Классификация технологических маршрутов изготовления разнофункциональных изделий из различных материалов. Учебное пособие

4.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Исходя из изложенного в п. 4.1 настоящего учебного пособия тех-

нологический маршрут изготовления прецизионных изделий будет иметь следующую структуру:

С→ ОД → ТОЗ → ООПФ → ТО → ОРО → ООП → Д. (4.1)

В(4.1) ОД – операции обработки давлением.

На первом этапе технологического маршрута изготовления прецизионных изделий исходные заготовки в виде слитков или горячекатаного проката подвергаются операциям обработки давлением с целью получения однородного химического и структурно-фазового состава по всему объему материала. Схемы пластического деформирования исходных заготовок определяются размерами и конфигурацией готового изделия в совокупности с его материалом.

После пластического деформирования заготовка подвергается различным видам отжигов для перевода заготовки в равновесное состояние, обеспечивающее наиболее благоприятную структуру и свойства под формообразующие операции обработочного производства, и в первую очередь обработку резанием.

Формообразующие операции обработочного производства также должны учитывать особенности обработки прецизионных изделий.

Так, в обработке резанием возрастает доля сверхскоростных процессов, позволяющих повысить скорости подачи в несколько раз. Среди новых процессов перспективны вибрационное и ударноимпульсивное резание, резание с опережающим пластическим деформированием, резание в оригинальных технологических средах, а также СОЖ под высоким давлением, «сухое» резание с минимальной смазкой. Если процессы резания из-за выделяющейся теплоты приводят к негативному изменению физико-механических свойств, то следует использовать процессы «холодного» резания, что предполагает взаимодействие инструмента и заготовки, при котором даже контактные температуры будут ниже критических. Так, при обработке

41

с отделением стружки последнее достигается минимизацией сечения среза, регулированием сил резания, применением различных технологических сред (например, охлажденные ионизированные газы).

Впроцессах финишной термической обработки следует реализовывать процессы, обеспечивающие стабильность структурнофазового состава материала при выполнении дальнейших операций размерной обработки и поверхностной обработки, а также при эксплуатации готовых прецизионных изделий. Речь идет о стабильности структуры материала изделия под действием температурно-силовых, циклических, физико-химических воздействий.

Впроцессах размерной обработки прецизионных изделий последние достижения связаны с применением таких процессов, как плазменно-механическая, гидролучевая обработка, комбинированные методы шлифования на основе использования традиционных методов обработки (электроэрозионных, электрохимических, эрозионнохимических), совмещение ультразвуковой и электроэрозионной обработок. Новый уровень размерной обработки может быть достигнут за счет комбинированного воздействия алмазно-абразивного, деформирующего и антифрикционного инструмента, что обеспечивает управление как геометрическими, так и физико-химическими параметрами поверхности изделий.

Впроцессах поверхностной обработки прецизионных изделий доминируют процессы, обеспечивающие формирование физикохимических и механических свойств либо во внутренних слоях, либо

втонких поверхностных слоях (пленках), соизмеримых с размерной точностью изделий. В первом случае это физические методы модификации поверхности, во втором это нанесение внешних покрытий

ввакууме (вакуумно-плазменные покрытия).

Пример: изготовить гладкий калибр-пробку для контроля отверстий прецизионных изделий диметром 30 мм по квалитету точности IT5. Основными требованиями к изделию являются: высокая износостойкость; постоянство размеров и формы инструмента в течение

42

длительного срока службы. Дополнительное требование – возможность получать низкую шероховатость поверхности и малую деформацию при термической обработке.

Исходя из перечисленных условий основными материалами для калибров-пробок являются стали марок Х, ХГ, ХВГ, 9ХС. Выберем сталь ХВГ.

Вкачестве исходных заготовок используются горячекатаные круглые прутки. Штучные мерные заготовки подвергают многопереходной горячей пластической деформации. На первых этапах производят операции свободной осадки с постоянным изменением направления приложения нагрузки (направление осадки заготовки). На завершающих этапах производят операцию ковки с круга на круг в фигурных вырезанных бойках для получения цилиндрической заготовки заданного размера.

Вкачестве термической обработки заготовки после обработки давлением проводят полный отжиг или рекристаллизационный отжиг для получения однородной структуры по химическому и структурнофазовому составу по всему объему заготовки.

Вкачестве формообразующей операции используют токарную обработку заготовки с учетом рекомендаций для обработки прецизионных изделий.

Финишную термическую обработку проводят таким образом, чтобы затруднить процесс старения сталей. Для этого закалку проводят с более низких температур. Инструменты подвергают обработке

холодом при минус 50–80 °С. Отпуск производят при 120–140 °С

втечение 24–48 часов. Инструменты повышенной точности подвергают неоднократному чередованию обработки холодом и кратковременного отпуска.

Окончательные рабочие размеры калибра-пробки с учетом его геометрии эффективно обеспечить операцией круглого наружного шлифования. Эта операция шлифования обеспечит точность изделия

всоответствии с квалитетом IT5 (на размер 30 мм допуск составляет 9 мкм) с шероховатостью Ra = 0,63–0,08 мкм.

