3.2. Технологические процессы в машиностроении

Основы литейного производства.

Основная продукция литейного производства - сложные (фасонные) заготов­ки деталей, называемые отливками. Отливки получают заливкой расплавленного металла в литейную форму, внутренняя рабочая полость которой имеет конфигура­цию отливки. После затвердевания и охлаждения отливку извлекают из литейной формы. При этом форму разрушают (разовая литейная форма) или разбирают на части для повторного использования (многократная литейная форма).

Отливки получают литьем в песчаную литейную форму, в оболочковую литей­ную форму, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежным литьем и другими способами. Выбор способа литья определяется его технологическими возможностями и технико-экономическими показателями.

Наиболее универсальным, но менее точным, является способ литья в песчаную форму. Специальными методами литья получают отливки повышенной точности, более высокого класса шероховатости поверхности и минимальными припусками на механическую обработку.

Основное достоинство формообразования заготовок литьем, которое выгодно отличает его от других методов формообразования заготовок, - возможность получения разнообразных по массе заготовок практически любой сложности непо­средственно из жидкого металла.

Качество отливки во многом определяется процессами взаимодействия литейной формы и отливки. Это взаимодействие - силовое, тепловое, химическое - проявляется во время заливки литейной формы расплавом и затвердевания отлив­ки. Силовое воздействие струи расплава при заливке может привести к размыву участков формы и возникновению дефектов. Тепловое взаимодействие, проявляю­щееся в охлаждении металла и нагреве формы, вызывает расширение рабочего слоя формы, выделение газов из формы и стержней. Химическое взаимодействие прояв­ляется в образовании химических соединений на поверхности контакта: отливка - форма.

Литейные свойства сплавов, которые характеризуют поведение сплава в про­цессе изготовления отливок, следует рассматривать с учетом взаимодействия литейной формы и отливки.

Изучите основные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадку, склон­ность к трещинообразованию и газопоглощению, ликвацию. Запомните, к каким дефектам приводят низкие показатели литейных свойств и какие технологические меры используют для предупреждения образования дефектов.

Способы изготовления отливок. Изготовление отливок в песчаных литейных формах. Рассмотрите последова­тельность изготовления отливки в песчаной литейной форме. Для изготовления пес­чаной литейной формы используют модельный комплект, опочную оснастку и фор­мовочные материалы.

В модельный комплект входят: модель отливки или модельные плиты, стерж­невые ящики, модели литниково-питающей системы. Модельные комплекты изготавливают из древесины, металла и пластмасс.

Обратите внимание на теплофизические свойства формовочных и стержневых смесей и различие формовочных смесей для стали, чугуна и цветных сплавов.

Литейные формы и стержни изготавливают вручную и на машинах. Изучите способы ручного изготовления в парных опоках, по шаблону, изготовление круп­ных форм в кессонах.

Запомните способы уплотнения форм встряхиванием, прессованием, песко­метом.

Заливку собранных форм производят на конвейерах, где они охлаждаются до температуры выбивки. Выбивку отливок из форм и стержней из отливок произ­водят на вибрационных решетках. Следует уделить особое внимание механизации трудоемких операций.

Рассмотрите способы удаления литниковой системы, прибылей; способы очи­стки отливок от пригоревшей смеси и заусенцев.

Изготовление отливок в оболочковых формах. Рассмотрите схему процесса формирования оболочек, последовательность изготовления оболочек бункерным способом, сборку форм и подготовку их к заливке расплавленным металлом. Обратите внимание на состав и свойства формовочной смеси и особенности литей­ной оснастки, применяемой при изготовлении форм и стержней.

Отметьте основные достоинства и недостатки изготовления отливок в оболоч­ковых формах. Уясните технологические возможности способа и области примене­ния отливок.

