Материаловедение и технология конструкционных материалов

зор между боковой поверхностью плиты 5 и внутренними стенка­ ми контейнера 1 составляет для резины 0,5 мм, для полиурета­ на — 0,1 мм. Такие зазоры исключают выдавливание резины и предохраняют от разрушения примыкающие к стенкам кон­ тейнера края полиуретанового блока.

Схема вытяжки обжатием эластичной матрицей по жест­ кому пуансону показана на рис. 17.58. При вытяжке по этой схеме листовая заготовка 5 подвергается давлению, передавае­ мому эластичной подушкой 2, заключенной в контейнер 1. Ре­ зина или полиуретан обжимают вытягиваемую деталь по всей поверхности. Во избежание гофрообразования на фланце и стен­ ке детали применяют прижим 3 по фланцу. При вытяжке эла­ стичной матрицей по жесткому пуансону между пуансоном 4 и заготовкой 5 возникают полезные силы трения, а вредное тре­ ние между заготовкой и матрицей отсутствует. Преимуществом процесса является простая оснастка. К недостаткам относятся необходимость высоких удельных усилий и специального обо­ рудования, склонность к гофрообразованию.

Рис. 17.58. Схема вытяжки эластичнои матрицей

При гидромеханической вытяжке на внешнюю (нижнюю) часть вытягиваемой заготовки (рис. 17.59) давит жидкость, по­ даваемая из гидропневмоаккумулятора в рабочую полость кон­ тейнера.

Ротационная вытяжка — один из древнейших процессов обработки металлов — служит для получения полых изделий типа тел вращения различных форм.

При ротационной вытяжке изделие оформляется по оправке. Форма изделия копирует форму оправки, как показано на рис. 17.60. Заготовка 4 прижимается к оправке 1 прижимной бабкой 3 и вращается вместе с ними. Давильный ролик 5 дви­ жется от центра заготовки к периферии, изменяя форму заго-

Рис. 1 7JS9. Схема гидромеханической вытяжки:

1 — пуансон; 2 — прижим; 3 — заготовка; 4 — уплотнительное кольцо; 5 — матрица; в — контейнер; 7 — гидропневмоаккумулятор; 8, 9 — клапаны; 10 — вода

Рис. 17.60. Схема ротационной вытяжки полусферы

товки на некоторый угол. Затем ролик 5 движется в обратном направлении. Заготовка постепенно приближается к форме оп­ равки (2) и обжимается на ней. При вытяжке длинных деталей применяют поддерживающие ролики 6.

Большое значение и широкое распространение имеет метод холодной формовки фасонных профилей из листовой или поло­ совой стали на специальных профилегибочных станах. Основ-

ными потребителями гнутых профилей являются авиастроение, автостроение, вагоностроение, промышленное и гражданское строительство. Холодная формовка на профилегибочных станах

представляет собой процесс, в котором лист или полоса металла, проходя через серию последовательно расположенных пар вал­ ков, приобретает необходимую форму без изменения площадипоперечного сечения. Количество формовочных клетей (2...30) определяется характером и сложностью профиля, а также толщи­ ной и свойствами деформируемого материала. Кроме формовки лист или полоса подвергаются автоматической обрезке, про­ шивке отверстий и т.д. Давление, возникающее при формовке, незначительно, поэтому без повреждения поверхности можно формовать этим способом тонкий металл, предварительно про­ шедший такие отделочные операции, как оцирковка, полиров­ ка, покрытие поверхности органическими материалами и т.д.

В автостроении из гнутых профилей изготавливают рамы для окон, изделия для дверной панели, подножки, рамы для сидений, детали кузовов, половые настилы и т.д.

Для строительной промышленности на профилегибочных ста­ нах изготавливаются рамы и оконные переплеты, конструкции легких строений, рифленые листы, панели, водосточные желоба, металлочерепицу и др.

Описанные выше методы листовой штамповки являются ста­ тическими либо квазистатическими, т.е. скорость нарастания нагрузки и движения рабочего инструмента в них невелики. Известны также высокоскоростные, или импульсные, методы листовой штамповки, которые характеризуются мгновенным приложением больших нагрузок, что разгоняет заготовку до скоростей 150 м/с, и последующее деформирование происходит за счет кинетической энергии, накопленной в период разгона. В промышленности широко применяются взрывная и магнит­ но-импульсная (электромагнитная) штамповки.

