Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov

режущим инструментом. При снятии пленки между выступающими частями электродов происходят электрические разряды, что приводит к электриче-

ской эрозии. Применение комбинации из трех процессов позволяет за счет регулирования энергии отдельных составляющих проводить обработку в ши-

роких пределах. При черновой обработке операцию выполняют при больших плотностях тока. Основное значение имеет тепловое электроэрозионное воз-

действие, приводящее к интенсивному снятию материала заготовки в резуль-

тате плавления и взрывообразного испарения металла в среде электролита.

Анодное растворение необходимо только для образования защитной пленки,

обеспечивающей концентрацию дуговых разрядов на вершинах микронеров-

ностей. Механическое воздействие обеспечивает вынос продуктов разруше-

ния из зоны обработки. Чистовую обработку осуществляют при малых плот-

ностях тока. Основное значение имеет механизм анодного растворения и ме-

ханического разрушения пленки. Эти процессы текут по вершинам микроне-

ровностей, что позволяет существенно уменьшить шероховатость поверхно-

сти и повысить точность обработки.

АМО подвергаются все токопроводящие материалы, высокопрочные и труднообрабатываемые сплавы; твердые сплавы; вязкие материалы. АМО позволяет разрезать заготовки, прорезать пазы и щели, точить заготовки, об-

рабатывать плоские поверхности, полировать поверхности, затачивать ре-

жущий инструмент.

8.3. Импульсно-механическая (ультразвуковая) обработка

Ультразвуковая обработка (УЗО) основана на явлении магнитострик-

ции, т.е. способности сердечника из ферромагнитных материалов изменять свои поперечное сечение и длину под воздействием переменного магнитного поля.

Принципиальная схема УЗО показана на рис. 8.8. Заготовку 10 поме-

щают в ванну 12 заполненную абразивной суспензией 3. К заготовке подво-

дят инструмент – пуансон 9, закрепленный на торце концентратора 8. Кон-

261

центратор закреплен в магнитострикционном сердечнике 5, установленном в кожухе 4. Через кожух пропускают охлаждающую жидкость. Колебания сер-

дечника возбуждаются с помощью генератора ультразвуковой частоты 6

(частота 16 … 30 кГц; амплитуда колебаний 5 … 10 мкм) и источника посто-

янного тока 7.

Рис. 8.8 Принципиальная схема ультразвуковой обработки:

Схема установки для ультразвуко-

вой обработки:

1 – резервуар; 2 – насос; 3 – сус-

пензия; 4 – кожух; 5 – сердечник; 6

– ультразвуковой генератор; 7 – ис-

точник постоянного тока; 8 – кон-

центратор; 9 – пуансон; 10 – заго-

товка; 11 – стол; 12 - ванна.

Абразивную суспензию прокачивают насосом 2 через систему: ванна – резервуар 1. Концентратор увеличивает амплитуда колебаний до 40 … 60

мкм.

Колебательные движения инструмента передаются абразивным зернам суспензии. В результате соударений об обрабатываемую поверхность, абра-

зивные зерна скалывают микро частички материала заготовки. Большое чис-

ло соударений (до 30 000 в секунду) и кавитация обуславливают интенсивное разрушение поверхностного слоя заготовки.

УЗО применяется для обработки сквозных и глухих отверстий различ-

ного поперечного сечения; фасонных полостей; разрезания заготовок (рис.

8.9). При помощи УЗО обрабатывают хрупкие твердые материалы: стекло,

керамику, твердые сплавы, кремний, кварц, алмазы; цементированные, азо-

тированные и закаленные стали.

262

анодное пятно 5 контакта плазменной струи постоянно находилось в задан-

ной точке (центральная точка нагрева 5). Положение пятна контакта опреде-

ляют два параметра: расстояние L (величина линейного запаздывания меха-

нического воздействия) и угол наклона плазматрона. Величина L определяет-

ся скоростью резания. Если скорость резания мала, а L велико, то к моменту подхода нагретого слоя к режущему клину он успеет остынуть. Если ско-

рость резания большая, а L мало, то срезаемый слой не успеет прогреться на заданную глубину.

