close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Gordienko TKM 270205

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Автомобильно-дорожный факультет
Кафедра технологии конструкционных материалов
и метрологии
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Программа, методические указания и задания
к контрольным работам для студентов безотрывной формы
обучения специальности 270205 – автомобильные
дороги и аэродромы
Санкт-Петербург
2011
1
УДК 621.791.07
Рецензент канд. техн. наук, доц. В. А. Норин (СПбГАСУ)
Технология конструкционных материалов: программа, методические указания, задания к контрольным работам для студентов безотрывной формы обучения специальности 270205 – автомобильные
дороги и аэродромы / сост. В. Е. Гордиенко, Е. Г. Гордиенко, А. П. Орлов, С. А. Степанов; СПбГАСУ. – СПб., 2011. – 107 с.
Приведены программа, методические указания и даны рекомендации по
самостоятельному изучению дисциплины «Технология конструкционных материалов». Рассмотрены основные свойства металлов, сплавов, неметаллических
материалов и основы их производства. Даны базовые технологические процессы формообразования заготовок и деталей машин и механизмов, способы их
упрочнения, а также основы технологических процессов наиболее часто используемых способов сварки, указаны области их применения. Приведены варианты
заданий к контрольной работе.
Табл. 8. Ил. 43.
© Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2011
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель изучения дисциплины «Технология конструкционных материалов» заключается в том, чтобы дать студентам знания о наиболее
рациональном использовании материалов, а также о перспективах различных технологических методов обработки материалов.
Задачи изучения дисциплины состоят в овладении:
• знаниями о структуре и свойствах материалов и способах
целенаправленного их изменения; о гармонизации свойств материала,
функциональных требований к детали, технологии ее изготовления;
• навыками выбора материала, согласованного с профилем требований к детали по функциональным свойствам и экономическим
показателям;
• знаниями физической сущности основных технологических
методов получения заготовок литьем, давлением, сваркой;
• знаниями технологических возможностей методов, их назначения, достоинств и недостатков, областей применения;
• знаниями принципиальных схем работы технологического
оборудования;
• практическими навыками правильного выбора способа и режима сварки, сварочных материалов, оборудования, сборочно-сварочной оснастки, мероприятий по уменьшению сварочных напряжений
и деформаций, методов контроля качества сварных соединений.
Для изучения дисциплины студентам необходимо иметь программу, учебную литературу, методические указания и задание к контрольной работе. Изучать дисциплину рекомендуется по темам с составлением краткого конспекта, в который следует вносить основные положения рассматриваемых вопросов, рекомендации, диаграммы и пр.
Усвоив полностью программу курса, студент может приступить к выполнению контрольной работы.
Обязательной компонентой оформленной контрольной работы
является графическая часть (диаграммы, графики, эскизы заготовок,
деталей, схемы оборудования, технологической оснастки, инструмента).
3
Введение
Роль и значение дисциплины «Технология конструкционных
материалов» в подготовке инженера-механика на этапе обучения и дальнейшей практической деятельности. Взаимосвязь дисциплины с другими дисциплинами учебного плана. Задачи, стоящие перед студентами при изучении дисциплины, основные этапы развития науки о строении конструкционных материалов и ее взаимосвязь с их свойствами.
Роль отечественных и зарубежных ученых в развитии материаловедческой науки.
1. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
1.1. Строение металлов, диффузионные процессы в металле,
формирование структуры металлов и сплавов
при кристаллизации
Типы химических связей в твердых телах, металлическая связь.
Этот тип связи обусловливает отличительные свойства металлов: высокую электропроводность, теплопроводность, пластичность и металлический блеск.
Металлические тела характеризуются кристаллическим строением. Это значит, что их атомы (ионы) расположены закономерно в пространстве и образуют кристаллическую решетку. Однако свойства реальных металлов определяются известными несовершенствами строения (дефектами решетки).
Виды несовершенств, строение линейных дефектов (дислокаций),
причины их сравнительно легкого перемещения в кристаллической
решетке и влияние на механические свойства.
Теоретические основы процесса кристаллизации, состоящего
из двух элементарных процессов: зарождения и роста кристаллов. Влияние на эти параметры степени переохлаждения.
Строение металлов и сплавов в твердом состоянии. Твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь, промежуточная
фаза. Наглядное (графическое) представление о состоянии любого сплава в зависимости от его состава и температуры (диаграмма состояния).
4
Методика построения диаграммы состояния двухкомпонентных систем для различных случаев взаимодействия компонентов в твердом
состоянии.
При изучении диаграмм состояния необходимо уметь применять
правило отрезков (для определения концентраций фаз и их количественных соотношений), правило фаз.
Вопросы для самопроверки
1. В чем сущность металлического, ионного и ковалентного типов связи?
2. Каковы характерные свойства металлов и чем они определяются?
3. Что такое элементарная ячейка?
4. Что такое полиморфизм?
5. Что такое параметр кристаллической решетки, плотность упаковки и координационное число?
6. Виды дислокаций и их строение.
7. Что такое вектор Бюргерса?
8. Что такое анизотропия свойств кристаллов?
9. В чем заключается физическая сущность процессов кристаллизации и плавления?
10. Каковы параметры кристаллизации?
11. Что такое переохлаждение?
12. Какова связь между величиной зерна, скоростью зарождения,
скоростью роста кристаллов и степенью переохлаждения?
13. Формы кристаллов и влияние реальной среды на процесс кристаллизации. Образование дендритной структуры.
14. В чем сущность модифицирования?
1.2. Пластическая деформация. Влияние нагрева на структуру
и свойства деформированного металла.
Механические свойства металлов и сплавов
Рассмотрите физическую природу деформации и разрушения.
Особое внимание обратите на механизм пластической деформации,
ее влияние на микро- и субмикроструктуру сплавов, а также на ведущую роль дислокации в этом процессе. Уясните связь между строени5
ем сплавов и их механическими свойствами. Разберитесь в сущности
явления наклепа и его практическом использовании.
Изучите основные методы исследования механических свойств
металлов. Обратите внимание на то, что свойства, полученные на стандартных образцах, не совпадают со свойствами готового изделия, выполненного из предварительно испытанного материала. Это связано
с наличием в реальных деталях отверстий, надрезов и других концентраторов напряжений, а также с различием в характере напряженного
состояния образца и детали. Отсюда вытекает важность испытаний
образцов с надрезом и заранее выращенной трещиной в статическом
и динамическом режимах (испытания на вязкость разрушения). Эти
испытания позволяют приблизить их к условиям эксплуатации материала и получить результаты, характеризующие конструкционную прочность металла.
Необходимо знать сущность рекристаллизационных процессов:
возврата, первичной рекристаллизации, собирательной (вторичной)
рекристаллизации, протекающих при нагреве деформированного металла; уяснить, как при этом изменяются механические свойства; уметь
назначить режим рекристаллизационного отжига; иметь четкое представление о его практическом значении; уяснить различие между холодной и горячей пластическими деформациями.
9. Как влияют температура и скорость нагружения на характер
разрушения?
10. Что такое «ударная вязкость» и «вязкость разрушения»?
11. Что такое «порог хладноломкости»?
12. Что такое «конструкционная (конструктивная) прочность»?
13. От чего зависит и как определяется конструкционная прочность?
14. Как изменяются свойства деформированного металла при нагреве?
15. В чем сущность процесса возврата?
16. Что такое первичная и вторичная рекристаллизация?
17. Что такое критическая степень деформации?
18. В чем различие между понятиями «холодная пластическая
деформация» и «горячая пластическая деформация»?
19. Как изменяются строение и свойства металла при горячей пластической деформации?
20. Каково назначение рекристаллизационного отжига и как
он осуществляется?
1.3. Стали и чугуны
1. В чем различие между упругой и пластической деформациями?
2. Как изменяется строение металла в процессе пластического
деформирования?
3. Как изменяется плотность дислокаций при пластической деформации?
4. Как влияют дислокации на прочность металла?
5. Чем объясняется большое различие между теоретической и реальной прочностью металлов и сплавов?
6. В чем сущность явления наклепа и как он практически используется?
7. Какие характеристики механических свойств определяют при
испытании на растяжение?
8. Что такое «твердость» и какие методы ее определения вы знаете?
Подробно изучите диаграмму состояния железо–цементит. Научитесь вычерчивать ее по памяти, определять все фазы и структурные
составляющие этой системы, а также строить с помощью правила фаз
кривые охлаждения для любого сплава; необходимо четко усвоить классификацию железоуглеродистых сплавов и понять, что разные классы
сплавов принципиально различны по структуре и свойствам. Нужно
знать, что технические железоуглеродистые сплавы, помимо железа
и углерода, содержат постоянные полезные (кремний, марганец) и вредные (сера, фосфор, окисные и другие включения) примеси, попадающие в сплав в результате предыдущих операций при выплавке.
Проанализируйте влияние химического состава на механические
свойства углеродистых сталей; изучите их классификацию по количеству углерода, назначению и качеству. Выучите правила маркировки
углеродистых конструкционных и инструментальных сталей. Изучите
возможности применения углеродистых сталей в строительных машинах и автомобильном транспорте. Изучите влияние легирующих эле-
6
7
Вопросы для самопроверки
ментов на критические точки железа и стали и объясните, при каком
сочетании углерода и соответствующего легирующего элемента могут
быть получены легированные стали ферритного, перлитного, аустенитного и ледебуритного классов.
Разберите диаграмму состояния железо–графит, которая по графическому начертанию почти не отличается от диаграммы железо–
цементит, что облегчает ее запоминание. Изменения в положении линий диаграммы заключаются главным образом в смещении эвтектической и эвтектоидной линий. Структурное изменение заключается в
замене во всех случаях цементита графитом. Изучите физическую сущность процесса графитизации.
Уясните влияние постоянных примесей (кремния, марганца, фосфора, серы) на строение и свойства чугуна и разберитесь в различии
металлической основы серых чугунов разных классов. Обратите внимание на различие свойств серых чугунов с пластинчатым, хлопьевидным и шаровидным графитом, а также на способы их получения. Изучите влияние структуры металлической основы и формы графита на
механические свойства чугуна. Выучите маркировку чугунов и рассмотрите их применение в дорожных, строительных машинах и автомобильном транспорте.
9. Какие легирующие элементы являются карбидообразующими?
10. Какие легирующие элементы способствуют графитизации?
11. Как влияют легирующие элементы на свойства феррита и аустенита?
12. Как классифицируют стали по химическому составу, назначению, способу раскисления и качеству?
13. Как маркируются углеродистые и легированные стали?
14. Как классифицируют легированные стали по структуре в равновесном состоянии?
15. В чем отличие серого чугуна от белого?
16. Классификация и маркировка серых чугунов.
17. Каковы структуры серых чугунов?
18. Как получают ковкий и высокопрочный чугуны и чем они различаются по строению?
19. Каковы различия между ковким, высокопрочным и серым чугунами?
1.4. Конструкционные металлы и сплавы
1. Что такое феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит?
2. Какие превращения происходят в сплавах железо–цементит при
температурах 727 и 1147 °С?
3. Дайте определение линиям диаграммы.
4. Постройте с помощью правила фаз кривую охлаждения стали
с содержанием углерода 0,8 % и чугуна с содержанием углерода 4,3 %.
5. Какую структуру имеют техническое железо, доэвтектоидная,
эвтектоидная, заэвтектоидная стали и белые чугуны?
6. В каких условиях выделяются первичный, вторичный и третичный цементит?
7. Каково строение ледебурита при температурах выше и ниже
727 °С?
8. Как влияют легирующие элементы на положение критических
точек А1, А3, Аст?
Изучите требования, предъявляемые к конструкционным сталям,
и принцип их легирования. Усвойте классификацию сталей по количеству, качеству и назначению легирующих элементов. Проанализируйте
преимущества легированных конструкционных сталей перед углеродистыми. Рассмотрите принцип выбора сталей различного назначения:
цементуемых, улучшаемых, рессорно-пружинных, шарикоподшипниковых, мартенситно-стареющих, износостойких, нержавеющих, жаропрочных и др. Особое внимание уделите технологическим особенностям термической обработки легированных сталей различных групп.
При изучении нержавеющих и окалиностойких (жаростойких)
сталей обратите внимание на принцип их легирования с целью получения заданных свойств. При рассмотрении жаропрочных сталей изучите особенности поведения металла в условиях нагружения при повышенных температурах. Уясните сущность явления ползучести и основные характеристики жаропрочности.
Основываясь на знаниях свойств сталей различных групп, попытайтесь проанализировать возможность их применения в конструкциях строительных, дорожных машин и автомобильного транспорта.
8
9
Вопросы для самопроверки
Досконально изучите правила маркировки конструкционных легированных сталей.
Вопросы для самопроверки
1. Какими элементами легируют конструкционные стали?
2. Какие преимущества дает легирование?
3. Как классифицируют стали по количеству легирующих элементов, качеству и назначению?
4. Какие требования предъявляются к цементуемым сталям?
5. Какие варианты термообработки возможны при цементации
и от чего зависит их выбор?
6. Какие требования предъявляют к улучшаемым сталям?
7. Приведите примеры марок улучшаемых сталей, применяемых
в строительном машиностроении, и расшифруйте их.
8. Какие требования предъявляют к рессорно-пружинным сталям?
9. Укажите особенности термообработки рессорно-пружинных
сталей.
10. Приведите примеры марок рессорно-пружинных сталей, укажите конкретное назначение и расшифруйте их.
11. В чем основной принцип упрочнения высокопрочных мартенситно-стареющих сталей?
1.5. Цветные металлы и сплавы
1.5.1. Алюминий, магний и сплавы на их основе
Изучите принцип легирования, структуру и свойства алюминиевых и магниевых сплавов. Обратите внимание на основные преимущества этих сплавов, связанные с их высокой удельной прочностью. Рассмотрите классификацию алюминиевых сплавов по технологическому
принципу. Разберитесь в основах теории их упрочнения с помощью
термической обработки (закалки и старения). Обоснуйте выбор способа упрочнения деформируемых и литейных алюминиевых сплавов.
Рассмотрите классификацию магниевых сплавов и особенности
их термической обработки. Выучите правила маркировки и обозначения режимов термообработки магниевых сплавов, установите возможности их применения в машиностроении.
10
Вопросы для самопроверки
1. Каковы свойства и области применения алюминия?
2. Какими элементами легируют алюминий и с какой целью?
3. Укажите принцип упрочнения алюминиевых сплавов с помощью термической и механико-термической обработок.
4. В чем сущность процессов закалки и старения?
5. Приведите и расшифруйте марки алюминиевых деформируемых и литейных сплавов.
6. Как и для чего осуществляют модифицирование алюминиевых
литейных сплавов?
7. Каковы свойства магния и принципы его легирования?
8. Как классифицируют магниевые сплавы по технологическому
принципу?
9. Укажите и расшифруйте марки магниевых литейных и деформируемых сплавов, термообработку, свойства и назначение.
1.5.2. Медь и сплавы на ее основе
Изучите свойства и принципы легирования меди. Уясните классификацию медных сплавов по химическому составу. Рассмотрите
структуры латуней и бронз и их влияние на механические свойства.
Усвойте правила маркировки латуней и бронз, возможности их термоупрочнения и области применения.
Вопросы для самопроверки
1. Как влияют примеси на свойства чистой меди?
2. Какими элементами легируют медь и с какой целью?
3. Как классифицируют медные сплавы по химическому составу?
4. Приведите и расшифруйте марки латуней, проанализируйте их
структуру и ее связь со свойствами.
5. Приведите примеры бронз с указанием их составов, структуры, свойств и назначения.
1.6. Теория и технология термической обработки стали
Термическая обработка является одним из основных способов
воздействия на строение и, следовательно, на свойства сплавов.
11
При изучении превращения перлита в аустенит обратите внимание на зависимость скорости превращения от степени перегрева и скорости нагрева. Установите взаимосвязь между температурно-временными факторами превращения и размером зерна образовавшегося аустенита. Познакомьтесь с понятием наследственной зернистости стали и ее
влиянием на выбор режима нагрева стали при термической обработке.
При рассмотрении превращений переохлажденного аустенита
особое внимание уделите диаграмме изотермического распада, устанавливающей связь между температурными условиями превращения,
скоростью распада и строением продуктов превращения. Разберитесь
в особенностях перлитного, промежуточного и мартенситного превращений, происходящих соответственно в верхней, средней и нижней
температурных областях. Уясните строение перлита, сорбита, троостита, бейнита, мартенсита, в особенности различие и сходство однотипных структур, получаемых при прямом распаде аустенита и отпуске закаленной стали. Обратите внимание на практическое значение
термокинетических диаграмм.
Изучите влияние легирующих элементов на кинетику и характер
превращения аустенита в перлитной, промежуточной и мартенситной
областях. В связи с влиянием легирующих элементов на диаграммы
изотермического распада аустенита рассмотрите причину получения
различных классов сталей по структуре (перлитного, мартенситного,
аустенитного). Уясните влияние легирующих элементов на превращения при отпуске. При этом следует помнить, что легирующие элементы, как правило, затормаживают диффузионные процессы. Уясните
влияние параметров режима нагрева и охлаждения на структуру и свойства стали при отжиге, нормализации, закалке, отпуске и обработке
холодом. При изучении технологии термообработки обратите особое
внимание на разновидности режимов и их назначение. Следует тщательно разобраться в природе термических и структурных напряжений, которые являются одной из главных причин брака при термической обработке.
Разберитесь в сущности понятий «закаливаемость» и «прокаливаемость» стали и в основных факторах, влияющих на эти характеристики.
При изучении способов закалки обратите внимание на поверхностную закалку, позволяющую получить особое сочетание свойств поверхностного слоя и сердцевины, обусловливающих понятие эксплуа-
тационных свойств изделий. При рассмотрении индукционной поверхностной закалки уясните связь между глубиной закаленного слоя
и частотой тока. Разберитесь в сущности способов термомеханической обработки, факторах, определяющих ее эффективность. Уясните
причины, по которым наибольший эффект достигается на легированных сталях.
При изучении новых высокопроизводительных технологий термообработки обратите внимание на то, что в нашей стране разработаны автоматические и полуавтоматические агрегаты для термической
обработки, которые могут быть включены в технологические линии
машиностроительных заводов, в связи с чем при массовом производстве отпадает необходимость в специальных термических цехах.
12
13
Вопросы для самопроверки
1. В чем сущность механизма образования аустенита при нагреве
стали?
2. Каковы механизм и температурные области образования структур перлитного типа (перлит, сорбит, троостит) и бейнита при переохлаждении аустенита?
3. Каково различие между этими структурами?
4. Что такое мартенсит, в чем сущность и особенности мартенситного превращения?
5. Что такое критическая скорость охлаждения?
6. От чего зависит количество остаточного аустенита?
7. В чем сущность превращений, происходящих при отпуске?
8. Чем отличаются структуры перлитного типа, образованные при
отпуске, от одноименных структур, образующихся при распаде переохлажденного аустенита?
9. Каково практическое значение термокинетических диаграмм?
10. Как влияют легирующие элементы на кинетику перлитного
превращения?
11. Как влияют легирующие элементы на мартенситное превращение?
12. Как протекает промежуточное (бейнитное) превращение
в легированных сталях?
13. Как влияют легирующие элементы на превращения при отпуске?
14. Как влияют легирующие элементы на размеры зерна?
15. В чем сущность явления отпускной хрупкости и как можно
устранить отпускную хрупкость второго рода?
16. Приведите определения основных способов термической обработки: отжига, нормализации, закалки и отпуска.
17. Какие разновидности отжига вы знаете и для чего они применяются?
18. Какова природа структурных и термических напряжений?
19. Какие способы закалки вы знаете?
20. Каковы виды и причины брака при закалке?
21. От чего зависит прокаливаемость стали, в чем ее технологическое значение?
22. Для чего и как производится обработка холодом?
23. Разница между скоростью и температурой нагрева изделий из
легированных и углеродистых сталей.
24. В чем сущность и особенности термомеханической обработки?
25. Как влияет поверхностная закалка на эксплуатационные
характеристики изделий?
1.7. Химико-термическая обработка
Рассмотрите сущность и назначение процессов обкатки поверхности роликом и дробеструйного поверхностного наклепа, их влияние
на эксплуатационные свойства деталей машин.
Вопросы для самопроверки
1. В чем заключаются физические основы химико-термической
обработки?
2. Технология процесса цементации.
3. Назначение и режим термообработки после цементации.
4. Химизм процесса азотирования.
5. Преимущества прочностного азотирования перед цементацией.
6. Технология процесса нитроцементации.
7. В чем различие между диффузионным и гальваническим хромированием?
8. Для каких целей и как производится нитроцементация?
9. Как изменяются свойства изделий при дробеструйной обработке и какова природа этих изменений?
10. Как влияет поверхностное упрочнение на эксплуатационные
характеристики изделий?
1.8. Высокопрочные стали. Штамповочные сплавы
При изучении химико-термической обработки следует уяснить,
что механизм всех ее видов в принципе одинаков. Процесс состоит из
выделения насыщающего элемента в атомарном состоянии (диссоциации), захвата (адсорбции) этих атомов поверхностью насыщаемого
металла и их проникновения вглубь поверхности (диффузии). Поэтому для усвоения этого раздела необходимо рассмотреть реакции в газовой среде, вызывающие при цементации или азотировании выделение насыщающего элемента в атомарном состоянии, и изучить современные представления о диффузии в металлах. Нужно подробно
ознакомиться с современными технологическими схемами химико-термической обработки и их конечными результатами (поверхностное
упрочнение, изменение физико-химических свойств поверхности).
