутью, содержанием, а затем, используя учебные, специальные и справочные литературные источники, следует приступить к определению необходимых технико-экономических показателей (по трудоемкости, энергоемкости, материалоемкости и др.). Основное технологическое оборудование для механической обработки - станки. Станок - это машина для обработки материалов. На металлорежущих станках обрабатываются металлические заготовки и заготовки из полимерных материалов, на дереворежущих - деревянные заготовки. (Существуют станки и в других отраслях - для камнеобработки, ткацкие станки и др.). В технологическом отношении различают такие типы станков, как токарные, сверлильные, расточные, фрезерные, строгальные, протяжные, шлифовальные, отделочные, зубообрабатывающие, отрезные и прочие. Для этих станков используют соответствующий режущий инструмент - резцы, сверла, развертки, протяжки, шлифовальные круги, притиры, зуборезные инструменты, (например, червячные фрезы) и др. По назначению в зависимости от типа производства, на котором используются станки, по степени их универсальности различают станки: 1. универсальные, позволяющие обрабатывать разнообразным инструментом разнообразные заготовки, имеющие наибольшее распространение в единичном, а также в серийном производстве; 199 2. специализированные, предназначенные для выполнения однотипных операций для заготовок одного типа, но разных размеров; они применяются достаточно широко в единичном и серийном производствах; 3. специальные, используемые для определенного типа операций для заготовок одного типоразмера (одинаковые размеры и конфигурация) как правило в массовом производстве. Станки классифицируют и по другим признакам - как, например, по точности, по компоновке основных рабочих органов, степени их автоматизации (с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы) и др. В настоящее время применяют многооперационные станки - обрабатывающие центры, которые выполняют несколько операций без переустановки заготовки с автоматической сменой инструмента. Такие центры используют при изготовлении сложных крупногабаритных тяжелых изделий. В настоящее время также используются быстропереналаживаемые, т.е. гибкие производственные системы (ГПС), в частности, гибкие автоматизированные производства (ГАП): это группы станков и транспортных устройств, оснащенных общей системой управления и обеспечивающих технологический цикл при выпуске деталей, их контроль и складирование. ГАП укомплектовано станками с числовым программным управлением (ЧПУ1)) и управляется компьютером (ЭВМ). Следует указать, что для условий мелкосерийного производства применение станков с ЧПУ оказывается эффективным только в том случае, если этим оборудованием предприятие оснащается комплексно. Обработка без снятия стружки Обработка заготовок без снятия стружки заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности. Под действием давления от специального инструмента на поверхность она выравнивается за счет смятия микровыступов и подъема микровпадин. В результате повышается качество поверхности - повышается ее износостойкость, коррозийная стойкость, характеристики прочности. Процесс такой обработки осуществляется на универсальных металлорежущих станках с помощью специальных устройств, в которых размещают инструмент (например, в виде шарика или ролика), передающий давление последовательно на всю обрабатываемую поверхность. Используются также специализированные станки и прессы. Применяют также ряд других процессов. Например, калибрование (проталкивание шарика из твердого материала по цилиндрической поверхности обрабатываемого отверстия меньшего диаметра) и др. Или другой пример - для заготовок сложной формы с целью упрочнения их поверхностей применяют дробеструйную обработку. В этом случае заготовка размещается в специальной камере, где она подвергается ударам потока, состоящего из стальной дроби, летящей с большой скоростью. Кроме указанных выше методов обработки металлов и изготовления заготовок и деталей машин применяют и другие - сравнительно новые и весьма прогрессивные технологии. К таким методам относятся химические, электрические, плазменнолазерные, ультразвуковые, гидропластические. 1) Числовое программное управление металлорежущим оборудованием – управление обработки заготовки на станке по программе, заданной в цифровой форме, путем управляющего воздействия на исполнительный орган станка. 200 При химической обработке используется химическая энергия. Снятие определенного слоя металла осуществляется в химически активной среде (химическое фрезерование). Оно заключается в регулируемом по времени к месту растворений металла с поверхности заготовок путем травления их в кислотных и щелочных ваннах. В то же время поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покрытиями (лаки, краски и др.). Постоянство скорости травления поддерживается за счет неизменной концентрации раствора Химическими методами обработки получают местные утонения на нежестких заготовках, ребра жесткости; извилистые канавки и щели; «вафельные» поверхности; обрабатывают поверхности, труднодоступные для режущего инструмента. При электрическом методе электрическая энергия преобразуется я тепловую, химическую и другие виды энергии непосредственно в процессе удаления ладанного слоя. В соответствии с этим электрические методы обработки разделяют на электрохимические, электроэрозийные, электро-термические и электромеханические. Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металла при электролизе. При прохождении постоянного тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющуюся анодом, происходит химическая реакция и образуются соединения, которые переходят в раствор или легко удаляются механическим способом. Электрохимическую обработку применяют при полировании, размерной обработке, шлифовании, очистке металлов от оксидов, ржавчины. Анодно-механическая обработка сочетает электротермические и электромеханические процессы и занимает промежуточное место между электрохимическим и электроэрозионным методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент - к катоду. В качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоки. Обработку ведут в среде электролита. Заготовке и инструменту задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки При пропускании через электролит постоянного тока происходит процесс анодного растворения металла как при электрохимической обработке. При соприкосновении инструмента (катода) с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки (анода) происходит процесс электроэрозии, присущий электроискровой обработке. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки при движении инструмента и заготовки. Электроэрозионная обработка основана на законах эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. Она применяется для прошивания полостей и отверстий любой формы, разрезания, шлифования, гравирования, затачивания и упрочнения инструмента. В зависимости от параметров импульсов и вида применяемых для их получения генераторов электроэрозионная обработка разделяется на электроискровую, электроимпульсную и электроконтактную. Электроэрозионные методы достаточно широко применяют на машиностроительных предприятиях. Так, электроискровой обработке подвергают труднообрабатываемые обычными способами заготовки из твердых сплавов, вольфрама и др. при изготовлении режущих инструментов, штампов и других изделий Электроискровую обработку применяют для изготовления штампов, пресс-форм, режущего инструмента и для упрочнения Поверхностного слоя деталей. 201 Электроимпульсная обработка используется как предварительная при изготовлении штампов, турбинных лопаток, поверхностей фасонных отверстий в деталях из жаропрочных сталей. В этом процессе скорость съема металла примерно в десять раз больше, чем при электроискровой обработке Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом (инструментом) и удалении из зоны обработки расплавленного металла механическим способом. Метод не обеспечивает высокой точности и качества поверхности деталей, но дает высокую скорость съема металла, поэтому используется при зачистке отлива или проката из специальных сплавов, шлифовании (черновом) корпусных деталей машин из труднообрабатываемых сплавов. Электромеханическая обработка связана с механическим действием электрического тока. На этом основана, например, электрогидравлическая обработка, использующая действие ударных волн, возникающих в результате импульсного пробоя жидкой среды. Ультразвуковая обработка металлов - разновидность механической обработки основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источником энергии служат электрозвуковые генераторы тока с частотой 1630 кГц. Рабочий инструмент пуансон закрепляют на волноводе генератора тока. Под пуансоном устанавливают заготовку, и в зону обработки поступает суспензия, состоящая из воды и абразивного материала. Процесс обработки заключается в том, что инструмент, колеблющийся с ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абразива, которые скалывают частицы материала заготовки. Ультразвуковая обработка используется для получения твердосплавных вкладышей, матриц и пуансонов, вырезания фигурных полостей и отверстий в деталях, прошивки отверстий с криволинейными осями, гравирования, нарезания резьбы, разрезания заготовок на части и др. Плазменно-лазерные методы обработки основаны на использовании сфокусированного луча (электронного, когерентного, ионного) с весьма высокой плотностью энергии. Луч лазера используется как в качестве средства нагрева и размягчения металла впереди резца, так и для выполнения непосредственного процесса резания при прошивке отверстий, фрезеровании и резке листового металла, пластмасс и других материалов Процесс резания идет без образования стружки, а испаряющийся за счет высоких температур металл уносится сжатым воздухом. Лазеры применяют для сварки, наплавки и разрезания в тех случаях, когда к качеству этих операций предъявляются повышенные требования. Например, лазерным лучом режут сверхтвердые сплавы, титановые панели в ракетостроении, изделия из нейлона и др. Гидропластическая обработка металлов применяется при изготовлении пустотелых деталей с гладкой поверхностью и малыми допусками (гидроцилиндры, плунжеры, вагонные оси, корпуса электродвигателей и др.). Пустотелую цилиндрическую заготовку, нагретую до температуры пластической деформации, помещают в массивную разъемную матрицу, сделанную по форме изготавливаемой детали, и закачивают под давлением воду. Заготовка раздается и принимает форму матрицы. Детали, изготовленные этим способом, имеют более высокую долговечность работы. Итак, применение электрической, химической и других видов энергии в зоне обработки для разрушения заготовки в определенном месте позволяет получить ряд преимуществ: 202 процесс удаления припуска протекает без механических нагрузок и, следовательно, отсутствуют упругие деформации участвующих в работе элементов системы «заготовка - инструмент - станок», что приводит к повышению точности обработки; - возможна обработка заготовок различной