Технология и оборудование заготовительного производства

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ Берела А. И. Технология и оборудование заготовительного производства Курс лекций Волгодонск 2011 Берела А. И. Технология и оборудование заготовительного производства: курс лекций Изложены материалы по проектированию заготовок деталей машин с учетом метода и способа их изготовления, представлены особенности традиционных и новых технологий заготовительного производства, возможности их применения в современном машиностроении. Показаны методы определения припусков, размеров и допусков размеров заготовок различного вида. Приведены характеристики свойств основных машиностроительных материалов, определяющих как их применение в конструкции машин, так и влияние на выбор вида заготовки и способа ее получения. Рассмотрены принципы обоснованного выбора заготовок Предназначено для бакалавриата направления 15.03.01 "Машиностроение" заочной формы обучения Лекция 1 Введение Технологические процессы механической обработки деталей машин следует рассматривать в неразрывной связи с технологией заготовительного производства. Поэтому специалистам-разработчикам технологических процессов механической обработки, необходимо знать и технологию получения заготовок. В современном машиностроении выделяют следующие виды заготовок: - литые; - кованые и штампованные; - из проката; - сварные и комбинированные; - получаемые порошковой металлургией. Наиболее распространенной технологией литья является литье в песчано-глинистые формы (до 80% объема выпуска отливок). Специальные способы литья (по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, в металлические модели и др.) обеспечивают более высокую точность и лучшую шероховатость поверхности отливок, экономию металла. Способы обработки давлением включают прокатку, прессование, волочение, ковку и штамповку. Первые три вида обработки относятся к металлургическому производству, получаемая продукция используется в качестве заготовок в кузнечно-прессовых цехах и непосредственно – в механических цехах. Ковка и штамповка (объемная и листовая) используются для получения заготовок деталей машин с последующей механической обработкой. Заготовки из проката применяют в единичном и серийном производствах. Прокат выбранного профиля резкой превращают в штучные или мерные (многоштучные) заготовки. Сварные и комбинированные заготовки изготавливают из отдельных составных элементов, соединяемых между собой с помощью различных способов сварки. В комбинированной заготовке, кроме того, каждый составной элемент представляет собой самостоятельную заготовку определенного вида (отливку, поковку и др.). Технология порошковой металлургии позволяет получать заготовки с заданными свойствами, с точностью размеров и шероховатостью поверхности, допускающей их использование с применением только финишной механической обработки. Получают развитие и более совершенные способы изготовления заготовок, например, путем совмещения преимуществ литейной технологии и технологии обработки давлением – литье с кристаллизацией под давлением. 1 Основные факторы, определяющие выбор заготовки Технологические факторы влияют на выбор вида заготовки, способ ее формообразования и технологический процесс последующей обработки, они в существенной мере определяют себестоимость производства в машиностроении. Заготовка считается технологичной в случае соответствия требованиям производства, обеспечения долговечности и надежности работы детали при эксплуатации. Выпуск технологичной заготовки в заданных масштабах производства обеспечивает минимизацию производственных затрат, себестоимости, трудо- и материалоемкости, и, тем самым, конкурентоспособность выпускаемой продукции. Наиболее широко в машиностроении для получения заготовок применяют следующие методы формообразования: литье, обработку металлов давлением и сварку, а также комбинации этих методов. В свою очередь технические и экономические требования, предъявляемые к детали, могут быть обеспечены различными способами получения заготовки определенным методом. Например, отливки можно получать литьем в песчано-глинистые формы, в кокиль, в оболочковые формы, под давлением и т. д. При выборе метода необходимо ориентироваться в первую очередь на материал детали и требования к нему, изложенные на чертеже и обеспечивающие служебные качества детали. Например, если материал детали чугун, то заготовка должна быть получена методом литья, так как чугуны практически не обладают пластическими свойствами. В то же время ответственные детали с высокими требованиями к их структуре и механическим свойствам изготавливают из стальных заготовок, полученных обработкой давлением. Рассмотрим основные факторы, влияющие на выбор способа получения заготовки. Характер производства. Для мелкосерийного и единичного производства характерно использование заготовок из горячекатаного проката или полученных универсальными технологическими способами: литьем в песчано-глинистых формах, свободной ковкой. Для таких заготовок характерны большие припуски на обрабатываемые размеры, значительный объем последующей механической обработки. В структуре себестоимости заготовки велика доля затрат на основные материалы (до 50%) и заработную плату (до 30 – 35%). В условиях крупносерийного и массового производства