Глава 3. Производство магния

Магний - серебристо-белый металл. Важнейшее его физическое свойство - малая плотность (р = 1,74 г/см при 20 °С). В электронной оболочке атома магния имеется двенадцать электронов. Два электрона 3s, находящиеся на внешней орбите, легко могут быть оторваны, что приводит к образованию иона Mg'2+, поэтому магний двухвалентен во всех известных соединениях.

Природный магний состоит из смеси трех стабильных изотопов. Причем искусственный изотоп.27Mg с полураспадом 10,2 ч может быть применен в качестве радиоактивного индикатора. Кристаллы магния обладают компактной гексагональной структурой.

При хранении магния на сухом воздухе на его поверхности образуется окисная пленка, предохраняющая металл при небольшом нагревании (до 200 °С) от дальнейшего окисления; в этих условиях коррозионная стойкость чистого магния превышает стойкость низкоуглеродистой стали. Однако во влажном воздухе его коррозия значительно усиливается. На него практически не действует керосин, бензин и минеральные масла. Однако он не стоек в водных растворах солей (кроме фтористых) и растворяется во многих минеральных и органических кислотах.

Магний в виде слитков или изделий не огнеопасен. Возгорание магния может произойти лишь при температуре, близкой к точке его плавления (651 °С) или после расплавления, если он не изолирован от кислорода воздуха. Покрытый флюсом, металл можно нагребать и плавить. Порошкообразный магний или тонкая магниевая лента легко загорается от спички и горит ослепительно белым пламенем. Магний немагнитен и не искрит при ударах пли трении.

В свободном виде он не встречается, но входит в виде карбонатов, силикатов в состав многих горных пород, а также растворен в морской и озерной воде в виде хлоридов и сульфатов.

В настоящее время для получения магния применяют магнезит, доломит, карналлит, а также морскую воду и отходы ряда производств.

Природный минерал магнезит кроме карбоната магния MgC03 обычно содержит карбонат кальция, кварц, а также примеси других минералов, включающих окислы алюминия и железа. Для производства магния применяют только чистый каустический магнезит, полученный по реакции MgC03 = MgO + CO2 при нагревании (обжиге) природного магнезита до 700-900 °С.

Доломит - горная порода, представляющая собой двойной карбонат кальция и магния MgC03-СаС03. Доломиты обычно содержат примеси кварца, кальцита, гипса и др. Содержание и окраска примесей определяют цвет породы. Доломит широко распространен в природе и составляет около 0,1% всех горных пород, входящих в состав земной коры. Доломит, так же как и магнезит, предварительно обжигают до получения смеси окислов MgO и СаО.

Карналлит - природный хлорид магния и калия - очень гигроскопичное кристаллическое вещество, обычно окрашенное примесями в розовый, желтый пли серый цвет. Карналлит подвергают гидрохимической обработке для выделения из него брома и некоторого количества хлористого натрия и калия, в результате чего получается так называемый искусственный карналлит, который применяется в магниевой промышленности.

Неисчерпаемы запасы магния в виде бишофита MgCl2 * 6Н,0 в морской воде; в среднем там содержится 0,38% MgCl2. Кроме того, в морской воде имеются соединения магния MgS04 (0,17%) и MgBr2 (0,01%).

Морская вода пока редко используется для получения бишофита, так как во многих странах имеются соляные озера, в воде которых содержание хлористого магния значительно выше. В некоторых озеpax перекопской группы, например, содержание хлористого магния к концу лета достигает 15%. Кроме того, сырьем для получения магния теперь служат отходы ряда производств. При этом особенно, широко используют хлористый магний, получаемый при извлечении титана из его руд.

Понятие об электролитической способе получения магния. В основном магний получают электролитическим способом, важнейшими стадиями которого являются: а) получение чистых безводных солей магния; б) электролиз расплава этих солей и в) рафинирование магния.

Варианты электролитического способа получения магния различаются по составу солей, поступающих на электролиз (карналлит, хлористый магний и т.д.), и по способу получения этих солей (хлорирование магнезита, обезвоживание бишофита или карналлита). Хлорирование магнезита можно проводить аналогично хлорированию окиси титана. Обезвоживание карналлита обычно проводят в две стадии: вначале медленным нагреванием природного карналлита в трубчатых печах, а затем плавлением соединения КCl* MgCl2 * Н20 до полного удаления гидратной влаги.

Электролиз проводят в расплавленных хлоридах магния, калия, натрия и кальция, так как при электролизе водных растворов его солей из-за отрицательного потенциала магния на катоде выделяется только водород.

Схема электролизера для получения магния изображена на рисунке:

Электролизер для получения магния.

Анодами служат графитные плиты 4, катодами - стальные пластины 2. Так как плотность расплавленного электролита больше, чем плотность магния в этих же температурных условиях, то выделяющийся на катоде жидкий магний, не растворяясь в электролите, в виде капель всплывает на поверхность. На аноде выделяется газообразный хлоp, который также поднимается и выбрасывается из электролита. Во избежание взаимодействия хлора и магния и короткого замыкания анода и катода расплавленным магнием вверху устанавливают перегородку 1, которую принято называть диафрагмой. Во время электролиза расходуется хлористый магний, периодически вводимый в электролит.

Собирающийся на поверхности катодного пространства магний периодически удаляют. Выделяющийся в анодном пространстве хлор всасывают через трубы 3 и используют, например, для хлорирования окиси магния или окиси титана.

Магний можно получить электролизом чистого расплавленного безводного хлористого магния, однако высокая температура плавления, низкая электропроводность и другие неблагоприятные свойства этой соли вынуждают прибегать к электролитам более сложного состава. Практически удобнее вести электролиз карналлита, который обычно содержит в виде примеси хлористый натрий. Такой электролит обладает более низкой температурой плавления, более высокой электропроводностью и меньше растворяет магний. Поэтому при работе с ним достигается меньший расход электроэнергии.

Магниевые ванны соединяются между собой последовательно в серии по 60-100 шт. Число ванн в серии определяется напряжением источника постоянного электрического тока; напряжение ванны, которое зависит от ее конструкции, межполюсного расстояния, состава электролита, колеблется в пределах 5,5-7,5 В.

Обслуживание ванн заключается в выполнении следующих основных операций: а) питании электролитом; б) регулировании температуры; в) извлечении магния; г) удалении шлама.

Питание ванн электролитом. В процессе электролиза идет непрерывное разложение хлористого магния, поэтому для восполнения го расхода в ванну периодически вводят свежие расплавленные мористые соли. Наиболее удобно добавлять в электролит безводный Хлористый магний, получающийся при восстановлении хлорида титана магнием. В случае автономного расположения магниевого завода бишофит приходится предварительно обезвоживать. Можно вводить в ванну и безводный карналлит, но тогда необходимо сливать часть электролита, так как иначе в нем будет избыток хлорида калия. Из отработанного электролита получают калийные удобрения.

Регулирование температуры. Электролиз должен протекать при температуре 690-720 °С, при этом нижнего предела желательно придерживаться при питании ванн хлористым магнием, а верхнего - при питании карналлитом. В процессе электролиза необходимо наблюдать за температурой электролита, так как отклонение от нормы, особенно в сторону повышения, значительно ухудшает показатели Iпроцесса.

В магниевых ваннах для регулирования температуры не меняют межполюсное расстояние, как это принято при электролитическом получении алюминия, а изменяют состав, а с ним и электропроводность электролита. Так, например, чтобы поднять температуру электролита, следует залить в него больше чистого хлористого магния, что увеличит сопротивление электролита. Изменения температуры в пределах 20-30 °С можно добиться, варьируя количество отсасываемых газов из катодного пространства ванны.

В случае перегрева электролита применяют загрузку твердого хлористого натрия; при чрезмерном падении температуры, например при выключении ванны, используют подогрев электролита переменным током, опуская в катодные ячейки нихромовые спирали.

Извлечение магния из электролизера. Это обычно производят не реже одного раза в сутки, применяя вакуумные ковши. Ковш предварительно нагревается вмонтированными в него нагревательными элементами и затем подается к ваннам мостовым краном. После создания в нем разрежения 730-800 кПа в ячейку ванны опускают всасывающую трубу и открывают клапан. Металл и часть электролита засасываются в ковш. Затем клапан закрывают и повторяют операцию в других ячейках ванны.

