Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Назначение, сущность и виды термической обработки металлов и сплавов. Технология и назначение закалки и отпуска стали

Термическая обработка металлов и сплавов, используемая в любительской практике, подразделяется на отжиг, закалку и отпуск.

Отжиг стальной детали производят для уменьшения ее твердости, что необходимо для облегчения механической, в том числе пластической, обработки. Отжиг целесообразен в тех случаях, когда необходимо изготовить какой-либо инструмент, используя металл другого, закаленного ранее инструмента.

Полный отжиг происходит при нагревании детали или заготовки до 900°С, выдержке при этой температуре для прогрева детали по всему объему, а затем медленном охлаждении до комнатной температуры.

Температуру раскаленной детали можно определить по свечению материала, как показано в таблице.

Цвета каления	Температура. °С	Цвета каления	Температура. °С
Ярко-белый	1250--1300	Вишнево красный	770--800
Светло-желтый	1150--1250	Темно-вишнево-красный	730--770
Темно-желтый	1050--1150	Темно-красный	650--730
Оранжевый	900--1050	Коричнево красный	580--650
Светло-красный	830--900	Темно-коричневый	550--580
Светло-вишнево-красный	800--830

Закалка дает стальной детали большую твердость и износостойкость. Деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, необходимое для прогрева всего объема материала, а затем быстро охлаждают. Обычно детали конструкционных сталей нагревают до 880-900 °С, из инструментальных -- до 750-760°С, из нержавеющей стали до 1050-1100°С. Для охлаждения применяют раствор поваренной соли или масло. При охлаждении в масле на поверхности стали образуется плотная пленка оксидов, которая является хорошим антикоррозийным покрытием.

При закалке мелких деталей можно легко перекалить их. Во избежание этого пользуются оправдавшим себя способом: раскаляют плоскую крупную болванку, на которую кладут мелкую деталь. Температуру закаливаемой детали определяют по цвету свечения болванки.

Необходимо, чтобы в процессе охлаждения детали температура жидкости оставалась почти неизменной, поэтому масса жидкости должна быть в 30-50 раз большей массы закаливаемой детали. Для интенсивного охлаждения деталь следует перемещать во всех направлениях Тонкие широкие детали нельзя погружать в жидкость плашмя, так как при этом деталь будет коробиться.

Отпуск закаленных деталей позволяет снизить их хрупкость до допустимых пределов, сохранив при этом твердость, приобретенную сталью в результате закалки.

Температуру разогрева стальной закаленной детали при отпуске можно определить по изменению цвета оксидной пленки (см. таблицу).

Цвета побежалости	Температура. °С	Цвета побежалости	Температура °С
Серый	330	Коричнево красный	265
Светло-синий	314	Коричнево желтый	255
Васильковый	295	Темно-желтый	240
Фиолетовый	285	Светло-желтый	220
Пурпурно красный	275

Ниже приведены рекомендуемые температуры отпуска для некоторых инструментов и деталей (в градусах Цельсия):

Резцы из углеродистых сталей	180--200
Молотки, штампы, метчики, плашки, малые сверла	200--225
Пробойники, чертилки, сверла для мягкой стали	225--250
Сверла и метчики для меди и алюминия, зубила для стали и чугуна	250--280
Инструмент для обработки древесины	280--300
Пружины	315--330

Дюралюминиевые детали при закалке нагревают до 360-400 °8, выдерживают некоторое время при этой температуре, а затем погружают и воду комнатной температуры и оставляют до полного охлаждения. После этого дюралюминий становится мягким и пластичным, легко гнется и куется. Повышенную же твердость он приобретает спустя 3-4 дня: твердость и хрупкость его увеличиваются настолько, что он не выдерживает изгиба даже на небольшой угол. При отжиге деталь разогревают до 360 °С, выдерживают некоторое время, после чего охлаждают на воздухе. Для отпуска деталь слегка нагревают и натирают хозяйственным мылом. Затем продолжают нагревать до тех пор, пока слой мыла не почернеет, после чего дают остыть па воздухе. (Почернение происходит при температуре отпуска).