рентабельны такие способы производства заготовок, как горячая объемная штамповка, литье в кокиль и под давлением, в оболочковые формы и по выплавляемым моделям, возможные только при высокой технологической оснащенности. Применение этих способов значительно сокращает припуски на механическую обработку (в среднем на 25 – 30% по отношению к массе заготовки), снижает трудоемкость изготовления детали. В структуре себестоимости заготовки возрастает доля затрат на технологическое оснащение. Материалы и требования, предъявляемые к качеству детали. Материалы для изготовления деталей, выбираются на стадии конструирования изделия из условия обеспечения конструктивных и эксплуатационных свойств деталей в сочетании с необходимыми технологическими свойствами – ковкостью, свариваемостью, жидкотекучестью (для литейных технологий), обрабатываемостью резанием. Чем ниже пластичность материала, тем сложнее и дороже получить качественную заготовку методом давления. Так, при изготовлении поковок из труднодеформируемых высокопрочных сплавов для достижения нужной степени деформации используются промежуточные нагревы, что существенно увеличивает трудоемкость их изготовления. Если материал обладает пониженными литейными свойствами, не рекомендуется применять при изготовлении из него отливок такие методы, как литье в металлические формы (кокили), литье под давлением, так как в жестких литейных формах возможно возникновение коробления, литейных напряжений и трещин. Для ответственных, тяжело нагруженных деталей целесообразно использование в качестве заготовок поковок, полученных ковкой или штамповкой, поскольку в процессе деформирования создается мелкозернистая, направленная волокнистая структура, повышающая физико-механические свойства металла. Размеры, масса и конфигурация детали. Размеры детали в ряде случаев играют также решающую роль. Например, для литья по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением размеры отливки ограничены техническими возможностями применяемого оборудования и оснастки. Точно так же на имеющемся универсальном оборудовании для горячей объемной штамповки, как правило, нет возможности получения поковок массой более 350 кг. Крупногабаритные заготовки выполняют сварными или сварно-литыми, сварно-штампованными. Точность и качество поверхности заготовок. Усовершенствованные виды литья и штамповки позволяют получать заготовки с точностью размеров и шероховатости поверхностей, достигаемых при механической обработке. Сюда относятся специальные виды литья (в кокиль, по выплавляемым моделям, под давлением и др.), такие способы обработки давлением как калибровка, чеканка, холодное выдавливание. 2 Производство литых заготовок 2.1 Общие сведения Современное машиностроение невозможно без применения литых заготовок, обеспечивающих достаточно высокий коэффициент использования металла и эффективное снижение массы изделия за счет рациональной конструкции детали, применения литейных сплавов с высокими технологическими, физико-механическими и служебными свойствами. По сравнению с другими методами получения заготовок литье обладает и такими преимуществами, как возможность изготовления отливок практически неограниченных габаритов и массы, а так же получения заготовок из малопластичных и труднообрабатываемых резанием сплавов. При литье в песчано-глинистые формы 15 – 25% массы отливки превращается в стружку при механической обработке. Переход к специальным способам литья (по выплавляемым моделям, в кокиль и др.) снижает припуски на механическую обработку и уменьшает количество стружки до 5 – 7% от массы отливки. Экономичность специальных видов литья повышается с увеличением партии отливок, т. е. с переходом от серийного к массовому производству. Преимущество специальных видов литья состоит и в уменьшении массы литниковой системы и расхода формовочных материалов, они более производительны, легко поддаются механизации и автоматизации. 2.2 Формирование литых заготовок и технические требования к их конструкции При любом способе литья требуется литейная форма, определяющая контуры отливки. Разовые формы используют для получения одной отливки, при извлечении которой их разрушают. Для изготовления разовых форм используют песчано-глинистые, песчано-масляные, термореактивные и другие формовочные смеси. Разовые формы могут быть сухими и сырыми, толстостенными (25 – 250 мм), тонкостенными (5 – 10 мм) и оболочковыми. К разовым формам относятся и неразъемные формы, применяемые при литье по выплавляемым моделям. Постоянные металлические формы широко используют в серийном и массовом производстве отливок в основном из цветных металлов и сплавов. Материалом этих форм могут быть чугун, сталь, алюминиевые сплавы. Постоянные формы применяют при центробежном литье, литье в кокиль, под давлением и др. При всех способах литья, кроме литья по выплавляемым моделям, формы имеют один или несколько разъемов. При выборе литейной формы исходят из назначения, характера отливок и серийности их выпуска. Конструкция и материал литейной формы оказывают большое влияние на характер формирования отливок и их качество. Действие факторов влияния проявляется следующим образом. 