прочности, твердости и др.; - в большинстве случаев поверхности деталей получают с минимальным дефектным слоем. Отсюда следует, что новые способы обработки металлов выводят технологию изготовления деталей на качественно более высокий уровень по сравнению с традиционной технологией. - 203 ЛЕКЦИЯ № 41. Технология сборочных процессов Сборочный процесс - заключительный и один из наиболее ответственных в машиностроительном производстве. Суть его состоит прежде всего в упорядоченном соединении составных частей изделия в одно целое: от качества этой работы зависят показатели продукции при ее эксплуатации. Сборка - это процесс образования соединений составных частей изделия. Любой сборочный процесс состоит из нескольких последовательных этапов: 1. подгонка и слесарная обработка деталей (слесарная обработка - это обработка, выполняемая ручным инструментом, например, напильником или машиной ручного действия, например, шлифовальной для зачистки поверхностей); 2. предварительная сборка сборочных единиц (узлов1) и механизмов); 3. общая (окончательная) сборка изделия; 4. регулировка и испытание изделия. Следует указать, что первый этап в наибольшей степени характерен для единичного типа производства, в то же время для массового производства, где обеспечивается полная взаимозаменяемость деталей, этот этап сборочного процесса, как правило, не предусматривается. Сборочный процесс расчленяется на операции и переходы. Операция характеризуется тем, что она выполняется на одном рабочем месте. Операция состоит из переходов, характеризующихся неизменностью инструмента. Технологические процессы разрабатывают в форме технологических карт или схем, в которых приводятся данные для реализации этих процессов и проведения необходимых технико-экономических расчетов, например, по определению затрат труда (трудоемкости) при выполнении сборочных операций. В технологических картах указывается: - наименование изделия; - количественные характеристики (например, масса изделия); - наименования и описание операций и переходов; - оборудование, приспособления, инструмент для всех операции и переходов; - необходимые эскизы (графические изображения); - требования технических условий; - нормы времени (регламентированное время) для выполнения работ и квалификационные требования к работникам. В единичном производстве для сборки применяют универсальное сборочное оборудование и универсальную технологическую оснастку, используется маршрутная карта, содержащая последовательность операций (без описаний). Для сборки при массовом производстве используется специальное оборудование, включая транспортирующие устройства, специальная оснастка. Для сборочных процессов в условиях массового производства характерна полная взаимозаменяемость изделий, т.е. деталей и сборочных единиц, отсутствие пригоночных работ и подбора деталей, и это является предпосылкой для автоматизации процессов сборки. Различают две формы сборки - стационарную и подвижную. При стационарной сборке, характерной для единичного и серийного производств, изделие собирают на сборочном месте, к которому доставляют детали для сборки. 1) Узел – соединение нескольких деталей, часть механизма, машины 204 Работы выполняются на универсальном оборудовании (верстаки, стенды и др.) универсальным инструментом. При подвижной сборке, которая характерна для массового производства, изделие перемещается от одного рабочего места к следующему и т.д., на каждом из которых выполняется определенная сборочная операция. Для перемещения изделия применяют, например, конвейеры. Подвижная сборка является поточной, обеспечивающей непрерывность и согласованность сборочного процесса: сборочный процесс расчленяется на операции, требующие примерно одинакового времени для выполнения каждой из них. Это время равно такту сборки. Движение конвейера может быть непрерывным или периодическим. Синхронизация сборочных операций для обеспечения такта достигается различными технологическими и организационными мерами (объединением или расчленением операций, увеличением числа сборщиков, благодаря специальному оснащению рабочих мест и др.). Одним из наиболее важных технико-экономических показателей сборочного процесса является его трудоемкость. Сборка характеризуется коэффициентом трудоемкости, равным отношению трудоемкости сборки к трудоемкости изготовления всех деталей, входящих в данное изделие. Чем ниже этот показатель, тем совершеннее сборочный процесс в технико-экономическом отношении. Большое значение для повышения технико-экономических показателей имеет типизация этих процессов. Внедрение типовых сборочных процессов для однотипных сборочных единиц позволяет снизить их трудоемкость и сократить время на подготовку производства. Для повышения эффективности сборки важно, чтобы конструкция изделия была технологичной, т.