Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования « ибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»

СибАДИВ.В. Евстифеев, .А. Александров

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Уче ное пособие

Омск – 2018

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Технологические процессы машиностроительных производств

учебного пособия – дать будущим специалистам знания по выбору и применен ю технолог ческих методов получения и обработки заготовок деталей машин, обеспечивающих высокое качество продукц , эконом ю материалов и высокую производительность

давлен ем, сварки, о ра отки резанием, порошковой металлургии. Эти методы в современной технологии конструкционных материалов характеризуются многоо разием традиционных и новых технологических процессов.

Детали машин и при оров по форме и назначению весьма разнообразны, для их изготовления необходимы материалы с самыми

Д машин и приборов, были и остаются Иметаллы. Однако доля

различными свойствами.

Свойства конструкционных материалов во многом определяют

технологию изготовления изделий из них.

Основными материалами, из которых изготовляются детали

неметаллических материалов, применяемых в различных отраслях техники, постоянно возрастает. Некоторые свойства неметаллов,

такие как низкая плотность при достаточной прочности, эластичность, химическая стойкость и другие, во многих случаях делают их незаменимыми при производстве авиационной и автомобильной техники.

Впроизводстве все шире используют порошковые, полимерные

идругие материалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность изделий.

Особое место среди конструкционных материалов занимают композиционные материалы – искусственно созданные материалы,

5

контролируемой пористостью, в том числе многослойные [1, 2, 3, 4]. Методами порошковой металлургии изготовляют изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов приборов и машин (втулки, вкладышиД, опорные шайбы и т.д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов и фрез, сверла и др.), электротехнические детали

-высокий коэффициент использованияИметалла (К М) – до 96–98% за счет сокращения отходов при обработке, энергосбережение;

-дальнейшая механическая обработка отсутствует или уменьшена;

-можно получать изделия с уникальными свойствами, сложной формы;

6

2) распылен ем жидкого металла струей воды или газа (под

простым дешевым спосо ом изготовления порошков металлов c температурой плавлен я до 1600 °С: алюминия, железа, сталей, меди, цинка, свинца, никеля и других металлов и сплавов.

Сущность измельчения расплава состоит в дроблении струи расплава либо газом, ли о жидкостью, либо механическими распылителями, ли о сливанием струи расплава в жидкую среду (например, воду). Распыление воздухом – самый экономичный способ изготовления порошков;

3) восстановлением окалины, оксидов металлов водородом, углеродом и т.д. (получают порошки молибдена, титана, циркония, тантала, ниобия, легированных сталей и сплавов).

Медные, никелевые и кобальтовые порошки легко получают восстановлением окислов этих металлов, так как они обладают низким сродством к кислороду. Сырьем для производства порошков этих металлов служат либо окись меди Cu2O, CuO, закись никеля NiO, окись – закись кобальта Co2O3, Co3O4, либо окалина от проката проволоки, листов и т.д. Восстановление проводят в муфельных или в трубчатых печах водородом, диссоциированным аммиаком или конвертированным природным газом. Температура восстановления сравнительно низка: меди – 400 – 500 °С, никеля – 700 – 750 °С, кобальта – 520 – 570 °С. Длительность процесса восстановления

7

составляет 1 – 3 ч при толщине слоя окисла 20 – 25 мм. После восстановления получают губку, которая легко растирается в порошок.

- спекаемость (прочность сцепленияДчастиц после спекания); - пирофорность (способность порошка самовозгораться при

сцепления частиц после прессования); И

соприкосновении с воздухом);

- токсичность (ядовитость порошков, которые в атмосфере помещений образуют аэрозоли, способные вызывать болезненное

состояние).

Важная характеристика порошков – гранулометрический состав, под которым понимается соотношение количества частиц различных размеров (фракций), выраженное в процентах. Размеры

частиц порошка обычно составляют 0,1–100 мкм. Фракции порошков размерами более 100 мкм называют гранулами, менее 0,1 мкм – пудрой.