Для штамповки взрывом характерны высокие давления (около 3000 МПа), прилагаемые к заготовке в течение тысячных долей секунды. Штамповка взрывом применяется для вытяжки, отбортовки, раздачи и обжима труб, формовки ребер жесткости, калибровки, правки, вырубки и других операций.

Схема вытяжки взрывом показана на рис. 17.61. Заготовка 3 укладывается на матрицу 2 и прижимается к ней прижимом 4.

мительного устройства 1, батареи конденсаторов С, коммути­ рующего устройства 2 и катушки индуктивности (индуктора) 3. При разряде электрической энергии, предварительно накоплен­ ной в батарее конденсаторов установки, на индукторе вокруг его токопроводных элементов образуется мощный импульс перемен­ ного магнитного поля. Применение импульсного магнитного поля для штамповки основано на использовании сил электроме­ ханического взаимодействия между вихревыми токами, наве­ денными в стенке обрабатываемой детали при пересечении их силовыми линиями магнитного поля, и самим импульсным по­ лем, в результате чего возникают импульсные механические силы, деформирующие заготовку. Магнитное поле, заключенное между индуктором 3 и заготовкой 4, оказывает давление как на заготов­ ку, так и на индуктор. На пути перемещения заготовки установлен технологический инструмент (матрица, пуансон), с помощью ко­ торого заготовке придается необходимая форма.

Технологические операции магнитно-импульсной штампов­ ки осуществляют в основном по двум схемам: обжим и раздача. На рис. 17.63 даны схемы взаимного расположения обмотки ин­ дуктора 1, инструмента 2 и изделия 3. Стрелками показано на­ правление магнитных силовых линий-

+■

Рис. 17.63. Схемы взаимного расположения обмотки индуктора, матрицы-оправки и заготовки:

а — обжим; б — раздача

Магнитно-импульсной штамповкой можно получать не только трубчатые, но и плоские изделия, а также выполнять сборочные операции путем пластического деформирования одной детали по контуру другой: соединение концов труб, запрессовку в тру­ бах колец и фланцев, соединение втулки со стержнем и т.д.

Раздел

V

СВАРОЧНОЕ

ПРОИЗВОДСТВО

18.Теоретические основы сварки

19.Сварка плавлением

20.Сварка давлением

18 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

■______________________________________________

18.1. Физические основы сварки

Втехнике широко используются различные виды разъемных

инеразъемных соединений. Неразъемные соединения могут быть монолитными (сплошными) и немонолитными (например, заклепочные). Монолитные соединения получают сваркой, пай­ кой или склеиванием.

Сварка — это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяе­ мыми (свариваемыми) частями при их местном нагреве (сварка плавлением), пластическом деформировании или совместном действии того и другого (сварка давлением). С помощью сварки между собой соединяют однородные и разнородные металлы, их сплавы, некоторые керамические материалы и пластмассы. Сварка является одним из наиболее широко распространенных технологических процессов в машиностроении, строительстве, ремонтном деле.

Преимуществами большинства способов сварки являются их высокая производительность и прочность сварных соединений, во многих случаях достигающая прочности цельного металла. К недостаткам сварки следует отнести стоимость специального оборудования (иногда довольно значительную), необходимость нагрева металла до высоких температур и применения больших давлений.

Соединение, полученное при сварке, характеризуется непре­ рывной структурной связью и монолитностью строения, достигае­ мыми за счет образования атомно-молекулярных связей между элементарными частицами соединяемых твердых тел. Неразъем­ ное монолитное соединение, образуемое при сварке, называется

сварным соединением.

Под пайкой понимают преимущественно процесс соединения металлов (хотя возможна пайка и некоторых неметаллических материалов), занимающий промежуточное положение между сваркой и склеиванием. Обычно все же считают, что пайка ближе

к сварке, и рассматривают ее как способ соединения металлов, примыкающий к сварке плавлением. Соединение производится

спомощью сравнительно легкоплавкого металла, называемого припоем. Температура плавления его должна быть ниже, чем соединяемого металла. Расплавленный припой наносится на хо­ рошо зачищенные кромки соединяемых частей, смачивает их и после затвердения образует соединение. Припои и соединяемые металлы весьма разнообразны, что обусловливает резкие разли­ чия в процессе пайки и характере получаемых соединений. Су­ щественную роль играет способность припоя хорошо смачивать основной металл. Чаще всего основной составной частью припоев служат олово, медь, серебро. Наиболее характерной особенно­ стью пайки, отличающей ее от сварки плавлением, является то, что применяемый в ней основной металл, не расплавляясь, сма­ чивается жидким припоем.

