Изготовление отливок литьем по выплавляемым моделям
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ НОВОПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ УТВЕРЖДАЮ Директор техникума _____________ А.П.Ляхович «____» _____________ 2008 г. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ специальности 2 - 36 07 01 «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов» Новополоцк 2008 Разработчик: О.О.Гольцова, преподаватель учреждения образования «Новополоцкий государственный политехнический техникум» Рассмотрено на заседании комиссии механических предметов Протокол № ___ от «____» _________________ 2008 г. Председатель комиссии О.О.Гольцова ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Программой дисциплины «Технология обработки конструкционных материалов» предусматривается изучение способов горячего формообразования заготовок деталей (литье, обработка давлением и сварка), обработка металлов резанием. В результате изучения дисциплины учащиеся должны знать: на уровне представления: - достижения науки и техники, перспективы развития обработки инструментальных материалов; - виды (методы) обработки материалов в машиностроении; классификацию современных инструментов, свойства инструментальных материалов; - технологию и оборудование литейного, прокатного и штамповочного производств; - технологию и оборудование кузнечного производства; - способы получения заготовок деталей машин; на уровне понимания: - теоретические основы и физическую сущность процесса резания, обработки материалов давлением, литья, сварки; - устройство и принцип работы металлообрабатывающего и сварочного оборудования; - основы технологии сварки и обработки металлов резанием; - элементы и методику назначения режима сварки и режима резания; - геометрические параметры режущего инструмента и их влияние на условия обработки; уметь: - выбирать вид заготовки для изготовления деталей машин; - выбирать оборудование и инструмент для изготовления деталей машин; - назначать оптимальные режимы резания для заданного вида обработки. Введение Настоящий сборник контрольных заданий составлен в соответствии с рабочей программой по дисциплине «ТОМ» для специальности 2 – 36 07 01 «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов». Вариант задания для учащегося указывается преподавателем на установочной сессии. Все задания выполняются в ученической тетради. Текстовую часть выполнять рукописным способом пастой черного или синего цвета, эскизы – карандашом. Все задания должны выполняться учащимися в указанные учебным графиком сроки. Весь учебный материал разделен на две контрольные работы. Контрольные работы составлены по десятивариантной системе. В первой контрольной работе задания объединяют три основные темы: литье, обработка давлением, сварка. Вторая контрольная работа содержит задачи по расчету режимов резания. Для облегчения решения задач приведены примеры с решениями. При решении задач использованы материалы справочников, а также общемашиностроительные нормативы режимов резания и времени для технического нормирования 1972 – 1978 года издания. При отсутствии данных нормативов можно пользоваться справочной литературой, рекомендуемой преподавателями техникума. Программный материал нужно изучать в следующей последовательности: - ознакомиться с общими методическими указаниями и содержанием программы; - изучить теоретический материал по темам задания; - ознакомиться с содержанием контрольной работы; - определить свой вариант; - оформить контрольную работу в соответствии с методическими указаниями по выполнению контрольных работ. Работа высылается в полном комплекте. Работа, выполненная не по своему варианту, не зачитывается. На обложке учащийся указывает фамилию, имя, отчество (полностью), специальность, курс и номер учебной группы, номер варианта, дату выполнения работы и свой почтовый адрес. Если учащийся не может самостоятельно разобраться в каком-либо вопросе при изучении материала, то следует обратиться за консультацией в техникум. Незачтенную, неудовлетворительно выполненную контрольную работу нужно исправить или переделать в зависимости от указаний преподавателя и послать на проверку вторично. Стирать отметки рецензента запрещается. Литейное производство Характеризуя в целом литейное производство, следует отметить основное достоинство, которое выгодно отличает его от других методов заготовок – это возможность получения разнообразных по массе заготовок практически любой сложности непосредственно из жидкого металла, получение заданных механических и эксплуатационных свойств. Развитие литейного производства идет по двум основным направлениям – широкому внедрению точных методов литья и комплексной механизации и автоматизации процесса производства отливок. Большое знание для развития литейного производства имеет создание специализированных литейных цехов и заводов – центролитов. Большое внимание в литейном производстве уделяется вопросам малоотходной технологии и экологии. Теоретические основы производства отливок Свойства любого сплава можно разделить на рабочие и технологические. Рабочие свойства определяют поведение изделия из этого сплава в процессе эксплуатации. Технологические свойства характеризуют поведение сплава в процессе изготовления из него отливки. Это литейные свойства. Изучите основные литейные свойства, которым принадлежит решающая роль при оценке сплава, как литейного материала: жидкотекучесть, усадку, склонность к трещинообразованию, склонность к газопоглощению и ликвации. Следует уяснить, к каким дефектам отливки приводят низкие показатели литейных свойств и какие технологические меры используют для предупреждения образования дефектов. Сосредоточенная усадочная раковина образуется внутри отливки при неравномерно последовательном затвердевании в результате некомпенсируемой объемной усадки. Усадочные поры формируются при объемной кристаллизации между срастающимися дендридами в момент, когда усадка кристаллов еще продолжается, а жидкий металл не может поступать к пустотам. Необходимо помнить главное условие предупреждения в отливках усадочных раковин и пористости: подвод жидкого металла к кристаллизующемуся слою должен быть непрерывным до полного затвердевания. Для этого в форме применяют прибыли, которые обеспечивают направленное затвердевание отливки – снизу вверх в направлении прибыли. Жидкий металл из прибыли питает отливку, а усадочная раковина образуется в прибыли, которую затем отделяют от отливки. С явлением усадки связано возникновение напряжений в отливке, образование горячих и холодных трещин. Обратите внимание на главную причину этих явлений – затрудненную усадку вследствие механического и термического торможения. Изучите меры предупреждения трещин. Важной предпосылкой получения отливок без дефектов является правильная конструкция отливки. Изучите особенности конструирования отливки с учетом литейных свойств сплавов. Склонность сплавов поглощать газы приводит к образованию в отливках газовой пористости и раковин. Обратите внимание на механизм образования этих дефектов. Изучите меры их предупреждения. Способы изготовления отливок Изготовление отливок в песчаных формах Изучение темы начните с рассмотрения последовательности изготовления отливки в песчаной форме. Технологический процесс изготовления отливки состоит из различных этапов, которые выполняются в соответствующих отделениях литейного цеха. В современных литейных цехах многие операции смесеприготовления, изготовления форм и стержней, заливка форм, выбивка отливок и другие механизированы. Для изготовления песчаной формы используют модельный комплект, опочную оснастку и формовочные материалы. В модельный комплект входят: модель или модельные плиты, стержневые ящики, модели литниковопитающей системы (выпоры, прибыли). Модель – это прототип отливки, предназначенный для получения в песчаной форме отпечатка, соответствующего наружной конфигурации отливки и знакам стержней. Если отливка изготовляется без применения стержней, то модель не имеет знаковых частей. Стержневые ящики служат для изготовления стержней, которые обеспечивают получение в отливке внутренних полостей. Рис.1 Рассмотрим песчаную форму для отливки втулки (рис. 1, а). Литейную форму (рис. 1, г) изготовляют ручной формовкой в двух опоках (металлических рамках): нижней – 3 и верхней – 4, в которых уплотняется формовочная смесь 10. Для образования в форме рабочей полости 1 используют специальное приспособление – деревянную разъемную модель (рис. 1, б) и песчаный стержень 2, изготовленный в стержневом ящике 1 (рис. 1, в). С помощью модели в форме получают отпечаток наружной конфигурации отливки. Для заливки жидкого сплава в рабочую полость в форме имеется система каналов 69 (литниковая система). Выход воздуха из полости формы при заполнении ее металлом происходит через каналы 5 (выпоры). После затвердевания залитого сплава форму разрушают, извлекают отливку и удаляют из нее стержень. Перед отправкой в механический цех с отливки удаляют литниковую систему, производят очистку и контроль. Изготовление отливок в оболочковых формах Литейная форма представляет собой