Удаление шлама. В электролит с хлористым магнием поступает и окись магния; кроме того, может протекать гидролиз электролита с образованием окиси магния. Она оседает на дно электролизера, увлекая за собой другие продукты и образуя шлам. Шлам удаляют один раз в два-три дня, не допуская значительного накопления его на дне ванны, так как это иногда приводит к замыканию анода с катодом и ухудшает условия осаждения магния на катоде.

12. Конструкционные материалы применяемые в машиностроение.

Конструкционные материалы, материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами Конструкционные материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др. Основой Конструкционные материалы стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова.

При конструировании самолётов, когда главным требованием, предъявляемым к Конструкционные материалы, стала высокая удельная прочность, широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к Конструкционные материалы (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению — с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением Конструкционные материалы, обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию — малому поперечному сечению захвата нейтронов.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Отдельные классы Конструкционные материалы, в свою очередь, делятся на многочисленные группы. Например, металлические сплавы различают: по системам сплавов — алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые, на железной основе и др.; по типам упрочнения — закаливаемые, улучшаемые, стареющие, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.; по структурному составу — стали аустенитные и ферритные, латуни и т.д.

Неметаллические Конструкционные материалы подразделяют по изомерному составу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и по характеру их размещения и ориентации. Некоторые Конструкционные материалы, например сталь и алюминиевые сплавы, используются как строительные материалы и, наоборот, в ряде случаев строительные материалы, например железобетон, применяются в конструкциях машиностроения.

Технико-экономические параметры Конструкционные материалы включают: технологические параметры — обрабатываемость металлов давлением, резанием, литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин при литье), свариваемость, паяемость, скорость отверждения и текучесть полимерных материалов при нормальных и повышенных температурах и др.; показатели экономической эффективности (стоимость, трудоёмкость, дефицитность, коэффициент использования металла и т.п.).

К металлическим Конструкционные материалы относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали, для нагревательных элементов, для присадочной проволоки (при сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём Конструкционные материалы, используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном прочности — от 200 до 3000 Мн/м2 (20—300 кгс/мм2), пластичность сталей достигает 80%, вязкость — 3 МДж/м2. Конструкционные (в т. ч. нержавеющие) стали выплавляются в конверторах, мартеновских и электрических печах. Для дополнительной рафинировки применяются продувка аргоном и обработка синтетическим шлаком в ковше. Стали ответственного назначения, от которых требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, вакуумно-индукционным и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях — улучшением кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки) вытягиванием из расплава.

Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др. Прочность чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 Мн/м2 (чугаль) до 1350 Мн/м2 (легированный магниевый чугун).

Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000—1100 °С. Выплавляются в вакуумно-индукционных и вакуумно-дуговых, а также в плазменных и электроннолучевых печах. Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Прочность алюминиевых сплавов составляет: деформируемых до 750 Мн/м2, литейных до 550 Мн/м2, по удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др. Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали), имеют прочность до 400 Мн/м2 и выше; применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600 Мн/м2 и более. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.

К Конструкционные материалы относятся также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия, которые нашли применение в различных отраслях техники (см. Бериллиевые сплавы, Медноникелевые сплавы, Молибденовые сплавы).

Неметаллические Конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимерные материалы (см. Полимеры), керамику, огнеупоры, стекла, резины, древесину. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганических термопластичных смол и фторопластов, армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др. Термопластичные полимерные материалы — полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.

Стекла (силикатные, кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений.

Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционные материалы, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

Т. к. в составе Конструкционные материалы нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств Конструкционные материалы связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств, например предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т.п. Такие материалы составляют новый класс композиционных Конструкционные материалы В них используются высокопрочные элементы (волокна, нити, проволока, нитевидные кристаллы, гранулы, дисперсные высокотвёрдые и тугоплавкие соединения, составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из пластичного и прочного материала (металлических сплавов или неметаллических, преимущественно полимерных, материалов). Композиционные Конструкционные материалы по удельной прочности и удельному модулю упругости могут на 50—100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкций на 20—50%.

Наряду с созданием композиционных Конструкционные материалы, имеющих ориентированную (ортотропную) структуру, перспективным путём повышения качества Конструкционные материалы является регламентация структуры традиционных Конструкционные материалы Так, путём направленной кристаллизации сталей и сплавов получают литые детали, например лопатки газовых турбин, состоящие из кристаллов, ориентированных относительно основных напряжений таким образом, что границы зёрен (слабые места у жаропрочных сплавов) оказываются ненагруженными. Направленная кристаллизация позволяет увеличить в несколько раз пластичность и долговечность. Ещё более прогрессивным методом создания ортотропных Конструкционные материалы является получение монокристальных деталей с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений. Весьма эффективно используются методы ориентации в неметаллических Конструкционные материалы Так, ориентация линейных макромолекул полимерных материалов (ориентация стекол из полиметилметакрилата) значительно повышает их прочность, вязкость и долговечность.

При синтезировании композиционных Конструкционные материалы, создании сплавов и материалов с ориентированной структурой используются достижения материаловедения.

13. Методы сварки заготовки.

Сварка это процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. В настоящее время создано очень много видов сварки (их число приближается к 100). Все известные виды сварки принято классифицировать по основным физическим, техническим и технологическим признакам. По физическим признакам, в зависимости от формы используемой энергии, предусматриваются три класса сварки:

• термическая сварка металлов

• термомеханическая сварка металлов

• механическая сварка металлов

Термический класс включает все виды сварки с использованием тепловой энергии (дуговая сварка, газовая сварка, плазменная сварка и т. д.). Термомеханический класс объединяет все виды сварки, при которых используются давление и тепловая энергия (контактная сварка, диффузионная сварка) Механический класс включает виды сварки, осуществляемые механической энергией (холодная сварка, сварка трением, ультразвуковая сварка, сварка взрывом).

Виды сварки классифицируются по следующим техническим признакам:

• по способу защиты металла в зоне сварки (в воздухе, в вакууме, под флюсом, в пене, в защитном газе, с комбинированной защитой);

• по непрерывности процесса (непрерывная, прерывистая);

• по степени механизации (ручная, механизированная, автоматизированная, автоматическая);

• по типу защитного газа (в активных газах, в инертных газах);

• по характеру защиты металла в зоне сварки (со струйной защитой, в контролируемой атмосфере).

Технологические признаки установлены для каждого вида сварки отдельно. Познакомимся с наиболее применяемыми видами сварки и соответствующим оборудованием.

Дуговая сварка металла

Дуговая сварка металла это сварка плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги. Наибольшее применение получили четыре вида дуговой сварки.

Ручная дуговая сварка металла

Может производиться двумя способами:

• неплавящимся электродом

• плавящимся электродом

Ручная дуговая сварка металла неплавящимся электродом

Ручная дуговая сварка металла неплавящимся электродом предусматривает следующее: свариваемые кромки изделия приводят в соприкосновение. Между неплавящимся (угольным, графитовым) электродом и изделием возбуждают дугу. Кромки изделия и вводимый в зону дуги присадочный материал нагреваются до плавления, образуется ванночка расплавленного металла. После затвердевания металл в ванночке образует сварной шов. Этот способ используется при сварке цветных металлов и их сплавов, а также при наплавке твердых сплавов.

Ручная дуговая сварка металла плавящимся электродом

При сварке металла плавящимся электродом используется электрод, этот способ является основным при ручной сварке. Электрическая дуга возбуждается аналогично первому способу, расплавляет электрод и кромки изделия. Получается общая ванна расплавленного металла, которая, охлаждаясь, образует шов.

Автоматическая и полуавтоматическая сварка металла под флюсом

Автоматическая и полуавтоматическая сварка металла под флюсом выполняется путем механизации основных движений, выполняемых сварщиком при ручной сварке металла - подачи электрода в зону дуги и перемещения его вдоль свариваемых кромок изделия. При полуавтоматической сварке механизирована подача электрода в зону дуги, а перемещение электрода вдоль свариваемых кромок производит сварщик вручную. При автоматической сварке металла механизированы все операции, необходимые для этого процесса. Жидкий металл в ванночке защищают от воздействия кислорода и азота воздуха расплавленным шлаком, образованным от плавления флюса, подаваемого в зону дуги. Такая сварка металла обеспечивает высокую производительность и хорошее качество сварного шва.

