Лабораторная работа № 4

Тема: Технология изготовления заготовки конкретного изделия с учетом всех возможных пределов металлургического производства

Задачи:

• закрепить знания о материалах, используемых в металлургическом производстве;

• иметь представление о технологиях и оборудовании, применяемом в металлургическом производстве;

• научиться выбирать метод получения заготовок из выбранного материала.

Работа рассчитана на четыре академических часа.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных производств, базирующихся па месторождениях руд, коксующихся углей, энергетических мощностях.

В природе практически все металлы из-за их большой химической активности находятся в связанном состоянии в виде различных химических соединений. Рудой называется природное минеральное сырье, содержащее металл, извлечь который можно экономически выгодным промышленным способом. Задачей металлургии является получение металлов и металлических сплавов из руд и других исходных материалов. Для этого в зависимости от природы металла и вида исходного сырья возможно применение различных способов.

Для выплавки чугуна главным образом используют доменное производство. При изучении процесса получения чугуна необходимо рассмотреть устройство доменной печи и вспомогательных агрегатов. Исходными материалами для производства чугуна являются железные и марганцевые руды, флюс и топливо. При изучении характеристик железных руд следует усвоить, что металлургическая ценность руды определяется содержанием железа в руде, возможностью обогащения руды, наличием вредных примесей, физическим состоянием руды (пористость, крупность кусков), составом пустой породы. К основным операциям подготовки руды к плавке относятся дробление, обогащение, окускование.

Большое значение для металлургических процессов имеют флюсы, т.е. вещества, добавляемые при плавке руд для понижения температуры плавления пустой породы и получения жидкотекучего шлака. Кроме того, флюсы способствуют рафинированию металла от вредных примесей и удалению золы кокса.

Физико-химическая сущность доменного процесса состоит в следующем. В доменной печи железо должно быть отделено от пустой породы, восстановлено до металлического состояния и, наконец, для снижения температуры плавления соединено с правильно подобранным количеством углерода. Для осуществления этих изменений требуется проведение сложных процессов: 1) горения топлива; 2) восстановления окислов железа и других элементов; 3) науглероживания железа; 4) шлакообразования. Эти процессы протекают в печи одновременно, но с разной интенсивностью и на разных уровнях печи.

Продуктами доменного производства являются чугуны и ферросплавы различных марок, доменный шлак, колошниковый газ.

Основным исходным материалом для производства стали являются: передельный чугун и стальной лом (скрап).

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора. Удаление примесей, т.е. передел чугуна в сталь, происходит за счет окислительных реакций, которые протекают при высоких температурах. Поэтому все способы переработки чугуна в сталь сводятся в основном к воздействию на чугун кислорода при высоких температурах. Однако в процессе избирательного окисления углерода и других примесей расплавленное железо также поглощает некоторое количество кислорода, которое отрицательно влияет на качество готовой стали. Поэтому на последней стадии сталеплавильного процесса избыточный кислород связывают в окислы других металлов и удаляют в шлак, т.е. осуществляют раскисление добавкой кремния, марганца и алюминия.

Переделывать чугун в сталь можно в различных металлургических агрегатах. Основными из них являются кислородные конверторы, мартеновские печи и электропечи. В ряде случаев готовая сталь не всегда может удовлетворять предъявляемым к ней требованиям. Для получения сталей особо высокого качества применяют специальные способы: разливку стали в инертной атмосфер; обработку синтетическим шлаком; вакуумную дегазацию; электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой и плазменно-дуговой переплавы. В настоящее время практически все сталеплавильные процессы являются циклическими, прерывистыми. Замена прерывистого процесса непрерывным позволяет увеличить производительность агрегатов, повысить качество стали.

Формообразование заготовок, деталей и изделий возможно при нахождении металлов и сплавов в различных агрегатных состояниях: в твердом (обработка давлением, механическая обработка, сварка), жидком (литье), газообразном (напыление). Одним из критериев выбора способа формообразования заготовок являются свойства материала заготовок, такие как пластичность, твердость, свариваемость, литейные свойства и целый ряд других.

Литейным производством называют отрасль машиностроения, занимающуюся изготовлением фасонных деталей путем заливки расплавленного металла в форму, полость которой имеет конфигурацию детали. Основные преимущества и достоинства получения отливок – относительная дешевизна по сравнению с другими способами изготовления деталей и возможность получения изделий самой сложной конфигурации из различных сплавов.

Пригодность сплавов для производства отливок определяется следующими литейными свойствами: жидкотекучестью, усадкой, ликвацией, газопоглощением. Следует ознакомиться с литейными свойствами металлов и сплавов.

