Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov
.pdfсоединение между деталями. Расплавленный металл удерживается в ядре ок-
ружающим его кольцом 4 плотно сжатого, пластичного металла. При нару-
шении плотности этого кольца жидкий металл, сдавленный в ядре, частично выбрасывается - происходит выплеск. Размеры ядра (его диаметр d и про-
плавление h), определяющие прочность соединения, зависят от технологиче-
ских параметров процесса. При рациональной технологии диаметр ядра рас-
тёт с увеличением толщины деталей по приближённой зависимости (при
≥0,5 мм) d=2δ+3, мм, где - толщина в мм более тонкой из свариваемых де-
талей. Под действием усилия Р на поверхности деталей образуется вмятина.
Основными параметрами режима точечной сварки являются: свароч-
ный ток, продолжительность его включения, усилие на электродах и размеры их контактной поверхности. Различают сварку на мягких и жестких режимах.
Для мягкого режима характерны: большая продолжительность протекания сварочного тока (0,5…3 с); плавный нагрев металла с большой з.т.в.; обеспе-
чение минимального диаметра ядра. Этот режим целесообразен для сварки углеродистых и низколегированных сталей, склонных к закалке. Для жестко-
го режима характерны: предельно возможный сварочный ток; малая продол-
жительность протекания сварочного тока (0,001…0,01 с); большое усилие сжатия электродов. Такой режим рекомендуется для сварки высоколегиро-
ванных сталей, алюминиевых и медных сплавов.
ТКС не позволяет получить непрерывный шов. Размещение сварных точек определяется условиями шунтирования и беспрепятственной пластиче-
ской деформации. Минимальное расстояние между сварными точками долж-
но быть более 10 суммарных толщин свариваемых листов. С увеличением толщины деталей увеличивается минимальный допустимый шаг точек и их наименьшее расстояние до элементов, затрудняющих деформацию деталей.
ТКС можно сваривать листы разной толщины. При этом надо учиты-
вать, что ядро сварной точки будет смещаться к центру пакета. Поэтому, для того чтобы сварная точка была на границе листов, соотношение толщин лис-
тов должно быть не более трех.
181
ТКС широко применяется в штампосварных конструкциях, в которых две или более деталей, штампованные из листа, свариваются в жесткий узел
(кузов легкового автомобиля, кабина грузовика). Точками часто свариваются каркасные конструкции (боковина и крыша пассажирского вагона, бункер комбайна, узлы самолёта). Широко распространена ТКС пересекающихся стержней диаметром 25 мм и выше при изготовлении арматуры железобето-
на в виде сеток и каркасов. ТКС дает лучшие результаты при изготовлении узлов из относительно тонкого металла (в стальных конструкциях большого размера суммарная толщина свариваемых листов лежит в пределах 2…4 мм;
в небольших узлах, легко подаваемых к мощным стационарным машинам –
5…6 мм). Специальные машины позволяют сваривать заготовки толщиной до 6…7 мм. Важная область ТКС – соединение очень тонких деталей в элек-
тровакуумной технике, приборостроении. При сварке в массовом производ-
стве с большим количеством точек (арматурных сеток, кузова автомобилей)
успешно применяется многоточечные машины. Общая мощность таковых машин превышает 1000 КВА.
Шовная контактная сварка (ШКС) – контактная сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит между вращающимися диско-
выми электродами, передающими усилие сжатия. ШКС предназначена для соединения листовых материалов непрерывным швом. Для этого, заготовки размещают между вращающимися роликами – электродами (рис. 5.23, а).
ШКС, так же как и ТКС, можно выполнять при одностороннем расположе-
нии электродов (рис. 5.23, б). Различают непрерывную (рис. 5.23, в) и им-
пульсную (рис. 14.23, г) ШКС. При непрерывной сварке происходит перегрев металла шва и околошовной зоны, что отрицательно сказывается на качестве шва и работоспособности роликов. При импульсной подаче тока перегрева металла не происходит. При этом необходимо, что бы сварные точки пере-
крывали друг друга на 1/3 или на 1/4 их диаметра. Из-за большого влияния шунтирования нецелесообразно сваривать листы суммарной толщины более трех мм.
182
Рельефная сварка (РКФ) – контактная сварка, при которой сварное со-
единение получается на отдельных участках, обусловленных их геометриче-
ской формой, в том числе по выступам. При РКФ листовых заготовок (рис.
