книги из ГПНТБ / Кузнецов В.И. Машиностроительные материалы и технология их обработки

§ 1. Т Е Х Н О Л О ГИ Я О Б Р А Б О Т К И ЧЕРН Ы Х И Ц В Е Т Н Ы Х М Е Т А Л Л О В

Важнейшими способами обработки черных метал­ лов являются литье, обработка давлением и взрывное формообразование, сварка и пайка, механическая и электрическая обработка.

Литейное производство

Наиболее распространенным способом получения фасонных заготовок в современном машиностроении является литье, позволяющее изготовлять весьма слож­ ные по очертаниям отливки весом от нескольких грам­ мов до неокольких сотен тонн длиной от 1 см до 30 м с толщиной стенок 0,5—500 мм.

Удельный вес литых деталей в общем весе совре­ менных машин составляет от 25 (сельскохозяйственные машины) до 90% (металлорежущие станки, компрессо­ ры, насосы и т. д .).

Среди отливок преобладают чугунные. Чугунные ли­ тые детали составляют 50—75% от веса различных ма­ шин. Чем тяжелее сами машины, тем выше это соотно­ шение. Особенно большое место занимают чугунные от­ ливки в конструкциях металлургического оборудования,

140

В таблице 18 приводятся данные, характеризующие рост выпуска литья в СССР.

Главный потребитель фасонных отливок всех ви­ дов — машиностроение. Основная тенденция современ­ ного машиностроения — непрерывное повышение требо­ ваний к литью. От литых деталей требуется все более высокая прочность и эксплуатационная стойкость, а от литых заготовок — все большее приближение к конеч­ ным размерам деталей.

Эта тенденция современного машиностроения опре­ деляет собой и главные направления в литейной техно­ логии. К ним относятся разработка и применение ли­ тейных сплавов повышенной и высокой прочности, повы­ шение точности размеров и чистоты поверхности отли­ вок, специальные приемы обработки отлитых изделий.

Литейная промышленность и обслуживающие ее от­ расли создают технологические процессы, материалы и установки, которые обеспечивают постоянство высокого качества отливок, наименьшую трудоемкость литья, на­ ибольшее использование цеховых площадей, нормаль­ ные условия труда в литейных цехах.

Последние годы характеризуются все большим внед­ рением в практику специальных видов литья, к кото­ рым относятся литье в металлические формы, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям, центробежное литье и литье под давлением.

Специальные виды литья позволяют повышать точ­ ность и чистоту поверхности отливок, а также их меха­ нические свойства. Последнее обеспечивается большой теплопроводностью металлических и оболочковых форм по сравнению с обычными песчаными, что способству­ ет получению мелкозернистой структуры отливок.

Настоящее время характеризуется внедрением авто­ матизации во все стадии и процессы литейного пропз-

141

водства. Автоматизированные центробежные бегуны, автоматические комплексные смесеприготовительные установки, автоматическое распределение смесей по формовочным машинам, полуавтоматы и автоматы для изготовления форм и стержней, автоматизация процес­ сов плавки, полуавтоматические и автоматические агре­ гаты для выбивки форм, очистки и обрубки литья, авто­ матические поточные линии — таково настоящее литей­ ного производства.

Ли т ь е в к о р к о в ые ( о б о л о ч к о в ые ) ф о р мы дает значительный эффект. Благодаря высокой проч­ ности и газопроницаемости тонкой '.корковой формы, структура металла получается мелкозернистой. По­ верхность заготовки не нуждается в очистке. При высо­ кой точности размеров отливки (0,2—0,4 мм на 100 мм длины) расход формовочного материала сокращается в 10 раз, намного увеличивается производительность труда. Вес отливки снижается на 15%, припуски на ме­ ханическую .обработку сокращаются па 50%, а трудо­ емкость изготовления отливок уменьшается в 5 раз по сравнению с литьем в земляные формы.

Известно, что при изготовлении деталей механиче­ ской обработкой из проката получается наибольший от­ ход металла в стружку, значительное количество кото­ рой безвозвратно теряется при транспортировке и пере­ плавке.

На многих заводах, особенно с индивидуальным и мелкосерийным характером производства, коэффициент использования металла очень низкий и составляет все­ го лишь 0,3—0,4.

