ТОМ / TKM-6 / Параграф 3

Параграф 3. Основные способы получения заготовок и деталей.

К основным способам получения деталей относятся прежде всего: а) литье деталей, б) получение деталей путем механической обработки заготовки.

Литьё деталей.

Литьё под давлением.

Литье под давлением является наиболее производительным способом изготовления тонкостенных деталей сложной формы из цинковых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Отливки не очень сложной формы можно изготовлять из стали, но литейная форма выдерживает значительно меньше заливок. Процесс литья под давлением заключается в том, что расплавленный металл, залитый в камеру прессования машины, перемещается под действием поршня и через литниковые каналы заполняет с высокой скоростью полость пресс-формы, затвердевает под давлением и образует отливку. Небольшие детали из цинковых и магниевых сплавов отливают на автоматических поршневых машинах с горячей камерой прессования. Корпусные детали из алюминиевых, магниевых и медных сплавов, а также крупногабаритные детали из цинковых сплавов изготовляют на машинах с вертикальной и горизонтальной холодной камерой прессования.

Сплавы для литья под давлением должны обладать достаточной прочностью при высоких температурах, чтобы отливка не ломалась при выталкивании, минимальной усадкой, высокой жидкотекучестью при небольшом перегреве и небольшим интервалом температур кристаллизации. Наиболее распространены цинковые сплавы ЦАМ4 и ЦАМ4-1; алюминиевые АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛОВ, АЛ11, АЛ28 и АЛ32; магниевые Мл5 и Млб; латуни ЛС59-1Л и ЛК80-ЗЛ.

Литьё по выплавляемым моделям.

Литье по выплавляемым моделям широко применяется в приборостроении для изготовления отливок сложной конфигурации массой от нескольких граммов до 10—15 кг, с толщиной стенок 0,3—20 мм и более, с точностью размеров до 9-го квалитета при шероховатости поверхностей от 80 до 1,25 мкм. Для литья по выплавляемым моделям применяют различные сплавы: среднеуглеродистые стали ЗОЛ—55Л, конструкционные легированные стали, углеродистые инструментальные стали У7 — У13, литейные коррозионно-стойкие и кислотоупорные стали, жаропрочные стали и сплавы, литейные латуни бронзы, силумины и другие цветные сплавы.

Процесс литья по выплавляемым моделям заключается в изготовлении модели из легкоплавкого парафиностеаринового состава, которую покрывают тонкой керамической оболочкой, формуют, выплавляют в горячей воде, а в образовавшуюся полость заливают жидкий металл. В последнее время появилось много различных других способов получения выплавляемых моделей: с помощью лазерной обработкой, с применением различных порошков и клея, композитных сплавов, порошка и клея и т.п.

Порошковая металлургия — процесс изготовления детален из металлических порошков и их смесей с неметаллическими материалами без расплавления основного компонента. Детали можно получать из чистых металлов, сплавов и композиций металлов с неметаллами, которые невозможно создать приемами обычной металлургии вследствие их жаростойкости или неспособности сплавляться. Сущность технологического процесса заключается в том, что из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают термической обработке - спеканию. Порошковой металлургией можно получить детали из особо тугоплавких металлов, из нерастворимых друг в друге металлов (вольфрам и медь, железо и свинец, и т.п.), пористые материалы и детали из них, детали состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов. Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5 - 500мкм) различных металлов и их окислов.

Антифрикционные металлокерамические материалы предназначены для изготовления подшипников скольжения. Пропитанные маслом пористые под­шипники способны работать без дополнительной смазки в течение несколь­ких месяцев, а со специальными "карманами" для запаса масла - в течение 2-3 лет. Состав таких материалов: железо - графитовые, железо - медно-графитовые, бронзо - графитовые и др.

Фрикционные материалы представляют собой сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и различных окислов. Фрикционные материалы обычно применяют в виде биметаллических элементов, состоящих из фрикционного слоя, спечённого под давлением с основой (лентой или диском). Коэффициент трения по чугуну без смазки примерно 0,4-0,6, температура в зоне трения может быть до 500-6000⁰С.

Высокопористые материалы предназначены для изготовления фильтров. Их состав: коррозионная сталь, алюминий, титан и др.

Металлокерамические твёрдые сплавы характеризуются высокой твёрдостью, теплостойкостью, износостойкостью. Изготавливают также, жаропрочные и жаростойкие сплавы.

Стандартные марки металлических порошков, используемых для шихты, приведены в табл. 3.1.

