СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

И ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Министерство образования РФ Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Б. А. Калачевский, Б. И. Калмин, Б. Г. Колмаков, М. С. Корытов

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Учебное пособие

Омск Издательство СибАДИ

2003

УДК 621.7 ББК 34.5 С 56

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. А.П. Моргунов,

канд. техн. наук, доц В.Г. Грицай Работа одобрена методическим и редакционно-издательским советами академии

в качестве учебного пособия по дисциплине «Технология конструкционных материа-лов» для студентов механических специальностей вузов.

Современные методы формообразования и обработки заготовок деталей

машин: Учебное пособие для механических специальностей вузов / Б.А. Калачевский, Б.И. Калмин, Б.Г. Колмаков, М.С. Корытов. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. – 145 с.

Изложены современные и перспективные технологические методы формообра-

зования и обработки заготовок деталей машин из металлов и неметаллических мате-риалов литьем, давлением, сваркой, резанием, физико-химическими способами. Учеб-ное пособие может быть полезно для студентов механических специальностей вузов при изучении курса «Технология конструкционных материалов».

Табл. 1. Ил. 112. Библиогр.: 5 назв.

Б.А. Калачевский, Б.И. Калмин,

Б.Г. Колмаков, М.С. Корытов, 2003 ISBN 5 – 93204 – 128 – 5 Издательство СиБАДИ, 2003

3 ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................... 5 1. Основы литейного производства..........................................................

1.1. Теоретические основы производства отливок........................... 1.2. Формовочные материалы............................................................. 1.3. Литье в разовые песчаные формы............................................... 1.4. Кокильное литье............................................................................ 1.5. Центробежное литье...................................................................... 1.6. Литье под давлением..................................................................... 1.7. Литье по выплавляемым моделям............................................... 1.8. Литье в оболочковые формы....................................................... 1.9. Особенности изготовления отливок из различных сплавов.....

6 6 9

10 11 12 14 16 18 19

2. Основы обработки металлов давлением.............................................. 2.1. Сущность процессов обработки металлов давлением............... 2.2. Прокатка......................................................................................... 2.3. Прессование................................................................................... 2.4. Волочение...................................................................................... 2.5. Процессы свободной ковки и штамповки..................................

20 20 22 26 28 30

3. Основы сварочного производства........................................................ 3.1. Сущность процессов сварки. Классы сварки............................. 3.2. Ручная дуговая сварка стали........................................................ 3.3. Электроды для ручной дуговой сварки стали. Марки свароч-ной проволоки, типы и марки электродов......................................... 3.4. Дуговая сварка под флюсом......................................................... 3.5. Дуговая сварка в среде защитных газов..................................... 3.6. Газовая сварка............................................................................... 3.7. Контактная электрическая сварка............................................... 3.8. Специальные термические процессы в сварочном производстве.. 3.9. Пайка металлов.............................................................................. 3.10. Свариваемость сталей.................................................................

35 35 36

40 41 44 49 51 54 57 59

4. Лезвийная обработка заготовок деталей машин резанием................ 4.1. Общая характеристика лезвийной механической обработки резанием................................................................................................ 4.2. Точение........................................................................................... 4.3. Сверление....................................................................................... 4.4. Фрезерование................................................................................ 4.5. Протягивание................................................................................ 4.6. Строгание.......................................................................................

60

60 62 69 75 82 86

5. Абразивная и отделочная обработка заготовок деталей машин ре-занием..........................................................................................................

5.1. Общая характеристика абразивной механической обработки резанием................................................................................................

87

87

4 5.2. Шлифование.................................................................................. 5.3. Притирка........................................................................................ 5.4. Хонингование................................................................................ 5.5. Суперфиниширование.................................................................. 5.6. Полирование..................................................................................

90 96 98

100 101

6. Электрофизические и электрохимические методы обработки заго-товок деталей машин.................................................................................

6.1. Общая характеристика электрофизических и электрохимиче-ских методов обработки...................................................................... 6.2. Электроэрозионная обработка..................................................... 6.3. Электрохимическая обработка.................................................... 6.4. Химическая обработка................................................................. 6.5. Ультразвуковая обработка.......................................................... 6.6. Лучевые методы обработки........................................................ 6.7. Плазменная обработка................................................................. 6.8. Комбинированные физико-химические методы обработки....

102

102 104 109 112 116 118 121 122

7. Основы технологии производства изделий из неметаллических и композиционных материалов..................................................................

7.1. Общая характеристика неметаллических материалов.............. 7.2. Основы технологии производства изделий из пластмасс........ 7.3. Основы технологии производства изделий из резины............. 7.4. Основы технологии производства композиционных материа-лов..........................................................................................................

126 126 128 133

135

8. Автоматизация производства изделий................................................ 8.1. Основные направления автоматизации...................................... 8.2. Создание гибкого автоматизированного производства............

139 139 140

Заключение................................................................................................. 144 Библиографический список...................................................................... 144

5 ВВЕДЕНИЕ

Курс «Технология конструкционных материалов», по материалам

которого составлено данное учебное пособие, является основополагающей общеинженерной дисциплиной для специальностей механического профи-ля. Он также служит базой для изучения специальных технологических дисциплин. Цель дисциплины «Технология конструкционных материалов» – дать будущим специалистам знания по выбору и применению техноло-гических методов получения и обработки заготовок деталей машин, обес-печивающих высокое качество продукции, экономию материалов и высо-кую производительность труда. Основные задачи дисциплины – изучение технологии получения и обработки заготовок деталей машин, физических основ процессов, их технико-экономических характеристик, области при-менения и основ устройства, а также технологических и технико-экономических характеристик типового оборудования, инструмента и при-способлений.

Предметом курса «Технология конструкционных материалов» явля-ются современные рациональные и распространенные в промышленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин. Со-держание курса представлено на принципе единства основных, фундамен-тальных методов обработки конструкционных материалов: литья, обработ-ки давлением, сварки, обработки резанием и физико-химическими метода-ми. Эти методы в современной технологии конструкционных материалов характеризуются многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии, взаимопроникновении.

Детали машин и приборов чрезвычайно разнообразны, и для их изго-товления необходимы материалы с самыми различными свойствами. Свойства конструкционных материалов во многом определяют техноло-гию изготовления изделий из них.

Основными материалами, из которых изготовляются детали машин и приборов, были и остаются металлы, поскольку они в основном имеют бо-лее высокие прочностные свойства, чем неметаллические материалы, что обеспечивает повышенную надежность и долговечность изделий. Однако доля неметаллических материалов, применяемых в различных отраслях техники, постоянно возрастает. Некоторые свойства неметаллов, такие как низкая плотность при достаточной прочности, эластичность, химическая стойкость и другие, во многих случаях делают их незаменимыми.

Технически чистые металлы характеризуются сравнительно низкими прочностными свойствами, поэтому в машиностроении и приборостроении применяются главным образом их сплавы. Сплавы на основе железа Fe на-зывают черными, к ним относят стали и чугуны; на основе алюминия Al, магния Mg, титана Ti и бериллия Be, имеющие малую плотность, – легки-ми цветными; на основе меди Cu, свинца Pb, олова Sn и др. – тяжелыми

6 цветными; на основе цинка Zn, олова Sn, свинца Pb и других металлов – легкоплавкими цветными; на основе молибдена Mo, ниобия Nb, циркония Zr, вольфрама W, ванадия V и других металлов – тугоплавкими цветными.

Из неметаллических материалов в машиностроении и приборострое-нии наиболее широкое применение находят пластмассы и резины (органи-ческие материалы на основе полимеров).

Важным направлением научно-технического прогресса являются также создание и широкое использование новых конструкционных мате-риалов. В производстве все шире используют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, полимерные и другие мате-риалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Обработка этих материалов связана с решением серьезных технологических вопросов.

Особое место занимают среди конструкционных материалов и име-ют большие перспективы в применении композиционные материалы – ис-кусственно созданные материалы, состоящие из двух и более компонентов различного химического состава, объединенных в монолит. Свойства ком-позиционного материала, как правило, отличны от свойств его компонен-тов, взятых в отдельности (например, может быть значительно повышена прочность, жесткость композита). В качестве компонентов в композитах используются как металлы, так и неметаллы.

1. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Теоретические основы производства отливок Сущность литейного производства состоит в получении фасонных

металлических изделий (готовых деталей или заготовок, используемых для дальнейшей обработки) путем заливки расплавленного металла в специ-альную полость, называемую литейной формой.

Изделие, получаемое литьем, называется отливкой. Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или

больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидко-текучесть, усадка (линейная и объемная), склонность к образованию тре-щин, склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.

Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свойства-ми. Выбор сплава для тех или иных литых деталей является сложной зада-чей, поскольку все требования в реальном производстве учесть довольно трудно.

7 Литейные свойства сплавов

1. Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов течь в рас-плавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного ин-тервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т. д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной темпе-ратуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур.

Чем выше вязкость сплава, тем меньше его жидкотекучесть. 2. Усадка – свойство литейных сплавов уменьшать объем при за-

твердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадки, выражаемые в относительных единицах.

Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, спо-собная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды.

Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объемная усадка приблизи-тельно равна утроенной линейной усадке.

На усадку влияют химический состав сплава, температура его за-ливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и ли-тейной формы.

Усадку отливок уменьшает снижение температуры заливки расплав-ленного металла в форму. Увеличение скорости отвода теплоты от залито-го в форму сплава, напротив, приводит к возрастанию усадки отливки.

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение усадки. Механическое торможение возникает вследствие тре-ния между отливкой и формой. Термическое торможение обусловлено раз-личными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совместному воздействию механиче-ского и термического торможения.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористо-сти, трещин и короблений.

Усадочные раковины – сравнительно крупные полости, расположен-ные в местах отливки, затвердевающих последними, то есть в верхней час-ти отливки (рис. 1.1). Усадочные раковины образуются вследствие того, что усадка расплава при переходе из жидкого состояния в твердое превы-шает усадку корки (затвердевшей части отливки). Сосредоточенные уса-

8 дочные раковины характерны для отливок из чистых металлов, сплавов эв-тектического состава и сплавов с узким интервалом кристаллизации.

Усадочная пористость – это скопление множества небольших уса-дочных раковин по границам зерен металла. Пористость характерна для сплавов, образующих твердые растворы и затвердевающих в широком ин-тервале температур.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе кристалли-зации вплоть до полного затвердевания. Для этого устанавливают прибыли – дополнительные резервы с расплавленным металлом. Также предупре-дить образование усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных и внутренних холодильников, которые вырав-нивают скорость затвердевания в разных частях отливки.

3. Склонность к образованию тре-щин. В отливках в результате неравномер-ного затвердевания тонких и толстых час-тей и торможения усадки формой при ох-лаждении возникают внутренние напря-жения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или холодные тре-щины. Если литейный сплав имеет доста-

точную прочность и пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, то искажается геометрическая форма отливки (возникает коробление).

Для предупреждения образования больших напряжений и трещин необходимо в литой детали предусматривать равномерную толщину сте-нок, плавные переходы и устранять элементы, затрудняющие усадку спла-ва, а также использовать литейные формы и стержни повышенной подат-ливости.

4. Склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости – это способность литейных сплавов в расплавленном состоя-нии растворять кислород, водород, азот и другие газы.

В жидких металлах и сплавах растворимость газов с увеличением температуры повышается. При избыточном содержании газов они выде-ляются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут всплыть на по-верхность или остаться в отливке, образуя газовые раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие механические свойства и герметичность отливок.

Рис. 1.1. Усадочная раковина

9 Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку

следует вести под слоем флюса, в среде защитных газов с использованием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того, перед заливкой расплавленный металл необходимо подвергать дегазации вакуумировани-ем, продувкой инертными газами и другими способами, а также увеличи-вать газопроницаемость литейных форм и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать формы и т.д.

1.2. Формовочные материалы Для изготовления литейных форм и стержней применяют формовоч-

ные и стержневые смеси. К формовочным материалам относятся формовочные и стержневые

смеси, а также исходные материалы, применяемые при изготовлении этих смесей.

В состав формовочных и стержневых смесей входят следующие ос-новные компоненты:

1) Кварцевый песок, образованный на базе кремнезема SiO2. Он об-ладает высокой огнеупорностью (температура плавления 1713 0С), твердо-стью, прочностью и является основным компонентом любой формовочной или стержневой смеси.

Структура любой формо-вочной и стержневой смесей имеет примерный вид, изобра-женный на рис. 1.2.

2) Формовочная глина, обеспечивающая сырую проч-ность и пластичность смесей (на базе Al2O3).

Различают 2 вида формо-вочной глины: а) обычную формовочную глину (марки К – калолинитовую); б) бентонит – это глина вулканического про-исхождения, обладающая более высокой связующей способно-стью (приблизительно в 2 раза выше, чем у обычной формовочной глины).

3) Оборотная смесь (смесь б/у). Она добавляется в состав смесей только из экономических соображений.

4) Связующие вещества (крепители). Например, сульфитный щелок, жидкое стекло и др. Они обеспечивают хорошую прочность формы перед

Рис. 1.2. Структура формовочной

(стержневой) смеси

10 заливкой жидким металлом. После заливки эти вещества выгорают, обес-печивая податливость и газопроницаемость формы.

5) Спецдобавки. Они делятся на 2 группы: а) добавки для предот-вращения пригара; б) добавки, увеличивающие податливость и газопрони-цаемость форм и стержней.

К первой группе относятся каменноугольная пыль, графит, мазут. При их нагреве углерод окисляется. Выделяющиеся газы СО и СО2 обра-зуют прослойку между стенками формы и жидким металлом, препятствуя появлению пригара. Эти добавки применяют в основном для чугунного литья.

Для стального литья используют добавки, обладающие большей не-пригораемостью, чем кварцевый песок (например: маргалит – молотый кварц) – в основном в виде противопригарных красок.

В зависимости от назначения различают следующие виды смесей: а) стержневые (для изготовления стержней); б) формовочные (для из-

готовления форм).

1.3. Литье в разовые песчаные формы Это самый распространенный способ изготовления отливок. Литей-

ная форма (рис. 1.3) обычно состоит из нижней 1 и верхней 2 полуформ, которые изготовляют (формуют) в металлических опоках 4 – приспособле-ниях для удержания формовочной смеси.

Нижнюю и верхнюю полуформы взаимно ориентируют с помощью металлических штырей 3, которые вставляют в отверстия приливов у опок. Литниковая система 5 – это совокупность каналов и резервуаров, по кото-рым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы. I и II – литейные стержни.

Полость в литейной форме, которая соответствует конфигурации получаемой отливки, образуется вдавливанием в по-луформы деревянной модели, копирую-щей получаемую отливку, а также уста-новкой литейных стержней (I и II на рис. 1.3).

Форма при этом методе получения отливок заливается жидким металлом только один раз, после чего она разруша-ется.

Литье в разовые песчаные формы – это весьма технологичный и уни-версальный процесс изготовления отливок, но ему свойственны следую-щие недостатки:

Рис. 1.3. Эскиз литейной формы

11 – повышенный процент брака; – значительная шероховатость поверхности отливок; – низкая точность размеров отливок; – повышенные припуски на обработку резанием; – значительная запыленность производственных помещений. Указанные недостатки отсутствуют у специальных методов литья,

таких как литье в кокиль (кокильное литье), центробежное литье, литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и литье в оболочковые формы.

1.4. Кокильное литье Сущность метода: отливки получают путем свободной заливки жид-

кого металла в постоянную металлическую форму (кокиль). Особенности метода: интенсивность теплообмена между формой и остывающей отлив-

кой (в 3...5 раз выше, чем при остывании отливки в песчаной форме); форма неподатлива и негазопроницаема; стержни могут применяться как металлические, так и песчаные; перед заливкой формы жидким металлом на рабочую поверхность

кокиля наносится покрытие.

Рис. 1.4. Кокиль для отливки поршня с разъемным металлическим стержнем

12 Для получения сложной полости отливки используют разъемные ме-

таллические стержни, состоящие из нескольких частей. Например, внут-реннюю полость автомобильного поршня из алюминиевого сплава полу-чают металлическим стержнем, состоящим из трех частей: центрового стержня 2 и двух боковых 1 и 3 (рис. 1.4, а). После заливки кокиля сплавом и образования достаточно прочной корки в отливке извлекают центровой – клинообразный – стержень 2 (рис. 1.4, б), затем боковые 1 и 3, а потом стержни 4 и 5, с помощью которых в поршне получают отверстия.

Основные операции технологического процесса: – очистка рабочей поверхности кокиля от загрязнений и окислов; – подогрев кокиля перед окраской; – нанесение покрытия на кокиль; – подогрев кокиля перед заливкой; – установка стержней и сборка кокиля под заливку; – заливка кокиля; – охлаждение отливки; – удаление отливки из кокиля. Достоинства метода по сравнению с литьем в разовые песчаные

формы: 1. Повышение производительности труда (нет операции изготовле-

ния формы, так как форма постоянна). 2. Повышение качества отливок: а) высокая чистота поверхности от-

ливок; б) повышенная точность размеров; в) уменьшение припуска на об-работку резанием; г) улучшение санитарно-гигиенических условий труда (уменьшение запыленности помещения).

Недостатки метода: более высокая стоимость технологической оснастки (кокиль стоит

дороже, чем деревянная модель); трудность получения тонкостенных отливок (тоньше 3 мм), а также

отливок, сложных по конфигурации; так называемый «отбел» поверхности чугунных отливок (образует-

ся структура белого чугуна). Поэтому чугунные отливки подвергают спе-циальному отжигу (850...950 0С в течение 2...4 часов для уменьшения твер-дости);

ограниченная стойкость кокиля. Область применения кокильного литья. Получение отливок из стали,

чугуна и цветных сплавов, имеющих толщину стенок 3...100 мм.

1.5. Центробежное литье Это способ литья, при котором заполнение формы расплавом и кри-

сталлизация отливки происходят в поле действия центробежных сил.

13 Сплав заливают во вращающиеся формы. Металлические формы (излож-ницы) изготовляют из чугуна и стали.

Главные особенности метода Используются 3 основных варианта: 1) При горизонтальной оси вращения формы получают тела враще-

ния (полые цилиндры) большой длины (рис. 1.5, а). 2) При вертикальной оси вращения формы получают также тела вра-

щения большого диаметра, но небольшой длины (рис. 1.5, б). 3) Так называемое центрифугирование (литье на центрифуге) полу-

чают любые фасонные отливки при вертикальной оси вращения центрифу-ги.

Рис. 1.5. Схемы процессов изготовления отливок центробежным литьем

В машинах с горизонтальной осью вращения (см. рис. 1.5, а) рас-

плавленный металл из ковша 1 заливают по специальному желобу 2 во вращающуюся с частотой 200...1400 мин –1 форму 3. Попадая на внутрен-ние стенки формы, жидкий металл образует полую цилиндрическую от-ливку 4, которую после затвердевания извлекают из формы. На таких ма-шинах получают детали и заготовки типа труб, втулок, гильз.

При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вер-тикальной оси (см. рис. 1.5, б) расплавленный металл из разливочного ковша 4 заливают в литейную форму 2, укрепленную на шпинделе 1, кото-рый вращается от электродвигателя. Расплавленный металл центробежны-ми силами прижимается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания. После остановки формы отливка 3 извлекается. На этих машинах изготовляют кольца большого диаметра вы-сотой не более 500 мм.

Достоинства метода центробежного литья: – все преимущества, связанные с заменой песчаной формы на метал-

лическую;

14 – за счет центробежных сил происходит: а) измельчение зерна метал-

ла; б) повышение плотности металла; в) улучшение заполняемости формы; г) уменьшение пористости металла (газовой и усадочной);

– отсутствие стержней при заливке полых цилиндров; – большая экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы; – возможность получения 2-слойных отливок (поочередной заливкой

разных металлов). Недостатки метода: – дорогое оборудование и оснастка; – ликвация компонентов сплава (неоднородность химического соста-

ва в различных частях отливки за счет центробежных сил); – точность внутреннего размера цилиндрических полых заготовок

зависит от точности дозировки. Область применения метода. Получение полых отливок в форме тел

вращения. Например, в машинах с горизонтальной осью вращения полу-чают чугунные водопроводные и канализационные трубы диаметром до 300 и до 1800 мм соответственно. В формах с вертикальной осью враще-ния получают короткие тела вращения – кольца высотой до 500 мм (на-пример, гильзы автомобильных и тракторных двигателей).

1.6. Литье под давлением Сущность метода: заливка металла в металлическую форму (пресс-

форму) и формирование отливки происходят под избыточным давлением Р = 30...100 МПа).

Изготовляют отливки на машинах литья под давлением с холодной или горячей камерой прессования. Камеры прессования располагаются ли-бо горизонтально, либо вертикально.

Рис. 1.6. Схема процесса изготовления отливок на машинах с горизонтальной камерой прессования

15 В качестве примера на машинах с горизонтальной камерой прессова-

ния (рис. 1.6.1) порцию расплавленного металла заливают в камеру прес-сования 4 (рис. 1.6, а). Металл плунжером 5 под давлением 30...100 МПа подается в полость пресс-формы (рис. 1.6, б), состоящую из неподвижной 3 и подвижной 1 полуформ. Внутреннюю полость в отливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается (рис. 1.6, в), извлекается стержень 2 и отливка 7 выталкивателями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы. Перед заливкой пресс-форму нагревают до 120...320 0С. После удаления отливки рабочую поверхность пресс-формы обдувают воздухом и смазывают специальными материалами для преду-преждения приваривания отливки к пресс-форме. Воздух и газы удаляют через каналы глубиной 0,05...0,15 мм и шириной 15 мм, расположенные в плоскости разъема пресс-формы, или вакуумированием рабочей полости перед заливкой расплавленного металла. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45 кг.

Особенности метода: заполнение формы почти мгновенное (десятые и сотые доли секун-

ды); скорость движения жидкого металла: 0,5...120 м/с; толщина стенки отливок может достигать минимальных значений

0,8...1 мм; часть воздуха и газов не успевает выйти из формы. Они остаются в

отливке в виде газовоздушной пористости (так как происходит быстрое за-купоривание вентиляционных каналов).

Достоинства метода: – высокая производительность, низкая трудоемкость и полная авто-

матизация процесса; – возможность получения тонкостенных отливок (толщина стенки

= 0,8...1 мм); – повышенное качество отливок: а) высокая точность размеров; б)

высокая чистота и качество поверхности; – припуски на обработку резанием либо отсутствуют, либо снижены

до минимума; – хорошие санитарно-гигиенические условия труда; – процесс экологически чистый. Недостатки метода: – высокая стоимость оборудования и литейных пресс-форм; – ограниченная область применения по массе, размерам и сплавам (в

основном сплавы цветных металлов при массе отливки до 45 кг); – нельзя проводить термообработку отливок из-за коробления.

16 Область применения метода. Тонкостенные, имеющие сложную

конфигурацию отливки из Al, Mg, Cu, Zn – сплавов в массовом произ-водстве.

1.7. Литье по выплавляемым моделям Сущность метода: используется точная неразъемная разовая модель,

изготовленная из парафиностеариновой смеси, жирных кислот, церезина, пластмасс и других легкоплавких веществ. По этой модели из специальных формовочных смесей изготавливается неразъемная керамическая оболоч-ковая форма. Затем модель удаляют из формы выплавлением, растворени-ем либо выжиганием (когда используется модель из полистирола). После этого форма прокаливается при высоких температурах, а затем в нее зали-вается жидкий металл. Основные операции технологического процесса изготовления отливки

1) Заливка (запрессовка) парафиностеаринового состава в жидком или пастообразном состоянии в металлическую пресс-форму 1 (рис. 1.7, а), которая затем помещается в бак с водой для охлаждения.

Рис. 1.7. Последовательность операций процесса литья по выплавляемым моделям

2) Извлечение парафиностеариновой модели 2 (рис. 1.7, б).

17 3) Сборка партии моделей на общем станке в блок моделей 3 (рис.

1.7, в) с общей литниковой системой. В один блок объединяют 2...100 мо-делей.

4) Погружение блока моделей 3 в емкость 4 с жидкой формовочной смесью – суспензией 5 (суспензия представляет собой пылевидный кварц в связующем растворе этилсиликата, рис. 1.7, г). При этом на модели обра-зуется слой (менее 1 мм) суспензии. Этот слой обсыпают мелким кварце-вым песком 7 в специальной установке 6 (рис. 1.7, д). Затем модельные блоки сушат на воздухе или в парах аммиака (режим сушки: воздух 2...4 часа, в парах аммиака 50...60 минут). Операция с погружением, обсыпкой и сушкой повторяется от 3 до 10 раз, пока толщина стенки формы не достиг-нет значения = 5...8 мм.

5) Удаление парафиностеариновой модели из полученной формы производится расплавлением в горячей воде (Т = 80...90 0С, рис. 1.7, е). Для этого модельный блок погружают на несколько минут в бак 8 с водой 9, которая нагревается устройством 10.

6) Сборка оболочек 12 в контейнере 13 с опорным наполнителем 14 (песок, шамот, просеянные через сито не более 2 мм, рис. 1.7, ж).

7) Прокалка в электрической печи 11 (происходит упрочнение форм и удаление газов, температура Т = 900...1000 0С, время прокаливания = 6...8 часов, нагрев осуществляется со скоростью не более 100 0С в час).

8) Эжектирование (продувка форм сжатым воздухом). 9) Заливка жидкого металла 16 в нагретую форму из ковша 15 (рис.

1.7, з). После охлаждения отливки форма разрушается. Достоинства метода: – возможность получения тонкостенных отливок сложной конфигу-

рации (с толщиной стенки = 1...3 мм); – качество поверхности отливок высокое; – точность размеров высокая (8...11 квалитет); – припуски на обработку резанием минимальны (0,2...0,7 мм) или во-

все отсутствуют. Недостатки метода: – большая трудоемкость техпроцесса; – процесс материалоемкий – требуется большая номенклатура мате-

риалов. Область применения метода. Производство мелких (от нескольких

граммов до нескольких десятков килограммов) сложных отливок из спла-вов, труднообрабатываемых резанием (жаропрочных, коррозионно-стойких сталей).

18 1.8. Литье в оболочковые формы

Способ основан на получении полуформ в виде оболочек толщиной

5...20 мм. Их изготовляют путем отверждения смеси на нагретой металли-ческой оснастке (модели). Применяют смесь, в которой связующее веще-ство вначале расплавляется, а потом необратимо затвердевает, образуя оболочку.

В качестве связующего используется термореактивная смола пуль-вербакелит (4...7 %), остальное – мелкозернистый кварцевый песок.

Процесс изготовления оболочек: 1. Подогрев модели и модельной плиты 1 (рис. 1.8, а) до 200..250 0С.

Рис. 1.8. Последовательность операций формовки при литье в оболочковые формы

2. Опрыскивание модели и модельной плиты разделительным соста-

вом, чтобы оболочка отставала от модели (используется силиконовая жид-кость).

3. Опрокидывание бункера 2 с формовочной смесью 3 и выдержка в течении 10...30 с (формовочная смесь 3 при этом покрывает форму, рис. 1.8, б). От теплоты модельной плиты термореактивная смола в погранич-ном слое переходит в жидкое состояние, склеивает песчинки с образовани-ем песчано-смоляной оболочки 4 толщиной 5...20 мм в зависимости от вре-мени выдержки.

4. Обратный поворот бункера на 1800 (происходит ссыпание остатков смеси на дно бункера, рис. 1.8, в).

19 5. Модельная плита с полутвердой оболочкой 4 снимается с бункера

и помещается в печь с температурой 300...350 0С. Выдержка составляет 50...90 сек (смесь необратимо затвердевает, так как термореактивная смола переходит в твердое необратимое состояние).

6. Твердая оболочка снимается с модели специальными толкателями 5 (рис. 1.8, г). Аналогично изготовляют и вторую полуформу. Готовые оболочковые полуформы склеивают быстротвердеющим клеем на специ-альных прессах, предварительно установив в них литейные стержни, или скрепляют скобами.

7. Сборка литейных форм 6 под заливку в контейнере 7 с опорным наполнителем 8 (в качестве наполнителя используют кварцевый песок или металлическую дробь с целью предохранения оболочки от преждевремен-ного разрушения, рис. 1.8, д).

Особенностью данного метода литья является тот факт, что упрочне-ние формы происходит на модели (в отличие от литья в разовые песчаные формы), поэтому точность размеров – повышенная.

Достоинства метода: – высокая производительность, причем получают не сырую, а сухую

форму; – высокая точность размеров; – благодаря мелкому кварцевому песку достигается высокое качество

поверхности отливок; – припуски на механическую обработку снижаются; – снижается расход формовочных материалов. Недостаток метода. Пульвербакелит – дорогостоящий связующий

материал. Область применения метода. Получение отливок из чугуна, стали,

цветных металлов и сплавов в массовом производстве (детали автомоби-лей, тракторов и сельскохозяйственных машин) с толщиной стенки 3...15 мм и массой 0,25...100 кг.

1.9. Особенности изготовления отливок из различных сплавов Для стальных отливок формовочную смесь приготовляют из высоко-

огнеупорных материалов с низкой влажностью. Поверхности литейных форм и стержней покрывают огнеупорными красками. Для уменьшения напряжений в отливках при охлаждении увеличивают податливость форм и стержней. Литниковая система должна обеспечивать плавное заполнение формы, отделение неметаллических включений и не должна препятство-вать усадке. Для предупреждения усадочных раковин устанавливают при-были, в которых металл затвердевает в последнюю очередь, что позволяет получать отливки без усадочных раковин.

20 При изготовлении чугунных отливок для уменьшения пригара в

формовочные смеси добавляют каменноугольную пыль. Расплавленный чугун подводят в тонкие сечения отливок. При изготовлении отливок из высокопрочного и ковкого чугунов для предупреждения усадочных рако-вин устанавливают прибыли или питающие бобышки. Для предупрежде-ния трещин в отливках используют формовочную смесь повышенной по-датливости.

Для отливок из цветных сплавов формовочные и стержневые смеси приготовляют из мелкозернистых кварцевых песков. Формовочная смесь должна обладать повышенной податливостью для предупреждения в от-ливках трещин. При изготовлении магниевых отливок в формовочную смесь вводят фтористые добавки во избежание самовозгорания магния. Расплавленный металл в форму подводят через литниковую систему с уве-личенным поперечным сечением питателей, что обеспечивает плавное за-полнение полости формы. Для предупреждения усадочных раковин уста-навливают прибыли и холодильники.

2. ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

2.1. Сущность процессов обработки металлов давлением Обработкой давлением называют процессы получения заготовок или

деталей машин силовым воздействием инструмента на исходную заго-товку из пластичного материала без снятия стружки.

Обработка металлов давлением (ОМД) основана на их способности в определенных условиях пластически деформироваться в результате воз-действия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил. Пластическое деформирование при ОМД, состоящее в преобразовании заготовки про-стой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии.

Существенные преимущества ОМД по сравнению с обработкой реза-нием – возможность значительного уменьшения отхода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в результате однократ-ного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопро-вождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуата-ционными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойко-стью и т. д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества ОМД способствуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке.

21 О широком применении процессов ОМД свидетельствуют следую-

щие данные: до 90 % всей выплавляемой стали и около 55 % выплавляе-мых цветных металлов и сплавов подвергаются обработке давлением.

Основные способы ОМД: прокатка, прессование, волочение, ковка (свободная ковка), штамповка: – объемная; – листовая,

Все пять перечисленных способов ОМД можно разделить на две группы:

1. Способы, при которых конечная продукция – это машинострои-тельные профили большой (в ряде случаев – неограниченной) длины, ко-торые в дальнейшем подвергаются разделению на части. Способы ОМД, относящиеся к данной группе, – прокатка, прессование, волочение.

2. Способы, при которых конечная продукция – это машинострои-тельные заготовки, приближенные по форме к готовым изделиям (в ряде случаев – готовые детали, не требующие дальнейшей обработки). Способы ОМД, относящиеся к данной группе, – ковка и штамповка.

