§Описание[править | править вики-текст]

Припои бывают в виде гранул, прутков, проволоки, порошка, фольги и закладных деталей.

Пайку осуществляют или с целью создания механически прочного (иногда герметичного) шва, или для получения электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке места соединения и припой нагревают. Так как припой имеет температуру плавления значительно ниже, чем соединяемый металл (или металлы), то он плавится, в то время как основной металл остаётся твёрдым. На границе соприкосновения расплавленного припоя и твёрдого металла происходят различные физико-химические процессы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями. При этом компоненты припоя диффундируют в основной металл, основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Выбирают припой с учётом физико-химических свойств соединяемых металлов (например, по температуре плавления), требуемой механической прочности спая, его коррозионной устойчивости и стоимости. При пайке токоведущих частей необходимо учитывать удельную проводимость припоя. Жидкотекучесть низкотемпературных припоев даёт возможность паять изделия сложной формы.

§Классификация припоев[править | править вики-текст]

Вид припоев	Температура плавления Tпл., °C	Предел прочности при растяжении, МПа	Сплавы
Мягкие	До 300	16-100	оловянно-свинцовые, оловянно-свинцово-кадмиевые, оловянно-цинковые, сурьмянистые, бессвинцовые (Sn+Cu+Ag+Bi+др.)
Твёрдые	Свыше 300	100-500	медно-цинковые, медно-никелевые, медно-фосфористые, серебряные

Припои принято делить на две группы:

• мягкие;

• твёрдые.

К мягким относятся припои с температурой плавления до 300 °C, к твёрдым — выше 300 °C. Кроме того, припои существенно различаются по механической прочности. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении 16—100 МПа, а твёрдые — 100—500 МПа.

Мягкими припоями являются оловянно-свинцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС 10) до 90 % (ПОС 90), остальное свинец. Проводимость этих припоев составляет 9—15 % чистой меди. Плавление этих припоев начинается при температуре 183 °C (температура плавления эвтектики системы олово-свинец) и заканчивается при следующих температурах:

ПОС 15 — 280 °C.

ПОС 25 — 260 °C.

ПОС 33 — 247 °C.

ПОС 40 — 235 °C.

ПОС 60 — 191 °C.

ПОС 90 — 220 °C.

Припои ПОС 61 и ПОС 63 плавятся при постоянной температуре 183 °C, так как их состав практически совпадает с составом эвтектики олово-свинец. Кроме этих составов в качестве мягких припоев используются также:

• сурьмянистые припои (ПОССу), применяемые при пайке оцинкованных и цинковых изделий и повышенных требованиях к прочности паяного соединения,

• оловянно-свинцово-кадмиевые (ПОСК) для пайки деталей, чувствительных к перегреву и пайки выводов к конденсаторам и пьезокерамике,

• оловянно-цинковые (ОЦ) для пайки алюминия,

• бессвинцовые припои, содержащие наряду с оловом медь, серебро, висмут и др. металлы.

Наиболее распространёнными твёрдыми припоями является медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) с различными добавками.

Температуры плавления ПСр и ПМЦ:

ПСр 10 — 830 °С.

ПСр 12 — 785 °С.

ПСр 25 — 765 °С.

ПСр 45 — 720 °С.

ПСр 65 — 740 °С.

ПСр 70 — 780 °С.

ПМЦ 36 — 825 °С.

ПМЦ 42 — 833 °С.

ПМЦ 51 — 870 °С

Появление гибридной технологии для создания электронных плат обусловило появление нового типа припоев: так называемых паяльных паст, пригодных как для обычной, так и трафаретной пайки элементов гибридных схем. Паяльные пасты представляют собою сложную дисперсию, в которой дисперсной фазой являются микро- и наноразмерные частицы припоя и, возможно, твёрдых компонентов флюса, а дисперсной средой являются жидкие компоненты флюса и летучие растворители.

Широкое распространение получили припои медно фосфористые. К медно фосфористым припоям относятся сплавы меди, фосфора, олова. Данные припои применяются при пайке меди, медных сплавов, серебра, чугуна, твердых сплавов.

Температуры плавления медно фосфористых припоев:

П81 — 660 °С.

П14 — 680 °С.

МФ7 — 820 °С.

П47 — 810 °С.

В связи с повышением внимания общества к вопросам экологии теперь при выборе припоев более серьёзно учитывают токсичность его компонентов. В электротехнике и электронике (особенно в бытовой) всё чаще используют бессвинцовые припои

61

Коррозионностойкие материалы, материалы, устойчивые к разрушению при хим. или эл.-хим. взаимодействии с коррозионной средой. К.м. подразделяют на метал. (коррозионностойкие сплавы, биметал. материалы, композиционные материалы с метал. матрицей) и неметал. (неорганич., органич. и композиц.). К К.м. относят также антикорроз. материалы, применяемые в качестве защитных покрытий, легирующих добавок к коррозионностойким сплавам. В метал. К.м. значит. группу составляют нержавеющие стали, в составе к-рых могут присутствовать др. легирующие элементы (никель, молибден, титан, ниобий и др.), определяющие её св-ва. Аустенитные нержавеющие стали содержат ок. 8—12% никеля (см. Никелевые сплавы), к-рый увеличивает сопротивление коррозии. Большое влияние на экспл. св-ва сталей и сплавов также оказывают термич. обработка, горячая и холодная пластич. деформация, качество поверхности и др. Медь и её сплавы устойчивы к коррозии в атмосфере и в морской воде. Алюминий и его сплавы (см. Алюминиевые сплавы) хорошо противостоят коррозии во мн. к-тах, но нестойки к воздействию щелочных сред. Титан и его сплавы (см. Титановые сплавы) наряду с высокой прочностью, не уступающей прочности многих сталей, обладают меньшим уд. весом, химически стойкие. Бол-во пром. сплавов титана технологичны, могут длительно эксплуатироваться при т-рах до 500 — 600 °C. В биметал. материалах, состоящих из двух разнородных металлов и сплавов (сталь и алюминий, титан и молибден и др.), коррозионная стойкость определяется св-вами защитного слоя. К неорганич. К.м. относят кислотоупорные природные (асбест, глины, кварцевый песок и др.), силикатные (стекло, ситаллы, керамические материалы, эмали) материалы, а также интерметаллиды. Органич. К.м. подразделяют на природные (дерево, битумы, асфальт) и синт. (пластические массы, смолы, резины и др.); они разрушаются под воздействием органич. р-телей или сильных окислителей, света. Наиболее химически стойкими являются фторсодержащие полимеры (фторопласты, фторкаучуки). Неметал. композиц. материалы (графитопласты, стеклопластики и др.) обладают высокой мех. прочностью. К.м. применяют во всех отраслях пром-сти для изготовления деталей, узлов, аппаратов и конструкций, обладающих стойкостью на воздухе, в окислит. и нейтр. средах, в качестве футеровочных (блоки силикатные, плитки керамич., кирпичи кислотоупорные), герметизирующих (герметики, резина), защитных материалов. В Башкортостане науч. иссл. по изучению качеств К.м. ведутся с 40-х гг. 20 в. В 1940—43 И.Н.Францевичем совм. с сотр. Башнефтекомбината (см. «Башнефть») было разработано антикорроз. покрытие для нефтехим. аппаратуры. С 70-х гг. в БашНИИстрой проводятся иссл. и разработаны материалы для антикорроз. защиты строительных конструкций (Л.Ф.Балакирева, О.А.Бородин, Г.Н.Гельфман, В. И. Дедков, С.И.Кокарев, С.Ш.Сайтиев, Г.В.Тэненбаум, В.В.Яковлев, Л.Н.Ястребова). В 80-е гг. в УГАТУ проведены науч. иссл. по сверхпластич. деформации (см. Сверхпластичность) и оптимизации св-в титановых сплавов (Г.А.Салищев и др.); в УГНТУ — иссл. К.м., используемых в технол. оборуд., газопроводах и др.; в ИПСМ — по повышению прочности нержавеющих сталей при сохранении ими коррозионностойких св-в за счёт формирования субмикрокристаллич. и нанокристаллич. структур (Р.Г.Зарипова, К.Г.Фархутдинов, Салищев); созданы технологии сверхпластич. деформации лопаток газотурбинных двигателей (А.Г.Ермаченко, О.А.Кайбышев и др.), внедрённые на пр-тиях РБ и РФ. В респ. К.м. широко применяют на пр-тиях маш-ния, хим., нефтеперераб. пром-сти, напр, из нержавеющей стали производят проволоку и прокат на Белорецком металлургическом комбинате и т.д.

62

К порошковым материалам со специальными свойствами относятся: антифрикционные,фрикционные, пористые, магнитные, вакуумные, контактные и др.

Из антифрикционных материалов изготавливают пористые подшипники скольжения и биметаллические вкладыши. Фрикционные материалы должны иметь стабильный коэффициент трения, быть достаточно прочными, иметь хорошую прирабатываемость, обладать высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью. Пористые материалы широко применяют для изготовления металлических фильтров из порошков железа, меди, латуни, бронзы, алюминия. Эти материалы служат для изготовления деталей, работающих при высоких температурах (лопатки газовых турбин), их также используют для токосъемников, электродов аккумуляторов, горелок.

Методами порошковой металлургии получают твердые магнитные материалы (постоянные магниты), мягкие магнитные  материалы и магнитодиэлектрики.

Металлокерамические контактные материалы по своему составу являются псевдосплавами металлов, обладающих высокой прочностью и тугоплавкостью (W, Мо и др.), с металлами, имеющими высокую электропроводность (Аl, Сu и др.). Для мощных воздушных выключателей применяют контакты на основе карбида вольфрама, а для  щеток и коллекторных  пластин — медно-графитовые композиции.

Вакуумные порошковые материалы применяют для изготовления ламп накаливания, рентгеновских трубок, катодных ламп, выпрямителей. Они должны обладать высокой механической прочностью, химической инертностью, небольшим коэффициентом линейного расширения, малой распыляемостью. Таким требованиям отвечают тугоплавкие металлы (W, Мо, Та), а также железо высокой чистоты и его сплавы с никелем, молибденом, кобальтом и медью.

63

Технологический процесс производства порошковых изделий и области их применения

Процесс изготовления деталей из порошковых материалов заключается в получении порошка исходного материала, составлении шихты, прессовании и спекании изделий. Каждая из указанных операций вносит свой существенный вклад в формирование конечных свойств порошковых изделий. На практике возможны отклонения от приведенной типовой технологической схемы получения порошковых материалов, которые могут выражаться в совмещении операций прессования и спекания (горячее прессование), спекании свободно насыпанного порошка (отсутствует операция уплотнения), проведении дополнительной обработки (калибрование, механическая и химико-термическая обработка) и др.

Методами порошковой металлургии получают:

твердые сплавы для изготовления режущего, бурового, волочильного инструмента, а также деталей, подвергающихся интенсивному изнашиванию;

высокопористые материалы для изготовления фильтров, используемых для очистки жидкостей от твердых включений, воздуха и газа, от пыли и т. д.;

антифрикционные материалы для производства подшипников скольжения, втулок, вкладышей и других деталей, работающих в тяжелых условиях эксплуатации;

фрикционные материалы для получения деталей узлов трения, сцепления и тормозных систем машин;

жаропрочные и жаростойкие материалы для производства изделий, работающих в условиях высоких температур и в сильно агрессивных газовых средах;

материалы сложных составов (псевдосплавы) для изготовления электрических контактов, которые получить другими способами невозможно;

магнитные материалы для изготовления постоянных магнитов, магнитоэлектриков, ферритов и т. д.

2. Технология производства металлических порошков

Получение металлических порошков является важнейшей операцией технологического процесса изготовления деталей из порошковых материалов, от которой зависят их основные свойства.

В настоящее время существуют различные методы изготовления порошков, каждый из которых обеспечивает определенные их характеристики. При выборе способа получения порошка учитывают достигаемый уровень его свойств и стоимость.

Металлические порошки различаются как по размерам (от долей микрометра до долей миллиметра), так и по форме и состоянию поверхности частиц.

Все известные способы производства порошков условно разделяют на механические и физико-химические.

Механические методы получения порошков — дробление и размол, распыление, грануляция — характеризуются переработкой материалов в порошок практически без изменения их химического состава.

Физико-химические методы —восстановление, термическая диссоциация карбонильных соединений — отличаются тем, что получаемый порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала.

Иногда с целью повышения экономичности процесса или улучшения характеристик материала применяют комбинированные методы получения порошков. Так, при распылении расплавленный металл сначала гранулируют, а затем отжигают в защитной среде водорода. При электролизе получают плотные, но хрупкие продукты, которые затем размалывают.

Наибольшее промышленное распространение получили методы изготовления порошков путем восстановления оксидов и других соединений металлов, распыления и др.

В США, Японии, Англии и Италии, являющихся крупными производителями и потребителями металлических порошков, около 55 % их производят методом восстановления, а остальную часть методом распыления.

Ежегодно в мире производится примерно 600...650 тыс. т металлических порошков.

Механические методы получения порошков основаны на измельчении частиц материала путем разрушения их под действием внешних нагрузок, преодолевающих внутренние силы сцепления в материале.

Механическое измельчение дроблением, размолом или истиранием целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов: бериллия, сурьмы, хрома, марганца, ферросплавов и др. Размол пластичных металлов затруднен, так как под действием внешних нагрузок они в основном деформируются, а не размельчаются.

Дробление металлов производят в щековых, валковых, конусных дробилках и бегунах. Продукты дробления— частицы размером 1...10 мм. Они являются исходным материалом для последующего измельчения в шаровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах.

Шаровая мельница (рис. 1) состоит из стального барабана 1, в который загружаются размалывающие шары (стальные, чугунные или изготовленные из твердых сплавов) и обрабатываемый материал 2. Коэффициент заполнения барабана шихтой и шарами составляет 0,4...0,5. При вращении барабана шары поднимаются в направлении этого вращения, а затем падают или скатываются вниз и дробят материал. Для облегчения размола его производят при низких температурах с введением поверхностно-активных веществ, создающих расклинивающие усилия в микротрещинах частиц. Частицы порошка, полученные размолом, имеют вид неправильных многогранников, листочков или завитков размером 0,1...3 мм.

Рис. 1. Схема шаровой мельницы

Разновидностью шаровых мельниц является так называемое аттриторное устройство. Размалываемые тела загружают в емкость, внутри которой вращается мешалка. Лопасти мешалки обеспечивают циркуляцию размалываемых тел и истирание материала, а наличие рубашки охлаждения позволяет вести процесс непрерывно. В результате размола получают порошки с более равномерным распределением частиц по размерам, чем в обычных шаровых мельницах. Аттриторы весьма эффективны для приготовления ультратонкой порошковой смеси.

Вихревая мельница (рис. 2) состоит из кожуха 1, в котором с частотой 3000 об/мин вращаются в противоположных направлениях пропеллеры 2. Материал, загруженный в бункер, захватывается воздушными потоками и дробится при соударении частиц на более мелкие частицы. Процесс протекает более интенсивно, чем в шаровых мельницах. Получающиеся частицы порошка размером 50...200 мкм имеют тарельчатую форму.

Рис. 2. Схема вихревой мельницы

Работа вибромельницы основана на воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров при совершении барабаном круговых колебаний высокой частоты. Процесс отличается большой производительностью и применяется для производстватонких порошков из малопластичных материалов (твердых сплавов, оксидов металлов и др.).

Недостатками механических методов получения порошков является загрязнение последних продуктами истирания шаров и барабана, их высокая стоимость и относительно низкая производительность процессов.

Получение порошка методом распыления связано с распылением расплавленной струи металла в среде воздуха, инертных газов или при ударах лопаток вращающегося диска. Распылением получают порошки алюминия, свинца, цинка, олова, никеля, латуни, чугуна, железа и др.

Метод грануляции состоит в том, что расплавленный металл льют в жидкость. Частицы порошка, полученного этим способом, имеют размер 0,05...0,35 мм и форму, близкую к сферической. Одним из физико-химических методов получения порошков является восстановление оксидов и других соединений металлов.

Под восстановлением в порошковой металлургии понимают процесс получения металлов из их химических соединений путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода и других элементов) при помощи восстановителя.

Методом восстановления получают порошки кобальта, вольфрама, молибдена, титана, меди, железа и других металлов. В качестве восстановителей применяют газы (водород, конвертерный, доменный, коксовый и др.) или твердые вещества (углерод, магний). Получение металлических порошков восстановлением является наиболее распространенным, высокопроизводительным и экономичным из рассматриваемых методов. В нашей стране разработан метод совместного восстановления смесей оксидов с металлическими порошками гидридом кальция. Этим способом получают порошки высоколегированных сталей и сплавов, обладающие рядом уникальных и ценных для промышленности свойств.

