Процессы механической и физико-технической обработки

ПРОЦЕССЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЛЕКЦИИ Составитель: к.т.н., доц.Богданова Е.Н. Москва 2015 Обработка материала предусматривает придание ему необходимых размеров, формы, определенных свойств и включает в себя широкий класс следующих процессов: резание, шлифование, давление, прессование, термообработка, склеивание, пайка, сварка, оксидирование, сплавление, травление, электролиз, глубинное и поверхностное закаливание, обработка взрывом, водоструйная и пескоструйная обработка, обработка токами высокой частоты, растворение, окрашивание и др. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 1. Материалы для режущих инструментов В основу режущих инструментов положен режущий клин, состоящий из двух поверхностей, сходящихся в острую кромку. Режущий клин при работе подвергается истиранию, тепловым воздействиям и силовым нагрузкам. Внедрение клина в заготовку возможно лишь при преобладающей прочности материала инструмента. Материалы для режущих инструментов подразделяются на следующие основные группы: инструментальные стали; твердые сплавы; минералокерамика и керметы, сверхтвердые материалы. Инструментальные стали в зависимости от химического состава делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие. По твердости в холодном состоянии все эти стали мало отличаются друг от друга, основное их отличие в теплостойкости. Углеродистые стали (У10А, У12А и др.) имеют низкую теплостойкость – до 200…250°С. У легированных сталей (имеют около 1% легирующих элементов: вольфрама, хрома, ванадия и др.) – большая теплостойкость – до 300°С (марки 9ХС, ХВГ, Х6ВФ и др.). Углеродистые и легированные стали применяются для изготовления инструментов, работающих с малыми скоростями резания: плашки, метчики, развертки и слесарные инструменты. Быстрорежущие стали имеют содержание вольфрама до 6…18% и большое количество легирующих элементов: Р – вольфрам, К – кобальт, М – молибден, Ф – ванадий и др. Быстрорежущие стали умеренной теплостойкости – до 620…630 °С (марки Р9К10, Р9М4К8, Р18Ф2К8М и др.) – предназначены для обработки труднообрабатываемых материалов: жаропрочных и титановых сплавов, нержавеющих сталей и др. Стали с высокой теплостойкостью (до 700…730°С) и твердостью (до 68…69 HRC) легированы большим количеством кобальта (до 16…25%), вольфрама (до 11…20%) и молибдена (до 4…7%). Эти стали (марки В18М7К25, В14М7К25 и др.) используются при резании труднообрабатываемых материалов. Твердые сплавы изготовляются методом порошковой металлургии. Основными компонентами твердых сплавов являются карбиды вольфрама, титана и тантала, а в качестве связки используются кобальт, никель, молибден. Теплостойкость твердых сплавов различных марок составляет 800…1000°С, твердость – до 86…90 HRC, прочность при сжатии – до 3,5 ГПа, прочность при изгибе – до 1,8 ГПа. Инструменты из твердых сплавов работают на высоких скоростях резания. В зависимости от состава карбидной фазы твердые сплавы делятся на четыре группы: однокарбидные (группа ВК), двухкарбидные (группа ТК), трехкарбидные (группа ТТК) и безвольфрамовые (группа ТН) Режущие инструменты, оснащенные минералокерамикой, обладают высокими твердостью (92…94 HRA), теплостойкостью (до 1200°С) и износоустойчивостью. Наибольшее распространение получила керамика оксидного и оксидно-карбидного типов. Оксидная керамика содержит до 99% AL2O3 (например, марка ЦМ 332). Ее используют только для чистовой и получистовой обработки материалов на виброустойчивых станках. Оксидно-карбидная керамика получается добавлением к основе 157 (AL2O3) одинарных и сложных карбидов титана, вольфрама и молибдена (до 40%). Выпускаются керамики марок В3, ВОК-60, ВОК-63 в виде пластин, которые крепятся к корпусу инструмента. К группе сверхтвердых материалов относятся естественные и искусственные алмазы и нитрид бора. Твердость алмаза составляет порядка 100 ГПа, он обладает высокой износостойкостью, малым коэффициентом трения, хорошей теплопроводностью, однако имеет относительно низкую теплостойкость (800°С) и большую хрупкость (σn = = 0,3…0,6 ГПа). В качестве синтетических алмазов используют поликристаллы марок баллас, карбонадо, карболит (по твердости они близки твердости природных алмазов, а по прочности на изгиб в 2-3 раза превосходят их). Инструменты из синтетических алмазов показывают высокие режущие свойства при обработке титановых сплавов, высококремнистых алюминиевых сплавов, медных сплавов, стеклопластиков, композиционных материалов, минералокерамики и других материалов. Для обработки сталей алмазные инструменты непригодны ввиду высокой химической активности, которая приводит к интенсивному износу инструмента. На основе синтетических алмазов выпускают композиционные материалы, например пластины марок АТП (алмазно-твердосплавные), БПА (бипластины алмазные). К одному из видов резания относится абразивная обработка материалов: разрезка очень твердых материалов; зачистка сварных швов; заточка лезвийных режущих инструментов; шлифование, хонингование, притирка, полирование и др. Для изготовления абразивных инструментов используются частицы материалов различной зернистости, обладающие высокой твердостью и способностью резания. Абразивные инструменты бывают со связанными зернами (шлифовальные круги, головки, бруски, ленты) и в виде несвязанных – свободных зерен (пасты, 159 суспензии, порошки). Для изготовления абразивных инструментов используют главным образом искусственные абразивные материалы: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетические алмазы, кубический нитрид бора. Основная составляющая электрокорунда – кристаллический оксид алюминия Al2O3 (микротвердость 18,6…23 ГПа, плотность 3,93…4,01 г/см3 ). Существует несколько разновидностей электрокорунда, отличающихся режущими свойствами, прочностью и размером зерен. Карбид кремния SiC обладает более высокой твердостью (до 32…35 ГПа), но имеет высокую хрупкость и малую прочность, поэтому применяется для обработки хрупких материалов – чугунов, бронзы, титановых и тугоплавких сплавов, заточки твердосплавных инструментов. Карбид бора В4С имеет высокую твердость (39…44 ГПа), большую хрупкость и применяется в виде порошков для доводочных процессов и при ультразвуковой обработке хрупких материалов. Для изготовления абразивных инструментов также используются синтетические алмазы и кубический нитрид бора. По зернистости абразивные материалы подразделяются на четыре группы: шлифзерна, шлифпорошки, микропорошки и тонкие микропорошки, которые в свою очередь тщательно подразделяются по номерам зернистости в зависимости от назначения абразивного материала. Эффективность работы абразивных зерен очень сильно зависит от связующего вещества: неорганические (керамическое, магнезиальное, силикатное), органические (бакелитовое, глифталевое, вулканитовое), металлические (порошки олова, меди, алюминия + наполнители). 2. Элементы режима резания При обработке материалов резанием различают обрабатываемую поверхность, обработанную и поверхность резания. Обработанная поверхность получается после снятия стружки и ее вид определяется сочетанием рабочих движений. Главное движение определяет быстроту деформирования слоя, снимаемого с заготовки, а скорость этого движения называют скоростью резания V. Движение, предназначенное для врезания инструмента в новые слои материала заготовки, называется подачей, обозначают S. Поверхность резания образуется на обрабатываемой детали непосредственно режущей кромкой и зависит от формы клина режущего инструмента. Рабочие движения могут быть непрерывными (точение, сверление, фрезерование) или прерывистыми (строгание). При круглом шлифовании главное движение осуществляется непрерывно шлифовальным кругом, а подача – прерывисто. Главное рабочее движение всегда одно, а подач может быть несколько (например, поперечная подача Sпоп, продольная подача Sпрод). Скорость резания при вращательном главном рабочем движении определяется окружной скоростью точки, взятой на наибольшем диаметре заготовки, м/мин: V = πDn/1000, где D – диаметр заготовки, мм; n – частота вращения, мин-1. При продольном точении цилиндрических заготовок скорость резания постоянна, а при поперечной подаче (подрезка торца, отрезка) окружная скорость уменьшается к центру детали. При шлифовании скорость резания определяется по этой же формуле, где D – диаметр шлифовального круга. Подача S – величина перемещения режущей кромки резца в направлении подачи в единицу времени или за один оборот заготовки. Глубина резания t– размер срезаемого слоя, определяемый в направлении радиуса заготовки как полуразность диаметра заготовки D и диаметра обработанной поверхности d (t = (D-d) /2). Сечение срезаемого слоя может быть определено по формуле: f = t⋅S = a⋅b, где а – толщина срезаемого слоя в направлении, нормальном к режущей кромке; b – ширина срезаемого слоя (определяется шириной поверхности резания). Параметры t, S являются технологическими и характеризуют выбранный режим резания, параметры а, b являются физическими и характеризуют параметры стружки. Поскольку процесс резания осуществляется по винтовой линии, то на обработанной поверхности образуются следы («гребешки») в виде винтовых канавок, размеры которых зависят от величины продольной подачи и радиуса округления вершины резца. Естественно, чем больше радиус округления и меньше величина подачи, тем меньше шероховатость поверхности. При увеличении V, S и t увеличивается объем материала, снимаемый в единицу времени, т.е. увеличивается производительность. Но наступает момент, когда дальнейшее повышение уровня режима резания приводит к быстрому износу инструментов, узлов станка и оборудования. Основным фактором здесь является расход режущего инструмента за счет абразивного воздействия, выкрашивания и осыпания. Износ инструмента происходит по определенным закономерностям. Вначале прирабатывается и несколько округляется режущая кромка. Постепенно величина износа достигает определенного значения, допустимого без ухудшения чистоты и точности обработки. Дальнейшая работа приводит к резкому возрастанию износа по задней и передней поверхностям режущего клина и его разрушению. Время работы резца до допустимой величины износа, определяемой критерием затупления, называется периодом стойкости Т и выражается в минутах (секундах), в единицах длины пути режущей кромки или по величине срезаемой площади. Для определения оптимального износа пользуются различными критериями, однако на практике в основном применяют органо-лептический контроль (по внешнему осмотру режущей кромки, по характерному звуку при резании, по температуре режущего инструмента и т.п.), эффективность которого зависит от профессиональной подготовки и производственного опыта специалиста. Характеристики режимов резания (Т, V, S, t и др.) определяются обрабатываемостью материала, под которой понимается комплекс характеристик, определяющих способность материалов ограничивать производительность и качество обработки, например, величины износа и стойкости режущих инструментов, оптимальные значения геометрических параметров режущей части инструментов и режимов резания, физико-химические свойства обрабатываемого и инструментального материалов и др. Выбор режимов резания определяется по справочникам, составленным на основе практического опыта и математических моделей, в которых указывается (в зависимости от обрабатываемого материала): материал режущего инструмента, углы его заточки, характеристики режимов резания, потребность в применении охлаждающей или смазывающей жидкостей и т.п. 3. Образование обработанной поверхности и стружки Процесс резания можно рассматривать как процесс местного сжатия металла резцом с последующим образованием стружки. Слой материала, подлежащий срезанию, находится в слож- нонапряженном состоянии; упругим и пластическим деформациям подвергаются также близлежащие слои материала впереди резца и под резцом. В процессе резания различных материалов могут образовываться следующие основные виды стружек: сливные (непрерывные), скалывания (элементообразные) и надлома. Сливные стружки образуются при резании вязких и мягких материалов (мягких сталей, латуни, древесных материалов, большинства пластмасс и др.) и являются наиболее распространенными. Стружки надлома образуются при резании хрупких материалов (серых чугунов, бронзы и др.) и состоят из отдельных, как бы вырванных элементов, почти не связанных между собой. Обработанная поверхность при такой стружке получается шероховатой, неровной. Стружки скалывания занимают промежуточное положение между сливными стружками и стружками надлома и образуются при обработке некоторых сортов латуни, твердых сталей и других материалов с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий обработки стружка скалывания может перейти в сливную, и наоборот. Образованию сливной стружки способствуют увеличение переднего угла режущего инструмента, уменьшение толщины среза, повышение скорости резания. Характер и степень деформации при образовании стружки определяют шероховатость обработанной поверхности, количество тепла, выделяющегося при резании, форму стружки, износ режущего инструмента и другие явления, происходящие при резании материалов. В процессе резания пластическая деформация происходит не только в срезаемом слое, но и в поверхностном слое основной массы материала; пластическое деформирование вызывает изменение свойств материала. Например, при обработке металлов происходит повышение его твердости, снижаются относительное удлинение и ударная вязкость. Глубина наклепа (упрочнения) уменьшается при увеличении скорости резания. Наибольшее упрочнение получает материал стружки, причем его твердость может быть выше твердости обрабатываемого материала в 1,5-4 раза. При обработке материалов (особенно пластических) резанием происходит усадка стружки, которую можно рассматривать как интегральное выражение степени пластических деформаций материала. Усадка стружки зависит от режимов резания, геометрических параметров инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала. В некоторых случаях на передней поверхности резца около режущей кромки налипает обрабатываемый материал, образуя так называемый нарост. Причинами образования нароста являются весьма высокие удельные нагрузки и наличие около режущей кромки небольшой зоны нулевых скоростей (застойная зона в месте раздвоения материала). Твердость нароста в 2-3 раза превосходит твердость обрабатываемого материала, в результате чего сам нарост производит резание материала, являясь как бы продолжением резца. Нарост изменяет форму передней поверхности резца, что приводит к изменению режимов резания. Наростообразование не является стабильным явлением. Нарост, постепенно формируясь, достигает своего максимального значения и, разрушаясь, может быть вдавлен в обработанную поверхность. Нестабильность нароста по высоте ведет к образованию неровностей на обработанной поверхности. На размеры нароста оказывают влияние многие факторы: физико-механические свойства обрабатываемого материала, режимы резания, геометрические параметры инструмента, смазочно- охлаждающая жидкость. С увеличением пластичности обрабатываемого материала размеры нароста возрастают. При обработке материалов с низкой температурой плавления и при высоких скоростях резания и подачи появление нароста возможно за счет оплавления материала. При резании твердых материалов возникает хрупкое разрушение и трещина, которая распространяясь с большой скоростью, полностью отделяет элемент стружки от основного материала. Распространение трещин ниже линии среза приводит (даже при образовании сливных стружек) к появлению на обработанной поверхности деталей вырывов, выступов и зазубрин. В процессе резания при определенных условиях возникают колебания (вибрации) технологической системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь). Эти вибрации оказывают вредное воздействие на процесс резания: увеличивают износ инструмента, станка и шероховатость обработанной поверхности. Причинами вибрации могут быть: неуравновешен- ные части станка (шкивы, зубчатые колеса, валы); неуравновешенность вращающегося инструмента (резцовые головки, фрезы, шлифовальные и заточные круги); неуравновешенность обрабатываемой детали; вибрации близко расположенного оборудования; износы в подшипниковых узлах шпинделей станков; неравномерность подачи резца за счет люфтов и износов; изменение механических свойств материала в процессе обработки; появление и срыв наростов; неравномерный припуск на обработку; следы вибраций и гребешков от предыдущего прохода и др. Для уменьшения вибраций стремятся создать более жесткую технологическую систему СПИД. Для этой цели уменьшают длину закрепляемой детали, вылет пиноли задней бабки, вылет резца, повышают жесткость вращающихся центров, строго контролируют установку резца по центру оси обрабатываемой детали вращения, применяют люнеты и специальные виброгасители. Таким образом, обработанная поверхность имеет сложную геометрию, а поверхностный слой детали обладает особыми физико-химико-механическими свойствами, значительно отличающимися от свойств материала заготовки. Основными характеристиками состояния поверхностного слоя детали после обработки резанием являются: - шероховатость поверхности, представляет собой совокупность неровностей, образующих рельеф поверхности (наиболее распространенными параметрами оценки являются: Rz – определяемой по 10 точкам; Rа – среднеарифметическое отклонение профиля), шероховатость определяют как в продольном, так и в поперечном направлениях следам обработки; - микротвердость обработанной поверхности (параметры оценки HRA, HRC и др.); - величина и знак остаточных напряжений (наиболее широко используется метод реперных точек). Остаточные напряжения образуются в основном в результате совместного действия неравномерного поля деформаций и температур на состояние материала в поверхностном слое детали. Возникающая в зоне деформации теплота может повысить локальную температуру поверхностного слоя. При температуре 0,2…0,3 Тпл ( где Тпл - температура плавления металла) возникает «отдых» (полигонизация), а при температурах более 0,4 Тпл возможны рекристаллизация и снятие деформируемого упрочнения. Нагрев поверхностного слоя в процессе резания и его охлаждение после обработки (или в перерыве обработки) детали приводят к появлению как сжимающих, так и растягивающих напряжений в разных слоях поверхности. Увеличение скорости резания, применение смазочно-охлаждающих жидкостей, тщательная заточка инструмента, рациональный выбор режимов резания и геометрических параметров инструментов приводят к уменьшению остаточных напряжений в деталях. 4. Станки для обработки материалов резанием Современные материалорежущие станки – это довольно разнообразные и широко распространенные машины, позволяющие выполнять сложные технологические процессы. Не- смотря на большие достижения технологии производства высококачественных деталей, применение малоотходных технологий, роль обработки резанием и соответственно материалорежущих станков в машиностроении непрерывно возрастает. На современных станках обрабатывают детали – от мельчайших элементов часов и приборов до деталей, размеры которых достигают нескольких метров – турбин, теплоходов, прокатных станов и др. Поэтому и габариты самих станков весьма различны. Они включают в себя большое число механизмов, а для осуществления движений и управления рабочими циклами применяют механические, электрические и гидравлические приводы. Станкостроительная промышленность нашей страны выпускает большое число материалорежущих станков, различных по назначению, конструктивному исполнению и технологическим возможностям, универсальности, точности и др. Ежегодно осваивается выпуск нескольких сот типов (разновидностей) станков. Для удобного пользования этим обширным классом машин Экспериментальным научно-исследовательским институтом металлорежущих станков (ЭНИМС) разработаны единая классификация и нумерация станков отечественного производства. В основу классификации станков положен технологический принцип обработки: назначение станка, характер обрабатываемых поверхностей, схема обработки и др. Эта классификация построена по десятичной системе. Все станки (за исключением специальных) подразделяются на десять групп, а группы, в свою очередь, подразделяются на десять типов. Станки делят на токарные, сверлильные, расточные, для абразивной, электрофизической и электрохимической обработки, резьбообрабатывающие, зубообрабатывающие, фрезерные, строгальные, долбежные, протяжные, разрезные и разные. В группы объединяются станки по общности технологического метода обработки или близкие по назначению. Основные признаки деления станков на типы: вид обработки, применяемый инструмент, степень автоматизации, число важнейших рабочих органов станка и их расположение, технологические, конструктивные, эксплуатационные характеристики и др. Система нумерации (условного обозначения) станков отечественного производства основана на присвоении каждой модели станка определенного номера. Обозначение модели станка состоит из трех (или четырех) цифр, иногда с добавлением прописных букв, обозначающих дополнительную характеристику станка. Первая цифра указывает группу, к которой относится станок; вторая – тип станка в пределах данной группы; третья (а при четырехцифровом обозначении – третья и четвертая цифры) – условно характеризует основные технологические особенности станка (например, наибольший диаметр обрабатываемой детали, наибольший диаметр инструмента, размеры стола и др.). Прописная буква после первой цифры указывает на модернизацию (улучшение) станка. Буква, стоящая после всех цифр, обозначает модификацию (видоизменение) базовой модели станка или его технологические особенности (например, повышенную точность). Рассмотрим несколько примеров. 1. Станок 1Б140. Первая цифра 1 означает, что станок относится к токарной группе. Буква Б указывает, что станок модернизирован; вторая цифра 1 – на тип – одношпиндельный автомат; последние две цифры обозначают наибольший диаметр обрабатываемого прутка – 40 мм. 2. Станок 2150. Цифра 2 – вторая группа (сверлильный); 1 – вертикальный; 50 – максимально допустимый диаметр сверла в мм. Для обозначения моделей специализированных и специальных станков каждому станкостроительному заводу присвоен индекс из двух букв. В обозначении модели такого станка к буквам добавляются цифры, указывающие номер выпускаемого специального станка. Например, Е3-9 – специальный станок для нарезания зубчатых реек, выпускаемый Егорьевским заводом зуборезных станков. Московский станкостроительный за- вод «Красный пролетарий» имеет индекс МК, Горьковский за- вод фрезерных станков – ГФ, Одесский фрезерный – ОФ. По универсальности и специализации станки делят на универсальные, специализированные и специальные. Универсальные станки общего назначения предназначены для выполнения различных операций при обработке деталей многих наименований. Специализированные станки предназначены для обработки деталей одного наименования или немногих наименований, сходных по конфигурации, но имеющих различные размеры, например, ступенчатых валиков, колец подшипников качения, муфт и т.п. Специализированные станки используются главным образом в серийном производстве. Специальные станки служат для обработки одной определенной детали (или деталей одного типоразмера), например, лопаток газовых турбин. Станки этого рода используются в основном в массовом производстве, иногда и в крупносерийном. В зависимости от массы и габаритов станки делятся на категории: легкие – массой до 10 кН; средние – от 10 до 100 кН; крупные – от 100 до 300 кН, тяжелые – от 300 кН до 1 МН и особо тяжелые (уникальные) массой более 1 МН. Исключением из этой градации являются станки внутри- шлифовальные, хонинговальные и зубообрабатывающие, для которых крупные станки – от 100 до 200 кН, тяжелые – от 200 до 600 кН и особо тяжелые – более 600 кН. По точностным характеристикам современные станки делятся на следующие группы: нормальной точности Н, повышенной точности П, высокой точности В, особо высокой точности А, особо точные С. На станках нормальной точности можно получить точность обработки по 7…8-му квалитетам. Станки повышенной точности, как правило, изготовляются на базе станков нормальной точности и отличаются от послед- них в основном более точным исполнением или подбором от- дельных деталей, а также особенностями монтажа. Отклонения при обработке деталей на этих станках составляют 0,6 от отклонений, получающихся на станках нормальной точности. При обработке на станках высокой точности эти отклонения составляют 0,4, а на станках особо высокой точности – 0,25 от отклонений, получающихся при работе на станках нормальной точности. Высокая точность обработки на этих станках достигается конструктивными особенностями отдельных элементов станков, а также высокой точностью их изготовления и специальными условиями эксплуатации. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ РЕЗАНИЕМ 1. Обработка сталей и чугунов резанием Обрабатываемость металлов резанием зависит от химического состава, структуры обрабатываемого металла, его механических свойств, способности к наклепу, физических свойств (теплоемкости, теплопроводности). Большое влияние на обрабатываемость сталей и чугунов оказывает химический состав. С увеличением содержания углерода повышается механическая прочность, возрастает сопротивление резанию и ухудшается обрабатываемость. При обработке заготовки из стали с малым содержанием углерода (0,1...0,25% С) получают большую шероховатость поверхности. Повышение содержания некоторых легирующих элементов (Cr, Mo, V, W, Ti) увеличивает прочность стали и понижает теплопроводность, что ведет к ухудшению обрабатываемости. Повышенное содержание серы и свинца улучшает обрабатываемость стали. Так, стали автоматные (А12, А20 и др.) с повышенным содержанием серы (до 0,15%) обрабатываются лучше, чем малоуглеродистые стали. Свинец улучшает обрабатываемость благодаря смазывающему действию дисперсно -распределенных частиц на границе зерен. Значительное влияние на обрабатываемость сталей и чугунов оказывает структура металла. Заготовки с крупнозернистой структурой обрабатываются лучше, чем с мелкозернистой. В ряде случаев для улучшения обрабатываемости углеродосодержащие металлы подвергаются термической обработке. Пластичные сплавы обрабатываются труднее, чем менее пластичные сплавы, обладающие большей теплопроводностью и теплоемкостью – легче, так как температура резания при обработке этих сплавов ниже. В любом случае, при обработке материалов резанием твердость режущего инструмента должна быть всегда выше, чем твердость обрабатываемого материала. Большинство деталей из сталей и чугунов подвергаются обработке на токарных станках. Обрабатываемость материала существенно зависит от углов заточки резца. Большое количество различных технологических операций, выполняемых на токарных станках, обусловливает многообразие конструкций применяющихся резцов. Резцы подразделяются по назначению, направлению движения, форме режущей части и по конструкции. По назначению: проходные и проходные упорные, подрезные , отрезные и прорезные , расточные, фасонные, резьбовые , резцы для чистовой обработки и др. По направлению движения: правые и левые, радиальные и тангенциальные. По форме головки (режущей части) : прямые, отогнутые, оттянутые и изогнутые. По конструкции: цельные и сборные (сложной конструкции с различными способами крепления режущих пластинок) и резцовые блоки. Цельные резцы изготавливаются из быстрорежущей стали (реже из легированных сталей), сборные – оснащаются пластинками из быстрорежущих сталей твердых сплавов, минералокерамики, а также из СТМ (поликристаллические синтетические алмазы или нитриды бора). Типы конструкции резцов выбираются с учетом комплекса технологических и экономических показателей (характера операции, свойств материалов, геометрических параметров инструмента, особенностей заточки и др.). 2. Обработка тугоплавких материалов резанием По обрабатываемости резанием тугоплавкие материалы разделяются на три группы: 1-я – вольфрам и его сплавы; 2-я – молибден, хром и их сплавы; 3-я – ниобий, тантал, ванадий. Вольфрам является наиболее тугоплавким материалом, наряду с этим он и его сплавы обладают высокой механической прочностью и твердостью; предел прочности на растяжение доходит до 1400 МН/м2 и твердость – до НВ 490. Вольфрам плохо подается обработке резанием; это объясняется его исключительно высокими хрупкостью, твердостью, теплостойкостью, высоким абразивным воздействием. Другим недостатком вольфрама является склонность к образованию нестойких окисных пленок, вследствие этих причин инструменты из быстрорежущей стали быстро тупятся, вызывая выкрашивание на обрабатываемой поверхности. Поэтому при обработке резанием вольфрама применяют остро заточенный твердосплавный инструмент с большими значениями передних углов. Процесс стружкообразования при резании вольфрама протекает по схеме хрупкого разрушения, при этом обработанная поверхность детали имеет ярко выраженную шероховатость. При обработке вольфрама плотностью не менее 85% с относительно низкими скоростями резания образуется мелкодробленая форма стружки. По мере увеличения скорости резания достигается переход на непрерывную стружку (при этом снижается шероховатость поверхности). Для токарной обработки нелегированного вольфрама высокой плотности твердо- сплавными резцами рекомендуются следующие режимы резания: для черновой обработки S=0,25...0,3 мм/об, V= = 46...61 м/мин; для чистовой – S=0,18...0,23 мм/об, V= = 61...91 м/мин. Обрабатываемость вольфрама резанием, ввиду его высокой хрупкости, сильно зависит от вида операции. Вероятность откалывания и растрескивания получаемой при обработке поверхности детали особенно велика на операциях, связанных с ударным воздействием инструмента, например при фрезеровании. При точении вольфрама сила резания характеризуется высокой радиальной составляющей, что вызывает повышенный износ вершины инструмента. Поэтому обработку ведут с небольшими глубинами резания (t=1,5 мм). Хорошие результаты при обработке вольфрама дает его подогрев до температуры 300...400°С (в несколько раз повышает- ся стойкость резцов, устраняются выкрашивание и растрескивание обрабатываемого материала за счет увеличения пластичности). Молибден характеризуется низкой обрабатываемостью резанием, однако он более пластичен, чем вольфрам. Особенностью обработки молибдена, по сравнению с вольфрамом, является ограниченный выбор видов охлаждающих жидкостей, так как молибден химически активен и легко взаимодействует, например, с осерненными маслами. Хорошие результаты при обработке резанием молибдена показывает смесь хлорированного масла с трихлорэтиленом в пропорции 1/1; при этом следует учесть, что пары этой жидкости токсичны и требуют проведения специальных мер по технике безопасности. Некоторое повышение стойкости резцов и снижение шероховатости поверхности дает применение 10%-ного раствора эмульсола. При резании молибдена применяют оптимальные величины скоростей (на малых скоростях возрастает шероховатость, на больших – интенсивность износа инструмента). ОБРАБОТКА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 1. Обработка материалов на основе полимеров Придание материалам на основе полимеров соответствующей конструкционной формы с помощью прессования, литья, штамповки и других методов формования не всегда возможно, что связано с усложнением конструкций пресс-форм и самих процессов формирования. Поэтому возникает необходимость в механической обработке (сверление отверстий, выборка пазов, образование поверхностей соприкосновения и др.). Большинство материалов на основе полимеров хорошо поддается обработке резанием и выполняется на обычном металлорежущем оборудовании. Однако скорость резания и скорость подачи, а также инструмент для их обработки должен быть несколько видоизменен в зависимости от свойств обрабатываемого материала. Следует учитывать также и температурный режим в зоне резания, так как возможны деформирование деталей, деструкция материала, выделение вредных газообразующих продуктов и пыли. Токарная обработка деталей из пластмасс обычно ведется на универсальных металлорежущих станках и токарных автоматах при высоких скоростях резания, но со снятием тонкой стружки. В большинстве случаев охлаждающую жидкость не применяют, однако при обработке термопластичных материалов допустимая температура в зоне резания не должна превышать 100...120°С, а для термореактивных – 200...300°С. Следует учитывать, что температура в зоне резания определяется не только скоростью резания, скоростью подачи, глубиной резания, свойствами обрабатываемого материала, но и правильностью и качеством заточки режущего инструмента и свойствами материала режущего клина. При токарной обработке деталей из пластмасс применяются резцы, режущий клин которых изготовлен из быстрорежущей стали (марок Р9, Р12, Р6М3, Р10К5Ф5 и др.), твердых сплавов (ВК4, ВК8, Т15К6 и др.), минералокерамики (ЦМ332), кубического нитрита бора (эльбор) и алмазов, т.