Изготовление отливок по выплавляемым моделям. Проследите последова­тельность изготовления моделей из легкоплавкого состава в прессформах, сборку моделей в блок, изготовление литейной формы, подготовку ее к заливке, заливку расплавленным металлом, выбивку и очистку отливок. Отметьте технологические особенности способа, основные преимущества и недостатки литья по выплавляе­мым моделям. Обратите внимание на технологические возможности и области при­менения способа.

Изготовление отливок литьем в кокиль. Сущность процесса заключается в сво­бодной заливке расплавленного металла в металлические формы - кокили. Рас­смотрите типы кокилей, последовательность изготовления отливок. Обратите внимание на устройство каналов для отвода газов из полостей форм и на устрой­ства, используемые для удаления отливок, а также конструкции металлических стержней.

Уясните назначение предварительного подогрева форм, теплозащитных покры­тий, наносимых на рабочие поверхности форм, на последовательность сборки кокилей.

Особенности литья в кокиль - повышенные скорости затвердевания и охлаж­дения отливок, что в одних случаях способствует получению мелкозернистой структуры и повышению механических свойств, а в других - вызывает отбел.

Отметьте основные достоинства и недостатки литья в кокили.

Уясните технологические возможности способа и области его применения.

Изготовление отливок под давлением. Запомните последовательность изготовления отливок, устройство пресс-форм и приспособлений для удаления отливок.

Скорость впуска расплавленного металла в пресс-форму составляет 0,5...120 м/с, а конечное давление достигает 100 МПа. Следовательно, форма заполняется за десятые, а для особо тонкостенных отливок — за сотые доли секун­ды. Сочетание особенностей процесса - металлической формы и внешнего давле­ния на металл - позволяет получать отливки высокого качества.

Отметьте достоинства и недостатки литья под давлением. Обратите внимание на технологические возможности способа и области его применения.

Изготовление отливок литьем под регулируемым давлением. Рассмотрите устройство установки для литья под низким давлением и последовательность изго­товления отливок. Способ позволяет автоматизировать операции, что способствует повышению плотности отливок и уменьшению расхода расплавленного металла на литниковую систему. Обратите внимание на технологические возможности и области его применения.

Уясните сущность литья вакуумным всасыванием, отметьте достоинства и не­достатки способа и области применения.

Изготовление отливок центробежным литьем. Рассмотрите устройство машин с горизонтальной и вертикальной осями вращения и последовательность изготовле­ния отливок. Отметьте достоинства и недостатки центробежного литья, технологи­ческие возможности способа и области применения.

Технологичность конструкций отливок – изучите основы конструирования отливок с учетом литейных свойств сплавов и способов изготовления отливок.

Сравнительная оценка способов литья и рекомендации по их выбору.

Обработка металлов давлением.

Обработке давлением подвергают более 90% выплавляемой стали и большую часть цветных металлов и сплавов. При этом получают изделия, различные по назначению, массе, сложности, причем не только в виде заготовок для по­следующей механической обработки, но и готовые детали с высокой точностью и низкой шероховатостью.

Процессы обработки давлением очень разнообразны. Обычно их объединяют в шесть видов: прокатка, прессование и волочение - для получения изделий посто­янного поперечного сечения по длине; ковка, объемная штамповка и листовая штамповка - для получения деталей или заготовок, имеющих форму, приближен­ную к форме готовых деталей. Изучая виды обработки металлов давлением, особое внимание уделить технологическим возможностям и областям их применения. Пластическим деформированием получают изделия с высокой производительно­стью, малыми отходами, возможностью повышения механических свойств металла.

При всех технологических методах обработки металлов давлением происходит пластическая деформация. В поликристаллических телах - металлах - пластичес­кая деформация происходит главным образом за счет деформаций сдвига в отдель­ных кристаллитах (зернах). Изменение кристаллической структуры металла при пластическом деформировании приводит к изменению его физико-механических свойств, увеличению прочности и твердости, снижению пластичности. Совокупность изменения свойств в результате изменения структуры при пластическом деформировании называют упрочнением или наклепом.

