Ермолаев Технологические процессы в машиностроении 2011

жения, как при обычных методах механической обработки резанием. Электролит подают в зону обработки через сопло (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Схема анодно-механической обработки плоской поверхности

При пропускании через раствор электролита постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворения, как при электрохимической обработке. При соприкосновении инстру- мента-катода с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки-анода происходит процесс электроэрозии, присущий электроискровой обработке. Кроме того, при пропускании электрического тока металл заготовки в точке контакта с инструментом разогревается так же, как при электроконтактной обработке, и материал заготовки размягчается. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки при относительных движениях инструмента и заготовки.

Анодно-механическим методом обрабатывают заготовки из всех токопроводящих материалов, высокопрочных и труднообрабатываемых металлов и сплавов, вязких материалов.

В станках для анодно-механической обработки используют системы ЧПУ. По программе осуществляется управление скоростями движений заготовки и инструмента, поддерживается постоянство зазора в рабочем пространстве между ни ми, задаются параметры электрического режима при переходе с черновой обработки на чистовую.

Анодно-механическим методом (рис. 9.12) разрезают заготовки на части (а), прорезают пазы и щели, обтачивают поверхности тел вращения (б), шлифуют плоские поверхности и поверхности,

231

имеющие форму тел вращения (в), полируют поверхности, затачивают режущий инструмент.

Рис. 9.12. Примеры анодно-механической обработки

Химические методы обработки деталей. Сущность химиче-

ской обработки заготовок состоит в направленном раз рушении металлов и сплавов травлением их в растворах кислот и щелочей.

Перед травлением обрабатываемые поверхности заготовок тщательно очищают Поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покрытиями (окрашивают лаками и красками применяют химические и гальванически покрытия, светочувствительные эмульсии).

Подготовленные к обработке заготовки опускают в ванну с раствором кислоты или щелочи в зависимости от материала, из которого они изготовлены. Незащищенные поверхности заготовок подвергают травлению. Чтобы скорость травления была постоянной, а это позволяет определять время удаления припуска, концентрацию раствора поддерживают неизменной. В целях интенсификации процессе травления раствор подогревают до температуры 40–80 °С. После обработки заготовки промывают, нейтрализуют, еще раз промывают горячим содовым раствором и удаляют защитные покрытия.

Химическим травлением получают местные утонения на нежестких заготовках, ребра жесткости, извилистые канавки и щели, «вафельные» поверхности, обрабатывают поверхности труднодоступные для режущего инструмента.

232

Химико-механическим методом обрабатывают заготовки из твердых сплавов. Заготовки приклеивают специальными клеями к пластинам и опускают в ванну, заполненную суспензией, состоящей из раствора сернокислой меди и абразивного порошка. В результате обменной химической реакции на поверхностях заготовок выделяется рыхлая металлическая медь, а кобальтовая связка твердого сплава переходит в раствор в виде соли, освобождая тем самым зерна карбидов титана, вольфрама и тантала.

Медь вместе с карбидами сошлифовывается присутствующими в растворе абразивным порошком. В качестве инструмента используют чугунные диски или пластины.

Карбиды удаляются в результате относительных движений инструменты и заготовок .

Химико-механическую обработку применяют разрезания и шлифования пластинок из твердого сплава, доводки твердосплавного инструмента.

9.2. Термическая обработка в технологическом процессе изготовления изделий

Основной задачей термообработки заготовок являются изменения структуры и свойств их материала, направленные, в подавляющем большинстве случаев, на получение более мелкого зерна. Термической обработке подвергают слитки, отливки, поковки, сварные соединения, заготовки, получаемые из проката, а также детали, изготовляемые из разнообразных металлов или сплавов. Но так как наиболее распространенными материалами в машиностроении являются стали, то суть и результаты различных способов термической обработки будет достаточным изложить на примере деталей из стали.

Основными видами термической обработки заготовок из сталей являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг заготовок из сталей проводят для снижения твердости повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. При отжиге полностью устраняются остаточные напряжения

233

Отжиг проводят нагревом заготовок до температуры, превышающий Ас3 на 30–50 °С, и после сквозного нагрева заготовки охлаждают. Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легированности стали. Для углеродистых сталей скорость Осаждения составляет 100–200 °С/ч, для легированных сталей – 50–70 °C/ч.

Врезультате отжига в фасонном литье устраняется грубозернистая структура, снижающая механические свойства заготовки. В катаных и кованых заготовках устраняются последствия различия условий деформирования и охлаждения их различных частей, структура материала приобретает однородность.

Нормализация отличается от отжига условиями охлаждения

после нагрева до температуры на 50–70 °С выше Ас3 заготовку из стали охлаждают на воздухе. Нормализация сообщает стали более высокую прочность, чем отжиг, из-за большей скорости охлаждения.

Легированные конструкционные стали после нормализации приобретают высокую твердость, затрудняющую в дальнейшем обработку резанием, и нуждаются в последующем отпуске.

