Технология конструкционных материалов

В первом случае все электроды сразу прижимают к изделию, что обеспечиваем меньшее коробление и большую точность сборки. Ток распределяется между прижатыми электродами специальным токораспределителем, включающим электроды попарно.

Во втором случае пары электроды опускают поочередно или одновременно а ток подключают поочередно к каждой паре электродов от сварочного трансформатора. В массовом производстве, например в автомобильной промышленности, применяют, как правило, машины, работающие по заданной программе. Производительность их очень высока - до 100С и более точек в минуту.

10 ДЕФЕКТЫ И МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Дефекты в сварных соединениях бывают двух типов: внешние и внутренние. В сварных соединениях к внешним дефектам относят наплывы, подрезы, наружные не провары и не сплавления, поверхностные трещины и поры). К внутренним - скрытые трещины и поры, внутренние не провары и не сплавления, шлаковые включения и др. Качество сварных соединений обеспечивают предварительным контролем материалов и заготовок, текущим контролем за процессом сварки и приемочным контролем готовых сварных соединений. В зависимости от нарушения целостности сварного соединения при контроле различают разрушающие и неразрушающие методы контроля.

При предварительном контроле основного и сварочных материалов устанавливают, удовлетворяют ли сертификатные данные в документах заводов-поставщиков требованиям, предъявляемым к материалам в соответствии с назначением и ответственностью сварных узлов и конструкций. Осматривают поверхности основного материала, сварочной проволоки и покрытий электродов в целях обнаружения внешних дефектов. Перед сборкой и сваркой заготовок проверяют, соответствуют ли их форма и габаритные размеры установленным, а также контролируют качество подготовки кромок и свариваемых поверхностей. При изготовлении ответственных конструкций сваривают контрольные образцы. Из них вырезают образцы для механических испытаний. По результатам испытаний оценивают качество основного и сварочных материалов, а также квалификацию сварщиков, допущенных к сварке данных конструкций.

При текущем контроле проверяют соблюдение сварщиками установленных параметров режима сварки и исправность работы сварочного оборудования. Осматривают сварные швы для выявления внешних дефектов и измеряют их геометрические размеры. Замеченные отклонения устраняют непосредственно в процессе изготовления конструкции.

Готовые сварные соединения в зависимости от назначения и ответственности конструкции подвергают приемочному контролю: внешнему осмотру для выявления поверхностных дефектов и обмеру сварных швов; испытаниям на плотность; магнитному контролю; контролю рентгеновским и гамма-излучением, ультразвуком для выявления внутренних дефектов.

На плотность испытывают емкости для хранения жидкостей, сосуды и трубопроводы, работающие при избыточном давлении, путем гидравлического и пневматического нагружений, с помощью течеискателей и керосином.

При пневматическом испытании в сосуды нагнетают сжатый воздух под давлением, которое на 0,01...0,02 МПа превышает атмосферное. Соединение смачивают мыльным раствором или опускают в воду. Наличие неплотности в швах определяют по мыльным или воздушным пузырькам.

При испытании с помощью течеискателей внутри сосуда создают вакуум, а снаружи швы обдувают смесью воздуха с гелием. При наличии не плотностей гелий проникает в сосуд, откуда отсасывается в течеискатель со специальной аппаратурой для его обнаружения.

При испытании керосином швы емкости с одной стороны смазывают керосином, а с другой - мелом. При наличии не плотности на поверхности шва, окрашенного мелом, появляются темные пятна керосина. Благодаря высокой проникающей способности керосина можно обнаружить поры диаметром в несколько микрометров.

Магнитный контроль основан на намагничивании сварных или паяных соединений и обнаружении полей магнитного рассеяния на дефектных участках. Изделие намагничивают, замыкая им магнитопровод электромагнита или помещая его внутрь соленоида. На поверхность соединения наносят порошок железной окалины или его масляную суспензию. Изделие слегка обстукивают для облегчения подвижности частиц порошка. По скоплению порошка обнаруживают дефекты, залегающие на глубине до 6 мм.

Рентгеновский контроль основан на различном поглощении рентгеновского излучения участками металла с дефектами и без них. Сварные соединения просвечивают с помощью специальных рентгеновских аппаратов. С одной стороны шва на некотором расстоянии от него помещают рентгеновскую трубку с другой (противоположной) стороны к нему плотно прижимают кассету с рентгеновской пленкой. Рентгеновское излучение, проходя через сварное соединение, облучает пленку. После проявления пленки на ней фиксируют участки повышенного потемнения, которые соответствуют дефектным местам в сварном соединении. Вид и размер дефектов определяют сравнением пленки с эталонными снимками.

Применяемые в промышленности рентгеновские аппараты позволяют просвечивать сварные соединения из стали толщиной 10...200 мм, алюминия до 300 мм, меди до 25 мм. При этом фиксируют дефекты, размеры которых составляют 2% от толщины металла.