е. тех материалов, которые имеют высокую теплостойкость и теплопроводность. Токарные резцы для обработки пластмасс отличаются от аналогичных для обработки металлов углами заточки. При обработке пластмасс необходимо увеличивать задний угол α резца до 15...25°, так как вследствие высоких упругих свойств пластмасс увеличивается площадь контакта резца с деталью, что приводит к быстрому износу режущей кромки резца и повышенному тепловыделению. Для материалов со сливной стружкой, например, как у термопластов, оптимальный передний угол γ резца находится в пределах 10...20°. При обработке термореактивных материалов с ломкой стружкой передний угол α выбирают в пределах 0...5°, а вершину резца выполняют с радиусом 1,5...3,0 мм. Главный угол ϕ в плане для проходных резцов составляет 45°, а вспомогательный 0...5°, угол наклона режущей кромки λ=0°. Скорость резания выбирают исходя из обрабатываемого материала и типа режущего инструмента. Для термопластов, обрабатываемых быстрорежущими резцами, скорость резания выбирается в диапазоне 600...900 м/мин, а при обработке резцами из инструментальной углеродистой стали – до 100 м/мин. Подача при черновой обработке составляет 0,3...0,6 мм/об, при чистовой 0,05...0,2 мм/об. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ И ПРЕССОВАНИЕМ 1. Способы обработки материалов давлением и прессованием Обработка материалов давлением и прессованием предусматривает ряд технологических методов (прямое прессование, литьевое прессование, литье под давлением, центробежное ли- тье, экструзия, штамповка, пневмо- и вакуумформование и др.), от которых зависит устройство и вид технологического оборудования, причем в большинстве случаев обработка материалов осуществляется при определенной температуре. Схема изготовления детали методом прямого прессования предусматривает наличие пуансона, толкателя для удаления детали из пресс-формы, матрицы и устройства, создающего требуемое давление. Загрузка материала для прессования строго дозирована. Если обработка материала идет при температуре, отличной от температуры окружающей среды, то осуществляется подогрев материала и пресс- формы. Подогрев может осуществляться самыми различными методами, наиболее распространенными из которых являются спиральный (терморезистивный) и нагрев токами высокой час- тоты (10...20 МГц). Длительность нахождения материала в пресс-форме зависит от свойств обрабатываемого материала. В зависимости от природы обрабатываемого материала удаление готового изделия из пресс-формы может осуществляться либо сразу после формирования, либо оно требует охлаждения (нагревания) вместе с пресс-формой (технологический процесс требует наличия большого количества пресс-форм). Готовая деталь извлекается из формы только после полного отвердения материала. При такой обработке вес пресс-формы с материалом не должен пре- вышать 20 кг. Метод прямого прессования наиболее прост, однако имеет много недостатков: сложность организации массового производства деталей, трудность изготовления тонкостенных изделий и деталей сложной конфигурации. При литьевом давлении и прессовании перерабатываемый материал загружают в обогреваемую камеру, содержащую воронку для загрузки материала, корпус, пуансон и литниковую систему. Замкнутая пресс-форма перемещается к обогреваемой камере так, чтобы литниковая система состыковалась с литником пресс-формы. После нагрева пресс-массы до температуры перехода в вязкотекучее состояние материал под давлением пуансона через литниковую систему подается в формующую полость пресс-формы. После отверждения массы деталь извлекается из формы. Зачастую требуется предварительный подогрев пресс-формы, а также иногда требуется охлаждение детали в пресс-форме на воздухе, обдувом или в другой среде. К пресс-форме предъявляется ряд требований в части выдержки технологических углов изготавливаемой детали, шероховатости рабочих поверхностей пресс-формы (обычно шлифование с последующим никелированием) и др. При обработке некоторых материалов на внутреннюю полость пресс-формы наносят антиадгезионные материалы. Отличие литьевого прессования от литьевого давления заключается в том, что при прессовании в техническом цикле изготовления детали используется весь материал, загружаемый во внутреннюю полость обогреваемой камеры. Это особенно важно для термоактивных материалов, время нахождения которых в вязкотекучем состоянии мало. Для этого используют специальное дозирующее устройство или ограничивают объем обогреваемой камеры. Пресс-форма может состоять из двух и более деталей – в зависимости от сложности конфигурации изготавливаемого изделия. Этот метод более технологичен, чем метод прямого прессования, и позволяет изготавливать тонкостенные детали самой сложной конфигурации. Литье может производиться как в одно-, так и в многоместные формы, что определяется геометрическими размерами и массой деталей, а также возможностями литьевой машины. При наличии большого количества пресс-форм и автоматизации процесса изготовления деталей литье под давлением можно использовать и для тех материалов, время нахождения которых в вязкотекучем состоянии мало. Для этого используется шнековая подача материала .При шнековой подаче материал захватывается из бункера червяком и перемещается по винтовому каналу вдоль цилиндра к соплу, при этом происходит перемешивание материала, его уплотнение и равномерный нагрев. Причем нагрев осуществляется не только за счет внешнего источника теплоты, но и за счет трения и сдвиговых усилий в канале червяка, особенно в момент перемещения к соплу очередной пресс-формы, когда сопло перекрыто. Необходимая доза впрыска материала в пресс-форму осуществляется поступательным перемещением червяка под действием гидроцилиндра. Для материалов, требующих значительного давления при прессовании, применяются литьевые машины с раздельными цилиндрами пластикации и ижекции. Из пластикационного канала под создаваемым червяком давлением материал, находящийся в вязкотекучем состоянии, поступает в ижекторный цилиндр, откуда под действием плунжера впрыскивается в литьевую форму. Для литья многоцветных изделий применяются литьевые машины с несколькими парами пластикационных и ижекторных цилиндров, причем последние работают на одно сопло с последовательным или одновременным впрыскиванием. Машины для центробежного литья представляют собой формующую матрицу, которая имеет горизонтальное, вертикальное или пространственное вращение. Расплавленная масса заливается в форму и приводится во вращение. Под действием центробежных сил расплав заполняет периферийную зону матрицы и, застывая, приобретает нужную форму и размеры. Для качественной переработки материала матрица предварительно подогревается до требуемой температуры. Для изготовления фасонных изделий, длина которых во много раз превосходит размеры поперечного сечения (полосы, пленки, шланги, трубы и др.), применяют методы экструзии, каландрирования, экструзокаландрирования, экструзионно-раздувного формования. При этом подача перерабатываемого материала может быть как шнековой, так и плунжерной, шнек- плунжерной. Плунжерная обработка материала заключается в загрузке определенной дозы материала в рабочий цилиндр, создание соответствующего температурного режима обработки и выдавливания материала через литьевое отверстие (фильер), имеющее соответствующую форму профиля изготавливаемого изделия. На выходе литьевого отверстия устанавливают обрезной механизм. Готовые изделия обрезаются на требуемую длину, подвергаются соответствующей обработке и укладываются в лотки. При шнековой подаче материала процесс экструзии осуществляется непрерывно. Для изготовления труб большого диаметра используются экструзионно-обмоточные станки, в которых выходящая из экструдера гладкая или профилированная лента наматывается по спирали на вращающийся цилиндр и затем сваривается внахлест. Сварка может осуществляться как за счет подогрева цилиндра (сплавление полимеров, резины и др.), так и с помощью сварочного оборудования. При этом способе в качестве армирующего материала также возможно использование лент на тканевой, сетчатой и других основах. Для получения тонких пленок используют метод раздува горячей цилиндрической заготовки, поступающей из экструдера или щелевой головки. Внутрь трубчатой заготовки подается под определенным давлением сжатый воздух, деформирующий ее во всех направлениях до определенной толщины, пленка отверждается на воздухе, обжимается валками и поступает на приемный барабан. Для изготовления многослойных и армированных пленок применяют метод соэкструзии, при котором используется несколько шнековых экструдеров, работающих на одну общую рабочую головку. Формирование листовых материалов, а также изготовление изделий из них осуществляется методами прессования, штамповки, пневмо- и вакуумформования. При прессовании листовых материалов перерабатываемое сырье или заготовка размещаются между двумя плитами стати- ческого пресса. Создается давление, которое выдерживается на протяжении определенного времени в зависимости от вида обрабатываемого сырья. Формы смыкающихся плит имеют форму готового изделия. Для придания изделию требуемых свойств материал подвергают соответствующей термической обработке. Штамповка материалов осуществляется в прессах динамического (ударного) действия. При этом процесс придания материалу определенной конфигурации и формы может сопровождаться его обрезкой. Штампы содержат матрицу и пуансон, имеющие соответствующую готовому изделию конфигурацию. В зависимости от прочности обрабатываемой заготовки количество ударов пуансона о материал, находящийся на матрице, может быть различным. Процесс легко автоматизируется. Пневмо- и вакуумформование применяется для изготовления изделий сравнительно большого размера. 2. Обработка металлов Во всех случаях обработки давлением требуемая форма и необходимые размеры изделию (заготовке) придаются пластической деформацией исходной заготовки, имеющей форму слитка или болванки, уже прошедшей предварительную обработку давлением. Таким образом, сущность обработки металла давлением состоит в целенаправленной пластической деформации, придающей ему определенные форму и размеры, в ходе которой разрушается грубозернистая литая структура, устраняются пористость и рыхлость, улучшается металлургическое качество и создается благоприятная ориентировка вновь образовавшихся структурных составляющих металла. Вследствие благоприятных структурных изменений, происходящих при обработке давлением, металл получает более высокий комплекс прочностных и пластических свойств по сравнению с литыми изделиями. При горячей обработке давлением, когда металл обладает большой пластичностью при малой прочности, его зерна вытягиваются и трансформируются в волокна. Волокнистое строение металла обеспечивает важные преимущества по сравнению с обычной зернистой структурой, поскольку прочность деформированного металла на разрыв вдоль волокон оказывается значительно выше, чем в поперечном направлении. То же можно сказать и о сопротивлении срезающим нагрузкам: прочность на срез поперек волокон значительно выше, чем вдоль них. Зная характер нагружения отдельных элементов деталей в эксплуатационных условиях, можно еще при изготовлении заготовок придавать волокнам наивыгоднейшую ориентировку, отвечающую характеру нагружения соответствующих элементов деталей, и этим обеспечивать большой запас прочности деталей. Заготовки для деталей, полученные обработкой давлением, принято называть поковками. Исходными заготовками для крупных поковок, как правило, служат стальные слитки. Заготовки для мелких поковок получают путем разрезки на мерные куски-болванки так называемых прокатных профилей – металлических балок или прутков различной формы поперечного сечения, получаемых прокаткой. Прокатка представляет собой процесс деформирования слитка или иной продолговатой металлической заготовки между двумя вращающимися валками, расстояние между рабочими поверхностями которых меньше высоты заготовки а также длинами балок, прутков, и составляющей так называемый сортамент проката. Сортамент стального проката включает сортовой прокат простого и фасонного профиля. Простой профиль используется для порезки на заготовки, которые идут либо на дальнейшую обработку давлением – ковку или штамповку, либо на механическую обработку для изготовления различных деталей. Фасонный профиль главным образом используется для различных строительных конструкций, включая железнодорожные пути; - листовой прокат делится на толстолистовую сталь толщиной свыше 4 мм и тонколистовую 0,2...3,75 мм; - трубы бесшовные различного диаметра с разной толщиной стенок, разнообразного назначения; - специальный прокат включает в себя вагонные колеса, шпунтовые сваи, автоободья и т.д.; - периодический прокат– прокат с периодически изменяющимся по длине профилем. Он используется в качестве заготовок для штамповки (например, заготовок шатунов автомобильных двигателей) или непосредственно для механической обработки. Существуют также специально разработанные сортаменты для выпуска проката из цветных металлов и сплавов – меди, 240 алюминия, латуни, дюраля – в виде листов, ленты, труб, прут- ков и других изделий. Важнейшей особенностью деформации металла при прокатке является получение волокнистой структуры металла с ориентировкой волокон вдоль направления про- катки, т.е. перпендикулярно осям вращения валков. Это объясняется тем, что при сдавливании сечения заготовки между валками вытяжка металла в основном происходит в направлении наименьшего сопротивления, т.е. в наружную сторону. Деформации и вытяжке в поперечном направлении препятствуют трение о поверхности валков. Так как общая вытяжка металла заготовки складывается из вытяжек его отдельных зерен, то последние должны превратиться в волокна. Заготовка захватывается в рабочее пространство между валками и перемещается силами трения, возникающими между нею и валками. Прокатка металлов осуществляется на прокатных станах. Основными рабочими элементами прокатных станов являются валки, имеющие цилиндрическую форму. Валки размещаются в основной части прокатного стана – рабочей клети. Рабочая часть валка называется бочкой. Бочки могут быть гладкими или ручьевыми. Первые применяются для прокатки листов и лент, а вторые – для сортового металла. Ручьи представляют собой кольцевые вырезы на поверхности валка. Совпадающие ручьи верхнего и нижнего валков образуют калибры, с помощью которых сортовому прокату постепенно придаются требуемые профили. Прокатные станы классифицируются по ряду признаков, основным из которых является род выпускаемой продукции. В связи с этим можно выделить следующие наиболее распространенные виды станов: сортопрокатные для выпуска сортового проката; листовые и полосовые станы горячей прокатки; трубопрокатные станы; станы холодной прокатки стали и цветных металлов (тонколистовые, ленточные, фольгопрокатные и т.