Уясните преимущества и области применения цементации, азотирования, нитроцементации и диффузионной металлизации. Нужно уметь
объяснить влияние легирования на механизм формирования структуры поверхностного слоя.
Вследствие существенной разницы механизмов изнашивания
штампов данные сплавы содержат две группы: для холодного и горячего деформирования. Штамповые стали для холодного деформирования по условиям работы делят на четыре подгруппы: 1) высокой и повышенной износостойкости; 2) высокого сопротивления смятию и высокой теплостойкости; 3) высокопрочные с высокой и повышенной
ударной вязкостью; 4) для ударных инструментов.
Правильный выбор штамповой стали осуществляется по причине выхода из строя и стойкости штамповых инструментов. Например,
при объемном прессовании (калибровка и чеканка, высадка, прессование) наиболее частыми причинами выхода из строя являются хрупкое
разрушение, износ рабочих частей; при резке – выкрашивание и износ
рабочих кромок; при листовой штамповке – износ рабочих частей, схватывание. Выбор производится из одной из четырех групп сталей, су-
14
15
щественно отличающихся как содержанием углерода, так и составом
легирующих элементов. Такими группами являются: а) стали высокой
и повышенной износостойкости; содержание углерода в этих сталях
составляет 1…2 %, содержание хрома – 6…12 %; б) стали высокого
сопротивления смятию и высокой теплостойкости, содержащие 0,8…1,2 %
углерода и 1,4…2 % кремния; в) высокопрочные стали с повышенной
ударной вязкостью с содержанием углерода 0,5…0,75 % , хрома 4…6 %,
кремния около 1 %; г) стали для ударных инструментов, содержащие
0,35…0,6 % углерода и около 3 % хрома. Штамповыми сталями для
холодного деформирования являются Х6Ф4М, 8Х4В2МФС2,
6Х4М2ФС, 4ХС6, ХВГ. Специфический характер разрушения штампов для холодного деформирования обусловлен высокими давлениями
(например, при холодном пресcовании – до 2500 МПа) и высокими
температурами на поверхности инструмента из-за плохой теплопроводности высоколегированных сталей (около 500 °С). Необходимо обратить внимание на повышенные требования к технологичности сталей для штампов.
Основными причинами выхода из строя штампов для горячего
деформирования являются износ, смятие и разгар, термоциклическое
разрушение из-за резких теплосмен, угар поверхностного слоя вследствие окисления. Комплекс требований к сталям для горячего деформирования включает: а) теплостойкость, обеспечивающую сопротивление пластической деформации; б) вязкость, особенно при работе
с динамическими нагрузками; в) износостойкость; г) разгаростойкость,
т. е. сопротивление термической и термомеханической усталости;
д) окалиностойкость, определяющую скорость окислительного износа; е) прокаливаемость для достижения равнопрочности.
Вследствие множественности профилей требований для данных
сталей целесообразным является компромиссное решение, учитывающее иерархическую значимость действующих факторов, а также то,
что профиль требований может существенно изменяться в зависимости от соотношения масс поковки и штампа. При малом значении отношения массы штампа к массе поковки определяющим является смятие, а при большом – истирание.
При преобладании динамического нагружения (молотовые штампы) время контакта с поковкой невелико, поэтому теплостойкость менее значима, чем сопротивление смятию.
По химическому составу штамповые стали делятся на четыре
группы: 1) стали умеренной теплостойкости и повышенной вязкости
(5ХНМ, 5ХГМ, 4ХМНФС); 2) стали повышенной теплостойкости
и вязкости (4Х5МФ1С, 4Х4ВМФС, 4Х5В2ФС); 3) стали высокой теплостойкости (5Х3В3МФС, 4Х2В5МФ, 2Х6В8М2К8); 4) нетеплостойкие повышенной вязкости (7Х3, 8Х3).
Важно усвоить функциональное назначение легирующих элементов, их роль на различных этапах формирования микроструктуры материала при термообработке, а также при воздействии эксплуатационных факторов. В сложнолегированных сталях, какими является большинство штамповых сталей для горячего деформирования, влияние
отдельного легирующего элемента зависит от комплекса элементов,
в который он входит, и проявляется в воздействии на форму, размеры,
распределение фаз, их взаимное расположение после термообработки
и на эксплуатационные свойства штампа.
Все легирующие элементы, входящие в состав данных сталей,
образуют с железом твердые растворы замещения. Они растворяются
в железе и изменяют температурную область α- и γ-железа. Никель
и марганец расширяют область γ-фазы и сужают область существования α-фазы. При определенной концентрации область γ-фазы может
распространиться до температур ниже нормальной. В таких сталях становится невозможным аллотропическое превращение γ → α при нормальной температуре. Их структура – аустенит, поэтому такие стали
называют аустенитными. Промежуточным вариантом являются полуаустенитные стали.
Хром, вольфрам, ванадий, молибден создают обратный эффект,
а стали, легированные ими в достаточном количестве, называют ферритными или полуферритными.
Изменение соотношения легирующих элементов первой группы
(никель, марганец) и второй (хром, вольфрам, ванадий, молибден)
позволяет изменять в широких пределах структурный и фазовый состав штамповых сталей после термообработки, а следовательно, и их
эксплуатационные свойства.
16
17
Вопросы для самопроверки
1. Как подразделяют штамповые стали?
2. Требования, предъявляемые к сталям для холодного и горячего
деформирования.
3. Приведите примеры штамповых сталей, расшифруйте их марки и укажите режимы термообработки.
4. Что представляют собой твердые металлокерамические сплавы?
5. Укажите марки твердых сплавов, их составы, свойства и назначение.
1.9. Неметаллические материалы
1.9.1. Полимерные материалы
Необходимо уяснить, что наиболее распространенными из неметаллических материалов являются полимерные. Обратите внимание на
особенности строения полимеров, которые определяют их механические и физико-химические свойства. Классификацию полимеров рассмотрите с учетом особенностей их состава и строения.
Рассматривая пластические массы, необходимо понять, что они
являются сложными, многокомпонентными веществами, содержащими
ингредиенты, каждый из которых имеет определенное назначение. Изучите различные группы пластмасс, их свойства и области применения.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое полимеры?
2. Что лежит в основе классификации полимеров?
3. Какие материалы относятся к обратимым и необратимым полимерам?
4. Для чего в состав пластмасс вводят наполнители, отвердители,
пластификаторы и другие ингредиенты?
5. Укажите области применения термопластов и реактопластов.
6. В чем преимущества пластмасс по сравнению с металлическими материалами? Каковы их недостатки?
те состав резины, способы получения и влияние различных добавок на
ее свойства. Подробно рассмотрите влияние порошковых и органических наполнителей на свойства резины, изучите физико-механические
свойства и области применения резин различных марок.
Вопросы для самопроверки
1. Что представляет собой резина?
2. Каков состав и классификация резин?
3. Что такое резины общего и специального назначения? Приведите примеры составов обеих групп.
4. Каковы физико-механические свойства резин и их применение?
1.9.3. Композиционные материалы
Обратите внимание на принципиальное отличие композиционных
материалов от обычных сплавов, заключающееся в сочетании в них
разнородных веществ с четкой границей раздела между ними. Уясните
особенности структуры композиционных материалов: волокнистых,
слоистых, дисперсно-упрочненных.
В связи с тем, что композиты обладают свойствами, которыми не
может обладать ни один из их компонентов в отдельности, такие материалы становятся весьма перспективными в различных областях техники. Укажите свойства композитов в зависимости от вида матрицы
и формы, размеров и взаимного расположения наполнителей. Отметьте возможности использования композитов в качестве жаропрочных
материалов.
Вопросы для самопроверки
При изучении раздела обратите особое внимание на то, что резина отличается от других материалов высокими эластичными свойствами. Это связано со свойствами самой основы резины – каучука. Уясни-
1. Что такое композит?
2. Как подразделяют композиты в зависимости от формы и размеров наполнителя?
3. Как подразделяют композиты по виду матрицы?
4. От чего зависят механические свойства композитов?
5. Какие композиционные материалы используют для работ при
высоких температурах?
18
19
1.9.2. Резиновые материалы
2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
2.1. Теоретические и технологические основы производства
материалов
Основные методы получения твердых тел включают кристаллизацию из жидкого или газообразного состояния, спекание, электролиз,
химические методы, механохимические, плазмохимические, фотохимическое и радиационно-химическое восстановление и др. Суть методов.
2.1.1. Основы металлургического производства
Развитие экономики, в том числе ее отрасли – машиностроения,
зависит от уровня развития металлургического производства. Поэтому прежде всего необходимо уяснить, что металлургия – это наука
о способах извлечения металлов из природных соединений и дальнейшей их обработки для придания металлу определенной формы и необходимых свойств. При этом необходимо обратить внимание на значение и современное состояние металлургии. Надо четко представлять,
что современное металлургическое производство включает: шахты по
добыче руд и каменных углей, горнообогатительные комбинаты, коксо-химические предприятия, энергетические предприятия, доменные
цехи, заводы ферросплавов, сталеплавильные цехи, прокатные цехи.
Следует подробно ознакомиться с перспективами развития и совершенствования металлургического производства.
Исходными материалами при производстве чугуна, стали и сплавов цветных металлов являются металлические руды, топливо, флюсы
и огнеупорные материалы. Руда – горная порода или минеральное вещество, из которого при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы или их соединения.
Для усвоения темы изучите виды руд, применяемых при выплавке чугуна, их химический состав, процентное содержание в них железа, марганца и других элементов. Обратите внимание на то, что руды
делятся на богатые (с содержанием железа 45…50 %) и бедные (с содержанием железа менее 45 %). В доменном производстве используется железорудное сырье с содержанием железа 63…67 %, а в отдельных
случаях с 69…72 % железа.
20
Для получения сырья с высоким содержанием железа руды специально подготавливают к плавке. Изучите способы подготовки руд
к доменной плавке: дробление, сортировку и обогащение руд, а также
агломерацию и окомкование железорудных концентратов. При этом
особое внимание необходимо обратить на способы обогащения железных руд, так как от тщательности подготовки руды зависит производительность доменной печи, расход топлива и качество выплавляемого
чугуна.
Расплавление железорудных материалов происходит при высоких
температурах. В качестве источника теплоты в производстве металлов
и сплавов используется топливо. Следует изучить основные виды металлургического топлива. Особое внимание обратите на основной вид
металлургического топлива – кокс. Изучите способ получения кокса,
его химический состав, свойства и теплотворную способность. Кроме
того, необходимо обратить внимание на природный газ, который в настоящее время широко применяется в металлургии в качестве топлива.
В металлургическом производстве кроме железорудного сырья
и топлива используются флюсы. Следует ознакомиться с материалами,
используемыми в качестве флюсов, назначением и свойствами флюсов. Обратите внимание на выбор флюса в зависимости от применяемых плавильных печей (кислых или основных).
Процессы извлечения металлов из руд происходят в агрегатах,
в большинстве случаев выложенных огнеупорными материалами.
Ознакомьтесь с огнеупорными материалами, их составом, свойствами
и областью их применения.
2.1.1.1. Производство чугуна
Чугун выплавляют в шахтных печах-домнах. Процесс доменной
плавки непрерывный. Современная доменная печь – мощный высокопроизводительный агрегат. При изучении темы следует ознакомиться
с устройством современной доменной печи. Обратите внимание на
принцип ее работы; рассмотрите устройство механизмов загрузки шихты и воздухонагревателей.
Материалы в современной доменной печи находятся 4…6 ч, а газы
1…3 с. Поэтому газы в доменной печи должны хорошо распределяться по сечению печи, что дает возможность в максимальной степени
21
использовать физическое тепло газов и наиболее полно использовать
их восстановительную способность. Распределение газового потока по
сечению печи зависит от распределения шихты в доменной печи, которая загружается порциями – колошами. Следует изучить процесс загрузки шихты в доменную печь, обратив внимание на метод равномерного распределения шихты по сечению доменной печи.
В результате горения топлива в доменной печи образуется газовый поток. В этой связи рассмотрите процесс горения топлива, образование газового потока, состав и движение его в доменной печи. Обратите внимание на удаление влаги из шихтовых материалов и на процессы разложения углекислых соединений.
При взаимодействии окислов железа и окислов других элементов
с газами и твердым углеродом кокса происходит их восстановление.
Поэтому при изучении процесса плавки следует изучить процессы восстановления окислов железа, кремния, марганца, фосфора и соединений серы, обратив внимание на процессы образования чугуна (науглероживание железа) и шлака. Необходимо уяснить роль шлака в доменном производстве.
Выплавленный чугун периодически выпускают из доменной печи
и разливают в изложницы. Следует ознакомиться с выпуском жидкого
чугуна из доменной печи и его разливкой в слитки; со схемой устройства разливочной машины и принципом ее работы. Изучите продукты
доменной плавки: передельный и литейные чугуны, ферросплавы, шлак
и доменный газ, а также области их использования.
Основными технико-экономическими показателями доменного
производства являются коэффициент использования полезного объема (КИПО) и удельный расход кокса. Надо уметь определять КИПО
доменной печи, иметь представление о его величине на передовых металлургических заводах страны, а также о коэффициенте расхода кокса на 1 т выплавленного чугуна. Особое внимание следует обратить на
значение механизации и автоматизации работы доменной печи и пути
интенсификации доменного процесса: на улучшение подготовки шихтовых материалов к плавке, на применение повышенного давления газов на колошнике; использование воздушного дутья с повышенной температурой нагрева и обогащенного кислородом, применение природного газа.
22
2.1.1.2. Производство стали
Если производство чугуна основано на восстановлении окислов
железа, кремния, марганца и др., то процесс получения стали основан
на окислении примесей. При изучении темы надо четко представлять
себе сущность процесса получения стали, исходные материалы и способы выплавки стали (мартеновское, конвертерное и электросталеплавильное производства).
Особое значение в сталеплавильном производстве имеют химические процессы, происходящие при выплавке стали. Кислород для
протекания реакций поступает или из атмосферы, или из железной руды,
или из других окислителей. Следует изучить законы, на основе которых протекают химические процессы (закон действия масс, принцип
Ле-Шателье, закон распределения вещества), процессы удаления фосфора и серы из стали. При этом необходимо уяснить, почему фосфор
и сера удаляются в плавильных печах с основной футеровкой и почему
нельзя удалить эти примеси в печах с кислой футеровкой.
Для уменьшения количества кислорода в металлах, который
понижает механические свойства и вызывает хрупкость стали при высоких температурах, их раскисляют. Следует уяснить сущность раскисления стали и изучить способы раскисления (осаждающее и диффузионное раскисление). Обратите внимание на качество сталей, выплавляемых в кислых и основных печах.
В мартеновских печах выплавляют углеродистые конструкционные, инструментальные и легированные стали. При изучении мартеновского производства стали следует ознакомиться с исходными материалами и способами плавки (скрап-рудным процессом и скрап-процессом), с устройством современных мартеновских печей и принципом
их работы, с процессом плавки стали. При этом особое внимание следует обратить на производство стали скрап-рудным процессом как наиболее экономичным способом. Изучите периоды плавки этого процесса и их значение. Разберите пути интенсификации мартеновского процесса.
Одним из прогрессивных способов производства стали является
кислородно-конвертерный способ. В настоящее время этим способом
выплавляют около 40 % всей стали. Быстрое развитие кислородно-конвертерного процесса объясняется тем, что он обладает рядом преиму23
ществ: высокой производительностью, низкими капитальными затратами; процесс более удобен для автоматизации управления ходом плавки. В кислородных конвертерах выплавляют углеродистые и низколегированные стали. При изучении кислородно-конвертерного производства стали ознакомьтесь с устройством кислородного конвертера,
а также с процессом плавки стали в нем и исходными материалами.
Обратите особое внимание на особенности процесса плавки.
Стали высокого качества и высоколегированные стали выплавляют в электрических дуговых и индукционных печах. Подробно ознакомьтесь с устройством дуговых и индукционных печей, принципами
их работы и исходными материалами. Изучите процесс плавки в основной дуговой печи. При этом надо иметь в виду, что плавка стали
может осуществляться без окисления и с окислением примесей. Необходимо уяснить особенности того и другого процесса. Кроме того, надо
иметь представление о процессах рафинирования стали и путях интенсификации процесса плавки в электрических дуговых печах. Изучите процесс плавки в индукционных электрических печах и его особенности. Сравните технико-экономические показатели различных
способов получения стали.
Разливка – важный этап сталеплавильного производства. Технология и организация разливки в значительной мере определяют качество готового металла и количество отходов при дальнейшей переработке стальных слитков. Выплавленную в сталеплавильном агрегате
сталь выпускают в разливочный ковш, из которого его разливают
в металлические формы – изложницы или на машинах непрерывной
разливки.
Следует познакомиться с устройством разливочного ковша и изложницами.
Изучите способы разливки стали в изложницы, при этом обратите внимание на особенности разливки стали сверху и сифоном с целью
получения качественного слитка.
Прогрессивным способом разливки стали является непрерывная
разливка, позволяющая получать полуфабрикат, минуя стадию прокатки на полупродукт. При изучении этого способа необходимо уяснить
его сущность и схему процесса. Обратите внимание на качество слитка и на его использование при дальнейшей переработке.
По степени раскисления стали делят на спокойные, кипящие
и полуспокойные. Изучите особенности строения слитка кипящей
и спокойной стали; обратите внимание на процесс кристаллизации слитка в изложнице, на возможные дефекты слитка и способы их устранения. Изучите факторы, влияющие на качество стали. Кроме того, надо
иметь представление о способах улучшения качества стального слитка
(вакуумирование в ковше, разливка в среде инертных газов, разливка
под слоем синтетического шлака, плавка в вакуумных дуговых печах,
электрошлаковый переплав).
24
25
2.1.1.3. Производство цветных металлов
Производство меди. Медь широко используется как в чистом виде,
так и в виде сплавов в электротехнической промышленности, машиностроении и приборостроении. В этой связи следует ознакомиться
со свойствами меди и пирометаллургическим способом ее получения.
В качестве исходных материалов используют медные руды, которые,
как правило, очень бедны, поэтому их подвергают обогащению (флотации). Полученные концентраты подвергают обжигу в специальных
печах, при этом получают серу и обожженный концентрат (огарок);
последний плавят в пламенных отражательных или шахтных печах.
В результате плавления получают штейн, который перерабатывают конвертированием в черновую медь. Следует изучить устройство и принцип работы флотационной машины, пламенной отражательной печи
для выплавки штейна и горизонтального конвертора для получения черновой меди, кроме того, надо уяснить физико-химические процессы,
происходящие при этом. Готовую черновую медь подвергают очистке
от примесей огневым или электротехническим рафинированием. Следует уяснить сущность рафинирования и реакций, сопровождающих
процесс рафинирования. Необходимо изучить устройство электролизных ванн. Важно, что электролитическое рафинирование позволяет получить не только чистую медь, но и попутно извлечь примеси благородных металлов (золото, платину, серебро) и других ценных элементов (селен, теллур, германий и др.).
В заключение ознакомьтесь с технико-экономическими показателями производства меди и марками меди по ГОСТу.
Производство алюминия. Алюминий и его сплавы используют
в электротехнической промышленности, авиационной и ракетной технике, приборостроении и других отраслях. В качестве исходных мате-
риалов используют алюминиевые руды – бокситы, нефелины, алуниты. Изучая производство алюминия, рассмотрите состав алюминиевых
руд и способы получения из них глинозема. Особое внимание обратите на щелочной метод. Изучите последовательность получения глинозема щелочным методом, происходящие при этом реакции, а также
преимущества и недостатки способа.
Алюминий получают электролизом глинозема, растворенного
в расплавленном криолите. Изучите устройство и принцип работы электролизера, назначение и состав электролита, содержащего криолитоглиноземный расплав, в который для понижения температуры плавления добавляют фтористые соединения алюминия, натрия, кальция
и других элементов, а также реакцию диссоциации глинозема под действием постоянного электрического тока.
Полученный алюминий-сырец подвергают очистке от неметаллических и газообразных примесей продувкой хлором или электролитическим рафинированием. Необходимо рассмотреть эти способы рафинирования, реакции, сопровождающие процесс рафинирования, разливку алюминия в слитки.
В заключение ознакомьтесь с технико-экономическими показателями производства алюминия и его марками по ГОСТу.
Производство магния. Магний в чистом виде в промышленности
практически не используется. Его сплавы нашли широкое применение
в авиационной и ракетной технике, автомобильной промышленности
и приборостроении.
Изучая производство магния, вначале ознакомьтесь с его свойствами. Далее рассмотрите исходные материалы для получения магния, в качестве которых используют магнезит, доломит, карналит,
бишофит; ознакомьтесь с предварительной подготовкой магниевых руд
и устройствами, используемыми при этом. Металлический магний получают термическим способом из окиси магния или более распространенным электролитическим способом из расплавленных хлоридов магния. Изучите электролитический способ получения магния, при этом
ознакомьтесь с устройством и принципом работы электролизера,
назначением и составом электролита.