5.24) на одной из них, предварительно изготавливают рельеф (выступы круг-
лой, продольной, кольцевой или иной формы). Далее заготовки сжимают
Рис. 5.23 Шовная контактная сварка:
а – двухсторонняя; б – одно-
сторонняя; в – циклограмма непрерывной сварки; г – цик-
лограмма импульсной сварки;
д - образцы сварки; Р - сила; I
– ток; t – время.
Рис. 5.24 Рельефная сварка:
1 – верхний электрод; 2 – листовая заго-
товка с отштампованным рельефом; 3 – листо-
вая заготовка без рельефа; 4 – нижний элек-
трод; P – сила сжатия заготовок.
и подают ток. Прогрев осуществляют до появления жидких точек между кон-
тактными поверхностями. После этого производят проковку. Форма, размеры и число выступов рельефа выбираются в зависимости от формы и толщины свариваемых заготовок, а также в зависимости от назначения готового изде-
лия. В качестве рельефа можно использовать и естественные грани или ребра заготовок, образовавшиеся при штамповке, прокатке или механической об-
работке. Точность выполнения рельефа должна обеспечивать равномерное
183
распределение сварочного тока и усилия сжатия. Режим сварки доложен обеспечивать оптимальную скорость нагрева рельефов по всем сварным точ-
кам.
5.7. Технологические особенности сварки сталей и чугунов
Низкоуглеродистые и большинство низколегированных конструкцион-
ных сталей обладают хорошей свариваемостью. Основная трудность при их сварке заключается в закалке з.т.в. и в возможности образования холодных трещин. Склонность к образованию холодных трещин повышается при на-
сыщении металла шва водородом, который понижает пластичность металла.
Источником водорода служит влага, содержащаяся в электродных покрыти-
ях, флюсах, защитных газах. Для предотвращения появления холодных тре-
щин рекомендуется: При дуговой сварке; замедлять охлаждение сварного шва (предварительный и сопутствующий сварке подогрев заготовок до
100…300оС); не проводить сварку в помещениях со сквозняком; прокаливать электроды и флюсы (600…700оС); Применять для сварки электроды с покры-
тием основного типа. Заменять однослойную сварку многослойной. При этом сварку ведут валиками небольшого сечения по неостывшим (ниже 100…300°
С) нижним слоям металла. Вести сварку на постоянном токе обратной по-
лярности. непосредственно после сварки производить отпуск изделий до температуры 300°С и выше. При электрических способах сварки работать на мягких режимах (длительный нагрев заготовок и быстрое удаление сваренно-
го изделия из зоны сварки). Контактную и стыковую сварку производить ме-
тодом прерывистого оплавления, что обеспечивает подогрев деталей перед сваркой.
Трудности при сварке высокохромистых и хромоникелевых сталей свя-
заны с тем, что: при продолжительном пребывании металла в зоне темпера-
тур 500…800°С и в процессе охлаждения в области высоких температур
(около 1 000°С) возможно выпадение карбидов хрома на границах зерен, что увеличивает склонность к межкристаллитной коррозии и снижает коррози-
онную стойкость стали; и возможна закалка шва и в з.т.в. с образованием хо-
184
лодных трещин. С целью предупреждения межкристаллитной коррозии не-
обходимо: Производить сварку при малых погонных энергиях, т.е. применять пониженные значения тока и накладывать валики малого сечения с целью обеспечить большие скорости охлаждения при сварке. Применять теплоотво-
дящие медные подкладки или водяное охлаждение. Вводить в сталь и на-
плавленный металл, сильные карбидообразователи (титан, ниобий), способ-
ные связать углерод в карбиды. После сварки необходимо производить отжиг
(900оС) изделия. Для предупреждения горячих трещин рекомендуется свари-
вать заготовки с подогревом до 200…300°С, вводить в сварочные материалы,
легирующие элементы, способствующие измельчению кристаллов (кремний,
алюминий, марганец, молибден) и снижать содержание углерода. Эти стали имеют повышенное электрическое сопротивление и низкую теплопровод-
ность, поэтому хорошо свариваются контактной сваркой. При сварке хромо-
никелевых сталей с повышенным содержанием хрома (до 25%) и никеля (до
20%) металл шва склонен к образованию крупнокристаллической первичной структуры и возникновению горячих трещин. Для уменьшения образования горячих трещин необходимо: применять специальную аустенитную свароч-
ную проволоку (сталь св Х25Н15Г7ВЗ, сталь св Х25Н15Г7Ф); вести сварку на небольших токах и пониженном напряжении. Для того чтобы получать широкие и выпуклые, а не вогнутые сварные швы; в отдельных случаях по-
лезно применить подогрев до 300…400°С.