Различают 2 вида процессов ОМД: холодную ОМД; горячую ОМД. Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, ко-

торые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения метал-ла (рис. 2.1, а). При холодной деформации формоизменение сопровожда-ется изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом).

Горячей деформацией на-зывают деформацию, характери-зующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает про-изойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработ-ки давлением оказывается равно-осной, без следов упрочнения (рис. 2.1, б).

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скоро-сти рекристаллизации).

Цели нагрева заготовок при ОМД: Повышение пластичности деформируемого металла. Снижение деформирующих усилий. Предотвращение наклепа.

Рис. 2.1. Схемы изменения микроструктуры металла при деформации: а – холодной; б – горячей

22 Наклеп – явление повышения твердости и предела прочности де-

формируемого материала при одновременном снижении его пластично-сти.

Наклеп может быть устранен последующей термообработкой (отжи-гом).

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоя-тельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие усилия деформирования (менее мощное оборудование).

2.2. Прокатка Прокатка – технологический процесс пластической деформации за-

готовок между вращающимися валками путем захвата заготовок за счет сил трения.

Взаимное расположение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различными. Выделяют три основных вида прокатки: продоль-ную, поперечную и поперечно-винтовую.

При продольной прокатке (рис. 2.2, а) заготовка 2 деформируется между двумя валками 1, вращающимися в разные стороны, и перемещает-ся перпендикулярно к осям валков.

При поперечной прокатке (рис. 2.2, б) валки 1, вращаясь в одном на-правлении, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 2.2, в) валки 1 расположены под углом и сообщают заготовке 2 при деформировании вращательное и поступательное движения.

Рис. 2.2. Основные виды прокатки: 1 – валки; 2 – заготовка; 3 – оправка

23 В процессе прокатки металл непрерывно втягивается в зазор между

валками под действием сил трения между металлом и валками. Для осуще-ствления процесса прокатки необходима определенная величина этих сил трения. Так, при наиболее распространенной продольной прокатке на заго-товку со стороны валков действуют нормальные силы N и сила трения Т (рис. 2.3). Спроектировав эти силы на горизонтальную ось, можно записать условие захвата металла валками (по отношению к одному валку, так как система симметрична):

N sin() < Т cos(). Угол называется углом захвата.

Выразив силу трения как Т= fN, где f – коэффициент трения, и подставив это выражение в условие захвата, по-лучим

sin() < f cos() или f > tg().

Таким образом, для осуществле-ния захвата металла валками необхо-димо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был больше тангенса угла захвата.

При горячей прокатке стали гладкими валками угол захвата равен 15...24 0, при холодной 3...8 0. При ус-тановившемся процессе прокатки ко-эффициент трения может быть примерно вдвое меньше.

В процессе прокатки уменьшается толщина заготовки при одновре-менном увеличении ее длины и ширины. Деформацию заготовки обычно определяют относительным обжатием, %:

н=(H0 – H1)100/ H0, где H0 и H1 – высота заготовки соответственно до и после прокатки.

Площадь поперечного сечения заготовки всегда уменьшается. По-этому для определения деформации (особенно, когда обжатие по сечению различно) используют показатель, называемый вытяжкой,

=l / l0=F0/F, где l0 и F0 – первоначальные длина и площадь поперечного сечения; l и F – те же величины после прокатки.

Вытяжка при прокатке обычно составляет 1,1...1,6 за проход, но мо-жет быть и больше.

Инструмент и оборудование для прокатки Инструментом для прокатки являются валки, которые в зависимости

от прокатываемого профиля могут быть гладкими (рис. 2.4, а), применяе-

Рис. 2.3. Схема действия сил

в момент захвата металла валками

24 мыми для прокатки листов, лент и т. п., ступенчатыми, например для про-катки полосовой стали, и ручьевыми (рис. 2.4, б) для получения сортового проката. Ручьем называют вырез на боковой поверхности валка, а сово-купность двух ручьев образует калибр (рис. 2.4, в). Каждая пара ручьевых валков обычно составляет несколько калибров.

Рис. 2.4. Инструмент для прокатки

Валки состоят из рабочей части – боч-

ки 1, шеек 2 и трефы 3. Шейки валков вра-щаются в подшипниках. Комплект прокат-ных валков со станиной называют рабочей клетью.

Рабочие клети по числу и расположе-нию валков могут быть двухвалковые (см. рис. 2.2, а); четырехвалковые (рис. 2.5, а), у которых два валка рабочих и два опорных; многовалковые (рис. 2.5, б), у которых также два валка рабочих, а остальные – опорные. Использование опорных валков позволяет

применять рабочие валки малого диаметра, благодаря чему увеличивается вытяжка и снижается усилие деформирования.

Прокатные станы могут быть одноклеть-евыми (с одной рабочей клетью) и многоклеть-евыми. Наиболее совершенные многоклетьевые станы – непрерывные, у которых рабочие клети располагают последовательно одну за другой. Прокатываемая полоса через каждую клеть проходит только один раз, т. е. число рабочих

клетей этих станов равно требуемому числу проходов полосы. На непре-рывных станах достигается высокая производительность при полном ис-ключении ручного труда.

Рис. 2.5. Расположение валков

в 4- и 12-валковой клетях

Рис. 2.6. Сортовой прокат простой геометрической

формы

25 Область применения прокатных станов – получение проката из ста-

лей и цветных сплавов. Продукция прокатного производства

1. Сортовой прокат: а) простой геометрической формы: круг, квад-рат, прямоугольник, шестигранник (рис. 2.6); б) фасонный прокат сложной формы: угольник,тавр, двутавр, швеллер, рельс (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Фасонный прокат сложной формы

Рис. 2.8. Последовательность процесса свертывания полосы в трубу

в шести клетях непрерывного стана

Рис. 2.9. Схема прокатки шаров в стане

поперечно-винтовой прокатки

Рис. 2.10. Профили с изменяющейся формой и площадью поперечного сечения

26 2. Листовой прокат. 3. Трубы: бесшовные (см. рис. 2.2, в), сварные (рис. 2.8). 4. Специальные виды проката: колеса, кольца, шары (рис. 2.9), пе-

риодические профили с периодически изменяющейся формой и площадью поперечного сечения вдоль оси заготовки (рис. 2.10).

2.3. Прессование

Прессование – это процесс выдавливания заготовок из замкнутого объема контейнера через отверстие в матрице с площадью меньшей, чем поперечное сечение исходной заготовки.

Рис. 2.11. Схемы прессования прямого (а) и обратного (б):

1 – заготовка; 2 – контейнер; 3 – пуансон; 4 – матрица; 5 – держатель Прессование может выполняться двумя методами – прямым и обрат-

ным (рис. 2.11). При прямом методе (см. рис. 2.11, а) заготовку 1 помеща-ют в полость контейнера 2 и с помощью мощного пресса пуансоном 3 вы-давливают через отверстие в матрице 4.

При обратном прессовании (см. рис. 2.11, б) давление пресса переда-ется через полый пуансон 3 с смонтированной внутри его матрицей 4. Та-ким образом, металл заготовки 1 течет навстречу движению пуансона.

При обратном прессовании усилие на 25...30 % меньше, чем при прямом, так как в последнем случае часть усилия затрачивается на преодо-ление трения при перемещении металла заготовки внутри матрицы. Пресс-остаток (остающаяся в контейнере часть металла заготовки) при обратном прессовании также меньше, чем при прямом. Однако сложность конструк-ции пресса, ограниченность длины изделия препятствуют широкому при-менению способа обратного прессования.

Исходной заготовкой при прессовании служит слиток или прокат. Достоинства процесса прессования (особенности): 1. Реализуется одна из самых благоприятных схем нагружения, обес-

печивающая максимальную пластичность – всестороннее неравномерное сжатие. Это позволяет обрабатывать даже малопластичные материалы.

27 Деформируемый металл подвергается всестороннему сжатию и поэтому обладает высокой пластичностью. Благодаря этому здесь возможна высо-кая степень деформации: Fзаг/Fпресс. изд. = (10...50)/1. И это является главным достоинством процесса.

2. Возможность получения профилей сложной формы, что зачастую невозможно при других способах обработки пластической деформацией, в том числе и пустотелых (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Схема прессования полого профиля (а)

и примеры прессованных профилей (б) При прессовании полых профилей (см. рис. 2.12, а) при движении

пуансона 1 с пресс-шайбой 5 металл заготовки 2 выдавливается в зазор между матрицей 3 и иглой 4.

Недостатки процесса: 1. Большие отходы металла: весь металл не может быть выдавлен из

контейнера и в нем остается так называемый пресс-остаток, который после окончания прессования отрезается от полученного профиля. Масса пресс-остатка может достигать 40 % массы исходной заготовки (при прессовании труб большого диаметра).

2. Сильный износ инструмента за счет трения. Для уменьшения тре-ния применяют смазку – графит или жидкое стекло.

Область применения прессования. Прессованием изготовляют изде-лия разнообразного сортамента из цветных металлов и сплавов, в том чис-ле прутки диаметром 3...250 мм, трубы диаметром 20...400 мм со стенкой толщиной 1,5...12 мм и другие профили (рис. 2.12, б). Из углеродистых сталей 20, 35, 45, 50, конструкционных ЗОХГСА, 40ХН, коррозионно-стойких 12Х18Н10Т и других высоколегированных сталей прессуют трубы с внутренним диаметром 30...160 мм со стенкой толщиной 2...10 мм.

28 2.4. Волочение

Волочение – технологический процесс протягивания заготовки

(прутка) через отверстие инструмента, сечение которого меньше исход-ного сечения деформируемой заготовки.

Инструмент называется волокой. Рабочая часть инструмента имеет несколько зон (рис. 2.13): I – вход-

ная зона; II – деформирующая зона (угол при вершине конуса =8...24 0). Коэффициент трения должен быть меньше 0,1...0,12; III – цилиндрический калибрующий поясок; IV – выходной конус (угол около 45 0).

Рис. 2.13. Рабочая часть волоки

Рис. 2.14. Схема волочения трубы

Волочение, как правило, осуществляется в холодном состоянии. Во-

лочение труб можно выполнять без оправки (для уменьшения внешнего диаметра) и с оправкой (для уменьшения внешнего диаметра и толщины стенки). На рис. 2.14, показана схема волочения трубы 1 на короткой удерживаемой оправке 3. В этом случае профиль полученной трубы опре-деляется зазором между волокой 2 и оправкой 3.

При волочении сплошного и полого профилей площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а следовательно, длина (из условия посто-

29 янства объема при пластической деформации) увеличивается. Количест-венно деформацию, так же как и при прокатке, можно характеризовать от-ношением полученной длины к исходной, т. е. вытяжкой .

Вследствие того, что к заготовке при волочении приложено тянущее усилие, в отверстии волоки (очаге деформации) и после выхода из нее ме-талл испытывает растягивающие напряжения. Но если в очаге деформа-ции, в котором действуют и сжимающие напряжения со стороны инстру-мента, металл пластически деформируется, то на выходящем из волоки конце прутка пластическая деформация недопустима. В противном случае пруток искажается или разрывается. Поэтому величина деформации за один проход ограничена, и вытяжка обычно равна =1,25...1,45.

Основное условие волочения: напряжение растяжения, возникающее в выходящем из волочильной доски конце прутка, должно быть меньше предела упругости материала заготовки:

упр > (P/F), где упр – предел упругости материала заготовки; P – усилие волочения; F – площадь сечения профиля при выходе из волоки.

В случае несоблюдения этого условия возникающие напряжения мо-гут привести к местному течению металла и изменению сечения заготовки.

Поскольку тянущее усилие, приложенное к заготовке, необходимо не только для деформирования металла, но и для преодоления сил трения ме-талла об инструмент, эти силы трения стараются уменьшить применением смазки и полированием отверстия в волоке.

Применяемые смазки: – твердые (мыльный порошок, парафин, воск); – консистентные (тавот, солидол); – жидкие (водные эмульсии минеральных масел и мыла). Достоинства метода: – высокая точность (до 7 квалитета, что соответствует точности при

обработке резанием); – очень гладкая поверхность изделия с малой шероховатостью; – высокая прочность изделия (в холодном состоянии металл упроч-

няется). Недостатки метода: 1. Невысокая производительность (т. к. степень деформации за од-

ну протяжку не может быть велика). 2. При холодном волочении возникает наклеп – приходится прово-

дить промежуточный отжиг (обычно для получения необходимых профи-лей требуется деформация, превышающая допустимую за один проход, по-этому применяют волочение через ряд постепенно уменьшающихся по диаметру отверстий. Но поскольку волочение осуществляют в условиях холодной деформации, металл упрочняется. Для восстановления пластич-

30 ности упрочненный волочением металл подвергают промежуточному от-жигу).

Материалы для изготовления волоки: углеродистые инструментальные и легированные стали марок (У7,

У8, У7А, У8А, Х12М и др.); твердые сплавы (ВК2, ВК3, ВК6, ВК8 и др.); технические алмазы.

Рис. 2.15. Примеры фасонных профилей, получаемых волочением

Область применения волочения. Изготовление стальной проволоки

диаметром 0,002...5 мм, калибровка прутков и труб из стали и цветных сплавов диаметром 3...150 мм. Изготовление фасонных профилей (призма-тические и фасонные направляющие, сегментные, призматические и фа-сонные шпонки, шлицевые валики, опорные призмы и ножи и т. д., ). При-меры фасонных профилей, получаемых волочением, приведены на рис. 2.15.

2.5. Процессы свободной ковки и штамповки Ковка – вид горячей обработки металлов давлением, при котором

металл деформируется с помощью универсального инструмента – бойков. Нагретую заготовку 1 (рис. 2.16, а) укладывают на нижний боек 3 и

верхним бойком 2 последовательно деформируют отдельные ее участки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхно-стями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различный подкладной инструмент.

Ковкой получают заготовки для последующей механической обра-ботки. Эти заготовки называют коваными поковками, или просто поковка-ми.

Ковка является единственно возможным способом изготовления тя-желых поковок (до 250 т) типа валов гидрогенераторов, турбинных дисков, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокатных станов и т. д.

Поковки меньшей массы (десятки и сотни килограммов) можно изго-товлять и ковкой, и штамповкой. Хотя штамповка имеет ряд преимуществ перед ковкой, в единичном и мелкосерийном производствах ковка обычно экономически более целесообразна. Объясняется это тем, что при ковке

31 используют универсальный (годный для изготовления различных поковок) инструмент, а изготовление специального инструмента (штампа) при не-большой партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Исходны-ми заготовками для ковки тяжелых крупных поковок служат слитки мас-сой до 320 т. Поковки средней и малой массы изготовляют из блюмов и сортового проката квадратного, круглого или прямоугольного сечения.

Рис. 2.16. Схемы ряда основных операций ковки: а – осадка; б – протяжка; в – гибка; г – отрубка; д – двухсторонняя прошивка; е – сквозная прошивка К основным операциям ковки относятся осадка, протяжка, отруб-

ка, гибка и прошивка (см. рис. 2.16). Осадка (см. рис. 2.16, а) – операция уменьшения высоты заготовки

при увеличении площади ее поперечного сечения. Протяжка (см. рис. 2.16, б) – операция удлинения заготовки или ее

части за счет уменьшения площади поперечного сечения. Гибка (см. рис. 2.16, в) – операция придания заготовке изогнутой

формы по заданному контуру. Отрубка (см. рис. 2.16, г) – операция отделения части заготовки по

незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего ин-струмента – топора.

Прошивка (см. рис. 2.16, д, е) – операция получения полостей в заго-товке за счет вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка).

Оборудование для ковки Ковку выполняют на ковочных молотах и ковочных гидравлических

прессах.

32 Молоты – машины динамического, ударного действия. Продолжи-

тельность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной подвижными (падающими) частями молота к моменту их соударения с заготовкой. Поэтому при выбо-ре молотов руководствуются массой их падающих частей.

Гидравлические прессы – машины статического действия. Продол-жительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл деформируется приложением усилия, создаваемого с по-мощью жидкости (водной эмульсии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса.

Штамповка – это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки из заготовки осуществляют с помощью спе-циального инструмента – штампа.

Течение металла при штамповке ограничивается поверхностями по-лостей (а также выступов), изготовленных в отдельных частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют единую замкнутую по-лость (ручей) по конфигурации поковки.

Виды штамповки 1. Листовая штамповка. Для листовой штамповки в качестве исходной заготовки использует-

ся металлический лист, полоса или лента с толщиной не более 10 мм (в редких случаях – до 20 мм). Получаемое изделие – плоское или объемное полое. Детали из заготовок толщиной более 20 мм штампуют с нагревом (горячая листовая штамповка). Холодная листовая штамповка получила более широкое применение, чем горячая.

Толщина стенок деталей, получаемых листовой штамповкой, незна-чительно отличается от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заготовка обычно испы-тывает значительные пластические деформации. Это вынуждает предъяв-лять к материалу заготовки достаточно высокие требования по пластично-сти (используют низкоуглеродистую сталь, пластичные легированные ста-ли, медь, латунь, алюминий и его сплавы, магниевые сплавы, титан).

К преимуществам листовой штамповки относятся возможность по-лучения деталей минимальной массы при заданной их прочности и жест-кости; сравнительная простота автоматизации процессов штамповки, обес-печивающая высокую производительность (30000...40000 деталей в смену с одной машины); хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка может быть экономически целесообраз-ной и в массовом, и в мелкосерийном производстве.

Различают формоизменяющие операции листовой штамповки, при которых заготовка не должна разрушаться, и разделительные операции, в которых этап пластического деформирования обязательно завершается разрушением.

33

Рис. 2.17. Изделия, получаемые методом листовой штамповки

Примеры изделий, получаемых методом листовой штамповки, при-

ведены на рис. 2.17. 2. Объемная штамповка. В качестве заготовок для объемной штамповки в подавляющем

большинстве случаев применяют прокат круглого, квадратного, прямо-угольного профилей, а также периодический. При этом прутки разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда штампуют из прутка с по-следующим отделением поковки непосредственно на штамповочной ма-шине. Мерные заготовки отрезают от прутка различными способами: на кривошипных пресс-ножницах, механическими пилами, газовой резкой и т. д.

Различают горячую и холодную объемную штамповку. Кроме того, в зависимости от типа штампа выделяют объемную

штамповку в открытых и закрытых штампах. Штамповка в открытых штампах (рис. 2.18, а) характеризуется пе-

ременным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор вытекает заусенец (облой), который закрывает выход из полости штампа и заставляет металл целиком заполнить всю полость. В конечный момент деформирования в заусенец выжимаются излишки металла, нахо-дящиеся в полости, что позволяет не предъявлять особо высоких требова-ний к точности заготовок по массе. Заусенец затем обрезается в специаль-ных штампах.

Штамповка в за-крытых штампах (рис. 2.18, б) характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформиро-вания остается закры-той. Зазор между под-вижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и не-большой, так что обра-

Рис. 2.18. Схемы штамповки в открытых

и закрытых штампах: 1 – заусенечная канавка

34 зование заусенца в нем не предусмотрено. При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равенство объемов заготовки и по-ковки, иначе при недостатке металла не заполнятся углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Следо-вательно, в этом случае процесс получения заготовки усложняется, по-скольку отрезка заготовок должна обеспечивать высокую точность. Суще-ственное преимущество штамповки в закрытых штампах – уменьшение расхода металла, поскольку нет отхода в заусенец. Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную макроструктуру, так как волокна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода ме-талла в заусенец. При штамповке в закрытых штампах металл деформиру-ется в условиях всестороннего неравномерного сжатия при больших сжи-мающих напряжениях, чем в открытых штампах. Это позволяет получать большие степени деформации и штамповать малопластичные сплавы.

Рис. 2.19. Изделия, получаемые методом объемной штамповки

Примеры изделий, получаемых методом объемной штамповки, при-

ведены на рис. 2.19. По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ. Объем-

ной штамповкой можно получать поковки сложной конфигурации без на-пусков, что при ковке невозможно. Допуски на штампованную поковку в 3...4 раза меньше, чем на кованую. Вследствие этого значительно сокраща-ется объем последующей обработки резанием. Штампованные поковки об-рабатывают только в местах сопряжения с другими деталями, и эта обра-ботка может сводиться только к шлифованию.

Производительность штамповки значительно выше ковки – десятки и сотни поковок в час.

В то же время штамп – дорогостоящий инструмент и пригоден толь-ко для изготовления какой-то одной, конкретной поковки. В связи с этим штамповка экономически целесообразна лишь при изготовлении достаточ-но больших партий одинаковых поковок.

Кроме того, для объемной штамповки поковок требуются гораздо большие усилия деформирования, чем для ковки таких же поковок. Поков-ки массой в несколько сот килограммов для штамповки считаются круп-ными. В основном штампуют поковки массой до 100 кг и только в отдель-ных случаях – массой до 3 т.

35 Объемной штамповкой изготовляют заготовки для ответственных де-

талей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, самолетов, железнодорожных вагонов, станков и т. д.

Оборудование для штамповки. Наиболее широкое распространение получила штамповка на молотах, прессах, горизонтально-ковочных маши-нах, ковочных или ротационно-обжимных вальцах и другом оборудовании.

Основное отличие свободной ковки от штамповки заключается в том, что при штамповке формообразование изделия осуществляется специальным инструментом – штампом, а при свободной ковке дефор-мирующий инструмент является универсальным (верхний и нижний бойки).

Область применения методов свободной ковки и штамповки. Штамповка применяется в крупносерийном и массовом производстве, ков-ка – в единичном и мелкосерийном производстве.

Основной материал заготовок – стали, цветные металлы и сплавы.

3. ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

3.1. Сущность процессов сварки. Классы сварки Сварка – технологический процесс получения неразъемного соедине-

ния, возникающего за счет установления межатомных сил связи между соединяемыми заготовками, при их нагревании или пластической дефор-мации.

Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их спла-вы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Сварка – экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, ши-роко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами или молекулами на соединяемых поверх-ностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загряз-нений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетиче-ская активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, со-поставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

Указанные условия реализуются различными способами сварки пу-тем энергетического воздействия на материал в зоне сварки. Энергия вво-дится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздействия. В результате по-

36 верхностные атомы металлов и кристаллических неметаллических мате-риалов образуют общие для соединяемых заготовок кристаллические ре-шетки.

В зависимости от формы используемой энергии все виды сварки раз-деляются на 3 класса:

1. К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, газовая и др.).

2. К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществ-ляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диф-фузионная и др.).

3. К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взры-вом, трением, холодная и др.).

Для сварки необходимо сблизить очищенные от загрязнений и окси-дов поверхности до расстояния порядка межатомного а=(2,8...6)10-8 см.

При применении термического класса сварки вначале происходит расплавление свариваемых кромок и возникает общая жидкая сварочная ванна. При удалении источника тепла (например, электрической дуги) эта ванна затвердевает и соединяет свариваемые заготовки.

При использовании механического класса происходит пластическая деформация соединяемых заготовок за счет приложения внешних сил. В процессе деформации наблюдается удаление окислов, загрязнений и слоя адсорбированных газовых молекул на контактирующих поверхностях. При этом на заготовках возникают абсолютно чистые, так называемые юве-нильные поверхности. В этих условиях ничто не препятствует возникнове-нию межатомных связей , то есть появлению общей кристаллической ре-шетки.

При использовании термомеханического класса сварки одновремен-но происходят все явления, описанные для термического и механического классов.

По способу защиты металла в зоне сварки выделяют сварку на воз-духе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом и т. п.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды сварки.

3.2. Ручная дуговая сварка стали Для создания неразъемного соединения при сварке необходимо сбли-

зить свариваемые поверхности до расстояния порядка межатомного про-межутка в кристаллической решетке металла и активизировать атомы на контактирующих поверхностях путем подвода энергии. В качестве источ-

37 ника энергии при дуговой сварке плавлением, к которой относится ручная дуговая сварка, выступает электрическая дуга.

Понятие об электрической дуге как об источнике теплоты Электрическая дуга – это мощный стабильный электрический раз-

ряд в ионизированной атмосфере газов и паров металла. С целью возбуждения дуги в начале сварки проводится короткое за-

мыкание стальным электродом на свариваемое изделие. Во время коротко-го замыкания сварочный ток достигает максимальных значений и металл в месте контакта расплавляется. При последующем размыкании контакта с поверхности наиболее нагретых участков электрода (катодных пятен) ис-пускаются электроны (явление термоэлектронной эмиссии). Под действи-ем электромагнитного поля электроны начинают двигаться к положитель-но заряженному изделию (рассматривается прямая полярность, когда изде-лие заряжено положительно, а электрод – отрицательно). Весь ток и на электроде, и на заготовке проходит через активные пятна (наиболее нагре-тые участки). При соударении движущихся электронов и нейтральных атомов газа происходит ионизация и образуются дополнительные заряды, которые также начинают двигаться в электромагнитном поле. Температура внутри дуги может достигать 6000 0С и более (до 15000 0С). Если дугу об-жать при помощи сопла или электромагнитного поля, то температура дуги может быть повышена максимально до 25000 0С (верхний предел). Теплота дуги нагревает заготовку. Кроме того, в момент бомбардировки электро-нами поверхности заготовки кинетическая энергия электронов переходит в тепловую и металл заготовки плавится.

Статическая вольтамперная характеристика дуги – это зависимость напряжения U, необходи-мого для горения дуги, от силы сварочного тока I, взятая при постоянной длине дуги (рис. 3.1). Она имеет три характерных участка. На участке 1 на-пряжение падает по мере возрастания тока вслед-ствие резкого увеличения числа заряженных час-тиц (падает сопротивление столба дуги). На уча-стке 2 напряжение мало зависит от тока, так как число зарядов возрастает по мере увеличения тока незначительно. На участке 3 число зарядов по-стоянно, сопротивление столба дуги также постоянно. По закону Ома U=IR, поэтому чем больше ток, тем больше напряжение.

Рабочая точка (режим горения дуги) находится на жестком участке постоянного напряжения (среднем).

Основные параметры дуги: lд – длина столба дуги (должна быть как можно меньше, чтобы было меньше электросопротивление дуги. Обычно lд<20 мм). Uд – падение напряжения на дуге. Падение напряжения проис-ходит в прикатодной области, в прианодной области и в столбе дуги: Uд= Uк+ Uа+ Uст, где Uст=lд, где – коэффициент, характеризующий падение

IU

1 2 3 Рис. 3.1. Статическая

вольтамперная характеристика дуги

38 напряжения на 1 мм дуги (рис. 3.2). Рабочие значения для ручной дуговой сварки обычно лежат в пределах Uд=18...35 В. I – ток дуги (сварочный ток).

Сварочный ток назначается по эм-пирической зависимости I=kdэл, где k – коэффициент пропорциональности (при сварке стали k=45...60). dэл – диаметр электрода, мм. В свою очередь, диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла: dэл=/2 +1, где – толщина свариваемого листа.

Источники сварочного тока Источники тока для питания сва-

рочной дуги должны иметь специальную внешнюю характеристику.

Внешняя характеристика источника питания дуги – это зависимость напря-

жения, вырабатываемого источником сварочного тока, от силы сварочного тока.

Для ручной дуговой сварки стали не-обходим источник питания дуги, имею-щий падающую внешнюю характеристику (рис. 3.3).

Uхх – напряжение холостого хода (дуга не горит). Обычно Uхх=50...90 В. 1 – точка возбуждения дуги (момент зажига-ния); 2 – режим длительного устойчивого горения дуги (рабочий); Iкз – ток короткого замыкания.

Такое пересечение кривых (см. рис. 3.3) способствует стабильности напряжения на дуге.

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы). Источники переменного тока более распро-странены, так как обладают рядом преимуществ: проще в эксплуатации, долговечнее, выше КПД.

Схема процесса ручной дуговой сварки Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, кото-

рые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 3.4) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1.

+ –

lд

А К

Uд

Uк

Uст

Uа

Рис. 3.2. Падение напряжения в дуге

I

UUхх

Iкз

12

Рис. 3.3. Внешняя характеристика

источника сварочного тока и ее со-отношение со статической вольт-амперной характеристикой дуги

39 Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями сте-

кает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности рас-плавленного металла. Метал-лическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак после остыва-ния образует твердую шлако-вую корку 2.

В перегретой сварочной ванне протекает ряд металлур-гических процессов: испаре-ние или окисление (выгора-ние) некоторых легирующих элементов, например углерода, марганца, кремния, хрома и др., и насыщение расплавлен-ного металла кислородом, азо-том и водородом из окружающего воздуха. В результате возможно изме-нение состава сварного шва по сравнению с электродным и основным ме-таллом, а также понижение его механических свойств, особенно вследст-вие насыщения шва кислородом. Для обеспечения заданных состава и свойств шва в покрытие вводят легирующие элементы и элементы-раскислители.

Область применения ручной дуговой сварки. Сварка изделий с ко-роткими и прерывистыми швами сложной конфигурации, когда трудно ав-томатизировать процесс. Ручной дуговой сваркой можно сваривать сталь, чугун, медь и медные сплавы.

Основное достоинство ручной дуговой сварки. Возможность сварки в любом пространственном положении (в том числе на стене, на потолке).

Недостатки ручной дуговой сварки. Трудность сварки тонкого ме-талла (менее 1 мм), большой срок обучения квалифицированного сварщи-ка, зависимость качества работы от квалификации сварщика, относительно малая производительность.

Типы соединений свариваемых заготовок для ручной дуговой сварки: 1) Соединение стыковое без разделки кромок (рис. 3.5, а): Для заго-

товок толщиной S<3 мм.

Рис. 3.4. Схема процесса сварки

металлическим покрытым электродом

40 2) Соединение стыковое с V-образной разделкой кромок (рис. 3.5, б):

для заготовок толщиной S=3...21 мм. 3) Соединение стыковое с X-образной разделкой кромок (рис. 3.5, в):

для заготовок толщиной S=21...30 мм. Сварка такого соединения требует доступа к нему с двух сторон.

4) Соединение угловое без разделки кромок (рис. 3.5, г): для загото-вок толщиной S<8 мм.

5) Соединение угловое с V-образной разделкой одной из кромок (рис. 3.5, д): для заготовок толщиной S=8...26 мм.

6) Соединение угловое с V-образной разделкой обоих кромок (рис. 3.5, е): для заготовок толщиной S>26 мм.

7) Соединение тавровое без разделки кромок (рис. 3.5, ж): для заго-товок толщиной S<6 мм.

Рис. 3.5. Типы соединений свариваемых заготовок для ручной дуговой сварки

8) Соединение тавровое с двухсторонней разделкой кромки (рис.

3.5, з): для заготовок толщиной S>6 мм. 9) Соединение нахлесточное без разделки кромок (рис. 3.5, и): для

заготовок толщиной S=2...6 мм.

3.3. Электроды для ручной дуговой сварки стали. Марки сварочной проволоки, типы и марки электродов

Электроды для ручной дуговой сварки представляют собой стерж-

ни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из свароч-ной проволоки повышенного качества.

41 Химический состав стержней этих электродов характеризуется мар-

кой сварочной проволоки. Пример маркировки сварочной проволоки: Св08, Св08А, Св10,

Св10А. Здесь двухзначная цифра означает содержание углерода в сотых до-

лях процента. Буква «А» означает пониженное содержание вредных при-месей S и P в стали. В марках сварочной проволоки указывается содержа-ние легирующих элементов, например, для сварки низколегированных ста-лей: Св10ГС, Св08Г2С. Для сварки высоколегированных сталей: Св06Х19Н10М3Т, Св07Х25Н13.

Тип электрода характеризует либо предел прочности на растяжение сварного шва: Э38 (в>38 кгс/мм2), Э42, ... , Э150; либо химический состав наплавленного металла (Э-09МХ, Э-10Х5МФ и т. д.).

Марка электрода определяет технологию сварки (характер электри-ческого тока, его полярность, расположение шва в пространстве). Марка электрода и состав покрытия должны быть взаимосвязаны.

