- •Материаловедение и технология конструкционных материалов
- •Оглавление
- •Раздел I. Строение и свойства материалов
- •Раздел II. Структура, свойства и термическая обработка железоуглеродистых сплавов
- •Раздел III. Конструкционные и инструментальные материалы
- •Раздел IV. Способы литья в металлургии и в машиностроении
- •Раздел V. Обработка металлов давлением в металлургии и машиностроении
- •Раздел VI. Обработки резанием
- •Раздел VII. Теплофизические основы и технологии сварочного производства
- •Раздел VIII. Изготовление деталей из композиционных материалов, электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •Введение
- •Раздел VIII посвящен получению заготовок методом порошковой металлургии и заготовок из полимерных материалов, а также электро-физико-химическим и нетрадиционным методам обработки.
- •Раздел I. Строение и свойства материалов
- •1. Строение, структура и свойства металлов и сплавов
- •1.1. Агрегатные состояния
- •1.2. Металлы и их кристаллическое строение
- •1.3. Реальное строение металлов и дефекты кристаллических решеток
- •1.4. Строение сплавов
- •1.5. Основные закономерности процесса кристаллизации, превращения в твердом состоянии, полиморфизм
- •1.6. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм
- •2. Механические, физические и технологические свойства материалов
- •2.1. Свойства материалов
- •2.2. Деформации и напряжения
- •2.3. Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость
- •2.4. Определение твердости
- •2.5. Упругая и пластическая деформации, наклеп и рекристаллизация
- •Раздел II. Структура, свойства и термическая обработка железоуглеродистых сплавов
- •3. Диаграмма «железо – углерод (цементит)»
- •3.1. Общий обзор диаграмм состояния
- •5. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения.
- •7. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением.
- •3.2. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
- •3.3. Изменения структуры сталей при охлаждении
- •3.4. Изменения структуры чугунов при охлаждении
- •3.5. Классификация и свойства углеродистых сталей
- •3.6. Классификация и свойства чугунов
- •4. Термическая и химико-термическая обработка углеродистых сталей
- •4.1. Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру
- •4.2. Отжиг углеродистых сталей
- •4.3. Закалка углеродистых сталей
- •4.4. Отпуск закаленных углеродистых сталей
- •4.5. Химико-термическая обработка сталей
- •Раздел III. Конструкционные и инструментальные материалы
- •5. Конструкционные стаЛи и сплавы
- •5.1. Влияние легирующих элементов на структуру, механические свойства сталей и превращения при термообработке
- •5.2. Маркировка и классификация легированных сталей
- •5.3. Конструкционные стали
- •5.4. Коррозионно-стойкие стали
- •5.5. Жаропрочные стали и сплавы
- •5.6. Жаростойкие стали и сплавы
- •5.7. Инструментальные стали и сплавы для обработки материалов резанием
- •5.8. Инструментальные стали для обработки давлением
- •6. Титановые, медные и алюминиевые сплавы
- •6.1. Титан и его сплавы
- •6.2. Медь и её сплавы
- •6.3. Алюминий и его сплавы
- •7. Неметаллические материалы
- •7.1. Полимеры и пластмассы
- •7.2. Резиновые и клеящие материалы
- •7.3. Стекло, ситаллы, графит
- •7.4. Композиционные материалы
- •Раздел IV. Способы литья в металлургии и машиностроении
- •8. Производство чугуна и стали
- •8.1. Производство чугуна
- •8.2. Сущность процесса выплавки стали
- •8.3. Производство стали в мартеновских печах и конвертерах
- •8.4. Производство и повышение качества сталей и сплавов в электропечах
- •9. Способы литья
- •9.1. Изготовление песчаных литейных форм
- •9.2. Основные операции получения отливок в песчаных формах
- •9.3. Закономерности охлаждения отливок в литейных формах
- •9.4. Литье в оболочковые формы и по выплавляемым моделям
- •9.5. Литье в металлические формы, под давлением, центробежное литье
- •Раздел V. Обработка металлов давлением в металлургии и машиностроении
- •10. Горячая и холодная обработка металлов давлением. Прокатка
- •10.1. Горячая и холодная обработка металлов давлением
- •10.2. Нагрев заготовок перед обработкой давлением
- •10.3. Прокатка: схемы процесса, продукция, оборудование и инструмент
- •10.4. Деформации при прокатке
- •10.5. Мощность и усилия деформирования при прокатке
- •10.6. Теплообмен и температура при горячей прокатке
- •11. Волочение и прессование
