Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov

модели из формы. На рис. 3.27, а показана отливка, имеющая бобышки, рас-

положенные под углом 120º. Формовка такой детали может осуществляться в мелкосерийном производстве по модели с отъемными частями, а в крупносерийном производстве – с внешними стержнями.

Рис. 3.27

.Технология фор-

мовки с внешним стержнем:

а – отливка; б – мо-

дель низа; в – модель верха; г – стержень1; д – стержень 2; е – литейная фор-

ма в сборе.

Для изготовления такой отливки необходимо изготовить дополнитель-

ный кольцевой внешний стержень (рис. 3.27, г), который устанавливается в полость формы, образованную знаковыми частями модели (рис. 3.27, е).

Изменение формы бобышек, как показано на рис. 3.28 не ухудшает ра-

ботоспособности детали, но несколько увеличивает ее вес. Если такое увели-

чение веса допустимо, то измененная конструкция предпочтительнее потому,

что формовка ее значительно проще.

Рис. 3.28. Изменение конструкции детали с бо-

бышками:

а - литая деталь с измененной формой бобы-

шек; б - разрез литейной формы.

Отсутствие поднутрения между фланцем и бобышкой обеспечивает свободное извлече-

ние модели из формы.

Подобные изменения обычно приходится производить при изготовле-

нии бобышек под головки болтов, гайки и другие выступы, расположенные на фланцах кронштейнов, картеров и других корпусных деталях (рис. 3.29).

Нерациональная конструкция литой детали увеличивает трудоемкость изготовления модели, приводит к перерасходу формовочных и стержневых

81

смесей, усложняет процесс формовки, приводит к возможности образования внутренних напряжений и усадочных пустот в отливках.

Получение отливок без усадочных дефектов достигается созданием конструкции отливок с равномерной толщиной стенок, так как различные по толщине части охлаждаются неравномерно. В отливках с разной толщиной стенок при неправильном сопряжении последних будут образовываться ско-

пления

Рис. З.29. Примеры оформления ре-

бер и бобышек:

1 – нерациональная конструкция, 2 –

рациональная конструкция.

металла, что приведет к образова-

нию усадочных раковин в этих мес-

тах. Равномерность толщины стенки и скопления металла можно опреде-

лить диаметром вписанной в сечение отливки окружности. Соотношение диаметров вписанных окружностей в близко расположенных сечениях не должно превышать 1,5. На рис. 3.30 показаны способы устранения скоплений металла, образующихся в местах сопряжения стенок отливки.

Рис. 3.30. Варианты устра-

нения местного скопления металла.

1 – нерациональная конст-

рукция, 2 – рациональная конструкция.

Конструкция внутренней полости отливки должна обеспечить надеж-

ное крепление стержня в форме, при этом применение жеребеек нежелатель-

но, так как усложняет процесс сборки формы и приводит к образованию га-

зовых раковин в местах установки жеребеек. На рис. 3.31, а показана отлив-

ка, внутренние полости которой выполняются двумя стержнями. Один из

82

стержней имеет только один знак, поэтому для его крепления используются жеребейки. Если устранение перемычки между двумя полостями не ухудша-

ет работоспособность отливки, то желательно объединить стержни в один

(рис. 3.31, б). Такой стержень имеет три знака, что обеспечивает его устойчи-

вое крепление в форме. В конструкциях литых деталей следует избегать па-

зов и узких полостей, при выполнении которых возможно разрушение стержней потоком расплавленного металла.

Рис. 3.31. Варианты конструи-

рования полостей:

а – нерациональная конструк-

ция, б – рациональная конст-

рукция.

Минимальные диаметры отверстий в отливках выбираются в зависимо-

сти от материала и толщины стенок.

При конструировании литых деталей, получаемых специальными спо-

собами литья, следует учитывать особенности каждого метода литья. Тонко-

стенные отливки сложной конфигурации можно получать литьем по выплав-

ляемым моделям и литьем под давлением, обеспечивая при этом высокие точность и качество поверхности. Литьем в кокиль получение тонкостенных отливок проблематично из-за пониженной жидкотекучести металла, вызван-

ной высокой скоростью охлаждения формы. Отливки должны иметь простую внешнюю конфигурацию, так как в противном случае увеличивается число разъемов кокиля. Центробежный способ литья позволяет получать толсто-

стенные отливки высокого качества при невысоких точности размеров и ка-

честве поверхности.