Дуговая сварка металла в защитном газе

Дуговая сварка металла в защитном газе выполняется неплавящимся (вольфрамовым) или плавящимся электродом. В первом случае сварной шов формируется за счет металла расплавленных кромок изделия. При необходимости в зону дуги подается присадочный материал. Во втором случае подаваемая в зону дуги электродная проволока расплавляется и участвует в образовании шва. Защиту расплавленного шва от окисления и азотирования осуществляют струей защитного газа, оттесняющего атмосферный воздух из зоны дуги.

Электрошлаковая сварка металла

Электрошлаковая сварка металла осуществляется путем плавления металла свариваемых кромок изделия, расположенных вертикально или под углом 45о, и электрода теплотой, выделяемой током при прохождении через расплавленный шлак. Кроме того, шлак защищает расплавленный металл от воздействия воздуха. Снизу к свариваемым изделиям приваривается вручную поддон. По обе стороны зазора между изделиями прижимаются формирующие шов медные ползуны с водяным охлаждением. Затем на поддон насыпается специальный флюс, над которым располагаются одна или две электродные проволоки. Дуга возбуждается под флюсом между электродами и поддоном. В зону горения дуги электродная проволока подаётся специальным механизмом. За счёт тепла дуги электродная проволока и флюс расплавляются, в результате образуется ванна расплавленного металла и над ней шлаковая ванна. В дальнейшем необходимое тепло образуется за счёт прохождения тока через расплавленный шлак, обладающий высоким сопротивлением (согласно закону Ленца-Джоуля). По мере накопления в ванне жидкого металла и шлака медные ползуны вместе с механизмом подачи электродной проволоки и флюса перемещаются автоматически снизу вверх со скоростью подъёма жидкого металла.

Особые виды сварки металла

В промышленности и строительстве все более широкое распространение получают тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы. Они применяются в особо ответственных узлах. Для получения высококачественных швов в этих случаях используют источники с высокой концентрацией теплоты и осуществляют сварку в среде с очень низким содержанием кислорода, азота и водорода. Наиболее часто применяются электронно-лучевая и плазменная сварки. Электронно-лучевая сварка металла осуществляется путем использования кинетической энергии концентрированного потока электронов, движущихся с большой скоростью в вакууме. Устройство для электронно-лучевой сварки похоже на устройство кинескопа (катод, ускоряющий электрод, магнитная линза, напряжение 30-100 кВ). Плазменная сварка металла основана на использовании струи ионизированного газа - плазмы, содержащего электрически заряженные частицы и способного проводить ток. Энергия дуговой плазменной струи зависит от сварочного тока, напряжения, расхода газа и др. факторов. Источники питания дуги должны иметь рабочее напряжение более 120 В. Плазмообразующий газ служит также защитой расплавленного металла от окружающего воздуха.

14 Обработка заготовок на сверлильных станках.

На сверлильных станках можно выполнять не только сверление, но и другие технологические операции дальнейшей обработки отверстий. На современных сверлильных станках осуществляют следующие работы:

сверление сквозных и глухих отверстий;

рассверливание отверстий на больший диаметр;

зенкерование, выполняемое для получения отверстия с высокими квалитетом и параметром шероховатости поверхности;

зенкование, выполняемое для образования в основании просверленного отверстия гнезд с плоским дном под головки винтов и болтов;

развертывание цилиндрических и конических отверстий, обеспечивающее высокую точность и шероховатость обрабатываемой поверхности;

раскатывание отверстий специальными оправками со стальными закаленными роликами или шариками для получения плотной и гладкой поверхности отверстия, а также шероховатости Ra 0,63...0,08 мкм;

нарезание внутренних резьб метчиками;

подрезание (цекование) торцов наружных и внутренних приливов для получения ровной поверхности, перпендикулярной к оси отверстия.

Технологические возможности сверлильных станков не исчерпываются перечисленными работами. На них можно развальцовывать полые заклепки, обрабатывать многогранные отверстия, а также выполнять другие операции.

Отверстия на сверлильных станках обрабатывают различными режущими инструментами: сверлами, зенкерами, зенковками, развертками, резцами и метчиками.

Для крепления сверл, разверток, зенкеров и других режущих инструментов в шпинделе сверлильного станка применяют следующие вспомогательные инструменты: переходные сверлильные втулки, сверлильные патроны, оправки и т.д.

Переходные конические втулки служат для крепления режущего инструмента с коническим хвостовиком, когда номер конуса хвостовика инструмента не соответствует номеру конуса в шпинделе станка, например на токарно-винторезных станках.

Наружные и внутренние поверхности переходных втулок выполняют с конусом Морзе семи номеров от (0 до 6) по ГОСТ 8522—70. Втулку вместе со сверлом вставляют в конусное гнездо шпинделя станка. Если одной втулки недостаточно, то применяют несколько переходных втулок, вставляя одну в другую.

Сверлильные патроны используют для крепления режущих инструментов с цилиндрическим хвостовиком диаметром до 20 мм.

В трехкулачковом сверлильном патроне инструменты закрепляют ключом. Внутри корпуса патрона наклонно расположены три кулачка 1 с резьбами, объединенные гайкой 2. Обойму 3 вращают специальным ключом 4, вставленным в отверстие корпуса патрона. При вращении обоймы по часовой стрелке одновременно с ней вращается гайка.

Зажимные кулачки, опускаясь вниз, постепенно сходятся и зажимают цилиндрический хвостовик сверла или другого режущего инструмента. При вращении обоймы против часовой стрелки кулачки, поднимаясь вверх, расходятся и освобождают зажатый инструмент.

В двухкулачковом сверлильном патроне хвостовик инструмента зажимают, перемещая в Т-образных пазах корпуса два кулачка. Эти кулачки сближают и разводят ключом при помощи винта, имеющего правую и левую резьбу.

Для зажима сверл малого диаметра с цилиндрическими хвостовиками часто используют цанговые патроны.

Быстросменные сверлильные патроны применяют для сокращения вспомогательного времени при работе на сверлильных станках. Они позволяют быстро менять режущий инструмент, не выключая станок. Один из таких патронов, предназначенный для крепления режущих инструментов с коническими хвостовиками, изображен на, я. Для крепления сверл с цилиндрическими хвостовиками в коническое отверстие 6 патрона вставляют переходную коническую разрезную втулку. В последнее время в серийном и массовом производствах широко применяют такие втулки для крепления сверл с цилиндрическими хвостовиками диаметром до 10 мм. Эта втулка, вставленная в шпиндель сверлильного станка, обеспечивает прочное закрепление сверла.

Самоустанавливающиеся сверлильные патроны применяют при обработке предварительно просверленных отверстий. Патроны позволяют центрировать режущий инструмент по оси обрабатываемого отверстия.

Предохранительные патроны служат для крепления метчиков при нарезании резьбы на сверлильных станках. Применение таких патронов улучшает качество нарезаемой резьбы и предохраняет метчик от поломок. Ведущая кулачковая полумуфта 5 пружиной 6 прижимается к ведомым полумуфтам 2 и 4, свободно сидящим на оправке 7. При этом кулачки 3, расположенные на торце полумуфты 4, входят во впадины полумуфт 2 и 5 и приводят их в движение. По окончании нарезания резьбы в отверстии полумуфты 2 и 4 вместе с метчиком прекращают вращение, а полумуфта 5, выйдя из зацепления с полумуфтами 2 и 4 и продолжая вращаться, начинает проскальзывать (щелкать). Метчик из нарезанного отверстия вывертывают обратным вращением шпинделя станка. Кольцо 1 служит для закрепления метчика в патроне.

Реверсивные патроны используют при нарезании резьбы на сверлильном станке, который не имеет реверса (устройства для переключения на обратное вращение шпинделя). С их помощью метчики вывертывают из нарезанного отверстия.

Для разверток, закрепляемых в шпинделе сверлильного станка, применяют качающиеся оправки, позволяющие инструменту занимать положение, совпадающее с осью обрабатываемого отверстия.

Удалять режущий инструмент, переходные втулки и сверлильные патроны из отверстия шпинделя станка рекомендуется с помощью специальных клиньев или эксцентрикового ключа.