По своему назначению компоненты, входящие в состав покрытия электрода, разделяются на несколько групп:

– Вещества-стабилизаторы (улучшающие стабильность горения дуги. Это вещества, имеющие низкий потенциал ионизации: соединения щелочных металлов – силикат натрия, кальцинированная сода).

– Газообразующие компоненты (защищающие сварочную ванну от контакта с атмосферой воздуха, то есть выделяющие при сгорании угле-кислый газ: крахмал, целлюлоза, древесная мука, мел, известняк).

– Шлакообразующие компоненты (защита шва образованием шлако-вой корки, так как газообразующие компоненты защищают металл только в области дуги – полевой шпат, кремнезем SiO2).

– Раскислители (для удаления кислорода из металла сварочной ван-ны. Несмотря на все меры защиты, кислород все же попадает в жидкую ванну и при ее остывании образуются трещины. Вещества, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа: ферросплавы ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др.).

– Легирующие компоненты (для легирования металла шва). – Связующие вещества (для предотвращения осыпания покрытия –

жидкое стекло и др.).

3.4. Дуговая сварка под флюсом Ручной дуговой сварке свойственны следующие недостатки: а) низ-

кая производительность; б) качество швов сильно зависит от квалифика-ции сварщика; в) значительные потери металла (до 25 %) за счет разбрыз-гивания и окисления.

42 Указанные недостатки обуславливают целесообразность применения

других видов сварки, при которых используются более эффективные спо-собы защиты металла в зоне сварки, и в частности сварки под флюсом.

Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непо-крытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Диаметр сварочной проволоки 1...3 мм.

Подача и перемещение электродной проволоки при сварке под флю-сом автоматизированы.

В процессе автоматической сварки под флюсом (рис. 3.6) дуга 10 го-рит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металличе-ская ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30...50 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего во-круг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла – ванна жидкого шлака 4.

По мере поступательного движения электрода происходит затверде-вание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва 7, по-крытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу и переме-щают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи 2 и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод 1.

Рис. 3.6. Схема процесса автоматической

дуговой сварки под флюсом

Основные преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной дуговой сваркой:

1) Повышение производительности процесса сварки в 5...20 раз. Достигается за счет использования больших сварочных токов (до

2000 А) и непрерывности процесса сварки. Применение непокрытой про-волоки позволяет приблизить токопровод на расстояние 30...50 мм от дуги

43 и тем самым устранить опасный разогрев электрода при большой силе то-ка.

2) Качество шва улучшается. Повышенное качество сварных швов обусловлено получением более

высоких механических свойств наплавленного металла благодаря надеж-ной защите сварочной ванны флюсом, интенсивному раскислению и леги-рованию вследствие увеличения объема жидкого шлака, сравнительно медленного охлаждения шва под флюсом и твердой шлаковой коркой; улучшением формы и поверхности сварного шва и постоянством его раз-меров по всей длине вследствие регулирования режима сварки, механизи-рованной подачи и перемещения электродной проволоки.

3) Экономия металла. Плотная флюсовая защита сварочной ванны предотвращает разбрыз-

гивание и угар расплавленного металла. 4) Санитарные условия труда улучшаются. Отпадает необходимость

в защите глаз и лица сварщика от лучевого воздействия дуги. 5) КПД процесса возрастает. 6) Благодаря повышенной силе тока увеличивается глубина провара. Можно сваривать металл большой толщины (до 20 мм) за один про-

ход без разделки кромок. Автоматическая сварка под флюсом имеет ряд существенных

недостатков: Невозможность визуального наблюдения за процессом формирова-

ния шва (нет визуального контроля за положением электрода). Трудность или невозможность сварки швов в потолочном положе-

нии и на вертикальной плоскости. Наклон плоскости шва относительно го-ризонтали должен составлять не более 10...15 0, иначе произойдет осыпа-ние флюса.

Повышенные требования к чистоте свариваемых кромок и сборке деталей.

Флюсы служат для изоляции сварочной ванны от атмосферы возду-ха, обеспечения устойчивого горения дуги, формирования поверхности шва и получения заданных состава и свойств наплавленного металла. Флюсы классифицируют по назначению, химическому составу и способу изготовления. По назначению они разделяются на флюсы для сварки низ-коуглеродистых и низколегированных сталей, легированных и высоколе-гированных сталей, цветных сплавов.

Под флюсом сваривают стали различных классов, реже цветные сплавы.

44 3.5. Дуговая сварка в среде защитных газов

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна

защищены струёй защитного газа. В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон и ге-

лий) и активные (углекислый газ, азот, водород и др.), иногда – смеси двух газов или более. В нашей стране наиболее распространено применение ар-гона Ar и углекислого газа CO2.

Аргон – бесцветный газ, в 1,38 раза тяжелее воздуха, нерастворим в жидких и твердых металлах. Поставляют и хранят аргон в стальных балло-нах в сжатом газообразном состоянии под давлением 15 МПа.

Углекислый газ бесцветный, со слабым запахом, в 1,52 раза тяжелее воздуха, нерастворим в твердых и жидких металлах. Выпускают углекис-лый газ сварочный, пищевой и технический, имеющие соответственно чистоту 99,5, 98,5 и 98,0 %. Для сварки газ поставляют и хранят в стальных баллонах в сжиженном состоянии под давлением 7 МПа.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные виды сварки в среде защитных газов.

Аргонодуговая сварка стали неплавящимся электродом

Рис. 3.7. Схема аргонодуговой сварки стали вольфрамовым электродом: 1 – присадочный

стальной пруток или проволока; 2 – сопло; 3 – токоподводящий мундштук; 4 – корпус горелки;

5 – неплавящийся вольфрамовый электрод; 6 – рукоять горелки; 7 – атмосфера аргона;

8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла

45 Особенности процесса: – электрод – неплавящийся вольфрамовый (температура плавления

3370 0С, что выше температуры нагрева электрода в процессе сварки); – используется постоянный ток прямой полярности, улучшающий

стабильность горения дуги; – внешняя характеристика источника питания должна быть падаю-

щей (см. рис. 3.3 для ручной дуговой сварки стали). Сварку неплавящимся электродом применяют, как правило, при со-

единении металла толщиной 0,5...6 мм. Можно сваривать с расплавлением только основного металла (толщиной до 3 мм), а при необходимости полу-чения усиления шва или заполнения разделки кромок (толщина более 3 мм) – и присадочного материала 1 (прутка или проволоки, рис. 3.7). По-следний подают в дугу вручную или механизмом подачи.

При применении аргона в качестве защитного газа на поверхности сварного шва отсутствуют оксиды и шлаковые включения. Аргонодуговая сварка алюминиевых сплавов неплавящимся электродом

Рис. 3.8. Схема аргонодуговой сварки

алюминиевого сплава вольфрамовым электродом: 1 – присадочный пруток или проволока из алюминиевого сплава;

2 – сопло; 3 – токоподводящий мундштук; 4 – корпус горелки; 5 – неплавящийся вольфрамовый электрод; 6 – рукоять горелки; 7 – атмосфера аргона; 8 – сварочная дуга;

9 – ванна расплавленного металла

Особенности процесса: – электрод – неплавящийся вольфрамовый; – сварка ведется на переменном токе;

46 – для зажигания дуги без короткого замыкания в сварочную цепь

включается маломощный высоковольтный аппарат, называемый осцилля-тором. Он вырабатывает напряжение U=3000...8000 В, но чтобы оно было безопасным для сварщика, напряжение имеет высокую частоту (f = 250...500 кГц);

– внешняя характеристика источника питания должна быть падаю-щей (см. рис. 3.3 для ручной дуговой сварки стали);

– используется присадочная проволока из алюминиевого сплава. Схема процесса приведена на рис. 3.8. При сварке неплавящимся электродом на переменном токе сочета-

ются преимущества дуги на прямой и обратной полярностях. Дуга прямой полярности горит стабильнее, однако дуга обратной полярности обладает одним важным технологическим свойством: при ее действии с поверхно-сти свариваемого металла удаляются оксиды. Одно из объяснений этого явления заключается в том, что поверхность металла бомбардируется тя-желыми положительными ионами аргона, которые механически разруша-ют пленки оксидов. Процесс удаления оксидов также известен как катод-ное распыление. Указанные свойства дуги обратной полярности исполь-зуют при сварке алюминия, магния и их сплавов, применяя для питания дуги переменный ток.

Асимметрия электрических свойств дуги, обусловленная ее меньшей электрической проводимостью при обратной полярности по сравнению с прямой, приводит к ряду нежелательных явлений. В результате выпрям-ляющей способности дуги появляется постоянная составляющая тока пря-мой полярности. В этих условиях дуга горит неустойчиво, ухудшается очистка поверхности сварочной ванны от тугоплавких оксидов и наруша-ется процесс формирования шва. Поэтому для питания дуги в аргоне пере-менным током применяют специальные источники тока. В их схему вклю-чают стабилизатор горения дуги – электронное устройство, подающее им-пульс дополнительного напряжения на дугу в полупериод обратной поляр-ности.

Аргонодуговая сварка алюминиевых сплавов плавящимся электродом Особенности процесса: а) сварка ведется на постоянном токе обратной полярности (за счет

катодного распыления обеспечивается удаление тугоплавкой пленки окси-да Al2O3 с поверхности сварочной ванны);

б) электрод – проволока из алюминиевого сплава; в) внешняя характеристика источника питания должна быть полого

падающей или жесткой. Схема процесса приведена на рис. 3.9. Нормальное протекание процесса сварки и хорошее качество шва

обеспечиваются при высокой плотности тока (100 А/мм2 и более). При не-высокой плотности тока имеет место крупнокапельный перенос расплав-

47 ленного металла с электрода в сварочную ванну, приводящий к пористости шва, сильному разбрызгиванию расплавленного металла и малому про-плавлению основного металла. При высоких плотностях тока перенос рас-плавленного металла с электрода становится мелкокапельным или струй-ным. В условиях действия значительных электромагнитных сил быстро-движущиеся мелкие капли сливаются в сплошную струю. Такой перенос электродного металла обеспечивает глубокое проплавление основного ме-талла, формирование плотного шва с ровной и чистой поверхностью и раз-брызгивание в допустимых пределах.

В соответствии с необхо-димостью применения высоких плотностей тока для сварки пла-вящимся электродом используют проволоку малого диаметра (0,6...3 мм) и большую скорость ее подачи. Такой режим сварки обеспечивается только механизи-рованной подачей проволоки в зону сварки. Повышенная плот-ность тока обуславливает необхо-димость применения источника питания с пологопадающей (рис. 3.10) или жесткой внешней ха-рактеристикой.

Пологопадающая внешняя характеристика источника питания пере-

секается со статической вольтамперной характеристикой дуги при боль-ших значениях сварочного тока (см. рис. 3.10). Для сравнения: при ручной дуговой сварке используется круто падающая внешняя характеристика ис-точника питания, что обеспечивает сравнительно небольшие значения сва-рочного тока в рабочем режиме (см. рис. 3.3).

I

U

1

Рис. 3.10. Пологопадающая

внешняя характеристика источника сварочного тока для сварки алюминиевого

сплава плавящимся электродом: 1 –точка стабильного устойчивого

горения дуги (рабочий режим)

Рис. 3.9. Схема аргонодуговой сварки

алюминиевого сплава плавящимся электродом: 2 – сопло; 3 – токоподводящий

мундштук; 4 – корпус горелки; 7 – атмосфера аргона; 8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла; 10 – кассета с проволокой; 11 – механизм подачи;

12 – плавящийся металлический электрод

48 Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. В дан-

ном случае электрические свойства дуги в значительной степени опреде-ляются наличием ионизированных атомов металла электрода в столбе ду-ги. Поэтому дуга обратной полярности горит устойчиво и обеспечивает нормальное формирование шва, в то же время ей соответствуют повышен-ная скорость расплавления проволоки и производительность процесса сварки.

Дуговая сварка стали в атмосфере углекислого газа Особенности процесса: – Выполняется только плавящимся электродом без покрытия. – Ток постоянный обратной полярности. Плотность тока повышен-

ная по сравнению с ручной дуговой сваркой. – Применяется специальная сварочная проволока с большим содер-

жанием раскислителей марганца и кремния. Диаметр сварочной проволоки 0,8...2 мм.

Режим сварки в среде CO2 обусловлен теми же особенностями переноса электродного металла и формирования шва, которые рас-смотрены для сварки плавящимся электродом в аргоне.

При применении CO2 в каче-стве защитного газа при высоких температурах сварочной дуги CO2 диссоциирует на оксид углерода СО и кислород О, который, если не принять специальных мер, приводит к окислению свариваемого металла и легирующих элементов. Окисли-тельное действие кислорода нейтра-лизуется введением в проволоку до-полнительного количества раскис-лителей марганца и кремния. По-этому для сварки в CO2 углероди-стых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием этих элементов (Св-08ГС, Св-10Г2С и т. д.). На поверхности шва образуется тонкая шлаковая корка из оксидов раскислителей.

Сварка в атмосфере углеки-слого газа в зависимости от степени

Рис. 3.11. Схема сварки в атмосфере угле-кислого газа плавящимся электродом: 2 – сопло; 3 – токоподводящий мундштук; 4 – корпус горелки; 7 – атмосфера CO2; 8 – сварочная дуга; 9 – ванна расплавленного металла; 10 – кассета с проволокой; 11 – механизм подачи; 12 – плавящийся метал-лический электрод

49 механизации процессов подачи сварочной проволоки и перемещения сва-рочной горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматиче-ской.

Схема процесса приведена на рис. 3.11. Преимущества сварки в среде CO2 по сравнению с ручной дуговой

сваркой и сваркой под флюсом: более высокая степень защиты расплавленного металла от воздей-

ствия воздуха; возможность ведения процесса во всех пространственных положе-

ниях; возможность визуального наблюдения за процессом формирования

шва и его регулирования; более высокая производительность процесса, чем при ручной дуго-

вой сварке; относительно низкая стоимость сварки в углекислом газе. В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой и низко-

легированной сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т. д.). Пре-имущество полуавтоматической сварки в CO2 с точки зрения ее стоимости и производительности часто приводит к замене ею ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

3.6. Газовая сварка Сущность процесса: используется теплота реакций окисления горю-

чих газов в струе кислорода. В качестве горючего газа как правило

применяется ацетилен С2H2, так как он имеет 2 достоинства перед другими горю-чими газами:

1) Наибольшую температуру в зоне газового пламени (3150...3200 0С). Другие горючие газы (природный газ, водород, па-ры бензина и керосина) не обеспечивают необходимую температуру пламени.

2) Наибольший тепловой эффект при сгорании 1 м3 газа.

Газовое пламя имеет 3 характерные зоны (рис. 3.12): I – ядро; II – средняя, или восстановительная зона (в которой происходит неполное сгорание ацетилена); III – факел.

Рис. 3.12. Схема газового пламени

50 На расстоянии 3...5 мм от ядра, в средней зоне, находится точка

максимальной температуры (3150...3200 0С). Оплавление металла произво-дят именно в этой зоне пламени.

Схема газовой сварки приведена на рис. 3.13. Место соединения нагре-вают до расплавления высокотемпера-турным газовым пламенем. При нагре-ве газосварочным пламенем 4 кромки свариваемых заготовок 1 расплавляют-ся, а зазор между ними заполняется присадочным металлом 2, который вводят в пламя горелки 3 извне. Газо-вое пламя получают при сгорании го-рючего газа в атмосфере технически чистого кислорода.

Кислород, используемый для сва-рочных работ, поставляют к месту по-требления в стальных баллонах под

давлением 15 МПа. Баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надпи-сью «Кислород».

Ацетилен получают в специальных аппаратах – газогенераторах – при взаимодействии воды с карбидом кальция:

СаС2 + 2Н2O = Са(ОН)2 + С2H2 При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250...300 дм3 аце-

тилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне (в одном объеме ацетона при давле-нии 0,15 МПа растворяется 23 объема ацетилена). Последнее свойство ис-пользуют для его безопасного хранения в баллонах. Конструкция ацетиле-новых баллонов аналогична конструкции кислородных баллонов. Их ок-рашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись «Ацети-лен».

Для газовой сварки применяют горелки, действующие по принципу инжектора: поток кислорода O2 засасывает ацетилен С2H2. Такие горелки наиболее безопасны. Они имеют сменные наконечники с различными диа-метрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет ре-гулировать мощность ацетилено-кислородного пламени.

Регулируя количество ацетилена и кислорода, поступающих в горел-ку, можно получить нормальное, восстановительное и окислительное пла-мя, характер которого выбирают в зависимости от свариваемого металла.

Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают в зави-симости от состава сплава свариваемого металла. Для сварки чугуна при-меняют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износостой-ких покрытий – литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных

Рис. 3.13. Схема газовой сварки

51 металлов и некоторых специальных сплавов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст.

В связи с тем, что ацетилен является взрывоопасным газом, вначале сварки открывают кислородный вентиль, затем зажигается спичка и только после этого открывается ацетиленовый вентиль. В конце сварки – наобо-рот: вначале закрывается ацетиленовый вентиль, а потом – кислородный.

При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при ду-говой; это и определяет основные области ее применения: для сварки ме-таллов малой толщины (0,2...3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и ох-лаждения, например инструментальных сталей, чугуна, латуней; для пайки и наплавочных работ; для подварки дефектов в чугунных и бронзовых от-ливках. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые изделия значительно деформируются. Это ограничивает применение газо-вой сварки.

3.7. Контактная электрическая сварка

Контактная электрическая сварка относится к видам сварки с крат-ковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавлени-ем и осадкой (сдавливанием) разогретых заготовок. Характерная особен-ность этих процессов – пластическая деформация, в ходе которой форми-руется сварное соединение.

Таким образом, контактная сварка относится к термомеханическому классу сварки.

Место соединения разогревается проходящим по металлу электриче-ским током, причем максимальное ко-личество теплоты выделяется в месте сварочного контакта. Из-за неровно-стей поверхности стыка даже после тщательной обработки заготовки со-прикасаются только в отдельных точ-ках (рис. 3.14). В связи с этим действи-тельное сечение металла, через кото-рое проходит ток, резко уменьшается. Кроме того, на поверхности свари-ваемого металла имеются пленки оксидов и загрязнения с малой электро-проводимостью, которые также увеличивают электросопротивление кон-такта. В результате в точках контакта металл нагревается до термопласти-ческого состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании на-

Рис. 3.14. Физический контакт

52 гретых заготовок образуются новые точки соприкосновения, пока не про-изойдет полное сближение до межатомных расстояний, т. е. сварка по-верхностей.

Контактную сварку классифицируют по типу сварного соединения, определяющего вид сварочной машины: стыковую, точечную и шовную.

Стыковая сварка сопротивлением и с оплавлением Стыковая сварка – разновидность контактной сварки, при которой

заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. Свариваемые заготов-

ки закрепляют в зажимах стыковой машины (рис. 3.15). Зажим 3 установлен на подвижной плите 4, пере-мещающейся в направляю-щих, зажим 2 укреплен на неподвижной плите 1. Сва-рочный трансформатор со-единен с плитами гибкими шинами и питается от сети через включающее устрой-ство. Плиты перемещаются, и заготовки сжимаются под действием усилия Р, разви-ваемого механизмом осадки.

Для правильного формирования сварного соединения необходимо, чтобы процесс протекал в определенной последовательности. Совместное графическое изображение тока и давления, изменяющихся в процессе сварки, называют циклограммой сварки.

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют свар-кой сопротивлением, а при разогреве торцов заготовок до оплавления и по-следующей осадкой – сваркой оплав-лением.

Циклограмма контактной сты-ковой сварки сопротивлением пред-ставлена на рис. 3.16. Перед сваркой заготовки должны быть очищены от оксидных пленок и торцы их плотно пригнаны друг к другу. Для подгонки необходима механическая обработка торцов.

Рис. 3.15. Схема контактной стыковой сварки

Рис. 3.16. Циклограмма контактной стыковой сварки сопротивлением

53 Заготовки сдавливаются усилием Р, затем включается ток I, металл

разогревается до пластического состояния (но не расплавляется), затем за-готовки снова сдавливают (осаживают). В месте сварки образуется усиле-ние металла.

Сваркой сопротивлением соединяют заготовки малого сечения (до 100 мм2), так как при больших сечениях нагрев будет неравномерным. Се-чения соединяемых заготовок должны быть одинаковыми по форме с про-стым периметром (круг, квадрат, прямоугольник с малым отношением сторон). Сваркой сопротивлением можно сваривать низкоуглеродистые, низколегированные конструкционные стали, алюминиевые и медные спла-вы.

При стыковой сварке с оплавлением детали закрепляют в зажимах машины с зазором, затем подключают электрическое напряжение. После этого детали сближают и в отдельных точках их контакта проходит элек-трический ток высокой плотности. Зона соединения деталей при этом рас-плавляется.

Сварка оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопротивле-нием. В процессе оплавления выравниваются все неровности стыка, а ок-сиды и загрязнения удаляются, поэтому не требуется особой подготовки места соединения. Можно сваривать заготовки с сечением сложной фор-мы, а также заготовки с различными сечениями, разнородные металлы (быстрорежущую и углеродистую стали, медь и алюминий и т. д.).

Наиболее распространенными изделиями, изготовляемыми стыковой сваркой, являются элементы трубчатых конструкций, колеса и кольца, ин-струмент, рельсы, железобетонная арматура. Электрическая точечная и шовная сварка

Точечная сварка – разновидность кон-тактной сварки, при которой соединяемые детали свариваются на поверхности их каса-ния в отдельных точках, сжатых электрода-ми.

При точечной сварке заготовки соби-рают внахлестку и зажимают с усилием Р между двумя электродами, подводящими ток к месту сварки (рис. 3.17). Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свари-ваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжают до пластического состояния внешних слоев и до расплавления внутренних слоев. Затем вы-ключают ток и снимают давление. В результате образуется литая сварная точка.

Рис. 3.17. Схема контактной

точечной сварки

54

Рис. 3.18. Типы сварных соединений точечной сварки

Некоторые типы сварных соединений, выполняемых точечной свар-

кой, показаны на рис. 3.18. Точечную сварку применяют для изготовления изделий из низкоуглеродистых, углеродистых, низколегированных и высо-

колегированных сталей, алюми-ниевых и медных сплавов. Толщи-на свариваемых металлов состав-ляет 0,5...5 мм.

Шовная (роликовая) сварка – разновидность контактной сварки, при которой между свариваемыми деталями образуется непрерывный шов путем непрерывного или пре-рывистого пропускания тока меж-ду движущимися роликами.

В процессе шовной сварки листовые заготовки 1 соединяют внахлестку, зажимают между элек-

тродами 2 (рис. 3.19) и пропускают ток. При движении роликов по заго-товкам образуются перекрывающие друг друга сварные точки, в результа-те чего получается сплошной герметичный шов.

Шовную сварку применяют в массовом производстве при изготовле-нии различных сосудов. Толщина свариваемых листов составляет 0,3...3 мм. Шовной сваркой выполняют те же типы сварных соединений и свари-вают те же сплавы, что и точечной, но используют для получения герме-тичного шва.

3.8. Специальные термические процессы в сварочном производстве К сварочным процессам помимо процессов соединения относят так-

же термическую резку, наплавку, напыление и ряд других методов обра-ботки материалов.

Термическая резка Термическая резка базируется на использовании широкого круга ис-

точников теплоты. К ним относятся газовое пламя, плазменная дуга, элек-тронный и лазерный лучи. Она позволяет разрезать металлы и сплавы са-

Рис. 3.19. Схема шовной сварки

55 мых различных толщин (от десятков миллиметров до долей миллиметра), любого химического состава, обеспечивать достаточно высокую точность и чистоту реза. Причем возможно осуществлять непрерывный процесс резки, прошивать отверстия в заготовках, производить поверхностную резку (снятие слоя металла с заготовки).

Основной разновидностью термической резки является кислородная резка металлов. Она заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся оксидов.

Кислородная резка металлов происходит в две стадии: – место начала резки подогревается пламенем газовой горелки до

температуры воспламенения металла в струе кислорода; – открывается основной «режущий» вентиль кислорода – металл сго-

рает в струе кислорода. Требования, предъявляемые к металлу, подвергаемому кислородной

резке: – Температура горения металла в струе кислорода должна быть

меньше температуры плавления этого металла (металл должен гореть, а не плавиться).

– Температура плавления окислов металла, образующихся при резке, должна быть меньше температуры горения металла. Кроме того, образую-щиеся оксиды должны быть достаточно жидкотекучими и легко выдувать-ся вниз струей режущего кислорода.

– Теплоты, выделяющейся при горении, должно быть достаточно для поддержания непрерывного процесса резки.

– Теплопроводность металла, подвергаемого резке, не должна быть очень высокой. В противном случае теплота слишком интенсивно отво-дится и процесс резки прерывается.

Практически указанным требованиям отвечают чистое железо, низ-коуглеродистые и низколегированные стали.

Не годятся для кислородной резки чугун, алюминиевые и медные сплавы.

Обычно кислородную резку используют для разрезания металлов толщиной 5...300 мм.

Плазменно-дуговую резку выполняют плазменной дугой и плазмен-ной струей. При резке плазменной дугой металл выплавляется из полости реза направленным потоком плазмы (полностью ионизированного газа), совпадающим с токоведущим столбом создающей его дуги прямого дейст-вия. Этим способом можно разрезать толстые листы алюминия и его спла-вов (до 80...120 мм), высоколегированную сталь и медные сплавы, то есть те материалы, которые не годятся для кислородной резки. Плазменной струей, полученной в столбе дугового разряда независимой дуги, разреза-ют неэлектропроводные материалы (например, керамику), тонкие сталь-ные листы, алюминиевые и медные сплавы, жаропрочные сплавы и т. д.

56 При плазменной резке используют аргон, его смесь с водородом, воздух и другие плазмообразующие газы.

Наплавка Наплавка – процесс, при котором на поверхность детали наносится

слой металла требуемого состава. Наплавку применяют при ремонте изношенных деталей для восста-

новления их исходных размеров и для изготовления новых изделий. Масса наплавленного металла обычно не превышает нескольких процентов от общей массы изделия. Проплавление основного металла и перемешивание основного и наплавленного металлов должно быть минимальным для со-хранения механических свойств наплавляемого слоя.

Для наплавочных работ создано большое количество различных сплавов, разработано множество марок наплавочных электродов, кроме то-го, можно применять электроды общего назначения.

Ручная дуговая наплавка металлическими электродами – самый про-стой и распространенный способ наплавки. Ее выполняют короткой дугой на минимальном токе.

Существует также много других разновидностей наплавки с исполь-зованием плазменной дуги, газового пламени, плавящегося электрода в защитном газе, порошковой проволоки и пластинчатого электрода.

Напыление При напылении расплавленные по всему объему или по поверхности

частицы материала будущего покрытия направляются на поверхность на-гретой заготовки. При соударении с поверхностью частица деформируется, обеспечивая хороший физический контакт с деталью. Характер взаимодей-ствия частицы с материалом подложки (детали), последующая кристалли-зация частиц определяют качество адгезии покрытия с подложкой. После-дующие слои формируются уже за счет связей частиц друг с другом, име-ют чешуйчатое строение и существенно неоднородны.

По мере повышения стоимости объемного легирования и стремления получить требуемые эксплуатационные свойства более экономичным спо-собом (легированием только поверхности изделия) напыление становится все более предпочтительным и перспективным.

Для напыления используют источники тепла: газовое пламя, плазму, ионный нагрев, нагрев в печах, лазер и др.

Наибольшее распространение получили процессы газоплазменного и плазменного напыления. Материал для напыления подается в пламя горел-ки или плазменную дугу в виде проволоки или порошка, где происходит нагрев и распыление частиц, которые тепловым потоком источника нагре-ва разгоняются и попадают на поверхность напыляемой детали.

Иной способ формирования покрытий при нагреве в печах. В этом случае нагретая деталь контактирует с материалом покрытия, находящим-ся в виде порошка или газовой фазы. Получаемое таким методом покрытие

57 имеет высокую адгезию к поверхности детали за счет активных диффузи-онных процессов, происходящих в период достаточно длительной вы-держки в печи при высокой температуре.

Все большее распространение получают ионно-плазменные методы нанесения износостойких и декоративных покрытий.

3.9. Пайка металлов Пайкой называется процесс получения неразъемного соединения за-

готовок с нагревом ниже температуры их автономного расплавления пу-тем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавлен-ным припоем и сцепления их при кристаллизации шва.

Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного со-става.

Для удаления оксидов с поверхности паяемого материала и припоя применяются специальные паяльные флюсы.

Образование соединения без расплавления основного металла обес-печивает возможность распая изделия.

Паять можно углеродистые и легированные стали всех марок, твер-дые сплавы, цветные металлы, серые и ковкие чугуны.

По условию заполнения зазора пайку можно разделить на капилляр-ную и некапиллярную.

При капиллярной пайке припой заполняет зазор между соединяемы-ми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил (рис. 3.20). Паяльный зазор должен иметь определенную величину, чтобы про-являлись капиллярные явления. Соединение образуется за счет растворе-ния основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют при соединении внахлестку.

Рис. 3.20. Схема капиллярной пайки: а – перед пайкой;

б – после пайки; 1 – припой

58 При некапиллярной пайке припой заполняет зазор преимущественно

под действием своей массы или прилагаемой к ней извне силы. Соедине-ние деталей при некапиллярной пайке осуществляется приемами, харак-терными для сварки, только в качестве присадочного металла используется припой, т. е. металл или сплав, температура плавления которого ниже тем-пературы плавления основного металла.

Способы пайки также классифицируют в зависимости от используе-мых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка в печах, индукционная, погружением, газопламенная и паяльниками.

Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надеж-ность и др.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.

Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать сма-чивающей способностью, быть дешевым и недефицитным.

Флюс не должен химически взаимодействовать с припоем. Темпера-тура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и газообразном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура Nа2В4O7, борная кислота Н2ВО3, хлористый цинк ZnCl2, фтористый калий KF и др.

Преимущества процесса пайки. Пайкой можно изготавливать слож-ные по конфигурации узлы и целые конструкции, состоящие из нескольких деталей, за один производственный цикл (нагрев), что позволяет рассмат-ривать пайку (в отличие от сварки) как групповой метод соединения мате-риалов и превращает ее в высокопроизводительный технологический про-цесс, легко поддающийся автоматизации.

Пайка уменьшает, а иногда полностью исключает остаточные на-пряжения и деформации.

Важное преимущество пайки – возможность соединения разнород-ных металлов, а также металлов с неметаллами.

С помощью пайки можно получать неразъемные и разъемные соеди-нения.

Недостаток пайки. По прочности паяные соединения уступают сварным.

Перечисленные выше преимущества пайки позволяют рассматри-вать ее как прогрессивный технологический процесс, находящий все более широкое применение в производстве.

59 3.10. Свариваемость сталей

Свариваемость – это комплекс свойств сплава, определяющих воз-

можность получения сварного соединения с заданными свойствами при определенном технологическом процессе сварки.

Сваривать можно все стали. Но для одних сплавов технология сварки – простейшая, для других – осложнена предварительным подогревом, по-следующей термообработкой и т. д.

С ростом углерода свариваемость сталей ухудшается, так как: Снижается пластичность стали (возникающие напряжения приво-

дят к образованию трещин). При содержании углерода С > 0,3...0,35 % появляется закаливае-

мость. Образующиеся закалочные структуры обладают высокой хрупко-стью и способствуют образованию в шве и околошовной зоне трещин, снижаются механические свойства металла шва.

На свариваемость сталей также влияет содержание легирующих эле-ментов. Большинство легирующих элементов ухудшает свариваемость.