Приближенно температуру нагрева дюралюминиевой детали можно определить следующим образом. При температуре 350-360°С конец спички, свободный от серы, которым проводят по раскаленной поверхности детали, обугливается и оставляет темный след. Достаточно точно температуру можно определить с помощью небольшого (со спичечную головку) кусочка медной фольги, который кладут на поверхность разогреваемой детали. При температуре 400 °С над фольгой появляется зеленоватое пламя.

Закалка предварительно разогретой детали из меди происходит при медленном остывании на воздухе. Для отжига разогретую деталь быстро охлаждают в воде. При отжиге медь нагревают до красного каления (600°С), при закалке -- до 400°С, определяя температуру также с помощью кусочка медной фольги.

Для того чтобы латунь стала мягкой, легко гнулась, ковалась и хорошо вытягивалась, ее отжигают путем нагрева до 500 °С и медленного охлаждения на воздухе при комнатной температуре.

Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения прочности и твердости, получения высокой пластичности, вязкости и высокой износостойкости, а инструментальные - для повышения твердости и износостойкости.

Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, так как приводит к росту зерна, что снижает прочность и сопротивление хрупкому разрушению. Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи - 1,5.2 мин.; в пламенной печи - 1 мин.; в соляной ванне - 0,5 мин.; в свинцовой ванне - 0,1.0,15 мин.
По температуре нагрева различают виды закалки: - полная, с температурой нагрева на 30…50 ^oС выше критической температуры А3 . Применяют ее для доэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме: . Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме: - неполная с температурой нагрева на 30.50 oС выше критической температуры А1
Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме: . После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента. После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита. Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу - сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму. Охлаждение при закалке.

Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали. Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию. Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, называются напряжениями I рода.

Они ответственны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Причинами возникновения напряжений являются: различие температуры по сечению изделия при охлаждении; разновременное протекание фазовых превращений в разных участках изделия. Для предупреждения образования трещин необходимо избегать растягивающих напряжений в поверхностных слоях изделия.

На характер распределения напряжений при закалке, помимо режима охлаждения, оказывает влияние и температура нагрева под закалку. Перегрев содействует образованию закалочных трещин, увеличивает деформации. Режим охлаждения должен также обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.

Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А1 - MН, для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, и минимальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения MН - MК, с целью снижения остаточных напряжений и возможности образования трещин.

Очень медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества аустенита остаточного, а следовательно к снижению твердости. В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду при различных температурах, технические масла, растворы солей и щелочей, расплавленные металлы. Вода имеет существенный недостаток: высокая скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов.

С повышением температуры воды ухудшается ее закалочная способность. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8.12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH. Они мгновенно разрушают паровую рубашку и охлаждение происходит более равномерно и на стадии пузырькового кипения. Увеличения охлаждающей способности достигают при использовании струйного или душевого охлаждения, например, при поверхностной закалке.

Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное). Обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения и постоянство закаливающей способности. Недостатками минеральных масел являются повышенная воспламеняемость, низкая охлаждающая способность в интервале температур перлитного превращения, высокая стоимость. При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость - способность стали приобретать высокую твердость при закалке. Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее 0,20 % не закаливаются. Прокаливаемость - способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость. Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость. Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр. Критический диаметр - максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибден и бор, кобальт - наоборот). Способы закалки В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы охлаждения. Режимы закалки:

1. Закалка в одном охладителе (V1). Нагретую до нужной температуры деталь переносят в охладитель и полностью охлаждают. В качестве охлаждающей среды используют:

воду - для крупных изделий из углеродистых сталей; масло - для небольших деталей простой формы из углеродистых сталей и изделий из легированных сталей. Основной недостаток - значительные закалочные напряжения.

2. Закалка в двух сферах или прерывистая (V2). Нагретое изделие предварительно охлаждают в более резком охладителе (вода) до температуры ~ 3000C и затем переносят в более мягкий охладитель (масло). Прерывистая закалка обеспечивает максимальное приближение к оптимальному режиму охлаждения. Применяется в основном для закалки инструментов. Недостаток: сложность определения момента переноса изделия из одной среды в другую.