Электролиз водных растворов и расплавленных сред заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или расплавленных солей при пропускании через них постоянного электрического тока. Этим способом получают порошки олова, серебра, меди, железа, а также порошки редких металлов (тантала, тория, ниобия, циркония и др.) с дендритной формой частиц. Порошки отличаются высокой чистотой и хорошей прес-суемостью вне зависимости от степени чистоты исходного сырья. Стоимость порошков высока из-за больших затрат электроэнергии и низкой производительности процесса.

Методом диссоциации карбонильных соединений получают высококачественные дисперсные порошки железа, никеля, кобальта и других металлов со сферической формой частиц. Способ основан на способности металла при определенных условиях (высокое давление, повышенная температура) образовывать с оксидом углерода специфические химические соединения, называемые кар-бонилами: Fe(CO)5, Ni(CO)4 и др. Карбонилы неустойчивы при обычных условиях и легко разлагаются при нагревании до 200...300 °С с образованием тонкого порошка металла и оксида углерода. Недостатком процесса является чрезвычайно высокая стоимость получения порошка.

Метод гидрогенизации основан на свойстве металлов резко повышать свою абсорбционную активность при нагреве до высоких температур. Измельчаемый губчатый металл загружают в реактор, через который пропускают водород. При нагреве до определенной температуры (300...800 °С) происходит активное поглощение металлом водорода, в результате чего он становится хрупким и растрескивается. Порошок получают путем размола губки одним из механических способов и подвергают дегидрогенизации в вакууме при температуре около 800 °С. Данным методом получают порошки редких металлов: титана, урана, циркония и др. Недостаток способа — высокая хрупкость и низкая пластичность частиц порошков.

3. Свойства металлических порошков

Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами, основные из которых регламентируются ГОСТами и техническими условиями.

К технологическим свойствам порошков относятся: насыпная плотность, текучесть, прессуемость и формуемость.

Насыпная плотность — отношение массы свободно насыпанного порошка к занимаемому им объему. Чем крупнее частицы и правильнее их форма, тем больше насыпная плотность порошка.

Текучесть порошка определяется скоростью истечения его через отверстие заданного диаметра. Хорошая текучесть порошка необходима для быстрого и равномерного заполнения им пресс-формы.

Прессуемость порошков — это способность их уплотняться при формовании изделий в зависимости от давления. Формуемость порошка характеризуется способностью заготовок сохранять заданную форму после уплотнения порошка при минимальном давлении.

От технологических свойств порошков зависит их дозирование, заполняемость полостей пресс-форм, процесс прессования изделий и их усадка после спекания.

Физические свойства порошков характеризуются формой частиц, гранулометрическим составом порошков, их удельной поверхностью и микротвердостью частиц.

Форма частиц в зависимости от метода получения порошка может быть сферической, губчатой, осколочной, тарельчатой, дендритной, каплевидной.

Гранулометрический состав порошка отражает содержание в нем частиц определенных фракций.

Удельная поверхность порошка (точнее — удельная площадь поверхности) представляет собой отношение суммарной площади поверхности частиц порошка к его массе.

Микротвердость частицы характеризует ее способность к деформированию.

Физические свойства порошков существенно влияют на плотность, прочность и однородность свойств формуемых изделий, давление прессования, а также на процессы уплотнения и спекания порошковых материалов.

Химический состав порошка характеризуется содержанием в нем основного металла или компонентов смеси металлов, примесей, различных механических загрязнений и газов. Химический состав порошка зависит от метода производства и химического состава исходного сырья.

64

иды изделий из стекла и пластмассы.

Определить вид пластмассы, если имеется маркировка, достаточно легко - а как быть, если НИКАКОЙ маркировки нет, а узнать, из чего сделана вещь - необходимо?! В большинстве случаев, это достаточно трудно сделать, особенно при схожести физических свойств пластмасс. Наиболее совершенной является специальная система распознавания пластмасс. Около 30 различных полимеров могут быть идентифицированы в течение одной секунды с помощью так называемой инфракрасной спектроскопии. Эта система используется в Европе при утилизации старых автомобилей. Для России данная система еще не скоро получит широкое распространение, араспознавать пластмассы надо уже сейчас. Для быстрого и качественного распознавания различных видов пластмасс достаточно немного желания и практического опыта (мне потребовалось около месяца). Методика достаточно проста: анализируются физико-механические особенности пластмасс (твердость, гладкость, эластичность и т. д.) и их поведение в пламени спички (зажигалки).

Может показаться странным, но различные виды пластмасс и горят по-разному! Например, одни ярко вспыхивают и интенсивно сгорают (почти без копоти), другие, наоборот, сильно коптят. Пластмассы даже издают разные звуки при своем горении! Поэтому так важно по набору косвенных признаков точно идентифицировать вид пластмассы, ее марку.

 

• ПЭВД - полиэтилен высокого давления, низкой плотности

Горит синеватым, светящимся пламенем с оплавлением и горящими потеками полимера. При горении становится прозрачным, это свойство сохраняется длительное время после гашения пламени. Горит без копоти. Горящие капли, при падении с достаточной высоты (около полутора метров), издают характерный звук. При остывании, капли полимера похожи на застывший парафин, очень мягкие, при растирании между пальцами- жирны на ощупь. Дым потухшего полиэтилена имеет запах парафина. Плотность ПЭВД: 0,91-0,92 г/см. куб.

• ПЭНД - полиэтилен низкого давления, высокой плотности

Более жесткий и плотный чем ПЭВД, хрупок. Проба на горение - аналогична ПЭВД. Плотность: 0,94-0,95 г/см. куб.

• ПЭСД - полиэтилен среднего давления

Самый жесткий из полиэтиленов. Плотность: 0,96-0,97 г/см. куб. Все виды полиэтилена размягчаются при помещении в кипящую воду. При комнатной температуре не растворимы в органических растворителях. При температуре 100 градусов Цельсия и выше, полностью растворяются в бензоле. Плавают в воде.

 

• Пенополиэтилен

Губчатая масса белого цвета. Свойства при горении, см. ПЭВД

• Полипропилен

При внесении в пламя, полипропилен горит ярко светящимся пламенем. Горение аналогично горению ПЭВД, но запах более острый и сладковатый. При горении образуются потеки полимера. В расплавленном виде - прозрачен, при остывании - мутнеет. Если коснуться расплава спичкой, то можно вытянуть длинную, достаточно прочную нить. Капли остывшего расплава жестче, чем у ПЭВД, твердым предметом давятся с хрустом. Дым с острым запахом жженой резины, сургуча. Плотность полипропилена: 0,9-0,91 г/см.куб. т.е он легче ПЭВД и также плавает в воде.

• Полиэтилентерафталат - ПЭТ

Прочный, жёсткий и лёгкий материал. Плотность ПЭТФ составляет 1, 36 г/см.куб. Обладает хорошей термостойкостью (сопротивление термодеструкции) в диапазоне температур от - 40° до + 200°. ПЭТФ устойчив к действию разбавленных кислот, масел, спиртов, минеральных солей и большинству органических соединений, за исключением сильных щелочей и некоторых растворителей. При горении сильно коптящее пламя. При удалении из пламени самозатухает.

• Полистирол

При сгибании полоски полистирола, легко гнется, потом резко ломается с характерным треском. На изломе наблюдается мелкозернистая структура. Горит ярким, сильно коптящим пламенем (хлопья копоти тонкими паутинками взмывают вверх!). Запах сладковатый, цветочный. Полистирол хорошо растворяется в органических растворителях (стирол, ацетон, бензол). Плотность полистирола: от 1,05 до 1,08 г/см. куб. (тонет в воде!).

• Пенополистирол - пенопласт

Легкий, пористый материал белого цвета. Один из лучших и доступных тепло-звукоизоляционных материалов. Объемная масса: 0,01-0,1 г/см. куб. Проба на горение аналогична полистиролу. Легко растворяется в ацетоне.

• Поливинилхлорид - ПВХ

Эластичен. Трудногорюч (при удалении из пламени самозатухает). При горении сильно коптит, в основании пламени можно наблюдать яркое голубовато-зеленое свечение. Очень резкий, острый запах дыма. При сгорании образуется черное, углеподобное вещество (легко растирается между пальцами в сажу). Растворим в четыреххлористом углероде, дихлорэтане. Плотность: 1,38-1,45 г/см. куб.

• Полиакрилат - органическое стекло

Прозрачный, хрупкий материал. Горит синевато-светящимся пламенем с легким потрескиванием. У дыма острый фруктовый запах (эфира). Легко растворяется в дихлорэтане.

• Полиамид - ПА

Материал имеет отличную масло-бензостойкость и стойкость к углеводородным продуктам, которые обеспечивают широкое применение ПА в автомобильной и нефтедобывающей промышленности (изготовление шестерен, искуственных волокон:). Полиамид отличается сравнительно высоким влагопоглощением, которое ограничивает его применение во влажных средах для изготовления ответственных изделий. Горит голубоватым пламенем. При горении разбухает, "пшикает", образует горящие потеки. Дым с запахом паленого волоса. Застывшие капли очень твердые и хрупкие. Полиамиды растворимы в растворе фенола, концентрированной серной кислоте. Плотность: 1,1-1,13 г/см. куб. Тонет в воде.

• Полиуретан

Основная область применения - подошвы для обуви. Очень гибкий и эластичный материал (при комнатной температуре). На морозе - хрупок. Горит коптящим, светящимся пламенем. У основания пламя голубое. При горении образуются горящие капли-потеки. После остывания, эти капли - липкое, жирное на ощупь вещество. Полиуретан растворим в ледяной уксусной кислоте.

• Пластик АВС

Все свойства по горению аналогичны полистиролу. От полистирола достаточно сложно отличить. Пластик АВС более прочный, жесткий и вязкий. В отличие от полистирола более устойчив к бензину.

• Фторопласт-3

Применяется в виде суспензий для нанесения антикоррозийных покрытий. Не горюч, при сильном нагревании обугливается. При удалении из пламени сразу затухает. Плотность: 2,09-2,16 г/см.куб.

• Фторопласт-4

Безпористый материал белого цвета, слегка просвечивающийся, с гладкой, скользкой поверхностью. Один из лучших диэлектриков! Не горюч, при сильном нагревании плавится. Не растворяется практически ни в одном растворителе. Самый стойкий из всех известных материалов. Плотность: 2,12-2,28 г/см.куб. (зависит от степени кристалличности - 40-89%).

65

 Общие сведения По объему использования пластических масс на единицу продукции приборостроение занимает одно из первых мест среди других отраслей промышленности. Пластмассовые детали составляют до 70% от объема и до 45% от массы отдельных приборов [1]. По сравнению с металлами пластмассы характеризуются значительно меньшей плотностью, обладают высокими электроизоляционными свойствами, повышенной износостойкостью; они имеют низкий коэффициент трения, хорошо противостоят коррозии, химически стойки, радиопрозрачны и немагнитны. Некоторые разновидности этих материалов обладают высокими прочностными и хорошими оптическими свойствами. Переработка большинства пластмасс в изделие производится высокопроизводительными технологическими методами почти без механической обработки. Можно выделить следующие группы деталей электроизмерительных приборов, изготовляемых из пластмасс:

• детали внешнего оформления (корпуса, крышки, корректоры, лимбы, зажимы и др.); 

• детали для изоляторов (клеммные колодки, контактные панели, каркасы, прокладки, втулки); 

• несущие детали (платы, панели, основания); 

• линзы; 

• стекла; 

• шкалы; 

• детали декоративного оформления (колпачки, кнопки, ручки переключателей).

Пластмассы изготовляют на основе полимеров - синтетических органических соединений (смол). Некоторые виды пластмасс целиком состоят из полимеров, но чаще пластмасса представляет собой композицию из полимера, который играет роль связующего вещества, наполнителя и различных добавок (красители, пластификаторы, смазывающие вещества).  Полимер делает пластмассу пластичной и превращает ее после отвердевания в монолитную деталь. В качестве полимеров применяютфенолформальдегидные, фенолкрезольные, эпоксидные и другие смолы.  Наполнители придают изделиям прочность, жесткость, нагревостойкость и необходимые электротехнические свойства. Наполнители могут бытьорганическими (древесная мука, бумажная крошка, различные ткани, хлопковый очес) и неорганическими (слюдяная и кварцевая мука, асбест, мел, тальк, стекловолокно).  Красители добавляют в пластмассу для придания деталям нужного цвета.  Например, нигрозин обеспечивает получение пластмассовых изделий черного цвета; радомин - красного; метилфиолет - фиолетового. Отвердители необходимы для ускорения процесса полимеризации при формообразовании изделий. Пластификаторы (дибутилфталат и трикрезилфосфат) улучшают пластические свойства пластмассы и повышают ее жидкотекучесть при прессовании.  Смазывающие вещества препятствуют прилипанию пресс-материалов к стенкам пресс-формы. В качестве смазывающих веществ используют, например, олеиновую кислоту, стеарин, касторовое масло. В зависимости от поведения при нагревании пластмассы делят:

• термопластические (термопласты);

• термореактивные (реакто-пласты).

Термопластичные пластмассы при многократных нагреваниях приобретают пластические свойства или расплавляются, а при охлаждении возвращаются в твердо-упругое состояние. Изделия из термопластов изготовляют методами прессования или литья под давлением. Из термопластов в приборостроении наиболее широко применяют фторопласт-3, фторопласт-4, полиамидную смолу 68, капрон, полиэтилен, полистирол и поливинил-хлорид. Термореактивные пластмассы при нагревании необратимо переходят в пластическое состояние с дальнейшим затвердеванием. При повторном нагревании они остаются твердыми или сгорают не расплавляясь. В производстве электроизмерительных приборов для изготовления деталей из термореактивных пластмасс применяются пресс-порошки и пресс-материалы следующих марок: К18-2М; К21-22; К211-ЗТ; К211-4; В4-70; ФАК-4; К78-51; АГ-4. Основные компоненты состава этих пластмасс, особенности их свойств и рекомендации по применению приведены в литературе [2]. Кроме пресс-порошков и пресс-материалов в приборостроении применяются термореактивные слоистые пластмассы, поставляемые в виде листов и прутков (текстолит, гетинакс, стеклотекстолит). Для изготовления печатных плат промышленностью выпускается фольгированный стеклотекстолит и гетинакс.

66

67

Древесные материалы, классификация, свойства и область применения

Древесина[79] – ткань растений, состоящая из клеток с одревесневшими стенками, проводящая воду и растворенные в ней соли. Структура древесины состоит из большого числа плотных, длинных, трубчатых клеток, наполненных растительным соком. Длина клеток обычно составляет 2…4 мм, а размер в поперечнике – 20…40 мкм. В древесине на долю оболочек клеток приходится ~ 95 % массы; оболочки состоят главным образом из целлюлозы (43…56 %) и лигнина (19…30 %)[80]. Около 25…30 % воды содержится в древесине в связанном виде и очень трудно поддается удалению. Остальная влага, заполняющая межклеточное пространство, легко выпаривается во время сушки.

Древесина обладает малой плотностью, сравнительно высокой удельной прочностью, хорошим сопротивлением ударным и вибрационным нагрузкам, низким коэффициентом теплового расширения (в 2…3 раза ниже, чем у стали), высокой стойкостью к ряду кислот, солей и масел, хорошими технологическими свойствами (хорошо обрабатывается на станках, склеивается, соединяется гвоздями и шурупами). К недостаткам древесины следует отнести ее высокую водопоглощаемость, приводящую к изменению размеров, формы и прочности древесных изделий, а также склонность к загниванию и отсутствие огнестойкости. Для защиты древесины от загнивания изделия покрывают лакокрасочными или пластмассовыми покрытиями. Из химических способов защиты применяют пропитку растворами солей NaF, ZnCl₂, CuSO₄ и др. Для снижения воспламеняемости используют огнезащитные лаки и краски.

Важной характеристикой древесины является ее плотность. К легким поделочным породам древесины относят сосну, ель, липу, осину, ольху; к тяжелым – дуб, граб, грушу, самшит. К редким и наиболее легким сортам древесины относится бальса, имеющая плотность около 200 кг/м³ (в 2 раза легче бамбука), а к наиболее тяжелым (1100…1400 кг/м³) – железное дерево (бакаут), которое тонет в воде. Обрабатываемость и износостойкость древесины зависят от ее структуры и твердости. Некоторые свойства наиболее распространенных пород древесины приведены в таблице:

 

 

Свойства разных пород древесины	Порода древесины
сосна	липа	осина	дуб	граб	береза	пихта
Плотность, кг/м3
Объемная усушка в %
Прочность при растяжении вдоль волокна, МПа

 

Пиломатериалы – материалы из древесины, получаемые путём распиловки брёвен вдоль волокон. Основные виды пиломатериалов показаны на рис. 63. Пиломатериалы с опиленными кромками называются обрезными, с неопиленными – необрезными. Материалы, подвергшиеся после пиления дальнейшей обработке (для сглаживания поверхностей или фасонной профилировки), называются строгаными. Пиломатериалы делят на строительные, столярные, тарные, экспортные, специальные.