1. Форма должна: обладать достаточной податливостью, чтобы не оказывать большое сопротивление усадке металла при затвердевании; противостоять статическому и динамическому воздействию жидкого металла; иметь определенную газопроницаемость, необходимую для выхода воздуха, газа и пара, образующегося при заливке металла. 2. Низкая теплопроводность и теплоемкость материала разовых форм замедляет процессы охлаждения и кристаллизации, структура металла отливок становится неравномерной, наиболее плотный и качественный металл располагается вблизи поверхности отливки, в удаленных от поверхности слоях металл крупнозернистый с пониженными механическими свойствами. Повышенная скорость охлаждения в металлической форме способствует получению мелкозернистой структуры с улучшенными механическими свойствами. Однако, при литье чугуна в металлические формы отливка имеет отбеленный поверхностный слой и остаточные внутренние напряжения, требуется дополнительная термообработка для последующей механической обработки. 3. При охлаждении жидкого, а затем отвердевшего металла отливки происходит уменьшение его объема, при этом вначале отвердевает ее наружный слой, а внутренний объем позже, находясь при этом как бы в сосуде. Стенки этого сосуда при охлаждении сжимаются медленнее, чем жидкий металл внутри его, что приводит к возникновению внутренних полостей, называемых усадочными раковинами или порами. Раковины образуются в частях отливки, затвердевающих в последнюю очередь, поры располагаются в относительно большой зоне отливки. 4. Из-за усадки происходит сокращение линейных размеров отливки, что может вызвать появление внутренних литейных напряжений, деформаций, трещин. Сплошность металла может быть нарушена и попаданием в него при кристаллизации пузырьков газа из-за пониженной газопроницаемости материала формы, прежде всего при литье в металлические формы, не обладающих свойством газопроницаемости. Для получения отливок без внутренних дефектов важно соблюдение литейной технологии, хорошее питание и заполнение формы жидким металлом. 5. Материал формы влияет на точность размеров и шероховатость поверхности отливки. Например, при массе отливки из черного металла до 100 кг в условиях серийного производства обеспечивается получение размеров и шероховатости при литье: - в песчано-глинистые формы – JT 14 – 16, Rz = 40…320; - в кокиль – JT 12 – 15, Rz = 10…40; - в оболочковые формы – JT 11 – 15, Rz = 20…160. Лекция 2 3 Получение заготовок обработкой металлов давлением 3.1 Общие сведения В современной металлообрабатывающей промышленности обработка металлов давлением является одним из основных способов формообразования деталей машин, ей подвергается, примерно, 90% выплавляемой стали и 55% цветных сплавов. Процессы обработки металлов давлением основаны на способности металлов в твердом состоянии претерпевать под действием приложенных сил пластическую деформацию, устойчиво изменять форму и размеры. При этом металл частично меняет свою структуру (форму и размер зерен, характер распределения неметаллических включений, возникновение направленности микроструктуры) и физико-механические свойства. Все многообразие обработки давлением можно объединить в две группы – процессы металлургического и машиностроительного производства. К первой группе относятся: прокатка, прессование и волочение, которые объединяет общий признак – непрерывность технологического процесса. Продукцию данной группы (листы, полосы, ленты, профильный прокат, трубы и т. д.) используют как заготовку в кузнечно-штамповочных и механических цехах и как готовую продукцию для создания различного рода конструкций. Во вторую группу входят такие процессы, как ковка, объемная штамповка (горячая и холодная), листовая штамповка и специальные виды обработки давлением (калибровка, раскатка кольцевых деталей, обкатка, раздача и др.). Эти процессы обеспечивают получение, как заготовок деталей, так и готовых деталей, не требующих последующей механической обработки. Обработка давлением характеризуется высокой производительностью (в меньшей степени при ковке), сравнительно низкой себестоимостью. Кованые и штампованные заготовки (поковки) отличаются повышенными механическими свойствами, поэтому из них изготавливают ответственные, тяжело нагруженные детали машин. В зависимости от температуры и скорости деформации различают холодную и горячую обработку давлением. При холодной деформации в металле протекает только один процесс – упрочнение (наклеп) металла, при этом образуется волокнистая структура, повышается прочность и снижается пластичность. Может возникнуть ориентированное расположение кристаллографических осей зерен, образуется текстура, что является причиной повышения анизотропии механических свойств металла. Анизотропия листового металла, с одной стороны, может вызвать дефекты при последующей глубокой вытяжке из него заготовок (деталей), с другой стороны, может противостоять хрупкому разрушению конструкций, способствовать улучшению штампуемости при правильной увязке направления деформации с текстурой. При горячей деформации в металле протекают одновременно два процесса: наклеп и рекристаллизация (упрочнение и разупрочнение), причем скорость разупрочнения равна или выше скорости упрочнения. При горячей деформации улучшаются все показатели механических свойств металла – и прочностные, и пластические, особенно ударная вязкость. Микроструктура, как правило, мелкозерниствая и равноосная, макроструктура волокнистая. Последнее – полезное явление при изготовлении ответственных деталей (турбинных дисков, валов, роторов и др.) 3.2 Получение заготовок ковкой Формоизменение происходит вследствие течения металла в стороны, перпендикулярные к движению деформирующего инструмента-бойка. Сопротивление течению ограничивается трением на контактирующих с инструментом (бойками) поверхностях заготовки. Применение ковки в ходе технического прогресса сокращается, так как ей присущи некоторые недостатки: низкая производительность, значительная трудоемкость особенно на прессах; большие напуски, припуски и допускаемые отклонения размеров поковок. Ковка является рациональным и экономически выгодным процессом получения качественных заготовок в условиях мелкосерийного и единичного производства, ее преимуществами являются: 1) возможность получения простых по форме поковок массой до 250 тонн, причем с использованием сравнительно маломощного оборудования, так как деформирование осуществляется последовательно по участкам; 2) применение универсального оборудования и оснастки, позволяющее получать заготовки широкого ассортимента; 3) улучшение качества металла заготовки, повышение его механических свойств, особенно пластичности и ударной вязкости. Ковкой изготавливают заготовки таких ответственных деталей, как валы и диски турбин, роторы, коленчатые валы судовых двигателей, обечайки корпусного реакторного оборудования и др. Для снижения расхода металла в мелкосерийном производстве при партиях более 30…50 поковок одного наименования рекомендуется применять подкладные открытые или закрытые штампы (рисунок 3.1), что позволяет уменьшать напуски, припуски и допуски и расход металла на 15…20%. Подкладные штампы можно применять для получения поковок относительно сложной формы массой до 150 кг, но преимущественно они используются при поковках массой 10…15 кг. Рисунок 3.1 – Поковки, получаемые ковкой (а) и в подкладных штампах (б) Поковки массой до нескольких сотен килограммов изготавливают из проката на ковочных молотах. Заготовки массой 700…1500 кг можно ковать на молотах из слитков. Более массивные слитки куют на гидравлических прессах. Фасонные поковки массой до 100 кг предпочтительно получать ковкой так же на гидравлических прессах. 3.3 Получение заготовок горячей объемной штамповкой Это наиболее распространенный способ получения качественных заготовок для ответственных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, вагонов, самолетов, станков, швейных машин и т. д. Более 65% всех поковок и до 25% массы деталей большинства машин изготавливаются из заготовок, полученных горячей объемной штамповкой. Способ эффективен в условиях массового, крупносерийного и серийного производств деталей массой от нескольких грамм до нескольких (до трех) тонн. Более целесообразно изготовление заготовок массой не более 50…100 кг. Преимущества по сравнению с ковкой: - возможность получения более сложной формы заготовок и лучшее качество их поверхности (Rz = 80…20 мкм, а после холодной калибровки Rz = 10…1,6 мкм); - существенно меньшие величины припусков и допусков размеров заготовок, во многих случаях возможность производить обработку только сопрягаемых поверхностей; - значительно повышается производительность труда. Недостатки горячей штамповки: - ограничения по массе получаемых заготовок; - в случае применения более распространенных открытых штампов дополнительный отход металла в заусенец (облой), масса которого составляет от 10 до 30% массы заготовки; - большие усилия деформирования по сравнению с ковкой; - более дорогой и сложный инструмент (штамп), чем универсальный инструмент (бойки) при ковке. Горячая штамповка производится на нескольких видах прессов, молотов и оборудования: кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП), гидравлических прессах, винтовых фрикционных прессах; штамповочных паровоздушных и гидравлических молотах двойного действия, паровоздушных молотах простого действия; высокоскоростных молотах, горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), ковочных вальцах, горизонтально-гибочных машинах (бульдозерах), ковочных вальцах и др. В зависимости от типа штампа штамповка производится в открытых и закрытых штампах (рисунок 3.6), в штампах для выдавливания. При штамповке в открытом штампе последний остается открытым в процессе деформирования, в зазор между подвижной и неподвижной частью штампа выдавливается металл, образуя заусенец (облой), т. е. технологический припуск. Его назначение – компенсация колебаний исходных заготовок по массе. Штамп применяется при любой принятой для обработки давлением конфигурации деталей. Недостатки – увеличение расхода металла и необходимость удаления заусенца в специальных обрезных прессах. При штамповке в закрытом штампе штамп в процессе деформирования остается закрытым, зазор между подвижной и неподвижной частью остается постоянным и незначительным по размеру, он только предохраняет штамп от заклинивания. Заусенец на поковке не образуется. Штамп применяется для получения заготовок сравнительно простых деталей, в основном тел вращения. Отсутствие заусенца требует использования точных исходных заготовок из калиброванного проката или предварительно механически обработанных. Вид применяемого оборудования при штамповке влияет на конфигурацию поковок, их точность и