43

Для повышения износостойкости калибра-пробки можно рекомендовать комплексную поверхностную обработку. На первом этапе провести пластическую поверхностную обработку обкаткой роликами или шариками. На втором этапе на рабочую поверхность калибрапробки нанести ионно-плазменные покрытия на основе тугоплавких металлов (нитрид хрома, нитрид циркония и т. п.) толщиной 2–3 мкм. После подобного комплекса операций поверхностной обработки ка- либр-пробка получит исключительно высокую износостойкость, а следовательно, и длительный ресурс эксплуатации.

Контрольные вопросы

1.Виды производств в зависимости от точности изделий.

2.Что такое квалитеты точности?

3.Сколько квалитетов точности регламентируется стандартами? Каково их обозначение?

4.Что такое прецизионные изделия?

5.Квалитеты точности для ультрапрецизионных изделий.

6.Квалитеты точности для прецизионных изделий.

7.Квалитеты точности для изделий общего машиностроения.

8.Роль металлургической наследственности при изготовлении прецизионных изделий.

9.Основные носители (параметры) металлургических наследственных признаков при изготовлении прецизионных изделий.

10.Основные носители (параметры) технологических наследственных признаков при изготовлении прецизионных изделий.

11.Основные барьерные процессы обработки для передачи отрицательных наследственных признаков в комплексных технологических процессах изготовления изделий.

12.Структура технологического маршрута изготовления прецизионных изделий.

44

Глава 5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Основные группы неметаллических материалов: пластмассы; неметаллические композиционные материалы; резинотехнические материалы; неорганические материалы (керамика); древесные материалы; клеи, лакокрасочные и уплотнительные материалы [7, 9, 10].

В практическом плане в качестве конструкционных материалов наиболее широко используются пластмассы, неметаллические композиционные материалы, резины.

Пластмассы

Пластмассы – неметаллические синтетические материалы, представляющие собой сложные композиции высокомолекулярных соединений (вещества с молекулярной массой более 5000), молекулы которых состоят из одинаковых групп атомов-звеньев.

Простые пластмассы – чистые полимеры.

Сложные пластмассы – смеси полимеров с различными добавками (наполнители, стабилизаторы, пластификаторы, отвердители, специальные добавки).

В зависимости от химического состава все пластмассы делятся на две большие группы: термопластичные пластмассы (термопласты); термореактивные пластмассы (реактопласты).

Термопласты способны многократно размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении без изменения своих свойств.

Основные группы термопластов:

–полиэтилены высокого давления (плотность более 0,94 т/м3, условная маркировка ПЭВД);

–полиэтилены низкого давления (ПЭНД);

–полипропилены (ПП);

45

–поливинилхлориды (ПВХ);

–полистиролы (ПС, ПСМ, УПС);

–фторопласты (Ф-1 и т. п.);

–полиамиды (ПА);

–поликарбонаты (ПК);

–стеклопластики (АБС).

Термопласты имеют линейную структуру. Под нагрузкой их деформация складывается из упругой, высокоэластичной деформации и деформации вязкого течения. Характерная особенность термопластов – чувствительность их механических свойств к воздействию температуры, длительности нагружения, скорости нагружения.

Реактопласты при нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения из-за наличия поперечных ковалентных связей между молекулами. Благодаря этому они не плавятся при нагреве, устойчивы против старения, химически стойки, водостойки.

Реактопласты получают на основе следующих синтетических смол: полиэфирных; эпоксидных; фенольных; полиуретановых; фенолформальдегидных; кремнийорганических; полиимидных; аминопластов.

Все реактопласты имеют низкую ударную прочность и поэтому используются с наполнителями: порошковые реактопласты; волокниты; слоистые пластики (гетинаксы, текстолиты, стеклотекстолиты).

Пластмассы обрабатывают в вязкотекучем состоянии, в высокоэластичном состоянии, в твердом состоянии.

Основные способы обработки пластмасс в вязкотекучем состоянии:

–прессование;

–формование;

–литье под давлением.

При обработке пластмасс в высокоэластичном состоянии используют прессование и формование.

Обработка пластмасс в твердом состоянии – операции обработки резанием, а также сварка и склеивание.

46

Неметаллические композиционные материалы

Композиционные материалы (КМ) – искусственные материалы, состоящие из нескольких различных по химическому составу компонентов (веществ), имеющие ярко выраженную границу между ними. КМ имеют свойства, отличные от свойств исходных компонентов: свойства определяются по закону аддитивности. КМ является неоднородным материалом в микрообъемах и однородным материалом в макрообъемах, при этом состав, форма и распределение компонентов запроектированы заранее, а количество компонентов должно быть более некоторого критического содержания. Компоненты не должны растворяться или иным способом поглощать друг друга.

Главное отличие КМ от традиционных сплавов заключается в том, как формируются конечные свойства материалов: по закону аддитивности для КМ; согласно закономерностям для твердых растворов, химических соединений и механических смесей для сплавов.

Неметаллические композиционные материалы – материалы с полимерной или керамической матрицей (основой) и наполнителями (упрочнителями) неметаллической природы.