Для пайки исключительно важна подготовка поверхности металла. Поэтому почти всегда применяются флюсы для очистки поверхности металла от оксидов и других загрязнений и усиления адгезии (прилипания) жидкого припоя к твердому металлу.

Преимуществами пайки являются сравнительно небольшой нагрев металла, возможность механизации и обеспечения высокой производительности процесса, достаточная прочность соединений. К недостаткам способа можно отнести трудности, связанные

спайкой изделий больших размеров, довольно высокую стои­ мость припоев, необходимость точной пригонки и очистки со­ единяемых поверхностей.

От склеивания пайка отличается наличием взаимодействия припоя с основным металлом и характером затвердения припоя. Слой расплавленного припоя практически не оказывает сопро­ тивления сдвигу. Прочность соединения возрастает скачком при

затвердении припоя.

Склеивание — это самый универсальный способ соединения твердых материалов за счет сил молекулярного сцепления. Склеивать можно дерево, металлы, пластмассы, бетон, стекло, резину и др., а также разнородные материалы, например метал­ лы с деревом, пластмассами, резиной и т.д.

В настоящее время наиболее известны клеи из различных орга­ нических соединений. Клей вводится между соединяемыми час­ тями обычно в жидком виде, реже — в виде твердого порошка

и пластинок, размягчаемых нагреванием. Введенный жидкий клей вследствие испарения растворителя и химических реакций постепенно затвердевает. В отличие от припоев он с самого на­ чала обладает некоторой, хотя и незначительной, прочностью, позволяющей удерживать соединяемые детали в определенном положении. По мере затвердевания клея прочность его постепен­ но растет и достигает максимума. Склеивание почти полностью основано на адгезии, причем клей не взаимодействует с соединяе­ мым материалом. Прочность соединения может быть довольно высокой. При правильном склеивании разрушение во время ис­ пытаний происходит или по соединяемому материалу, или по про­ слойке клея. Отделение клея от материала на границе раздела служит признаком неудовлетворительного склеивания.

Преимуществами данного способа являются простота, не­ большая стоимость и высокая универсальность, позволяющие соединять чрезвычайно широкий круг материалов в самых раз­ нообразных сочетаниях.

Процесс образования соединения 18 .2 . при сварке

Процесс образования соединения при сварке происходит в три стадии. На первой стадии достигается физический контакт, т.е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, необходимые для межатомного взаимодействия. На второй ста­ дии происходит химическое взаимодействие и заканчивается процесс образования прочного соединения. Эти две стадии ха­ рактерны для микроучастков. В микрообъемах процесс сварки завершается третьей стадией — диффузией.

Для качественного соединения материалов необходимо обес­ печить контакт по большей части стыкуемых поверхностей и их активацию. Активация поверхностей состоит в том, что поверх­ ностным атомам твердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая для обрыва связей между атомами тела и атомами внешней среды и для повышения энергии поверхностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания, т.е. для перевода их в активное состояние. Такая энергия может быть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упругопластической

деформации (механическая активация) и других видов воздей­ ствия.

При сварке плавлением и пайке сближение атомов твердых тел осуществляется вследствие смачивания поверхностей тел жидким металлом (припоем, расплавом), а активация поверхно­ сти твердого металла — путем сообщения ее частицам тепловой энергии. Жидкий металл может растекаться по всей поверхно­ сти тела и обеспечивать соприкосновение и прилипание его мо­ лекул и молекул поверхностного слоя твердых тел.

При сварке плавлением металл соединяемых элементов (рис. 18.1, а) в месте сварки доводится до жидкого состояния теплотой, при этом происходит локальное расплавление основ­ ного (свариваемого) металла по кромкам соединяемых элементов. Сварка может осуществляться за счет расплавления основного металла или основного и дополнительного (присадочного) метал­ лов. В практике преимущественное применение находит второй вариант.

Q

Рис. 18.1. Схема образования сварного соединения при сварке плавлением:

а — соединяемые детали; б — сварочная ванна; в — кристаллизация; г, д — структура шва

Расплавленные основной и дополнительный металлы само­ произвольно, без приложения внешних сил, сливаются в об­ щую сварочную ванну (рис. 18.1, б), смачивающую оставшуюся твердую поверхность соединяемых элементов. При этом проис­