При контроле сварных соединений гамма-излучением источником излучения служат радиоактивные изотопы кобальт-60, тулий-170, иридий-192 и др. Ампулу с радиоактивным изотопом помещают в свинцовый контейнер. Техника просвечивания сварных соединений гамма-излучением подобна технике рентгеновского контроля. Этим способом выявляют аналогичные внутренние дефекты по потемнению участков пленки помещенной в кассете. Контроль гамма-излучением по сравнению с рентгеновским обладает рядом преимуществ. Кроме того, контроль гамма-излучением - менее дорогостоящий способ. Недостатком его является низкая чувствительность при просвечивании малых толщин (до 50 мм). На больших толщинах чувствительность такая же, как у рентгеновского метода.

Ультразвуковой контроль основан на способности ультразвуковых волн отражаться от поверхности раздела двух сред. С помощью пьезометрического щупа ультразвукового дефектоскопа, помещаемого на поверхность сварного или паяного соединения, в металл посылают ультразвуковые колебания. Ультразвук вводят в изделие отдельными импульсами под углом к поверхности металла. При встрече с поверхностью дефекта возникает отраженная ультразвуковая волна. В перерывах между импульсами щуп служит приемником отраженного от дефекта ультразвука. Дефект в соединении в виде пика фиксируется на экране осциллографа.

Промышленные ультразвуковые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты на глубине 1... 250 мм. При этом можно выявлять дефекты с минимальной площадью (1... 2 мм²). С помощью ультразвукового метода можно выявить наличие дефекта и его месторасположения.

В ряде случаев, например при контроле крупногабаритных изделий и изделий большой протяженности (трубопроводов), успешно применяется сочетание методов акустической эмиссии и ультразвукового. С помощью акустической эмиссии с высокой точностью определяется месторасположение дефекта, а ультразвуковым методом - параметры дефекта.

11 ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ МЕТОДАМИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Обработка металлов давлением - технологический метод производства деталей и заготовок путем пластического деформирования, которое осуществляется силовым воздействием инструмента на исходную заготовку из металла, обладающего необходимой пластичностью.

Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил. Упругая деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение. При пластических деформациях атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, большие межатомных, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия.

Для начала перехода атомов в новые положения равновесия необходимы определенные действующие напряжения, значения которых зависят от межатомных сил и характера взаимного расположения атомов (типа кристаллической решетки, наличия и расположения примесей, формы и размеров зерен поликристалла и т.п.).

Так как сопротивление смещению атомов в новые положения изменяется непропорционально смещению, то при пластических деформациях линейная связь между напряжениями и деформациями обычно отсутствует.

Напряжения, вызывающие смещение атомов в новые положения равновесия, могут уравновешиваться только силами межатомных взаимодействий. Поэтому под действием деформирующих сил деформация состоит из упругой и пластической составляющих, причем упругая составляющая исчезает при снятии деформирующих сил, а пластическая составляющая приводит к остаточному изменению формы и размеров тела.

В новые положения равновесия атомы могут переходить в результате смещения в определенных параллельных плоскостях, без существенного изменения расстояний между этими плоскостями. При этом атомы не выходят из зоны силового взаимодействия и деформация происходит без нарушения сплошности металла, плотность которого практически не изменяется. Поэтому один из основных законов пластической деформации, лежащих в основе технологических расчетов, - условие постоянства объема, которое гласит: объем тела до пластической деформации равен его объему после деформации. Скольжение одной части кристаллической решетки относительно другой происходит по плоскостям наиболее плотного размещения атомов (плоскостям скольжения). В реальных металлах кристаллическая решетка имеет линейные дефекты (дислокации), перемещение которых облегчает скольжение.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начаться разрушение металла.

Однако, создавая наиболее благоприятные условия деформирования, в настоящее время достигают значительного пластического формоизменения даже у материалов, имеющих в обычных условиях невысокую пластичность

Существенные преимущества обработки металлов давлением по сравнению с обработкой резанием - возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышение производительности труда, поскольку в результате однократного приложения деформирующей силы можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т.д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества обработки металлов давлением способствуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке.

Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением, а также применяемого оборудования позволяет расширять номенклатуру деталей, изготовляемых обработкой давлением, увеличивать диапазон деталей по массе и размерам, а также повышать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой металлов давлением.

Изменение структуры и свойств металла при обработке давлением определяется температурно-скоростными условиями деформирования, в зависимости от которых различают холодную и горячую деформации.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металлов. При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом).

В процессе деформирования необходимая для этого энергия превращается в тепловую. При деформировании с небольшими скоростями выделяющаяся по плоскостям скольжения теплота рассеивается и не оказывает заметного воздействия на процесс деформирования. Однако при деформации ненагретой заготовки с очень большими скоростями (например, 20 м/с и более) выделяющаяся при деформировании теплота может давать эффект увеличения пластичности и снижения сопротивления деформированию.

Русский ученый СИ. Губкин показал, что пластичность при прочих равных условиях определяется схемой напряженного состояния, различной в разных процессах и операциях обработки давлением. Вследствие этого для каждых операций, металла и температурно-скоростных условий существуют свои определенные предельные деформации.