При нагреве металла, получившего упрочнение, увеличение энергии атомов при определенной температуре приводит к качественному изменению структуры - за­рождению и росту новых равноосных зерен с неискаженной кристаллической ре­шеткой взамен деформированных. Это явление называют рекристаллизацией, кото­рая происходит при определенных для каждого металла температурах. В зависимо­сти от температуры, при которой происходит процесс деформирования, различают деформацию холодную и горячую. Для холодной характерен наклеп или упрочне­ния, для горячей - рекристаллизация или разупрочнение. Рассматривая изменения в строении металла при пластическом деформировании, необходимо учитывать, что металлы содержат неметаллические включения, которые располагаются между зернами поликристалла. При деформировании эти включения вытягиваются вдоль направления деформации, обусловливая различие свойств металла в разных направлениях. Таким образом, свойства получаемых обработкой давлением изде­лий определяются условиями, при которых происходит пластическая деформация. От этих условий зависят и технологические свойства деформируемого металла - пластичность и сопротивление деформированию.

Нагрев металлов перед обработкой давлением. Нагрев металла перед пласти­ческим деформированием производят с целью повышения его пластичности и уменьшения сопротивления деформированию. Каждый металл и сплав можно на­гревать до определенной температуры. Например, сталь 10 можно нагревать до 1250° С, а инструментальную сталь У10 - до 1150° С. Превышение температур выше допустимой приводит к образованию в изделии того или иного брака (пере­грева, пережога). С уменьшением температуры пластичность металла снижается, сопротивление деформированию увеличивается, уменьшается интенсивность окис­ления поверхности.

Нагрев металла перед обработкой давлением является важной вспомогатель­ной операцией, от которой в значительной степени зависит качество, производи­тельность и стоимость готовой продукции.

Большая номенклатура нагреваемых заготовок и условий производства обус­ловливает многообразие применяемых нагревательных устройств, которые делят на печи и электронагревательные устройства.

Прокатка. При прокатке металл деформируется вращающимися валками, конфигурация и взаимное расположение которых различны. Различают три схемы прокатки: продольную, поперечную и поперечно-винтовую. Наибольшее распро­странение находит схема продольной прокатки, когда металл перемещается пер­пендикулярно плоскости, проходящей через оси валков. Трение между валками и заготовкой обуславливает ее захват и деформирование: обжатие по высоте, уширение и вытяжку.

Инструмент прокатки - гладкие и калиброванные валки. Оборудование - прокатные станы, которые классифицируют: по количеству и расположению вал­ков (двух-, четырехвалковые, многовалковые, универсальные); по взаимному расположению рабочих клетей и по назначению.

Исходной заготовкой при прокатке являются слитки. Продук­цию прокатного производства можно разделить на четыре основные группы: листовой прокат в ви­де листов, полос и лент различной тол­щины; сортовой прокат с простой формой профиля и сложной (фа­сонной); трубы бесшовные и сварные; специальный про­кат, поперечное сечение которого по длине периодически меняется.

Прокат используют в качестве заготовок в кузнечно-штампо­вочном производ­стве, при изготовлении деталей механической обра­боткой и при создании сварных конструкций. Сортаменту проката, регламентируемо­му ГОСТами, уделите особое внимание. Отметьте особенности конст­рукции форм профилей, обусловленные требованиями технологии прокатки.

Прессование. Процесс прессования, при котором металл вы­давливают сквозь отверстие произвольной формы, позволяет полу­чать профили более сложной фор­мы, чем при прокатке, и с более вы­сокой точностью. Заготовками служат слитки или прокат.

Прессованием более эконо­мично, чем прокаткой, изготавливать мелкие партии профилей, поскольку переход от изготовления одного профиля к другому осуществляется легче, чем при прокат­ке. Однако при прессовании значительны отходы металла и износ инструмента.

Прессование производят на специализированных гидравлических прессах.

Сортовой и трубный прокат, прессованные профили служат заготовками для волочения.

