ткм

Наконец, магнитно-импульсная сварка – это образование соединения в результате соударения соединяемых частей, вызванного воздействием импульсного магнитного поля. Кратковременность действия импульса напоминает сварку взрывом. Соединение получается волнистым. Длительность импульсов такая же, как и при взрыве (10–100 мкс), однако давление на порядок ниже, чем при сварке взрывом. Магнитно-импульсная сварка – высокопроизводительный процесс, дающий хорошее качество соединения, в том числе герметичность и термостойкость. Можно сваривать разнородные материалы, например, алюминий и медь, медь и коррозионно-стойкую сталь и др.

19.2. Пайка материалов

Пайкой называют процесс соединения материалов в твѐрдом состоянии припоями, которые при температуре пайки находятся в расплавленном состоянии, смачивают поверхности для пайки, заполняют зазор между ними и в результате кристаллизации образуют паяный шов.

Пайка по сравнению со сваркой обладает рядом преимуществ. Не происходит существенных изменений химического состава и механических свойств соединяемых деталей. Остаточные деформации паяных соединений ниже, чем у сварных. Можно соединять разнородные материалы (даже металлы с неметаллами). С помощью пайки получают как неразъѐмные, так и разъѐмные соединения, что важно в производстве радиоэлектронной аппаратуры. Наконец, во многих случаях пайка экономичнее сварки.

Припой должен обладать не только хорошей смачиваемостью основного материала и хорошо растекаться по его поверхности, но и обладать достаточной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью в паре с основным материалом и быть не дефицитным и не дорогим. Существующие припои разделяют на пять групп: особо легкоплавкие (Tпл ≤ 145 оC), легкоплавкие (145 оC ≤ Tпл ≤ 450 оC), среднеплавкие (450оC ≤ Tпл ≤ 1 100 оC), высокоплавкие (1 100 оC ≤ Tпл ≤ 1 850 оC) и тугоплавкие (Tпл >1 850 оC). Широко применяются легкоплавкие оловянно-свинцовые припои (ПОС-61, ПОС-40, ПОС-18). Наряду с припоями при пайке для растворения и удаления оксидов с поверхности соединяемых деталей, а также для улучшения смачиваемости и растекания припоя применяют флюсы. В качестве флюса для пайки легкоплавкими припоями обычно применяют канифоль. Иногда применяют добавки, например, хлористый цинк.

Современные способы пайки классифицируют по следующим независимым признакам: удалению оксидной плѐнки, кристаллизации паяного шва, получению припоя, заполнения зазора припоем, источнику нагрева, наличию давления при пайке на детали и одновременности выполнения паяных соединений.

Основными операциями технологического процесса пайки являются: подготовка поверхностей под пайку, сборка деталей, укладка припоя, нанесение флюса, пайка, обработка соединения после пайки.

19.3. Получение неразъѐмных соединений склеиванием

Клеями называют сложные вещества на основе полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные плѐнки, хорошо прилипающие к различным материалам и дающие возможность получать относительно прочные неразъѐмные соединения. По сравнению с другими видами соединений клеевые соединения обладают рядом преимуществ. Они позволяют соединять разнородные материалы (металл, керамику, пластмассу, дерево) в различных сочетаниях. Клеевые швы атмосферостойкие, не подвержены коррозии, позволяют обеспечивать герметичность соединения. Масса конструкции практически не увеличивается. Клеевые соединения выдерживают относительно высокие и низкие температуры. К недостаткам можно отнести сравнительно низкую теплостойкость при длительной эксплуатации и низкую прочность при несимметричном нагружении и неравномерном отрыве.

Для приготовления клеев используют термопластичные и термореактивные полимеры. Клеи на основе термопластичных полимеров дают малопрочные соединения, разъединяющиеся с повышением температуры. Обычно их используют для склеивания бумаги, картона, тканей. Клеи на основе термореактивных полимеров дают более прочные соединения. К ним относят клеи на основе эпоксидных смол. Их применяют для склеивания различных металлических и неметаллических материалов. Клеи на эпоксидной основе выдерживают воздействие температур от -253 до +1 000 оС, длительно сохраняют прочность при эксплуатации, обеспечивают вакуумную плотность соединений и стойкость к циклическому тепловому воздействию. Также широко используют кремнийорганические, полиуретановые, резиновые и некоторые другие клеи.

Прочность клеевого соединения зависит от качества подготовки поверхности склеиваемых материалов. Для улучшения сцепления поверхность деталей зачищают наждачной бумагой, обезжиривают растворителями (спирт, ацетон). Оптимальная толщина клеевой плѐнки должна быть 0,1–0,6 мм.

ГЛАВА 20. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОЛУФАБРИКАТОВ И ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

К композиционным материалам, или композитам, относят не встречающиеся в природе материалы, которые обладают следующей совокупностью признаков: состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу или структуре и разделѐнных выраженной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов (при этом свойства определяются каждым из компонентов), неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе.

