Контрольні запитання

1 Як швидкості охолодження впливають на перетворення в сталі?

2 Поняття про діаграму ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту.

3 Практичне використання при термічній обробці діаграми стану залізо - цементит і діаграми ізотермічного перетворення переохоло­дженого аустеніту

4 Види термічної обробки (відпалювання, нормалізація, загар­тування, відпускання), їх призначення та особливості виконання.

6. Вплив температури нагрівання під загартування та механічні властивості сталі.

7. Вплив швидкості охолодження на структуру та механічні властивості сталі.

8. Вплив температури нагрівання при відпусканні на структуру та механічні властивості сталі.

9. В чому полягає суть хіміко-термічної обробки сталі: цементації, азотування та ціанування?

10. Яке призначення має хіміко-термічна обробка матеріалів?

11. Як відбувається поверхневе зміцнення матеріалів?

12. В чому суть дифузійної металізації матеріалів?

Рекомендована література

[1, с. 56-59; 4, с. 58-64; 5, с. 131-136; 6, с. 79-87; 8, с. 65-74]

Лабораторна робота № 7

Технологія зварювання металів

Мета роботи

1 Сформувати у курсантів компетентнісність в питаннях методики оволодіння технологічними процесами зварювання металів у виробничих умовах.

2 Вивчити будову та принцип роботи обладнання, пристосувань та інструментів, що застосовуються при зварюванні та різанні металів.

Теоретичні відомості

Зварюванням називається процес одержання нероз’ємних з’єднань металевих виробів, що здійснюється за рахунок міжмолекулярних та міжатомних сил щеплення. Для приведення цих сил в дію необхідно наблизити атоми металів, що з’єднуються, на відстані, що приблизно дорівнюють параметрам кристалічних ґраток цих металів (на рівні 4·10^-10 м).

Процесу зближення атомів і молекул може сприяти нагрівання зварювальних поверхонь до розплавленого стану або до пластичного стану та створення механічного зусилля стискання.

Зварювання може здійснюватися:

а) без прикладання тиску, шляхом розплавлення матеріалу зварювальних частин та злиття його; після затвердіння утворюється шов (зварювання плавленням);

б) із застосуванням тиску, що сприяє щільному контакту і взаємній дифузії металу в місці дотику зварювальних частин (зварювання тиском).

Сучасне зварювання плавленням є найпоширенішим в наслідок незначної вартості, простоти обладнання та універсальності.

Зварювання тиском здійснюється найчастіше з нагріванням для забезпечення більшої пластичності, а також і без нагрівання на ділянці шва, але при досить високих питомих тисках (холодне зварювання).

За видом енергії, що використовується для зварювання, зварювання поділяється на: хімічне (газове, ковальське, термітне), електричне (електродугове, електрошлакове, електроконтактне), механічне (холодне, тертям), ультразвукове, зварювання електронним променем та дифузійне зварювання у вакуумі.

Найбільш розповсюдженим є електродугове зварювання. Цей спосіб здійснюється шляхом місцевого нагрівання за рахунок електричного дугового розряду, що виникає між електродами або між електродом і зварювальним металом.

Розрізняють три види зварювальної дуги: відкриту, захищену, закриту. У відкритій дузі зварювальна ванна не захищена від впливу повітря. Захищена дуга одержується при застосуванні електродів з обмазкою або при вдуванні у зону зварювання інертних газів.

На практиці широко використовуються наступні способи дугового зварювання: плавким електродом відкритої дуги, плавким електродом в середовищі захисного газу, неплавким електродом в середовищі захисного газу.

Електродугове зварювання здійснюється плавкими металевими (стальними, чавунними, з кольорових металів) і неплавкими (вугільними, графітовими та вольфрамовими) електро-дами. Електродугове зварювання може бути ручним, напів-автоматичним та автоматичним.

Для живлення електричної дуги для всіх видів цього зварювання застосовують спеціальні зварювальні машини і апарати. Зварювання може здійснюється з використанням як на постійного, так і на змінного струму.

Постійний струм забезпечує стійке горіння дуги і не потребує складного обладнання. В середині стовпа дуги температура досягає 6000 ºС.

