4. Ковка.
Ковка - это деформирование усилием нагретой заготовки рабочими поверхностями инструмента при свободной деформации металла в стороны. Исходными заготовками могут быть слитки или сортовой прокат. Ковкой получают разнообразные по форме и размерам поковки массой до 300 т, которые служат заготовками для последующей обработки на металлорежущих станках.
5. Штамповка.
Штамповка - это обработка заготовок из сортового и листового проката давлением с помощью специального инструмента - штампа. Ее широко применяют для производства заготовок и деталей во всех отраслях машиностроения, особенно для серийного и массового производства, из-за низкой себестоимости и высокого качества.
Оборудование для обработки давлением.
Для обработки давлением применяют следующие виды оборудования:
1) Молоты - машины ударного действия с максимальной скоростью деформирования Vд=9 м/с. Сжатый пар или воздух используется в рабочем цилиндре для удара бойком или штампом по заготовке, и затем для подъема падающих частей молота.
2) Гидравлические прессы - машины статического действия (Vд=0,3 м/с). Статическое действие – это когда сила для деформирования не изменяется по величине и действует в течение нужного времени. Сила для деформирования заготовки создается рабочей жидкостью под высоким давлением (20-30 МПа) для опускания и подъема рабочих частей пресса.
3) Механические прессы - машины статического действия (Vд=0,5 м/с). Деформирование заготовки происходит благодаря энергии, накопленной массивным маховиком (плоским цилиндром), который вращается электродвигателем. Вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное.
4) Ротационные машины - деформируют заготовку вращающимся инструментом. К таким машинам относятся, например, прокатные станы.
В зависимости от технологического назначения машины для обработки давлением имеют характерные конструктивные особенности и их делят на машины для холодной и горячей объемной штамповке, для листовой штамповки и т.д. Машины для обработки давлением оснащают средствами механизации и автоматизации, программным управлением и контролем.
Физико-механические основы обработки давлением.
Обработка давлением основана на пластическом деформировании материала. Сопротивление деформированию и пластичность металла зависят от его химического состава, температуры, скорости деформирования. Так, с повышением содержания углерода и легирующих элементов в стали ее пластичность понижается, а сопротивление деформированию растет. Повышение температуры приводит к увеличению пластичности металла и снижению его сопротивления деформированию. Повышение скорости деформирования снижает пластичность и увеличивает сопротивление деформированию.
Холодное пластическое деформирование достигается путем изменения формы и размеров зерен металла (внутрикристаллическая деформация) и их относительного перемещения (межкристаллическая деформация). В процессе деформирования зерна металла дробятся и вытягиваются в направлении пластического течения металла, создавая полосчатую микроструктуру. Вместе с зернами вытягиваются и неметаллические включения на их границах, образуя волокнистое строение металла. Искажение кристаллической решетки приводит к возникновению напряжений в металле, называемому упрочнением (наклепом). При наклепе возрастает прочность и твердость, снижается пластичность, меняются электропроводность и магнитная проницаемость металла. При нагреве холоднодеформированного металла в нем происходят разупрочняющие процессы.
Обработка давлением позволяет улучшить качество литого металла, структура которого становится более равномерной. При горячем деформировании ликвидируются пустоты и микротрещины внутри слитка, уменьшается его ликвация (неоднородность химического состава) вследствие значительных перемещений слоев металла.
Волокнистое строение деформированного металла приводит к анизотропии его свойств (прочность и ударная вязкость металла вдоль его волокон выше, чем поперек). Поэтому течение металла при обработке давлением следует направлять так, чтобы волокна совпадали с направлением наибольших напряжений в детали при ее эксплуатации. Для некоторых изделий волокнистость нежелательна, тогда ее устраняют частично или полностью путем многократного изменения направления течения металла в процессе его деформирования (например, прокатка листов в продольном, поперечном направлении и по диагонали).
Наклеп при холодном деформировании в 1,5-2 раза увеличивает прочность и твердость металла при одновременном снижении его пластичности. Поэтому в ряде случаев изделия специально подвергают упрочняющему деформированию.
Учитывая явления, оказывающие влияние на качество металла при пластическом деформировании, и управляя ими, можно создавать такие условия обработки давлением, при которых получаемые детали будут обладать наилучшими служебными качествами.
Лекция 12. МАТИ – 3 курс.
Изготовление деталей штамповкой.
Холодная штамповка.
Холодная штамповка производится в штампах без нагрева заготовок и сопровождается деформационным упрочнением металла (наклепом). Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения высококачественных заготовок и готовых деталей во многих отраслях машиностроения. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности заготовок при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости их изготовления. Производительность автоматической холодной штамповки может достигать несколько сотен деталей в минуту.
Возможность осуществления холодной штамповки и качество получаемых заготовок и деталей определяются качеством исходного материала. Металл должен иметь необходимый химический состав. Технологические режимы прокатки и термообработки заготовок должны способствовать получению равномерной мелкозернистой структуры металла, чтобы улучшить его штампуемость – способность к обработке при штамповочных операциях. Чем выше штампуемость металла, тем более сложные изделия можно получить из него.
Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок – удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов. Заготовки обычно смазывают для снижения силы штамповки, повышения стойкости инструмента, улучшения микрогеометрии поверхности и предотвращения трещин и других дефектов деталей. Смазочный материал должен обеспечивать прочный разделительный слой между заготовкой и инструментом. Процессы холодной штамповки часто выполняют за несколько технологических переходов, постепенно приближая форму и размеры заготовок к форме и размерам готовых деталей и осуществляя промежуточный отжиг для снятия наклепа и восстановления пластических свойств металла.