3. Ступенчатая закалка (V3). Нагретое до требуемой температуры изделие помещают в охлаждающую среду, температура которой на 30 - 50oС выше точки МН и выдерживают в течении времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению. Время изотермической выдержки не превышает периода устойчивости аустенита при заданной температуре. В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли или металлы. После изотермической выдержки деталь охлаждают с невысокой скоростью. Способ используется для мелких и средних изделий.

4. Изотермическая закалка (V4). Отличается от ступенчатой закалки продолжительностью выдержки при температуре выше МН, в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка обеспечивает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит. При промежуточном превращении легированных сталей кроме бейнита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Образовавшаяся структура характеризуется сочетанием высокой прочности, пластичности и вязкости. Вместе с этим снижается деформация из-за закалочных напряжений, уменьшаются и фазовые напряжения. В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли и щелочи.

Применяются для легированных сталей.

5. Закалка с самоотпуском. Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду и выдерживают до неполного охлаждения. После извлечения изделия, его поверхностные слои повторно нагреваются за счет внутренней теплоты до требуемой температуры, то есть осуществляется самоотпуск. Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: мототки, зубила). Отпуск Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей. С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали. Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Тн = 150.300 oС. В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру - мартенсит отпуска. Проводят для инструментальных сталей; после закалки токами высокой частоты; после цементации.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Тн = 300.450 oС. Получают структуру - троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40.45 HRC c хорошей упругостью и вязкостью. Используется для изделий типа пружин, рессор. 3. Высокий отпуск с температурой нагрева Тн = 450.650 oС.. Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) - сорбит отпуска. Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки. Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Отпускная хрупкость Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости.

Этот дефект называется отпускной хрупкостью. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300oС. Она не зависит от скорости охлаждения. Это явление связано с неравномерностью превращения опущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. У границ наблюдается концентрация напряжений, поэтому границы хрупкие.

Отпускная хрупкость I рода "необратима", то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается. Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450.650 oС. При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна.

Приграничные зоны обогащаются фосфором, снижаются прочность и ударная вязкость. Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор. Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска. Отпускная хрупкость II рода "обратима", то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться. Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650oС без последующего быстрого охлаждения.

2. Назначение, сущность и способы сварки, ее значение в машиностроении. Технология получения сварных соединений ультразвуковой сваркой и сваркой трением

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов, их сплавов и других материалов. Это один из широко используемых процессов для создания новых и ремонта эксплуатируемых машин.

По форме используемой энергии существует несколько видов сварки:

· Термическая сварка (дуговая, плазменная, электрошлаковая, газовая и др.) проводится плавлением при воздействии тепловой энергии.

· Термомеханическая сварка (контактная, диффузионная и др.) осуществляется с использованием тепловой энергии и давления.

· Механическая сварка (холодная, ультразвуковая, трением и др.) характеризуется приложением механической энергии и давления.

Проводят ручную, полуавтоматическую или автоматическую сварку.

Главная задача сварки - получение прочного сварного соединения. Прочность обеспечивается атомно-молекулярными связями между элементарными частицами соединяемых элементов. Взаимодействие наступает при сближении их на расстояния, примерно равные атомному радиусу. Поверхность металлов имеет неровности, она покрыта загрязнениями, состоящими из оксидов, адсорбированных газов и органических пленок (масел). Чтобы обеспечить процесс сварки, необходимо активизировать поверхностные атомы металла, выровнять поверхность или осуществить плотный контакт и удалить из зоны сварки оксиды и органические пленки. Поэтому возникновение межатомного или межмолекулярного взаимодействия происходит при затратах механической или тепловой энергии.

Процесс сварки состоит из трех условных этапов:

- формирование физического контакта;

- образование химических или металлических связей;

- создание прочного сварного соединения.

При термической сварке на первом этапе металл в месте сварки доводится до жидкого состояния. Для локального расплавления участка металла, с которым соседствуют большие объемы холодного металла, необходимы тепловые источники с температурой не ниже 3000 °С и высокой мощностью. За счет расплавления металла устраняются неровности и загрязнения соединяемых поверхностей. Этап заканчивается формированием физического контакта, при котором атомы находятся на расстояниях, необходимых для начала межатомного взаимодействия.