 

Рис. 63. Виды пиломатериалов: а – пластина; б – четвертина; в, г, д – брусья; е – брусок; ж – доска; з, и – шпалы; к – горбыль

 

Древесину успешно используют в машиностроении (борта и пол автомобилей, некоторые конструкции в вагонах и др.). В литейном производстве из древесины изготавливают модели отливок. Во всех отраслях промышленности пиломатериалы широко используют при изготовлении тары (ящики, поддоны и т. п.).

Прессованная древесина получается прессованием нагретых в пресс-формах древесных заготовок. Прочность прессованных материалов возрастает примерно в 2 раза при растяжении, а при изгибе и сжатии – в 3 раза. Их ударная вязкость составляет 60…80 кДж/м². Такую древесину используют как заменитель металла, из нее изготавливают вкладыши подшипников трения, втулки, ткацкие челноки и др. ответственные детали машин.

Шпон[81] – тонкие листы древесины (натуральный шпон) или иного текстурного материала (синтетический шпон). Натуральный шпон изготовляют лущением или строганием отрезков ствола дерева – чураков и кряжей. Синтетический шпон делают из текстурной бумаги с применением специальных смол. Текстурный рисунок наносит на бумагу способом многокрасочной печати. Фанерование – оклеивание деревянных изделий шпоном для упрочнения и улучшения их внешнего вида.

Фанера[82]– листовой древесный материал, получаемый склеиванием трёх или более слоев преимущественно лущёного шпона (с перекрёстным расположением листов шпона относительно волокон древесины). Фанеру изготовляют из берёзы, ольхи, сосны, ясеня, бука и т. д. Разновидности фанеры: металлизированная, армированная, огнестойкая. В зависимости от сопротивления действию влаги различают фанеру водостойкую, средней и ограниченной водостойкости. Водостойкость фанеры зависит от применяемого клея – фанера ФСФ на фенолоформальдегидном клее обладает повышенной водостойкостью, фанера ФК (на карбамидном) и ФБА (на альбумино-казеиновом) обладают средней водостойкостью, ФБ – на белковых клеях – ограниченной водостойкостью. Фанеру выпускают в виде листов толщиной 1…12 мм, листы толще 12 мм называют фанерными плитами. Фанеру применяют в строительстве и судостроении, в мебельном производстве и т. п.

Древесно-стружечные (ДСП) и древесно-волокнистые плиты (ДВП) изготавливают из отходов древесины:

- ДСП получают горячим прессованием стружки со связующим, например, мочевино- и фенолоформальдегидными смолами. Плиты имеют плотность от 350 до 1100 кг/м³, свойства их более изотропны, чем у натуральной древесины, и обладают высокими теплоизоляционными характеристиками. ДСП бывают однослойными и многослойными, в том числе, облицованными шпоном, фанерой, бумагой и пластиком. Такие плиты широко применяются в транспортном машиностроении, строительстве и производстве мебели.

- ДВП вырабатывают путем отлива на сетке (аналогично отливу картона) из древесной массы, состоящей из волокон размельченной древесины (иногда с добавками связующего). Применяют как облицовочный и тарный материал, а также в качестве звукопоглощающих покрытий.

К вспомогательным материалам относят смазочные материалы, смазывающе-охлаждающие жидкости, асбест, кожу, бумажные, текстильные и др. материалы.

1. Смазочные материалы применяют для увеличения срока службы трущихся частей машин и понижения коэффициента трения. Смазочные материалы подразделяют на смазочные масла, пластичные смазки и твердые смазочные материалы.

Смазочные масла являются продуктами минерального, растительного и животного происхождения. Минеральные масла – продукты переработки нефти, применяют в качестве основных смазочных материалов для трущихся деталей. Наиболее широко применяемыми в станкостроении являются веретенное масло, машинное, цилиндровое, вазелиновое и велосипедное (для смазки горизонтальных направляющих станков). При больших скоростях и малых нагрузках применяют веретенное масло, а при малых скоростях, характерных для коробок скоростей, – машинное. Кроме того, в машиностроении применяют смазочные смеси, состоящие из 75…95 % масла и 25…5 % мыла. Ими смазывают узлы, работающие при малых скоростях и больших нагрузках, когда подвод обычной жидкой смазки затруднен и неэкономичен. Для смазывания деталей подшипников, работающих в зимних условиях со скоростями до 1000 об/мин, применяют автол и др. низкотемпературные масла.

Пластичные смазки (солидол, ЦИАТИМ-201, Литол-24 и др.)изготавливаются из натуральных животных и растительных жиров или жирных синтетических кислот с использованием различных загустителей. Смазки по сравнению с маслами обеспечивают лучшую работоспособность узлов при малых скоростях и высоких давлениях, а также при действии ударных и знакопеременных нагрузок.

Твердые смазочные материалы(графит; нитрид бора; хлориды, фториды и иодиды металлов; мягкие металлы и их сплавы; политетрафторэтилен; полиамиды и др.) применяются в особых случаях: когда эксплуатация узлов трения ведется ниже температур застывания масел и смазок; при очень высоких температурах; невозможности периодического подвода смазочного материала к поверхностям трения и др.

2. Смазочно-охлаждающе жидкости (СОЖ) используют для облегчения обработки металлов резанием, что позволяет увеличить скорость резания, а, следовательно, производительность, и уменьшить износ инструмента. Их подразделяют на охлаждающие, охлаждающие и смазывающие, а также смазывающие и частично охлаждающие. Охлаждающие жидкости – это водные растворы электролитов с антикоррозионными добавками (углекислый натрий, силикаты натрия и калия). Охлаждающими и смазывающими жидкостями являются водные растворы поверхностно-активных веществ (мыла, олеиновые кислоты и др. вещества). К смазывающим и частично охлаждающим относятся активированные эмульсии, состоящие из воды, поверхностно-активных веществ и эмульгированного масла. Выбор и применение охлаждающих и смазывающих жидкостей зависит от обрабатываемого материала, инструмента и заданного качества поверхности. На станках-автоматах охлаждающие эмульсии, как правило, не применяют, т. к., попадая в подшипники, они нарушают их смазку, и здесь для охлаждения используют машинные масла или специальные осерненные масла – сульфофрезолы.

3. Асбест[83] – это минерал волокнистого строения, волокна которого представляют агрегаты тончайших кристаллитов; обладает огнестойкостью до 450…700 ^оС, хорошей прочностью на разрыв, малой электро- и теплопроводностью, кислото- и щелочеустойчивостью, эластичностью. Асбест используют для изготовления теплоизоляциии, тормозных колодок, тканей для костюмов рабочих горячих цехов. Асбестовые материалы выпускают в виде волокон и шнуров; листов бумаги и картона; асбоцементных листов, труб, шифера и т. п.

4. Бумажныематериалы и картон применяют для электроизоляции, в качестве прокладок, основы шлифовальной бумаги, фильтровальных, упаковочных материалов и т. п.

5. Кожа используется для различного рода прокладок, уплотнительных колец, тормозных муфт и приводных ремней. Особенностью натуральных кож является механическая прочность при высокой пористости. Вследствие этого они обладают высокой воздухо-, паро- и водопроницаемостью, сочетающимися с низкой теплопроводностью. Кожа хорошо работает в условиях многократных изгибов. В последнее время для изготовления технических изделий применяют полимерные заменители кожи.

6. Текстильныематериалы – пряжу, вату, ленты, шнуры, веревки, войлок и т. п. материалы используют во многих отраслях промышленности. Бельтинг[84] – тяжелая, очень плотная и прочная техническая ткань применяется для изготовления конвейерных лент и прорезиненных многослойных приводных ремней. Вату с переплетениями из силикатного стекла применяют в качестве тепло- и звукоизоляции, амортизирующих подушек и т. п. Войлок используют в качестве уплотнительных прокладок, сальников, фильтров, амортизаторов и др. изделий.

68

Во многих случаях литье – единственно возможный способ получения заготовок сложной формы. Сравнивая метод получения фасонных заготовок деталей машин путем отливки с другими методами получения фасонных за- готовок – ковкой или штамповкой и сваркой, необходимо отметить следую- щие преимущества метода отливки:

1. С помощью отливки можно получить заготовки практически любой сложности по конфигурации. Ни путем ковки и штамповки, ни путем сварки нельзя изготовлять сложных фасонных заготовок, столько максимально при- ближающихся к форме готовой чистовой детали.

2. Припуски на механическую обработку в отливках могут быть весьма

небольшими. Это преимущество литых заготовок имеет весьма большое тех- нико-экономическое значение, так как механическая обработка деталей явля- ется наиболее дорогостоящим процессом во всем цикле машиностроительно- го производства.

3. Утилизация отходов металла в литейном производстве (литник и брак) не требует значительных затрат средств и времени. Указанные отходы нуждаются лишь в переплавке, и полученный из них жидкий металл снова используется непосредственно для заливки новых деталей. В ковочно- штамповочном же и сварочном производствах для превращения отходов ме- талла снова в листы, профили и болванки, годные к повторному непосредст- венному использованию, нужна целая цепь дорогостоящих переделов: плавка, нагрев для прокатки, сама прокатка, резка и новый нагрев для ковки или рас- крой для сварки.

4. В литейном производстве не требуется столь дорогостоящего и тяже- лого оборудования, как в ковочно-штамповочном (прессы, молоты). Поэтому постройка, монтаж и запуск литейного цеха не требуют столь больших капи- таловложений и по срокам осуществляются значительно быстрее по сравне- нию с постройкой кузнечно-прессового цеха. Это преимущество литья пред- ставляет особую ценность в условиях, когда требуется максимальная быстро- та перестройки или запуска производства на новый вид продукции, например в военное время.

5. Сравнивая полученные различными методами заготовки в отношении качества металла (прочности и надежности), необходимо отметить, что еще

 

основоположник современной науки о металле русский ученый и металлург Д.К. Чернов в 1868 г. писал: «…прочность литой непрокованной стали нис- колько не меньше прочности прокованной, если обе имеют одинаковое сло- жение…». Однако наличие в отливках скрытых раковин, неметаллических включений, более крупнозернистого строения и остаточных внутренних на- пряжений приводит к тому, что в отношении прочности и надежности литые заготовки в большинстве случаев (но не всегда) уступают кованым и штампо- ванным. При правильно выполненной горячей обработке давлением металл приобретает мелкозернистое и плотное строение. Кроме того, кованая деталь получает в известной мере волокнистое строение, что при надлежащем рас- положении волокон значительно ее упрочняет.

Однако благодаря углубленному научному изучению литых сплавов за последние десятилетия качество литых изделий также значительно возросло. Об этом свидетельствует непрерывный рост гарантированных норм прочно- сти металла в отливке, расширение номенклатуры сплавов, обладающих спе- циальными свойствами, и замена кованых и штампованных заготовок для ря- да ответственных деталей литыми.

Эффективность литейного производства может характеризовать коэф- фициент использования металла (КИМ) – отношение масс детали и заготовки (табл. 1).

 

 

 

Ориентировочные значения КИМ различных заготовок

Таблица 1

Вид заготовки	КИМ
Литье под давлением	0,95
Литье по выплавляемым моделям	0,90
Литье в оболочковые формы	0,80
Литье в кокиль	0,75
Литье в песчаные формы	0,70
Профильный прокат	0,60
Штамповка (горячая)	0,40
Прутки катаные	0,35
Ковка свободная	0,30

 

 

Суть литейного производства состоит в том, что фасонные детали (за-

готовки) получают заливкой жидкого металла в литейную форму, полость ко- торой соответствует их размерам и форме. После кристаллизации металла ли- тую деталь (заготовку), называемую отливкой, удаляют из литейной формы и в случае необходимости отправляют в механический цех для последующей обработки.

Общая схема технологического процесса изготовления отливки приве- дена на рис. 5. Технология изготовления отливки начинается с разработки ее чертежа и рабочих чертежей модельного комплекта (модели и стержневого ящика).

В состав литейного цеха входят отделения: модельное, смесеприготови- тельное, стержневое, формовочное, плавильное, выбивное, обрубное, очист- ное. В модельном отделении по рабочим чертежам изготавливают модельный комплект; в смесеприготовительном – формовочную и стержневую смеси; в формовочном – литейную форму; в стержневом – стержни; в плавильном по- лучают жидкий металл. Готовую литейную форму заливают жидким метал- лом и после его затвердевания в отделении выбивки отливку удаляют из фор- мы, обрубают литниковую систему и очищают от пригара в очистном отделе- нии. Заключительной операцией является контроль качества отливки.

 

 

 

 

Конструирова-

ние детали

Проектирование изделия

 

 

Технологическая проработка

 

 

Разработка технологии изготовления отливки

 

Проектирование

и изготовление оснастки

Подготовка

формовочных материалов

Подготовка

шихтовых ма-

териалов

 

Изготовление литейной формы Плавка металла

 

Заливка литейной формы

 

 

Охлаждение, выбивка, об-

рубка, очистка, термообра-

ботка, контроль

 

Рис. 5. Схема технологического процесса изготовления отливки

 

 

Выбор технологического процесса формовки. Выбор технологического процесса для конкретного отделения тесно связан с общими и специальными требованиями, которые предъявляются к готовым отливкам по геометриче- ской точности, эксплуатационной надежности и шероховатости поверхности, герметичности, коррозионной стойкости и др.

В настоящее время имеется большое разнообразие технологических процессов изготовления литейных форм, число которых превысило 50. В

табл. 2 приведены характеристики способов получения отливок в разовой форме и специальными способами.

Каждый из способов имеет свои достоинства, недостатки и определен- ные области применения в зависимости от вида сплава, габаритов и массы от- ливки, серийности производства. Этому вопросу посвящены многие литера- турные источники, а выбор для проектируемого цеха одного или нескольких процессов будет определяться в зависимости от производственной програм- мы. При этом важным обстоятельством при выборе процесса должна быть производительность оборудования отделения и качество литья [2, 3].

 

 

Таблица 2

Классификация и область применения различных способов производства литья

Способ производства отливок	Область применения	Характеристика литья
Литье в песчаные формы	машинная формовка	Индивидуальное, серийное и массовое производство отливок любых сплавов	Механическая обработка без разметки с гарантий- ными припусками на меха- ническую обработку
прессовые машины	Для мелких и средних отливок не- большой высоты
встряхивающие машины	Для крупных отливок, различных по весу и габаритам
пескометы	Для крупных и средних по весу и габа- ритам отливок
пескодувно-прес- совые машины	Для мелких и средних по весу и габа- ритам отливок
Литье в кокиль	Массовое и серийное производство мелких и средних по весу и габаритам отливок простой и средней сложности из любых сплавов	Высокое качество поверх- ности, малые припуски на обработку
Центробежное литье на машинах	Индивидуальное, серийное и массовое производство отливок из любых спла- вов, имеющих форму тел вращения со свободной поверхностью	Высокое качество поверх- ности, малые припуски на обработку
Литье под давлением	Крупносерийное и массовое производ- ство отливок из цветных сплавов, мел- ких и средних по весу и габаритам	Высокий класс точности размеров и чистоты по- верхности, не требующей механической обработки
Литье по выплавляе- мым моделям	Мелкосерийное, серийное и массовое производство отливок, требующих сложной механической обработки при обычных методах, а также для деталей из материалов, трудно поддающихся механической обработке	Высокий класс точности размеров и чистоты по- верхности, не требующей механической обработки

 

 

Типы литейного производства. Различают следующие основные типы

литейного производства: единичное, серийное и массовое (табл. 3).

Единичное производство характерно выпуском в небольших количест-

вах самых разнообразных отливок. При этом выпуск отдельных отливок мо-

жет периодически повторяться. Примером единичного производства может служить выпуск отливок для ремонтных целей в литейных мастерских не- большой мощности или производство очень крупных единичных так назы- ваемых уникальных отливок массой в несколько десятков и сотен тонн (для мощных экскаваторов, корпусов крупных турбин и т.п.).

Серийное производство отличается периодическим выпуском отливок ограниченной или широкой номенклатуры значительными или небольшими партиями. Примером серийного производства является выпуск отливок для деталей различных типов металлорежущих станков в литейных цехах станко- строительных заводов. Серийное производство в машиностроении занимает среднее положение между массовым производством, к которому приближает- ся крупносерийное, и единичным, к которому приближается мелкосерийное (табл. 3).