Для правильной установки и закрепления обрабатываемых заготовок на столе сверлильного станка применяют различные приспособления, из которых наиболее распространенными являются тиски машинные (винтовые, эксцентриковые и пневматические), призмы, упоры, угольники, кондукторы, специальные приспособления и др.

Винтовые машинные тиски широко используют в единичном производстве, а пневматические — применяют чаще всего в серийном и массовом производствах при работе на станках различных групп.

Быстродействующие машинные тиски с рычажно-кулачковым зажимом используют при работе на сверлильных станках. Они обеспечивают быстрый зажим заготовок. На плоских направляющих поворотной части 2 смонтировано основание 9 подвижной губки 5. Расстояние между губками тисков в зависимости от размеров обрабатываемой заготовки регулируется установочным винтом 4, имеющим трапецеидальную резьбу. Губка 5 выполнена в виде рычага, на конец которого действует двойной кулачок 8 эксцентрикового валика 7, перемещаемого рукояткой 6. Основание 9 представляет собой опору для губки 5 рычага и кулачка 8. Для зажима обрабатываемой заготовки рукоятку 6 нужно перевести в горизонтальное положение.

Для закрепления заготовок и обеспечения правильного положения инструмента относительно оси обрабатываемого отверстия на сверлильных станках используют специальные приспособления — кондукторы.

Для направления режущего инструмента в корпусе кондуктора имеются кондукторные втулки, которые обеспечивают точную обработку отверстий в соответствии с чертежом. Конструкция и размеры этих втулок стандартизованы. Существуют постоянные втулки (применяются в кондукторах для мелкосерийного производства при обработке отверстия одним инструментом) и быстросменные с замком (для кондукторов массового и крупносерийного производства). Втулки изготовляют из стали У10А или 20Х и подвергают термической обработке для придания им необходимой твердости.

Для уменьшения износа втулок и смещения оси обрабатываемого отверстия из-за возможного перекоса инструмента во втулке между ее нижним торцом и поверхностью заготовки оставляют зазор. В результате этого стружка не проходит через втулку и сбрасывается в сторону. При сверлении чугуна устанавливают зазор 0,3 ...0,5d, где d — диаметр отверстия во втулке.

При сверлении стали и вязких материалов (меди, алюминиевых и других сплавов) зазор увеличивают (до диаметра отверстия во втулке).

Кондукторные плиты служат для установки в их отверстиях кондукторных втулок. В зависимости от способа соединения с корпусом кондуктора кондукторные плиты подразделяют на постоянные, поворачиваемые, съемные, подвесные и подъемные. Постоянные плиты изготовляют как единое целое с корпусом кондуктора или жестко соединяют с ним сваркой или винтами. Поворачиваемые плиты вращаются на оси относительно корпуса кондуктора при установке и снятии обрабатываемой детали. Съемные плиты изготовляют отдельно от корпуса.

Подвесные кондукторные плиты устанавливают на нижних концах двух направляющих скалок и закрепляют гайками. Верхние концы скалок свободно входят в отверстия втулок, запрессованных в отверстия корпуса многошпиндельной сверлильной головки, которая закреплена на гильзе шпинделя станка. Подъемные кондукторные плиты по краям имеют два отверстия, которые используют при их установке на верхние концы двух направляющих скалок. Установленные плиты закрепляют гайками. Нижние концы направляющих скалок входят в отверстия корпуса кондуктора. Подъем и опускание направляющих скалок с кондукторной плитой производится от пневмопривода.

Применение кондукторов устраняет необходимость в разметке, нанесении центровых отверстий, выверке заготовок при креплении и других операциях, связанных со сверлением по разметке, снижает утомляемость рабочего и т.д. Поэтому их широко используют в серийном и массовом производстве. В зависимости от конструкции различают накладные, скользящие, опрокидываемые и поворотные кондукторы.

Рассмотрим в качестве примера накладные кондукторы, называемые так потому, что их накладывают на обрабатываемую заготовку. Существуют два вида накладных кондукторов: закрепляемые и незакрепляемые. На дана схема незакрепляемого накладного кондуктора для сверления четырех отверстий 6. Обрабатываемая заготовка устанавливается базовой поверхностью на поверхности приспособления 5 так, чтобы оси просверливаемых отверстий расположились вертикально, соответственно направлению рабочей подачи сверла. После закрепления в таком положении на заготовку накладывают кондукторную плиту 4. Два фиксирующих пальца 1 и 2 обеспечивают правильное положение направляющих втулок 3 относительно осей отверстий.

К поворотным и передвижным приспособлениям, используемым на сверлильных станках, относятся нормализованные стойки, поворотные и передвижные столы, обычно применяемые для обработки отверстий вместе со съемными рабочими приспособлениями — поворотными кондукторами для установки и закрепления обрабатываемой заготовки и направления режущего инструмента. Поворотные приспособления, имеющие горизонтальную ось вращения делительной планшайбы, принято называть поворотными стойками, а приспособления с вертикальной осью вращения — поворотными столами.

Универсально-сборные приспособления (УСП) широко применяются на многих заводах и служат для крепления заготовок при их обработке на различных металлорежущих станках (например, для обработки отверстий на сверлильных станках). Применение УПС дает большую экономию времени и средств.

Многошпиндельные сверлильные головки являются дополнительным приспособлением к сверлильному станку. Эти головки позволяют одновременно обрабатывать несколько отверстий различными инструментами, что значительно увеличивает производительность сверлильных станков.

На рис. 6.18 показана конструкция шестишпиндельной револьверной головки для последовательной обработки отверстий в деталях различными режущими инструментами. В головке устанавливают сменные шпиндели, приводы которых имеют различные передаточные числа. Такая конструкция головки позволяет без остановки и переналадки вертикально-сверлильного станка при последовательном повороте шпинделей выполнять различные виды обработки отверстия: сверление, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы и цекование торцов.

Каждый шпиндель головки поворачивается в вертикальное положение для последующей обработки отверстия соответствующим режущим инструментом автоматически, без остановки станка и переключения скорости. Для включения в работу очередного шпинделя с инструментом револьверная головка, закрепленная на пиноли станка, поднимается.

При работе на сверлильных станках сверловщик часто использует измерительный инструмент для контроля диаметров и глубины отверстий, а также других размеров обрабатываемых заготовок.

Размеры отверстий измеряют и проверяют различными контрольно-измерительными инструментами, которые выбирают в зависимости от требуемой точности измеряемого размера и характера производства. Наиболее часто сверловщик использует следующие измерительные инструменты: измерительную линейку, нутромер, угольники, штангенциркуль, калибры гладкие и резьбовые, штангенглубиномер. Рассмотрим некоторые из них.

Измерительная линейка представляет собой жесткую стальную ленту длиной от 150 до 1000 мм и более с нанесенными на нее делениями через 1 мм и используется для приближенных измерений габаритных размеров обрабатываемых заготовок, расстояний между центрами отверстий, диаметров отверстий и т.д. Точность измерения линейкой — 0,5 мм.

Индикаторный нутромер применяют для измерения точных отверстий диаметром от 6 мм и более. Погрешность показаний нутромера ± 0,15 мм; цена деления 0,01 мм. В комплект нутромеров входит набор сменных вставок, с помощью которых устанавливают нужные пределы измерения.

Для проверки точных отверстий применяют микрометрические нутромеры с ценой деления 0,01 мм и погрешностью показаний ± 0,006 мм.

Гладкие калибры — бесшкальные измерительные инструменты — используют главным образом в серийном или массовом производстве для контроля правильности изготовления отверстий.

В настоящее время применяют в основном предельные двусторонние калибры, у которых одна сторона имеет наибольшие предельные размеры детали и называется проходной (ПР), а вторая — наименьшие предельные размеры и называется непроходной (НЕ). К предельным гладким калибрам относятся гладкие пробки.

Изделия, имеющие внутренние резьбы, контролируют резьбовыми калибрами — прототипами сопрягаемых изделий. Рабочими калибрами для контроля внутренних резьб являются резьбовые пробки: проходная и непроходная.

15. Производство сплавов.

Получение чугуна и стали. Технологический процесс получения черных металлов включает выплавку чугуна из железных руд с последующей переработкой его в сталь.