Второй этап характеризуется образованием сварочной ванны, в которую сливается расплавленный металл. В ней он находится в состоянии движения и перемешивания. Создаются условия для смачивания твердого нерастворенного металла соединяемых элементов жидким металлом сварочной ванны. Происходит сцепление атомов металла сварочной ванны и основного металла, приводящее к образованию прочных химических связей. Усилению межатомного взаимодействия способствует тепловая активность атомов расплавленного металла, сопровождаемая процессом диффузии.

Третий этап наступает после удаления источника нагрева, происходит охлаждение жидкого металла и его кристаллизация. Начало кристаллизации наблюдается у частично оплавленных зерен основного металла: возникают кристаллиты, общие для основного металла и металла сварочной ванны. По окончании кристаллизации образуется монолитный шов, способствующий созданию прочных сварных соединений.

При механической сварке на первом этапе сближения соединяемых поверхностей увеличивают площадь контакта. С этой целью под нагрузкой деформируют неровности поверхностей, разрушают и удаляют оксидные и органические пленки. Достигается физический контакт, при котором в непосредственное соприкосновение вступают ювенильные (чистые) поверхности.

Контактирование ювенильных поверхностей приводит к межатомному взаимодействию свариваемых тел, при котором образуются металлические связи, -- такова сущность второго этапа. Эти связи являются результатом взаимодействия расположенных в узлах кристаллической решетки ионов и обобществленных валентных электронов.

Третий этап охватывает диффузионные процессы, способствующие перемещениям частиц металла из места контакта на некоторые расстояния.

Современная тенденция повышения уровня комплексной автоматизации и механизации сварочного производства, применение современных робототехнических устройств приводят к повышению производительности труда и получению высокого качества сварных соединений.

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка, характеризуется, использованием магнитострикционного эффекта, состоящего в изменении размеров некоторых материалов под действием переменного магнитного поля.

Свариваемые заготовки размещены на опорном электроде, который поджимает заготовки к наконечнику волновода. Волновод присоединен к магнитострикционному вибратору с катушкой. Переменный ток высокой частоты, проходя по обмотке катушки, возбуждает в ней переменное магнитное поле, которое, воздействуя на стержень катушки, сообщает стержню механические колебания сжатия и расширения.

Изменения размера магнитостриктора малы: на торце они составляют ? 1…3 мкм. В целях увеличения амплитуды колебаний применен волновод сложной формы, на конце которого амплитуда колебаний достигает десятков мкм (?₁). Частота механических колебаний равна 20…30 кГц. Эти колебания вызывают силы трения в месте сварки; осуществляют нагрев тонких слоев металла; разрушают поверхностные пленки и пластически деформируют эти слои. Так создаются условия сближения свариваемых материалов на расстоянии взаимодействия межатомных сил, что приводит к получению прочных сварных соединений.

Мощные ультразвуковые колебания находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В настоящее время в промышленности используются ультразвуковая очистка и обезжиривание различных изделий. Ультразвук применяется для получения высокодисперсных эмульсий, диспергирования твердых тел в жидкости, коагуляции аэрозолей и гидрозолей, дегазации жидкостей и расплавов. Установлено влияние мощных ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства кристаллизующегося расплава.

Ультразвуковые колебания позволяют снимать остаточные напряжения в сварных швах, полученных при дуговой сварке. Обнаружено весьма эффективное воздействие ультразвука на интенсивность полимеризации клеев. Широко внедрена в промышленность обработка твердых и сверхтвердых материалов.

Одним из интересных и перспективных промышленных применений ультразвука является ультразвуковая сварка (УЗС). Этот способ сварки характеризуется весьма ценными технологическими свойствами: возможностью соединения металлов без снятия поверхностных пленок и расплавления, особенно хорошей свариваемостью чистого и сверхчистого алюминия, меди, серебра; возможностью соединения тончайших металлических фольг со стеклом и керамикой.

Ультразвуком сваривается большая половина известных термопластичных полимеров. Ультразвуковая сварка пластмасс тем более ценна, что для ряда полимеров она является единственно возможным надежным способом соединения. Полистирол -- один из наиболее распространенных полимеров для изготовления различных изделий крупносерийного производства -- наиболее рационально сваривать ультразвуком.

