3. Основные технологические процессы, используемые на предприятиях машиностроительного комплекса
Технологическую основу машиностроительного производства составляют различные виды обработки металлов и других инструкционных материалов - литье, ковка, обработка давлением и резанием, сварка и т.д. и сборочные процессы. Широкое применение в современных технологиях находит числовое программное управление (ЧПУ). Рассмотрим основные технологические процессы, применяемые при металлообработке.
3.1 Обработка металлов давлением
Прокаткой называется обработка металлов давлением путем обжатия слитка или заготовки между вращающимися валками прокатного стана для уменьшения их сечения и придания им заданной формы. Прокаткой получают изделия с постоянным по длине сечением (прутки, арматуру, трубы, балки, фасонный профиль, листы и т.д.) или периодически изменяющейся по длине формой. Прокатка - завершающая часть металлургического производства.
Прокатка осуществляется на прокатных станах Прокатываемый слиток увлекается силой трения, возникающей между валками и слитком, при этом валки обжимают слиток и придают ему соответствующую форму (профиль). Она подразделяется на горячую - с предварительным нагревом металла и холодную.
Валки подразделяются на листовые - для получения листов, и сортовые - для получения фасонного металлопроката - рельсов, балок и т.д.
Первичную прокатку делают на мощных станах - блюмингах для последующего проката заготовок в сортовой прокат и слябингах - для последующего получения листа. Соответственно, заготовки называются блюмы (сечением от 150 *150 до 450 * 450) и слябы (толстые плиты толщиной до 350 мм).
Станы для прокатки готовых изделий подразделяются на блюминговые (для получения сортового проката), листопрокатные, рельсобалочные, трубопрокатные и специального назначения.
Сортамент проката. Форма поперечного сечения проката называется профилем. Совокупность форм и размеров профилей называется сортаментом. Сортамент разделяется на 4 группы: сортовой, листовой, трубы и специальные виды проката. Сортовой прокат (рис.4.14) делят на профили простой геометрической формы - квадрат (1), шестигранник (2), круг (3), прямоугольник и фасонные - швеллер, угловой и тавровый про кат, профили специального назначения для различных отраслей промышленности.
Листовая сталь делится на толстолистовую (4-160 мм), тонколистовую - до 4 мм и фольгу - толщиной менее 0,2 мм Листовой прокат из стали и цветных металлов в отдельных случаях подразделяют и называют по применению: автотракторная сталь, кровельная жесть, трансформаторная сталь и т.д. Применяют прокат с оловянным, цинковым, алюминиевым и пластмассовым покрытием. Листы, полученные холодной прокаткой, имеют более равномерную толщину и высокую чистоту поверхности.
Цветные металлы прокатывают преимущественно на простые профили - круглый, квадратный, прямоугольный и шестигранник. К специальным видам проката относятся вагонные колеса, шары, периодический прокат.
При холодной прокатке тонколистовой стали для снятия наклепа применяют промежуточный отжиг с последующим протравливанием поверхности для снятия окалины - такие листы называются декорированными. Они применяются для листовой штамповки деталей.
Оборудование - прокатные станы.
Рис.1. Процесс производства сортамента
Рис.2. Основные профили сортового проката
Диапазон размеров (толщин) прокатываемого металла довольно широк. От толстолистового проката (>200 мм) до фольги толщиной до 0,001мм.
Если при прокатке в горячем состоянии точность составляет десятые доли мм, что соответствует 12-14 квалитетам точности, то при прокатке без нагрева точность может быть существенно выше и при прокатке фольги достигает тысячных долей миллиметра.
Шероховатость также зависит от наличия нагрева и при горячей прокатке шероховатость существенно выше (до Rz 320), при холодной же прокатке (фольга) может быть получена весьма низкая шероховатость (менее Ra 0,63).
Ковкой называется процесс горячей обработки металлов давлением, при котором на заготовку воздействуют ударами кувалды, бойка молота, нажатием бойка пресса или другим универсальным инструментом (рис.3).
Рис.3. Основные операции ковки
Ковка - процесс деформирования нагретой заготовки последовательным ударным воздействием молота или закрепленного в нем инструмента.
Ковка бывает машинной (на молотах и прессах) или ручной. Изделие, полученное ковкой, называется поковкой. Поковки имеют разнообразную форму и по массе могут быть от нескольких граммов до 300 и более килограммов.