е. приспособленной к процессу сборки, создающая возможность осуществления сборочных операции с минимальными затратами труда. Важное направление повышения технико-экономической эффективности сборки автоматизация и механизация процессов. В частности, в массовом производстве в ряде случаев оказывается эффективным применение, наряду с конвейерными транспортирующими устройствами, промышленных роботов, особенно для автоматизации монотонных процессов. После завершения сборки проводится регулирование для обеспечения требуемого взаимодействия составных частей изделия. В процессе сборки и после ее окончания с целью проверки обеспечения заданного уровня качества продукции осуществляется технический контроль. Контролю подвергаются отдельные соединения деталей, сборочные единицы, изделия в целом. В процессе контроля проверяется выполнение требований, установленных в технологической документации, чертежах и технических условиях на продукцию. Для проведения контроля разрабатываются в установленном порядке технологические документы на процессы технического контроля - операционные карты технического контроля. Готовые изделия подвергаются испытаниям: на холостом ходу, без нагрузки - для проверки правильности и согласованности взаимодействия составных частей изделия; под нагрузкой в течение установленного времени - для подтверждения технических характеристик изделия. При положительных результатах испытаний составляется соответствующий документ о соответствии продукции установленному уровню качества, т.е. подтверждается способность изделия выполнять требуемые в соответствии с назначением этого изделия функции. 205 ЛЕКЦИЯ № 42. Развитие высоких технологий Каждое изделие, поставляемое в условиях жесткой конкуренции на внутренний и в особенности на внешний рынок, должно обладать новым уровнем свойств и отвечать все возрастающим требованиям, предъявляемым потенциальным потребителем к функциональным, экологическим и эстетическим свойствам. Эти тенденции повышения требований потребителей к качеству изделий нашли свое отражение в международных стандартах серии ISO-9000. Получение такого уровня изделий все больше связывают с нетрадиционными конструкторскими и технологическими решениями, реализация которых не всегда возможна на основе использования технологии, оборудования, оснастки общего назначения и т.д., то есть на основе всего того, что составляет суть традиционных технологий. В связи с этим все большее внимание специалистов привлекают нетрадиционные технологии, созданию которых предшествует накопление обширных данных фундаментальных и прикладных наук. В отличие от традиционных, чаще аналоговых, такие технологии называют «наукоемкими», «высокими», «прецизионными», «ультрапрецизионными», «нанотехнологиями» и др. Эти названия новых технологий связаны с тем или иным признаком технологического процесса или свойствами изделия, который принят авторами в качестве определяющего, при этом во внимание чаще всего берется предельная точность, обеспечиваемая данным рабочим процессом. Термин «нанотехнология» используется для определения систем оборудования и технологий интегрированного производства, которые обеспечивают обработки с точностью порядка 1 мм. В более широком плане «нанотехнология занимается системами, новые функции и свойства которых зависят только от наноэффектов их компонентов», как звучит академическое определение понятия, которое дает союз немецких инженеров. Известно, например, что в мир микроизделий могут вести два пути: можно из массивной заготовки, например из кремния, шлифованием получать необходимое точное миниатюрное изделие. По этому принципу функционирует системная техника, которая в основном занимается структурами размеров от мм до мкм. Другой возможный путь; берутся отдельные атомы, молекулы или частички из них, которые как кирпичики создают желаемую структуру. Этот принцип применяется в нанотехнологии, которая занимается структурами размером до нанометров (млн. доля мм). Таким образом, термины, применяемые к новым технологиям, не являются исчерпывающими, т.к. не отражает всей многосложности и емкости новых технологий, всего спектра и нового уровня функциональных и других свойств макро- и микроизделий. Представляется, что, независимо от используемой терминологии, все эти технологии объективно представляют собой составляющие единого, самостоятельного направления в рамках общей технологии машино- и приборостроения, суть которого более полно отражается в понятии высокие технологии. Высокими следует считать такие технологии, которые, обладая совокупностью основных признаков — наукоемкостъ, системность, физическое и математическое моделирование с целью структурно-параметрической оптимизации, высокоэффективный рабочий процесс размерной обработки, компьютерная технологическая среда и автоматизация всех этапов разработки и реализации, 206 устойчивость и надежность, экологическая чистота — при соответствующем техническом и кадровом обеспечении (прецизионное оборудование, оснастка и инструмент, определенный характер рабочей технологической среды, система диагностики, компьютерная сеть управления и специализированная подготовка персонала), гарантируют получение изделий, обладающих новым уровнем функциональных, эстетических и экологических свойств. Именно новый уровень функциональных, эстетических и экологических свойств изделий при соблюдении экономической целесообразности интересует потребителя. Этим гарантируется конкурентоспособность новой продукции. Достижению такого уровня свойств подчинены все структурные составляющие высоких технологий (рис. 35). Наиболее общим и всеми воспринимаемым признаком высоких технологий является наукоемкость, отражающая то обстоятельство, что они базируются на новейших результатах фундаментальных и специальных прикладных исследований. Системность предполагает диалектическую взаимосвязь, взаимодействие всех элементов технологической системы, всех основных процессов, явлений и составляющих. Системность особо важна как требование прецизионности и соответствие этим требованиям всех структурных элементов технологической системы обработки и сборки (оборудование, инструмент, обрабатываемый материал, оснастка, измерения, диагностика, работа исполнительных органов). Рис. 35. Структура высоких технологий 207 Важнейшим признаком ВТ, безусловно, является рабочий процесс. Он доминирует во всей технологической системе и должен отвечать самым разнообразным требованиям, но, главное, быть потенциально способным обеспечить достижение нового уровня функциональных свойств изделия. Здесь богатыми возможностями обладают те устойчивые и надежный рабочие процессы, в которых эффективно используются физические, химические, электрохимические и другие явления в сочетании со специальными свойствами инструмента, технологической среды, например криогенное резание, диффузионное формообразование изделий из алмазов и т.