Полученный магний-сырец подвергают очистке от неметаллических включений (окиси магния, нитрида и силицида магния и др.). Следует ознакомиться с рафинированием магния переплавкой под слоем
флюса, с разливкой магния в слитки.
В заключение ознакомьтесь с технико-экономическими показателями производства магния и марками промышленного чушкового магния по ГОСТу.
Производство титана. Титан находит широкое применение
в ракетной технике, судостроении и химическом машиностроении благодаря высокой механической прочности, коррозионной стойкости
и малой плотности. При изучении темы прежде всего следует ознакомиться с минералами и рудами титана (рутил, ильменит) и методами
переработки титановых руд. При этом обратите внимание на трудности получения титана из-за высокой химической активности при высоких температурах.
Ознакомьтесь с магниетермическим способом получения титана
как наиболее широко применяемым в настоящее время. При изучении
этого способа обратите внимание на получение титановых концентратов, титанового шлака, на производство четыреххлористого титана,
на восстановление четыреххлористого титана магнием и на получение
титановой губки. При этом рассмотрите устройство шахтной печи для
хлорирования титанового шлака; устройство реактора для восстановления четыреххлористого титана магнием; устройство печи для вакуумной сепарации губчатой массы титана и принципы ее работы.
Полученную титановую губку переплавляют в индукционных или
в дуговых вакуумных печах с расходуемыми или нерасходуемыми электродами. Следует ознакомиться с процессом плавки титановой губки
в дуговых вакуумных печах с расходуемым и нерасходуемым электродами, с принципиальным устройством этих печей. При этом особое
внимание надо обратить на роль вакуума при выплавке титановых слитков. В заключение необходимо отметить, что производство титана
и магния организуется на одном заводе, потому что при производстве
титана побочным продуктом является хлористый магний, который служит сырьем для производства магния.
26
27
Вопросы для самопроверки
1. Назовите основные металлургические процессы доменного
производства.
2. Назовите основные операции подготовки руд к плавке.
3. Возможно ли удаление серы и фосфора при выплавке чугуна
в домнах?
4. В чем основные различия качеств сталей, выплавляемых в ковертерах, мартеновских печах, в электропечах, в дуговых и индукционных печах?
5. В чем сущность процесса получения стали из чугуна?
6. В чем сущность процессов, названных в вопросе 4?
7. Перечислите основные способы и исходные материалы, используемые при производстве меди, алюминия, магния, титана.
реждения дефектов в отливках. Особенности конструирования отливок с учетом литейных свойств сплавов.
2.2.1.2. Способы изготовления отливок
Литейные свойства сплавов. Жидкотекучестъ. Газопоглощение.
Линейная и объемная усадка. Напряжения в отливках и склонность
к образованию трещин и короблению. Затвердевание отливок. Усадочные раковины. Газоусадочная пористость в отливках. Меры предуп-
Общая технологическая схема изготовления отливок. Технологические требования к конструкции литых заготовок. Изготовление отливок в песчано-глинистых формах. Сущность способа. Модельный
комплект. Принципы разработки модельного комплекта по чертежу
детали.
Формовочные и стержневые смеси. Требования, предъявляемые
к ним. Специальные формовочные смеси. Литниковая система и ее
назачение.
Способы формовки. Способы уплотнения форм на машинах прессованием, встряхиванием с подпрессовкой, пескометом.
Технология изготовления стержней.
Сборка форм и их заливка. Охлаждение отливок в форме. Выбивка стержней из отливок, обрубка и очистка отливок. Контроль качества
отливок. Технико-экономическая характеристика способа и область
применения.
Изготовление отливок в оболочковых формах. Сущность способа. Технико-экономические характеристики способа и область применения.
Изготовление отливок литьем по выплавляемым моделям. Сущность способа. Модельные составы. Изготовление моделей. Сборка
моделей в блоки. Формовочные материалы и их подготовка. Изготовление керамических оболочек. Выплавление моделей. Прокаливание
форм. Выбивка и очистка отливок. Техннко-экономические характеристики способа и область применения.
Изготовление отливок в металлических формах (кокилях). Сущность способа и область применения.
Изготовление отливок центробежным литьем. Сущность способа
и схема процесса изготовления отливок на центробежных машинах
с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Технико-экономические характеристики способа и область применения.
Изготовление отливок литьем под давлением. Сущность способа
и область применения.
28
29
2.2. Теория и практика формообразования заготовок
Предметом изучения курса «Технология конструкционных материалов» являются распространенные в промышленности прогрессивные технологические методы формообразования заготовок и деталей
машин.
Цель курса состоит в том, чтобы дать студентам знания об основных технологических методах производства деталей.
В задачи курса входит:
а) изучение физической сущности основных технологических
методов получения заготовок литьем, обработкой давлением, сваркой
и механической обработкой резанием;
б) изучение технологических возможностей методов по назначению, их достоинств и недостатков, областей применения;
в) изучение основных принципиальных схем работы технологического оборудования;
г) изучение инструментов, приспособлений и оснастки, их назначения и применения;
д) ознакомление с технологичностью конструкций заготовоки
деталей с учетом методов их изготовления и обработки.
2.2.1. Производство заготовок способом литья
2.2.1.1. Теоретические основы производства отливок
2.2.1.3. Качество отливок
Контроль химического состава сплава, механических свойств отливок. Способы неразрушающего контроля качества отливок. Способы исправления литейных дефектов.
2.2.2. Производство заготовок
пластическим деформированием
2.2.2.1. Физико-механические основы
обработки металлов давлением
Понятие о пластической деформации. Холодная пластическая деформация. Упрочнение металлов. Горячая деформация. Возврат,
рекристаллизация. Пластичность металлов и сопротивление деформированию, ковкость и штампуемость, методы их определения. Влияние
химического состава, температуры, скорости деформации, предварительной обработки и схемы напряженно-деформированного состояния
на пластичность и сопротивление металлов деформированию. Влияние обработки давлением на структуру и свойства металла. Зависимость эксплуатационных характеристик деталей от направления волокон в металле.
2.2.2.2. Нагрев металлов перед обработкой давлением
Назначение нагрева. Явления, происходящие в металле при нагреве. Температурный интервал обработки давлением. Выбор режима
нагрева в зависимости от химического состава и размеров заготовок.
Влияние температурного режима обработки металлов давлением на
качество изделий. Основные типы нагревательных устройств и их характеристики. Автоматизация нагревательных устройств. Мероприятия по борьбе с окалиной.
2.2.2.3. Прокатка, волочение и прессование
катных станов и их калибровка. Продукция прокатного производства.
Волочение. Сущность процессов волочения сплошных и полых
профилей. Исходные заготовки. Готовая продукция. Характеристика
применяемого оборудования.
Прессование. Сущность процессов прессования сплошных и полых профилей. Исходные заготовки и готовая продукция.
2.2.2.4. Ковка
Сущность ковки. Исходные заготовки и продукция. Основные
операции. Инструмент и оборудование для ковки. Принципы составления чертежа поковки, выбора заготовок и оборудования для ковки.
Ковка в подкладных штампах. Технологические особенности ковки
высоколегированных сталей и цветных металлов. Технологические
требования к деталям, получаемым ковкой. Автоматизация и механизация процессов ковки. Технико-экономические характеристики ковки
и области ее применения.
2.2.2.5. Горячая объемная штамповка
Сущность горячей объемной штамповки. Исходные заготовки
и продукция. Штамповка в открытых штампах. Процесс формообразования поковок. Значение заусенца при открытой штамповке. Одноручьевая и многоручьевая штамповка. Назначение заготовительных
и окончательных ручьев. Штамповка в закрытых штампах. Процесс
формообразования поковок. Требования к точности заготовок.
Отделочные операции после горячей объемной штамповки: обрезка заусенцев и прошивка отверстий, очистка поковок от окалины,
правка поковок, калибровка поковок. Оборудование для горячей объемной штамповки и его технологические особенности. Автоматизация
и механизация процессов горячей объемной штамповки.
Технологические требования к деталям, получаемым из поковок
горячей объемной штамповкой. Технико-экономические характеристики горячей объемной штамповки в области ее применения.
Сущность процесса прокатки. Продольная, поперечная и поперечно-винтовая прокатка. Устройство прокатных станов. Валки про30
31
2.2.2.6. Специализированные технологические
процессы получения заготовок
Штамповка на горизонтально-гибочных машинах, высокоскоростных молотах, ротационно-ковочных машинах. Накатка зубчатых колес, раскатка колец. Характеристика применяемого оборудования.
В основе способов лежит процесс ротационного обжатия. Обжатие осуществляется при вращении заготовки или инструмента.
Указать основные преимущества данных способов.
2.2.2.7. Холодная штамповка
Классификация способов холодной штамповки, их характеристика
и область применения.
Объемная холодная штамповка. Схемы и сущность холодного
выдавливания, высадки и объемной формовки.
Листовая штамповка. Сущность листовой штамповки. Исходные
заготовки и продукция. Основные операции.
2.2.3. Производство неразъемных соединений
2.2.3.1. Сварочное производство
2.2.3.1.1. Общие сведения о сварке
Определение понятий «сварка», «сварное соединение», «сварная
конструкция». Сущность сварки как процесса образования межатомных связей в металле. Факторы, препятствующие образованию межатомных связей, и технические средства борьбы с ними. Классификация основных способов сварки, применяемых при изготовлении и монтаже строительных конструкций. Значение механизации, автоматизации
и роботизации сварочных работ в строительстве. Преимущества и недостатки сварных соединений.
2.2.3.1.2. Краткая характеристика основных видов сварки
и их применения в строительстве
ты. Тепловые процессы при сварке. Плавление и перенос электродного металла. Схема, сущность, параметры режима, преимущества и недостатки ручной дуговой сварки покрытыми электродами: механизированной и автоматической дуговой сварки порошковой проволокой
под флюсом и в среде защитных газов.
Особенности дуговой сварки углеродистых и низколегированных
сталей, технико-экономические критерии оценки дуговых видов сварки. Схемы процессов, преимущества и недостатки электрошлаковой,
ванной и газовой сварок. Виды контактной сварки.
2.2.3.1.3. Сварные соединения и швы. Строение и свойства металла
сварных соединений
Классификация сварных соединений и швов. Требования, предъявляемые к сварным соединениям. Геометрические характеристики сварных швов. Зоны сварного соединения: металл шва, зона термического
влияния и основной металл. Плавление и кристаллизация металла шва.
Образование и свойства зоны термического влияния.
2.2.3.1.4. Сварочные напряжения и деформации. Свариваемость
строительных сталей. Дефекты сварных швов. Контроль качества
сварных соединений
Влияние сварочных напряжений и деформаций на размеры, геометрическую форму. Образование дефектов и работоспособность сварных конструкций. Причины и механизм образования напряжений, деформаций и перемещений. Неравномерный нагрев и охлаждение, структурные и фазовые превращения, литейная усадка.
Рекомендации по уменьшению сварочных напряжений и деформаций на этапах проектирования конструкций, их изготовления, а также после сварки. Свариваемость строительных сталей, методы и оценки. Горячие и холодные трещины при сварке. Определение понятия
«технологическая прочность» сварного соединения. Дефекты сварных
швов: классификация и причины возникновения. Контроль качества
сварных соединений.
Дуговые виды сварки как основные виды сварки, применяемые
в строительстве. Характеристика сварочной дуги как источника тепло32
33
2.2.3.1.5. Виды сварных соединений
а)
Сварка как технологический процесс получения неразъемных
соединений находит широкое применение в строительстве и машиностроении. Наибольшее распространение получила электродуговая сварка: ручная – металлическими электродами с покрытием; автоматическая под слоем флюса; сварка в среде защитных газов, контактная сварка, газовая сварка. Перед сваркой соединяемые детали взаимно
ориентируют в соответствии с чертежом сварного изделия, фиксируют
при необходимости в приспособлениях и зону стыка деталей заполняют расплавленным металлом электрода (с частичным расплавлением
кромок деталей). Для получения сквозного сварного шва соединяемые
детали должны быть подготовлены, например, кромки их должны иметь
скос под определенным углом.
Конструктор при проектировании сварных изделий на чертеже
указывает способ сварки, тип сварного соединения, конструктивные
элементы швов и разделки кромок, марку электрода или проволоки,
способ контроля, допустимые дефекты.
Чертежи сварных изделий оформляют как чертежи сборочных
единиц, то есть выполняют сборочный чертеж и спецификацию в соответствии с ЕСКД. Условные обозначения швов сварных соединений
выполняют по ГОСТ 2.312–72. Так, шов сварного соединения изображают: видимый – сплошной основной линией, невидимый – штриховой линией. От изображения сварного шва проводят линию-выноску,
заканчивающуюся односторонней стрелкой (рис. 2.1). Линию-выноску предпочтительно проводить от изображения видимого шва, с его
лицевой стороны, с которой производят сварку основного шва.
Условное обозначение шва производят на полке линии-выноски
или под полкой, если линия-выноска проведена от оборотной стороны
основного шва. Вспомогательные знаки, входящие в обозначение шва,
выполняют сплошными тонкими линиями, а высота знаков равна высоте цифр и букв, входящих в обозначение. Элементы условного обозначения и вспомогательные знаки располагают в следующей последовательности (см. рис. 2.1).
Сварной шов по замкнутой линии может быть обозначен окружностью диаметром 3...5 мм (рис. 2.1, а), а выполняемый при монтаже обозначают знаком в точке пересечения линии-выноски и полки (рис. 2.1, б).
Номер ГОСТа на способ сварки и вид сварного соединения.
Условное буквенно-цифровое обозначение сварного соединения
по стандарту.
Знак в виде прямоугольного треугольника и размер катета шва
для угловых, тавровых и соединений внахлестку (см. рис. 2.1, б).
Для прерывистого шва указывают в мм длину провариваемого
участка и шаг. Их значения разделяют наклонной линией под углом
60° в случае цепного расположения швов или специальным знаком для
шахматного расположения (см. рис. 2.1, б). На рис. 2.1, в показано обозначение сварного соединения, выполненного ручной электродуговой
сваркой.
При наличии одинаковых швов им присваивают один порядковый номер, условное обозначение выполняют только для одного шва,
с указанием порядкового номера на линии-выноске. Для остальных
швов на полке вместо обозначения указывают только порядковый номер данной группы одинаковых швов.
Если на чертеже все швы одинаковы, допускается их обозначать
только линиями-выносками, а в технические требования чертежа
записывать все сведения о способе сварки и элементах сварных соединений.
Марку электрода или присадочного материала с указанием стандарта указывают в технических требованиях чертежа.
34
35
б)
в)
Рис. 2.1. Пример обозначения сварных швов:
а – сварной шов по замкнутому контуру; б – сварной шов,
выполняемый при монтаже; в – сварное соединение,
выполняемое ручной электродуговой сваркой
2.2.3.1.6. Материалы для изготовления сварных конструкций
Свариваемостью называют способность металлов образовывать
сварные соединения без трещин и прочих дефектов, имеющие механические и физико-химические свойства, близкие к свойствам основного
металла. Свариваемость определяется главным образом склонностью
сварных соединений к возникновению трещин.
Зона сварки подвергается сильному и неравномерному разогреву.
Температура изменяется от температуры расплавленного металла
до температуры окружающей среды в сравнительно узком диапазоне,
как по длине, так и по ширине деталей (градиент температуры – сотни
и даже тысячи градусов на миллиметр). Последующее охлаждение зоны
сварки происходит очень быстро за счет высокой теплопроводности
металлов.
Перепады температуры в зоне сварки вызывают неравномерное
тепловое расширение одних участков и сжатие других, что приводит
к значительным внутренним напряжениям и как следствие – к деформации деталей и образованию трещин. Различают трещины горячие,
возникающие при температуре, близкой к температуре кристаллизации, и холодные, появляющиеся при более низкой температуре.
Горячие трещины возникают чаще всего по границам зерен в наплавленном металле. Образование горячих трещин можно предотвратить правильным подбором электродов и химического состава сплавов, а также проектированием технологичных конструкций. В частности, наличие серы в стали резко увеличивает склонность к горячим
трещинам, так как в процессе кристаллизации межкристаллические
границы заполняются прослойками сульфидов (FeS, MnS).
Холодные трещины вызывают внутрикристаллическое разрушение, наиболее часто образующееся в околошовной зоне.
У сплавов с высокой пластичностью внутренние напряжения вызывают локальную пластическую деформацию, но при этом разрушение не происходит. Хрупкие же материалы такой деформации не выдерживают и в них возникают трещины.
Для предотвращения трещин необходимо в сварных изделиях
применять высокопластичные материалы, например малоуглеродистые
стали. Стали с повышенным содержанием углерода, а также легированные стали обладают пониженной пластичностью, что ухудшает их
свариваемость. Кроме того, стали с повышенным содержанием угле36
рода и легирующих элементов (Сr, Mo, V, W, Мn) при быстром охлаждении способны подвергаться закалке, что приводит к резкому повышению твердости и хрупкости в зоне сварного шва. Чем выше содержание углерода и легирующих элементов, тем эта склонность выше.
Улучшить свариваемость стали можно применением подогрева
деталей перед сваркой. Подогрев повышает пластичность стали, а также уменьшает перепад температуры и скорость охлаждения в зоне сварки, поэтому закалка стали не наблюдается. Положительный эффект
оказывает также термическая обработка после сварки (отпуск или отжиг), заключающаяся в нагреве до температуры 600...900 °С и медленном охлаждении. После термообработки внутренние напряжения в сварных изделиях существенно снижаются, а микроструктура становится
более равномерной.
Влияние легирующих элементов на свариваемость стали неоднозначно. Большинство из них свариваемость ухудшает (Сr, Mo, W, V
и др.). Некоторые элементы повышают пластичность стали, ухудшая
свариваемость, но могут повысить склонность к горячим трещинам.
Марганец и кремний в небольших количествах способствуют хорошему раскислению стали и не затрудняют сварку, однако содержание их
более 1 % снижает свариваемость вследствие повышения вероятности
закалки стали и образования хрупких оксидов.
Вредные примеси (фосфор, сера, кислород, азот, водород), находящиеся даже в небольших количествах, значительно снижают свариваемость стали.
2.2.3.1.7. Особенности сварки конструкционных сталей
К конструкционным сталям относят стали углеродистые и легированные. Сумма легирующих элементов в конструкционных сталях
не превышает 5 %. Влияние углерода и легирующих элементов можно
оценить ориентировочно по эквивалентному содержанию углерода:
Cэ = С +
Mn Ni Cr + Mo + V
+
+
,
20 15
10
(2.1)
где С, Мn, Ni, Сr, Мо, V – процентное содержание соответственно
углерода, марганца, никеля, хрома, молибдена, ванадия.
37
Исходя из химического состава, все конструкционные стали можно
разделить на 4 группы, которые будут отличаться свариваемостью
и для обеспечения надежного равнопрочного сварного соединения
потребуют различных условий сварки:
1-я группа – хорошо сваривающиеся стали. Сюда относят стали
низкоуглеродистые с содержанием углерода менее 0,25 %, а также низколегированные при содержании углерода менее 0,2 %. Эти стали свариваются без трещин при температуре окружающей среды до –20 °С.
Термическая обработка после сварки не требуется, за исключением
конструкций, где недопустимы коробление и поводка в процессе обработки и эксплуатации. К этой группе относят стали: Ст1, Ст3; стали 08,
10, 15, 20, 25; 15Л, 20Л; 15Г, 20Г, 15Х, 20Х, 15Н2М, 12ХН2, 09Г2, 16ГС,
10Г2С1Д и др.
2-я группа – удовлетворительно сваривающиеся стали, у которых
содержание углерода или его эквивалента находится в пределах
0,25...0,35 %. Эти стали свариваются без дефектов при температуре
окружающей среды выше +5 °С. В противном случае, а также при толщине деталей более 25 мм необходим подогрев перед сваркой до 50...100 °С.
После сварки конструкции целесообразно термообработать, особенно
толстостенные. Примеры сталей данной группы: Ст5, Ст5Г, Ст30, Ст35,
20ХН3А, 30Л, 35, 27ГС, 20ХГС и др.
3-я группа – ограниченно сваривающиеся стали, имеют эквивалентное или абсолютное содержание углерода 0,35...0,45 %. Эти стали
для обеспечения качественного шва требуют подогрева деталей перед
сваркой до 100...200 °С и термической обработки после сварки. Термическая обработка может заключаться или в отжиге, или в закалке с последующим высоким отпуском. К группе ограниченно сваривающихся
относят стали Ст6, Ст40, Ст45, стали 30ХМ, 30ХГСА, 20Х2Н4А и др.
4-я группа – плохо сваривающиеся стали с содержанием углерода
или его эквивалента более 0,5 %. Для сварки необходимы предварительный подогрев до 250...350 °С и термическая обработка после сварки. Плохо свариваются стали 45Г, 40Х, 65Г, 40ХН, 60СГА, 38Х2МЮА,
У7 и др.
Температуру подогрева сталей удовлетворительно, ограниченно
и плохо сваривающихся, склонных к закалке околошовной зоны, определяют по эмпирической зависимости
38
Tn = 350 ⋅ C эs − 0,25 ,
(2.2)
где Cэs – углеродный эквивалент, учитывающий химический состав
стали и толщину деталей:
Ni Mn Cr + Mo 

C эs =  C +
+
+
 ⋅ (1 + 0,05S ),
8
13
9


(2.3)
где С, Ni, Mn, Cr, Mo – процентное содержание углерода, никеля, марганца, хрома, молибдена; S – толщина соединяемых деталей, мм.