- •11.1. Волочение: схема процесса, продукция, оборудование и инструмент
- •11.2. Деформации и напряжения при волочении
- •11.3. Работа, мощность и усилия при волочении
- •11.4. Температура при волочении
- •11.5. Прессование: схемы процесса, продукция, инструмент
- •11.6. Деформации, работа и усилия деформирования при прессовании
- •12. Способы обработки металлов давлением в машиностроении
- •12.1. Общая характеристика операций ковки и горячей объемной штамповки
- •12.2. Оборудование для ковки и штамповки
- •12.3. Деформации, работа и усилия при различных операциях ковки и штамповки
- •12.4. Нагрев и охлаждение штампов при горячей штамповке
- •12.5. Холодная листовая штамповка
- •Тесты для проверки знаний
- •Раздел VI. Обработка резанием
- •13. Характеристики способов обработки резанием, деформации и силы резания
- •13.1. Способы обработки резанием
- •13.2. Металлорежущие станки
- •13.3. Режущие инструменты, действительные углы режущего лезвия
- •13.4. Характеристики режима резания и сечения срезаемого слоя
- •14. Деформации, напряжения, силы и температуры при резании
- •14.1. Схематизация стружкообразования и характеристики деформаций при резании
- •14.2. Силы при точении
- •14.3. Схема и расчет сил при торцовом фрезеровании
- •14.4. Предел текучести и температура деформации при резании
- •14.5. Температура полуплоскости от равномерно распределенного быстродвижущегося источника тепла
- •14.6. Температура передней поверхности режущего лезвия
- •14.7. Температура задней поверхности режущего лезвия
- •15. Износостойкость инструмента и режимы резания, проектирование технологического процесса
- •15.1. Изнашивание и износостойкость режущих инструментов
- •15.2. Обрабатываемость материалов, характеристики обрабатываемости
- •15.3. Назначение режимов резания и параметров инструмента при обработке резанием
- •Тесты для проверки знаний
- •Раздел VII. Теплофизические основы и технологии сварочного производства
- •16. Характеристика способов сварки и схематизация сварочных процессов
- •16.1. Классификация и технологические характеристики различных способов сварки
- •16.2. Основные источники энергии, применяющиеся при сварке
- •16.3. Схематизация процессов распространения тепла при сварке
- •16.4. Тепловой баланс электрической дуговой сварки
- •17. Способы термической сварки
- •17.1. Ручная дуговая сварка
- •17.2. Автоматическая дуговая сварка под флюсом
- •17.3. Сварка в защитных газах
- •17.4. Плазменная сварка и резка
- •17.5. Электрошлаковая сварка
- •17.6. Газовая сварка
- •18. Термомеханические способы сварки
- •18.1. Электрическая контактная стыковая сварка
- •18.2. Электрическая контактная точечная сварка
- •18.3. Электрическая контактная шовная сварка
- •18.4. Конденсаторная сварка
- •18.5. Сварка трением
- •18.6. Ультразвуковая сварка
- •Тесты для проверки знаний
- •Раздел VIII. Изготовление деталей из композиционных материалов, электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •19. Получение деталей методом порошковой металлургии
- •19.1. Технологический процесс получения деталей методом порошковой металлургии
- •Химико-металлургический способ
- •19.2. Получение порошка исходного материала
- •19.3. Формование заготовок
- •19.4. Спекание и доводка заготовок
- •20. Производство изделий из полимерных материалов
- •20.1. Способы формообразования деталей из полимеров в вязкотекучем состоянии
- •20.2. Обработка полимеров в высокоэластичном состоянии
- •20.3. Обработка полимерных материалов в твердом состоянии
- •20.4. Сварка полимерных материалов
- •21. Электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •21.1. Классификация электро-физико-химических методов обработки
- •21.2. Электроэрозионная обработка
- •21.3. Электрохимическая (анодно-химическая) обработка
- •21.4. Ультразвуковая размерная обработка
- •21.5. Лучевая обработка
- •21.6. Комбинированные процессы обработки
- •21.7. Нетрадиционные методы обработки
- •21.8. Методы формирования изделий путем наращивания поверхности
- •21.9. Методы поверхностной модификации свойств изделий
- •Тесты для проверки знаний
- •Библиографический список
21. Электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
К электро-физико-химическим относят методы формообразующей обработки, осуществляемые путем удаления припуска с заготовки в жидком или парообразном виде с помощью тепловой энергии.