В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов, которые определяются типом штампуемой заготовки, холодную штамповку делят на объемную (сортового металла) и листовую (листового металла).
Холодная объемная штамповка.
Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных автоматах. Ее основными разновидностями являются: высадка, выдавливание и объемная формовка.
Высадка – это осадка части заготовки, т.е. образование местных утолщений требуемой формы, например, головок болтов, винтов и заклепок. Заготовкой обычно служит материал в виде проволоки или прутка диаметром 0,5-50 мм из черных и цветных металлов. Высадкой изготовляют стандартные и специальные крепежные изделия, а также другие детали массового производства, например, зубчатые колеса заодно с валом. При высадке за один удар отношение длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру должно быть не более 2,5-2,8, иначе возможны изгиб, поломка заготовки или высадка головки неправильной формы. Высадку обычно выполняют на холодновысадочных автоматах различной конструкции, где имеются пуансон, матрица, нож для обрезки, устройства для выталкивания и перемещения детали, накатывания резьбы.
Выдавливание – это формообразование сплошных или полых изделий благодаря пластическому течению металла из полости штампа через отверстия соответствующей формы. Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание. При прямом выдавливании металл течет из матрицы в направлении движения пуансона. При обратном – металл течет навстречу пуансону в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей. При боковом выдавливании металл течет в боковые отверстия матрицы под углом к направлению движения пуансона. Так получают тройники, крестовины и другие детали. Для их удаления из штампов матрицу делают составной из двух половин. При комбинированном выдавливании металл течет одновременно по нескольким направлениям, используется сочетание различных схем выдавливания.
Заготовки нужной длины для выдавливания отрезают от проволоки или вырубают из листа. Выдавливанием получают изделия преимущественно цилиндрической или близкой к ней формы. Точность размеров и параметры шероховатости поверхности деталей те же, что после обработки резанием.
Для увеличения стойкости пуансона и матрицы для выдавливания их изготовляют из высококачественных инструментальных сталей, без резких переходов, с плавным сопряжением между отдельными участками для облегчения течения металла и снижения удельных сил выдавливания.
Объемная формовка – это формообразование деталей путем заполнения металлом полости штампа. Она производится в открытых штампах, где излишки металла вытекают в специальную полость для образования облоя, и в закрытых штампах, где облой не образуется. После формовки в открытом штампе облой обрезают в специальном обрезном штампе. При формовке в закрытых штампах объем заготовки должен быть точно равен объему поковки. Это дает экономию металла, уменьшает объем последующей обработки деталей. Прочность полученных деталей выше прочности деталей, полученных в открытых штампах, вследствие того, что не происходит перерезания волокон, неизбежного при обрезке облоя. Однако формовку в закрытых штампах применяют реже, чем в открытых, из-за больших сложности и стоимости получения заготовок точного объема, необходимости использования более мощного оборудования и меньшей стойкости штампов. В закрытых штампах получают в основном детали из цветных металлов.
Объемной формовкой изготавливают пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Детали обычно получают за несколько переходов, в процессе которых последовательно изменяется форма заготовки, для снятия наклепа выполняется промежуточный отжиг.
Кроме прессов и однопозиционных автоматов для холодной объемной штамповки применяют высокопроизводительные многопозиционные автоматы с большими технологическими возможностями. В таких автоматах заготовки последовательно передаются соответствующим механизмом переноса через несколько позиций обработки.
Холодная листовая штамповка.
Холодная листовая штамповка выполняется на прессах различной конструкции, часто оснащенных средствами механизации и автоматизации. Процессы листовой штамповки заключаются в выполнении в определенной последовательности разделительных и формоизменяющих операций, посредством которых исходным заготовкам из листа, полосы, ленты и трубы придают форму и размеры деталей. Основными рабочими частями штампов являются пуансоны и матрицы, а вспомогательными – прижимы, съемники, выталкиватели и т.д. Пуансон вдавливается в деформируемый материал или охватывается им, а матрица охватывает изменяющую форму заготовку и пуансон.
Разделительные операции: резка, вырубка, пробивка сопровождаются разрушением металла по определенным поверхностям.
Резка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных ножницах или в штампах. Обычно ее применяют как заготовительную операцию для разделения листов на полосы и заготовки нужных размеров для последующей штамповки.
Вырубка и пробивка – отделение заготовки по замкнутому контуру в штампе. Вырубным пуансоном оформляют наружный контур детали или заготовки для последующей штамповки, пробивным пуансоном – внутренний контур (отверстие). При вырубке отделенная часть является деталью, а при пробивке, наоборот, - отходом. Расположение контуров смежных вырубаемых заготовок на листовом материале называют раскроем. Часть листовой заготовки, оставшаяся после вырубки, называется высечкой. Тип раскроя выбирают исходя из условия наименьшего отхода металла в высечку, оптимальные варианты находят с помощью компьютера.
Формообразующие операции – гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача, рельефная формовка, ротационная вытяжка выполняют благодаря пластическим деформациям металла без разрушения заготовок.
Гибка – придание заготовки криволинейной формы или изменение ее кривизны. При гибке пластически деформируется только участок заготовки в зоне контакта с пуансоном. Гибку производят в штампах, а также вращающимися фигурными роликами, играющими роль матрицы, на профилегибочных станках. Ленты или полосы, проходя через несколько пар роликов, превращаются в гнутые тонкостенные профили, легкие, жесткие и достаточно прочные.
Вытяжка – образование полого изделия из плоской или полой заготовки. Вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы, пуансон надавливает на заготовку и она, смещаясь в отверстие матрицы, образует стенки вытянутой детали.
Отбортовка – образование борта (горловины) вокруг отверстия. Отбортовку применяют для изготовления кольцевых деталей с фланцами, а также для увеличения жесткости конструкции при малой ее массе.
