1.2 Ковка

Процессу ковки можно подвергать литой, а также катаный металл. При ковке литого металла процессы превращения дендритного строения металла в зернистое и появление волокнистости в структуре в общем не отличаются от аналогичных процессов при прокатке металла.

Ковка характеризуется большой неравномерностью деформации, вызываемой контактным трением и другими факторами, влияющими на распределение деформации по обрабатываемому телу.

Для оценки величины деформации при ковке и штамповке используют коэффициент уковки, который для случая осадки выражается так:

К_ос=F₂/F₁=H/h>>1

Коэффициент уковки подсчитывают по размерам, характеризующим основную деформацию.

Методом ковки получают изделия несимметричные, изогнутые, имеющие отростки. Получение таких изделий Кроме рабочего инструмента (бойков различной формы) используют также измерительный (кронциркули, угольники) и вспомогательный (клещи, вилки, патроны).

Методом свободной ковки получают все крупные поковки массой 250т и более. Мелкие и средние поковки обрабатывают свободной ковкой небольшими партиями.

Исходным материалом служат слитки, блюмсы, болванки и прутковые катаные заготовки.

Наиболее характерные операции свободной ковки: простейшей операцией является осадка. При этой операции требуется, чтобы бойки перекрывали заготовку. При осадке вследствие трения боковая поверхность осаживаемой заготовки приобретает бочкообразную форму, что характеризует неравномерность деформации. Повторяя осадку несколько раз с разных сторон, можно привести заготовку к первоначальной форме или близкой к ней, получив при этом более высокое качество металла и одинаковые его свойства по всем направлениям.

Если при осадке заготовка деформируется не по всей высоте, то такая операция называется высадкой. Высадку можно осуществить при нагреве только части заготовки пальцевым инструментом.

Операция протяжки заключается в нанесении последовательных ударов и передвижении заготовки.

Если осуществляется большая деформация заготовки в направлении ее ширины за счет перпендикулярного расположения оси заготовки относительно ширины бойков, то такая операция называется разгонкой. Если инструмент внедряется в металл, то такая операция - прошивка.

Для разработки технологического процесса свободной ковки составляется чертеж поковки, отличающийся от чертежа изделия припуском металла на дальнейшую обработку и напуском, т.е. избыточным металлом для упрощения сложных очертаний изделия. Отходы от слитка составляют 25-30%. Угар составляет потери в 2-3% от массы заготовки на каждый нагрев и 1,5-2% на каждый подогрев. Отходы обсечки зависят от сложности поковок и способа их изготовления. Для простых поковок они в сумме не превышают 5-8%, а для отдельных сложных поковок достигают 30%.

1.3 Прессы гидравлические и механические

холостого хода - подвижная поперечина подходит к заготовке;

рабочего хода - передвижение поперечины заставляет деформироваться заготовку;

обратного хода - подвижная поперечина возвращается в исходное положение.

Рабочий и обратный ходы пресса осуществляется с помощью жидкости высокого давления, а холостой ход - жидкостью низкого давления из системы наполнения. Источником высокого давления жидкости может быть насосный безаккумуляторный привод, насосный аккумуляторный привод, мультипликаторный привод.

2. Цех термической обработки

Термическая обработка может быть промежуточной и окончательной. Главной задачей промежуточной обработки является снижение твердости стали для ее лучшей обрабатываемости режущим инструментом или обработки давлением. Окончательная термообработка преследует цель придать стали такие свойства, которые требуются в условиях эксплуатации детали. В результате окончательной обработки получают не только лучшее сочетание механических свойств, но и высокие значения ряда физико-механических характеристик, например высокие показатели коэрцитивной силы, хорошую коррозионную стойкость, высокую теплостойкость режущих инструментов и т.д.

Классификация операций термической обработки стали

Химико-термическая обработка деталей применяется в промышленности в большинстве случаев с целью повышения свойств: поверхностной твердости, износостойкости, эрозиостойкости, задиростойкости, контактной выносливости и изгибной усталостной прочности (процессы - цементация, азотирование, нитроцементация и др.). Для резкого повышения сопротивлению - борирование, диффузионное хромирование и др., позволяющие получить в поверхностном слое бориды железа, карбиды хрома или другие химические соединения металлов, отличающиеся высокой твердостью. В других случаях целью химико-термической обработки является защита поверхности деталей от коррозии при комнатной и повышенной температуре в различных агрессивных средах или окалинообразование (процессы - алитирование, силицирование, хромирование и др.).