2.2.3.1.8. Сварочные материалы
Для формирования сварного шва при сварке в защитных газах или
сварке под флюсом применяют сварочную проволоку, а при ручной
электродуговой сварке – электроды с покрытием. Проволока сварочная стальная холоднотянутая выпускается с номинальным диаметром
0,3; 0,5; 0,8; 1; 1,2; 1,4; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10 и 12 мм.
Химический состав стальной сварочной проволоки выбирают
в зависимости от марки свариваемых сталей. Обычно сварочная проволока должна иметь меньшее содержание углерода и большее содержание легирующих элементов, чем свариваемые детали. В этом случае
можно получить сварной шов равнопрочным с основным металлом
и аналогичными физико-химическими свойствами. Проволока имеет
буквенно-цифровое обозначение, включающее диаметр, ее назначение
(сварочная, для электродов) и химический состав. Химический состав
записывают по аналогии с маркировкой стали.
Пример условного обозначения сварочной проволоки диаметром
3 мм, содержащей 0,04 % углерода, 20 % хрома и 9 % никеля: проволока 3Св-04Х20Н9. В конце марки через дефис может быть указано:
О – омедненная проволока, Э – проволока для изготовления электродов.
Для защиты зоны сварки от кислорода воздуха используют флюсы и защитные газы. Флюс – гранулированный порошок, получаемый
чаще всего сплавлением компонентов и последующим дроблением.
По назначению флюсы подразделяют на три группы: для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей и сварки цветных
39
сплавов. В состав флюсов входят шлакообразующие компоненты (кремний, марганец, алюминий в виде кремнезема, закиси марганца, глинозема, окись кальция), раскислители (Si, Mn) и легирующие элементы.
Фосфор и сера являются вредными технологическими примесями, так
как снижают пластичность сварного шва.
Для сварки конструкционных углеродистых и низколегированных
сталей наиболее часто применяют высококремнистые флюсы марки
АН-348А, для легированных сталей – низкоактивные АН-20, а для высоколегированных коррозионно-стойких и жаропрочных сталей – высокоосновные АН-22 и АН-26.
В качестве защитных газов наибольшее распространение получили углекислый газ, аргон и смесь углекислого газа с аргоном. Аргон
наиболее эффективен, но он дорогой, и применяют его в основном при
сварке цветных сплавов и ответственных изделий из высоколегированных сталей. Углекислый газ обеспечивает защиту зоны сварки, но металл сварного шва получается недостаточно раскисленным, поэтому
необходимо выбирать сварочную проволоку с повышенным содержанием марганца (Св-08Г2С, Св-08ХН2Г2СМЮ и др.).
Электроды для ручной электродуговой сварки изготавливают
из сварочной проволоки диаметром 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10 и 12 мм.
Для защиты зоны сварки от кислорода воздуха и устойчивого горения дуги электроды имеют покрытие (обмазку).
По характеру компонентов покрытия бывают основные, кислые
и рутиловые. Кислые покрытия состоят из оксидов железа, марганца,
кремния и не обеспечивают хорошего раскисления металла. Основные
покрытия содержат в основе карбонаты – мрамор (СаСО3), мел, магнезит и плавиковый шпат, они обеспечивают высокие пластические свойства наплавленного металла. Рутиловые покрытия имеют в своем составе рутил (TiO2), алюмосиликаты, карбонаты; они обеспечивают устойчивое горение дуги при переменном токе и высокое качество
металла.
Обмазка служит также для раскисления и легирования металла,
поэтому содержит ферросплавы марганца, титана, молибдена, хрома,
кремния, алюминия, ниобия и др. Защита от кислорода воздуха обеспечивается наличием в обмазке газообразующих (муки, крахмала, целлюлозы и т. д.) и шлакообразующих веществ (титанового концентрата,
Электрическая контактная сварка. Сущность и схемы процесса.
Способы контактной сварки: стыковая, точечная, шовная. Устройство
и принцип действия контактных машин. Технико-экономические характеристики и область применения. Технологические параметры режима стыковой, точечной, шовной сварки. Дефекты контактной сварки и способы их предупреждения.
40
41
марганцевой руды, каолина, мрамора, мела и др.). Для закрепления
компонентов обмазки на электроде используют жидкое стекло, декстрин. По назначению электроды подразделяют на ряд видов: для сварки
конструкционных и теплоустойчивых сталей, для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами, для наплавки, для сварки чугуна, цветных сплавов и пр.
Электроды для ручной сварки обозначают буквой Э, после которой указывают или число, соответствующее пределу прочности наплавленного металла при сварке конструкционных сталей, или химический состав проволоки электрода для сварки теплоустойчивых и высоколегированных сталей. Буква А на конце означает, что электроды
повышенного качества и обеспечивают высокую пластичность наплавленного металла.
2.2.3.1.9. Способы сварки давлением
2.2.3.1.10. Контроль качества сварных соединений
Виды дефектов сварных соединений. Способы контроля качества
сварных соединений. Магнитный контроль. Рентгеновский контроль.
Гамма-дефектоскопия. Ультразвуковой контроль. Механические испытания наплавленного металла и сварных соединений.
2.2.3.1.11. Охрана труда, техника безопасности и охрана природы
в сварочном производстве
Общие сведения об охране труда, технике безопасности и охране
природы при выполнении сварочных работ.
2.2.4. Изготовление деталей и полуфабрикатов
из композиционных материалов
2.2.4.1. Физико-технологические основы получения
композиционных материалов
Композиционными (рис. 2.2) называются материалы, обладающие
следующей совокупностью признаков:
Рис. 2.2. Схематическое изображение структуры
ортотропного КМ, армированного чередующимися слоями волокон в двух взаимноперпендикулярных направлениях
– не встречаются в природе, поскольку созданы человеком;
– состоят из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных выраженной границей;
– имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов;
– неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе;
– состав, свойства и распределение компонентов «запроектированы» заранее;
– свойства определяются каждым из компонентов, которые в связи с этим должны быть в материале в достаточно больших количествах
(больше некоторого критического содержания).
Компонент, непрерывный во всем объеме КМ, называется матрицей; прерывистый, разъединенный в объеме композиции, – арматурой
или армирующим элементом (рис. 2.3). Понятие «армирующий» означает введенный в материал с целью изменения свойств.
Рис. 2.3. Схема ориентации волокон в слоистых
композиционных материалах со звездной укладкой
волокон в смежных областях
В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения КМ бывают изотропные или анизотропные.
42
Первые имеют одинаковые свойства во всех направлениях, свойства вторых зависят от направления. К макроскопически изотропным
КМ относятся дисперсно-упрочненные сплавы, псевдосплавы и хаотично армированные КМ; к анизотропным КМ – материалы, в которых
волокна ориентированы в определенных направлениях. Хаотично
армированные КМ упрочняются короткими (дискретными) частицами
игольчатой формы (отрезками волокон или нитевидных кристаллов –
так называемыми усами), ориентированными в пространстве случайным образом.
Анизотропия КМ, «проектируемая» заранее для изготовления
из КМ конструкций, называется конструкционной. Существуют также
технологическая анизотропия, образующаяся вследствие пластической
деформации изотропных материалов, и физическая, присущая кристаллам и связанная с особенностями строения их кристаллической решетки.
Обычно в технике используются анизотропные материалы с некоторой симметрией свойств. Ортотропные (ортогонально анизотропные) материалы характеризуются наличием в каждом объеме трех взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии свойств. К таким
материалам относятся КМ, армированные последовательно чередующимися слоями волокон в двух взаимноперпендикулярных направлениях, и ткани с продольно-поперечной укладкой.
Слоистые КМ со звездной укладкой волокон в смежных слоях
(рис. 2.3) обладают изотропией свойств в плоскости листа в том случае, если угол между направлениями укладки волокон в смежных слоях меньше 72°. Например, в слоистых КМ, у которых волокна в смежных слоях образуют друг с другом углы 60, 45 или 30°, все направления в плоскости листа эквивалентны друг другу. Такие материалы,
имеющие плоскость изотропии и перпендикулярную к ней ось симметрии бесконечного порядка, называются трансверсально-изотропными (или транстропными). К трансверсально-изотропным относятся
одноосно-армированные КМ, в которых все волокна ориентированы в
одном направлении. В этом случае плоскость изотропии yz перпендикулярна к направлению укладки волокон х (рис. 2.4).
Одноосно-армированные КМ именуют также КМ с ориентацией
волокон 1:0, двухосно-армированные слоистые КМ со взаимноперпендикулярной ориентацией волокон обозначают дробями 1:1; 1:2; 1:3; 3:4
43
и т. д., в которых цифры указывают отношение числа слоев в продольном и поперечном направлениях. Трехосно-армированные ориентированные КМ получают армированием матриц волокнами в трех взаимноперпендикулярных направлениях или объемными тканями.
К некоторым КМ понятия «матрица» и «арматура» неприменимы. К ним относятся слоистые КМ, состоящие из чередующихся слоев
двух металлических сплавов, или псевдосплавы, имеющие каркасное
строение (эти материалы получают пропиткой пористой заготовки более легкоплавкими компонентами, их структура представляет собой два
взаимно проникающих непрерывных каркаса).
Классифицируют КМ по следующим основным признакам:
– материалам матрицы и армирующих элементов;
– геометрии компонентов;
– структуре и расположению компонентов;
– методу получения.
Иногда КМ разделяют по назначению, но так как одни и те же КМ
могут иметь различное назначение, то этот принцип классификации
используют редко. Полная характеристика КМ должна содержать все
указанные признаки, на практике же обычно ограничиваются однимдвумя из них.
Рис. 2.4. Схематическое изображение структуры
однонаправленного КМ
Общее название КМ происходит от материала матрицы. КМ
с металлической матрицей называют металлическими (МКМ), с полимерной – полимерными (ПКМ), с неорганической – неорганическими
(НКМ). КМ, содержащий два и более различных по составу или природе матричных материалов, именуется полиматричным.
Характеристика КМ по материалам матриц и армирующих элементов говорит об их природе. Название полимерных КМ состоит обычно из двух частей: в первой указывается материал волокна, второй является слово «пластик» или «волокнит». Например, ПКМ, армированные стекловолокном (СВ), называются стеклопластиками, или
стекловолокнитами, металлическими волокнами – металлопластиками (металловолокнитами), органическими волокнами – органопластиками (органоволокнитами), борными волокнами – боропластиками (бо44
роволокнитами), углеродными волокнами (УВ) – углепластиками (углеволокнитами), асбестовыми волокнами – асбопластиками (асбоволокнитами) и т. д.
Обозначение типа КМ чаще всего двойное: вначале пишут материал матриц, затем – материал волокна. Например, обозначение медь –
вольфрам (Сu – W) относится к КМ с медной матрицей и вольфрамовыми волокнами; оксид алюминия – молибден (Аl2O3 – Мо) – к КМ
на основе Аl2O3 с арматурой из молибденовых проволок. Составные
компоненты заключаются в скобки. Однако в литературе встречаются
и другие обозначения: сложное слово, в первой части которого указывается материал волокна, а во второй – матрицы (например, бороалюминий, углеалюминий и др.).
КМ, содержащий два или более различных по составу или природе типа армирующих элементов, называется полиармированным.
Полиармированные КМ подразделяются на простые, если армирующие элементы имеют различную природу, но одинаковую геометрию
(например, стеклоуглепластик – полимер, армированный СВ и УВ),
и комбинированные, если армирующие элементы различны по природе и по геометрии (например, КМ, состоящий из алюминиевой матрицы, борных волокон и прослоек из титановой фольги).
В соответствии с геометрией армирующих элементов (порошки
или гранулы, волокна, пластины) КМ классифицируются на порошковые (гранулированные), волокнистые и пластинчатые. К первой группе относятся дисперсно-упрочненные (ДКМ), (условно) КМ в виде
псевдосплавов и другие композиции, получаемые из смесей различных порошков, ко второй – КМ, армированные непрерывными и дискретными волокнами (например, композиции алюминий – борные волокна, стеклопластики), к третьей – армированные непрерывными
и дискретными пластинами (например, слоистые КМ, представляющие
собой набор из чередующихся фольг из стали, алюминия и титана).
По структуре и расположению компонентов КМ разделяются
на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурами. В группу КМ с каркасной структурой входят, например, псевдосплавы, полученные методом пропитки; с матричной – ДКМ и армированные материалы; со слоистой – композиции из набора фольг
или листов материалов различной природы или состава; с комбинированной – материалы, содержащие комбинации первых трех групп (на45
пример, псевдосплавы, каркас которых упрочнен дисперсными включениями, относятся к материалам, содержащим каркасную и матричную структуры).
По способам получения КМ подразделяются на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения-напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относится пропитка (например, пропитка арматуры полимерами или расплавленными металлами), а также направленная кристаллизация сплавов;
к твердофазным – прессование, волочение, прокатка, ковка, штамповка, уплотнение взрывом и другими динамическими методами, диффузионная сварка и т. п. Для КМ, полученных твердофазными методами,
характерно использование матрицы в виде порошка или тонких листов. Армированные КМ, матрица которых в исходном состоянии представляет собой тонкие листы (фольги), а вся заготовка – набор чередующихся слоев матрицы и армирующих элементов, уложенных в заданной последовательности, в литературе иногда называют «композициями
типа сэндвич», или сотовыми структурами.
Армирующие материалы бывают порошковые и волокнистые.
Порошковые материалы должны удовлетворять определенным требованиям по химическому составу, размерам и форме отдельных фракций, по технологическим свойствам (насыпная плотность, текучесть,
формуемость, спекаемость) при изготовлении из них изделий. Они не
должны содержать загрязнений, влаги, масел и других примесей. Хранить их можно в условиях, исключающих окислительные процессы на
поверхности порошковых зерен.
Армирующие волокна, используемые для получения КМ, должны обладать малой плотностью, высокой температурой плавления,
минимальной растворимостью в материале матрицы, высокой прочностью во всем интервале рабочих температур и химической стойкостью, технологичностью, отсутствием фазовых превращений в области
рабочих температур и токсичности при их изготовлении и эксплуатации изделий. Применяют в основном три вида волокон: нитевидные
кристаллы, металлическую проволоку, неорганические и поликристаллические волокна.
Нитевидные кристаллы (усы) рассматривают как наиболее перспективный материал для армирования металлов, полимеров, керамики. Очень высокая прочность в широком диапазоне рабочих темпера-
тур, малая плотность, химическая инертность ко многим материалам
матрицы и ряд других свойств делают их очень ценными в качестве
армирующего материала. Однако широкое их внедрение пока сдерживается из-за сложности технологии их получения в промышленных
масштабах; ориентации их в материале матрицы; их деформирования
для изготовления изделий и др.
Металлическая проволока из высокопрочной стали, вольфрама,
молибдена и других металлов имеет меньшую прочность, чем нитевидные кристаллы. Однако ее выпускают промышленно в больших
количествах и в связи с более низкой стоимостью широко применяют
в качестве арматуры, особенно для КМ на металлической основе.
Неорганические и поликристаллические волокна отличаются малой плотностью, высокими прочностью и химической стойкостью.
Применяют углеродные, борные, стеклянные волокна для армирования металлов и пластмасс.
Основное назначение наполнителей – придание КМ специальных
свойств. Например, волокнистые наполнители вводят с целью получения максимальных прочностных характеристик.
Матрица в КМ является основой, придает изделию форму и делает материал монолитным. Материал матрицы должен позволять композиции воспринимать внешние нагрузки. Матрица вносит существенный вклад в несущую способность композиции, обеспечивая распределенную передачу силы на волокна. При нагружении изделия извне
вследствие пластичности матрицы силы от разрушенных или дискретных (коротких) волокон передаются соседним волокнам. Передача нагрузки зависит прежде всего от качества соединений, т. е. от хорошей
адгезии между компонентами КМ.
46
47
2.2.4.2. Изготовление изделий из металлических
композиционных материалов
Получению высококачественного соединения способствуют взаимная диффузия с образованием твердого раствора; поверхностное
химическое взаимодействие между компонентами композиции; отсутствие на поверхностях раздела каких-либо загрязняющих слоев.
При изготовлении композиции в жидкой фазе материал матрицы
должен смачивать армирующий материал (волокно). Качество соеди-
нения зависит от смачивания волокон материалом матрицы, что обусловливается определенной степенью физического и химического сродства компонентов. Процесс смачивания сопровождается чаще всего
частичным растворением волокон в материале матрицы или их химическим взаимодействием. Следовательно, смачивание почти всегда
приводит к поверхностному разрушению волокна.
Смачивание зависит от физического сродства компонентов, соотношения сил поверхностного натяжения на их границе. Оно может быть
улучшено средствами, влияющими на первоначальное равновесие между силами поверхностного натяжения. Наиболее эффективные способы улучшения смачивания – нанесение на армирующие волокна специальных покрытий и введение в материал матрицы специальных легирующих добавок. Улучшить смачивание при пропитке волокон
металлическими расплавами можно, применив ультразвуковую обработку жидкой фазы. В отдельных случаях положительного эффекта
достигают повышением температуры расплава и увеличением времени нахождения композиции в жидком состоянии.
Таким образом, создавая новые КМ жидкофазными способами,
принимают во внимание, что материал матрицы должен полностью
смачивать армирующие волокна. При этом матрице отводится роль защитного покрытия, предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления.
Обратите внимание на влияние свойств границы раздела на прочностные свойства КМ.
Эвтектическими КМ называют сплавы эвтектического или близкого к нему состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образованные
в процессе направленной кристаллизации. Поскольку структура создается в эвтектических КМ естественным путем, а не в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, эвтектические КМ
называют естественными. Такие материалы характеризуются высокой
прочностью (что обусловлено прочностью и совершенством структуры армирующей фазы) и термически стабильной структурой – вплоть
до температур, близких к температуре плавления эвтектики.
Для эвтектических КМ не существует проблемы химической несовместимости между матрицей и упрочняющей фазой вследствие равновесных условий кристаллизации, равенства химических потенциалов компонентов и минимальной поверхностной энергии армирующей
фазы. Из эвтектических КМ можно изготовлять изделия за одну операцию при отсутствии трудоемких процессов получения волокон и их
введения в матрицу.
Недостатками эвтектических КМ являются ограниченность в варьировании объемного содержания армирующей фазы, которое диктуется диаграммой состояния системы; повышенные требования к чистоте исходных шихтовых материалов и точности соблюдения режима
направленной кристаллизации; небольшие скорости направленного
роста в ряде эвтектических КМ, снижающие производительность процесса получения изделий и приводящие к нежелательному взаимодействию между изделием и литейной формой.
По комплексу физико-механических свойств эвтектические КМ
условно делятся на материалы конструкционного назначения (на основе легких сплавов; жаропрочные; на основе тугоплавких металлов)
и материалы с особыми физическими свойствами: полупроводниковыми, ферромагнитными и др. Эвтектические КМ с особыми физическими свойствами состоят из фаз с резко отличающимся электронным
строением.
В пластинчатых эвтектиках сопряжение между фазами обычно
происходит по кристаллографическим плоскостям с максимальной
плотностью упаковки атомов. В волокнистых эвтектиках плоскостей
преимущественного сопряжения фаз нет, поскольку армирующая фаза
имеет неограниченную форму.
В большинстве эвтектических систем при сопряжении кристаллизующихся фаз решетки не совпадают. Тем не менее эвтектические
КМ относятся к классу термодинамических равновесных систем,
так как обе фазы кристаллизуются в условиях термодинамического равновесия.
Эвтектические КМ на основе алюминия обладают низким электрическим сопротивлением и используются для изготовления электрических проводов, если требуется оптимальное сочетание прочности
и электропроводности. Эвтектические КМ на основе никеля и кобальта служат для изготовления литых рабочих и сопловых лопаток газо-
48
49
2.2.4.3. Изготовление полуфабрикатов и изделий
из эвтектических композиционных материалов
турбинных двигателей. Их применение позволяет примерно на 85 °С
повысить рабочую температуру на лопатках при сохранении существующих напряжений или на 50 % увеличить напряжение без изменения
существующих температур.
Эвтектические КМ на основе тантала и ниобия применяются для
изготовления деталей конструкций самолетов и ракет (лопаток двигателей, кромок крыльев и др.). Эвтектические КМ на основе полупроводниковой матрицы – антимонида индия InSb, армированной волокнами проводников (Sb, NiSb, FeSb, MnSb, CrSb), распространены в электронике. Эвтектические КМ на основе ферромагнитных материалов
применяют для роторов энергетических установок космических летательных аппаратов, работающих в условиях высоких температур
и механических напряжений.
Из методов направленной кристаллизации для получения эвтектических КМ применяют такие, которые создают плоскую поверхность
между
жидкостью
и кристаллизующимся телом, т. е.
плоский фронт кристаллизации.
Наиболее часто используются метод перемещения расплава в зоне
с постоянным температурным градиентом (метод Бриджмена) и метод зонной плавки.
