Posobie_TKM

Иной способ формирования покрытий при нагреве в печах. В этом случае нагретая деталь контактирует с материалом покрытия, находящимся в виде порошка или газовой фазы. Получаемое таким методом покрытие имеет высокую адгезию к поверхности детали за счет активных диффузионных процессов, происходящих в период длительной выдержки в печи при высокой температуре. Все большее распространение получают ионно-плазменные методы напыления износостойких и декоративных покрытий.

4.5. Пайка

Пайка – процесс получения неразъемного соединения заготовок без их расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с последующей его кристаллизацией. Расплавленный припой затекает в специально создаваемые зазоры между деталями и диффундирует в металл этих деталей. Протекает процесс взаимного растворения металла деталей и припоя, в результате чего образуется сплав, более прочный, чем припой. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, типа соединения.

Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть дешевым. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава. По температуре плавления припои подразделяют на особо легкоплавкие (температура плавления ниже 1450С), легкоплавкие (145…4500С), среднеплавкие (450…11000С) и тугоплавкие (выше 10500С). К особо легкоплавким и легкоплавким припоям относятся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, олова, цинка, свинца. К среднеплавким и тугоплавким относятся припои медные, медно-цинковые, медно-никелевые, с благородными металлами (серебром, золотом, платиной). Припои изготавливают в виде прутков, листов, проволок, полос, спиралей, дисков, колец, зерен, которые укладывают в место соединения.

При пайке применяются флюсы для защиты места спая от окисления при нагреве сборочной единицы, обеспечения лучшей смачиваемости места спая расплавленным металлом и растворения металлических окислов. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура, плавиковый шпат, борная кислота, канифоль, хлористый цинк, фтористый калий. Пайку точных соединений производят без флюсов в защитной атмосфере или в вакууме.

Взависимости от способа нагрева различают пайку газовую, погружением (в металлическую или соляную ванну), электрическую (дуговая, индукционная, контактная), ультразвуковую.

Вединичном и мелкосерийном производстве применяют пайку с местным нагревом посредством паяльника или газовой горелки. В крупносерийном и мас-

131

совом производстве применяют нагрев в ваннах и газовых печах, электронагрев, импульсные паяльники, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты.

Перспективным направлением развития технологии пайки металлических и неметаллических материалов является использование ультразвука. Генератор ультразвуковой частоты и паяльник с ультразвуковым магнитострикционным вибратором применяются для безфлюсовой пайки на воздухе и пайке алюминия. Оксидная пленка разрушается за счет колебаний ультразвуковой частоты.

Процесс пайки включает подготовку сопрягаемых поверхностей деталей под пайку, сборку, нанесение флюса и припоя, нагрев места спая, промывку и зачистку шва.

Детали для пайки тщательно подготавливаются: их зачищают, промывают, обезжиривают. Зазор между сопрягаемыми поверхностями обеспечивает диффузионный обмен припоя с металлом детали и прочность соединения. Зазор должен быть одинаков по всему сечению. Припой должен быть зафиксирован относительно места спая. Припой закладывают в месте спая в виде фольговых прокладок, проволочных контуров, лент, дроби, паст вместе с флюсом или наносят в расплавленном виде. При автоматизированной пайке – в виде пасты с помощью шприц-установок. При возможности предусматриваются средства механизации – полуавтоматы и автоматы для газовой, электрической пайки.

Паяные соединения контролируют по параметрам режимов пайки, внешним осмотром, проверкой на прочность или герметичность, методами дефекто- и рентгеноскопии.

132

ГЛАВА 5. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ)

Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаимного расположения и шероховатости поверхностей детали.

Механическая обработка поверхностей заготовок является одной из основных завершающих стадий изготовления деталей машин. Заготовками для обработки резанием служат прокат, отливки, поковки, штамповки и др.

К резанию металлов относятся различные технологические операции, осуществляемые на металлорежущих станках или вручную металлорежущим инструментом. Для снятия с обрабатываемого изделия стружки предназначен режущий инструмент.

5.1.Физико-механические основы обработки резанием

5.1.1.Классификация движений при механической обработке

Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщать относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают на рабочих органах станков, обеспечивающих движение.

Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя материала или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания.

Выделяют главное движение – определяет скорость деформирования материала и отделения стружки (Dr) и движение подачи – обеспечивает врезание режущей кромки инструмента в материал заготовки (Ds). Движения могут быть непрерывными или прерывистыми, а по характеру – вращательными, поступательными, возвратно-поступательными. Движения подачи: продольное, поперечное, вертикальное, круговое, окружное, тангенциальное.