Металеві електроди, що використовуються при електродуговому зварюванні, мають флюсову обмазку. В якості обмазки електроду застосовують просіяну крейду з рідким склом. Загальне призначення обмазки або електродних покриттів – забезпечувати стабільність горіння зварювальної дуги і отримувати метал шва із заздалегідь заданими властивостями (міцність, пластичність, ударна в'язкість, стійкість проти корозії, та ін.). До того ж, шар розплавленого флюсу обмазки електроду захищає розплавлений метал, що утворюється, від дії кисню і азоту навколишнього повітря.

Автоматичне дугове зварювання під шаром флюсу усуває недоліки ручного процесу: значну трудомісткість, малу продуктивність, неоднорідність властивостей і розмірів зварного шва. При цьому способі зварювання дуга горить не на відкритому повітрі, а під шаром флюсу.

При електрошлаковому (бездуговому) зварюванні в якості нагрівального елементу використовується розплавлений струмопровідний флюс (шлак), розміщений між зварювальними пластинами, охолоджувачами (повзунами) і зварним швом. В зону зварювання автоматично подається один або кілька електродів і засипається флюс. При проходженні струму через розплавлений шлак виділяється тепло, що забезпечує подальше плавлення основного та електродного металів, які утворюють рідку зварювальну ванну.

Електрошлакове зварювання дозволяє зварювати за один прохід метал практично необмеженої товщини, забезпечує високу продуктивність праці, високу якість зварних з’єднань, не потребує підготовки кромок, є більш економічним порівняно з електродуговим під шаром флюсу.

Дугове зварювання в середовищі захисних газів представляє собою різновид електродугового зварювання в зварювальний простір подаються як інертні, так і активні гази з метою захисту дуги і зварювальної ванни від впливу атмосферного повітря. В якості інертних газів застосовують аргон і гелій, в якості активних – вуглекислий газ, водень, пари води.

Контактне електрозварювання полягає в одержанні нероз’ємного з’єднання шляхом нагріву зварювальних виробів електричним струмом, що проходить в місці контакту, до пластичного або рідкого стану і наступним стисканням. Контактне зварювання відрізняється надійністю одержаних з’єднань, високим рівнем механізації та автоматизації, високою продуктивністю процесу та культурою виробництва.

За видом зварного з’єднання контактне електрозварювання може бути стиковим, точковим і роликовим (шовним). При стиковому зварюванні деталі з’єднуються по всій площі дотику. При точковому зварюванні на відміну від стикового використовується з’єднання внахлестку. При шовному (роликовому) зварюванні між зварюваль-ними деталями утворюється безперервне з’єднання (шов) із послідовного ряду точок, що частково перекривають одна одну.

Газове зварювання застосовують для з’єднання тонкостінних виробів із кольорових металів, чавуну, сталей, для наплавки твердих сплавів при ремонтних роботах тощо.

Зварювання металічних виробів здійснюють за рахунок тепла, що виділяється при згорянні газокисневої суміші. В якості робочих газів використовують ацетилен (С₂Н₂), водень, природний газ, що містить 94% метану (СН₄) та ін.

Термітне зварювання здійснюється за рахунок тепла, що одержується від згоряння термітних сумішей, що складаються із порошків металів та окислів металів. На практиці найбільше розповсюдження одержали алюмінієвий і магнієвий терміти. Склад алюмінієвого терміту наступний: 20...23 % алюмінію та 77...80 % залізної окалини. Термітне зварювання застосовують при з’єднанні залізничних рейок, труб, при ремонті деталей значних розмірів і ін.

При зварюванні тертям одна з деталей обертається навколо своєї осі з частотою біля 3000 хв^-1, а друга притискується до неї осьовим тиском. Завдяки тертю зварювальні торці деталей прогріваються на деяку глибину і після зупинки при подальшому притискуванні деталей між ними утворюються міцні металеві зв’язки.

Зварювання вибухом здійснюється шляхом використання спрямованого (кумулятивного) вибуху. З’єднувані поверхні двох заготівок розташовують під кутом один до одного. Зварювання вибухом (високопродуктивний та економічно вигідний спосіб) використовують для заготівок прокату біметалу, при з’єднанні різнорідних металів, що не зварюються звичайним способом та ін.