Процессы делятся:

1) Цементация. Процесс осуществляется в интервале температур 860-960⁰С. Длительность выдержки в зависимости от состава цементируемой стали, способа цементации и требуемой глубины слоя, которая колеблется в пределах от 0,15 до 2,5 мм, составляет от 1 до 30 часов. В редких случаях, например газовой цементации крупных подшипниковых колец, глубина слоя может составлять 8 мм и длительность выдержки 7-9 суток.

2) Азотирование. Осуществляется в атмосфере продуктов частичной диссоциации аммиака в интервале температур 500-580⁰С. Длительность выдержки в зависимости от типа стали и требуемой глубины слоя обычно составляет 20-100 ч

3) Нитроцементация и цианирование. Одновременное насыщение стали углеродом и азотом (нитроцементация - из газовой среды, цианирование - из расплавов цианистых солей) увеличивает скорость образования слоя по сравнению с газовой цементацией.

4) Алитирование. Применяют для повышения стойкости деталей против газовой коррозии в водяном паре, на воздухе, в сероводородном и топочных газах при повышенных и высоких температурах. Алитированию подвергают малоуглеродистую нелегированную и легированную сталь и сплавы, включая жаропрочные сплавы на никелевой основе. Применяют три способа алитирования: в твердой среде (порошковых смесях), в расплаве, напылением расплавленного алюминия.

5) Диффузионное хромирование. Процесс диффузионного хромирования в зависимости от марки обрабатываемой стали и способа насыщения может осуществляться в интервале температур 800-1300⁰С.

6) Борирование. Осуществляется обычно при температуре 920-950⁰С в жидких средах (электролизное и в расплаве буры с карбидом бора), а также в газообразных средах и твердых смесях, применяется для повышения твердости, износостойкости, а иногда и для других целей.

7) Сульфоцианирование. Проводят обычно в жидкой ванне. Улучшает антифрикционные свойства, придаваемые поверхностному слою, и повышает усталостную прочность стали.

8) Силицирование. Осуществляется обычно при температуре 950-1000⁰С в газовых и жидких средах, а также в вакууме и порошкообразных смесях. Для повышения коррозионной стойкости стальных деталей, работающих в морской воде, серной, соляной, азотной кислотах различной концентрации и других агрессивных средах.

9) Титанирование. Осуществляется в интервале температур 950-1300⁰С в твердых смесях, жидких или газообразных средах. Применяют в осносном для получения поверхностных слоев, стойких в различных агрессивных средах, и для повышения сопротивления эрозии.

3. Кузнечнопрессовый цех

3.1 Горячая штамповка

Горячая штамповка производится за счет принудительного перераспределения металла нагретой заготовки в штампе. Это дешевый и производительный процесс обработки.

Проектирование технологического процесса штамповки начинается с разработки чертежа поковки, которую выполняют на основании чертежа готовой детали. Штампы имеют 1 или 2 разъема для помещения заготовки и извлечения поковки.

На размеры поверхности поковок, подлежащих обработке резанием, назначают припуски, т.е. дополнительный слой металла заготовки, который удаляется в процессе обработки резанием для обеспечения необходимой точности и качества поверхностного слоя получаемой детали.

Подготовку заготовок начинают с определения их объема как суммы объемов поковки и отходов, образующихся при нагреве и в процессе штамповки. Заготовки нужной длины отрезают от прокатанных прутков длиной 2-6 м.

Заготовки перед штамповкой должны быть нагреты равномерно и по всему объему до заданной температуры. При нагреве должны быть минимальны и окалинообразования (окисления) и обезуглероживание поверхности заготовок, чтобы избежать чрезмерных потерь металла и затрат на удаление дефектного слоя при обработке резанием.

Наиболее современны электронагревательные устройства, позволяющие автоматизировать процессы нагрева заготовок. В них легче создать защитную атмосферу для безокислительного нагрева. В электроконтактных установках заготовка зажатая медленными контактами нагревается при пропускании по ней электрического тока. В индукционных установках заготовка нагревается вихревыми токами, которые индуцируются в ней при прохождении тока высокой частоты по виткам индуктора. Наиболее рациональное применение индукционные нагреватели находят в автоматических линиях.

После штамповки в открытых штампах производят обрезание облоя и пробивку перемычек штампа на обрезных кривошипных прессах.