При использовании метода
Бриджмена (рис. 2.5) эвтектический расплав 7, помещенный в тигель 3, сначала нагревают до температуры плавления с помощью
Рис. 2.5. Схема получения эвтектинеподвижного индуктора 2, а затем
ческого КМ методом Бриджмена:
1 – подвижная опора; 2 – неподвиж- вытягивают с постоянной скоросный индуктор; 3 – тигель; 4 – кварце- тью из зоны нагрева. Расплав повый корпус; 5 – инертный газ; 6 – ке- этапно затвердевает. При этом
рамический кожух; 7 – расплав; форма фронта кристаллизации 8
8 – фронт кристаллизации; 9 – сли- зависит от скорости вытягивания
ток; 10 – основание; 11 – охлаждае- и условий теплообмена, регулирумый блок; 12 – вода
емых подбором материала крис-
таллизатора, системой экранов, а также охлаждением водой 12 нижней части тигля через охлаждаемый блок 11 и основание 10. Скорость
охлаждения тигля с расплавом обычно невысокая и изменяется от 5 до
1000 мм/ч, температурный градиент в таких установках, как правило,
мал и составляет 50...70 град/см, однако усовершенствованием конструкции установки, в частности системы теплоотвода за счет применения водяного охлаждения с разбрызгиванием, его удается повысить до
350 град/см.
Существенным недостатком этой схемы является трудность поддержания постоянного температурного градиента в процессе всего
цикла кристаллизации, что связано с повышением теплового сопротивления по вертикали вследствие роста закристаллизованной части
слитка и увеличением влияния охлаждения излучением с боковых стенок тигля.
Более совершенная схема направленной кристаллизации эвтектического КМ основана на погружении
формы в расплав легкоплавкого металла (рис. 2.6). В отличие от схемы,
приведенной на рис. 2.5, здесь можно создать стационарные условия направленной кристаллизации с плоским фронтом. Форма с эвтектическим
сплавом 7 нагревается излучением со
стенок нагревателя 3, который отделен от расплавленного металлаохладителя, например олова, экраном 4.
Охлаждение происходит за счет
отвода теплоты от донной и боковых Рис. 2.6. Схема получения эвтекстенок формы. Вытесняемое формой тического КМ методом охлаждения в расплавленном металле:
олово переливается в подогреваемый
1
–
шток; 2 – камера; 3 – нагреварезервуар, а его уровень в процессе
тель;
4 – экран; 5 – резервуар;
кристаллизации остается постоян6 – расплавленное олово; 7 – эвтекным. Преимущества этой схемы сотический сплав
стоят в более эффективном способе
охлаждения за счет теплопроводности и в постоянстве температурного градиента, поскольку расстояние между расплавом охладителя
и фронтом кристаллизации не изменяется.
50
51
Для образования направленной эвтектической структуры режим
кристаллизации эвтектического КМ должен быть таким, чтобы направленная структура не содержала первичных фаз в форме дендритов или
ячеек. Как правило, образованию таких дефектов способствует наличие в исходных шихтовых материалах примесей, которые, переходя
в эвтектику, искажают плоский фронт кристаллизации и нарушают стационарный рост фазы-упрочнителя.
Для получения эвтектических КМ с ориентированной структурой
требуются высокие температурные градиенты и низкие скорости кристаллизации. Дополнительное условие для подавления дендритного
роста первичной фазы – отсутствие конвекции в кристаллизующейся
жидкости, поэтому сечение отливки эвтектического КМ обычно не
превышает нескольких миллиметров.
Большинство эвтектических КМ относится к нормальным эвтектикам, которые формируются одновременным ростом в жидкости обеих эвтектических фаз с общим фронтом кристаллизации. При направленной кристаллизации эвтектик реализуется структура с наименьшей
площадью раздела фаз или наименьшим значением удельной энергии
данной поверхности. Поэтому форма выделяющейся фазы – волокнистая или пластинчатая – зависит от ее объемной доли в эвтектическом
КМ. Как правило, при объемной доле армирующей фазы меньше 32 %
образуется КМ волокнистой структуры, а при ее большей концентрации – пластинчатой.
При разработке технологических процессов получения изделий
из КМ решают в комплексе ряд задач: выбор армирующих и матричных материалов; анализ их химического взаимодействия, смачивания;
установление рациональной ориентации армирующих волокон; способ объединения волокон и матрицы в единый КМ и непосредственно
в изделие; выбор оптимальных технологических режимов производства изделия.
Технологическому процессу получения КМ предшествуют вспомогательные операции: очистка, мойка и сушка волокон, объединение
их в жгуты или каркасы, получение элементарных соединений матрица–волокно, сборка чередующихся слоев и др.
В производственных условиях из разориентированных кристаллов, коротких волокон и проволок изготовляют полуфабрикаты: войлок, маты и т. д. Используют различные способы войлокования: жидкостные, воздушные, вакуумные и гравитационные. Для производства
КМ, армированных элементами большой протяженности, короткие
волокна перерабатывают в пряжу с помощью кручения. Пряжа может
быть однородная (из одного вида волокна) или смешанная (из смеси
различных волокон). Пряжу можно использовать для непосредственного армирования КМ или применять их ткацкую переработку в сетки
и ткани. Направление и порядок расположения армирующих элементов определяют их структуру и свойства.
На предприятиях обычно организуют выпуск полуфабрикатов
в виде листов, труб, профилей и др. При этом используют так называемые препреги, представляющие собой однослойные ленты с одним
рядом армирущих волокон или тканей, пропитанных или покрытых
материалом матрицы.
Технологические способы получения препрегов, полуфабрикатов
и изделий из МКМ подразделяют на следующие основные группы:
жидкофазные, твердожидкофазные и твердофазные.
Жидкофазные способы включают в себя протяжку волокон, жгутов и тканей через расплав материала матрицы для пластифицирования волокна и получения соответствующих препрегов; пропитку пакетов препрегов материалом матрицы на стадии получения полуфабрикатов или изделий из КМ; плазменные и другие виды газотермического
распыления металлов для получения ленточных препрегов, подвергаемых последующему компактированию обработкой давлением.
Наиболее освоенным промышленностью способом изготовления
КМ является пропитка. Этот способ характеризуется высокой производительностью, незначительностью силового воздействия на компоненты, возможностью организации непрерывных механизированного
и автоматизированного технологических процессов. В зависимости
от смачивания системы армирующий каркас – расплав материала матрицы применяют самопроизвольную пропитку или пропитку под давлением.
Самопроизвольную пропитку осуществляют путем заливки расплавленного материала в форму с уложенным в ней каркасом из армирующих волокон. Однако более производительна протяжка армирую-
52
53
2.2.4.4. Способы производства полуфабрикатов
и готовых изделий из композиционных материалов
щих элементов через расплав материала матрицы. Преимущества этого способа заключаются в его непрерывности, малом времени контакта волокон с расплавом, сравнительно небольших трудозатратах и капиталовложениях.
а)
б)
Предпочтительна вертикальная схема пропитки,
при которой волокна, ленты,
препреги проходят через ванну с расплавом и на выходе
через фильеру приобретают
форму сечения полуфабриката (рис. 2.7). Поэтапное су2
Рис. 2.7. Схема процесса непрерывной про- жение сечения фильеры на
питки жидким металлом (а) и получаемые выходе позволяет получать
профили полуфабрикатов (б):
полуфабрикаты с высоким
1 – композитный пучок; 2 – раздельные во- объемным содержанием арлокна; 3 – расплавленный металл; 4 – огра- мирующих волокон.
ничители
Принудительную пропитку используют при недостаточном смачивании в системе матрица–
волокно или в целях ускорения процесса пропитки для компонентов
с удовлетворительным или хорошим смачиванием. Разновидностью
принудительной пропитки является вакуумная пропитка КМ (рис. 2.8).
Заполнение пор расплавленным металлом осуществляется благодаря
разности между атмосферным
давлением и давлением, созданным в порах при вакуумировании.
Вертикальное расположение тигля ускоряет процесс посредством
дополнительного давления массы
расплава.
Разновидностью пропитки под
давлением является создание избыРис. 2.8. Схема вакуумной пропитки:
точного давления на зеркало рас1 – подвод к вакуумному насосу;
плавленного металла сжатым газом.
2 – пористая пробка; 3 – печь сопроЭффективность процесса
тивления; 4 – волокна; 5 – форма;
6 – тигель с расплавом материала пропитки значительно повышается
при наложении на инструмент
матрицы
ультразвуковых колебаний.
54
Твердожидкофазные способы применяют для производства полуфабрикатов и изделий из КМ горячим прессованием, волочением
и прокаткой пакетов, препрегов. Матричный материал на ленты, препреги и ткани должен быть нанесен в таком количестве, чтобы его было
достаточно в жидкой фазе для равномерной пропитки расплавом волоконного каркаса. Прессование осуществляется в температурном интервале кристаллизации материала матрицы, что способствует снижению
давления прессования и уменьшает вероятность разрушения волокон.
Твердофазные способы применяют, если есть возможность деформировать КМ. При этом совместное пластическое деформирование
матрицы и волокон не должно приводить к разрушению армирующих
элементов. Если в качестве последних выбраны волокна или проволоки со значительным запасом пластичности, то можно уплотнять МКМ
ковкой, прокаткой, прессованием и другими способами обработки давлением.
Для объединения нитевидных кристаллов с матрицей применяют
осаждение, жидко- и твердофазные способы. Процессы осаждения состоят в химическом и электролитическом осаждении молекул матрицы на поверхности нитевидных кристаллов из пара или раствора.
Из жидкостных процессов наиболее широко применяется пропитка,
поскольку проникновение (инфильтрация) жидкой матрицы в пучки
выравненных нитевидных кристаллов или в неориентированные маты
не приводит к значительным разрывам армирующих волокон. Применяют также механическое объединение (смешивание) матрицы в виде
порошка или фольги с нитевидными кристаллами.
Из приведенных способов производства изделий из КМ наиболее
освоены в промышленности пропитка, непрерывное литье, прокатка.
Вопросы для самопроверки
1. В чем преимущество эвтектических КМ и что ограничивает
область их применения?
2. В чем заключается необходимость использовать столь широкое разнообразие армирующих элементов для металлических КМ?
3. Допустимы ли значительные химические реакции между армирующими элементами и матрицами металлических КМ?
4. В чем различие между армирующими волокнами из стекла
и из высокосиликатов?
55
5. Каково назначение барьерных и технологических покрытий
армирующих волокон?
6. Из описанных выше материалов матриц какие целесообразно
использовать при производстве различных конкретных машиностроительных деталей (примеры деталей приведите сами)?
Порошковые материалы, в отличие от литых, формируются в твердофазном состоянии или (в отдельных случаях) при наличии ограниченного объема жидкой фазы. Это обусловливает ярко выраженную
зависимость их структуры и свойств от параметров практически всех
операций выбранного метода получения. Поэтому если теория формирования литых металлов и сплавов ограничивается рассмотрением процессов их кристаллизации из жидкого состояния, то теория формирования порошковых материалов описывает много явлений, вносящих вклад
в структурообразование на всех этапах получения этих материалов.
Технологический процесс производства порошковых изделий
включает в себя следующие основные операции: получение порошков; приготовление шихты (смеси разнородных материалов); формование порошковых заготовок; спекание заготовок, в результате которого они приобретают свойства, необходимые либо для готовых деталей
(как правило, пористых), либо для заготовок, подвергаемых в дальнейшем окончательной обработке (уплотняющему обжатию, термообработке, калибровке и др.).
В случае изготовления деталей методами горячей объемной штамповки пористых заготовок в технологический процесс входят эти же
операции и дополнительно горячая деформация. Структура и свойства
материалов определяются многими факторами: характеристиками используемых порошков, параметрами процессов их уплотнения, диффузии, завершающих процессов обработки и др.
Принципиальной особенностью методов порошковой металлургии является отсутствие межчастичных связей у порошков в насыпном
состоянии, что обусловливает их текучесть и возможность введения
многих веществ между частицами порошка основного материала. Благодаря текучести порошки хорошо заполняют объемы сложных конструкций и в технологическом плане занимают промежуточное положе-
ние между жидким и твердым состояниями. В итоге это позволяет получать разнообразные сложные по форме изделия практически без обработки резанием.
Текучесть порошка зависит от плотности, гранулометрического
состава, формы и состояния частиц. Она уменьшается при увеличении
их удельной поверхности и шероховатости. Порошки с угловой и дендритной формами частиц из-за наличия механических сил сцепления
между ними имеют плохую текучесть. Получение материалов со сверхмелким зерном возможно только при использовании ультрадисперсных
порошков. При получении порошков методом распыления расплавов
ограниченность размеров частиц и предотвращение ликвации компонентов сплава в объеме частиц обеспечиваются высокой скоростью охлаждения. При сверхвысоких скоростях охлаждения (105...1012 град/с)
получают материал в аморфном состоянии, что открывает новые области его применения.
Форма частиц зависит от метода получения порошка (при распылении она сферическая; при физико-химическом способе, например
электролизе, дендритная, при вихревом измельчении чешуйчатая, при
измельчении в шаровых мельницах осколочная). Форма частиц определяет указанные ниже технологические свойства порошка.
Насыпная плотность – масса единицы объема свободно насыпанного порошка. Она определяет параметры объемного дозирования
и самого процесса формования заготовок, а также величину их усадки
при спекании. Чем дисперснее порошки, тем меньше их насыпная плотность, хуже текучесть при формовании. Из-за большой удельной поверхности порошки склонны к окислению, поглощению влаги и различных газов, что требует защиты их от окисления при хранении
и изготовлении из них металлов и изделий.
Текучесть – способность порошка заполнять форму. Оценкой текучести является количество порошка, вытекающего в 1 с через отверстие диаметром 1,5...4 мм. Большое значение имеет текучесть порошка при автоматическом формовании заготовок, поскольку производительность процесса зависит от скорости заполнения формы. Низкая текучесть
приводит к получению неоднородных по плотности деталей.
Формуемость – способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки – улучшается с усложнением формы частиц порошка, увеличением их удельной поверхности.
56
57
2.2.4.5. Изготовление деталей из композиционных
порошковых материалов
Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки формованных заготовок.
Чем дисперснее порошки, тем активнее процессы спекания и прочнее готовые изделия. Увеличение размеров частиц порошка способствует формированию грубой кристаллической структуры с большими порами неправильной формы, а следовательно, получению материалов
с низкими механическими свойствами. Гранулометрический состав оказывает определяющее влияние на все свойства высокопористых материалов, а при пористости <10 % сказывается в основном на ударной
вязкости.
Удельная поверхность зависит от размера и формы частиц и определяет их поведение при спекании, формовании и других видах обработки. Изменяется она от 10 до 1000, а иногда даже до 20 000 м2/кг
(карбонильный никель). Из-за большой удельной поверхности порошки склонны к окислению, поглощению влаги и различных газов, что
требует защиты их от окисления при хранении и изготовлении из них
материалов и изделий.
Насыпная плотность порошка определяет параметры объемного
дозирования и самого процесса формования заготовок, а также величину их усадки при спекании. Она зависит от плотности материала
порошка, а также формы и размеров отдельных частиц: чем крупнее
и правильнее частицы порошка, тем она больше. На практике используют смесь порошков различных фракций, что позволяет получать шихты с оптимальной насыпной плотностью.
Наибольшее влияние на уплотняемость оказывают свойства материала порошка: чем он пластичнее, тем лучше его уплотняемость.
Все факторы, снижающие пластичность компактных материалов (примеси, легирующие добавки, дефекты кристаллического строения), отрицательно сказываются на уплотняемости порошков.
Качественным показателем порошков является формуемость, которая улучшается с усложнением формы частиц порошков, увеличением их удельной поверхности. Однако это не всегда справедливо для
порошков сферической формы.
2.2.4.6. Формообразование заготовок
на физические процессы, протекающие при формовании в зависимости от усилия и времени его приложения. Изучите схемы изостатического формования, схемы формования на специализированных прессахавтоматах.
2.2.4.7. Спекание заготовок
Физико-химические процессы, протекающие при спекании. Процессы спекания многокомпонентных систем. Обратите внимание на то,
что при спекании одновременно с диффузионными процессами протекает процесс выравнивания концентрации разных компонент, который
существенно усложняет получение заготовок спеканием. Гомогенизация ускоряется, если температура спекания выше температуры плавления одного из компонентов.
2.2.4.8. Термическая обработка заготовок
после спекания
Особенности упрочняющей термообработки заготовок из порошков углеродистых и легированных сталей. Химико-термическая обработка заготовок из порошков.
2.2.5. Технология изготовления заготовок
и деталей из неметаллических материалов
2.2.5.1. Общая характеристика производства
Классификация и характеристика методов получения заготовок
и деталей из неметаллических материалов. Технико-экономическая характеристика методов, область применения. Требования технологичности к конструктивному оформлению деталей, изготавливаемых
из неметаллических материалов.
2.2.5.2. Технология изготовления изделий из пластмасс
Обратите внимание на применение различных схем холодного
формования при изготовлении простых и сложных изделий, а также
Классификация способов производства изделий из полимерных
материалов, их характеристики. Горячее прессование (обычное
и литьевое). Области применения.
58
59
Сущность процесса и технология способов литья пластмасс (литье под давлением, центробежное и обычное литье). Области применения; инструмент и оборудование.
2.2.5.3. Технология изготовления изделий из резины
Классификация резинотехнических изделий, способы изготовления изделий из резины и области их применения. Технология изготовления изделий из резины. Инструмент и оборудование процессов производства изделий из резины. Обратите внимание на то, что технологические процессы переработки композиций с резиновой матрицей
в детали подобны тем, которые присущи деталям из полимерных композиционных материалов.
2.3. Методические указания к выполнению контрольных работ
Рис. 2.9. Втулка стальная
2.3.1. Производство заготовок способом литья
Основой для разработки технологического процесса изготовления отливки является чертеж детали (в вариантах контрольного
задания даны эскизы деталей). На чертеже детали в соответствии
с ГОСТ 3.1125–88 наносят технологические указания, необходимые для
изготовления модельного комплекта, формы и стержня, и получают
чертеж отливки с модельно-литейными указаниями. На рис. 2.9 и 2.10
в качестве примера приведены чертежи стальной и чугунной деталей.
Обратите внимание на поверхности деталей, подвергающихся механической обработке. Условно они обозначены знаком \/ . Остальные поверхности механической обработке не подлежат.
Рассмотрим последовательность разработки литейного чертежа
на двух примерах (см. рис. 2.9 и 2.10).
Выбор положения отливки при заливке металла
и выбор плоскости разъема
Разработку технологии литейной формы для получения отливки
начинают с выбора плоскости разъема модели, формы и положения
отливки в форме.
60
Рис. 2.10. Фланец чугунный
Плоскость разъема модели и формы выбирают с учетом конфигурации детали, особенно таких элементов, которые могут препятствовать свободному извлечению модели из полуформы. Количество разъемов должно быть минимальным, поверхности разъемов – по возможности плоскими. Положение плоскости разъема модели и формы
указывают на чертеже, рядом с проекцией детали проводят сплошную
толстую линию с буквенным обозначением МФ (разъем модели формы), рис. 2.11 и 2.12.
61
Выбор положения отливки в форме должен обеспечивать удобство изготовления и сборки формы. При этом необходимо учитывать,
что в верхней части отливки возникают более крупные дефекты, а нижние и боковые поверхности получаются более качественными. Положение отливки в форме показывают стрелками и обозначают буквами
В (верх) и Н (низ).
Припуск на механическую обработку назначают на те поверхности, где стоит знак обработки. Величина припуска зависит от материала
отливки, габаритного размера, положения поверхности в форме и способа изготовления отливок. Величину припуска назначают по табл. 2.1.
Припуски на механическую обработку отливок, мм
Рис. 2.11. Литейный чертеж стальной втулки (вместе со стержнем)
Габаритный
размер, мм
До 100
120…200
200…500
500…800
Таблица 2.1
Величина припуска для отливок из
Положение при
заливке
Верх
Низ, бок
Верх
Низ, бок
Верх
Низ, бок
Верх
Низ, бок
чугуна
стали
2,5
2
3
2,5
4
3,5
5,5
4,5
3,5
3
5
3,5
6
4
7
5
цветных
сплавов
3
2
4
3
5
4
6
5
Рис. 2.12. Литейный чертеж чугунного фланца (вместе со стержнем)
Припуск на механическую обработку на чертеже обозначают красным карандашом или крестообразной штриховкой (рис. 2.13).
Мелкие отверстия в отливке
(∅ ≤ 20 мм), небольшие выемки
и пазы при литье можно не предусматривать, поэтому они на чертеже обозначаются крестообразной штриховкой
и при изготовлении модели не учитыβ
ваются.
Рис.
2.13.
Схема
определения
В соответствии с табл. 2.1 велиформовочных
уклонов
чины припусков составят:
а) для втулки стальной (см. рис. 2.9) – 3,5 мм на боковых поверхностях и 5 мм на верхних (см. рис. 2.11);
62
63
б) для фланца чугунного (см. рис. 2.10) – 2 мм на боковых поверхностях и 2,5 мм на верхних (см. рис. 2.12).
Формовочные уклоны выполняют на вертикальных стенках моделей, некоторых стержневых ящиков, а также на углублениях и выступах элементов модельного комплекта для удобства извлечения моделей (стержней) из формы (стержневого ящика) без нарушения их целостности.
Формовочные уклоны выполняют сверх припуска на механическую обработку за счет увеличения размеров отливки (рис. 2.11 и 2.12).