Обжим – уменьшение периметра поперечного сечения концевой части полой заготовки. Производиться заталкиванием заготовки в сужающуюся полость матрицы.
Раздача – увеличение периметра поперчного сечения заготовки коническим пуансоном, это операция противоположная обжиму.
Рельефная формовка – местное деформирование заготовки для образования рельефа в результате уменьшения толщины заготовки. Формовкой получают конструкционные выступы и впадины, ребра жесткости и т.д.
Штампы для листовой штамповки делятся по технологическому признаку в зависимости от выполняемой операции: на вырубные, гибочные, вытяжные и т.д. В зависимости от числа выполняемых операций различают одно- и многооперационные штампы. Многооперационные штампы бывают последовательного действия, в которых операции выполняются последовательно при перемещении заготовки по нескольким рабочим позициям штампа, и совмещенного действия, в которых операции выполняются на одной позиции, например, одновременная вырубка и пробивка, вырубка и вытяжка и т.д. Для массового и крупносерийного производства целесообразно применять сложные и совершенные штампы. Для мелкосерийного производства применяют упрощенные и быстропереналаживаемые штампы.
Горячая объемная штамповка.
Горячая объемная штамповка производится за счет принудительного перераспределения металла нагретой заготовки в штампе. При нагреве образуется слой окалины, который портит поверхность заготовки и приводит к уменьшению точности размеров, что требует последующей обработки поковок резанием для получения готовых деталей.
Штамповочные уклоны на боковых поверхностях поковок облегчают их извлечение из штампов. Радиусы закруглений на пересекающихся поверхностях поковки необходимы для лучшего заполнения полости штампа и предохранения его от изнашивания и поломок, а также для получения качественных поковок.
Заготовки перед штамповкой должны быть нагреты равномерно по всему объему до заданной температуры. Чаще всего используют электронагревательные устройства, пропуская по заготовке ток.
Горячую объемную штамповку производят в открытых или закрытых штампах. Калибровку поковок применяют для повышения точности их размеров и улучшения качества поверхностного слоя. Она заключается в незначительном холодном обжатии поковок на прессах повышенной жесткости.
Поковки простой конфигурации штампуют из прокаточных заготовок постоянного профиля в штампах с одной полостью (одноручьевых). Сложные поковки с резким изменением сечений по длине и высоте, с изогнутой осью и т.д. постепенно приближают к форме поковки в многоручьевых штампах. Термическую обработку применяют для получения требуемых механических свойств поковок и облегчения последующей обработки резанием.
Лекция 13. МАТИ – 3 курс.
Обработка материалов резанием.
Обработка металлов резанием основана на срезании лезвийным или абразивным режущим инструментом с поверхностей заготовки слоя материала (стружки) для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей деталей.
Слой материала, срезаемый с заготовки, называют припуском. Чтобы с заготовки срезать слой материала, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщить относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают и закрепляют в рабочих органах станка, обеспечивающих эти относительные движения: в шпинделе, на столе, в револьверной головке, инструментальном магазине. Движения рабочих органов станков делят на движения резания, установочные и вспомогательные. Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя металла, называют движениями резания. К ним относят главное движение резания и движение подачи.
За главное принимают движение, которое определяет скорость срезания и отделения стружки, за движение подачи - движение, которое обеспечивает непрерывность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки. Эти движения могут быть непрерывными или прерывистыми, вращательными, поступательными, возвратно-поступательными.
Движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее слоя материала, называют установочными. К вспомогательным движениям относят транспортирование заготовки, закрепление заготовки и инструмента, перемещение рабочих органов станка, переключение скоростей движения резания и движения подачи и т.д.
Получение поверхности заготовки представляют схемой обработки. На схеме условно изображают обрабатываемую заготовку, ее установку и закрепление, закрепление и положение инструмента относительно заготовки, а также движения резания. Инструмент показывают в положении, соответствующем окончанию обработки поверхности заготовки. Обработанную поверхность выделяют другим цветом или утолщенными линиями. На схемах обработки показывают характер движений резания, например, вращательное, возвратно-поступательное.
Методы формообразования поверхностей.
Форму детали определяет сочетание различных поверхностей. Для облегчения обработки заготовки стремятся использовать наиболее простые геометрические поверхности: плоские, цилиндрические, конические, шаровые, торовые. Любая геометрическая поверхность представляет собой совокупность последовательных положений следов производящей линии, называемой образующей, движущейся по другой производящей линии, называемой направляющей. Например, для образования цилиндрической поверхности необходимо прямую линию (образующую) перемещать по окружности (направляющей).
При обработке поверхностей на металлорежущих станках образующие и направляющие линии в большинстве случаев являются воображаемыми. Они воспроизводятся комбинацией движений заготовки и инструмента, скорости которых согласованы. Движения резания являются формообразующими. Механическая обработка деталей реализует в основном четыре метода формообразования поверхностей:
1) Метод копирования состоит в том, что режущая кромка инструмента является образующей линией. Направляющая линия воспроизводится вращением заготовки.
2) Метод следов заключается в том, что образующая линия является траекторией движения точки вершины главной режущей кромки инструмента, а направляющая линия – траекторией движения точки заготовки. Этот метод распространен наиболее широко.
3) Метод касания состоит в том, что образующей линией является режущая кромка инструмента, а направляющей линией служит касательная к ряду вспомогательных линий – траекториям точек режущей кромки инструмента.
4) Метод обкатки заключается в том, что направляющая линия воспроизводится вращением заготовки. Образующая линия получается как огибающая ряда последовательных положений режущей кромки инструмента относительно заготовки.