Таким образом, при оценке технологичности конструкции литой дета-

ли необходимо оценить возможности различных способов с точки зрения по-

лучения качественных отливок с высокими механическими свойствами без литейных дефектов.

83

Контрольные вопросы

1.В чем сущность процесса получения литой детали?

2.Литейные формы, разновидности форм, область применения.

3.Формовочные и стержневые смеси, состав, свойства.

4.Что такое литниковая система (ее элементы и их назначение)?

5.Что такое формовка?

6.Опишите литейные свойства сплавов.

7.Серые и белые чугуны. Состав, свойства, область применения.

8.Каково влияние химического состава и скорости охлаждения на струк-

туру и свойства чугуна?

9.В чем особенности получения отливок из высокопрочного чугуна?

10.В чем особенности получения стальных отливок?

11.Опишите особенности получения отливок из цветных сплавов.

12.Какие технологические требования предъявляются к конструкций ли-

тых деталей?

84

ГЛАВА 4. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

4.1. Сущность обработки металлов давлением

Обработка металлов давлением – процесс получения заготовок, деталей и изделий, основанный на способности металлов и их сплавов пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело внешних сил.

При воздействии внешних сил на деформируемое тело внутри его воз-

никают напряжения, которые могут привести к упругой или пластической деформации. Если эти напряжения не превышают предел упругости данного материала, то возникает упругая деформация, которая характеризуется сме-

щением атомов в кристаллической решетке на расстояние, меньшее меж-

атомного. В результате, после снятия внешней нагрузки, атомы возвращают-

ся в исходное положение, а деформируемое тело полностью восстанавливает свои размеры и форму.

При обработке давлением внешние силы, действующие на исходную заготовку, вызывают в ней напряжения, превышающие предел упругости, что приводит к смещению атомов относительно друг друга на расстояние пре-

вышающее межатомное. После снятия внешней нагрузки атомы не возвра-

щаются в исходное положение, а занимают новые положения равновесия.

Такая деформация, при которой сохраняются изменения размеров и формы после снятия внешней нагрузки, называется пластической. Способность ме-

талла подвергаться пластической деформации без разрушения называется пластичностью. Разрушение - это процесс, в результате которого происходит нарушение сплошности деформируемого тела вследствие движения (образо-

вания и распространения) одной или множества трещин. Если разрушение наступает при незначительной пластической деформации, металл называют хрупким, если при значительной - пластичным.

Строго говоря, при обработке давлением присутствуют оба типа де-

формации - суммарная деформация состоит из упругой и пластической со-

85

ставляющих. После снятия нагрузки упругая составляющая исчезает, а пла-

стическая приводит к получению заданных размеров и формы изделия. Это явление, называемое пружинением, необходимо учитывать при выборе раз-

меров инструмента и технологии обработки.

4.2. Влияние обработки металлов давлением на структуру и свой-

ства металлов

Реальные металлы и сплавы, используемые в машиностроении, как правило, не имеют строго упорядоченного внутреннего (атомного) строения.

Дело в том, что кристаллизация металла в условиях промышленного произ-

водства начинается одновременно во многих центрах. После затвердевания такой металл состоит из огромного числа отдельных, прочно сросшихся ме-

жду собой кристаллов неправильной (вследствие отсутствия условий для свободного роста в процессе кристаллизации) формы – зерен. Величина зер-

на поликристалла колеблется от нескольких миллиметров до 1 … 2 нм. Такое строение тела называют поликристаллическим.

В поликристаллических металлах и сплавах в большей или меньшей степени присутствуют неметаллические включения в виде оксидов, сульфи-

дов, нитридов и т.д. Как правило, температура затвердевания этих примесей ниже, чем металла, поэтому в первую очередь образуются зерна металла, а

затем затвердевают неметаллические включения, которые образуют по гра-

ницам зерен тонкие прослойки или отдельные включения разнообразной формы.

Пластическая деформация поликристаллического металла складывает-

ся из деформации внутрикристаллитной и деформации межкристаллитной.