В штампах совмещенного действия обе эти операции выполняются одновременно за 1 ход пресса. При соответствующих размерах пуансонов и матриц одновременно с пробивкой и обрезкой можно удалять штамповочные уклоны для уменьшения последующей обработки поковок резанием.

Поковки простой конфигурации штампуют из прокатных заготовок постоянного профиля в штампах и полностью. Сложные поковки с резкими изменениями сечений по длине, с изогнутой осью и т.п. нельзя штамповать из заготовок постоянного профиля в одноручьевых штампах вследстие неполного заполнения штампа или недопустимого большого отхода металла в облой. В таких случаях форму заготовки постепенно приближают к форме поковки в многоручьевых штампах, имеющих заготовительные и штамповочные ручьи.

Очистку поковок от окалины производят для облегчения контроля поверхности поковок, уменьшения износа металлорежущего инструмента и правильной установки заготовок на металлорежущих станках. На дробеструйных установках окалину с поковок, перемещающихся на ленте конвейера, сбивают потоком быстро летящей дроби диаметром 1-2 мм. В галтовочных барабанах окалина удаляется благодаря ударам поковок друг о друга и о металлические звездочки, закладываемые во вращающийся барабан.

3.2 Холодная штамповка

Холодная объемная штамповка

Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных автоматах. Ее основными разновидностями является высадка, выдавливание, объемная формовка.

Высадка - это осадка части заготовки, т.е. образование местных утолщений требуемой формы. Высадкой изготовляют стандартные и специальные крепежные изделия, а так же другие детали массового производства. При высадке за 1 удар отношение длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру должно быть не более 2,5-2,8. Высадку обычно выполняют на холодновысадочных автоматах различных конструкций.

Выдавливание - это формообразование сплошных или полых изделий благодаря пластическому течению металла из полости штампа через отверстие соответствующей формы. Различаю прямое, обратное, боковое, комбинированное выдавливание.

Объемная формовка - это формообразование деталей путем заполнения металлом плоскости штампа. Она производится в открытых штампах, где излишки металла вытекают в специальную емкость для образования облоя, и в закрытых штампах, где облой не образуется. После формовки в открытом штампе облой обрезают в обрезном штампе.

Холодной объемной штамповкой можно получать цельные деталь из одной заготовки взамен деталей, которые раньше изготовляли из нескольких частей сваркой, клепкой. Это не только исключает расходы на сборку, удешевляет продукцию, но и улучшает ее качество, т.к. цельные детали прочнее, точнее, чем собранные из отдельных частей.

Холодная листовая штамповка

Холодная листовая штамповка выполняется на прессах различной конструкции, часто оснащенных средствами механизации и автоматизации. Процессы листовой штамповки заключаются в выполнении в определенной последовательности разделительных формоизменяющих операций, посредством которых исходным заготовкам из листа, полосы, ленты, трубы придают форму и размеры деталей.

Штампы для листовой штамповки делятся по технологическому признаку в зависимости от выполняемой операции на вырубные, гибочные, вытяжные. В зависимости от числа выполняемых операций различают одно и много операционные штампы. Многооперационные штампы бывают последовательного действия, в которых операции выполняются последовательно при перемещении заготовки по нескольким рабочим позициям штампа и совмещенного действия, в котором операции выполняются на одной позиции.

Разделительные операции - резка, вырубка, пробивка - сопровождаются разрушением металла по определенным поверхностям. Резка - определение части заготовки по незамкнутому контуру на специальных ножницах или штампах. Обычно ее применяют как заготовительную операцию для разделения листов. Вырубка и пробивка - отделения заготовки по замкнотому контуру в штампе.

Характер деформирования заготовки при вырубке и пробивке одинаков. В начальный момент пуансон смещает часть заготовки в отверстии матрицы без разрушения металла. При правильно выбранной ширине зазора, зависящей от толщины и механических характеристик металла, а так же от сложности вырубаемых деталей, трещины образуют сравнительно гладкий срез. Он состоит из блестящего пояска и наклонной шероховатой поверхности разрушения.

Детали повышенной точности с чистым и перпендикулярным срезом получают чистой вырубкой и пробивкой, сущность которой заключается в создании дополнительного сжатия заготовки, например прижимом. При этом в зоне резания происходит объемное сжатие, скалывающие трещины не возникают и срез получается чистым по всей толщине заготовки.