Пластическое деформирование в обработке металлов давлением осуществляется при различных схемах напряженного и деформированного состояний, при этом исходной заготовкой могут быть слиток, пруток, лист и др. По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим, образом:

- для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления из них деталей обработкой резанием с использованием предварительного пластического формоизменения или без него; основными разновидностями таких процессов являются прокатка, прессование и волочение;

- для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих приближенно формы и размеры готовых деталей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества; основными разновидностями таких процессов являются ковка и штамповка.

Основными схемами деформирования объемной заготовки можно считать сжатие между плоскостями инструмента, ротационное обжатие вращающимися валками, затекание металла в полость инструмента, выдавливание металла из полости инструмента и волочение, при котором в качестве заготовки может быть использован только пруток.

Процессы деформирования листовой заготовки - операции листовой штамповки - объединяются в две группы: разделительные операции (отрезка, вырубка, пробивка, надрезка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, формовка и др.). Сжатие между плоскостями инструмента - осадка - характеризуется свободным пластическим течением металла между поверхностями инструмента. Схема напряженного состояния - всестороннее неравномерное сжатие из-за наличия сил трения на контакте между инструментом и заготовкой. Схема свободного течения металла при сжатии между плоскостями инструмента лежит в основе операций ковки: осадки, протяжки, раскатки и др., а также имеет место во многих способах объемной штамповки.

Ротационное обжатие вращающимися валками обусловливается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым последняя перемещается в зазоре между валками, одновременно деформируясь. Эта схема лежит в основе прокатки; кроме того, она может быть использована в ряде способов получения поковок: поперечно-клиновой прокатке, вальцовке, раскатке. Затекание металла в полость инструмента - схема деформирования, являющаяся сутью объемной штамповки. Металл заготовки заполняет полость специального инструмента - штампа, называемую его ручьем, приобретая его форму и размеры. Течение металла ограничивается поверхностями полостей (а также выступов), изготовленных в отдельных частях штампа.

Затеканию металла в полость штампа препятствуют силы трения; схема напряженного состояния - всестороннее неравномерное сжатие. Чем больше отношение глубины к ширине полости, тем большее давление должно быть приложено к металлу для ее заполнения.

Выдавливание металла через отверстие заданного сечения в матрице происходит вследствие его сжатия в замкнутой полости, образуемой контейнером, матрицей и пуансоном, поэтому схема неравномерного всестороннего сжатия реализуется здесь полнее, чем в других процессах.

Схема выдавливания характерна для таких видов обработки металлов давлением, как прессование, горячая и холодная штамповка.

Волочение заключается в протягивании заготовки через сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокой ; площадь поперечного сечения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия волоки, а следовательно, длина (из условия постоянства объема при пластической деформации) увеличивается.

Вследствие того что к заготовке при волочении приложена тянущая сила, в отверстии волоки (очаге деформации) и после выхода из нее металл испытывает растягивающие напряжения. Но если в очаге деформации, в котором действуют и сжимающие напряжения со стороны инструмента, металл пластически деформируется, то на выходящем из волоки конце прутка пластическая деформация недопустима. В противном случае поперечное сечение прутка изменяется или он разрывается. Поэтому величина деформации за один проход ограничена, отношение площадей поперечного сечения заготовки и деформированной части обычно не превышает 1,5.

12 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА КОВКИ И ГИБКИ

Ковка вид горячей обработки металлов давлением, при котором деформирование проводят последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в стороны. Не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент. Таким образом, для процесса ковки используют универсальный (годный для изготовления различных поковок). В то время как для штамповки необходимы специальные штампы, изготовление которых для мелкосерийных деталей экономически не выгодно. Поэтому в мелкосерийном производстве ковка обычно более экономически выгодна, чем процесс штамповки. Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая основная операция определяется характером деформирования и применяемым инструментом.

К основным операциям ковки относятся - осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка.

Осадка - операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения. Осаживают заготовки между бойками или подкладными плитами.

Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осаживают лишь на части длины заготовки.

Протяжка операция удлинения заготовки или ее части за счет уменьшения площади поперечного сечения Протяжку проводят последовательными ударами или нажатиями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с подачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90°вокругэтойоси. При каждом нажатии уменьшается высота сечения, увеличиваются ширина и длина заготовки. Общее увеличение длины равно сумме приращений длин за каждое нажатие, а уширение по всей длине одинаково.

Протягивать можно плоскими и вырезными бойками. При протяжке на плоских бойках в центре изделия могут возникнуть (особенно при протяжке круглого сечения) значительные растягивающие напряжения, которые приводят к образованию осевых трещин. При протяжке с круга на круг в вырезных бойках силы, направленные с четырех сторон к осевой линии заготовки, способствуют более равномерному течению металла и устранению возможности образования осевых трещин.

Протяжка имеет ряд разновидностей.

Разгонка - операция увеличения ширины части заготовки за счет уменьшения ее толщины.

Протяжка с оправкой - операция увеличения длины пустотелой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок.

Раскатка на оправке - операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок

Протяжку с оправкой и раскатку на оправке часто применяют совместно. Вначале раскаткой уничтожают бочкообразность предварительно осаженной и прошитой заготовки и доводят ее внутренний диаметр до требуемых размеров. Затем протяжкой с оправкой уменьшают толщину стенок и увеличивают до заданных размеров длину поковки.

Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счет вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка).

Отрубка - операция отделения части заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инструмента - топора, применяют для получения из заготовок большой длины нескольких коротких, для удаления излишков металла на концах поковок, а также прибыльной и донной частей слитков и т.п. Инструмент для отрубки - топоры различной формы.

Гибка - операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру. Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т.п. Гибка сопровождается искажением первоначальной формы поперечного сечения заготовки и уменьшением его площади в зоне изгиба, называемым утяжкой. Для компенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующий радиус скругления.

Ковку выполняют на ковочных молотах и ковочных гидравлических прессах.

Молоты обслуживаются обычно консольно-поворотными кранами, прессы - мостовыми кранами. Кантователь - механизм, подвешиваемый к крюку крана и позволяющий поворачивать слиток вокруг его продольной оси (дополнительно к тем движениям, которые обеспечивает сам кран).

Находят применение автоматизированные процессы ковки, при которых работой пресса и манипулятора управляют электронные устройства по заданной программе. Для повышения точности поковок находят применение устройства (фотоэлементы, датчики с радиоактивными изотопами), регламентирующие положение рабочего инструмента в заключительный момент ковки.

13 ЛИСТОВАЯ И ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА. ВЫРУБКА

Наличие большого разнообразия форм и размеров штампованных поковок, а также сплавов, из которых их штампуют, обусловливает существование различных способов штамповки.

В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах.

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 целиком 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. Облой затем обрезается в специальных штампах. Штамповкой в открытых штампах можно получать поковки практически всех типов.

Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование облоя в нем 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 наоборот (на молотах).

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. Следовательно, в этом случае процесс получения заготовки усложняется, поскольку отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность.

Холодная штамповка производится в соответствующих штампах без нагрева заготовок и сопровождается деформационным упрочнением металла (наклепом). Холодная штамповка является одним из наиболее прогрессивных методов получения высококачественных заготовок и готовых деталей в приборостроительной, электротехнической и других отраслях промышленности. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности заготовок при малых отходах металла и низкой трудоемкости и себестоимости их изготовления. Производительность автоматической холодной штамповки достигает несколько сотен деталей в минуту. Возможность осуществления холодной штамповки и качество получаемых заготовок и деталей во многом определяются качеством исходного материала. В металлургических процессах выплавки металла нужно обеспечить его необходимый химический состав и отсутствие загрязнений металла. Технологические режимы прокатки и термообработки заготовок должны способствовать получению равномерной мелкозернистой структуры металла, чтобы улучшить его штампуемость - способность к обработке при определенных штамповочных операциях. Нужно обеспечить правильные условия хранения металла на складе и каждую новую партию металла проверять на штампуемость. Чем больше штампуемость металла, тем более сложные изделия и с наименьшими трудностями можно получить из него холодной штамповкой.

Большое значение для штамповки имеет подготовка поверхности заготовок - удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов. Заготовки обычно смазывают для снижения силы штамповки, повышения стойкости инструмента, улучшения микрогеометрии поверхности предотвращения трещин и других дефектов деталей. Смазочный материал должен обеспечивать прочный разделительный слой между заготовкой и инструментом. В зависимости от характера деформирования и конструкции штампов, которые определяются типом штампуемой заготовки, холодную штамповку делят на объемну (сортового металла) и листовую (листовогометалла).

Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочиых автоматах. Ее основными разновидностями являются высадка, выдавливание и объемная формовка.

Высадка - это осадка части заготовки, т. е. образование местных утолщений требуемой формы, например, головок болтов, винтов и заклепок. Можно высаживать утолщения, концентричные и эксцентричные относительно оси стержня, как на концевых, так и на серединных участках заготовок. Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка диаметром 0,5-50 мм из черных и цветных металлов.

Высадкой изготовляют стандартные и специальные крепежные изделия, а также другие детали массового производства, например, кулачки и зубчатые колеса заодно с валом, детали электронной аппаратуры, электрические контакты.

При холодной штамповке коэффициент использования металла достигает 95% вместо 30-40% при обработке резанием. Трудоемкость изготовления болтов на холодновысадочных автоматах в 200-400 раз меньше, чем трудоемкость их изготовления на токарно-револьверных станках. Внедрение холодной объемной штамповки позволяет обойтись без операций черновой обработки резанием, связанных с образованием большого количества стружки, но большое значение приобретают точные методы отделочной обработки (точение, шлифование и др.).

Отмечается более высокое качество штампованных изделий по сравнению с качеством изделий, полученных обработкой резанием. В зависимости от степени деформирования прочность штампованных деталей из среднеуглеродистых сталей увеличивается на 30-120%, что в ряде случаев позволяет отказаться от термообработки и использовать более дешевые исходные материалы: углеродистую или малолегированную сталь вместо термически обработанной высоколегированной дорогостоящей стали. Применяя различные схемы формоизменения и регулирования напряженно-деформированного состояния металла в полости штампа, можно изготовлять детали как равнопрочные, так и с различной прочностью отдельных элементов с учетом их назначения в процессе эксплуатации.