Порошок	ГОСТ или ТУ	Марка	Количество примесей, %, не более	Размер частиц, мкм
		ПЖ-А1 ПЖ-А2	0.15С; 0,2551; 0,5Мп; 0,043; 0.04Р	10-50 25—80
Железный	МТУ 3648-53	ПЖ-Б	0,29С; 0,4531; 0,5Мп; 0,043; 0,04Р	50—150
		ПЖ-В	0,4С; 1,231; 0,5Мп; 0,063; 0.05Р	100—400
Кобальтовый	ГОСТ 0791 71 *	ПК-1	0.4М1; 0,2Ре; 0,0331; 0,05Си; 0.02С	-10 60
		ПК-2	1,0№; 0,5Ре; 0,1Сц; 0,0531; 0,05С
Вольфрамовый	МПТУ 2509-50	-	1,ОС	50—100
Никелевый (электролитиче­ский)	ГОСТ 9722-71*	ПНЭ1, ПНЭЗ	0,5Со; 0.02С; 0,08Сч; 0,2Ре; 0,0381	25—60
Серебряный	-	ПС-1 (ПС-2)	0,02Си; следы Ре; РЬ, МОг, ЗО,	10-50
Медный	ГОСТ 4960-75	ПМ ПМА	0,02Ре; 0,05РЬ; следы 5Ь, Ав, 30„	25—80
Алюминиевый	—	ПАП-1 ПАП-2 ПАП-3	1,2Ре; 0,6 (Си+2п)	150—800 100—400 50—150

И другие составы.

Основные технологические свойства порошков — насыпная масса, текучесть и прессуемость.

Насыпная масса — масса единицы объема свободно насыпанного порошка. При постоянстве насыпной массы обеспечивается стабильность усадки спекаемого материала. Насыпная масса железных порошков 2,4—3,5 г/см³, свинцовых и оловянных 3,2—5,7 г/см³, медных и хромоникелевых 1,5—2,4 г/см³, алюминиевых-0,7—0,8 г/см³. Прессуемость — способность порошка уплотняться, приобретать и сохранять форму под влиянием сжимающих усилий. Для повышения прессуемости применяют порошки с разной зернистостью. Текучесть — способность порошка заполнять форму. С уменьшением размеров частиц порошка текучесть ухудшается.

Технологический процесс изготовления деталей состоит из приготовления шихты, дозирования, прессования, спекания, термообработки, калибрования, обработки резанием и нанесения гальванопокрытия.

Приготовление шихты. Очищенные (химическим, механическим или магнитным способом) порошки измельчают в шаровых мельницах для выравнивания зернистости и отжигают в защитной или восстановительной атмосфере с целью снятия наклепа. Частицы разделяют на фракции ситовым методом. При размере частиц < 50 мкм применяют воздушное разделение.

Порошки смешивают в вибрационных или барабанных смесителях. При смешивании порошков с различной насыпной массой в шихту добавляют 1—2% глицерина. Для повышения текучести смеси производят грануляцию шихты, добавляя в нее 0,3—0,6% пластификатора (парафин или синтетический каучук, растворенный в бензине). Шихту дозируют по массе или объему. В крупносерийном механизированном производстве применяют объемное дозирование, при котором определяют насыпной объем.

Прессование осуществляют на гидравлических или кривошипных прессах с прессующим и выталкивающим плунжерами. Усилие прессования 20—200 тс. Оформляющие элементы пресс-форм (матрицы и пуансоны) изготовляют из конструкционных хромоникелевых сталей по 7—10-му квалитету точности (СТ СЭВ 145—75) и с шероховатостью поверхностей Rа = 1,25— 0,32 мкм. При конструировании деталей, изготовляемых порошковой металлургией, необходимо соблюдать следующие правила: 1) детали не должны иметь наружной или внутренней резьбы; 2) детали должны иметь плавные переходы от тонких сечений к толстым; 3) радиусы округления должны быть не менее 1 мм; 4) высота детали не должна превышать Зd.

Спекание. Температура спекания должна составлять 0,65—0,75 температуры плавления основного компонента металлокерамической смеси. Выдержка по достижении максимальной температуры спекания 30—80 мин. При увеличении выдержки плотность существенно не повышается. Процесс спекания делят на три этапа: I этап: нагрев до 150 °С — удаление влаги; II этап: нагрев до температуры, которая на 20—25% меньше температуры спекания, — снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц; III этап: нагрев до температуры спекания в защитной или нейтральной среде — восстановление окисных пленок и окончательное сцепление частиц. Спекание происходит при температуре 0,6 – 0,9 температуры плавления порошка.

