Технология конструкционных материалов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ КАМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Курс лекций, методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета технических специальностей Набережные Челны, 2005 УДК 669.017. (075.8.). Технология конструкционных материалов: Курс лекций, методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета технических специальностей / Составители: Волков Д.А., Шутова Л.А.. Наб. Челны: КамПИ, 2005. Курс лекций по дисциплине «Технология конструкционных материалов» составлен в соответствии с государственным стандартом по подготовке специалистов технического профиля. Приведены методические указания по выполнению контрольной работы. Работа подготовлена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» и предназначена для студентов машиностроительных и автомеханических специальностей. Ил.: 40 Рецензент: д.т.н., проф. Шибаков В.Г. Печатается в соответствии с решением научно-методического совета Камского государственного политехнического института  Камский государственный политехнический институт 2005 г. Введение Технология конструкционных материалов – дисциплина, которая изучает способы получения металлов и сплавов, методы изготовления и обработки заготовок с целью экономичного подтверждения технологического процесса. Задачи дисциплины: научить определять основные материалов, знать классификацию и правильно производить выбор материалов с учетом эксплуатации изделия, знать способы повышения свойств путем термической и д. способов обработки, знать основные технологические и технико-экономические характеристики оборудования, оснастки и инструмента. Теоретической основой данного курса являются соответствующие разделы дисциплин «Химия», «Физика», «Черчение». Используются знания законов протекания химических реакций, законов агрегатного состояния веществ, умение читать чертежи и т.д. Основные разделы дисциплины: 1. Свойства конструкционных материалов. 2. Основы металлургического производства. 3. Технология литейного производства. 4. Технология изготовления заготовок методом обработки материалов давлением. 5. Технология сварочного производства. 6. Технология обработки металлов резанием. 7. Специальные виды обработки. 8. Технология изготовления изделий из неметаллических материалов. Каждый студент заочной формы обучения по курсу «Технология конструкционных материалов» выполняет контрольную работу по теме: «Разработка технологического процесса формообразования заготовок пластическим деформированием». Классификация материалов Сталь – сплав железа с углеродом, в котором доля углерода не превышает 2,14%. В стали всегда присутствуют постоянные примеси: этот кремний Si 0,37%; марганец Mn 0,8%; сера S 0,07%; фосфор P0,07% и скрытые примеси: кислород О2 – в виде окислов FeO, MnO; азот N – в виде нитридов; водород Н2 – флокен. Оксиды и нитриды, находящиеся в стали ухудшают ее качество, а соответственно снижают свойства готовых изделий, поэтому эти примеси контролируют в соответствии с нормативными документами и ограничивают технологической документацией . Степень загрязненности оценивают по балльной системе (от 0 до 5). Чем выше балл, тем больше количество и размеры включений. Флокен – неисправимый брак и в этом случае металл отправляют на переработку. Чугун – сплав железа с углеродом, в котором доля углерода от 2,14% до 6,67%. В чугуне всегда присутствуют постоянные примеси: Si 3%; марганец Mn 5%; сера S 0,5%; фосфор P0,5%. Ферросплавы – это сплавы железа с одним или несколькими химическими элементами. Цветные металлы и сплавы Медь маркировка М1 М2 М3 М0 М00 содержание меди 99,9% 99,8% 99,7% 99,99% 99,999% Сплавы на основе меди: Латунь – сплав меди с цинком. Маркировка: Л 70, Л 85 – т.е. содержание меди в латуни 70%, остальное – цинк. Для придания специальных свойств латуни в их состав вводят дополнительно химические элементы, о чем указывают в маркировке: ЛС 59-1 – содержание меди 59%, свинца – 1%, остальное – цинк; ЛО 60-2 – содержание меди 60%, олова – 2%, остальное – цинк. Бронза – сплав меди с одним или несколькими химическими элементами, среди которых может быть и цинк, но в качестве второго и последнего химического элемента. Маркировка: Бр Б2 – бериллиевая бронза, содержание бериллия – 2%, остальное – медь; Бр АЖ 9-4 – содержание алюминия – 9%, железа – 4%, остальное – медь; Бр ОЦС 9-1-1– содержание олова – 9%,цинка – 1%, свинца – 1%, остальное – медь. Мельхиор – сплав меди с никелем. Алюминий маркировка А 90 А 95 А 99 А 999 содержание алюминия 99,90% 99,95% 99,99% 99,999% Сплавы на основе алюминия: Дюралюминий – Al + Mg(5-8%) + примеси (Cu, Si). Маркировка: Д1, Д16 – где цифра – порядковый номер сплава. Силумин – Al + Si + примеси (Mg, Cu). Маркировка: АЛ2 – алюминиевый сплав, полученный методом литья (цифра указывает на порядковый номер сплава); АК17 – алюминиевый сплав, полученный методом ковки; АВ95 – высокопрочный алюминиевый сплав. Неметаллы: пластмасса, стекло, керамика, фарфор, резина, дерево и т.д. Кристаллическое строение металлов Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Ато­мы в твердом металле расположены упорядочение и образуют кристалли­ческие решетки (рис. 1). Рис. 1. Схемы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б –гранецентрированная; в – гексагональная плотноупакованная Кристаллическая решетка представ­ляет собой наименьший объем кристал­ла, дающий полное представление об атомной структуре металла, и носит название элементарной ячейки. Для металлов характерны кристал­лические решетки трех видов: кубичес­кая объемно-центрированная (ОЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и один в ее центре; кубическая гранецентрированная (ГЦК), в которой атомы рас­положены по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней; гексагональная плотноупакованная (ГПУ), представляющая со­бой шестигранную призму, в которой атомы расположены в три слоя. Свойства материала зависят от вида кристаллическ4ой решетки и параметров, ее характеризующих: 1) межатомное расстояние, измеряется в ангстремах 1А=10-8см 2) плотность упаковки (базис решетки – число частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку). Кубическая простая – Б1, ОЦК – Б2, ГЦК – Б4, ГПУ – Б6. 3) координационное число (КЧ) – максимальное количество атомов равноудаленных и находящихся на ближайшем расстоянии от атома, взятоого за точку отсчета. Кубическая простая – КЧ=6, ОЦК – КЧ=8, ГЦК – КЧ=12, ГПУ – КЧ=12. Свойства материала, определенные в направлении передней плоскости и диагональной плоскости, отличаются – это явление называется анизот­ропия, т. е. неравномерность свойств в различных направлениях. Этим свойством обладают все металлические материалы. Аморфные тела обладают свойством изотропии, т.е. имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Кристаллические решетки могут иметь различные структурные несовершенства, существенно изменяющие свойства материала. Реальный единичный кристалл всегда имеет свободную (наружную) поверхность, на которой уже вследствие поверхностного натяже­ния решетка искажена. Дефекты внутреннего строения под­разделяют на точечные, линейные и плоскостные. К точечным дефектам относятся вакансии (когда отдельные узлы кристаллической решетки не заняты ато­мами); дислоцированные атомы (если отдельные атомы оказываются в междоузлиях) или примесные атомы, ко­личество которых даже в чистых металлах весьма велико. Около таких дефектов решетка будет упруго ис­каженной на расстоянии одного-двух периодов (рис. 2, а). Рис. 2. Дефекты кристаллической решетки: а - точечные; б - линейные; в - плоскостные Линейные дефекты малы в двух изме­рениях и достаточно велики в третьем. К таким дефектам относятся смещение атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий (рис. 2,б). Важ­нейшим свойством таких дефектов яв­ляются их подвижность внутри кри­сталла и активное взаимодействие меж­ду собой и с другими дефектами. Изменение кристаллической решетки материала возможно под воздействием внешних факторов, а именно температуры и давления. Некоторые металлы в тве­рдом состоянии в различных тем­пературных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению их фи­зико-химических свойств. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфи­зма. Температура, при которой происходит изменение кристаллической решетки – называется температурой полиморфного превращения. На этом явлении основаны все процессы термической обработки. Полиморф­ные модификации обозначают гре­ческими буквами (, ,  и другими, которые в виде индекса добавляют к символу элемента). Рис. Полиморфное превращение чистого железа Свойства металлов и сплавов При выборе материала для конст­рукции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механичес­кие, физико-химические, технологичес­кие и эксплуатационные. К основным механическим свойствам относят • твердость • про­чность (предел прочности в, предел текучести т, выносливость, ползучесть) • пластичность (относительное удлинение  и относительное сужение ) • ударную вяз­кость ан • порог хладноломкости Специальные свойства: износостойкость, кислотостойкость, жаропрочность. Деформация – это изменение формы и размеров тела под влиянием воздействия внешних сил или в резуль­тате процессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превращений, усадки и т. п.). Деформация может быть упругая (исчезающая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация перехо­дит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит раз­рушение тела. Твердость – это способность мате­риала препятствовать пластической деформации при внедрении в него более твердого тела. Для определения твердости есть 3 метода: • метод Бринелля НВ • метод Роквелла НР • метод Викерса НV Метод Бринелля. Сущность метода заключается в вдавливании в испытываемую поверхность стального закаленного шарика при строго определенной нагрузке, а затем по размеру оставляемого отпечатка судят по величине твердости. Рис. 4. Схема измерения твердости по Бри­неллю: D - диаметр шарика; d - диаметр отпечатка; h - глубина отпечатка Размер шарика: 10 мм, 5 мм, 2,5 мм. Прибор имеет марку ТШ-2М. Выбор размера шарика производится в зависимости от размера испытываемой площадки на изделии. При чем ее размер должен быть больше 3D шарика. На практике рекомендуют выбирать максимальный размер шарика. Нагрузка, с которой шарик вдавливается в испытываемую поверхность, может быть от 6,5 кг до 3000 кг. Выбор ее зависит от свойств материала, а именно для изделий из чугуна должна быть Р=30D2, для цветных сплавов Р=10D2, для мягких материалов (свинец, олово) Р=1D2. О величине твердости судят по величине оставленного отпечатка, который замеряют с помощью микроскопа с точностью до 0,05 мм. Твердость определяют по формуле: где Р – нагрузка. Недостаток метода: 1) невозможность определять твердость у твердых и сверхтвердых материалов, т.к. способ предназначен для материалов, у которых твердость 450 единиц, т.к. шарик имеет твердость порядка 500 единиц. 2) Невозможно определить твердость у тонколистового материала 3) Нельзя определить твердость у крупногабаритных изделий. Метод Роквелла. Сущность метода заключается во внедрении в испытываемую поверхность специального индентора, и по глубине его вдавливания судят о величине твердости. Инденторы: 1. алмазный наконечник; 2. стальной шарик D=1,58 мм. Определение твердости производят на приборе ТК-2М. Значение твердости определяется по шкале прибора. HRA, шкала А – алмаз, который вдавливается с Р=60 кг. HRB, шкала В – шарик, Р=100 кг. HRC, шкала С – алмаз, Р=150 кг. Метод предназначен для определения твердости изделий в упрочненном состоянии, а также для изделий, имеющих небольшие геометрические размеры. Недостатки: 1) Нельзя определить твердость у крупногабаритных изделий. 2) Невозможно определить твердость мелких частиц (песок, включения). Метод Викерса. Этим методом можно определить твердость крупногабаритных изделий (макротвердость), а также различных включений и структурных составляющих металлов и сплавов (микротвердость). В конструкцию прибора входят оптическая и механическая системы. Для определения твердости в испытываемую поверхность вдавливается алмазная пирамида с углом при вершине 136. После снятия нагрузки на испытательной площадке остается отпечаток в виде ромба. При помощи оптической системы определяют размер диагоналей ромба и определят твердость по формуле: где d – размер диагоналей. Нагрузка: при определении макротвердости от 0,5 до 10 кг; при определении микротвердости от 5 до 500 гр. HV1100 – твердость песчинок. Испытание материалов на растяжение При этом виде испытаний определяют прочностные и пластические свойства материалов. Прочность – это способность тве­рдого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием ста­тических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью спе­циальных механических испытаний об­разцов, изготовленных из исследуемого материала строго определенных размеров и формы. Испытания проводят в соответствии со стандартной методикой в соответствии с ГОСТ 1497-61. Рис.5 Плоский образец для испытания на прочность и пластичность при растяже­нии: l0 – исходная длина образца до ис­пытания; l – длина образца после испытания В процессе испытания проводится запись кривой растяжения в координатах: усилие растяжения – удлинение. Для большинства материалов изобразим характерный вид этой зависимости. ;, где F0 – площадь поперечного сечения. Пластичность — это способность материала получать остаточное измене­ние формы и размера без разрушения. Для определения пластических свойств материалов в расчетах используют результаты полученные после завершения испытания (геометрические размеры испытанного образца) ; (%), (%) – относятся к пластическим характеристикам и определение их значений является обязательным для металлов и сплавов используемых при изготовлении изделий холодным пластическим способом (холодная штамповка, холодное выдавливание). В нормативно-технической документации, а также в сертификатах на поставляемую продукции всегда указываются эти показатели. Испытания на ударную вязкость (аН либо КСU, KCV, KCA) Этот вид испытания позволяет установить минимально допустимую рабочую температуру материала. Испытания проводят стандартных образцах по методике в соответствии с ГОСТ 9454-61. Форма и размеры образца для испытания: Испытания - разрушение уда­ром стандартного образца на копре. Падающий груз разрушает образец. Р=15 кг или Р=30 кг Н=1 м В результате испытания на шкале установки регистрируется работа, затраченная на разрушение: КС – вязкость разрушения. U, V, A – форма разреза. КСU – ударная вязкость определяемая для материалов со средним значением этого показателя; KCV – ударная вязкость определяемая для материалов с высокой вязкостью; KCA – ударная вязкость для материала прошедшего механическое старение – этот показатель свойств является ответственным за надежную работу изделия подвергнутого пластической деформации и имеющего остаточную деформацию больше 10%. Пример: изогнутый участок трубопровода. Для установления минимально допустимой рабочей температуры материала испытанию подвергают серию контрольных образцов на ударную вязкость при различных температурах. При каждой температуре должно быть испытано не менее 5 образцов с последующим определением среднего значения ударной вязкости. Для нагрева образцов применяют нагревательные лабораторные печи, для охлаждения используют низкотемпературные камеры. В качестве охладителя применяют: фреон и углекислоту Т=-80С и жидкий азот Т=-196С. По полученным результатам строят зависимость в координатах ударная вязкость – температура испытаний. Температура, при которой материал резко переходит из вязкого в хрупкое состояние называется температурным порогом хладноломкости (Т50). Для некоторых материалов по такой зависимости определить температуру порога хладноломкости невозможно, т.к. отсутствует резкий переход материала в хрупкое состояние. Для таких материалов дополнительно проводят фрактографические исследования, – сущность которых заключается в анализе поверхности излома. %В – процент занимаемой вязкой составляющей в изломе Испытание на длительную прочность (ползучесть) Определение способности нагретого материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянных нагруз­ках. Этот вид испытания позволяет установить предельнодопустимую верхнюю температуру. Для испытания изготавливают стандартные образцы и подвергают растяжению на установке предварительно нагретого образца. Для исключения процессов окисления поверхности образца, нагрев проводят в защитной атмосфере. В нормативно-технической документации предел ползучести записывается следующим образом: 48) Эти свойства определяются на материалы из которых изготавливают изделия термическтх агрегатов и плавильных печей. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плав­ления, плотность, температурные ко­эффициенты линейного и объемного расширения, электросопротивление и электропроводимость. К химическим свойствам относятся способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. К эксплуатационным свойствам в за­висимости от условия работы машины или конструкции относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростой­кость, антифрикционность материала и др. Износостойкость - способность мате­риала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Коррозионная стойкость - сопротив­ление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред. Хладостойкость - способность спла­ва сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 С. Жаропрочность - способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах. Жаростойкость - способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах. Антифрикционность - способность сплава прирабатываться к другому сплаву. Основы металлургического производства Металлургическое производ­ство - это сложная система различных производств, базирующихся на место­нахождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно вклю­чает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке; коксохими­ческие заводы, где осуществляют под­готовку углей, их коксование и извлече­ние из них полезных химических проду­ктов; энергетические цехи для получе­ния сжатого воздуха (для дутья домен­ных печей), кислорода, очистки метал­лургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей; заводы для производства ферросплавов; ста­леплавильные цехи (конвертерные, мар­теновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные це­хи, в которых слитки стали перерабаты­вают в сортовой прокат - балки, рель­сы, прутки, проволоку, лист. Основная продукция черной метал­лургии: чугуны; железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повы­шенным содержанием Mn, Si, V, Ti и т. д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производ­ства сортового проката, листа, труб и т. д.; стальные слитки для изготов­ления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т. д., называемые кузнечными слитками. Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для произ­водства сортового проката (уголка, по­лосы, прутков); слитки (чушки) цветных металлов для изготовления отливок на машиностроительных заводах; лигату­ры - сплавы цветных металлов с ле­гирующими элементами, необходимые для производства сложных легирован­ных сплавов для отливок; слитки чис­тых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей машиностроения. Производство чугуна Для выплавки чугуна необходимо: 1) исходные материалы; 2) топливо; 3) оборудование Промышленной рудой называют гор­ную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения Например, в настоящее время целесо­образно извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет не менее 30-60% Fe, 3-5% Сu, 0,005-0,02% Мо. Руда состоит из минералов, содер­жащих металл или его соединения, и пустой породы (т. е. различных при­месей). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде ок­сидов Fе304, Fе2О3; гидроксидов Fе2О3xН2О, карбонатов FеСО3 и др., а также пустую породу, состоящую в основном из SiO2, Аl2О3, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fе304 (55-60% Fe), красный железняк Fе2О3 (55-60% Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fе203-ЗН20 и Fе2О3-Н2О (37-55% Fe). Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем - ферромарганца (10-82% Мn), а также передельных чугунов, содержащих до 1% Мn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов. Хромовые руды используют для про­изводства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов. Хромовые руды со­держат хромит (FeO • Сr2О3), магнохромит. Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугу­нов. Это железомарганцевые руды (до 20% Мn), хромоникелевые руды (37-47% Fe, до 2% Cr, до 1% Ni), железованадиевые руды (до 0,17-0,35% V). Шихта: железная руда + шлакообразующие соединения (известняк СаСО3) и раскислители (ферросилициум, ферромарганец) Топливом для доменной плавки слу­жит кокс, который получают из каменного угля. При высокотемпературной обработке каменного угля сгорают легковоспламеняемые компоненты, уменьшается содержание влаги и через 14-18 часов конечным продуктом является кокс; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом. Куски кокса должны иметь размеры 25-60 мм. Кокс должен об­ладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием ших­товых материалов. В качестве оборудования для выплавки чугуна применяется доменная печь. Подготовка руд к доменной плавке Осуществляется для повышения производительности доменной печи, сни­жения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготов­ки - увеличение содержания железа в шихте и уменьшение в ней вредных примесей - серы, фосфора, повышение ее однородности по кусковатости и хи­мическому составу. Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной для плавки величины. Куски руды дробят и сортируют в дробилках и классификаторах. Обогащение руды. В результате руда освобождается от пустой породы. Промывка руды водой позволяет отделить плот­ные составляющие руды от песка, глины. Гравитация (от­садка) - это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на ко­тором лежит руда: пустая порода вы­тесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются. Магнитная сепарация основана на раз­личии магнитных свойств железосодер­жащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подверга­ют действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы. Окускование производят для перера­ботки концентратов, полученных после обогащения, в кусковые материалы не­обходимых размеров. Применяют два способа окускования: агломерацию и окатывание. При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40-50%), извест­няка (15-20%), возврата мелкого аг­ломерата (20-30%), коксовой мелочи (4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при тем­пературе 1300-1500°С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбона­ты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал - агломерат. При скатывании шихту из измель­ченных концентратов, флюса, топлива увлажняют, и при обработке во враща­ющихся барабанах, тарельчатых чашах (грануляторах) она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200-1350°С на об­жиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом ко­личестве входит в их состав. Выплавка чугуна Сущность про­цесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи. В доменную печь загружают кокс и выполняют его горение. В процессе горения кокса протекают следующие реакции: Скокс + О2 СО2 СО2 + С  2СО – восстановитель железа и железной руды По мере горения кокса в доменную печь загружают шихту, которая подвергается расплавлению и претерпевает следующие превращения, в результате которых восстанавливается железо. Т=400-500 С Fe2O3 + CО  Fe3O4 + СО2 Fe3O4 + CО  FeO + СО2 + CCO FeO + CО  Fe + СО2 Завершающая стадия: получение сплава железа с углеродом Т=1000-1100 С Fe + СО Fe3C + CO2 Так же присутствуют: Si ≤3%, Mn ≤5%, S ≤0,5%, P ≤0,5%. Выплавленный чугун частично используется для изготовления изделий (прессы, станины станков) - литей­ный, а основная часть (около 80%) используется для передела на сталь – передельный. Устройство доменной печи и ее работа Рис.6 Устройство доменной печи Доменная печь имеет сталь­ной кожух, выложенный внутри огне­упорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошни­ка находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту (оф­люсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонет­ки 9 подъемника, которые передвигают­ся по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 - в доменную печь, что пред­отвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60°. При работе печи шихтовые матери­алы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подают­ся новые порции шихты в таком ко­личестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные пе­чи имеют полезный объем 2000-5000 м3. Полезная высота доменной печи достигает 35 м. В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через кото­рые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения по­терь теплоты и снижения расхода кок­са. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя, внутри которо­го имеются камера сгорания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кир­пичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгора­ния к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы. Газы, проходя через насадку, нагре­вают ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается, и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры 1000-1200° С и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее пространство. Доменная печь имеет несколько воздухе нагревателей: в то время как в одни насадках нагревается, в других насадках отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются В результате сплавления оксидов Аl2Оз, CaO, MgO, пустой породы руды, флюсов и золы топлива образуется шлак. Шлак стекает в горн и скап­ливается на поверхности жидкого чу­гуна благодаря меньшей плотности. Чугун выпускают из печи каждые 3-4 ч, а шлак - через 1-1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 - отверстие в кладке, рас­положенное несколько выше лещади, а шлак - через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупорной массой. Чугун и шлак сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспор­тируют в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жид­ком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затверде­вает в виде чушек-слитков массой 45 кг. Процесс выплаки стали Основными материалами для про­изводства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Со­держание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл.). Состав чугуна и стали, % Материал С Si Mn Р S Чугун Сталь 2,14-6,67 ≤2,14 ≤3 ≤0,37 ≤5 ≤0,8 ≤0,5 ≤0,07 ≤0,5 ≤0,07 Поэтому сущностью любого метал­лургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Примеси отличаются по своим фи­зико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавиль­ном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии. Про­цессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов. Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла не­высока; интенсивно происходят окис­ление железа, образование оксида же­леза и окисление примесей Si, P, Mn. Наиболее важная задача этого процесса - удаление фосфора (одной из вредных примесей в стали). Для этого необходимо про­ведение плавки в основной печи, в ко­торой можно использовать основной шлак, содержащий СаО. Выделяющий­ся фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FеO)3xР2О5. Оксид кальция СаО—более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает ангидрид Р2О5, переводя его в шлак: Реакция образования фосфорного ан­гидрида протекает с выделением тепло­ты, поэтому для удаления фосфора из металла необходимы невысокие тем­пературы ванны металла и шлака. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения удаление фос­фора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими добавками СаО. Второй этап - «кипение» металличес­кой ванны - начинается по мере ее прогрева до более высоких, чем на первом этапе, температур. При повыше­нии температуры металла более интенсивно протекает реакция окис­ления углерода, происходящая с погло­щением теплоты. Образующийся в металле оксид же­леза реагирует с углеродом, а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вы­зывая «кипение» ванны. При «кипении» уменьшается содержание углерода в ме­талле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частич­но удаляются неметаллические включе­ния, прилипающие к всплывающим пу­зырькам СО, а также газы, проника­ющие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап «кипения» ванны явля­ется основным в процессе выплавки стали. В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида [FeS], который растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т. е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шла­ке, взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке: (FeS)+(CaO)=(CaS)+(FeO) Эта же реакция протекает на границе металл-шлак между сульфидом же­леза в стали [FeS] и (СаО) в шлаке: [FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO) Образующееся соединение (CaS) рас­творимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак. Третий этап (завершающий) - раскисление стали заключается в восстанов­лении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повыше­ние содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механичес­кие свойства стали, особенно при высо­ких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диф­фузионным. Осаждающее раскисление осуществ­ляют введением в жидкую сталь рас­творимых раскислителей (ферромарган­ца, ферросилиция, алюминия), содер­жащих элементы Mn, Si, A1 и др., которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления вос­станавливается железо и образуются оксиды MnO, SiO2, Аl2О3 и другие, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает ее свойства. Диффузионное раскисление осущест­вляют раскислением шлака. Ферромар­ганец, ферросилиций и другие раскислители в мелкоразмельченном виде за­гружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид желе­за, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределе­ния оксид железа, растворенный в ста­ли, начнет переходить в шлак. Об­разующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и по­вышает ее качество. В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные, ки­пящие и полуспокойные стали. Спокойная сталь получается при пол­ном раскислении в печи и ковше. Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продол­жается в изложнице при затвердевании слитка благодаря взаимодействию FeO и углерода, содержащихся в металле. Образующийся при реакции FeO+C=Fe+CO оксид углерода выделяется из стали, способствуя удале­нию из стали азота и водорода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее «кипение». Кипящая сталь не содер­жит неметаллических включений -про­дуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью. Полуспокойная сталь имеет проме­жуточную раскисленность между спо­койной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодейст­вию оксида железа и углерода, содер­жащихся в стали. Легирование стали осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, срод­ство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni, Co, Мо, Си), при плавке и разливке практически не окисляются, и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с оста­льной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду боль­ше, чем у железа (Si, Mn, A1, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредст­венно в ковш. Основной способ выплавки стали из чугуна – кислородно-конверторный способ. Это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Этим способом производится порядка 40% выплавляемой стали в стране. Кислородный конвертер - это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кир­пичом. Вместимость конвертера 130-350 т жидкого чугуна. В процессе ра­боты конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360 для заливки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака. Шихтовыми материалами кислород­но-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит (Аl2О3), плавиковый шпат (CaF2), которые при­меняют для разжижения шлака. Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалоч­ных машин загружают скрап, заливают чугун при тем­пературе 1250-1400 С. После этого конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение, внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9-1,4 МПа и расход 4 м3/мин. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, боксит, железную руду. Струи кислорода про­никают в металл, вызывают его цир­куляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при вза­имодействии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до 2400 С. В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Об­разующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит ра­зогрев ванны металла теплотой, вы­деляющейся при окислении примесей, поддержание его в жидком состоянии. Si + O2  SiO2 Mn + O2  MnO2 шлак P + O2  P2O5 S + O2  SO2;C + O2  CO2 Подачу кислорода заканчивают, ког­да содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш. При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим ме­тодом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак. Рис.7 Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах В кислородных конвертерах выплав­ляют конструкционные стали с различ­ным содержанием углерода, кипящие и спокойные. В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легко-окисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколе­гируемые (до 2-3% легирующих элементов) стали. Легирующие элементы водят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вво­дят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вмести­мостью 130-300 т заканчивается через 25-30 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах. Производство стали в электропечах Плавильные электропечи имеют пре­имущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, вос­становительную, нейтральную атмосфе­ру и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять ме­талл с образованием минимального количества неметаллических включе­ний—продуктов раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных спла­вов и сталей. Плавильные электропечи бывают ду­говыми и индукционными. Дуговая плавильная печь питается трехфазным переменным то­ком и имеет три цилиндрических эле­ктрода 9 из графита. Электрический ток от трансформатора кабелями 7 подводится к электрододержателям 8, а через них - к электродам 9 и ванне металла. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга, электроэнергия превращается в теплоту, которая переда­ется металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 160-600 В, сила тока 1-10 кА. Во время работы печи длина дуги регулируется автоматически путем перемещения электродов. Сталь­ной кожух 4 печи футерован огнеупор­ным кирпичом 1. Подину 12 печи набивают огнеупорной массой. Пла­вильное пространство ограничено стен­ками 5, подиной 12 и сводом 6 из огнеупорного кирпича. Для управления ходом плавки имеется рабочее окно 10 и летка для выпуска готовой стали по желобу 2 в ковш. Печь загружают при снятом своде. Механизмом 11 печь может наклонять­ся в сторону загрузочного окна и летки. Вместимость этих печей 0,5-400 т. Рис.8 Схема дуговой плавильной печи В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов: на шихте из легированных отходов (ме­тодом переплава) и на углеродистой шихте (с окислением примесей). Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. Шихта для такой плавки должна иметь меньше, чем в выплавляемой стали, марганца и кремния и низкое содер­жание фосфора. По сути это переплав. Однако в процессе плавки примеси (алюминий, титан, кремний, марганец, хром) окисляются. Кроме этого, шихта может содержать оксиды. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического со­става. Затем проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак мелкораздробленные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют леги­рованные стали из отходов машиностроительных заводов. Плавку на углеродистой шихте при­меняют для производства конструкци­онных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом (90%), чушковый пере­дельный чугун (до 10%), электродный бой или кокс для науглероживания металлов и известь (2-3%). Затем электроды опускают и включают ток; шихта под действием электродов пла­вится, металл накапливается на подине печи. Во время плавления шихты кис­лородом воздуха? оксидами шихты и окалины окисляются железо, крем­ний, фосфор, марганец, частично уг­лерод. Оксид кальция из извести и ок­сида железа образует основной железис­тый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева металла и шлака до температуры 1500-1540С в печь за­гружают руду и известь и проводят период «кипения» металла; происходит дальнейшее окисление углерода. Когда содержание углерода будет меньше за­данного на 0,1%, кипение прекращают и удаляют из печи шлак. Затем при­ступают к удалению серы и раскислению металла, доведению химического состава до заданного. Для определения химического состава металла берут пробы и при необ­ходимости в печь вводят ферросплавы для получения заданного химического состава металла, после чего выполняют конечное раскисление стали алюминием и силикокальцием и выпускают металл из печи в ковш. Индукционная тигельная плавильная печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 с металлической шихтой. Через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-2000 Гц). Ток создает перемен­ный магнитный поток, пронизывая кус­ки металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи (Фуко), нагре­вающие металл 1 до расплавления и необходимых температур перегрева. Тигель изготовляют из огнеупоров. Вместимость тигля 60 кг-25 т. Для уменьшения потерь теплоты печь имеет съемный свод 2. Рис.9 Схема индукционной тигельной плавильной печи Индукционные печи имеют преиму­щества перед дуговыми: в них отсут­ствует электрическая дуга, что позволя­ет выплавлять сталь с низким содер­жанием углерода, газов и малым уга­ром элементов; при плавке в металле возникают электродинамические силы, которые перемешивают металл в печи и способствуют выравниванию хими­ческого состава, всплыванию неметал­лических включений; небольшие раз­меры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создавать любую атмосферу или вакуум. Однако эти печи имеют малую стойкость футеров­ки, и температура шлака в них недо­статочна для протекания металлурги­ческих процессов между металлом и шлаком. Эти преимущества и недо­статки печей обусловливают возмож­ности плавки в них; в индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом пере­плава или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления. При загрузке тщательно подбирают химический состав шихты в соответст­вии с заданным, а необходимое коли­чество ферросплавов для получения заданного химического состава металла загружают на дно тигля вместе с ших­той. После расплавления шихты на поверхность металла загружают шла­ковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами. Производство стали в мартеновских печах Мартеновская печь - пламенная отражательная регенератив­ная печь. Она имеет рабочее плавиль­ное пространство, ограниченное снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с бо­ков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке печи имеются за­грузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней - отверстие 9 для выпуска готовой стали. Головки печи 2 служат для смешения топлива (мазута или газа) с воздухом и подачи этой смеси в пла­вильное пространство. Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1. Регенера­тор - это камера, в которой размещена насадка. Отходящие из печи газы имеют температуру 1500-1600°С. Попадая в регенераторы, га­зы нагревают насадку до температу­ры 1250-1280°С. Через один из ре­генераторов, например правый, по­дают воздух, который, проходя через насадку, нагревается до температуры 1100-1200°С и поступает в головку печи, где смешивается с топливом: на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли, и направ­ляются во второй (левый) регенератор, нагревая его насадку. Охлажденные га­зы покидают печь через дымовую тру­бу 8. После охлаждения насадки пра­вого регенератора переключают клапа­ны, и поток газов в печи изменяет направление. Рис.10 Схема мартеновс­кой печи Разливка стали Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или машины для непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Изложницы - чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоуголь­ным, круглым и многогранным попе­речными сечениями. Разливка стали сверху в изложницу. Сталь разливают непосредственно из ковша 1. КИМ при таком способе разливки составляет не более 60%, т.к. получаемый слиток имеет в верхней части усадочную раковину, а также зону, загрязненную окислами. После извлечения слитка из изложницы верхняя часть обрезается и идет на переплавку Разливка стали снизу (сифоном). Сталью заполняют несколько изложниц (4-60). Изложницы устанавливают на поддоне 6, в центре которого рас­полагается центровой литник 3, футе­рованный огнеупорными трубками 4, соединенный каналами 7 с изложница­ми. Жидкая сталь 2 из ковша 1 по­ступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания заполняет изложницу 5. Поверхность слитка по­лучается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько слитков. КИМ=80%. Недостатки: высокая трудоемкость изготовления литниковой системы; загрязнение стали материалом литниковой системы. Рис.11 Разливка стали в изложницы Непрерывная разливка стали состоит в том, что жидкая сталь из ковша 1 через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна - кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток 4. Тянущими валками 5 из кристаллизатора вы­тягивается затвердевающий слиток, сердцевина которого еще жидкая. Скорость вытя­гивания слитка из кристаллизатора за­висит от его сечения. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунки в зоне 6 вторичного охлаждения. Затем затвердевший слиток попадает в зону 7 резки, где его разрезают газовым резаком 8 на куски заданной длины. Вследствие направленного затвердева­ния и непрерывного питания при усадке слитки непрерывной разливки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, в них отсутствуют усадоч­ные раковины. Выход годных заготовок может достигать 96-98% массы раз­ливаемой стали. Рис.12 Схема машины непре­рывного литья заготовок (МНЛЗ) Производство цветных металлов Производство меди Медь получают способом, сущ­ность которого состоит в производстве меди из медных руд, включающем ее обогащение, обжиг, плавку на полу­продукт - штейн, выплавку из штейна черновой меди и ее очистку от при­месей (рафинирование). Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1-6% Сu, а также отходы меди и ее сплавов. При темпе­ратуре 1250-1300°С восстанавливают­ся оксид меди (CuO) и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди (Сu2О), реагируя с FeS, дает Cu2S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. Затем рас­плавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом (конвертируют) для окисления сульфи­дов меди и железа и получения чер­новой меди. Черновая медь содержит 98,4—99,4% Сu и небольшое количест­во примесей. Эту медь разливают в из­ложницы. Черновую медь рафинируют для уда­ления вредных примесей и газов. Сна­чала производят огневое рафинирова­ние в отражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем уда­ляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и спо­собствуют удалению SO2 и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения ее от Сu2О ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погружен­ной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают Сu2О. После огневого рафинирования полу­чают медь чистотой 99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или плиты для электролитического рафинирования. Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,5% Си). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри свинцом. Аноды дела­ют из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO4 (10-16%) и H2SO4 (10-16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди: Cu2++2e - = Cu. Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извле­чения этих металлов. Катоды выгружа­ют, промывают и переплавляют в эле­ктропечах. Производство алюминия Сущность процесса производства алюминия заключается в получении безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема) с после­дующим получением металлического алюминия путем электролиза раство­ренного глинозема в расплавленном криолите. Основное сырье для производства алюминия - алюминиевые руды: бок­ситы, нефелины, алуниты, каолины. Алюминий получа­ют электролизом глинозема - оксида алюминия (А12O3) в расплавленном криолите (Nа3АlF6) с добавлением фто­ристых алюминия и натрия (А1F3, NaF). Производство алюминия включа­ет получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глино­зема); получение криолита из плави­кового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите. Глинозем получают из бокситов пу­тем их обработки щелочью: Аl2О3 • nH20 + 2NaOH = 2NaAlO2 + (n+1)H2O Полученный алюминат натрия NaAlO2 подвергают гидролизу: NaAlO2 + 2Н2О = NaOH + А1(ОН)3  В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия А1(ОН)3. Гидроксид алюминия обез­воживают во вращающихся печах при температуре 1150-1200°С и получают обезвоженный глинозем А1203. Для производства криолита сначала из плавикового шпата получают фто­ристый водород, а затем плавиковую кислоту. В раствор плавиковой кислоты вводят А1(ОН)3, в результате чего об­разуется фторалюминиевая кислота, ко­торую нейтрализуют содой и получают криолит, выпадающий в осадок: 2Н3А1F6 + 3Na2CO3 = 2Na3AlF6  + 3CO2 + 3H2O Его отфильтровывают и просушива­ют в сушильных барабанах. Электролиз глинозема Аl2Оз прово­дят в электролизере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне слоем 250-300 мм находится расплавленный алюминий, служащий катодом, и жидкий криолит. Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного в электролит. Постоянный ток силой 70-75 кА и напряжением 4-4,5 В подводится для электролиза и разо­грева электролита до температуры 1000°С. Электролит состоит из криолита, глинозема, А1F3 и NaF. Криолит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается ион Al3+ и об­разуется алюминий, а на аноде - ион О2-, который окисляет углерод анода до СО и СО2, удаляющихся из ванны через вентиляционную систему. Алюми­ний собирается на дне ванны под слоем электролита. Его периодически извлека­ют, используя специальное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне оставляют немного алюминия. Алюминий, полученный электроли­зом, называют алюминием-сырцом. В нем содержатся металлические и не­металлические примеси, газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего продувают хлор через расплав алюми­ния. Образующийся парообразный хло­ристый алюминий, проходя через рас­плавленный металл, обволакивает ча­стички примесей, которые всплывают на поверхность металла, где их удаля­ют. Хлорирование алюминия способ­ствует также удалению Na, Ca, Mg и газов, растворенных в алюминии. Затем жидкий алюминий выдержи­вают в ковше или электропечи в тече­ние 30-45 мин при температуре 690-730°С для всплывания неметалличес­ких включений и выделения газов из металла. После рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5-99,85%. Производство магния Для производства магния наиболь­шее распространение получил электро­литический способ, сущность которого заключается в получении чистых без­водных солей магния (хлористого маг­ния), электролизе этих солей в рас­плавленном состоянии и рафинирова­нии металлического магния. Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl2 • КСl • 6Н2О), магнезит (MgCO3), доломит (СаСО3•MgCO3), бишофит (MgCl2•6Н2О). Наибольшее количество магния получают из кар­наллита. Сначала карналлит обогаща­ют и обезвоживают. Безводный кар­наллит (MgCl2 • КС1) используют для приготовления электролита. Электролиз осуществляют в электро­лизере. Анодами служат графитовые пластины, а катодами - стальные пла­стины. Электролизер заполняют рас­плавленным электролитом состава 10% MgCl2, 45% CaCl2, 30% NaCl, 15% КС1 с небольшими добавками NaF и СаF2. Такой состав электролита необходим для понижения температуры его плав­ления (720 С). Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, кото­рые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют вакуумным ковшом. Черновой магний содержит 5% при­месей, поэтому его рафинируют пере­плавкой с флюсами. Для этого чер­новой магний и флюс, состоящий из MgCl2, КС1, BaCl2, CaF2, NaCl, CaCl2, нагревают в электропечи до темпера­туры 700-750С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак. Затем печь охлажда­ют до температуры 670°С и магний разливают в изложницы на чушки. Производство титана Титан получают магнийтермическим способом, сущность которого состоит в обогащении титановых руд, выплавке из них титанового шлака с последу­ющим получением из него четырех­хлористого титана и восстановлении из последнего металлического титана магнием. Сырьем для получения титана явля­ются титаномагнетитовые руды, из ко­торых выделяют ильменитовый кон­центрат, содержащий 40-45% TiO2, 30% FeO, 20% Fе2О3 и 5-7% пустой породы. Название этот концен­трат получил по наличию в нем ми­нерала ильменита FeO• TiO2. Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие ок­сиды титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в излож­ницы. Основной продукт этого процес­са - титановый шлак содержит 80-90% TiO2, 2-5% FeO и примеси SiO2, А1203, СаО и др. Побочный продукт этого процесса - чугун используют в металлургическом производстве. Полученный титановый шлак подвер­гают хлорированию в специальных пе­чах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титано­вого шлака, а через фурмы внутрь печи -хлор. При температуре 800-1250 С в присутствии углерода об­разуется четыреххлористый титан, а та­кже хлориды СаCl2, MgCl2 и др.: TiO2 + 2С + 2С12 = TiC4 + 2СО. Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов благодаря различию температуры кипе­ния этих хлоридов методом ректифи­кации в специальных установках. Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при те­мпературе 950-1000 С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый ти­тан. Между жидким магнием и че­тыреххлористым титаном происходит реакция 2Mg+TiCl4=Ti+2MgCl2. Твердые частицы титана спекаются в пористую массу - губку, а жидкий MgCl2 выпускают через летку реактора. Титановая губка содержит 35-40% магния и хлористого магния. Для уда­ления из титановой губки этих при­месей ее нагревают до температуры 900-950 С в вакууме. Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После это­го чистота титана составляет 99,6-99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки дав­лением. Классификация и маркировки сталей 1. По химическому составу: углеродистые и легированные. 1) углеродистые стали. К этой группе относятся следующие стали - обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) S, P ≤0,07% маркировка: Ст.0; Ст.1 до Ст.6. Цифра указывает на порядковый номер с увеличением которого повышается прочность и увеличивается содержание углерода. назначение: применяют для изготовления деталей неответственного назначения и изделий строительной индустрии. - качественные (ГОСТ 1050-74) S, P ≤0,035% маркировка: Сталь 10; Сталь 15; Сталь 20 до Сталь 80. Цифра указывает на содержание углерода в стали в сотых долях процента: Сталь 10 – С ≤ 0,10%; Сталь 80 – С ≤ 0,80% - высококачественные S, P ≤0,025%. Стали этой группы применяют для изготовления инструмента, поэтому они называются инструментальными и обозначаются следующим образом: У7А – С ≤ 0,7% У8А – С ≤ 0,8% У10А – С ≤ 1,0% У13А – С ≤ 1,3% У – углеродистая, цифра указывает на содержание С в десятых долях процента. А – указывает, что сталь высококачественная. 2) легированные стали. Это сплавы, в состав которых введен один или несколько химических элементов, с целью придания специальных свойств. Каждый введенный в сталь химический элемент маркируется специальной буквой: Х - хром, Н – никель, Г – марганец, Ю – алюминий, Ф – ванадий, С – кремний, Т – титан, К – кобальт, Д – медь, В – вольфрам, М – молибден, Б – ниобий. А (в начале маркировки) – означает, что сталь автоматного класса, т.е. предназначена для обработки на станках-автоматах и обладает повышенной обрабатываемостью резанием. S – 0,3%. А12, А20 – цифры указывают на содержание углерода (0,12–0,2%). Вследствие повышенного содержания серы из таких сталей изготавливают изделия неответственного назначения. А (в середине) – означает наличие в стали азота. А (в конце маркировки) – означает, что сталь высококачественная S, P ≤0,025%. Р (в начале маркировки) – означает, что сталь быстрорежущая. Она обладает высокой твердостью и износостойкостью. Предназначена для изготовления инструмента. Р9, Р18 - цифра указывает на наличие вольфрама в процентах (W – 9%, 18%). Р (в середине либо в конце) – означает, что в стали имеется бор. Ш (в начале) – ШХ4; ШХ15 – означает, что сталь шарикоподшипниковая. Х – в стали есть хром, а цифра указывает на его содержание – 0,4%, 1,5%. Ш (в конце) – особовысококачественная S, P ≤0,015%. Количество легирующего элемента указывается в цифровом выражении после буквенного обозначения в процентах. если цифра отсутствует – это означает, что такого элемента около 1%. Примеры : 18ХГТ – цифра указывает на содержание углерода в сотых долях процента (С – 0,18%). Легирована хромом, марганцем и титаном – все по 1%, остальное - железо. 20Х2Н4ВА – углерода 0,2%, хром – 2%, никель – 4%, вольфрам – 1%, высококачественная (S, P ≤0,025%.), остальное - железо. 12Х18Н9ТБ – углерода 0,12%, хром – 18%, никель – 9%, титан – 1%, ниобий – 1%, (S, P ≤0,035%.), остальное - железо. 42ХМФ-Ш – углерода 0,42%, хром – 1%, молибден – 1%, ванадий – 1%, особовысококачественная (S, P ≤0,015%.), остальное - железо. Если в начале маркировки отсутствуют цифры – это означает, что в ней содержание углерода около 1%. 0Х18Н10Т – 0 – в сталях С ≤ 0,08% 00Х18Н10Т – 00 – в сталях С ≤ 0,05% Углерод в инструментальных сталях указывается в десятых долях процента: 4Х5МФС – С-0,4%, 3Х3ВМФ – С-0,3%. Пример: 16ХГНАФА – С – 0,16%, хром – 1%, марганец – 1%, никель – 1%, азот – 1%, ванадий – 1%, высококачественная (S, P ≤0,025%.), кремний ≤0,37%, остальное – железо. 2. По способу раскисления КП – означает, что сталь кипящая – остаточное содержание кислорода ≈0,02%; ПС – означает, что сталь полуспокойная – остаточное содержание кислорода ≈0,008%; СП – означает, что сталь спокойная – остаточное содержание кислорода ≈0,002%. Пример: Ст.3 КП; Ст.4 СП. 3. По категориям прочности 1 категория – гарантируется твердость и прочность 2 категория – гарантируется 1 категория + пластичность (ε, ψ) 3 категория – 2 категория + ударная вязкость (аН) при +20С 4 категория – 3 категория + (аН) при -20С 5 категория – 4 категория + (аН) при -20С после механического старения Пример: Ст.3 ПС 4 – углеродистая, С ≤ 2,14%, Mn ≤ 0,8%, Si ≤ 0,37%, S, P ≤ 0,07%, О2остат ≈0,008%, остальное – железо, 4 категория прочности. 4. По свойствам группа А – сталь поставляемая с гарантированными механическими свойствами. группа Б – с гарантированным химическим составом. группа В – сталь поставляемая с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. 5. По видам продукции - сортовая сталь (круг, квадрат и т.д.) - лист - проволока - спец.профиль - отливки - поковки 6. По качеству 1) сталь обыкновенного качества (S, P ≤0,07%.) 2) сталь качественная (S, P ≤0,035%.) 3) сталь высококачественная (S, P ≤0,025%.) 4) сталь особовысококачественная (S, P ≤0,015%.) 7. По назначению 1) Конструкционные стали – это сплавы предназначенные для изготовления деталей машин и изделий строительной индустрии. 2) Инструментальные – предназначенные для изготовления режущего, штамповочного, медицинского и измерительного инструмента. 3) Стали специального назначения – кислотостойкие, нержавеющие, жаропрочные и др. стали. Классификация (маркировки) чугуна Чугун – конструкционный материал и в зависимости от технологии получения из него изделий он может обладать различными свойствами. По свойствам: 1) Белые – обладают высокой твердостью и износостойкостью (HRC ≥ 60). В виду высокой твердости изделия из белого чугуна получают в окончательный геометрический размер. Способ получения: полученный расплав заливают в литейную форму, а далее проводят быстрое охлаждение до комнатной температуры. Такая технология позволяет переводить весь углерод в твердый раствор. Маркировке белые чугуны не подвергаются, но в документации указывается химический состав, структура и твердость. 2) Графитовые чугуны – конструкционный материал, обладающий низкой твердостью, и поэтому могут подвергаться любым процессам механической обработки. Графитовые чугуны бывают трех групп: ковкие, серые, высокопрочные. Маркировка: серый чугун СЧ 15; ковкий чугун КЧ 30; высокопрочный чугун ВЧ 50 – 15, 30, 50 – предел прочности при растяжении. Технология литейного производства Литейное производство – от­расль машиностроения, задачей которой является изготовление фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготов­ки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состо­янии сохраняет конфигурацию той по­лости, в которую он был залит. Конеч­ную продукцию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавлен­ного металла и последующего охлажде­ния формируются механические и эк­сплуатационные свойства отливок. Также к задачам относятся: автоматизация и механизация технологических процессов производства отливок; получение отливок с минимальными припусками на механическую обработку. Это позволяет повысить коэффициент использования металла и снизить трудоемкость на операциях механической обработки. Для изготовления отливок применя­ют множество способов литья: - в пес­чано-глинистые формы, - в металлические формы, - в оболочковые формы, - по выплавляемым моделям, - под давлением, - центробежное литье. Область применения того или иного способа литья определяется объ­емом производства, требованиями к геометрической точности и шерохо­ватости поверхности отливок, экономической целесообразностью и другими факторами. Свойства литейных сплавов Для производства отливок исполь­зуют специальные литейные сплавы, которые должны обладать высокими литейными, механическими и эксплу­атационными свойствами; К литейным свойствам относят тех­нологические свойства металлов и спла­вов, которые проявляются при запол­нении формы, кристаллизации и охла­ждении отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства - это жидкотекучесть, усадка (объемная и линей­ная), склонность сплавов к ликвации, образованию трещин, поглощению га­зов, пористости и др. Жидкотекучесть - это способ­ность металлов и сплавов течь в рас­плавленном состоянии по каналам ли­тейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры от­ливки. Жидкотекучесть за­висит от температурного интервала кри­сталлизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры залив­ки и формы, свойств формы и т. д. Чистые металлы и сплавы, затвер­девающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают луч­шей жидкотекучестью, чем сплавы, об­разующие твердые растворы и затвер­девающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкоте­кучесть; с повышением тем­пературы заливки расплавленного ме­талла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение те­плопроводности материала формы сни­жает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки специальных технологических проб (рис. 13). Рас­плавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графи­товой пробкой. После подъема пробки металл плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряе­мую в миллиметрах. Наибольшей жид­котекучестью обладает серый чугун, наименьшей - магниевые сплавы. Рис. 13 Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов: 1, 2 - нижняя и верхняя полуформы, 3 - заливочная чаша, 4 - графитовая пробка Усадка - свойство литейных спла­вов уменьшать объем при затвердева­нии и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента залив­ки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отлив­ки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах. Линейная усадка — уменьшение ли­нейных размеров отливки при ее охла­ждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленно­го металла, до температуры окружа­ющей среды. Объемная усадка—уменьшение объ­ема сплава при его охлаждении в ли­тейной форме при формировании от­ливки. Усадка в отливках проявляется в ви­де усадочных раковин, пористости, тре­щин и короблении. Усадочные раковины — сравнительно крупные полости, расположенные в ме­стах отливки, затвердевающих последними. Усадочная пористость – скопление пустот, образовавшихся в отливке в об­ширной зоне в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним рас­плавленного металла. Ликвация – неоднородность хими­ческого состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в про­цессе затвердевания отливки из-за раз­личной растворимости отдельных ком­понентов сплава в его твердой и жид­кой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется при­месь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси. Изготовление отливок в песчаных формах Литье в песчаные формы в настоящее время является универсальным и са­мым распространенным способом изго­товления отливок. Технологический процесс изготовле­ния отливок состоит из ряда основных и вспомогательных операций, выполня­емых в определенной последователь­ности (рис. 14). Для изготовления ли­тейных форм используются модельный комплект, формовочные и стержневые смеси и другие материалы и обору­дование. Модельный комплект – это совокуп­ность технологической оснастки и при­способлений, необходимых для образова­ния в форме полости, соответствующей контурам отливки. В модельный комп­лект включают модели, модельные пли­ты, стержневые ящики и другие при­способления. Рис. 14 Схема технологического процесса получения отливок в песчаных формах Для получения отливки изготавливают специальную форму. Основными исходными материалами служат: песок, глина, специальные связующие компоненты. В природе существует два типа песков: кварцевый (температура плавления ≈2000 С; недостаток – при температуре 575 С в нем происходит полиморфное превращение, которое сопровождается растрескиванием отдельных песчинок.) Поэтому такой тип песка применяют для изготовления литейных форм при производстве отливок из цветных металлов и сплавов; циркониевый (обладает высокой огнеупорностью; в нем отсутствует упомянутый недостаток). Глина является связующим компонентом и от ее сорта и количества изменяется прочность и технологические параметры смеси. Для дополнительного повышения прочности смеси и литейной формы в целом добавляют различные марки клеев и смол. Исходные материалы подвергают различным видам контроля, а затем из них приготавливают формовочную смесь. Для получения качественной отливки формовочная смесь должна отвечать следующим свойствам: 1. механическим - прочность – способность смеси и литейной формы в целом не разрушаться в процессе транспортировки и заливки жидким расплавом; - пластичность – способность смеси свободно заполнять литейную форму и полностью производить очертания наружной поверхности модели отливки; - податливость – способность формовочной смеси изменяться в объеме и сопровождать процесс усадки металла после заливки и кристаллизации сплава. При низкой податливости смеси в сплаве возникают высокие напряжения, которые могут вызвать образование трещин в отливке. 2. технологическим - влажность – влияет на качество отливки по наличию в ней газовых пузырей и пор. В зависимости от содержания влаги смеси бывают сухие (3-4% влаги) и сырые (6-8% влаги); - газопроницаемость – влияет на способность смеси по удалению воздушной атмосферы из заливаемой полости формы и удалению газов из расплава. Зависит от фракционного состава песка, содержания глины в смеси и влажности смеси. Чем больше размер песчинок и меньшее содержание глинистой составляющей, тем выше газопроницаемость; - термохимическая активность – способность смеси не вступать в химическую реакцию с материалом расплава в месте контакта. При низком показателе на поверхности отливки образуется литейная корка, состоящая из материала смеси и жидкого металла; - долговечность – способность смеси сохранять свои свойства на протяжении длительного времени; - огнеупорность – способность смеси выдерживать высокие температуры; - негигроскопичность – способность смеси не поглощать влагу из атмосферы в процессе длительной эксплуатации или хранения. 3. теплофизическим: теплоемкость, теплопроводность. Эти показатели влияют на скорость охлаждения расплава, кристаллизации и скорость охлаждения отливки. от этих показателей зависит получаемая структура и механические свойства отливки. Формовочные и стержневые смеси Формовочная смесь – это многоком­понентная смесь формовочных матери­алов, соответствующая условиям тех­нологического процесса изготовления литейных форм. Формовочные смеси по характеру использования разделяют на: Облицовочная смесь – это формовоч­ная смесь, используемая для изготов­ления рабочего слоя формы. Такие смеси содержат повышенное количество исходных формовочных материалов (песка и глины) и имеют высокие физико-механические свойства. Наполнительная смесь – это формо­вочная смесь для наполнения формы после нанесения на модель облицовоч­ной смеси. Поэтому ее приготовляют путем переработки оборотной смеси с малым количеством исходных формо­вочных материалов (песка и глины). Облицовочные и наполнительные фор­мовочные смеси используют для изго­товления крупных и сложных отливок. Единая смесь – это формовочная смесь, применяемая одновременно в ка­честве облицовочной и наполнительной смеси. Такие смеси применяют при машинной формовке и на автоматичес­ких линиях в серийном и массовом производствах. Единые смеси приготов­ляют из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей связующей спо­собностью, чтобы обеспечить их долго­вечность. Стержневая смесь – это многокомпо­нентная смесь формовочных матери­алов, соответствующая условиям тех­нологического процесса изготовления литейных стержней. Стержни устанавливают в литейной форме для имитации отверстий и углублений в отливке. Стержни при за­ливке расплавленного металла испыты­вают значительные тепловые и механические воздействия по сравнению с формой, поэтому стержневые смеси должны иметь более высокие огнеупор­ность, газопроницаемость, податли­вость, малую газотворную способность, легко выбиваться из отливок и т. д. Стержневые смеси в зависимости от способа изготовления стержней разде­ляют на смеси с отверждением стерж­ней тепловой сушкой; в нагреваемой оснастке; жидкие самотвердеющие сме­си; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым газом; холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах. Литниковые системы Литниковая система – это система каналов, через которые расплавленный металл подводят в полость формы. Литниковая система должна обеспечи­вать заполнение литейной формы с не­обходимой скоростью, задержание шла­ка и других неметаллических включе­ний, выход паров и газов из полости формы, непрерывную подачу расплав­ленного металла к затвердевающей от­ливке. Рис. 15 Способы подвода расплавленного металла в полость литейной формы В зависимости от конфигурации и тол­щины стенок отливок 5 и состава заливаемого сплава расплавленный ме­талл в полость литейной формы под­водят сбоку (рис. 15, а), снизу (рис. 15, б) или сверху (рис. 15, в). Литниковая система обычно состоит из литниковой чаши 4 – предназначенной для резервирования жидкого металла с целью непрерывного процесса заливки в полость формы, вертикального ка­нала-стояка 3 – предназначенного для направленного движения жидкого металла в литейную форму, шлакоуловителя 2, пита­телей 1 – предназначенных для подпитки жидким металлом наиболее массивных участков, выпора 6. При подводе метал­ла снизу или сверху используют мас­сивные коллекторы 7. Изготовление литейных форм Основные операции изготовления форм (формовки): уплотнение формо­вочной смеси для получения точного отпечатка модели в форме и придание форме достаточной прочности; устрой­ство вентиляционных каналов для вы­вода газов из полости формы, образу­ющихся при заливке; извлечение мо­дели из формы; отделка и сборка форм. По степени механизации различают формовку ручную, машинную и автоматическую. Ручную формовку применяют для получения одной или нескольких отли­вок в условиях опытного производства, при изготовлении отливок в ремонтном производстве, а также при изготовле­нии крупных (массой 200-300 т) от­ливок. На практике используют раз­личные приемы ручной формовки. Формовка в парных опоках по разъем­ной модели наиболее распространена. Литейную форму (рис. 16, е), состо­ящую из двух полуформ, изготовляют по разъемной модели (рис. 16, а) в та­кой последовательности: на модельную плиту 3 устанавливают нижнюю по­ловину модели 1, модели питателей 4 и опоку 5 (рис. 16, б), в которую засыпают формовочную смесь и уп­лотняют. Опоку поворачивают на 180 градусов (рис. 16, в), устанавливают верхнюю половину модели 2, модели шлакоуло­вителя 9, стояка 8 и выпоров 7. По центрирующим штырям устанавливают верхнюю опоку 6, засыпают формовоч­ную смесь и уплотняют. После извлече­ния модели стояка и выпоров форму раскрывают. Из полуформ извлекают модели (рис. 16, г) и модели питателей и шлакоуловителей, в нижнюю полу­форму устанавливают стержень 10 (рис. 16, д) и накрывают нижнюю по­луформу верхней. На рис. 16, е пока­зана литейная форма для корпуса вен­тиля. После заливки расплавленного металла и его затвердевания литейную форму разрушают и извлекают отливку (рис. 16, ж). Рис. 16 Последовательность операций изготовлении литейной формы для корпуса вентиля Машинную формовку применяют для производства отливок в массовом и се­рийном производствах. При формовке на машинах формы изготовляют в пар­ных опоках с использованием одно­сторонних металлических модельных плит. Машинная фор­мовка механизирует установку опок на машину, засыпку формовочной смеси в опоку, уплотнение смеси, удаление моделей из формы, транспортирование и сборку форм. Машинная формовка обеспечивает более высокую геоме­трическую точность полости формы, чем ручная формовка, повышает про­изводительность труда, исключает тру­доемкие ручные операции, сокращает цикл изготовления отливок. При ма­шинной формовке формовочную смесь уплотняют прессованием, встряхива­нием, пескометом, вакуумной фор­мовкой и др. Автоматическую формовку использу­ют в серийном и массовом производст­вах отливок, при этом литейная форма передается последовательно с одной позиции на другую. Этот переход осу­ществляется автоматически различны­ми конвейерами, кантователями, толкателями и другими устройствами. Для автоматической формовки используют­ся формовочные автоматы, формовоч­ные машины для безопочной формовки и автоматические формовочные линии. Формовочные автоматы, используе­мые для изготовления литейных форм, выполняют все технологические опера­ции без участия человека. Формовочные автоматы используют, как правило, в составе автоматических линий. Автоматическую безопочную формо­вку используют при изготовлении форм для мелких отливок из серого, ковкого и высокопрочного чугунов и стали в серийном и массовом производствах. Изготовление литейных форм осущест­вляется на высокопроизводительных пескодувно-прессовых автоматических линиях (рис. 17). Рис. 17 Схема процесса изготовле­ния безопочных литейных форм на автоматических машинах Модельная плита 1 закреплена на прессовой машине, плита 3 - на плите противодавления. Модельные плиты 1, 3, боковые стенки и головка 2 образуют формовочную камеру (рис. 17, а), ко­торая заполняется формовочной сме­сью с помощью сжатого воздуха под давлением 0,5-1 МПа. После этого формовочная смесь прессуется плун­жером 4 под давлением до 2 МПа. Модельная плита 3 отходит влево и поворачивается в горизонтальное по­ложение, а уплотненный ком формовоч­ной смеси плунжером 4 проталкивается до соприкосновения с предыдущим ко­мом, образуя полость 5 (рис. 17, б). В результате получается непрерывный ряд форм, которые заливают расплав­ленным металлом из ковша 6. После затвердевания и охлаждения отливок формы подаются на выбивную решет­ку, где отливки 7 освобождаются от формовочной смеси. Смесь поступает на переработку и повторное исполь­зование, а отливки - в обрубное от­деление. Технология производства отливок Этапы: 1. Анализ чертежа детали. На этом этапе устанавливают серийность производства отливки (массовое, серийное или единичное производство) и определяют возможность изготовления литейной формы с учетом геометрических размеров детали. Кроме того, устанавливают сложность отливки и возможность ее получения без брака при данном способе литья. 2. Проектирование отливки: а) назначить припуски на механическую обработку. Под припуском на механическую обработку понимают слой металла, удаляемый в процессе резанья с последующим обеспечением чистоты и размера указанного в чертеже детали; б) припуск на усадку металла. Величина усадки зависит от вида материала (сталь – 1,8-2,2%; чугун – 0,7-1,2%; цветные сплавы – 0,4-0,6%); в) исключить сквозные отверстия небольшого размера (≈ 20 мм); г) предусмотреть уклоны и радиусы перехода между сопрягаемыми размерами отливки 3. Проектирование и изготовление модельного комплекта. Модель изготавливается разъемной из нескольких частей. Материалом служит древесина. В состав комплекта входит модель отливки и модель литниковой системы. 