Одной из особенностей ПМО является образование лунки на обрабаты-

ваемой поверхности. Металл из лунки выдувается потоком плазмы; увеличи-

вается глубина и площадь прогрева материала заготовки. Поэтому угол на-

клона плазматрона должен быть как можно меньше. Однако этот угол дол-

жен быть таким, чтобы выдуваемый металл выбрасывался на обрабатывае-

мую поверхность или на стружку, а не на обработанную поверхность или пе-

реднюю поверхность режущего инструмента.

При ПМО получается сливная стружка кинжальной формы. Эта струж-

ка опасна для станочника, и поднимаясь вверх, может замкнуть сопло плаз-

мотрона. Поэтому у режущего инструмента необходимо предусматривать стружколомные канавки, Выделяемы при ПМО вредные пары требуют снаб-

жения каждой установки системы местной вентиляции.

ПМО применяется для резания труднообрабатываемых материалов:

высокохромистых сталей; никелевых и кобальтовых сплавов; жаропрочных сталей; заклеенных сталей.

Контрольные вопросы.

1.На каких физико-химических процессах основаны электроэрозионная и электрохимическая обработки заготовок?

2.В чем особенность электроабразивной обработки?

3.Как работает установка для УЗО?

4.Как влияет линейное запаздывание механического воздействия при ПМО на качество обработки?

264

ГЛАВА 9. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОН-

НЫХ И ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Технологический процесс изготовления изделий из композиционных и порошковых материалов это единый взаимосвязанный процесс, в котором получение самого материала и изделия из него часто происходят одновре-

менно.

9.1. Изготовление изделий из композиционных материалов

На начальном этапе получают полуфабрикаты. Технологический про-

цесс получения полуфабрикатов включает в себя следующие операции: очи-

стка, мойка и сушки волокон; объединение волокон в жгуты или каркасы;

получение элементарных соединений «матрица - волокно», сборка элемен-

тарных соединения в слои.

Из разориентированных волокон (кристаллов) изготавливают полуфаб-

рикаты в виде войлок или матов, используя жидкостные, вакуумные воздуш-

ные или гравитационные способы войлокования. На рис. 9.1 показан жидко-

стный способ. Суспензия 1 из питающего бака поступает на сетку 2 транс-

портера 7. Сетка покрыта фильтровальной бумагой. Слой суспензии прохо-

дит над

Рис. 9.1. Схема жидкостного войло-

кования коротких волокон:

1 – суспензия; 2 – сетка с фильтро-

ванной бумагой; 3- прижимные вал-

ки; 4 – печь; 5 – войлок; 6 – камеры для отсоса жидкости; 7 – транспор-

тер.

камерами 6 для отсоса жидкости. Прижимными валками 3 войлок 5 уплотня-

ется и поступает в печь 4, где просушивается или спекается.

Для получения армирующих ориентированных элементов используется текстильная технология – волокна соединяют в пряжу (нить из коротких во-

265

локон соединенных путем кручения). Пряжа используется непосредственно или сшивается в ткань (ленту).

Жесткие волокна (вольфрама, молибдена, ниобия и их сплавов) ориен-

тируют в виде пакетов, лент, рулонов. Пакеты получают за счет послойной укладки рифленой фольги из материала матрицы, армирующих волокон и волокон из материала матрицы или другого материала. Для закрепления во-

локон на них наносится тонкий слой материала матрицы. При необходимо-

сти, ленты сматываются в рулоны.

Полуфабрикаты обычно выпускаются в виде листов, труб, профилей.

Основой производства полуфабрикатов и изделий служат препреги – одно-

слойные ленты с одним рядом армирующих волокон или тканей пропитан-

ных или покрытых (с одной или с двух сторон) материалом матрицы.

При изготовления КМ наибольшее применение получила пропитка, ко-

торая в зависимости от смачиваемости армирующих компонентов и расплава матрицы может быть самопроизвольной или под давлением.