Такие огромные потери труда и металла при метал­ лообработке вовсе не являются неизбежными в настоя­ щее время. Они являются следствием недостаточно ши­ рокого применения прогрессивных методов изготовления

142

заготовок, приближающихся по форме и размерам к го­ товой детали, в частности, метода литья по выплавляе­ мым моделям. Этот прогрессивный метод уже давно ус­ пешно применяется в массовом и крупносерийном про­

пресс-форм из пластических масс холодного отвержде­ ния методом свободной заливки на эталон-модель. Этот метод позволяет получать формирующие полости прессформ как зеркальное отображение эталона-модели с полным сохранением ее размеров и конфигурации.

Как показывает практика, модельная оснастка из пластических масс в четыре раза дешевле и в два раза легче, чем алюминиевая, время изготовления ее сокра­ щается в пять раз.

Метод литья то выплавляемым моделям рекоменду­ ется для получения точного стального и цветного литья.

Интересны работы, проводимые в настоящее время по изготовлению точных стальных и чугунных отливок весом в десятки тонн в тонкостенных (100—150 мм) формах.

Распространяются машинные методы изготовле­ ния отливок весом до 10 Т.

В настоящее время ведется большая работа по рас­ ширению номенклатуры формовочных, литейных и очистных машин, повышению точности отливок. Необ­ ходимо усилить проведение комплексной механизации и автоматизации литейного производства и создать ком­ плексные механизированные цехи литья по выплавляе­ мым моделям.

Большой интерес представляет применение ультра­ звука при кокильной отливке деталей из серого чугуна. Чугун перед заливкой в кокиль подвергается воздейст-

143

вню ультразвука от магнитострикциоппого излучателя с частотой от 18 до 30 кгц (магнитострикцией называют явления, состоящие в том, что в ферромагнитных мате­ риалах, находящихся в магнитном поле, возникают ме­ ханические напряжения, в результате чего их размеры изменяются). Под воздействием ультразвуковых коле­ баний кристаллы чугуна в расплаве раздробляются, увеличивая число центров кристаллизации. В результа­ те все структурные составляющие серого чугуна— гра­ фит, феррит, цементит и неметаллические включения—• размельчаются и чугун приобретает мелкозернистое строение.

Механические свойства серого чугуна, подвергнуто­ го ультразвуковой обработке, выше механических свойств чугуна, отливаемого обычным способом: предел прочности при растяжении составляет от 45 до 65 кГ/мм2, твердость — от 170 до 350 единиц по Бринелю, сопротивление истиранию в 10 раз выше.

Обработка давлением и взрывное формообразование

Обработка давлением. На основе использования пластических свойств металлов в горячем и холодном состоянии значительное развитие получили технологи­ ческие процессы обработки металлов давлением.

С обработкой металлов давлением органически свя­ зана черная и цветная металлургия при производстве профильного и листового проката, изготовления труб, периодического проката и т. п.

В современном машиностроении обработка металлов давлением должна занять одно из ведущих мест — ко­ ванные и штампованные детали в ряде отраслей маши-

144

100

1928 1940 1945 1955 1958 I960 1965 1970 I960

Рис. 25. Рост производства кузнечно-прессовых машин (тыс. шт.] (без ручных машин и ручных ножниц).

10.

построения составляют GO—80% от общего веса сталь­ ных деталей. Такой значительный удельный вес объяс­ няется рядом преимуществ обработки металлов давле­ нием: высокой производительностью и экономичностью, сокращением расхода металла, улучшением его механи­ ческих свойств, высокой точностью и взаимозаменяе­ мостью деталей (холодная листовая и объемная штам­ повка), возможностью создания легких и прочных штампосварных конструкций и др.

Количественный и качественный состав кузнечно­ прессового оборудования определяет развитие прогрес­ сивных процессов ковки и штамповки (рис. 25).

В настоящее время основными направлениями мо­ дернизации кузнечно-прессовых машин (молотов, гидро- и парогидравлических прессов, механических кривошип­ ных прессов и др.) являются следующие: рост произ­ водительности, повышение уровня автоматизации и ме­ ханизации, увеличение мощности, снижение веса и раз­ меров.

Практика показывает, что отход металла в стружку, доходящий до 50% от веса заготовки, может быть зна­ чительно сокращен благодаря применению штампован­ ной заготовки взамен обычного проката. Согласно под­ счетам, на каждый миллион тонн обрабатываемого про­ ката при применении штампованных заготовок экономия металла составит 250 тыс. Т.

ной молотовой штамповки более производительным де­ формированием заготовки под мощными кривошипными горячештамповочными прессами.

Мощные кривошипные прессы для горячей штампов­ ки строятся в СССР давлением до 8 тыс. Т и выше. Од­ нако в парке кузнечно-прессовых машин еще слишком

146

велик удельный uec молотов и недостаточен удельный вес горячештамповочных, чеканочных, листоштамповоч­ ных прессов и горизонтально-ковочных машин.