Особое внимание исследователей привлекла возможность внедрения УЗС при производстве изделий микроэлектроники.

Установлено, что посредством УЗС можно получать соединения, удовлетворяющие самым высоким требованиям. В частности, некоторые авторы, исследуя этот вопрос, пришли к выводу, что по статической и динамической прочности сварные соединения удовлетворяют требованиям стандарта в авиастроении. Более 90% образцов при испытании на срез показали более высокие прочностные данные, чем это требуется по существующим нормам.

Наиболее показательным в этом отношении являются многочисленные примеры успешного внедрения УЗС в промышленность.

При разработке механических колебательных систем и технологии сварки ряда изделий до их промышленного освоения производилась сварка однородных, разнородных и разнотолщинных металлов. Вероятность получения разброса прочности сварных соединений подсчитывалась как математическими методами, так и экспериментально. При экспериментальных работах, особенно в заводских условиях, число контролируемых сварных соединений доводилось до 30 тыс. В лабораторных условиях, как правило, при сварке более 100 образцов практиковалось получение контрольных значений прочности соединений (по трем образцам), например через 100, 200 или 500 сварных точек.

Гистограмма прочности сварных соединений при испытании на срез наглядно характеризует устойчивость процесса сварки (рис. 6). Подавляющее большинство образцов (более 95%) имеет разброс в прочности 5--10% от среднего значения разрушающей нагрузки Рср.

Была также проведена оценка вероятности ожидаемых отклонений механической прочности сварных соединений от среднего значения Рср при сварке партий образцов. Установлено, что отклонение от среднего значения Рср не будет больше ±25% с вероятностью 0,99905.

Аналогичные результаты по механической прочности сварных соединений получены и при шовной УЗС. Результаты испытания алюминия b=0,2+0,2 мм (режим сварки: Рев ⁼ 50 кГ, v = 3 м/мин) показывают, что коэффициент вариации находится в пределах 5--10%.

Из приведенных данных следует, что процесс ультразвуковой сварки в настоящее время практически освоен. Стабильная работа колебательных систем дает разброс в прочности сварных соединений не более, чем это наблюдается при использовании контактной сварки. При этом следует заметить, что УЗС позволяет получить надежные сварные соединения разнотолщинного алюминия без предварительного снятия окисных пленок, электротехнической меди и других металлов, где использование контактной сварки практически затруднено.

Сварка трением

Осуществляется в твердом состоянии при использовании теплоты, являющейся результатом трения поверхностей свариваемых элементов. Сначала при вращении за счет трения происходит разрушение различных включений и пленок, покрывающих поверхности. Одновременно с процессом разрушения происходит преобразование механической энергии в тепловую.

Локализованный разогрев метала при этом до температур 950…1300 °С способствует удалению в радиальном направлении за счет пластической деформации трущихся поверхностей разрушенных включений и пленок, разогрев способствует также высокому качеству сварных соединений.

При достижении заданной температуры относительное движение свариваемых элементов прекращается практически мгновенно. Затем к нагретым, но неподвижным деталям на некоторое время прикладывают сжимающее усилие.

В сравнении с электрической при контактной сварке расход энергии и мощность установок уменьшаются в 5…10 раз. Для сварки трением выпускают специальные машины.

Применяется сварка трением для соединения однородных и разнородных металлов, для изготовления режущего инструмента, валов, штоков с поршнями и других деталей машин.

3. Назначение и сущность обработки металлов и сплавов резанием, ее значение в машиностроении. Обработка заготовок на токарных станках

При обработке резанием на металлорежущих станках за счет срезания инструментом слоя металла с заготовки добиваются заданной чертежом геометрической формы; точности размеров; точности взаиморасположения и шероховатости поверхностей детали. На заготовке различают обработанную и обрабатываемую поверхности, а также поверхность резания.

Способы обработки резанием:

· точение

· сверление

· фрезерование

· протягивание

· шлифование

· и другие, менее распространенные.

Механическая обработка металлов резанием сопровождается значительными отходами металла в стружку.

Установлено, что при обработки резанием поковок, полученных на штамповочных молотах, КИМ составляет в среднем 0,66, а полученных на кривошипных горячештамповочных прессах - 0,70. Если учесть к тому же потери металла при изготовлении поковок, то общий коэффициент использования металла составит в среднем 0,42…0,70.