себестоимость. Ударный характер работы штамповочного молота исключает возможность использования выталкивателей, что увеличивает расход металла на штамповочные уклоны и дополнительно – на компенсацию возможных относительных смещений половинок штампа. Паровоздушные штамповочные молоты двойного действия предназначены для штамповки в многоручьевых открытых штампах поковок из сортового проката с существенными потерями металла на облой. Эти молоты применяются в мелко- и среднесерийном производстве, получаемые заготовки массой 0,01…100 кг требуют значительного объема обработки резанием. Горячая объемная штамповка поковок на ГКШП производится, как правило, в многоручьевых открытых штампах. Исходные заготовки – сортовой прокат или предварительно спрофилированные, например, в ковочных вальцах. Данный способ штамповки самый распространенный, его преимущества по сравнению со штамповкой на молотах: - достаточно высокая точность поковок, особенно по высоте (на молотах пределы допусков 0,8…1,0 мм, на КГШП – 0,2…0,5 мм); - снижение припусков в среднем на 20…30% и штамповочных уклонов в 2…3 раза; - повышение производительности труда в среднем в 1,4 раза; - простота управления и возможность механизации и автоматизации процесса; - снижение себестоимости поковок примерно на 10…30%. Следует учитывать фактор стоимости штампов, на него приходится в зависимости от характера производства от 10 до 60% стоимости поковок. Молотовые штампы изготавливают цельноблочными и массивными, что приводит к большому расходу легированной инструментальной стали; прессовые штампы требуют меньше материалов, но более сложны конструктивно и в механической обработке. Штамповку на КГШП применяют при крупносерийном и массовом производстве деталей сложной формы массой до нескольких сот килограмм. Гидравлические прессы значительно тихоходнее, дороже и менее производительны, чем штамповочные молоты. Особенностями гидравлических прессов, обуславливающими их область применения, являются создание самых больших по сравнению с другими видами прессов деформирующих сил, наличие наиболее жесткой станины, объемного штампового пространства, большого хода ползуна с обеспечением номинального усилия пресса на протяжении всего хода. Их применяют в случае невозможности применения молота: - при штамповке крупных поковок с ребрами типа панелей, рам, дисков, для которых недостаточна масса падающих частей молота; - при штамповке малопластичных сплавов, не допускающих больших скоростей деформирования; - при штамповке выдавливанием с большим ходом рабочего инструмента; при штамповке поковок типа втулок, стаканов и очень сложных форм в разъемных матрицах. Широкое применение, особенно для операций высадки, получили ГКМ, представляющие собой механический пресс с горизонтальной компоновкой. Исходные заготовки для штамповки поступают в виде проката с размерами поперечного сечения от 15 до 270 мм, преимущественно круглого профиля повышенной точности, в отдельных случаях калиброванного, а также в виде труб. Реже используют заготовки квадратного и прямоугольного профиля. Заготовка может быть прутковой с длиной, ограниченной свободой манипулирования ею при нагреве и штамповке, или мерной длиной от 50 до 2000 мм. Из таких заготовок получают поковки массой от 0,2 до 50 кг, которые в зависимости от формы и технологических особенностей штамповки подразделяют на пять групп: стержень с утолщением; кольца и втулки; поковки с полостями; поковки, штампуемые из труб; поковки смешанной формы. На ГКМ штампуют также поковки из полуфабрикатов, предварительно полученных на другом оборудовании (молотах, прессах), например концевые утолщения на коленчатых валах. С другой стороны, на ГКМ могут производить предварительное фасонирование заготовок для последующей штамповки на другом оборудовании, например, высаживают замковую часть компрессорных и турбинных лопаток, штампуемых затем на молотах. ГКМ имеет кроме главного деформирующего ползуна дополнительный ползун с перпендикулярным направлением движения относительно движения главного ползуна, который производит смыкание и размыкание блока матриц. Благодаря такой конструкции ГКМ используемые на нем штампы имеют два взаимно перпендикулярных разъема и могут быть открытыми и закрытыми. Наличие двух разъемов в штампе создает лучшие условия для проведения высадочных работ и позволяет получать поковки без штамповочных уклонов. При сопоставлении штамповки на ГКМ со штамповкой на молотах и прессах необходимо учитывать, что номенклатура поковок для этих машин достаточно ограничена, масса их сравнительно небольшая, стойкость штампов ниже, стоимость ГКМ примерно в 1,5 раз выше, чем КГШП. Однако достигаемая экономия металла, возможность получения сложных и специфических по форме поковок, которые нерационально или невозможно получать на другом оборудовании, например, типа стержня с утолщением, или поковок с полостями и штампуемых из труб, исключение предварительной резки прутков на исходные штучные заготовки делают этот способ экономически целесообразным Лекция 3 4 Сварка и термическая резка в заготовительном производстве 4.1 Общие сведения В производстве сварных металлических конструкций используются различные способы сварки, все многообразие которых в зависимости от состояния металла в момент образования сварного соединения можно разделить на две