5.3. Заготовки из композитов
Композиционные пластики состоят из связующей смолы, наполнителя и в некоторых случаях отвердителя и ускорителя отверждения. В качестве связующего предпочтительно использовать полиэфирные и эпоксидные смолы. Эти смолы характеризуются при нормальной температуре за счет добавления к ним отвердителей и ускорителей отверждения (перекиси бензола, нафтената, кобальта, полиэтилполиамина и др.)
Высокая прочность композиционных пластиков зависит от применяемых наполнителей (стеклоткани, стекловолокна, хлопчатобумажные и борные волокна и т.п.), тип наполнителя зависит от требуемых свойств создаваемого материала. В отдельных случаях в состав пластиков входят пластификаторы и красители.
К основным способам изготовления заготовок из композиционных пластиков относятся: контактная формовка, автоклавная формовка, стирометол, вихревое напыление, центробежная формовка, намотка и другие.
Контактной формовкой изготавливают крупногабаритные детали с наполнителями из стеклотканей, стекло матовое и т.д. Особенность контактной формовки - простота оснастки и возможность получения деталей любых размеров.
Автоклавную формовку применяют при выпуске деталей и заготовок большими сериями.
Стирометодом изготавливают крупногабаритные из композиционных пластиков с замкнутым полым профилем. На чехол, размеры которого соответствуют размерам изготавливаемой заготовки, наматывают волокно и укладывают в разогретую пресс-форму. Под действием давления воздуха внутри чехла заготовка растягивается до размеров полости пресс-формы. В пространство между чехлом и пресс-формой за счет создания вакуума засасывается связующее. После отверждения получают полые заготовки.
Изготовление заготовок из композиционных пластиков обеспечивает заданные свойства деталям, но имеет невысокую производительность и технологические проблемы при изготовлении.
Исследования немецких специалистов показывают, что в зависимости от размеров и формы деталей при серийности до 40 000 штук изготовление пластмассовых деталей резанием на обычных металлорежущих станках может быть более экономичным, чем изготовление деталей литьем под давлением.
Для изготовления пластмассовых заготовок используются в основном термопласты. В настоящее время ежегодно производится более 50 млн. тонн пластмасс.
Доля термореактивных пластмасс в мировом производстве пластмасс составляет примерно 25%. Среди важнейших областей применения пластмасс ведущее положение занимает строительная промышленность, электротехническая, промышленность предметов широкого потребления, общее машиностроение и производство упаковки.
6 Комбинированные заготовки
6.1. Особенности получения комбинированных заготовок
Комбинированные заготовки применяют в единичном и серийном производствах:
- если изготовление цельной заготовки данного вида связано с большим браком из-за нетехнологичности ее конструкции;
- если отдельные части заготовки требуют сложной и точной механической или иной обработки, работают в особо сложных условиях (износ, коррозия) и для их изготовления требуются сплавы с иными свойствами, чем у других частей;
- если заготовка представляет собой разветвленную конструкцию со значительным числом сложных выступающих частей и изготовление ее требует сложных и дорогостоящих средств технологического оснащения, больших затрат вспомогательных материалов и рабочего времени;
- если целесообразно разделение заготовки на несколько частей из удобства транспортирования (при больших массах и габаритах).
Условно сварные комбинированные детали можно разделить на четыре группы:
- листосварные детали, для которых исходными элементами являются заготовки из листового или профильного материала:
- сварно-литые детали, для которых используются литые заготовки, полученные тем или иным способом литья;
- штампо-ковано-сварные детали, где исходные заготовки - поковки получены штамповкой или ковкой;
- сварно-комбинированные детали, где одновременно могут быть использованы заготовки, полученные литьем, ковкой или штамповкой и отрезкой из листового или профильного проката.
Комбинированные методы применяют для изготовления сложных заготовок. При этом рациональным является их расчленение на отдельные простые части, изготовляемые прогрессивными способами, с последующим соединением этих частей сваркой или пайкой в одно целое.
Примеры заготовок: листоштампованные детали, соединенные точечной или шовной сваркой (заготовки малых и средних размеров); вырезанные автогеном элементы из листового проката (или отливки), соединенные шовной сваркой в крупногабаритные заготовки (фундаментные кольца гидротурбин, рамы дизелей, станины тяжелых станков); залитые штампованные или механически обработанные заготовки (диафрагмы паровых турбин с залитыми лопатками, армированные отливки); предварительно обработанные поковки или элементы из проката, соединенные электрошлаковой сваркой в одну крупную заготовку; средние отливки, соединенные термитной сваркой в одну крупную и сложную заготовку.
При значительном упрощении технологии изготовления элементов сварной конструкции по сравнению с технологией литья или ковки цельной заготовки сварная заготовка обычно получается более легкой по массе. Ее отдельные элементы, находящиеся в наиболее тяжелых условиях, могут быть выполнены из легированной стали.
Более высокие физико-механические характеристики, меньшую массу по сравнению с литыми и коваными имеют сварные конструкции.
Принципиальная технология изготовления сварных конструкций предусматривает разбивку конструкции на отдельные технологические узлы или элементы, эскизную проработку специальных приспособлений и оснастки, расчеты режимов сварки основных сварочных операций, расчеты ожидаемых сварных деформаций, сравнительный технико-экономический анализ вариантов технологии. Сварные заготовки и узлы изготовляют из проката (листы, трубы, профили), а также из литых, кованых и штампованных элементов. Размеры и форму свариваемых элементов, с точки зрения их технологичности, выбирают, исходя из возможности применения высокопроизводительных автоматических способов сварки, выполнения сварки в нижнем положении, а также свободного доступа к лицевой и корневой частям шва, проведения, при необходимости, подогрева (или охлаждения) и последующей термической и механической обработки, сведения к минимуму суммарной длины сварных швов и массы основного и наплавленного металла и т.д.