 

 

Таблица 3

Нормы определения серийности производства отливок из чугуна и стали

Распределение отливок по массе, кг	Годовой выпуск отливок одного наименование (номенклатуры), шт.
единичное, не более	мелкосе- рийное	серийное	крупносе- рийное	массовое
до 20		300-3000	3000-	35000-	свыше
20-100		150-2000	2000-	15000-	свыше
100-500		75-1000	1000-	6000-	свыше
500-1000		50-600	600-	3000-	свыше
1000-5000		20-100	100-	300-	свыше
5000-10000		10-50	50-	150-	свыше
свыше 10000		5-25	25-75	свыше 75	-

 

 

Массовое производство характерно выпуском в течение более или ме-

нее длительного времени отливок определенной номенклатуры в больших количествах. Примером массового производства может служить выпуск од- нообразных отливок литейными цехами автомобильных и тракторных заво- дов.

Тип производства оказывает большое влияние на выбор методов литья

и технологию изготовления отливок. На характер применяемого оборудова- ния и организацию труда в литейном цехе. Если единичное производство ха- рактерно применением ручного труда, частичной механизацией производст- венных процессов, то в серийном и особенно в массовом производствах ра- ционально использовать технически совершенное и высокопроизводительное оборудование, специальные приспособления и аппаратуру, обеспечивающие

высокую производительность и качественное выполнение операций.

Наибольшее распространение в практике получили технологии изго- товления литейных форм из песчано-глинистых смесей. Типовые разновид- ности технологических процессов представлены на рис. 6.

Специальные способы литья. Принято выделять специальные способы литья. В разное время различные специалисты относили к специальным спо- собам: новые технологические процессы, перспективные, но не получившие еще распространения; литье из новых литейных сплавов; различные виды ли- тья в металлические формы; технологические процессы специфических одно- типных отливок, изготовляемых в больших масштабах (изложницы, трубы, поршневые кольца, ювелирные изделия и др.); литье в песчаные формы, изго- товленные «необычными» методами (по выплавляемым моделям, оболочко- вое, наливное и др.); виды литья, которые на данном этапе развития техноло- гии обеспечивали повышение точности размеров, качества поверхности, воз- можности механизации по сравнению с распространенными способами.

Стандарт по терминологии содержит понятие «способ литья» [2, 3], но не дает его определения. Технологические процессы, отнесенные к этому по- нятию, различаются по способам заливки, материалам форм, типу оснастки, способам изготовления литейных форм. По-видимому, способ литья должен включать совокупность основных материалов и процессов, участвующих в изготовлении литейной формы и получении отливки. Параметры указанных материалов и процессов можно разбить на следующие категории: разновид- ности основ формовочных материалов и разновидности связующих добавок к дисперсным основам формовочных смесей; типы модельно-опочной оснаст- ки, применяемой для изготовления элементов литейных форм из дисперсных материалов; способы уплотнения дисперсных формовочных смесей и сборка литейных форм; способы заполнения литейных форм жидким расплавом.

Каждый самостоятельный способ литья отличается от другого хотя бы по одной из пяти перечисленных позиций; отличие возможно не только по одной, но и по двум-трем позициям.

69

Основные дефекты литья и их исправление

Дефекты отливок: коробление (искажение формы отливки); пригар (прочное соединение поверхности отливки с формовочной смесью); отбел; трещины; раковины газовые и усадочные; рыхлость и пористость (неплотная структура металла); механические повреждения отливок (вмятины и забоины при выбивке и очистке литья); шлаковые включения; флокены; недолив и др.

Многие отливки, имеющие дефекты, не бракуются, если эти дефекты можно исправить. Применяется целый ряд способов исправления дефектов. Отливки, имеющие коробление или изгиб, подвергаются правке ударами бойка молота, нажатием ползуна пресса и вручную ударным инструментом (молоток, кувалда).

Раковины и трещины ремонтируют заливкой жидким металлом, наплавкой или заваркой (дуговой и газовой сваркой). Дефектное место предварительно вырубается. Можно применять также ввертывание пробок.

Пористость в отливках устраняется пропиткой пор и пустот самотвердеющими материалами (асфальтовый и бакелитовый лаки, полистирол, жидкое стекло и др.) или замазкой, твердеющими пастами.

Литье в песчано-глинистые формы является самым универсальным способом изготовления отливок. Этим способом изготовляют разнообразные по сложности отливки любых массы и размеров из любых материалов.

Сущность литья в песчано-глинистые формы заключается в изготовлении отливок свободной заливкой расплавленного металла в разовую разъемную и толстостенную литейную форму, изготовленную из формовочной смеси по многократно используемым модельным комплектам, с последующим затвердеванием металла, охлаждением отливки в форме, извлечением ее из формы с последующей отделкой.

Для изготовления песчаной формы отливки необходимо иметь модельный комплект.

Модельный комплект – это совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки. В него включают литейные модели, модельные плиты, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы, прибыли и выпора.

Литейная модель - приспособление, при помощи которого в литейной форме получают полость с формой и размерами близкими к конфигурации получаемой отливки. Модель служит для получения отпечатка в форме.

 

Модельная плита – Ме плита с закрепленными на ней моделями и элементами литниковой системы.

Стержневой ящик – приспособление, служащее для изготовления стержней.

Модели и стержневые ящики для единичного и серийного производства изготовляют деревянными, а для массового – из чугуна, Al сплавов, пластмассы.

Металлические модели, модельные плиты и стержневые ящики изготовляют ил литых заготовок, полученных литьем в песчаные формы по деревянным моделям. Ме модели более долговечны, точны и имеют малую шероховатость поверхности.

Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расправленным металлом формируется отливка.

Литейная форма обычно состоит из нижней и верхней полуформ, которые изготовляют по литейным моделям в литейных опоках.

Литейная опока – приспособление для удержания формовочной смеси при изготовлении формы. Верхнюю и нижнюю полуформы взаимно ориентируют с помощью металлических цилиндрических штырей, вставляемых в отверстия приливов у опок. Для образования полостей, отверстий и иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни, которые фиксируют с помощью выступов (стержневых знаков), входящих в соответствующие впадины в форме.

Для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему.

1, 2 —полуформы, 3 — выпор, 4 — крестовины опок, 5 — литниковая чаша, 6 — стояк, 7 — шлакоуловитель, 8 — штырь, 9 — питатель, 10 — цапфа опоки, 11 — вентиляционные каналы, 12 — жеребенка, 13 — холодильник, 14 — стержень, 15 — полость формы

 

Литниковая система – это система каналов, через которые расплавленный металл подводят в полость формы. Литниковая система должна обеспечивать заполнение литейной формы с необходимой скоростью, задержание шлака и других неметаллических включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную подачу расплавленного металла к затвердевающей отливке.

Основными элементами литниковых систем являются:

1) Литниковая чаша (воронка) – предназначена для приема струи расплава, вытекающей из разливочного ковша, и задержания шлака, попадающего вместе с расплавом в чашу.

2) Стояк – вертикальный канал, передающий расплав из литниковой чаши к другим элементам литниковой системы.

3) Шлакоуловитель, расположенный горизонтально и, как правило, в верхней полуформе, служит для задержания шлака и передачи расплава из стояка к питателям.

4) Питатели – каналы, предназначенные для подачи расплава непосредственно в полость литейной формы. Питатели должны обеспечивать плавное поступление расплава в полость формы. Обычно питатели располагают в нижней полуформе.

5) Выпор служит для отвода газов из полости формы, сигнализирует об окончании заливки, уменьшает динамическое давление расплава на форму, способствует питанию отливки расплавом при затвердевании.

Изготовление литейных форм.На модельную плиту устанавливают нижнюю половину модели, модели питателей и опоку, в которую засыпают формовочную смесь и уплотняют. Опоку поворачивают на 180, устанавливают верхнюю половину модели, модели шлакоуловителя, стояка и выпора, устанавливают верхнюю опоку, засыпают смесь и уплотняют. После извлечения модели и модели питателей и шлакоуловителей, в нижнюю полуформу устанавливают стержень накрывают нижнюю полуформу верхней. После заливки металла и его затвердевания литейную форму разрушают и извлекают отливку.

Отрезку элементов литниковой системы (стояков, выпоров, питателей и др.) выполняют на фрезерных, шлифовальных станках или газовой резкой. Для экономии материалов отработанную формовочную смесь и обрезки металла регенерируют.

Основные достоинства процесса – невысокая стоимость технологической оснастки, возможность получать любые по массе и размерам отливки.

Недостатки: низкая точность размеров (14 – 16 квалитеты); большая шероховатость поверхности (Rz 320 и грубее); крупнозернистая дендритная струк

тура отливки с невысокими механическими свойствами. Основными причинами низкой точности размеров и формы являются: наличие разъема в форме; осыпание формовочной смеси при транспортировке и заливке; расталкивание модели при выемке; податливость формы.

По виду материалов, используемых для изготовления литейных форм, их разделяют на две группы: формы из неметаллических материалов и металлические формы.

К первой группе относят песчаные формы (сырые, сухие, подсушенные, химически твердеющие и т.д.). Эти формы используют для отливок один раз и разрушают при извлечении отливок.

Вторая группа – формы многоразового использования. К этой группе относят кокили – металлические формы, пресс-формы для литья под давлением, кристаллизаторы для непрерывного литья, изложницы для центробежного литья и др.

70

евозможно расширять объем производства металлов беспредельно, потребности которого все возрастают. Это кроме огромных капиталовложений, еще ведет к истощению недр и загрязнение биосреды. Это все приводит к тому, что необходима разработка процессов металлообработки и машиностроительной конструкции, которые позволили бы резко сократить расход металла.

1.Применение прогрессивных методов формообразования металла, т.е расширение производства прогрессивных заготовок, т.е таких, размеры и форма которых максимально приближены к размерам детали ( изделия), увеличение доли точных отливок, заготовок полученных прокаткой на специальных станках взамен штамповки, точных поковок и тд. Известно, что около 70% отливок (по массе) получают литьем в песчанно-глинистые формы.

При этом способе отливки имеют рыхлости, пустоты, включения, раковины и большой разброс величин основных параметров. Кроме этого изготовление модели и стержни – ручной труд, модель можно использовать 500 раз. На каждую тонну отливок необходимо до 12 тонн песка и глины.

Применение литья в оболочковые формы. Оболочки в 15-20 раз прочнее, 8-10 раз снижается расход формовочной смеси на тонну литья. Отливки получаются очень точными , с чистой поверхностью, припуски на механическую обработка уменьшаются вдвое.

Благодаря разработке промышленного метода получения этилсиликата, исходного материала для связующих растворов, склеивающих огнеупорную пыль в прочные литейные оболочковые формы.

А) литье в оболочковые формы по выплавляемым моделям.

Б) литье в кокили ( металл литейной формы ).

В) литье под давлением ( малые детали групп ).

Г) центробежное литье.

Однако наряду с достижениями необходимо отметить ряд недостатков. До сих пор при конструировании деталей машин не учитываются специфические требования технологических процессов, автоматизации: детали часто нетехнологичны и ориентированны на традиционное изготовление, в том числе на обработку резанием. Недостаточен выпуск специального оборудования, удовлетворяющего требованиям современной технологии, автоматизации, эргономики и экономики.

Путь к малоотходному и безотходному производству лежит через существенное сокращение производственного цикла изготовления деталей – точные заготовки.

 

Порошковая металлургия – один из наиболее рациональных путей экономии металла, мало операционной технологии. Статистические данные показывают, что перевод 1т деталей на изготовление методом компактирования порошка экономит 2,5т проката, а с учетом металлургического передела – 2,9т стали. Кроме того спеченные детали обеспечивают больший срок службы , чем детали из проката или литья.

Например, стойкость инструмента из порошковой быстрорежущей стали в 5-6 раз выше.

Перспективы в изготовлении биметаллических и многослойных изделий (сталь- медь ).

Преимущества очевидны, однако объем производства по сравнению с прокатом мал. Трудности - малый объем получения качественных порошков, сложность оборудования и оснастки для компактирования.

Одно из направлений повышения эксплуатационной надежности и стойкости деталей машин и инструмента – создание на их поверхности износостойких покрытий.( метод карбонатриации ).

Метод диффузионного борирования ( 100 – 150 мкм).

Нанесение на рабочей поверхность карбидных, карбомитридных и нитридных покрытий жест костным методом, диффузионным насыщением из порошков и паст, химическим и физическим осаждением из газовой фазы позволяет получать покрытия с высокой твердостью и износостойкостью,

71

Кристаллизация и структурообразование чугуна. Чугун представ- ляет собой сплав железа с углеродом, которого он содержит в пределах от 2,6

до 4,5 %. В чугуне всегда имеются примеси: 0,5–3,5 % Si; 0,3–1,5 % Mn; до 1,0

% Р и до 0,15 % S. Для улучшения качества чугуна в него могут вводиться легирующие примеси (Ni, Cr, Сu, Mo и др.) – от десятых долей процента до 15–

20 % в специальных чугунах.

Наиболее важный этап кристаллизации чугуна – эвтектическое пре- вращение, при котором происходит распад жидкости на аустенит и высоко- углеродистую фазу. Последняя и определяет структуру чугуна. Он будет бе-

лым, если высокоуглеродистой фазой является цементит, или серым, если высокоуглеродистой фазой является графит. В половинчатом чугуне наряду с графитом находится цементит.

Влияние химического состава на литейные и механические свой- ства чугуна. Углерод и кремний – графитизирующие элементы. Для боль- шинства отливок применяют чугуны с содержанием углерода от 2,7 до 3,6 %. Чем больше содержание углерода, тем больше жидкотекучесть чугуна и ни- же температура плавления. С увеличением общего содержания углерода по- нижается механическая прочность чугуна, так как при этом увеличивается количество графита, снижающего прочность металлической фазы. Содержа- ние кремния обычно составляет не более 2,5 %. Марганец и сера – это эле- менты, тормозящие графитизацию. Увеличение содержания марганца спо- собствует повышению твердости чугуна и ухудшению обрабатываемости. При повышении содержания серы увеличивается усадка чугуна, снижается его жидкотекучесть, повышается хрупкость. Содержание серы обычно нахо- дится в пределах 0,1–0,12 %. Фосфор, подобно сере, уменьшает раствори- мость углерода в жидком чугуне. Повышение содержания фосфора увеличи- вает жидкотекучесть чугуна, но при этом возрастает хрупкость металла. Со-

 

   Л е к ц и я 2 Особенности плавки сплавов черных и цветных металлов

 

держание фосфора не превышает 0,25 %, но в отливках для художественного литья и в тонкостенных отливках для предметов народного потребления с целью повышения жидкотекучести содержание фосфора увеличивают до 1,0– 1,5 %.

Легирующими элементами являются: никель – подобно кремнию гра- фитизатор, способствующий разложению цементита, содержание никеля в

серых чугунах составляет 0,3–0,4 %; хром – препятствует графитизации, уве- личивает твердость и устойчивость против износа, его обычно вводят в чугун вместе с никелем. При этом достигается измельчение графита и выравнива- ние твердости в тонких и толстых сечениях.

Влияние скорости охлаждения на свойства чугуна. Чем больше скорость охлаждения, тем больше углерода оказывается в связанном состоя- нии, в виде цементита, поэтому в тонкостенных отливках возможен отбел. В

толстостенных отливках, которые охлаждаются медленнее, наоборот, боль- шая часть углерода выделяется в виде крупных пластинок графита, механи- ческие свойства таких отливок низкие.

Классификация и свойства отливок из чугуна. Отливки из серого чугуна с пластинчатым графитом используются главным образом в качестве деталей машин, определяющим для оценки качества чугуна для отливок этой

группы являются его механические свойства, регламентируемые ГОСТ 1412-85. Отливки малой или средней прочности изготавливают из чугунов марок СЧ 10, 15, 20 (условное обозначение марки включает буквы СЧ – серый чугун и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа·10-1); отливки повышенной прочности – из низколе- гированных и модифицированных чугунов СЧ 25, 30, 35.

Отливки из чугуна с шаровидной формой графита делят в зависимо- сти от технологических методов получения структуры на отливки из ковкого чугуна и отливки из высокопрочного модифицированного чугуна. Отливки из ковкого чугуна имеют структуру (хлопьевидный графит), получаемую спе- циальным отжигом отливок, имеющих в литом состоянии структуру белого чугуна. Ковкий чугун в основном используется как конструкционный мате- риал, обладающий ценной комбинацией свойств прочности и пластичности (чугун назван «ковким» из-за способности пластически деформироваться в горячем состоянии, однако, практически такой обработке он не подвергает- ся). Ковкий чугун применяют для изготовления мелких, тонкостенных отли- вок для сельскохозяйственных машин и автомобилей. Согласно ГОСТ 1215- 79 (изменен в 1991 г.), отливки из ковкого чугуна маркируют двумя буквами КЧ, далее следуют две цифры – первая характеризует временное сопротивле- ние при растяжении, а вторая – относительное удлинение, %.