По свариваемости различают следующие группы сталей: 1. Хорошо сваривающиеся. Их сварка осуществляется по обычной технологии. Примеры марок сталей данной группы: Ст1...Ст4, Сталь 08...Сталь

25, Сталь 15Х, Сталь 20Х, Сталь 20ХГСА, Сталь 12Х2Н4А. 2. Удовлетворительно сваривающиеся. Для предотвращения появления трещин при сварке этих сталей необ-

ходимо принять меры: а) предварительный подогрев изделия перед сваркой (примерно до

200 0С); б) последующая термообработка изделия (отжиг или высокий отпуск

для снятия остаточных напряжений). Достаточно выполнить одно из условий – пункт а) или б). При низких температурах сварка сталей данной группы не допуска-

ется (при быстром охлаждении шов закаливается, что вызывает образова-ние трещин).

Примеры марок сталей данной группы: Ст5, Сталь 30, Сталь 35, Сталь 20ХН3А.

3. Ограниченно сваривающиеся стали. Это стали, склонные к образованию трещин при сварке в обычных

условиях. При сварке этих сталей применяются те же меры защиты, что и для 2

группы, но выполняются вместе условия а) и б). Примеры марок сталей данной группы: Ст6, Сталь 40...Сталь 50,

Сталь 35ХМ, Сталь 33ХС, Сталь 5ХНМ. 4. Плохо сваривающиеся стали.

60 Это стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и наиболее склон-

ные к образованию трещин. Перед сваркой проводится термообработка (отжиг или высокий от-

пуск). Непосредственно перед сваркой проводится предварительный по-догрев изделий (до 200...300 0С). После сварки также обязательна термооб-работка для снятия остаточных напряжений.

Примеры марок сталей данной группы: Сталь 40Г...Сталь 70Г, Сталь 60С2, Сталь 60С2А, Сталь 55С2, Сталь 55С2А, Сталь 65...Сталь 85, У7...У13, У7А...У13А.

Из-за сложности сварки эти стали в сварных конструкциях приме-няют довольно редко.

При сварке высокоуглеродистых сталей уменьшения склонности к образованию трещин добиваются снижением содержания углерода в на-плавленном металле путем применения сварочной проволоки с меньшим содержанием углерода по сравнению с основным металлом. Одновременно шов легируют марганцем и кремнием, которые обеспечивают сохранение механических свойств металла шва.

4. ЛЕЗВИЙНАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН РЕЗАНИЕМ

4.1. Общая характеристика лезвийной механической

обработки резанием Обработка резанием – это процесс получения детали требуемой

геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и ше-роховатости поверхностей за счет механического срезания с поверхно-стей заготовки режущим инструментом материала технологического припуска в виде стружки.

Обработка резанием является универсальным методом размерной обработки. Метод позволяет обрабатывать поверхности деталей различной формы и размеров с высокой точностью из наиболее используемых конст-рукционных материалов. Он обладает малой энергоемкостью и высокой производительностью. Вследствие этого обработка резанием является ос-новным, наиболее используемым в промышленности процессом размерной обработки деталей.

Резанием обрабатывают литые, кованые и полученные другими ме-тодами пластического деформирования заготовки, а также заготовки, по-лученные сваркой.

В зависимости от используемого типа инструмента способы механи-ческой обработки подразделяют на лезвийные и абразивные.

61 Отличительной особенностью лезвийных способов обработки являет-

ся наличие у обрабатывающего инструмента острой режущей кромки (ли-бо нескольких кромок) определенной геометрической формы.

Для абразивных способов обработки характерно наличие множества различным образом ориентированных режущих зерен абразивного инстру-мента, каждое из которых представляет собой микроклин.

Основными способами лезвийной обработки являются точение, сверление, фрезерование, строгание и протягивание. В основу классифи-кации способов обработки заложен вид используемого инструмента и ки-нематика движений. Любой способ обработки включает два движения: главное – движение резания (обозначается V) – и вспомогательное –движение подачи (обозначается S). Главное движение обеспечивает съем металла, а вспомогательное – подачу в зону обработки следующего необ-работанного участка заготовки. Эти движения осуществляются за счет пе-ремещения заготовки или инструмента.

В зависимости от точности размеров и шероховатости получаемой поверхности различают черновую и чистовую обработки резанием. Чисто-вая обработка характеризуется большей точностью размеров и меньшей шероховатостью поверхности по сравнению с черновой.

Любой лезвийный инструмент состоит из рабочей части, включаю-щей режущие лезвия, образующие их поверхности, режущие кромки, и крепежной части, предназначенной для установки и закрепления в рабочих органах станка.

Основным режущим элемен-том любого лезвийного инструмента является режущий клин определен-ной геометрической формы (рис. 4.1). Его твердость и прочность должны существенно превосходить твердость и прочность обрабатывае-мого материала, обеспечивая его ре-жущие свойства. К инструменту прикладывается усилие резания P, равное силе сопротивления материа-ла резанию, и сообщается перемеще-ние относительно заготовки со скоростью V. Под действием приложенного усилия режущий клин врезается в заготовку и, разрушая обрабатываемый материал, срезает с поверхности заготовки стружку. В процессе образова-ния стружки металл заготовки претерпевает упругопластическую дефор-мацию, которая заканчивается разрушением и сопровождается рядом фи-зико-химических процессов: трением, износом инструмента, выделением тепла, вибрациями и т. д. Выбор материала режущей части лезвийного ин-

Рис. 4.1. Условная схема процесса

резания

62 струмента и ее геометрической формы зависит от вида обрабатываемого конструкционного материала заготовки.

Основные углы заточки лезвийного инструмента Режущий клин любого типа лезвийного инструмента может иметь

несколько углов заточки, однако основными из них, оказывающими наи-большее влияние на процесс резания, являются передний и задний уг-лы (рис. 4.2).

Они измеряются в одной плос-кости, так называемой главной секу-щей, которая при точении проводится перпендикулярно проекции главной режущей кромки клина (той, что ре-жет металл) на основную (горизон-тальную) плоскость.

Передний и задний углы – это основные углы заточки режущих кромок у любого вида лезвийного ин-струмента. Передний угол – это угол заточки передней поверхности.

Отличительной особенностью передней поверхности всегда являет-ся то, что по ней сходит стружка.

Задний угол – угол заточки задней поверхности, которая вместе с передней поверхностью образует режущий клин резца (см. рис. 4.2), зуба сверла, фрезы, протяжки и т. д.

Геометрические параметры режущего инструмента оказывают суще-ственное влияние на усилие резания, качество поверхности и износ инст-румента. Так, с увеличением переднего угла инструмент легче врезается в материал, снижаются силы резания, улучшается качество поверхности, но повышается износ инструмента. Наличие заднего угла снижает трение инструмента о поверхность резания, уменьшая его износ, но чрезмерное его увеличение ослабляет режущую кромку, способствуя ее разрушению при ударных нагрузках.

4.2. Точение Точение является основным способом обработки поверхностей тел

вращения. Процесс резания осуществляется на токарных станках при вращении

обрабатываемой заготовки (главное движение, обозначается символом V) и перемещении резца (движение подачи, обозначается символом S).

Рис. 4.2. Основные углы заточки

токарного резца

63 Токарные резцы

В качестве режущего инструмента при точении используются токар-ные резцы.

По технологическому назначению различают резцы (рис. 4.3, а): проходные 1...3 для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей; подрезные 4 для обтачивания плоских торцовых поверхно-стей; расточные 5 и 6 для растачивания сквозных и глухих отверстий; от-резные 7 для разрезания заготовок; резьбовые для нарезания наружных 8 и внутренних резьб; фасонные круглые 9 и призматические 10 для обтачива-ния фасонных поверхностей; прорезные для обтачивания кольцевых кана-вок и др.

Рис. 4.3. Токарные резцы

По характеру обработки различают резцы черновые, получистовые и

чистовые. По форме рабочей части резцы (рис. 4.3, а) делят на прямые 1, отогнутые 2, оттянутые 7. По направлению подачи резцы подразделяют на правые и левые (рис. 4.3, б). Правые работают с подачей справа налево, ле-вые – слева направо. По способу изготовления различают резцы целые, с приваренной встык рабочей частью, с приваренной или припаянной пла-стинкой инструментального материала, со сменными пластинками режу-щего материала.

Для высокопроизводительного точения с большими подачами ис-пользуют резцы с дополнительной режущей кромкой (см. рис. 4.3, б).

В промышленности применяют резцы с многогранными неперетачи-ваемыми твердосплавными пластинками (рис. 4.3, г). Когда одна из режу-щих кромок выходит из строя вследствие затупления, открепляют механи-ческий прижим пластинки и устанавливают в рабочее положение следую-щую кромку.

Токарный прямой проходной резец (рис. 4.4) имеет головку – рабо-чую часть I и тело – стержень II, который служит для закрепления резца в резцедержателе. Головка резца образуется при заточке и имеет следующие элементы: переднюю поверхность 1, по которой сходит стружка; главную заднюю поверхность 2, обращенную к поверхности резания заготовки; вспомогательную заднюю поверхность 5, обращенную к обработанной по-

64 верхности заготовки; главную режущую кромку 3 и вспомогательную 6; вершину 4. Инструмент затачивают по передней и задним поверхностям.

Основные операции точения С помощью точения выполняют следую-

щие основные операции: 1) Обтачивание – обработка наружных

цилиндрических и конических поверхностей (рис. 4.5, а). Выполняется прямыми, отогнуты-ми или упорными проходными резцами с про-дольной подачей.

2) Растачивание – обработка внутренних поверхностей (рис. 4.5, б, в). Выполняется рас-точными резцами, закрепленными в резцедер-жателе станка, с продольной подачей. Гладкие сквозные отверстия растачивают проходными

резцами (см. рис. 4.5, б), ступенчатые и глухие отверстия – упорными рас-точными резцами (см. рис. 4.5, в).

Рис. 4.5. Схемы обработки заготовок точением

3) Подрезание – обработка торцевых поверхностей (рис. 4.5, г). Вы-

полняется перед обтачиванием наружных поверхностей. Торцы подрезают подрезными резцами с поперечной подачей к центру или от центра заго-товки. При подрезании от центра к периферии поверхность торца получа-ется менее шероховатой.

4) Резьбонарезание – нарезание резьбы (рис. 4.5, д). Резьбу нарезают с продольной подачей резца Sпр. Форма режущих кромок резьбовых резцов

Рис. 4.4. Элементы токарного

прямого проходного резца

65 определяется профилем и размерами поперечного сечения нарезаемых резьб.

5) Резка – разрезание заготовок на части (рис. 4.5, е, ж). Выполняет-ся отрезными резцами с поперечной подачей. При отрезке детали резцом с прямой главной режущей кромкой (см. рис. 4.5, е) разрушается образую-щаяся шейка и приходится дополнительно подрезать торец готовой детали. При отрезке детали резцом с наклонной режущей кромкой (см. рис. 4.5, ж) торец получается чистым.

Кроме того, к токарным операциям относятся протачивание канавок и обтачивание фасонных поверхностей заготовок фасонными резцами или с помощью фасонных копиров.

Режим резания Основные задачи резания – обеспечить наибольшую производитель-

ность и требуемое качество поверхности детали при наименьшей себе-стоимости обработки. Таким образом, необходимо найти такие режимы ре-зания, при которых сочетание всех факторов, влияющих на стоимость об-работки, обеспечит наивыгоднейшие условия обработки конкретной заго-товки. Такие режимы называют оптимальными.

Обязательные элементы режима резания при любом виде лезвийной обработки следующие: глубина резания t, скорость резания V, скорость подачи S.

Рассмотрим элементы режима резания при точении (рис. 4.6). 1. Глубина резания t (мм) –

толщина слоя материала, срезаемая за один рабочий ход резца.

Это расстояние между обра-батываемой и обработанной по-верхностями заготовки, измерен-ное перпендикулярно к последней. При точении цилиндрической по-верхности глубина резания равна полуразности диаметров до и по-сле обработки (см. рис. 4.6): t=(D–d)/2. При подрезке канавок и отрезке глубина резания равна ши-рине отрезного резца. Рекомендуется глубину резания назначать равной расчетному максимально возможному значению, способствующему полу-чению поверхности требуемой формы и качества.

2. Скорость резания V (м/мин) – расстояние, пройденное точкой ре-жущей кромки инструмента относительно заготовки в единицу времени.

Наибольшей скоростью при токарной обработке будет обладать точ-ка с наибольшим радиусом цилиндрической или фасонной поверхности (на периферии заготовки). При частоте вращения заготовки n (об/мин) ско-

Рис. 4.6. Эскиз операции

продольного точения цилиндра

66 рость резания будет равна V=Dn / 1000, где D – диаметр обрабатывае-мой поверхности, мм (см. рис. 4.6).

Скорость резания при точении назначается по эмпирической (выве-денной экспериментально) зависимости:

KTSt

1CV myx

.

Значения коэффициентов С, К и показателей степени x, y, m выби-раются по таблицам из справочников (например, технолога-машиностроителя) в зависимости от конкретных условий резания: вида обработки (черновая либо чистовая), материала инструмента и заготовки, глубины резания t, геометрии инструмента, применения смазочно-охлаждающей жидкости и т. д.

В формулу входят также подача резца за один оборот заготовки S (мм/об), и стойкость резца T, (мин). Стойкость резца T – это время его не-прерывной работы до затупления, после чего резец необходимо перетачи-вать или заменять. Стойкость зависит в основном от вида инструменталь-ного материала.

3. Подача S (мм/об) – при точении это путь точки режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один оборот заготовки.

Назначается подача также по справочникам в зависимости от глуби-ны резания и других условий резания. Обычно при точении S=(0,05...0,25)t.

Проверка элементов режима резания по мощности электродвигателя станка

Выполняется в следующей последовательности: 1) Вычисляется тан-

генциальная (вертикаль-ная) составляющая усилия резания Pz, которая дейст-вует на резец в направле-нии движения резания (рис. 4.7).

Если обозначить символом R равнодейст-вующую всех сил, дейст-вующих на резец (см. рис. 4.7), то Pz – главная со-ставляющая силы резания, совпадающая по направ-лению со скоростью глав-ного движения резания в

Рис. 4.7. Разложение равнодействующей

сил резания на составляющие

67 вершине резца (тангенциальная); Px – осевая составляющая силы резания, параллельная оси X главного вращательного движения резания; Py – ради-альная составляющая силы резания, направленная по радиусу главного вращательного движения резания в вершине резца перпендикулярно к оси заготовки.

Наибольшее значение из всех трех компонентов имеет тангенциаль-ная сила Pz, по которой могут быть определены крутящий момент на шпинделе станка и эффективная мощность резания (мощность, необходи-мая для осуществления процесса резания).

Компонент Pz можно считать совпадающим по направлению с векто-ром скорости главного движения резания в вершине резца V (рис. 4.8).

Силу Pz (Н), определяют по эмпирической формуле:

pnyx

pz KVStCP , где Cp – коэффициент, учитывающий физико-механические свойства материала обрабатывае-мой заготовки; Kp – коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (углы резца, материал резца и т. д.). Значения коэффициентов Kp, Cp и показателей степеней x, y, n даны в спра-вочниках для конкретных условий обработки.

2) Определяется эффективная мощность резания Ne (кВт). Это мощ-ность, необходимая для вращения заготовки (она расходуется на деформи-рование и срезание с заготовки слоя металла). При точении цилиндриче-ской поверхности

100060VPN z

e

.

3) Должно выполняться условие eэл NN ,

где Nэл – мощность электродвигателя станка; – КПД механизмов и пере-дач станка.

То есть мощность электродвигателя станка должна быть больше или равна эффективной мощности резания с учетом потерь в приводе (КПД можно принять равным =0,75).

Если данное условие не выполняется, необходимо снизить число обо-ротов и скорость, подачу и глубину резания либо вести обработку на бо-лее мощном станке.

Нормирование токарной операции Производительность обработки Q при резании определяется числом

деталей, изготовляемых в единицу времени: Q=1/Tшт,

где Tшт – время изготовления одной детали.

Рис. 4.8. К определению направления тангенци-альной составляющей си-лы резания Pz

68 Tшт= To+ Tин+ Tвсп,

где To – основное (технологическое) время обработки, время, которое тра-тится непосредственно на обработку заготовки; Tин – время подвода и от-вода инструмента при обработке одной детали; Tвсп – вспомогательное время установки и настройки инструмента.

Таким образом, производительность обработки резанием в первую очередь определяется основным временем To.

При токарной обработке основное технологическое время To опреде-ляется по формуле

iSn

LTо

,

где i – число рабочих ходов резца, необходимое для снятия материала, ос-тавленного на обработку; L – расчетная длина обработки за один проход; n – число оборотов заготовки; S – подача резца за один оборот заготовки.

Расчетная длина обработки будет равна (см. рис. 4.6): L=l+l1+l2,

где l – длина обрабатываемой поверхности заготовки; l1 – длина врезки, l1 =t (ctg ) + (1...3) мм; l2 – длина выхода резца (перебег), l2 = (1...3) мм.

Наибольшая производительность будет при обработке с максималь-ной глубиной резания, максимальной подачей и максимальной скоростью резания. Однако при увеличении производительности снижается качество поверхности и повышается износ инструмента. Поэтому при обработке ре-занием решается задача по установлению максимально допустимой произ-водительности при сохранении требуемого качества поверхности и стой-кости инструмента.

К конструкциям деталей, обрабатываемых точением, предъявляет-ся ряд требований, обеспечивающих их технологичность при обработке. Технологичной является конструкция детали:

– масса которой уравновешена относительно оси вращения; – отсутствуют нежесткие валы и втулки; – в чертеже детали используются одинаковые радиусы скруглений; – режущий инструмент имеет свободный вход и выход из материала

заготовки; – отсутствуют фасонные поверхности, требующие изготовления фа-

сонных резцов; – диаметры ступеней ступенчатых валов располагаются по возрас-

тающей степени; – участки вала или отверстия, имеющие один и тот же размер, но

разный допуск, разделены кольцевой разделительной канавкой.

69 4.3. Сверление

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 поверхно-сти.

Сверление осуществляют при сочетании вращательного движения инструмента вокруг оси – главного движения и поступательного его дви-жения вдоль оси – движения подачи. Оба движения на сверлильном станке сообщают инструменту.

Процесс резания при сверлении протекает в более сложных услови-ях, чем при точении. В процессе резания затруднены отвод стружки и под-вод 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 резания вдоль режущей кромки от максимального значения на периферии сверла до нулевого значения у центра.

Режущий инструмент Отверстия на сверлильных станках обрабатывают сверлами, зенке-

рами, развертками и метчиками. 1. Сверла по конструкции и назначению подразделяют на спираль-

ные, центровочные и специальные. Наиболее распространенный для свер-ления и рассверливания инструмент – спиральное сверло (рис. 4.9), со-стоящее из рабочей части 6, шейки 2, хвостовика 4 и лапки 3.

Сверло спиральное служит для сверления отверстий в сплошном ма-териале и рассверливания уже имеющихся отверстий.

В рабочей части сверла 6 различают режущую 1 и направляющую 5 части с винтовыми канавками. Шейка 2 соединяет рабочую часть сверла с хвостовиком. Хвостовик 4 необходим для установки сверла в шпинделе станка. Лапка 3 служит упором при выбивании сверла из отверстия шпин-деля.

Рис. 4.9. Конструкция спирального сверла

Элементы рабочей части спирального сверла показаны на рис. 4.10.

Сверло имеет две главные режущие кромки 11, образованные пересечени-

70 ем передних 10 и задних 7 поверхностей и выполняющие основную работу резания; поперечную режущую кромку 12 (перемычку) и две вспомога-тельные режущие кромки 9. На цилиндрической части сверла вдоль винто-вой канавки расположены две узкие ленточки 8, обеспечивающие направ-ление сверла при резании.

Вспомогательные режущие кромки снимают не-значительное количество металла на поверхности уже полученного отверстия по мере углубления сверла, по-скольку направляющая часть сверла выполнена с не-большой конусностью для предохранения от защемле-ния сверла. Перемычка в основном не режет, а сминает и выдавливает металл, что приводит к увеличению уси-лия подачи. Ленточки служат для центрирования и на-правления сверла вдоль его оси.

Рекомендуемые геометрические параметры сверл приведены в справочной литературе.

2. Зенкерами (рис. 4.11) обрабатывают отверстия в литых или штампованных заготовках, а также пред-варительно просверленные отверстия. Отличие зенкера от сверла в том, что у него отсутствует поперечная ре-

жущая кромка и он имеет не две, а три или четыре режущие кромки (зуба). Это обеспечивает получение более высокой производительности и чистоты по сравнению с рассверливанием. Режущая часть 1 выполняет основную работу резания. Калибрующая часть 5 служит для направления зенкера в отверстии и обеспечивает необходимую точность и шероховатость по-верхности (2 – шейка, 3 – лапка, 4 – хвостовик, 6 – рабочая часть).

Рис. 4.11. Зенкеры

По виду обрабатываемых отверстий зенкеры делят на цилиндриче-

ские (рис. 4.11, а), конические (рис. 4.11, б) и торцовые (рис. 4.11, в).

Рис. 4.10. Элементы рабочей части спи-рального сверла

71 Зенкеры бывают цельные с коническим хвостовиком (см. рис. 4.11, а, б) и насадные (рис. 4.11, в).

3. Развертками окончательно обрабатывают отверстия после свер-ления или зенкерования. По форме обрабатываемого отверстия различают цилиндрические (рис. 4.12, а) и конические (рис. 4.12, б) развертки. Раз-вертки имеют 6...12 главных режущих кромок, расположенных на режу-щей части 1 с направляющим конусом. Калибрующая часть 2 направляет развертку в отверстии и обеспечивает высокую точность размера и малую шероховатость поверхности.

Рис. 4.12. Развертки

По конструкции крепления развертки делят на хвостовые и насадные.

На рис. 4.12, в показана машинная насадная развертка с механическим креплением режущих пластинок в ее корпусе.

4. Метчики применяют для нарезания внутренних резьб. Метчик (рис. 4.13) представляет собой винт с прорезанными прямыми или винто-выми канавками, образующими режущие кромки. Рабочая часть метчика имеет режущую 1 и калибрующую 2 части. Профиль резьбы метчика дол-жен соответствовать профилю нарезаемой резьбы. Метчик закрепляют в специальном патроне.

Рис. 4.13. Метчик

Основные операции обработки заготовок на сверлильных станках

На сверлильных станках выполняют сверление, рассверливание, зен-керование, развертывание, цекование, зенкование, нарезание резьбы и об-работку сложных отверстий.

Сверление сквозного отверстия показано на рис. 4.14, а. Режущим инструментом служит спиральное сверло.

Рассверливание – процесс увеличения диаметра ранее просверлен-ного отверстия сверлом большего диаметра (рис. 4.14, б). Диаметр отвер-стия под рассверливание выбирают так, чтобы поперечная режущая кром-ка в работе не участвовала. В этом случае осевая сила уменьшается.

72

Рис. 4.14. Схемы обработки заготовок на сверлильных станках

Зенкерование – обработка предварительно полученных отверстий

для придания им более правильной геометрической .формы, повышения точности и снижения шероховатости многолезвийным режущим инстру-ментом – зенкером (рис. 4.14, в).

Развертывание – окончательная обработка цилиндрического или конического отверстия разверткой (обычно после зенкерования) в целях получения высокой точности и малой шероховатости обработанной по-верхности (рис. 4.14, г, д).

Цекование – обработка торцовой поверхности отверстия торцовым зенкером для достижения перпендикулярности плоской торцовой поверх-ности к его оси (рис. 4.14, е).

Зенкованием получают в имеющихся отверстиях цилиндрические или конические углубления под головки винтов, болтов, заклепок и других деталей. На рис. 4.14, ж, з показано зенкование цилиндрического углубле-ния цилиндрическим зенкером (зенковкой) и конического углубления ко-ническим зенкером.

Нарезание резьбы – получение на внутренней цилиндрической по-верхности с помощью метчика винтовой канавки (рис. 4.14, и).

Отверстия сложного профиля обрабатывают с помощью комби-нированного режущего инструмента. На рис. 4.14, к показан комбиниро-ванный зенкер для обработки двух поверхностей: цилиндрической и кони-ческой.

Сверление глубоких отверстий (длина отверстия больше пяти диа-метров) производят на специальных горизонтально-сверлильных станках. При обработке глубоких отверстий спиральными сверлами происходит

73 увод сверла и «разбивание» отверстия: затрудняются подвод смазочно-охлаждающей жидкости и отвод стружки. Поэтому для сверления глубо-ких отверстий применяют сверла специальной конструкции. Смазочно-охлаждающая жидкость подается в зону резания и вымывает стружку че-рез внутренний канал сверла.

Режим резания 1) Глубина резания t (мм). При сверлении отверстий в сплошном ма-

териале за глубину резания принимают половину диа-метра сверла:

t=D/2, а при рассверливании

t=(D–d)/2, где d – диаметр обрабаты-ваемого отверстия, мм (рис. 4.15).

2) Скорость резания V (м/мин). За скорость резания при сверлении принимают окружную скорость точки режущей кромки, наиболее удаленной от оси сверла. Скорость резания связана с диаметром сверла и частотой его вращения зависимостью

V=Dn / 1000, где D – наружный диаметр сверла, мм; n – частота вращения сверла, об/мин.

Скорость резания при сверлении назначается по эмпирической зави-симости

KTS

DCV my

q

,

где С – коэффициент, учитывающий конкретные условия обработки (обра-батываемый материал, вид обработки и т. д.); T – стойкость сверла, мин; коэффициент К определяется по формуле К= К1К2К3, где К1 учитывает качество обрабатываемого материала; К2 учитывает вид инструментально-го материала; К3 учитывает глубину сверления. Значения коэффициентов K, C и показателей степени q, y, m приводятся в справочниках.

При рассверливании, а также зенкеровании и развертывании ско-рость резания назначается по формуле, в которой учитывается глубина ре-зания:

KTSt

DCV myx

q

.

Рис. 4.15. Схемы сверления (а)

и рассверливания (б)

74 3) Подача S (мм/об) – равна осевому перемещению сверла за один

оборот. При сверлении подачу на оборот назначают в зависимости от диа-метра сверла и обрабатываемого отверстия D:

S=0,02D. Подача на зуб определяется по формуле

Sz= S/z, где z – число зубьев сверла.

Проверка элементов режима резания по мощности электродвигателя станка

Равнодействующую силы резания, действующей на отдельное режущее лезвие сверла, можно разложить по координатным осям на три составляющие: Px, Py и Pz. Составляющая Px действует вдоль оси сверла. В этом же направлении действует сила Pп на поперечную режущую кромку, а также сила трения Pл ленточки об обработанную поверхность. Сумма указанных сил, действующих вдоль оси сверла, называется осевой си-лой Pо. Радиальные силы Py, действующие на два лез-вия сверла, взаимно уравновешивают друг друга, по-скольку они равны по величине и противоположны по направлению. Крутящий момент Мк, преодолеваемый шпинделем станка, создается тангенциальной силой Pz, а вернее, парой сил, действующих на две режущие

кромки сверла (рис. 4.16). Значение осевой силы Pо (Н) и крутящего момента Мк (Н.м) опреде-

ляют по эмпирическим формулам

pyx

po KSDCP ; мyx

мK KSDCM , где Сp, См – постоянные коэффициенты, характеризующие обрабатывае-мый материал и условия резания; x, y – показатели степеней; Кp, Км – по-правочные коэффициенты на измененные условия резания (отличные от табличных). Все показатели и коэффициенты определяются из справочни-ков.

Осевая сила и крутящий момент являются исходными данными для расчета сверла на прочность, а также узлов станка на жесткость.

Крутящий момент, кроме того, позволяет определить эффективную мощность, затрачиваемую на резание при сверлении:

Ne= Мк n / (60103). Мощность электродвигателя станка потребуется большего значения

с учетом КПД механизмов станка: Nэл > Ne / .

Нормирование сверлильной операции производится аналогично то-карной операции по тем же самым формулам.

x

Pо

y

zPп

Px

Py

Pz

P

Pz

Pz

Рис. 4.16. Силы, действующие

на сверло

75 К конструкциям деталей, обрабатываемых сверлением, предъявля-

ется ряд требований, обеспечивающих их технологичность при обработ-ке. Технологичной является конструкция детали:

– у которой отверстия выполняются сквозными, если к ним предъяв-ляются высокие требования по точности;

– форма и размеры дна глухих отверстий соответствуют форме и раз-мерам стандартного сверла;

– поверхность, в которую врезается сверло, перпендикулярна на-правлению его движения;

– отсутствуют глубокие сквозные, глухие отверстия с выточками; – отверстия в детали с несколькими соосными отверстиями должны

располагаться так, чтобы их диаметры уменьшались в одном направлении.

4.4. Фрезерование Фрезерование – один из высокопроизводительных и распространен-

ных методов обработки поверхностей заготовок многолезвийным режу-щим инструментом – фрезой.

Технологический метод формообразования поверхностей фрезерова-нием характеризуется главным вращательным движением инструмента и поступательным движением подачи, которое выполняет заготовка.

Оборудование для фрезерования – фрезерные станки. Особенность процесса фрезерования – прерывистость резания каж-

дым зубом фрезы. Зуб фрезы находится в контакте с заготовкой и выпол-няет работу резания только на некоторой части оборота, а затем продолжа-ет движение, не касаясь заготовки, до следующего врезания.

На рис. 4.17 показаны схемы фрезерования плоскости цилиндриче-ской (а) и торцовой (б) фрезами. При цилиндрическом фрезеровании плос-костей работу выполняют зубья, расположенные на цилиндрической по-верхности фрезы. При торцовом фрезеровании плоскостей в работе участ-вуют зубья, расположенные на цилиндрической и торцовой поверхностях фрезы.

Цилиндрическое и торцовое фрезерование в зависимости от направ-ления вращения фрезы и направления подачи заготовки можно осуществ-лять двумя способами: 1) против подачи (встречное фрезерование), когда направление подачи противоположно направлению вращения фрезы (рис. 4.17, в); 2) по подаче (попутное фрезерование), когда направления подачи и вращения фрезы совпадают (рис. 4.17, г).

76

Рис. 4.17. Схемы фрезерования цилиндрической (а) и торцовой (б) фрезами,

против подачи (в) и по подаче (г): 1 – заготовка; 2 – фреза

При фрезеровании против подачи нагрузка на зуб фрезы возрастает от нуля до максимума, при этом сила, действующая на заготовку, стремит-ся оторвать ее от стола, что приводит к вибрациям и увеличению шерохо-ватости обработанной поверхности. Преимуществом фрезерования против подачи является работа зубьев фрезы «из-под корки», т. е. фреза подходит к твердому поверхностному слою снизу и отрывает стружку при подходе к точке В. Недостатком является наличие начального скольжения зуба по наклепанной поверхности, образованной предыдущим зубом, что вызывает повышенный износ фрезы.

При фрезеровании по подаче зуб фрезы сразу начинает срезать слой максимальной толщины и подвергается максимальной нагрузке. Это ис-ключает начальное проскальзывание зуба, уменьшает износ фрезы и шеро-ховатость обработанной поверхности. Сила, действующая на заготовку, прижимает ее к столу станка, что уменьшает вибрации.

Указанные особенности обуславливают целесообразность примене-ния попутного фрезерования при чистовой, а встречного – при черновой обработке.

Фрезы В зависимости от назначения и вида обрабатываемых поверхностей

различают следующие типы фрез: цилиндрические (рис. 4.18, а), торцовые

77 (рис. 4.18, б, з), дисковые (рис. 4.18, б), концевые (рис. 4.18, г), угловые (рис. 4.18, д), шпоночные (рис. 4.18, е), фасонные (рис. 4.18, ж).

Рис. 4.18. Типы фрез

Фрезы изготовляют цельными (см. рис. 4.18, б...ж) или сборными

(см. рис. 4.18, а, з). Режущие кромки могут быть прямыми (см. рис. 4.18, д) или винтовыми (см. рис. 4.18, а). Фрезы имеют остроконечную (рис. 4.18, и) или затылованную (рис. 4.18, к) форму зуба. У фрез с остроконечными зубьями передняя и задняя поверхности плоские. У фрез с затылованными зубьями передняя поверхность плоская, а задняя выполнена по спирали Архимеда; при переточке по передней поверхности профиль зуба фрезы сохраняется.