Резание металла - процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся деформированием срезаемого слоя металла. В начальный момент резания резец под действием силы вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации. При дальнейшем движении резца упругие деформации переходят в пластические, начинает образовываться стружка.
Образующаяся стружка бывает сливная, суставчатая или элементная. Сливная стружка образуется при резании пластичных металлов, представляет собой сплошную ленту с гладкой прирезцовой стороной. На внешней стороне стружки - слабые пилообразные зазубрины. Суставчатая стружка образуется при резании металлов средней твердости, представляет собой ленту с гладкой прирезцовой стороной, на ее внешней стороне – ярко выраженные зазубрины. Стружка элементная образуется при резании хрупких металлов и состоит из отдельных, не связанных между собой элементов. Вид образующейся стружки зависит от свойств металла обрабатываемой заготовки, режима резания, геометрических параметров режущего инструмента, применяемых в процессе резания смазочно-охлаждающих веществ.
Резание сопровождается образованием теплоты из-за трения инструмента о поверхность резания. Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания. Нагрев инструмента до высоких температур (800-1000 град.С) вызывает структурные превращения в материале, из которого он изготовлен, снижение твердости инструмента и потерю его режущих способностей.
Нагрев инструмента вызывает изменение его геометрических размеров, что влияет на отклонение размеров и формы обработанных поверхностей. Нагрев заготовки также вызывает изменение ее размеров. Вследствие жесткого закрепления на станке заготовка начинает деформироваться. Температурные деформации инструмента, заготовки и станка снижают точность формы и размеров детали.
Для уменьшения отрицательного влияния теплоты на резание обработку следует вести с применением смазочно-охлаждающих средств. Применяют различные смазочно-охлаждающие средства, которые делят на три группы:
1) жидкости: водные растворы солей, эмульсии, растворы мыл; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавлением фосфора, серы, хлора; керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсия с добавлением смазывающих веществ графита, парафина, воска;
2) газы и газообразные вещества: углекислой газ, азот; пары поверхностно-активных веществ; распыленные жидкости (туман) и пены;
3) твердые вещества: порошки воска, парафина, битума; мыльные порошки.
Чаще всего при обработке резанием применяют смазочно-охлаждающие жидкости. Обладая смазывающими свойствами, жидкости снижают внешнее трение стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента и задних поверхностей лезвия инструмента о заготовку. Одновременно снижается деформирование. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие средства отводят теплоту во внешнюю среду, охлаждая тем самым режущий инструмент, деформируемый слой и обработанную поверхность заготовки. Смазывающее действие сред препятствует образованию налипов металла на поверхностях лезвия инструмента, в результате чего снижается шероховатость обработанных поверхностей заготовки. Указанные положительные свойства смазочно-охлаждающих сред приводят к тому, что мощность резания уменьшается, стойкость режущего инструмента возрастает, обработанные поверхности заготовок имеют меньшую шероховатость и большую точность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих средств.
Смазочно-охлаждающие средства по-разному подают в зону резания. Наиболее распространенным способом подачи жидкости в зону резания является ее подвод через узкое сопло на переднюю поверхность лезвия инструмента тонкой струйкой.
Инструментальные материалы.
Режущие инструменты работают в условиях больших нагрузок, высоких температур, трения и износа. Твердость материала рабочей части инструмента предусматривают значительно большей, чем твердость материала обрабатываемой заготовки.
Инструментальные материалы должны иметь высокую теплостойкость, т.е. сохранять постоянными твердость и режущие свойства при высоких температурах. Важнейшей характеристикой материала рабочей части инструмента является износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент и выше его размерная стойкость. Это значит, что детали, последовательно обработанные одним и тем же инструментом, будут иметь минимальный разброс размеров.
Инструментальные стали.
Углеродистые инструментальные стали типа У10А, У11А, У12А и др. Имеют твердость HRCэ 60-62, теплостойкость 200-240 град.С, допустимая скорость резания не более 15-18 м/мин.
Легированные инструментальные стали типа 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 9ХС и др. Имеют твердость HRCэ 62-64, теплостойкость 220-260 град.С, допустимая скорость резания 15-25 м/мин.
Быстрорежущие инструментальные стали типа Р12, Р9Ф5, Р9К10, Р10К5Ф2 и др. Имеют твердость HRCэ 62-65, теплостойкость 600-640 град.С, допустимая скорость резания до 100 м/мин.
Твердые сплавы.
Твердые сплавы - это твердый раствор карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, TaC) в металлическом кобальте (Со). Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенных форм и размеров, изготовляемых порошковой металлургией. Пластинки предварительно прессуют, а затем спекают при температуре 1500-1900 град.С. Пластинки из твердого сплава имеют твердость HRCэ 86-92, теплостойкость 800-1250 град.С и скоростью резания до 800 м/мин. Эти пластинки припаивают к корпусам инструментов или крепят механическим способом.
В промышленности применяют многогранные повторно не затачиваемые твердосплавные пластинки (трех-, четырех-, пяти-, шестигранные), которые крепят механическим способом. После изнашивания одной из режущих кромок пластинки ее поворачивают и обработку выполняют следующими кромками.
Абразивные материалы.
Абразивные материалы - мелкозернистые порошковые вещества (химические соединения элементов), которые используют для изготовления абразивных инструментов: шлифовальных кругов, сегментов, брусков. Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок, корунд) применяют ограниченно из-за неоднородности их свойств. В промышленности применяют в основном искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния, карбиды бора, оксид хрома, синтетические алмазы и др.