Механизмы металлорежущих станков задают рабочие, установочные и вспомогательные движения. Первая группа движений обеспечивает срезание слоя металла или вызывает изменение состояния обработанной поверхности заготовки. К ним относятся: главное движение резания D_r - прямолинейное поступательное или вращательное движение заготовки или режущего инструмента, происходящее с наибольшей скоростью v в процессе резания; движение подачи D_s - прямолинейное поступательное или вращательное движение режущего инструмента или заготовки, скорость которого v_s меньше скорости главного движения резания, предназначенное для того, чтобы распространять отделение слоя материала на всю обрабатываемую поверхность; касательное движение D_k - прямолинейное поступательное или вращательное движение режущего инструмента, скорость которого v_k меньше скорости главного движения резания и направлена по касательной к режущей кромке, предназначенное для того чтобы сменять контактирующие с заготовкой участки режущей кромки ; результирующее движение резания De - суммарное движение режущего инструмента относительно заготовки, включающее главное движение резания, движение подачи и касательное движение.

Для обеспечения взаимного расположения инструмента и заготовки для срезания с нее слоя металла используются установочные движения. Вспомогательные движения необходимы, например, для транспортирования и закрепления заготовки.

Движения резания металлорежущих станков направлены на формообразование поверхностей. Достигается это согласованием скоростей движений заготовки и инструмента, как бы воспроизводящих образующую и направляющую линии, совокупность последовательных положений (следов) которых и предопределяет геометрическую поверхность.

Метод следов характеризуется использованием для формообразования обоих движений резания. Образующей линией является траектория движения точки (вершины) резца, а траектория движения точки заготовки - направляющей линией.

При методе касания функции формообразующего выполняет движение подачи. Образующей линией является режущее лезвие инструмента, а направляющей линией - касательная к геометрическим вспомогательным линиям, представляющим траектории движения точек режущего инструмента.

При методе копирования служит формообразованию. Образующей линией является режущая кромка инструмента, направляющая линия воспроизводится вращением заготовки.

Согласование двух движений подачи при методе обкатки (огибания) дает возможность получить образующую линию как огибающую кривую к последовательным положениям режущей кромки инструмента. Направляющая линия воспроизводится вращением заготовки.

Обработка заготовок на токарных станках

Обработка на станках токарной группы заготовок, имеющих форму тел вращения, получила широкое распространение. При точении (обтачивании) совершается два движения резания: Вращательное движение заготовки (главное движение) и поступательное движение режущего инструмента - резца (движение подачи).

На станках токарной группы помимо обтачивания наружных цилиндрических, конических фасонных поверхностей выполняются следующие операции: растачивание цилиндрических и конических отверстий, подрезание торцовых поверхностей, нарезание наружной и внутренней резьбы, разрезание, обкатывание роликами и шарами, алмазное выглаживание. Кроме того, на этих станках можно сверлить, зенкеровать, развертывать отверстия, а при установке специальных механизмов проводить и другие обработки.

На токарных станках проводится обдирочная, черновая, получистовая и чистовая обработки, а также тонкая обработка различными резцами.

По способу совершения рабочих циклов станки делятся на универсальные, полуавтоматические и автоматические.

На универсальном станке рабочий-оператор составляет порядок обработки заготовки и изготовляет деталь. Программой обработки для него является технологический процесс. Ручное управление станком позволяет корректировать непосредственную программу.

Станок, работающий в автоматическом режиме, оснащен системой управления, которая заставляет его выполнять определенную программу без вмешательства человека. Автомат нуждается лишь в контроле и наладке. Полуавтоматом называют машину, работающую с автоматическим циклом для повторения которого требуется вмешательство рабочего. Неавтоматизированными операциями являются, как правило загрузка и съем обработанных изделий.