Углы наклона β указывают в градусах и закрашивают на чертежах черным цветом (см. рис. 2.13).
Величина литейных уклонов зависит от способа изготовления отливки, материала модели и высоты боковой поверхности (см. табл. 2.2).
При изготовлении модельных комплектов размеры их увеличиваются на величину линейной усадки (табл. 2.3).
Галтели (скругления внутренних углов) назначают для получения
плавного перехода в сопрягаемых стенках. Они предупреждают осыпание формовочной смеси при извлечении модели и способствуют предотвращению дополнительных напряжений в отливке.
Величина литейных уклонов β
Высота h боковой
поверхности, мм
До 20
21…50
51…100
100…200
201…300
301…800
Деревянная
модель
3°
1° 30′
1°
0° 45′
0° 30′
0° 30′
Угол наклона β
Металлическая,
пластмассовая модель
1° 30′
1°
0° 45′
0° 30′
0° 30′
0° 20′
Линейная усадка
Сплав
Чугун серый
Сталь углеродистая
Медные сплавы
Алюминиевые и магниевые
сплавы
Таблица 2.2
Таблица 2.3
Линейная усадка, %
0,5…1,0
1,5…2,2
1,0…1,8
0,75…1,2
64
Радиус галтели R рассчитывают по формуле
a +b 1 1
R=
 ⋅  ... ,
 2   2 6
(2.4)
где a и b – толщина сопрягаемых стенок отливки; значение 1/3 принимают при (a + b) < 50 мм , 1/5 – при (a + b) > 50 мм .
Определение внешнего контура и размеров стержня
Внутренние полости в отливках получают с помощью cтержней (см. рис. 2.11
и 2.12). В зависимости от положения
в литейной форме стержни бывают горизонтальные (см. рис. 2.11 и 2.14) и вертикальные (см. рис. 2.12 и 2.14). У стержней
имеется знаковая часть, которая служит
для установки и точной фиксации стержня в полости литейной формы. В литейной форме имеются специальные углубления, образуемые стержневыми знаками
модели (см. рис. 2.14).
Конфигурацию знаковых частей
и их размеры определяют в соответствии
с ГОСТ 3606–80. Знаки горизонтальных
стержней выполняют цилиндрическими
(см. рис. 2.14, табл. 2.4), вертикальных –
Рис. 2.14. Знаковые части
коническими (см. рис. 2.14, табл. 2.5).
стержней и их размеры
Высоту верхних стержневых знаков
hв вертикальных стержней выбирают в зависимости от высоты нижних
знаков hн в соответствии с рядом:
hн ... мм 20 25 30 35 40 50 60 70 80 90 100 110 120
hв ... мм 15 15 20 20 25 30 35 40 50 55 60 65 70
65
Таблица 2.4
Длина горизонтальных знаков, мм
Размер
стержня Д, мм
< 25
25…50
50…100
100…200
200…300
Длина знака l (не более) при длине стержня L
<50 50…150 150…300 300…500
15
25
40
–
20
30
45
60
25
35
50
70
30
40
55
80
–
50
60
90
500…700
–
–
90
100
110
Таблица 2.5
Высота нижних вертикальных знаков, мм
Размер стержня Д,
мм
< 50
<25
25…50
50…100
100…200
200…300
20
20
25
30
35
>700
–
–
110
120
130
Высота знака hн (не более) при длине стержня L
50…150 150…300 300…500
–
70
70
60
50
–
60
50
40
40
25
40
35
30
35
500…700
750
–
–
100
90
80
–
–
120
110
100
Для облегчения сборки формы и повышения ее точности стержневые знаки делают с уклоном (см. рис. 2.14, табл. 2.6).
Таблица 2.6
Уклоны стержневых знаков
Высота знака
hн или hв
мм
Выбор конструкций и размеров модели
По чертежам отливок (см. рис. 2.11 и 2.12) изготовляют модели.
Размеры моделей должны быть больше размеров отливок на величину
линейной усадки сплава, из которого изготовляют отливки (см. табл. 2.3).
В соответствии с конфигурацией отливки и ее положением в форме (см. рис. 2.11 и 2.12) принимаем для наших примеров следующие
конструкции моделей:
а) для втулки стальной – разъемную (вдоль оси) из двух частей;
б) для фланца чугунного – неразъемную.
Модели для формовки чугунных отливок окрашивают в красный
цвет, стальных – в синий, цветных сплавов – в желтый, а знаки всех
моделей – в черный цвет.
Эскизы моделей для наших примеров приведены на рис. 2.15 и 2.16.
По разработанным чертежам отливок (см. рис. 2.11 и 2.12) вычерчивают эскизы вертикальных разрезов форм (рис. 2.17 и 2.18). При этом
следует руководствоваться следующими рекомендуемыми: расстояниями между моделями и элементами формы:
а) от верха модели до верха опоки – 50 мм;
б) от низа модели до стенок опоки – 50 мм;
в) от модели до стенок опоки – 40 мм;
г) от кромки стояка до стенки опоки – 40 мм;
д) от кромки шлакоуловителя до кромки модели – 30 мм.
Знаки
вертикальные
горизонтальные
α
β
α
β
15°
10°
8°
6°
10°
7°
6°
5°
3°
1° 30′
1°
0° 45′
?20
21…50
51…100
101…200
Знаковые части стержня показывают на чертеже выступающей за
контуры отливки сплошной тонкой линией. Сам стержень вместе со
знаковыми частями показывают каймой штриховки по всему контуру
(см. рис. 2.11, 2.12 и 2.14).
66
Рис. 2.15. Эскиз деревянной модели втулки
67
Рис. 2.16. Эскиз деревянной модели
чугунного фланца
Рис. 2.18. Эскиз разреза песчаной формы для отливки
чугунного фланца:
1, 2 – нижняя и верняя опоки; 3 – выпор; 4 – питатель;
5 – шлакоуловитель; 6 – стояк; 7 – литниковая чаша;
8 – полость формы; 9 – наколы; 10 – стержень
б)
а)
Рис. 2.17. Эскиз разреза песчаной формы для отливки
стальной втулки:
1, 2 – нижняя и верхняя опоки; 3 – выпор; 4 – литниковая чаша;
5 – стояк; 6 – полость формы; 7 – наколы; 8 – шлакоуловитель;
9 – питатель; 10 – стержень
При машинном способе изготовления формы обычно применяют
металлические модельные плиты (рис. 2.19), на которых монтируют
модели и элементы литниковой системы (питатели, шлакоуловители,
стояк и выпор).
Рис. 2.19. Верхняя (а) и нижняя (б) металлические модельные
плиты при машинной формовке:
1 – модель; 2 – питатели; 3 – шлакоуловитель; 4 – стояк; 5 – выпоры
68
69
2.3.2. Производство заготовок пластическим
деформированием
В вопросах контрольных заданий сформулированы задачи, в которых предлагается разработать процесс изготовления поковки ковкой,
горячей объемной штамповкой или детали холодной листовой штамповкой. Ответы на эти вопросы следует начинать с указания заголовка
вопроса и изображения эскиза заданной детали.
2.3.2.1. Общая характеристика обработки металлов
давлением
Процессы обработки давлением очень разнообразны и их обычно подразделяют на шесть основных видов: прокатку, прессование,
волочение, ковку, объемную и листовую штамповки. Изучая эти виды
обработки, особое внимание нужно уделять их технологическим возможностям и областям применения в машиностроении. Применение
процессов обработки давлением позволяет получать изделия требуемой формы и характеризуется высокой производительностью, малыми отходами, возможностью повышать механические свойства металла в результате пластического деформирования.
2.3.2.2. Физико-механические основы обработки металлов давлением
Обработка давлением основана на способности металлов в определенных условиях пластически деформироваться (изменять форму)
под воздействием внешних сил. Пластическая деформация металла
приводит к изменению его физико-механических свойств – наклепу
(повышению твердости, прочности, снижению пластичности, изменению формы зерен). Если эти изменения сохранятся после деформации,
то деформацию называют холодной.
При нагреве наклепанного металла до определенной температуры происходит перестройка структуры – замена деформированных зерен равноосными. Это явление называется рекристаллизацией, а деформация при температуре выше температуры рекристаллизации называется горячей.
Основными технологическими свойствами деформируемого металла является пластичность и сопротивление деформированию. Эти
70
свойства зависят от природы металла, химического состава, скорости
деформирования, вида обработки и особенно от температуры деформирования.
Нагрев металла перед пластическим деформированием производится с целью повышения пластичности и уменьшения сопротивления
деформированию. Температурный интервал деформирования для каждого металла определенный (например, для стали 10 от 1260 до 800 °С).
Нарушение температурного режима деформирования приводит к браку (например, к перегреву или пережогу).
При нагреве необходимо стремиться обеспечить равномерную
температуру по сечению заготовки и минимальное окисление ее поверхности.
При медленном нагреве увеличивается равномерность прогрева,
но снижается производительность и увеличивается окисление, при
слишком быстром нагреве в заготовке могут появиться трещины. Склонность к образованию трещин тем больше, чем больше размеры заготовки и меньше теплопроводность металла.
2.3.2.3. Прокатка
Прокатка – один из самых распространенных видов обработки
металлов давлением. При прокатке металл деформируется в горячем
или холодном состоянии вращающимися валками. Различают три схемы прокатки: продольную, поперечную и поперечно-винтовую.
Инструмент прокатки – гладкие или калиброванные валки, оборудование – прокатные станы.
Исходной заготовкой при прокатке являются слитки.
Продукцию прокатки (прокат) подразделяют на четыре основные
группы: листовой прокат, сортовой прокат (профили простой и фасонной формы), трубы, специальные виды проката (колеса, шары и др.).
Прокат используют для создания сварных металлических конструкций, заготовок в кузнечно-штамповочном производстве, изготовления деталей механической обработкой.
2.3.2.4. Волочение
Волочение – процесс деформирования металла путем протягивания через отверстие в матрице. Проводится, как правило, в холодном
71
состоянии. Основная продукция – проволока. Волочением получают
также профили и трубы небольшого сечения. Деформация обычно проводится в несколько проходов, между которыми проводится промежуточный отжиг для снятия упрочнения металла. Продукция отличается
высокой точностью и малой шероховатостью.
2.3.2.5. Прессование
Прессование – процесс обработки давлением путем выдавливания металла заготовки через отверстие в матрице. Осуществляется
в горячем или холодном состоянии. Исходными заготовками являются слитки или прокат. Получаемая продукция – профили высокой точности.
Молотами называют машины ударного действия, в которых энергия привода перед ударом преобразуется в кинетическую энергию
линейного движения рабочих масс с закрепленным на них инструментом – бойком, а во время удара преобразуется в полезную работу деформирования металла заготовки.
При ударе бойка по заготовке часть энергии расходуется
на ее деформацию, а остальная поглощается нижним бойком или его
основанием (шаботом). Коэффициент полезного действия молота определяется как отношение полезной работы деформации Ад ко всей энер-
Ковка – процесс обработки давлением нагретого металла между
верхним бойком и наковальней (нижним бойком).
Ковка применяется для получения поковок в мелкосерийном
и ремонтном производствах и является единственным способом получения массивных поковок.
Процесс состоит из чередования в определенной последовательности основных операций (осадка, высадка, вытяжка, гибка, прошивка отверстий, раскатка и др.).
Нагретую заготовку укладывают на нижний боек и верхним бойком последовательно деформируют на отдельных участках. При этом
металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента (плоские или фигурные бойки, а также подкладной инструмент).
Заготовка, полученная ковкой, называется поковкой и в дальнейшем подвергается механической обработке.
Исходными заготовками для ковки крупных поковок являются
слитки. Поковки средней и малой массы изготавливают из сортового
проката круглого, квадратного или прямоугольного сечений, разрезанного на заготовки требуемой длины.
Ковку подразделяют на ручную и машинную. Ручной ковкой получают мелкие поковки при ремонтных работах. Такая ковка малопроизводительна и требует тяжелого ручного труда. Более распространена машинная ковка на молотах и прессах.
гии удара А (η = Aд /A).
Чем больше масса шабота, тем выше коэффициент полезного действия молота. Практически масса шабота бывает в 15 раз больше массы падающих частей, что обеспечивает η = 0,8...0,9.
Для приводов молотов используют обычно пар, сжатый воздух
или газ, жидкость под давлением.
Паровоздушные молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом, поступающими от котла или компрессора. Поступая под
поршень рабочего цилиндра, энергоноситель поднимает подвижные
части молота, а затем, поступая в верхнюю часть цилиндра, разгоняет
поршень и связанные с ним части до скоростей 6...7 м/с, нанося удар.
Ковочные паровоздушные молоты строят с массой падающих частей
1000...8000 кг, что позволяет изготавливать поковки средней массы
(20...350 кг) преимущественно из прокатанных заготовок.
Пневматические молоты приводятся в действие сжатым воздухом
и применяются для ковки мелких поковок (до 20 кг). Их изготавливают с массой падающих частей 50…1000 кг.
Применяются также электромеханические рычажные молоты,
в которых энергия вращения электродвигателя преобразуется через систему рычагов в энергию движения бойка. Электромеханические молоты обычно применяются для изготовления мелких и средних поковок массой до 10 кг.
Для изготовления крупных поковок из слитков применяют гидравлические прессы. В отличие от молотов деформация металла в них
осуществляется статическим давлением, т. е. постепенно в течение
нескольких десятков секунд. Усилие в них создается с помощью жидкости (эмульсии или минерального масла). Ковочные гидравлические
прессы создают усилия 5...1000 кН.
72
73
2.3.2.6. Ковка
Основные операции ковки
Процесс получения поковки состоит из чередования в определенной последовательности основных и вспомогательных операций.
К основным операциям ковки относятся осадка, протяжка, прошивка,
отрубка, гибка и скручивание.
Осадка – операция уменьшения высоты заготовки при увеличении площади ее поперечного сечения.
Осадку обычно применяют для получения поковок с большими
поперечными размерами при относительно малой высоте (зубчатые
колеса, маховики, диски) и как предварительную операцию перед прошивкой для изготовления пустотелых поковок (кольца, втулки, барабаны).
Деформация при осадке может быть выражена величиной уковки
F1
,
(2.5)
F2
где F1 – бóльшая площадь поперечного сечения поковки; F2 – меньшая
площадь поперечного сечения исходной заготовки.
Чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его
механические свойства.
Осадкой не рекомендуется деформировать заготовки, у которых
отношение высоты hзаг к диаметру dзаг больше 2,5, так как в этом случае
может произойти продольное искривление заготовки.
Разновидностью осадки является высадка, при которой металл
осаживается только на части длины заготовки. Высадку производят, применяя подкладные кольца либо используя местный нагрев заготовки.
Протяжка – операция увеличения длины заготовки или ее части
за счет уменьшения площади поперечного сечения. Протяжку производят последовательными ударами или нажатиями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с продвижением заготовки
вдоль оси, иногда при необходимости с поворотом заготовки на 90°.
Протягивать заготовку можно плоскими и вырезными бойками.
Вырезные бойки обычно применяют при изготовлении поковок круглого сечения (валы, рычаги, тяги).
Протяжка с оправкой – операция увеличения длины пустотелой
заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок.
y=
74
Разгонка – операция увеличения ширины части заготовки за счет
уменьшения ее толщины.
Раскатка на оправке – операция одновременного увеличения наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок.
Прошивка – операция получения полостей в заготовке за счет
вытеснения металла. Прошивкой можно получить сквозное отверстие
или углубление (глухая прошивка). Инструментом для прошивки являются прошивки сплошные или пустотелые. Последние применяют
обычно для прошивки отверстий большого диаметра (400...600 мм).
При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют подкладные кольца.
Отрубка – операция отделения части заготовки путем внедрения
в заготовку деформирующего инструмента – топора. Отрубка применяется для получения из заготовки большой длины нескольких коротких или для удаления излишков металла на концах поковок.
Гибка – операция придания заготовке изогнутой формы по заданному контуру. Этой операцией получают угольники, скобы, крючки,
кронштейны и т. п. В процессе гибки возможно образование складок
по внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого
явления подбирают соответствующий радиус закругления.
Скручивание – операция, посредством которой часть заготовки поворачивается вокруг продольной оси на требуемый угол. Операция применяется при изготовлении коленчатых валов, спиральных сверл и т. п.
Ковка в подкладных штампах применяется для изготовления заготовок с относительно сложной конфигурацией. Подкладной штамп
может состоять из одной или двух частей, в которых имеется полость
с конфигурацией поковки или ее отдельного участка, в подкладных
штампах можно изготавливать головки гаечных ключей, болтов, дисков со ступицами и другие поковки.
2.3.2.7. Разработка технологии изготовления поковок
Разработка технологического процесса ковки состоит из следующих этапов:
• проектирование поковки;
• расчет размеров и массы исходной заготовки;
• назначение кузнечных переходов;
75
• выбор оборудования;
• определение режимов нагрева и охлаждения;
• назначение термообработки для готовой поковки.
Проектирование поковки. Чертеж поковки разрабатывают по чертежу детали. При разработке чертежа надо учитывать некоторые особенности процесса, например, избегать наклонных поверхностей.
Размеры поковки по сравнению с размерами готовой детали увеличивают
на величину припуска. Для упрощения формы поковки по отдельным поверхностям, получение которых ковкой затруднено или невозможно, предусматривают местное увеличение размера, называемое напуском.
На все размеры поковки назначают допуски. Припуски и допуски
на поковки из углеродистой и легированной сталей, изготавливаемые
ковкой на молотах и прессах, регламентированы ГОСТ.
В табл. 2.7 приведена выдержка из ГОСТ 7829–70 по припускам
и допускам для поковок простой формы цилиндрического, квадратного и прямоугольного сечений.
Для поковок круглого и квадратного сечений с уступами предусмотрены дополнительные припуски (на несоосность) величиной 3...10 мм
при разности размеров диаметров (или сечений прямоугольников)
до 40 мм и свыше 180 мм.
Припуски на общую длину таких поковок берут в 2,5 раза больше, чем указано в табл. 2.7.
Расчет размеров и массы исходной заготовки. Массу исходной
заготовки Gз при ковке из проката определяют по формуле
Gз = Gп + Gо ,
(2.6)
где Gп – масса поковки, кг; Gо – масса отходов на обсечки и угар, кг..
Припуски и допуски поковок
Длина
детали, мм
<250
250...500
500...800
800…1200
Таблица 2.7
Припуски (на две стороны) и допуски деталей при диаметре D
или размере сечения B×Н, мм
<50
50...70
70...90
90...120
5±2
6±2
7±2
8±3
6±2
7±2
8±2
9±3
7±2
8±2
9±2
10 ± 3
8±2
9±3
10 ± 3
11 ± 3
76
Если поковку обрабатывают в дальнейшем резанием, то подсчет
массы металла проводят по номинальным размерам (размер детали
с припуском) без учета допусков.
Если поковка механически не обрабатывается, то подсчет массы
металла поковки проводят с учетом максимальных значений допусков,
т. е. по максимальным размерам поковки.
Массу поковки подсчитывают по формуле
Gп = Vп ⋅ ρ,
(2.7)
где Vп – объем металла поковки, см3; ρ – плотность, равная для стали
ли
7,85 г/см3.
Массу отходов на обсечки и угар металла при нагреве берут
в процентах от массы поковки в зависимости от ее сложности.
Вид поковки
Масса отходов от массы поковки, %
Глухие фланцы……………………. 1,5
Зубчатые колеса…………………… 8...10
Втулки, обечайки…………………... 3...5
Гладкие валы, бруски……………… 5...7
Валы и вилки с уступами, болты…...7...10
Гаечные ключи, шатуны…………... 15...18
Оптимальную площадь поперечного сечения заготовки определяют, исходя из площади поперечного сечения детали, характера обработки и степени укова. Если основной операцией при ковке является
вытяжка, то площадь поперечного сечения заготовки определяют по
формуле
(2.8)
Fз = k ⋅ Fп ,
где Fп – площадь поперечного сечения поковки, см2; k – степень укова,
равная для проката 1,3...1,5, для слитка – 1,5...2,0.
Для операции осадки высота исходной заготовки должна быть
менее трех ее диаметров. Длину исходной заготовки Lз (см) можно определить по формуле
Lз =
Vп + Vо Vз
= ,
Fз
Fз
где Vо – объем отходов, см3; Vз – объем заготовки, см3.
77
(2.9)
Для облегчения расчетов объем сложных деталей (например, состоящих из нескольких цилиндрических частей с различными диаметрами)
разбивают на объемы элементарных фигур, которые затем складывают.
Назначение кузнечных переходов
При разработке технологии ковки необходимо стремиться к наименьшему числу переходов, к минимуму отходов металла и получению детали с высокими механическими свойствами.
Выбор оборудования для ковки проводится по требуемой массе
падающих частей молотов или усилию пресса в зависимости от размеров заготовки и операции ковки (табл. 2.8).
Таблица 2.8
Масса падающих частей молота в зависимости от размеров поковки
Масса падающих
частей молота, кг
Максимальное сечение исходной заготовки – сторона
прямоугольника или диаметр, мм
Осадка
Вытяжка
50
90
70
120
85
140
100
160
115
180
135
200
160
230
225
280
270
330
350
400
Охлаждение поковок после ковки должно быть равномерным
и не очень быстрым во избежание образования трещин.