Цельные фрезы изготовляют из инструментальных сталей. У сбор-ных фрез зубья (ножи) выполняют из быстрорежущих сталей или оснаща-ют пластинками из твердых сплавов и закрепляют в корпусе фрезы пайкой или механически.

На рис. 4.19, а показана цилиндрическая фреза с винтовыми зубьями. Она состоит из корпуса 1 и режущих зубьев 2. Зуб фрезы имеет следующие элементы (см. рис. 4.19, б): переднюю поверхность 3, заднюю поверхность 6, спинку зуба 7, ленточку 5 и режущую кромку 4.

78

Рис. 4.19. Элементы и геометрия фрезы

Виды поверхностей, обрабатываемых фрезерованием

С помощью фрезерования получают следующие виды поверхностей: 1. Горизонтальные плоскости фрезеруют на горизонтально-

фрезерных станках цилиндрическими фрезами (рис. 4.20, а) и на верти-кально-фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 4.20, б). Цилиндриче-скими фрезами целесообразно обрабатывать горизонтальные плоскости шириной до 120 мм. В большинстве случаев плоскости удобнее обрабаты-вать торцовыми фрезами вследствие большей жесткости их крепления в шпинделе и более плавной работы, так как число одновременно работаю-щих зубьев торцовой фрезы больше числа зубьев цилиндрической фрезы.

2. Вертикальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 4.20, в) и торцовыми фрезерными голов-ками, а на вертикально-фрезерных станках концевыми фрезами (рис. 4.20, г).

3. Наклонные плоскости и скосы фрезеруют торцовыми (рис. 4.20, д) и концевыми фрезами на вертикально-фрезерных станках, у которых фре-зерная головка со шпинделем поворачивается в вертикальной плоскости. Скосы фрезеруют на горизонтально-фрезерном станке одноугловой фрезой (рис. 4.20, е).

4. Комбинированные поверхности фрезеруют набором фрез (рис. 4.20, ж) на горизонтально-фрезерных станках. Точность взаиморасполо-жения обработанных поверхностей зависит от жесткости крепления фрез по длине оправки. С этой целью применяют дополнительные опоры (под-вески), избегают использования несоразмерных по диаметру фрез (реко-мендуемое отношение диаметра фрез не более 1,5).

5. Уступы и прямоугольные пазы фрезеруют концевыми (рис. 4.20, з) и дисковыми (рис. 4.20, и) фрезами на вертикально- и горизонтально-фрезерных станках. Уступы и пазы целесообразнее фрезеровать дисковы-ми фрезами, так как они имеют большее число зубьев и допускают работу с большими скоростями резания.

6. Фасонные пазы фрезеруют фасонной дисковой фрезой (рис. 4.20, к), угловые пазы – одноугловой и двухугловой (рис. 4.20, л) фрезами на го-ризонтально-фрезерных станках.

79

Рис. 4.20. Схемы обработки заготовок фрезерованием

7. Паз клиновой фрезеруют на вертикально-фрезерном станке за два

прохода: прямоугольный паз – концевой фрезой, затем скосы паза – конце-вой одноугловой фрезой (рис. 4.20, м), Т-образные пазы (рис. 4.20, н), ко-торые широко применяют в машиностроении как станочные пазы, напри-мер на столах фрезерных станков, фрезеруют обычно за два прохода: вна-чале паз прямоугольного профиля концевой фрезой, затем нижнюю часть паза – фрезой для Т-образных пазов.

8. Шпоночные пазы фрезеруют концевыми или шпоночными (рис. 4.20, о) фрезами на вертикально-фрезерных станках. Точность получения шпоночного паза – важное условие при фрезеровании, так как от нее зави-сит характер посадки на шпонку сопрягаемых с валом деталей. Фрезерова-ние шпоночной фрезой обеспечивает получение более точного паза; при переточке по торцовым зубьям диаметр шпоночной фрезы практически не изменяется.

9. Фасонные поверхности незамкнутого контура с криволинейной образующей и прямолинейной направляющей фрезеруют на горизонталь-но- и вертикально-фрезерных станках фасонными фрезами соответствую-щего профиля (рис. 4.20, п).

Применение фасонных фрез эффективно при обработке узких и длинных фасонных поверхностей. Широкие профили обрабатывают набо-ром фасонных фрез.

Режим резания К режиму резания при фрезеровании относят скорость резания V, по-

дачу S, глубину резания t, ширину фрезерования B.

80 1) Глубина резания t (мм). При фрезеровании это толщина слоя ме-

талла, измеренная перпендикулярно к обрабатываемой поверхности. Глу-бина резания t равна припуску либо части припуска на фрезерование. При-пуск выгодно снимать за один проход, если позволяет мощность станка. Обычно t=2...6 мм. Если требуется высокая точность обработки, то фрезе-рование может проводиться в два прохода – черновой и чистовой. Для чис-товых проходов обычно t=0,75...2 мм. Глубина резания t показана на рис. 4.17.

2) Подача S. При фрезеровании используется три размерности подачи:

а) минутная подача SМ (мм/мин). Это величина перемещения обра-батываемой заготовки относительно фрезы за одну минуту;

б) подача на один оборот фрезы SО= SМ/n (мм/об). Это величина пе-ремещения обрабатываемой заготовки относительно фрезы за время одно-го оборота фрезы;

в) подача на один зуб фрезы SZ= SО/z = SМ/(n.z) (мм/зуб), где z – чис-ло зубьев фрезы. Это величина перемещения обрабатываемой заготовки относительно фрезы за время углового поворота фрезы на один зуб.

Подача на зуб характеризует интенсивность нагрузки зуба, а следо-вательно, стойкость фрезы. Чтобы уменьшить машинное время на фрезе-рование, применяют максимально возможную подачу на зуб фрезы. Вели-чина подачи выбирается по справочным нормативам в зависимости от ше-роховатости обработанной поверхности, прочности материала и других условий резания.

3) Ширина фрезерования B (мм) – ширина обрабатываемой поверх-ности в направлении, параллельном оси фрезы. При увеличении ширины фрезерования B возрастают суммарная площадь поперечного сечения сре-за, работа резания и тепловыделение. В результате снижается допускаемая скорость резания и возрастает износ фрезы. Ширина фрезерования B пока-зана на рис. 4.17.

4) Скорость резания V (м/мин). При фрезеровании это окружная ско-рость вращения фрезы. Скорость резания связана с диаметром фрезы и частотой ее вращения зависимостью

V=Dn/1000, где D – наружный диаметр фрезы, мм; n – частота вращения фрезы, об/мин.

Скорость резания при фрезеровании назначается по эмпирической зависимости

KzBTSt

DCV pumyZ

x

q

,

где С – коэффициент, характеризующий конкретные условия обработки; К – общий поправочный коэффициент, учитывающий отличные от таб-

81 личных условия резания; T – стойкость фрезы, мин; D – диаметр фрезы; z – число зубьев фрезы. Значения показателей степени x, y, m, u, p, q и коэф-фициентов приводятся в справочниках.

Влияние элементов резания на скорость резания 1. Подача на зуб фрезы SZ. При увеличении SZ растет толщина среза,

работа деформации и трение, что приводит к снижению стойкости фрезы и допустимой скорости резания (скорость V необходимо уменьшить).

2. Глубина резания t. С увеличением глубины резания увеличивается угол контакта и количество зубьев фрезы, находящихся одновременно в работе, количество выделяющегося тепла (скорость V необходимо умень-шить).

3. Диаметр фрезы D. При увеличении диаметра фрезы D уменьша-ется толщина среза и снижается нагрузка на режущие кромки фрезы. Стойкость фрезы повышается (скорость V можно увеличить).

4. С уменьшением числа зубьев z увеличивается масса каждого зуба. Это приводит к лучшему теплоотводу и повышает скорость резания (ско-рость V можно увеличить).

Проверка элементов режима резания по мощности электродвигателя станка

1) Вычисляется тангенциальное усилие резания Pz. Это составляю-щая равнодействующей сил резания R, приложенной к фрезе (рис. 4.21). Pz направлена по касательной к траектории движения режущей кромки.

Pz определяется по формуле

pwq

uyz

xp

z KnD

zBStC10P

.

Значения коэффициентов и показа-телей степени приводятся в справочниках.

2) По значению Pz определяется эф-фективная мощность резания Ne (кВт).

100060VPN z

e

.

Это мощность, необходимая для вращения фрезы.

3) Мощность электродвигателя станка потребуется большего значе-ния с учетом КПД механизмов станка:

Nэл > Ne / . Нормирование операции фрезерования. Производительность обра-

ботки Q и время изготовления одной детали Tшт при фрезеровании опреде-ляются по тем же формулам, которые приводились выше для нормирова-ния токарной операции.

Рис. 4.21. Силы резания при работе цилиндрической прямозубой фрезой

82 Отличие состоит лишь в том, что основное технологическое время To

(время, которое тратится непосредственно на срезание припуска) при фре-зеровании определяется зависимостью

iSLTм

о ,

где i – число проходов; Sм – минутная подача заготовки; L – расчетная длина обработки за один проход:

L=l+l1+l2, где l – длина обрабатываемой заготовки; l1 – длина врезки; l2 – длина вы-хода фрезы.

К конструкциям деталей, обрабатываемых фрезерованием, предъ-является ряд требований, обеспечивающих их технологичность при обра-ботке. Технологичной является конструкция детали:

– у которой обрабатываемые выступы имеют одинаковую высоту; – обрабатываемые посадочные места под присоединяемые детали

располагаются с наружной стороны корпуса; – пазы открыты для ввода фрезы, иначе при обработке закрытых па-

зов потребуется засверливание отверстий для входа фрезы; – форма пазов и прорезей позволяет вести обработку дисковыми, а

не концевыми (торцевыми) фрезами.

4.5. Протягивание Протягивание – высокопроизводительный метод обработки внут-

ренних и наружных поверхностей, обеспечивающий высокую точность формы и размеров обрабатываемой поверхности. Протягивают многолез-вийным режущим инструментом – протяжкой – при его поступательном движении относительно неподвижной заготовки (главное движение).

Метод протягивания заключается в том, что каждый зуб протяжки срезает с обрабатываемой поверхности стружку небольшой толщины. Это возможно потому, что размер каждого последующего зуба протяжки больше предыдущего. Обработанная поверхность характеризуется малой шероховатостью.

Протягивание является одним из наиболее высокопроизводительных процессов обработки деталей машин резанием, так как в работе одновре-менно находится большое количество зубьев инструмента. Для некоторых видов отверстий, например шлицевых, протягивание является единствен-ным методом формообразования.

83 Протяжки

При протягивании используется сложный дорогостоящий инстру-мент – протяжки. Они представляют собой сложный многолезвийный ин-струмент с необходимым числом зубьев, формообразующих периметр об-рабатываемой поверхности с рядом последовательно выступающих одно над другим лезвий в направлении, перпендикулярном направлению скоро-сти главного движения.

По характеру обрабатываемых поверхностей протяжки делят на две основные группы: внутренние и наружные. Внутренними протяжками об-рабатывают различные замкнутые поверхности, а наружными – полузамк-нутые и открытые поверхности различного профиля. Протягивание наруж-ных поверхностей в ряде случаев успешно заменяет строгание, фрезерова-ние и даже шлифование.

По форме различают круглые, шлицевые, шпоночные, многогранные и плоские протяжки. Из всех разновидностей чаще всего применяют про-тяжки для обработки круглых отверстий. Внутренняя круглая протяжка предназначена для протягивания цилиндрических отверстий после сверле-ния, растачивания или зенкерования.

По конструкции зубьев протяжки бывают режущими, выглаживаю-щими и деформирующими. В первом случае зубья имеют режущие кром-ки, в двух последних – скругленные, работающие по методу пластического деформирования. Различают также сборные протяжки со вставными но-жами, оснащенными пластинками из твердого сплава.

Разновидность протяжки – прошивка – отличается отсутствием хво-стовика и шейки и при обработке проталкивается через отверстие. Про-шивка работает на сжатие, протяжка – на растяжение. Прошивкой обраба-тываются короткие отверстия различного сечения.

Элементы круглой протяжки (рис. 4.22) Замковая часть (хвостовик) l1 служит для закрепления протяжки в

патроне тянущего устройства станка; шейка l2 – для соединения замковой части с передней направляющей частью; передняя направляющая часть l3 вместе с направляющим конусом – для центрирования обрабатываемой за-готовки в начале резания. Режущая часть l4 состоит из режущих зубьев, высота которых последовательно увеличивается на толщину срезаемого слоя, и предназначена для срезания припуска. Калибрующая часть l5 со-стоит из калибрующих зубьев, форма и размеры которых соответствуют форме и размерам последнего режущего зуба, и предназначена для прида-ния обработанной поверхности окончательных размеров, необходимой точности и шероховатости. Задняя направляющая часть l6 служит для на-правления и поддержания протяжки от провисания в момент выхода по-следних зубьев калибрующей части из отверстия. Для облегчения образо-вания стружки на режущих зубьях выполняют стружкоделительные ка-навки.

84

Рис. 4.22. Элементы круглой протяжки

Геометрия зуба протяжки. Передние и зад-

ние углы протяжки измеряют в плоскости, перпен-дикулярной к главной режущей кромке (рис. 4.23). Передний угол выбирают в зависимости от свойств обрабатываемого материала, задний угол – в зависимости от требуемой точности обработки.

Шаг режущих зубьев tр протяжки определяют в зависимости от длины протягиваемой поверхно-

сти, при этом исходят из того, чтобы в резании участвовало не менее трех зубьев.

Виды поверхностей, обрабатываемых протягиванием С помощью протягивания получают следующие виды поверхностей: 1) Цилиндрические отверстия протягивают круглыми протяжками

после сверления, растачивания или зенкерования. Применяют также про-тягивание отверстий, полученных при литье и штамповке, без предвари-тельной их обработки. Обычно длина отверстий не превышает трех диа-метров.

Если торец отверстия в заготовке не обработан, то для ее установки применяют приспособления со сферической опорной поверхностью (рис. 4.24, а). Заготовка в этом случае может самоустанавливаться (центриро-ваться) по оси протяжки. В тех случаях, когда после предыдущей обработ-ки получен торец детали, перпендикулярный к оси протягиваемого отвер-стия, заготовка опирается на жесткую (неподвижную) поверхность.

2) Многогранные отверстия (треугольные, квадратные и т. п.) про-тягивают многогранными протяжками. Исходной поверхностью для протя-гивания служит круглое отверстие. На рис. 4.24, б приведена схема протя-гивания квадратного отверстия.

3) Шлицевые отверстия с различным профилем шлицев протягива-ют многошлицевыми протяжками, формирующими одновременно весь профиль отверстия. На рис. 4.24, в приведена схема протягивания прямых шлицев. Винтовые шлицы протягивают протяжкой, режущие зубья кото-рой расположены по винтовой линии, с приспособлением, обеспечиваю-щим дополнительное вращение протяжки (рис. 4.24, г) или заготовки.

4) Шпоночные и другие пазы протягивают протяжками, форма зубьев которых в поперечном сечении соответствует профилю протягиваемого паза. Шпоночные пазы протягивают плоской шпоночной протяжкой (рис. 4.24, д) с применением специального приспособления – направляющей

Рис. 4.23. Геометрия

зуба протяжки

85 втулки 3. Вдоль всей втулки прорезают прямоугольный паз, который явля-ется направляющим для протяжки.

Рис. 4.24. Схемы обработки заготовок на протяжных станках: 1 – заготовка; 2 – про-

тяжка; 3 – направляющая втулка 5) Наружные поверхности различной геометрической формы с пря-

молинейной образующей протягивают на вертикально-протяжных станках для наружного протягивания, а также на станках непрерывной обработки конвейерного типа.

На рис. 4.24, е приведена схема протягивания вертикальной плоско-сти.

На специальных протяжных станках можно обрабатывать наружные поверхности заготовок формы тел вращения плоскими (рис. 4.24, ж) и дисковыми (рис. 4.24, з) протяжками. В обоих случаях заготовке сообщают

86 круговую подачу. Плоская протяжка имеет главное движение – поступа-тельное, а дисковая протяжка – вращательное вокруг своей оси.

Режим резания Скорость резания при протягивании – это скорость поступательного

движения V протяжки относительно заготовки. Скорость резания лимити-руется условиями получения обработанной поверхности высокого качества и ограничивается технологическими возможностями протяжных станков. Обычно V = 8...15 м/мин.

Подача при протягивании как самостоятельное движение инструмен-та или заготовки отсутствует. За величину подачи Sz, определяющую тол-щину срезаемого слоя отдельным зубом протяжки, принимают подъем на зуб, т. е. разность размеров по высоте двух соседних зубьев протяжки.

Sz является одновременно и глубиной резания. Подача в основном за-висит от обрабатываемого материала, конструкции протяжки и жесткости заготовки и составляет 0,01...0,2 мм/зуб. Оптимальные параметры режима резания выбирают из справочников.

При протягивании технологичной является конструкция детали: – у которой торец заготовки перпендикулярен оси отверстия со сто-

роны входа и выхода протяжки, что исключает перекос протяжки при об-работке;

– фасонные отверстия при протяжке должны иметь симметричную форму.

4.6. Строгание Строгание применяется при обработке плоских и фасонных линей-

чатых поверхностей и различных канавок в условиях единичного и мелко-серийного производства.

Главное движение V при строга-нии – возвратно-поступательное прямо-линейное, а движение подачи S – шаго-образное, направленное перпендику-лярно главному движению (рис. 4.25).

Обработку выполняют на стро-гальных станках. Инструмент – стро-гальные резцы, конструкция которых сходна с конструкцией токарных рез-цов.

Процесс резания при строгании имеет прерывистый характер, и сре-зание стружки происходит только при встречном относительном движении резца и заготовки. Во время обратного (вспомогательного) хода резец ра-боту не производит. Врезание резца в заготовку в начале каждого рабочего

Рис. 4.25. Схема строгания

87 хода сопровождается ударом. За время холостого хода резец остывает, по-этому при строгании в большинстве случаев не применяются смазочно-охлаждающие жидкости. Ударные нагрузки и циклический характер на-грева существенно снижают стойкость резцов в сравнении с непрерывным резанием, поэтому строгание производят при умеренных скоростях реза-ния. Головки и державки строгальных резцов выполняют более массивны-ми, чем у токарных.

При строгании параметрами режима резания, так же как и при точе-нии, являются скорость резанияV, подача S и глубина резания t.

При строгании технологичной является конструкция детали: – у которой форма поверхности представляет плоскость или сочета-

ние плоскостей; – обрабатываемые поверхности расположены в одной плоскости, что

позволяет обрабатывать их за один проход; – обрабатываемые поверхности заготовки расположены в параллель-

ных плоскостях и имеют разделительные канавки для выхода резца; – в углах пересечения обрабатываемых поверхностей предусмотрена

разделительная канавка для выхода резца; – пазы, обрабатываемые строганием, являются сквозными, обеспе-

чивая свободный заход и выход резца.

5. АБРАЗИВНАЯ И ОТДЕЛОЧНАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН РЕЗАНИЕМ

5.1. Общая характеристика абразивной механической

обработки резанием Отличительной особенностью абразивной обработки является на-

личие различным образом ориентированных режущих зерен абразивного инструмента, каждое из которых представляет собой микроклин.

Основными видами абразивной обработки являются шлифование, притирка (доводка), хонингование, суперфиниширование и полирование.

Абразивные зерна имеют острые кромки различных размеров, кото-рыми снимается тонкий слой металла с заготовки, когда инструмент со-прикасается с поверхностью обрабатываемой заготовки и перемещается (движется) относительно ее (рис. 5.1).

Процессы снятия стружки металлическими и абразивными инстру-ментами принципиально одинаковы. Под действием приложенной силы лезвия зерен абразивного инструмента углубляются в поверхность обраба-тываемой заготовки и при движении производят сдвиг и скалывание стружки.

88

Рис. 5.1. Взаимодействие абразивного инструмента с поверхностью заготовки на примере шлифования

Например, при шлифовании заготовки при помощи шлифовального

круга каждое абразивное зерно в зоне обработки работает как зуб фрезы, снимая стружку с детали в пределах определенного угла поворота (см. рис. 5.1).

Однако, в отличие от лезвийной обработки, при абразивной обработ-ке материал срезается в виде очень большого числа тонких стружек. Обра-ботанная поверхность представляет совокупность микроследов абразив-ных зерен, поэтому она имеет малую шероховатость.

При абразивной обработке часть зерен, ориентированных к направ-лению резания тупой гранью, в процессе резания не участвуют. Они вызы-вают потери энергии на трение, пластическое деформирование, увеличи-вают нагрев контактирующих поверхностей инструмента и заготовки. Эти явления проявляются сильнее при высоких скоростях и больших усилиях резания, что особенно характерно для метода шлифования. Возможно об-разование на поверхности детали дефектного слоя. Для отвода теплоты при абразивных методах обработки процесс ведется с обильной подачей смазочно-охлаждающей жидкости.

Основная область применения процессов абразивной обработки – чистовая и отделочная обработка заготовок деталей машин для обеспече-ния высокой точности размеров и малой шероховатости поверхности. Кроме того, шлифование используется как один из методов размерной об-работки труднообрабатываемых материалов: керамики, ситаллов, твердых сплавов, деталей из закаленных сталей и т. д.

С развитием малоотходной технологии доля обработки лезвийным инструментом будет уменьшаться, а абразивным – увеличиваться.

Такие методы абразивной обработки, как притирка, хонингование, суперфиниширование и полирование, относятся исключительно к отде-лочной группе методов обработки резанием.

Область применения отделочных методов обработки: при необхо-димости получения поверхностей с высокой точностью и малой шерохова-тостью, которых невозможно достичь обычными методами обработки.

89 Особенности отделочных методов обработки: малые силы резания,

малая толщина срезаемого слоя материала, незначительное тепловыделе-ние и деформация заготовки.

Предварительно поверхность заготовки должна быть обработана с высокой точностью обычными методами.

В промышленности применяют несколько видов абразивных инст-рументов, используемых при разных видах абразивной обработки: 1) шлифовальные круги (наиболее распространены); 2) абразивные головки; 3) абразивные бруски; 4) абразивные сегменты; 5) алмазные круги; 6) пасты и шкурки для доводки и полирования.

Абразивные инструменты пп. 1...5 стандартизированы и состоят из: а) абразивных зерен; б) связки, удерживающей зерна; в) пор (пустот).

Основные характеристики абразивного инструмента 1. Вид абразивного материала. В качестве абразивных материалов наиболее часто используются

электрокорунд, карбид кремния, природные и синтетические алмазы, эль-бор (искусственный материал на основе нитрида бора) и другие материа-лы. Это минералы естественного или искусственного происхождения, зер-на которых обладают достаточной твердостью и способностью резания. Высокая твердость обеспечивает зернам высокие режущие свойства, спо-собность разрушать поверхностные слои очень твердых материалов, в том числе таких, которые трудно и невыгодно обрабатывать лезвийным метал-лическим инструментом.

2. Зернистость (размер абразивных зерен). Чем крупнее зерна, тем выше производительность, однако ниже ка-

чество обработки (поверхность более шероховатая). Поэтому инструмен-ты, изготовленные из крупнозернистого абразива, используются для чер-новой и обычной обработки (при шлифовании), мелкозернистые – для от-делочных и особо тонких работ.

3. Вид материала связки. Связка – это цементирующее вещество, скрепляющее зерна друг с

другом. Связка может быть неорганической, органической и металличе-ской. Из неорганических связок наиболее широко используется керамиче-ская.

4. Твердость инструмента. Под твердостью абразивного инструмента понимают сопротивление

связки вырыванию абразивных зерен внешней силой. Твердость инструмента должна быть подобрана для конкретного

обрабатываемого материала таким образом, чтобы обеспечить самоза-тачивание круга или другого абразивного инструмента при максимальной его стойкости.

Если взять слишком мягкий круг, у которого связка слабо удержива-ет зерна, то они будут удаляться с круга раньше, чем затупятся. Произой-

90 дет «осыпание» круга. При чрезмерной твердости инструмента зерна силь-но затупляются, но продолжают удерживаться связкой. Происходит «заса-ливание» инструмента и прижог детали. В обоих случаях качество обра-ботки ухудшается.

Существует общее правило: при обработке твердых материалов зер-на изнашиваются быстрее, и чтобы инструмент не засаливался, его нужно выбирать более мягким. При обработке мягких материалов зерна изнаши-ваются медленнее, поэтому берут более твердый инструмент.

Исключение. При обработке меди, алюминия и латуни эти мягкие и пластичные материалы быстро засаливают инструмент, поэтому их обра-батывают мягким инструментом.

5. Структура инструмента (внутреннее строение). Структурой абразивного инструмента называют соотношение в про-

центах объемов, занятых в нем абразивными зернами, связкой и порами. Наличие пор благоприятно для режущих свойств, так как способст-

вует лучшему охлаждению инструмента во время работы, уменьшает заби-вание его стружкой.

Выбор структуры абразивного инструмента зависит от обрабатывае-мого материала заготовки, от вида абразивного материала и материала связки, от условий резания.

5.2. Шлифование Шлифование – процесс обработки заготовок деталей машин резани-

ем с помощью абразивных кругов. Абразивные зерна расположены в шлифовальном круге беспорядоч-

но и удерживаются связующим материалом. При вращательном движении круга в зоне его контакта с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого числа тонких стружек (до 107 стружек в минуту). Шлифо-вальные круги срезают стружки на очень больших скоростях – от 30 до 80 м/с. При этом глубина резания составляет t=0,005...0,05 мм. Процесс реза-ния каждым зерном осуществляется почти мгновенно.

Все большее применение находит силовое шлифование для обработ-ки труднообрабатываемых резанием материалов. При силовом или врез-ном шлифовании глубина резания может достигать 10...12 мм.

Шлифование сопровождается выделением большого количества теп-ловой энергии (значительная часть абразивных зерен в шлифовальном кру-ге расположена так, что не режет заготовку, а пластически деформирует ее с выделением тепла за счет трения). Это приводит к образованию на по-верхности детали дефектного слоя.

Поэтому в зону обработки при шлифовании обильно подается сма-зочно-охлаждающая жидкость.

91 Обработанная поверхность представляет собой совокупность микро-

следов абразивных зерен и имеет малую шероховатость. Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки дета-

лей с высокой точностью. Для заготовок из закаленных сталей шлифова-ние является одним из наиболее распространенных методов формообразо-вания.

Эффективность шлифования оценивают по коэффициенту удельной производительности: q=Vм/Va, где Va – объем изношенного круга в едини-цу времени; Vм – объем снятого материала заготовки в единицу времени.

При обработке углеродистых сталей q= 50...80; быстрорежущих ста-лей q= 6...12; жаропрочных и тугоплавких сплавов q= 0,5...5.

Виды шлифования В зависимости от формы обрабатываемой поверхности шлифование

делится на следующие виды: 1. Плоское шлифование. Применяется для шлифования плоских поверхностей, отсюда его на-

звание. Плоское шлифование может производиться периферией (рис. 5.2, а) или торцом круга (рис. 5.2, б).

Шлифование периферией круга менее производительно, чем шлифо-вание торцом круга, но более точно.

При шлифовании торцом круга одновременно в работе участвует большее число абразивных зерен, чем при шлифовании периферией круга. Но шлифование периферией круга с использованием прямоугольных сто-лов позволяет выполнить большее число разнообразных видов работ.

Рис. 5.2. Схемы обработки заготовок плоским

шлифованием: а – периферией круга; б – торцом круга

Главным движением резания VК (м/с) для всех технологических спо-собов шлифовальной обработки является вращение круга. Прямолинейное поступательное движение подачи при плоском шлифовании совершает за-

92 готовка вместе со столом станка. Последовательность подач при плоском шлифовании – продольная Sпр (м/мин), затем поперечная Sп (мм/дв. ход), затем вертикальная Sв. Поперечная подача Sп необходима в тех случаях, когда ширина круга меньше ширины заготовки (см. рис. 5.2, а). Движение Sп происходит прерывисто (периодически) при крайних положениях заго-товки в конце продольного хода.

Рис. 5.3. Схемы непрерывной обработки заготовок

на плоскошлифовальных станках с круглым столом: а – периферией круга; б – торцом круга

Периодически происходит и подача Sв на глубину резания. Это пере-

мещение осуществляется также в крайних положениях заготовки, но в конце поперечного хода.

Небольшие детали шлифуют на высокопроизводительных шлифо-вальных станках непрерывного действия с круглым столом (рис. 5.3).

2. Круглое шлифование. Применяется для шлифования ци-

линдрических и конических поверхностей вращения, отсюда его название. Круглое шлифование делится на следующие под-виды: наружное, внутреннее, внутреннее планетарное, бесцентровое наружное и бесцентровое внутреннее.

Рассмотрим схемы круглого шли-фования.

2.1. При круглом наружном шли-фовании (рис. 5.4) обрабатывается на-ружная цилиндрическая поверхность.

Продольная подача Sпр происходит за счет возвратно-поступательного пе-ремещения заготовки. Подача Sпр (мм/об. заг) равна осевому перемещению

Рис. 5.4. Схема круглого наружного шлифования

93 заготовки за один ее оборот. Вращение заготовки является круговой пода-чей Sкр (м/мин).

Подача Sп (мм/дв. ход или мм/ход) на глубину реза-ния для приведенной схемы обработки происходит при крайних положениях заго-товки.

2.2. При круглом внут-реннем шлифовании (рис. 5.5) характер движений инст-румента и заготовки и после-довательность подач те же, что и при круглом наружном шлифовании, только обраба-тывается внутренняя цилиндрическая поверхность.

2.3. Внутреннее планетарное шли-фование (рис. 5.6) применяют при обра-ботке заготовок больших размеров и мас-сы, которые шлифовать описанными выше способами нерационально. Заготовку за-крепляют на столе станка неподвижно. Шлифовальный круг вращается не только вокруг своей оси, но также вокруг оси от-верстия заготовки (планетарная подача Sпл), что аналогично круговой подаче заго-товки при обычном внутреннем шлифова-нии (положение круга, совершившего в планетарном движении пол-оборота, пока-зано на рис. 5.6 штриховой линией).

2.4. Бесцентровое наружное шлифо-вание (рис. 5.7) наружных цилиндрических поверхностей производится в незакрепленном состоянии обрабатываемых заготовок, и для них не требу-ется центровых отверстий. Поэтому данный способ шлифования характе-ризуется высокой производительностью.

Заготовку 3 (см. рис. 5.7) устанавливают на нож 2 между двумя кру-гами – рабочим 1 и ведущим 4. Эти круги вращаются в одном направле-нии, но с разными скоростями. Трение между ведущим кругом и заготов-кой больше, чем между ней и рабочим кругом. Вследствие этого заготовка увлекается во вращение со скоростью, близкой к окружной скорости ве-дущего круга.

Перед шлифованием ведущий круг устанавливают наклонно под уг-лом 1...7 0 к оси вращения заготовки. Вектор скорости этого круга разлага-

Рис. 5.5. Схема круглого внутреннего

шлифования

Рис. 5.6. Схема внутреннего планетарного шлифования

94 ется на составляющие, и возникает продольная подача Sпр. Поэтому заго-товка перемещается по ножу вдоль своей оси и может быть прошлифована на всю длину. Чем больше угол наклона ведущего круга, тем больше пода-ча Sпр. Процесс легко автоматизировать, установив наклонный лоток, по которому заготовки будут сползать на нож, проходить процесс шлифова-ния и падать в тару.

Рис. 5.7. Схема бесцентрового наружного шлифования

2.5. Аналогичный принцип

работы используют при бесцен-тровом внутреннем шлифовании для обработки цилиндрических и конических отверстий в заготов-ках, имеющих наружную цилинд-рическую поверхность (рис. 5.8). Заготовку 1 устанавливают по на-ружной поверхности между тремя вращающимися элементами: опор-ным роликом 2, прижимным роли-ком 3 и ведущим барабаном 4. Шлифующий круг 5 располагают в

отверстии консольно, он движется возвратно-поступательно вдоль оси от-верстия.