4. Проектирование и изготовление литейной формы: детальотливкамодельизготовление стержняизготовление литейной формы Рис.18 Форма в сборе: 1-опока, 2-литниковая чаша, 3-стояк, 4-шлакоуловитель, 5-стержень, 6-полость литейной формы, 7-вентиляционный канал, 8-выпор, 9-штырь После заливки расплава в литейную форму проводят охлаждение формы со строго определенной скоростью. после кристаллизации литейная форма разбирается. Извлекается отливка, от которой удаляют литниковую систему и прибыльную часть. Изготовление отливок специальными способами литья Изготовление отливок в кокилях. Способ применяют в крупносерийном и массовом производстве Этим способом отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы-кокили. Литейная форма изготавливается из теплостойкой легированной стали (обычно применяют 5ХНМ). Форма изготавливается разборной. Внутреннее очертание формы соответствует наружной конфигурации отливки. С целью исключения пригара заливаемого металла к поверхности формы внутренняя полость формы смазывается специальной краской или графитом. Стойкость формы достигает 500-600 шт отливок из чугуна и до 10000 штук для отливок из цветных металлов и сплавов. При литье в кокиль сокращается рас­ход формовочной и стержневой смесей. Затвердевание отливок происходит в условиях интенсивного отвода теплоты из залитого металла, что обеспечивает более высокие плотность металла и ме­ханические свойства, чем у отливок, полученных в песчаные формы. Ко­кильные отливки имеют высокую гео­метрическую точность размеров и ма­лую шероховатость поверхности, что снижает припуски на механическую об­работку вдвое по сравнению с литьем в песчаные формы. Этот способ литья высокопроизводителен. Недостатки кокильного литья: высо­кая трудоемкость изготовления коки­лей, их ограниченная стойкость, тру­дность изготовления сложных по кон­фигурации отливок. Литье по выплавляемым моделям. При этом способе модель и литниковую систему изготавливается из легкоплавкого материала, обычно для этой цели применяют смесь парафина 50% и стеарина 50% (температура плавления 62С). В крупносерийном и массовом производстве модели изготавливают методом пластического деформирования. После изготовления к литниковой системе прикрепляют легкоплавкие модели. Изготовленное легкоплавкое устройство погружают в керамическую суспензию (песок + связующее). Затем устройство извлекают и просушивают. Вокруг легкоплавкого материала образуется тонкий упрочненный слой из суспензии. Количество погружений в суспензию должно обеспечить корочку толщиной 15-20 мм. Для повышения поверхностной корочки проводят обжиг в печи. Для удаления легкоплавкого материала полученное устройство погружают в кипящую воду или помещают в печь (Т=150-160С). Перед заливкой расплава металла, полученную керамическую форму помещают в опоку и засыпают песком, это необходимо для предотвращения разрушения формы при заливке. После заливки и кристаллизации проводится охлаждение до комнатной температуры, а затем на вибрационных установках извлекают полученные отливки с литниковой системой из опоки. Отделение отливки от литниковой системы проводится методом обрубки. Технологический процесс изготовле­ния отливок по выплавляемым моде­лям механизирован и автоматизирован. В массовом производстве используют автоматические установки для изготов­ления моделей, приготовления суспен­зии и нанесения ее на блоки моделей и обсыпки их кварцевым песком, для прокаливания и заливки форм и т. д., объединенные транспортными устрой­ствами в автоматические линии. Литье в оболочковые формы. При этом способе изготавленную металлическую модель нагревают до Т=200-220 С. Затем на нее устанавливают ограничительную рамку, куда засыпают специальную смесь (циркониевый концентрат + фенолформальдегидная смола ФФС). При этом происходит расплавление связующего компонента и заполнения пространства между отдельными песчинками. Далее выполняют окончательный нагрев до Т=400-420 С и ведержку 25 минут. На этой стадии происходит окончательное отверждевание состава. После этого металлическая модель вместе с рамкой извлекается из печи, охлаждается и с поверхности модели снимается оболочковая форма. По аналогичной технологии изготавливают литниковую систему. Затем производят сборку литейной формы. Достоинства: высокая геометрическая точ­ность позволя­ет в 2 раза снизить припуски на механическую обработку отливок. При­меняя мелкозернистый кварцевый песок для форм, можно снизить шерохова­тость поверхности отливок. Литье под давлением. Литьем под давлением получают от­ливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осу­ществляют под давлением. Изготовля­ют отливки на машинах литья под давлением с холодной или горячей камерой прессования. В машинах с хо­лодной камерой прессования камеры прессования располагаются либо гори­зонтально, либо вертикально. Рис. 19 Схема процесса изготовления отливок на машинах с горизонтальной холодной камерой прессования На машинах с горизонтальной холод­ной камерой прессования (рис. 19) порцию расплавленного металла зали­вают в камеру прессования 4 (рис. 19, а), которую плунжером 5 под давлением 40-100 МПа подают в по­лость пресс-формы (рис. 19, б}, со­стоящей из неподвижной 3 и подвижной 1 полу форм. Внутреннюю полость в от­ливке получают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма раскрывается (рис. 19, в), стержень 2 извлекается и отливка 7 выталкива­телями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы. Перед заливкой пресс-форму нагревают до температуры 120-320° С. После удаления отливки рабочую поверхность пресс-формы об­дувают воздухом и смазывают специ­альными материалами для предупреж­дения приваривания отливки к пресс-форме. Воздух и газы удаляют через каналы глубиной 0,05-0,15 мм и ши­риной 15 мм, расположенные в плос­кости разъема пресс-формы, или вакуумированием рабочей полости перед заливкой расплавленного металла. Та­кие машины применяют для изготов­ления отливок из медных, алюмини­евых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45 кг. На машинах с горячей камерой прессования (рис. 20) камера прессова­ния 2 расположена в обогреваемом тигле 7 с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера 3 расплавленный металл через отвер­стие 4 заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстия перекрываются, сплав под давлением 10-30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного ме­талла из канала сливаются в камеру прессования, а отливка из пресс-формы удаляется выталкивателями 6. Такие машины используют при изготовлении отливок из цинковых и магниевых сплавов массой от нескольких граммов до 25 кг. Рис. 20 Схема процесса изготовления от­ливок на машинах с горячей камерой прессо­вания При литье под давлением тем­пературу заливки сплава выбирают на 10-20 С выше температуры ли­квидуса. Литье под давлением используют в массовом и крупносерийном произ­водствах отливок с минимальной тол­щиной стенок 0,8 мм, с высокой точ­ностью размеров и малой шерохова­тостью поверхности за счет точной обработки и тщательного полирования рабочей полости пресс-формы; без ме­ханической обработки или с минималь­ными припусками, что резко сокращает объем механической обработки отли­вок; с высокой производительностью процесса. Недостатки литья под давлением высокая стоимость пресс-форм и обо­рудования; ограниченность габаритных размеров и массы отливок; наличие воздушной пористости в массивных Изготовление отливок центробежным литьем. При центробежном литье сплав зали­вают во вращающиеся формы; форми­рование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обес­печивает высокую плотность и меха­нические свойства отливок. Металлические формы изложницы из­готовляют из чугуна и стали. Толщина изложницы обычно в 1,5-2 раза боль­ше толщины отливки. В процессе литья изложницы снаружи охлаждают водой или воздухом. На рабочую поверхность изложницы наносят теплозащитные по­крытия для увеличения срока их служ­бы. Перед работой изложницы подогре­вают до температуры 200° С. При получении чугунных водопро­водных труб на машинах с горизон­тальной осью вращения (рис. 21, а) изложницу 2 устанавливают на опор­ные ролики 7 и закрывают кожухом 6. Изложница 2 приводится во враще­ние электродвигателем 1. Расплавлен­ный чугун из ковша 4 заливают через желоб 3, который в процессе заливки чугуна перемещается в направлении, показанном стрелкой, что обеспечивает получение равностенной отливки 5. Для образования раструба трубы использу­ют либо песчаный, либо оболочковый стержень 8. После затвердевания за­литого чугуна трубу извлекают из изложницы. На этих машинах изготов­ляют втулки, кольца и т. п. При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг вертикаль­ной оси (рис. 21, б) расплавленный металл из разливочного ковша 4 зали­вают в литейную форму 2, укреплен­ную на шпинделе 1, который вращается от электродвигателя. Расплавленный металл центробежными силами прижи­мается к боковой стенке изложницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания. После остановки формы отливка 3 извлекается. На этих ма­шинах изготовляют кольца большого диаметра высотой не более 500 мм. На рис. 21, в показана схема процес­са литья сложных тонкостенных рабо­чих колес на машинах с вертикальной осью вращения: 1, 6 - половины кокиля; 2 - стержень, который формирует канал рабочего колеса и его лопасти; 3 - стол машины; 4 - стержень, воспринимающий удар струи заливаемого металла; 5 - шпиндель центробежной машины. Частота вращения изложницы при центробежном литье составляет 150-1200 об/мин. Изложницы перед заливкой нагревают до температуры 150-200° С. Температуру заливки сплавов назначают на 100-150° С вы­ше температуры ликвидуса. Рис. 21 Схемы процессов изготовления отливок цент­робежным литьем Преимущества центробежного ли­тья—получение внутренних полостей трубных заготовок без применения стержней; большая экономия сплава за счет отсутствия литниковой системы; возможность получения двухслойных заготовок, что достигается поочередной заливкой в форму различных сплавов (сталь и чугун, чугун и бронза и т. д.). Выбор рационального способа изготовления отливок Современные требования, предъявля­емые к литым заготовкам деталей машин, характеризуются максималь­ным приближением отливок по форме и размерам к готовым деталям, эко­номией металла, применением прогрес­сивных методов литья. Однако следует иметь в виду, что технические требова­ния, предъявляемые к литым деталям, могут быть обеспечены одинаково надежно различными способами литья. При выборе оптимального способа по­лучения литых деталей следует прово­дить сравнительный анализ возможных вариантов рассматриваемых технологи­ческих процессов литья. В качестве критериев сравнительного анализа спо­собов литья принимают технологичес­кие возможности способов (масса и га­баритные размеры отливок, сложность и требования, предъявляемые к ним, масштаб производства и др.), возмож­ности способов литья в обеспечении равномерной мелкозернистой структу­ры, более высоких механических свойств. Кроме того, необходимо учитывать литейные свойства сплавов. Например, если сплав обладает пониженной жидкотекучестью, то нежелательно приме­нять литье в металлические формы-кокили. В этом случае целесообразно использовать литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и другие способы, применение которых повышает жидкотекучесть сплавов. Ес­ли для изготовления отливок использу­ются сплавы с высокой усадкой, то нежелательно применять литье в ко­киль и под давлением, так как воз­можно образование трещин в отливках из-за низкой податливости форм и из-за сложности установки прибылей. При выборе способа литья необхо­димо учитывать технологичность конст­рукции литой детали применительно к рассматриваемым способам. Так, сложные по конфигурации отливки по­лучают литьем под давлением, по вы­плавляемым моделям или в песчаных формах. Литьем в кокиль получают от­ливки с простой наружной конфигураци­ей, а центробежным литьем изготовля­ют, как правило, отливки типа тел вращения. Наиболее тонкостенные от­ливки получают литьем по выплавля­емым моделям и литьем под давлением, при литье в кокиль стенки отливки должны быть значительно толще, чем при литье в песчаные формы, и. т. д. Если при литье в песчаные формы габаритные размеры и масса отливок практически не ограничены, то специ­альные способы литья применяют для получения мелких и средних по массе отливок. Кроме того, следует выбирать такой способ литья, который обеспечи­вал бы получение отливок с заданной точностью и заданным параметром шереховатости поверхности. Малая ше­роховатость поверхности отливок по­зволяет сохранить литейную корку, ко­торая, как правило, имеет повышенные твердость и износостойкость, снизить себестоимость готовых деталей за счет экономии металла и снижения трудоем­кости при механической обработке. Важными технико-экономическими критериями выбора рационального спо­соба изготовления отливок являются экономия используемых материалов и минимальная себестоимость формо­образования заготовок. Таким образом, выбор рациональ­ного способа изготовления литых за­готовок является многокритериальной задачей, для решения которой целесо­образно использовать ЭВМ. Исполь­зование ЭВМ для выбора способа по­лучения отливок предопределяет нали­чие математической модели и алгорит­ма соответствующего процесса. Исходной информацией для выбора способа изготовления отливки с помо­щью ЭВМ являются чертеж детали и технические требования на нее; ма­териал детали; программа выпуска; па­раметры, по которым осуществляется оптимизация способа получения литой детали, и т. д. Дефекты отливок и их исправление Дефекты отливок по внешним при­знакам подразделяют на наружные (пе­счаные раковины, перекос, недолив и др.); внутренние (раковины усадочные и газовые, трещины горячие и холод­ные и др.). Песчаные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой про­чности формы и стержней, слабого уплотнения формы, недостаточного крепления выступающих частей формы и прочих причин. Перекос – смещение одной части от­ливки относительно другой, возника­ющее в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых частей стерж­ня на модели и в стержневом ящике, неправильной установки стержня в форму и других причин. Недолив – некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низкой температурой заливки, недо­статочной жидкотекучестью, недоста­точным сечением элементов литниковой системы, неправильной конструкцией отливки (например, малая толщина стенки отливки) и др. Усадочные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки с ше­роховатой поверхностью и грубокристаллическим строением. Эти дефекты возникают при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной кон­струкции отливки, неправильной уста­новке прибылей, заливке перегретым металлом. Газовые раковины – открытые или за­крытые пустоты в теле отливки с чи­стой и гладкой поверхностью, которые возникают из-за недостаточной газо­проницаемости формы и стержней, по­вышенной влажности формовочных смесей и стержней, насыщенности рас­плавленного металла газами и др. Трещины горячие и холодные – раз­рывы в теле отливки, возникающие при заливке чрезмерно перегретым ме­таллом, из-за неправильной конструк­ции литниковой системы и прибылей, неправильной конструкции отливки, по­вышенной неравномерной усадки, низ­кой податливости форм и стержней и др. Методы обнаружения дефектов. На­ружные дефекты отливок обнаружива­ются внешним осмотром непосредст­венно после извлечения отливок из формы или после их очистки. Внутренние дефекты отливок выявля­ются радиографическими или ультра­звуковыми методами дефектоскопии. При использовании радиографичес­ких методов (рентгенографии, гаммаграфии) на отливки воздействуют рен­тгеновским или гамма-излучением. С помощью этих методов выявляют наличие дефекта, размеры и глубину его залегания. При ультразвуковом контроле уль­тразвуковая волна, проходящая через стенку отливки, при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной и др.) частично отражается. По интенсивности отражения волны судят о наличии, размерах и глубине залегания дефектов. Трещины в отливках выявляют лю­минесцентным контролем, магнитной или цветной дефектоскопией. Методы исправления дефектов. Не­значительные дефекты в ответственных местах отливок исправляют следующими методами: Заделка дефектов замазками – декоративное исправление мелких поверхностных раковин на от­ливках. Перед заполнением мастикой дефектные места очищают от грязи и обезжиривают. После заполнения ра­ковин мастикой исправленное место заглаживают, подсушивают и затирают пемзой или графитом. Пропитывание составами применяют для устранения пористости отливок. С этой целью их погружают на 8-12 ч в водный раствор хлористого аммония. Проникая в промежутки между кри­сталлами металла, раствор образует оксиды, заполняющие поры отливок. Для устранения течи отливки из цвет­ных сплавов пропитывают бакелито­вым лаком. Газовую и электрическую сварку при­меняют для исправления дефектов на необрабатываемых поверхностях (рако­вины, сквозные отверстия, трещины). Дефекты в чугунных отливках заварива­ют с использованием чугунных элект­родов и присадочных прутков, в сталь­ных отливках – электродами соответст­вующего состава. Чугунные отливки пе­ред заваркой нагревают до температуры 350-600 С, а после заварки их мед­ленно охлаждают до температуры окру­жающей среды. Обработка металлов давлением Под обработкой давлением понимают методы получения изделий путем пластической деформации металлов и сплавов. Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начаться разрушение металла. Однако, создавая наиболее благопри­ятные условия деформирования, в на­стоящее время достигают значитель­ного пластического формоизменения даже у материалов, имеющих в обыч­ных условиях невысокую пластичность. Существенные преимущества обра­ботки металлов давлением по сравне­нию с обработкой резанием – возмож­ность значительного уменьшения от­хода металла, а также повышения производительности труда, поскольку в ре­зультате однократного приложения деформирующей силы можно значите­льно изменить форму и размеры дефор­мируемой заготовки. Кроме того, пла­стическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т. д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преимущества обработки металлов да­влением способству­ют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке. Классификация процессов обработки металлов давлением По назначению процессы обра­ботки металлов давлением группируют следующим образом: для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов); основными раз­новидностями таких процессов являют­ся прокатка, прессование и волочение; для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имеющих прибли­женно формы и размеры готовых де­талей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности за­данного качества; основными разновид­ностями таких процессов являются ков­ка и штамповка. Основными схемами деформирования объемной заготовки можно считать сжатие между плоскостями инструмен­та, ротационное обжатие вращающими­ся валками, затекание металла в по­лость инструмента, выдавливание ме­талла из полости инструмента и во­лочение, при котором в качестве заготовки может быть использован только пруток. Процессы деформирования листовой заготовки – операции листовой штам­повки, объединяются в две группы: разделительные операции (отрезка, вы­рубка, пробивка, надрезка) и формоизменяющие (гибка, вытяжка, формовка и др.). Сжатие между плоскостями инст­румента – осадка, характеризуется сво­бодным пластическим течением метал­ла между поверхностями инструмента (рис. 22, а). Отношение высоты заготовки к ее меньшему поперечному размеру не может быть больше 2,5-3, из-за опасности потери устойчивости и изгиба. Схема свободного течения металла при сжатии между плоскостями инст­румента лежит в основе операций ков­ки: осадки, протяжки, раскатки и др., а также имеет место во многих спо­собах объемной штамповки. Ротационное обжатие вращающимися валками (рис. 22,6) обусловливается силами трения между вращающимся инструментом и заготовкой, благодаря которым последняя перемещается в за­зоре между валками, одновременно де­формируясь. Эта схема лежит в основе прокатки. Рис. 22 Основные схемы деформирования в обработ­ке металлов давлением Затекание металла в полость инст­румента (рис. 22, в) – схема деформи­рования, являющаяся сутью объемной штамповки. Металл заготовки запол­няет полость, называемую ручьем, специального инструмен­та – штампа, приобретая его форму и размеры. Течение металла ограничивается поверхностями полостей. Выдавливание металла (рис. 22, г) че­рез отверстие заданного сечения в мат­рице 1 происходит вследствие его сжа­тия в замкнутой полости, образуемой контейнером 3, матрицей 7 и пуансо­ном 4. при Схема выдавливания харак­терна для таких видов обработки ме­таллов давлением, как прессование, горячая и холодная штамповка. Волочение (рис. 22, д) заключается в протягивании заготовки 2 через сужа­ющееся отверстие в инструменте, на­зываемом волокой 7; площадь попереч­ного сечения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия волоки, а следовательно, длина (из условия постоянства объема при пластической деформации) увели­чивается. В зависимости от температуры пластического деформирования различают холодную и горячую обработку давлением. Основная цель нагрева – повышение пластических свойств для улучшения заполнения рабочего пространства штампа, а также уменьшения износа инструмента. Максимальную температуру нагрева, т. е. температуру начала горячей об­работки давлением, следует назначать такой, чтобы не было пережога (появления хрупкой пленки между зернами металла вследствие окисления их границ) и пе­регрева. В процессе обработки нагре­тый металл обычно остывает, сопри­касаясь с более холодным инструмен­том и окружающей средой. Заканчивать горячую обработку дав­лением следует также при вполне опре­деленной температуре, ниже которой пластичность вследствие упрочнения падает и в изделии возможно образование трещин. Но при высоких температурах заканчивать деформиро­вание нецелесообразно, особенно для сплавов, не имеющих фазовых превра­щений. В этом случае после дефор­мирования зерна успевают вырасти и получается крупнозернистая струк­тура, характеризующаяся низкими механическими свойствами. Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный температурный интервал горячей обработки давлением. С увеличением времени нагре­ва увеличивается окисление поверхности металла, так как при высоких температурах металл активнее химичес­ки взаимодействует с кислородом воз­духа. В результате на поверхности, например, стальной заготовки образу­ется окалина - слой, состоящий из оксидов железа. Кро­ме потерь металла с окалиной, послед­няя, вдавливаясь в поверхность заго­товки при деформировании, вызывает необходимость увеличения припусков на механическую обработку. Окалина увеличивает износ деформирующего ин­струмента, так как ее твердость зна­чительно больше твердости горячего металла. При высоких температурах на повер­хности стальной заготовки интенсивно окисляется не только железо, но и уг­лерод; происходит так называемое обез­углероживание. Толщина обезуглероженного слоя иногда достигает 1,5-2 мм. Для уменьшения окисления заготовки нагревают в нейтральной или восста­новительной атмосфере. Для увеличения производительности применяют индукционный нагрев. При этом способе в специально изготовленный индуктор (из медной трубки) подается ток высокой частоты. Между витками индуктора создается магнитное поле, и на поверхность заготовки наводятся токи Фуко, которые вызывают разогрев поверхности. Количество тепла, выделяемое заготовке: Q=0,24J2Rt. Чем больше сила тока, тем выше скорость разогрева. Виды машиностроительных профилей и их производство Машиностроительные профили – длиномерные изделия (у которого один размер – длина значительно больше поперечных размеров) с определенной формой поперечного сечения. Данные о группе профилей, различающихся фо­рмой и размерами, называют сортамен­том. Весь сортамент машиностроитель­ных профилей, получаемых обработкой давлением, можно разделить на четыре основные группы: сортовые профили, листовой металл, трубы и периодичес­кие профили. Сортовые профили (рис. 23, а) делят на профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, угловой и тавровый профили и т. д.). Листовой металл из стали и цветных металлов используют в различных от­раслях промышленности. В связи с этим листовую сталь, например, делят на автотракторную, трансфор­маторную, кровельную жесть и т. д. Расширяется производство листовой стали с оловянным, цинковым, алю­миниевым и пластмассовым покрыти­ями. Кроме того, листовую сталь делят на толстолистовую (толщиной 4-160 мм) и тонколистовую (толщиной менее 4 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют фольгой. Трубы делят на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы используют в на­иболее ответственных случаях в тру­бопроводах, работающих под внутрен­ним давлением, в агрессивных средах. Периодические профили имеют пе­риодически изменяющиеся форму и площадь поперечного сечения вдоль оси заготовки (рис. 23, б); их приме­няют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как за­готовку под окончательную механи­ческую обработку. Рис. 23 Примеры сортовых и периодических профилей Для изготовления машиностроитель­ных профилей применяют прокатку, прессование, волочение. По­этому кроме группирования по приве­денным геометрическим признакам профили разделяют и по способу их изготовления. Производство прокатанных профилей Прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов. При прокатке ме­талл пластически деформируется вра­щающимися валками. Взаимное рас­положение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различ­ными. Кроме наиболее распространен­ного вида прокатки - продольной (рис. 3.4,6) выделяют еще два ви­да - поперечную и поперечно-винтовую. При поперечной прокатке (рис. 24, а) валки 1, вращаясь в одном направле­нии, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее. При поперечно-винтовой прокатке (рис. 24,б) валки 1 расположены под углом и сообщают заготовке 2 при деформировании вращательное и по­ступательное движение. Рис. 24 Схемы поперечной (а) и поперечно-винтовой (б) прокатки: 1-валки: 2-заготовка; 3-оправка При прокатке бесшовных труб первой операцией является прошивка – об­разование отверстия в слитке или круг­лой заготовке. Эту операцию выпол­няют в горячем состоянии на прошив­ных станах. Наибольшее применение получили прошивные станы с двумя бочкообразными валками, оси которых расположены под небольшим углом (5-15) друг к другу (см. рис. 24, б). Оба валка 1 вращаются в одном на­правлении, т. е. в данном случае ис­пользуется принцип поперечно-винтовой прокатки. Благодаря такому рас­положению валков заготовка 2 получа­ет одновременно вращательное и по­ступательное движение. При этом в металле возникают радиальные рас­тягивающие напряжения, которые вы­зывают течение металла от центра в радиальном направлении, образуя внутреннюю полость, и облегчают про­шивку отверстия оправкой 3, устанав­ливаемой на пути движения заготовки. Последующую прокатку прошитой заготовки в трубу требуемых диаметра и толщины стенки производят на раскатных станах. Например, при наиболее распространенном методе трубу про­катывают на короткой оправке 2 в так называемом автоматическом двухвал­ковом стане (рис. 25). Валки 1 образу­ют последовательно расположенные круглые калибры, зазор между закрепленной на длинном стержне оправкой 2 и ручьями валков определяет тол­щину стенки трубы. Рис. 25 Схема прокатки труб на автома­тическом стане Сварные трубы изготовляют из плос­кой заготовки - ленты (называемой штрипсом) или из листов, ширина которых соответствует длине (или по­ловине длины) окружности трубы. Про­цесс изготовления сварной трубы вклю­чает следующие основные операции: гибку плоской заготовки в трубу, свар­ку кромок, уменьшение (редуцирование) диаметра полученной трубы. При получении труб со спиральным швом лента, разматываемая с рулона, сворачивается по спирали в трубу, а затем сваривается по кромкам. Периодические профили в основном изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На станах попе­речно-винтовой прокатки получают не только периодические профили, но и за­готовки шаров, роликов подшипников качения (рис. 26). Валки 2 и 4 враща­ются в одну сторону. Ручьи валков соответствующей формы сделаны по винтовой линии. Заготовка 7 при про­катке получает вращательное и посту­пательное движение; от вылета из вал­ков она предохраняется центрирующи­ми упорами 3. Рис. 26 Схема прокатки шаров в стане поперечно-винтовой прокатки Производство прессованных профилей При прессовании металл выдавлива­ется из замкнутой полости через от­верстие, соответствующее сечению прессуемого профиля. Этим процессом изготовляют не только сплошные профили, но и полые (рис. 27). В этом случае в заготовке необходимо предварительно получить сквозное отверстие. Часто отверстие прошивают на том же прессе. В процес­се прессования при движении пуансона 1 с пресс-шайбой 5 металл заготовки 2 выдавливается в зазор между мат­рицей 3 и иглой 4. Прессование по рассмотренным схемам называется пря­мым. Значительно реже применяют об­ратное прессование, схема деформиро­вания которого аналогична схеме об­ратного выдавливания (см. рис. 27, а). Рис. 27 Схема прессования полого профи­ля (а) и примеры профилей, полученных прессованием (б) К недостаткам прессования следует отнести большие отходы металла: весь металл не может быть выдавлен из контейнера, и в нем остается так называемый пресс-остаток, который по­сле окончания прессования отрезается от полученного профиля. Масса пресс-остатка может достигать 40% массы исходной заготовки (при прессовании труб большого диаметра). Волочение машиностроительных профилей Волочение труб можно выполнять без оправки (для уменьшения внешнего диаметра) и с оправкой (для уменьше­ния внешнего диаметра и толщины стенки). На рис. 28, а показана схема волочения трубы 7 на короткой удер­живаемой оправке 3. В этом случае профиль полученной трубы определя­ется зазором между волокой 2 и оправ­кой 3. Поскольку тянущая сила, приложен­ная к заготовке, необходима не только для деформирования металла, но и для преодоления сил трения металла об инструмент, эти силы трения стараются уменьшить применением смазки и по­лированием отверстия в волоке. Рис. 28 Схема волочения трубы (а) и при­меры профилей, полученных волочением (б) Получение поковок машиностроительных деталей Виды поковок Поковкой называют заготовку дета­ли, полученную обработкой металлов давлением. Огромное разнообразие ма­шиностроительных деталей и соответ­ственно такое же разнообразие форм и размеров поковок обусловливает существо­вание различных способов изготовления поковок. Поковки могут быть сгруппированы по признакам, определяющим техно­логию их изготовления. Такими призна­ками являются масса, конфигурация, марка сплава и тип производства. Изготовление поковок может осуще­ствляться по схемам свободного пла­стического течения между поверхностя­ми инструмента или затекания металла в полость штампа. Для заполнения полости штампа необходимо давление, значительно превышающее давление при свободном пластическом течении металла. Вследствие этого поковки боль­шой массы затруднительно изготовлять штамповкой. Для тяжелых поковок еди­нственно возможным способом изготовления является ковка — вид горячей обработки металлов давлением, при котором деформирование производят последовательно на отдельных участках заготовки. Металл свободно течет в стороны, не ограниченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого применяют плоские или фигурные бойки, а также раз­личный подкладной инструмент. Таким образом, при ковке используют уни­версальный (годный для изготовления различных поковок) инструмент, в то время как для штамповки требуется специальный инструмент — штамп, из­готовление которого при небольшой партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Поэтому в единичном и мелкосерийном производствах ковка обычно экономически более целесообразна. Чем больше партия одинаковых поковок, тем более специализирован­ным может быть технологический процесс их изготовления, так как применение более сложного, а значит более дорогого, инструмента и специального оборудования экономически оправдано. Рис. 29 Виды машиностроительных поковок Упрощенно поковки можно раз­делить на такие группы: осесимметричные типа дисков и колес (рис. 29, 1, а); втулок и колец (рис. 29, 1, б); осесимметричные типа стаканов и втулок, размер которых вдоль оси больше поперечных (рис. 29, 2); осесимметричные типа ва­лов и осей (рис. 29, 3), длина которых вдоль оси больше поперечных разме­ров; неосесимметричные типа рычагов, вилок, крюков (рис. 29, 4} с меньшим или большим соотношением габарит­ных размеров; к этой многочисленной группе относятся поковки гаечных клю­чей, шатунов, звеньев гусениц тракто­ров, лопаток турбин, крюков грузопо­дъемных механизмов, коленчатых ва­лов и др. Кроме такого разделения поковок по типу деталей при технологических рас­четах по конфигурации поковки делят на группы сложности. Критерием слож­ности поковки может быть отношение объемов поковки и описанной вокруг нее простой геометрической фигуры – призмы или цилиндра. Ковка Процесс ковки состоит из чередова­ния в определенной последовательности основных и вспомогательных операций. Каждая операция определяется харак­тером деформирования и применяемым инструментом. К основным операциям ковки относят­ся осадка, протяжка, прошивка, отруб­ка, гибка. Осадка - операция уменьшения вы­соты заготовки при увеличении пло­щади ее поперечного сечения (см. рис. 30, а). Осаживают заготовки меж­ду бойками или подкладными плитами. Разновидностью осадки является высадка, при которой металл осажи­вают лишь на части длины заготовки. Протяжка - операция удлинения заготовки или ее части за счет умень­шения площади поперечного сечения (рис. 30, а). Рис. 30 Схемы протяжки и ее разновидностей Протяжку производят по­следовательными ударами или нажати­ями на отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с по­дачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90° вокруг этой оси. При слиш­ком малой подаче могут получиться зажимы (рис. 30, б). Прошивка - операция получения полостей в заготовке за счет вытесне­ния металла (рис. 31, а). Прошивкой можно получить сквозное отверстие или углубление (глухая прошивка). Отрубка - операция отделения ча­сти заготовки по незамкнутому контуру путем внедрения в заготовку дефор­мирующего инструмента - топора (рис. 31, г). Гибка - операция придания заго­товке изогнутой формы по заданному контуру (рис. 31,е). Этой операцией получают угольники, скобы, крючки, кронштейны и т. п. Рис. 31 Схемы операции ковки: а—двусторонняя прошивка; б—сквозная прошивка; в—прошивни; г—отрубка; д—топоры; е—гибка ж—штамповка в подкладных штампах Оборудование для ковки выбирают в зависимости от режима ковки дан­ного металла или сплава, массы поков­ки и ее конфигурации. Необходимую мощность оборудования обычно определяют по приближенным формулам или справочным таблицам. Ковку выполняют на ковочных моло­тах и ковочных гидравлических прессах. Молоты — машины динамического, ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысяч­ные доли секунды. Металл деформиру­ется за счет энергии, накопленной по­движными (падающими) частями мо­лота к моменту их соударения с за­готовкой. Поэтому при выборе моло­тов руководствуются массой их падающих частей. - Гидравлические прессы — машины ста­тического действия; продолжительность деформации на них может составлять от единиц до десятков секунд. Металл деформируется приложением силы, со­здаваемой с помощью жидкости (вод­ной эмульсии или минерального масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса. Технологические требования к дета­лям, получаемым из кованых поковок, сводятся главным образом к тому, что поковки должны быть наиболее про­стыми, очерченными цилиндрическими поверхностями и плоскостями (рис. 32, 1-4). В поковках следует избегать конических (рис. 32, 5) и клиновых (рис. 3.22, 6) форм. Необходимо учиты­вать трудности выполнения ковкой участков пересечений цилиндрических по­верхностей между собой (рис. 32, 7) и с призматическими поверхностями (рис. 32, 8). В поковках следует избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т. п., учитывая, что эти элементы в большинстве случаев из­готовить ковкой невозможно. В местах сложной конфигурации приходится при­бегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Кроме того, следу­ет стремиться, чтобы конфигурация детали позволяла получать при ковке наиболее благоприятное расположение волокон. Рис. 32 Правильные и нежелательные формы поковок Горячая объемная штамповка В зависимости от типа штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах. Штамповка в открытых штампах (рис. 33, а) характеризуется перемен­ным зазором между подвижной и непо­движной частями штампа. В этот зазор вытекает часть металла - облой, ко­торый закрывает выход из полости штампа и заставляет остальной металл целиком заполнить всю полость. В ко­нечный момент деформирования в об­лой выжимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет не предъявлять высоких требований к точности заготовок по массе. Облой затем обрезается в специальных штам­пах. Штамповкой в открытых штампах можно получать поковки практически всех типов. Штамповка в закрытых штампах (рис. 33, б, в) характеризуется тем, что полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной ча­стями штампа при этом постоянный и небольшой, так что образование облоя в нем не предусмотрено. Устрой­ство таких штампов зависит от типа машины, на которой штампуют. На­пример, нижняя половина штампа мо­жет иметь полость, а верхняя—выступ (на прессах), или наоборот (на моло­тах). Закрытый штамп может иметь не одну, а две взаимно перпендикуляр­ные плоскости разъема, т. е. состоять из трех частей (рис. 33, в). Рис. 33 Схемы штамповки в открытых и закрытых штампах:1-облойная канавка При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблюдать равен­ство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке металла не запол­няются углы полости штампа, а при избытке размер поковки по высоте будет больше требуемого. Следователь­но, в этом случае процесс получения заготовки усложняется, поскольку от­резка заготовок должна обеспечивать высокую точность. Существенное преимущество штам­повки в закрытых штампах - умень­шение расхода металла, поскольку нет отхода в облой. Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприятную структуру, так как во­локна обтекают контур поковки, а не перерезаются в месте выхода металла в облой. Оборудование для горячей объемной штамповки: молоты, горячештамповочные кривошипные прессы, горизонталь­но-ковочные машины, гидравлические прессы и машины для специализирован­ных процессов штамповки. Общий технологический процесс из­готовления поковок горячей объемной штамповкой состоит обычно из следу­ющих этапов: отрезки проката на мерные заготовки; нагрева; штамповки; обрезки облоя и пробивки пленок; правки; термической обработки; очист­ки поковок от окалины; калибровки; контроля готовых поковок. Холодная объемная штамповка Обычно под холодной штамповкой понимают штамповку без предвари­тельного нагрева заготовки. Для ме­таллов и сплавов, применяемых при штамповке, такой процесс деформиро­вания соответствует условиям холодной деформации. Отсутствие окисленного слоя на заготовках (окалины) при хо­лодной штамповке обеспечивает хоро­шее качество поверхности детали и до­статочно высокую точность размеров. Это уменьшает объем обработки реза­нием или даже исключает ее. Основные разновидности холодной объемной штамповки – холодное выда­вливание, холодная высадка и холодная штамповка в открытом штампе. Получение деталей из листа Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные плоские и про­странственные детали массой от долей грамма и размерами, исчисляемыми долями миллиметра (например, секунд­ная стрелка ручных часов), и детали массой в десятки килограммов и раз­мерами, составляющими несколько ме­тров (облицовка автомобиля, самолета, ракеты). Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то, что тол­щина их стенок незначительно отлича­ется от толщины исходной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой пространственных деталей заго­товка обычно испытывает значитель­ные пластические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъяв­лять к материалу заготовки достаточ­но высокие требования по пластич­ности. В качестве заготовки при листовой штамповке используют полученные прокаткой лист, полосу или ленту, свернутую в рулон. Толщина заготовки при холодной штамповке обычно не более 10 мм и лишь в сравнительно редких случаях - более 20 мм. Детали из заготовок толщиной более 20 мм штампуют с нагревом до ковочных температур (горячая листовая штам­повка. Холодная листовая штамповка полу­чила более широкое применение, чем горячая. Листовую штамповку широко при­меняют в различных отраслях промыш­ленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолето-, ракето- и при­боростроение, электротехническая про­мышленность и др. К преимуществам листовой штам­повки относятся возможность получе­ния деталей минимальной массы при заданных их прочности и жесткости; достаточно высокие точность размеров и качество поверхности, позволяющие до минимума сократить отделочные операции обработки резанием; сравни­тельная простота механизации и авто­матизации процессов штамповки, обес­печивающая высокую производитель­ность (30-40 тыс. деталей в смену с одной машины); хорошая приспособ­ляемость к масштабам производства, при которой листовая штамповка мо­жет быть экономически целесообразной и в массовом, и в мелкосерийном производстве. Операции листовой штамповки Рассмотрим основные разделитель­ные и формоизменяющие операции ли­стовой штамповки. Отрезка - отделение части заготов­ки по незамкнутому контуру на специ­альных машинах - ножницах и в штам­пах. Отрезку чаще применяют как за­готовительную операцию для разделе­ния листа на полосы заданной ширины. При вырубке и пробивке харак­тер деформирования заготовки одина­ков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой оформляют на­ружный контур детали (или заготовки для последующего деформирования), а пробивкой - внутренний контур (из­готовление отверстий). Кроме рассмотренных разделитель­ных операций, в технологии листовой штамповки применяют и другие, такие, как надрезка (частичное отделение ча­сти заготовки по незамкнутому кон­туру, причем разделяемые части не теряют связи между собой) и обрезка (отделение краевой части полого из­делия для обеспечения заданной посто­янной по периметру высоты детали или отделение краевой части плоского фланца для получения заданной формы и размеров). Гибка - операция, изменяющая кривизну заготовки практически без изменения ее линейных размеров (рис. 34, а). Рис. 34 Схема гибки (а) и изделия, получаемые с ее использованием (б):1-нейтральный слой; 2-пуансон; 3-матрица Рис. 35 Схемы первого перехода вытяжки (а), последующей вытяжки (б), вытяжки с утонением стенки (в): 1-заготовка; 2-изделие; 3-прижим; 4-пуансон; 5-матрица: 6-изделие со складками, образу­ющимися при вытяжке без прижима Вытяжка без утонения стенки превращает плоскую заготовку в полое пространственное изделие при умень­шении периметра вытягиваемой заго­товки. Для предотвращения появления скла­док применяют прижим 3, с определен­ной силой прижимающий фланец за­готовки к плоскости матрицы. Отбортовка – получение бортов (горловин) путем вдавливания цен­тральной части заготовки с предвари­тельно пробитым отверстием в матри­цу (рис. 35, а). Обжим – операция, при которой уменьшается диаметр краевой части полой заготовки в результате заталкивания ее в сужающуюся полость матрицы (рис. 35, 6). Формовка – операция, при кото­рой изменяется форма заготовки в ре­зультате растяжения отдельных ее уча­стков. Толщина заготовки в этих участ­ках уменьшается. Формовкой получают местные выступы на заготовке, ребра жесткости и т. п. Часто вместо метал­лического пуансона или матрицы при­меняют резиновую подушку (рис. 35, в). С помощью резинового вкладыша (или жидкости) можно уве­личить размеры средней части полой заготовки . При этом ре­зина или жидкость легко удаляются из штампованной детали, а матрица должна быть разъемной. Рис.36 Схемы формоизменяющих операции: а – отбортовка, б – обжим, в - формовка ребер жесткости, г - формовка с раздачей: 1 – изделие, 2 – заготовка, 3 – пуансон, 4 – матрица, 5 - резиновый пуансон При разработке технологического процесса изготовления деталей следует стремиться к умень­шению потерь металла в процессе ли­стовой штамповки. Основной отход при листовой штамповке составляет так называемая высечка, т. е. часть листовой заготовки после ее вырубки. Форма и размеры вырубаемой заготов­ки определяются формой и размерами детали, а также применяемыми в про­цессе штамповки формоизменяющими операциями. При штамповке мало- и среднегабаритных деталей обычно из одной ли­стовой заготовки вырубают несколько плоских заготовок для штамповки. Между смежными контурами вырубаемых заготовок оставляют перемычки шириной, примерно равной толщине заготовки, хотя в отдельных случаях смежные заготовки вырубают без пе­ремычек (экономия металла при ухудшении качества среза и снижении стойкости инструмента). Расположение контуров смежных вырубаемых заго­товок на листовом металле называется раскроем. Тип раскроя следует вы­бирать из условия уменьшения отхода металла в высечку (рис. 37). Рис. 37 Примеры раскроя материала с пе­ремычками (а) и без перемычек (б):1 — перемычка Выбор способа получения поковок из различных сплавов Конструктивно-технологическими признаками детали, определяющими технологию изготовления обработкой давлением являются ее форма, масса, габариты, марка материала и тип про­изводства. Масса и габариты детали определяют прежде всего температурный режим обработки давлением. С их увеличени­ем преобладающим становится горячее деформирование, при котором обеспе­чивается меньшее давление на инст­румент и меньшая сила, необходимая для деформирования. Поковки диамет­ром более 150-200 мм получают, как правило, горячим деформированием. Свойствами материала, определя­ющими выбор способа обработки дав­лением, являются его технологическая пластичность и сопротивление дефор­мированию. Технологическая пластич­ность особенно строго регламен­тируется в условиях применения холод­ной обработки давлением. Тип производства может оказывать решающее влияние на выбор способа получения поковок, так как в условиях крупносерийного и массового произ­водства рентабельны способы дефор­мирования с использованием специаль­ной технологической оснастки. С умень­шением количества одинаковых деталей может окупаться более простая и де­шевая оснастка. В мелкосерийном и единичном производстве применяют ковку с использованием универсального инструмента. При этом поковка имеет припуски и напуски большие, чем при штамповке. На основе анализа формы детали, ее массы, свойств материала и типа производства могут быть предварите­льно выбраны способы производства. На следующем этапе необходима про­верка по условиям деформации без разрушения. Для этого можно исполь­зовать теоретический анализ, модели­рование процесса деформирования на ЭВМ, сравнение количественных пара­метров деформации с экспериментально найденными предельными значениями. На третьем этапе проводят конструк­торскую проработку изделия для улуч­шения его технологичности. Технология сварочного производства Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений деталей в узлах и конструкциях. Сварка также применяется при выполнении наплавочных работ. Виды сварных соединений: 1. стыковое 2. нахлест 3. угловое 4. тавровое 5. торцевое Электродуговая сварка При этом виде сварки источником тепла является электрическая дуга, создаваемая между электродом и материалом согреваемых изделий. Температура в зоне горения трубы  3000С. Для выполнения этого вида сварки необходимо иметь: • источник питания (трансформатор); • токоподводящие провода; • держатель электрода; • электроды, сварочные материалы; • защита; • аттестованный работник для выполнения сварки. Схема дуговой сварки (см. рис. 38): Рис. 38 Схема дуговой сварки: 1 – электрод, 2 – жидкий металл (стык), 3 – дуга, 4 – свариваемые части детали Кромка деталей и конец электрода разогреваются мощным источником тепла – дугой. Дуговая сварка универсальна, толщина свариваемых деталей 2 – 200 мм и более. Основными технологическими параметрами процесса сварки являются: • диаметр электрода, мм • марка электрода • сварочный ток. Размер электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемых материалов. D, мм 1-2 3 4 5 , мм <2 2-3 4-12 >12 I св = К * D, Где К – коэффициент: • от 30 до 40, если из легированной стали • от 30 до 60, если из углеродистой стали D – диаметр электрода, мм. Классификация и маркировка электродов: Электроды изготавливаются из сталей 77 наименований диаметром 0,3 до 12 мм 1. по химическому составу: • из углеродистой стали Св. – 08 Св. – 10 Св. - для изготовления электрода была использована проволока. Отличительная особенность ее состоит в пониженном содержании S и P и повышенная чистота по неметаллическим включением; 08, 10 – содержание углерода в сотых долях процента. • из легированной стали Св. – 15ХМ 15ХМ - углерода 0,15%; хром 1%; молибден 1%. из высоколегированной стали, т.е л.э.  10% Св. – 12Х18Н10Т ЭН – 65ХН3 – 33 ЭН – электрод для наплавки; 65ХН3 – марка материала; 33 - твердость, которая будет HRC33 получена после наплавки. 2. по свойствам Э – 42; Э – 150; Э – 42А Э – электрод Цифра означает, что после сварки предел прочности на растяжение будет больше показателя: в 42, в 150. После цифры нет буквы – ударная вязкость сварного шва больше 8, ан 8 Буква А – ударная вязкость больше 15, ан 15 3. по структуре По указанному признаку классификация электродов проведена с учетом получения структуры сварного шва при охлаждении на воздухе. Э – Ф (феррит) электроды для сварки сталей ферритного класса Э – А электроды предназначены для сварки сталей аустенитного класса Э – М электроды для сварки сталей мартенситного класса. Этот тип электродов применяют для сварки изделий в упрочненном состоянии. На всех электродах на поверхности имеется покрытие, в состав которого входят: природные материалы (мрамор, тальк), раскислители (Fe-Si, Fe-Mn), а также ферро-материалы других химических элементов (Fe-Ti, Fe-Cr). Его назначение: 1) защитные свойства: - предохранение жидкого расплава от загрязнения и поступления влаги из атмосферы; 2) рафинирующее действие - очистка сварочной зоны от окислов и других загрязнений сварочной зоны; 3) раскисление и легирование. Наиболее широко применяемые виды покрытий: УОНИ, ЦЦ Газовая сварка Кромки металла нагреваются выходящим из горелки пламенем, получаемым при сгорании горючего газа в смеси с кислородом. Для формирования шва применяют присадочную проволоку. Тепловая мощность пламени невелика, поэтому газовую сварку применяют для сваривания деталей из цветных металлов и сплавов. Также применяется газовая резка. • горючие газы (ацетилен С2Н2) • инжекторная горелка СаС2 + Н2О  С2Н2 + Са (ОН)2 1кг 200 л Для выполнения газовой сварки горючие газы транспортируются в специальных баллонах: С2Н2 – 16 ат., О2 – 150 ат. Рис. 39. Зоны горения пламени: 1 – зона воспламенения T1000C, 2 - сварочная зона T3000C, 3 - зона догорания T2000C Электро-контактная сварка При прохождении тока большой силы через заранее сжатые детали в месте контакта между ними выделяется теплота. Под ее воздействием металл нагревается до пластического состояния или плавления и после охлаждения обращается соединительный элемент. Рис. 40. Схема электро-контактной сварки: 1,2 – свариваемые заготовки, 3 – электроконтакты, 4 – токоподводящие провода, 5 – источник питания Rобщ = 2Rк + 2R3 + Rс; Rc >> 2Rк + 2R3, где Rc - сопротивление по стыку заготовок. Процесс сварки произойдет в том месте заготовки, в котором будет выделено максимальное количество тепла (Q= 0,24 I2RT) I-const, R – сопротивление, Т – время Виды брака при сварке 1. подрезы Причина: нарушение технологии сварки по подбору сварочного тока. 2. непровары Причина: 1)неправильно выбранный зазор между материалами; 2) низкий сварочный ток 3. трещины: • горячие, образуются в момент перехода материала из жидкого в твердое состояние, т.е. в процессе кристаллизации, а также в результате быстрого охлаждения сварного шва до T700C. • холодные, образуются при Т<700C вследствие высокого напряженного состояния сварочной зоны. 4. газовые поры Причина: 1) сварка во влажной атмосфере; 2) использование электродов с высокой влажностью покрытия; 3) высокая температура расплава, что вызывает повышенную растворимость газов из атмосферы. 5. неметаллические включения (оксиды, сульфиды, нитриды) Причина: 1) плохая подготовка кромок соединяемых заготовок; 2) нарушение технологии сварки по подбору тока и времени 6. межкристаллитная коррозия Этот вид брака наблюдается только при сварке нержавеющих марок стали. Его можно устранить путем нагрева сварного изделия до Т1000-1100C, при которой происходит распад Cr23C7, после чего выполняют охлаждение в воде. Для предупреждения этого вида брака необходимо применять стали, которые дополнительно легированы Ti и Ni или использовать сталь с низким содержанием углерода. 7. отбел Данный вид брака наблюдается только при сварке изделий из чугуна. Он характеризуется наличием твердой и прочной зоны в сварном соединении, структура сварного шва соответствует структуре белого чугуна, который имеет высокую твердость и износостойкость. Этот вид брака устраняется путем уменьшения скорости охлаждения сварного шва или путем высокотемпературной химической обработкой. Контроль сварных соединений Цель – выявление недопустимых дефектов сварных соединений, а также оценка комплекса физико-механических свойств сварного шва. При подборе технологии сварки в обязательном порядке на первом этапе выполняются контрольные сварные соединения. Из данных соединений изготавливают стандартные образцы для различных видов испытания, а именно не менее двух образцов на растяжение, двух на изгиб, трех на ударную вязкость. При исследовании свойств таких соединений рабочая зона образца должна включать зону сварки, а в случае исследования сварных швов из нержавеющих марок стали рабочая зона должна включать и зону термического влияния (для выявления межкристаллитной коррозии). Все методы контроля можно разделить на 2 группы: 1) разрушающие 2) неразрушающие Разрушающие методы: (металлографические исследования, испытания на механические свойства, испытание на межкристаллитную коррозию) а) для проведения металлографических исследований от изделия проводят отбор образца, причем в обязательном порядке он должен включать сварной шов и зону термического влияния. Для проведения исследований подготавливают микрошлиф. Приготовленный микрошлиф рассматривают под микроскопом при увеличении 100 или 400 раз. При этих исследованиях определяют: 1) микроструктуру 2) степень загрязнения (сульфиды, нитриды, окислы) 3) наличие трещин 4) размер зерна. б) испытания на механические свойства Основные показатели, определяемые при этом виде испытаний: прочность, пластичность и ударная вязкость. Из контрольных сварных соединений или из сварных изделий изготавливают стандартные образцы для испытания на растяжение, на изгиб и на ударную вязкость. Эти образцы в рабочей части должны иметь зону сварного шва, а для нержавеющих марок стали и зону термического влияния. Количество образцов для испытания должно быть: по 2 – на растяжение и изгиб, и 3 на ударную вязкость. При несоответствии НТД хотя бы по одному из показателей испытание проводится повторно. Если при повторных испытаниях получили отрицательный результат – вся партия сварных изделий забраковывается. в) испытание на межкристаллитную коррозию Для проведения испытания от стали производится отбор контрольного образца, который нагревается до Т=1100С, затем охлаждается в воде, а потом подвергается нагреву и выдержке при Т=650С. После чего приготавливается микрошлиф и проводится просмотр под микроскопом на наличие МКК. Неразрушающие методы контроля: Визуальный и измерительный - этот метод является первоочередным при оценке качества сварного шва. Для проведения визуального контроля зона сварного шва и прилегающего участка на расстоянии не менее 20 мм подвергается зачистке. Контроль проводится с двух противоположных сторон сварного шва. При невозможности контроля с внутренней стороны оценка качества ведется другим методом. Визуальным контролем выявляются поверхностные дефекты, а путем измерительного контроля оценивают смещение кромок соединяемых материалов, а также толщину стенок в месте наличия подрезов и кратеров. Контроль стилоскопированием – определяют наличие, а также количество легирующих элементов в сварном шве и свариваемых материалов. Этот вид контроля также применяют для контроля свариваемых материалов на наличие легирующих элементов. Контроль твердости – подвергают сварные швы, выполненные электродами из легированных сталей, а также изделий в упрочненном состоянии, подвергаемых сварке. Ультразвуковой контроль – предназначен для выявления внутренних дефектов (трещины, поры, неметаллические включения), а также для определения толщины изделия. Все сварные швы должны быть проконтролированы на наличие недопустимых дефектов. Радиографический – предназначен для обнаружения внутренних дефектов. Гидравлические методы контроля – этот контроль проводится с применением жидких сред при строго определенном давлении (Рпроб=1,5 Ррасч) Пайка металлов и сплавов Пайка – это процесс соединения материалов за счет введения в зазор между ними материала, называемого припоем. Температура плавления припоя ниже температуры плавления соединяемых материалов. Прочность спаемных соединений меньше сварных. Припои: - высокотемпературные (твердые); Тпл  500 С; В  7 кг/мм2 до 35 кг/мм2 (медь, медь с цинком, золото, серебро) - низкотемпературные (мягкие); Тпл < 500 С; В  3 кг/мм2 до 5 кг/мм2 (олово) Для получения качественного паяного соединения поверхность соединяемых материалов должна быть тщательно очищена от загрязнения и окисных пленок. Эту функцию выполняют флюсы, температура плавления которых ниже температуры плавления припоя. Флюсы: бура, борная кислота, канифоль. Обработка металлов резанием Задачи: 1) Обеспечение чистоты обрабатываемой поверхности требованиям нормативно-технической документации (ГОСТ, ОСТ, ТУ); 2) придание деталям необходимой конфигурации и получение размеров по требованиям технологической документации. Способы обработки металлов резанием: точение; фрезерование; сверление; протягивание; долбление; финишная обработка. Каждый вид механической обработки выполняется на специализированном оборудовании, условная нумерация которого указывает на вид обработки: «1» - токарная обработка 16К20 «2» - сверление 2М112 «3» - обдирка, заточка 3Б634 «7» - для фрезерной обработки 7Г71 Основные технологические параметры процесса точения 1) Скорость резания - скорость перемещения режущего лезвия инструмента относительно обрабатываемой поверхности. D – диаметр обрабатываемой заготовки; n – скорость вращения заготовки. 2) Подача S (мм) – величина перемещения режущего лезвия инструмента за 1 оборот заготовки. 