Чугуны относятся к группе материалов, обладающих плохой техноло-
гической свариваемостью. Это вызвано несколькими причинами: В связи с повышенной жидкотекучестью чугуна затруднено удерживание расплавлен-
ного металла шва от вытекания. Склонность чугуна при высоких скоростях охлаждения закаливаться с образованием хрупких закалочных структур при-
водит к образованию холодных трещин. Кроме того, при быстром охлажде-
нии происходит отбеливание сварного соединения и на границе сварного шва и основного металла образуется тонкая прослойка из белого чугуна. По-
скольку эта прослойка непластична, то при незначительных деформациях по
185
ней происходит разрушение шва. Чугун сваривают при выполнении ремонт-
ных работ и исправлении дефектов в отливках. Качество сварного соедине-
ния чугунных изделий характеризуется: обрабатываемостью обычным режу-
щим инструментом, твердостью металла шва, з.т.в. и основного металла;
равнопрочностью соединения; однотипностью наплавленного и основного металла по химическому составу и структуре
Горячую сварку чугуна выполняют с предварительным подогревом свариваемой заготовки. Необходимость предварительного подогрева объяс-
няется тем, что чугунная наплавка на холодное изделие быстро охлаждается,
особенно в интервалах температур 600…1 200° С. Температура предвари-
тельного подогрева определяется: размерами заготовок; общей жесткостью места, подлежащего заварке; толщиной стенок; объемом наплавляемого ме-
талла; структурой чугуна. Для большинства заготовок подогрев до
400…450°С обеспечивает возможность получения качественного сварного соединения и создает условия, исключающие трещинообразование.
Холодную сварку чугуна производят без подогрева заготовки. К хо-
лодной сварке чугуна относится электродуговая сварка с применением стальных; медно-железных; медно-никелевых электродов и электродов из никелевого аустенитного чугуна. Сварка стальными электродами (со стаби-
лизирующим покрытием, или покрытием с карбидообразующими элемента-
ми) производится с применением шпилек. Сталь при наплавке на чугун пло-
хо сцепляется с ним из-за разной усадки. Кроме того, наплавленная на чугун сталь обогащается углеродом в зоне плавления, становится хрупкой, склон-
ной к закалке, и дает при остывании трещины. Поэтому при сварке чугуна для более надежного сцепления наплавленного металла с основным, на кромках в шахматном порядке ставят на резьбе стальные шпильки. Шпильки обваривают кругом, после чего шов заполняют наплавленным металлом.
Сварка обеспечивает шов, хорошо обрабатываемый резанием. Медь и никель в составе электродов способствуют графитизации чугуна и препятствуют его отбеливанию.
186
Контрольные вопросы.
1.Что такое сварка плавлением; сварка с применением давления?
2.Как происходит кристаллизация сварного шва при сварке плавлением?
3.Что такое «зона термического влияния»?
4.Как образуются горячие Тришины в сварном соединении?
5.Почему сварка под флюсом обладает повышенной производительностью и обеспечивает качественный шов?
6.Какие преимущества сварки в защитных газах по сравнению со сваркой под флюсом?
7.В чем заключается сущность электрошлаковой сварки?
8.В чем заключается сущность высокочастотной сварки?
9.Как работает инжекторная горелка?
10.Какие заготовки можно соединять электроннолучевой сваркой?
11.Где и почему выделяется наибольшее количество тепла при контактной сварке?
12.Почему точечной контактной сваркой невозможно получить непрерыв-
ный шов?
13.Что такое рельефная сварка?
14.Какие технологические мероприятия применяются при сварке низколе-
гированных сталей?
15.Какие затруднения возможны при сварке хромистых высоколегирован-
ных сталей?
16.Что такое горячая сварка чугуна?
17.Какие дефекты могут появиться при сварке?
187
ГЛАВА 6. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Обработка конструкционных материалов резанием (лезвийная, абра-
зивная и отделочная обработка) является одним из основных технологиче-
ских процессов позволяющим добиться высоких показателей по точности от-
ветственных поверхностей деталей машин.
6.1. Физико-механические основы обработки материалов резанием
Обработка материалов резанием – это процесс срезания режущим лез-
вием (клином) 6 (рис. 6.1) с поверхности заготовки 1 слоя металла в виде Рис. 6.1. Схема обработки мате-
риала резанием:
1 – заготовка; 2 – обрабатывае-
мая поверхность; 3 – поверх-
ность резания; 4 – обработанная поверхность; 5 - стружка; 6 – ре-
жущее лезвие; Dр – главное дви-
жение резания; Ds – движение подачи.