п. Несомненно, существенным признаком ВТ является автоматизация, базирующаяся на компьютерном управлении всеми процессами проектирования, изготовления и сборки, на физическом, геометрическом и математическом моделировании, всестороннем анализе моделей процесса или его составляющих. Наличие рассматриваемого признака требует системного подхода к компьютерно-интеллектуальной среде, т.е. перехода к системам САЕ/САМ System. Таким путем обеспечивается сочетание гибкости и автоматизации, прецизионности и производительности. Очевидно, специфика высоких технологий требует специализации таких систем на узкой группе изделий или признаков. Системный подход предполагает использование не отдельных математических моделей, а системы взаимосвязанных моделей с непременной параметрической и структурной оптимизацией. Например, параметрическая оптимизация преследует цель минимизации ряда характеристик процесса размерной обработки, прежде всего энергетических затрат, минимизации толщины срезов, силы резания и уровня температуры, интенсивности окислительных и диффузионных процессов и т. д. Для высокой технологии нужна высокая степень («глубина») оптимальности для сравнительно узкого конкретного диапазона условий и требований. Базой такой оптимальности могут быть только глубокие специальные исследования в этой области, разработка автоматизированных систем научного обеспечения, включая использование мирового опыта, специальных методов оптимизации, методов достижения прецизионности, технологического обеспечения функциональных свойств и др. В современных условиях непременным признаком ВТ является их экологическая ориентация, гармонизация с окружающей средой. Важную роль играет техническое обеспечение высоких технологий, в рамках которого в качестве основных условий реализации выступают прецизионность оборудования, инструмента, оснастки, системы диагностики и контроля. Все это происходит в рамках основных направлений развития, например технологии размерной обработки (рис. 36), прежде всего создания новых рабочих процессов, прецизионного оборудования и средств технологического обеспечения, новых форм построения технологических процессов. Результаты развития каждого из этих направлений в сочетании с новейшими достижениями науки и смежных областей техники являются естественными истоками высоких технологий. При этом прогресс в создании рабочих процессов ВТ, как и традиционных технологий, является определяющим и характеризуется наиболее высокими темпами: где каждое отношение составляет скорость разработки соответственно РП — рабочих процессов, О — оборудования, СТО — систем технологического обеспечения, ФО — форм организации технологического процесса, т — время. 208 Особое место занимает специально подготовленный персонал. Во взаимосвязанной системе «человек — техника — организация» человеческий фактор выдвигается на главенствующую роль и прежде всего в плане профессиональной подготовки, коммуникабельности, восприимчивости к новому, способности переучиваться (рис. 37). Изложенное представление о высоких технологиях позволяет выделить их в качестве самостоятельного раздела технологии машиностроения. Область высоких технологий в этом плане, безусловно, обладает своей спецификой, и многие общие принципы технологии машиностроения становятся крайне не достаточными, а потому затруднительно их использование. Например, принципиальным отличием высоких технологий от аналоговых технологий является их ориентированная на объект индивидуализация, целевой характер, более жесткая связь с требованиями, вытекающими из заданного уровня функциональных, эстетических и экологических свойств изделий. Рис. 36. Истоки высоких технологий обработки материалов 209 Рис. 37. Требования к компетентности специалистов в области ВТ Рабочие процессы ВТ Не принижая важности других признаков ВТ и констатируя необходимость наличия всей их совокупности, необходимо выделить особую роль и значимость рабочих процессов, т.к. ожидаемый результат высоких технологий не может быть получен, если рабочий процесс потенциально обеспечивает достижения необходимого уровня свойств изделия. Таким образом, рабочий процесс является базой создания высоких технологий. Все существующие целевые рабочие процессы технологии машиностроительного производства можно разделить на восемь видов (рис. 38): • деление (дозирование) материала; • соединение; • формообразование; • изменение механо-физико-химических свойств материала изделий; • размерная обработка; • сборка; • контроль, диагностика, испытание. Эти широко известные и повсеместно применяемые рабочие процессы, которые обычно используются в единой системе технологической подготовки производства, в большой степени отвечают традиционным требованиям и точностным характеристикам, параметрам качества поверхностного слоя и т. д., а значит, и соответствующему уровню функциональных свойств. 