Материаловедение и технология конструкционных материалов

542 Раздел V. Сварочное производство

ется собственной частотой механической колебательной системы, выходная мощность составляет 0,01... 10,0 кВт.

При включении в цепь высокочастотного генератора преоб­ разователя создающееся в нем переменное магнитное поле при­ водит к возникновению в волноводе продольных упругих колеба­ ний, которые передаются в свариваемые детали. Под действием этих колебаний вблизи места сварки в металле возникают сдви­ говые деформации, которые разрушают оксидные пленки и обна­ жают ювенильные (чистые) поверхности металла. В результате на границе раздела соприкасающихся поверхностей свариваемых элементов осуществляется межатомное взаимодействие, образу­ ются общие зерна и в целом сварное соединение.

Процесс ультразвуковой сварки происходит при воздействии сдвигающих высокочастотных колебаний, давления, приложен­ ного перпендикулярно к поверхности деталей, и теплового эффек­ та, сопровождающего процесс сварки. В результате в зоне сварной точки наблюдается небольшая пластическая деформация.

Сварка ультразвуком имеет следующие преимущества:

□возможность соединения химически активных металлов или металлов, склонных образовывать хрупкие интерметаллические соединения;

□возможность соединения тонких и ультратонких деталей, приварки тонких листов и фольги к деталям неограниченной толщины.

20.8. Сварка взрывом

Сварка взрывом — это процесс соединения материалов, нахо­ дящихся в твердом состоянии, эа счет пластической деформации соударяющихся под углом поверхностей заготовок при воздей­ ствии импульса давления, создаваемого взрывом. Пластическая деформация в зоне соединения приводит к образованию физи­ ческого контакта и активации контактных поверхностей. Осо­ бенностью сварки взрывом является образование волнового профиля зоны сварки, что сопровождается увеличением поверх­ ности соединения. При этом происходит очистка свариваемых поверхностей от загрязнений и оксидов.

Сварка взрывом осуществляется соударением пластин, рас­ положенных под углом за счет метания одной из пластин сколь­ зящей по ее поверхности детонационной волной (см. рис. 8.5). Для осуществления процесса свариваемые пластины устанавли­ вают с зазором под углом а друг к другу (а= 0...70). Угловая схема используется при сварке небольших по длине толстых пластин, изгиб которых при метании и соударении невозможен. При мик­ росварке тонкой фольги применяют схему с обратным углом.

На практике большое распространение нашла схема с парал­ лельным расположением пластин (рис. 20.15). На метаемой (пла­ кирующей) пластине 3 располагают заряд взрывчатого вещества (ВВ) 2 толщиной Н . Пластину с помощью опор устанавливают с зазором h к неподвижной (плакируемой) пластине 4, которая лежит на основании 5 (асбестовая пластина, песок, грунт и т.п.). Инициирование процесса детонации заряда ВВ осуществляют электродетонатором 1. Детонация обусловлена распространени­ ем ударной волны, возбуждающей химическую реакцию. Переход взрывчатого вещества из твердого состояния в газообразное про­ исходит с выделением большого количества энергии.

Рис. 20.15. Схема сварки взрывом с параллельным расположением пластин

Метаемая пластина подвергается двойному изгибу и совместно с неподвижной пластиной — интенсивной пластической дефор­ мации в зоне соударения. Амплитуда волны в зоне соединения определяется режимами сварки и пластичностью метаемого ма­ териала. Чем выше пластичность метаемого материала, тем боль­ ший объем материала участвует в интенсивной пластической деформации в зоне соединения.

Сварка взрывом ведется без нагрева и с нагревом сваривае­ мых заготовок. Режимы сварки определяются пластическими характеристиками и гомологическими температурами сваривае­ мых материалов. При сварке взрывом материалов с резко разли­ чающимися физико-механическими свойствами тепловые про­ цессы, протекающие в зоне соединения, играют определяющую роль. Повышение уровня внутренней энергии и пластичности свариваемых материалов при нагреве приводит к увеличению объема материала, вовлекаемого в интенсивную пластическую деформацию в зоне соединения, что снижает плотность внут­ ренней энергии в этой зоне, облегчает условия отвода тепла и позволяет расширить диапазон режимов качественной сварки материалов с различающимися физико-механическими свойст­ вами. При сварке с нагревом заготовки размещаются в вакуум­ ном контейнере, что предотвращает интенсивное окисление поверхности (для тугоплавких материалов). Процесс сварки взрывом с нагревом полностью автоматизирован.

Сварка труб взрывом осуществляется по схеме внутреннего и наружного плакирования (рис. 20.16). Трубы устанавливают с зазором друг к другу. Заряд ВВ размещают соответственно внутри или снаружи метаемой трубы. При наличии в сварочном зазоре газа или воздуха в процессе сварки создается ударно-сжа- тый поток. Его взаимодействие со свариваемой поверхностью приводит к образованию на метаемой поверхности волнового профиля еще до соударения, что повышает прочность соеди­ нения.

Более эффективно наружное плакирование, которое сопрово­ ждается объемной пластической деформацией метаемой трубы и приводит к упрочнению материала. Если высокоскоростная деформация стальных труб происходит при сварке с нагревом выше температур фазовых превращений, то в структуре сталей наблюдается образование мартенсита деформации (как и при высокочастотной термомеханической обработке). Это приводит не только к повышению прочности, но и к сохранению пластич­ ности и вязкости материала. Для сварки взрывом с нагревом хрупких тугоплавких материалов (Cr, Mo, W) характерно фор­ мирование мелкозернистой ячеистой структуры с высокими физико-механическими свойствами.