Основным способом получения чугуна является доменный. Доменный процесс состоит из трех стадий: восстановление железа из оксидов, содержащихся в руде, науглероживание железа и шлакообразование. Сырьевыми материалами служат железные руды, топливо и флюсы.

Железные руды до плавки обычно подвергают предварительной подготовке: дроблению, обогащению и окускованию. Обогащают измельченную руду часто магнитной сепарацией. Для удаления песчаных и глинистых частиц промывают водой. Окускова-ние мелких и пылеватых руд производится агломерацией — путем спекания на колосниковых решетках агломерационных машин или окатывания в грануляторе с последующей сушкой и обжигом. Основным топливом при плавке чугуна служит кокс, который является источником тепла и непосредственно участвует в восстановлении и науглероживании железа. Флюсы (известняки, доломиты или песчаники) применяют для снижения температуры плавления пустой породы и связывания ее с золой топлива в шлак.

Доменная печь представляет собой вертикальную шахту высотой до 35 м и более со стенами из огнеупорного кирпича, заключенными в стальной кожух. Сверху в печь послойно загружают подготовленные сырьевые материалы. В результате горения кокса за счет кислорода воздуха, нагнетаемого в нижнюю часть печи, образуется оксид углерода, который восстанавливает железо из руды и может взаимодействовать с ним, при этом образуется карбид Ре3С — цементит.

Одновременно с восстановлением железа восстанавливаются кремний, фосфор, марганец и другие примеси.

Расплавленные при температуре 1380—1420°С чугун и шлак выпускают через летки. Чугун разливается в формы, а шлак идет на переработку. В доменных печах выплавляют передельный чугун, идущий на переработку в сталь, литейный чугун, используемый для получения разнообразных чугунных изделий, и специальные чугуны (ферросилиций, ферромарганец), применяемые в производстве стали как раскислители или легирующие добавки.

Сталь получают из передельного чугуна окислением с помощью мартеновского, конвертерного и электроплавильного способов. Основным способом производства стали в СССР и других странах мира является мартеновский способ, но в последние годы широкое распространение находит кислородно-конвертерный способ, обладающий существенными технико-экономическими преимуществами.

При мартеновском способе сталь получают в мартеновских печах, в плавильном пространстве которых сжигается газ или мазут, а в специальных камерах — регенераторах подготавливаются поступающие в печь воздух и газообразное топливо за счет аккумулированного тепла отходящих продуктов горения. Шихта включает чугун в чушках и металлический лом — скрап или жидкий чугун, скрап и железную руду. Процесс получения стали заключается в плавлении шихты, при котором образуется большое количество закиси железа, окислении углерода и других примесей закисью железа и раскислении — восстановлении железа из закиси добавками ферросилиция, ферромарганца или алюминия.

Производство сплавов на основе алюминия осуществляется в зависимости от состава и назначения с применением различного печного и литейного оборудования. В литейных отделениях электролизных цехов производят наиболее распространенные алюминиевые литейные сплавы типа силумина и малолегированные деформируемые сплавы. Литейные сплавы выпускаются в виде чушек, деформируемые - в виде слитков для последующего проката или прессования.

Производство сплавов Ti-Ni в промышленности осуществляется с помощью выплавки в высокочастотных индукционных печах с применением графитовых тиглей, поэтому обычно при выплавке невозможно избежать попадания углерода. В сплавах Ti-Ni промышленного производства содержится около 0 2 - 0 6 % ( ат. При этом углерод входит в твердый раствор в Ti-Ni и вызывает выделение карбидов Т.С. В первом случае углерод оказывает влияние на Ms, во втором - на механические свойства, в особенности на механические свойства при знакопеременных напряжениях. 

Для производства сплавов с ниобием на никелевой основе, в которых железо является вредной примесью, применяют никельииобиевую лигатуру, имеющую по ТУ 14 - 5 - 67 - 75 следующий состав ( ННб-1), %: ( Nb Ta) 30 - 45; Al3 0; Si: l 0; Fel2; С0 1; никель - остальное. Плавку ведут со сливом шлака и сплава в электропечи. На первой стадии в печи расплавляют электролитический никель, затем при отключенной печи на поверхности металлического расплава проплавляют восстановительную часть шихты, состоящую из технического пентокси-да ниобия, первичного алюминиевого порошка и извести. При промышленной выплавке никельниобиевой лигатуры на 1 т ее ( 30 % Nb Ta) расходуется 1670 кг пентоксида ниобия ( 30 % Nb2O5 Ta2O5), 450 кг никеля, 210 кг порошка первичного алюминия, 40 кг натриевой селитры, 135 кг извести и 1440 МДж ( 400 кВт - ч) электроэнергии. Освоена выплавка ниобиймарган-цевой и хромниобиевой лигатур.

16. Обработка заготовок на станках с ЧПУ.

Выпускаемые станки с ЧПУ ориентированы на минимальные участие человека в процессе производства и на обеспечение максимального использования их в гибких производственных системах (ГПС) различного назначения.

Преимущества станков с ЧПУ.

экономические.

К ним можно отнести:

1. Повышение производительности труда (в 2-5 раза);

например: для сравнения – с обыкновенными металлообрабатывающими станками

(в 4-5 раз)

- с универсальными м.с. (в 2-3 раза)

2. Снижение потребности в квалифицировании рабочих станочниках;

3. Снижение времени на изготовление деталей.

• технологические.

1. Повышение точности изготовления деталей;

2. Сокращение периода освоения новых изделий;

3. Сокращение времени подгоночных работ и обеспечение взаимозаменяемости;

4. Сокращение номенклатуры оснастки.

Недостатки применения станков с ЧПУ:

1. Достаточно высокая стоимость;

2. Недостаточная надежность станков с ЧПУ;

3. Необходимо высококвалифицированных наладчиков;

4. Необходимо использования ЭВМ и высококвалифицированных программистов.

Применение станков с ЧПУ в основных видах производства.

1. В единичном производстве для изготовления особо сложных деталей

2. В мелкосерийном и серийном производстве для изготовления деталей средней сложности (для повышения гибкости производства)

3. Крупносерийное производство для изготовления корпусных деталей и тел вращения.

Устройство числового программного управления:

Вычислитель предназначен для: ввода информации с компьютера или с пульта управления; преобразования входной информации к виду, удобному для интерполирования, с выдачей сигналов на УУШП; цифровой индикации геометрической и технологической информации.

Устройство управления шаговым приводом УУШП предназначено для преобразования сигналов, поступающих из устройства интерполяции, в сигналы управления шаговыми двигателями станка.

Системы числового программного обеспечения

• позиционные, в которых задают только координаты конечных точек положения исполнительных органов после выполнения ими определенных элементов рабочего цикла. Примеры: сверлильные, расточные и координатно-расточные станки;

• контурные или непрерывные, управляющие движением исполнительного органа по заданной криволинейной траектории Примеры: токарные, фрезерные и круглошлифовальные станки;

• универсальные (комбинированные), в которых осуществляется программирование как перемещений при позиционировании, так и движения исполнительных органов по траектории, а также смены инструментов и загрузки-выгрузки заготовок. Примеры: многоцелевые токарные и сверлильно-фрезерно-расточные станки;

• многоконтурные системы, обеспечивающие одновременное или последовательное управление функционированием ряда узлов и механизмов станка. Примеры: бесцентровые круглошлифовальные станки.

СХЕМА ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА МЕЖДУ ОПОРНЫМИ ТОЧКАМИ А, В, С, Д, Е ПРИ ЛИНЕЙНОЙ ИНТЕРПОЛЯЦИИ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ

При линейной интерполяции криволинейный контур, заданный на чертеже, заменяют ломаной линией (ABCD). Такая замена называется аппроксимацией контура. При аппроксимации точки ломаной должны как можно меньше отклоняться от заданного контура.

На практике число опорных точек принимают минимально допустимым, с тем чтобы их максимальное отклонение от заданного контура не превышало допуска δ на аппроксимацию контура. Этот допуск принимают равным: δ= (0,1—0,3)Δ, где Δ — чертежный допуск на размеры заданного контура.