Расположение контуров смежных вырубаемых заготовок на листовом материале называется раскроем. Часть листовой заготовки, оставшаяся после вырубки, называется высечкой. Тип раскроя выбирают исходя из условия получения наименьшего отхода металла в высечку.

Формоизменяющие операции - гибка, вытяжка, бортовка, обжим, раздача, рельефная формовка, ротационная вытяжка - выполняют благодаря пластическим деформациям металла без разрушения заготовок.

Гибка - придание заготовки криволинейной формы или изменение ее кривизны. Гибку производят в штампах, а также вращающимися фигурными роликами, играющими роль матрицы на профилегибочных станках. Ленты и полосы, проходя через несколько пар роликов, превращаются в гнутые тонкостенные профили, легкие, но жесткие и достаточно прочные.

Отбортовка - образование борта диаметром d_б вокруг отверстия с начальным диаметром d_o заготовки. Формоизменение оценивают коэффициентом отбортовки К_n=d_б/d_о, который зависит от механических характеристик металла заготовки и ее относительной толщины 5/d_o и не превышает 1,8. Отбортовку применяют для изготовления кольцевых деталей с фланцами и для образования уступов в деталях для нарезания резьбы, сварки, сборки, а также для увеличения жесткости конструкций при малой ее массе.

Рельефная формовка - жесткое деформирование заготовки для образования рельефа в результате уменьшения толщины заготовки (рис. 3.4е). Формовкой получают конструкционные выступы и впадины, ребра жесткости и т.п.

4. Электрофизические и электрохимические методы обработки заготовок

4.1 Электроэрозионная обработка

Данная обработка основана на явлении эрозии (разрушение) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. Разряд между электродами происходит в газовой среде или при заполнении межэлектродного промежутка диэлектрической жидкостью.

При наличии разности потенциалов на электродах происходит ионизация межэлектродного пространства. При высокой концентрации, реализуемой за 10^-5-10^-8 с, мгновенная плотность тока в канале проводимости достигает 8000-10000 А/мм², в результате чего температура на поверхности обрабатываемой заготовки - электрода возрастает до 10000-12000⁰ С. Благодаря кратковременности процесса теплота не может распространится по объему электрода, поэтому происходит мгновенное оплавление и испарение элементарного объема металла анода, и на его поверхности образуется лунка.

Кроме теплового воздействия при электроэрозионных процессах обработки на материал электрода заготовки действует электродинамические и электростатические силы, а также давление жидкости вследствие кавитации, сопровождающей процесс импульсных разрядов. Разновидностями электроэрозионной обработки являются электроискровая, электроимпульсная, высокочастотная, электроконтактная обработки.

4.2 Электроискровая обработка

Этот метод используется для обработки заготовок из всех токопроводящих материалов (рис. 5.1). Электроискровую обработку широко применяют для изготовления штампов, пресс - форм, режущего инструмента, деталей, двигателей внутреннего сгорания, сеток.

Зависимость интенсивности эрозии от физико-механических свойств металлов называют электроэрозионной обрабатываемостью. Из электроэрозионных станков с системой ЧПУ наибольшее распространение получили координатно-прошивочные, копировально-вырезные и универсальные копировально-прошивочные.

4.3 Электроимпульсная обработка

При этом методе обработки используют электрические импульсы большой длительности, в результате чего происходит дуговой разряд. Большие мощности импульсов, получаемых от электронных генераторов, обеспечивают высокую производительность обработки. Применение генераторов и графитовых электродов, а также обратной полярности, позволило уменьшить разрушение электродов.

Электроимпульсную обработку наиболее целесообразно применять при предварительной обработке штампов, турбинных лопаток, твердосплавных деталей, фасонных отверстий в деталях из коррозионно стойких и жаропрочных сплавов.

4.4 Электроконтактная обработка

Данная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте ее контакта с электродом - инструментом и удалении размягченного или даже расплавленного металла из зоны обработки механическим способом при относительных движениях заготовки и инструмента. Источником образования теплоты в зоне обработки являются импульсные дуговые разряды.

Электроконтактную обработку применяют при зачистке отливок, проката из спец. сплавов, черновом круглом, наружном, внутреннем и плоском шлифовании корпусных заготовок деталей машин из трудно обрабатываемых сплавов (рис. 5,2), шлифовании с одновременной поверхностной закалкой деталей из углеродистых сталей, при обработке металлических конструкций, прошивании отверстий.