21.1. Классификация электро-физико-химических методов обработки
Электро-физико-химические методы обработки классифицируют на три основные группы.
К первой группе относят электрофизические методы обработки, использующие высококонцентрированные источники энергии. При удельной мощности в пределах 0,1–104 Вт/м2 энергия электрического тока или электромагнитного поля концентрируется на локальном участке поверхности и преобразуется в тепловую, приводя слой металла (припуска) в жидкое или парообразное состояние с последующим его удалением. Высокая концентрация энергии достигается благодаря локализации выделяющейся энергии в пространстве и времени при ее подводе через канал электрического разряда, луча лазера или электронного луча, поток плазмы. Соответственно к группе электрофизических методов обработки относят: электроэрозионные, плазменные, электронно-лучевые, лазерные и некоторые другие.
Ко второй группе относят электрохимические методы обработки, например анодно-химическую обработку, анодное растворение или катодное осаждение при плотности мощности (примерно 10-3–1 Вт/м2).
К третьей группе относят комбинированные электро-физико-химические процессы, в которых одновременно или последовательно сочетается несколько различных видов энергетического воздействия, эффективно дополняющих друг друга: эрозионно-электрохимические, ультразвуковые- электрохимические, плазменно-механические, алмазно-эрозионные и др.
21.2. Электроэрозионная обработка
Электроэрозионная обработка металлов основана главным образом на тепловом действии импульсов электрического тока, возбуждаемых в среде жидкого диэлектрика между электродом – инструментом и обрабатываемой заготовкой. Принципиальная схема процесса электроэрозионной обработки представлена на рисунке 21.1.
а
б
Рис. 21.1. Принципиальная схема электроэрозионной обработки: а – схема последовательности возникновения разряда и образования лунки; б – схема размещение электродов в процессе обработки: 1 – электрод-инструмент; 2 – межэлектродный зазор; 3 – обрабатываемая заготовка; 4 – рабочая жидкость; 5 – ванна; 6 – разряд между наиболее близкими участками поверхности; 7 – расплавление металла и его выброс; 8 – лунка, оставшаяся на поверхности
Электроэрозия является процессом разрушения поверхности металлических электродов при пробое межэлектродного промежутка электроискровым разрядом с образованием углублений, называемых лунками (рис. 21.1а). При подаче на электрод-инструмент 1 напряжения порядка 10 В/м возникает электроискровой разряд, за время существования которого (tp = 10−5–10−8 c) мгновенная плотность тока в канале разряда достигает 8000–10000 МА/м2, а температура возрастает до 30000 ºС. Между электродами формируются электронные и ионные лавины, разрушающие обрабатываемую поверхность заготовки. Эрозионные лунки формируются на поверхности электрода заготовки за счет расплавления металла и его последующего выброса со дна лунки за счет действия газов, вырывающихся из нагретой до температур свыше 8000 ºС металлической поверхности. Морфология поверхности после электроэрозионной обработки заготовки из стали показана на рисунке 21.2.
Рис. 21.2. Электронно-сканирующий снимок поверхности после электроэрозионной
обработки заготовки из хромоникелевого жаропрочного сплава (56 Ni Cr V17)
Электроэрозионная обработка металлов и сплавов зависит от теплофизических свойств обрабатываемых материалов и факторов, характеризующих электрические процессы. Механические характеристики обрабатываемого материала практически не влияют на производительность обработки.
Различают размерную и упрочняющую электроэрозионную обработку.