д.); деталепрокатные станы для выпуска специального или периодического проката. Волочение – процесс обработки металла давлением (ОМД), при котором материал протягивается через отверстие инструмента – волоку (фильеру), площадь выходного сечения которой меньше площади сечения заготовки. В результате поперечные размеры изделий уменьшаются, а длина увеличивается. Волочение производят через одну или несколько волок при обжатии за один проход на 16...30%. Суммарное обжатие заготовки может достигать 40...85%. Волочильные станы состоят из волоки и тянущих устройств, последние могут иметь прямолинейное (цепные, реечные, винтовые, канатные, гидравлические) и круговое движение (барабанные). На станах с прямолинейным движением тянущих устройств изготовляют прутки, профили, трубы; на барабанных станах – проволоку и трубы малого диаметра. Прямолинейные станы могут быть одно- и многопоточные (до 5 изделий одновременно). На барабанных станах осуществляется процесс как однократного, так и многократного волочения. Станы для многократного волочения имеют от 6 до 20-30 волок и предназначены для получения тонких и ультратонких (до 8...15 мкм) профилей. Волочение осуществляется в холодном и горячем состояниях с обильным применением смазки. Изделия из алюминия, меди, никеля и их сплавов, стали волочат при комнатной температуре с промежуточными отжигами для снятия наклепа. Хрупкие металлы (молибден, вольфрам и др.) обрабатывают в горячем состоянии в защитной атмосфере или вакууме. В последние годы промышленное применение нашло волочение (например, тонкостенных труб из сталей и цветных металлов) с применением ультразвука. При этом на 25...35% снижается усиление волочения, улучшается качество поверхности изделий. Прессование – технологический процесс обработки давлением, заключающийся в выдавливании металла пуансоном из закрытого контейнера через отверстие в матрице. Профиль изделия определяется профилем отверстия в матрице. Обычно прессованием изготовляют прутки диаметром 5...300 мм, трубы с внутренним диаметром 18...700 мм и толщиной стенки 1,25...50 мм. Этим способом получают изделия сложной формы, которые нельзя изготовить никакими другими методами ОМД. Продукция отличается высокой точностью размеров. Мягкая схема напряженного состояния (О4) позволяет деформировать на 85...90% даже самые малопластичные и трудноформируемые металлы и сплавы. При прессовании пластичных металлов может быть достигнут эффект сверхпластичности (при прессовании чистого алюминия вытяжка может достигать 1000%). Прессованием получают изделия из алюминия, титана, магния, цинка и их сплавов, углеродистых и легированных сталей. Успешно осваивается прессование тугоплавких металлов в вакууме или в среде инертных газов. При прессовании труб к торцу пресс-шайбы крепится стальная игла. Металл выдавливается в кольцевой зазор между отверстием матрицы и иглой. Матрицы изготовляют из легированных сталей (3Х2В8, 38ХМЮА и др.) и твердых сплавов. Прессование ведут на гидравлических прессах, развивающих усилие 15000...300000 МН. Среди высокопроизводительных методов прессования следует отметить гидропрессование (гидроэкструзия) жидкостью высокого давления (до 3000 МПа) и прессование с использованием энергии взрыва. В первом случае жидкостное трение на контакте заготовка-матрица устраняет серьезный недостаток обычного прессования – трение металла о стенки контейнера и матрицы. В результате скорость выдавливания возрастает, изделия получают равномерные свойства по длине, практически полированную поверхность. Повышается изностойкость инструмента, а усилие уменьшается на 30...40%, уменьшается неоднородность деформации, что позволяет обрабатывать хрупкие материалы (сплавы вольфрама, бериллия, ниобия и др.). Гидропрессование проводят при комнатной температуре. При повышенных температурах жидкость заменяют газом высокого давления. Ковкой называется один из способов ОМД, при котором инструмент оказывает многократное прерывистое воздействие на нагретую заготовку, в результате чего она, деформируясь, приобретает заданную форму и размеры. Различают ковку в штампах (штамповка) и без применения штампов (так называемую свободную ковку). При свободной ковке перемещение деформированного металла не встречает сопротивления своему движению со стороны инструмента. Исходным материалом для ковки деталей служат слитки и различный прокат. Ковка подразделяется на ручную и машинную. Ручную ковку осуществляют молотом на наковальне и применяют для индивидуального изготовления мелких изделий или при ремонтных работах. Механическую ковку производят на ковочных молотах и прессах. Молоты используют для изготовления изделий средних размеров, прессы – для изготовления крупных изделий. Все типы молотов и прессов имеют подвижные (баба и верхний боек) и неподвижные (шабот и нижний боек) части. При всех операциях свободной ковки обработка ведется последовательными ударами молотов, но высокоскоростные молоты рассчитаны на одноударное действие. Наибольшее распространение получили паровоздушные, пневматические, механические молоты и гидравлические прессы. При свободной ковке используют разнообразный кузнечный инструмент. Технологические процессы свободной ковки представляют собой различное сочетание основных операций: осадка, высадка, протяжка, обкатка, раскатка, прошивка и т.д. Штамповка представляет собой процесс ОМД, формообразование изделий при котором происходит в штампах, т.е. обеспечивается принудительное получение изделием формы и размеров. Метод экономичен и широко применяется в различных отраслях промышленности. Штамповку осуществляют на прессах и молотах, которые отличаются от ковочных конструкций большей жесткостью, большей точностью направляющих подвижных частей и др. Горячая объемная штамповка применяется в основном для массового и серийного производства поковок и позволяет получать изделия с высокой точностью формы и размеров. Технологический процесс этого вида штамповки состоит из следующих операций: разрезка металла на заготовки, нагрев заготовок, штамповка, термообработка, отделка поковок. Метод дает возможность обрабатывать трудноформируемые сплавы (реализуется мягкая схема напряженного состояния). Холодную объемную штамповку применяют для поковок небольшого размера. При холодной штамповке уменьшаются отходы металла, улучшается качество поверхности, обеспечивается высокая точность изделий при высокой производительности труда. Листовой штамповкой изготавливают плоские или пространственные тонкостенные изделия из стали, цветных метал- лов и сплавов. При холодной штамповке используют листовые заготовки толщиной от сотых долей миллиметра до 4 мм, при горячей – толщиной более 4 мм. Продукция листовой штамповки отличается высокой точностью и не нуждается в последующей обработке на металлорежущих станках. Сортамент изделий весьма разнообразен – от деталей часов до днищ паровых котлов и резервуаров, от посуды до станин прессов, станков, деталей корпусов морских судов и т.д. Этим методом получают бо- лее 70% деталей легковых автомобилей. Операции листовой штамповки бывают разделительные (отрезка, вырубка, пробивка и др.) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, формовка, от- бортовка и др.). В последние годы для упрощения и удешевления оснастки разработаны и применяются способы обработки с использованием в качестве штампов эластичных материалов (например, резины). Для изготовления мелкосерийных крупногабаритных деталей из толстолистовых заготовок применяют штамповку взрывом с использованием тротила, аммонала и других взрывчатых веществ. При взрыве развиваются кратковременные высокие давления, под действием которых заготовка принимает форму штампа. Этот метод гораздо экономичнее, чем обычная листовая штамповка деталей, и позволяет обрабатывать металлы и сплавы, имеющие относительное удлинение 10...14%. Штамповкой взрывом получают детали из нержавеющих и высокопрочных сталей, титановых и медных сплавов и др. МЕХАНИЧЕСКАЯ, ТЕРМИЧЕСКАЯ, ХИМИЧЕСКАЯ И ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ 1. Механическая обработка материалов Пескоструйная обработка – это очистка поверхности деталей струей песка (или другого материала), направленной с большой скоростью на обрабатываемую поверхность. Зернам песка придают кинетическую энергию сжатым воздухом, пескометным колесом или жидкостью. Твердые и острые зерна врезаются в поверхность, очищают ее от загрязнений и окалины, снимая одновременно поверхностные частицы металла. После очистки обрабатываемая поверхность получается шероховатой, с множеством наклепов и вмятин, величина которых зависит от материала поверхности, давления воздуха, угла обработки и расстояния сопла от поверхности. Если материал, производящий очистку, состоит из мягких зерен, то снимается лишь небольшое количество металла, наклеп бывает незначительным, а иногда получается полированная поверхность. Пескоструйная обработка применяется для очистки отливок и поковок, а также подготовки поверхности под окраску, например, для очистки корпусов судов или крупных резервуаров. В качестве материала для очистки применяют кварцевый песок, чугунную дробь, различные абразивы (например, искусственный корунд). Зерна кварцевого песка должны иметь соответствующую форму и зернистость (0,5…1,5 мм – для тонкостенных деталей; 2…5 мм – для матирования). Кварцевый песок применяют для пневматической обдувки при давлении около 3 атм. Кварцевый песок при работе сильно крошится, его зернистость снижается, при работе образуется много пыли. Чугунная дробь дороже кварцевого песка, но имеет большой срок службы. Чугунную дробь не рекомендуется применять, для очистки деталей из нержавеющей стали и цветных металлов, так как остающиеся после очистки на поверхности деталей частицы чугуна ржавеют. Использование чугунной дроби для очистки зачастую приводит к упрочнению поверхности детали. В зависимости от форм и толщины стенок обрабатываемой детали применяют чугунную дробь и чугунные опилки разной зернистости, для этого их просеивают через сито с отверстиями соответствующих диаметров. Зернистость чугунной дроби или опилок колеблется в пределах от 0,2 до 3 мм. Для обработки нержавеющей стали, цветных металлов, а также металлизированных поверхностей применяют мягкие материалы, например, дробленые пластмассы. Обрабатываемая поверхность после обработки мягкими материалами становится матовой или блестящей. При выборе материала (и его зернистости) для обработки поверхностей исходят из того, для какой цели используется пескоструйная обработка (подготовка поверхности к покраске, удаление загрязнений и окалины, удаление старых лакокрасочных покрытий, удаление обрастаний и т.п.). Пескоструйная обработка осуществляется в аппаратах как открытого, так и закрытого типов. После использования материала его собирают, промывают, просушивают и, при необходимости, разделяют по зернистости. Перед химической или электрохимической обработкой поверхности пескоструйную обработку практически не применяют. Водоструйная обработка поверхностей осуществляется тонкой струей воды, выходящей из сопла аппарата под высоким давлением (до 200 атм). Широкое применение эта обработка получила для очистки поверхностей корпусов судов и крупных резервуаров от обрастаний, прочно удерживающихся субстант, старой краски (например, водоструйная установка германской фирмы «Вома»). При обработке этим способом поверхность становится гладкой, блестящей. Однако после обработки этим способом поверхность подвержена быстрой коррозии, поэтому, если есть возможность, ее просушивают и немедленно наносят защитные покрытия. При использовании водоструйной очистки необходимо соблюдать меры предосторожности, так как струя воды, выходящая из сопла, способна нанести смертельную травму окружающим. Отдача ручного струйного пистолета со- ставляет 20…50 кг (в зависимости от диаметра сопла), что предъявляет высокие требования к физическому развитию обслуживающего персонала. Для очистки с поверхностей предметов легко (или относительно легко) удаляющихся субстант (отслаивающейся краски, обрастаний, водорослей и др.) применяют стальные и капроновые щетки, приводящиеся в движение с помощью электро- или пневмоприводов. Этот способ не позволяет удалять окалину и весьма трудоемок. Шлифование, крацевание и полирование являются самыми распространенными методами механической обработки поверхности перед нанесением гальванических покрытий. Этими способами обработки достигается требуемое качество поверхности и повышается коррозионная стойкость изделий. В данном случае механическая обработка не преследует цели получения точных размеров деталей. Шлифованием обрабатывается поверхность металлов перед крацеванием, полированием и другими видами обработки поверхности. Полированием обрабатывают поверхность основного металла и гальванические покрытия. Шлифуют и полируют также детали лакированные, металлизированные и детали, поверхность которых не подвергается дальнейшей обработке, например изделия из пластмасс, цветных металлов и др. Шлифование – это механический процесс снятия неровностей металла. Инструмент, применяющийся при шлифовании перед гальваническим покрытием, представляет собой абразив, наклеенный на фетровый или матерчатый круг или ленту. Режущие кромки абразивных зерен такого шлифовального круга срезают стружку с поверхности металла соответственно зернистости данного абразива. Таким образом, шлифование фетровым или матерчатым кругом можно сравнить с фрезерованием, при котором режущие кромки фрезы, совершая вращательные движения, постепенно снимают стружку. Шлифование лентой на плоской подкладке уподобляется строганию, так как острия зерен здесь движутся прямолинейно и снимают стружку по всей длине площади соприкосновения предмета со шлифовальной лентой. Шлифовальные пасты являются при шлифовании вспомогательными материалами, с помощью которых получают более высокое качество обработанной поверхности и улучшают процесс шлифования. Полированием снимаются микроскопические частицы металла с обрабатываемой поверхности. Разница между шлифованием и полированием состоит в том, что при полировании снятие материала совершенно незначительно по сравнению со шлифованием. Полирование производится фетровым или тканевым диском, на который наносится полировальная паста. Эта паста с очень тонко измельченным абразивом снимает неровности, и материал одновременно полируется тканью или фетром. Полированию подвергаются гальванические покрытия и основ ной материал детали. Целью полирования является получение декоративного внешнего вида (глянца) и увеличение коррозионной стойкости детали. Голтовка – это процесс обработки поверхностей небольших деталей, основанный на истирании деталей, голтовочных материалов, абразивов и жидкости во вращающемся барабане. При правильно подобранном материале и режиме голтовки не только заглаживаются неровности поверхностей предметов, но и последние полируются так, что их поверхность приобретает зеркальный блеск. Голтовка заменяет ручное шлифование и полирование. Голтовке подвергаются детали размером до 150 мм и весом до 1 кг, которые сложно шлифовать и полировать. При голтовке снятие материала производится неравномерно: наибольшее – на ребрах и углах, наименьшее – на плоских поверхностях. Обрабатываемые детали не должны иметь больших де- фектов поверхности. Голтовку проводят с целью: сгладить поверхность изделий; получить поверхность с разной степенью глянца; удалить продукты коррозии и окалины, оставшиеся после термической обработки; удалить остатки флюсов от сварки; упрочнить поверхность мягких металлов, например латуни. В качестве голтовочных материалов используют стеклянные шарики, деревянные брусочки, фруктовые косточки и др. Например, стеклянные шарики очень эффективно используются для голтовки янтарных бус. Голтовочные материалы могут состоять и из смеси, например, глинозема, боксита и карборунда разной зернистости 2. Обезжиривание материалов Обезжиривание материалов относится к одному из способов подготовки поверхностей деталей перед той или иной их отделкой (склеивание, окраска, гальваническая обработка и т.