В настоящее время существует более 100 различных способов изготовления литейных форм и получения отливок. Причем современные способы получения заготовок литьем достаточно широко обеспечивают заданные точность, параметры шероховатости поверхности, физические и механические свойства заготовок. Поэтому при выборе способа получения заготовки необходимо оценивать все преимущества и недостатки каждого сопоставляемого варианта.

В общем производстве литых заготовок значительный объем занимает литье в песчано-глинистые формы, что объясняется его технологической универсальностью. Этот способ литья экономически целесообразен при любом характере производства, для деталей любых масс, конфигураций, габаритов, для получения отливок практически из всех литейных сплавов. Технологический процесс изготовления литых фасонных изделий в песчано-глинистых формах состоит из значительного числа операций: подготовки формовочной и стержневой смесей, изготовления форм и стержней, заливки форм, освобождения отливок из форм, обрубки и очистки литья. Изменяя способ формовки, используя различные материалы моделей и формовочных смесей, можно получить отливки с достаточно чистой поверхностью и точными размерами.

Изготовление литейных форм из песчано-глинистых смесей - наиболее сложная и ответственная операция. Необходимо изучить технологию изготовления литейных форм при ручной и машинной формовке, ознакомиться с литейной технологической оснасткой. Выбивка и очистка литья - самые трудоемкие и маломеханизированные процессы.

По сравнению с литьем в песчано-глинистые формы преимущество специальных видов литья состоит в следующем: в повышении точности и улучшении качества поверхности отливок; уменьшении массы литниковой системы; резком снижении расхода формовочных материалов. Кроме того, технологический процесс изготовления отливок специальными способами легко поддается механизации и автоматизации, что повышает производительность труда, улучшает качество отливок, снижает их себестоимость.

К специальным способам литья относят: литье в оболочковые формы, точное литье по выплавляемым моделям, литье в металлические формы (кокили), центробежное литье, литье под давлением и непрерывное литье в кристаллизаторах.

В современной металлообрабатывающей промышленности обработка металлов давлением (ОМД) является одним из основных способов формообразования деталей машин различного назначения. Обработка металлов давлением основана на пластичности металлов, т.е. на возможности металлов пластически деформироваться без разрушения. Создавая соответствующие условия деформирования, можно получить требуемую технологическую пластичность. Обработка металлов давлением существенно отличается от других видов обработки, так как в процессе пластической деформации металл не только приобретает требуемую форму, но и меняет свою структуру и физико-механические свойства. В настоящее время насчитывается около 400 способов ОМД. Несмотря на большое многообразие процессов обработки давлением, их можно объединить в две основные группы: процессы металлургического и машиностроительного производства.

К первой группе относятся прокатка, прессование и волочение, т.е. процессы, в основе которых лежит принцип непрерывности технологического процесса. Продукцию металлургического производства (листы, полосы, ленты, периодический и профильный прокат, трубы, профили, проволоку и т.п.) используют как заготовку в кузнечно-прессовых и механических цехах и как готовую продукцию для создания различного рода конструкций. Во вторую группу входят такие процессы, как ковка, объемная штамповка (горячая и холодная), листовая штамповка и специальные виды обработки давлением (раскатка кольцевых деталей, редуцирование, обкатка и т.д.). Эти процессы обеспечивают получение заготовок деталей и готовых изделий, не требующих последующей механической обработки. Кованые и штампованные заготовки отличаются высокими механическими свойствами, поэтому наиболее ответственные, тяжело нагруженные детали машин изготавливают из заготовок, полученных ковкой или штамповкой.

Сварка является наиболее прогрессивным, высокопроизводительным и весьма экономичным технологическим способом получения неразъемных соединений. Сварку можно рассматривать как сборочную операцию (особенно в строительной промышленности) и как способ производства заготовок. Во многих областях промышленности широко используют комбинированные сварные детали, которые состоят из отдельных заготовок, выполненных с применением различных технологических процессов, а иногда и различных материалов. Деталь расчленяют на составные части с последующей их сваркой, если изготовление ее цельнолитой или цельнокованой связано с большими производственными трудностями. Например, с отсутствием оборудования, усложнением механической обработки или если отдельные части детали работают в особо тяжелых условиях (повышенного изнашивания и температуры, коррозии и т.п.) и их изготовление требует применения более дорогих материалов.

Физическая сущность процессов сварки заключается в образовании прочных атомно-молекулярных связей между поверхностными слоями соединяемых заготовок. Для получения сварного соединения требуется очистить свариваемые поверхности от загрязнений и оксидов, сблизить соединяемые поверхности и сообщить им некоторую энергию (энергию активации). Эта энергия может сообщаться в виде теплоты (термическая активация) и в виде упругопластической деформаций (механическая активация). В зависимости от метода активации все способы сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Расскажите о технологических процессах подготовки руды к производству.

2. Какие виды топлива применяются в доменной печи?

3. Какие физико-химические процессы протекают в доменной печи?

4. Начертите схему внутреннего профиля доменной печи и назовите главные ее части. Укажите примерные температуры в различных участках доменной печи.

5. Для чего и в каких агрегатах подогревается воздух, подаваемый в доменную печь?

6. Назовите продукты доменной плавки и укажите области их применения.

7. Расскажите о физико-химической сущности передела чугуна в сталь.

8. Приведите устройство мартеновской печи и принцип ее работы.

9. Приведите кислородно-конверторный способ производства стали, его особенности и преимущества.

10. Приведите особенности производства стали в мартеновских печах.

11. Опишите получение стали в дуговых и индукционных электропечах.

12. Назовите сталеплавильные агрегаты непрерывного действия, их устройство и принцип действия.

13. Приведите классификацию способов получения отливок.

14. Назовите формовочные материалы, применяемые для изготовления литейных форм и стержней.

15. Перечислите основные операции при получении отливок.

16. Охарактеризуйте сущность способа литья по выплавляемым моделям, преимущества и недостатки этого способа.

17. Охарактеризуйте сущность способа литья в оболочковые формы, назовите его преимущества.

18. Укажите преимущества литья в металлические формы (кокили).

19. Охарактеризуйте сущность способа литья под давлением.

20. Изложите сущность получения фасонных отливок на центробежных машинах.

21. По каким признакам классифицируются прокатные станы?

22. Охарактеризуйте основное и вспомогательное оборудование прокатного производства.

23. Назовите основной инструмент и оборудование при прессовании.

24. Опишите технологию процесса прессования.

25. Изложите сущность и особенность процесса волочения.

26. Приведите схемы и принципы работы волочильных станов.

27. Сравните ковку и штамповку. Какой вид обработки более прогрессивный?

28. Изложите сущность процесса дуговой электросварки.

29. Расскажите об области применения газовой сварки.

30. Изложите физическую сущность процесса пайки.

Задания для лабораторной работы

Ниже приводятся 24 варианта лабораторной работы. Номер варианта работы, выполняемой студентом, должен соответствовать порядковому номеру в журнале.

Задачи выполняют согласно приведенному алгоритму, приведенному ниже. Работа должна сопровождаться чертежами, схемами, таблицами, иллюстрирующими текст (по мере необходимости). Пример оформления титульного листа приведен в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

При выполнении работы вам дается полная самостоятельность в выборе материала детали и дальнейшей его обработки на основе известных методов. Особое внимание следует уделить обоснованию выбранного материала и способу его получения.

Таблица 1 – Варианты заданий
Вариант	Задание
1	2
1	Опишите технологический процесс производства заготовок валов ответственного назначения диаметром не менее 150 мм
2	Опишите технологический процесс производства заготовок гладкого ступенчатого шлицевого вала ответственного назначения
3	Опишите технологический процесс производства рессор автомобиля.
4	Опишите технологический процесс производства заготовок зубчатых колес диаметром 130 мм коробки передач легкового автомобиля, работающих в масле.
5	Опишите технологический процесс изготовления крупномодульных шестеренок с наружным диаметром 1000 мм.. Шестерни работают без защитных кожухов на открытом воздухе в интервале температур от -30 до +30 °С.
6	Опишите технологический процесс изготовления режущих пластин из быстрорежущей стали токарного отрезного резца, работающего с заготовками диаметром 60 мм; материал заготовки - сталь 45.
7	Опишите технологический процесс производства заготовок корпуса передней бабки токарного станка.
8	Опишите технологический процесс изготовления заготовок валов длиной 200 мм. и диаметром 80 мм, работающих при больших скоростях вращения.
9	Разработайте технологический процесс изготовления торсиона длиной 200 мм, диаметром 180 мм, работающего на кручение.
10	Разработайте технологический процесс изготовления шпинделя токарного станка легкой серии.
	Окончание таблицы 1
1	2
11	Разработайте технологический процесс изготовления заготовок болтов, работающих на растяжение и удар в агрессивных средах при повышенных температурах.
12	Разработайте технологический процесс получения заготовок шпилек, работающих на растяжение и удар.
13	Разработайте технологический процесс изготовления молотового штампа горячего деформирования.
14	Разработайте технологический процесс изготовления сосудов для хранения серной кислоты.
15	Разработайте технологический процесс изготовления траков гусениц тракторов.
16	Разработайте технологический процесс изготовления заготовки лопатки реактивного двигателя.
17	Разработайте технологический процесс изготовления заготовок «калибров» для контроля диаметров отверстий.
18	Разработайте технологический процесс изготовления волоки для протяжки проволоки диаметром 5 мм.
19	Разработайте технологический процесс изготовления пружин из прутка диаметром 10 мм для работы в слабоагрессивных средах.
20	Разработайте технологический процесс изготовления заготовок шариков подшипников диаметром 10 мм.
21	Разработайте технологический процесс изготовления заготовок гребного винта катера для работы в морской воде.
22	Разработайте технологический процесс изготовления заготовок медицинского скальпеля.
23	Разработайте технологический процесс изготовления сварных труб диаметром 400 мм для перемещения в них смеси «Н2О + речной песок».
24	Разработайте технологический процесс изготовления подкрановой балки.