Зміст звіту

1 Користуючись навчальною та методичною літературою заповнити наведену нижче таблицю 9.1

Таблиця 9.1 – Основні характеристики процесу зварювання

Спосіб зварювання	Енергія нагрівання	Характе- ристики зварюваного матеріалу	Стан матеріалу у зоні зварювання	Матеріал електроду та флюсу	Характе-ристика обладнан.	Хар - ка механізації і автомат. процесів
1 Електро -дуговий
2 Точковий
3 Шовний
4 Газовий
5 Газопресовий
6 Холодний
7 Тертям
8 СВЧ
9 Ультразвуком
10 Дифузійний у вакуумі
11 Плазмовий
12 Електро-шлаковий

2 Навести довідку про українського вченого М. М. Бенардоса та особливості його методу зварювання.

Контрольні запитання

1 В чому полягає сутність процесу зварювання?

2 Які існують способи зварювання?

3 Які існують види зварних з’єднань та швів?

4 Які існують способи зварювання плавленням та пластичним деформуванням?

5 В чому полягає технологія контактного та шовного електрозварювання?

6. Кому належить вклад в техніку електродугового зварювання?

7. В чому сутність електрошлакового зварювання?

8. В чому полягає сутність газового, термітного та зварювання тертям?

9. Яке призначення має покриття електродів (обмазка) при електродуговому зварюванні?

10. Які значення має напруга запалювання дуги при постійному і змінному струмі?

11. Які основні вимоги техніки безпеки при електродуговому зварюванні?

Рекомендована література

[1, с. 244 – 260; 3, с. 243 – 265; 7, с.116 – 134; 8, с. 158 – 179,

12, с. 48-52]

Лабораторна робота № 8

Технологія обробки матеріалів різанням

Мета роботи

1 Формування у курсантів компетентностей з питань значення обробки металів різанням у народному господарстві, загальних основ технологічного процесу різання, методики вибору режимів різання, класифікації та будови металорізальних верстатів та інструментів.

Теоретичні відомості

Поняття про обробку металів різанням. Загальні основи процесу різання матеріалів

Обробкою різанням конструкційних матеріалів називається процес відокремлення різальними інструментами шару матеріалу від заготовки для одержання деталі необхідної форми.

Для забезпечення встановленої точності розмірів і шорсткості поверхні більшість деталей обробляються на верстатах зняттям стружки, тобто відбувається процес різання лезовими і абразивними інструментами. Для одержання поверхні заданої форми і розмірів заготовки інструменти закріплюються на металорізальних верстатах, робочі органи яких надають їм руху необхідної траєкторії із встановленою швидкістю і силою.

Рухи виконавчих органів верстатів поділяють на робочі, що несуть відповідальність за формоутворення поверхні, і допоміжні. Робочими називають рухи, при яких із заготовки знімається стружка; допоміжними – рухи, при яких із заготовки стружка не знімається (включення і виключення верстату, підвід та відвід інструменту та ін.).

Робочий рух можна розкласти на головний рух і рух подачі. Головним називають рух, швидкість якого найбільша. Зняття стружки здійснюється в основному при поєднанні головного руху і руху подачі.

Фізичні явища, що відбуваються під час різання металів

Різання металів, зокрема при точінні, здійснюється складною сукупністю різних деформацій – зминання, зсуву, зрізу, що супроводжуються тертям відокремлюваної стружки об передню поверхню різця і тертям поверхні різання об задню поверхню різця. В результаті пружно-пластичної деформації металу, яка відбувається під впливом різального інструменту, утворюються нові поверхні.

Заготовці від шпинделя верстату передається головний обертальний рух, різцю супортом верстату надається рух подачі; обидва ці рухи здійснюються безперервно. То ж відбувається процес поверхневого різання.

Основними параметрами різання є глибина різання, подача і швидкість різання. Наприклад, для токарної обробки:

– глибина різання t – відстань між оброблюваною і обробленою поверхнями, виміряна по перпендикуляру до осі заготівки, мм:

t = (D - d)/2;

– подача s – величина переміщення різця відносно заготовки у напрямку подачі за один оберт заготовки, мм/об;

– швидкість різання визначається за формулою:

, хв^-1,

де D – діаметр заготівки,

n – частота обертання шпинделя токарного верстата.

Елементи режиму різання при точінні показані на рисунку (8.1; 8.2).

Рисунок 8.1 – Елементи режиму різання при точінні:

1 – оброблювана поверхня; 2 – поверхня різання; 3 – оброблена поверхня.