Отливки из высокопрочного модифицированного чугуна имеют шаро- видную форму графита в результате введения в жидкий чугун модификато- ров: Mg, Ca, Li, Na и др. Наибольшее применение получил магний, при со- держании которого 0,03–0,05 % графит кристаллизуется в чугуне в виде ша- ровидных включений (глобулей). Такой чугун называют магниевым. В отли-

   Л е к ц и я 2 Особенности плавки сплавов черных и цветных металлов

 

чие от КЧ получение шаровидной формы графита в ВЧ (высокопрочный чу- гун) практически не ограничивается толщиной стенки и массой отливки. Вы- сокопрочный чугун широко применяется для отливки деталей металлурги- ческого оборудования, к которым предъявляются специальные требования (например, жаропрочность). Согласно ГОСТ 7293-85 маркируют его буква- ми ВЧ, далее следует цифра, характеризующая временное сопротивление при растяжении.

В белом чугуне нет графита, весь углерод находится в виде цементита,

поэтому излом его не серый, что характерно для СЧ и ВЧ, а блестящий бе- лый. Белый чугун применяют как материал, обладающий высокой стойко- стью при абразивном износе и сухом трении (детали дробильного оборудо- вания – щеки дробилок, бронь шаровых мельниц, мелющие шары, лопатки шнеков, детали шламовых насосов). Вследствие повышенной хрупкости бе- лого чугуна и трудностей его механической обработки широко используют отливки, в которых отбеленный слой получают только на рабочей поверхно- сти (сердцевина из СЧ), например, прокатные валки, крановые колеса. Для осо- бо жестких условий эксплуатации применяют легированный белый чугун, на- пример, хромоникелевый чугун «нихард», содержащий до 5 % Ni и 2–2,5 % Cr.

Плавку чугуна осуществляют в вагранках (коксовых, коксогазовых, газовых), а также в электрических печах (индукционных и дуговых).

 

 

Производство отливок из стали

 

Сталью называют железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2 % С. Наряду с углеродом в сталях присутствуют Mn, Si, S, Р, N, H, О и другие элементы, попавшие в нее из шихтовых материалов или введенные в процес- се ее производства (Mn и Si в углеродистые стали вводят, например, для рас- кисления). Другие (легирующие) элементы добавляют для придания стали особых физических, физико-химических свойств или повышения ее прочно- сти. Это чаще всего Cr, Ni, Mo, V, W, а также Mn и Si в количестве, превы- шающем потребности раскисления. Сталь широко применяют прежде всего для деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хоро- шими пластическими свойствами, быть надежными и долговечными в экс- плуатации. Многие стали хорошо свариваются, что дает возможность изго- товлять сложные сварно-литые конструкции.

Классификация стальных отливок. Стальные отливки можно клас- сифицировать: по химическому составу; структуре; назначению отливок; способу выплавки стали.

По химическому составу стальные отливки подразделяют на 4 класса:

1) из углеродистой нелегированной стали; 2) из низколегированной стали с содержанием легирующих элементов до 2,5 %; 3) из среднелегированной стали с содержанием от 2,5 до 10 % легирующих элементов; 4) из высоколе- гированной стали, содержащей более 10 % легирующих элементов.

По структуре раздельно классифицируют углеродистые и легирован- ные стали, так как сходные структурные составляющие в зависимости от рас-

   Л е к ц и я 2 Особенности плавки сплавов черных и цветных металлов

 

творенного в них легирующего элемента обладают различными свойствами. Отливки из углеродистой стали могут иметь ферритную и перлитную струк- туру. Следует отметить, что в реальных углеродистых сталях (даже низкоуг- леродистых) чисто ферритной структуры не наблюдается. По границам фер- ритных зерен наблюдаются выделения третичного цементита, который, обра- зуя хрупкую оболочку вокруг зерен феррита, заметно снижает его пластич- ность и вязкость.

Отливки из высоколегированных сталей по структуре делят на 6 клас- сов: мартенситный, мартенсито-ферритный, ферритный, аустенито- мартенситный, аустенито-ферритный и аустенитный.

Структура отливок из высоколегированных сталей определяется со- держанием легирующих элементов, углерода, режимом термообработки.

По назначению или служебным свойствам стальные отливки подраз- деляются на две группы:

1) отливки общего назначения из конструкционной стали;

2) отливки из стали со специальными свойствами (физическими, хи- мическими, физико-химическими и др.).

Для первой группы определяющими характеристиками являются ме- ханические свойства (отливки этой группы изготавливают преимущественно из углеродистой и низколегированной стали). Ко второй группе относятся отливки из сталей: жаропрочных, жаростойких, коррозионно-стойких, изно- состойких и другого специального назначения (с особыми магнитными, элек-

трическими и другими свойствами). Определяющими характеристиками та- ких сталей являются их специальные свойства.

По способу выплавки различают стали, приготовленные в печах с ки- слой или с основной футеровкой. Многие углеродистые и часть низколегиро- ванных сталей выплавляют в кислых печах, а средне- и высоколегированные стали – в основных печах. На практике для выплавки стали применяют:

кислые и основные дуговые печи (для мелких и средних отливок из

углеродистых и низколегированных сталей);

кислые и основные индукционные печи (для мелких и средних отли- вок из легированных сталей);

кислые и основные мартеновские печи (для средних и крупных отли- вок из углеродистых, низко- и среднелегированных сталей);

установки электрошлакового переплава – ЭШП (для особо ответст- венных отливок специального назначения);

конвертеры (для малоответственных мелких и средних отливок).

72

Для правильного выбора машин, проектирования технологи­ческих процессов и рациональной геометрии инструмента необ­ходимо знание физико-механических основ обработки давлением. Обработка давлением основана на пластичности материалов, т. е. их способности получать пластические деформации. Как упругие, так и пластические деформации осуществляются в твердых телах в результате относительного смещения атомов. При упругих деформациях смещения атомов из положений равновесия неболь­шие и они увеличиваются пропорционально увеличению сил, вызвавших это смещение (закон Гука). С ростом величины упругих деформаций потенциальная энергия твердого тела возрастает до определенного предела, после чего атомы смещаются на рассто­яния, больше межатомных, и остаются в новых положениях устойчивого равновесия. Сумма таких смещений создает пласти­ческую деформацию или же остаточное изменение формы и разме­ров твердого тела в результате действия внешних сил.

Величину формоизменения оценивают степенью деформации ε. Силы взаимосвязи атомов противостоят действию внешних сил, и поэтому твердое тело оказывает сопротивление деформированию. Последнее характеризуют величиной удельного усилия (напря­жения σ), вызывающего пластическую деформацию при данных условиях деформирования. Напряжения и деформации в объеме деформируемого тела рас­пределены неравномерно. Напряжения на поверхностях контакта можно рассчитать методами, известными из теории обработки да­влением. Если нормальное напряжение σ_и (направленное перпен­дикулярно к контактной поверхности) постоянно по всей поверх­ности контакта заготовки 1 с инструментом 2 (рис. 20, а) или заменено его средней величиной σ_ср в случае неравномерного рас­пределения σ_н по контактной поверхности, то дефор­мирующее усилие Р = σF или Р =σ_cpF, где F — площадь проекции контактной поверхности на плоскость, перпендикуляр­ную к направлению деформирующего усилия. Определение де­формирующего усилия требуется для выбора машин для обра­ботки давлением и для расчета инструмента на прочность.

Сопротивление деформированию и пластичность металла зави­сят от его химического состава, температуры, скорости деформации и схемы нагружения. Так, с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали ее пластичность понижается, а сопротивление деформированию растет. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию, что часто используют, применяя нагрев заготовок перед обработкой давлением. Повышение ско­рости деформации (изменение степени деформации в единицу вре­мени) снижает пластичность и увеличивает сопротивление де­формированию, однако при очень высоких скоростях (например, при электромагнитной и взрывной штамповке) для многих метал­лов допустимы чрезвычайно большие степени деформации без разрушения. Схема нагружения, создающая всестороннее не­равномерное сжатие заготовки, способствует повышению пластич­ности металла и его сопротивления деформированию. Поэтому, например, в процессах прессования металл проявляет большую способность к пластической деформации, чем при волочении.

 

Пластичность, а, следовательно, и технологические возмож­ности обработки давлением, следует рассматривать не как неизмен­ное свойство какого-либо материала, а как его состояние, завися­щее от условий обработки. Следует создавать комплекс условий (мелкозернистая структура металла, соответствующие темпера­тура и скорость деформации), в которых некоторые металлы переходят в состояние сверхпластичности.

Процессы обработки давлением в состоянии сверхпластичности, позволяют осуществлять огромные деформации металлов и сплавов при пониженном сопротивлении их деформированию. При этом несколько технологических операций совмещают в одной операции и для обработки давлением используют менее мощное оборудова­ние. Дальнейшее совершенствование технологии обработки давле­нием базируется на глубоком изучении природы пластической деформации.

Холодная пластическая деформация металлов возникает в ре­зультате изменения формы и размеров зерен (внутрикристаллитная деформация) и их относительного перемещения (межкристаллитная деформация). В первом случае деформирование проходит по самим зернам (след 1 на рис. 29 а), во втором — по границам зерен (след 2). Основную роль в процессах пластического формо­образования играет внутрикристаллитная деформация, так как при межкристаллитной холодной деформации возникают повре­ждения и трещины на границах зерен.

 

 

Рис.29. Схемы деформирования зерен материала.

 

Внутрикристаллитное деформирование происходит в боль­шинстве случаев скольжением. При действии на зерно силы Р (рис. 29 б) на плоскостях, наклоненных к направлению этой силы, возникают касательные напряжения, стремящиеся сдвинуть части зерна относительно друг друга. При достижении критической величины касательного напряжения произойдет скольжение — параллельное смещение тонких слоев кристаллита относительно смежных слоев по плоскостям скольжения (рис. 28 в), которые наблюдаются на поверхности деформированного металла в виде тонких линий. Более глубоко процесс скольжения можно объяс­нить с помощью теории дислокаций.

Межкристаллитное деформирование — это смещение и взаим­ный поворот зерен относительно друг друга без нарушения сплош­ности металла. В результате холодного деформирования зерна металла дробятся и вытягиваются в направлении пластического течения металла, образуя полосчатую микроструктуру. Вместе с зернамивытягиваются и неметаллические включения на их границах образуя волокнистое строение металла. Искажение кристаллической решетки приводит к возникновению напряжений в металле, изменению механических и физико-химических свойств металла, называемому упрочнением (наклепом). При наклепе возрастает прочность и твердость, снижается пластичность, ме­няется электропроводность, магнитная проницаемость металла и т. д.

При нагреве холоднодеформированного металла и деформировании нагретого металла в нем происходят разупрочняющие процессы, называемые возвратом и рекристаллизацией. Возврат для чистых металлов проявляется при температуре выше 0,ЗТ_пл и выше. Увеличение амплитуды тепловых колебаний атомов искаженной кристаллической решетки позволяет им вернуться в положение устойчивого равновесия, и остаточные напряжения в металле снимаются. При этом несколько увеличивается пластич­ность, а полосчатая и волокнистая структура металла не меняется.

Рекристаллизация происходитпри увеличении температуры до 0,4Т_пл для чистых металлов. При этом подвижность атомов достаточна для их перегруппировок, приводящих к возникнове­нию и росту новых равноосных зерен с неискаженной кристал­лической структурой взамен деформированных. Наклеп пол­ностью снимается, полосчатая структура переходит в равноосную, а волокнистая структура сохраняется, так как вытянутые не­металлические включения не подвергаются рекристаллизации. Если в процессе деформирования рекристаллизация успевает пол­ностью произойти, деформацию называют горячей.

Обработка давлением существенно влияет на свойства мате­риала. Она позволяет улучшить качество литого металла, так как литая дендритная структура преобразуется в относительно мелкое равноосное зерно. При горячей деформации ликвидируются пу­стоты и микротрещины внутри слитка, уменьшается его ликвация (неоднородность химического состава) вследствие значительных перемещений слоев ме­талла.

Волокнистое строение деформированного металла приводит к анизотропии его свойств (прочность и ударная вязкость металла вдоль его волокон выше, чем поперек), поэтому те­чение металла при обра­ботке давлением следует направлять так, чтобы во­локна совпадали с на­правлением наибольших напряжений в детали при ее эксплуатации. Например, при изготовлении коленчатых валов штамповкой прочность его на 10—15% выше прочности вала, полученного обработкой резанием. Для некото­рых изделий волокнистость нежелательна. В таких случаях ее устраняют частично или полностью многократным изменением направления течения металла в процессе его деформирования (например, прокаткой листов в продольном, поперечном направле­нии и по диагонали). Наклеп при холодной деформации в 1,5—2 раза увеличивает прочность и твердость металла при одновременном снижении его пластичности, поэтому в некоторых случаях изделия специально подвергают упрочняющему деформированию. Учитывая явления, оказывающие влияние на качество металла при пластическом деформировании и сознательно управляя ими, можно создавать такие условия обработки давлением, при которых получаемые детали будут обладать наилучшими служебными качествами.

Холодная штамповка — это формообразование деталей в штам­пах холодной пластической деформацией металла заготовки при комнатной температуре. Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения качественных загото­вок в машиностроительной, приборостроительной, электротехни­ческой и других отраслях промышленности. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности заготовок при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости их изготовления. Производительность автомати­ческой холодной штамповки достигает нескольких сотен заготовок в минуту.

Возможность осуществления процессов холодной штамповки и качество готовых заготовок во многом определяет качество исходного материала. В металлургических процессах выплавки металла нужно обеспечить его необходимый химический состав и отсутствие загрязнений металла. Технологические режимы прокатки и термообработки заготовок должны способствовать по­лучению равномерной мелкозернистой структуры металла. Нужно обеспечить правильные условия хранения металла на складе и каждую новую партию металла проверить на штампуемость. Чем больше штампуемость металла, тем более сложные изделия и с наименьшими трудностями можно получить из него холодной штамповкой.

Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок: удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов. За­готовки обычно смазывают для снижения усилий штамповки, повышения стойкости инструмента, обеспечения качества поверх­ности и предотвращениятрещин и других дефектов деталей. Для создания прочного разделительного слоя между инструментом и заготовкой поверхность последней покрывают промежуточным слоем (например, фосфатированне, омеднение, цинкование и др.).

В процессах холодной штамповки непрерывно меняется не только форма, но и структура металла и его физико-механические характеристики. Возникающий при этом наклеп металла в некоторых случаях ограничивает возможности формообразования, поэтому процессы холодной штамповки часто выполняют за не­сколько технологических переходов с постепенным приближением к окончательной форме и размерам готовых деталей и с промежу­точным отжигом для восстановления пластических свойств ме­талла.

В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов, которые определяет тип штампуемой заготовки, холод­ную штамповку делят на объемную (сортового металла) и листовую (листового металла). Объемную штамповку выполняют на прессах илиспециальных холодноштамповочных автоматах. Ее основными разновидностями являются: высадка, выдавливание и объемная формовка.

Высадка— это осадка части заготовки, т. е. образование ме­стных утолщений требуемой формы, например, головок болтов, винтов и заклепок. Можно высаживать утолщения, концентричные и эксцентричные относительно оси стержня, как на концевых, так и на срединных участках заготовок. Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка диаме­тром 0,5—50 мм из черных и цветных металлов. Высадкой изгото­вляют стандартные и специальные крепежные детали, а также другие детали массового производства, например, кулачки и зуб­чатые колеса заодно с валом, детали электронной аппаратуры, электрические контакты и т. п. При высадке за один удар отноше­ние длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру должно быть не более 2,5—2,8. В противном случае возможен изгиб, поломка заготовки или об­разование головки непра­вильной формы.

 

Рис.30. Технологическая схема штамповки на холодновысадочном автомате.

 

Высадку выполняют на холодновысадочных авто­матах различных кон­струкций. Рассмотрим по­следовательность изготов­ления крепежных деталей на двухударном автомате с цельными матрицами — инструментами в виде углубленных форм (рис. 30). Проволока из бунта (мотка) 1 проходит через правильное устройство 2 и затем калибруется протягиванием через фильеру 3 для получе­ния более точного диаметра и улучшения качества поверхности. Затем она смазывается и валками 4 подается через отрезную ма­трицу 5 до упора 7. Нож 6 отрезает заготовку требуемой длины, определяемой положением регулируемого упора 7, и переносит ее на линию высадки. Предварительный (черновой) инстру­мент — пуансон 9 заталкивает заготовку в матрицу 10 до упора и производит первую высадку (первый удар). Затем на линию высадки перемещается окончательный пуансон 12 и производит вторую высадку (второй удар), после чего выталкиватель 11 уда­ляет из матрицы 10 полуфабрикат 14. Рабочие ходы ползуна 8, перемещения пуансонов на салазках 13 и срабатывание выталки­вателя 11 осуществляются механической системой валов, зубчатых передач и кулачковых механизмов. После высадки следует опера­ция заострения — снятие фаски резцами 15 и накатка резьбы пло­ской подвижной 17 и неподвижной 16 плашками. Канавки на плаш­ках, точно соответствующие профилю резьбы, Заполняются в ре­зультате пластического течения металла при внедрении резьбовых гребней плашек в поверхность заготовки. Получают резьбу по­вышенной прочности и достаточно точной при высокой производи­тельности процесса и экономии металла. Также эффективно накаткой получают различные рифления, шлицы на валах, мелкие зубья и т. п. Подрезку торцов, заострение и накатку резьбы про­изводят на отдельных станках или соответствующими операциями на автоматах-комбайнах, выпускающих окончательно обработан­ные детали. Шестигранные головки болтов получают обрезкой граней у круглых высаженных головок на обрезных автоматах или высадкой готовых шестигранников, однако из-за затруднен­ного течения металла в этом случае снижается стойкость инстру­мента и возможен брак.