При холодном деформировании устраняется совсем или частично пористость металла, формируется благоприятно ориентированная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических нагрузках. Это позволяет получить струкции с меньшими размерами и металлоемкостью, чем у конструкций, полученных обработкой резанием, не снижая при этом их надежность.

Холодной объемной штамповкой можно получать цельные детали из одной заготовки (например, зубчатые колеса и кулачки заодно целое с валом) взамен деталей, которые раньше изготовляли из двух или более частей сваркой, клепкой и т. п. Это не только исключает расходы на сборку, удешевляет продукцию, но и улучшает ее качество, так как цельные детали прочнее и точнее, чем собранные из отдельных частей.

Однако для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что делает целесообразным ее применение только в массовом и крупносерийном производстве.

Значительным резервом расширения технологических возможностей и области применения холодного объемного деформирования является внедрение ротационной обработки, торцовой раскатки деталей, ротационного выдавливания, обкатки. В этих процессах за счет локального приложения нагрузки значительно снижается общая сила деформирования и контактные напряжения, действующие на инструмент. На оборудовании относительно небольшой мощности можно изготовлять крупногабаритные детали, в том числе из труднодеформируемых материалов, при экономном расходовании металла и оптимальном расположении его волокон, что повышает эксплуатационные свойства получаемых деталей.

Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что толщина их стенок незначительно отличается от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заготовка обычно испытывает значительные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъявлять к материалу заготовки достаточно высокие требования по пластичности.

В качестве заготовки при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свернутую в рулон. Толщина заготовки при листовой штамповке обычно не более 10 мм и лишь в сравнительно редких случаях более 20 мм. Детали из заготовок толщиной более 20 мм штампуют с нагревом до ковочных температур (горячая листовая штамповка), что позволяет значительно уменьшить силу деформирования по сравнению с холодной штамповкой. Холодная листовая штамповка получила значительно более широкое применение, чем горячая.

При листовой штамповке чаще всего используют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные стали, медь, латунь, содержащую более 60% Си, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы, титан и др. Листовой штамповкой получают плоские и пространственные детали из листовых неметаллических материалов, таких как кожа, целлулоид, органическое стекло, фетр, текстолит, гетинакс и др.

Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях промышленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолето-, ракето- и приборостроение, электротехническая промышленность и др.

К преимуществам листовой штамповки относятся: возможность получения деталей минимальной массы при заданных их прочности и жесткости; достаточно высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить отделочные операции обработки резанием; сравнительная простота механизации и автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую производительность; хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически целесообразной и в массовом, и в мелкосерийном производстве.

Как правило, при листовой штамповке пластические деформации получает лишь часть заготовки. Операцией листовой штамповки называется процесс пластической деформации, обеспечивающий характерное изменение формы определенного участка заготовки. Различают формоизменяющие операции, в которых заготовка не должна разрушаться в процессе деформирования, и разделительные операции, в которых этап пластического деформирования обязательно завершается разрушением.

При проектировании технологического процесса изготовления деталей листовой штамповкой основной задачей является выбор наиболее рациональных операций и последовательности их применения, позволяющих получить детали с заданными эксплуатационными свойствами при минимальной себестоимости и хороших условиях труда.

Холодная листовая штамповка выполняется на прессах различных конструкций, часто оснащенных средствами механизации и автоматизации. Процессы листовой штамповки заключаются в выполнении в определенной последовательности разделительных и формоизменяющих операций, посредством которых исходным заготовкам из листа, полосы, ленты и трубы придают форму и размеры деталей. Основными рабочими частями штампов являются пуансоны и матрицы, а вспомогательными - прижимы, съемники, выталкиватели и т. д. Пуансон вдавливается в деформируемый материал или охватывается им, а матрица охватывает изменяющую форму заготовку и пуансон.

Разделительные операции - резка, вырубка, пробивка сопровождаются разрушением металла по определенным поверхностям.

Резка - отделение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных ножницах или в штампах. Обычно ее применяют как заготовительную операцию для разделения листов подаваемых до упора / на полосы и заготовки нужных размеров для последующей штамповки. Качество поверхности среза обеспечивают правильным выбором зазора между режущими кромками, который составляет (0,03-0,05) S, где S-толщина листа, и хорошей заточкой режущих кромок ножей.

Вырубка и пробивка - отделение заготовки по замкнутому контуру в штампе. При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют наружный контур детали (или заготовки для последующего деформирования), а пробивкой - внутренний контур (изготовление отверстий Вырубку и пробивку обычно осуществляют металлическими пуансоном и матрицей. Пуансон вдавливает часть заготовки в отверстие матрицы. В начальной стадии деформирования происходят врезание режущих кромок в заготовку и смещение одной части заготовки относительно другой без видимого разрушения.