D – діаметр оброблюваної заготовки; d – діаметр деталі після обробки; a і б – товщина і ширина шару, що зрізується.

Рисунок 8.2 – Кути прохідного токарного різця

Класифікація металорізальних верстатів та їх будова

Металорізальними верстатами називають машини для формування деталей із металів шляхом зняття стружки або без зняття стружки (обкатування роликами, нанесення рифлень і ін.). Будь-який верстат, як і всяка машина, складається із трьох основних механізмів: рушійного, передавального і виконавчого. Виконавчий механізм одержує рух від рушійного через передавальний і забезпечує відносне переміщення заготовки і інструменту, чим і визначається формування деталі. Передавальний механізм представляє собою сукупність пристроїв, що передають рух від двигуна до виконавчих органів (шпинделя, супорта, столу), і називається приводом верстата.

Металорізальні верстати поділяють на групи відповідно до способів різання: точіння, фрезерування, свердлення, стругання і ін..

Верстати токарної групи призначені для обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь тіл обертання, обробки плоских торцевих поверхонь, нарізування різьби і ін. Для обробки отворів та нарізування різьб використовуються свердла, зенкери, розгортки, мітчики і плашки.

Незалежно від розмірів і конструктивних особливостей всі токарно-гвинторізні верстати мають загальні вузли і механізми (рисунок 8.3).

На станині 1 встановлені передня бабка 3, коробка подач 2, задня бабка 11 і супорт. Передня бабка розташована зліва на станині. Вона має чавунний корпус, всередині якого розміщена коробка швидкостей 4 і пустотілий шпиндель 5. Коробка швидкостей надає обертання шпинделю і дозволяє змінювати частоту і напрям обертання. На правому кінці шпинделя встановлюється пристрій 6 для закріплення заготовки, яка оброблюється (патрон, планшайба тощо). Задня бабка 11 встановлюється на правому кінці станини і може пересуватися по її напрямних. Її використовують для закріплення ріжучого інструменту (свердел, зенкерів тощо) або заднього центра.

Рисунок 8.3 – Загальний вигляд токарно-гвинторізного верстата

Поздовжній супорт 7 пересувається по напрямних станини і забезпечує поздовжню подачу. Поперечний супорт 10 пересувається по напрямних поздовжнього супорта перпендикулярно до осі обертання шпинделя. На ньому змонтований верхній супорт 9 з різцетримачем 8.

Пересування супортів визначається за допомогою лімбів, які являють собою циліндричні барабани з нанесеними на них поділками. Ціна поділки лімба, тобто величина переміщення супорта при повороті рукоятки ручної подачі на одну поділку, характеризує точність верстата.

Коробка подач 2 дозволяє змінювати частоту обертання ходового вала 13 або ходового гвинта 14, отже і величину подачі. Коробка подач з'єднана зі шпинделем гітарою змінних зубчастих коліс 15.

Механізми, що розташовані у фартусі супорта 12, перетворюють обертальний рух ходового гвинта або ходового вала в прямолінійний поступальний рух поздовжнього або поперечного супортів. При нарізанні різьби використовується ходовий гвинт, а при всіх інших видах токарної обробки - тільки ходовий вал.

Фрезерування — спосіб обробки різанням за допомогою багатолезового інструмента – фрези. Фрезерування – один з найбільш продуктивних і розповсюджених видів механічної обробки площин, фасонних поверхонь, канавок, пазів. Фрези мають вигляд диска, циліндра або іншого тіла обертання, що обладнане зубцями – різцями.

При обертанні фреза врізається зубцями (рух різання) в заготовку, що насувається (рух подачі) на фрезу, яка знімає з поверхні заготовки кожним зубцем шар металу.

Характеристика металорізального інструменту

О сновними інструментами для токарних верстатів являються різці (рисунок 8.4) різних типів, а також свердла, зенкери, розвертки, мітчики, плашки і ін.

Рисунок 8.4 – Будова токарного прохідного різця:

Різець складається із робочої частини або головки і стрижня або тіла, призначеного для кріплення різця у різцетримачеві. На робочій частині різця заточуванням утворюються поверхні: передня і задня. Перетин передньої і задньої поверхонь утворюють різальні кромки – головну і допоміжну. Сполучення головної і допоміжної різальних кромок утворює вершину різця (рисунок 8.4).