Волочение. Процесс волочения, осуществляемый в условиях холодной дефор­мации, позволяет получать проволоку, тонкостенные трубы и другие профили небольших размеров с высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности. Рассматривая схему деформирования металла при волочении, надо отметить, что волочение не должно превышать усилия, при котором может произойти разруше­ние получаемого изделия. Поэтому обжатие металла за один проход ограничивают, а также принимают меры для уменьшения трения между металлом и инструментом и вводят промежуточный отжиг для увеличения пластичности металла.

Ковка. При ковке горячее деформирование металла производят последова­тельно на разных участках заготовки с помощью универсального подкладного ин­струмента или бойков. В качестве исходной заготовки при ковке используют для мелких и средних по массе поковок сортовой прокат, для крупных поковок - слитки. Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных кузнечных операций. Поэтому, прежде чем рассмотреть технологические процессы ковки, изучите операции ковки, их особенности и назначение. Ознакомь­тесь с кузнечным инструментом, применяемым для выполнения каждой операции.

Разработка процесса ковки начинается с составления чертежа поковки по чер­тежу готовой детали. Ковкой получают поковки отно­сительно простой формы, требующие значительной обработки реза­нием для получения готовой детали.

Последовательность операций ковки устанавливается в зависимости от конфи­гурации поковки и технических требований на нее и от вида заготовки.

Ковка высоколегированных сталей и цветных металлов имеет особенности, обусловленные их пониженной пластичностью; ковка ведется преимущественно с пониженными скоростями деформирования (когда разупрочняющие процессы протекают полнее) и уменьшением растягивающих напряжений.

Горячая объемная штамповка. При объемной штамповке пластическое течение металла ограничено полостью штампа - специального инструмента, который слу­жит для получения поковки только данной конфигурации. Горячая объемная штамповка по сравнению с ковкой позволяет изготовить поковку, по конфигура­ции очень близкую к готовой детали, с большой точностью и высокой производи­тельностью. Однако необходимость использования специального дорогостоящего инструмента-штампа для каждой поковки делает штамповку рентабельной лишь при достаточно больших партиях однотипных поковок. Штамповкой получают поковки массой до нескольких сотен килограммов и в редких случаях до несколь­ких тонн.

Исходные заготовки для объемной штамповки, как правило, по­лучают из сор­тового проката: круглого, квадратного, прямоуголь­ного. В большинстве случаев для штамповки поковок сложной кон­фигурации нужно получить фасонную заго­товку, т.е. приблизить ее форму к форме поковки. С этой целью заготовку из сор­тового про­ката перед штамповкой в окончательном ручье предварительно де­фор­мируют в заготовительных ручьях многоручьевых штампов, в ковочных вальцах или другими методами. При штамповке особенно большого количества одинако­вых поковок в качестве заготовки при­меняют периодический прокат.

Выделяют штамповку в открытых штампах и штамповку в закрытых штампах с одной или несколькими плоскостями разъема. Обратите внимание на преимущества этих методов штамповки, недостатки их в области ра­ционального использования.

Для штамповки в открытых штампах характерно образование заусенца в зазо­ре между частями штампа. Заусенец при деформировании затрудняет выход из полости штампа основной массы металла, вследствие чего напряжения в ней возра­стают до значения, достаточного для заполнения глубоких полостей и углов. В то же время в конечный момент деформирования в заусенец вытесняются излишки металла. Способ штамповки в закрытых штампах, когда их полость в процессе деформирования остается закрытой, прогрессивен и экономичен, так как нет отхо­да металла в заусенец, отпадает необходимость в инструменте и оборудовании для обрезки заусенца, имеются более благоприятные возможности для штамповки материалов с пониженной пластичностью. В то же время этот способ менее универ­сален и требует заготовок высокой точности, так как объем заготовки должен быть равен объему поковки. Штамповка в закрытых штампах с несколькими плос­костями разъема позволяет получать поковки более сложной формы без техноло­гических напусков. Однако в этом случае инструмент и оборудование сложнее, дороже и окупаются только при больших партиях поковок.

