Глава х характеристика технологических методов в машиностроении

Для проектирования технологических процессов необходимо знать характеристику технологических методов. В данной главе приводятся обобщенные сведения по достигаемой точности и шероховатости по­верхности, диапазону размеров, сложности формы, а также по эконо­мически целесообразной области применения методов и возможной степени их автоматизации. Сущность методов, применяемое оборудо­вание и оснастка в данном курсе не рассматриваются, так как эти во­просы являются предметом курса «Технология машиностроительных материалов». Учитывая значение комплексности при построении тех­нологических процессов и взаимосвязи заготовительных процессов с последующей механической обработкой, по рассматриваемым мето­дам обработки даются не только «выходные» характеристики, но и ра­циональные методы предшествующей обработки.

§ 22. Методы получения заготовок

Заготовки деталей машин получают литьем, обработкой давлением, резкой сортового и профильного проката, а также комбинированными способами.

Получение заготовок литьем. Характеристики методов получения литых заготовок приводятся в табл. 8. Методы 2, 3, 4, 5 и 8-й в настоя­щее время хорошо механизированы, а методы 6, 7, 9, 10 и 11-й частич­но и полностью автоматизированы. Часовая производительность методов: 11-го до 1000 мелких отливок, 10-го до 30 отливок и 9-го 15 отливок. При автоматизации 6-го метода можно получать до 450 полуформ в час. Наиболее высокий коэффициент использования ме­талла (порядка 0,9 и выше) можно получить при использовании ме­тодов 7, 8 и 11-го (без учета потерь металла на литники), а также ме­тодов 6, 9 и 10-го (коэффициент использования металла 0,8—0,9). При центробежном литье литники отсутствуют, но на внутренней по­верхности полой заготовки приходится снимать большой припуск. Коэффициент использования металла при других методах литья со­ставляет 0,6—0,8. Перспективно применение нового метода литья по га­зифицируемым (выжигаемым) моделям из пенополистирола. Этот ме­тод сокращает маршрут технологического процесса изготовления за­готовок; по сравнению с литьем по выплавляемым моделям он позво­ляет получать более крупные точные отливки весом до 5 Т, шерохова­тость поверхности до 4—5 го классов и точность до 5—7-го классов по ОСТ. Прогрессивна штамповка заготовок из жидкого металла. Ее преимущества: нет литниковой системы, достаточно высокие точность

Таблица 8

Характеристика методов выполнения литых заготовок

№ п.п.	Методы выполнения заготовок	Размеры или вес (масса)		Сложность формы заготовок	Точность выполнения заготовок	Класс шероховатости по ГОСТ 2789-73	Материал	Тип производства
		наибольшие	наименьшие
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11	Литьё в землю при ручной формовка по деревянной моделям или шаблонам в опоках, почве или кессонах. Литьё в земля при машинной формовке по деревянным и металлическим моделям Литьё в земля при машинной формовке по металлическим моделям со сборкой стержней в кондукторах Литьё в стержневые формы Литьё в полупостоянные (цементные, графитовые, азбесто- и графитоалебастовые формы*) Литьё в оболочковые формы Литьё по выплавляемым моделям Литьё по замораживаемым ртутным моделям Центробежное литьё Литьё в кокиль*** Литьё под давлением	Не ограничены (100Т и более) 10-15Т 3-5Т Не ограничены 30Т 100 кг 1000 мм (300 кг) 100 кг Диаметр 600 мм, длина 4 мм 7 г 20 кг	Толщина стенки: Чугун 3-5 мм Сталь 5-8 мм То же » » » толщина стенки: сталь 3-5 мм, алюминий 1-1,5 мм Толщина стенки 0,5 мм То же 0,5 кг 10 г толщина стенки: силумин 3 мм, сталь 10 мм, чугун (без отбела) 15 мм Толщина стенки 0,5 мм	Сложная » » » » » сложная То же Преимущественно тела враще- ния** Сложность формы ограничена возможностью извлечения заготовки из кокиля То же	3-й класс по ГОСТ 1855-55 (чугун) и ГОСТ 2009-55 (сталь) 2-3 классы по тем же ГОСТам 1-2 классы по тем же ГОСТам То же 2-3 классы по тем же ГОСТам 5-7 классы по ОСТ 1015 и 1010 4-5 классы по ОСТ 1013 и 1015 (0,1 мм на 100 мм) То же 5-7 класс по ОСТ 1015 и 1010 5-8 классы по ОСТ 1015 и 1010 3-5 классы по ОСТ 1013и 1015	1-2 3-4 4-5 До 4 1-2 4-5 4-5 5-6 2-3 (внутрен. Поверхн.Ниже)* 3-5 5-7	Чугун, сталь, цветные и специальные сплавы То же » » » » Сталь, труднообрабатываемые сплавы То же Чугун, сталь цветные сплавы То же Сплавы цветных металлов	Единичное и мелкосерийное Серийное Массовое и крупносерийное Еденичное, серийное, массовое Серийное Серийное массовое Серийное массовое То же » » Крупносерийное массовое