Наиболее распространенными неметаллическими композиционными материалами являются волокнистые композиционные материалы (ВКМ).

Наибольшее распространение получили ВКМ с полимерной матрицей: эпоксидной, фенолформальдегидной, полиимидной. В качестве упрочнителей используются углеродные, борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, лент, жгутов, нетканых материалов.

Основные варианты обработки композиционных материалов

сполимерной матрицей:

–прессование;

–формование;

–намотка.

Композиционные материалы с керамической матрицей проходят обработку по циклу порошковой металлургии.

47

Резины

Резины – эластичные многокомпонентные материалы на основе каучука [8].

Основой резин является натуральный или искусственный каучук. Название резин определяется природой каучука: натуральная, изопреновая, бутадиеновая, бутадиенстирольная, бутиловая, полиуретановая и т. п.

Свойства резин определяются соотношением их компонентов. Компонентами резин являются: каучук; вулканизирующие вещества (сера); ускорители вулканизации (окись магния, окись цинка и др.); активаторы ускорителя (цинковые белила, магнезия); наполнители (порошкообразные, тканевые); противостарители (вазелин, воск, парафин и др.); смягчители и красители (стеариновая и олеиновая кислоты, канифоль, парафин, охра, ультрамарин и пр.).

Технология изготовления изделий из резин включает пластификацию каучука, смешивание компонентов и получение сырой резины (каландирование), формование сырой резины (выдавливание, прессование, литье под давлением, намотка); вулканизацию изделий.

5.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Технологичность неметаллических материалов существенно уже, чем материалов металлической природы. Технологии электрофизической и электрохимической обработки, термической обработки, высокие физические технологии для них неприемлемы. Соответственно структура технологического маршрута изготовления изделий из них специфична и будет существенно отличаться от таковой для металлических материалов.

В (5.1) ОДИ – операции доработки изделия.

48

Вариант ТМ15 предполагает получение готового изделия одним из методов заготовительного производства. Этот вариант наиболее эффективен при изготовлении изделий из термопластов. Исходное сырье в виде гранул после нагрева доводится до вязкотекучего состояния и легко формуется такими способами, как прессование (компрессорное, литьевое), литье под давлением, выдавливание (экструзия). За счет точных формообразующих деталей инструмента с высоким классом чистоты поверхности (низкая шероховатость) изготавливаются изделия нормального класса точности с высоким качеством поверхности и эстетическим видом. Кроме того, закладывая в формообразующий инструмент разнообразные металлические конструкции, можно получать изделия, армированные этими конструкциями (например, резьбовые вставки в пластмассовых изделиях для их последующего крепления). После формования требуется минимальная доработка изделия до готового, заключающаяся в удалении остатков литниковой системы. Для мелких и средних изделий такая операция осуществляется вручную, для крупных – требуется дополнительная оснастка.

Пример: изготовить ручку дверную из пластмассы марки УПС. Исходным сырьем является гранулированный состав ударопрочного полистирола.

Для обеспечения заданной цветовой гаммы ручки дверной в исходное сырье добавляется гранулированный краситель в соотноше-

нии 1:10.

Формование изделия осуществим способом литья под давлением на термопластавтоматах. Подготовленные с красителями гранулы полистирола засыпаются в бункер термопластавтомата и попадают в зону нагрева, где доводятся до вязкотекучего состояния. Затем подготовленная масса материала впрыскивается под давлением через узкий приемный канал в замкнутую полость пресс-формы со вставленными в соответствующие гнезда формообразующих деталей прессформы вставками с внутренней резьбой. После затвердевания материала изделия происходит раскрытие пресс-формы и изделие удаляется из зоны обработки. При заполнении бункера гранулами процесс

49

протекает в автоматическом режиме. Доработка ручки до готового изделия будет заключаться в удалении остатков литниковой системы (литников) вручную. При этом следы от удаленных литников располагаются на внутренней поверхности ручки. Данный процесс отличается высокой производительностью и высоким качеством изготовленных изделий.

Вариант 16 (ТМ16):

Технологический маршрут ТМ16 предполагает изготовление точных изделий (или конструктивных элементов изделий) из неметаллических материалов. Имеются в виду изделия 12-го и ниже квалитетов точности за счет операций размерной обработки. Однако следует иметь в виду, что данный технологический маршрут может быть реализован для неметаллических материалов, способных обрабатываться резанием.

Резанием обрабатываются пластмассы следующих групп [16]:

–винипласт (группа поливинилхлоридов);

–фторопласт-4 (фторопласты);

–стекло органическое (полиакрилаты);

–ПА6 (полиамиды);

–текстолит (фенолы);

–пенополистирол, пенокремнепласт (пенопласты).

Резанием обрабатываются резины с содержанием серы свыше 30 %. Это твердый материал, называемый эбонитом.

Вариант 17 (ТМ17):

Технологический маршрут ТМ17 предполагает выполнение финишных операций поверхностной обработки после получения изделий по маршрутам ТМ15 и ТМ16. Как правило, основная цель этих операций – нанесение металлических покрытий на изделия из неметаллических материалов для повышения износостойкости их поверх-

50