п.). Под обезжириванием понимают операцию очистки поверхности изделия от механически приставших загрязнений, не соединенных химически с металлом, т.е. речь идет не только об удалении жировых загрязнений, но и об удалении механически приставших твердых загрязнений. Обезжиривание в щелочных растворах (иногда с применением электрического тока), в органических растворителях и эмульсионное обезжиривание относится к черновой обработке, при которой с поверхности материала удаляются в большей или меньшей степени загрязнения, попавшие на нее при хранении, механической обработке, в результате эксплуатации и т.п. При обезжиривании могут встречаться загрязнения в виде органических и неорганических веществ. К первым относятся разные минеральные масла (смазочные, консервирующие и др.), вазелины, жиры, воски, парафин, стеарин и т.п. Ко вторым относятся неорганические остатки (полировальные пасты, пыль и другие твердые загрязнения). Вещества, входящие в загрязнения, могут переходить в раствор обезжиривания в виде растворимых соединений или удаляться с поверхности материала не растворением, а путем других физико-химических процессов. На процесс обезжиривания влияет состав растворов, смываемость раствора, его температура, механические воздействия и т.п. По способу же применения растворы подразделяются на пенящиеся растворы – для обезжиривания погружением и на н пенящиеся растворы (без поверхностно-активных веществ или с непенящимися поверхностно-активными веществами) – для обезжиривания обрызгиванием. 3.Гальваническая обработка металлов Нанесение гальванического покрытия – это один из самых распространенных методов обработки металла. Кроме защиты от негативных воздействий, гальванизация позволяет значительно улучшить внешний вид изделий и придать им определенные свойства, такие так износостойкость, электропроводность и устойчивость к агрессивным средам. Такие покрытия получают методом выделения ионов металла из растворов солей под действием электрического тока. Тут действует привычная схема анод-катод, но в качестве анода выступает электрод, подключенный положительному полюсу источника тока, а катодом служит сама покрываемая деталь. Никелирование - это покрытие металлопроката тонким слоем никеля (1-50 мкм). Таким методом обрабатываются изделия на основе цинка, алюминия и меди. В некоторых случаях никелированию могу подвергаться титан, вольфрам, молибден, и сплавы на их основе. Такая обработка повышает износостойкость металла, усиливает его защиту от неблагоприятных факторов и улучшает внешний вид; При омеднении на обрабатываемую поверхность наносится слой меди. Этот вид гальванического покрытия чаще всего применяется для защиты металлопроката от цементации (науглероживания) перед резкой. Зачастую параллельно поверхность покрываемого изделия подвергается еще и никелировке и хромированию. Полученное комбинированное покрытие обладает высокой стойкостью к механическим повреждениям, износу и воздействию агрессивных сред. Омеднение проводится и в качестве декоративной обработки. Серебрение и золочение проводятся как для увеличения электропроводности металлов, так и в декоративных целях. Для этой цели наносится слой серебра или золота толщиной до 30 мкм. Иногда золочению подвергают даже большие листы металлопроката, например, при строительстве культовых сооружений и установке памятников. Обработанные таким образом изделия становится внешне сложно отличить от золотых или серебряных. При гальванической обработке может изменяться шероховатость металлической поверхности, увеличиваться или уменьшаться. Это зависит от того, какой вид покрытия наносится на конкретное изделие; • Блеск металлических изделий при нанесении на них слоя цинка серебра или золота, значительно увеличивается. Это явление широко используется в производстве сантехники, предметов интерьера, сувениров, дверных ручек, ювелирных изделий, церковной утвари и т.д; • Такая обработка дает возможность увеличить электропроводность металлических деталей. Это явление широко применяется в радиоэлектронике, например, поверхность контактов, проводов или электрических плат покрывают тонкими слоями серебра, золота или меди; • При нанесении различных гальванических покрытий наблюдается наводороживание металлопроката. Проникновение атомов водорода в структуру стали снижает ее сопротивление усталости, делает хрупкой, уменьшает износостойкость. Степень выраженности данного явления зависит от свойств самой стали и вида применяемой гальванической ванны. При гальванизации всегда есть риск появления трещин на стальной поверхности высокоуглеродистых сталей. Для того чтобы снизить неприятные последствия от наводороживания в ванны при осуществлении процесса гальваники добавляют специальные вещества, препятствующие проявлению данного негативного эффекта. Хромирование является одним из наиболее распространенных и имеющих большое значение гальванических процессов. Электрохимически осажденные хромовые покрытия имеют исключительные химические и физические свойства, они устойчивы против атмосферной коррозии при нормальной и при повышенной температуре, очень тверды и стойки против механического износа, имеют небольшой коэффициент трения и большую отражательную способность. Эти покрытия применяются для двух совершенно различных целей: - для придания декоративного вида никелированным омедненным, оцинкованным и латунированным деталям; - для повышения износоустойчивости поверхностей деталей, подвергающихся износу (валы, вращающиеся детали, поршневые кольца или режущий инструмент). Хромированием можно защитить от износа детали, не бывшие в эксплуатации, а также восстановить детали, износившиеся во время эксплуатации. Хромовым покрытием размеры из- носившейся детали увеличиваются до требуемых, что дает возможность снова использовать ее по назначению. Доброкачественные хромовые покрытия осаждаются только из растворов хромовой кислоты, к которым добавляются соответствующие вещества, обычно неорганические кислоты. 4. Термическая и химико-термическая обработка металлов Основными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск и обработка холодом. При термической обработке стали происходят структурные изменения материала в соответствии с диаграммой железо-цементит. Исходя из требований, предъявляемых к стали, можно при- менять ту или иную операцию термической обработки. Однако при одной и той же операции термической обработки, изменяя ее параметры, т.е. температуру нагрева, выдержку и скорость охлаждения, можно получить свойства в достаточно широких пределах для одной и той же стали. Для увеличения прокаливаемости в практике термической обработки иногда повышают температуру закалки или удлиняют выдержку. Однако это можно использовать только в том случае, когда не наступает сильного укрупнения зерна или увеличения количества остаточного аустенита. Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны (расстояние от поверхностного слоя с мартенситной структурой до слоя с полумартенситной структурой – 50% мартенсита и 50% продуктов распада аустенита). При сквозной закалке свойства по сечению закаленной стали однородны. При несквозной закалке свойства меняются от поверхности к центру. Отпуск несколько выравнивает свойства по сечению. Однако у слабопрокаливающейся стали на поверхности, где после закалки был мартенсит, будет зернистая структура, а в центре, где был перлит, сохранится пластинчатая структура. Поэтому на поверхности и в центре будет различие только тех свойств, которые зависят от формы структуры. Скорость нагрева. Нагрев стали до заданной температуры желательно производить с максимальной скоростью. Это экономично, так как увеличивает производительность нагревательных средств, уменьшает количество печей и потребность в рабочей силе, уменьшает расход топлива. Однако большая скорость нагрева не всегда возможна. Технически возможная скорость нагрева изделия определяется: - способом нагрева (пламенная или электрическая печь, соляная, металлическая или масляная ванна, т.в.ч. и т.д.); - максимальной температурой нагрева – до более высокой температуры изделие нагревается быстрее, чем до более ни кой; - формой изделия: чем больше поверхность, тем скорее происходит нагрев; - весом одновременно нагреваемого металла и расположением изделий в печи; - некоторыми физическими свойствами нагреваемых изделий: теплопроводностью, теплоемкостью и температуропроводностью Выбор рациональных режимов охлаждения поковок и штампованных заготовок обеспечивает соответствующее качество последних. В кузнечно-прессовых и штамповочных цехах применяют следующие способы охлаждения поковок: на воздухе, в мало- теплопроводных материалах, в сборниках и неотапливаемых колодцах, в подогреваемых колодцах и печах. Термическую обработку чугуна применяют для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров отливки, снижения твердости и улучшения обрабатываемости, исправления дефектов литья по отбелу, повышения механических свойств и износостойкости. При термической обработке серого чугуна изменяется главным образом металлическая основа чугуна (матрица), графитная структура остается практически без изменения. Низкотемпературный отжиг (искусственное старение) применяют для снижения в отливках внутренних остаточных напряжений, возникающих вследствие неодновременного перехода различных частей отливки из области пластических в область упругих деформаций. Однако для снижения величины внутренних напряжений более эффективным является применение искусственного старения – медленный нагрев отливок и медленное охлаждение. Для ковкого чугуна применяют нормализацию, закалку и отпуск. Нормализация повышает прочность, твердость и износостойкость ковкого чугуна при некотором понижении его пластичности. Нормализация приводит к увеличению содержания в структуре перлита. Закалка с последующим высоким отпуском является оправдавшим себя методом получения ковкого чугуна со структурой зернистого перлита. Максимальная твердость закаленного ферритного и ферритоперлитного ковкого чугуна достигается при нагреве под закалку до 850…900°С, выдержке в течение 60…120 мин и охлаждении в масле. Регулирование и получение требуемых механических и эксплуатационных свойств осуществляются за счет подбора температуры отпуска закаленного ковкого чугуна. Алюминий и его сплавы для придания им определенных свойств также подвергаются закалке и старению . Процессы химико-термической обработки осуществляются посредством нагрева, выдержки и охлаждения деталей из стали или сплавов в активных насыщающих средах (твердых, жидких, газообразных) при определенных температурных и временных условиях с последующей термической обработкой или без нее. Результаты всякого процесса химико-термической обработки определяются составом активной насыщающей среды, температурой и временем выдержки, а также условиями последующей термической обработки. Химико-термическая обработка деталей применяется в промышленности в большинстве случаев с целью повышения свойств: поверхностной твердости, износостойкости, эрозиостойкости, задиростойкости, контактной выносливости и изгибной усталостной прочности (процессы – цементация, азотирование, нитроцементация и др.). Для резкого повышения сопротивления абразивному изнашиванию перспективны процессы: борирование, диффузионное хромирование и другие, позволяющие получить в поверхностном слое бориды железа, карбиды хрома или другие химические соединения металлов, отличающиеся высокой твердостью. В других случаях целью химико-термической обработки является защита поверхности деталей от коррозии при комнатной и повышенной температурах в различных агрессивных средах или окалинообразования (процессы – алитирование, силицирование, хромирование и др.). Цементация. Процесс осуществляется обычно в интервале температур 860…960°С. Длительность выдержки в зависимости от состава цементуемой стали, способа цементации и требуемой глубины слоя, которая колеблется в пределах от 0,15 до 2,5 мм, составляет от 1 до 30 ч. В редких случаях, например газовой цементации крупных подшипниковых колец, глубина слоя может достигать 8 мм, длительность выдержки 7-9 суток. Особым случаем применения цементации является сквозная цементация тонких штампованных деталей из низкоуглеродистой стали (например, деталей пишущих машин, роликовых цепей и т.п.). Для цементации применяют низкоуглеродистую нелегированную и легированную сталь с содержанием углерода 0,08…0,30% (табл. 63). К цементуемой качественной стали предъявляются требования по чистоте металла, структуре, механическим свойствам, закаливаемости цементованного слоя, обрабатываемости резанием и др. При выборе кремнийсодержащих сталей, обладающих повышенной износостойкостью, теплостойкостью и ударной усталостной прочностью, необходимо учитывать некоторые их недостатки в отношении склонности к обезуглероживанию при последующей термической обработке и в ряде случаев – неудовлетворительную закаливаемость цементованного слоя, а также предрасположение к образованию шлифовочных трещин. Концентрация углерода в цементованном слое для получения оптимальных свойств прочности должна находиться в определенных пределах в зависимости от марки легированной стали (обычно 0,8..1,0%). Азотирование осуществляется обычно в атмосфере продуктов частичной диссоциации аммиака в интервале температур 500…580°С. Длительность выдержки в зависимости от типа стали и требуемой глубины слоя обычно составляет 20…100 ч. Азотирование применяют как с целью поверхностного упрочнения (повышение твердости, износостойкости, сопротивления задиранию, усталостной прочности и эрозиостойкости), так и с целью антикоррозионной защиты. Большая эффективность применения азотирования по сравнению с цементацией обусловлена более высокой износостойкостью, теплостойкостью и коррозионной стойкостью азотированных сталей и чугунов. В то же время азотированный слой характеризуется относительно большой хрупкостью. Технологические преимущества азотирования, связанные с низкой температурой процесса, заключаются в незначительном короблении деталей или практически полном его отсутствии. Нитроцементация и цианирование предусматривают одновременное насыщение стали углеродом и азотом (нитроцементация – из газовой среды, цианирование – из расплавов цианистых солей). Основные преимущества нитроцементации и цианирования (кроме большей скорости насыщения) состоят в возможности получения более износостойкого и теплостойкого слоя благодаря наличию в нем азота, меньшему росту зерна и меньшей деформации деталей. Нитроцементация и цианирование осуществляются при температурах 540…600°С (низкотемпературная) и 840…950°С (высокотемпературная), время выдержки 0,5…3 ч. Алитирование применяют для повышения стойкости деталей против газовой коррозии в водяном паре, на воздухе, в сероводороде и в топочных газах при повышенных и высоких температурах. Алитированию подвергают малоуглеродистую нелегированную сталь и сплавы, включая жаропрочные сплавы на никелевой основе, а также серый, кремнистый и магниевый чугуны. Применяют три способа алитирования: в твердой среде (порошковых смесях), в расплаве, напылением расплавленного алюминия. Порошковые смеси для насыщения сталей и чугунов алюминием содержат от 30 до 90% порошка железоалюминиевого сплава, нелегированного или легированного небольшим количеством других элементов (окиси алюминия, 1-2% хлористого аммония. Диффузионное хромирование направлено на повышение твердости, коррозионной стойкости при температуре 800…1300°С порошками, в состав смеси которых входят: Cr или FeCr, 1…3% NH4Cl или NH4I, остальное – Al2O3. Перед хромированием детали подвергаются шлифовке, кроме того, возможна предварительная цементация. При изготовлении штампового инструмента после хромирования производится притирка деталей (реже шлифовка). Увеличение размеров при хромировании составляет 0,01…0,03 мм на сторону. Борирование осуществляется при температуре 920…950°С в жидких средах (электролизное и в расплаве буры с карбидом бора), а также в газообразных средах и твердых смесях с целью повышения твердости и износостойкости. Борированные детали (втулки буровых грязевых насосов, струйных сопел, звеньев цепей пил и др.) подвергаются объемной и поверхностной закалке токами высокой частоты. Время борирования составляет: в жидких средах и газах – 2…20 ч, в порошках – 6 ч. Глубина борируемого слоя составляет 0,2 мм. Сульфоцианирование направлено на улучшение антифрикционных свойств и повышение усталостной прочности стали (обработка поршневых колец, гильз цилиндров, чугунных втулок, зубчатых и червячных колес и др.). Сульфоцианирование осуществляют при температуре 560…580°С в течение 1,5…2 ч. За это время в зависимости от марки стали и состава ванны получают обогащенный серой, азотом и углеродом слой глубиной 0,05…0,1 мм. По окончании процесса детали охлаждают на воздухе, промывают в горячей воде, сушат, промасливают. Силицирование применяется для деталей химического и нефтяного машиностроения с целью повышения их коррозионной стойкости при работе в морской воде, серной, соляной, азотной кислотах различной концентрации и других агрессивных средах. Силицирование осуществляется при температуре 950…1000°С в газовых и жидких средах, а также в вакууме и порошкообразных смесях в течение 10…50 ч. Силицирование отрицательно влияет на механические свойства стали: оно понижает предел прочности и особенно относительное удлинение и ударную вязкость. Титанирование осуществляется в интервале температур 950…1300°С в твердых смесях, жидких и газообразных средах с целью получения поверхностных слоев, стойких в различных агрессивных средах, и для повышения сопротивления эрозии. Титанированные железные листы обладают высокой стойкостью против коррозии и хорошо свариваются. Титанирование используют для защиты деталей насосов, работающих в морской воде. Продолжительность титанирования составляет 0,25…6 ч, глубина слоя составляет 0,02…0,45 мм, а при обработке ферротитановым порошком – до 1,5 мм. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговечности изделий делают актуальными создание и применение новых методов обработки упрочняющей технологии для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности и других эксплуатационных характеристик. Физико-механические методы имеют следующие достоинства и преимущества перед процессами резания: 1) копирование формы инструмента сложной формы сразу по всей поверхности заготовки при его простом поступательном движении; 2) обработка материалов ведется при практической независимости режимов обработки от твердости и вязкости материала; 3) выполнение уникальных операций (обработка отверстий с криволинейной или спиральной осью, изготовление очень малых отверстий, узких и глубоких канавок и др.); 4) малые значения сил, действующих в процессе обработки, а при некоторых методах – отсутствие механического контакта инструмента и заготовки; 5) используется инструмент менее твердый и менее прочный, чем обрабатываемый материал; 6) высокая производительность обработки при сравнительно высокой точности получения размеров; 7) возможность автоматизации и механизации процессов физико-химической обработки, а также многостаночного обслуживания. Недостаток физико-химических методов: эти методы обычно более энергоемки, чем процесс резания, их целесообразно применять лишь в тех случаях, когда процессы резания мало- эффективны. Все физико-химические методы содержат пять основных видов, каждый из которых состоит из нескольких разновидностей : электроразрядные; электрохимические; ультра- звуковые; лучевые; комбинированные. В этих методах удаление припуска происходит не за счет больших пластических деформаций (как это имеет место при резании), а путем электрической или химической эрозии. Применение физико-химических методов обеспечивает частичную или полную автоматизацию процессов, упрощение ручных операций, связанных с обслуживанием станка. Особенно эффективны они при изготовлении таких изделий, как штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, камеры сгорания, фасонный твердосплавный инструмент, электронная аппаратура и др. Рис. 40. Основные разновидности физико-химических методов обработки Технико-экономический эффект их применения тем выше, чем сложнее конфигурация обрабатываемых деталей: время изготовления обычных фасонных поверхностей снижается в 2-3 раза, сложных – в 5-10 раз. 1. Электроэрозионные (электроразрядные) методы обработки Электроэрозионные методы основаны на использовании явления электрической эрозии – направленного локального разрушения электропроводящих материалов в результате теплового действия импульсных электрических разрядов между электродом-инструментом и электродом-заготовкой. Электрод-инструмент и обрабатываемая заготовка погружены в рабочую жидкость и соединены с генератором электрических импульсов . Все процессы, вызывающие обработку, протекают в межэлектродном промежутке (МЭП) Δ. При подводе к электродам электрического импульса наибольшая электрическая напряженность будет между наиболее близкими микровыступами: происходит пробой промежутка, возникают проводимость и импульсный разряд, сопровождающийся очень высокой температурой (до 104 °С), вызывающей плавление и испарение металлов. Количество теплоты, выделяющейся на электродах, неодинаково и зависит от их полярности и энергии импульсов. Заготовку соединяют с тем полюсом, на котором выделяется большая доля теплоты. В процессе обработки электрод-инструмент перемещается и с помощью специального регулятора поддерживается постоянная величина МЭП (Δ=5…10 мкм). Ра- бочий процесс протекает в жидкой диэлектрической среде (керосин, масло, дистиллированная вода). Рабочая жидкость при электроэрозионной обработке: 1) способствует диспергированию продуктов эрозии, образованию гранул шаровидной формы, препятствует осаждению продуктов эрозии одного электрода на другой. Рабочая жидкость должна иметь невысокую вязкость и безопасность в эксплуатации, химическую нейтральность к материалу инструмента и детали, нетоксичность и невысокую стоимость. Общий съем металла происходит под действием большого числа электроимпульсов, следующих с определенной частотой. Величина электрической эрозии определяется химическим составом материалов электрода-инструмента и заготовки, составом рабочей жидкости, а также энергетическими характеристиками импульсов. Процесс эрозии электродов содержит три основные фазы: 1) выделение энергии в канале разряда и передача ее поверхностям электродов; 2) разрушение решетки металла (плавление, испарение); 3) эвакуация продуктов эрозии из зоны разряда. Обрабатываемость материалов электроэрозионным методом зависит от их теплофизических свойств и условий протекания процесса. Если обрабатываемость нормализованной стали принять за единицу, то для жаропрочных сплавов она равна 1,3…1,4, а для тугоплавких металлов и твердых сплавов лишь 0,4…0,5. Обрабатываемость закаленных сталей на 25…30% выше, чем незакаленных, из-за их меньшей теплопроводности. Применяются несколько кинематических схем ЭЭО. 1. Прошивание отверстий и полостей с прямой и криволинейной осью – в двух вариантах: а) прямое копирование, когда электрод-инструмент находится над заготовкой; обработка бывает одно- и многоэлектродная; б) обратное копирование с рас- положением заготовки над электродом-инструментом (ЭИ). Движение подачи здесь может осуществляться заготовкой, при этом улучшаются условия эвакуации продуктов эрозии и повышается точность обработки. 2. Электроэрозионное шлифование, наиболее эффективное при обработке внутренних фасонных поверхностей. 3. Обработка непрофилированным электродом . 3 – движущейся тонкой проволокой (d= 0,05…0,3 мм) – обычно по двум координатам. Эта схема позволяет вырезать сложно- контурные детали высокой точности при использовании коротких импульсов с малой энергией. 4. Формообразование путем сочетания взаимного перемещения обрабатываемой детали и профилированного ЭИ (огибание или обкатка). Такая схема используется при электроэрозионной правке фасонных алмазных кругов, обработке узких канавок (менее 0,5 мм) на стальных и твердосплавных роликах. Электроэрозионный метод позволяет обрабатывать отверстия с криволинейными осями, тонкостенные детали, узкие каналы, соединительные отверстия в корпусах гидро- и пневмоаппаратуры. Преимущество этих методов – отсутствие заусенцев. Все станки для физико-химической обработки так же, как и обычные металлорежущие станки, делятся на универсальные, специализированные и специальные. 2. Электрохимические методы обработки (ЭХО Общие сведения. Все разновидности ЭХО основаны на использовании процесса электролитического полирования, разработанного в 1911 г. русским химиком Е.И. Шпитальским. Электрохимическая обработка использует процессы электролиза, т.е. химические превращения на поверхности электродов в среде электролита. Заготовка является анодом, а инструмент – катодом. В основе ЭХО лежит процесс анодного растворения металла заготовки. В рабочей среде – электролите – молекулы вещества распадаются на электрически заряженные частицы – ионы, каждый из которых переносит один или несколько электрических зарядов, и без внешнего электрического поля ионы в электролите движутся хаотически. Если заготовку и инструмент соединить с источником постоянного тока (напряжением 6…12 В), то в электролите возникает направленное движение ионов: положительные ионы (катионы) двигаются к катоду, а отрицательные (анионы) – к аноду. Вблизи электродов постепенно повышается концентрация ионов противоположного знака, и на катоде начнется восстановление катионов, а на аноде – окисление металла, т.е. анодное растворение. Характер электрохимических реакций зависит от состава, концентрации и температуры электролита. В настоящее время применяется большое количество разновидностей ЭХО. Обработка при малых плотностях тока и в неподвижном электролите называется электрополированием. Схема электрополирования простая: обрабатываемую деталь помещают в электролит и соединяют с положительным полюсом источника постоянного тока. Катодом служит пластина из металла, не вступающего в химическую реакцию с электролитом. При прохождении тока наиболее интенсивно растворяются вершины микронеровностей, появляется блеск и достигается эффект полирования. Электрополирование используют перед проведением гальванических процессов, для снятия тонких слоев металла при изучении остаточных напряжений, для удаления наклепанного слоя после процессов резания и др. Наряду с электрополированием применяется и чисто химический процесс – размерное травление («химическое фрезерование»), сплошное и избирательное. При избирательном травлении места, не подлежащие обработке, защищают слоем лака. Травление ведется в водных растворах щелочей и кислот. Глубина травления не превышает нескольких миллиметров, а производительность – невысокая (0,4...1,2 мм/ч). Этот процесс наиболее эффективен при обработке рельефных поверхностей на деталях из алюминиевых сплавов, а также сталей и титановых сплавов с большими площадями: вафельных панелей, створок, обшивок гондолы двигателя и др. По сравнению с процессами резания трудоемкость снижается в 2-3 раза. Электрополирование характеризуется невысокой интенсивностью съема металла из-за низкой плотности тока на аноде (i менее 0,1 А/см2 ) и постепенным замедлением процесса вследствие пассивации анода неэлектропроводными частицами гидроксидов металла При ультразвуковой обработке инструмент совершает ультразвуковые колебания и воздействует на заготовку 3 с небольшой статической силой Рст (Рст=30...200Н). В рабочую зону подаются взвешенные абразивные зерна (обычно карбиды бора), и наблюдается два основных процесса: 1) ударное вдавливание абразивных зерен, вызывающее выкалывание небольших частиц материала заготовки, 2) циркуляция и смена абразива в рабочей зоне для уноса выколотых частиц и доставки свежего абразива. Размер выкалываемых частиц небольшой, однако количество ударов велико (18..44 кГц) и при определенных условиях обработка идет достаточно эффективно. Главное движение – колебания инструмента. Подача может быть продольной (Sпр), поперечной (Sпп) и круговой (Sкр) – вращение инструмента или заготовки. В зависимости от вида подачи, а также формы инструмента можно осуществить различные кинематические схемы ультразвуковой обработки, аналогичные процессу электроэрозионной обработки. Ультразвуковые установки и станки делятся на переносные установки небольшой мощности и стационарные ультразвуковые станки – универсальные и специальные. Универсальный ультразвуковый станок состоит из ультразвукового генератора, акустической головки с пьезокерамическим или магнитостриционным преобразователем, механизмов подачи головки, стола для закрепления заготовок, системы подвода абразивной суспензии, устройств для измерения глубины обработки и периодического подъема и опускания инструмента. Производительность и качество поверхности зависят от свойств обрабатываемых материалов, амплитуды колебаний, зернистости абразива и статической нагрузки. Преимущество ультразвукового метода перед электроэрозионным и электрохимическим – возможность обработки диэлектрика, а при обработке тугоплавких металлов и твердых сплавов – более высокое качество поверхностного слоя. Для повышения производительности, особенно при обработке отверстий глубиной более 5 мм, применяют подвод абразивной суспензии под дав- лением или вакуумный отсос ее из зоны обработки. Обработку глубоких отверстий малого диаметра (D=3...8 мм, h до 500 мм) целесообразно вести вращающимися алмазными коронками при сообщении инструменту ультразвуковых колебаний вдоль его оси. Применение ультразвука для интенсификации обычных процессов резания труднообрабатываемых материалов путем сообщения вынужденных колебаний малой амплитуды (А=3...10 мкм) инструменту или заготовке наиболее эффективно при работе с малыми сечениями среза, например при нарезании резьбы метчиками. При сообщении метчику или раскатнику ультразвуковых колебаний снижается крутя- щий момент на (25...50%), улучшается качество обработанной поверхности и за счет уменьшения количества метчиков в комплекте в 1,5-3 раза повышается производительность процесса. Ультразвуковое нарезание резьб малого диаметра (М3...