группы – на сварку в твердом и жидком состояниях. В соответствии с этим различают сварку давлением и сварку плавлением. Главным фактором процесса сварки давлением считается пластическое деформирование, протекающее в контактных поверхностных слоях соединяемых деталей. Пластическое деформирование уменьшает неровности и шероховатость поверхностей, разрушает присутствующие на поверхностях окислы и адсорбированные загрязнения, сближает атомы соединяемых поверхностей, что способствует возникновению межатомных металлических связей. Для малопластичных сплавов необходим предварительный нагрев, увеличивающий их пластичность и снижающий сопротивление пластическим деформациям. Процесс образования сварного соединения плавлением протекает в две стадии: 1) расплавление кромок металла свариваемых заготовок и, в зависимости от способа сварки плавлением – металла сварочного электрода или присадочного прутка; 2) затвердение расплавленного металла. Расплавленный металл образует сварочную ванну, в которой разрушаются оксидные пленки на соединяемых поверхностях и возникает первая стадия установления межатомных металлических связей между ними. По мере удаления источника нагрева (электрической дуги, пламени горелки и т. д.) металл сварочной ванны кристаллизуется и заканчивается вторая стадия установления связей. Ввиду высокой химической активности расплавленного металла и образования различных соединений с компонентами окружающей среды для получения качественных сварных швов используют способы сварки с применением защитной среды в зоне сварочной ванны (углекислый газ, инертный газ, расплавленные флюсовые добавки). Термические способы резки металлов разделяют на химические, основанные на сжигании металла в струе кислорода, и физические, осуществляемые расплавлением металла электрической дугой или другим высокотемпературным источником теплоты. Разделительная резка используется для получения заготовок из листового и профильного металла под последующую механическую обработку, для подготовки под сварку кромок свариваемых заготовок, удаления на отливках элементов литниковой системы и т. п. Поверхностной резкой (строжкой) удаляют с поверхности часть металла. Условиям кислородной резки удовлетворяют низко- и среднеуглеродистые стали и некоторые легированные стали. Металлы и сплавы, не поддающиеся нормальному процессу кислородной резки, разрезаются с применением активизирующих средств. Для этого в зону резки вводят прутки из низкоуглеродистой стали или вдувают различные флюсующие смеси на основе железа. Физическими способами, в частности плазменной дугой, можно резать любые металлы и сплавы. 4.2 Технология и оборудование сварки плавлением 4.2.1 Электродуговая сварка плавлением В настоящее время наиболее распространены следующие способы электродуговой сварки плавлением: ручная – металлическими электродами со специальными покрытиями; автоматическая – под плавлеными или керамическими флюсами и сварка в защитных газах. При ручной сварке используют электроды с тонким, средним, толстым и особо толстым покрытиями. Тонкое ионизирующее покрытие повышает устойчивость горения дуги, но не защищает металл сварочной ванны от воздействия окружающей среды. Более толстые покрытия кроме ионизирующего действия обеспечивают газошлаковую защиту. Газ создает общую защиту плавильного пространства, а образующийся жидкий шлак защищает сварочную ванну и переходящие в нее капли электродного металла от воздействия воздуха (рисунок 4.1, а: 1 – свариваемый металл, 2 – газовая защита, 3 – сварочная дуга, 4 - электрод, 5 – покрытие, 6 – капля металла электрода, 7 – жидкий шлак, 8 - сварочная ванна, 9 – кристаллы шва). При автоматической сварке под флюсом все плавильное пространство изолировано от контакта с воздухом шлаковой оболочкой и слоем флюса значительной толщины (рисунок 4.1, б: 1 – свариваемый металл, 2 – электрод, 3 – сварочная дуга, 4 – флюс, 5 – сварочная ванна, 6 – жидкий шлак, 7 – кристаллы шва). В таких условиях получается металл шва более высокого качества, чем при ручной сварке. При сварке в защитных газах сварочная ванна изолируется оболочкой газа, выходящего из сопла горелки (рисунок 4.1, в: 1 – свариваемый металл, 2 – защитный газ, 3 – сопло горелки, 4 – электрод, 5 – сварочная дуга, 6 – сварочная ванна, 7 – кристаллы шва). Большое количество защитного газа создает более надежную защиту, чем при ручной сварке электродом с покрытием. Рисунок 4.1 – Схема плавильного пространства (I и II – передний и задний участки) для основных дуговых процессов сварки На участке сварочного пространства I (рисунок 4.1) состояние среды характеризуется движением заряженных частиц (ионов) и активным протеканием физико-химических процессов. На участке II плавильного пространства из-за удаленности источника нагрева и отвода тепла в изделие происходит кристаллизация металла сварочной ванны и образуется шов. Источник питания дуги для ручной сварки должен отвечать требованиям: 1) напряжение холостого хода не выше 65 – 75 В; оно должно быть достаточным для зажигания дуги и относительно безопасным для работы сварщика; 2) необходимо, чтобы источник обладал хорошими динамическими свойствами и быстро реагировал на изменения режима дуги; 4) эксплуатация источника должна быть простой и надежной, а регулирование тока должно осуществляться ступенчато и плавно. Источниками питания дуги постоянным током являются генераторы и выпрямители, переменным током – сварочные трансформаторы. Если источник предназначен для питания одной дуги, то его называют однопостовым, а если от него питаются несколько дуг – многопостовым. Оборудование поста для ручной электродуговой сварки состоит из сварочного аппарата или генератора, рабочего стола, щитка, инструмента, электродержателя с гибким кабелем и сборочно-сварных приспособлений (струбцины, рычажные захваты и др.). Рабочее место огораживается перегродками или брезентовыми шторами, пропитанными огнестойкой краской. 