Наиболее перспективным и производительным способом самопроиз-

вольной пропитки при минимальных трудозатратах и капиталовложений яв-

ляется способ вертикальной непрерывной пропитки. При этом способе арми-

рующий каркас непрерывно протягивается через расплав материала матрицы и на выходе через фильеру получаются полуфабрикаты с высоким объемным

содержанием армирующих волокон (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Схема процесса вертикальной непре-

рывной пропитки:

1 - разделительные волокна; 2 – ванна с распла-

вом; 3 – ограничители; 4 – композиционный пу-

чок.

Пропитку под давлением (принудитель-

ную) применяют при недостаточной смачиваемости волокон материалом матрицы или для ускорения процесса пропитки для компонентов с удовле-

творительной или хорошей смачиваемостью.

266

прилипание связующего материала к поверхности формы. Затем наносят свя-

зующий материал, укладывают предварительно раскроенную ткань и тща-

тельно прикатывают полученную композицию резиновым роликом для плот-

ного прилегания ткани и поверхности формы, удаления пузырьков воздуха и равномерной пропитке ткани связующим. Операцию повторяют столько раз,

сколько требуется для получения заданной толщины. Отверждение происхо-

дит или при нормальной температуре или при 60 … 120º С. После отвержде-

ния готовую деталь извлекают из формы и при необходимости подвергают дальнейшей обработке (окраске, обрезке кромок, штамповке и т.д.).

Для серийного производства применяют автоклавную формовку. Фор-

му с полуфабрикатом накрывают резиновым чехлом, помещают в автоклав и с помощью воды или пара создают давление, при этом происходит уплотне-

ние и пропитка слоев полуфабриката.

Вихревым напылением изготовляют крупногабаритные детали из стек-

лопластиков (кузова автомобилей, корпуса лодок, емкости и др.). На стекло-

волокно, уложенное на форму, специальным пульверизатором наносят смолу с отвердителем (связующим) и затем уплотняют резиновым роликом.

Центробежной формовкой получают крупногабаритные детали,

имеющие форму тел вращения. Стекловолокно и связующее подаются во вращающуюся форму. Затем внутрь заготовки помещают резиновый чехол,

который под действием давления растягивается и уплотняет заготовку. В та-

ком состоянии происходит отверждение заготовки при определенной темпе-

ратуре.

Намоткой получают трубы и сложные по форме оболочки из пласти-

ков. На металлическую оправку, покрытую целлофановой пленкой, наматы-

вают волокно или ткань, смоченную связующим. Отформованную заготовку покрывают целлофановой пленкой, снимают с оправки и переносят в камеру для отверждения.

268

9.3. Изготовление изделий из порошковых материалов

Процесс изготовления изделий из порошковых композиционных мате-

риалов (ПКМ) включает в себя операции изготовления порошков, формова-

ния, спекания и окончательной обработки с целью повышения физико-

механических свойств, получения окончательных размеров и формы, нанесе-

ния декоративных и защитных покрытий.

Все методы изготовления порошков можно разделить на два способа:

физико-механический и химико-металлургический.

При физико-механическом способе превращение исходного материала в порошок происходит за счет механического измельчения материала в твер-

дом или жидком состоянии без изменения его химического состава. К физи-

ко-механическим способам относятся дробление, размол, распыление, грану-

ляция обработка резанием.

Распыление и грануляция применяются для изготовления порошков металлов с температурой плавления до 1 600о С (алюминий, железо, сталь,

цинк, медь, свинец, никель и их сплавы). Сущность измельчения распылени-

ем состоит в дроблении струи расплава (рис. 9.3) высоко энергонасыщенным газом. В зависимости от свойств расплава и требований к качеству порошка применяют распыление воздухом, азотом, аргоном, гелием. Размеры частиц порошка от 1 до 0,01 мм, форма частиц – сферическая или каплевидная.

Рис. 9.3. Схема форсунки для распыления.

При химико-металлургическом спосо-

бе изменяется химический состав или агре-

гатное состояние исходного материала. К химико-металлургическим спосо-

бам относятся: восстановление окислов, электролиз, термическая диссоциа-

ция карбонильных соединений.

В общем виде реакцию восстановления можно записать: MeA+X↔ Me +A –Q, где: Me – металл; A – неметаллическая составляющая (кислород,

269