разъемную тонкостенную оболочку, изготовленную из песчано-смоляных смесей по горячей металлической модели. Способ изготовления оболочковых форм основан ан специфических свойствах смол. При нагревании до 100-200 С смолы становятся еще более жидкими или расплавляются и обволакивают песчинки огнеупорного материала. При дальнейшем нагревании до 200-250 С термоактивные смолы необратимо отвердевают. Изучите состав и свойства формовочных смесей и модельную оснастку для изготовления оболочек. Рассмотрите схему бункерного (насыпного) способа подачи смеси на модельную плиту. Следует знать, что кроме этого способа существуют пескодувный, пескострельный и центробежный способы подачи и уплотнения смеси. Рассмотрите последовательность операций изготовления оболочек, сборки форм и подготовки их к заливке. Обратите внимание на механизацию и автоматизацию процессов изготовления оболочковых форм, схему поточномеханизированной линии изготовления оболочек. Отметьте основные достоинства литья в оболочковые формы: высокую точность и низкую шероховатость поверхностей отливок, сокращение количества формовочных и стержневых материалов, экономия производственных площадей, облегчение операций выбивки и очистки литья, возможность полной автоматизации производственного процесса. Наряду с преимуществами следует учитывать и недостатки: высокую стоимость термоактивных связующих и применение горячей оснастки. Изготовление отливок литьем по выплавляемым моделям Рассмотрите последовательность изготовления моделей из легкоплавкого состава в пресс-формах, сборку моделей в блок, изготовление литейной формы, подготовку ее к заливке, заливку расплавленным металлом, выбивку и очистку отливок. Обратите внимание на особенности этого способа: разовая модель не имеет разъема и знаковых частей, а ее контуры повторяют форму отливки; форма, полученная по выплавляемым моделям, представляет собой тонкостенную, не имеющую разъема оболочку; форма изготовляется из специальной огнеупорной смеси, состоящей из пылевидного кварца и гидролизованного раствора этилсиликата; для обеспечения высокой прочности и удаления остатков модельного состава литейные формы прокаливают при температуре 850-900 С, после чего заливают расплавленным металлом. Отметьте основные преимущества литья по выплавляемым моделям. Этим способом наиболее экономично изготовлять мелкие, но сложные и ответственные отливки с высокими требованиями по точности геометрических размеров и шероховатости поверхности, а также детали из специальных сплавов с низкими литейными свойствами. Рассмотрите недостатки способа. Обратите внимание на технологические возможности и области применения способа. Изготовление отливок литьем в кокиль Металлические формы (кокили) – литейные формы многократного использования. Их изготовляют из стали, чугуна и алюминиевых сплавов. Рассмотрите конструкции кокилей: неразъемных, разъемных (с вертикальным, горизонтальным разъемом, комбинированные) и створчатых. Для получения внутренних полостей отливок широко применяют металлические стержни. Обратите внимание на устройство каналов для отвода газов из полостей форм и на устройства, используемые для удаления отливок, а также на конструкции металлических стержней. Уясните назначение предварительного подогрева форм, теплозащитных покрытий, наносимых на рабочие поверхности форм, последовательность сборки кокилей. Повышенные скорости затвердевания и охлаждения отливок в одних случаях способствуют получению мелкозернистой структуры и повышению механических свойств, а в других случаях вызывают отбел. Для изготовления отливок литьем в кокили широко используют однопозиционные и многопозиционные кокильные машины и автоматические линии. Рассмотрите принцип работы однопозиционной кокильной машины. Отметьте основные достоинства литья в кокили: высокую точность геометрических размеров и низкую шероховатость поверхностей отливок, повышение механических свойств отливок, увеличение производительности, экономию производственных площадей. Недостатки способа: сложность изготовления кокилей и их низкая стойкость. Уясните технологические возможности способа и области его применения. Изготовление отливок литьем под давлением Рассмотрите устройство машины литья под давлением с горизонтальной холодной камерой прессования и последовательность операций изготовления отливок, устройство пресс-форм и приспособлений для удаления отливок. Обратите внимание на то, что скорость впуска расплавленного металла в пресс-форму составляет 0,5-120 м/с, а конечное давление достигает 100 МПа. Следовательно, форма заполняется за десятые, а для особо тонкостенных отливок – за сотые доли секунды. Сочетание особенностей процесса – металлической формы и внешнего давления на металл – позволяет получать отливки высокого качества. Основные достоинства литья под давлением: высокая точность геометрических размеров и низкая шероховатость поверхностей отливок, возможность изготовления сложных, тонкостенных отливок из алюминиевых, магниевых и других сплавов, высокая производительность способа. Недостатки способа: сложность изготовления пресс-форм, ограниченный срок их службы. Обратите внимание на технологические возможности способа и области его применения. Изготовление отливок центробежным литьем Сущность процесса заключается в свободной заливке расплавленного металла во вращающуюся форму, формование отливки в которой осуществляется под действием центробежных сил. Рассмотрите устройство машин с горизонтальной и вертикальной осями вращения и последовательность операций изготовления отливок. Обратите внимание на достоинства центробежного литья, технологические возможности способа и области применения. Уясните недостатки центробежного литья. Технический контроль Технический контроль ведут на всех стадиях изготовления отливок, начиная с приготовления формовочных и стержневых смесей, изготовления литейной оснастки, форм и стержней. Основные виды брака отливок: газовые. Песчаные и усадочные раковины, горячие и холодные трещины, спаи и недоливы. Уясните причины их образования и методы предупреждения дефектов. Ознакомьтесь с современными методами контроля в литейном производстве. Методические указания по выполнению контрольного задания 1 Первый вопрос вариантов контрольной работы относится к способу ручной формовки в опоках по разъемной модели, чтобы ответить на него, следует изучить тему и методические указания к ней. Для ответа на второй вопрос требуется изучение темы по специальным методам литья. Внимательно ознакомьтесь с методическими указаниями. Основа для разработки технологического процесса изготовления отливки – чертеж детали (в контрольном задании даны эскизы деталей). На чертеже детали в соответствии с ГОСТ 2.423 – 73 наносят технологические указания, необходимые для изготовления модельного комплекта, формы и стержня, и получают чертеж отливки с модельно-литейными указаниями. Кроме того, разрабатывают документацию (технологическую карту), которая содержит необходимые сведения для всех этапов изготовления отливки. На рисунке 2 в качестве примера приведены эскизы стальной (а) и чугунной (б) деталей. Обратите внимание на поверхности деталей, подвергающиеся механической обработке. Условно они обозначены знаком . Остальные поверхности механической обработке на подлежат, на что указывает знак (в правом углу эскиза). При разработке эскиза отливки с литейно-модельными указаниями на эскиз детали условно наносят (рис. 2, в): - плоскость разъема модели и формы (1), их обозначают РМ и двумя стрелками с буквами В (верх) и Н (низ); - припуски на механическую обработку (2), их обозначают тонкими линиями у поверхностей, где указан знак обработки ; - отверстия, не получаемые при литье, зачеркивают тонкими линиями (5); - контуры стержня со стержневыми знаками (3), их обозначают тонкими линиями и штриховкой у контура; - формовочные уклоны (4), на вертикальных стенках их обозначают тонкими линиями. Помимо этих обозначений указывают процент усадки сплава, из которого изготавливают отливку. Кроме того, на технологический чертеж отливки наносят литниковую систему, прибыли, выпоры, которые на рассматриваемом эскизе для простоты не указаны. На рис. 2, г дан эскиз чугунной отливки с модельно-литейными указаниями. Для этой отливки используется горизонтальный стержень. Обратите внимание на различие в конструкции стержневых знаков: конусные знаки – у вертикального стержня (рис. 2, в) и цилиндрические – у горизонтального. При разработке технологических указаний исходят из условия обеспечения качества отливки и экономической целесообразности. Так, выбирая плоскость разъема, следует помнить, что наиболее ответственные поверхности отливки лучше располагать в нижней части формы или вертикально, так как в верхней части отливки скапливаются дефекты – газовые раковины и шлаковые включения. Плоскость разъема выбирают с учетом удобства формовки и извлечения модели из формы. Кроме того, желательно, чтобы отливка или, по крайней мере ее базовые поверхности для механической обработки были расположены в одной полуформе. Величины припусков на механическую обработку и размеры знаковых частей стержня