210 Применительно к высоким технологиям требования к рабочим процессам, их роль и значимость не идентичны тем, которые приняты в традиционных (конвенциональных) технологиях. Принципиальным отличительным признаком рабочих процессов ВТ является их индивидуализация, более жесткая связь с требованиями, в. втекающими из заданного уровня функциональных, экологических эстетических свойств изделий. В данном пособии внимание будет сосредоточено на рабочих процессах формообразования, размерной обработки, изменении механо-физико-химических свойств материала, окончательной (финишной) обработки, диагностике. При рассмотрении рабочих процессов следует отметить, что обработка резанием является превалирующей: в общей структуре оборудования около 98 % занимают металлорежущие станки (78 % для лезвийной и 20 % для абразивной) и только 2 % оборудования для электрохимической и электрофизической (ЭХО и ЭФО) и комбинированной обработки. Различные процессы обработки резанием за счет их комбинирования и изменения режимов обладают широкими возможностями в обеспечении точности, повышении надежности и долговечности деталей машин. Рuc. 38. Целевые рабочие процессы и способы их реализации 211 В настоящее время в решении этой проблемы сформировались два направления рабочих процессов, ориентированных на: 1. Технологическое обеспечение параметров поверхностного слоя деталей машин, определяющих их функциональные свойства. 2. Непосредственное обеспечение функциональных свойств деталей машин. Второе направление является перспективным, так как рассмотрение эксплуатации детали как последней операции технологической подготовки позволяет в значительной мере снизить себестоимость изготовления, обеспечивая надежность и долговечность. Основные направления развития обработки резанием связаны с ее интенсификацией за счет новейших и синтеза существующих методов обработки. Основная тенденция смещения технологических показателей в размерной обработке в направлении более высоких степени точности и качества изменяет соотношение отдельных видов обработки: уменьшается объем токарной обработки за счет внедрения абразивной, увеличивается доля шлифования, и, напротив, внедрение лезвийной обработки сверхтвердыми материалами может вытеснить абразивную обработку. Возрастает доля сверхскоростного резания, позволяющего повысить скорости и подачи в несколько десятков раз. Так, например, для фрезерования до 100 м/с и 14000 мм/мин соответственно. Среди принципиально новых следует выделить вибрационное и ударноимпульсное резание, резание с опережающим пластическим деформированием, резание в оригинальных технологических средах, в том числе в среде охлажденных ионизированных газов, а также СОЖ под высоким давлением, «сухое» резание и резание с минимальной смазкой. Новый уровень финишной обработки может быть достигнут на основе развития нового направления в размерной обработке— триботехнологии. За счет комбинированного воздействия алмазно-абразивного, деформирующего и антифрикционного инструмента обеспечивается управление как геометрическими, так и физико-химическими параметрами поверхности. При этом достигается повышение ресурса, например пар трения, в 3 — 10 раз. Достижения размерной обработки связаны с применением таких рабочих процессов, как плазменно-механическая; гидролучевая, обеспечивающая высокую производительность особенно при обработке композиционных материалов и пластмасс (отсутствие температурного влияния, экологическая чистота и пожаробезопасность при резке пластмасс и композитов); комбинированные методы шлифования на основе использования традиционных, электроэрозионных и электрохимических, эрозионнохимических методов обработки, совмещение ультразвуковой и электроэрозионной обработки. Лазерная обработка может превалировать над электронно-лучевой, а также возможно появление новых физико-химических методов обработки, использующих новые теплофизические явления, которые позволят обрабатывать композиционные материалы, керамику и др. 212 ЛЕКЦИЯ № 43. Современные технологии получения композиционных материалов и изделий из них После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов. Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы. Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Типы композиционных материалов. Композиционные материалы с металлической матрицей. Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы. Композиционные материалы с неметаллической матрицей. Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. 213 Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об. %, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об. %. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных. Классификация композиционных материалов. Волокнистые композиционные материалы. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру l/d1010³, и с непрерывным волокном, в которых l/d∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения. Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры. Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 – 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. 214 Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные ( В = 25003500 МПа, Е = 38420 ГПа) и углеродные ( В = 14003500 МПа, Е = 160450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют В = 25003500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие В = 1500028000 МПа и Е = 400600 ГПа. Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью ( В , 1 ) и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения. Рассмотрим зависимость В и Е бороалюминевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль и поперек оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше В , 1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно – матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна =, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %. Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении и эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала. Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения. Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, доборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры. Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. 215 В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %. Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Т ПЛ . В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюминия и дисперсных чешуек Al 2 O 3 . Частицы Al 2 O 3 эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Содержание Al 2 O 3 в САП колеблется от 6-9 % (САП-1) и до 13-18 % (САП-3). С увеличением содержания Al 2 O 3 В повышается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3 %. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность 100 для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45-55 МПа. Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об. % двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr и Mo. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni +20 % Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре 1200 °С сплав ВДУ-1 имеет 100 75 МПа и 1000 65 МПа, сплав ВД-3 - 100 65 МПа. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре. Стекловолокниты. Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для практических целей используют волокно диаметром 5-20 мкм с Р = 600÷3800 МПа и ε = 2÷3,5 %. Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного состава. Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. 216 Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т. п.). Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика. Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки. При старении в течение двух лет коэффициент старения К С = 0,5÷0,7. Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой. Карбоволокниты. Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200 °С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO 2 , AlN и Si 3 N 4 , что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры. Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты). Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненные углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте, висскеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200 °С. Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-2л получают на эпоксианилиноформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100 °С, они наиболее технологичны. Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300 °С. Карбоволокниты отличаются высоким статистическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения ИЗГ и Е почти не изменяются. 217 Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие электрические свойства: V = 0,0024÷0,0034 Ом·см (вдоль волокон); ε = 10 и tg = 0,001 (при частоте тока 10 10 Гц). Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. Карбоволокниты с углеродной матриццей. Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800-1500 °С образуются карбонизированные, при 2500-3000 °С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их. Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими механическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару. Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200 °С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на тормажение). Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены в следующих таблицах. Бороволокниты. Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей. Помимо непрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала. В качестве матриц для получения боровлокнитов используют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С; КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С. Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов. Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью: λ = 45 кДж/(м∙К); α = 4∙10 6 С 1 (вдоль волокон); V = 1,94∙10 7 Ом∙см; ε = 12,6÷20,5 (при частоте тока 10 7 Гц); tg δ = 0,02÷0,051 (при частоте тока 10 7 Гц). Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2-2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов. 218 Органоволокниты. Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических волокон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям. К органоволокнитах значения модуля упругости и температурных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и связующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористось не превышает 1-3 % (в других материалах 10-20 %). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высокая (400-700 кДж/м²). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон). Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100-150 °С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при температуре 200-300 °С. В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью. Экономическая эффективность применения композиционных материалов. Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства. Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов. Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана. Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом. Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. 219 Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.