Поковки конструкционных среднеуглеродистых и низколегированных сталей (стали 25...50, 45Х) обычно охлаждают на воздухе. Поковки размером до 100 мм инструментальных углеродистых сталей
(У7...У12) также охлаждают на воздухе, при больших размерах – медленно, в штабелях или специальных колодцах.
Термическая обработка готовых поковок применяется для устранения в них крупнозернистой структуры, наклепа, внутренних напряжений и подготовки к механической обработке. Для поковок обычно
применяют отжиг (нагрев с последующим медленным охлаждением
в печи) или нормализацию (нагрев с последующим охлаждением на
воздухе).
2.3.2.8. Горячая объемная штамповка
Режим нагрева поковок принципиально не отличается от нагрева
металла для других видов обработки давлением.
Объемная штамповка – вид обработки металлов давлением,
при котором заготовка деформируется в полости специального инструмента – штампа.
В качестве заготовок для объемной штамповки обычно применяют прокат круглого, квадратного или прямоугольного сечений, разрезанный на части требуемой длины. Прокат разрезают на мерные заготовки различными способами: на кривошипных пресс-ножницах, механических пилах или газовой резкой.
Изделия, получаемые штамповкой, так же как и получаемые ковкой, называют поковками.
По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ.
Поковки, полученные штамповкой, по своим размерам и форме
ближе к готовым деталям, чем кованые.
Штамповкой можно получать поковки без напусков, допуски
в 3...4 раза меньше, чем на кованые. Вследствие этого значительно сокращается объем последующей механической обработки.
Штампованные поковки имеют лучшую шероховатость поверхности. Поэтому в ряде случаев их обработка сводится только к шлифованию мест, соприкасающихся с другими деталями.
Штамповкой можно изготавливать поковки более сложной формы, чем ковкой.
78
79
100
200
300
400
500
750
1000
2000
3000
5000
Пользуясь каталогами и справочниками, по требуемой массе падающих частей молота можно определить оптимальную марку молота. Однако в практике ремонтных цехов предприятий, где обычно установлено 1–2 молота, расчет сводится к определению возможности
ковки заданной заготовки на имеющемся оборудовании.
Режим нагрева и охлаждения
Производительность штамповки значительно выше, чем ковки
и составляет десятки и сотни поковок час.
Механические свойства штампованных изделий обычно выше, чем
таких же изделий, изготовленных ковкой. Это объясняется тем, что
в штампе легче создать оптимальное расположение волокон в металле.
При всей перспективности штамповки этот процесс по сравнению с ковкой имеет и некоторые недостатки.
Штамп – дорогостоящий инструмент и пригоден только для изготовления поковок одного типоразмера. В связи с этим штамповка экономически целесообразна лишь при изготовлении достаточно больших
партий одинаковых поковок (массовое или крупносерийное производство).
Для деформирования металла в штампах требуются усилия большие, чем при изготовлении той же поковки ковкой. Поэтому для штамповки необходимо более мощное оборудование (молоты и прессы).
Штамповкой получают обычно поковки небольшой массы (0,5...30 кг).
Крупные поковки изготавливают методом ковки.
Технологическая схема процесса получения штампованных поковок состоит из следующих операций: разрезка прутков на мерные
заготовки, нагрев заготовок, перенос в полость штампа, штамповка,
обрезка заусениц (облоя), термическая обработка, осмотр, ремонт дефектов, приемка.
и горизонтально-ковочных машинах. В ремонтном производстве обычно применяют штамповочные молоты.
По своему устройству они похожи на ковочные, но для более точного совпадения при ударе верхнего штампа о нижний шабот с нижней половиной штампа крепится к станине.
Способы горячей объемной штамповки
Инструмент для штамповки – штампы. Они представляют собой
стальные бойки с вырезами (ручьями), очертания которых соответствуют конфигурации изготавливаемой поковки. Штампы состоят из двух
частей, закрепляемых при помощи «ласточкиного хвоста» в подвижной части молота или пресса (бабе) и штамподержателе. В полость
нижней половины штампа кладут нагретую заготовку и затем верхней
половиной штампа наносят удары, в результате которых металл заполняет полость штампа.
Штампы изготовляют из инструментальных сталей марок: У8,
У10, 3ХВ8, 7XС, 5ХГС и др. Их подвергают закалке с низким или средним отпуском.
Штамповку осуществляют на штамповочных молотах, прессах
Характер течения металла в процессе штамповки определяется
типом штампа. В зависимости от типа штампа штамповку подразделяют на штамповку в открытых и закрытых штампах.
Штамповка в открытых штампах (рис. 2.20, а) характеризуется
переменным зазором между подвижной и неподвижной частями штампа. В этот зазор выжимается лишний металл, образуя заусенец, что
позволяет не предъявлять особо высоких требований к точности заготовок по массе. Заусенец (облой) затем обрезается в специальных штампах или при механической обработке.
Штамповка в закрытых штампах (рис. 2.20, б) характеризуется
тем, что полость штампа в процессе деформации остается закрытой.
Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование заусенца в нем не предусмотрено. При таком способе
штамповки необходимо строго со- а)
б)
блюдать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не заполнятся углы
полости штампа, а при избытке
размер поковки по высоте будет
Рис. 2.20. Открытый штамп (а);
больше требуемого. Следовательзакрытый штамп (б):
но, процесс получения заготовки
1 – нижняя половина штампа;
усложняется, поскольку отрезка
2 – верхняя половина штампа;
заготовок должна производиться
3 – поковка; 4 – зазор
с высокой точностью. Существенным преимуществом штамповки в закрытых штампах является уменьшение расхода металла (нет отхода в заусенец).
В ремонтном производстве шире применяется штамповка в открытых штампах как наиболее простая.
80
81
Оборудование и инструмент
Проектирование штампованной поковки
По чертежу детали составляют чертеж поковки.
При получении поковки в открытом штампе необходимо правильно выбрать поверхность разъема.
а)
б)
Эта плоскость должна быть выбрана так, чтобы поковка свободно
вынималась из штампа. С целью
лучшего заполнения полости
штампа металлом желательно
Рис. 2.21. Выбор плоскости
плоскость разъема выбрать так,
разъема штампа:
чтобы полости штампов имели
а – неправильно; б – правильно
наименьшую глубину (рис. 2.21).
Припуски на механическую обработку поковок назначают главным образом на сопрягаемые поверхности детали. Величина припусков зависит от габаритных размеров и массы поковки и выбирается по
ГОСТ 7505–89. Допуски на штамповку назначают по тому же ГОСТу.
При выполнении задания упрощенно можно припуск на штампованную поковку брать по табл. 2.7 для ковки, а допуск ± (1...2 мм).
Штампованные уклоны служат для облегчения заполнения полости штампа металлом и обеспечения более легкого удаления поковки
из штампа. Штамповочные уклоны назначаются сверх припуска,
но, к сожалению, они увеличивают отход металла при механической
обработке и утяжеляют поковку. При изготовлении поковок из стали
штамповочные уклоны составляют 3...100о.
Радиусы закругления в местах пересечения поверхностей поковки необходимы для лучшего заполнения штампа и предохраняют его
от преждевременного износа и поломок. Наружные радиусы закругления составляют обычно 1...6 мм,
а)
б
внутренние – 4...20 мм.
При штамповке в штампах
с одной плоскостью разъема нельзя
получить в поковке сквозное отверстие. Поэтому делают только
Рис. 2.22. Пример составления
наметку отверстия (с одной или
чертежа штампованной поковки:
с двух сторон) с перемычкой-плана – чертеж детали; б – чертеж
поковки
кой, которая затем удаляется в спе82
циальных штампах или при механической обработке. При диаметрах
отверстий менее 30 мм наметки в поковках не делают.
Для упрощения формы штампа на отдельных участках поковки
могут быть сделаны напуски, которые удаляются при механической
обработке.
Пример составления чертежа штампованной поковки дан на рис. 2.22.
2.3.2.9. Холодная штамповка из листа
Холодная штамповка из листа – способ обработки металла давлением, при котором металлический лист деформируется в штампе.
Листовой штамповкой изготавливают детали для автомобилей,
тракторов, судов, дорожных машин.
Широкое применение листовой штамповки объясняется рядом ее
достоинств:
• высокой производительностью и вследствие этого низкой себестоимостью деталей;
• взаимозаменяемостью деталей ввиду их точности;
• возможностью получения достаточно простых и жестких,
но легких конструкций;
• широкой возможностью механизации и автоматизации процесса.
Основные операции листовой штамповки делятся на разделительные (отрезка, вырубка, пробивка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, формовка, отбортовка и др.).
Отрезка – отделение части заготовки по незамкнутому контуру
на специальных машинах – ножницах или в штампах.
Вырубка и пробивка. Вырубкой формируют наружный контур детали, а пробивкой – внутренний контур (изготовление отверстий). Для
выполнения этих операций, как и в случае прошивки при ковке, применяют металлический пуансон и матрицу. Зазор между пуансоном
и матрицей должен составлять (0,05...0,1)S.
Усилие вырубки и пробивки при параллельных плоских рабочих
торцах пуансона и матрицы подсчитывают по формуле в МН:
P = L ⋅ S ⋅ σв ,
(2.10)
где L – периметр изделия или отверстия, мм; S – толщина листа, мм;
σ в – временное сопротивление разрыву разрезаемого металла, МПа.
83
Гибка – операция, изменяющая кривизну заготовки практически
без изменения ее линейных размеров. В процессе гибки пластическая
деформация сосредоточивается на узком участке, контактирующем
с пуансоном. В этой зоне наружные слои, обращенные к матрице, растягиваются, а внутренние, обращенные к пуансону, – сжимаются.
Деформация растяжения наружного слоя при определенной его величине может вызвать разрушение металла заготовки с образованием
трещин, что ограничивает минимальный радиус r пуансона. В зависимости от пластичности материала заготовки r = (0,1...2)S.
Усилие одноугловой гибки приближенно можно определить
по формуле
P = 0,7 ⋅
B ⋅ S ⋅ σв
,
r+S
(2.11)
где B – ширина заготовки, мм.
При гибке в штампах можно изменять кривизну на нескольких
участках заготовки одновременно.
Вытяжка – операция изготовления полых пространственных изделий из плоской заготовки. Исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость матрицы и давят пуансоном на ее центральную
часть. При этом центральная часть заготовки смещается в отверстие
и матрица тянет за собой периферийную часть заготовки, которая образует стенки готового изделия.
Для уменьшения концентрации напряжений и опасности разрушения заготовки кромки пуансона и матрицы округляют по радиусу,
равному 5...10 толщин заготовки.
Вытяжка может быть без утонения стенки и с утонением.
При вытяжке без утонения стенки зазор между пуансоном и матрицей должен быть больше толщины заготовки (обычно Z = (1,1...1,3) S).
При вытяжке с утонением стенки зазор между пуансоном и матрицей должен быть в 1,5...2 раза меньше толщины заготовки.
Отбортовка – получение бортов (горловин) путем выдавливания
центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием
в матрицу. Допустимое без разрушения максимальное увеличение диаметра отверстия при отбортовке должно удовлетворять условию
dб/d0 = 1,2…1,8 в зависимости от пластичности материала.
84
Обжим – операция, при которой уменьшается диаметр краевой
части полой заготовки в результате введения ее в сужающуюся полость
матрицы.
Формовка – операция, при которой изменяется форма заготовки
в результате выдавливания отдельных ее участков. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра жесткости и т. п.
Разработку процесса холодной листовой штамповки начинают
с выбора необходимых технологических операций и определения главной формообразующей операции,
по которой ведется расчет размеров
заготовки.
Если деталь изготавливают вырубкой, то определяют необходимую ширину полосы (рис. 2.23). При
наличии у детали сложного контура Рис. 2.23. Схема раскроя деталей
вначале следует продумать располопри листовой штамповке (при
жение деталей по полосе, чтобы растолщине листа менее 0,8 мм
ход металла был минимальным. Заа1 = а = 2…3,5 мм)
тем устанавливают величину перемычек как между деталями (а), так и между краями полосы и деталями
(а1). Величина перемычек зависит от толщины металла. Затем определяют минимальную расчетную ширину полосы:
Bmin расч = Dз + 2a1 ,
(2.12)
где Dз – диаметр (ширина) заготовки; a1 ≈ a .
Рассчитав ширину полосы, выбирают вид стандартного исходного материала (лист, лента, полоса) по ГОСТ 503–74.
Коэффициент использования материала определяют по формуле
η=
Fдет
⋅ 100 %,
A⋅ B
(2.13)
где Fдет – площадь детали, мм2; А – расстояние между центрами соседних
деталей, мм; B – стандартная ширина ленты, мм.
Еcли деталь изготавливают вытяжкой, то вначале необходимо
определить диаметр заготовки Dз исходя из равенства площадей по85
верхностей детали и заготовки (рис. 2.24). Затем проводят расчет заготовки по указанной выше методике.
Если деталь изготавливают
гибкой, то ширина полосы задается,
а длину определяют как сумму длин
прямых и прогнутых участков. Необходимо обратить внимание на влияние толщины листовой заготовки
Рис. 2.24. Схема к определению и различий в деформации при сжадиаметра заготовки при изготии и растяжении. Данные различия
товлении детали вытяжкой
приводят к существенному смещению положения нейтральной поверхности относительно срединной геометрической поверхности.
2.3.3. Сварочное производство
Третий вопрос задания относится к сварке. Подготовка ответа на
этот вопрос требует тщательного изучения соответствующей темы программы по учебникам и использования справочной литературы. При
выполнении данной контрольной работы особое внимание следует уделить разработке процесса сварки изделия с выполнением расчетов по
определению ряда технологических параметров. Выбор каждого элемента технологии должен быть обоснован.
Важный параметр технологического процесса дуговой сварки –
подготовка кромок и сборка заготовок под сварку. Поэтому прежде всего, необходимо определить и узнать тип сварного соединения и шва,
форму и элементы разделки кромок, перечислить операции подготовки металла под сварку и сборку. Подготовка кромок под сварку выполняется по ГОСТ 5264–80 и др. или в соответствии с особыми требованиями, указанными на чертежах. Форма и необходимость подготовки
кромок под сварку зависит от толщины свариваемого металла, положения, в котором выполняется сварка, химического состава свариваемого металла, требований, предъявляемых к конструкции. В этом же
ГОСТе приведены поперечные сечения сварных швов с указанием их
геометрических размеров для заданных толщин металла. На миллиметровой бумаге необходимо в масштабе начертить сечение сварного
шва, вычислить площадь наплавленного металла Fн.
86
Режим сварки – один из основных элементов технологического
процесса, который определяет качество и производительность сварки.
При ручной дуговой сварке основные параметры режима – диаметр электрода dэл, сварочный ток Iсв, напряжение на дуге Uд и скорость сварки vсв.
Определение режима сварки начинают с выбора диаметра электрода, его типа и марки. Диаметр электрода выбирают в зависимости от
толщины свариваемого металла, а его марку – от химического состава.
При выборе типа и марки электрода следует учитывать требования,
предъявляемые к качеству сварного соединения.
Производительность процесса сварки определяют исходя из значения коэффициента наплавки ан, г/(А ⋅ ч). Поэтому из группы электродов, обеспечивающих заданные физико-механические свойства сварного шва, следует выбирать те, которые обеспечивают более высокий
коэффициент наплавки и, следовательно, обеспечивают большую производительность процесса.
Значение сварочного тока в зависимости от диаметра электрода
определяют по эмпирической формуле
I св = k ⋅ d эл ,
(2.14)
где k – коэффициент, равный 50 А/мм.
Напряжение на дуге для наиболее широко применяемых электродов в среднем составляет 25…28 В. Скорость однопроходной сварки
определяют из выражения
vсв =
aн ⋅ I св
,
γ ⋅ Fн
(2.15)
где γ – плотность металла, г/см; Fн – площадь поперечного сечения
наплавленного металла шва за один проход, см2, представляющая сумму площадей элементарных геометрических фигур, составляющих сечение шва.
Зная площадь наплавленного металла, его плотность и длину сварных швов, определяют массу шва на всем изделии по формуле
Gн = Fн ⋅ L ⋅ γ ,
(2.16)
где Gн – масса наплавленного металла, г; L – длина сварных швов
на изделии, см.
87
Расход толстопроводных электродов с учетом потерь приближенно можно принимать равным 1,6...1,8 от массы наплавленного металла.
Количество электроэнергии (кВт ⋅ ч), идущей на сварку изделия,
определяют как произведение сварочного тока на напряжение дуг и на
время сварки. Время сварки изделия подсчитывают, зная скорость сварки, или определяют по формуле
tсв =
Gн
.
aн ⋅ I св
(2.17)
При автоматической сварке под слоем флюса в режим входят:
диаметр электродной проволоки, сварочный ток, напряжение на дуге,
скорость подачи электродной проволоки и скорости сварки. Они назначаются в зависимости от толщины свариваемого металла расчетом
или по справочнику. Марку электродной проволоки под флюсом назначают в зависимости от химического состава свариваемого металла.
Режим автоматической сварки под флюсом назначают в такой последовательности. Устанавливают требуемую глубину проплавления. При
односторонней сварке она равна толщине металла h = S, а при сварке
угловых соединений h = 0,6S; выбирают ориентировочное значение
сварочного тока из расчета 60...100 А на 1 мм глубины проплавления:
I св = (80...100)h,
(2.18)
Скорость сварки, расход электроэнергии и время подсчитывают
по той же методике, что и для ручного процесса.
При сварке в среде защитных газов плавящимся электродом основные параметры технологического режима – сварочный ток Icв, напряжение на дуге Ud, скорость сварки vcв, диаметр электродной проволоки dэл, вылет электрода l0, род тока и полярность.
Режим автоматической сварки в углекислом газе назначают в следующей последовательности.
Выбирают марку и диаметр электродной проволоки. При сварке
низкоуглеродистых и низколегированных сталей широкое распространение получили проволоки с повышенным содержанием элементовраскислителей марок Св-08Г2СА, Св-08ГС. Для автоматической сварки обычно применяют проволоку диаметром от 2 до 5 мм, причем диаметр проволоки выбирается в зависимости от толщины металла. Так,
для толщин от 4 до 12 мм рекомендуется dэл = 2 мм. Ориентировочное
значение напряжения на дуге можно определить по формуле
U д = 8(d эл + 1,6).
(2.19)
Значение сварочного тока следует рассчитать приближенно:
I св ≈ 10U д ⋅ d эл .
(2.20)
где h – глубина проплавления, мм. Напряжение на дуге назначают
в диапазоне 25…45 В.
Далее определяют массу наплавленного на изделие металла. При
определении расхода электродной проволоки следует учитывать потери на угар и разбрызгивание (не весь металл проволоки переходит
в шов), которые составляют для сварки под флюсом от 2 до 5 % от
массы наплавленного металла.
Расход флюса принимается равным массе наплавленного металла. Диаметр электродной проволоки выбирается расчетом или по справочнику. Так, для толщин металла в 10–15 мм он составляет около 5
мм. Коэффициент наплавки выбирается в зависимости от принятой
величины сварочного тока и диаметра электродной проволоки и составляет в среднем от 14 до 16 г/(А ⋅ ч).
Устанавливают вылет электрода, который для электродных проволок dэл = 2...5 мм составляет от 20 до 30 мм; род и полярность тока.
Далее определяют массу наплавленного металла, время и скорость сварки по той же методике, что и при ручном процессе. Коэффициент наплавки для вариантов заданий 4 и 5 можно принять равным 18...20 г/(А ⋅ ч).
При определении расхода электродной проволоки следует учитывать потери металла на угар и разбрызгивание, которые составляют
5–10 % от массы наплавленного металла. Расход защитного газа в основном зависит от вида и режима сварки, что устанавливают по справочным данным. Зная минутный расход защитного газа и время сварки, можно легко подсчитать общее количество газа, идущего на сварку
изделия. Расход электроэнергии определяют по той же методике,
что и для ручного процесса.
88
89
В режим полуавтоматической сварки в среде углекислого газа
входят те же технологические параметры, что и для автоматической
сварки, и выбирают их по справочнику.
Расход материалов (начиная с определения массы наплавленного
металла), электроэнергии и времени сварки подсчитывается по той же
методике, что и для автоматической сварки в среде углекислого газа.
В режим сварки в среде аргона входят те же технологические параметры, что и для автоматической сварки в среде углекислого газа,
которые выбираются по справочнику.
Марку электродной проволоки выбирают в зависимости от химического состава свариваемого материала. Для сварки коррозионностойких нержавеющих сталей марок 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т применяют проволоки марок Св-01Х19Н9Т и Св-06Х19Н9Т.
Все расчеты по определению расхода материалов, электроэнергии и времени сварки ведут по той же методике, что и для автоматической сварки в среде углекислого газа. В среде аргона потери на угар
и разбрызгивание составляют 2–3 % от массы наплавленного металла,
коэффициент наплавки ан, который необходим при определении некоторых параметров режима, можно принять равным 17 г/(А ⋅ ч).
Примечание. При сварке заготовок, имеющих форму цилиндра,
необходимо на рисунке указать последовательность выполнения сварных швов. В конце задания следует привести описание наиболее рациональных методов контроля качества сварного соединения.