определены ГОСТом. На рис. 2, д дан эскиз деревянной модели для ручной формовки. Модель имеет стержневые знаки (они закрашены черным цветом), причем верхний знак – отъемный, формовочные уклоны и радиусы скруглений в местах перехода стенок r. Размеры модели выполняют с учетом припусков на механическую обработку и усадки сплава. Деревянный разъемный ящик для ручной набивки стержня показан на рис. 2, е. Эскизы собранных форм для чугунной и стальной отливок даны на рис. 3. Обратите внимание на различие литниковых систем: Рис.2 В форме для чугунного литья (рис. 3, а) имеются шлакоуловитель и выпоры; в форме для стального литья (рис. 3, б) шлакоуловитель отсутствует, а для компенсации большой усадки стали и предупреждения усадочных раковин предусмотрены прибыли. Рис.3 Для создания условий направленного затвердевания в форме стальной отливки часто применяют холодильники (металлические вставки). Обратите внимание на графическое изображение каждого элемента формы. Эскизы готовых отливок с литниковой системой приведены на рисунке 4: на рис. 4, а – отливка из чугуна, на рис. 4, б – из стали. Рис. 4 Варианты контрольного задания 1 Вариант 1 1. По эскизу детали (рис. 5) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями. Приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. Рис.5 2. Изложите сущность способа литья под давлением. Приведите схему изготовления отливок литьем под давлением на машинах с горизонтальной камерой прессования. Укажите достоинства, недостатки и области применения этого способа литья. Вариант 2 1. По эскизу детали (рис. 6) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. Рис.6 2. Опишите технологию изготовления стержней. Какими свойствами должны обладать стержневые смеси. Вариант 3 1. По эскизу детали (рис. 7) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. Рис.7 2. Приведите характеристику литейных свойств сплавов; укажите их влияние на качество отливок. Изложите принципы конструирования отливок с учетом литейных свойств. Вариант 4 1. По эскизу детали (рис. 8) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. Рис.8 2. Изобразите схему центробежного литья на машинах с горизонтальной осью вращения. Изложите сущность и особенности этого способа литья; укажите достоинства, недостатки и области применения. Вариант 5 1. По эскизу детали (рис. 9) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. Рис.9 2. Изложите сущность способа литья в оболочковых формах и приведите поясняющие эскизы. Укажите достоинства, недостатки и области применения этого способа литья. Вариант 6 1. По эскизу детали (рис. 10) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. Рис.10 2. Опишите последовательность производства отливок по выплавляемым моделям и приведите поясняющие эскизы. Укажите преимущества, недостатки и области применения этого метода литья. Вариант 7 1. По эскизу детали (рис. 11) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. 2. Изложите сущность способа литья в кокиль; изобразите схемы конструкций кокилей. Укажите применяемые сплавы, достоинства, недостатки и области применения этого способа. Вариант 8 1. По эскизу детали (рис. 12) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. 2. Изобразите схему центробежного литья на машинах с вертикальной осью вращения. Изложите сущность и особенности этого способа литья; укажите достоинства, недостатки и области применения. Вариант 9 1. По эскизу детали (рис. 13) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. 2. Опишите назначение литниковой системы и из каких элементов она состоит. Вариант 10 1. По эскизу детали (рис. 14) разработайте эскиз отливки с модельнолитейными указаниями, приведите эскизы модели, стержневого ящика и собранной литейной формы (в разрезе). Опишите последовательность изготовления формы методом ручной формовки. 2. Опишите виды литейного брака, в чем их причины. Методические указания к разделу Технология обработки металлов давлением Общая характеристика обработки металлов давлением Обработке давлением подвергают более 90% выплавляемой стали и 60% цветных металлов и сплавов. При этом получают изделия, различные по назначению, массе, сложности, причем не только в виде промежуточных заготовок для окончательной обработки их резанием, но и готовые детали с высокой точностью и низкой шероховатостью. Процессы обработки давлением очень разнообразны и их обычно делят на шесть основных видов: прокатку, прессование, волочение, ковку, объемную и листовую штамповку. Запомните их технологические возможности и области применения в машиностроении. Применение процессов обработки давлением определяется возможностью формообразования изделий с высокой производительностью и малыми отходами, а также возможностью повышения механических свойств металла в результате пластического деформирования. Физико-механические основы обработки металлов давлением Обработка давлением основана на способности металлов в определенных условиях получать пластические деформации под действием внешних сил. Пластическая деформация поликристаллических тел, которыми являются конструкционные металлы, образуется за счет сдвигов между отдельными кристаллами (зернами) и их пластической деформации. Поэтому вначале необходимо рассмотреть механизм пластической деформации монокристалла – скольжение и двойникование, а затем деформацию металла, имеющего поликристаллическое строение. Деформация зерен металла при пластическом деформировании приводит к изменению его физико-механических свойств. Если это изменение сохраняется после пластической деформации, ее называют холодной, а все явление в совокупности называют упрочнением или наклепом. При нагреве металла, получившего упрочнение, происходит внутренняя перестройка кристаллической структуры. Таким образом, при определенной температуре происходит замена деформированных зерен новыми, равноосными. Это явление называют рекристаллизацией, а деформацию, при которой рекристаллизация происходит во всем объеме металла, называют горячей. Рассматривая изменения в строении металла при пластической деформации, необходимо помнить, что конструкционные металлы содержат неметаллические включения, которые располагаются между зернами поликристалла. При пластической деформации эти включения вытягиваются в виде волокон, обусловливая различие свойств металла в направлениях вдоль и поперек волокон. При пластическом деформировании происходит не только изменение формы заготовки, но и изменение свойств металла. Для получения изделий необходимой формы и качества надо знать основные законы пластической деформации и влияние условий обработки на свойства деформируемого металла. Основные технологические свойства деформируемого металла – пластичность и сопротивление деформированию. Эти свойства зависят от химического состава металла или сплава, температуры и скорости деформирования, схемы приложения сил и предшествующей обработки. При разработке процессов обработки давлением считают, что объем металла до деформации равен объему металла после деформации (закон постоянства объема) и каждая точка деформируемого тела перемещается в направлении наименьшего сопротивления (закон наименьшего сопротивления). Перемещению металла противодействуют силы трения, возникающие на поверхности контакта деформирующего инструмента и металла. Эти силы трения оказывают существенное влияние на пластичность металла и его сопротивление деформированию. Нагрев металлов перед обработкой давлением Нагрев металла перед пластическим деформированием – один из важнейших вспомогательных процессов при обработке давлением и производится с целью повышения пластичности и уменьшения сопротивления деформированию. Любой металл или сплав должен обрабатываться давлением во вполне определенном интервале температур. Например, сталь 10 может подвергаться горячему деформированию при температурах не выше 1260º С и не ниже 800º С. Нарушение температурного интервала обработки приводит к отрицательным явлениям, происходящим в металле (перегреву, пережогу) и в конечном итоге к браку. При нагреве необходимо обеспечить равномерную температуру по сечению заготовки и минимальное окисление ее поверхности. Для качества металла большое значение имеет скорость нагрева: при медленном нагреве снижается производительность и увеличивается окисление (окалинообразование), при слишком быстром нагреве в заготовке могут появиться трещины. Склонность к образованию трещин тем больше, чем больше размеры заготовки и меньше теплопроводность металла (у высоколегированных сталей, например, теплопроводность ниже, чем у углеродистых сталей, и меньше скорость нагревания). Знакомясь с принципом работы и конструкцией печей и электронагревательных устройств, обратите внимание на их технологические возможности и области применения, характеризуемые типоразмером и величиной партии заготовок. Прокатка и прессование Прокатка – один из распространенных видов обработки металлов давлением. При прокатке металл деформируется в горячем или холодном состоянии вращающимися валками, конфигурация и взаимное расположение которых различно. Различают три схемы прокатки: продольную, поперечную и