В результате размерной электроэрозионной обработки из заготовки получают деталь заданной формы и размеров. Упрочняющую электроэрозионную обработку производят с целью упрочнения поверхности за счет изменения структуры и свойств поверхностного слоя детали.
К электроэрозионной обработке относят также электроискровую, электроимпульсную, электроконтактную и анодно-механическую.
Электроискровая обработка основана на том, что размерное формообразование производится в диэлектрической жидкости (керосине или низковязком масле, подаваемом под давлением, а также в воде). На поверхности заготовки происходят очень короткие искровые разряды, во время которых выделяется большое количество тепла, идущее на оплавление, частичное испарение и взрывоподобный выброс частиц с поверхности заготовки (анода).
Катодом является инструмент, имеющий форму, зеркально отображающую форму заданной поверхности детали. Электроды изготавливают из хорошо проводящих тепло материалов: углеграфита, меди, латуни и др.
При электроискровой обработке электрические разряды характеризуются большими отношениями амплитуды тока и периода следования импульсов к их длительности. Мощность разряда может изменяться в пределах от десятков ватт до нескольких киловатт.
При электроимпульсной обработке электрические разряды характеризуются малыми отношениями амплитуды тока и периода следования импульсов к их длительности. При этом электрод служит анодом, мощность импульсов может изменяться от сотен ватт до нескольких десятков киловатт. Электроимпульсная обработка применяется для обработки фасонных поверхностей большей площади: до десятых долей квадратного метра.
Электроконтактная обработка – разновидность электроэрозионной обработки, при которой происходит размерное разрушение поверхностных слоев металла вследствие его оплавления. Источник тепла в зоне обработки – импульсные дуговые разряды и контактный нагрев. Электрод-инструмент (катод) – металлический диск, второй электрод (анод) – обрабатываемая заготовка. Используется постоянный или переменный ток. Электроконтактную обработку применяют для очистки чугунных и стальных отливок, грубой обработки поверхностей, а также для наплавки деталей с целью их поверхностного упрочнения.
Анодно-механическая обработка – разновидность электроэрозионной обработки, основанная на одновременном использовании анодного растворения и механического удаления продуктов распада.
Обрабатываются токопроводящие материалы любой твердости, преимущественно нержавеющие стали, жаропрочные и твердые сплавы. Применяется в основном для заточки и доводки твердосплавных режущих инструментов, а также для разрезки металлов. Наиболее распространены отрезные дисковые и ленточные анодно-механические станки.
Наибольшее применение получили следующие технологические операции электроэрозионной обработки деталей: при прямолинейном поступательном движении электрода-инструмента (прошивание); при круговых движениях электрода-инструмента (шлифование); при поступательном или круговом перемещении электрода (разрезка прямоугольным или круглым электродом или вырезание электродом-проволокой).
При прошивании сквозных отверстий (рис. 21.3а) достигается точность размеров 0,005–0,020 мм и шероховатость поверхности Ra = 0,4–1 мкм. Объемная скорость съема при обработке стали составляет около 200 мм3/с. Износ электрода-инструмента при обработке сталей незначителен.
При вырезке электродом-проволокой (рис. 21.3в) достигается точность размеров – 0,005–0,03 мм; шероховатость обработанной поверхности – Ra = 0,4–2 мкм; скорость разделения поверхности для стали – 5 мм2/с, для твердого сплава – 2 мм2/с.
Электроэрозионную обработку применяют в инструментальном производстве для изготовления трудоемких и сложных в обработке фасонных изделий (например, штампов, пресс-форм и т. д.), а также в основном производстве – для изготовления деталей из труднообрабатываемых материалов, малой жесткости и со скрытыми обрабатываемыми поверхностями, для вырезки электродом-проволокой плоских сложноконтурных деталей, прошивания и объемного копирования поверхностей прецизионных деталей из тугоплавких металлов и сплавов, твердых сплавов, цветных металлов.
а
б
в
Рис. 21.3. Схемы наиболее широко применяемых методов электроэрозионной обработки: а – обработка отверстий (прошивание); б – шлифование электроискровыми разрядами; в – разрезка и вырезка