СХЕМА ДВИЖЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА МЕЖДУ ОПОРНЫМИ ТОЧКАМИ А, В, С ПРИ КРУГОВОЙ ИНТЕРПОЛЯЦИИ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ

Для станков с линейно-круговыми интерполяторами в кадре программы записываются координаты конечных точек дуги каждого радиуса (R₁ и R₂ ) и координаты центров этих дуг (например, точки В и С и O₁ и O₂)

17. Производство поковок методом штамповки.

Штампованные поковки изготовляют также на гидравлических штамповочных прессах простого, двойного и тройного действия. Их применяют в тех случаях, когда нельзя использовать кривошипные прессы по следующим причинам: если для изготовления поковок требуются большой ход деформирующего инструмента и одновременно большое усилие; если для изготовления поковок сложной конфигурации требуется обжатие инструментом с одновременным перемещением его в разны х плоскостях и направлениях, что можно обеспечить на прессах двойного и тройного действия. У Гидравлических прессов двойного и тройного действия рабочие цилиндры расположены не только на неподвижной траверсе, но и на горизонтальной плоскости в пределах штампового пространства с двух, трех и четырех сторон, а их оси совпадают с плоскостями разъема. Такие прессы усилием 100000 кН и выше изготовляют по специальным заказам. 

Горячая объёмная штамповка — это вид обработки металлов давлением, при которой формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента — штампа. Течение металла ограничивается поверхностями полостей (а также выступов), изготовленных в отдельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую полость (ручей) по конфигурации поковки. В качестве заготовок для горячей штамповки применяют прокаткруглого, квадратного, прямоугольного профилей, а также периодический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда штампуют из прутка с последующим отделением поковки непосредственно на штамповочной машине.

Применение объемной штамповки оправдано при серийном и массовом производстве. При использовании этого способа значительно повышается производительность труда, снижаются отходы металла, обеспечиваются высокие точность формы изделия и качество поверхности. Штамповкой можно получать очень сложные по форме изделия, которые невозможно получить приемами свободной ковки.

Штамповка в открытых штампах характеризуется переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла – облой, который закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в облой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высокие требования к точности заготовок по массе. Штамповкой в открытых штампах можно получить поковки всех типов.

Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что полость штампа в процесс деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа постоянный и небольшой, образование в нем облоя не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа может иметь полость, а верхняя – выступ (на прессах), или верхняя – полость, а нижняя – выступ (на молотах). Закрытый штамп может иметь две взаимно перпендикулярные плоскости разъема. При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполняются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность.

18. Обработка наружных поверхностей вращения деталей.

2.1. Точение  2.2. Суперфиниширование  2.3. Шлифование  2.4. Доводка, притирка  2.5. Полирование

Наружные поверхности заготовок валов, осей, втулок и т. п., представляющих тела вращения, обрабатывают на станках различных групп и типов: токарных, револьверных, лобовых, карусельных, токарных автоматах и др. Окончательная обработка наружных поверхностей выполняется на шлифовальных и иных станках, предназначенных для чистовой обработки. Детали, представляющие тела вращения, можно изготовлять непосредственно из проката (прутков) или отдельных заготовок - отливок, поковок, штамповок или заготовок, полученных резкой или разрубкой прутков.

Наружные поверхности обрабатывают на токарных и токарно-винторезных станках, устанавливая заготовки в трех- или четырехкулачковых патронах или центрах, проходными резцами. Перед установкой заготовок в центрах их предварительно центруют с двух торцов. В крупносерийном производстве центровку выполняют на специальных станках комбинированными сверлами и получают отверстия для установки в них центров станка. Для повышения производительности труда осуществляют многорезцовое обтачивание наружных поверхностей с продольной подачей без поперечного врезания и реже с продольной подачей и поперечным врезанием.

Точение - это обработка резанием наружных и внутренних поверхностей вращения, в том числе цилиндрических и конических, торцевание, отрезание, снятие фасок, обработка галтелей, прорезание канавок, нарезание внутренних и наружныхрезьб на токарных станках.

Суперфиниширование — тонкая отделочная обработка заготовок мелкозернистыми абразивными брусками, совершающими сложное движение относительно обрабатываемой поверхности. Чаще всего его используют для обработки наружных цилиндрических поверхностей. Особенностью процесса суперфиниширования является незначительное давление бруска на обрабатываемую поверхность (0,5-3 кгс/см2).

При суперфинишировании смазывающе-охлаждающая жидкость не только смывает продукты износа, но и образует масляную пленку, оказывающую существенное влияние на интенсивность съёма металла.

Круглым наружным шлифованиемобычно называют процесс шлифования заготовки во время ее вращения в центрах или патроне.

Круглошлифовальные станки разделяются на универсальные и специальные. На этих станках шлифуются цилиндрические, конические, ступенчатые и фасонные поверхности.

Различают два способа обработки заготовок на круглошлифовальных станках: шлифование с продольной подачей и врезное шлифование.

Шлифование с продольной подачей применяется при обработке заготовок, длина которых значительно превосходит ширину шлифовального круга. Одной из разновидностей шлифования с продольной подачей является глубинный способ, при котором шлифование производится с большой подачей на глубину t, малой продольной подачей (Sпрод). Глубина шлифования равна оставленному на обработку припуску, круг подается сразу на эту величину, а заготовка получает очень медленную продольную подачу. При работе этим способом быстро изнашивается передняя кромка круга, так как она подвергается максимальной нагрузке и круг приходится чаще править. Тем не менее при таком способе шлифования достигается значительное уменьшение времени обработки за счет сокращения числа проходов и распределения нагрузки на большее число участвующих в резании абразивных зерен.

Врезное шлифование применяется в тех случаях, когда длина шлифуемой поверхности несколько меньше высоты круга или равна ей . Этот вид шлифования широко применяется при массовом и крупносерийном производстве.

С целью ускорения операций шлифования заготовок, длина которых значительно превышает высоту круга, рациональнее использовать комбинированный способ обработки

Доводка, притирка - Притиркой называется операция по чистовой обработке поверхностей изделия, выполняемая с помощью абразивных материалов в виде порошков или паст с целью получения плотных, герметичных разъемных и подвижных соединений. Доводка является разновидностью притирки и предназначена для получения деталей с высокой точностью формы, размеров, высокой чистотой поверхности. При помощи притирки и доводки можно довести поверхность детали до зеркального блеска, что соответствует наивысшему— 14-му классу чистоты. При помощи этих операций можно получить точность обработки до 0,5 мк. Припуск па притирку не должен превышать 0,01—0,02 мм, ибо большие припуски уменьшают производительность труда и ухудшают качество обрабатываемой поверхности. Притиркой и доводкой снимается слой металла толщиной 0,003—0,030 мм.

Существуют два метода притирки: 1. Притирка сопрягаемых между собой поверхностей деталей одна к другой с помощью абразивных порошков, смешиваемых со смазывающими веществами, и паст, наносимых на притираемые поверхности. 2. Притирка сопрягаемых или несопрягаемых между собой поверхностей деталей с помощью специальных притирок и с применением протирочных паст или доводочных эмульсий. Различают притирку предварительную и окончательную. На предварительную притирку оставляют припуск 0,01—0,02 мм, на окончательную — 0,003—0,005 мм.

Полирование является отделочной операцией обработки металлических и неметаллических поверхностей. Суть полирования — снятие тончайших слоев обрабатываемого материала механическим, химическим или электролитическим методом и придание поверхности малой шероховатости и зеркального блеска.

Для механического машинного полирования применяются:

Бормашина с гибким шлангом с цанговым зажимом.

Шлифовальные машины.

Электроточило.

Такие машины имеют регулятор, позволяющий в значительных пределах изменять частоту вращения полировальных кругов, лент и щёток. В качестве полировальных кругов используют войлочные диски, диски из хлопчато­бумажных тканей, шерсти, кожи и т. д. Для механического полирования применяют также щётки, изготовленные из латуни, щетины и других материалов.

Для полирования вручную используют полировальные палочки и деревянные бруски, на которые наносят полировальные пасты из оксидов хрома или железа. На ровных металлических плоскостях блеска можно достичь при помощи полировального напильника — бруска, обтянутого мягкой кожей, на которую наносят полировальные пасты

19.Производство проката.

Прокатка металлов, способ обработки металлов и металлических сплавов давлением, состоящий в обжатии их между вращающимися валками прокатных станов. Валки имеют большей частью форму цилиндров, гладких или с нарезанными на них углублениями (ручьями), которые при совмещении двух валков образуют т. н. калибры (см. Валки прокатные, Калибровка прокатных валков, Профилировка валков).