После получения деталей вышеуказанными способами (как в случае и механической обработки) в некоторых вариантах поверхности и элементы деталей подвергают следующим процессам: виброобкатывание, электрофизические и электрохимические методы обработки.

Виброобкатывание - это процесс обработки поверхностей детали путём обкатывания их шариками или роликами из твердосплавного материала под определённым давлением и с колебаниями вдоль линии перемещения. Таким способом достигается существенное улучшение качества поверхности, т.е. повышение точности, уменьшение шероховатости и улучшение физических свойств материала. Применяя данный процесс, возможно, создавать поверхности с требуемым микрорельефом. Кроме того, этот процесс применяют и в декоративных целях.

Электрофизические (ЭФ) и электрохимические (ЭХ) методы обработки.

Электрофизическая обработка - это обработка, заключающаяся в изменении формы, размеров и чистоты поверхности, заготовки путем использования разрядов, магнитострикционного эффекта, электронного или оптического излучения, плазменной струи.

Электрохимическая обработка - это обработка, заключающаяся в изменение, формы, размеров и чистоты поверхности заготовки, вследствии растворения ее материала в электролитическом растворе под действием электрического тока.

I. Электроэррозионная обработка

Метод основан на бомбардировании материала анода потоком электронов, при этом происходит мгновенное испарение частиц материала и перенос его на катод.

Рис.3.1. Схема.

Зазор регулируется с помощью следящей системы. Разряд на поверхности вызывает микровзрыв. И = 30 - 200 В. Ток - 10 - 60 А. Время заряда 10^-4 – 10^-8с. Нагрев достигает 8000 – 11000⁰С.

В зазор заливается жидкость на основе керосина или промышленная вода и др. Наибольший эффект достигается при изготовлении деталей сложной формы, в токопроводящих материалах, трудно обрабатываемых резанием в условиях единичного и мелкосерийного производства. Широко применяют обработку на прецизионных вырезных станках с применением непрофилированного инструмента – электрода в виде проволоки. Точность размеров контура + -10 мкм в среднем. Rz = 3,2 – 20 мкм. Производительность 10 - 35 мм² /мин по стали и 10 - 20 мм ²мин по твердому сплаву. Применяют проволоку из вольфрама. Зазор регулируется с помощью следящей системы.

2. Ультразвуковая размерная обработка.

Сущность метода заключается в воздействии на зону обработки ультразвуковыми колебаниями и поэтому происходит интенсификация процесса обработки. Применяется: 1.Обработка и дробление хрупких материалов. 2.Ультразвуковая очистка материалов. 3. Пайка и лужение алюминия. 4. Ускорение гальванических процессов. 5. Сварка полимерных изделий.

При обработке ультразвуком применяют частоту колебаний инструмента 16-20 кГц, амплитуда колебаний 0,015 – 0,012 мм, инструмент применяется с абразивной насадкой, а рабочая жидкость ( суспензия) повышает производительность за счет вымывания частиц материала.

Ультразвуковые прошивочные станки обеспечивают точность обработки 30 мкм, минимальный диаметр получаемого отверстия 15-80 мм, производительность при обработке твердого сплава 10 – 50 мм³/мин. Ультразвуковая очистка металлических деталей и заготовок широко применяется с использованием водных моющих растворов на основе фосфатов.

3. Анодно-механическая резка материалов.

Обработка осуществляется вращающимся диском при напряжении на электродах 20-15 В, давление 1-4 кгс/см², скорость резания 2-12 мм/мин. Диаметры катодов-дисков 250-500 мм и толщину 0,6 – 1,5 мм выбирают в зависимости от размеров разрезаемых деталей. Материалы разрезаемых заготовок: жаропрочные, нержавеющие и инструментальные стали.

4. Электромеханическая размерная обработка.

Сущность метода состоит в анодном растворении металла при высоких плотностях тока в электролитическом растворе. Метод весьма дорогой и применяется при необходимости получить сложные, ажурные детали, которые нельзя подвергать механических воздействиям. Метод ещё называют электрохимическое фрезерование. Плотность тока достигает сотен ампер на см².

5. Лазерная обработка.