Порядок назначения режимов резания Основные элементы режима резания при шлифовании – скорость ре-

зания VК, круговая подача заготовки при круглом шлифовании Sкр (про-дольная подача стола с заготовкой при плоском шлифовании Sпр) и глуби-на резания t. Для рационального ведения процесса шлифования необходи-мо выбирать их оптимальные значения:

Рис. 5.8. Схема бесцентрового

внутреннего шлифования

95 1. Характеристики круга в зависимости от свойств обрабатываемого

материала и технических требований. 2. Глубину резания t. На черновых проходах t=0,05...0,1 мм; на чистовых проходах

t=0,005...0,02 мм; при обработке неметаллов t=0,4...0,8 мм. 3. Круговую подачу заготовки Sкр (скорость продольной подачи стола

при плоском шлифовании Sпр) и корректируют ее по кинематическим дан-ным станка.

4. Скорость резания VК в зависимости от прочности круга. Она равна окружной скорости точки на периферии шлифовального круга:

1000nDVК

,

где n – частота вращения круга, об/мин; D – наружный диаметр шлифо-вального круга, мм. Обычно VК=30...50 м/с. При скоростном шлифовании VК>50 м/с.

Оптимальные значения элементов режима резания выбирают по справочным данным.

Проверка элементов режима резания по мощности электродвигателя станка

1. Вычисляется тангенциальное усилие резания Pz. Это составляю-щая равнодействующей сил резания R, приложенной к шлифовальному кругу (рис. 5.9). Pz направлена по касательной к траектории движения пе-риферийной точки круга.

Рис. 5.9. Силы резания при шлифовании

96 Pz определяется по формуле

Pz=Сp(Sкр)а (Sпр)b tc. Значения коэффициента Сp и показателей степени приводятся в спра-

вочниках. 2. По значению Pz определяется мощность электродвигателя привода

шлифовального круга (кВт) с учетом КПД привода : Nк= PzVк /(1000).

Требования техники безопасности при шлифовании: Круги должны быть отбалансированы. Круги должны быть испытаны на прочность при окружной скоро-

сти 150 % от рабочей. Круг на станке должен быть защищен стальным кожухом на слу-

чай разрушения. Для защиты от разбрызгиваемой смазочно-охлаждающей жидкости

устанавливают щитки. Обязательно наличие пылеулавливающих вентиляционных уст-

ройств. К конструкциям деталей, обрабатываемых шлифованием, предъяв-

ляется ряд требований, обеспечивающих их технологичность. Техноло-гичной является конструкция детали:

– у которой необрабатываемые и обрабатываемые поверхности дета-ли, находящиеся в одной плоскости, разделены канавкой;

– предусмотрены центровые отверстия для ступенчатых валов и ус-тановочные фаски у пустотелых валов для их фиксации при обработке;

– предусмотрены технологические канавки для входа и выхода шли-фовального круга;

– обрабатываемые поверхности должны располагаться в одной плос-кости;

– все плоские обрабатываемые поверхности в конструкции должны располагаться параллельно или перпендикулярно базовой поверхности де-тали.

Шлифованием обрабатываются только жесткие детали, не деформи-рующиеся в процессе обработки. Способ не допускает обработки малых отверстий.

5.3. Притирка Притирка относится к отделочным методам обработки поверхно-

стей. Сущность метода притирки: на поверхность инструмента (т. н. при-

тира), копирующего форму обрабатываемой поверхности, наносится мел-

97 козернистый абразивный материал вместе со смазкой (абразивная паста). Паста или порошок внедряется в поверхность притира и удерживается ею. При относительном движении притира и заготовки абразивные зерна на поверхности притира снимают стружку малой толщины с поверхности за-готовки.

Требования, предъявляемые к инструменту: а) высокая точность из-готовления (т. к. он копирует форму обрабатываемой поверхности); б) ма-териал притира должен быть мягче обрабатываемого материала заготовки (используют серый чугун, бронзу, красную медь, дерево).

Состав притирочной пасты: а) абразивный материал (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, оксид хрома и др.); б) материал смазки (масло, керосин, вазелин); в) химически активные вещества (олеиновая, стеариновая и другие кислоты).

Рис. 5.10. Схемы притирки поверхностей

Требование к относительному движению притира и заготовки: необ-ходимо, чтобы траектория движения каждого абразивного зерна притира не повторялась (это дает наилучшие результаты по шероховатости). Для выполнения данного условия необходимо совместить несколько простых

98 движений притира относительно заготовки, например возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движения.

Схема притирки наружной цилиндрической поверхности приведена на рис. 5.10, а. Притир 1 представляет собой втулку с прорезями, которые необходимы для полного его прилегания под действием сил Р к обрабаты-ваемой заготовке 2 по мере ее обработки. Притиру сообщают возвратно-поступательное движение V2 и одно временно возвратно-вращательное движение V1. Аналогичные движения осуществляются при притирке от-верстий (рис. 5.10, б), однако притир должен равномерно разжиматься дей-ствием сил Р. Приведенные схемы осуществляются вручную и на металло-режущих станках.

Плоские поверхности притирают также вручную или на специаль-ных доводочных станках (рис. 5.10, в). Заготовки 4 располагаются между двумя чугунными дисками 3 в окнах сепаратора 5. Диски-притиры имеют плоские торцовые поверхности и вращаются в противоположных направ-лениях с разными частотами вращения. Сепаратор относительно дисков расположен эксцентрично на величину е. Поэтому при вращении дисков притираемые детали совершают сложные движения со скольжением и ме-талл снимается одновременно с их параллельных торцов.

Глубина припуска на притирку составляет 0,01...0,05 мм.

5.4. Хонингование Хонингование – метод отделочной обработки цилиндрических от-

верстий. Инструмент называется хоном. Это особая державка, на которой за-

креплены мелкозернистые абразивные бруски. Бруски совершают вращательное V1 и одновременно возвратно-

поступательное V2 движения вдоль оси обрабатываемого цилиндрического отверстия высотой h (рис. 5.11, а).

При сочетании движений на обрабатываемой поверхности появляет-ся сетка микроскопических винтовых царапин – следов перемещения абра-зивных зерен. На рис. 5.11, б приведены развертка внутренней цилиндри-ческой поверхности заготовки и схема образования сетки.

Такой профиль может быть необходим для удержания смазочного материала при работе машины (например, двигателя внутреннего сгора-ния) на поверхности ее деталей.

Крайние нижнее 1 и верхнее 2 положения абразивных брусков уста-навливают так, что создается перебег n (см. рис. 5.11, б). Он необходим для того, чтобы образующие отверстия получались прямолинейными даже при неравномерном износе брусков.

99

Рис. 5.11. Схема хонингования отверстия

Абразивные бруски всегда контактируют с обрабатываемой поверх-

ностью, так как раздвигаются в радиальном направлении механически (пружинами), гидравлически или пневматически. Давление брусков на об-рабатываемую поверхность контролируется. В зону обработки обильно подается смазочно-охлаждающая жидкость (керосин, веретенное масло).

Хонингование по сравнению с внутренним шлифованием имеет пре-имущества: отсутствует упругий отжим инструмента, реже наблюдается вибрация, резание происходит более плавно.

Хонингованием исправляют погрешности формы отверстия: откло-нение от круглости, цилиндричности. Погрешность взаимного расположе-ния оси отверстия относительно торца детали (например, неперпендику-лярность) хонингованием исправить невозможно, так как режущий инст-румент самоустанавливается по отверстию.

В последние годы для хонингования стали широко применяться ал-мазные бруски (синтетические), стойкость которых в десятки и сотни раз выше стойкости обычных абразивных брусков.

Припуск на обработку при хонинговании составляет 0,01...0,2 мм.

100 5.5. Суперфиниширование

Это процесс сверхтонкой абразивной обработки наружных и внут-

ренних цилиндрических и конических поверхностей, а также плоскостей колеблющимися брусками.

Суперфинишем в основном уменьшают шероховатость поверхности, оставшуюся от предыдущей обработки. При этом изменяются глубина и вид микронеровностей, обрабатываемые поверхности получают сетчатый рельеф. Поверхность становится чрезвычайно гладкой, что обеспечивает более благоприятные условия взаимодействия трущихся поверхностей.

Поверхности обрабатывают абразивными брусками, устанавливае-мыми в специальной головке. Для суперфиниша характерно колебательное движение брусков наряду с движением заготовки. Процесс резания проис-ходит при давлении брусков (0,5...3)105 Па и в присутствии смазочного материала малой вязкости.

Схема обработки наружной цилиндрической поверхности приведена на рис. 5.12, а. Плотная сетка микронеровностей создается сочетанием трех движений: вращательного Sкр заготовки, возвратно-поступательного Sпр и колебательного брусков со скоростью V. Амплитуда колебаний бру-сков составляет 1,5...6 мм, а частота 400...1200 колебаний в минуту. Дви-жение V ускоряет процесс съема металла и улучшает однородность по-верхности. Бруски, будучи подпружиненными, самоустанавливаются по обрабатываемой поверхности.

Рис. 5.12. Отделка суперфинишированием

Процесс характеризуется сравнительно малыми скоростями резания

(5...7 м/мин). Важную роль играет смазочно-охлаждающая жидкость. Масляная

пленка покрывает обрабатываемую поверхность, но наиболее крупные микровыступы (рис. 5.12, б) прорывают ее и в первую очередь срезаются абразивом. Давление брусков на выступы оказывается большим. По мере дальнейшей обработки давление снижается, так как все большее число вы-

101 ступов прорывает масляную пленку. Наконец, наступает такой момент (рис. 5.12, в), когда давление бруска не может разорвать пленку, она стано-вится сплошной. Создаются условия для жидкостного трения. Процесс от-делки автоматически прекращается. В качестве жидкости используют смесь керосина (80...90 %) с веретенным или турбинным маслом (20...10 %).

При суперфинишировании погрешности формы поверхности, полу-ченные на предшествующей обработке (волнистость, конусность, оваль-ность), не исправляются, хотя могут быть значительно уменьшены.

5.6. Полирование Полированием уменьшают шероховатость поверхности. Этим мето-

дом получают зеркальный блеск на ответственных частях деталей (дорож-ки качения подшипников) либо на деталях, применяемых для декоратив-ных целей (облицовочные части автомобилей). Для этого используют по-лировальные пасты или абразивные зерна, смешанные со смазочным мате-риалом. Эти материалы наносят на быстровращающиеся эластичные (на-пример, фетровые) круги или колеблющиеся щетки. Хорошие результаты дает полирование быстродвижущимися бесконечными абразивными лен-тами (шкурками).

В зоне полирования одновременно протекают следующие основные процессы: а) тонкое резание; б) пластическое деформирование поверхно-стного слоя; в) химические реакции – воздействие на металл химически активных веществ, находящихся в полировальном материале.

При полировании абразивной шкуркой положительную роль играет подвижность ее режущих зерен. Эта особенность шкурок приводит к тому, что зернами в процессе обработки не могут наноситься микроследы, суще-ственно различные по глубине.

В качестве абразивного материала применяют порошки из электро-корунда и оксиды железа при полировании стали, карбида кремния и окси-ды железа при полировании чугуна, оксиды хрома и наждака при полиро-вании алюминия и сплавов меди. Порошок смешивают со смазочным ма-териалом, который состоит из смеси воска, сала, парафина и керосина. По-лировальные круги изготовляют из войлока, фетра, кожи, капрона, спрес-сованной ткани и других материалов.

Процесс полирования проводят на больших скоростях (до 50 м/с). Заготовка поджимается к кругу усилием Р (рис. 5.13, а) и совершает дви-жения подачи Sпр и Sкр в соответствии с профилем обрабатываемой по-верхности. Полирование лентами (рис. 5.13, б) имеет ряд преимуществ. Эластичная лента может огибать всю шлифуемую поверхность. Поэтому движения подачи могут отсутствовать.

102

Рис. 5.13. Схемы полирования

Главное движение при полировании иногда совершает и заготовка 3

(рис. 5.13, в), имеющая, например, форму кольца с фасонной внутренней поверхностью. Абразивная лента 1 поджимается полировальником 2 к об-рабатываемой поверхности и периодически перемещается (движение Sпр).

Полирование возможно в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Заготовки, закрепленные на конвейере, непрерывно перемещают-ся относительно круга или ленты. Съем деталей происходит на ходу кон-вейера.

В процессе полирования не удается исправлять погрешности формы, а также местные дефекты предыдущей обработки.

6. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

6.1. Общая характеристика электрофизических и электрохимических

методов обработки В машиностроении часто возникают технологические проблемы,

связанные с обработкой материалов и деталей, форму и состояние поверх-ностного слоя которых трудно получить механическими методами. К та-ким проблемам относится обработка весьма прочных, очень вязких, хруп-ких и неметаллических материалов, тонкостенных нежестких деталей, па-зов и отверстий, имеющих размеры в несколько микрометров, поверхно-стей деталей с малой шероховатостью или малой толщиной дефектного поверхностного слоя. Подобные проблемы решаются применением элек-трофизических и электрохимических (ЭФЭХ) методов обработки.

103 К ЭФЭХ методам размерной обработки материалов относят ме-

тоды, обеспечивающие съем обрабатываемого материала в результате физико-химических процессов.

Для осуществления размерной обработки заготовок ЭФЭХ методами используют электрическую, химическую, звуковую, световую, лучевую и другие виды энергии.

По механизму разрушения и съема материала все физико-химические процессы обработки могут быть разделены на три группы: электрофизические методы обработки (ЭФО), электрохимические методы обработки (ЭХО) и комбинированные методы. Рассмотрим основные, наи-более применяемые и перспективные методы обработки:

– электроэрозионную; – электрохимическую; – химическую; – лучевые; – ультразвуковую; – плазменную; – а также комбинированные методы. Каждый из методов ЭФЭХ обладает уникальными технологически-

ми возможностями, но все они более энергоемки и менее производительны в сравнении с методами механической обработки.

Поэтому использование методов ЭФЭХ оправдано только для обра-ботки:

– конструкционных материалов, имеющих низкую обрабатываемость лезвийным и абразивными инструментами, в том числе высоколегирован-ных сталей, твердых сплавов, ферритов, керамики, полупроводников, си-талла и др.;

– деталей сложной геометрической формы из труднообрабатывае-мых материалов (пресс–формы, детали лопаток турбин и т. п.);

– миниатюрных тонкостенных нежестких деталей, а также деталей сложной формы с пазами и отверстиями.

Эффективность применения методов ЭФЭХ проявляется тем больше, чем сложнее форма обрабатываемой поверхности детали, выше физико-механические свойства материала и чем большие трудности воз-никают при ее изготовлении методами механической обработки.

ЭФЭХ методы обработки успешно дополняют обработку резанием, а в отдельных случаях имеют преимущества перед ней. При ЭФЭХ методах обработки силовые нагрузки либо отсутствуют, либо настолько малы, что практически не влияют на суммарную погрешность точности обработки. Методы позволяют не только изменять форму обрабатываемой поверхно-сти заготовки, но и влиять на состояние поверхностного слоя. Так, напри-мер, обработанная поверхность не упрочняется, дефектный слой незначи-телен, удаляются прижоги поверхности, полученные при шлифовании

104 и т. п. При этом повышаются износостойкие, коррозионные, прочностные и другие эксплуатационные характеристики деталей.

Кинематика формообразования поверхностей деталей ЭФЭХ мето-дами обработки, как правило, проста, что обеспечивает точное регулиро-вание процессов и их автоматизацию.

ЭФЭХ методы обработки универсальны и непрерывны, позволяют выполнять одновременное формообразование всех обрабатываемых по-верхностей. На обрабатываемость заготовок ЭФЭХ методами (за исключе-нием ультразвукового и некоторых других) твердость и вязкость обраба-тываемого материала практически не влияют. В промышленности широко применяют комбинированные методы обработки, которые дают значи-тельно больший эффект, чем каждый из методов отдельно.

6.2. Электроэрозионная обработка Электроэрозионными методами обработки материалов называют

методы электрофизической обработки, основанные на законах эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока.

Электроэрозионная обработка металлов (ЭЭО) дополняет обработку резанием, а в отдельных случаях имеет преимущества перед ней:

1) обработка материалов с высокой производительностью независи-мо от их механических свойств;

2) одновременное формообразование всех обрабатываемых поверх-ностей;

3) возможность изготовления деталей сложных форм (штампы, пресс-формы), недоступных другими методами обработки;

4) малоотходное разделение заготовок по любым траекториям слож-ного профиля;

5) силовые нагрузки практи-чески отсутствуют;

6) улучшается состояние по-верхностного слоя заготовки;

7) простота автоматизации процессов обработки.

Область применения ЭЭО. Обработка материалов повышен-ной прочности, повышенной вяз-кости, хрупких, труднообрабаты-ваемых материалов (твердые сплавы, закаленная сталь, вольф-рам, молибден и др.); обработка

Рис. 6.1. Схема электроэрозионной обра-ботки: 1 – электрод-инструмент; 2 – заго-товка-электрод; 3 – ванна; 4 – диэлектриче-ская жидкость; 5 – изолятор

105 тонкостенных нежестких деталей, пазов и отверстий малого и сверхмалого размеров (до 1–6 м); получение поверхностей с малой шероховатостью и малой толщиной дефектного поверхностного слоя.

Сущность методов ЭЭО Между электродом-заготовкой 2 (рис. 6.1) и электродом-

инструментом 1 генератором импульсов 6 создается разность потенциалов (от источника питания постоянного, пульсирующего постоянного или переменного тока различных частот).

Разность напряжений периодически приводит к образованию в среде между электродами временного канала проводимости (импульсный искро-вой или дуговой разряд продолжительностью 10–2...10–8 с). Высокая кон-центрация энергии, плотность тока (до 10000 А/мм2) приводят к возраста-нию температуры на поверхности электрода-заготовки до 4000...12000 0С, в результате чего элементарный объем металла заготовки мгновенно оп-лавляется и испаряется. На поверхности образуется лунка. Удаленный ме-талл застывает в диэлектрической жидкости 4 в виде гранул диаметром менее 0,01 мм. Определенному напряжению на электродах соответствует определенное расстояние электрического пробоя dп (0,01...0,05 мм).

Сечение прошиваемого отверстия может быть фасонным. Процесс образования импульсных разрядов продолжается до полно-

го удаления металла заготовки в пределах расстояния пробоя от поверхно-сти электрода-инструмента. Для продолжения процесса необходимо сбли-зить электроды до расстояния рабочего зазора dр при условии dр<dп. Сближение выполняется непрерывно автоматически с помощью следящих систем, в результате чего электрод-инструмент поступательно перемеща-ется к заготовке с постоянной скоростью Vи.

При ЭЭО используют два способа включения электродов: прямую полярность (отрицательно заряженный катод – инструмент) и обратную полярность (катод – заготовка). В процессе обработки происходит сглажи-вание поверхности заготовки за счет удаления микровыступов, поскольку каналы проводимости возникают по наименьшему расстоянию между электродами.

Межэлектродный промежуток заполнен диэлектриком 4 (это может быть вакуум, газ, жидкость, порошок или флюс). Наиболее часто применя-ется жидкость, т. к. в жидкой среде процесс эрозии происходит интенсив-нее. Кроме того, жидкость уменьшает нагрев электродов (инструмента и заготовки), охлаждает продукты разрушения, уменьшает величину боко-вых разрядов между инструментом и заготовкой, что повышает точность обработки. Процесс обработки при этом осуществляется в ванне 3 (см. рис. 6.1). Возможна принудительная циркуляция жидкости между электродами для более полного удаления продуктов разрушения и охлаждения электро-дов.

106 Применяемые диэлектрические жидкости: керосин, дизельное топ-

ливо, минеральные масла, вода, водные растворы и эмульсии.

Рис. 6.2. Схемы ряда основных операций ЭЭО: а – прошивание отверстия; б – обработ-ка фасонной полости штампа; в – прошивание отверстия по способу трепанации; г – прошивание отверстия с криволинейной осью; д – вырезание заготовки из листа; е –

шлифование внутренней поверхности фильеры

Методом ЭЭО (рис. 6.2) получают сквозные отверстия любой формы поперечного сечения (а), глухие отверстия и полости (б), фасонные отвер-стия и полости по способу трепанации (в), отверстия с криволинейными осями (г); вырезают заготовки из листа при использовании проволочного или ленточного инструмента-электрода (д), выполняют плоское, круглое и внутреннее (е) шлифование, разрезают заготовки, клеймят детали.

ЭЭО применяют для изготовления штампов, пресс-форм, фильер, режущего инструмента, деталей топливной аппаратуры двигателей внут-реннего сгорания, сеток и сит.

Методом ЭЭО обрабатывают практически все токопроводящие ма-териалы, но эффект эрозии при одних и тех же параметрах электрических импульсов различен. Он определяется временем нагрева поверхности заго-товки до температуры плавления. Зависимость интенсивности эрозии от свойств металлов называют электроэрозионной обрабатываемостью. Если

107 принять электроэрозионную обрабатываемость стали за единицу, то для других металлов ее можно представить в следующих относительных еди-ницах: твердые сплавы – 0,5; титан – 0,6; никель – 0,8; медь – 1,1; латунь – 1,6; алюминий – 4; магний – 6.

Электроискровым методом целесообразно обрабатывать твердые сплавы, труднообрабатываемые металлы и сплавы, тантал, молибден и другие материалы.

Факторы, вызывающие эрозию металла при ЭЭО: а) тепловое воз-действие разрядов; б) электростатические и электродинамические силы; в) газообразование в результате распада жидкой рабочей среды; г) кавитаци-онный удар жидкости.

Производительность ЭЭО характеризуется количеством снятого ме-талла в единицу времени (мм3/мин), (г/мин) и зависит от обрабатываемо-сти материала заготовки, вида рабочей среды, энергии импульса, частоты действия импульсов.

В результате единичного искрового разряда на обрабатываемой по-верхности образуется углубление диаметром D и глубиной h (рис. 6.3). Размеры углубления пропорциональны энергии импульса W:

D=k1W(1/3); h= k2W(1/3), где k1, k2 – коэффициенты, зависящие от материала электродов и состава межэлектродной среды.

При воздействии на металл се-рии импульсов обрабатываемая по-верхность формируется в результате перекрытия отдельных лунок. Высота микронеровностей Rz будет равна

Rz=(1/3)h=(k2/3)W(1/3). Отсюда можно выразить соот-

ношение энергии импульса W и показателя шероховатости обработанной поверхности Rz:

W=(27/k23)Rz

3. Обработанная поверхность представляет собой поверхность, образо-

ванную перекрытием множества лунок глубиной h и диаметром D (см. рис. 6.3). Исходя из требуемой шероховатости поверхности детали после обра-ботки, могут быть выбраны показатели процесса ЭЭО, прежде всего мощ-ность импульсов W.

Различают следующие методы ЭЭО: а) электроискровую обработку (ЭИсО); б) электроимпульсную обработку (ЭИмО); в) электроконтактную обработку (ЭКО).

Рис. 6.3. Профиль поверхности, обработанной ЭЭО

108 Первые два метода – бесконтактные. Они отличаются друг от друга

параметрами электрических разрядов, прежде всего их мощностью и про-должительностью.

Сравнительные характеристики бесконтактных методов ЭЭО

Метод ЭЭО Характеристика метода

ЭИсО ЭИмО Вид разряда Импульсный

искровой Импульсный

дуговой Полярность Прямая Обратная Длительность импульса, с 10-4...10-7 10-2...10-4 Частота следования импульсов, кГц 0,1...100 0,15...3 Напряжение источника питания max, В 300 30 Сила тока источника питания max, А 125 500 Температура канала разряда, 0С 10000...12000 4000...5000 Производительность max, мм3/мин 1900 15000 Шероховатость обработанной поверхности Ra, мкм 0,6...5 5...20

Мощность импульсов при ЭИмО больше, чем при ЭИсО. Это обес-

печивает методу ЭИмО более высокую производительность при более низком качестве поверхности. Поэтому целесообразно применение комби-нированной ЭЭО, когда черновая обработка ведется методом ЭИмО, затем чистовая – методом ЭИсО. Сравнительные характеристики бесконтактных методов ЭЭО даны в таблице.

Метод электроконтактной обработки (ЭКО) Метод ЭКО основан на локальном нагреве заготовки в месте кон-

такта с электродом-инструментом за счет подвода тока большой плотно-сти. Размягченный или расплавленный металл заготовки удаляется из зо-ны обработки механически движением инструмента. Обработка возможна со значительным давлением инструмента на заготовку или без давления в режиме электрического оплавления.

Размягчение, расплавление и частичное испарение металла происхо-дят за счет нагрева контактных перемычек между электродами, а также за счет дуговых разрядов между ними. Контактные перемычки образуются сначала в твердой фазе материала заготовки, а затем в жидкой фазе. Воз-можно также кратковременное замыкание электродов диспергированными частицами металла. Разряды возникают в результате размыкания (электри-ческого взрыва) контактных перемычек или вследствие непосредственного пробоя промежутка между электродами по аналогии с бесконтактными ме-тодами ЭЭО. Размыкание контактных перемычек происходит при разрыве контактов между электродами за счет их относительного движения, сопро-вождается скачком напряжения и возникновением дугового разряда.

109 Преимущества ЭКО по сравнению с бесконтактными методами

ЭЭО: – высокая производительность; – не требуются жидкие рабочие среды; – не требуется источник постоянного тока; – малый износ режущего инструмента; – безопасное для работы напряжение на электродах. Недостатки ЭКО по срав-

нению с бесконтактными мето-дами ЭЭО: низкая точность; не-высокое качество поверхности.

ЭКО применяют при зачи-стке отливок от заливов, отрезке литниковых систем и прибылей, зачистке проката из спецсплавов, черновом круглом наружном, внутреннем и плоском шлифова-нии корпусных деталей машин из труднообрабатываемых сплавов (рис. 6.4).

Пример применения ЭЭО (ЭИсО): прошивка отверстия диаметром 0,15 мм в распылителях дизель-ных форсунок на станках ЛКЗ - 34, ЛКЗ - 59 с затратой времени от 15 до 35 с на одно отверстие.

6.3. Электрохимическая обработка Электрохимическая обработка металлов (ЭХО) основана на явлении

анодного растворения металла, осуществляемого при прохождении по-стоянного тока через электролит между электродом-инструментом и электродом-заготовкой.

Инструмент 1 при ЭХО является отрицательно заряженным катодом, заготовка 2 – положительно заряженным анодом (рис. 6.5).

На рис. 6.5 показаны схемы обработки заготовок в струе проточного электролита: турбинной лопатки (а), штампа (б) и схема прошивания сквозного цилиндрического отверстия (в).

Сущность метода ЭХО Под действием электрического тока от источника питания атомы по-

верхностного слоя металла заготовки вступают в химическое соединение с анионами (отрицательно заряженными ионами) электролита, переходят в раствор и удаляются потоком электролита.

Рис. 6.4. Схема электроконтактной обработки плоской поверхности:

1 – обрабатываемая заготовка; 2 – инстру-мент-электрод; 3 – трансформатор

110 Под действием внешней электродвижущей силы слабосвязанные

электроны из атомов поверхностного слоя уходят во внешнюю электриче-скую цепь, разрывая связь этих атомов с массой металла. Положительно ионизированные атомы металла вступают в реакцию с анионами электро-лита, образуя соединения, которые или растворяются в электролите, или создают на поверхности заготовки пленку, удаляемую механически.

Рис. 6.5. Схемы электрохимической размерной обработки:

1 – инструмент-электрод; 2 – заготовка; 3 – изолятор

Участки заготовки, не требующие обработки, изолируют. В качестве электролита используется чаще всего водный раствор поваренной соли NaCl, который имеет малую стоимость и длительную работоспособность. Кроме того, используют водные растворы азотнокислого и сернокислого натрия, серной и фосфорной кислот. Электролит применяется многократно после очистки в фильтрах. Заготовку погружают в ванну с электролитом либо электролит подают в зону обработки через сопло.

В состав электролита вводят специальные добавки, снижающие его вязкость (инертные газы, воздух), коррозионную активность, поверхност-но-активные вещества (для лучшей очистки обрабатываемой поверхности заготовки и самого электролита в фильтрах).

Преимущества ЭХО перед традиционными методами обработки металлов резанием:

1) Совершенно отсутствует износ электрода-инструмента (т. к. фак-тически при ЭХО инструментом является раствор электролита).

2) Возможность формообразования сложнофасонных поверхностей при поступательном перемещении электрода-инструмента (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема последовательного (а, б, в) формообразования поверхности

заготовок: 1 – электрод-инструмент; 2 – электрод-заготовка

111 3) Обработка материалов с высокой производительностью независи-

мо от их физико-механических свойств. 4) Отсутствие не только силового, но и температурного воздействия

на заготовку в зоне обработки. 5) Уменьшение шероховатости обработанной поверхности и глуби-

ны дефектного слоя. 6) Простота автоматизации процессов обработки. Недостатки ЭХО: – высокая стоимость и сложность изготовления оборудования; – обязательно использование раствора электролита; – высокая энергоемкость обработки. Область применения ЭХО. Обработка материалов повышенной

прочности и вязкости, хрупких, труднообрабатываемых материалов; обра-ботка тонкостенных нежестких деталей; удаление заусенцев, притупление острых кромок; затачивание и доводка поверхностей режущего инстру-мента; получение поверхностей с малой шероховатостью и малой толщи-ной дефектного поверхностного слоя; декоративная отделка деталей.

Показателем электрохимической обрабатываемости металла является электрохимический эквивалент k. Металлы с различными механическими свойствами могут иметь близкие значения k.

Для сравнения: железо k=2,2; никель, кобальт k=2,05; хром k=2,24; алюминий k=2,1; медь k=2,2; молибден k=1,95.

Электрохимический эквивалент k определяет объем растворившего-ся металла при прохождении через электролит определенного количества электричества. Чем больше k, тем выше обрабатываемость. Затруднена об-работка методом ЭХО сплавов с большим содержанием углерода C, крем-ния Si, а также титановых сплавов.

Производительность ЭХО определяется количеством вещества G, растворенного под действием тока. Согласно закону Фарадея оно прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через раствор электролита. Для ЭХО будут справедливы следующие зависимости:

G=kI; tм=h/vл; vл= kvia10-2, где k, kv – соответственно массовый, г/(Ач) и объемный, мм3/(Амин) элек-трохимический эквивалент обрабатываемого материала; I – сила тока, А; – время обработки, ч; h – снимаемый припуск, мм; vл – линейная скорость растворения металла, мм/мин; ia – анодная плотность тока, А/см2; tм – ма-шинное время, мин.

Максимальная производительность станков ЭХО теоретически мо-жет достигать 2000 мм3/мин.

Повышение производительности ЭХО за счет увеличения плотности тока ограничено, т. к. соли растворенного металла заготовки при больших плотностях тока не успевают растворяться в электролите и образуют по-

112 верхностную пленку, которая обладает значительным электрическим со-противлением.

Увеличение плотности тока возможно за счет увеличения скорости движения электролита (продукты анодного растворения, обладающие зна-чительным омическим сопротивлением, быстрее уносятся из рабочего за-зора) и за счет уменьшения зазора между электродами. Однако, в свою очередь, уменьшение зазора ограничивается двумя причинами: 1) снижа-ется скорость движения электролита, а также нарушается равномерность его подачи; 2) при очень малых зазорах происходит замыкание электродов и возникновение между ними дуговых разрядов.

Инструмент при ЭХО имеет форму, обратную форме обрабатывае-мой поверхности. Скорость растворения металла пропорциональна плот-ности тока, которая будет больше там, где меньше зазор. При проектиро-вании катода-инструмента необходимо корректировать его форму с учетом технологических особенностей метода ЭХО. Например, если необходимо получить плоскую поверхность, используют электрод-инструмент со слег-ка выпуклым профилем, так как металл быстрее удаляется с краев заготов-ки. При изготовлении цилиндрических отверстий надо предусматривать корректировку возникающей конусности и т. д.