Более качественную поверхность среза, гладкую и перпендикулярную плоскости заготовки, получают вырубкой со сжатием, когда заготовка со значительной силой прижимается к торицу пуансона и рабочей плоскости матрицы Увеличение сжимающих напряжений зоне деформирования повышает пластичность и уменьшает возможность образования трещин у режущих кромок дающих шероховатую поверхность среза.

Зазор между пуансоном и матрицей берут существенно меньшим, чем при обычной вырубке, - 0,005... 0,01 мм, поэтому вырубку со сжатием выполняют на специализированных прессах и штампах, обеспечивающих большую точность взаимного перемещения частей штампа.

14 ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

Обработка конструкционных материалов резанием - это процесс удаления слоя металла с поверхности заготовки для обеспечения требуемых геометрической формы, размеров и шероховатости. Получение заданных параметров изделия достигают процессами обработки, выполняемыми в определенной последовательности. В производственных условиях изделия изготовляют по разработанным технологическим процессам.

Обработка материалов резанием - наиболее древний способ, воздействия человека на окружающие его предметы. Человек использовал процесс резания, когда еще не было ни обработки давлением, ни литья. Режущими инструментами являлись каменные пластины, а обрабатываемыми материалами были дерево и кость.

Для осуществления процесса резания необходимо, чтобы:

- материал инструмента был тверже обрабатываемого материала;

- инструмент имел специфическую форму клина;

- заготовка и инструмент совершали относительные перемещения. Совокупность оборудования, инструментов, приспособлений и обрабатываемой заготовки называют технологической системой.

Современные заготовки не могут играть роль деталей машин и механизм поскольку заготовки имеют существенные отклонения от заданных размеров, форм и шероховатости поверхностей. Поэтому необходимо превращать заготовки в детали машин путем обработки их, как правило, резанием.

При этом достигается точность, например, размеров, определяемая миллиметрами, их сотыми, тысячными и даже меньшими долями. Качество технологических систем в значительной степени определяет технический уровень государства.

Физическая сущность процесса резания характеризуется совокупностью отдельных явлений. В начальный момент времени режущий инструмент контактирует с обрабатываемым материалом, создавая в месте контакта с ним напряжения. Поскольку энергия в ходе контактирования в начальный момент увеличивается, возрастают и напряжения что приводит к отделению части материала от заготовки. Эта часть материала может иметь в зависимости от конкретных условий самые разные вид и форму и называется стружкой. Таким образом, при резании наблюдается как сложное упруго напряженное, так и пластичное состояние заготовки.

За линией среза также образуется слой материала, характеризуемый напряженным состоянием. В поверхностном слое в зависимости от конкретных условий обработки могут быть сжимающие или растягивающие напряжения. При этом важны величина и знак этих (остаточных) напряжений, поскольку они будут складываться с рабочими напряжениями функционирующей детали.

Срезаемый слой материала заготовки дополнительно деформируется вследствие трения стружки о рабочую поверхность инструмента. Это обстоятельство является чрезвычайно важным, поскольку непосредственно связано с изнашиванием режущего инструмента и периодом работоспособного состояния инструмента в процессе резания.

Вид стружки связан, прежде всего, со свойствами обрабатываемого материала. При обработке пластичных материалов с относительно малой твердостью появляется сливная стружка. Это сплошная лента с гладкой прирезцовой стороной. На внешней стороне ее видны слабые пилообразные зазубрины.В процессе резания материалов средней твердости образуется суставчатая стружка, представляющая собой ленту с гладкой прирезцовой стороной и ярко выраженными зазубринами на внешней стороне.

При обработке хрупких материалов образуется элементная стружка, состоящая из отдельных элементов срезанного металла, не связанных между собой. Во время резания иногда возникает большое количество стружки. Она является существенной помехой производству. При конструировании и изготовлении технологических систем заботятся о направлениях отвода стружки, ее транспортировании в границах самой системы и в производственном помещении, общей компоновке оборудования (как отдельного станка, так их группы), особенностях конструкции режущих инструментов и пр.

15 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ РЕЗАНИЕМ

Условия обработки в значительной степени диктуются различными физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, как при лезвийной, так и при абразивной обработке. От этих же свойств решающим образом зависят и кинематические особенности процесса резания.

Важным фактором, характеризующим такие схемы обработки, являются наличие существенных вибраций в процессе резания. Возникающие волнистость и шероховатость поверхностных слоев снижают качество изготовленных деталей и зависят от способности технологической системы сопротивляться факторам, возникающим при резании. Совокупность и количественная оценка рассмотренных факторов характеризуют важнейший показатель качества технологической системы - жесткость системы.

Из общего анализа ясно, что качество изготовляемой детали определяется одновременным действием всех факторов, от которых зависит функционирование технологической системы.

Технологические методы обработки характеризуются видом используемой энергии, способом воздействия инструмента на заготовку и схемой обработки определенной поверхности заготовки.

При изготовлении деталей различают следующие методы обработки:

- механические (обработка металловрезанием), электрофизические,

- электрохимические, комбинированные.

По способу воздействия инструмента на обрабатываемую заготовку различают: вид контакта (точечный, линейный, пространственный); характер контакта (непрерывный, прерывистый, импульсный, вибрационный). Режимы обработки резанием (режимы резания) - это совокупность элементов: глубины резания, подачи и скорости резания.

Порядок определения элементов режимов резания следующий.

1. Устанавливают глубину резания, по чертежу детали в зависимости от требуемых точности размеров и шероховатости поверхности.

2. Выбирают максимально возможную подачу, исходя из жесткости и прочности технологической системы, прочности инструмента и других ограничивающих факторов. Для черновой и чистовой обработки существуют дополнительные рекомендации по выбору подачи в зависимости от требуемых степени точности и шероховатости обработанной поверхности

3. Определяют скорость резания по эмпирическим формулам, установленным для каждого вида обработки.

В ряде случаев, также опираясь на данные справочной литературы, можно без использования эмпирических формул определять непосредственно по таблицам значения режимов резания. В практике работы современных машиностроительных предприятий используют также режимы резания, установленные исключительно экспериментальным путем.

16 СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ РЕЗАНИЕМ

Для формообразования поверхностей деталей методом резания элементы технологической системы должны выполнять относительные движения. В общем случае технологическая система имеет две группы органов:

1) органы, удерживающие инструмент;

2) органы, удерживающие заготовку.

Возможны варианты, когда перемещение осуществляют органы, связанные с заготовкой, или органы, удерживающие инструмент, или первые и вторые одновременно. Вид движения, траектории перемещения органов и другие кинематические особенности определяются характером или целями обработки заготовки. Большое внимание обращают на обеспечение условий осуществления движений. Особо заботятся о том, чтобы движения регламентировались параметрами точности, производительности, техники безопасности и др.

Движения рабочих органов станка, обеспечивающие такое положение инструмента относительно заготовки, при котором с нее срезается заданный слой материала, называют установочными.

Для рабочих органов станка, которые не имеют непосредственного отношения к процессу резания и служат для транспортирования и закрепления заготовки или инструмента, быстрых перемещений рабочих органов, переключения скоростей резания и подачи и т.п., называют вспомогательными движениями.

В процессе обработки на заготовке различают:

- обрабатываемую поверхность, с которой срезается слой материала заготовки;

- обработанную поверхность, с которой срезан слой материала;

- поверхность резания, образованную главным режущим лезвием инструмента и являющуюся переходной между обрабатываемой и обработанной поверхностями.

Составная часть машины или любого изделия - деталь. Пространственная форма детали ограничивается геометрическими поверхностями. Как бы ни сложна была форма детали, ее всегда можно представить в виде сочетания отдельных геометрических поверхностей. Для облегчения обработки заготовки конструктор стремится использовать в детали наиболее простые геометрические поверхности: плоские, круговые цилиндрические.

Механическая обработка заготовок деталей машин реализует в основном четыре метода формообразования поверхностей - копирования, следов, касания, обкатки.

17 ТОКАРНАЯ ОБРАБОТКА, ФРЕЗЕРОВАНИЕ, ОБРАБОТКА ОТВЕРСТИЙ, СТРОГАНИЕ И ДОЛБЛЕНИЕ, ПРОТЯГИВАНИЕ

Точение - технологический метод обработки поверхностей тел вращения резанием токарными резцами на токарных станках.

Процесс точения характеризуется вращательными движениями заготовки и поступательным движением режущего инструмента - резца. При точении формообразование поверхности реализуется двумя методами: следов - при обработке поверхностей с продольным движением подачи - и с поперечным движением подачи в основном по методу копирования.

Станки токарной группы в зависимости от общих технологических признаковых конструктивных особенностей делят на девять типов.

По способу управления рабочим циклом станки подразделяют на станки с ручным управлением (универсальные), полуавтоматы и автоматы, с системами ЧПУ.

Токарно-винторезные станки применяют в условиях единичного (мелкосерийного) производства для обработки заготовок небольших партий.

Токарно-револьверные станки предназначены для изготовления партии одинаковых деталей (типа шкивов, втулок, фланцев, крышек и т.п.), требующих применения большого числа режущего инструмента, в условиях серийного производства.

Токарно-каруселъные станки рассчитаны на обработку заготовок больших размеров по диаметру, у которых отношение длины (высоты) к диаметру составляет 0,3...0,5. Это заготовки рабочих колес водяных и газовых турбин, зубчатых колес, маховиков и т.п. Станки используют в среднем и тяжелом машиностроении.

Многорезцовые токарные полуавтоматы предназначены для обработки наружных поверхностей заготовок типа ступенчатых валов, блоков зубчатых колес, шпинделей в серийном и массовом производстве. Одношпиндельные токарно-револъверные автоматы служат для изготовления больших партий деталей сложной формы небольших размеров (диаметром 8... 38 мм) в крупносерийном и массовом производстве.

Многошпиндельные токарные автоматы параллельной обработки предназначены для изготовления одновременно нескольких одинаковых деталей средней сложности в массовом производстве.

Многошпиндельные токарные автоматы последовательной обработки используют в массовом производстве для изготовления деталей со сложной конфигурацией.

Центровые станки служат для обработки заготовок типа валов с прямо- и криволинейными контурами. Обрабатываются только наружные поверхности заготовок.

Патронные станки рассчитаны на обработку заготовок типа зубчатых колес, фланцев, шкивов. Обрабатываются как наружные, так и внутренние поверхности.

Патронно-центровые станки предназначены для обработки наружных и внутренних поверхностей сложных по форме заготовок и обладают технологическими возможностями центровых и патронных станков.

Многообразие видов поверхностей заготовок, обрабатываемых на станках токарной группы, привело к созданию большого числа токарных резцов. Главным принципом классификации резцов является их технологическое назначение.

Сверление - распространенный метод получения отверстий в сплошном материале. Сверлением получают сквозные и несквозные (глухие) отверстия и обрабатывают предварительно полученные отверстия в целях увеличения их размеров, повышения точности и снижения шероховатости поверхности. Сверление осуществляют при сочетании вращательного движения инструмента вокруг оси - главного движения резания и поступательного его движения вдоль оси - движения подачи. Оба движения на сверлильном станке сообщают инструменту.

Процесс резания при сверлении протекает в более сложных условиях, чем при точении. В процессе резания затруднены отвод стружки и подвод охлаждающей жидкости к режущим кромкам инструмента. При отводе стружки происходит трение ее о поверхность канавок сверла и сверла о поверхность отверстия. В результате повышаются деформация стружки и тепловыделение. На увеличение деформации стружки влияет изменение скорости главного движения резания вдоль режущей кромки от максимального значения на периферии сверла до нулевого у центра.

Сверлильные станки делят на несколько типов. Широкая универсальность сверлильных станков позволяет использовать их во всех отраслях промышленности. На радиально-сверлильных станках обрабатывают отверстия, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, в крупногабаритных и массивных заготовках.

Эти станки в отличие от вертикально-сверлильных обеспечивают (без изменения положения заготовки) совмещение осей режущего инструмента и обрабатываемых отверстий перемещением шпиндельной головки. Для обработки заготовок с большим числом отверстий целесообразно использовать сверлильные станки с ЧПУ. Быстрый подвод инструмента к заготовке, глубина сверления, изменение частоты вращения и движения подачи выполняются автоматически по программе.

Для одновременной обработки нескольких отверстий применяют многошпиндельные вертикально-сверлильные станки. Шпиндели на этих станках устанавливают в сверлильной головке в зависимости от расположения отверстий в заготовке.

На одно- и многошпиндельных сверлильных автоматах и полуавтоматах циклы обработки отверстий совершаются без вмешательства рабочего.

Отверстия на сверлильных станках обрабатывают сверлами, зенкерами, развертками и метчиками. На сверлильных станках выполняют сверление, рассверливание, зенкерование, развертывание, цекование, зенкование, нарезание резьбы и обработку сложных отверстий.

Режущим инструментом служит спиральное сверло. В зависимости от требуемой точности и величины партии обрабатываемых заготовок отверстия сверлят в кондукторе или по разметке.

Рассверливание - процесс увеличения диаметра ранее просверленного отверстия сверлом большего диаметра.

Зенкерование - обработка предварительно полученных отверстий для придания им более правильной геометрической формы, повышения точности и снижения шероховатости многолезвийным режущим инструментом - зенкером.

Развертывание - окончательная обработка цилиндрического или конического отверстия разверткой (обычно после зенкерования) в целях получения высокой точности и малой шероховатости обработанной поверхности.

Цекование - обработка торцовой поверхности отверстия торцовым зенкером для достижения перпендикулярности плоской торцовой поверхности к его оси.

Зенкованием получают в имеющихся отверстиях цилиндрические или конические углубления под головки винтов, болтов, заклепок и других деталей.

Нарезание резьбы - получение на внутренней цилиндрической поверхности с помощью метчика винтовой канавки.

Отверстия сложного профиля обрабатывают с использованием комбинированного режущего инструмента.

Сверление глубоких отверстий (длина отверстия больше пяти диаметров) выполняют на специальных горизонтально-сверлильных станках. При обработке глубоких отверстий спиральными сверлами происходят увод сверла и "разбивание" отверстия: затрудняются подвод смазочно-охлаждающей жидкости и отвод стружки. Поэтому для сверления глубоких отверстий применяют сверла специальной конструкции.

Технологический метод формообразования поверхности заготовок строганием характеризуется наличием двух движений: возвратно-поступательного резца или заготовки (скорость главного движения резания) и прерывистого прямолинейного движения подачи, направленного перпендикулярно к вектору главного движения резания. Разновидностью строгания является долбление, где главное движение резания - возвратно-поступательное - совершает резец в вертикальной плоскости.

Процесс резания при строгании прерывистый, и удаление материала происходит только при рабочем ходе. Во время обратного (вспомогательного) хода резец работу не выполняет. Прерывистый процесс резания способствует охлаждению инструмента во время обработки заготовок, что исключает в большинстве случаев применение смазочно-охлаждающих жидкостей. Прерывистый процесс резания приводит к значительным динамическим нагрузкам на режущий инструмент, поэтому строгание осуществляют на умеренных скоростях резания.