Выдавливание — это формообразование сплошных или полых изделий вследствие пластического течения металла из полости штампа через отверстия соответствующей формы. Различают пря­мое, обратное, боковое и комбинированное выдавливания(рис. 31). При прямом выдавливании металл течет из матрицы 2 в направле­нии движения пуансона. При этом зазор между пуансоном и матрицей должен быть небольшим, чтобы в него не вытекал ме­талл. В противном случае образуется торцовый заусенец, который нужно удалять дополнительной обработкой. Этим способом полу­чают детали типа стержня с утолщением (например, клапаны), трубки или полые стаканы с фланцем.

При обратном выдавливании металл течет навстречу пуансону в кольцевой зазор между пуансоном 1 и матрицей 2 (для получения деталей с дном: экраны радиоламп, тюбики и т. п.) или, реже, в отверстие в пуансоне (для получения деталей типа стержня с фланцем). Толщина стенки

Рис. 31. Схемы выдавливания:

а — прямое; б — обрат­ное; в — боковое; г — комбинированное.

 

выдавленных стальных деталей обычно1,5—5 мм, алюминиевых — более 0,08 мм. При боковомвыдавливании металл течет в боковые отверстия матрицы под углом к направлению движения пуансона. Так получают детали с отростками типа тройников, крестовин и т. п. Для их удаления из штампов матрицу делают составной из двух половин с пло­скостью разъема, проходящей через осевые линии исходной за­готовки и получаемого отростка. Прикомбинированном выдавли­вании металл течет одновременно по нескольким направлениям. При этом возможны различные сочетания схем выдавливания, например, прямое и обратное выдавливание.

Заготовками для выдавливания служит проволока (катанка)и горячекатаныйпруток нормальной точности. Иногда заготовки вырубают из листа. В этом случае требуется хорошее качество среза и устранение отжигом наклепа краев заготовки после вы­рубки, чтобы предотвратить разрывы кромок стаканов при вы­давливании. Выдавливанием получают детали преимущественно цилиндрической или близкой к ней формы, реже — детали с неконцентричными участками в машиностроительной, приборостро­ительной, электротехнической и других отраслях промышлен­ности; например, корпуса автомобильных свечей зажигания, конденсаторных батарей, генераторов, выключателей и т. п. Точность размеров и шероховатость поверхностей деталей соответ­ствуют получаемым при обработке резанием.

Для выдавливания требуются большие удельные усилия, что в некоторых случаях может приводить к поломкам или низкой стойкости инструмента. Эти обстоятельства часто сдерживают более широкое применение процессов выдавливания в производстве.

Стойкость пуансонов и матриц для выдавливания обеспечи­вается применением для их изготовления высококачественных инструментальных сталей и правильным конструированием (без резких переходов с плавными сопряжениями между отдельными участками для облегчения течения металла и снижения удельных усилий выдавливания). Силы трения снижают полированием рабо­чих частей инструмента, применением для каждого типа металла оптимальных покрытий поверхности заготовок и смазок.

Холодная формовка — это формообразование деталей вслед­ствие заполнения металлом полости штампа. Производится в от­крытых штампах с вытеканием излишка металла в специальную полость для образования заусенца (рис. 32, а) и в закрытых штам­пах без образования заусенца (рис. 32, б). После штамповки в от­крытом штампе заусенец обрезают в специальном обрезном штампе. Заусенец имеет толщину h₃ в среднем 1,5—2 мм и его объем возрастает с увеличением различия между конфигурацией исходной заготовки и полости ручья штампа. Следовательно, форма и размеры заготовок должны быть выбраны с учетом наи­меньшего расхода и наилучшего течения металла при заполнении им полости штампа. Возможность вытекания металла в заусенец позволяет снизить требования к точности размеров заготовок, а также облегчает деформирование, вследствие чего удельные усилия при открытой штамповке меньше, чем при закрытой.

 

Рис. 32. Схемы холодной формовки.

 

При закрытой штамповке объем заготовки должен быть точно равен объему поковки. Это дает экономию металла, уменьшает последующую обработку деталей, прочность которых выше, чем при открытой штамповке вследствие устранения перерезания волокон, неизбежного при обрезке заусенца. Однако закрытую штамповку применяют реже, чем открытую, из-за большей сто­имости заготовок точного объема, потребности в более мощном оборудовании и меньшей стойкости штампов. В закрытых штампах штампуют в основном детали из цветных металлов.

Холодной формовкой изготовляют пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Детали обычно полу­чают за несколько переходов, последовательно изменяющих форму заготовки, с промежуточным отжигом для снятия наклепа.

Холодной объемной штамповкой получают готовые детали или близкие к ним заготовки, требующие минимальной обработки резанием. В массовом и крупносерийном производствах следует шире применять холодную штамповку, заменяя ею обработку резанием, или комбинировать эти методы изготовления. При холодной штамповке коэффициент использования металла дости­гает 95% вместо 30—40% при обработке резанием. Трудоемкость изготовления болтов на холодновысадочных автоматах в 200 — 400 раз меньше, чем на токарно-револьверных станках. Внедрение холодной объемной штамповки приводит к устранению операций предварительной обработки резанием, связанных с большими потерями металла в стружку и к возрастанию роли точных, от­делочных методов (точению, шлифованию и др.). Отмечается также более высокое качество штампованных дета­лей по сравнению с качеством деталей, полученных обработкой резанием. В зависимости от степени деформации у среднеуглеродистых сталей прочность штампованных деталей увеличивается на 30—120% по сравнению с прочностью деталей, полученных обработкой резанием, что в некоторых случаях позволяет отка­заться от термообработки и использовать более дешевые исходные материалы: углеродистую или малолегированную сталь вместо термически обработанной высоколегированной дорогостоящей стали. Деформируя различные участки заготовки с разными сте­пенями деформации, можно целенаправленно управлять распре­делением механических характеристик в детали.

При холодном деформировании устраняется совсем или ча­стично пористость металла, формируется благоприятно ориенти­рованная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических на­грузках. Это позволяет конструкторам уменьшать размеры дета­лей и их металлоемкость по сравнению с полученными обработкой резанием, не снижая при этом их надежность.

Холодной объемной штамповкой можно получать цельные детали из одной заготовки (например, зубчатые колеса и кулачки за одно целое с валом) взамен деталей, которые раньше собирали сваркой, клепкой и т. п. из двух или более частей. Это не только исключает расходы на сборку, удешевляет продукцию, но и улуч­шает ее качество, так как цельные детали прочнее и точнее, чем собранные из отдельных частей. Однако для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что позволяет применять ее только в массовом и крупносерийном производствах.

Листовую штамповку выполняют на прессах различных кон­струкций, часто оснащенных средствами механизации и автомати­зации. Процессы листовой штамповки состоят из выполняемых в определенной последовательности разделительных и формоизме­няющих операций, посредством которых исходным заготовкам (листу, полосе, ленте, трубе) придают форму и размеры деталей.

Разделительныеоперации (резка, вырубка, пробивка) сопро­вождаются разрушением металла по определенным поверхностям (рис.33).

Резка — это отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных ножницах (рис.33, а) или в штампах. Обычно ее применяют как заготовительную операцию для разделе­ния листов 3, подаваемых до упора, на полосы и заготовки нуж­ных размеров для последующей штамповки. Качество поверхности среза обеспечивают необходимая величина зазора между режущими кромками, которая составляет (0,03 - 0,05) S, где S —толщина листа, и хорошая заточка режущих кромок ножей.

Рис. 33. Разделительные операции листовой штамповки

 

Вырубка и пробивка — отделение заготовки по замкнутому контуру в штампе (рис.33 б). Вырубным пуансоном 7 оформляют наружный контур детали (например, шайбы 5) или заготовки для последующей штамповки; пробивным пуансоном 8 — внутрен­ний контур (отверстие). При вырубке отделенная часть, проталки­ваемая в матрицу 6, является деталью 5, а при пробивке, наобо­рот — отходом 9. Характер деформирования заготовки при вы­рубке и пробивке одинаков (рис.32 в). В начальный момент пу­ансон смещает часть заготовки в отверстие матрицы без разруше­ния металла. При определенной глубине внедрения режущих кромок (тем большей, чем больше пластичность металла) в заго­товке возникают трещины, наклоненные к оси инструмента под углом 4—6°. При правильно выбранной величине зазора, завися­щей от толщины и механических характеристик металла, а также от сложности вырубаемых деталей, трещины образуют сравни­тельно гладкий срез (рис. 33, г). Он состоит из блестящего пояска (зона внедрениярежущих кромок) и наклонной шероховатойповерхностиразрушения (зона прохождения трещин). При не­правильном определенном зазоре образуется «рваный» срез, спо­собствующий возможному разрушению вырубленной заготовки при ее последующем деформировании или при работе детали.

Вблизи поверхности среза образуется зона наклепанного металла. Это затрудняет последующую штамповку вырубленных заготовок, повышает магнитные потери в электротехнической стали (особенно в высоких узких зубцах роторов электрических машин). При необходимости наклеп устраняют отжигом или наклепанный слой удаляют обработкой резанием.

Детали повышенной точности с чистым и перпендикулярным срезом получают чистовой вырубкой и пробивкой, сущность которой заключается в создании дополнительного сжатия заготовки прижимом 10 (рис. 33 д). При этом в зоне резания создается напряженное состояние объемного сжатия, скалывающие трещины не возникают и срез получается чистым по всей толщине заготовки. Чистовой вырубкой изготовляют плоские кулачки, зубчатые колеса, секторы, рейки, пластины постоянных магнитов и т. п. Расположение контуров смежных вырубаемых заготовок на листовом материале называют раскроем. Часть листовой заго­товки, оставшаяся после вырубки, называется высечкой. Тип раскроя выбирают из условия наименьшего отхода металла в вы­сечку (рис. 27, е). Оптимальные варианты находят с помощью ЭВМ. Прессы для вырубки и пробивки оснащают ЧПУ, обеспе­чивающим быстрое (до 100 отверстий в 1 мин при межцентровом расстоянии 250 мм) выполнение операций по заданной программе, устанавливающей расположение и форму отверстий, расстояние между ними. Автоматические инструментальные головки обеспечи­вают быструю замену инструмента.

Формоизменяющие операции —гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача, рельефная формовка выполняются пластической деформацией металла без разрушения заготовок (рис. 34).

Гибка— придание заготовке криволинейной формы или изменение кри­визны заготовки. При гибке пластически деформируется только участок заготовки в зоне контакта с пуансоном 1 (рис. 34, а): наружные слои растягиваются, а внутренние (обращенные к пуан­сону) сжимаются.

 

Рис. 34. Формоизменяющие операции

 

При снятии нагрузки растянутые слои заготовки упруго сжимаются, а сжатые растягиваются, что приводит к изме­нению угла гибки. Это нужно учитывать соответствующей поправкой на угол гибки.

Вытяжка— образование полой детали из плоской или полой заготовки (рис. 34 б). Вырубленную заготовку диаметром D укладывают на плоскость матрицы 3вручную или автоматическим подающим устройством. Пуансон 1 надавливает на заготовку, и она, смещаясь в отверстие матрицы 3, образует стенки вытя­нутой детали. Формоизменение при вытяжке оценивают коэф­фициентом вытяжки  , который в зависимости от ме­ханических характеристик металла и условий вытяжки не дол­жен превышать 1,8—2,1. При D/d > (18-20)S возможна потеря устойчивости фланца, образуются складки при вытяжке. Их предотвращают прижимом 2 фланца заготовки к матрице.

Детали с большим формоизменением заготовки получают за несколько операций вытяжки с постепенным уменьшением диа­метра полой детали и увеличением его высоты (рис.34 в). Промежуточный отжиг для устранения наклепа позволяет увеличить k_B до 1,4—1,6. Опасность разрушения заготовок устраняют также скруглением кромок пуансонов и матриц r = (5-1О)S и применением пра­вильно подобранных смазок для уменьшения сил трения между поверхностями заготовок и инструмента.

Отбортовка — образование борта (горловины) вокруг отвер­стия в заготовке (рис. 34 г). Допустимое без разрушения формо­изменение характеризуют коэффициентом отбортовки  , где d_Q — диаметр отверстия в плоской заготовке. Коэффициент k₀ зависит от механических характеристик металла заготовки и ее относительной толщины S/d и не превышает 1,2—1,8. Наиболее производительна пробивка отверстий под отбортовку, но из-за наклепа и заусенцев уменьшается допустимое значение k_o по­этому лучше комбинировать пробивку g последующим рассверливанием отверстий. Отбортовку применяют для изготовления кольцевых деталей с фланцами и для образования уступов в де­талях для нарезания резьбы, сварки или сборки, а также для увеличения жесткости конструкции при малой ее массе.

Обжим— уменьшение периметра поперечного сечения кон­цевой части полой заготовки производится заталкиванием за­готовки в сужающуюся полость матрицы (рис. 34 д). За один переход можно получить d = (0,7 – 0,8) D_3aг. Для большего формо­изменения делают несколько последовательных операций обжима.

Раздача — увеличение периметра поперечного сечения заго­товки коническим пуансоном (операция, противоположная об­жиму). Рельефная формовка — местное деформирование заготовки для образования рельефа в результате уменьшения тол­щины заготовки (рис. 34 е). Формовкой получают выступы на заготовке, ребра жесткости и т. п. в металлических штампах. Иногда пуансоном или матрицей служит эластичная среда, на­пример, резиновая подушка.

Штампы для листовой штамповки делятся по технологическому признаку в зависимости от выполняемой операции (вырубные, гибочные, вытяжные и т. д.). В зависимости от числа выполняе­мых операций различают одно- и многооперационные штампы. Многооперационные штампы бывают последовательного действия, т. е. операции выполняются последовательно при перемещении заготовки по нескольким рабочим позициям штампа (рис. 34 б), и совмещенного действия, т. е. операции выполняются на одной позиции.

Для массового и крупносерийного производства целесооб­разно применять сложные и совершенные штампы. Для штам­повки небольшого числа деталей (мелкосерийное производство) сложные и дорогостоящие штампы применять нерационально. В таких случаях применяют упрощенные и быстропереналаживаемые штампы. При штамповке эластичными средами только один рабочий элемент (пуансон или матрицу) изготовляют из металла. Другим рабочим элементом служит эластичная среда: резина, пластмасса (полиуретан) или жидкость. Для высоко­скоростной штамповки — взрывом, электрогидравлическим уда­ром или электромагнитным полем не требуется дорогостоящего прессового оборудования, штампы просты по конструкции. Им­пульсным приложением нагрузки разгоняют заготовку до боль­ших скоростей, достигающих 150 м/с, накопленная заготовкой кинетическая энергия расходуется на ее деформирование мат­рицей или пуансоном. Процесс штамповки длится тысячные доли секунды.

Горячая объемная штамповка— это формообразование дета­лей (поковок) принудительным перераспределением .металла на­гретой заготовки в штампе. Это дешевый и производительный процесс обработки, широко распространенный в машиностроении, приборостроении и других отраслях промышленности. При горя­чем деформировании в штампах получают наибольшее преобра­зование формы заготовок с наименьшими затратами энергии. Однако при нагреве заготовок перед штамповкой на их поверх­ности образуется слой окалины. Наличие окалины снижает ка­чество поверхности и точность размеров поковок, что приводит к необходимости последующей обработки поковок резанием. Горячештампованные поковки обычно являются заготовками для получения из них деталей обработкой резанием. Отличия чертежа поковки от чертежа детали вызваны как технологическими особенностями штамповки, так и ограниченными возможностями получения точности размеров и качества поверхности. Проекти­рование технологического процесса начинают с разработки чер­тежа поковки.

Чертежпоковки разрабатывают на основании чертежа готовой детали. Работу начинают с выбора поверхности разъема штампов. Штампы имеют один или два разъема для помещения заготовки и извлечения поковки. Обычно поверхность разъема устанавливают в плоскости двух наибольших габаритных размеров детали, чтобы полости штампа имели наименьшую глубину. Положение поверх­ности разъема устанавливают также исходя из возможности кон­троля сдвига штампов и требуемого направления волокон в по­ковке.