Одним из определяющих признаков классификации современных автоматов и полуавтоматов считается тип системы управления. Существуют станки с механической системой управления, когда в качестве программоносителя выступает распределительный вал с кулачками, число которых соответствует числу управляемых механизмов. Следующая категория автоматов и полуавтоматов - это станки с электро-, гидро- или фотокопировальными устройствами. Вместо кулачков программоносителями здесь являются копиры, профиль которых полностью соответствует профилю обрабатываемых деталей. Многие автоматы и полуавтоматы используют систему управления по упорам. При этом передача и преобразование сигналов от упоров осуществляется либо электрической схемой управления станком, либо с помощью ЭВМ. В последнем случае упоры выполняют функции путевых датчиков.

Технология обработки точением:

На перовом этапе проводят анализ исходных данных. Изучается рабочий чертеж детали: размеры и допуски на них, допускаемые погрешности формы, требуемая шероховатость обработанной поверхности. Выясняются условия эксплуатации детали и программа ее выпуска. Рассматривается также технологичность детали. Детали, получаемые обработкой на станках токарной группы, должны содержать поверхности, имеющие преимущественно форму тел вращения, и быть уравновешенными относительно оси вращения. Желательно в конструкциях использовать жесткие детали, размеры их должны быть унифицированными, а формы - наиболее простыми. Доступ режущего инструмента к отдельным поверхностям заготовки при обработке должен быть легким и т.д.

Затем выбирается тип производства в зависимости от программы и такта выпуска деталей. На линии непрерывно-поточного производства обработанные заготовки выпускаются через строго определенный промежуток времени, называемый тактом выпуска. С тактом выпуска сверяют длительность основных операций. Если значения их близки, то устанавливается массовое производство. Когда такт намного больше длительности операций, то детали изготавливают по принципу серийного производства с обработкой их партиями. Тип производства определяет выбор моделей оборудования, разработку средств механизации и автоматизации, выбор исходной заготовки и т.д.

На выбор заготовки и метода ее изготовления оказывают влияние материал и его физико-механические свойства; структурное состояние; состояние поверхности; обрабатываемость резанием и др.

На начальной стадии разработки технологического процесса составляют перечень технологических переходов. Каждому методу обработки соответствуют достижимые точность получаемого размера и шероховатость поверхности, поэтому окончательная обработка поверхности подсказывается рабочим чертежом детали.

Рассмотрим краткую характеристику методов обтачивания. На станках токарной группы проводят обдирочную обработку с целью уменьшения пространственных отклонений и погрешностей формы поковок и отливок, достигается точность по 16…17-му квалитетам. После черновой обработки точением точность заготовок соответствует 12…16-му квалитетам, шероховатость поверхности Ra = 100…25 мкм. Получистовое точение необходимо, когда на черновой обработке не снимается весь припуск или к заготовке предъявляются повышенные требования по точности. Оно обеспечивает точность по 11…13-му квалитетам, Ra = 50…12,5 мкм. Чистовую обработку проводят как окончательную или промежуточную под последующую отделку с целью достижения 10…11-го квалитетов точности и шероховатости Ra = 12,5…0,63 мкм. Тонкая обработка резцами рассматривается подчас как окончательная, заменяющая шлифование. Тонкое точение обычными резцами приводит к точности по 6…7-му квалитетам и шероховатости Ra = 1,25…0,32 мкм, алмазными резцами - 5-му квалитету, Ra = 0,04…0,016 мкм.

При назначении состава переходов и разработке технологического маршрута используют справочные данные по производительности и точности различных методов обработки.

После этого приступают к расчету или выбору по справочным данным припуска под обработку, который обеспечил бы получение заданных точности и качества поверхности детали.

Проектирование технологических операций является основным этапом разработки технологического процесса, при этом выполняются следующие работы: выбирают структуру построения операции механической обработки; уточняют содержание технологических переходов в операции; выбирают модель станка; выбирают технологическую оснастку; рассчитывают режимы обработки; рассчитывают нормы времени; определяют разряд работы; обосновывают эффективность выполнения операции.

При расчетах, как правило пользуются стандартами, каталогами, справочниками, но обязательно учитываются реальные возможности производства.

Расчет режимов обработки проводится в общепринятой последовательности.

Глубину резания при черновом точении выбирают равной 2…8 мм с ориентацией в основном на силовые и прочностные факторы, а при чистовом точении - 0,2…1,5 мм с учетом шероховатости поверхности, получаемой после обработки.