8

Формообразование заготовок. Формование изделий из

возрастающ м давлен ем (статические), мгновенно возрастающим давлен ем ( мпульсные) и без давления (литьё, осаждение).

и бА Д

Рис. 1.1. Классификация порошковыхИдеталей

По сложности конфигурации детали, изготавливаемые из порошковых материалов, можно разделить на семь групп (рис. 1.1) [2]:

1) изделия без отверстий с постоянным сечением по высоте, ограниченные параллельными горизонтальными плоскостями;

9

2) изделия с постоянным сечением по высоте, ограниченные параллельными плоскостями, с одним или несколькими отверстиями в направлении прессования и с отношением высоты изделия к минимальной толщине стенки: h/ min 8;

3) изделия, относящиеся ко второй группе, но с отношением

ограниченные непараллельными плоскостями или криволинейными поверхностями, пересекающими ось направления прессования.

Прессование может ыть односторонним (рис. 1.2, а) и двухсторонним (рис. 1.2, ). Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наружного диаметра

к толщине стенки меньше Дтрех. вухстороннее прессование

применяют для формообразования заготовок сложной формы и большей высоты. В этом случае требуемое давление для получения

равномерной плотности снижается на 30 – 40%.

Давление прессования зависит от требуемой плотности, формы прессуемой заготовки, вида прессуемого порошкаИи других факторов.

Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить необходимое давление.

В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки обеспечивается в основном силами механического сцепления частиц порошка. С увеличением давления прессования прочность заготовки возрастает. В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим и пластическим деформациям, в результате чего в заготовке накапливаются значительные напряжения. После извлечения из

10

пресс-формы заготовки размеры ее изменяются за счет упругого последействия.

в г д И

Рис. 1.2. Схемы формообразования заготовок из металлических порошков:

а– одностороннее прессование; б – двухстороннее прессование;

в– изостатическое (гидростатическое) прессование; г – прокатка;

д – одностороннее гидростатическое прессование

11

В последнее время широкое распространение получил метод

производительность процесса.

Одним из наи олее производительных и перспективных способов переработки порошковых материалов является прокатка. Порошок непрерывно поступаетДиз бункера в зазор между валками. При вращении валков происходят обжатие и вытяжка порошка в ленту или полосу определенной толщины (рис. 1.2, г). Процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этомИслучае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке с целью придания ей заданных размеров. В бункере может присутствовать перегородка для изготовления двухслойных лент.

Самым простым и универсальным способом изготовления изделий из порошковых материалов является эластостатическое прессование (ЭлП) [2] в толстостенных эластичных оболочках (рис. 1.2, д). Применение эластомеров позволяет реализовать практически любую схему напряженно-деформированного состояния

впрессуемом материале.

Вмассовом производстве изделий типа профилей, труб и т.д. используется технология мундштучного прессования – формование

12

заготовок из смеси порошка с пластификатором путем продавливания ее чеpeз отверстие в матрице (мундштук). В качестве пластификатора применяют парафин, крахмал, поливиниловый спирт, бакелит. Этим методом получают трубы, прутки, уголки и

2 установлена звездочка 4 с ввинченной иглой 3. Над

вставляют в матр цу выдавливают пуансоном 7 через зазор между иглой звездочки мундштуком.

Стержни получают в такой же пресс-форме, но без звездочки с иглой. Например, пресс-форма (рис. 1.3, б) для выдавливания заготовок сверл состоит из пуансона 1, матричной воронки 2 с запрессованной в нее матрицей 3 с резьбовой полостью, изготовленной из твердого сплава. Контейнер составной – корпус 5, гильза 6 и гайка – опора 4.