Далее (рис. 35), на поверхности поковок, подлежащих обра­ботке резанием, назначают припуски — удаляемые обработкой резанием слои материала — в зависимости от штамповочного оборудования, габаритных размеров и массы поковок. Кроме того, устанавливают допуски — допустимые отклонения на раз­меры поковок, которые необходимы из-за возможной их недоштамповки по высоте, сдвига штампов, их износа и т. д. Штампов­кой не всегда можно получить требуемую конфигурацию поковки. В таких случаях делают напуски для упрощения формы поковки. В штампах с одной плоскостью разъема нельзя получить сквоз­ное отверстие в поковке, поэтому делают только наметку отвер­стия с перемычкой шириной S, которую потом удаляют. Отверстия диаметром менее 30 мм в поковках не делают, их получают сверлением.

Штамповочные уклоны на боковых поверхностях поковок облегчают их извле­чение из штампов. При штам­повке на молотах наружные уклоны α = 2-З. Внутренние уклоны Р на 2—3°

Рис. 35. Пример составления чертежа

а — деталь; б — поковка

 

больше наружных, так как при охлаждении поковки ее внутренние поверхности при­жимаются к штампу, а наружные отходят от стенок штампа, уменьшая возможность застревания поковки в штампе.

Радиусы закруглений на пересекающихся поверхностях по­ковки необходимы для лучшего заполнения полости штампа и предохранения ее от преждевременного износа и поломок, а также для получения качественных поковок. Наружные радиусы закруглений R устанавливают в пределах 1—6 мм, а внутренние R — (3 - 4) мм. При малом R волокна металла могут быть перерезаны, что ухудшит качество отштампованной детали.

Размеры спроектированной поковки увеличивают на 1—2% для учета температурной усадки и получают чертеж «горячей поковки» (рис. 35, а), по которому изготовляют полость штампа. Горячую объемную штамповку, так же как и холодную формовку, производят в открытых и закрытых штампах (рис. 36). В откры­тых штампах получают поковки всех типов: удлиненной формы, штампуемые плашмя, и осесимметричной формы, штампуемые в торец. В закрытых штампах получают преимущественно осесимметричные поковки. Всестороннее неравномерное сжатие при больших сжимающих напряжениях, чем при открытой штамповке, позволяет осуществлять большие степени деформации и штампо­вать малопластичные сплавы без отхода металла в заусенец. Качество поковок выше вследствие лучшего, более равномерного расположения волокон, отсутствия концентрации деформаций и перерезанных волокон в зоне заусенца (рис. 31, б). Однако пониженная стойкость штампов и потребность в более дорогих заготовках точного объема ограничивают применение прогрес­сивных процессов закрытой

 

 

Рис. 36. Схемы процес­сов и расположение во-локон в поковках при штамповке:

а — в открытых штампах; б — в закрытых штампах

 

Поковки простой конфигурации штампуют из прокатанных заготовок постоянного профиля в штампах с одной полостью — одноручьевых штампах. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине (высоте) и с изогнутой осью нельзя штамповать из заготовок постоянного профиля в одноручьевых штампах из-за незаполнения штампа или недопустимо большого отхода металла в заусенец. В таких случаях форму заготовки постепенно приближают к форме поковки в мноrоручьевых штампах, имеющих заготовительные и штамповочные ручьи

В заготови­тельных ручьях получают фасонную заготовку — полу­фабрикат для штамповки в предварительном (черновом), а затем в окончательном (чистовом) штамповочном ручье. В предвари­тельном ручье завершают основное формообразование поковки, чтобы снизить износ окончательного ручья. В окончательном ручье получают готовую поковку заданных размеров. В нем развиваются наибольшие усилия штамповки и его располагают в центре штампа, чтобы избежать больших эксцентричных на­грузок на штамповочную машину.

Те или иные ручьи и различные их комбинации применяют в зависимости от конфигурации и размеров поковки, а также от требуемого направления волокон металла, которое обеспечивает соответственно направленное течение металла в ручьях штампа. Независимо от вида штамповочного оборудо­вания процесс получения поковок состоит из следующих основ­ных этапов: подготовки заготовок, оформления поковок в штам­пах и отделочных операций. Нагрев заготовок перед штамповкой в значительной степени определяет качество, производительность и стоимость продукции. Заготовки должны быть нагреты равномерно по всему объему до заданной температуры (для среднеуглеродистой стали до 1200 °С), чтобы можно было избежать температурных напряжений и тре­щин. При превышении температуры нагрева происходит перегрев— интенсивный рост зерен, ухудшение качества металла. Перегрев можно устранить при последующем деформировании металла или термообработкой. При дальнейшем повышении температуры (для стали свыше 1350 ^CC) возникает пережог — неисправимый брак, заключающийся в окислении и расплавлении границ зерен с пол­ной потерей пластичности металла.

При нагреве должно быть минимальное окалинообразование (окисление) и обезуглероживание поверхности заготовок, чтобы избежать чрезмерных потерь металла и затрат на удаление дефектного слоя. Обезуглероженный слой при большой его глубине (до 2 мм) может остаться на поверхности детали после удаления припуска обработкой резанием. Это приведет к пониженной твер­дости поверхностного слоя детали (он не закаливается) и снизит надежность работы детали, особенно в условиях динамических нагрузок. Правильный нагрев заготовок обеспечивают с помощью автоматических систем регулирования температуры и состава атмосферы в нагревательных устройствах и времени нагрева заготовок. Наиболее совершенными являются электронагревательные устройства, позволяющие автоматизировать процессы нагрева заготовок. В них легче создать защитную атмосферу для безокислительного нагрева. Это электроконтактные установки, индук­ционные установки, газовые печи с механизированной подачей заготовок в рабочее пространство.

Большое разнообразие форм и размеров штампованных поко­вок и сплавов, из которых их штампуют, обусловило применение различных способов штамповки и, соответственно, различных конструкций штампов и кузнечно-штамповочного оборудования.

После штамповки в открытых штампах производят обрезку заусенцев и пробивку перемычек в штампах на обрезных кривошипных прессах. В штампах совмещенного действия обе эти операции выполняются одновременно за один ход пресса. Обрезку и пробивку мелких поковок из низкоуглеродистых и низколегированных сталей производят в холодном состоянии, в остальных случаях — в горячем состоянии, сразу после штам­повки. При холодной обрезке и пробивке качество среза выше, чем при горячей. При соответствующих размерах пуансонов и матриц одновременно с пробивкой и обрезкой можно удалять штамповочные уклоны для уменьшения последующей обработки поковок резанием.

При удалении из штампов, обрезке заусенцев, пробивке пере­мычек и транспортировке поковки могут искривляться. На изог­нутых поковках при обработке резанием на одних участках может быть недостаток, а на других — избыток припуска, что приведет к браку детали. Поэтому при необходимости крупные поковки и поковки из высоколегированных сталей правят в горячем состоя­нии сразу после обрезки заусенца. Правку производят в чистовом ручье штампа на штамповочной машине либо в совмещенном штампе для обрезки и правки на обрезном прессе. Мелкие и сред­ние поковки правят обычно на винтовых прессах в холодном со­стоянии после их термообработки и очистки от окалины.

73

До 90 % сталей и до 50 % цветных металлов используются в виде проката, штампованных и кузнечных заготовок (рис. 1.39). Достоинство процесса прокатки в высокой экономичности: мало потерь металла, т. к. происходит перераспределение металла по объему, а при обработке резанием много металла идет в стружку; процесс высокопроизводительный; прокат эффективно использовать для изготовления сварных и клепанных конструкций и конструктивно сложных и громоздких деталей.

74

Ковка и штамповка применяются как для получения заготовок, так и готовых изделий.

Ковка металлов это процесс деформирования горячей заготовки бойками молота или пресса (рис. 3.1, г). Полученное изделие поковкой. Ковка применяется в штучном и мелкосерийном производстве. При ковке крупных поковок массой до 200 т и более исходными заготовками являются слитки; 2-3т – блюмы; до 1т – сортовой прокат. Массу заготовки из слитка определяют по формуле: G_заг=G_пок + G_приб + G_дн + G_обс + G_уг, где G_приб – масса прибыльной части, составляет 18-22% от массы слитка; G_дн– масса донной части, составляет до 4%; G_уг – масса отхода на угар, составляет 2-3%; G_обс – масса абсечек, в которую входят отходы при прошивке, обрубке концов и д.р. Масса заготовки из проката определяется по формуле:

G_заг=G_пок + G_абс + G_{уг .}

Для получения качественной поковки слитки и прокат подвергаются укову, который определяется отношением площадей поперечного сечения заготовки и поковки. При операциях вытяжки у=F_заг/F_пок, при осадке у=F_пок/F_заг.

При ковке слитков уков составляет 2-3,75; проката – 1,25-1,4. После определения типа и массы заготовки и величины укова, приступают к расчету размеров заготовки. Размер слитков указывается в ведомственных нормалях, проката в ГОСТах.

Технологический процесс ковки разрабатывают по чертежу поковки, составленного на основании чертежа детали. Размеры поковки увеличивают на величину припуска на механическую обработку и предусматривают допуск на ковку. Иногда конфигурацию поковки упрощают за счет напуска. При подсчете объема заготовке к номинальному размеру поковки добавляют часть допуска и напуск.

Технологический процесс ковки включает различные операции: осадка, протяжка, пробивка, гибка, разгонка, скручивание, рубка и т.д. При осадки площадь поперечного сечения F заготовки увеличивается за счет уменьшения её высоты H. Во избежание продольного изгиба при ковке размеры заготовки берутся из расчета, H≤2,5Д. Вследствие действия сил трения по контактным поверхностям боковая поверхность поковки приобретает бочкообразную форму. Осадкой получают оковки для зубчатых колес, фланцев, турбинных дисков и т.д. Осаживание части заготовки называют высадкой.

При протяжке увеличивается длина заготовки за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжка с поворотом заготовки на 90° называется протяжкой с кантовкой. Протяжкой получают волки, тяги, гильзы и т.д.

 

Для получения сквозных и глухих отверстий применяют прошивку. Отверстие диаметром до 400мм прошивают сплошными прошивнями, свыше 400мм – пустотелыми Прошивка сопровождается отходом метала (выдрой). Прошитые заготовки подвергают раскатке по диаметру или протяжке на оси.

Для получения поковок с изогнутой осью применяют операцию гибки. Во избежание складок по внутреннему контуру и трещин по наружному контуру угла изгиба подбирают соответствующий радиус закругления.

Операция разгонка применяется для увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения толщины. При скручивании часть заготовки поворачивается вокруг оси. Применяется при изготовлении сверл, коленчатых волов и д.р. Для получения поковок с относительно сложной конфигурации применяются подкладные штампы.

Пример получения поковки кольца с применением различных операций показан на рис. 3.7.

 

Рис. 3.7. Схема операций ковки при получении поковки кольца из катаной заготовки: 1 – осадка; 2 – отделка по диаметру; 3 – прошивка; 4 – правка; 5 – раскатка; 6 – правка торцов.

Основным оборудованием для ковки являются молоты и прессы. Для получения мелких поковок массой от 0.3 до 20кг применяют пневматические молоты. С массой падающих частей G=50-1000кг и энергией удара Е=0,8 –27, 5кДж. Для получения поковок массой от 20 до 350кг применяют паровоздушные молоты с G=1000 -- 8000кг и Е=196кДж. Для изготовления поковок массой от 0,65 до 200т применяют гидравлические прессы усилием P=5 – 150 МН и более. При подборе молота для ковки величину G определяют по формуле G_пч=σ*F/1000 (т), где σ предел прочности при растяжении метала при температуре конца ковки (МПа), F площадь проекции поковки на плоскость бойка в конце ковки, м². Небходимое условие пресса для ковки выбирают равным G_пч молота умноженному на тысячу.

75

При горячей объемной штамповке материал заготовки, деформируясь под давлением заполняет полость штампа (рис. 3.1,д). Течение металла ограничивается поверхностями полостей и выступов в штампе. По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ: возможность получения сложных поковок без напусков и в три четыре раза меньшими допусками; высокая производительность и более низкая трудоемкость процесса.

Однако штампы являются дорогим инструментом, поэтому штамповку применяют в серийном и массовом производстве. Наиболее рационально штамповкой получать поковки массой 20-30кг.

В зависимости от конструкции штампов штамповка делится на открытую и закрытую. При открытой штамповке образуются переменный зазор между нижней и верхней половинками штампа. В этот зазор вытесняется заусенец (облой), при этом полость штампа целиков заполняется металлом. Открытой штамповкой получают поковки всех типов.

При закрытой штамповке полость штампа в процессе деформирования остается закрытой, заусенец при этом не образуется. Объемы заготовки и поковки должны быть строго равны. При закрытой штамповке металл деформируется в условиях всестороннего неравномерного сжатия. Это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластические сплавы. К закрытой штамповке относятся штамповка выдавливанием и прошивкой. Технологический процесс штамповки определяется конфигурацией и размерами деталей. Разработку чертежа поковки выполняют в следующей последовательности:

– выбор поверхности (плоскости, разъема штампа);

– установление припусков и допусков;

– установление штамповочных уклонов на вертикальной стенки;

– установление радиусов закруглений на пересекающиеся поверхности;

– проверка возможности изготовления изделия из нескольких частей с последующей их сваркой;

В целом при конструировании поковок стараются обеспечить наиболее простой разъем в штампах, удобства извлечения поковки, минимальные припуски и допуски. При этом пользуются справочными данными, нормалями и ГОСТами.

Исходной заготовкой для штамповки в большинстве случаев является прокат (сортовой, профильный, периодический).

Массу заготовки определяют: G_заг=G_пок+G_З + G_уг, где G_З – масса заусенца : G_З = (0,75 – 0,8)f_зкP_п, P_п – периметр поковки в плоскости разъема; f_зк – площадь поперечного сечения заусенечной канавки. Массу угара берут G_у=0,5-2%. При закрытой штамповке массу заусенца не учитывают. Размеры заготовок рассчитываются в зависимости от способа штамповки и вида ручьев.

Штамповка выполняется на штамповочных паровоздушных молотах, кривошипно-горячештамповочных прессах (ГКШП) и горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). При штамповке на молотах поковки простой формы получают в штампах с одной полостью, т.е. в одноручьевом штампе. Для получения поковок сложной формы используют заготовки из профильного и периодического проката или предварительно подготовленные ковкой, вальцовкой в ковочных вальцах.

Однако чаще всего сложные поковки получают в многоручьевых штампах. Ручьи таких штампов подразделяют на заготовительные и штамповочные. К первым относятся протяжной, подкатной, пережимной, формовочный, гибочный и т.д. Ко вторым – предварительный (черновой) и окончательный (чистовой).

При выборе ручьёв и переходов при открытой штамповке на КГШМ необходимо учитывать следующие особенности:

- применение подкатных и протяжных ручьёв на прессе нерационально из-за постоянства хода ползуна пресса;

- при штамповке на прессе металл хуже, чем на молоте заполняет рельеф формы по высоте. Поэтому для обеспечения формования процесс штамповки проводят в два-три перехода, например в осадочном, формовочном окончательном ручьях.

На КГШП широко применяется штамповка выдавливанием (клапаны, тонкостенные чашки). Штамповка в закрытых штампах ведется в два-три перехода. Конструкция закрытых штампов исключает образование облоя. Такие штампы бывают весьма сложной конструкции.

При штамповке на ГКМ основными операциями является высадка и прошивка. Высадкой получают поковки болтов, рычагов и др. Во избежание продольного изгиба заготовки берутся при определенном соотношении L/D. При высадке в одном ручье L ≤ (2,5-3)D. При многопереходной высадке L ≤ 12D. Прошивкой на КГМ получают кольца, фланцы и др. При этом применяют различные ручьи: прошивочные, формовочные, отрезные и т.д. Основные параметры и размеры штамповочных молотов, КГШП, ГКМ определяются ГОСТами.

Наряду с обычной штамповкой применяют специализированные процессы получения поковок:

- штамповка в ковочных вальцах и ротационноковочнных машинах;

- раскатка и накатка колец, шестерён и др.;

- высадка на электровысадочных автоматах.

Для получения поковок из высоколегированных и труднодеформируемых сплавов применяют подогреваемые и изотермические закрытые штампы.

После штамповки поковки подвергаются отделочным операциям: обрезке заусенцев, правке, очистке от окалины, термообработке, калибровке, контролю качества. В последние годы уделяется большое внимание автоматизации и механизации штамповки. Созданы установки с программным управлением, автоматизированные комплексные линии и роботокомплексы.