Правильный выбор сортамента и марки инструментальной стали в состоянии поставки для изготовления заготовок режущего инструмента имеет большое значение, так как обеспечивает во-первых, значительное сокращение отходов производства, что приводит к экономии дефицитного инструментального материала, и, во-вторых, целесообразное использование имеющегося в наличии оборудования, влияющего на снижение продолжительности производственного цикла. В конечном итоге это повышает производительность труда и снижает себестоимость режущего инструмента, при этом только рабочую часть изготовляют из быстрорежущей стали. В качестве исходной заготовки из быстрорежущей стали диаметром до 50 мм и для хвостовой части из конструкционной стали применяют горячекатаный прокат.
Сварные заготовки состоят из отдельных частей (элементов), выполненных с применением различных материалов и соединенных с помощью методов сварки. Неправильная конструкция заготовки или неверная технология сварки могут привести к дефектам (коробление, пористость, внутренние напряжения), которые трудно исправить механической обработкой.
Материалы составных элементов сварных конструкций должны обладать свариваемостью - способностью к образованию сварного соединения, равнопрочного с основным металлом, без трещин и снижения пластичности в околошовной зоне.
После сварки обычно выполняют ультразвуковой или рентгеновский контроль качества сварного шва.
Механическую обработку сварных и комбинированных заготовок, как правило, выполняют после термообработки, так как удаление части сечения вызывает перераспределение остаточных напряжений и искажение ранее обработанных поверхностей. Если ожидаемые искажения невелики (высокая жесткость заготовки, малый снимаемый припуск), то сварная (комбинированная) заготовка может обрабатываться без предварительной термообработки.
В современном машиностроении применяют штампосварные заготовки. Этот вид заготовок позволяет получать изделия такой конфигурации, которая обычно получается в результате литья или обработки резанием (рисунки 30а, 30б).
Замена деталей, полученных из отливок и изготовленных обработкой резанием, штампосварными значительно снижает себестоимость, металлоемкость и уменьшает механическую обработку. Наряду со штампосварными заготовками применяют также и сварно-литые.
Рис. 30 а. Сварной узел автоматической коробки передач автомобиля
Механически обработанная труба сварена трением со штампованной деталью
Рис. 30 б. - Сварное соединение прутка (диаметром 127 мм и более) с вилкой при изготовлении шатунов
Сварные швы по возможности необходимо изготавливать прямолинейными и непрерывными по длине; вырезы и отверстия в деталях выполнять после сварки; элементы конструкций балочного типа для уменьшения деформаций, вызываемых электрошлаковой сваркой, проектировать и изготавливать симметричными; сварные швы располагать в местах, доступных для перестановки и передвижения сварочного автомата.
Для сварки деталей стержневого типа наиболее удобными являются прямоугольные или кольцевые сечения. Трудно свариваются детали, имеющие сечения переменной кривизны, особенно детали с резкими изменениями толщины элементов. При наличии в детали стенок постоянного сечения толщиной свыше 30 мм, сочетающихся со стенками переменного сечения и с узлами, имеющими сложный профиль, целесообразнее проектировать сварно-литую конструкцию из отдельных отливок. При сочетании стенок постоянного сечения до 30 мм со сложными фасонными профилями переменного сечения - сварно-листовую.
При конструировании литых заготовок для сварно-литых конструкций необходимо предусматривать расположение прибылей на отливке вдали от кромок подлежащих сварке. Это объясняется тем, что в местах расположения прибылей массовая доля серы и углерода может в несколько раз превышать среднюю массовую долю этих элементов в отливке; если эти места повышенной химической неоднородности совпадают с местами расположения сварных швов, то не исключена возможность появления дефектов в сварных швах и в прилегающих к ним зонах металла отливки.
В связи с тем, что выполнение в отливках стенок большой протяженности толщиной до 20 мм сопряжено с рядом технологических трудностей, целесообразно такие элементы проектировать из листового материала. При проектировании сварно-литых деталей, образующих жесткий контур, следует стремиться к тому, чтобы каждая заготовка (или узел) соединялась с остальной частью конструкции не более чем двумя швами. В случае разъема по большему числу стыков осуществить сварку намного сложнее, а иногда практически невозможно.
При разработке крупногабаритных сварно-литых деталей необходимо предусматривать, чтобы габаритные размеры мелких литых заготовок обеспечивали возможность машинной формовки, при этом длина отдельных заготовок во избежание коробления не должна превышать 4-5 м. При изготовлении сварно-литых деталей с нечетным числом отверстий разъем рекомендуется делать по поперечной осевой плоскости среднего отверстия, при этом конструкцию расчленяют на две части, в этом случае сварка таких конструкций значительно упрощается.
Применение сварно-литых деталей целесообразно при любом типе производства в целях улучшения качества детали, устранения брака цельнолитой детали, сокращения объема механической обработки и экономии металла, удобства транспортировки, сокращения материальных затрат и рабочего времени в литейном цехе, а также в случае невозможности изготовления детали литьем целиком.