Алгоритм решения:

1. Анализ условий работы данного изделия.

2. Выбор и обоснование материала.

3. Технологический процесс получения выбранного материала (привести схемы, таблицы, графики и т.д.).

4. Выбор методов получения заготовок из выбранного материала (привести схемы).

5 Упрочняющая объемная и (или) поверхностная обработка, обеспечивающая работу в данных условиях. Выбрать вид и обосновать его (если эта обработка необходима).

Содержание отчета

6. Тема и задачи работы.

7. Технологию изготовления заготовки конкретной детали, содержащую чертежи, схемы, таблицы.

8. Выводы по работе.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Основная литература

1. Материаловедение и технология металлов: Учебник для вузов / Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюхин В.М. - М.: Высш. шк., 2008. – 639 с.

2. Рогов В. А., Позняк Г. Г. Современные машиностроительные материалы и заготовки : учеб. пособие для вузов / Рогов В. А., Позняк Г. Г. - М.: Академия, 2008. - 329 с

3. Дальский А. М, Барсукава Т.М, Бухарин Л. Н и др., под ред. Дальского А.М. Технология конструкционных материалов: Учеб. для студентов машиностроительных специальностей. – 5-е изд., исправленное – М.:Машиностроение, 2008.- 512с., ил.

4. Волков Г.М., Зуев В.М. Материаловедение: учебник для студ. высш. Учеб. Заведений – М.: Издательский центр «Академия», 2008. 400 с.

Дополнительная литература

1. Заплатин В.Н. Справочное пособие по материаловедению (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. – М.: Академия, 2007.

2. Шишкин А.В.,.Чередниченко В.С, Черепанов А.Н., Марусин В.В.; под ред. В.С.Чередниченко. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. В 2 т./– Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. – 448 с.

3. Афонькин М. Г., Магницкая М. В. Производство заготовок в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1987. 256 с.

4. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А.Вяткин и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

5. Марочник сталей и сплавов / Под ред. А.С. Зубченко. - М.: Машиностроение, 2003. – 784 с.

6. Чуркин Б. С Технология литейного производства : учебник для вузов [Гриф УМО]; Урал. гос. проф.-пед. ун-т. - Екатеринбург: Издательство УГППУ, 2000. - 662 c. - Библиогр.: с. 659-661

7. ГОСТ 8479-70 Поковки из конструкционной углеродистой и легиро­ванной стали. - М: Изд-во стандартов. 1989. - 16 с.

8. Вербицкий Е.И.. Добровольский ИГ. Курсовое проектирование по го­рячей штамповке. - Минск. Вышэйшая школа. 1978. - 208 с.

9. ГОСТ 7505-89 Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски. -М.: Изд-во стандартов. 1990. - 53 с. Режим доступа: http://www.vladresurs.ru/docs/gosts/7505-89.pdf

10. Бойцов В В., Трофимов И.Д. Горячая объемная штамповка,- М: Выс­шая школа. 1988.-264 с.

11. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1 / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мешерякова. - 4-е изд.. перераб. и доп. - М.: Машино­строение. 1985. - 656 с.

Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

1. Научная электронная библиотека

Режим доступа: http://elibrary.ru

2. Технические справочники

Режим доступа: http://www.mexanik.ru

3. Российская библиотечная ассоциация

Режим доступа: http://www.rba.ru

5. Муниципальное объединение библиотек

Режим доступа: http//www.gibs.uralinfo.ru

6. Сетевая электронная библиотека

Режим доступа: http//web.ido.ru

7. Государственная публичная научно-техническая библиотека

Режим доступа: http://www.gpntb.ru

8. Виртуальные библиотеки

Режим доступа: http//imin.urc.ac.ru

9. Библиотека нормативно-технической литературы

Режим доступа :http//www.tehlit.ru

10. Электронная библиотека нормативно-технической документации

Режим доступа: http//www.technormativ.ru

11. Библиотека В. Г. Белинского

Режим доступа: http://book.uraic.ru

ПРИЛОЖЕНИЕ 1