1 – передня поверхня, якою сходить стружка,

2 – головне різальне ребро (лезо),

3 – допоміжне різальне ребро (лезо),

4 – головна задня поверхня,

5 – допоміжна задня поверхня,

6 – вершина різця,

7 – стрижень різця.

Кути різальної частини різця, що визначають його геометричну форму, суттєво впливають на процес різання. Оптимальні значення кутів різців і іншого різального інструменту для обробки різних матеріалів залежать від виду і матеріалу інструмента, розмірів і форми деталей тощо.

Головні кути різця вимірюються в головній січній площині . До них відносяться:

1 Головний задній кут (α) – це кут, укладений між головною площиною різання і головною задньою поверхнею різця. Цей кут необхідний для зменшення тертя між оброблюваною деталлю і різцем. Зазвичай α = 6 ÷ 18º.

2. Головний передній кут (γ) – це кут, укладений між передньою поверхнею різця і площиною, що проходить через головну ріжучу крайку, і перпендикулярно до головної площини різання.

Величина переднього кута впливає на процес стружкоутворення. Значення цього кута можуть бути позитивні, дорівнювати нулю або негативні. Зазвичай γ= +20 ÷ -10º.

3. Кут загострення (β) – це кут, укладений між передньою поверхнею різця і головною задньою поверхнею різця.

Величина цього кута впливає на міцність ріжучої частини інструменту і на відвід тепла від ріжучої частини різця. Чим більше цей кут, тим міцніша ріжуча частина інструмента і тим краще відведення тепла від ріжучої крайки.

β=90° – (α+γ). (8.1)

4. Кут різання (δ) – це кут, укладений між головною площиною різання і передньою поверхнею різця.

δ= 90º – γ, (8.2)

δ= α + β. (8.3)

Свердло́ — це різальний інструмент, з обертальним рухом різання і осьовим рухом подачі, призначений для виконання отворів в суцільному шару матеріалу. Свердла можуть також застосовуватися для розсвердлювання просвердлених отворів.

Технологія обробки металів на верстатах

Технологія роботи на металорізальному верстаті визначається методом обробки та видом операцій, формою і розмірами деталі та ін.

При обробці циліндричних поверхонь застосовують поздовжнє переміщення супорту. Зовнішні циліндричні поверхні обробляються звичайними прохідними різцями, внутрішні – розточувальними. Для одержання відповідного отвору у суцільному матеріалі його спочатку просвердлюють. Свердління, зенкерування і розгортування виконують відповідними інструментами, які встановлюють в пінолі задньої бабки токарного верстату або патроні свердлильного верстату.

Поняття про електрофізичні та електрохімічні методи обробки матеріалів

В сучасному машинобудуванні, в енергетиці з використанням спеціальних видів матеріалів обробка їх механічними методами вкрай утруднена. Для обробки важкооброблювальних матеріалів і складної форми з успіхом використовують електрохімічні та електрофізичні методи розмірної обробки.

Електрофізична обробка — вид механічного оброблення, який полягає в зміні форми, розмірів та шорсткості поверхні заготівки із застосуванням електричних розрядів, магнітострикційного ефекту, електронного чи оптичного опромінювання, плазмового струменю.

Всі фізико-хімічні методи оброки матеріалів поділяють на: електроерозійні (рисунок 8.4), електрохімічні, ультразвукові, променеві і комбіновані.

Рисунок 8.4 – Електроерозійні методи обробки матеріалів: а) і б) електроіскрові; в) електроконтактна обробка (електромеханічне руйнування  металу)

В цих методах використовується перетворення електричної енергії електричних розрядів у теплову енергію. Переваги цих методів перед іншими в тому, що:

– цими методами можна обробляти будь-які струмопровідні матеріали, які володіють високими фізико-механічними властивостями;

– завдяки простоті кінематики формоутворення можна вести обробку досить складних форм (глухі фасонні отвори, отвори дуже малих діаметрів та ін.);

– можливість відображення форми інструмента по всій оброблюваній поверхні заготовки при простому переміщенні інструмента;

– при обробці практично відсутній силовий вплив на заготовку;

– обробку цими методами легко автоматизувати.

Різновидом електроерозійної обробки є електроіскровий метод, який заснований на руйнуванні металу в колі постійного струму під дією іскрового розряду. Цим способом обробляють твердосплавні філь’єри, штампи, прес-форми тощо.