М12) позволяет механизировать процесс, повысить стойкость инструмента, исключить брак, вызываемый поломками метчиков. Перспективным направлением физико-химических методов является рациональное совмещение различных процессов, которое позволяет значительно интенсифицировать процесс обработки. Например, способ, основанный на совмещении ультразвуковой и электрохимической обработки, позволил значительно повысить производительность процесса и улучшить качество поверхностного слоя. При обработке тугоплавких металлов и твердых сплавов совмещенный способ обеспечивает производительность, в десятки раз более высокую, чем электрозионный способ, и в 5-6 раз большую, чем ультразвуковой, позволяет в 5 раз снизить износ инструмента и в 3-5 раз уменьшить энергоемкость процесса. Появляется возможность заменить карбид бора значительно более дешевым абразивом – карбидом кремния. Установлено, что при ультра- звуковой обработке твердых сплавов по сравнению с другими электрофизическими методами достигается более высокое качество поверхностного слоя: образуются сжимающие остаточные напряжения. Поэтому повышаются износостойкость и усталостная прочность твердосплавных штампов, матриц, пресс- форм, фильер и других деталей, обрабатываемых ультразвуковым методом. Совмещенный метод реализован в ультразвуковых станках мод. 4Б772 и 4Д772Э. 4. Лучевые методы размерной обработки Под лучевыми методами размерной обработки понимают процессы удаления материала плавлением и испарением его под действием энергии лучевых потоков или высокоэнергетических струй с удельной плотностью энергии до 106 ...109 Вт/см2 . Основные разновидности лучевых методов – электронно-лучевая и светолучевая (лазерная) обработки. Отличие лучевых методов размерной обработки от пайки и сварки заключается главным образом в длительности импульсов: в первом случае применяются короткие импульсы (τи106 Вт/см2 ), когда передача энергии твердому телу осуществляется периодическими тепловыми взрывами и скорость выделения теплоты значительно превышает скорость ее отвода (взрывообразное испарение). Образуется ударная волна, генерирующая направленный в глубь тела поток дислокаций и инициирующая процесс плавления. Электронно-лучевым методом можно обрабатывать как электропроводящие, так и неэлектропроводящие материалы с любыми механическими свойствами. Однако предпочтительнее обработка деталей из электропроводящих материалов или деталей с токопроводящими покрытиями, так как в этом случае статический заряд отводится путем заземления детали. Основная область применения ЭЛО – обработка узких канавок и изготовление малых отверстий (перфорирование). Преимущества ЭЛО: высокая производительность процесса, отсутствие химического взаимодействия, возможность обработки труднодоступных мест, обработка очень малых отверстий и узких канавок. Недостатки ЭЛО: необходимость создания вакуума (на это требуется 10...15 мин), сложность и высокая стоимость установок, необходимость защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения. Процессы лазерной обработки реализуются на установках двух типов: на базе твердотельных оптических квантовых генераторов (ОКГ) и на базе газовых ОКГ. Эффективно использование в одном технологическом процессе нескольких методов. Например, использование светового луча и ультразвука при изготовлении алмазных волок и фильер позволило сократить время черновой обработки с десятков часов до нескольких минут, а продолжительность чистовой обработки ультразвуковым методом – в 4...5 раз. Лазерная обработка применяется для изготовления отверстий в камнях подшипников, в форсунках, жиклерах, для перфорации охлаждаемых лопаток, для раскроя листов из титановых сплавов, нержавеющих сталей и композиционных материалов. Газовые лазеры применяются для резки и вырезки сложных контуров. СВАРКА МАТЕРИАЛОВ 1. Способы сварки материалов Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений между свариваемыми частями при их местном (или общем) нагреве или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного шва, сварка материалов делится на три класса: термический, термомеханический и механический. Большое разнообразие форм, размеров и материалов дета- лей обусловливает необходимость применения разных видов сварки. Ручная дуговая сварка металлическим электродом основана на расплавлении основного металла и электродного стержня за счет горения между ними электрической дуги (температура 4000...6000°С). Электроды имеют специальное покрытие, которое, расплавляясь, создает газовую и шлаковую защиту сварного шва от вредного действия кислорода и азота воздуха. Сварку выполняют на постоянном и переменном токе. Ручная дуговая сварка угольным электродом также основана на горении электрической дуги между свариваемым металлом и электродом. Для образования сварного шва в зону дуги вводят присадочную металлическую проволоку. Для сварки используется только постоянный ток. При дуговой сварке под флюсом электрическая дуга горит под флюсом между свариваемым металлом и электродной проволокой, которая подается в зону сварного шва механически или автоматически. Ток к проволоке подводится через контактные губки держателя от сварочного трансформатора. Флюс поступает в зону сварки из бункера и, расплавляясь, защищает сварной шов, образуя слой шлака. Дуговая сварка в защитных газах (аргон, гелий, азот, угле- кислый газ) предполагает защиту расплавленного металла от воздействия кислорода и азота воздуха струей защитного газа. Этот вид сварки может осуществляться вручную, полуавтоматически и автоматически плавящимися и неплавящимися электродами. При сварке дуга горит между вольфрамовым электродом и свариваемым металлом, при этом возможна подача в зону шва присадочной проволоки. Сварку выполняют на постоянном и переменном токе. При сварке плавящимся электродом дуга горит между электродной проволокой и свариваемым металлом. При газопрессовой сварке свариваемые детали в месте их соединения нагревают специальной газокислородной горелкой до пластического состояния или до оплавления кромок, а затем сдавливают внешним усилием. Сварку применяют как для металлов, так и для пластмасс. Контактная сварка предусматривает стыковую, точечную и шовную виды сварок. Стыковая сварка предусматривает сварку проволоки, стержней, труб, нешироких полос встык, для чего детали зажимаются в сварочной машине и через них пропускается электрический ток. В месте соприкосновения (контакта) торцы деталей разогреваются до пластического состояния или до плавления и свариваются при сдавливании. При точечной и шовной сварке свариваемые детали собираются внахлестку. В последнем случае электроды сварочной машины выполняются в виде вращающихся роликов. Газовая сварка относится к термическому классу. Источником нагрева при газовой сварке служит пламя сварочной горелки, получаемое сжиганием горючего газа в смеси с технически чистым кислородом. Для пластмасс возможно применение смеси бутан-пропана с воздухом. Газовую сварку выполняют как с применением присадочного прутка в виде проволоки определенного сечения, так и без него, если формирование шва возможно за счет расплавления кромок основного материала. Нагрев газа-теплоносителя для сварки пластмасс также возможен в электрической горелке, когда газ проходит через трубу с расположенными в ней электрическими спиралями (температура нагрева 270...290°С регулируется током, проходящим по спиралям). Сварка нагретым инструментом используется для сварки пластмасс, которые не свариваются токами высокой частоты (полиэтилен, полипропилен, винипласт, полиизобутилен, поли- стирол). Суть метода заключается в нагреве свариваемых поверхностей с помощью специального инструмента (паяльника, нагретого ролика, утюга и т.п.) и приложения последующего давления, в том числе и инструментом. При сварке этим способом фторопласта необходимо обеспечить достаточное давление сжатия деталей и температуру 380...390°С с выдержкой 3...5 мин. Сварка трением применяется как для сварки металлов, так и для сварки пластмасс и основана на преобразовании механической энергии (вращение или перемещение одной из свариваемых деталей относительно другой при достаточном сдавливании соединяемых поверхностей) в тепловую. Относительное перемещение трущихся поверхностей также возможно при применении промежуточного (третьего) элемента, который затем удаляют из зоны сварки. Сварка токами высокой частоты (в том числе индукционная сварка) основана на свойстве материалов нагреваться в высокочастотном электромагнитном поле. Сварка может быть роликовой, точечной, объемной и прессовой. Такую сварку можно осуществлять и для материалов, которые не нагреваются в высокочастотном поле, для чего применяются промежуточные материалы, передающие тепло свариваемым материалам. Способ сварки ультразвуком основан на преобразовании механических высокочастотных колебаний, возбуждаемых в свариваемых материалах, в тепловую с приложением давления. Способ сварки излучением основан на преобразовании энергии излучения (инфракрасного, светового луча или лазера, фокусируемого на свариваемом участке) в тепловую. Для сварки разнородных материалов применяют сварку взрывом и ядерную сварку. Сварка взрывом основана на принципе создания высокого давления между свариваемыми деталями, под действием которого поверхностные слои соединяемых материалов внедряются друг в друга. Ядерная сварка состоит в облучении потоком нейтронов соединений лития или бора, предварительно нанесенных на свариваемые места. При облучении возбуждаются ядерные реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, необходимой для сварки. Этот метод нельзя применять для сварки материалов, способных при нейтронном облучении приобретать радиоактивность. 2. Сварочное оборудование Для дуговой сварки применяют источники постоянного или переменного тока. В качестве источников постоянного тока ис- пользуются: сварочные преобразователи, приводящиеся в движение от электродвигателей переменного тока; выпрямители в совокупности с балластными сопротивлениями ; сварочные агрегаты с автономными приводами от двигателей внутреннего сгорания; аккумуляторные батареи различной емкости в совокупности с балластными сопротивлениями. В качестве источников переменного тока используют сварочные трансформаторы. При сварке деталей дуговой сваркой возникают нежелательные последствия: окисляется металл, поглощается азот, выгорают легирующие добавки, происходят объемные и структурные превращения, что приводит к короблению деталей, нарушению термической обработки и снижению твердости. Окисление металла понижает механические свойства и пластичность сваренных участков. Поглощение азота за счет образования нитрида железа, марганца и других элементов увеличивает прочность сварного шва, однако резко уменьшает его пластичность. Для уменьшения влияния этих явлений сварку выполняют электродами с обмазкой. При выборе электродов необходимо учитывать их назначение. Свойства материала шва должны максимально приближаться по качеству к свойствам основного материала. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемых деталей и размещения сварного шва в пространстве. Силу сварочного тока определяют по диаметру применяемого электрода. Газовую сварку осуществляют, как правило, ацетилено-кислородным нейтральным пламенем. В отдельных случаях применяют восстановительное пламя, а при резании металлов – окислительное пламя. Ацетилен является основным горючим газом для газовой сварки и резки металлов, температура его пламени при сгорании в смеси с технически чистым кислородом достигает 3150°С. К месту сварки ацетилен доставляется в специальных стальных баллонах, заполненных пористой, пропитанной ацетоном массой (благодаря его хорошей растворимости в ацетоне), под давлением 1,9 МПа. Ацетилен могут так- же получать непосредственно на месте сварки с помощью специальных ацетиленовых генераторов. Принцип ацетиленового генератора основан на разложении карбида кальция водой. Кислород сохраняют и транспортируют в стальных баллонах вместимостью 40 дм3 под давлением 15 МПа. Кроме ацетилена при сварке и резке металлов применяют и другие, более дешевые, горючие газы (водород, коксовый газ, городской газ, пропан, пропанобутановая смесь) и пары горючих жидкостей (бензин, керосин). Химический состав и физико-механические свойства материала присадочных прутков должны быть близки к составу и свойствам свариваемых материалов. Для защиты расплавленного металла от окисления на кромки свариваемого металла и на присадочные прутки заранее наносят флюс в виде порошка или пасты (иногда в виде паров, например флюс БМ-1). В качестве флюсов (в зависимости от свойств свариваемых материалов) используют буру, борную кислоту, окислы и соли бария, калия, лития, натрия, фтора и др. Кислород и горючие газы к месту сварки (к газовой горелке) подают по специальным шлангам, обладающим достаточной гибкостью и высокой прочностью. Основным инструментом газосварщика является газовая горелка, в которой осуществляется образование горючей смеси. Газовые горелки подразделяются: по способу смесеобразования – на инжекторные и безынжекторные; по роду применяемого газа – ацетиленовые, для газов-заменителей, для жидких горючих и водородные; по назначению – универсальные (сварка, резка, пайка, наплавка) и специализированные; по числу пламени – одно- и многопламенные; по мощности пламени и т.д. 3. Сварка металлов В зависимости от требований, предъявляемых к качеству сварного шва, а также химико-физикомеханических свойств свариваемых материалов выбирают тот или иной вид сварки. Наиболее дешевый и легкодоступной является сварка металлическим электродом, однако она применима не для всех металлов и в некоторых случаях неприемлема. Контактную сварку в основном применяют для сварки тонких металлических листов, например, для сварки кузовов автомобилей. Наиболее универсальной и широко применяемой является газовая сварка. Перед ее проведением свариваемые кромки металлов тщательно подготавливают: удаляют масло, окалину и другие загрязнения; тщательно зачищают (при необходимости, например при сварке алюминия, свариваемые кромки травят в кислоте, затем промывают и сушат); разделывают кромки в зависимости от взаимного расположения свариваемых деталей; осуществляют прихватку короткими швами. Наличие в стали углерода и различных легирующих добавок значительно сказывается на качестве свариваемости. При содержании углерода свыше 0,25% свариваемость стали ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Повышение содержания углерода в присадочном материале вызывает пористость шва. Горячая сварка чугуна является наиболее надежным способом, обеспечивающим лучшее качество сварного соединения, и применяется при исправлении дефектов литья и ремонте небольших чугунных деталей. Выбор способа сварки определяется составом чугуна, конструкцией детали, характером дефекта и условиями работы. Процесс горячей газовой сварки разбивается на ряд отдельных операций, от которых зависит качество сварного соединения. К этим операциям относятся: подготовка деталей под сварку; предварительный подогрев деталей; сварка деталей; охлаждение деталей после сварки. Раковины, трещины и другие поверхностные дефекты подготавливают механической разделкой места заварки, трещины по концам засверливают. Детали, подготовленные под горячую сварку, собирают, прихватывают по кромкам и подвергают нагреву до 500...700°С. Сварку чугуна выполняют газосваркой нормальным пламенем или пламенем с небольшим избытком ацетилена. Для получения качественного сварного соединения необходимо после сварки уменьшить скорость охлаждения. Для этой цели иногда свариваемые детали подвергают вторичному нагреву до температуры 600...750°С и охлаждают вместе с печью. Также возможно применение сварки чугуна с местным подогревом. Холодную сварку чугуна применяют в тех случаях, когда детали при нагревании и охлаждении способны свободно рас- ширяться и сжиматься, не вызывая значительных остаточных напряжений. При этом мощность пламени горелки должна быть максимальной. Технологический процесс сварки аналогичен процессу при горячей сварки. После сварки изделие медленно охлаждают под слоем асбеста или в песке. При ремонтной сварке используют пайку-сварку чугуна латунными припоями. Преимущество пайки-сварки чугуна латунью по сравнению со сваркой плавлением заключается в том, что нагрев чугуна до температуры плавления латуни (850...900°С) существенно не изменяет структуры металла и не вызывает значительных термических напряжений. 