Интенсивное растворение металла заготовки и достаточно точное копирование профиля катода на аноде возможны только при достаточно малых расстояниях между электродами (порядка 0,2...0,5 мм). Копирова-ние профиля катода происходит вследствие перераспределения плотности тока. Для получения больших плотностей тока в качестве источников пи-тания используют агрегаты, дающие напряжение 5...30 В, при величине силы тока 10000 А и выше.

Точность получаемых размеров для обработки методом ЭХО – до 20 мкм.

Точность ЭХО снижается вследствие погрешности изготовления ка-тода, погрешности установки заготовки, непостоянной плотности тока, не-постоянства температуры и скорости движения электролита, неравномер-ности движения электродов.

6.4. Химическая обработка Химическая обработка заключается в направленном и контролируе-

мом разрушении металлов и сплавов травлением их в растворах кислот и щелочей.

Снятие слоя припуска (рис. 6.7) осуществляется за счет химического взаимодействия материала обрабатываемой заготовки 1 с кислотным или щелочным составом 2 травильных ванн 3. Поверхность детали предвари-тельно очищается, необрабатываемые участки детали защищают химиче-

113 ски стойким покрытием. Детали устанавливаются на подпорках 4 или под-вешиваются в корзинах. Травильный раствор циркулирует через ванну и блок регенерации 5, очищающий его от шлама и восстанавливающий кон-центрацию раствора.

Преимущества химических методов перед обработкой на металло-режущих станках:

1) Отсутствие механических и тепловых явлений в зоне съема метал-ла позволяет обрабатывать детали любой жесткости и конфигурации.

2) Возможность обработки поч-ти всех материалов в любом состоя-нии независимо от их механических свойств.

3) Достаточно высокая произ-водительность вследствие протекания реакции одновременно по всей обра-батываемой поверхности.

4) Возможность съема металла на тех участках детали, где использо-вать другие методы обработки неэффективно или невозможно.

5) Сравнительно высокая точность обработки (до 0,05 мм против 0,25 мм при механическом фрезеровании).

6) Возможность получения деталей переменной толщины, кониче-ской формы, ступенчатой формы травлением различных участков в тече-ние различного времени (эшелонированное травление с последовательным удалением защитного покрытия поверхности).

7) Обработка магнитных материалов без снижения их магнитных свойств.

8) Одновременная обработка большого числа деталей. 9) Простота промышленного внедрения и автоматизации, невысокая

стоимость оборудования. Недостатки химических методов: Продолжительность процесса подготовки деталей под травление,

большой расход материалов покрытий и растворителей покрытий (необхо-димость нанесения нескольких слоев защитных покрытий до обработки и снятия их после обработки. Путь решения этой проблемы– применение покрытий, которые можно использовать многократно).

Сравнительная продолжительность травления, особенно при уда-лении значительных толщин металла.

Снижение класса шероховатости поверхности. Ограниченность обработки отверстий, невозможность получения

узких, глубоких пазов вследствие плохой циркуляции раствора и подтрав-ливания защитного покрытия.

Рис. 6.7. Схема химической обработки

114 Процесс химического травления можно разделить на три периода: 1. Растворение окисной пленки (окалины) на поверхности металла. В качестве примера на рис. 6.8 приводится строение поверхностного

слоя стали.

Окалина 100 % (толщи-на S – доли мм)

Fe – основной металл

- Fe2O3 – «Гематит» (10 %)

- Fe3O4 – «Магнетит» (40 %)

- FeO – «Вюстит» (50 %)

Рис. 6.8. Строение поверхностного слоя стали

Окалина обладает значительно большей химической стойкостью,

чем основной металл. Процесс протекает очень медленно, поэтому на дан-ном этапе используют специальный, химически более активный раствор.

2. Основной период установившегося процесса растворения металла. Скорость съема металла в этом периоде характеризует скорость химиче-ского фрезерования.

3. Образование на металле значительного слоя из продуктов реакции, что снижает скорость растворения. В этом случае сам раствор требует смены или регенерации.

Размерное травление может быть: а) общим (по всей поверхности детали в основном для уменьшения веса); б) местным (травлению подвер-гаются лишь некоторые поверхности до определенных размеров и форм).

Факторы, влияющие на производительность процесса и качество по-верхности: 1) материал заготовки; 2) метод получения заготовки и терми-ческая обработка; 3) начальное состояние поверхности заготовки; 4) состав травильного раствора; 5) концентрация раствора; 6) температура раствора; 7) скорость циркуляции раствора; 8) глубина травления.

Последовательность операций технологического процесса химического травления металлов

1. Контроль толщины деталей (ультразвуковой) и состояния поверх-ностного слоя (наличие дефектов, повреждений).

2. Очистка поверхности детали (с целью снятия заусенцев, краски, окалины и обеспечения плотного сцепления защитного слоя с поверхно-стью):

2.1. Обезжиривание (бензин). 2.2. Травление для снятия окалины (растворы едкого натра, плавико-

вой, азотной кислот). 2.3. Пароабразивная обдувка (при большой толщине слоя окалины).

115 2.4. Промывка в горячей и холодной воде. 2.5. Сушка. 3. Нанесение защитных покрытий на необрабатываемые поверхно-

сти. Виды защитных покрытий: – механические и вакуумные экраны (для плоских деталей в мелко-

серийном производстве. Крепятся винтами, или вакуумом); – гальванические покрытия (электрическое омеднение для деталей из

алюминиевых сплавов с плоскими поверхностями большой площади. Применение метода ограничено из-за сложности и трудоемкости);

– клейкая лента (для ступенчатого травления детали на различную глубину. Лента постепенно снимается с поверхности);

– сплавы на основе парафина (для травления в холодных растворах. Затем легко удаляются при погружении детали в горячую воду);

– светочувствительные эмульсии (в сочетании с негативами из пла-стмассы);

– лакокрасочные покрытия (наиболее распространенный и эффек-тивный вид. Пример – перхлорвиниловая эмаль).

Существует два способа выборочного покрытия определенных уча-стков заготовки: а) сначала покрывают всю деталь, затем обрабатываемые поверхности очищают; б) предварительно защищают места травления, а затем наносят покрытие на все открытые поверхности (применяется в мас-совом производстве).

Способы нанесения лакокрасочных покрытий: кистью; пульвериза-тором; обливом; окунанием всей заготовки.

4. Сушка покрытия (продолжается 2...3 часа до полного испарения растворителя во избежание пористости покрытия. Иногда применяют на-грев с целью полимеризации покрытия).

5. Предварительное травление для снятия окисных слоев с поверхно-сти (заготовки на специальных рамах или в корзинах погружают в концен-трированный раствор соляной кислоты).

6. Основное химическое травление. В щелочном или кислотном растворе (растворы серной, соляной,

азотной, фосфорной, плавиковой кислот в порядке значимости, едкого на-тра, со специальными добавками). Деталь необходимо периодически встряхивать или переворачивать для удаления из-под покрытия на грани-цах контура образующихся газов, препятствующих нормальному травле-нию. Раствор необходимо периодически очищать от продуктов травления или менять, а также перемешивать для уравнивания температур. Внутрен-няя поверхность травильной ванны должна быть из кислостойкого мате-риала (поливинилхлорид, фторопласт, эпоксидные смолы). Линейная ско-рость травления обычно составляет 0,013...0,045 мм/мин.

116 Способы контроля за процессом: а) определением размеров (ультра-

звуковым способом или толщиномерами); б) определением веса детали; в) по времени выдержки в растворе.

7. Очистка детали после травления: 7.1. Промывка в первичном травильном растворе для удаления со-

лей, которые не смываются водой. 7.2. Промывка в воде. 7.3. Удаление защитного покрытия (обычно выполняется вручную

ножами, щетками). 7.4. Промывка. 7.5. Сушка. 8. Окончательный контроль размеров и состояния поверхности дета-

ли. Особенности химического травления

Процесс травления идет по всем направлениям с одинаковой скоро-стью, поэтому защитное покрытие должно перекрывать требуемую грани-цу размера выемки A на величину, равную глубине травления R (рис. 6.9).

Под покрытием металл травится по радиусу R. При недостаточной ширине паза (менее 2 мм) в пространстве под покрытием скапливается газ, препятствующий травлению. Для его удаления деталь необходимо перио-дически встряхивать, переворачивать, прикладывать вибрации.

После травления шероховатость об-работанных поверхностей увеличивается на 1...2 класса (причем больше всего у литых заготовок). Глубина травления обычно составляет 6...8 мм (реже до 12 мм). Чем больше глубина травления, тем меньше точность и больше шероховатость поверхности.

Химическим травлением получают местные утонения на нежестких заготов-ках, ребра жесткости, извилистые канавки

и щели, «вафельные» поверхности, обрабатывают поверхности, трудно-доступные для режущего инструмента.

6.5. Ультразвуковая обработка Ультразвуковая обработка (УЗО) основана на разрушении обраба-

тываемого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой.

Рис. 6.9. Травление металла заго-товки под покрытием: 1 – покры-

тие; 2 – заготовка

117 УЗО является частным случаем механического вибрационного воз-

действия, которое может быть низкочастотным и высокочастотным. Час-тота колебаний инструмента при УЗО превышает звуковой диапазон и со-ставляет 16...30 кГц.

Механическое вибрационное воз-действие инструмента на заготовку, как правило, сочетается с равномерным меха-ническим воздействием (давлением) того же инструмента. При ультразвуковой аб-разивной обработке в зону обработки по-дается абразивная среда (суспензия).

В основе получения ультразвуковых колебаний лежит явление магнитострик-ции – изменения линейных размеров ряда материалов в магнитном поле. Эффектом магнитострикции обладают никель, желе-зоникелевые сплавы (пермендюр), желе-зоалюминиевые сплавы (альфер), ферриты.

Магнитострикционный сердечник 1 (рис. 6.10) периодически изме-няет свою длину (на 2...10 мкм) при наличии переменного электромагнит-ного поля, которое наводится при помощи генератора 6. Резонансный вол-новод 2 припаивают к торцу сердечника для увеличения амплитуды коле-баний (до 10...60 мкм) и концентрации энергии. Через сердечник 1 прока-чивают воду для охлаждения (нагрев на гистерезис, вихревые токи). Под пуансоном 3 помещают заготовку 4. Обработка ведется в ванне 5, запол-ненной абразивной суспензией (взвесь абразивных зерен в воде).

Припуск с поверхности заготовки сни-мают абразивные зерна, получающие энергию от удара пуансоном (рис. 6.11).

Инструмент, колеблющийся с ультра-звуковой частотой, ударяет по зернам абрази-ва, лежащим на обрабатываемой поверхности заготовки, которые скалывают частицы мате-риала заготовки (см. рис. 6.11).

В жидкости происходят кавитационные процессы (образование пузырьков при разря-жении, их ликвидация и удар при сжатии), которые способствуют перемешиванию абра-зивных зерен под инструментом и более ин-тенсивному разрушению материала заготов-ки. Инструмент поджимают к заготовке с не-большим усилием P (до 60 Н).

Рис. 6.10. Принципиальная схема

ультразвуковой обработки

Рис. 6.11. Разрушение обраба-тываемого материала при ультразвуковой обработке

118 Ультразвуковым методом обрабатывают хрупкие твердые материа-

лы: стекло, керамику, ферриты, кремний, кварц, драгоценные минералы, в том числе алмазы, твердые сплавы, титановые сплавы, вольфрам. Вязкие материалы (незакаленная сталь, латунь) плохо обрабатываются УЗО, так как в этом случае не происходит сколов.

Рис. 6.12. Схемы ультразвуковой обработки поверхностей заготовок:

а и б – прошивание цилиндрического и фасонного отверстий; в – обработка внутренней полости; г – разрезание

Ультразвуковым методом получают (рис. 6.12) сквозные и глухие

отверстия любой формы поперечного сечения (а, б), фасонные полости (в), разрезают заготовки на части (г), профилируют наружные поверхности, гравируют, прошивают отверстия с криволинейными осями, нарезают резьбы.

Рабочие движения для указанных видов обработки: скорость резания V (движение абразивных зерен в направлении обрабатываемой поверхно-сти) и движение подачи S.

Инструменты изготовляют из закаленных (НRС 35...40), но вязких материалов.

Точность размеров и шероховатость поверхностей, обработанных ультразвуковым методом, зависят от зернистости используемых абразив-ных материалов и соответствуют точности и шероховатости поверхностей, обработанных шлифованием.

6.6. Лучевые методы обработки К лучевым методам формообразования поверхностей деталей машин

относят электронно-лучевую и светолучевую (лазерную) обработки.

119 Электронно-лучевая обработка

Электронно-лучевая обработка основана на превращении кинетиче-ской энергии направленного пучка электронов в тепловую. Высокая плот-ность энергии сфокусированного электронного луча позволяет обрабаты-вать заготовки за счет нагрева, расплавления и испарения материала с уз-колокального участка.

Схема установки для электронно-лучевой обработки (электронная пушка) показана на рис. 6.13. В вакуумной камере 1 установки 9 вольфра-мовый катод 11, питаемый от источника тока, обеспечивает эмиссию свободных электронов. Электроны формируются в пучок специальным электродом и под действием электрического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов ме-жду катодом 11 и анодом 10, ускоряются в осевом направлении. Луч электронов проходит систему юстировки 9, диафрагму 8, корректор изображения 7 и систему магнитных линз 6, которые оконча-тельно формируют поток электронов в луч малого диаметра и фокусируют его на поверхности заго-товки 4, закрепленной в приспособлении 3 на сто-ле 2. Луч по поверхности заготовки перемещается отклоняющей системой 5, которая может управляться системой числового программного управления (ЧПУ).

Система ЧПУ также управляет продольными и поперечными пере-мещениями стола, на котором закреплена заготовка, продолжительностью импульсов и интервалов между ними.

При размерной обработке заготовок установка работает в импульс-ном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заготовки. В зоне обра-ботки температура достигает 6000 0С, а на расстоянии 1 мкм от кромки лу-ча не превышает 300 0С. Продолжительность импульсов и интервалы меж-ду ними подбирают так, чтобы за один цикл успел нагреться и испариться металл только под лучом. Длительность импульсов составляет 10–4...10–6 с, а частота 50...6000 Гц. Диаметр сфокусированного электронного луча – не-сколько микрометров.

Электронно-лучевой метод перспективен при обработке отверстий диаметром от 1 мм до 10 мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изготов-лении тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки из труд-нообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметаллических мате-риалов: рубина, керамики, кварца, полупроводниковых материалов.

Электронно-лучевая обработка имеет преимущества, обусловли-вающие целесообразность ее применения: создание локальной концентра-ции высокой энергии, широкое регулирование и управление тепловыми

Рис. 6.13. Схема элек-

тронно-лучевой установки

120 процессами. Вакуумные среды позволяют обрабатывать заготовки из лег-коокисляющихся активных материалов. С помощью электронного луча можно наносить покрытия на поверхности заготовок в виде пленок толщи-ной от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра.

Недостатком обработки является то, что она возможна только в ва-кууме.

Светолучевая обработка Светолучевая (лазерная) обработка основана на тепловом воздейст-

вии светового луча высокой энергии на поверхность обрабатываемой заго-товки. Источником светового излучения служит лазер – оптический кван-товый генератор (ОКГ). Созданы конструкции твердотелых, газовых и по-лупроводниковых ОКГ. Их работа основана на принципе стимулированно-го генерирования светового излучения.

Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится в ус-тойчивом энергетическом состоянии и располагается на определенном энергетическом уровне. Для выведения атома из устойчивого энергетиче-ского состояния его необходимо возбудить. Возбуждение («накачку») ак-тивного вещества осуществляют световой импульсной лампой. Возбуж-денный атом, получив дополнительный фотон от системы накачки, излу-чает сразу два фотона, в результате чего происходит своеобразная цепная реакция генерации лазерного излучения.

Для механической обработки используют твердотелые ОКГ, рабочим элементом которых является рубиновый стержень, состоящий из оксидов алюминия, активированных 0,05 % хрома. Рубиновый ОКГ работает в им-пульсном режиме.

Принцип действия ОКГ (рис. 6.14): электрическая энергия источника тока 1, запасенная в батарее конденсаторов 2, преобразуется в световую энергию им-пульсной лампы 4. Свет лампы 4 фокуси-руется на рубиновый стержень 5, и атомы хрома в стержне под действием световой энергии переходят в возбужденное состоя-ние (электрон поднимается на более высо-кую орбиту). Если в возбужденном со-стоянии атом получает еще один фотон, то он излучает сразу два фотона, и одновре-менно электрон переходит на более низ-кую орбиту, атом возвращается в нор-мальное состояние. В стержне 5 происхо-

дит цепная реакция. Энергия, запасенная в течение 10–3 с, выделяется за очень короткое время (около 10–6 с) и сосредотачивается в луче диаметром

Рис. 6.14. Схема оптического

квантового генератора: 1 – источ-ник тока; 2 – батарея конденсато-ров; 3 – корпус; 4 – импульсная лампа; 5 – рубин; 6 – линзы; 7 –

заготовка

121 около 0,01 мм. Линза 6 фокусирует луч на заготовке, в результате чего элементарный объем материала заготовки 7 расплавляется и испаряется.

Лучи света имеют высокую направленность. Расходимость луча обычно не превышает 0,10. Энергия светового импульса ОКГ обычно неве-лика и составляет 20...100 Дж, но она выделяется в миллионные доли се-кунды и сосредоточивается в луче диаметром 0,01 мм. В фокусе диаметр светового луча составляет всего несколько микрометров, что обеспечивает температуру 6000...8000 0С. В результате этого поверхностный слой мате-риала заготовки, находящийся в фокусе луча, мгновенно расплавляется и испаряется.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и глухих отверстий, разрезки заготовок на части, вырезания заготовок из листовых материалов, прорезания пазов. Этим методом можно обрабатывать заго-товки из любых материалов, включая самые твердые и прочные. Напри-мер, лазерную обработку отверстий применяют при изготовлении диа-фрагм для электронно-лучевых установок, дюз для дозирования воздуха или газов, деталей топливной аппаратуры дизелей, сит. Диафрагмы изго-товляют из вольфрамовой, танталовой, молибденовой или медной фольги толщиной около 50 мкм при диаметре отверстия 20...30 мкм. С помощью лазерного луча можно выполнять контурную обработку по аналогии с фре-зерованием, т. е. обработку поверхностей по сложному периметру. Пере-мещениями заготовки относительно светового луча управляют системы ЧПУ, что позволяет прорезать в заготовках сложные криволинейные пазы или вырезать из заготовок детали сложной геометрической формы.

6.7. Плазменная обработка Сущность плазменной обработки: поток плазмы (полностью иони-

зированный газ, состоящий из положительных ионов и электронов) на-правляется на поверхность обрабатываемой заготовки.

Плазму получают в плазмотронах (рис. 6.15). Дуговой разряд 3 воз-буждается между вольфрамовым электродом 5 и медным электродом 4, выполненным в виде трубы и охлаждаемым проточной водой. В трубу по-дают газ (аргон, азот) или смесь газов. Обжимая дуговой разряд, газ при соединении с электронами ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде ярко светящейся струи 2, которая направляется на обрабатываемую заготовку 1.

Плазма имеет температуру 10000...30000 0С и характеризуется высо-кой электропроводностью, что позволяет управлять формой плазменной струи посредством магнитных и электромагнитных полей, концентриро-вать тепловую энергию на узком участке (сжимать струю плазмы).

122 Плазменным методом обрабатыва-

ют заготовки из любых материалов, вы-полняя прошивание отверстий, вырезку заготовок из листового материала, стро-гание, точение. При прошивании отвер-стий, разрезке и вырезке заготовок голов-ку устанавливают перпендикулярно к по-верхности заготовки, при строгании и то-чении – под углом 40...60 0.

Основное преимущество плазмен-ной обработки – возможность обработ-ки практически любых материалов с вы-сокой производительностью.

Метод плазменной обработки в це-лом характеризуется наибольшей произ-

водительностью по сравнению с другими методами физико-химической обработки.

6.8. Комбинированные физико-химические методы обработки Разработаны комбинированные методы обработки деталей, соче-

тающие преимущества методов электрохимической обработки (ЭХО, на-зываемого также анодным растворением), электроэрозионной обработки, механической обработки, ультразвукового вибрационного воздействия, плазменной обработки.

Электроэрозионно-химический метод обработки (ЭЭХО) В зазоре между электродами одновременно протекает два процесса –

электроэрозионное разрушение металла искровыми разрядами, нагревом контактных перемычек и его анодное растворение в проточном электро-лите. В качестве электролита используется обычно водный раствор жидко-го натриевого стекла. Материал инструмента должен быть эрозионно-стойким, теплостойким и прочным (графит, вольфрам). Разряд в электро-лите происходит после возникновения между электродами изолирующего газопарового слоя (водород, выделяющийся на катоде).

Преимуществом ЭЭХО является взаимное ослабление действия факторов, ограничивающих съем металла при раздельном использовании методов.

То есть комбинированный метод имеет большую производитель-ность, чем ЭХО, при меньшей точности. Рекомендуется для выполнения черновых операций.

Рис. 6.15. Схема плазменной

головки

123 Анодно-механический метод обработки

Основан на электрохимическом растворении металла заготовки с по-следующим его удалением механическим путем. В общем случае происхо-дит одновременно три процесса: 1) анодное растворение (как при электро-химической обработке); 2) электроэрозия; 3) механическое удаление ме-талла с продуктами растворения и эрозии.

Производительность метода выше, чем при анодном растворении.

Рис. 6.16. Принципиальная схема анодно-механической установки и процесса обработки: 1 – инструмент-электрод; 2 – электролит;

3 – заготовка; 4 – продукты распада Принципиальная схема процесса обработки показана на рис. 6.16.

При сближении электродов 3 (обрабатываемое изделие) и 1 (инструмент) и при наличии между ними электролита (рабочей жидкости) 2 во время про-хождения тока происходит разрушение электрода, соединенного с положи-тельным источником тока (анодом). Это разрушение при низких плотно-стях тока осуществляется в виде анодного растворения металла, а при вы-соких плотностях – в виде его электроэрозионного разрушения. Образую-щиеся продукты распада 4 плохо проводят ток и изолируют один электрод от другого. Для удаления их осуществляют движение электрода 1 (инстру-мента) с небольшим усилием. В этом случае процесс протекает непрерыв-но, обнажающийся материал заготовки продолжает разрушаться и требуе-мая обработка осуществляется независимо от его твердости.

Процесс анодно-механической обработки зависит от электрического режима (плотности тока, напряжения) и механических параметров (давле-ния на обрабатываемую поверхность, скорости движения инструмента). На рис. 6.16 (см. выноску I) показана одна из предполагаемых схем процесса.

В качестве электролита при анодно-механической обработке, так же как и при ЭЭХО, используется водный раствор жидкого натриевого стекла.

Анодно-механическим способом обрабатывают заготовки из всех токопроводящих материалов, высокопрочных и труднообрабатываемых металлов и сплавов, вязких материалов.

124 В станках для анодно-механической обработки используют системы

ЧПУ. От программы осуществляется управление скоростями движений за-готовки и инструмента, поддерживается постоянство зазора в рабочем пространстве между ними, задаются параметры электрического режима при переходе с черновой обработки на чистовую.

Рис. 6.17. Примеры анодно-механической обработки

Анодно-механическим методом (рис. 6.17) разрезают заготовки на

части (а), прорезают пазы и щели, обтачивают поверхности тел вращения (б), шлифуют плоские поверхности и поверхности, имеющие форму тел вращения (в), полируют поверхности, затачивают режущий инструмент.

При электрохимическом шлифовании (см. рис. 6.17, в) инструмен-том-электродом служит шлифовальный круг на электропроводной связке (бакелитовая связка с графитовым наполнителем, металлическая связка). Межэлектродный зазор образован абразивными зернами, выступающими из связки (рис. 6.18). В зазор подается электролит.

Снятие припуска происходит за счет анодно-го растворения, механического резания абразивны-ми зернами и электроэрозии. Продукты анодного растворения удаляются механически – абразивны-ми зернами. Процесс электроэрозии препятствует засаливанию абразивного круга, вскрывая новые абразивные зерна (происходит непрерывная правка круга). Таким образом, факторы, ограничивающие съем металла при раздельном использовании мето-дов, при использовании комбинированного метода взаимно ослабляются. Резко повышается произво-дительность.

Кроме того, при электрохимическом шлифо-вании исключаются сколы и трещины в металле заготовки, что особенно важно при обработке хрупких сплавов. Также полностью исключаются прижоги при обработке вязких сталей.

Рис. 6.18. Схема анод-

но-механического шли-фования: 1 – заготовка; 2 – абразивные зерна; 3 – связка шлифовально-

го круга

125 Химико-механическая обработка

Метод основан на химическом растворении металла заготовки с по-следующим его удалением механическим путем.

Химико-механическую обработку чаще всего применяют для разре-зания и шлифования пластинок из твердого сплава, доводки твердосплав-ного инструмента.

Заготовки из твердых сплавов приклеивают специальными клеями к пластинам и опускают в ванну, заполненную суспензией, состоящей из раствора сернокислой меди и абразивного порошка. В результате обмен-ной химической реакции на поверхности заготовок выделяется рыхлая ме-таллическая медь, а кобальтовая связка твердого сплава переходит в рас-твор в виде соли, освобождая тем самым зерна карбидов титана, вольфрама и тантала.

Медь вместе с карбидами сошлифовывается присутствующим в рас-творе абразивным порошком. В качестве инструмента используют чугун-ные диски или пластины. Карбиды удаляются в результате относительных движений инструмента и заготовок.

Ультразвуковая механическая обработка Ультразвуковая механическая обработка включает операции точе-

ния, фрезерования, строгания, протягивания, сверления, зенкерования и нарезания резьб.

Ультразвуковые колебания прикладываются к инструменту в осевом направлении подачи. В зависимости от кинематики движений заготовки относительно режущей кромки они могут быть продольными, крутильны-ми и изгибными. Механизм воздействия ультразвука на процесс обработки заключается в снижении сопротивления обрабатываемого материала пла-стической деформации в зоне стружкообразования, снижении трения в контактных зонах и облегчении поступления смазочно-охлаждающих ве-ществ.

Как следствие снижения сопротивления обрабатываемого материала пластической деформации, снижается сила резания. Колебания инструмен-та улучшают подвод смазочно-охлаждающих веществ в контактные зоны и, повышая скорость перемещения относительно обрабатываемой поверх-ности, снижают коэффициент трения. Результатом этого являются сниже-ние температуры в контактных зонах и исключение образования нароста, снижение пластической деформации обрабатываемой поверхности, ее на-клепа и значения остаточных напряжений, улучшение условий схода стружки, повышение износостойкости режущего инструмента.

В качестве оборудования при ультразвуковом механическом резании используются стандартные станки, оснащенные сменными ультразвуко-выми головками.

126 Плазменно-механическая обработка

Плазменно-механическая обработка включает локальный нагрев сре-заемого слоя заготовки плазменной струей и последующий съем этого слоя режущим инструментом.

Основные затраты энергии при резании идут на пластическую де-формацию обрабатываемого металла выше поверхности среза. Установле-но, что в зоне стружкообразования в процессе пластической деформации углеродистая сталь нагревается до температур, не превышающих 300 0С. Термический нагрев зоны до 800...1000 0С увеличивает ее пластичность. При этом снижается усилие деформаций – усилие резания – и уменьшается объем металла, вовлеченного в упругопластическую деформацию при ре-зании.

Удаляемый при резании металл нагревают плазменным электриче-ским разрядом на расстоянии, исключающем разогрев режущего инстру-мента. Регулированием тока разряда обеспечивается нагрев металла на глубину резания до высоких температур.

Увеличение пластичности материала и снижение его сопротивления деформированию позволяют увеличить производительность процесса ре-зания, при этом в 2...3 раза возрастает стойкость режущего инструмента. При черновом точении плазменный нагрев увеличивает производитель-ность обработки в 4...8 раз.

В качестве оборудования при плазменно-механической обработке применяются стандартные станки, оснащенные плазменной установкой. В качестве плазмообразующего газа используется воздух.

7. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ

ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

7.1. Общая характеристика неметаллических материалов Неметаллические материалы находят всё возрастающее применение

в различных отраслях техники. Достаточная прочность, жесткость, эла-стичность при низкой плотности, химическая стойкость во многих агрес-сивных средах, уровень диэлектрических свойств при их технологичности делают неметаллические материалы незаменимыми.

По происхождению неметаллические материалы различают природ-ные, искусственные и синтетические. К природным, например, относятся такие органические материалы, как натуральный каучук, древесина, смолы (янтарь, канифоль), хлопок, шерсть, лен и др. Неорганические природные материалы включают графит, асбест, слюду и некоторые горные породы. Искусственные органические материалы получают из природных поли-мерных продуктов (вискозное волокно, целлофан, сложные и простые

127 эфиры, целлюлозы). Синтетические материалы получают из простых низ-комолекулярных соединений.

Именно в искусственных и синтетических материалах возможно проектировать и комбинировать свойства исходных веществ с целью по-лучения заданных свойств конечного продукта и готовых изделий. В ре-зультате синтетические неметаллические материалы вытесняют природные и являются наиболее распространенными.

Из неметаллических материалов в машиностроении и приборострое-нии наиболее широкое применение находят пластмассы и резины – орга-нические материалы на основе полимеров.

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, представляющих собой одинаковую группу атомов. Такие макромолекулы обладают значи-тельной молекулярной массой. Макромолекулы полимеров могут иметь линейную форму, разветвленную и пространственную (сшитую).

Линейные макромолекулы (рис. 7.1, а) имеют форму цепей, в кото-рых атомы соединены между собой ковалентными связями. Отдельные це-пи связаны межмолекулярными силами, в значительной степени опреде-ляющими свойства полимера. Наличие в цепях разветвлений (рис. 7.1, б) приводит к ослаблению межмолекулярных сил и тем самым к снижению температуры размягчения полимера. Пространственные структуры (рис. 7.1, в) получаются в результате химической связи (сшивки) отдельных це-пей полимеров либо в результате поликонденсации или полимеризации. Большое значение для свойств «сшитого» полимера имеет частота попе-речных связей. Если эти связи располагаются сравнительно редко, то обра-зуется полимер с сетчатой структурой.

Рис. 7.1. Схемы строения молекул полимеров: а – линейная;

б – разветвленная; в – пространственная

Полимеры с линейной структурой молекул хорошо растворяются, так как молекулы растворителя могут внедряться в промежутки между макромолекулами и ослаблять межмолекулярные силы. Полимеры с сетча-той структурой нерастворимы, они лишь набухают. При частом располо-жении связей полимер становится практически нерастворимым и неплав-ким.

128 Полимеры в зависимости от расположения и взаимосвязи макромо-

лекул могут находиться в аморфном (с неупорядоченным расположением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным расположением моле-кул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного состояния в кри-сталлическое повышаются их прочность и теплостойкость. Значительное влияние на полимеры оказывает воздействие на них теплоты. В зависимо-сти от поведения при повышенных температурах полимеры подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты при нагреве размягчаются и расплавляются, затем вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного фи-зического состояния в другое может осуществляться неоднократно без из-менения химического состава. Термопласты имеют линейную или разветв-ленную структуру молекул.

Реактопласты при нагреве переходят в вязкотекучее состояние, а затем в результате химической реакции – в твердое, необратимое состоя-ние. Отвержденные реактопласты нельзя повторным нагревом вновь пере-вести в вязкотекучее состояние. В процессе полимеризации под действием указанных факторов линейная структура полимера превращается в про-странственную. Отдельные виды термореактивных смол (эпоксидные, по-лиэфирные) при введении в них отвердителя отверждаются при нормаль-ной температуре.

Поведение термопластов и реактопластов под действием теплоты имеет решающее значение при технологическом процессе переработки пластмасс.