Примечания.

* Стойкость форм несколько десятков отливок.

** Возможно также получение сложных радиально расположенных в форме отливок размером до 200 мм от одного стояка.

*** Метод экономически целесообразен при партии не менее 300 заготовок, а при литых поверхностях форм не менее 100 заготовок.

(5 - 7-й класс по ОСТ 1015 и 1010) и шероховатость (З-4-и классы) поверхности, возможность получения тонких стенок (от 0,5 мм).

Получение заготовок обработкой давлением. Характеристики ме­тодов получения заготовок давлением даны в табл. 9. Из приведенных методов наиболее полно автоматизированы методы 6,7,9, 10, 11, 12-й В меньшей степени автоматизирован цикл получения заготовок методами 1 и 2-м. Наиболее производительны методы 10 и 11-й (до 350 шт /мин). При штамповке небольших заготовок на молотах и прес­сах достигается производительность до 1000 шт /ч. Наименее произво­дительны методы 1 и 2-й.

Наиболее высокий коэффициент использования металла по­рядка 0,9 обеспечивается при использовании методов 6, 7 и 9-го (от­сутствие облоя и малые штамповые углы) и особенно при использова­нии методов 10, 11 и 12-го. В последнем случае коэффициент использования металла приближается к единице (заклепки, болты и пр.)

Самый короткий цикл формообразующих операций (без очистки и термической обработки) дают методы 6, 7, 9, 10 и 11-й.

Перспективно применение метода электровысадки, при котором предварительно обработанную на станке заготовку подвергают мест­ному нагреву пропусканием через нее тока низкого напряжения в те­чение 2-4 сек. По достижении температуры 900-1ООО⁰ С происходит формирование заготовки в штампе пресса. Заготовки получают без окалины по 2—3-му классам точности.

Холодной листовой штамповкой получают ко­жухи крышки, колпаки, щитки, диски. Исходным материалом служат листовой металл и лента, Для восстановления пластических свойств деформированного металла после штамповки вытяжкой применяют отжиг. Холодная штамповка является высокопроизводительным тех­нологическим методом.

Очень эффективны при листовой штамповке групповые штампы (целесообразны при партии деталей 70-80 шт.).

Точность листовой штамповки в совмещенном штампе ± (0,04 — 0,08), последовательном ± (0,10 - 0,30) и раздельном ± (0,30 - 0,50) мм. Для свободных размеров холодноштампованных деталей может быть выдержан 7-й класс точности.

Для формообразования листовых деталей толщиной до 6 мм и размером до 2 м в серийном производстве применяют также беспрес­совую гидровзрывную и электрогидравлическую штамповку. В этом случае штамп состоит из одной матрицы. Точность профиля штамповки при диаметре 2 м достигает 2-3 мм.

Правку поковок применяют для устранения искривлении и короблений заготовок, которые происходят при обрезке облоя и про­шивке перемычек, а также от действия остаточных напряжении в их материале.

Правку осуществляют в горячем или холодном состоянии, горячую правку производят на прессе после обрезки облоя и прошивки пере­мычек холодную правку — после термической обработки и очистки поковки от окалины. Во избежание трещин холодную правку поковок

Таблица 9

Характеристика методов выполнения заготовок давлением

№ п.п.	Методы выполнения заготовок	Размеры или вес (масса)		Сложность формы заготовки	Точность выполнения заготовки	Класс шероховатости поверхности по ГОСТ 2789-73	Материал	Тип производства
		Наибольшая	Наименьшая
1	Свободная ковка на молотах и прессах	250т	Толщина стенки 3-5 мм	Простая	По ГОСТ 7062-67 и 7829-70	Ниже 1-го класса	Углеродистые и легированные стали, специальные сплавы	Единичное, мелкосерийное
2	Ковка на молотах и прессах с подкладными штампами	100кг	То же	Средней сложности	3-я группа по ГОСТ 7505-55	То же	То же	Мелкосерийное
3	Ковка на радиально-ковочных ротоционных машинах (горячая и холодная)	Диаметр прутка (трубы) порядка 100 мм	Диаметр прутка порядка 1 мм	Ступенчатые тела вращения	0,04-0,4 мм (холодное) 0,1-0,6 мм (горячая ковка)	8 (холодная ковка)	»	Серийное
4	Штамповка на молотах и прессах	200 кг	Толщина стенки 2,5 мм	Ограничено возможностью извлечения заготовки штампа	По ГОСТ 7505-55	1	»	Серийное, массовое
5	Штамповка с последующей чеканкой	100 кг	То же	То же	0,05-0,1 мм	4-5	»	То же
6	Штамповка (высадка) на горизонтально ковочных машинах	100 кг	0,1 кг	Средней сложности	По ГОСТ 7505-5	1	»	»
7	Штамповка выдавливанием (экстрюдинг процесс)	диаметр до 200 мм	Толщина стенки от 1,5 мм (алюминиевые сплавы)	Простые (преимущественно тела вращения)	0,5-0,2 мм	1-2	Углеродистые и легированные стали, специальные сплавы	Серийное, массовое
8	Штамповка на калибровочных кривошипных прессах	100 кг	Толщина стенки от 2,5 мм	Средней сложности	На 25÷30% выше, чем при штамповке на молотах	1-2	То же	То же
9	Фасонная вальцовка на ковочных вальцах	50 кг	То же	То же	По ГОСТ 7505-55	1	»	»
10	Прокатка штучных заготовок на поперечно-винтовых и специальных станах	250 кг	0,1 кг и меньше	Тела вращения	0,5-0,2 мм	1	»	Мелкосерийное, серийное, массовое
11	Холодная высадка на автоматах	Диаметр 30 мм	Диаметр 1 мм	То же	3-5 классы по ОСТ 1013 и 1015	5-6	»	Серийное, массовое
12	Волочение прутков специального профиля для последующего изготовления штучных заготовок	Диаметр 25 мм	Диаметр 1 мм и меньше	Фасонный профиль	0,05-0,1 мм	5-6	»	То же

производят в отожженном или нормализованном состоянии. Холодная правка в штампах производительнее горячей правки (100-150 шm/ч).

Получение заготовок из проката. Для получения поковок и непо­средственного изготовления из него детален на металлорежущих станках применяют сортовой и ф а с о н н н ы и прокат, используя калиброванные прутки по ГОСТ 7417—57 и горячекатанную сталь повышенной и обычной точности по ГОСТ 2590—57*.

. Изготовление деталей из горячекатанной стали производят после резки заготовок или непосредственно из прутка. Для изготовления деталей соответствующей конфигурации применяют квадратную, ше­стигранную, полосовую и других профилей стали, а также бесшовные и сварные трубы.

Заготовки валов часто получают из полосы, которую после разрез­ки на требуемую длину вальцуют в цилиндр, а шов сваривают на роли­ковом аппарате. Для -получения уступов цилиндр обжимают на гидрав­лических прессах. Экономия материала при изготовлении валов гене­раторов достигает 62%.

Гнутые профили, применяемые для изготовления многих деталей, легки и обладают значительной жесткостью. В конструкциях используют открытые, закрытые и многослойные профили. Форма гну­тых профилей может быть приближена к форме отдельных элементов конструкции. Экономию металла (30—70%) и сокращение времени обработки (20—40%) можно получить при изготовлении деталей из фасонных труб или труб переменного сечения.

Специальный прокат, применяемый в условиях крупно­серийного и массового производств (сельхозмашиностроение, вагоно­строение, автомобилестроение), почти полностью исключает механи­ческую обработку, на долю которой остается в основном отрезка, сверление отверстий и зачистка.