Динамическое (импульсное) прессование – это процессы прессования с использованием импульсных нагрузок. Отличительной

Например, применение вибрации при прессовании позволяет снизить величину прилагаемого давления примерно в 100 раз. Для этой цели используются механические вибраторы частотой 233 Гц и амплитудой 0,03 мм (см. рис. 1.3, а) [2]. Вибратор соединен гибким валом с булавой, расположенной под пресс-формой на пружинах. Время вибрационного прессования составляет: 4 – 10 с – для смесей твердых сплавов, 5 – 15 с – для порошков жаропрочных соединений, 10 – 60 с – для порошка меди. Плотность получаемых прессовок может достигать 90% теоретического значения.

13

Си бАа б

Рис. 1.3. Пресс-формы для мундштучного прессования [2]

Тонкие порошковые детали типа шайб или пластин любой

конфигурации в плане можно изготавливать методом пакетного прессования в закрытых пресс-формах с применением промежуточных проставок. Такая технология позволяет выталкивать прессовки без разрушения и добиваться почти одинаковой плотности

всех прессовок. Стальные прокладки используются неоднократно

(рис. 1.4).

Температура спекания составляет 0,6 – 0,9 температуры плавления

14

Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке при повышенных температурах. Обработка давлением

Усадка при спекании может проявляться в изменении размеров и объема, поэтому различают линейную и объемную усадку. Обычно усадка в направлении прессования больше, чем в поперечном направлении. Порошки с развитой поверхностью уплотняются при спекании с наибольшей скоростью, как обладающие большим запасом поверхностной энергии.

При увеличении плотности прессовок усадка при спекании уменьшается.

При прессовании твердосплавных изделий в качестве пластификаторов предпочтительно использовать раствор синтетического каучука в бензине. Прочность кромок спрессованных

15

изделий, равномерность распределения плотности и легкость удаления – таковы его преимущества. Недостатком этого пластификатора (он вводится в количестве около 1,0%) является неполная отгонка, содержание углерода увеличивается на 0,1 – 0,2%. Важно обеспечить равномерное смешивание порошка с пластификатором, иначе возможно появление зон графитовых включений. Давление прессования в твердосплавном производстве невелико – 60 – 150 МПа, так как нет необходимости в получении при

сложности которых вбАмакс мальной степени устраняется неравномерное

распределен е плотности прессовок, вызываемое действием сил трения на контакте прессовок и инструмента и сложной формой изделия [4].

На рис. 1.5 показана пресс-форма [2] для формовки втулки 2 в матрице 3. Засыпка порошка производится тогда, когда стержень 4 и матрица подняты выталкивателем пресса вверх относительно контрпуансона 5, установленного на плите 6 (положение б). Прессование осуществляется пуансоном 1 (положение в). При опускании выталкивателя матрица стягивается с изделия и устанавливается так, что ее торец оказывается на одном уровне с торцами стержня и

пресс-формы, в которых усилие пресса через стальной пуансон передается на контейнер из эластомера, в результате чего осевое давление преобразуется эластичной средой во всестороннее сжатие для интенсивного уплотнения порошка [4].

Эластомер должен обеспечивать близкое к гидростатическому давление на порошок. Наибольшее распространение получили полиуретаны марок СКУ-7Л, СКУ-ПФЛ, позволяющие изготовлять литьем эластичные контейнеры сложной формы. Более равномерное по высоте распределение деформаций в заготовке происходит при двухстороннем прессовании.

16

классификации положены такие технологические критерии, как схема прессования и направление движения инструмента. Среди схем с односторонним движением инструментаИвыделены схемы прессования с применением конусного инструмента.

Метод дает возможность применять как простые схемы прессования (раздача или обжим), так и комбинированные (осевое прессование с раздачей). Эти схемы позволяют осуществлять прессование втулок в направлении наименьшей толщины материала, что обеспечивает получение изделий высокой плотности при минимальных энергетических затратах.

Практика показала, что плотность деталей, деформируемых по любой из схем эластичного прессования, выше, чем при формовке в жесткой пресс-форме.

17

18