3) Глубина резания t (мм) – расстояние между обработанной и необработанной поверхностями. Рис. 41. Технологические параметры резания При обработке материалов возможно образование различных видов стружки. При токарной обработке вязких материалов образуется сливная стружка. При обработке хрупких материалов, а также при обработке стальных заготовок, прошедших предварительно специальную термическую обработку, образуется стружка надлома или стружка скалывания. Такая стружка хорошо удаляется из зоны резания, и заготовки могут обрабатываться на автоматических линиях. При механической обработке металлических заготовок в процессе резания выделяется большое количество теплоты: , где Р – усилие резания, V – скорость резания. Основными зонами выделения тепла при резании являются зоны контакта инструмента с материалом заготовки (см. рис. 42): Рис. 42. Зоны выделения теплоты: 1 – зона контакта режущего лезвия инструмента с материалом заготовки, 2 – зона контакта задней поверхности инструмента с обработанной поверхностью, 3 – зона контакта передней поверхности инструмента с удаляемой стружкой. Повышенное выделение теплоты отрицательно влияет на свойства инструмента и обработанные изделия. Инструмент снижает свою твердость и тем самым снижается его стойкость. Поверхность детали подвергается деформационному упрочнению, т.е. наклепу. Для уменьшения теплоты в процессе резания при механической обработке применяют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Задачи, решаемые СОЖ: охлаждающее действие смазывающее действие удаление стружки из зоны резания В зависимости от решаемой задачи в производстве используют различные СОЖ. На черновых операциях механической обработки, основная задача которых – максимальный съем металла, должна применяться СОЖ на водной основе, которая обеспечит максимальный отвод тепла. На чистовых операциях, а также в случае небольшой глубины резания и для обеспечения требуемой чистоты поверхности необходимо использовать СОЖ на масляной основе. В крупносерийном и массовом производстве применят унифицированные СОЖ на основе водорастворенных полимеров, которые обладают не только высокой охлаждающей способностью, но и за счет полимера обеспечивают снижение коэффициента трения. Специальные методы обработки Эти методы основаны на использовании электрической, световой, химической и других видах энергии. Преимущества этих видов обработки перед традиционными: 1) возможность обработки твердых и свертвердых материалов; 2) отсутствие силового воздействия на обрабатываемую заготовку. Физико-химические и электро-физические методы обработки: ◦ электроискровая и электроимпульсная ◦ анодномеханическая ◦ ультразвуковая ◦ лазерная ◦ обработка электронным лучом ◦ электрохимическая обработка: ◦ травление ◦ полирование ◦ размерная обработка Электроискровая и электроимпульсная обработка. Способ основан на разрушении металла под действием электроимпульсных разрядов. Деталь –анод, а электрод – катод. Разряд происходит при строго определенном расстоянии между анодом и катодом. При подаче электричества конденсатор накапливает заряд. В момент разряда с поверхности изделия происходит отрыв частичек материала. Масса и размеры снимаемого материала зависят от силы импульсного разряда. Нужно чтобы мощность разряда была постоянной. Это достигается за счет автоматического регулирования – постоянное поддержание расстояния между электродом и поверхностью изделия. Электроискровая обработка связана с конкретной мощностью разряда. При этом мощность разряда выше, а количество или частота – меньше. Это достигается за счет увеличения расстояния между электродом и поверхностью детали. Ультразвуковая обработка материалов основана на разрушении обрабатываемого материала под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источник энергии служат ультразвуковые генераторы тока с частотой 16-30 МГц. Инструмент получает колебания от ультразвукового преобразователя. Для увеличения амплитуды колебаний на сердечник преобразователя закрепляют резонансный волновод переменного поперечного сечения, что увеличивает амплитуду колебаний. На волноводе закрепляют рабочий инструмент – пуансон. Под пуансон устанавливают заготовку и под давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного материала. Электрохимические методы обработки основаны на законах анодного растворения при электролизе. Производительность процессов в основном зависит от электрохимических свойств электролита, обрабатываемого материала и плотности тока. Электрохимическое полирование: выполняют в ванне, заполненной электролитом. В зависимости от обрабатываемого материала, электролитом служат растворы кислот и щелочей. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, электродом-катодом служит металлическая пластина из свинца, меди, стали. Для большей интенсивности процесса электролит подогревают до t=40-80 С. Электрополирование улучшает электрофизические характеристики деталей, т.к. уменьшается глубина микротрещин, поверхностный слой обрабатываемых деталей не деформируется, исключаются упрочнения и термические изменения структуры, повышается коррозионная стойкость. Электрополирование позволяет одновременно обрабатывать партию заготовок по всей поверхности. Этим методом получают поверхности деталей под гальваническое покрытие, доводят рабочие поверхности режущего инструмента, изготовляют тонкую ленту и фольгу. Электрохимическую размерную обработку выполняют в струе электролита, прокачиваемого под давлением через межэлектродный промежуток, который образуется обрабатываемой заготовкой-анодом и инструментом-катодом. Для размерной электрохимической обработки используют нейтральные электролиты. Наиболее широко применяют растворы солей: NaCl, NaNO3, NaSO4. Точность обработки значительно повышается при уменьшении азота между заготовкой и инструментом. Для контроля азота в станках электрохимической обработки используют высококачественные элементы. Контрольная работа "Разработка технологического процесса формообразования за­готовок пластическим деформированием". В настоящей работе перед студентами ставится задача ос­воения методики проектирования технологического процесса получения заготовки одной из типовых деталей машинострои­тельного назначения пластическим деформированием. Выбор решения необходимо осуществлять по результатом техническо­го обоснования процесса с привлечением данных экономическо­го анализа конкурирующих вариантов. 1. Исходные данные для разработки техноло­гического процесса. Для разработки технологического процесса обработки пла­стическим деформированием необходимо иметь следующие ис­ходные данные: 1) чертеж готовой детали; 2) программу выпуска изделий; 3) для деталей ответственного назначения - требования по макро - и микроструктуре (ориентация волокна, величи­на уковки и степень карбидной неоднородности). 2. Основные этапы разработки технологического процесса Разработка технологического процесса изготовления заго­товок машиностроительных деталей пластическим деформиро­ванием предусматривает решение вопросов проектирование и расчёта в определённой последовательности: • выбор способа изготовления поковки; • выбор типа оборудования для изготовления поковки; - разработка чертежа поковки с определением размеров, припусков и допусков; • расчёт массы заготовки и определение коэффициента использования металла; • выбор способа нагрева и температурного интервала формообразования пластическим деформированием; • расчёт мощности оборудования; • разработка и проектирование формообразующих операций процесса, расчет числа переходов формообразования; • разработка эскизного варианта формообразующего инструмента; - выбор режима охлаждения, термообработки и очистки поковок; 2.1. Выбор способа изготовления поковки В зависимости от формы, размеров, массы деталей и программы их выпуска для изготовления поковок могут быть использованы: • Свободная ковка и ковка в подкладных штампах при программе до сотен штук в месяц или для крупногабаритных поковок; • различные методы штамповки при мелкосерийном, серийном и массовом производствах (при программе не менее тысячи поковок в месяц; если планировать запуск 1 раз в квартал месячная программа может быть значительно меньше); • прокатка, вальцовка и др. высокопроизводительные методы при программах от сотен тысяч поковок в месяц и выше. Выбор способа изготовления поковки во многом зависит также и от вида используемого материала и требований точности изготовления поковок. 2.2. Выбор типа оборудования Для свободной ковки и ковки в подкладных штампах могут быть использованы пневматические и паровоздушные молоты, а также гидравлические ковочные прессы. Первые применяются для изготовления мелких поковок, вторые - при весе поковок более Зт. При этом пневматические молоты используется для ковки поковок массой до нескольких десятков килограмм, а паровоздушные – для более массивных. Для горячей штамповки могут быть использованы штамповочные молоты, кривошипные горячёштамповочные прессы, горизонтально - ковочные машины, фрикционные прессы и молоты. В настоящее время в практике кузнечно-штамповочного производства широко применяются машины специального и узкого назначения, такие же, как ковочные вальцы, раскатные станы, электровысадочные машины и т.п. Выбор машины производится исходя из технологических возможностей различных типов оборудования, их производительности и др. характеристик. 2.3. Разработка чертежа поковки, заготовки Чертёж поковки выполняется согласно чертежа готовой детали. Разработка чертежа сводится к назначению припусков, напусков и допусков. Размерные допуски - это отклонение от номинальных размеров поковки, обусловленные точностью выполнения кузнечных операций, дозировки металлозаготовки, изготовления и износом штампов, колебаниями температурной усадки в процессе охлаждения поковки и др. Если допуски на размеры поковки, шероховатость её поверхностей, качества поверхностного слоя удовлетворяют требованием, предъявленным к готовым деталям, то эти поверхности поковок в дальнейшем не подвергаются механической обработке. В противном случае предусматривается припуск на механическую обработку. Под припуском понимают толщину слоя, предназначенного для снятия при последующей механической обработке. Величина припусков и допусков определяется по таблицам государственных стандартов: ГОСТ 7062-69 - для поковок, изготовленных свободной ковкой на прессах; ГОСТ 7829-70 - для поковок, изготовленных свободной ковкой на молотах; ГОСТ 7505-89 - для поковок, изготовленных объемной горячей штамповкой. По результатам расчетов и справочным данным разрабатывается чертеж поковки, проставляются размеры и записываются технические требования к поковке. В технических требованиях оговариваются допустимая величина поверхностных дефектов (окалина, зажим, раковины и др.), допустимы смещения одной части поковки относительно другой, коробление, эксцентриситет отверстий при прошивке и др. 2.4. Расчет массы и размеров заготовки и определение коэффициента использования металла Масса заготовки под горячую объемную штамповку и ковку складывается из массы поковки, массы угара и массы обсечки. Если поковку получают из слитков, то дополнительно следует учесть массу прибыльной и донной частей слитка. Gзаг = Gпок + Gуг + Gобс + Gприб + Gg, где Gзаг – масса заготовки; Gпок – масса поковки; Gуг – масса угара; Gобс – масса обсечки; Gприб – масса прибыльной части слитка; Gg – масса донной части; Масса поковки определяется по известному объему V и удельной массе  материала (для углеродистых сталей  = 7850 кг/м3). Масса угара рассчитывается в процентах от массы поковки зависит от способа нагрева: при пламенном нагреве 5…7% при скоростном пламенном нагреве 3…5% при нагреве в электроустановках 1…3% В массу обсечки входят масса облоя при штамповке и масса отходов при прошивке и рубке. Площадь поперечного сечения заготовки определяют в зависимости от типа поковки и способа формообразования. Размер расчетного поперечного сечения округляют до ближайшего большого стандартного, приведенного в таблице 1. Таблица №1 Ряд стандартных размеров диаметра и длин проката: Концевые длины проката, мм Стандартные диаметры проката, D, мм 5;8;10;12;13;14;15;16;17;18;19;20;21;22;23;24;25;26;27;28;29;30;31;32;33; 34;35;36;37;38;39;40;41;42;43;44;45;46;47;48;50;52;53;54;55;56;58;60;62; 63;65;67;68;70;72;75;78;80;82;85;90;95;100;105;110;115; 120;125;130;135; 140;150;160;170;180;190;200;220;230;240;250. Зная массу заготовки и ее диаметр, подсчитывают длину заготовки: Далее выполняют эскиз заготовки и проставляют размеры. Теперь можно определить коэффициент использования материала: где Gдет – масса детали; Gрасх – норма расхода металла. где Gзаг – масса заготовки; m – коэффициент перерасхода металла при рубке проката; LT – торговая длина штанги (см. табл. 1); LK – средняя длина концевого отхода при рубке. Для коротких заготовок (L<200 мм) LK = 0,5L. При ковке крупных поковок из проката концевые отходы, как правило, используются для ковки более мелких, поэтому: 2.6. Выбор способа нагрева и температурного интервала формообразования пластическим деформированием При индивидуальном и мелкосерийном производствах, а также для нагрева заготовок больших габаритов используются каменные печи, работающие на жидком и газообразном топливе. В массовом производстве применяются нагревательные устройства с непрерывной загрузкой и выгрузкой заготовок, так называемые установки проходного типа. К ним относится методические печи, электроиндукционные и электроконтактные нагреватели и др. Температура нагрева заготовок перед обработкой пластическим деформированием определяется видом материала, размерами заготовки, способом и продолжительностью деформирования. С повышением температуры нагрева снижается сопротивление деформированию, повышается, как правило, пластичность. Максимальная температура нагрева ограничивается явлениями порчи металла (перегрев, пережег). Для углеродистых сталей максимальная температура заготовки должна быть на 100…200оС ниже линии солидуса АHJE на диаграмме Fe-Fe3С. Важное значение имеет температура окончания пластического деформирования, от которой зависят не только пластичность и сопротивление деформации, но и свойства готовых поковок. Нижняя граница температурного интервала обработки пластическим деформированием для углеродистых сталей близка к прямой и расположена для малоуглеродистых сталей () в районе 750оС, а для высокоуглеродистых сталей(>0,6%С) – около 900оС. Для выбора температурного интервала пластического деформирования заданной марки стали, следует пользоваться диаграммой состояния Fe-Fe3C. 2.7. Расчет мощности оборудования Осуществляется по известным расчетным формулам. После расчетов и выбора оборудования необходимо сравнить размеры штампового пространства оборудования с размерами заготовки и поковки. Если размеры поковки или заготовки не согласуются с размерами рабочего пространства машины, необходимо перейти к следующему типоразмеру оборудования. 2.8. Выбор режимов охлаждения, термообработки и очистки поковок Режим охлаждения, способ термообработки и очистки поковок выбирают в соответствии с материалом и требуемым уровнем механических свойств поковок. Пример расчета (назначения) допусков и допускаемых отклонений и припусков на поковки Шестерня привода (рис. 1). Штамповочное оборудование - горячештамповочный автомат. Нагрев заготовок - индукционный. 1. Исходные данные по детали 1.1. Материал - сталь 30ХМА (по ГОСТ 4543): 0,17-0,37% Si; 0.26-0,33% С; 0,4-0,7% Мn; 0,8-1,1% Сr; 0,15-0,25% Mo. 1.2. Масса детали - 0,390 кг. Рис. 1. Чертеж детали 2. Исходные данные для расчета 2.1. Масса поковки (расчетная) - 0,620 кг: расчетный коэффициент Kp (cм. приложение 3 ГОСТ 7505-89) - 1,6; 0,390х1,6=0,620 кг. 2.2. Класс точности - ТЗ (см. приложение 1 ГОСТ 7505-89). 2.3. Группа стили - Ml (см. табл. 1 ГОСТ 7505-89). Средняя массовая доля углерода в стали 30ХМА 0,3% С, а суммарная массовая доля легирующих элементов - 1,9% (0,27% Si; 0,46% Мn; 0,96% Сr; 0,25% Мо). 2.4. Степень сложности - C1 (cм. приложение 2 ГОСТ 7505-89). Размеры описывающей поковку фигуры (цилиндр), мм: диаметр - 63 (60х1,05); длина - 32,5 (31х1,05) (где 1,05 - коэффициент). Масса описывающей фигуры (расчетная) - 0,780 кг; 2.5. Конфигурация поверхности ренина штампа П (плоская) - (см. табл. 1 ГОСТ 7505-89). 2.6. Исходный индекс - 6 (см. табл. 2 ГОСТ 7505-89). 3. Припуски и кузнечные напуски 3.1. Основные припуски на размеры (см. табл. 3 ГОСТ 7505-89), мм: 1,0 - диаметр 60 мм и чистота поверхности 6,3; 1,0 - диаметр ступицы 34 мм и чистота поверхности 0,8; 1,0 - толщина 31 мм и чистота поверхности 6,3; 1,1 - толщина 31 мм и чистота поверхности 0,8; 0,9 - толщина 21 мм и чистота поверхности 6,3. 3.2. Дополнительный припуск, учитывающий отклонение от плоскостности - 0.2 мм (см. табл. 14 ГОСТ 7505-89). 4. Размеры поковки и их допускаемые отклоне­ния (см. рис. 2) 4.1. Размеры поковки, мм: диаметр 60+1.0х2=62 диаметр 34 + 1.0х2=36 толщина 21 + (0,9+0,2)х2=23,2 толщина 31 + 1,0+1,1+0,2х2=33,5 принимается 62; » 36; » 23; принимается 33,5 4.2. Радиус закругления наружных углов - 2,0 мм (минимальный) прини­мается 3,0 мм (см. табл. 7 ГОСТ 7505-89). 4.3. Допускаемые отклонения размеров (см. табл. 8 ГОСТ 7505-89), мм: диаметр ; диаметр ступицы ; толщина ; » . 4.4. Неуказанные предельные отклонения размеров - по п. 5.5 ГОСТ 7505-89. 4.5. Неуказанные допуски радиусов закругления - по п. 5.23 ГОСТ 7505-89. 4.6. Допускаемая высота торцового заусенца - 3,0мм (см. табл, 11 ГОСТ 7505-89). 4.7. Допускаемое отклонение от плоскостности - 0,5 мм (см. табл. 13 ГОСТ 7505-89). Рис. 2. Чертеж поковки Варианты контрольной работы Вариант 1 Вариант 2 Материал 25ХГТ Вариант 3 Вариант 4 Материал: Сталь 20 Вариант 5 SHAPE \* MERGEFORMAT Материал: 40Х Вариант 6 Вариант 7 Вариант 8 Вариант 9 Вариант 10 Вариант 11 Вариант 12 Вариант 13 Вариант 14 Вариант 16 Вариант 17 Вариант 19 Литература 1. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных спецальностей ВУЗов. / А.М.Дальский, И.А.Артюхов, Т.М.Барсуков и др.; под общей редакцией А.М.Дальского. – 2 изд., перераб. и доп. – М.: «Машиностроение», 1985. – 448 с., ил. 2. Технология металлов. Б.В.Кнорозов, Л.Ф.Усов, А.В.Третьяков и др.; - М.: «Металлургия», 1979. – 904 с., ил. 3. Брюханов А.Н. Ковка и объемная штамповка. – М.: «Машиностроение», 1975. – 282 с., ил. 4. Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски / ГОСТ 7505-89 – М.: Государственный комитет по управлению качеством продукции и стандартам, 1990. Содержание Введение 3 Классификация материалов 4 Кристаллическое строение металлов 5 Свойства металлов и сплавов 5 Основы металлургического производства 5 Производство чугуна 5 Процесс выплаки стали 5 Производство цветных металлов 5 Технология литейного производства 5 Изготовление отливок в песчаных формах 5 Изготовление отливок специальными способами литья 5 Обработка металлов давлением 5 Классификация процессов обработки металлов давлением 5 Виды машиностроительных профилей и их производство 5 Ковка 5 Горячая объемная штамповка 5 Холодная объемная штамповка 5 Получение деталей из листа 5 Технология сварочного производства 5 Электродуговая сварка 5 Газовая сварка 5 Электро-контактная сварка 5 Пайка металлов и сплавов 5 Обработка металлов резанием 5 Специальные методы обработки 5 Контрольная работа 5 Варианты контрольной работы 5 Литература 5