4. ПАЙКА МАТЕРИАЛОВ 1. Способы пайки материалов Пайка – это технологический процесс получения неразъемных соединений металлов нагревом до расплавления более легкоплавкого присадочного металла – припоя, заполняющего зазор между соединяемыми деталями; основной металл при пайке не плавится, а нагревается до температуры расплавления припоя. В качестве источников тепла при пайке используют газокислородное и газовоздушное пламя, электронагрев, индукционный нагрев, паяльники. К преимуществам пайки относятся отсутствие расплавления и незначительный нагрев основного металла. Эти преимущества позволяют получать высококачественные соединения не только однородных металлов, но и разнородных металлов и сплавов. Особенность пайки состоит в том, что при этом процессе не происходит плавления металла соединяемых деталей. Родственным пайке процессом является лужение, при котором поверхность металлической детали покрывают тонким слоем расплавленного припоя, образующего в контакте с основным металлом припой-сплав переменного состава с теми же зонами, что и зоны при пайке. Если при пайке прочность паяного соединения определяется прочностью двух спаев и зоны сплавления, то при лужении прочность связи слоя полуды с основным металлом зависит от прочности переходного слоя (спая) между ними. Лужение можно применить как предварительный процесс с целью создания более надежного контакта между основным металлом и припоем или как покрытие для защиты металлов от коррозии. Для повышения прочности спая, полученного при лужении, иногда проводят термическую обработку. Паяемые конструкционные материалы выбирают в соответствии с условиями работы конструкции и требованиями прочности, герметичности, коррозионной стойкости и др. В паяемых конструкциях применяют стали всех типов, чугуны, никелевые сплавы (жаропрочные, жаростойкие, кислотостойкие), медь и ее сплавы, а также легкие сплавы на основе титана, алюминия, магния и бериллия. Ограниченное применение имеют сплавы на основе тугоплавких металлов: хрома, ниобия, молибдена, тантала и вольфрама. Формирование паяного соединения происходит под влиянием различных факторов. Изменяя технологические параметры процесса пайки (состав и свойства припоя, термический цикл, средства активации поверхности, зазор, конструкцию паяного соединения), можно влиять на формирование швов паяных соединений и конечные свойства этих соединений. Например, факторами, определяющими степень смачивания припоем основного металла, являются состав и свойства основного металла и припоя, температура и время выдержки при пайке, а также средства активации поверхности. Если при заданных условиях пайки не удается обеспечить хорошего смачивания припоем паяемого металла, то смачивание можно улучшить нанесением на паяемые поверхности слоя другого металла. В некоторых случаях получение качественного паяного соединения при хорошей смачиваемости затруднено образованием на границе припой – паяемый металл хрупких прослоек интерметаллических соединений. В этом случае получение соединения с требуемыми свойствами зависит от взаимодействия припоя и паяемого металла. Факторами, влияющими на этот процесс, являются состав и свойства паяемого металла и припоя, температура и время выдержки при пайке и величине зазора. В зависимости от происхождения припоя различают следующие способы пайки: готовым припоем и контактно-реактивную, для которой роль припоя выполняет жидкая фаза, образующаяся в результате химической реакции с компонентами флюса. Одним из перспективных видов припоя является композиционный припой, содержащий порошковый наполнитель, не расплавляющийся при пайке. Наполнитель создает в зазоре систему капилляров, что позволяет паять изделия с большими зазорами. Кроме того, наполнитель участвует в диффузионном взаимодействии с припоем и может быть использован для придания соединению специальных свойств. Диффузионная пайка рассчитана на развитие диффузионных процессов между припоем и паяемым металлом; затвердевание паяного шва происходит при температуре выше температуры солидуса припоя. По способу удаления окисной пленки при пайке и лужении различают флюсовую и бесфлюсовую пайку, ультразвуковые пайку и лужение, абразивное, абразивно-кристаллическое и абразивно-кавитационное лужение, пайку в активных, нейтральных газах и в вакууме. При ультразвуковой пайке и лужении, абразивном, абразивно-кристаллическом и абразивно-кавитационном лужении происходит механическое разрушение оксидной пленки на поверхности паяемого материала под слоем расплавленного припоя, смачивающего очищенную поверхность, за счет явления кавитации, вызываемого ультразвуковыми колебаниями, или абразивного воздействия твердых частиц, содержащихся в припое. По источникам нагрева существующие способы пайки разделяют на пайку паяльником, газопламенную, дуговую, электросопротивлением, экзотермическую (использующую теплоту, образующуюся при экзотермических реакциях специальных смесей), электронным лучом (чаще сканирующим), лазерную, световым излучением (с помощью кварцевых ламп и ксеноновых ламп высокого давления), печную, погружением в расплавленные соли или припои, волной припоя, нагретыми штампами, матами, блоками. 2. Паяльные припои и флюсы Припои выпускают в виде проволоки, прутков, полос, порошковой проволоки, порошков и пасты. В качестве припоев для пайки металлов применяют как чистые металлы, так и их сплавы. Чтобы выполнить условия проведения пайки и обеспечить получение качественных паяных соединений, припои должны отвечать следующим требованиям: - температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления паяемых материалов; для соединений, работающих при температуре выше 100°С, припои, имеющие температуру плавления ниже 300°С, применять не рекомендуется; - припой должен хорошо смачивать поверхность паяемых деталей и затекать в зазоры соединения; - выбранный припой должен обеспечивать получение соединения необходимой прочности; - припой должен обеспечивать возможность нанесения антикоррозионного или декоративного покрытия требуемого качества. Высокотемпературная пайка дает более прочные соединения, иногда не уступающие по прочности основному материалу. Соединения, выполненные серебряными, медными и медно- цинковыми припоями, хорошо покрываются почти всеми видами гальванических покрытий. Соединения припоями, содержащими олово, не следует подвергать гальваническим покрытиям и оксидированию. При выборе припоя для пайки стальных конструкций следует иметь в виду, что все медные и часть серебряных припоев способствуют возникновению трещин в основном материале в процессе пайки или при последующей сварке вблизи паяных швов. Паяльный флюс – химически активное вещество, предназначенное для очистки и поддержания чистоты поверхностей паяемого металла и припоя с целью снижения поверхностного натяжения и улучшения растекания жидкого припоя. К флюсам предъявляется ряд требований. Так, необходимо, чтобы флюс химически не взаимодействовал с припоем (кроме случаев реактивно-флюсовой пайки); очищал поверхности основного металла и припоя от присутствующих на них окислов и защищал соединение от воздействия окружающей среды во время пайки; имел температуру плавления ниже температуры плавления припоя; способствовал смачиванию поверхности основного металла припоем в расплавленном состоянии; сохранял свойства и не менял своего состава от нагрева при пайке; не вызывал сильной коррозии паяного соединения и не выделял при нагреве ядовитых газов. В зависимости от температурного интервала активности паяные флюсы подразделяются на низкотемпературные (tпл≤ ≤450°С) и высокотемпературные (tпл>450°С). Олово, свинец и сплавы на их основе относятся к мягким припоям. Ими паяют изделия почти из всех металлов. Оловянно-свинцовые припои выпускаются в виде чушек, прутков, проволоки, ленты, а также в виде трубок, заполненных флюсом. Пайку металлоемких изделий производят в прямоугольных печах-ваннах С-50, СКБ-5152 и др. Для пайки изделий в интервале температур 850...1200°С используют печи-ванны типа СВС-100/13 исполнения М.01, которые обладают высокой производительностью и рекомендуются для крупносерийного и массового выпуска изделий. При пайке погружением в расплавы солей с целью стабилизации температуры необходим предварительный подогрев изделий: для этого применяют камерные электропечи, индукционный нагрев, а также специальные нагревательные печи типа ПАП. Для пайки активных металлов герметичный контейнер с изделиями, в который подается контролируемая среда, погружают в ванну с расплавленной солью, нагретой до заданной температуры. При таком способе можно осуществлять пайку не только в газовой среде, но и в вакууме. Если в первом случае представляется возможным использовать контейнер с песочным затвором и неполным погружением, то при пайке изделий в вакууме контейнер выполняют цельносварным либо со съемным фланцем для полного или частичного его погружения. Ручные клещи для пайки электросопротивлением нашли применение для соединения сравнительно немассивных деталей. При больших объемах выпуска изделий из разнотолщинных элементов или конструкций из материалов, имеющих разные теплофизические свойства, чаще всего применяют сварочное оборудование – машины для контактной сварки. СКЛЕИВАНИЕ И ОКРАСКА МАТЕРИАЛОВ Технологические процессы склеивания и окраски схожи между собой. Основное отличие состоит в том, что клеевой слой находится между соединяемыми поверхностями и охватывает незначительные площади (хотя при ремонте корпусов судов, больших резервуаров и др. площади могут быть значительными). Нахождение клеевого слоя между поверхностями существенно влияет на условия его отверждения, требует приложения определенного давления и др. Типичный процесс склеивания (окраски) можно разделить на следующие основные стадии: - превращение клеящего (красящего) вещества в состояние, пригодное для нанесения на поверхность материала (растворение, расплавление, частичная полимеризация и др.); - подготовка склеиваемых (окрашиваемых) поверхностей материалов (придание шероховатости, различные виды химической, механической обработки и др.) и нанесение клеящего (окрашивающего) вещества; - создание условий для отверждения клеевого (окрашенного) слоя, отвечающего предъявляемым требованиям условий эксплуатации (температурный режим, время выдержки при заданной температуре, давление, время выдержки без давления и под давлением и т.д.). Прочностные свойства клеевых соединений и лакокрасочных покрытий определяются не только высокой адгезией клея и краски, но и состоянием поверхности склеиваемых (окрашиваемых) материалов. На поверхности могут быть дефекты: трещины, микрокапилляры, загрязнения, продукты коррозии и старая краска, заусеницы и т.п., наличие которых приводит к неоднородной активности по отношению к клею или краске. Поэтому необходима предварительная подготовка соединяемых (окрашиваемых) поверхностей материалов. Обычно применяют следующие способы подготовки поверхности: механические – обработка механизированным инструментом, галтовка, обработка сухим абразивом, гидроабразивная очистка; химические – обезжиривание в водных растворах и в органических растворителях, травление, одновременное обезжиривание и травление, фосфатирование, пассивирование, анодирование и др.; физические и физико-химические – обработка ультразвуком, электрическим полем, тлеющим и коронным разрядом в среде инертных газов и др.; термические методы обработки. Обработка механизированным инструментом пригодна для удаления дефектов (заусенцев, старой краски, продуктов коррозии). Для предохранения поверхностей, подготовленных к склеиванию и окраске, а также улучшения их смачиваемости, применяют адгезионные грунты (праймеры). Их использование увеличивает долговечность клеевых соединений и лакокрасочных покрытий (особенно в условиях высокой влажности). Обычно адгезионные грунты представляют собой разбавленные растворы смол и эмалей, которые входят в состав соответствующих клеев и красок. Если нужно защитить часть детали от клея или краски, то на ее поверхность наносят антиадгезионный слой. Это могут быть кремнийорганические жидкости или смазки, растворы силиконовых каучуков или суспензия низкомолекулярного фторопласта в хладоне (обычно во фреоне). Некоторые из них выпускаются в аэрозольной упаковке, что облегчает способ нанесения слоя. Иногда для защиты поверхности материала сразу после изготовления на нее наносят защитный удаляемый слой. Это может быть бумага (например, для защиты органического стекла), нейлоновая или стеклоткань, пропитанная связующим. После удаления защитного слоя не требуется обезжиривания и повторной обработки поверхности. Факторы, определяющие прочность склеивания и окраски Для получения прочного соединения пленки клея или краски с поверхностью материала необходимо знать адгезионные свойства клея (краски) и зависимость этих свойств от физических и физико-химических характеристик исходного материала клея (краски), условия эксплуатации, структуру и состояние склеиваемых (окрашиваемых) поверхностей. Адгезионная прочность материала клея (краски) зависит от числа концевых реакционно-способных функциональных групп, которые могут вступить в реакции со склеиваемой поверхностью. Чем больше число этих групп и чем короче цепные молекулы, тем выше адгезионная прочность соединения, хотя длинноцепные молекулы обеспечивают лучшую пластичность. Поэтому для получения оптимальной прочности соединения требуется сочетание высоко- и низкомолекулярных фракций исходного материала клея (краски). Введением наполнителей можно регулировать вязкость клея (краски), его пропитывающие свойства, создавать определенную толщину пленки, уменьшать внутренние напряжения, выравнивать физические свойства материала клея (краски) и склеиваемого (окрашиваемого) материала. Наполнители могут быть как активными (влиять на адгезию), так и неактивными. Введение наполнителей придает клеям (краскам) специфические свойства: тепло- и электропроводность, теплостойкость, электросопротивление и диэлектрические свойства, негорючесть, стойкость к действию низких или высоких температур и др. Адгезия зависит как от свойств клея (краски), так и от структуры и состояния поверхности склеиваемого (окрашиваемого) материала. Установлено, что при склеивании металлов в большинстве случаев наблюдается снижение прочности клеевых соединений в следующем порядке: сталь, алюминиевые сплавы, латунь, медь. На адгезионную прочность, например, эпоксидного и акрилатного клеев заметно влияют легирующие добавки к стали. В случае склеивания (окрашивания) полимерных материалов следует учитывать полярность, которая определяется их строением. При склеивании двух разнородных материалов клей должен иметь сродство с обеими склеиваемыми поверхностями и содержать различные по полярности и реакционной способности функциональные группы. Прочность соединения клея (краски) с материалом существенно зависит от температуры эксплуатации. Так, при температуре свыше 100°С наблюдается падение прочности большинства термореактивных клеев, термопластичные же разрушаются при более низкой температуре (40…80°С). Наиболее стойки к действию повышенных температур неорганические полимеры, но они обладают невысокой адгезией. Исходное состояние клеев может быть различным: жидкое, пастообразное и твердое. Клеевую композицию можно наносить на склеиваемые детали как вручную, так и с помощью специальных приспособлений клей обычно наносится шпателем. При этом клеевая композиция (зачастую содержащая наполнители) вдавливается в поры и неровности поверхности склеивания. Клеи-расплавы можно наносить на предварительно нагретые выше температуры плавления клея материалы, подготовленные для склеивания Нанесение лакокрасочных покрытий Лакокрасочные покрытия наносят: пневматическим краско- распылителем (холодное и с подогревом), окунанием, обливом, струйным обливом с последующей выдержкой в парах растворителей, распылением в электрическом поле, безвоздушным распылением или кистью. Выбор метода зависит от размеров и конфигурации изделия, количества изделий, заданного класса отделки, количества слоев покрытия и вида лакокрасочного материала. Окраска пневматическим краскораспылителем широко применяется в промышленности для нанесения покрытий на изделия любых размеров и конфигураций. Мелкие капельки краски (аэрозоль) силой сжатого воздуха направляются на окрашиваемую поверхность, часть их отражается от поверхности и не используется. Окраска в электрическом поле основана на том, что микро- частички жидкого лакокрасочного материала, заряженные отрицательным зарядом в поле постоянного тока высокого напряжения, двигаясь по силовым линиям электрического поля, осаждаются равномерным слоем на поверхности окрашиваемого изделия, находящегося под положительным потенциалом. Окраска производится на конвейере автоматически с использованием перхлорвиниловых, нитроцеллюлозных, меламиноалкидных, алкидных, масляных, битумных, эпоксидных и мочевинных лакокрасочных материалов.