4.2.2 Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом В автоматической сварке под флюсом подача и перемещение электродной проволоки механизированы, а защита плавильного пространства осуществляется жидким шлаком, полученным в результате расплавления флюса. Производительность автоматической сварки под флюсом в 5 – 10 раз выше, чем при ручной сварке. Данный способ сварки широко применяют в котлостроении, вагоностроении, судостроении, производстве сварных труб и других отраслях машиностроения. Схема автоматической сварки под флюсом показана на рисунке 4.2, а. Сварка изделия 7 производится электродной проволокой 1, которая подается в плавильное пространство механизмом подачи (головкой 2). Впереди дуги насыпается флюс 4 из бункера 3. Расплавленный флюс образует шлак 5, защищающий плавильное пространство и шов. Остатки неиспользованного флюса собираются с поверхности шва пневмошлангом 6 и возвращаются в бункер. Сварочный автомат имеет следующие основные части: механизм подачи электродной проволоки в зону дуги (автоматическая головка), механизм перемещения головки или изделия. Сварочные автоматы, у которых автоматическая головка закреплена на самоходной тележке, называют сварочными тракторами. На рисунке 4.2, б представлен автомат-трактор типа АДС-1000 с регулируемой скоростью подачи электродной проволоки. Он имеет следующие основные узлы: самоходную тележку 1, колонку 2, пульт управления 3, кассету для электродной проволоки 4, коромысло 5, бункер для флюса 6, сварочную головку 7 с мундштуком 8 и указателем 9. Источником питания служит трансформатор. Трактор может производить сварку, перемещаясь по специальным направляющим в виде рельсов или непосредственно по изделию. Перемещение трактора осуществляется приводом от электродвигателя постоянного тока с регулируемой частотой вращения, что позволяет изменять скорость сварки. На тракторе АДС-1000 можно производить сварку силой тока 300 – 1200 А, при этом скорость сварки может изменяться в пределах 10 – 70 м/ч. В полуавтоматической сварке под флюсом) перемещение электродной проволоки вдоль шва осуществляется вручную, а подача проволоки и флюса производятся с помощью механизмов. Полуавтоматическая сварка под флюсом более универсальна по возможностям применения, поэтому используется в случаях невозможности применения сварки автоматами. 5 Оборудование термической резки 5.1 Кислородная резка Кислородная резка металлов получила широкое применение, ее достоинствами являются несложность применяемого оборудования и приемов работы, универсальность и экономичность процесса. Процесс кислородной резки (рисунок 5.1) начинается с того, что пламенем 4, выходящим из канала подогревательного мундштука 2 и получаемым при горении смеси горючего газа с кислородом нагревают кромку заготовки 5 до температуры воспламенения металла. Затем без отключения горючего газа по каналу режущего мундштука 1 подают струю кислорода 3, в которой происходит горение металла с выделением большого количества тепла за окислительной реакции. Образующиеся окислы и шлак выдуваются струей кислорода из зоны реза. При резке внутри контура заготовки предварительно сверлят отверстие. В качестве горючего газа используются ацетилен, пропан, бутан, природный газ, водород. Для образования сварочного пламени применяются также пары горючих жидкостей – бензина, керосина и др. Наиболее широкое применение получил ацетилен (С2Н2), обеспечивающий получение наиболее высокотемпературного пламени (32000С). Для резки применяют резаки многих типов. Они конструктивно отличаются друг от друга назначением и характеристикой применяемого горючего (газ, пары бензина, керосина). По назначению различают резаки ручные и машинные. Автоматическая газовая резка, выполняемая с помощью механизированных устройств, производительнее ручной газовой резки и обеспечивает более высокое качество поверхности реза за счет точного и равномерного перемещения резака. Применяются разнообразные типы машин общего и специального назначения. Машины общего назначения разделяют на переносные резательные машины-тележки и стационарные резательные машины. Резательные машины-тележки представляют собой устройства с электрическими, воздушными, пружинными приводами, которые имеют один или несколько резаков. В стационарных резательных машинах перемещение резака или группы резаков осуществляется с помощью специальных автоматических устройств по копиру или числовой управляющей программе. В зависимости от конструкции устройств, применяемых для управления движением резаков, стационарные машины разделяются на линейные, прямоугольно-координатные, полярно-координатные и параллелограммные. Дальнейшее совершенствование стационарных газорежущих машин