Правка проката предшествует его резке на мерные заго­товки. Последние в ряде случаев также подвергают правке. Правкой уменьшают припуск на последующую механическую обработку за­готовки и устраняют поломки зажимных механизмов револьверных станков и автоматов.

Листовой прокат правят на листоправиьных вальцах с точностью 1—2 мм/м.

Правку круглого проката диаметром 0,25—6 мм, поставляемого в бухтах, производят на правильно-отрезных станках; правка осу­ществляется роликами, отрезка — ножом по упору; после правки кри­визна достигает 0,5—0,7 мм/м. Правку круглого проката диаметром до 120 мм осуществляют на правильно-калибровочных станках: правка производится правильными, а калибровка — калибрующими роли­ками. После правки кривизна достигает для черных прутков 0,5 — 0,9 мм/м и обработанных 0,1—0,2 мм/м. Точность калибровки по диа­метру достигает 0,03—0,05 мм.

Холодную правку на прессах применяют для зацентрованных заго­товок. Место и величину искривления определяют индикатором при вращении заготовки на упругих центрах, которые затем опускают уста­навливая заготовку на жесткие опорные призмы и правят; после 1 правки кривизна составляет в зависимости от ее диаметра 0,05 — -0,15 мм/м. Разновидностью этого метода является правка заготовок, установленных в центрах, струбциной вручную.

Правку на накатных станках гладкими плашками применяют для цилиндрических заготовок длиной до 200 мм. При прокатывании за­готовки между плоскими гладкими плашками обеспечивается высокая производительность (порядка 60 шт/мин) и точность 0,05—0,10 мм/м.

В результате холодной правки возникают остаточные напряжения в материале заготовки (см. гл. III, § 14). Поэтому ее не применяют при изготовлении особо ответственных деталей машин.

Резку проката на индивидуальные заготовки обычно при­ водят по упору. На прессножницах режут листовой и прутковый ма­ териал различного сечения. Резка дает малую точность размера по длине (1—1,5 мм), косой срез и смятие концевых участков заготовки. Для устранения этих дефектов предусматривают дополнительный при­ пуск на подрезку торцов заготовки. Резка на прессножницах весьма производительна.

Резка на приводных ножовках наименее производительна, но уни­версальна. Ее преимущества — чистая поверхность реза (3—4 и классы), малый перекос торца заготовки (до 2-2,5 мм на 100 мм диаметра) и малая потеря металла в стружку (толщина ножовочного полотна 1,5—2,5 мм). Для повышения производительности резке под-вергают пакет прутков, закрепляемый в призматических тисках.

Резку ленточными пилами применяют для круглых и других прутков. Она производительнее резки ножовками, так как нет обрат­ного хода, и дает более чистую поверхность реза (до 5-го класса) при меньшем отходе металла в стружку.

Резка дисковыми пилами весьма производительна, дает чистый срез (до 4-го класса) и малый перекос торца (до 1,5-2 мм на 100 мм диа­метра). При толщине диска 8—12 мм отход металла в стружку относи­тельно велик для коротких заготовок.

Фрикционными дисками режут прокат любых профилей и марок , включая высокопрочные труднообрабатываемые конструкционные ста­ли. Процесс резки основан на использовании теплоты трения, возни­кающей в месте контакта разрезаемого металла с периферийной частью диска. Температура разрезаемого металла в зоне контакта при этом повышается настолько, что он легко удаляется из пропила в виде пучка искр при незначительном износе фрикционного диска. Поверх­ность реза шероховатая со следами наплыва металла; ее необходимо подвергать повторной обработке.

Резкой отрезными резцами на станках токарного типа получают заготовки из круглого прутка или трубы. Чистота поверхности реза до 6-го класса, а неперпендикулярность торца до 0,1 мм на 100 мм диаметра. Малый расход металла в стружку, так как ширина лезвия резца составляет 3—5 мм. Это самый эффективный метод резки труб, так как перемещение резца равно толщине стенки трубы.

Анодно-механическую резку производят вращающимся гладким диском (катод), который скользит с небольшим давлением по плоскости реза; струю электролита подают в зазор между прутком и диском.

Образующуюся на поверхности прутка (анод) плохо проводящую ток пленку удаляют механическим воздействием диска. Твердость и проч­ность металла заготовки при этом не имеют существенного значения. В качестве электролита применяют водный раствор жидкого стекла, а также соли фосфорной или кремниевой кислоты. Этот метод обеспе­чивает чистую (4-5-й классы) и точную поверхность реза.