Сущность метода состоит в воздействии пучком фотонов и испарении обрабатываемого материала. Лазерная обработка все шире применяется в промышленности. Лазерная резка лазерами импульсного или непрерывного действия применяется для резки тонколистового металла, пленок на диэлектрических подложках, резки полупроводниковых материалов. Лазерная сварка обеспечивает глубину зоны проплавления 0,3 –1 мм для меди, никеля при длине волны 1,06 мкм, длительность импульса 4 мкс, диаметре светового пятна 0,5 мм, энергии излучения 3-9 джоулей. Лазерная обработка применяется при подгонке пленочных металлических и металлокерамических резисторов в процессе функциональной настройке микросхем. Точность такой обработки 2-5%. Лазерная обработка применяется для упрочнения стальных деталей.

На практике также используется лазерная пайка и применяется при изготовлении электронных схем.

Изготовление деталей из пластических масс.

В приборостроении пластмассы являются ценным конструкционным и электротехническим материалом. Они легкие, хорошо противостоят коррозии, имеют низкий коэффициент трения, обладают повышенной износостойкостью, хорошими оптическими и изоляционными свойствами.

Основной составной частью пластмасс являются полимеры - синтетические органические соединения. Некоторые виды пластмасс состоят целиком из полимера, но чаще пластмасса представляет собой композицию из полимера, пластификатора, наполнителя и красителя. Наполнители (древесная мука, тальк, асбест, стекловолокно, различные ткани и др.) придают изделиям необходимую прочность, жесткость, теплостойкость и электротехнические свойства. В зависимости от температурного характера затвердевания все пластмассы делят на термопластичные и термореактивные. Термопластичные пластмассы при нагревании приобретают пластические свойства или расплавляются, а при охлаждении возвращаются в твердоупругое состояние. Повторное нагревание вновь приводит к пластичности. К термопластам относятся: полиэтилен, капрон, винипласт, полистирол, фторопласт, органическое стекло и др. Термореактивные пластмассы при нагревании необратимо переходят в пластическое состояние с дальнейшим затвердеванием и приобрете­нием упругих свойств. При повторном нагревании они остаются твердыми или сгорают не расплавляясь. К реактопластам относятся: текстолиты, пресс материалы, стеклопластики и др. В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяются на простые и композиционные. Простые пластмассы состоят из одного компонента, а композиционные из нескольких. В композиционных пластмассах смола является связывающим элементом для других составляющих, при этом смола, составляет 30-70% от общего объема.

Кроме связывающего элемента в состав входят следующие компоненты: наполнители различного происхождения, которые вводят для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и уменьшения стоимости; пластификаторы, которые увеличивают эластичность, текучесть, гибкость и уменьшают хрупкость пластмасс; cмазывающие вещества, которые уменьшают трение между частицами композиции, устраняют прилипание к пресс-формам; катализаторы, ускоряющие отвердение пластмасс; красители, придающие пластмассам нужный цвет. В зависимости от физического состояния полимерных материалов, поведения их под действием теплоты и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наиболее целесообразно разбить на, следующие основные группы:

1. Переработка в вязкотекучем состоянии (прессованием, литьем под давлением, выдавливанием и др,).

2. Переработка в высокоэластичном состоянии (пневно и вакуумной формовкой, штамповкой и др.).

3. Получение, деталей из зкидких полимеров различными способами формообразования.

4. Переработка в твердом состоянии (разделительной штамповкой и обработкой резанием).

5. Получение неразъемных соединений (сваркой и склеиванием).

6. Различные другие способы переработки (спекание, напыление и др).

Основные способы переработки пластмасс - литье под давлением и прессование. Литые и прессованные детали имеют гладкие поверхности с шероховатостью от 1,25 до 0,08 мкм, точности получаемых размеров в пределах 10-12-го квалитета точности и почти не требуют обработки резанием. Для литья и прессования используют сырье в виде гранулированных термопластов и термореактивных порошков.

Рис.3.2. Схема получения детали из пластмассы методом прямого прессования.

В процессе получения детали необходимо выдерживать температурный и временной режим.

T ^o C

Режим кристаллизации

Подогрев

T - время

Рис.3.3. Технологический режим.

Подогрев необходим для удаления влаги. Наиболее важным является соблюдение режима кристаллизации, при котором необходимо выдержать температуру и время выдержки при данной температуре. В противном случае имеем скрытый вид брака. Это такой вид брака, когда внешний вид изделия полностью соответствует форме, но внутренняя структура осталась рыхлой непрочной не только по отношению к механическим воздействиям, но и к воздействию влаги, т.е. при повышенной влажности сопротивление данной детали падает до нуля.

После получения детали необходимо удалить следы облоя. Это острые тонкие остатки пластмассы, которые затекли в зазор прессформы.

43