Кроме различия по типу инструмента-штампа штамповка различается по виду оборудования, на котором она производится. Горячая объемная штамповка осуще­ствляется на молотах, механических и гидравлических прессах, горизонтально-ковочных машинах, горячештамповочных автоматах и другом специализирован­ном оборудовании.

Разработка процесса объемной штамповки, так же как при ковке, начинается с проектирования чертежа поковки по чертежу готовой детали с учетом вида оборудования, на котором будет производиться штамповка.

Большое значение при этом имеет правильный выбор расположения плоскости разъема штампов. На поковку устанавливают припуски, напуски и штамповочные уклоны, радиусы закругления и размеры наметок под пробивку отверстий, допу­ски на размеры в соответствии с ГОСТом.

Массу заготовки под штамповку определяют, исходя из закона постоянства объема при пластическом деформировании, подсчитывая объем поковки и объем технологических отходов по формулам, приводимым в справочной литературе. Размеры заготовки и форму ее поперечного сечения определяют в зависимости от формы поковки и способа ее штамповки.

Завершающей частью технологического процесса горячей объемной штампов­ки являются отделочные операции, способствующие получению поковок с задан­ными механическими свойствами, точностью и шероховатостью поверхности. Отделочные операции уменьшают трудоемкость последующей механической обра­ботки.

Правильно спроектированный технологический процесс горячей объемной штамповки обеспечивает получение поковок с высоким коэффициентом использо­вания металла и хорошими эксплуатационными свойствами в серийном и массо­вом производстве.

Специализированные технологические процессы получения заготовок. Одно из главных направлений развития современного заготовительного производства - внедрение металлосберегающих технологий на основе новых специализированных процессов и оборудования. К таким процессам относится прежде всего деформи­рование с локальным приближением нагрузки за счет вращения заготовки или инструмента: поперечно-клиновая прокатка, штамповка на радиально-обжимных и раскатных машинах, ковочных вальцах.

Холодная объемная штамповка. Под холодной понимают штамповку без предварительного нагрева заготовок, т.е. процесс деформирования, соответствующий для практически используемых металлов условиям холодной деформации. Холодную штамповку подразделяют на объемную (сортового металла) и листовую (листового металла)

В зависимости от характера пластического течения металла объемную холод­ную штамповку разделяют на холодное выдавливание (прямое и обратное), высад­ку, осадку в открытых и закрытых штампах. Необходимо представлять типы дета­лей, получаемых каждым из способов.

Объемная холодная штамповка позволяет получать изделия с высокой точно­стью и хорошей поверхностью. Но так как сопротивление деформированию металла в холодном состоянии высокое, то этот способ имеет ограничения применения по маркам сплавов и размерам деталей (максимальный диаметр около 100 мм для стальных деталей и до 200 мм - из алюминиевых и медных сплавов).

К листовой штамповке относят процессы деформирования заготовок в виде листов, полос, лент и труб. Процессы листовой штамповки делят на операции, по­следовательное применение которых позволяет придать исходной заготовке форму и размеры готовых деталей. Операции листовой штамповки объединяют в две группы: разделительные и формоизменяющие. При выполнении разделительных операций деформирование заготовки происходит вплоть до ее разрушения. При выполнении формоизменяющих операций, наоборот, стремятся создать условия, при которых можно получить наибольшее формоизменение заготовки без ее разру­шения.

Рассматривая разделительные операции, обратите внимание, как влияют на качество получаемых изделий технологические параметры процесса: зазор между режущими кромками, усилие прижима, форма режущих кромок. При разработке процессов вырубки изделий важно правильно расположить их на исходной листо­вой заготовке (раскроить материал). Правильный раскрой обеспечивает минималь­ные отходы при вырубке и в то же время достаточную перемычку между деталя­ми, так как от нее зависит качество получаемых изделий.