Резкой абразивными кругами получают заготовки из твердых и труднообрабатываемых материалов (закаленная сталь, инструменталь­ные и специальные стали, твердые сплавы). Шероховатость поверхно­сти реза — 6-7-й классы; минимальная ширина кругов 24-3 мм; диаметр 200-250 мм.

Газовую (кислородную) резку применяют для листового, полосо­вого и профильного проката, а также для удаления литников и прибы­лей со стальных отливок. В поверхностном слое реза на глубину 2-5 мм происходит нормализация стали , а при резке высокоуглеро­дистой стали — закалка, устраняемая последующим отжигом. По­верхность реза обезуглероживается на глубину до 1,4 -1,5 мм.

Газовой резкой по шаблону (копирная резка) можно получать из толстолистовой стали заготовки сложной конфигурации , почти не тре­бующие последующей механической обработки (звездочки, фланцы и подобные плоские детали). Точность резки: ручной ± 1 мм, машинной ± 0,5 мм, на точных машинах ± 0,2 мм.

Дуговую электрорезку применяют как для черных, так и для цвет­ных металлов и сплавов. Металл разрезается в результате его расплав­ления в зоне реза. Метод не обеспечивает такую точность и чистоту реза, которые получаются при кислородной резке.

Комбинированные методы применяют для изготовления сложных заготовок. При этом рациональным является их расчленение на отдель­ные простые части, изготовляемые прогрессивными способами, с по­следующим соединением этих частей сваркой или пайкой в одно целое. Примеры заготовок: листоштампованные детали, соединенные точеч­ной или шовной сваркой (заготовки малых и средних размеров); вы­резанные автогеном элементы из листового проката (или отливки), соединенные шовной сваркой в крупногабаритные заготовки (фунда­ментные кольца гидротурбин, рамы дизелей, станины тяжелых стан­ков); залитые штампованные или механически обработанные заготов­ки (диафрагмы паровых турбин с залитыми лопатками, армированные отливки); предварительно обработанные поковки или элементы из проката, соединенные электрошлаковой сваркой в одну крупную заготовку; средние отливки, соединенные термитной сваркой в одну крупную и сложную заготовку.

При значительном упрощении технологии изготовления элементов сварной конструкции по сравнению с технологией литья или ковки цельной заготовки сварная заготовка обычно получается более легкой по весу. Ее отдельные элементы, находящиеся в наиболее тяжелых условиях, могут быть выполнены из легированной стали.

Получение металлокерамических заготовок. Металлокерамические заготовки состоят из таких металлов, которые не смешиваются в рас­плавленном виде (железо — свинец, вольфрам — медь),- или композиций, состоящих из металлов и неметаллов (медь — графит и дру­гие).

Заготовки из металлокерамических материалов получают прес­сованием смесей порошков в прессформах под давлением 1000-6000 кГ/см² с последующим спеканием спрессованных деталей. По­рошки получают путем измельчения металлов в шаровых мельницах и бегунах (размер частиц 0,04-0,10 мм), в вихревой мельнице (размер частиц 0,02-0,04 мм), путем распыления легкоплавких металлов и сплавов в жидком виде и другими методами. Прессование осущест­вляется на гидравлических или кривошипных прессах, а спекание — в газовых или электрических печах. Температура спекания ниже точки плавления основного компонента. Время спекания от 15 мин до 24 ч, в зависимости от размеров изделий и свойств материала.

Для получения заготовок точных размеров и необходимых свойств после спекания нередко производят механическую и термическую обработку, а также калибровку их в прессформах.

Обработку металлокерамических заготовок шлифованием и с ох­лаждением не производят во избежание попадания жидкости и частиц абразива в поры материала.

Заготовки и детали машин из пластмасс. Малый удельный вес, демпфирующая способность, стойкость к агрессивным средам, электро­теплоизоляционные и антифрикционные свойства, простота переработ­ки в изделия и другие свойства способствуют широкому применению пластмасс в машиностроении. Заменой черных металлов пластмассами себестоимость массового изготовления деталей снижается в 1,5-3,5 раза, а при замене цветных металлов в 5-20 раз. В большинстве случаев пластмассы представляют собой многокомпонентные мате­риалы. Они состоят из связующего вещества, наполнителя, пластифи­катора, красителя, смазывающего вещества, катализатора, ингибитора и других добавок.