Самое сложное по форме металлическое изделие можно получить, выполняя в определенной последовательности основные операции ковки: осадку, вытяжку, рубку, прошивку, раскатку, разгонку, обкатку др.
Осадка - увеличение поперечного сечения за счет высоты ударом по верхней поверхности заготовки.
Вытяжка - удлинение заготовки ударами молота по ее поверхности с поворотом на 90° за счет уменьшения поперечного сечения.
Рубка - отделение части металла с помощью зубила или топора.
Прошивка (пробивка) отверстий с помощью прошвиня (пробойника) с установкой заготовки на приспособление в виде кольца.
Гибка - применяется для гибки заготовки
Раскатка - операция уменьшения толщины стенки цилиндра с помощью оправки или приспособления.
Имеется ряд других операций, сущность которых также заключается в изменении формы нагретой заготовки ударными воздействиями молота с применением различных инструментов.
Для ковки используются пневматические и паровоздушные молоты, молоты, работающие под воздействием пара и гидравлические прессы, где давление создается маслом, поступающим в рабочий цилиндр. Основной характеристикой молота является масса его падающих частей. Имеются молоты с весом падающих частей от 150 кг до 16 т.
Пневматический молот имеет два параллельных цилиндра - рабочий и компрессионный. В рабочем цилиндре движется поршень, связанный с бабой-бойком. Компрессионный поршень, приводимый в движение двигателем с кривошипно-шатунным механизмом, сжимает поочередно воздух в нижней и верхней полостях компрессорного цилиндра и направляет его по каналам, в результате чего происходит опускание (удар) и подъем молота. Для выпуска воздуха из цилиндра и его впуска используются краны, управляемые педалью. Пневматические молоты дают возможность делать отдельные удары автоматически и поддерживать молот в поднятом состоянии или прижимать его к заготовке. Вес падающей части пневматических молотов колеблется от 50 до 1000 кг.
Паро-воздушные молоты приводятся в движение паром или сжатым воздухом, поступающим под давлением 0,4 - 0,8 Мн/м2 (4-8 кГ/см2). Удар молота по заготовке происходит под действием его силы тяжести или под действием силы тяжести молота и давления пара. Действие пресса основано на законе Паскаля, согласно которому давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости, одинаково передается по всем направлениям.
Объемная и листовая штамповка. Устройство штампов, технологический процесс и область применения. Оборудование.
Объемная штамповка - процесс изготовления поковки путем заполнения разогретым металлом полости штампа. Производительность штамповки в 50-100 раз выше, чем ковка, дает высокую точность, но требует изготовления дорогостоящих штампов, поэтому при меняется только в массовом и серийном производстве и при изготовлении деталей массой менее 10 кг.
Штамп представляет собой два стальных бруска, имеющих внутренние полости. Они выполнены точно по форме будущей детали и называются ручьями. Нагретая заготовка помещается в полость нижней части штампа. Под воздействием молота верхняя часть штампа выдавливает металл с заполнением ручьев штампа. Излишки металла (3) выдавливаются в кольцеобразную полость и обрезаются при последующей обработке.
Рис.4. Процесс штамповки металла
Деформация всего объема заготовки требует, несмотря на ее нагрев, значительных усилий, действующих на штамп, поэтому габариты (масса) заготовок обычно ограничена (менее 250кг). Материал при высоких степенях пластической деформации также как и при ковке уплотняется, измельчается зерно, что приводит к улучшению механических свойств изделия. Поэтому процесс применяется при производстве заготовок весьма ответственных
изделий: валов, зубчатых колес, турбинных лопаток и т.д. Точность получаемых заготовок также значительно выше, чем при ковке и достигает 12 квалитета.
Шероховатость же поверхности, из-за наличия окалины на поверхности нагретой заготовки высока (100 - 500мкм).
Листовой штамповкой называется процесс изготовления деталей в штампе из листовой полосы или рулонного материала. Толщина деталей не превышает 10 мм. Она отличается высокой производительностью - до 40 тыс. деталей в смену, полученные детали не требуют дальнейшей доработки. В автомобильной промышленности штамповкой получают до 60% деталей, в приборостроении - до 70%, в ширпотребе - до 95%.