Рис. 5.1. Схемы обработки заготовок:

а – точением; б – шлифованием на круглошлифовальном станке; в – сверлением

133

Установочные движения – движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя металла.

Вспомогательные движения – транспортирование заготовки, закрепление заготовки и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов.

В процессе резания на заготовке различают следующие поверхности (рис. 5.1, а): обрабатываемую поверхность 1; обработанную поверхность 3; поверхность резания 2.

5.1.2. Методы формообразования поверхностей при механической обработке

Пространственная форма детали определяется сочетанием различных поверхностей (плоскостей, цилиндрических, конических, шаровых и иных поверхностей более сложных форм). Любая геометрическая поверхность может быть определена как совокупность последовательных положений следов одной производящей линии, называемой образующей, движещейся по другой производящей линии, называемой направляющей. Данные линии воспроизводятся комбинацией движений заготовки и инструмента и согласуются между собой.

Механическая обработка реализует четыре метода формообразования поверхностей (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Методы формообразования поверхностей

Обработка поверхностей по методу копирования (рис. 5.2, а) состоит в том, что режущая кромка инструмента соответствует форме образующей 1 обрабатываемой поверхности детали, а направляющая линия 2 воспроизводится вращением заготовки. Метод следов (рис. 5.2, б) состоит в том, что образующая линия 1 является траекторией движения точки вершины режущей кромки инструмента, а направляющая линия 2 – траекторией движения точки заготовки. В методе касания (рис. 5.2, в) образующей линией 1 является режущая кромка инструмента, а направляющей линией – касательная к ряду геометрических вспомогательных линий – траекторий точек режущей кромки инструмента. В методе обкатки (огибания) направляющая линия 2 воспроизводится вращением заготовки (рис. 5.2, г), а образующая линия 1 получается как огибающая кривая к ряду последовательных положений режущей кромки инструмента относительно заготовки благодаря согласованию двух движений подачи.

134

5.1.3. Режимы резания, шероховатость поверхности

При назначении режимов резания определяют скорости главного движения резания и подачи, и глубину резания.

Скоростью главного движения V называют расстояние, пройденное точкой режущей кромки инструмента в единицу времени (м/с).

Для вращательного движения: V = π · Dзаг · n / (1000 · 60),

где: Dзаг – максимальный диаметр заготовки (мм); n – частота вращения (мин-1). Для возвратно-поступательного движения: V = L · m · (k + 1) / (1000 · 60),

где: L – расчетная длина хода инструмента; m – число двойных ходов инструмента в минуту; k – коэффициент, показывающий соотношение скоростей рабочего и вспомогательного хода.

Подача s – путь точки режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один ход заготовки или инструмента. В зависимости от технологического метода обработки подачу измеряют в мм/об. для точения и сверления; мм/дв. ход для строгания и шлифования.

Глубина резания (t) – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендикулярно к обработанной поверхности (мм):

t = (Dзаг – d) / 2.

Шероховатость поверхности – совокупность неровностей с относительно малыми шагами. Шероховатость является характеристикой качества поверхностного слоя заготовки. Она оценивается несколькими параметрами, в частности критерием Ra – средним арифметическим отклонением профиля (средним арифметическим абсолютных значений отклонений профиля) в пределах определенной базовой длины обработанной поверхности. Допустимые значения шероховатости поверхностей деталей указываются на чертежах. Значение параметра Ra для разных технологических методов обработки лежат в следующих пределах: для предварительной черновой обработки – 100…22,5 мкм; для чистовой обработки – 6,3…0,4 мкм; для отделочной и доводочной обработки – 0,2…0,012 мкм.

Форма сечения срезаемого слоя материала рассматривается на примере обтачивания цилиндрической поверхности на токарном станке. На рис. 5.3 показаны два последовательных положения резца относительно заготовки за время одного полного ее оборота. Резец срезает с заготовки материал площадью поперечного сечения среза FABCD, называемой номинальной площадью среза FH.

В процессе резания участвуют одновременно два движения, поэтому траекторией движения вершины резца относительно заготовки будет винтовая линия. Начав резание в точке А, резец вновь встретится с этой образующей цилиндрической поверхности только в точке В. Следовательно, не вся площадь среза FABCD будет срезана с заготовки, а только ее часть, и на обработанной поверхности остаются микронеровности, определяемые геометрией треугольника АВЕ (площадью остаточного сечения FАВЕ). Остаточное сечение площади срезаемого слоя ма-

135

териала образует на обработанной поверхности совокупность микровыступов и микровпадин, что создает шероховатость поверхности.

Форма и размеры остаточного сечения срезаемого слоя материала зависят от sпр и t, углов φ и φ΄ и формы режущей кромки. Таким образом, шероховатость поверхности будет зависеть как от параметров процесса резания, так и от геометрии инструмента.