Подбором отдельных компонентов и их соотношений материалу придается желаемая совокупность свойств. В качестве связующего вещества применяют искусственные смолы термопластичные (обратимые) и термореактивные (необратимые), смеси этих смол между собой или с каучуками и эфиры целлюлозы.

По характеру наполнителя пластмассы делят на порошкообразные (пресспорошки или литьевые массы), волокиты и слоистые материалы, Правильный выбор наполнителя позволяет повысить качество пласт_: масс и значительно расширить область их применения.

Пластмассы с порошковым наполнителем представляют собой в основном термореактивные композиции. На­полнителем служит древесная мука, молотый кварц, тальк, молотый шлак, графит, окись алюминия, карбид кремния и другие вещества.

Для деталей общего назначения (корпусы, маховички, колпачки, ручки) используют пресспорошки из феноло-формальдегидных смол К18-2, К21-22, К17-36 и др.; пресспорошки типа К17-36 — водо- и химически стойки, типа К21-22 — электроизоляционные, К.18-56 теп­лостойки. Пресспорошки всех видов перерабатывают в изделия мето­дом горячего прессования и литьевым прессованием. Крупные изделия получают в формах с виброуплотнением. Специальными технологи­ческими методами удается изменять стандартные свойства пластмасс. Так, быстрое охлаждение отпрессованных изделий повышает поверх­ностную твердость и общую прочность материала; выдержка их в тер­мостате повышает стабильность размеров.

Пластмассы с листовым наполнителем (текстолиты, стеклотекстолита) термореактивны. Они поставляются в виде листов и труб. Заготовки зубчатых колес, подшипниковых вкла­дышей и других деталей получают прессованием пакета вырезок из хлопчатобумажной или стеклоткани, пропитанных синтетическими смолами. Фрикционные свойства, твердость, ударо- и вибростойкость, жаропрочность и технология обработки зависят от свойств наполните­лей. Так, средняя прочность на разрыв эпоксидных смол до 1000 кГ/см*. Этот же показатель в пластмассах с листовым и ориентированным волок­нистым наполнителем достигает 3000—9500 кГ!см*. Наполнитель в виде стеклянных чешуек толщиной до 1 мкм повышает прочность стекло­пластиков до 12 000—15 000 кГ / см². Изготовление деталей машин из данных пластмас включает выполнение заготовки и последующую более или менее сложную механическую обработку.

Пластмассы с волокнистым наполнителем также термореактивны. В качестве наполнителя используют хлопко­вую целлюлозу, асбестовое и стеклянное волокно, шерстяные очесы. По прочностным показателям пластмассы этого вида уступают слои­стым материалам, но значительно превосходят их по технологичности и экономичности методов изготовления деталей машин. Из пластмасс с Волокнистым наполнителем детали любой сложной формы можно изготовить высокопроизводительными методами обычного и литьевого прессования (шкивы, крыльчатки центробежных насосов и т. п.) или склеиванием синтетическими клеями. Волокниты могут применяться и в качестве поделочных пластмасс в виде листов, труб, прутков.

К пластмассам без наполнителя относятся все полимеры. Они в основном термопластичны и допускают многократ­ную переработку. Детали из поливинилхлорида, полиамида (капрон, капролон) полистирола, полиэтилена, полипропилена, полиметил-метакрилата изготовляют прессованием и литьевым методом. На экстру-дерах из полимеров изготовляют поделочные материалы, пригодные для выполнения разнообразных деталей методом механической обработки.

Пластмассы с газовоздушным наполните­лем имеют малую плотность. В зависимости от структуры, приобре­таемой ими в процессе производства, разделяются на пенопласт, поропласты и сотопласты. Они изготавливаются на основе поливинил-хлорида, полистирола, эпоксидных смол и их модификаций. Образова­ние пустотелой структуры материала достигается химическими, фи­зическими и механическими методами или их сочетанием. Пенопоропласты применяют для определенных изделий (герметизирующие колпаки , полировальные круги и т. д.), и в качестве амортизирующих средств в авто- и авиастроении).

Точность изготовления пластмассовых изделий регламентирована ГОСТ 11710—66.