При штамповке вырубке (рис.5) происходит срез материала между краями сложноконтурного пуансона и эквидистантной к нему по контуру матрицей. Пуансон и матрица выполняются из материалов значительно более твердых, чем материал заготовки (закаленная сталь, металлокерамический твердый сплав).
Обычно тонколистовой материал (< 10мм) вырубают без подогрева заготовки, при большей же толщине требуется подогрев. Таким образом, производятся заготовки сложного контура из пластичных металлов.
Размеры заготовок определяются размерами штампов и обычно не превышают 1м. Точность определяется точностью изготовления матрицы и может достигать 6-7 квалитетов. Шероховатость же поверхности среза в зоне разрушения материала высока, но может быть уменьшена с помощью специальных приемов (чистовая штамповка вырубка).
Рис.5. Листовая штамповка вырубка, а также профили получаемых изделий
Штамповка вырубка широко применяется в машиностроении, радиоэлектронной промышленности, аэрокосмической промышленности.
Штамповка вытяжка (рис.6) позволяет создавать из плоского листа объемные детали за счет значительной пластической деформации, при которой происходит не только гибка, но и вытяжка материала со значительным изменением его толщины. Поэтому такой метод обработки позволяет обрабатывать только особо пластичные материалы (малоуглеродистая сталь <0,1%C, алюминиевые сплавы, латунь). Штамповке вытяжке обычно предшествует штамповка вырубка для получения контурной плоской заготовки. Как штамповка вытяжка, так и вырубка чрезвычайно производительные процессы (до нескольких сот заготовок в минуту). Поэтому они применяются в серийном и массовом производстве. Штамповкой вытяжкой получают детали кузова автомобиля, металлическую посуду, боеприпасы, консервные банки и многое другое.
Применение их в мелкосерийном и индивидуальном производстве экономически не целесообразно в связи со значительными затратами на подготовку производства (стоимость штампов).
Рис.6. Штамповочная вытяжка
Прессование и волочение. Основные технологические процессы, область применения и виды продукции.
Прессованием называется процесс выдавливания металла из замкнутой полости (контейнера) через профильное отверстие матрицы (рис.7).
Рис.7. Примеры профилей поперечных сечений прессованных изделий
Оборудование. Горизонтальные и вертикальные гидравлические прессы с усилием 300-25000 тонн.
Матрицы, пуансоны для прессования изготавливают из особопрочных сталей и сплавов, так как давления при прессовании весьма велики. Поэтому таким методом получают в основном изделия из алюминиевых и медных сплавов. Форма получаемого профиля может быть весьма сложной, этот метод обеспечивает получение наиболее сложных профилей, таких как оребренные трубы для теплообменных аппаратов, строительные профили (профили рам из легких сплавов).
Точность и качество поверхности получаемых профилей также весьма высоки, так как практически определяются качеством матрицы, точность и шероховатость поверхностей которой может быть достигнута в процессе изготовления. Конечно, в процессе работы матрица изнашивается, что ухудшает вышеуказанные параметры изделия.
Волочение - процесс обжатия металла заготовки при протаскивании ее через волоку - инструмент с отверстием, сечение которого меньше исходного сечения заготовки (Рис.8).
Рис.8. Схема волочильного стана
В результате процесса поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается. Волочение применяется без нагрева заготовки для получения тонкой проволоки (от 0,002 мм до 4 мм).
За один цикл обжатия в волоке нельзя значительно уменьшить сечение заготовки, так как усилие может быть приложено только к выходящему из волоки концу заготовки и, при чрезмерном усилии, проволока может просто порваться.
Волочением можно также калибровать (с целью повышения точности) прутки различного профиля, тонкостенные трубы и т.д.
Оборудованием являются специальные волочильные станы, на которых за один цикл проволока может получать несколько обжатий. Заготовками для волочения является продукция прокатного производства (проволока "катанка" диаметром 6мм).
Волочением получают всю проволоку для электротехнической и электронной промышленности, стальную проволоку для машиностроения, строительства и т.д.
Точность профиля достигает 6 квалитета, а шероховатость поверхности может быть обеспечена менее 0,32мкм. Волоки, работающие в чрезвычайно напряженном режиме и подвергающиеся интенсивному истиранию, выполняются из сверхтвердых металлокерамических сплавов и кристаллов (алмаз).