Дрессировка (от франц. dresser -- выправлять) в технике, операция отделки в производстве тонких полос из стали и цветных металлов, состоящая в холодной их прокатке с очень малыми обжатиями (не более 3%). Как правило, металл подвергается Д. после термической обработки. В результате Д. предел текучести повышается на 30--50 Мн/м2 (3--5 кгс/мм2), благодаря чему снижается возможность образования на металле при холодной штамповке линий сдвига, портящих поверхность изделий. Д. необходима для листового металла, подвергаемого холодной штамповке с глубокой вытяжкой, например стальных листов, предназначенных для изготовления деталей кузовов автомобилей (так называемых автолистов), жести и т.п. При Д. в зависимости от назначения листового металла его поверхность подвергают различной степени обработки; при этом происходит его частичное выравнивание. Д. производят на дрессировочных станах (см. Прокатный стан), в основном в один, реже в несколько проходов.

Сортамент проката, перечень всех прокатных профилей (с размерами), выпускаемых в стране, на металлургическом заводе (или группе заводов), на данном прокатном стане. Различают профильные С. п. (перечень профилей одного назначения) и размерные С. п. (перечень размеров одного профиля). Часто С. п. даётся одновременно по признаку и профилей, и размеров. Весь С. п. можно разделить на 3 основных группы: сортовой прокат (в т. ч. специальные профили), листовой прокат и трубы.

Плакирование (от франц. plaquer -- накладывать, покрывать), нанесение на поверхность металлических листов, плит, проволоки, труб тонкого слоя др. металла или сплава термомеханическим способом. Осуществляется в процессе горячей прокатки (например, П. листов и плит) или прессования (П. труб). П. может быть одно- и двусторонним. Применяется для получения биметалла и триметалла, для создания антикоррозийного слоя алюминия на листах, плитах, трубах из алюминиевых сплавов, нанесения латунного покрытия на листы стали (вместо электролитического покрытия) и т.д.

Катанка, горячекатаная проволока обычно круглого сечения диаметром от 5 до 10 мм. К. получают на специальных проволочных или комбинированных проволочно-сортовых станах (см. Прокатный стан) и с помощью моталок сматывают в бунты. Основная масса К. идёт на производство холоднотянутой проволоки диаметром до 0,01 мм. Из стальной К. изготовляют также пружины и арматуру для железобетона.

Благодаря свойственной Прокатка непрерывности рабочего процесса она является наиболее производительным методом придания изделиям требуемой формы. При Прокатка металл, как правило, подвергается значительной пластической деформации сжатия, в связи с чем разрушается его первичная литая структура и вместо неё образуется структура, более плотная и мелкозернистая, что обусловливает повышение качества металла. Т. о., Прокатка служит не только для изменения формы обрабатываемого металла, но и для улучшения его структуры и свойств.

Прокатное производство, получение путём прокатки из стали и других металлов различных изделий и полуфабрикатов, а также дополнительная обработка их с целью повышения качества (термическая обработка, травление, нанесение покрытий). В промышленных странах прокатке подвергается больше 4/5 выплавляемой стали. Прокатное производство обычно организуется на металлургических заводах (реже на машиностроительных); как правило, особенно в чёрной металлургии, является завершающим звеном цикла производства (см. Металлургия; о Прокатное производство как отрасли металлургической промышленности см. в статьях Чёрная металлургия, Цветная металлургия).

К основным видам проката относятся: полупродукт, или заготовка, листовой и сортовой прокат, катаные трубы, заготовки деталей машин (особые виды проката) - колёса, кольца, оси, свёрла, шары, профили переменного сечения и др. Перечень прокатываемых изделий с указанием размеров называемым сортаментом проката, большая часть которого в СССР стандартизована. Основное количество проката изготовляется из низкоуглеродистой стали, некоторая часть - из легированной стали и стали с повышенным (больше 0,4%) содержанием углерода. Прокат цветных металлов производится главным образом в виде листов, ленты и проволоки; трубы и сортовые профили из цветных металлов изготовляются преимущественно прессованием (см. Прессование металлов).

Прокатка стали. производство стального проката на современном металлургическом заводе осуществляется двумя способами. При первом исходным материалом служат слитки (отлитые в изложницы), которые перерабатываются в готовый прокат обычно в 2 стадии. Сначала слитки нагревают и прокатывают на обжимных станах в заготовку. После осмотра заготовки и удаления поверхностных дефектов (закатов, трещин и т.п.) производят повторный нагрев и прокатку готовой продукции на специализированных станах. Размеры и форма сечения заготовки зависят от её назначения: для прокатки листового и полосового металла применяют заготовки прямоугольного сечения шириной 400-2500 мм и толщиной 75-600 мм, называемые слябами; для сортового металла - заготовки квадратного сечения размером примерно от 60?60 см до 400?400 мм, а для цельнокатаных труб - круглого сечения диаметром 80-350 мм.

При втором способе, применяемом с середины 20 в., прокатка исходной заготовки заменяется непрерывным литьём (разливкой) на специальных машинах. После осмотра и удаления дефектов заготовка, как и при первом способе, поступает на станы для прокатки готовой продукции. Благодаря применению непрерывно-литой заготовки упраздняются слябинги и блюминги, повышается качество проката, устраняются потери на обрезку головной части слитка, доходящие у слитков спокойной стали до 15-20%.

Преимущества применения непрерывно-литой заготовки в производстве проката становятся ещё более значительными при совмещении процессов непрерывного литья и прокатки в одном неразрывном потоке. Для этой цели созданы литейно-прокатные агрегаты, в которых слиток на выходе из кристаллизатора не подвергается разрезке, проходит печь, где выравнивается температура по сечению, и затем поступает в валки прокатного стана. Т. о. осуществляется процесс кристаллизации и прокатки бесконечного слитка, т. е. пепрерывное производство проката из жидкого металла. Процесс получил широкое распространение при прокатке цветных металлов; он применяется также для производства стальной заготовки небольших сечений (примерно менее чем 150?150 мм) повышенного качества. Основная трудность в развитии этого процесса состоит в относительно низкой скорости выхода слитка из кристаллизатора (1-6 м/мин), что не позволяет в полной мере использовать производственные возможности непрерывного прокатного стана.

Прокатка листового металла производится из катаных или непрерывно-литых слябов и только листов толщиной свыше 50-100 мм - непосредственно из слитков или кованых слябов. В технологический процесс входят следующие основные операции: подача слябов со склада к нагревательным печам; нагрев; подача по рольгангу к рабочей клети стана и прокатка в несколько проходов (пропусков между валками), причём в первые проходы для получения листов требуемой ширины сляб иногда подаётся в валки поперёк или под углом; правка на роликовых правильных машинах; охлаждение на холодильниках; контроль и разметка; обрезка продольных кромок; обрезка концов, разрезка на листы определённой длины; иногда термическая обработка и покраска; отправка на склад готовой продукции.

Листы толщиной от 4 до 50 мм и плиты толщиной до 350 мм прокатываются на толстолистовых или броневых станах, состоящих из одной или двух рабочих клетей, а листы толщиной от 1,2 до 20 мм - на значительно более производительных непрерывных станах, на которых листы получаются в виде длинных (более 500 м) полос; при выходе из последней клети стана полосы сматываются в рулон. Листы толщиной менее 1,5-3 мм выгоднее прокатывать в холодном состоянии, поэтому дальнейшее уменьшение толщины листа осуществляется обычно на станах холодной прокатки. Для этого рулоны после их получения на непрерывных станах горячей прокатки транспортируются в цех холодной прокатки, где с поверхности металла удаляется окалина (в линии непрерывного травления), затем обрезаются концы и производится стыковка (электрическая контактная сварка) для полной непрерывности дальнейшего процесса. Травленые рулоны разматываются и в несколько проходов обжимаются до требуемой толщины (общее обжатие для низкоуглеродистой стали доходит до 75-90%). Прокатка осуществляется на непрерывных станах, состоящих из 4 или 6 четырёхвалковых клетей, или на одноклетевых реверсивных станах. После холодной прокатки полосу отжигают для устранения наклёпа, затем подвергают дрессировке, правке, резке на листы и упаковке (рис. 1).