поперечно-винтовую. При наиболее распространенной продольной прокатке в очаге деформации происходит обжатие металла по высоте, уширение и вытяжка. Величина деформации за проход ограничивается условием захвата металла валками, которое обеспечивается наличием трения между валками и прокатываемой заготовкой. Инструмент прокатки – гладкие и калиброванные валки; оборудование – прокатные станы, устройство которых определяется прокатываемой на них продукцией. Исходной заготовкой прокатки являются слитки. Продукцию прокатки (прокат) обычно подразделяют на четыре основные группы. Наибольшая доля приходится на группу листового проката. Группу сортового проката составляют профили простой и сложной (фасонной) формы. Прокатанные трубы разделяют на бесшовные и сварные. К специальным видам проката относят прокат, поперечное сечение которого по длине периодически меняется, а также изделия законченной формы (колеса, кольца). Прокат используют в качестве заготовок в кузнечно-штамповочном производстве, при изготовлении деталей механической обработкой и при создании сварных конструкций. Поэтому сортаменту основных групп проката следует уделить особое внимание. Для получения из проката профилей небольших размеров, с высокой точностью и малой шероховатостью применяют волочение, осуществляемое как правило, в холодном состоянии. Рассматривая схему деформирования металла при волочении, надо отметить, что в очаге деформации металл испытывает значительные растягивающие напряжения тем больше, чем больше усилие волочения. Чтобы усилие не превысило допустимой величины, ведущей к обрыву изделия, ограничивают обжатия за один проход, принимают меры для уменьшения трения между металлом и инструментом и вводят промежуточный отжиг, поскольку при холодном волочении металл упрочняется. Процесс прессования, осуществляемый в горячем или холодном состоянии, позволяет получать профили более сложной формы, чем при прокатке, и с более высокой точностью. Заготовками являются слитки, а также прокат. Рассматривая схему деформирования металла при прессовании, надо отметить, что в очаге деформации металл находится в состоянии всестороннего неравномерного сжатия. Эта особенность дает возможность прессовать металлы и сплавы, обладающие пониженной пластичностью, что является одним из преимуществ этого процесса. Прессованием более экономично изготовлять небольшие партии профилей, поскольку переход от изготовления одного профиля к другому осуществляется легче, чем при прокатке. Однако при прессовании значителен износ инструмента и велики отходы металла. Прессование производят на специализированных гидравлических прессах. Знакомясь с устройством инструмента, обратите внимание на расположение и взаимодействие его частей при прессовании сплошных и полых профилей. Ковка Ковку применяют при производстве небольшого количества одинаковых заготовок. Это единственно возможный способ получения массивных заготовок (до 250 т). Процесс ковки, осуществляемый только в горячем состоянии, состоит из чередования в определенной последовательности основных операций ковки. Прежде чем перейти к рассмотрению последовательности изготовления поковок, следует изучить операции ковки, их особенности и назначение. Разработка процесса ковки начинается с составления чертежа поковки по чертежу готовой детали. Ковкой получают поковки относительно простой формы, требующие значительной обработки резанием. Припуски и допуски на все размеры, а также напуски (упрощающие конфигурацию поковки) назначают в соответствии с ГОСТ 7062 – 79 (для стальных поковок, изготовляемых на прессах) или 7829 – 70 (для стальных поковок, изготовляемых на молотах). В качестве исходной заготовки при ковке используют для мелких и средних по массе поковок сортовой прокат и блюмы; для крупных поковок – слитки. Массу заготовки определяют исходя из ее объема, который рассчитывают как сумму объемов поковки и отходов по формулам, приводимым в справочной литературе. Поперечное сечение заготовки выбирают с учетом обеспечения необходимой уковки, которая показывает, во сколько раз изменилось поперечное сечение заготовки в процессе ковки. Чем больше уковка, тем лучше прокован металл, тем выше его механические свойства. Последовательность операций ковки устанавливают в зависимости от конфигурации поковки и технических требований на нее, от вида заготовки. С разнообразным универсальным кузнечным инструментом, применяемым для выполнения операций ковки, нужно ознакомиться при изучении этих операций. Изучая принципиальное устройство машин для ковки (пневматического и паровоздушного молотов, гидравлического пресса), обратите внимание, что применение типа оборудования обусловливается массой поковки. В результате изучения процесса ковки необходимо иметь четкое представление о требованиях к конструкции деталей, получаемых из кованых поковок. Горячая объемная штамповка При объемной штамповке пластическое течение металла ограничивается полостью специального инструмента – штампа, который служит для получения поковки определенной конфигурации. Горячая объемная штамповка по сравнению с ковкой позволяет изготовить поковку по конфигурации очень близкую к готовой детали, с большей точностью и высокой производительностью. Однако необходимость использования специального инструмента для каждой поковки делает штамповку рентабельной лишь при достаточно больших партиях поковок. Штамповки получают поковки с массой 100-200 кг, а в отдельных случаях – до 3 т. Исходные заготовки для объемной штамповки, как правило получают отрезкой сортового проката разнообразного профиля: круглого, квадратного, прямоугольного. В большинстве случаев для штамповки поковок сложной конфигурации нужно получить фасонную заготовку, т. е. приблизить ее форму к форме поковки. С этой целью исходную заготовку обычно предварительно деформируют в заготовительных ручьях многоручьевых штампов, в ковочных вальцах или другими способами. При штамповке больших партий поковок применяют прокат периодического профиля. Наличие большого разнообразия форм и размеров поковок, сплавов, из которых они штампуются, привело к возникновению различных способов горячей объемной штамповки. При классификации этих способов в качестве основного признака принимают тип штампа, которым определяется характер деформирования металла в процессе штамповки. В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и штамповку в закрытых штампах (безоблойную штамповку). Изучая эти способы штамповки, обратите внимание на их преимущества, недостатки и области рационального использования. Для штамповки в открытых штампах характерно образование заусенца в зазоре между частями штампа. Заусенец при деформировании закрывает выход из полости штампа для основной массы металла, в то же время в конечный момент деформирования в заусенец вытесняются излишки металла. При штамповке в закрытых штампах их полость в процессе деформирования металла остается закрытой. Преимущество способа – значительное уменьшение расхода металла, поскольку нет отхода в заусенец. Трудность применения штамповки в закрытых штампах – необходимость строгого соблюдения равенства объемов заготовки и поковки. Кроме различия по типу инструмента (штампа) штамповку различают по виду оборудования, на котором она производится. Горячая объемная штамповка осуществляется на паровоздушных молотах, на кривошипных горячештамповочных прессах, горизонтально-ковочных машинах, гидравлических прессах. Штамповка на каждой из этих машин имеет свои особенности, преимущества и недостатки, которые необходимо четко представлять. Рассмотрев схемы машин объемной штамповки и принципы их действия, необходимо уяснить, для какого типа деталей рационально использовать то или иное оборудование с учетом его технологических возможностей. Большое внимание следует уделить особенностям конструкции поковок, штампуемых на каждом типе машин. Разработка процесса объемной штамповки так же, как при ковке, начинается с составления чертежа поковки по чертежу готовой детали с учетом вида оборудования, на котором будет производиться штамповка. Большое значение при этом имеет правильный выбор расположения плоскости разъема штампов. На поковку, получаемую штамповкой, устанавливают припуски, допуски, напуски, штамповочные уклоны, радиусы закругления и размеры наметок под прошивку в соответствии с ГОСТом. Массу заготовки под штамповку определяют, исходя из закона постоянства объема при пластическом деформировании, подсчитывая объем поковки и объем технологических отходов по формулам, приводимым в справочной литературе. Размеры заготовки и форму ее поперечного сечения определяют в зависимости от формы поковки и способа ее штамповки. После штамповки поковки подвергают отделочным операциям, которые являются завершающей частью процесса горячей объемной штамповки и способствуют получению поковок с необходимыми механическими свойствами, точностью и шероховатостью поверхностей. От этих операций зависит трудоемкость последующей механической обработки. Холодная штамповка Холодную штамповку делят на объемную и листовую. При объемной штамповке – холодном выдавливании, высадке и формовке – заготовкой служит сортовой прокат. При этом получают изделия с высокими точностью и качеством поверхности. Однако из-за того, что усилия при холодной объемной штамповке значительно больше, чем при горячей, ее возможности ограничены из-за недостаточной стойкости инструмента. К листовой штамповке относят процессы деформирования заготовок в виде листов, полос, лент и труб. Процессы листовой штамповки можно разделить на операции, последовательно применение, которых придает исходной заготовке форму и размеры детали. Операции листовой штамповки можно объединить в две группы: разделительные и формоизменяющие. При выполнении разделительных операций деформирование заготовки происходит вплоть до ее разрушения. При выполнении формоизменяющих операций, наоборот, стремятся создать условия, при которых может быть получено наибольшее формоизменение заготовки без ее разрушения. Изучая разделительные операции, обратите внимание, как влияют на качество получаемых изделий технологические параметры процесса (например, величина зазора между режущими кромками). Большое значение при разработке процессов вырубки изделий имеет правильное расположение вырубаемых деталей на листовой заготовке (раскрой материала). Правильный раскрой обеспечивает минимальные отходы при вырубке и достаточную величину перемычек между деталями, так как от их величины зависит качество получаемых деталей. Основным показателем экономичности раскроя можно принять коэффициент использования металла, равный отношению площади детали к площади листа, полосы или ленты, из которых эти детали вырубают. Следует отметить, что вырубка деталей из рулонной полосы или ленты экономичнее. Рассматривая формоизменяющие операции, обратите внимание на то, что при операциях гибки и вытяжки без утонения изменения толщины стенки заготовки практически не происходят. При гибке в каждом сечении по толщине заготовки одновременно действуют сжимающие и растягивающие напряжения, вследствие чего упругая деформация может быть относительно большой. Поэтому при гибке необходимо учитывать угол, на который «отпружинивает» изделие. Значение углов пружинения для каждого конкретного случая находят из справочников. Растягивающие напряжения в изгибаемой заготовке зависят от отношения радиуса гибки к толщине материала и могут превышать допустимую величину при малом радиусе. В справочной литературе даются минимальные значения радиуса гибки для различных материалов. При вытяжке полых изделий из плоской заготовки дно изделия, находящегося под пуансоном, практически не деформируется, а остальная часть заготовки (фланец) растягивается в радиальном направлении и сжимается в тангенциальном. При сжатии фланца иногда происходит образование складок; для предотвращения этого явления необходим прижим фланца к торцу матрицы. Усилие, действующее со стороны пуансона на заготовку, увеличивается с ростом отношения диаметра заготовки к диаметру вытягиваемого изделия и может достигать величины, превышающей прочность стенки вытягиваемого изделия. При этом происходит отрыв дна. Для характеристики предельного формоизменения вводится коэффициент вытяжки. В справочной литературе даются минимальные значения коэффициента вытяжки. Если необходимо получить изделие с коэффициентом вытяжки меньше предельного, применяют вытяжку в несколько переходов без утонения или с утонением стенок. Для расчета массы заготовок используют закон постоянства объема, в соответствии с которым сохраняется постоянным объем металла до деформации и после нее. Но на практике всегда имеют место технологические отходы, в результате чего объем заготовки больше объема поковки на величину объема отходов. Во всех случаях в объем отходов входят угар (объем металла, окислившегося при нагреве заготовки) и технологические отходы, зависящие от способа обработки давлением. При разработке процессов ковки необходимо пользоваться ГОСТ 7829-70 (ковка на молоте) и 7062-79 (ковка на прессе). Напуски при ковке применяют для упрощения формы поковки. Необходимость их применения и размеры указаны в ГОСТах. При ковке технологические отходы зависят от формы поковки, а следовательно, и от операций или переходов ковки. Поэтому сначала необходимо установить переходы (операции) ковки, требующие для изготовления заданной детали, и изобразить их эскизы, показав взаимодействие заготовки и инструмента. Если для получения поковки необходим переход протяжки, то отходом будут обсечки; если необходима прошивка, то отходом будет выдра. Определив объемы угара и отходов, получают объем заготовки, а затем с учетом заданного профиля рассчитывают ее длину. При разработке процессов горячей объемной штамповки прежде всего следует установить, как происходит штамповка. Горячую объемную штамповку подразделяют на различные виды в зависимости от многих факторов. По типу применяемого оборудования различают штамповку на молотах, горячештамповочных кривошипных прессах (в дальнейшем КГШП) и горизонтально-ковочных машинах (в дальнейшем ГКМ). Существуют и другие типы штамповочного оборудования, но их применяют значительно реже и в заданиях они не предусмотрены. По характеру течения металла в штампе различают штамповку: в открытом штампе с образованием облоя (заусенца) на молотах, прессах и ГКМ; в закрытом штампе без облоя на прессах и ГКМ; выдавливанием грибовидных поковок на прессах; прошивкой на прессах и ГКМ. В зависимости от расположения заготовки в штампе различают штамповку плашмя и в торец. При штамповке плашмя ось заготовки располагают перпендикулярно торцу штампа. Так штампуют поковки типа ступенчатых валиков, шатунов, вилок и прочие на молотах и КГШП. При штамповке в торец ось заготовки параллельна направлению действующего усилия. Так штампуют поковки типа колец и втулок на молотах и КГШП и все типы поковки на ГКМ. Тип штамповочного оборудования указан на чертеже задания, а вид штамповки и расположение поковки в штампе устанавливают в зависимости от ее формы. Затем следует установить положение плоскости разъема штампа, т.е. определить, какая часть поковки будет оформляться в верхней части штампа, а какая – в нижней (для молота и КГШП) и какая часть – в матрицах, а какая – в пуансоне (для ГКМ). Для построения чертежа поковки по ГОСТ 7505-74 необходимо установить: а) припуски на механическую обработку на те поверхности, где стоит знак обработки; б) штамповочные уклоны для облегчения выема поковки из штампа; в) радиусы скруглений для предотвращения зажимов металла в углах ручья штампа и концентрации напряжений в штампе. Напуски на штампованных поковках образуются штамповочными уклонами. Уклоны необходимы на всех поверхностях поковки, располагающихся параллельно направлению движения бабы молота, ползуна КГШП, главного ползуна ГКМ. Сквозные отверстия в поковках, штампуемых на молотах и КГШП. Получать нельзя во избежание поломки последних. В поковках делают наметки сверху и снизу, а между ними остается пленка, толщина которой S = 0,1d отв поковки. При штамповке на ГКМ в поковках колец и втулок получают сквозные отверстия методом просечки. Эта операция одновременно служит для отделения кольца от прутка. Так как штамп ГКМ имеет две плоскости разъема и поковка сама из него выпадает, на наружных поверхностях уклонов не предусматривают, а дают уклон только на поверхности отверстия для выхода прошивного пуансона. Разработку процесса холодной листовой штамповки начинают с выбора необходимых технологических операций и определения формообразующей операции, по которой ведется расчет размеров заготовки. Если деталь изготовляют вырубкой, то определяют необходимую ширину полосы. При наличии у детали сложного контура вначале следует продумать расположение деталей на полосе, чтобы расход металла был минимальным. Затем в зависимости от толщины материала устанавливают величину перемычек как между деталями а, так и между краями полосы и деталями а1 (рис. 17). Минимальную расчетную ширину полосы определяют расчетом. Затем выбирают вид стандартного исходного материала – лист, ленту, полосу. Для заданных деталей рекомендуется применять ленту по ГОСТ 503-74. Ширину ленты В получают, увеличивая Врасч до ближайшего стандартного размера. Коэффициент использования материала определяют по формуле Ким = [Fдет/(АхВ)]х100%, где Fдет – площадь детали, мм2; А – расстояние между центрами соседних деталей, мм; В – стандартная ширина ленты, мм. Если деталь изготовляют вытяжкой, то вначале необходимо определить диаметр заготовки (Dз) исходя из равенства площадей поверхностей детали и заготовки (рис. 18): Fпов.заг. = Fпов.дет., где Fпов.дет. – сумма площадей поверхностей геометрических фигур, образующих данную деталь. Тогда Dз = 1,13 Fпов.дет. Ввиду того, что расчеты по этой формуле получаются громоздкими, рекомендуется использовать готовые формулы из справочника. Затем производят расчет заготовки по указанной выше методичке. Если деталь изготовляют гибкой, то ширина полосы или ленты равна ширине детали, а длину заготовки определяют, как сумму длин прямых и изогнутых участков. В процессе гибки наружные слои растягиваются, а внутренние сжимаются, а разделяет их недеформирующийся нейтральный слой. Длина каждого изогнутого участка равна длине его нейтрального слоя и определяется по формулам из справочника. В работе следует сделать все технологические расчеты, указанные в задании, используя учебник, справочник и данные методических указаний. Варианты контрольного задания 2 Вариант 1 1. Изобразите схемы продольной и поперечно-винтовой прокатки. Изложите сущность прокатки и условие захвата заготовки валками. 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса изготовления поковки способом ковки на гидравлическом ковочном прессе. При выполнении работы следует: 1) Описать сущность процесса ковки и указать область ее применения; 2) Установить температурный интервал ковки, вид нагревательного устройства; 3) Выполнить чертеж детали в масштабе по заданному варианту; 4) Определить форму и размеры заготовки, рассчитать припуски и допуски; 5) Выполнить чертеж заготовки с расчетными размерами в масштабе; 6) Составить схему технологического процесса (см. приложение А). Вариант 2 1. Изобразите эскизы пяти профилей сортового проката. Перечислите прокатные операции технологического процесса получения сортового проката, начиная с указания исходного материала. 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса изготовления поковки способом ковки на гидравлическом ковочном прессе. При выполнении работы следует: 1) Описать сущность процесса ковки и указать область ее применения; 2) Установить температурный интервал ковки, вид нагревательного устройства; 3) Выполнить чертеж детали в масштабе по заданному варианту; 4) Определить форму и размеры заготовки, рассчитать припуски и допуски; 5) Выполнить чертеж заготовки с расчетными размерами в масштабе; 6) Составить схему технологического процесса (см. приложение А). Вариант 3 1. Составьте таблицу «Кузнечный инструмент и приспособления» по схеме: Наименование инструмента, приспособления Назначение 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса изготовления поковки способом ковки на гидравлическом ковочном прессе. При выполнении работы следует: 1) Описать сущность процесса ковки и указать область ее применения; 2) Установить температурный интервал ковки, вид нагревательного устройства; 3) Выполнить чертеж детали в масштабе по заданному варианту; 4) Определить форму и размеры заготовки, рассчитать припуски и допуски; 5) Выполнить чертеж заготовки с расчетными размерами в масштабе; 6) Составить схему технологического процесса (см. приложение А). Вариант 4 1. Опишите сущность процессов упругой и пластической деформации с точки зрения кристаллического строения металлов. Дайте определение пластичности и изложите влияние на нее химического состава, структуры, температуры нагрева; скорости и степени деформации. 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса изготовления поковки способом ковки на гидравлическом ковочном прессе. При выполнении работы следует: 1) Описать сущность процесса ковки и указать область ее применения; 2) Установить температурный интервал ковки, вид нагревательного устройства; 3) Выполнить чертеж детали в масштабе по заданному варианту; 4) Определить форму и размеры заготовки, рассчитать припуски и допуски; 5) Выполнить чертеж заготовки с расчетными размерами в масштабе; 6) Составить схему технологического процесса (см. приложение А). Вариант 5 1. Перечислите способы холодной объемной штамповки. Опишите сущность холодного выдавливания. Изобразите схемы пяти разновидностей холодного выдавливания. 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса изготовления поковки способом ковки на гидравлическом ковочном прессе. При выполнении работы следует: 1) Описать сущность процесса ковки и указать область ее применения; 2) Установить температурный интервал ковки, вид нагревательного устройства; 3) Выполнить чертеж детали в масштабе по заданному варианту; 4) Определить форму и размеры заготовки, рассчитать припуски и допуски; 5) Выполнить чертеж заготовки с расчетными размерами в масштабе; 6) Составить схему технологического процесса (см. приложение А). Вариант 6 1. Опишите явления, происходящие в металле деформировании, и укажите сущность процесса упрочнения. при холодном 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса получения деталей методом холодной объемной штамповки: 1) Описать сущность холодной объемной штамповки и указать область ее применения; 2) Вычертить деталь в масштабе, в соответствии с заданным вариантом; 3) Определить вид исходного материала; 4) Определить размеры заготовки; 5) Вычертить схему штамповки на холодновысадочном автомате и описать рабочий цикл изготовления винта (см. приложение Б). Вариант 7 1. Изложите сущность процесса волочения и укажите области его применения. Изобразите схему процесса. Опишите типы волочильных станов. Укажите необходимые условия для успешного ведения процесса. 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса получения деталей методом холодной объемной штамповки: 1) Описать сущность холодной объемной штамповки и указать область ее применения; 2) Вычертить деталь в масштабе, в соответствии с заданным вариантом; 3) Определить вид исходного материала; 4) Определить размеры заготовки; 5) Вычертить схему штамповки на холодновысадочном автомате и описать рабочий цикл изготовления винта (см. приложение Б). Вариант 8 1. Изложите сущность процесса прессования и укажите область его применения. Укажите оборудование, применяемое при прессовании. Изобразите схемы прямого прессования и прессования труб с указанием элементов комплекта инструментов. 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса получения деталей методом холодной объемной штамповки: 1) Описать сущность холодной объемной штамповки и указать область ее применения; 2) Вычертить деталь в масштабе, в соответствии с заданным вариантом; 3) Определить вид исходного материала; 4) Определить размеры заготовки; 5) Вычертить схему штамповки на холодновысадочном автомате и описать рабочий цикл изготовления винта (см. приложение Б). Вариант 9 1. Составьте таблицу «Основные способы штамповки» по схеме: Способ штамповки Краткая характеристика Что получается в результате штамповки 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса получения деталей методом холодной объемной штамповки: 1) Описать сущность холодной объемной штамповки и указать область ее применения; 2) Вычертить деталь в масштабе, в соответствии с заданным вариантом; 3) Определить вид исходного материала; 4) Определить размеры заготовки; 5) Вычертить схему штамповки на холодновысадочном автомате и описать рабочий цикл изготовления винта (см. приложение Б). Вариант 10 1. Составьте таблицу «Основные виды обработки металлов давлением» по схеме: Вид обработки Характеристика способа Применяемые инструменты Оборудование 2. По эскизу готовой детали (рис.) разработайте схему технологического процесса получения деталей методом холодной объемной штамповки: 1) Описать сущность холодной объемной штамповки и указать область ее применения; 2) Вычертить деталь в масштабе, в соответствии с заданным вариантом; 3) Определить вид исходного материала; 4) Определить размеры заготовки; 5) Вычертить схему штамповки на холодновысадочном автомате и описать рабочий цикл изготовления винта (см. приложение Б). Технология сварочного производства Сущность и классификация процессов сварки Изучение раздела следует начинать с рассмотрения физической сущности сварки, для понимания которой необходимо использовать сведения о строении металлов и связи между атомами вещества. Металл состоит из множества положительно заряженных ионов, упорядоченно расположенных в пространстве и связанных в единое целое облаком коллективизированных электронов. При соприкосновении двух металлических тел обычно не происходит их объединения в единое целое; этому препятствуют неровности на поверхности и пленки окислов, гидридов и нитридов, дезактивирующих ее. Если активизировать поверхности заготовок и сблизить все поверхностные ионы на расстояния, равные расстояниям между ионами, то происходит сварка, т.е. неразъемное соединение заготовок за счет реализации межатомных сил связи. На практике это достигают тепловым или силовым воздействием или их сочетанием. При сварке плавлением имеет место только тепловое воздействие – нагрев до расплавления кромок заготовок с образованием единой жидкой металлической ванны. Ее кристаллизация происходит путем последовательного единичного или группового оседания атомов жидкой фазы во впадинах кристаллической решетки твердой фазы, при котором устанавливаются межатомные связи. В результате кристаллизации в зоне сварки образуются зерна, принадлежащие как основному металлу, так и металлу шва. В зоне сварки устанавливается такое же атомно-кристаллическое строение металла, как и в основном металле, что создает возможность достижения равнопрочных сварных соединений. При сварке плавлением оксиды и другие примеси на свариваемых поверхностях частично разрушаются при нагреве, а частично переводятся в легкоплавкий шлак и всплывают на поверхность шва. При сварке давлением образование неразъемного соединения достигают в твердом состоянии путем силового воздействия, если оно вызывает совместную пластическую деформацию заготовок в зоне сварки. При этом снимаются неровности. А окислы и другие поверхностные пленки разрушаются и вытесняются из зоны сварки при пластическом течении металла. Образовавшиеся чистые активированные поверхности приводятся в соприкосновение, между атомами которых устанавливаются связи. Для металлов, обладающих высокой пластичностью (медь, алюминий), сварку давлением можно производить без нагрева (холодная сварка). Менее пластичные сплавы необходимо нагревать до температуры высокопластичного состоянии, чтобы исключить местные разрушения при значительной пластической деформации в процессе сварки. Дуговая сварка Дуговая сварка – один из видов сварки плавлением, в котором источник теплоты сварочная дуга, - стабильный и управляемый электрический разряд в газовой среде. Сварочная дуга – мощный и весьма концентрированный источник теплоты с температурой газа в столбе дуги 6000-7000 С. Важно усвоить условия возбуждения и стабилизации дуги, ее электрические и тепловые свойства, способы управления ее мощностью. При сварке стремятся к минимальному напряжению на дуге. Поэтому регулирование мощности дуги производят за счет изменения силы тока с помощью сварочного источника, управляя его вольт-амперной характеристикой. Надо усвоить комплекс основных требований к источникам тока: 1) легкое зажигание дуги и безопасность работы, что достигается напряжением холостого хода не более 60-70 В; 2) стабильное горение дуги на заданном режиме; 3) варьирование силой тока; 4) ограничение тока при коротком замыкании сварочной цепи (чтобы исключить повреждение источника, например, при зажигании дуги соприкосновение электродов). Для выполнения этих требований чаще всего применяют источник переменного или постоянного тока с напряжением холостого хода 60-70 В и падающей вольт-амперной характеристикой регулируемой крутизны. Ручная дуговая сварка При ручной дуговой сварке сварщик вручную манипулирует электродом, поддерживая заданную длину дуги, производя подачу электрода в дугу по мере плавления и перемещая его вдоль заготовки. При сварке плавящимся электродом на стержни электродов наносят защитно-легирующее покрытие, которое при расплавлении образует легкий шлак, покрывающий металл шва и ванну вязкой пленкой, препятствующей окислению. В составе покрытий содержатся раскислители и легирующие добавки, которые восстанавливают окислы в металле шва в период его контакта с жидким шлаком и легируют шов для повышения служебных свойств. Обратите внимание на принцип выбора типа и марки электрода для сварки, а также его диаметра и допустимого режима сварки. Ручная электродуговая сварка эффективна при сварке коротких, прерывистых швов со сложной траекторией, в труднодоступных местах, в различных пространственных положениях в условиях ремонта, опытного производства, монтажа и строительства. При этом процессе объем жидкого металла сварочной ванны незначителен, так, что он может удерживаться на вертикальной или потолочной плоскости за счет поверхностного натяжения. К недостаткам способа относится тяжелый ручной труд и малая производительность. Автоматическая сварка под флюсом При изучении этого процесса важно понять, как обеспечивается начало процесса, поддержание его на заданных режимах, защита от окисления и роль сварщика. Настройку автомата по заданной толщине металла производит наладчик, определяя необходимую величину силы тока, скорости сварки и напряжения на дуге, и задает скорость подачи электродной проволоки, равную скорости ее плавления на заданном режиме. Качество сварного шва при автоматической сварке обеспечивается правильным выбором марок проволоки (они имеют пониженное содержание примесей и обозначаются индексом «Св»), а также флюса. Необходимо изучить особенности технологии сварки, уяснив, что при автоматической сварке токопровод близко расположен к дуге и можно использовать, не опасаясь перегрева электрода, большие токи (до 3000 А) и тем самым достичь максимальной производительности. Но большая масса жидкой ванный позволяет выполнять сварку только в нижнем положении, а при сварке корневого шва требуются мероприятия по удержанию жидкой ванный (подкладки, флюсовые подушки). Необходимо понять, что автоматическую сварку под флюсом рационально применять для получения однотипных узлов, имеющих протяженные прямолинейные и кольцевые швы – для листовых заготовок повышенной толщины (более 3 мм) из различных сталей, меди, никеля, титана, алюминия и их сплавов. Электрошлаковая сварка Рассмотрите сущность процесса и его отличия от сварки под флюсом. Для начала процесса необходима шлаковая ванна, которую получают с помощью сварочной дуги непосредственно в начале сварки. Подавая флюс в дугу, создают значительный слой электропроводного жидкого шлака. Важно уяснить, что после создания определенного слоя жидкого шлака дуга погружается в шлак, удлиняется и становится неустойчивой. Это приводит к прекращению дугового разряда и замыканию сварочной цепи через жидкий шлак, подогреваемый джоулевой теплотой при прохождении через нее электрического тока. Плавление электродной проволоки, подаваемой в сварочную ванну, обеспечивается теплотой перегретого шлака. Теплота расходуется также на оплавление кромок свариваемых заготовок по всей толщине. Следовательно, в электрошлаковом процессе источником теплоты является шлаковая ванна, источник является распределенным в отличие от сосредоточенного источника – дуги. Процесс сварки возможен при вертикальном расположении шва, скорость процесса сварки 1-5 м/ч, а производительность тем выше, чем больше толщина свариваемых заготовок. Электрошлаковая сварка применяется для соединения толстолистовых (более 20 мм) заготовок, отливок, поковок и слитков из чугуна, стали, медных, никелевых, титановых и алюминиевых сплавов. Дуговая сварка в защитных газах Уясните особенности защиты места сварки, заключающиеся в оттеснении атмосферы из зоны горения дуги защитными газами и их взаимодействии с металлом ванны. Защитные газы могут быть инертными (аргон, гелий) и активными (углекислый газ, азот, водород). Инертные газы не вступают в реакцию с металлом сварочной ванны и не растворяются в нем. Поэтому химический состав шва одинаков с составом свариваемого металла, что обеспечивает наиболее высокое качество сварных соединений. Важно усвоить, что инертные газы применяют при сварке легированных сталей и сплавов на основе титана, циркония, ниобия, алюминия, магния. Для ряда сплавов качественные соединения можно получить при сварке в среде активных газов, которые могут вступать в химические реакции с металлом сварочной ванны. Так, большинство марок конструкционных сталей сваривают в среде углекислого газа. Попадая в зону высоких температур дуги, он частично диссоциирует с выделением атомарного кислорода. Для защиты от окисления применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца (1-2%), которые способны восстановить окислы железа, при этом продукты реакции всплывают на поверхность шва в виде шлака. Следует иметь в виду, что при сварке в защитных газах сварочная ванна охлаждается быстрее, так как объем ее мал. Это позволяет в отличие от сварки под флюсом производить сварку в защитных газах в потолочном и вертикальном положениях. Например, возможна сварка встык невращающихся труб за счет движения автоматической сварочной головки вокруг стыка трубы. Газовая сварка и резка металлов При газовой сварке металл расплавляется теплотой, выделяемой при горении горючего газа в смеси с кислородом. Важно, что наиболее высокотемпературная (3200 С) зона пламени имеет восстановительные свойства и защищает металл от окисления при сварке. Для борьбы с окислами на поверхности свариваемого металла используют флюсы в виде паст. Однако эффективность этих мер недостаточна при сварке сложнолегированных сплавов, а также сплавов титана и др. Кроме того, газовая сварка мало производительна и не автоматизируется. Поэтому ее значение сохраняется лишь при ремонте чугунных, латунных, тонкостенных стальных заготовок и в полевых условиях. В противоположность газовой сварке непрерывно расширяется применение в промышленности газовой резки. Важно понять, что под резкой понимают местное окисление твердого нагретого металла струей кислорода с последующим расплавлением окислов и выдуванием их из зоны реза. Уточните, какие причины препятствуют резке чугуна, меди, алюминия и нержавеющих сталей при обычной кислородной резке. Контактная сварка При изучении контактной сварки, относящейся к сварке давлением, рассмотрите сущность способа и уясните цель подогрева металла джоулевой теплотой. Необходимо понять, почему теплота интенсивнее выделяется в зоне сварки, т.е. контакте между заготовками, и почему эта зона имеет наибольшее электросопротивление. Уяснить, почему стыковую, точечную и роликовую сварку называют контактной и в чем различие этих процессов. Стыковую сварку применяют для соединения заготовок компактных сечений (рельсы, прутки, трубы). Их торцы нагревают, а затем сжимают для обеспечения совместной пластической деформации заготовок. Сварку ведут по двум вариантам: сопротивлением и оплавлением. Сварку сопротивлением применяют при соединении небольших заготовок из однородных сплавов, с обработанными и очищенными торцами и с подгонкой по площади поперечного сечения в месте сварки. Сварку оплавлением применяют при соединении более крупных заготовок различных сечений из любых металлов без предварительной обработки торцов, нагрев ведут до полного оплавления торцов. При последующем сжатии жидкий металл с окислами и другими загрязнениями выдавливается из зоны сварки, а в совместной пластической деформации участвуют нагретые слои твердого металла. Точечная и роликовая сварка предназначена для соединения листовых заготовок. Края заготовок, собранные внахлестку, сжимают электродами и нагревают проходящим электрическим током. Важно отметить, что максимальный нагрев достигается в контакте между листами заготовок, он обычно приводит к частичному расплавлению заготовок по толщине и образованию литого ядра сварной точки. Давление способствует получению плотного металла в точке. Необходимо изучить устройство машин для контактной сварки (например, для односторонней и двусторонней точечной сварки) их разновидности (одноточечные и многоточечные машины), назначение основных узлов машин и возможности механизации процесса. Следует рассмотреть подготовку заготовок под сварку и их сборку, технологические возможности процессов и характерные области применения (материалы, толщины, типы конструкций). Свариваемость металлов Под свариваемостью металла понимают его способность образовывать данным способом сварки качественное сварное соединение, служебные свойства которого приближаются к свойствам свариваемого металла. Свариваемость металлов и сплавов различна. Она зависит от состава сплава и способа сварки. Следует понять принцип деления металлов по степени свариваемости. Следует изучить причины ограниченной свариваемости металлов и виды дефектов, возникающих при их сварке. Первой причиной являются напряжения и деформации в металле при сварке из-за неравномерного нагрева заготовок, которые действуют как на этапе кристаллизации шва, так и после полного охлаждения. В тех случаях, когда напряжения велики, а металл при сварке претерпел закалку, в сварном соединении образуются холодные трещины. Надо уяснить основные способы борьбы с холодными и горячими трещинами. Кроме того, надо понять, что свариваемость может быть низкой из-за снижения прочностных или антикоррозионных свойств сварных соединений в результате укрупнения зерна в зоне шва и околошовной зоны при высокотемпературном нагреве. Методические указания по выполнению контрольного задания 3 Задание состоит из двух частей. Первая часть – изучение способов сварки, вторая - разработка схем технологических процессов сварки изделий. В первой части задания привести краткое описание сущности рассматриваемого процесса, его технологических особенностей и области применения. Во второй части – рассмотреть разработку схемы технологического процесса сварки изделия, а также выполнить расчеты некоторых технологических параметров. Важный параметр технологического процесса дуговой сварки (варианты заданий 1-5) – подготовка кромок и сборка заготовок. Поэтому необходимо прежде всего указать тип сварного соединения, форму разделки кромок, сборку под сварку. Режим сварки – один из основных элементов технологического процесса, который определяет качество и производительность сварки. При ручной дуговой сварке (вариант задания 1) основные параметры режима: диаметр электрода (мм), сварочный ток (А) св, напряжение на дуге (В) Uд и скорость сварки (м/ч) 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/(Ахч)]. 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 (А) в зависмости от диаметра электрода определяют по эмпирической формуле: св = kхdэл, где k – коэффициент, равный 50 А/мм; dэл – диаметр электрода, мм. Напряжение на дуге для наиболее широко применяемых электродов в среднем составляет 25-28 В. Скорость сварки определяют из выражения, м/ч: ан х св Vсв = ------------------- х Fн х 100 где ан – коэффициент наплавки, г/(Ахч); - плотность металла, г/см3; Fн – площадь поперечного сечения наплавленного металла шва, см2, представляющий сумму площадей элементарных геометрических фигур, составляющих сечение шва. Зная площадь наплавленного металла, плотность и длину сварных швов, определяют его массу (г) на все изделие по формуле Gн х м = Fн х мL, где Gн х м – масса наплавленного металла, г, Fн х м – площадь наплавленного шва, см2; L – длина сварных швов на изделии, см; - плотность металла, г/см3. Расход толстопокрытых электродов с учетом потерь приближенно можно принимать равным 1,6-1,8 от массы наплавленного металла. Количество электроэнергии (кВтхч), идущей на сварку изделия, определяют как произведение сварочного тока на напряжение дуги и на время сварки. Время сварки изделия подсчитывают, зная скорость сварки, или определяют по формуле. tсв = Gн.м / (ан Iсв), где Gн.м – масса наплавленного металла, г, ан – коэффициент наплавки, г /(Ахч), Iсв – сварочный ток, А. Марку электродной проволоки выбирают в зависимости от химического состава свариваемого материала. Для сварки коррозионно-стойких нержавеющих сталей марок 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т и др. применяют электродные проволоки марок Св-01Х10Н9 и Св-06Х19Н9Т (ГОСТ 2246-70). Коэффициент наплавки (ан), который необходим для определения некоторых параметров режима, можно принять равным 17 г/(Ахч). Варианты контрольного задания 3 Вариант 1 1. Изобразите схему электродуговой сварки. и опишите сущность процесса ручной 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 2 1. Изобразите схему и опишите сущность процесса автоматической сварки под слоем флюса. Укажите назначение флюса и флюсовой подушки. 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 3 1. Охарактеризуйте основные виды сварных соединений и дайте классификацию сварных швов. 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 4 1. Изобразите схему и опишите сущность процесса электрошлаковой сварки. Укажите достоинства и особенности электрошлаковой сварки. 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 5 1. Что понимается под свариваемостью металлов и сплавов и от чего она зависит? В чем особенности свариваемости сталей различного химического состава? 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 6 1. Опишите сущность процесса, достоинства, недостатки и область применения основных способов дуговой сварки в среде защитных газов. 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 7 1. Изобразите схему и опишите сущность процесса контактной шовной (роликовой сварки). Начертите и опишите цикл шовной сварки. 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 8 1. Изобразите схему и опишите сущность процесса контактной стыковой сварки сопротивлением. Начертите и опишите цикл стыковой сварки сопротивлением. Объясните, почему в месте контакта заготовки выделяется наибольшая тепловая энергия. 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 9 1. Опишите сущность газовой сварки, ее достоинства, недостатки и область применения. Основные виды горючих материалов, применяемых при газопламенной обработке металлов. 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Вариант 10 1. Перечислите виды ацитилено-кислородного пламени. Для каждого вида пламени укажите его особенности, строение и применение. 2. Выберите и рассчитайте основные параметры технологического режима ведения электродуговой сварки: 1) Выполнить эскиз сварочного соединения в соответствии с вариантом; 2) Определить разделку кромок заготовки; 3) Выбрать марку и диаметр электрода; 4) Рассчитать величину сварочного тока, общее количество наплавленного металла, время потребное для сварки шва, скорость сварки, расход электрической энергии (исходные данные см. приложение В). Приложение А Разработка технологического процесса получения поковки Деталь: колесо зубчатое Материал: сталь 45 Припуски на размеры: До 100 мм – 2% Свыше 100 мм – 3% Примечание: D = d + 2m Модуль m мм d мм d1 мм d2 мм d3 мм d0 мм а мм b мм с мм 1 2 2 2,5 3 3 4 3,5 5 4 6 4,5 7 5 8 1 9 1,5 10 2 200 180 110 60 40 10 30 40 210 190 120 70 45 15 45 60 220 200 130 80 45 15 45 60 240 220 150 100 50 20 60 70 250 230 160 110 50 20 60 80 260 240 180 130 55 25 75 85 270 240 180 140 60 25 75 90 100 80 60 40 20 8 24 32 105 85 65 45 25 8 27 40 110 90 60 40 20 10 30 50 Приложение Б Технология получения детали методом холодной объемной штамповки Деталь: винт Материал: сталь 20 Примечание: l2 = l- D/2 М D l l1 1 8 16 100 60 2 10 20 110 60 3 12 20 120 50 4 14 22 120 50 5 16 22 100 40 6 18 14 110 40 7 20 28 120 45 8 22 28 130 55 9 16 22 90 40 10 18 24 105 50 Приложение В Технологический процесс электродуговой сварки Параметры 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 стыковое тавровое угловое стыковое тавровое стыковое тавровое Сталь 20Л Сталь 10 Сталь 20 Ст3 нахлесточное Сталь 25 угловое Материал Сталь свариваемых 20 деталей Размеры свариваемых заготовок: - толщина, 23 мм - длина, 1010 мм нахлесточное Ст1 Ст2 Сталь 30 Сталь 45 Тип сварочного соединения 15 40 20 15 8 10 6 22 18 600 350 880 165 70 200 70 900 100