осуществляется в переходе на числовую и оптическую системы управления. Основные узлы и устройство такой машины (OMNIMAT S фирмы "Messer Griesheim") представлены на рисунке 5.2. Машины данного типа рассчитаны для резки металла толщиной до 300 мм и выпускаются с колеей портала от 3600 до 18600 мм. Скорость перемещения инструмента до 12000 мм/мин. Число одновременно работающих резаков зависит от ширины портала и может достигать восьми. Электрическое и электронное оборудование машины компактно и надежно, монтаж и компоновка управления выполнены при помощи печатных плат, что облегчает обслуживание. Режимы работы машины: кислородная резка, плазменная резка, лазерная резка, маркировка и разметка. Удобство и быстрота смены инструмента при переходе на другой режим обеспечены конструктивными решениями. 5.2 Кислородно-флюсовая резка Процесс кислородно-флюсовой резки позволяет применить кислородную резку для высоколегированных сталей толщиной до 500 мм, серого чугуна толщиной до 300 мм, меди толщиной до 50 мм и латуни толщиной до 150 мм. В зону реза одновременно с режущим кислородом вводят порошкообразные вещества, которые способствуют расплавлению или механическому удалению образующихся тугоплавких окислов из зоны реза. Основой для большинства флюсов, применяемых при резке, является железный порошок, к которому добавляют в зависимости от разрезаемого металла порошок феррофосфора и (или) алюминия. Для кислородно-флюсовой резки применяют специальные установки, в комплект которых кроме резаков особой конструкции входит флюсопитатель для подачи флюса в режущую струю кислорода. 5.3 Плазменная резка В последнее время начинают широко применять производительный процесс резки плазменной проникающей дугой (точнее – дугой сильно ионизированного газа), температура которой порядка 10000 – 300000С. Этот способ универсален относительно марки разрезаемого металла, им успешно режут коррозионно-стойкие стали, цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы. Установка для плазменной резки состоит из источника пмтания с аппаратурой управления процессом резки и инструмента-плазмотрона, основными элементами которого являются электрод и сопло. Плазмотроны изготавливаются для машинной и ручной резки с водяным и жидкостным охлаждением. Схема получения плазменной дуги в плазмотроне показана на рисунке 5.2. Дуговой разряд возникает между вольфрамовым электродом 1 и металлом заготовки 5. Дуга горит в замкнутом цилиндрическом канале 4, стенки которого энергично охлаждаются водой или сжатым воздухом. Через канал под давлением подают плазмообразующую газовую среду – воздух, аргон, азот, смесь аргона и азота с водородом, аммиак. Реже в данном качестве используется вода, которая при высокой температуре дуги превращается в пар и частично диссоциирует на кислород и водород. Вследствие сжатия газового (ионного) проводника силами магнитного поля и охлаждения наружной поверхности столба дуги стенками канала, появляется центральная тонкая плазменная струя 2 с высокой степенью ионизации, большим избыточным давлением и температурой, достигающей 10000 – 300000С. Источники питания плазменной резки работают от сети переменного тока напряжением 380 и 220 В, преобразуют его в постоянный и подают на плазмотрон, обеспечивающий рабочее напряжение на дуге при ручной резке 120 – 150 В, при машинной – до 250 В. К плазмотрону подводят коммуникации с плазмообразующим газом (смесями газов) и охлаждающей средой. Литература 1. Схиртладзе А.Г., Моисеев В.Б., Скрябин В.А., Борискин В.П. Технология конструкционных материалов: учебное пособие / А.Г. Схиртладзе, В.Б. Моисеев, В.А. Скрябин, В.П. Борискин. – Старый Оскол: ТНТ, 2013. – 360 с. 2. Рогов В.А. Современные машиностроительные материалы и заготовки: учеб.пособие для студентов высш. учеб. заведений / В.А. Рогов, Г.Г. Позняк. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 336 с. 3. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. 6-е изд., испр. и доп./ А. М. Дальский, Т. М. Барсукова, А. Ф. Вязов и др. – М.: Машиностроение, 2005. – 592 с. (Интернет сайт: twirpx.com) 4. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. Совет: К. В. Фролов (пред.) и др. – М.: Машиностроение. Технологии заготовительных производств. Т. III-2 / И. Л. Акаро, Р. А. Андриевский, А. Ф. Аржанов и др. Под общ. Ред. В. Ф. Мануйлова. 1996 – 736 с. 5. Афонькин М. Г., Магницкая М. В. Производство заготовок в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1987. – 255 с. 6. Афонькин М. Г., Звягин В. Б. Производство заготовок в машиностроении. Л.:Политехника, 2007. – 384 с.(Интернет сайт: mirknig.com) 7. Кондаков А.И., Васильев А.С. Выбор заготовок в машиностроении: справочник. – М.: Машиностроение, 2007. – 560 с. 8. Расчет припусков и межпереходных размеров в машиностроении: Учеб.пособ. для машиностроит. спец. вузов/ Я. М. Радкевич, В. А. Тимирязев, А. Г. Схиртладзе, М. С. Островский; под ред. В. А. Тимирязева. – М.: Высш. шк., 2004. – 272 с.(Интернет сайт: twirpx.com) 9. Харламов Г. А., Тарапанов А. С. Припуски на механическую обработку: Справочник. – М.: Машиностроение, 2006. – 256 с. (Интернет сайт: twirpx.com) 10. Берела А. И., Егоров С. Н. Технология, машины и оборудование машиностроительного производства/ Волгодонск. ин-т ЮРГТУ. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2005. – 184 с.