4.5 Электорохимическая обработка

Данная обработка основана на явлении анодного растворения происходящего при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющейся анодом, происходят химические реакции и поверхностный слой металла превращается в химическое соединение. Продукты электролиза переходят в раствор или удаляются механическим способом. Производительность электрохимической обработки зависит от электрохимических свойств электролита, обрабатываемого токопроводящего материала и плотности тока.

Электрохимическое полирование

Осуществляется в ванне, заполненной электролитом. В зависимости от материала обрабатываемой заготовки электролитом служат растворы кислот или щелочей. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, вторым электродом - катодом - служит металлическая пластинка из свинца, меди, стали. Для интенсификации процесса обработки электролит подогревают до 40-80? С. при подаче напряжения на электроды начинается растворение материала заготовки.

Электрохимическое полирование улучшает физико - механические характеристики деталей, т.к. уменьшаются размеры микротрещин. Обработанные поверхности не имеют деформированного поверхностного слоя, отсутствуют наклеп и термические изменения структуры, повышается коррозионная стойкость.

Электрохимическая размерная обработка

Ее особенностью является то, что она происходит в струе электролита, прокачиваемого под давлением через межэлектродный промежуток, образуемый обрабатываемой заготовкой (анод) и инструментом (катод). Струя электролита (рис. 5.3) непрерывно подаваемого в межэлектродный промежуток, растворяет образующиеся на аноде - заготовке продукты анодного растворения и удаляет их из зоны обработки. Участки заготовки, не требующие обработки, изолируют. Инструменту придают форму, обратную форме обрабатываемой поверхности.

4.6 Электроабразивная и электроалмазная обработка

Особенность данной обработки состоит в том, что инструментом - электродом является шлифовальный круг, выполненный из абразивного материала на электропроводящей связке. Между анодом - заготовкой и катодом - шлифовальным кругом имеется межэлектродный зазор вследствие наличия зерен, выступающих из связки. В зазор подается электролит. Продукты анодного растворения материала заготовки удаляются абразивными зернами, для чего шлифовальный круг имеет вращательное движение, а заготовка - движение подачи.

4.7 Электрохимическое хонингование

Кинематика процесса идентична кинематике хонингования абразивными головками. Различие состоит в том, что обрабатываемую заготовку устанавливают в ванну, заполненную электролитом, и подключают к аноду, а хонинговальную головку - к катоду. Вместо абразивных брусков в головке установлены деревянные или пластмассовые бруски.

Производительность этой обработки в 4-5 раз выше, чем производительность механической обработки.

4.8 Анодно-механическая обработка

Эта обработка основана на сочетании электрохимических и электромеханических процессов. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент - к катоду. В зависимости от харатера обработки и вида обрабатываемой поверхности в качестве инструмента используют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку. Заготовка и инструмент совершают такие же движения, как при обычных методах обработки резанием (рис. 5.4). Электролит подают в зону обработки через сопло. При пропускании через раствор электролита постоянного тока происходит анодное растворение, характерное для электрохимической обработки. При соприкосновении инструмента - катода с микро неровностями обрабатываемой поверхности заготовки - анода происходит электроэрозия, характерная для электроискровой обработки. Продукты электроэрозии и анодного распада удаляются из зоны обработки при относительных движениях инструмента и заготовки.

4.9 Ультразвуковая обработка

Ультразвуковая обработка материалов является разновидностью механической обработки. Она основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под действием инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Инструмент получает колебания от ультразвукового преобразователя с сердечником из магнитострикционного материала. В сердечнике при наличии электромагнитного поля домены разворачиваются в направлении магнитных силовых линий, что вызывает изменение размера поперечного сечения сердечника и его длины. В переменном магнитном поле частота изменения длины сердечника равна частоте колебаний тока. Для увеличения амплитуды колебаний на сердечнике закрепляют резонансный волновод переменного поперечного сечения, что увеличивает амплитуду колебаний до 10-60 мкм. На волноводе закрепляют рабочий инструмент - пуансон. Под пуансоном устанавливают заготовку и в зону обработки поливом или под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала. Инструмент поджимают к заготовке с силой 1-60н (рис. 5.5).

На стенке (рис. 5.6) заготовку 3 помещают в ванну 1 под инструментом - пуансоном 4. Инструмент установлен на волноводе 5, который закреплен в магнитострикционном сердечнике 7, смонтированном в кожухе 6, сквозь который прокачивают воду для охлаждения сердечника.