Подача выбирается по справочникам и корректируется по паспортным данным станка, т.е. берется ближайшая меньшая величина из ступенчатого ряда подач.

Скорость резания определяется расчетным путем с учетом стойкости инструмента; корректировка скорости резания проводится по паспорту станка.

металл сплав закалка отпуск

4. Решить задачи:

а) По размеру вала (d = 53_+0,05) и отверстия (D = 53^+0,25) на чертеже и действительным размерам (d_r = 53,23 мм; 53,12 мм; 53,00 мм; D_r = 53,32 мм; 53,12 мм; 52,98 мм) определить годность изготовленных деталей или вид брака (исправимый или неисправимый).

Решение

Размеры вала на чертеже (d): 53_+0,05 мм

Действительные размеры вала: 53,23 мм; 53,12 мм; 53,00 мм.

Размер отверстия на чертеже (D): 53_+0,25 мм

Действительные размеры отверстия: 53,32 мм; 53,12 мм; 52,98мм.

Определим предельные размеры вала и отверстия:

d¹нб = 53 + 0,15 = 53,15 D¹нб = 53 + 0,25 = 53,25

d¹нм = 53 + 0,05 = 53,05 D¹нм = 53 + 0 = 53

Сравнением действительных размеров с предельными определяется годность детали или вид брака

Действительный размер, мм	d- обозначение размеров, мм	Действительный размер,мм	D - обозначение размеров,мм
	53+0,05		53+0,25
	Заключение о годности
53,23	брак исправим	53,32	брак исправим
53,12	годен	53,12	годен
53,00	брак не исправим	52,98	годен

б) По указанным на чертеже размерам вала (d = 97_+0,023) и отверстия (D = 97^+0,035) определить наибольший и наименьший зазор (или натяг), определить систему полей допусков и дать графическое изображение (схему) посадки (с зазором, с натягом или переходной) в данной системе, определить допуск для отверстия и вала, а также квалитет их обработки.

Решение

Исходные данные: 97_+0,023 (для вала) ; 97^+0,035 (для отверстия)

Определяем наибольший и наименьший зазоры:

Sнб = ES - ei = 0,035 - (+ 0,023) = 0,012 мм

Sнм = EI - es = 0 - (+ 0,045) = -0,045 мм

Определяем допуски и отверстия вала:

TD = ES - EI = 0,035 - 0 = 0,035 мм

Td = es - ei = 0,045 - (+ 0,023) = 0,022 мм

В табл. 1 по интервалу размера (св "80 до 120") и рассчитанным допускам

(TD = 35 мкм, Td = 22 мкм) определяется квалитет: для отверстия - 7, для вала - 6.

в) По указанным на чертеже размерам вала (d = 63d9) и отверстия (D = 148H11) определить значения предельных отклонений.

Решение

По табл. 2 на пересечении строки "св. 50 до 80" с колонкой d9 находим предельные отклонения для размера вала 63d9, мкм: верхнее отклонение -

(-100), нижнее - (-174). Следовательно, размер 63d9 соответствует размеру 63_-0,0174 (мм).

По табл. 3 на пересечении строки "св. 120 до 180" с колонкой H11 находим предельные отклонения для размера отверстия 148H11, мкм: верхнее отклонение - (+250), нижнее отклонение - 0. Следовательно, размер 148H11 соответствует размеру 148^+0,025 (мм).

г) По размеру соединения вычислить допуск вала и отверстия, квалитет их обработки, а также посадку и допуск посадки.

Решение

Определим допуск вала и отверстия:

TD = ES - EI = 0,100 - 0 = 0,100 мм

Td = es - ei = -0,100 - (- 0,162) = 0,062 мм

По табл. 1 находим квалитет обработки деталей: для вала - 9, отверстия - 10.

Допуск данного соединения - с зазором.

Вычисляем допуск посадки:

TS = TD - Td = 0,100 + 0,062 = 0,162 мм.

д) По размеру соединения определить характер соединения (группу посадки).

Решение

По табл. 2 находим отклонения вала, а по табл. 3 - отклонения отверстия.

Получается, что размеру соответствует запись 85_-0,054 - предпочтительная посадка.

Размещено на Allbest.ru