Абразивные материалы имеют высокие твердость, теплостойкость (1200-1800 град.С) и износостойкость. Инструменты из абразивных материалов позволяют обрабатывать заготовки со скоростью резания 15-100 м/мин. Инструменты из абразивных материалов используют главным образом для окончательного изготовления деталей, когда предъявляются повышенные требования к точности и шероховатости обработанных поверхностей.
Классификация металлорежущих станков.
В качестве признаков для классификации принимают технологический метод обработки, назначение, степень автоматизации, число главных рабочих органов, точность изготовления и т.д.
По технологическому методу обработки классифицируют в зависимости от вида режущего инструмента, характера обрабатываемых поверхностей и схемы обработки - на токарные, сверлильные, шлифовальные, полировальные, фрезерные, строгальные и т.д.
Классификация по назначению характеризует степень универсальности станка - универсальные, широкого применения, специализированные и специальные. На универсальных станках выполняют разнообразные виды работ, используя заготовки многих наименований. Станки широкого применения предназначены для обработки определенных видов заготовок многих наименований. Специализированные станки служат для обработки заготовок одного наименования, но разных размеров. На специальных станках выполняется обработка определенного вида одной определенной заготовки.
По степени автоматизации различают станки с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы и станки с программным управлением.
В зависимости от точности установлено пять классов станков: Н - нормальной точности, П - повышенной, В - высокой точности, А - особо высокой точности и С - особо точные станки.
Лекция 14. МАТИ – 3 курс.
Обработка на токарных, сверлильных, расточных, фрезерных, многоцелевых станках.
Обработка на токарных станках.
Токарные станки предназначены для обработки поверхностей заготовок, имеющих форму тел вращения. Технологический метод обработки поверхностей точением характеризуется вращательным движением заготовки и поступательным движением инструмента - резца. Движение подачи осуществляется параллельно оси вращения заготовки (продольное движение подачи), перпендикулярно оси вращения заготовки (поперечное движение подачи), под углом к оси вращения заготовки (наклонное движение подачи).
Под точением понимают обработку наружных поверхностей заготовок. Разновидности точения: растачивание - обработка внутренних поверхностей; подрезание - обработка плоских (торцевых) поверхностей; разрезание - разделение заготовки на части.
На вертикальных полуавтоматах, автоматах и токарно-карусельных станках заготовки имеют вертикальную ось вращения, на других типах токарных станков - горизонтальную.
На токарных станках выполняют черновую, получистовую и чистовую обработку поверхностей заготовок.
По технологическому назначению станки токарной группы делят на токарно-винторезные, токарно-револьверные, карусельные, многорезцовые, одно- и многошпиндельные автоматы и др.
По способу управления различают станки с ручным управлением, полуавтоматы и автоматы; с системами числового программного управления.
Многообразие поверхностей, обрабатываемых на станках токарной группы, привело к созданию большого числа типов токарных резцов. Различают резцы: проходные прямые и упорные для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей, расточные проходные и упорные - для растачивания сквозных и глухих отверстий, отрезные - для отрезания заготовок, резьбовые - для нарезания наружных и внутренних резьб, фасонные - для обтачивания фасонных поверхностей, прорезные - для протачивания кольцевых канавок, подрезные - для обтачивания плоских торцевых поверхностей.
По характеру обработки резцы делят на черновые, получистовые и чистовые, по направлению движения подачи - на правые и левые. Правые работают с движением подачи справа налево, левые - слева направо. По конструкции резцы делят на целые, с приваренной или припаянной пластиной из режущего материала, со сменными пластинами. Широко применяют резцы с многогранными повторно не затачиваемыми пластинами.
Обработка на сверлильных и расточных станках.
Основное назначение сверлильных и расточных станков - обработка отверстий в заготовках деталей.
Под сверлением понимают формообразование внутренних цилиндрических поверхностей в сплошном материале заготовки с помощью сверл. Растачивание отверстий (увеличение диаметра) в заготовках производят расточными резцами.
Для сверлильных станков характерно вращательное главное движение и поступательное движение подачи. Оба движения осуществляет инструмент.
Кроме сверления на сверлильных станках обрабатывают и имеющиеся в заготовках отверстия для получения заданной формы, увеличения размера, повышения точности и снижения шероховатости поверхности.
Для обработки заготовок на сверлильных станках применяют сверла, зенкеры, развертки, метчики и комбинированные инструменты.
Сверла подразделяют на спиральные, центровые и специальные. Наибольшее распространение получили спиральные сверла.
Зенкеры используют для обработки отверстий, полученных литьем, ковкой и сверлением. По виду обрабатываемых поверхностей зенкеры делят на цилиндрические и конические. Их делают цельными с коническими хвостовиками, насадными, а также с припаянными пластинами из инструментального материала. Цельный спиральный зенкер отличается от сверла большим числом режущих кромок и отсутствием поперечной режущей кромки. Широкое распространение получили сверла и зенкеры, оснащенные повторно не затачиваемыми пластинами из твердых сплавов.
Зенковки и цековки - многолезвийные режущие инструменты для обработки конических, цилиндрических и торцевых входных участков отверстий.
Развертки - многолезвийный инструмент для окончательной обработки отверстий. По форме обрабатываемого отверстия различают развертки цилиндрические и конические, по конструкции - цельные и со вставными зубьями.
В крупносерийном и массовом производстве для повышения производительности применяют комбинированный инструмент.
Метчики предназначены для нарезания внутренней резьбы и представляют собой винт, на котором прорезаны прямые или винтовые канавки, в результате чего образуются режущие кромки.
Режущие инструменты закрепляют в шпинделе станка с помощью различных приспособлений.