Рис. 5.3. Элементы резания и геометрия срезаемого слоя

5.1.4.Геометрические параметры режущего инструмента

иих влияние на процесс резания

Геометрические параметры режущего инструмента рассматриваются на примере токарного проходного резца, причем геометрия иных режущих инструментов может быть отождествлена с ним с учетом особенностей их конструкций и способов воздействия на материал заготовки.

Рис. 5.4. Элементы токарного резца

136

Токарный резец (рис. 5.4) имеет режущую часть I и присоединительную часть II, служащую для закрепления в резцедержателе. Режущая часть образуется: передней поверхностью лезвия 1 (по которой сходит стружка), задней поверхностью лезвия 2 (обращена к поверхности лезвия заготовки) и вспомогательной задней поверхностью лезвия 5 (обращена к обработанной поверхности заготовки).

Сочетание поверхностей образует: главную режущую кромку 3, вспомогательную режущую кромку 6 и вершину лезвия 4.

Геометрия инструмента может быть определена при помощи следующих углов (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Углы резца

Передний угол γ определяет врезание инструмента в материал. С увеличением угла уменьшаентся деформация срезаемого слоя, снижаются силы резания, повышается качество обработанной поверхности. Чрезмерное увеличение угла приводит к снижению прочности главной режущей кромки и увеличению ее износа.

Главный задний угол α уменьшает трение между главной задней поверхностью инструмента и поверхностью резания заготовки, что уменьшает износ по главной задней поверхности. Чрезмерное увеличение угла α приводит к снижению прочности режущей кромки.

Вспомогательный задний угол α΄ уменьшает трение между вспомогательной задней поверхностью инструмента и обработанной поверхностью заготовки.

Угол в плане θ оказывает влияние на шероховатость поверхности. С уменьшением угла шероховатость снижается, но при этом возникают вибрации и возрастают силы резания.

С уменьшением вспомогательного угла в плане θ΄ шероховатость снижается, увеличивается прочность и уменьшается износ резца.

137

5.1.5.Физическая сущность процесса резания

Вначальный момент процесса резания резец под действием силы P вдавливается в металл, что приводит к появлению упругих деформаций в зоне контакта. Далее, при продолжении процесса, деформации переходят в пластические. В прирезцовом слое заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние:

возникают нормальные ζу и касательные ηх напряжения.

Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пластической деформации, а ее рост – к сдвиговым деформациям, т.е. к смещению части кристаллитов относительно друг друга. Сдвиговые деформации происходят в зоне стружкообразования АВС, причем деформации начинаются по плоскости АВ и заканчиваются по плоскости АС, в которой завершается разрушение кристаллитов, т.е. скалывается элементарный объем металла и образуется стружка. Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент стружки. Условно считают, что сдвиговые деформации происходят по плоскости ОО, называемой плос-

костью сдвига, которая располагается под углом сдвига θ к направлению движения резца (θ ≈ 300). Характер деформирования срезаемого слоя зависит от физи- ко-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, геометрии инструмента, режима резания, условий обработки.

Рис. 5.6. Упругонапряженное состояние металла при обработке резанием

5.1.6. Контактные процессы, сопровождающие процесс резания

Процесс наростообразования. При обработке пластичных металлов резанием на передней поверхности лезвия инструмента скапливается металл, называемый наростом. Причина его образования – наличие силового взаимодействия, трения и температуры, вследствие чего металл стружки оседает на передней поверхности инструмента, причем размеры нароста постоянно меняются в процессе резания. Появляющийся нарост негативно влияет на параметры процесса резания, в первую очередь – на шероховатость и точность формируемой поверхности

138

за счет изменения геометрии инструмента, что особенно проявляется при чистовой обработке. Наростообразование зависит от свойств обрабатываемого металла, скоростей резания, применения смазывающе-охлаждающих жидкостей.

Упрочнение поверхностного слоя заготовки. Результатом упругого и пла-

стического деформирования материала обрабатываемой заготовки является упрочнение (наклеп) поверхностного слоя. Режущий инструмент имеет радиус скругления режущей кромки, отличный от нуля, причем его значение увеличивается по мере затупления инструмента. Можно считать, что процесс резания происходит по центру данного радиуса скругления, в результате чего задняя поверхность поверхность инструмента оказывает упругопластическое деформирование металла обработанной поверхности заготовки. Это приводит к изменению микроструктуры поверхностного слоя заготовки и появлению наклепа. Твердость обработанной поверхности может до двух раз превышать твердость исходной заготовки. Величина наклепанного слоя зависит от свойств металла заготовки, геометрии инструмента, параметров процесса резания.