Структура нормализованных сталей из-за большей скорости, охлаждения отличается от структуры отожженных статей и в значительной мере зависит от размеров заготовок и сечений их отдельных частей.

Закалку заготовок из сталей ведут для получения структур наивысшей твердости. При последующем отпуске твердость может быть снижена, но повышена пластичность.

Взависимости от температуры нагрева закалку называют полной или неполной. При полной закалке заготовку нагревают выше

критической температуры Ас3; при неполной закалке температура нагрева находится в промежутке между Ас1 и Ас3. Выбор вида закалки зависит от исходной структуры стали и механических свойств, приобретаемых в результате закалки.

Охлаждение при закалке осуществляется погружением закаливаемой заготовки в воду или масло, имеющих температур 20–25 °С. Значительные напряжения разного рода, обусловленные неравномерностью упругих и пластических деформаций при нагревании и

234

охлаждении заготовки, изменениями объемов при фазовых превращениях и др., могут привести к возникновению закалочных трещин и короблению заготовок. Уменьшению остаточных напряжений в материалах заготовок в значительной мере могут способствовать закалка в двух средах и ступенчатая закалка.

Заготовки из легированных сталей, для которых температура конца мартенситного превращения значительно ниже 20–25 °C подвергают обработке холодом сразу же после закалки. Температура охлаждения этих заготовок может находиться в диапазоне от - 40– 196 °С.

При закалке невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины заготовки, поэтому сталь способна закаляться лишь на определенную глубину. Эту способность называют прокаливаемостью, а степень прокаливаемости условились характеризовать глубиной материала, на которую распространяется не менее 50 % мартенсита. Прокаливаемость одной и той же марки стали в зависимости от изменений химического состава, температура нагрева, размера и формы детали колеблется в широких пределах и отражается на механических свойствах детали.

Вряде случаев целесообразно упрочнять только поверхностные слои заготовки. Тогда до закалочной температуры нагревают только тот слой и быстро охлаждают его, оставляя сердцевину незакаленной. Нагрев осуществляют газопламенным способом, токами высокой частоты, низкотемпературной плазмой, лазером. Охлаждают водой следом за движущимся тепловым индуктором. Регулируя скорость движения индуктора, сообщаемую тепловую энергию

искорость охлаждения, изменяют глубину и свойства закаленного слоя

Отпуск осуществляют при нагреве заготовки до температур, не

превышающих уровень Ас1. Во время отпуска идут структурные изменения, обеспечивающие большую пластичность материала и снятие остаточных напряжений.

Взависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий при 120–250 °С, средний при 350–450 °С и высокий при 500–680 °С. Каждому виду отпуска соответствует своя продолжительность выдержки. При низком отпуске продолжитель-

235

ность выдержки составляет 0,5–2 ч, хотя при нагреве до 100–120 °С выдержка может доходить и до 10–15 ч. Такой режим отпуска применяют, тогда нежелательно падение твердости, достигнутой в результате закалки.

Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет от 1 до 2 ч для деталей небольшой массы и от 3 до 8 ч для деталей массой от 200 до 1000 кг.

Так как структура отпускаемой стали формируется в период выдержки при температуре отпуска, то скорость охлаждения не влияет на структурное состояние стали. Обычно охлаждают заготовки на воздухе.

Комплексную термическую обработку заготовок из конструкционных сталей, состоящую из полной закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Получение требуемых свойств материала заготовки, подвергаемой термообработке, зависит от химического состава стали, степени ее однородности и чистоты, наличия остаточных напряжений, формы и размеров заготовки. В неменьшей мере свойства материала зависят от правильного выбора и соблюдения режимов термообработки: скорости и температуры нагрева заготовки, длительности выдержки, скорости охлаждения, охлаждающей среды. Всякое несоответствие режимов термообработки исходным свойствам материала заготовки может привести к возникновению различных дефектов.

Вопросы для самоконтроля

1.Какова физическая сущность электроэрозионных методов обработки материалов?

2.Каковы физико-механические свойства материалов заготовки, обрабатываемой ультразвуком?

3.Назовите область применения электрохимической обработки.

4.Объясните физическую сущность эффекта магнитострикции.

5.Назовите области применения анодно-механической обработки.

236

Тема 10. ИЗНОСОСТОЙКИЕ И АНТИКОРРОЗИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ

Гальванические покрытия деталей машин применяют как защитные, декоративные, износостойкие и технологические. Процесс на несения покрытия состоит из операции подготовки поверхности перед покрытием, нанесения его и полирования (если нужно). Подготовка поверхности деталей перед покрытием включает шлифование, полирование и обезжиривание. Гальваническое покрытие производят при напряжении 10 В и плотности тока до 10 А/дм2. Характеристика гальванических покрытий приведена в табл. 10.1.

Покрытие никель-кобальтовыми сплавами повышает твердость, цинк-кадмиевыми сплавами повышает коррозионную стойкость, свинцово-оловянными сплавами уменьшает пористость и улучшает внешний вид. Эти покрытия наносят гальванотермическим или термодиффузионным способами. Сущность последнего заключается в том, что отдельные металлы наносят на деталь последовательно, а при дальнейшем нагреве они взаимно диффундируют, образуя покрытие из сплавов смешанного состава.

Оксидные и фосфатные покрытия стальных деталей получают термическим, химическим и электрохимическим способами. Термический способ заключается в нагреве детали на воздухе, в среде водяного пара или в расплавленной селитре. При этом на поверхности детали образуется пленка толщиной около 1 мкм, которая в зависимости от температуры оксидирования имеет различную окраску. Воздушно-термический способ используют для получения тонких пленок на деталях электротехнической аппаратуры.

К химическим способам относится щелочное и кислое оксидирование. В первом случае стальные детали обрабатывают в горячем концентрированном растворе едкой щелочи, содержащем окислители; во втором случае раствор содержит ортофосфорную кислоту и окислители. Бесщелочное оксидирование по сравнению с щелочным сокращает продолжительность обработки деталей в 2–3 раза, повышает прочность пленки и стойкость ее против коррозии.

237

Примечание. Минимальная шероховатость поверхности после покрытия достигается полированием.

238

Оксидные пленки на стальных деталях, получаемые этим способом, вследствие малой толщины (0,8–3 мкм) и пористости не являются надежной защитой от коррозии. Защитную способность повышают покрытием лака. Химическим способом можно оксидировать детали из алюминия, магния, меди, цинка и их сплавов. Оксидирование используют для отделки деталей приборов, инструмента и изделий широкого потребления.

Электрохимическое оксидирование деталей из черных и цветных металлов и сплавов производят в растворе едкой щелочи. Процесс протекает при более низкой температуре и сопровождается меньшим расходом химикатов, чем при химическом щелочном оксидировании. Детали, подвергаемые оксидированию, являются анодом. Их предварительно очищают от следов коррозии и обезжиривают, а после оксидирования промывают в воде. Декоративное оксидирование продолжается 30–40 мин; для получения пленок, стойких против коррозии, время увеличивают до 1,5–2 ч.

При фосфатировании на поверхности детали химическим путем создают пленку нерастворимых фосфорнокислых солей марганца и железа или железа и цинка. В зависимости от структуры фосфатной пленки и метода подготовки к покрытию толщина ее 2–15 мкм. Ускоренный способ фосфатирования известен под названием бондаризации. Фосфатировать можно детали из черных, цветных и легких металлов.

Покрытие напылением (металлизацию) производят распылением расплавленного металла струей сжатого воздуха. Движущиеся со скоростью 100–150 м/с частицы металла ударяются о поверхность детали и сцепляются с ней, образуя слой прочного мелкопористого металлического покрытия. Нанесенный слой хрупок, но хорошо сопротивляется сжатию. Его толщина изменяется от нескольких сотых до 3–4 мм. Деталь с напыленным слоем можно обтачивать и шлифовать. Этим методом производят защитнодекоративные, антифрикционные и жаростойкие покрытия, восстанавливают изношенные детали и исправляют дефекты отливок. Металл расплавляют ацетилено-кислородным пламенем (газовая металлизация) либо дугой (электрометаллизация). Исходным материалом служит металлическая проволока. Реже используют аппа-

239

раты, работающие на расплавляемых порошках. Покрываемую поверхность очищают от масла и окислов. Пескодувной обработкой или грубым обтачиванием создают условия для лучшего сцепления с напыленной поверхностью.

Пластмассы используют в качестве декоративных, антикоррозионных и антифрикционных покрытий. Их наносят газопламенным или вихревым способом. В качестве исходных материалов служат термопластичные пластмассы (полиэтилен, полипропилен, поли амид, капролактам, поливинилбутираль, фторопласт, полиуретан) в виде мелкодисперсного порошка, переходящего при нагреве в вязкотекучее состояние. Толщина покрытий 0,15 – 0,35 мм. Заготовки перед напылением нагревают до температуры 180–300 °С в зависимости от применяемом пластмассы. Продолжительность напыления 2–5 с. Пластмассовые покрытия позволяют использовать углеродистые стали вместо легированных и цветных металлов.

Готовые детали, передаваемые на длительное хранение или транспортировку, подвергают консервации. Консервацию производят нанесением антикоррозионной смазки (технический вазелин, пуш-сало и др.) с помощью кистей, окунанием в подогретый состав или пульверизацией. Применяют также нанесение антикоррозионных лаков, смываемых при расконсервации бензином или другими растворителями. Эффективна консервация погружением деталей в ванну с 30 %-ным раствором нитрита натрия при температуре 40– 50 °С в течение 2–3 мни, а также упаковкой в оберточную бумагу, пропитанную 10 %-ным раствором нитрита натрия или другими ингибиторами коррозии.

Вопросы для самоконтроля

1.В каком порядке следует расположить известные вам способы наплавки по степени уменьшения коробления детали?

2.Какой из способов наплавки обладает наибольшей производительностью?

3.В чем заключаются принципиальные отличия процессов наплавки от напыления и металлизации?

240