Рис. 20.16. Схема внутреннего (а) и наружного (б) плакирования

трубы взрывом:

1 — электродетонатор; 2 — взрывчатое вещество; 3 — защитный элемент; 4 — плакируемая труба; 5 — плакирующая труба; 6 — сварочный зазор; 7 — оправка; 8 — защитный слой; 9 — матрица

Сваркой взрывом можно изготавливать волокнистые компо­ зиционные материалы, размещая в сварочном зазоре упрочняю­ щие элементы (волокна, высокопрочную проволоку); композиты из химически несовместимых компонентов, которые получить другими методами невозможно; панельные конструкции; полые обогреватели; сотовые конструкции; слоистые трубы; биметал­ лический инструмент; слоистые мишени для распылительных систем; переходники из разнородных материалов и др.

Сварка взрывом позволяет не только соединять большие по размерам поверхности листов, труб, заготовок и конструкций, осуществлять микросварку взрывом тонких фольг и элементов микроэлектроники, но и изготавливать биметаллические, слои­ стые, композиционные материалы с заданными свойствами (ме­ талл — стекло, керамика — металл и т.п.).

Сварку взрывом осуществляют в специальных камерах и на открытом пространстве. Она не требует сложного оборудования и может быть автоматизирована. Сварка взрывом является про­

межуточной операцией при прокатке, волочении, экструзии слои­ стых материалов.

Сварка взрывом не требует нагрева свариваемых частей и про­ текает независимо от площади соединения практически мгно­ венно, как это свойственно всем взрывным процессам, в течение миллионных долей секунды. Она позволяет получать монолитные соединения практически неограниченной площади. При этом процесс сварки осуществляется тем легче, чем больше отноше­ ние площади соединения к толщине метаемой части металла.

Раздел

VI

ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ

21.Классификация движений в металлоре­ жущих станках и методов формообразо­ вания

22.Металлорежущие станки

23.Отделочная обработка поверхностей

24.Электрофизические и электрохимические методы обработки

КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ В МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ

И МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

л

Понятие о движениях в металлорежущих станках и методах формообразования

Обработка материалов резанием — это технологический про­ цесс, при котором режущий инструмент удаляет с поверхности заготовки слой материала в виде стружки для получения необхо­ димой геометрической формы, точности размеров, взаимораспо­ ложения и шероховатостей поверхностей детали.

Обработка резанием сопровождается образованием значитель­ ных отходов металла в виде стружки. При обработке поковок, полученных на штамповочных молотах, коэффициент использо­ вания металла составляет в среднем 0,66, а полученных на криво­ шипных горячештамповочных прессах — 0,7. Если учесть потери металла при изготовлении поковок, то общие потери составят в среднем 0,42...0,7.

Процесс резания состоит в том, что обрабатываемая деталь

ирежущий инструмент перемещаются относительно друг друга,

иво время этого движения инструмент срезает с поверхности детали слой металла, превращая его в стружку. Совокупность относительных движений инструмента и заготовки, необходи­ мых для получения заданной поверхности, называют схемой обра­ ботки. Механизмы металлорежущих станков совершают рабочие, установочные и вспомогательные движения.

Рабочие движения обеспечивают срезание слоя металла или вызывают изменение состояния обработанной поверхности за­ готовки. К ним относятся главное движение и движение подачи (рис. 21.1). Главное движение резания Dr — прямолинейное по­ ступательное или вращательное движение инструмента или за­ готовки, происходящее с наибольшей скоростью в процессе реза­ ния и определяющее скорость снятия материала срезаемого слоя. Скорость главного движения обозначают и. Движение подачи Ds —

21. Классификация движений в станках и методов формообразования 549

а

Рис. 21.1. Движения, обеспечивающие процесс резания при точении (а), сверлении (б), фрезеровании (в) и строгании (г)

прямолинейное поступательное или вращательное движение ин­ струмента или заготовки, скорость которого меньше скорости главного движения резания. Оно предназначение для того, что­ бы распространить отделение слоя материала на всю обрабаты­ ваемую поверхность. Скорость движения подачи обозначают vs. Результирующее движение резания De — суммарное движение режущего инструмента относительно заготовки, включающее глав­ ное движение резания Dr и движение подачи Ds. Его скорость обозначают ve.

Движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя материала, называют установочными.

К вспомогательным движениям относят транспортирование заготовки, закрепление заготовки и инструмента, быстрые пере­ мещения рабочих органов станка.

Движения резания металлорежущих станков направлены на формообразование поверхностей. Достигается это согласованием скоростей движения заготовки и инструмента, как бы воспроиз­ водящих образующую и направляющую линии, совокупность по­ следовательных положений (следов) которых и предопределяет форму геометрической поверхности. Формообразование поверх­ ностей при обработке резанием достигается следующими четырь­ мя методами.

Метод следов (рис. 21.2, а) характеризуется использованием для формообразования обоихдвижений резания. Образующей линией 1 является траектория движения точки (вершины) резца, а траек­ тория движения точки заготовки — направляющей линией 2.

Рис. 21.2. Схемы методов формообразования поверхностей:

а — следов; б — касания; в — копирования; г— обкатки (огибания)

При методе касания (рис. 21.2, б) функции формообразующе­ го движения выполняет движение подачи. Образующей лини­ ей 1 является режущая кромка инструмента, а направляющей линией 2 — касательная к окружностям, представляющим тра­ ектории движения точек режущего инструмента в процессе его поступательного движения.

Главное движение при методе копирования (рис. 21.2, в) опре­ деляет формообразование. Образующей линией 1 является режу­ щая кромка инструмента, направляющая линия 2 воспроизво­ дится вращением заготовки.

Согласование двух движений подачи при методе обкатки (огибания) (рис. 21.2, г) дает возможность получить образующую линию 1 как огибающую кривую к последовательным положе­ ниям режущей кромки инструмента. Направляющая линия 2 воспроизводится вращением заготовки.