На сверлильных станках производят сверление, зенкерование, развертывание, зенкование, цекование, нарезание резьбы и обработку сложных комбинированных поверхностей. Сверлением получают сквозные и глухие цилиндрические отверстия. Рассверливание спиральным сверлом производят для увеличения диаметра отверстия. Зенкерование также применяют для увеличения диаметра отверстия заготовки. В отличие от рассверливания зенкерование обеспечивает большую производительность и точность обработки.
Развертыванием получают высокую точность и малую шероховатость обработанной поверхности. Развертывают цилиндрические и конические отверстия.
Зенковкой обрабатывают конические углубления под головки болтов и винтов. Некоторые зенковки имеют направляющую часть, которая обеспечивает соосность конического углубления и основного отверстия. Цекованием обрабатывают цилиндрические углубления и торцевые плоскости, которые являются опорными поверхностями головок болтов, винтов, гаек. Перпендикулярность торца по отношению к основному отверстию достигается наличием направляющей части у цековки.
Рассмотренные работы выполняют не только на сверлильных станках. Они могут быть осуществлены на всех станках, исполнительные органы которых могут обеспечивать вращательное главное движение и поступательное движение подачи (токарных, фрезерных, расточных и других). Это позволяет уменьшить цикл изготовления детали.
Главным движением при растачивании является вращение инструмента. Движение подачи может совершать заготовка или инструмент. На расточных станках обрабатывают отверстия чаще всего в заготовках корпусных деталей.
На расточных станках применяют расточные резцы, сверла, зенкеры, развертки, метчики, фрезы. Наиболее широко используют расточные резцы. Обработку проводят проходными, подрезными, канавочными и резьбовыми расточными резцами.
Обработка заготовок на фрезерных станках.
Фрезерование - широко распространенный способ обработки поверхностей деталей многолезвийным режущим инструментом - фрезами. Для фрезерования характерно непрерывное вращательное главное движение инструмента и поступательное движение подачи заготовки. В некоторых случаях заготовка совершает круговое или винтовое движение подачи.
Горизонтально-фрезерные и вертикально-фрезерные станки относят к универсальному виду оборудования. Их выпускают как с ручным управлением, так и с числовым программным управлением (ЧПУ). Станки используют для выполнения широкого круга фрезерных работ на заготовках небольших габаритных размеров и массы в единичном и мелкосерийном производствах.
Фрезерные станки широко применяют для изготовления различных деталей для РН и КА. Часто эти детали имеют сложную форму, представляющую сочетание разных поверхностей (плоскости, цилиндрические, конические, сферические и другие).
В зависимости от вида обрабатываемой поверхности и используемого оборудования при фрезеровании применяют фрезы различных типов. У цилиндрических и дисковых односторонних фрез режущие кромки расположены по наружной поверхности. У дисковых двусторонних, торцевых насадных и концевых фрез режущие зубья расположены на наружной цилиндрической поверхности и на одном из торцов. У дисковых трехсторонних фрез режущие зубья расположены на двух торцах и на наружной цилиндрической поверхности. Цилиндрической фрезой можно обрабатывать только одну плоскость, двусторонней дисковой можно одновременно обрабатывать две, а дисковой трехсторонней - три взаимно перпендикулярные плоскости.
Фрезы каждого типа могут иметь различные конструктивные исполнения. Например, режущие зубья фрез изготовляют прямыми или винтовыми. Винтовые зубья обеспечивают плавную безударную работу фрезы. Фрезы бывают цельными или сборными. Цельные фрезы изготовляют из инструментальных сталей. У сборных фрез рабочей частью являются пластины из быстрорежущих сталей или твердых сплавов. Закрепляют пластины на корпусе фрезы, изготовленном из конструкционной стали пайкой или механически.
Обработка заготовок на многоцелевых станках.
Многоцелевыми называют металлорежущие станки с ЧПУ с автоматической сменой инструментов. Их называют также обрабатывающими центрами или многооперационными станками. Внешним отличительным признаком таких станков является магазин инструментов или револьверная головка. Многоцелевые станки одновременно сочетают в себе функции токарных, сверлильных, расточных и фрезерных станков.
Применяют многоцелевые станки в мелкосерийном производстве для обработки сложных заготовок. Сложность заготовок определяется числом разнотипных и разномерных поверхностей и их пространственным расположением. Характерными их представителями являются заготовки корпусных деталей, фитингов, кронштейнов. Разнотипность обрабатываемых поверхностей требует различных технологических способов их обработки. Например, при обработке заготовки корпусной детали внутренние цилиндрические поверхности получают растачиванием, крепежные отверстия - сверлением, плоскости - фрезерованием и т.д. Сложное пространственное расположение обрабатываемых поверхностей вынуждает многократно изменять положение заготовки относительно инструмента. Поэтому обработка таких заготовок на обычных станках с ЧПУ длительная. Требуется большое число станков и приспособлений.
В многоцелевых станках интегрированы различные технологические способы обработки. Поэтому на них заготовка практически полностью обрабатывается со всех сторон за один установ. Такая интеграция позволила в 2-3 раза уменьшить количество необходимого оборудования и приспособлений. Применение многоцелевых станков делает производство более мобильным, т.е. облегчает и ускоряет переход с изготовления изделия одного вида на изготовление изделия другого вида. Это связано с тем, что отпала необходимость в переналадке большого числа станков. Наибольший удельный вес в промышленности имеют сверлильно-фрезерно-расточные многоцелевые станки.
Cмена инструмента должна производится в строго определенной последовательности. Пока идет обработка заготовки, магазин поворачивается и фиксируется в таком положении, чтобы в позицию загрузки-разгрузки стал инструмент, который должен заменить работающий. После захвата инструмента автооператор, перемещаясь в осевом направлении, извлекает инструмент из гнезда магазина. По окончании обработки шпиндель также перемещается в позицию загрузки-разгрузки. Автооператор перемещается к шпинделю и захватывает отработавший инструмент. Механизм зажима в шпинделе станка освобождает инструмент. Автооператор извлекает его из шпинделя, затем вставляет в него новый инструмент, который фиксируется механизмом зажима.