Основным показателем экономичности раскроя служит коэффициент исполь­зования металла, равный отношению площади деталей к площади листа, полосы или ленты, из которых эти детали вырубают. Вырубка деталей из рулонной по­лосы или ленты экономичнее.

Рассматривая схемы формоизменяющих операций, обратите особое внимание на разновидности гибки, вытяжки и формовочные операции: рельефную фор­мовку, отбортовку, раздачу, обжим. При этом отметьте факторы, ограничива­ющие предельное формоизменение, т. е. технологические возможности каждой операции.

При гибке в каждом сечении по толщине заготовки одновременно действуют сжимающие и растягивающие напряжения, тем больше, чем меньше отношение радиуса гибки к толщине материала. Минимальный радиус гибки ограничен. Осо­бенностью гибки является относительно большая упругая деформация, приводя­щая к увеличению угла гибки - "пружинению" изделия. Поэтому необходимо кор­ректировать угол гибки на угол "пружинения", который для каждого конкрет­ного случая находят в справочниках.

При вытяжке полых изделий из плоской заготовки дно изделия, находящееся под пуансоном, практически не деформируется, а остальная часть заготовки (фланец) растягивается в радиальном направлении и сжимается в тангенциаль­ном. При сжатии фланца может происходить потеря устойчивости и образование складок. Для предотвращения этого необходимо прижимать фланец к торцу матрицы.

Усилие, необходимое для вытяжки и действующее со стороны пуансона на за­готовку, увеличивается с увеличением отношения диаметра заготовки к диаметру вытягиваемого изделия. Это отношение называют степенью вытяжки и она харак­теризует предельное формоизменение изделия. При ее превышении усилие вытяж­ки превышает прочность стенки и происходит отрыв дна. В справочной литературе даны максимальные значения степени вытяжки или минимальные коэффициенты вытяжки. Если необходимо получить изделие с коэффициентом вытяжки меньше предельного, применяют вытяжку в несколько переходов без утонения или с уто­нением стенок.

При выполнении формовочных операций формоизменение происходит за счет местного утонения (рельефная формовка, отбортовка, раздача) или утолщения (обжим) листового материала. В первом случае возможности операций ограничива­ются опасностью разрушения материала при превышении допустимых деформаций растяжения, во втором - опасностью потери устойчивости материала и образова­ния складок. Для характеристики предельного формоизменения при каждой опе­рации установлены соответствующие коэффициенты.

Инструмент листовой штамповки - штамп - обычно состоит из рабочих элементов (пуансона и матрицы) и ряда вспомогательных деталей, назначение которых можно легко уяснить. Такие штампы, называемые иногда жесткими, отличаются большим разнообразием и могут быть очень сложной конструкции со встроенными механизмами подачи листа и удаления деталей и отходов. Очевидно, что такие штампы окупаются при изготовлении достаточно больших партий одина­ковых деталей. Поэтому следует заметить, что при изготовлении небольших партий изделий применяют штамповку эластичной, жидкостной, газовой средой, силовым (магнитным) полем и давильные процессы. В этих способах штамповки отсутству­ет одна из двух рабочих частей инструмента, вследствие чего процесс значительно экономичнее. Кроме того, при беспрессовой штамповке: взрывом, импульсным магнитным полем, электрогидравлической - нагрузка на заготовку носит импульс­ный характер. Это дает возможность штамповать сложные детали из труднодефор­мируемых сплавов, штамповка которых в обычных условиях затруднена.

Изучая принципиальные схемы этих видов штамповки, обратите внимание на их преимущества, недостатки и области наиболее рационального и экономического использования.

Сварка и пайка металлов.

Сварка — технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления меж­атомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разно­родные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметалличе­скими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.).

Для образования качественных соединений необходимо предварительно очистить свариваемые поверх­ности от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инород­ных атомов.