Холодную объёмную штамповку ведут без нагрева заготовок. Разновидностью объёмной штамповки является выдавливание, высадка, формовка.

Выдавливание осуществляется на кривошипных или гидравлических прессах в штампах, имеющих пуансон и матрицу. Исходной заготовкой является часть прутка или листа. Существуют различные схемы выдавливания: прямое (получают болты, клапаны и т.п.), обратное (получают полые детали), боковое (получают тройники, крестовины и т.д.), комбинированное (сложные изделия).

Основной особенностью выдавливания является возможность получения высоких степеней деформации без разрушения заготовки, которые можно характеризовать показателем К = F₀/F₁. Для мягких металлов К>100.

Возможность получения больших деформаций объясняется тем, что при выдавливании имеет место всестороннее неравномерное сжатие, при котором скользящие относительно друг друга атомные слои дополнительно прижимаются друг к другу, что затрудняет развитие трещин. Усилие деформирования при выдавливании определяют как произведение удельного усилия на площадь поперечного сечения. Приближённо удельное усилие р выдавливания определяют по формуле:

р = а∙σ_в∙lnК,

где а – коэффициент, равный 3-5, зависит от свойств, условий деформирования. Для уменьшения усилия применяют смазки, выбирают схему формования, при которой исключается образование застойных зон и уменьшается влияние трения.

Холодная высадка выполняется на высадочных автоматах. Исходным материалом является пруток или проволока. Штампуют заготовки диаметром 0,5-40 мм и различные детали с местным утолщением (заклёпки, болты, винты, гвозди, шарики, ролики, накидные гайки, звёздочки и т.д.). При этом резьбу получают на автоматах накаткой. Высадочные автоматы имеют производительность 20-400 дет/мин. Средний коэффициент использования металла 95%.

Холодная формовка производится аналогично горячей штамповке. Однако при холодной штамповке возникают более высокие усилия, материал имеет низкую формуемость, вследствие его упрочнения и действия сил трения. Применяется холодная штамповка для получения в основном деталей из цветных металлов.

Технико-экономическая эффективность штамповки наиболее чётко проявляется в снижении расхода металла и уменьшении массы заготовок по сравнению с другими методами обработки. Коэффициент использования металла при получении деталей на металлорежущих станках из сортового проката не превышает 0,3, из поковок, полученных свободной ковкой – 0,33-0,38, а из штамповок – 0,44-0,52. Стоимость штампованных деталей с последующей обработкой резанием в 2-2,5 раза ниже стоимости тех же деталей, полученных резанием из других заготовок.

Экономическая целесообразность перехода от свободной ковки к штамповке может быть определена в зависимости от программы выпуска по формуле:

,

где П – минимальная программа выпуска поковок, при которой штамповка выгоднее ковки, С_ш себестоимость штампа, С_м.п. и С_м.ш. – себестоимость метала на поковку и штамповку, Э_к и Э_м – экономия трудовых и прочих затрат соответственно по кузнечному производству и механическому цеху при переходе с поковки на штамповку.

Важным технико-экономическим показателем штамповочного производства является стойкость штампов, которая выражается суммарным количеством поковок, полученных в нем до полного износа.

Удельный расход на инструмент в себестоимости поковки С рассчитывают по формуле:

,

где с – суммарные расходы на штамповочный инструмент (стоимость материала, обработки, ремонта, переналадки), руб., Т – стойкость штампа, в штуках.

Стойкость штампов зависит от обрабатываемого материала, его толщины, характера операций, применяемой смазки и материала рабочих частей штампа. В среднем стойкость вырубных штампов составляет 500-600 тысяч, а вытяжных – 2-3 тысяч деталей.

В среднем величина С в крупносерийном производстве поковок составляет 5-8%, однако в ряде случаев при штамповке сложных поковок или поковок из труднодеформируемых сплавов величина С может достигать 20-30% и более.

При холодной листовой штамповке (рис 3.1, д) исходными заготовками служит лист, полоса или лента, обычно толщиной не более 10мм. Металлы и сплавы заготовок должны иметь высокую пластичность.

Листовая штамповка имеет ряд достоинств:

- возможность получения деталей с минимальной массой при заданной их прочности;

- высокая точность и качество поверхности;

- высокая производительность(30-40 тысяч деталей в смену с одной машины);

- высокий уровень автоматизации и механизации технологического процесса.

При листовой штамповке различают разделительные и формоизменяющие операции.

Разделительные операции отрезка, вырубка. При формоизменяющих операциях (гибка, вытяжка, формовка) пластическому деформированию подвергается лишь определенный участок заготовки.

Качественное формование деталей происходит при определенных геометрических параметрах инструмента, зазорах и соотношениях между размерами изделия d и заготовки D. Формоизменение при вытяжки (рис 3.1, д) оценивают коэффициентом вытяжки К_в=D/d, допустимое значение которого составляет 1,8-2,1. Усилие вытяжки определяют из выражения Р=πSσ_В(D-d)в, где в=1,1-1,2 для первого перехода; в=1,6-1,9 для последующих переходов вытяжки с отжигом; в=2,3-2,7 для последующих переходов без отжига.

Для листовой штамповки в условиях крупносерийного производства применяют штампы сложных конструкций, обеспечивающих выполнение нескольких операций за один ход ползуна пресса.

В мелкосерийном производстве широко применяют штамповку эластичными средами (резиной, давильные работы, импульсную штамповку взрывом, электрогидравлическая, электромагнитная).

Наиболее часто для листовой штамповки применяют кривошипные (простого и двойного действия) и гидравлические прессы. Прессы оборудуются устройствами для обеспечения автоматизации и механизации как штамповочных, так и вспомогательных операций.

Оценка технико-экономической эффективности процессов обработки металлов давлением производится последующим основным показателям:

- объему выпускаемой продукции (в тоннах, по номенклатуре и в денежном выражении) за определенный календарный период (месяц, год), съему продукции с 1м² производственной площади, выходу годного, расходу энергии и себестоимости.

Технико-экономические показатели зависят от правильности построения и степени механизации и автоматизации технологического процесса, строгого соблюдения технологической дисциплины, организации производства.

Объем выпускаемой продукции на данных площадях и оборудовании можно увеличить за счет уменьшения его простоя, связанного с ремонтом, сменой рабочего инструмента (прокатных волков, штампов), за счет механизации трудоемких работ, сокращение времени нагрева заготовок, организации непрерывных процессов обработки.

Своевременный ремонт оборудования, применение высокопрочных износостойких материалов для изготовления волков прокатных станов, штампов, применение смазочно-охлаждающих средств и безокислительных методов нагрева позволяют повысить объем выпускаемой продукции.

Весьма важный показатель – выход годного – характеризует использование металла в процессе производства и исчисляется как отношение расчетной массы готовой продукции (поковки, проката) к массе исходной заготовки. Т.к. в себестоимости проката, поковок, штамповок и т.п. основная доля затрат падает на материалы, то главной задачей производства является экономия металла.

76

Рассматриваемые виды ОМД применяются для получения, как длинномерной полуфабрикатной продукции, так и готовых изделий небольшой длины.

Прокатка является самым распространённым способом обработки металлов давлением. Прокатке подвергается более 80% всей получаемой стали и около 50% цветных металлов. Прокатка выполняется в основном непосредственно на металлургических заводах. Количество выпускаемого металлургическими заводами прокатного металла служит одним из важнейших показателей уровня развития металлопроизводства в стране.

 

Сущность процесса прокатки заключается в деформации (обжатии) металла между вращающимися валками с зазором между ними меньше толщины обжимаемой заготовки. В результате обжатия толщина заготовки уменьшается, а длина соответственно увеличивается (рис. 3.1, а). Заготовка толщиной H захватывается валками и за счёт сил трения P_тр втягивается в зазор между ними. После прокатывания заготовки её толщина уменьшается до величины h. Разность между начальным H и конечным h размерами заготовки называется абсолютным обжатием, а отношение - степенью обжатия (деформации), или относительным обжатием. Обычно величина относительного обжатия за один проход не превышает даже для горячего металла 70-80%, поэтому получение окончательного профиля осуществляется многократным прокатываем заготовки между валками при постепенном уменьшении зазора между ними. При каждом пропуске площадь поперечного сечения уменьшается, а его форма и размеры постепенно приближаются к требуемому профилю.

Продукция прокатного производства называется прокатом. Он различается по размерам и форме сечения – профилю. Совокупность профилей с различным сечением называется сортаментом проката.

Сортамент прокатки делят на пять основных групп:

1) сортовой прокат – простой формы (квадрат, круг, шестигранник и т.д.), сложной - фасонной формы (уголки, тавры, двутавры, швеллера, рельсы и т.д.);

2) листовой прокат – листовая сталь толщиной 4-160 мм, тонколистовая 0,2-4 мм, фольга менее 0,2 мм;

3) трубы стальные – бесшовные диаметром 30-650 мм, сварные 10-1420 мм;

4) периодический прокат;

5) специальный прокат – колёса, кольца, шары, шестерни и т.д.

Сортамент некоторых изделий, полученных прокаткой, показан на рис. 3.4.

77

Русские ученые Николай Николаевич Бенардос (в 1882 г.) и Ни­колай Гаврилович Славянов (в 1888 г.) прославили Россию своими замечательными изобретениями. Первый изобрел электрическую дуговую сварку угольным электродом, второй - электрическую ду­говую сварку плавящимся электродом. В свое время они сами счита­ли свои изобретения важными, однако, вряд ли могли предполагать, что открытые ими способы соединения металлов (да и не только ме­таллов) через столетие станут ведущими технологическими процес­сами изготовления и ремонта металлических конструкций самых различных назначений.

Надо отметить, что сварка, как процесс соединения металличес­ких частей изделий, известна давно. Еще в древности люди научи­лись добывать и обрабатывать железо и изготавливать путем ковки из его нагретых частей различные изделия. С начала XIX в. приме­нялся так называемый способ сварки «литьем». Этот способ по суще­ству является разновидностью обычного литья, когда две металли­ческие детали соединялись заливкой расплавленного металла в зазор между ними.

Что же стоит за термином сварка? ГОСТ 2601-74 «Сварка метал­лов. Основные понятия, термины и определения» предлагает следую­щую формулировку: «Сварка - процесс получения неразъемных со­единений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве или плас­тическом деформировании, или совместном действии того и друго­го». Отсюда в классификации способов сварки и принято делить все существующие способы на два крупных класса: сварка плавлением и сварка давлением. В наше время существует большое количество спо­собов сварки в каждом из указанных классов.

Сущность способа Н. Н. Бенардоса (рис. 1.1, а) заключается в том, что между угольным электродом и изделием, подключенными к ак­кумулятору, возникает электрическая дуга, приводящая к плавлению металла изделия. В область дуги сбоку вводится добавочный металл в виде присадочного прутка для обеспечения формирования сварно­го шва. Способ Н. Г. Славянова отличается тем, что в качестве элект­рода применен металлический плавящийся стержень, который под­держивает горение дуги и, одновременно расплавляясь, формирует шов (рис. 1.1, б). Следует отметить, что Славянов разнообразил свое изоб­ретение и па многие его виды получил патенты в ряде стран. Его пред­ложения впоследствии были развиты русскими учеными и получили широкое распространение в мировой промышленности. Славянов был пионером использования электросварки в судостроении, применив ее для ремонта деталей судовых механизмов. Однако в заметных объе­мах электросварка в России начинает применяться только в 20-х гг. прошлого столетия.

а) б)

Рис. 1.1. Схемы способов сварки: а - II. II. Іісиардоса; б — II. Г. Славянина: 1 — присадочный пруток: 2 - исндавящийся электрод: '} — плавящийся ллсктрод

Много для развития сварки в отечественном судостроении сделал профессор Виктор Петрович Вологдин. Он первый применил электро­сварку по методу Славянова на Дальзаводе в г. Владивостоке, где в 1926 г. было организовано производство сварных котлов, а в 1930 г. построен первый цельносварной корпус морского буксира. В. П. Во­логдин впервые в стране организовал подготовку инженеров-свар - щиков, первый выпуск которых состоялся в Дальневосточном поли­техническом институте в 1930-31 гг. Впоследствии (1934-1949 гг.) Вологдин возглавлял кафедру сварки Ленинградского кораблестро­ительного института. В эти годы он много сделал для того, чтобы сварка стала ведущим технологическим процессом в отечественном судо­строении, так же, как и пришедший ему на смену профессор Георгий Александрович Бельчук.

Опыт применения электросварки на Дальзаводе постепенно распро­странялся на другие судостроительные заводы страны. В 1935 г. в Ленинграде был построен первый крупный иолусварноп мор­ской пароход «Седов», на ряде заводов начата постройка сварных до­ков, теплоходов для Каспийского моря и других цельносварных судов.

К началу Великой Отечественной войны сварка почти полностью вытеснила клепку. В 1939 г. клепка для изготовления речных судов была запрещена постановлением правительства. В годы войны все корпуса строящихся тогда судов, как и их ремонт, выполнялись толь­ко с помощью электросварки. Это было время перехода от изготовле­ния клепаных корпусов к сварным, и по своему значению оно так же революционно, как время перехода строительства деревянных судов к металлическим.

Переход к сварному судостроению был непрост и потребовал про­ведения достаточно большого объема самых разнообразных научно - исследовательских работ для того, чтобы убедиться в абсолютной надежности сварных соединений и возможности безаварийной дли­тельной эксплуатации сварных корпусов судов и кораблей различно­го назначения.

При соединении двух листов с помощью клепки на стык накла­дываются дополнительные полоски металла (с одной или двух сто­рон листа), проводится сверловка отверстий, затем в отверстия вставляются заранее нагретые до высоких температур заклепки, тор­цы которых осаживаются специальным инструментом до получе­ния плотного соприкосновения соединяемых деталей. При больших объемах изготовления металлических конструкций процесс весьма трудоемок и малопроизводителен. Сварное соединение значитель­но проще по своей конструкции. Здесь кромки собранных в соответ­ствии с чертежом деталей расплавляются тем или иным способом, образуя монолитное неразъемное соединение. Наряду с тем, что эти оба вида обеспечивают получение прочно-плотного соединения, сварка дает следующие преимущества:

1) масса сварной конструкции уменьшается на 15...20% из-за от­сутствия в ней перекроев или дополнительных накладок;

2) резко снижается трудоемкость изготовления конструкции (от­падает необходимость разметки, сверления большого количе­ства отверстий, изготовления накладок и заклепок, а также трудоемкий процесс нагрева заклепок и самой клепки):

3) появляется возможность совершенствования форм конструк­ции, так как технологическая свобода при применении сварки чрезвычайно велика;

4) появляются возможности для механизации процесса, что свя­зано с относительной простотой сварных соединений;

5) труд при изготовлении сварных конструкций менее тяжел, не­жели при изготовлении клепаных конструкций;

6) при применении современных способов сварки (механизиро­ванной под флюсом и в среде защитных газов) улучшаются экологические характеристики процесса.

Применение сварки кардинально изменило технологические процес­сы изготовления корпусов судов. Так, 60...70% сборочно-сварочных ра­бот выполняются в сборочно-сварочных цехах, где изготавливаются сек­ции либо блоки, которые с высокой степенью готовности затем передаются на стапель, где из них формируется и сваривается корпус судна. Большой объем сварочных работ производится при изготовлении различных изделий судового машиностроения и энергетики. Сварка здесь позволяет создавать комбинированные лито-сварные либо штам­посварные конструкции, конструкции из различных материалов.

За последние несколько десятилетий значительно увеличился объем научных исследований во всех областях сварочного производ­ства. Это привело к созданию новых марок сварочных материалов (электродов, сварочных проволок, флюсов и т. д.), что было связано с расширением номенклатуры сталей и сплавов, применяемых в раз­личных отраслях промышленности, f [есомненный прогресс наблюда­ется в области разработки и применения новых источников питания, создания универсальных автоматов и полуавтоматов различного на­значения, новых прогрессивных технологий изготовления сварных конструкций. Из года в год увеличивался объем применения механи­зированных способов сварки, особенно в среде защитных газов, дос­тигнув в настоящее время 50,„60%. Начинают появляться роботизи­рованные комплексы на поточных линиях изготовления узлов. На рис. 1.2 показана динамика применения механизированных способов сварки в судостроении.

Практически нет способа сварки, который не применялся бы в су­достроении. Для машиностроительных конструкций, котлов высо­кого давления и корпусов реакторов с успехом применяется электро - шлаковая сварка. Для изделий энергетики и приборостроения находит применение электронно-лучевая и лазерная сварка. Разработанные процессы плазменно-воздушной резки позволили улучшить качество вырезаемых деталей, уменьшить их деформации и этим создать ус­ловия для расширения применения механизированных способов свар­ки. В этом отношении являются перспективными разработки по со­зданию технологии лазерной резки, что направлено на дальнейшее

78..80