Многоцелевые станки являются дорогим оборудованием и время их простоев должно быть минимальным.
Наличие магазина для хранения инструмента и его автоматическая смена предъявляют к инструментальной оснастке ряд требований. Во-первых, все инструменты должны иметь одинаковые по форме и размерам крепежные элементы. С их помощью они устанавливаются в гнездах магазина и в шпинделе станка. Во-вторых, инструменты должны иметь одинаковые по форме, размерам и расположению элементы для их надежного захвата и транспортирования автооператором.
Обработка каждой элементарной поверхности заготовки осуществляется в результате выполнения исполнительными органами многоцелевого станка, несущими заготовку и инструмент, рабочих и вспомогательных ходов в определенной последовательности. Такая последовательность образует типовой цикл обработки, который упрощает разработку управляющих программ, уменьшает вероятность появления ошибок.
Лекция 15.
Технология производства сваркой.
Сварка - это процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов. При сварке образуются атомные связи между частицами соединяемых деталей. Место, где происходит соединение деталей, называют сварным швом.
Сварка широко распространена во всех отраслях машиностроения, в том числе в ракетно-космической для изготовления герметичных отсеков и баков. Существуют разновидности сварки – пайка и наплавка. Пайка обеспечивает электропроводность по месту соединения и применяется в электронике для соединения микроэлементов в схемах. Наплавка – это увеличение толщины детали для ее ремонта.
Сваркой соединяют, как правило, детали из одного и того же материала. Можно сварить разные сплавы металла, но такая сварка будет сложной и дорогой. Сварка бывает ручная или автоматизированная. Автоматизация повышает качество сварного шва.
В качестве исходных заготовок для изготовления сварных конструкций применяют продукцию проката (листы, трубы, прутки, профили) и штамповки. Сварная конструкция может иметь сложную форму при простой и нетрудоемкой технологии изготовления.
В зависимости от состояния (жидкий или твердый) металла в месте соединения, сварку делят на два вида:
1) сварка давлением – свариваемые детали прижимают друг к другу на специальном оборудовании, детали находятся в холодном или нагретом, но твердом состоянии,
2) сварка плавлением – свариваемые детали расплавляют по месту соединения.
Сварка давлением.
При сварке давлением соединяемые поверхности сближают на расстояние (2-4).10-8см, при котором возникают межатомарные силы притяжения и свариваемые детали превращаются в одну единую деталь.
На поверхности соединяемых деталей могут быть дефекты, неровности, окислы и загрязнения. Высота неровностей на поверхности на несколько порядков выше, чем расстояние, необходимые для возникновения сил межатомарного притяжения. При сварке давлением к свариваемым деталям прикладывают давление, которое сминает все неровности, окислы и загрязнения в соединяемом месте.
Сплавы алюминия, меди, цинка достаточно пластичны в холодном состоянии. Для малопластичных металлов в месте сдавливания деталей необходим подогрев, например за счет пропускания тока через это место. Такая сварка называется контактная электрическая сварка. Сварку производят на машинах, состоящих из источника тока, прерывателя тока и механизмов зажатия заготовок и давления. Механизмы бывают механические, пневматические, гидравлические.
По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на:
1) стыковую - соединение встык деталей типа стержней, прутков, труб, различных профилей.
2) точечную – для изготовления листовых конструкций, соединение в отдельных точках, представляющих собой пятна диаметром 5-10 мм.
3) шовную – для листовых конструкций, получают сварной шов в виде линии.
Сварка плавлением.
При сварке плавлением силы межатомарного притяжения возникают между материалами двух свариваемых заготовок, находящихся в месте соединения в жидком состоянии. Кромки свариваемых заготовок расплавляют с помощью источника теплоты. Расплавленный металл соединяемых заготовок смешивается и в жидком металле расстояние между атомами достаточное для образования межатомарных связей. В процессе расплавления устраняются все неровности поверхностей, окислы, загрязнения, мешающие сближению атомов. При удалении источника нагрева жидкий металл остывает, затвердевает и образуется сварной шов, соединяющий заготовки в единое целое.
Сварку можно осуществлять, расплавляя только кромки свариваемых заготовок либо дополнительно к кромкам расплавляя присадочный металл. Сварной шов благодаря присадочному металлу получается более толстый, чем основной металл, он выступает за основной материал. Металл в сварном шве по своим свойствам всегда хуже основного металла. Чтобы обеспечить одинаковую прочность (равнопрочность) с основным металлом, сварной шов и делают толще. Сварка плавлением почти всегда производится с присадочным материалом. Присадочный материал добавляют в сварной шов двумя способами:
1) плавящийся электрод,
2) специальная присадочная проволока, если электрод неплавящийся.
В зависимости от типа источника теплоты сварку плавлением делят на два вида:
1) электродуговая – электрическая дуга плавит соединяемые детали,
2) ацетилено-кислородная – из баллонов по шлангам в газовую горелку подаются ацетилен и кислород, на выходе из нее они воспламеняются, пламя расплавляет соединяемые детали.
Электродуговая сварка - к свариваемым заготовкам и к электроду подводится постоянный или переменный ток от источника и зажигается электрическая дуга (стабильный электрический разряд в ионизированных газах). Ионизация газа – молекулы газа становятся заряженными и могут проводить электричество в виде дуги. Электрод держится на расстоянии нескольких миллиметров от кромок свариваемых деталей, и в этом воздушном промежутке и горит электрическая дуга. Для того, чтобы зажечь дугу, сварщик на мгновение касается электродом кромок соединяемых деталей. В результате короткого замыкания выделяется тепло достаточное для зажигания дуги. После касания детали электрод отводится на расстояние в несколько миллиметров и дальше горит дуга, тепло от которой и расплавляет металл деталей.