При х о л о д н о й ш т а м п о в к е достигается боль­ шая точность в размерах и высокая чистота поверхности, благодаря чему отпадает необходимость в последующей обработке на металлорежущих станках. Холодной объ­ емной штамповкой и холодной высадкой металла точ­ ность деталей доводится до 0,03—0,5 мм. При этом обес­ печиваются высокие механические качества.

При изготовлении гаек холодной высадкой можно получить 200, а на металлорежущих станках— 100 штук в час, кррме того, достигается экономия металла.

На револьверном станке за час можно изготовить 20 болтов, на автоматическом станке — 80 болтов, а с по­ мощью холодной высадки — 4000 болтов.

В машиностроении многие детали изготовляются штамповкой из листа. Поэтому вопросам улучшения тех­ нологии штамповочных работ, их механизации и автома­ тизации уделяется серьезное внимание. В значительных масштабах будет применяться штамповка из ленты с ав­ томатической подачей. Устанавливаются многопозицион­ ные автоматизированные прессы и автоматические линии

штамповки путем объединения вытяжных и других штам­ повочных операций в гамму переходов при использова­ нии автоматического передвижения полуфабрикатов, уве­

личение количества одновременно штампуемых деталей, повышение числа ходов прессового оборудования.

У нас изготовляются механические крупногабаритные прессы для листовой штамповки давлением до 3500 Т. Все в большей степени используются горизонтально-ко­ вочные машины с усилием на главном ползуне до 3000 Г. Более*широкое распространение получают мощные че­ канно-кривошипноколенные прессы с усилием на пол­ зуне до 4000 Т. Успешно внедряются листоштамповоч­ ные прессы-автоматы, которые в несколько раз увели­ чивают производительность труда.

Внашей стране действуют гидравлические прессы давлением до 30 тыс. Т и строятся более мощные прессы.

Вцелях увеличения производительности кузнечного оборудования немалое значение имеет увеличение выпу­ ска манипуляторов и загрузочных машин. Надо создать специализированные заводы по изготовлению современ­ ных кузнечных печей, аппаратуры и автоматики, контакт­ ных и индукционных электронагревателей.

Взрывное формообразование. За последние годы раз­

вернуты широкие работы по исследованию и промыш­ ленному освоению различных процессов беспрессового формообразования.

Источниками получения усилий при беспрессовых ме­ тодах формообразования могут служить взрывчатые ве­ щества, сжатые газы,, газообразные продукты горения, расширение вещества при переходе из жидкого в газооб­ разное состояние, магнитные поля большой плотности, высоковольтные разряды в жидкости и гидравлические давления, создаваемые насосными установками.

Развитие взрывной штамповки обусловлено в основ­ ном развитием воздушного транспорта и проблемами из­ готовления современных летательных аппаратов, в кон­ струкции которых широко применяют высокопрочные и

148

жароустойчивые материалы, обладающие малой пла­ стичностью. Изготовление крупных и мелких деталей из таких материалов представляло большие трудности, и лишь применение взрывной штамповки в некоторой сте­ пени решило эту проблему.

Основой взрывной штамповки является использова­ ние энергии взрывной волны, перемещающейся с боль­ шой скоростью, для деформирования металла. «Сверх­ пластическое» состояние материала, характерное для де­ формирования с этими скоростями, обеспечивает воз­ можность такой штамповки, которая невыполнима дру­

гими известными методами.

Повышенная пластичность характерна и для труднодеформируемых материалов, что подтверждает благо­ приятное влияние на пластичность высоких давлений и больших скоростей.

Наибольшее развитие получили штамповка с приме­ нением взрывчатых веществ, штамповка с использова­ нием высоковольтных разрядов в жидкости и штамповка гидростатическим давлением.

Экспериментальные исследования и отработка про­ цессов показали бесспорные преимущества первых двух методов перед штамповкой на прессах.

Эти преимущества заключаются в экономичности, вследствие формообразования без дорогостоящих прес­ сов и сложных штампов; в возможности при высокоско­ ростных импульсивных нагрузках достигать больших степеней деформации, что обеспечивает значительное со­ кращение технологического цикла; в меньшем по вели­ чине и более равномерном утонении материала при вы­ тяжке; в возможности при высокоскоростных импульсив­ ных нагрузках деформировать достаточно интенсивно труднодеформируемые металлы и сплавы без нагрева, обязательного при штамповке на прессах.

149