Как правило, материал формируется в процессе изготовления детали. Композиты можно классифицировать по различным признакам:

по виду структурных элементов (волокнистые, слоистые, дисперсноупрочнѐнные, псевдосплавы, эвтектические);

по материалу матрицы (металлическая, полимерная или керамическая); по типу ориентации армирующих элементов (хаотично армированные и

упорядоченно армированные);

по назначению (конструкционные, коррозионностойкие, антифрикционные, абляционные, пьезоэлектрические, теплозащитные и т. д.);

по отраслям применения (аэрокосмос, электроника, автомобиле- и судостроение, стоматология и т. д.).

В настоящее время наиболее широкое использование находят композиты на основе полимерных матриц (стеклопластики, углепластики и др.). Из композиционных материалов на основе металлических матриц перспективны: алюминий, армированный борными или углеродными волокнами; эвтектические композиты на основе никелевых сплавов и др.

20.1. Физико-технологические основы получения композиционных материалов

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку: компонент, обладающий непрерывностью по всему объѐму, называют матрицей; компонент прерывный, разделѐнный в объѐме композиционного материала, считают армирующим или упрочняющим.

В качестве матриц в композитах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органического или неорганического происхождения, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и еѐ эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокими прочностью, твѐрдостью и модулем упругости, превосходящими эти показатели у матрицы.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физикохимических свойств компонентов, но и прочности связи между ними. Обычно

компоненты выбирают со свойствами, значительно отличающимися друг от друга. Высокая надѐжность в работе конструкций из композиционных материалов связана с особенностями распространения в них трещин. В обычных сплавах трещина развивается быстро, и скорость роста ее в период работы детали возрастает. В композиционных материалах трещина обычно возникает и развивается в матрице и, встречая на своем пути армирующий элемент, прекращает свое развитие.

Выбор метода получения композиции из различных сочетаний матрицы и армирующего компонента определяется рядом факторов: размерами, профилем и природой исходных материалов матрицы и упрочнителя; возможностью создания прочной связи на границе раздела «матрица-упрочнитель»; возможностью получения равномерного распределения упрочнителя в матрице; возможностью совмещения процессов получения композита и изготовления из него деталей; экономичностью процесса.

Ниже приведены основы технологии изготовления полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов.

20.1.1. Изготовление полуфабрикатов и изделий из металлических композиционных материалов (МКМ)

Наибольшее распространение получили твѐрдофазные, жидкофазные, газопарофазные, химические и электрохимические процессы.

В качестве матриц для МКМ широко используются алюминий, магний, титан, никель, кобальт. Для твѐрдофазных методов характерно использование матрицы в твѐрдом состоянии преимущественно в виде порошка, фольги или компактного металла. Композит получают одним из следующих приѐмов: диффузионной сваркой под давлением; сваркой взрывом; деформационной обработкой под давлением; прессованием с последующим спеканием. Жидкофазные методы предусматривают получение МКМ путѐм совмещения армирующих волокон с расплавленной матрицей. К ним относят методы пропитки волокон жидкими матричными сплавами и метод направленной кристаллизации.

Газопарофазными способами наносят на армирующие волокна барьерные покрытия, обеспечивающие их защиту от разрушения при взаимодействии с материалами матрицы. Чаще всего материалом покрытий служат нитриды, бориды, оксиды и карбиды. Покрытия получают в результате либо разложения летучих карбонильных соединений металлов, либо испарения металлов и сплавов при воздействии электронного луча или ионных пучков. Для повышения производительности используют метод газотермического плазменного напыления. Прочность связи плазменных покрытий с основой ниже, чем покрытий, получаемых металлизацией, испарением или конденсацией в вакууме.

Электролитические методы позволяют получать МКМ в результате осаждения матричного материала на нитевидные кристаллы и волокна, которые непрерывно находятся в контакте с катодом.

Химические методы позволяют осаждать металлические покрытия на непроводящие ток упрочнители в виде нитевидных кристаллов (сапфир), а также на углеродные волокна. Сущность химического метода осаждения покрытий заключается в восстановлении ионов металлов на поверхности покрываемого вещества.

Изготавливать детали из композиционного материала целесообразно непосредственно в процессе производства композиции.

20.1.2. Особенности получения деталей из композиционных порошковых материалов

При получении МКМ методом порошковой металлургии матрица используется в виде порошка. Армирующими элементами могут служить нитевидные кристаллы, непрерывные или дискретные волокна, сетки, ткани из волокон и др.

Преимуществами метода являются возможность использования в качестве матрицы труднодеформируемых металлов, сплавов и соединений или их сочетаний, достижение высоких концентраций армирующей фазы, обеспечение в случае необходимости сочетания армирования с дисперсным упрочнением, использование оборудования, существенно не отличающегося от обычно применяемого в порошковой металлургии.