Для питания сварочной дуги применяют следующие источники тока: для переменного тока - трансформаторы, для постоянного тока - генераторы или выпрямители.
Дуговую сварку выполняют плавящимся или неплавящимся электродами. В качестве плавящегося электрода применять металлический стержень того же состава, что и металл свариваемых заготовок. В качестве неплавящегося электрода применяют, например вольфрамовый стержень.
При ручной дуговой сварке сварщик зажигает дугу, поддерживает ее горение, опускает электрод по мере его плавления и перемещает электрод вдоль свариваемых заготовок. В качестве электродов применяют прутки из проволоки, покрытые специальным составом. В этот состав входят элементы, способствующие устойчивости дуги, защищающие расплавленный металл от воздействия атмосферы.
Ручную дуговую сварку широко применяют в машиностроении благодаря ее универсальности и возможности выполнять сварку во всех пространственных положениях сварного шва: нижнем, верхнем, горизонтальном, вертикальном, замкнутый кольцевой шов и другие варианты. Недостатки этого способа - малая производительность и необходимость высокой квалификации сварщика. Автоматическая дуговая сварка выполняется на специальном оборудовании.
Лекция 16.
Свариваемость металлов и сплавов.
Одни металлы и сплавы легко свариваются, другие свариваются только при определенных условиях, третьи не свариваются вообще.
Свариваемостью металлов и сплавов называют их свойство, позволяющие получить недорогое и качественное сварное соединение. Соединение считают качественным, если механические свойства сварного шва близки к механическим свойствам основного металла и в сварном шве отсутствуют дефекты: поры, шлаковые включения, раковины. Механические свойства – это прочность, жесткость, пластичность.
Свариваемость – зависит от свойств свариваемого металла, от технологического процесса сварки, режима сварки. Поэтому металлы проверяют на свариваемость, сваривая несколько образцов при разных режимах сварки. Выбирают оптимальный вариант.
Признак плохой свариваемости – наличие в сварном шве дефектов:
1) Горячие трещины в сварном шве образуются в результате усадочных явлений (уменьшение объема), протекающих в металле сварного шва при остывании, когда металл шва находится в твердожидком состоянии.
Горячие трещины образуются, если металл недостаточно пластичен. Чаще всего горячие трещины образуются при сварке заготовок из легированных сталей, алюминиевых и медных сплавов.
2) Холодные трещины возникают после полного затвердевания сварного шва в период завершения охлаждения или появляются в металле, уже охлажденном до окружающей температуры. Холодные трещины появляются как следствие усадки сварного шва в твердом состоянии.
Влияние на возникновения холодных трещин оказывают газы, растворившиеся в металле при сварке. Этот дефект характерен для заготовок из углеродистых и легированных сталей.
Склонность металла к образованию горячих или холодных трещин определяют при сварке образцов. Появление этих дефектов предотвращают предварительным подогревом, последующей термической обработкой.
3) Порами называют заполненные газами полости в сварном шве. Основной причиной возникновения пор при сварке являются водород, азот и окись углерода, которые интенсивно растворяются в жидком металле шва. При затвердевании и охлаждении шва пузырьки газа не всегда успевают всплыть и остаются в металле в виде пор.
Для уменьшения образования пор в сварных швах, очищают свариваемые кромки от загрязнений, ржавчины, следов масел, защищают металла шва от контакта с воздухом при сварке.
Большинство дефектов сварных соединений являются результатом несоблюдения или нарушения режимов технологического процесса сварки. Поэтому, если соблюдать техпроцесс сварки, то дефекты не будут появляться.
Защита расплавленного металла сварного шва от воздействия воздуха возможна различными способами:
1) Защита может осуществляться порошкообразным флюсом, ссыпаемым из бункера непосредственно перед электродугой сварки. В состав флюса входят элементы, обеспечивающие стабильность горения дуги, а также легирование металла шва. Флюсы, расплавляясь, создают шлаковый купол над зоной сварочной дуги, препятствующий проникновению воздуха. Флюсы образуют на поверхности расплавленного металла шлаковую корку, в которую переходят из расплавленного металла шва окислы, сера, фосфор и газы.
2) При сварке в защитных газах в зону сварочной дуги подается инертный либо нейтральный газ, защищающий расплавленный и остывающий металл сварного шва от контакта с окружающей атмосферой. В качестве защитных газов применяют инертные газы аргон и гелий, и более дешевый углекислый газ.
Технологичность сварных конструкций.
Сварная конструкция считается технологичной, если для ее изготовления могут быть применены относительно простые и дешевые способы сварки. Эти способы вместе с правильным выбором конструкции соединяемых заготовок позволяют механизировать и автоматизировать сварочные операции, обеспечивая низкую себестоимость Технологичность сварных конструкций, как и технологичность вообще, - это оптимальные (минимальные) затраты денег, времени, труда и материалов при обязательном высоком качестве сварных конструкций.
Технологичность сварных конструкций можно обеспечить правильным выбором материала и формы свариваемых заготовок, дающих возможность применять высокопроизводительные методы сварки.
Следует предусматривать возможность свободного доступа к сварным швам в процессе не только сварки, но и последующего осмотра и контроля.
Выбранный метод сварки должен обеспечивать необходимую прочность сварной конструкции, а также минимальную деформацию сварной конструкции в процессе сварки, что зависит от жесткости конструкции, режима сварки и толщин соединяемых элементов.