При выполнении заданий по контактной сварке после изображения схемы процесса, описания его сущности следует указать причины
нагрева металла в месте контакта соединяемых заготовок. Необходимо начертить и описать цикл сварки (изменение давления и сварочного
тока во времени), а также область применения способов сварки.
Вторую часть задания целесообразно начинать с описания подготовки заготовок под сварку и ее назначения, а затем приступить к выбору типа контактной машины.
При контактной сварке тип машины выбирают по справочнику
в зависимости от параметров свариваемых заготовок и их химического состава. Так, при стыковой сварке сопротивлением и оплавлением –
от площади поперечного сечения заготовок, при точечной и шовной
сварке – от толщины свариваемых заготовок. После выбора типа машины необходимо указать ее техническую характеристику.
Режим сварки – это совокупность основных показателей, действующих во время процесса. В режим стыковой сварки сопротивлением и
оплавлением входят: установочная длина – суммарное расстояние 2l;
плотность тока Icв (сварочный ток); усилие осадки Р; длительность протекания тока tсв.
Установочная длина при сварке сопротивлением:
90
91
l = (0,5...1,0)D,
(2.21)
где D – диаметр заготовки, мм.
При сварке оплавлением установочную длину с учетом припусков на оплавление и осадку приближенно можно считать в мм:
P = (0,5...1,0 )D.
(2.22)
Примечание. Применяя процесс стыковой сварки сопротивлением и оплавлением, необходимо знать установочную длину.
Значение сварочного тока и усилие при осадке приближенно можно определить из следующих условий:
I св = j ⋅ Fз ;
(2.23)
P = p ⋅ Fз .
(2.24)
При этом следует учитывать, какие режимы наиболее выгодно
применять: жесткие или мягкие. Время сварки изделия ориентировочно подсчитывается из условий часовой производительности выбранной машины.
При расчете основных технологических параметров для точечной сварки определяем диаметр контактной поверхности электрода,
который зависит от толщины свариваемых заготовок:
dT = 2 S + 3,
(2.25)
где S – толщина более тонкой заготовки, мм.
Далее определяют площадь контактной поверхности Fэл при точечной и шовной (для случая отсутствия вращения ролика) сварке.
Сварочный ток и усилие, приложенное на электродах для этих видов
сварки, подсчитывают как произведение площади контактной поверхности Fэл электрода на плотность тока и давление p:
(2.29)
q = k ⋅ S,
где k – коэффициент, для меди равный 150…200; S – толщина металла, мм.
По мощности пламени устанавливают номер наконечника газовой горелки. Марку присадочной проволоки выбирают в зависимости
от химического состава свариваемого металла, а ее диаметр – по эмпирическим формулам: при левом способе d = S / 2 + l , мм; при правом способе d = S / 2 , мм, где S – толщина металла, мм.
На качество и производительность сварки оказывает влияние метод ведения процесса (левый или правый), а выбирается он в зависимости от толщины металла. Массу наплавленного металла подсчитывают по той же методике, что и для ручной дуговой сварки.
При газовой сварке не весь металл присадочной проволоки переходит в шов. Часть его (примерно 15 %) – потери на угар и разбрызгивание. Потери надо учесть при определении массы присадочной проволоки.
Расход кислорода, ацетилена и времени сварки изделия ориентировочно подсчитывают по эмпирическим формулам, которые имеются
в справочниках. Расход карбида кальция можно определить, зная, что
1 кг карбида кальция средней грануляции дает 260 л ацетилена.
По расходу ацетилена можно рассчитать расход карбида кальция
на сварку изделия. Далее следует привести описание наиболее рациональных методов контроля качества сварного шва.
Выполнение варианта задания (термическая резка) следует начинать с описания сущности газокислородной резки с приведением схемы процесса. В описании этого способа резки необходимо отметить
его достоинства, недостатки и указать область применения. Необходимо также описать технологические возможности кислородно-флюсовой резки. При разработке процесса целесообразно определить пригодность заданного материала для газокислородной резки (например,
по эквиваленту углерода Сэ), способ резки (разделительная, поверхностная и т. д.). В зависимости от условий производства необходимо установить также степень механизации резки (ручная, механическая).
К числу параметров ручной газокислородной резки низкоуглеродистых сталей относятся: мощность подогревательного пламени, л/ч;
продолжительность предварительного подогрева, с; давление режущего
кислорода, МПа; скорость резки, мм/мин; ширина реза, мм.
Выбор всех этих параметров производится, в основном, в зависимости от толщины разрезаемого металла по справочной литературе.
Необходимо также определить тип резака и указать его технические
данные, время резки, исходя из размеров заготовок и скорости резки,
общий расход кислорода.
92
93
I св = j ⋅ Fз ;
(2.26)
P = p ⋅ Fз .
(2.27)
При этом так же, как и при стыковой сварке сопротивлением
и оплавлением, следует учитывать, какие режимы наиболее целесообразно применять: жесткие или мягкие. Зная время сварки одной точки,
а при шовной сварке – оптимальную скорость, можно определить время сварки изделия.
Примечание. Для шовной сварки величину тока и усилие на электродах можно определить расчетом этих параметров для точечной сварки
с последующим увеличением тока в 1,5–2 раза, а усилия – на 10–30 %.
В конце работы необходимо описать наиболее характерные дефекты и причины их возникновения при заданном способе контактной
сварки.
При выполнении задания по газовой сварке необходимо изобразить схему ацетилено-кислородного пламени с указанием зон и температур. В описании этого способа сварки следует отметить достоинства,
недостатки и указать область применения.
При рассмотрении сварки меди необходимо обратить внимание
на причины, осложняющие процесс сварки; указать роль флюса и элементов-раскислителей, вводимых в присадочную проволоку.
Разработку процесса сварки следует начинать с указания типа
соединения и формы разделки кромок. При этом необходимо изобразить эскиз сечения шва с указанием геометрических размеров.
Далее устанавливают характер пламени, который зависит от химического состава металла.
При сварке низкоуглеродистой стали и меди используется нормальное пламя, характеризуемое соотношением
O2
= 1,1...1,2.
C2 H 2
Мощность пламени можно определить по формуле
β=
(2.28)
2.4. Варианты контрольных заданий
Вариант 2
Вариант 1
1. По эскизу детали (рис. 2.26) разработайте эскиз отливки с модельно-литейными уклонами, приведите эскизы металлических модельных плит, стержневого ящика
и собранной литейной формы
(в разрезе); опишите последовательность изготовления формы
одним из методов машинной
формовки.
2. Изобразите схему ацетилено-кислородного пламени
и опишите его строение. Укажи- Рис. 2.26. Раструб. Материал – СЧ21
те особенности и достоинства газовой сварки, рациональные области применения в строительстве.
Разработайте процесс сварки резервуара из меди марки М3
(рис. 2.27). Производство
штучное. Определите характер
пламени газовой сварки, тип
горелки и ее мощность. Выберите марку и диаметр присадочной проволоки. Укажите
состав флюса и способ сварки
(левый или правый). По размерам шва определите массу на- Рис. 2.27. Резервуар. Материал – медь М3
плавленного металла. Установите расход присадочной проволоки с учетом потерь, кислорода, ацетилена и время сварки изделия. Укажите методы контроля качества
сварного шва для разработанного процесса сварки.
1. По эскизу детали (рис. 2.25) разработайте эскиз отливки с модельно-литейными уклонами, приведите эскизы металлических модельных плит, стержневого ящика и собранной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы одним из методов машинной формовки.
Рис. 2.25. Стойка. Материал – СЧ21
2. Изобразите схему и опишите сущность процесса газокислородной резки металлов и сплавов. Укажите технологические возможности
газокислородной и кислородно-флюсовой резки, их применение в строительстве.
Разработайте процесс газокислородной резки деталей несимметричной двутавровой балки из прокатной стали Ст3кп. Длина балки –
8 м. Размеры верхнего пояса, нижнего пояса и стенки балки соответственно равны 280×20, 280×10, 540×10 мм. Производство штучное. Определите степень механизации резки, тип резака, номер внешнего
и внутреннего мундштуков резака, мощность подогревательного пламени, давление режущего кислорода, скорость резки, расстояние между торцом мундштука и поверхностью заготовок, время резки и расход
кислорода.
94
Вариант 3
1. По эскизу детали (рис. 2.28) разработайте эскиз отливки
с модельно-литейными уклонами, приведите эскизы металлических
модельных плит, стержневого ящика и собранной литейной формы
(в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы одним
из методов машинной формовки.
95
Вариант 4
Рис. 2.28. Корпус подшипника. Материал – ВЧ50
2. Изобразите схему и опишите сущность процесса контактной
шовной сварки. Начертите и опишите цикл шовной сварки. Объясните, за счет чего металл ядра в месте контакта заготовок доводится до
жидкопластического состояния.
Разработайте процесс шовной сварки емкости (рис. 2.29) из стали
Ст3. Производство массовое. Укажите подготовку заготовок под сварку.
По толщине свариваемых заготовок выберите тип и марку машины и укажите ее технические данные. Рассчитайте площадь контактной поверхности электрода (для случая отсутствия вращения ролика). Определите сварочный ток и усилие, приложенное к роликам, время сварки изделия. Укажите возможные дефекты и причины их возникновения.
1. По эскизу готовой детали (рис. 2.30) разработайте процесс ее
изготовления методом холодной листовой штамповки. При выполнении работы следует:
1) установить технологические операции, необходимые для
получения заданной детали;
2) определить размеры заготовки, вид исходного материала
(лента или полоса), привести схему раскроя и определить коэффициент использования материала;
3) определить технологические зазоры между пуансоном
и матрицей при вырубке, пробивке;
Рис. 2.30. Основание кронштейна.
4) привести схему штампа,
Материал – сталь 10
указать последовательность выполнения на нем операций;
5) указать штамповочное оборудование и описать его работу.
2. Изобразите схемы и опишите сущность процессов контактной
стыковой сварки сопротивлением и оплавлением. Начертите и опишите циклы стыковой сварки сопротивлением и оплавлением.
Разработайте процесс стыковой сварки сопротивлением стержней и стыковой сварки оплавлением труб (рис. 2.31). Материал – сталь
Ст3. Производство крупносерийное.
а)
1300
б)
Рис. 2.29. Емкость. Материал – сталь
Рис. 2.31. Заготовки под сварку. Материал – сталь 15:
а – стержень; б – труба
96
97
Укажите подготовку заготовок под сварку. По площади сечения
свариваемых заготовок выберите тип и марку машины и укажите ее
технические данные. Определите сварочный ток и усилие осадки. Определите установочную длину и соответствующие припуски, время
сварки изделия. Укажите возможные дефекты и причины их возникновения.
Вариант 5
Разработайте процесс сварки панели (рис. 2.33). Материал заготовок – сталь Ст5. Шаг точек t = 5d. Производство массовое. Укажите
подготовку заготовок под сварку. По толщине свариваемых заготовок
выберите тип машины и укажите ее технические данные. Рассчитайте
площадь контактной поверхности электрода. Определите сварочный
ток и усилие сжатия. Определите время сварки изделия. Укажите возможные дефекты и причины их возникновения.
1. В результате термической обработки шестерни необходимо
получить износостойкий поверхностный слой при вязкой сердцевине.
Для ее изготовления выбрана сталь 12Х2Н4А; расшифруйте состав
и определите группу стали по назначению; назначьте и обоснуйте
упрочняющий режим термической обработки; укажите структуру
и свойства стали после термической обработки.
2. По эскизу готовой детали (рис. 2.32) разработайте процесс ее
изготовления методом холодной листовой штамповки. При выполнении работы следует:
1) установить технологические
операции, необходимые для получения
заданной детали;
2) определить размеры заготовки,
вид исходного материала (лента или полоса), схему раскроя, коэффициент использования материала;
3) определить технологические зазоры между пуансоном и матрицей при
вырубке, пробивке;
4) привести эскиз штампа, указать
последовательность выполнения операРис. 2.32. Уголок.
ций;
Материал – сталь 10
5) выбрать штамповочное оборудование и описать его работу.
2. Изобразите схему и опишите сущность процесса контактной
точечной сварки. Начертите и опишите цикл точечной сварки. Объясните, за счет чего металл ядра в месте контакта заготовок доводится до
жидкопластического состояния.
Опишите особенности сварки крестообразных соединений арматуры железобетона на примере.
98
99
Рис. 2.33. Панель. Материал – сталь Ст3
Вариант 6
1. По эскизу готовой детали (рис. 2.34) разработайте процесс
ее изготовления методом холодной листовой штамповки. При выполнении работы следует:
1) описать сущность процесса листовой штамповки и область ее применения;
2) указать штамповочное оборудование и его работу;
3) установить технологические операции, необходимые для получения заРис. 2.34. Стакан.
данной детали;
Материал – сталь 10
4) определить размеры заготовки, вид исходного материала (полоса или лента), схему раскроя и определить коэффициент использования материала;
5) привести эскизы штампов и последовательность операций;
6) определить технологические зазоры между пуансоном и матрицей при вырубке в вытяжке.
2. Изобразите схему и опишите сущность процесса механизированной (полуавтоматической) сварки в среде углекислого газа. Укажите особенности и достоинства данного способа сварки.
Разработайте процесс сварки двутавровой балки (рис. 2.35) из
стали Ст3. Шов прерывистый: r/t = 100/200. Укажите тип сварного соединения и форму разделки кромок под сварку. Дайте эскиз сечения
шва с указанием его размеров. Выберите марку и диаметр электродной
проволоки. Подберите режим сварки. Укажите вылет электрода, род
тока и полярность. По размерам шва подсчитайте массу наплавленного металла. Определите расход электродной проволоки с учетом потерь, защитного газа, электроэнергии и время сварки изделия. Укажите методы контроля качества сварного шва для разработанного процесса сварки.
а)
б)
в)
Рис. 2.35. Балка. Материал – сталь Ст3
Вариант 7
1. По эскизу детали (рис. 2.36) разработайте эскиз отливки с модельно-литейными уклонами, приведите эскизы металлических модель100
ных плит, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы одним из методов машинной формовки. Кратко изложите сущность и приведите схему литья под низким давлением. Укажите области применения этого
способа литья.
Рис. 2.36. Серьга. Материал – ВЧ60
2. Изобразите схему и опишите сущность процесса автоматической сварки в углекислом газе. Укажите особенности и достоинства этого
способа сварки. Укажите тип сварного соединения и форму разделки
кромок под сварку (рис. 2.37). Дайте эскиз сечения шва с указанием
его размеров. Выберите марку и диаметр электродной проволоки. Подберите режим сварки. Укажите вылет электрода, род тока и полярность.
По размерам шва подсчитайте массу наплавленного металла. Определите расход электроэнергии, защитного газа и время сварки балки.
Укажите методы контроля качества сварного шва для разработанного
процесса сварки.
Вариант 8
1. По эскизу детали (рис. 2.38) разработайте эскиз отливки с модельно-литейными уклонами, приведите эскизы металлических модельных плит, стержневого ящика и собранной литейной формы
(в разрезе).
101
Определите расход электродной проволоки с учетом потерь, защитного газа, электроэнергии и время сварки изделия. Укажите методы
контроля качества сварного шва для разработанного процесса сварки.
а)
б)
в)
Рис. 2.37. Балка. Материал – сталь Ст3
Опишите последовательность изготовления формы одним из методов машинной формовки.
2. Изобразите схему автоматической сварки в среде аргона плавящимся электродом и опишите сущность процесса. Укажите особенности и достоинства сварки в среде защитных газов. Разработайте процесс сварки емкости (рис. 2.39) из стали 12Х18Н10Т. Укажите тип сварного соединения и форму разделки кромок под сварку. Дайте эскиз
сечения шва с указанием его размеров. Выберите марку и диаметр электродной проволоки. Подберите режим сварки. Укажите вылет электрода, ток и полярность. По размерам подсчитайте массу наплавленного металла.
Рис. 2.38. Втулка. Материал – СЧ21
102
Рис. 2.39. Емкость. Материал – 12Х18Н10Т:
а – резервуар; б, в – сборка сварного соединения
Вариант 9
1. По
эскизу
детали
(рис. 2.40) разработайте эскиз отливки с модельно-литейными
уклонами, приведите эскизы металлических модельных плит,
стержневого ящика и собранной
литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы одним из методов
машинной формовки.
2. Изобразите схему и опишите сущность процесса автоматической сварки под флюсом.
Укажите назначение флюса и флюсовой подушки, достоинства данного способа сварки и рациональные области применения в строительстве.
103
Рис. 2.40. Фланец. Материал – СЧ14
Разработайте процесс сварки плиты (рис. 2.41) из стали Ст3. Производство крупносерийное. Укажите тип сварного соединения, форму
и элементы разделки кромок под сварку, дайте эскиз сечения шва
с указанием его размеров. Выберите марку, диаметр электродной проволоки и флюс.
а)
б)
5) с учетом технологических отходов определить объем
и длину исходной заготовки;
6) выбрать переходы штамповки и привести эскизы инструмента.
2. Изобразите схему и опишите сущность процесса ручной
дуговой сварки покрытыми
электродами. Укажите назначение покрытия, достоинства
Рис. 2.42. Втулка. Масса 0,75 кг;
материал – сталь 40;
и недостатки данного способа
заготовка – круг d = 46 мм
сварки, рациональные области
применения в строительстве.
Разработайте процесс сварки стыка колонны Н-образного сечения
в проектном положении (рис. 2.43). Материал – сталь Ст3. Укажите
типы сварных соединений, форму разделки кромок и дайте эскизы сечений швов с указанием их размеров. Подберите тип, марку и диаметр
Рис. 2.41. Плита. Материал – сталь Ст3
Подберите режим сварки. По размерам шва подсчитайте массу
наплавленного металла. Определите расход электродной проволоки
и флюса с учетом потерь, расход электроэнергии и время сварки изделия. Укажите методы контроля качества сварного шва для разработанного процесса сварки.
Вариант 10
1. По эскизу готовой детали (рис. 2.42) разработайте схему технологического процесса ее изготовления методом горячей объемной штамповки на паровоздушном молоте. При выполнении работы следует:
1) описать сущность процесса горячей объемной штамповки
и область ее применения;
2) привести схему молота и описать его работу;
3) установить температурный интервал штамповки и способ
нагрева;
4) составить чертеж поковки и определить ее массу;
электрода, определите режим сварки. По размерам швов подсчитайте
массу наплавленного металла, определите расход электродов с учетом
потерь, расход электроэнергии и время сварки стыка. Укажите методы
контроля качества сварных швов для разработанного процесса сварки
с приведением схем и описания.
104
105
Рис. 2.43. Схема сварки стыка колонны
Оглавление
Предисловие ............................................................................................................ 3
Введение .................................................................................................................. 4
1. Материаловедение............................................................................................. 4
1.1. Строение металлов, диффузионные процессы в металле,
формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации ............. 4
1.2. Пластическая деформация. Влияние нагрева на структуру
и свойства деформированного металла. Механические свойства
металлов и сплавов............................................................................................. 5
1.3. Стали и чугуны ............................................................................................ 7
1.4. Конструкционные металлы и сплавы ........................................................ 9
1.5. Цветные металлы и сплавы ...................................................................... 10
1.5.1. Алюминий, магний и сплавы на их основе .................................... 10
1.5.2. Медь и сплавы на ее основе ............................................................ 11
1.6. Теория и технология термической обработки стали .............................. 11
1.7. Химико-термическая обработка ............................................................... 14
1.8. Высокопрочные стали. Штамповочные сплавы ..................................... 15
1.9. Неметаллические материалы .................................................................... 18
1.9.1. Полимерные материалы .................................................................. 18
1.9.2. Резиновые материалы ...................................................................... 18
1.9.3. Композиционные материалы........................................................... 19
2. Технология конструкционных материалов ................................................ 20
2.1. Теоретические и технологические основы производства
материалов ........................................................................................................ 20
2.1.1. Основы металлургического производства ..................................... 20
2.2. Теория и практика формообразования заготовок ................................... 28
2.2.1. Производство заготовок способом литья ....................................... 28
2.2.2. Производство заготовок пластическим деформированием .......... 30
2.2.3. Производство неразъемных соединений ........................................ 32
2.2.4. Изготовление деталей и полуфабрикатов
из композиционных материалов ............................................................... 42
2.2.5. Технология изготовления заготовок и деталей
из неметаллических материалов..................................................................59
2.3. Методические указания к выполнению контрольных работ ................. 60
2.3.1. Производство заготовок способом литья ....................................... 60
2.3.2. Производство заготовок пластическим деформированием .......... 70
2.3.3. Сварочное производство ................................................................. 86
2.4. Варианты контрольных заданий .............................................................. 94
106
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Программа, методические указания и задания
к контрольным работам для студентов безотрывной формы
обучения специальности 270205 – автомобильные
дороги и аэродромы
Составители: Гордиенко Валерий Евгеньевич,
Гордиенко Евгений Григорьевич,
Орлов Аркадий Парфентьевич,
Степанов Сергей Александрович
Редактор О. Д. Камнева
Корректоры М. А. Котова, М. Б. Воронкова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 09.08.11. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 6,3. Тираж 200 экз. Заказ 84. «С» 44.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
107
ДЛЯ ЗАПИСЕЙ
108
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
19 390 Кб
Теги
tkm, 270205, gordienko
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа