Технология обработки материалов

Для получения заготовок и деталей в машиностроении применяют следующие методы: литье, обработка металла давлением, обработка резанием, сварка, лучевые, плазменные и электрохимические методы.

Каждый из методов содержит большое число способов получения заготовок.

Метод – это группа технологических процессов, в основе которых лежит единый принцип формообразования.

Литье – получение заготовок путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки.

Обработка давлением – технологические процессы, которые основаны на пластическом формоизменении металла.

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок.

При выборе метода необходимо ориентироваться в первую очередь на материал и требования к нему с точки зрения обеспечения служебных свойств изделия (литье – чугун, стали с обозначением Л).

Особо ответственные детали, к которым предъявляются высокие требования по размеру зерна, направлению волокон, а также по уровню механических свойств, всегда следует изготавливать из заготовок, полученной обработкой давлением.

Выбор способа получения заготовки сложная задача.

Способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим высокое качество детали, производительным, нетрудоемким.

Основные факторы, влияющие на выбор способа получения заготовки:

Характер производства.

Для мелкосерийного и единичного производства характерно использование в качестве заготовок горячекатаного проката, отливок, полученных в песчано-глинистых формах, поковок, полученных ковкой.

Это обуславливает большие припуски, значительный объем последующей механической обработки, повышение трудоемкости.

В условиях крупносерийного и массового производств рентабельны способы получения заготовок: горячая объемная штамповка; литье в кокиль, под давлением, в оболочковые формы по выплавляемым моделям.

Применение этих способов позволяет значительно сократить припуски, снизить трудоемкость изготовления детали.

Повышение точности формообразующих процессов, выбор наиболее точных и прогрессивных способов получения заготовок на базе увеличения серийности производства является одним из важнейших резервов повышения технического уровня производства.

Материалы и требования, предъявляемые к качеству детали

Материалы должны обладать необходимым запасом определенных технологических свойств – ковкостью, штампуемостью, жидкотекучестью, свариваемостью, обрабатываемостью.

Для деформируемых материалов необходимым технологическим свойством является технологическая пластичность. Особо жесткие требования по технологической пластичности предъявляются к сплавам, из которых детали получают холодной обработкой давлением – выдавливанием, вытяжкой, гибкой, формовкой.

Если металл обладает низкой жидкотекучестью, высокой склонностью к усадке, то не рекомендуется применять литье в кокиль, под давлением, так как из-за низкой податливости металлической формы могут возникнуть литейные напряжения, коробление отливки, трещины. Целесообразно применять оболочковое литье и литье в песчано-глинистые формы.

Для ответственных, тяжело нагруженных деталей (валы, шестерни, зубатые колеса), для которых предъявляются определенные требования к качеству металла и к физико-механическим свойствам – целесообразно использовать поковки, так как в процессе деформирования создается мелкозернистая, направленная волокнистая структура, значительно повышающая физико-механические свойства материала.

Размеры, масса и конфигурация детали.

Удельная стоимость отливок и поковок растет с уменьшением их массы. Закономерность общая для всех способов получения заготовок и деталей, так как трудоемкость формообразования определяют общей площадью поверхностей, подлежащих обработке.

Размеры детали часто играют решающую роль. При литье по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением размеры отливки ограничены технологическими возможностями оборудования и инструмента.

Способом горячей объемной штамповки возможно получение поковок до 1000 кг.

Качество поверхности заготовок, обеспечение заданной точности.

Использование точных способов обеспечивает достаточную чистоту поверхности и высокую точность заготовок.

Совершенствование ковки и штамповки обеспечивают параметры шероховатости и точность размеров, соответствующих механической обработке и даже финишных операций.

Калибровка, холодное выдавливание обеспечивают получение готовых деталей (заклепки, гайки, болты).

Возможности имеющегося оборудования.

Учитывают при изготовлении заготовок способами центробежного литья, литья под давлением, горячей объемной штамповкой. Иногда это является определяющим моментом.

Например, наличие в кузнечном цехе ротационно-ковочных машин позволяет получить ступенчатые заготовки практически без механической обработки. То же – при наличии механических прессов двойного действия или гидравлических многоступенчатых прессов.

Мощность кузнечно-штамповочного оборудования определяет номенклатуру изготовления деталей.

Металлургическое производство подразделяется на 2 основные стадии. В первой получают металл заданного химического состава из исходных материалов. Во второй стадии металлу в пластическом состоянии придают ту или иную форму при практически неизменном химическом составе обрабатываемого материала.

Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используют в технике. При этом изменение формы осуществляется преимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Получение изделий, таким образом, называют обработкой металлов давлением (ОМД). Давящий на металл инструмент придает слитку или заготовке необходимую форму и размеры, так же происходит придание металлу необходимых механических свойств.

Существуют следующие основные виды ОМД:

- прокатка;

- волочение;

-прессование;

- ковка;

- штамповка.

Прокатка металлов является таким видом пластической деформации, когда исходная заготовка обжимается вращающимися валками прокатного стана в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы . Существуют три основных способа прокатки: продольная, поперечная, поперечно-винтовая.

При продольной прокатке (Рисунок 1а) деформирование заготовки (2) осуществляется между двумя вращающимися в разные стороны валками (1 и 3). Продвижение заготовки в зеве валков и ее обжатие осуществляется за счет сил трения.

При поперечной прокатке (Рисунок 1б) видно, что оси прокатных валков 1 и 3 и обрабатываемой заготовки 2 параллельны. Оба валка вращаются в одном направлении, а заготовка, круглого сечения, противоположном. В процессе поперечной прокатки обрабатываемая заготовка удерживается от смещения в валках с помощью специальных приспособлений, называемых проводками. Обжатие заготовки по диаметру и придание ей требуемой формы сечения обеспечивается соответствующей профилировкой (калибровкой) валков и изменением расстояния между ними. Данным способом производят изделия, представляющие собой тела вращения (шары, оси, шестерни).

Рисунок 1 - Схемы: а – продольной прокатки; б –поперечной прокатки; в – схема поперечно – винтовой прокатки.

Поперечно–винтовая прокатка выполняется во вращающихся в одном направлении валках, расположенных под углом друг к другу (Рисунок 1в). Эти станы используют при производстве труб, для прошивки (изготовления отверстия) слитка или заготовки в гильзу.

В момент соприкосновения круглой заготовки с вращающимися валками, имеющими наклон к оси обрабатываемой заготовки, ей передается вращательно-поступательное (винтовое) движение. Возникают силы, как вдоль ее оси, так и направленные по касательной к ее поперечному сечению. Совместное действие этих сил приводит к вращению заготовки, относительно ее оси, втягиванию в суживающуюся щель, происходит деформация, то есть происходит обжатие заготовки валками и ее удлинение вдоль оси бочки.

Волочение металла (Рисунок 2) – это протягивание изделия (1) круглого или фасонного профиля через отверстие волочильного инструмента, называемого волокой (2). Площадь отверстия выходного сечения волоки меньше площади сечения исходного изделия. Волочение выполняется тяговым усилием, приложенным к переднему концу обрабатываемой заготовки. Данным способом получают проволоку всех видов, прутки, панели.

Рисунок 2 - Схема процесса волочения

Прессование металла (Рисунок 3) – это процесс вытеснения металла помещенного в контейнер (1), через отверстие матрицы (2). При этом выходящий конец (3) заготовки получает сечение, соответствующее контуру отверстия матрицы.

Рисунок 3 - Схема процесса прессования

Прессованием получают прутки, трубы, сортовые профили, панели. Наибольшее применение этот способ ОМД нашел при обработке цветных металлов.

Ковка (Рисунок 4) – это деформирование заготовки (2) с помощью универсального подкладного инструмента или бойков (1 и 3).

Рисунок 4 - Схема свободной ковки

Бойки чаще всего бывают плоскими, однако применяют врезные и закругленные бойки. Нижний боек обычно неподвижен, верхний совершает возвратно - поступательное движение. В результате многократного воздействия инструмента на заготовку и ее перемещения получают необходимую форму и размеры.

Объемная горячая или холодная штамповка – это придание заготовке заданной формы и размеров путем заполнения металлом рабочей плоскости штампа (Рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема объемной штамповки

Листовая штамповка является таким видом ОМД, когда для получения деталей типа колпачков, втулок и других изделий (Рисунок 6) в качестве исходного материала используют лист и ленту. При этом обработка изделия выполняется без значительного уменьшения толщины листа.

Рисунок 6 - Схема листовой штамповки

Среди приведенных выше способов ОМД прокатка занимает главенствующую роль. Примерно 80% всего выплавляемого металла проходят через прокатные станы. Полученные заготовки, лист и сортовой металл используют в строительстве, машиностроении и для других видах обработки.

Для ковки исходным материалом является заготовка, прокат круглого или прямоугольного сечения, при штамповке – лист или лента, для волочения – катанка, получаемая на проволочных станах.

Производство изделий из металлов и сплавов основывается на теории обработки металлов давлением, являющейся базой разработки технологических операций получения изделий, проектирования, эксплуатации оборудования.