К недостаткам относятся: неравномерность распределения коротких волокон по объему детали из-за комкования в ходе перемешивания шихты с волокнами, возможность повреждения хрупких волокон при смешивании, уплотнении или деформации МКМ, повышенное содержание оксидов и других примесей из-за развитой поверхности матричных порошков.

20.1.3. Изготовление полуфабрикатов и деталей из эвтектических композиционных материалов (ЭКМ)

ЭКМ называются сплавы эвтектического состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образованные в процессе направленной кристаллизации. ЭКМ имеют высокую прочность, близкую к прочности нитевидных кристаллов, и термически стабильную структуру. Из ЭКМ можно получать заготовку и готовые детали за одну операцию при полном отсутствии трудоѐмких процессов изготовления волокон и их введения в матрицу. Недостатками ЭКМ являются ограниченность в варьировании объѐмного содержания армирующей фазы, повышенные требования к чистоте исходных материалов и точности соблюдения режима направленной кристаллизации, а также небольшие скорости роста кристаллов.

Из методов направленной кристаллизации для получения ЭКМ применимы лишь те, которые создают плоскую поверхность между жидкостью и кристаллизующимся телом, т. е. плоский фронт кристаллизации. Наиболее часто используется метод перемещения расплава в зоне с постоянным температурным градиентом (метод Бриджмена) и метод зонной плавки. Для образования направленной эвтектической структуры режим кристаллизации ЭКМ должен быть таким, чтобы направленная эвтектическая структура не

содержала первичных фаз в форме дендритов или ячеек. Для этого требуются высокие температурные градиенты и низкие скорости кристаллизации.

Форма выделяющейся фазы – волокнистая или пластинчатая – зависит от еѐ объѐмной доли в ЭКМ и скорости кристаллизации. При объѐмной доле армирующей фазы меньше 32 % образуется ЭКМ волокнистой структуры, а при большей еѐ концентрации – пластинчатой. Волокнистое строение предпочтительней с точки зрения прочности.

В системах (Al – Al3Ni), (Sn – Zn), (Pb – Ag) с уменьшением скорости направленной кристаллизации структура из волокнистой, переходит в пластинчатую. В эвтектиках (Ni – W), (Au – Co), (Al – Al4Ca) сплавов, наоборот, уменьшение скорости направленной кристаллизации приводит к появлению волокнистой структуры вместо пластинчатой.

20.1.4. Изготовление деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ)

Отличительной особенностью изготовления деталей из ПКМ является одновременность создания материала и детали. Детали сразу придают заданные форму и размеры. Технология включает следующие операции:

подготовку армирующего наполнителя; приготовление связующего; совмещение наполнителя со связующим; получение полуфабриката;

сборку и ориентацию слоев армирующего волокнистого наполнителя по форме детали;

уплотнение, отверждение, термообработку; механическую обработку заготовки; контроль качества изделия.

В производстве ПКМ используют как твѐрдые, так и жидкие связующие. Для улучшения проникновения связующего в нитеволоконное пространство применяют принудительную пропитку, например, с помощью отжимных роликов или ультразвук. После совмещения волокнистого наполнителя с полимерным связующим полученный материал подвергают тепловой обработке.

При контактном методе формования уплотнение материала осуществляется с помощью прикатного ролика, отверждение происходит без давления, а в случае опрессовки – при давлении 0,01–0,2 МПа. Таким методом можно изготовлять крупногабаритные изделия толщиной до 25 мм (корпуса лодок, катеров и пр.).

Широко применяется прессовый метод для получения листовых материалов, сложных и простых заготовок, подвергающихся дальнейшей механической обработке.

Вакуумный метод (давление 0,095 МПа) применим для изготовления деталей небольшой толщины.

Автоклавный (давление 0,5–7 МПа) и пресскамерный (давление 0,1–0,5 МПа) применяют для изготовления больших серий изделий с высокими требованиями по физико-механическим свойствам.

Многие изделия из волокнистых ПКМ могут быть изготовлены несколькими методами. Выбор метода определяется природой полимерного связующего и армирующих волокон, геометрией изделия, условиями эксплуатации и другими факторами. Решающим фактором часто является серийность изделия.

ГЛАВА 21. ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕЗИНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И ПОЛУФАБРИКАТОВ

Резины – это пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящийся в высокопластическом состоянии.

В качестве связующих используются натуральные и синтетические каучуки, обладающие высокой пластичностью. Чистый каучук, ползущий даже при комнатной температуре, не может применяться в готовых изделиях. Для повышения упругих и других физико-механических свойств в каучук вводят специальные химические вещества – вулканизаторы.

Получаются резины различной твѐрдости – мягкие, средней твѐрдости, твѐрдые.

Технология приготовления резиновых смесей состоит из ряда операций: подготовка ингредиентов, смешивание и получение полуфабрикатов требуемой формы. Подготовка ингредиентов включает нарезание каучука на куски и пластифицирование путѐм многократного пропускания через нагретые до 40– 50 оС валки. Смешивание проводят в резиносмесителях или на вальцовочных машинах. Полученная масса подвергается каландрированию на специальных машинах – каландрах. В результате получается сырая резина в виде листов или лент определѐнной толщины. Эти листы наматывают на деревянные бобины, на которых они могут храниться при 5–20 оС до 3–6 месяцев.

Из сырой резины методами прессования и литья под давлением изготавливают детали требуемой формы и размеров. Прессованием получают детали из сырой резины в специальных прессформах на гидравлических прессах как в холодном, так и в горячем состояниях. В последнем случае вулканизация протекает одновременно с формовкой. Этим способом можно получить кольца, муфты и другие изделия.

Более прогрессивным методом является литьѐ под давлением, в котором форма заполняется предварительно разогретой пластичной сырой резиновой смесью под давлением 30–150 МПа. Прочность резиновых изделий увеличивают армированием стальной проволокой, сеткой, капроном и другими материалами.

Завершающей стадией является вулканизация, обеспечивающая повышение прочности и упругости резины.

ГЛАВА 22. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ РЕЗАНИЕМ

22.1. Кинематические и геометрические параметры процесса резания

Обработка резанием – это процесс получения детали требуемой геометрической формы, размеров и шероховатости за счѐт механического срезания с поверхностей заготовки материала технологического припуска в виде стружки. В зависимости от используемого типа инструмента способы механической обработки подразделяются на лезвийные и абразивные. Отличительной особенностью лезвийной обработки является наличие у обрабатывающего инструмента острой режущей кромки определѐнной геометрической формы, а для абразивной обработки – наличие различным образом ориентированных режущих зѐрен абразивного инструмента, каждое из которых представляет микроклин.

К основным параметрам режима резания относятся скорость главного движения резания, скорость подачи и глубина резания.

Скорость главного движения резания (скорость резания) определяется максимальной линейной скоростью главного движения режущей кромки инструмента (в м/с). При вращательном главном движении:

VD ,

2

где D – максимальный диаметр обрабатываемой поверхности заготовки,

м;

ω – угловая скорость, рад/с.

При строгании и протягивании скорость резания υ определяется скоростью перемещения инструмента относительно заготовки. Подача инструмента определяется еѐ скоростью s. Подача на один оборот S0 = s /n (при точении, сверлении и пр.). При строгании подача определяется на ход резца. Глубина резания h определяется расстоянием по нормали от обработанной поверхности заготовки до обрабатываемой (мм). Глубину резания задают на каждый рабочий ход инструмента. При точении цилиндрических поверхностей глубину резания определяют как полуразность диаметров до и после обработки:

d 2 ,

где Dзаг – диаметр заготовки;

d – диаметр обработанной поверхности заготовки, мм.

Величины скорости резания, подачи и глубины резания определяют производительность и качество обрабатываемой поверхности. Геометрические параметры режущего инструмента определяются углами. Рассмотрим их на примере резца. На рис. 80 изображены координатные плоскости при точении и углы резца в статике:

главный передний угол γ – угол между передней поверхностью лезвия и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания;

главный задний угол α – угол между задней поверхностью лезвия и плоскостью резания;

угол заострения β – угол между передней и задней поверхностями:

.

2

угол наклона режущей кромки – угол в плоскости резания между режущей кромкой и основной плоскостью.

Рис. 80. Геометрические параметры токарного резца: а) координатные плоскости; б) углы резца в статике;

1 – плоскость резания Рn; 2 – рабочая плоскость Рs; 3 – главная секущая плоскость Рη; 4 – основная плоскость Рv

Углы в плане:

главный угол в плане – угол в основной плоскости между следом плоскости резания и направлением продольной подачи;

вспомогательный угол в плане θ′ – угол в основной плоскости между вспомогательной режущей кромкой и обработанной поверхностью.

С увеличением угла γ инструмент легче врезается в материал, снижаются силы резания, улучшается качество поверхности, но повышается износ инструмента. Угол α обеспечивает снижение трения инструмента о поверхность резания, уменьшая его износ, однако чрезмерное его увеличение приводит к ослаблению режущей кромки инструмента.

Силы резания представляют собой силы, действующие на режущий инструмент в процессе упругопластической деформации и разрушения срезаемой стружки.

Их приводят к вершине лезвия или к точке режущей кромки и раскладывают по прямоугольным координатным осям. Расчѐт усилия резания производят по эмпирическим формулам. Мощность процесса резания (кг м/с определяется (упрощѐнно) произведением:

N = PV,

где P – усилие резания, кг; V – скорость резания, м/с.