Теплота и температура в зоне резания. В процессе обработки тепло гене-

рируется в зоне резания вследствие упругопластического деформирования материала, трения стружки о переднюю поверхность, трения инструмента об обрабатываемую и обработанную поверхности. Тепло в основном отводится стружкой и идет на нагрев заготовки и инструмента. Нагрев заготовки и инструмента является отрицательным явлением вследствие температурного воздействия на инструмент (структурные превращения в инструменте, снижение твердости, потеря режущих свойств) и потери геометрических размеров инструмента и заготовки при обработке из-за температурных деформаций. В итоге, ухудшается качество и точность обработанной поверхности. Для снижения влияния нагрева рекомендуется использовать смазочно-охлаждающие среды.

Износ режущего инструмента. Трение и температура при процессе резания являются причиной износа инструмента. В условиях сухого и полусухого трения преобладает абразивное изнашивание инструмента. Высокие температуры и контактные давления приводят к следующим видам изнашивания: окислительному (разрушению поверхностных оксидных пленок), адгезионному (вырыванию частиц материала инструмента стружкой или материалом заготовки вследствие их молекулярного сцепления), термическому (структурным превращениям в материале инструмента). Износ приводит к снижению точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей.

Вибрации в процессе резания. При процессе резания колебания возникают под действием внешних периодических сил (неуравновешенность вращающихся масс, особенности технологического оборудования) и непосредственно сил резания (вследствие изменения сил резания, величины трения, наростообразования, упругих деформаций инструмента и заготовки). Вибрации резко снижают качество обработанной поверхности, поэтому для снижения негативного действия вибраций применяют различные виды виброгасителей и иные мероприятия.

139

5.2.Инструментальные материалы

Косновным требованиям, предъявляемым к инструментальным материалам, относятся высокая твердость, теплостойкость и износостойкость, определенные механические и технологические свойства, дешевизна.

1. Для изготовления режущих инструментов применяются углеродистые инструментальные стали марок У7 - У13 и У7А - У13А. Содержат 0,7 - 1,3% С,

0,2 - 0,4% Mn и обладают высокой твердостью и прочностью, хорошо шлифуются при изготовлении инструмента, относительно дешевы.

Стали марок У7, У8, У9, У7А, У8А, У9А имеют высокую вязкость и применяют для изготовления рубящего (ударного) инструмента для работы по дереву (зубила, молотки и т.д.); из них также изготавливают пуансоны и кузнечные штампы. Стали марок У10-У13 и У10А-У13А обладают более высокой твердостью и износостойкостью. Их применяют для изготовления режущего инструмента (напильники, ножовочные полотна, стамески, долота, сверла, зенкеры, фрезы для мягких цветных металлов).

Для изготовления инструмента заготовки подвергают отжигу, для придания рабочих свойств инструмент подвергают закалке и низкому отпуску. Теплостойкость составляет всего 200-250°С, скорость резания - до 0,2 - 0,3 м/с.

2.Легированные инструментальные стали. Легированные инструменталь-

ные стали созданы на базе стали марки У10 путем добавлениия легирующих элементов (Si, Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, и т.д., но суммарно не более 5%). Легирующие элементы вводят для повышения закаливаемости, сохранения мелкозернистости

иулучшения прочности и вязкости стали. Например, хром увеличивает прокаливаемость, прочность и коррозионную стойкость, но понижает пластичность; никель повышает прочность, пластичность, ударную вязкость и прокаливаемость материала; вольфрам повышает твердость и теплостойкость материала; ванадий повышает прочность и твердость, способствуя образованию мелкозернистой структуры; кобальт увеличивает ударную вязкость и жаропрочность материала; молибден повышает упругость, прочность и теплостойкость материала; марганец

икремний, являясь легирующими элементами при содержании Mn более 1%, а Si

– более 0,5%, вводятся для увеличения прокаливаемости.

Легированных инструментальных сталей существует более 20 марок: X, 9ХC, XВГ, ХВ4, XB5, ХВСГ, 9ХФ, 11ХФ, 13X, В2Ф и др. Эти стали по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонностью к короблению. Для получения эксплуатационных свойств инструменты подвергают термической обработке: закалке и низкому отпуску.

Теплостойкость сталей невысокая (250 - 300°С), скорость резания составляет всего до 0,5 м/с. Из этих сталей изготавливают любой слесарный инструмент (рубящий, ударный, режущий), резцы, фрезы и сверла.

3.Быстрорежущие инструментальные стали. Относятся к высоколегиро-

ванным сталям, и для изготовления режущих инструментов широко используют-

140