Пластическая деформация в отдельно взятом зерне происходит в ос-

новном за счет скольжения одних атомных слоев кристаллита относительно других. При этом, скольжение осуществляется по особым кристаллографиче-

ским плоскостям, наиболее плотно упакованным атомами т.н. плоскостям скольжения (рис. 4.1). В некоторых металлах деформация происходит двой-

86

никованием. Этот механизм пластической деформации приводит к симмет-

ричному изменению ориентировки одной части кристалла по отношению к остальному его объему (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Перемещение атомов при деформации скольжением:

а – устойчивое равнове-

сие; б – упругая дефор-

мация; в - увеличение смещения атомов; г – ос-

таточная (пластическая)

деформация; д – плоско-

сти скольжения 1 в де-

формированном алюми-

нии.

Рис. 4.2. Деформация двойникованием;

а – схема; б – двойники деформации в кристаллах цинка; 1 – плоскость двойникования; 2 –

двойник.

В процессе деформирования зерна поворачиваются, перемещаются со скольжением относительно друг друга – происходит межкристаллитная де-

формация. В результате пластической деформации зерна вытягиваются в на-

правлении наибольшего течения металла и приобретают вытянутую форму.

Такая структура называется строчечной или полосчатой.

При обработке металлов давлением, в зависимости от температурно-

скоростных условий деформирования, различают холодную, горячую и полу-

горячую деформацию.

87

При холодной пластической деформации происходит изменение механических и физико-химических свойств металла: возрастают прочность и твердость, снижается пластичность, изменяются электрические и магнит-

ные свойства, коррозионная стойкость и изменяется форма зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. В ис-

каженной кристаллической решетке в процессе холодной деформации про-

исходит накопление избыточной энергии. Эти явления получили название упрочнения (наклепа) металла.

С точки зрения формообразования холодная обработка металлов дав-

лением позволяет получать изделия с высокой размерной и геометрической точностью и хорошим качеством поверхности.

Структура холоднодеформированного металла с искаженными кри-

сталлическими решетками, деформированными зернами и значительной на-

копленной внутренней энергией, крайне неустойчива. Даже при относитель-

но невысоких температурах в металле начинаются разупрочняющие процес-

сы – возврат (отдых) и рекристаллизация, снижающие эффект упрочнения.

Возвратом называется процесс разупрочнения, вызванный усилением колебаний атомов в кристаллической решетке металла в результате нагрева и перемещением их к местам устойчивого равновесия, что ведет к снижению уровня накопленной энергии без перестройки кристаллической решетки и снятию внутренних (остаточных) напряжений. Размеры и форма деформиро-

ванных зерен, а также механические характеристики металла при этом почти не изменяется. Вместе с тем возврат благоприятно влияет на некоторые фи-

зико-химические свойства металла. Так в результате возврата происходит повышение коррозионной стойкости холоднодеформированного металла и его электрической проводимости. Для чистых металлов абсолютная темпера-

тура возврата Твозв (0,25…0,3)Тплавления.

Рекристаллизацией называются процессы, происходящие в деформи-

рованном металле, при которых в результате теплового воздействия проис-

ходит перестройка кристаллов, зарождение новых кристаллов и их рост. В

88

туру металла на несколько сотен градусов. Такая деформация называется по-

лугорячей. При нагреве металла до температуры полугорячей обработки со-

противление деформации снижается в несколько раз по сравнению с холод-

ной, а пластичность несколько выше. Окисление же поверхности заготовки незначительно, что позволяет снизить припуски на последующую механиче-

скую обработку в несколько раз, по сравнению с горячей обработкой.

Как уже было отмечено выше, при холодной деформации зерна метал-

ла вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла, так же ориентируются в пространстве и неметаллические включения. При высо-

ких степенях деформации зерна и межзеренное вещество вытягиваются в во-

локна и образуется так называемая волокнистая макроструктура (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Макроструктура исходного и деформированного металла:

а – деформация 0%; б - деформация 40%; в - деформация 80%.

При горячей обработке деформированные зерна подвергаются рекри-

сталлизации, а волокна неметаллических включений сохраняют свою форму,

т.е. и при горячей обработке металлов давлением деформированный металл приобретает волокнистую макроструктуру. Эта макроструктура сохраняется и при последующей термической обработке и при дальнейшей обработке давлением. Волокнистая макроструктура ведет к анизотропии (векториально-

сти) механических свойств. Прочность при растяжении и сжатии в направле-

нии волокна больше, чем поперек волокна. Сопротивление срезу поперек во-

локна больше, чем вдоль. Показатели пластичности (относительное удлине-

ние, ударная вязкость т.д.) вдоль волокон выше, чем поперек.

Анизотропия свойств деформированного тела должна учитываться

90