Прокатка сортового металла включает следубющие основные операции: нагрев до 1100-1250 °С; подачу нагретой заготовки к рабочим клетям и прокатку в несколько проходов в калибрах, постепенно приближающих сечение исходной заготовки к сечению готового профиля; резку проката на пилах или ножницах на части требуемой длины или сматывание в бунты; охлаждение на холодильниках; правку на роликовых правильных машинах; контроль и отправку на склад готовой продукции.

Число проходов выбирается в зависимости от размеров и формы сечения исходной заготовки и готового профиля и составляет: для рельсов обычно 9, балок 9-13, угловых и других сортовых профилей, например зетообразного (рис. 2), 5-12, проволоки 15-21. Выполнение указанных технологических операций производится на специализированных сортовых прокатных станах, представляющих собой поточную автоматическую систему различных машин.

Прокатка (горячая) труб состоит из 3 основных и нескольких вспомогательных операций. Первая операция (прошивка) - образование отверстия в заготовке или слитке; в результате получается толстостенная труба, называемая гильзой. Вторая операция (раскатка) - удлинение прошитой заготовки и уменьшение толщины её стенки примерно до требуемых в готовой трубе размеров. Обе операции осуществляются с одного нагрева, но на различных прокатных станах, установленных рядом и входящих в общую систему машин трубопрокатного агрегата. Первая операция выполняется на прошивных станах винтовой прокатки между бочкообразными или дисковыми валками на короткой оправке, вторая - на различных прокатных станах: непрерывных, пилигримовых, автоматических и трёх-валковых станах винтовой прокатки. Третья операция - калибровка (или редуцирование) труб после раскатки. Калибровка осуществляется на калибровочных станах, затем трубы охлаждаются, правятся, контролируются и разрезаются на куски определённой длины. Трубы диаметром менее 65-70 мм подвергаются дополнительной горячей прокатке на редукционных станах. С целью уменьшения толщины стенки и диаметра, получения более высоких механических свойств, гладкой поверхности и точных размеров трубы после горячей прокатки подвергаются холодной прокатке на специальных станах, а также волочению.

Прокатка заготовок деталей машин (штучных изделий) находит широкое применение главным образом в производстве различных тел вращения и профилей переменного сечения: вагонных колёс, осей, бандажей, колец для подшипников качения, шаров, зубчатых колёс, винтов, свёрл и т.д. При этом иногда прокатка используется для выполнения лишь одной операции в комбинации с ковкой или штамповкой.

Прокатка цветных металлов. Наибольшее применение получила прокатка листов, ленты, фольги и проволоки из алюминия, меди, магния, цинка и их сплавов.

В технологический процесс прокатки листов из алюминиевых сплавов входят следующие основные операции: предварительная прокатка плоских непрерывно-литых слитков массой 0,5-5 т с обжатием около 10% для выравнивания их поверхности; правка на роликовых правильных машинах; фрезерование для получения чистой и гладкой поверхности; накладывание с обеих сторон слитка алюминиевых листов; нагрев; горячая прокатка с плакированием до толщины 4-12 мм с последующим свёртыванием в рулоны; отжиг и холодная прокатка. После холодной прокатки рулоны разматываются и режутся на листы, которые затем закаливают, травят, прокатывают вторично в холодном состоянии для прогладки или получения наклёпа, травят, разрезают и упаковывают.

В начале 60-х гг. 20 в. был разработан новый процесс прокатки листов из алюминия и его сплавов. Особенность этого процесса состоит в совмещении непрерывного литья с прокаткой. Исходным материалом служит жидкий алюминий, который поступает через распределительную проводку в межвалковое пространство, образованное между двумя горизонтальными валками (рис. 3). Алюминий, соприкасаясь с валками, кристаллизуется, а образующаяся полоса непрерывно выходит из валков стана. Валки могут быть расположены как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной. В первом случае алюминий подводится сбоку, а во втором - снизу. Этим методом успешно изготовляются полосы толщиной 8-12 мм, шириной 1000-1600 мм, которые затем сматывают в рулоны. Применение такой технологии вместо прокатки полосы из крупных слитков даёт большой экономический эффект.

Исходной заготовкой при прокатке листов и лепты из меди и латуни служат плоские слитки массой около 0,5-1 т, толщиной 100-150 мм, которые прокатываются в горячем состоянии до толщины 10-15 мм. Прокатанные листы фрезеруют для удаления поверхностных дефектов и затем подвергают холодной прокатке с промежуточными отжигами при 450-800 °С.

Для производства катанки из алюминиевых и медных сплавов наиболее эффективен способ непрерывного литья, совмещенный с прокаткой на непрерывном стане.

Технический прогресс в области Прокатное производство характеризуется в первую очередь повышением качества прокатываемых изделий, которое обеспечивало бы наиболее эффективное использование металла потребителем. С этой целью прокатываемому изделию придаётся возможно более рациональная форма, способствующая снижению его массы, расширяется производство экономичных профилей проката, повышается точность его размеров, улучшаются прочностные и др. свойства металла, на его поверхность наносятся эффективные защитные покрытия. Одновременно снижается стоимость производственных затрат путём внедрения непрерывных процессов (от жидкого металла до готового проката), повышения скорости прокатки и автоматизации всех технологических процессов.

Прокатный стан -- комплекс оборудования, в котором происходит пластическая деформация металла между вращающимися валками.

Считается, что первый прокатный стан (с деревянными валками) был сконструирован еще Леонардо да Винчи. Первые прокатные станы для производства полосового железа и мелкого сорта были изготовлены еще в XVIII в. Они приводились во вращение от водяных колес. С развитием железнодорожного транспорта значительно увеличилась потребность в прокатной продукции. Первые рельсы были чугунными, однако в начале XIX века в Англии перешли на производство железных рельсов. В 1828 году появился первый прокатный стан для прокатки рельсов из пудлингового железа, а с 1825 года начали прокатывать рельсы из бессемеровской стали. Рельсы были главным продуктом прокатного производства. Помимо рельсов надо было производить различные детали паровозов, броня требовалась и для развития флота, в котором деревянные корабли заменялись металлическими бронированными. Первый броневой прокатный стан был сконструирован в 1859 году русским механиком В.С. Пятовым. Все эти станы были довольно примитивными: валки станок приводились во вращение от водяного колеса, а позднее- паровой машины. Перемещение горячего металла к стану и от него осуществлялось вручную. В одном из музеев старого уральского завода имеется картина: по железному горячему настилу с помощью крючков бригада рабочих передает раскаленную болванку к стану. Труд прокатчика был самым тяжелым на заводе.

В зависимости от профиля прокат делится на четыре основные группы: листовой, сортовой, трубный и специальный. В зависимости от того нагретая или холодная заготовка поступает в прокатные валки - горячий и холодный.

Листовой прокат

Листовой прокат из стали и цветных металлов подразделяется на толстолистовой (4…60 мм), тонколистовой (0,2…4мм) и жесть (менее 0,2 мм). Толстолистовой прокат получают в горячем состоянии, другие виды листового проката - в холодном состоянии.

Прокатку листов и полос проводят в гладких валках.

Сортовой прокат

Среди сортового проката различают:

1. Заготовки круглого, квадратного и прямоугольного сечения для ковки и прокатки;

2. Простые сортовые профили (круг, квадрат, шестигранник, полоса, лента);

3. Фасонные сортовые профили:

профили общего назначения (уголок, швеллер, тавр, двутавр);

профили отраслевого назначения (железнодорожные рельсы, автомобильный обод);

профили специального назначения (профиль для рессор, напильников).

Трубный прокат

Трубный прокат получают на специальных трубопрокатных станах. Различают бесшовные горячекатаные трубы диаметром 25…550 мм и сварные диаметром 5…2500 мм. Трубы являются продуктом вторичного передела круглой и плоской заготовки.

Общая схема процесса производства бесшовных труб предусматривает две операции: 1- получение толстостенной гильзы (прошивка); 2 - получение из гильзы готовой трубы (раскатка).

Первая операция выполняется на специальных прошивочных станах в результате поперечно-винтовой прокатки. Вторую операцию выполняют на трубопрокатных раскатных станах различных конструкций: пилигримовых, автоматических и др.