стружки 5. Резание металлов – это сложный процесс физико-механического взаимодействия режущего клина инструмента, заготовки и окружающей сре-
ды. Для обработки детали, режущий инструмент и заготовку необходимо ус-
тановить и закрепить в рабочих органах станка и сообщить им относитель-
ные движения. Движения рабочих органов станка разделяются на движения резания, установочные и вспомогательные. Движения, которые обеспечива-
ют срезание с заготовки поверхностного слоя металла или изменение состоя-
ния обработанной поверхности называются движениями резания. К ним от-
носят: главное движение и движение подачи. Эти движения могут быть вра-
щательным, поступательным, возвратно-поступательным, непрерывным или прерывистым. Главным движением (Dр) называется движение, определяющее
188
скорость деформирования и отделения стружки. Движением подачи (Ds) на-
зывается движение, обеспечивающее непрерывность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки.
Различают движения подачи: продольное Dsпрод; поперечное Dsпоп; вер-
тикальное Dsв; круговое Dsкр и другие. Элементами процесса резания являют-
ся: скорости движений резания и глубина резания. Совокупность этих эле-
ментов называется «режим резания». Скорость резания (Vр) - путь точки ре-
жущего лезвия инструмента относительно заготовки в единицу времени, в
направлении главного движения. Размерность скорости резания: для лезвий-
ной обработки – м/мин; для абразивной обработки – м/с. Если главное дви-
жение является вращательным, то Vр = πDn/1000, (для лезвийной обработки)
или Vр = πDn/60000, (для шлифования), где: D - наибольший диаметр обраба-
тываемой поверхности заготовки или диаметр вращающегося инструмента в мм; n - частота вращения заготовки (инструмента) в оборотах в минуту. Если главное движение является возвратно-поступательным, а скорости рабочего и холостых ходов разные, то средняя скорость равна: Vср=Lm(K+1)/1000, в
м/мин, где: L – расчетная длина хода резца, в мм; m – число двойных ходов резца в минуту; K= Vрх/ Vхх – коэффициент отношения скорости рабочего хо-
да (Vрх) к скорости холостого хода (Vхх). Скорость движения подачи (подача)
(s) - путь точки режущего лезвия инструмента относительно заготовки в еди-
ницу времени, в направлении движения подачи. Различают: подачу в минуту
(минутная подача) подачу на оборот; подачу на зуб и подачу на двойной ход.
Подача в минуту (Sм) - перемещение режущего инструмента в минуту
[мм/мин], подача на оборот (Sо) - перемещение режущего инструмента за 1
оборот заготовки или инструмента [мм/оборот], подача на зуб (Sz) - переме-
щение режущего многозубого инструмента за время поворота на угол, рав-
ный угловому шагу зубьев [мм/зуб], подача на двойной ход (S2х) - перемеще-
ние режущего инструмента за один двойной ход [мм/дх]. Sм = Sоn = SznZ =
S2хN, где: Z – число зубьев инструмента, N –число двойных ходов в минуту.
189
Глубина резания (t) –кратчайшее расстояние между обработанной и обраба-
тываемой поверхностями [мм].
На заготовке можно выделить три поверхности: 2 – обрабатываемую, 3
–резания и 4 – обработанную.
В начальный момент процесса резания (рис. 6.2), движущийся режу-
щий клин 2 вдавливается в материал заготовки 5, создавая в срезаемом слое Рис. 6.2. Схема зоны реза-
ния:
1 – обрабатываемая по-
верхность; 2 – стружка; 3
– режущий клин; 4 - обра-
ботанная поверхность; 5–
заготовка; БС – скругле-
ние режущего клина; АБС
– передняя поверхность;
СД – площадка износа; СДЕ – задняя поверхность; БСЗЖ – зона стружкооб-
разования; СЗ – плоскость начала деформаций сдвига; БЖ – плоскость конца деформаций сдвига; СО – плоскость сдвига; γ – передний угол; α – задний угол; h – упругое восстановление обработанной поверхности; σ, τ – нормаль-
ные и касательные напряжения.
упругие деформации. При дальнейшем перемещении клина упругие дефор-
мации переходят в пластические. В плоскости, перпендикулярной движению резания возникают нормальные напряжения σ. В плоскости, совпадающей с движением резания – касательные напряжения τ. Рост пластических дефор-
маций приводит к деформации сдвига. Эти деформации происходят в зоне стружкообразования СБЖЗ. В плоскости БЖ происходит разрушение кри-
сталлов (скалывается элементарный объем металла и образуется стружка).
Пластическая деформация кристаллического тела происходит в плоскости минимально сопротивления деформации (в плоскости сдвига СО). При этом тело вытягивается в направлении плоскости сдвига.
190