7.2. Основы технологии производства изделий из пластмасс Пластмассы – органические материалы на основе полимеров. В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяют-

ся на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и т. д.) состоят из одного компонента – синтетической смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль. В компози-ционных пластмассах смола является связующим для других составляю-щих. Свойства связующего во многом определяют физико-механические и технологические свойства пластмассы. Содержание связующего в пласт-массах достигает 30...70 %.

Помимо связующего в состав композиционных пластмасс входят до-бавки – наполнители (для повышения механической прочности, тепло-стойкости и т. д.), пластификаторы (увеличивающие эластичность, теку-честь, гибкость), красители, отвердители, катализаторы (ускоряющие про-

129 цесс отверждения) и т. д. При изготовлении газонаполненных пластмасс (поро- и пенопластов) в полимеры вводят газообразователи.

Конструкционные пластмассы в зависимости от показателей меха-нической прочности подразделяют на три основные группы: низкой, сред-ней и высокой прочности.

По поведению при нагревании пластмассы делятся на термопластич-ные и термореактивные. Термопластичные пластмассы размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении. Это свойство имеет обрати-мость.

Термореактивные пластмассы при нагреве необратимо затвердевают в результате химической реакции.

Основными технологическими свойствами пластмасс являются те-кучесть, усадка, скорость отверждения (реактопластов) и термоста-бильность (термопластов).

Текучесть – способность материалов заполнять форму при опреде-ленных температуре и давлении.

Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьшение размеров детали по сравнению с размером полости пресс-формы.

Скорость отверждения – продолжительность процесса перехода ре-актопластов из высокоэластичного или вязкотекучего состояния в состоя-ние полной полимеризации.

Под термостабильностью понимают время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложения.

Высокую термостабильность имеют полиэтилен, полипропилен, по-листирол и др. Переработка их в детали сравнительно проста. Для мате-риалов с низкой термостабильностью (полиформальдегид, поливинилхло-рид и др.) необходимо предусматривать меры, предотвращающие возмож-ность разложения их в процессе переработки.

В зависимости от физического состояния, технологических свойств и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наиболее целесообразно разбить на следующие основные группы:

– переработка в вязкотекучем состоянии (прессованием, литьем под давлением, выдавливанием и др.);

– переработка в высокоэластичном состоянии (пневмо- и вакуум-формовкой, штамповкой и др.);

– получение деталей из жидких пластмасс различными способами формообразования;

– переработка в твердом состоянии разделительной штамповкой и обработкой резанием;

– получение неразъемных соединений сваркой, склеиванием и др.; – различные способы переработки (спекание, напыление и др.). Рассмотрим основные способы переработки.

130 А. Переработка пластмасс в вязкотекучем состоянии

1) Прессование (один из основных способов переработки реактопла-стов в детали).

Рис. 7.2. Схема прямого прессования

В полость матрицы пресс-формы 8 (рис. 7.2, а) загружают предвари-

тельно таблетизированный или порошкообразный материал 2. При замы-кании пресс-формы под действием усилия пресса пуансон 1 создает давле-ние на прессуемый материал (рис. 7.2, б). Под действием этого давления и теплоты от нагретой пресс-формы материал размягчается и заполняет формообразующую полость пресс-формы. После определенной выдержки, необходимой для отверждения материала, пресс-форма раскрывается и с помощью выталкивателя 5 из нее извлекается готовая деталь 4 (рис. 7.2, в).

Прямым прессованием получают детали средней сложности и не-больших размеров.

2) Литье под давлением (один из основных способов переработки термопластов в детали).

Рис. 7.3. Схема литья под давлением

Перерабатываемый материал из загрузочного бункера 8 (рис. 7.3)

подается дозатором 9 в рабочий цилиндр 6 с электронагревателем 4. При движении поршня 7 определенная доза материала поступает в зону обогре-

131 ва, а уже расплавленный материал через сопло 8 и литниковый канал – в полость пресс-формы 1, в которой формируется изготовляемая деталь 2. В рабочем (нагревательном) цилиндре на пути потока расплава установлен рассекатель 5, который заставляет расплав протекать тонким слоем у сте-нок цилиндра. Это ускоряет прогрев и обеспечивает более равномерную температуру расплава. При движении поршня в исходное положение с по-мощью дозатора 9 очередная порция материала попадает в рабочий ци-линдр. Для предотвращения перегрева выше 50...70 0С в процессе литья пресс-форма охлаждается проточной водой. После охлаждения материала пресс-форма размыкается и готовая деталь с помощью выталкивателей из-влекается из нее.

Литьем под давлением получают детали сложной конфигурации с различными толщинами стенок, ребрами жесткости, с резьбами и т. д. Применяют литейные машины, позволяющие механизировать и автомати-зировать процесс получения деталей. Производительность процесса литья в 20...40 раз выше производительности прессования.

3) Непрерывное выдавливание, или экструзия (способ переработки термопластов).

Отличается от других способов переработки термопластов непре-рывностью, высокой производительностью процесса и возможностью по-лучения на одном и том же оборудовании большого многообразия деталей.

Рис. 7.4. Непрерывное выдавливание: а – схема установки; б – профили получаемых

деталей

Выдавливание осуществляют на специальных червячных машинах. Перерабатываемый материал в виде порошка или гранул из бункера 1 (рис. 7.4, а) попадает в рабочий цилиндр 8, где захватывается вращающимся червяком 2. Червяк продвигает материал, перемешивает и уплотняет его. В результате передачи теплоты от нагревательного элемента 4 и выделения теплоты при трении частиц материала друг о друга и о стенки цилиндра перерабатываемый материал переходит в вязкотекучее состояние и непре-

132 рывно выдавливается через калиброванное отверстие головки 6. Расплав-ленный материал проходит через радиальные канавки оправки 5. Оправку применяют для получения отверстия при выдавливании труб.

Непрерывным выдавливанием можно получить детали различного профиля (рис. 7.4, б). При получении пленок из термопластов (полиэтиле-на, полипропилена и др.) используют метод раздува сжатым воздухом.

Б. Переработка пластмасс в высокоэластичном состоянии В высокоэластичном состоянии из нагретых термопластов получа-

ют в основном крупногабаритные детали.

Рис. 7.5. Схема пневматической формовки

1. Пневмоформовка. Нагнетанием воздуха создается разность давлений, под действием

которой происходит формоизменение заготовки согласно профилю матри-цы (рис. 7.5).

2. Вакуум-формовка. Для вакуумной формовки схема будет аналогична схеме пневмати-

ческой формовки (см. рис. 7.5), только перепад давления будет создаваться откачиванием воздуха из полости матрицы. Нагнетатель при этом отсутст-вует.

Рис. 7.6. Схемы штамповки пластмасс: а – жесткими пуансонами;

б – эластичными пуансонами

133 Ограничение метода вакуумной формовки – максимальная толщина

стенок заготовки должна быть не более 2 мм из-за небольшого возможного перепада давлений.

3. Штамповка жесткими и эластичными пуансонами. Выполняется по технологии, аналогичной технологии листовой

штамповки металлов. Схемы процессов штамповки жесткими и эластич-ными пуансонами приведены на рис. 7.6.

Сварка пластмасс выполняется следующими основными методами: – газовым теплоносителем; – нагретым инструментом (контактная сварка); – экструдируемой присадкой (расплавом); – токами высокой частоты; – ультразвуком, трением и вибротрением. Обработка пластмасс резанием. Производится на обычных метал-

лообрабатывающих станках по традиционным схемам обработки. Пласт-массы имеют более низкие механические характеристики, чем металлы, однако низкая теплопроводность пластмасс приводит к концентрации теп-лоты, образующейся в зоне резания. Это ограничивает допустимую ско-рость резания.

Склеивание пластмасс. Выполняется растворителями (дихлорэтан, бензол и др.).

Изделия из пластмасс находят самое широкое применение во всех отраслях техники.

7.3. Основы технологии производства изделий из резины Резина – органический материал на основе каучука, представляющий

собой пластмассу с редкосетчатой структурой, в которой связующим вы-ступает полимер, находящийся в высокопластическом состоянии. В рези-нах связующими являются каучуки натуральные или синтетические (по-следние наиболее широко применяются).

В зависимости от числа поперечных связей между макромолекулами каучука, образовавшихся при вулканизации, различают твердые и мягкие резины (чем больше этих связей, тем тверже резина).

Основные этапы изготовления резиновых изделий: а) приготовление резиновой смеси; б) формование; в) вулканизация.

Сырьем для получения синтетических каучуков является нефть, неф-тепродукты, природный газ, древесина и т. д.

Для приготовления резиновой смеси каучук разрезают на куски и пластифицируют (рязмягчают) путем многократного пропускания через нагретые валки, предварительно подогретые до температуры 40...50 0С. Находясь в пластичном состоянии, каучук обладает способностью хорошо

134 смешиваться с другими компонентами. Смешение проводят в червячных или валковых смесителях. Каучук смешивают с порошкообразными ком-понентами: вулканизаторами (сера), наполнителями и т. д. Получается сы-рая резина – пластичная клейкая масса.

Листовую резину (сырую) и проре-зиненную ткань получают каландрирова-нием (рис. 7.7). Операцию выполняют на многовалковых машинах – каландрах.

В процессе получения прорезинен-ной ткани в зазор между валками каланд-ров (см. рис. 7.7) одновременно пропуска-ют пластифицированную сырую резино-вую смесь и ткань. Резиновая смесь посту-пает в зазор между верхним и средним валками, обволакивает средний валок и поступает в зазор между средним и ниж-ним валками, через который проходит ткань. Средний валок вращается с большей скоростью, чем нижний. Разность скоро-стей обеспечивает втирание резиновой

смеси в ткань. Толщину резиновой пленки на ткани регулируют, изменяя зазор между валками каландра. Полученную ткань наматывают на барабан и затем вулканизируют.

Валки каландров снабжают системой внутреннего обогрева или ох-лаждения, что позволяет регулировать температурный режим. Листы рези-ны, полученные прокаткой на каландрах, сматывают в рулоны и исполь-зуют затем в качестве полуфабриката для других процессов формообразо-вания резиновых деталей.

Во избежание слипания резины в рулоне ее посыпают тальком или мелом при выходе из каландра.

Резиновые изделия сложной формы получают выдавливанием, прес-сованием, литьем под давлением. Схемы аналогичны схемам обработки пластмасс.

Каучук в натуральном виде в промышленности не применяют, его после формообразования превращают в резину вулканизацией. В качестве вулканизирующего вещества обычно используют серу. Количество серы определяет эластичность (мягкость) резиновых деталей. Чем больше вул-канизирующего вещества, тем эластичность ниже. Готовые изделия вулка-низируют в специальных камерах при температуре 120...150 0С в атмосфе-ре водяного пара. Происходит химическая реакция серы и каучука с обра-зованием поперечных связей между макромолекулами каучука.

Высокая эластичность, способность к большим обратимым дефор-мациям, стойкость к действию активных химических веществ, малая водо-

Рис. 7.7. Схема получения проре-

зиненных тканей

135 и газопроницаемость, хорошие диэлектрические и другие свойства резины обусловили ее применение во всех отраслях народного хозяйства. В маши-ностроении применяют разнообразные резиновые технические детали; ремни – для передачи вращательного движения с одного вала на другой; шланги и напорные рукава – для передачи жидкостей и газов под давлени-ем; сальники, манжеты, прокладочные кольца и уплотнители – для уплот-нения подвижных и неподвижных соединений; муфты, амортизаторы – для гашения динамических нагрузок; конвейерные ленты – для оснащения по-грузочно-разгрузочных устройств и т. д.

7.4. Основы технологии производства композиционных материалов Композиционный материал – это искусственный материал, кото-

рый состоит из двух и более компонентов различного химического соста-ва, объединенных в монолит. Его свойства отличны от свойств компо-нентов, взятых в отдельности (например, гораздо выше прочность, же-сткость).

Компонент композиционного материала, который обладает непре-рывностью по всему объему, называется матрицей. Прерывистый компо-нент, имеющий обычно большую прочность и твердость, называется уп-рочнителем или наполнителем.

По геометрии наполнителя композиты подразделяют: 1) с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измере-

ниях имеют один порядок (частицы); 2) с одномерными наполнителями, один из размеров которых значи-

тельно превосходит два других (нитевидные кристаллы, волокна); 3) с двухмерными наполнителями (пластины, фольга в плоскостях). Композит 1 типа обычно представляет собой металлическую матри-

цу (Al, Ni) с дисперсными частицами тугоплавких оксидов, нитридов, бо-ридов, карбидов. Размеры частиц составляют 0,01...50 мкм.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффек-тивное упрочнение достигается при 5...10 % объема частиц наполнителя.

Получение композитов 1 типа возможно: а) методами порошковой металлургии (смешивание порошков матрицы и наполнителя, изостатиче-ское прессование, спекание); б) введением частиц наполнителя в жидкий расплав металла в сочетании с перемешиванием ультразвуком.

Характерные примеры композитов 1 типа: – Алюминий с частицами Al2O3. Он хорошо обрабатывается резани-

ем, деформируется в горячем состоянии ковкой и штамповкой, сваривается аргонодуговой и контактной сваркой. Детали (лопатки компрессоров, вен-

136 тиляторов, турбин, поршневые штоки) работают при 300...500 0C. Обыч-ный алюминий при этих температурах разупрочняется.

– Никель с частицами диоксида тория ThO2 или диоксида гафния HfO2 (не более 2 %). При низких температурах уступает по прочности жа-ропрочным никелевым сплавам, однако при высоких температурах намно-го превосходит. Деформируется ковкой, штамповкой и т. д. Детали соеди-няют пайкой или диффузионной сваркой без расплавления (при расплав-лении происходит агломерация частиц наполнителя и потеря жаропрочно-сти). Детали (авиационных двигателей) работают при 1100...1200 0C в аг-рессивных средах. Это сопловые лопатки, стабилизаторы пламени, камеры сгорания, трубопроводы.

В композитах 2 типа упрочнителями являются нитевидные кристал-лы, волокна или проволоки. Матрица чаще всего металлическая (Al, Ni и др.). Матрица защищает волокна от повреждений, передает нагрузку на волокна и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных во-локон.

Требования к композитам 2 типа: – волокно должно иметь более высокие значения модуля упругости,

чем у матрицы; – прочные волокна должны быть равномерно распределены в пла-

стичной матрице; – объем упрочняющих волокон в матрице должен быть больше кри-

тического значения (иначе прочность не повышается, а наоборот, снижается); – на границе между матрицей и волокном при нагружении композита

не должно возникать проскальзывания вплоть до разрушения композита. На границе между матрицей и волокном композита происходят диф-

фузионные процессы, химические реакции, образуются интерметаллиды (хрупкие фазы – соединения металлов). С одной стороны, это увеличивает сцепление между матрицей и волокном, с другой – снижает прочность во-локна. Проблему снижения прочности решают нанесением покрытий на волокна и легированием матрицы.

Композиты, армированные волокнами, – анизотропный материал (механические свойства зависят от угла взаимного расположения волокон и вектора нагрузки, то есть механические свойства будут неодинаковы в разных направлениях). Недостаток анизотропии может быть устранен при армировании матрицы сетками из волокон.

Методы получения композитов, армированных волокнами 1. Твердофазные. Материал матрицы в виде листов, проволоки или порошка соединя-

ют с волокнами диффузионной сваркой под давлением, сваркой взрывом, прокаткой, прессованием с последующим спеканием (порошковой метал-лургией).

2. Жидкофазные.

137 Волокна пропитываются расплавом материала матрицы в вакууме

или под давлением (применение метода ограничено из-за реакции волокон с металлическим расплавом).

3. Газопарофазные. Этим методом наносят на волокна барьерные покрытия, которые за-

щищают их от разрушения (нитриды, бориды, оксиды, карбиды). Покры-тия получают разложением летучих карбонилов либо испарением металлов с одновременным термическим воздействием электронного луча, ионного пучка. Производительность этих методов крайне низкая.

4. Плазменное напыление. Покрытие из матричного материала наносится на волокна без суще-

ственного повышения их температуры, однако прочность связи такого по-крытия невысокая.

5. Химические. Позволяют осаждать металлические покрытия на непроводящие ток

кристаллы сапфира, углеродные волокна и т. д. Ионы металла восстанав-ливаются на поверхности волокон.

6. Электролиз. Волокна находятся в контакте с катодом.

Армирующие материалы и их свойства 1. Проволоки. Это наиболее экономичный и доступный армирующий материал.

Диаметр – десятые и сотые доли миллиметра. Используется сталь, берил-лий (при невысоких температурах эксплуатации композита), молибден, вольфрам (при высоких температурах). Проволоку получают волочением, при этом происходит увеличение прочности и снижается пластичность.

2. Волокна. 2.1. Углеродные волокна. Получают из полиакрилнитрильного гидроцеллюлозного волокна

или из волокон на основе нефтяных смол методом термического разложе-ния. При этом происходит окисление (при t=200...300 0С, создается опти-мальная структура углерода), карбонизация (свыше 900 0С в атмосфере во-дорода, волокнам придается огнестойкость) и графитизация (свыше 2500 0С в инертной среде). Температура графитизации влияет на свойства волокон (прочность, упругость).

Промышленно выпускаются волокна в виде жгутов из 1000...160000 волокон каждый. Диаметр отдельного волокна около 7 мкм.

Углеродные волокна окисляются на воздухе, химически активны при взаимодействии с металлическими матрицами, имеют слабую адгезию с полимерными матрицами. Эти недостатки устраняются при нанесении на волокна защитных покрытий (металл, керамика).

2.2. Борные волокна.

138 Получают осаждением бора из газовой фазы на нагретую вольфра-

мовую проволоку диаметром 12 мкм. Образуется волокно из поликристал-лов бора диаметром 70...200 мкм, у которого сердцевина диаметром 15...17 мкм состоит из боридов вольфрама, имеющих меньшую прочность. Борное волокно сочетает низкую плотность, высокую прочность и высокий мо-дуль упругости при температуре плавления 2300 0С. Промышленно выпус-каются в виде моноволокон на катушках и в виде лент полотняного плете-ния шириной 5...50 см. Волокнами бора армируют полимерные и алюми-ниевые матрицы.

2.3. Волокна карбида кремния. Получают аналогично борным. Уступают борным по прочности и

качеству. 2.4. Стеклянные волокна. Основа – диоксид кремния SiO2. Получают пропусканием расплав-

ленного стекла при 1200...1400 0С через фильеры диаметром 0,8...3 мм и дальнейшим быстрым вытягиванием до диаметра 3...100 мкм. Соединяют в пряди на барабанах. Широко используют для армирования пластиков.

2.5. Волокна из оксида алюминия. 3. Нитевидные кристаллы (усы). SiC, Al2O3, B4C, Si3N4 и другие тугоплавкие карбиды и нитриды. По-

лучают осаждением из газовой фазы. Длина кристаллов достигает 60...80 мкм. Имеют прочность близкую к теоретической.

Эвтектические композиты – это сплавы эвтектического состава (механическая смесь), в которых упрочняющей фазой выступают ориенти-рованные кристаллы, полученные направленной кристаллизацией.

В качестве кристаллов твердой прочной фазы выступают карбиды, интерметаллиды. Форма кристаллов – волокна (если их доля меньше 32 %) или пластины.

Достоинства эвтектических композитов: – простота получения за одну операцию; – направленная ориентированная структура может быть получена на

уже готовых изделиях; – композит имеет высокую термическую стабильность; – нет химического взаимодействия, ослабляющего волокна. Матрица – Al, Mg, Cu, Ni, Co, Ti, Nb, Ta и др. Пример эвтектического композита: композиция Al + Al3Ni. Направ-

ленность частиц Al3Ni достигается кристаллизацией со скоростью 2...10 см/ч, при этом прочность сплава возрастает от 90 до 330 МПа.

Композиты на неметаллической основе. Матрица – эпоксидная, по-лиэфирная, фенольная и др. смолы. Волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические.

139 Достоинства неметаллических композитов: стойкость к воздействию

агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства, теплозащитные и амортизационные свойства, невысокая стоимость.

Недостатки неметаллических композитов: низкая прочность и жест-кость при сжатии и сдвиге, снижение прочности уже при T=100...200 0С, старение.

Обработка и соединение композитов Ввиду того, что изменение размеров и формы композитов связано с

объективными трудностями (разрушение волокон и др.), необходимо по возможности совмещать процесс получения композита и изготовления из него детали.

При необходимости соединение композитов производят через мат-рицу. Если в месте соединения волокна разрываются, то для обеспечения прочности соединения используют большие перекрытия (отношение дли-ны перекрытия к толщине изделия L/S > 20).

Металлические композиты надежнее и дешевле всего соединять то-чечной сваркой (волокна при этом не перерезаются).

Соединение с помощью болтов, заклепок менее эффективно (разру-шаются волокна).

Также используется пайка и склеивание. Композиты в основном хорошо обрабатываются резанием. Широко

применяется резка абразивным инструментом. Трудности возникают при резании композитов с вольфрамовой проволокой диаметром 0,3 мм и бо-лее. Не поддаются обработке резанием (быстро разрушают инструмент и сами разрушаются) композиты с борным волокном.

8. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ

8.1. Основные направления автоматизации Автоматизация представляет собой совокупность мероприятий по

разработке, созданию и внедрению автоматически действующих средств производства. Она позволяет существенно повысить производительность труда, облегчить условия работы, повысить качество выпускаемой про-дукции.

Основными направлениями автоматизации сварочных процессов, литейного производства, обработки заготовок давлением, резанием и фи-зико-химическими методами являются: автоматизация органов управления машин и оборудования, повышение производительности и точности их ра-боты, автоматизация установки и снятия заготовок, автоматизированный контроль; разработка конструкций быстропереналаживаемых автоматов и автоматических систем. Одним из основных направлений в решении задач

140 автоматизации процессов обработки является программное управление оборудованием.

Работа автоматического устройства характеризуется цикличностью. Время каждого цикла слагается из рабочего и вспомогательного времени. Основное условие работы автоматической машины – выполнение элемен-тов цикла без вмешательства человека. Так, например, в металлорежущих станках автоматизируют включение и выключение подач, быстрые подво-ды и отводы частей станков, загрузку заготовок и т. д.

Автоматизацию процесса резания обеспечило применение станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Преимущество станков с ЧПУ состоит, прежде всего, в сокращении вспомогательного времени об-работки и устранении погрешностей обработки, вызванных недостаточной квалификацией рабочего. Значительным этапом автоматизации механиче-ской обработки явилось создание многооперационных станков. Многоопе-рационные станки представляют собой станки с ЧПУ, дополнительно ос-нащенные передающейся шпиндельной бабкой, столами координатного перемещения и поворота оси детали на необходимый угол, устройствами (магазинами) для размещения и автоматической замены инструмента. Это позволило последовательно выполнять большое число операций обработки разными режущими инструментами без снятия заготовки со станка при одной базе, тем самым снизив погрешности обработки, вызванные уста-новкой детали. В магазинах станка размещается до 300 инструментов. Ре-жущий инструмент подается в рабочее положение с помощью руки-манипулятора по заданной программе. Такие станки позволяют обрабаты-вать сложные корпусные детали с четырех-пяти сторон, проводя сверле-ние, фрезерование, растачивание и т. д. и превращая заготовку в готовую деталь без съема со станка. Система программного управления производит необходимое изменение режима обработки, управляет вспомогательными движениями рабочих органов, подачей смазочно-охлаждающей жидкости, контролем и рядом других команд.

8.2. Создание гибкого автоматизированного производства

Одним из перспективных направлений развития технологии получе-

ния и обработки заготовок деталей машин являются создание и внедрение высокоавтоматизированных технологических комплексов оборудования на базе станков с ЧПУ, функционирующих без участия или с минимальным участием человека.

Развитие подобных комплексов и переход на безлюдную технологию в условиях многономенклатурного серийного производства, характерного для современного машиностроения, возможны на основе создания гибких производственных систем.

141 Гибкая производственная система (ГПС) – это совокупность или

отдельная единица технологического оборудования и системы обеспече-ния его функционирования в автоматическом режиме, обладающая свой-ством автоматизированной переналадки при производстве изделий произ-вольной номенклатуры в установленных пределах значений их характери-стик.

ГПС состоят из исполнительной и единой управляющей системы. Исполнительная система включает станки, роботы, устройства для транс-портирования заготовок деталей и отходов производства, контрольно-измерительные устройства, склады заготовок и готовой продукции. Все элементы исполнительной системы программно управляемы. Единая управляющая система состоит из средств вычислительной техники, кото-рые управляют как отдельными станками, роботами и технологическими установками, так и всем производством в целом.

Организационная структура ГПС приведена на рис. 8.1.

Гибкие производст-венные системы

(ГПС)

Гибкие производ-ственные модули

(ГПМ)

Гибкие автоматизиро-ванные цеха (ГАЦ)

Гибкие автома-тические линии

(ГАЛ)

Гибкие автома-тические участ-

ки (ГАУ)

Гибкие автоматизиро-ванные заводы (ГАЗ)

Рис. 8.1. Организационная структура ГПС

Первой ступенью автоматизации ГПС является создание гибких

производственных модулей (ГПМ) и гибких производственных комплек-сов (ГПК). Второй (высшей) ступенью автоматизации ГПС является созда-ние гибкого автоматизированного производства (ГАП).

ГАП представляет собой развитую автоматизированную систему, управляемую ЭВМ. Структура ГАП приведена на рис. 8.2.

В эту структуру входят: АТСС – автоматизированная транспортно-складская система подачи, хранения и удаления заготовок и стружки; АСИО – автоматизированная система инструментального обеспечения; САК – система автоматизированного контроля; САПР – система автомати-зированного проектирования конструкции выпускаемых изделий; АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства; АСНИ – автоматизированная система научных исследований; АСУП – ав-томатизированная система управления производством.

142

Комплекс обрабаты-вающего оборудова-

ния

Автоматизированная транспортно-

складская система (АТСС)

Система автоматизи-рованного контроля

(САК)

Автоматизированная система инструмен-

тального обеспечения (АСИО)

Системы автоматизи-рованного проектиро-

вания (САПР)

Автоматизированная сис-тема технологической

подготовки производства (АСТПП)

Автоматизированная система научных ис-следований (АСНИ)

Автоматизированная сис-тема управления производ-

ством (АСУП)

Гибкое автоматизиро-ванное производство

(ГАП)

Рис. 8.2. Структура ГАП

Гибкое автоматизированное производство (ГАП) характеризуется

высокой степенью автоматизации технологических процессов обработки, обслуживания и управления непрерывностью многономенклатурного мел-косерийного производства. ГАП делает возможным круглосуточную экс-плуатацию технологического оборудования при необязательном участии человека в функционировании системы.

Однако создание ГАП еще не означает осуществления производства с полностью безлюдной технологией. Определенная часть персонала должна оставаться на операциях контроля, комплектования заготовок и инструмента, общего наблюдения за ходом производства.

Внедрение ГАП позволяет повысить общую производительность труда не менее чем в пять – шесть раз при двух- и трехсменной работе. При этом люди освобождаются от тяжелых, вредных и монотонных работ, в том числе работ по загрузке оборудования и транспортированию загото-вок.

Одной из главных особенностей ГАП является его высокая гибкость, которая позволяет:

1) в условиях мелкосерийного и серийного многономенклатурных производств в любой момент прекратить изготовление освоенной продук-ции и в короткий срок с минимальными затратами приступить к выпуску новой продукции;

143 2) осуществить обработку на станках различных по конфигурации

заготовок установленной группы при разных размерах операционных пар-тий, чередующихся в любом порядке (после партии в 50 шт. может обраба-тываться 1...2 шт., затем 30 шт. и т. д.); в обычных условиях мелкосерий-ного производства затраты времени на переналадку станков для обработки других деталей приводят к потерям до 30 % достижимой продуктивности станков;

3) заменить отказавший станок гибкого комплекса другим исправ-ным станком, не задерживая хода технологического процесса;

4) нарушить прямолинейность перемещения обрабатываемых заго-товок внутри технологического комплекса и возвратить их для последую-щей обработки на станки, на которых выполнялись первоначальные опе-рации; это существенно сокращает число потребных станков в системе и повышает коэффициент их использования.

Исходной единицей гибкого автоматизированного производства яв-ляется гибкий производственный модуль.

Гибкий производственный модуль (ГПМ) – это гибкая производст-венная система, состоящая из единицы технологического оборудования, оснащенная автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функ-ционирующая, осуществляющая многократные циклы и имеющая возмож-ность встраивания в систему более высокого уровня.

В общем случае средства автоматизации ГПМ могут включать в се-бя: накопители, спутники, устройства загрузки и выгрузки, замены техно-логической оснастки, удаления отходов, автоматизированного контроля, включая диагностирование, а также устройство переналадки и т. д.

Частным случаем ГПМ может быть роботизированный технологиче-ский комплекс, встраиваемый в систему более высокого уровня.

Режущий инструмент гибкого производственного модуля, установ-ленный в специальных державках, хранится в магазинах емкостью 30...80 гнезд, откуда с помощью манипулятора он подается и устанавливается на станке в рабочем положении.

Смена инструмента на станке производится: – при переналадке на обработку следующей заготовки по сигналу

управляющей программы (УП); – по истечении периода расчетной стойкости по сигналу УП; – по достижении предельного износа, устанавливаемого устройства-

ми для автоматических измерений размеров обрабатываемой заготовки или режущего инструмента;

– при недопустимом затуплении инструмента, которое фиксируется специальными устройствами.

Уровень автоматизации современного производства постоянно по-вышается. Появились ГПС, которые состоят из самых разнородных, но не-

144 обходимых для изготовления данного изделия оборудования и установок. Например, одна из интегрированных ГПС включает склад – накопитель за-готовок, инструментальный склад, склад готовых изделий, машину для ли-тья под давлением, установку для плазменной резки, отрезной станок, ме-таллообрабатывающие станки, сварочный робот, участки сборки, окрасоч-ный робот, конвейер для расположения приспособлений, необходимых для обработки, установку для заточки инструментов и станцию контроля.

Заключение Современное производство во многом определяет уровнем своего

развития научно-технический и экономический потенциал страны. Из изу-ченного курса становится ясно, что проектирование рациональных, конку-рентоспособных изделий, организация их производства невозможны без соответствующего технологического обеспечения и достаточного уровня знаний в области технологии конструкционных материалов.

Студенты механических специальностей вузов могут с помощью на-стоящего учебного пособия составить представление о традиционных и перспективных технологических методах формообразования и обработки заготовок деталей машин, на которых основано производство.

Учебное пособие написано коллективом преподавателей СибАДИ с учетом опыта преподавания курса «Технология конструкционных мате-риалов».

Библиографический список 1. Технология конструкционных материалов: Учебник для машино-

строительных специальностей вузов / Под общ. ред. А. М. Дальского. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.

2. Дальский А. М. Технология конструкционных материалов: Учебное пособие для вузов / А. М. Дальский, В. С. Гаврилюк, Л. Н. Бухар-кин и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 352 с.

3. Вайс С. Д. Металлорежущий инструмент и станки: Учеб. пособие / С. Д. Вайс, Л. К. Гирин, А. А. Какойло, В. С. Терган. – М.: Издательство стан-дартов, 1987. – 320 с.

4. Горбунов Б. И. Обработка металлов резанием, металлорежущий инструмент и станки: Учебное пособие для вузов. – М.: Машиностроение, 1981. – 287 с.

5. Подураев В. Н. Технология физико-химических методов обработ-ки. – М.: Машиностроение, 1985. – 264 с.

Учебное издание

Борис Алексеевич Калачевский, Борис Иванович Калмин, Борис Григорьевич Колмаков, Михаил Сергеевич Корытов

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Учебное пособие

Редактор Н. И. Косенкова

Лицензия ИД № 00064 от 16. 08. 99. Подписано к печати 2003. Формат 60 х 90 1/16. Бумага ксероксная. Гарнитура Таймс. Оперативный способ печати. Усл. п. л. 9, уч.-изд. л. 8,9. Тираж 400 экз. Заказ Цена договорная.

Издательство СибАДИ 644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ

644099, Омск, ул. П.Некрасова, 10