- •Технологические процессы в машиностроении
- •1. Информация о дисциплине
- •1.1. Предисловие
- •1.2. Содержание дисциплины и виды учебной работы
- •1.2.1. Содержание дисциплины по гос
- •1.2.2. Объём дисциплины и виды учебной работы
- •Перечень видов практических занятий и контроля
- •Тема 4.2. Термообработка поверхностей деталей
- •2.2.2. Тематический план дисциплины для спец. 151001.65
- •2.2.3. Тематический план дисциплины для спец. 151001.65
- •2.2.4. Тематический план дисциплины для спец. 0805.02
- •2.3. Структурно-логическая схема дисциплины
- •2.4. Временной график изучения дисциплины при использовании информационно-коммуникативных технологий
- •2.5. Практический блок
- •2.5.1. Практические занятия для спец.151001.65
- •2.5.1. Практические занятия для спец. 080502.65
- •2.5.2. Лабораторные работы для спец.151001.65
- •2.6. Балльно-рейтинговая система оценки знаний
- •3. Информационные ресурсы дисциплины
- •3.1. Библиографический список
- •3.2. Опорный конспект Введение
- •Раздел 1. Основные понятия и определения
- •1.1. Машина как объект производства
- •1.2. Структура машиностроительного производства
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 2. Конструкционные материалы, применяемые в машиностроении
- •2.1. Черные и цветные металлы и сплавы
- •2.2. Неметаллические и композиционные материалы
- •2.3. Производство конструкционных материалов
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 3. Технологические процессы изготовления исходных заготовок
- •3.1. Технологии литейного производства
- •Тема 3.2. Обработка металлов давлением
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 4. Технология обработки поверхностей деталей машин
- •Тема 4.1. Технологии механической обработки резанием
- •Тема 4.2. Технологические методы формообразования поверхностей заготовок абразивным инструментом
- •Тема 4.4. Методы отделочной обработки поверхностей деталей машин
- •Тема 4.3. Термообработка поверхностей деталей машин
- •Тема 4.4. Электрофизические и электрохимические методы обработки
- •Тема 4.5. Методы обработки заготовок без снятия стружки
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 5. Основы технологии сборочных работ
- •Тема 5.1. Технологические процессы сварки
- •Тема 5.2. Сборочные работы при различных видах сборки
- •Вопросы для самопроверки
- •Раздел 6. Основы технологической подготовки производства изделий
- •Вопросы для самопроверки
- •Заключение
- •3.3. Глоссарий
- •3.4. Методические указания к выполнению лабораторных работ Общие указания
- •Охрана труда и техника безопасности при выполнении лабораторных работ
- •Лабораторная работа №1 Измерение шероховатости поверхности деталей, обработанных на металлорежущем оборудовании
- •2. Основные теоретические положения
- •3. Порядок выполнения работы
- •Лабораторная работа № 3 Выбор лезвийного метода обработки детали типа «тел вращения»
- •2. Основные теоретические положения
- •3. Порядок выполнения работы
- •4. Содержание отчета
- •Лабораторная работа 2
- •3. Порядок выполнения работы
- •3.5. Методические указания к проведению практических занятий
- •Экономический анализ при выборе заготовки
- •4. Блок контроля освоения дисциплины
- •4.1. Задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению
- •Методические указания к выполнению контрольной работы
- •4.2. Текущий контроль Тренировочные тесты Тест 1
- •Правильные ответы на тесты
- •4.3. Итоговый контроль Вопросы к экзамену
- •Содержание
Тема 3.2. Обработка металлов давлением
Вопросы, изучаемые в этой теме:
– сущность процесса пластического деформирования;
– изготовление проката;
– изготовление поковок,
– горячая объемная штамповка;
– холодная штамповка;
– листовая штамповка.
Обработкой металлов давлением (ОМД) называют группу технологических процессов, в результате которых под влиянием приложенных внешних сил происходит изменение формы заготовок без нарушения их сплошности.
В промышленности применяют шесть основных видов обработки давлением: прокатку, прессование, волочение, ковку, объемную штамповку и листовую штамповку.
Сущность процесса пластического деформирования. Основной задачей всех видов обработки давлением является придание металлу желаемой формы посредством процесса пластической деформации. В результате пластической деформации изменяются не только форма и размеры заготовки, но и структура и свойства исходного металла.
В процессе деформирования зерна поворачиваются, перемещаются со скольжением относительно друг друга – происходит межкристаллитная деформация. В результате пластической деформации зерна вытягиваются в направлении наибольшего течения металла и приобретают вытянутую форму.
При обработке металлов давлением в зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию. При холодной пластической деформации происходит изменение механических и физико-механических свойств металла: возрастают прочность и твердость; снижается пластичность; изменяются электрические и магнитные свойства, коррозионная стойкость и форма зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла. В искаженной кристаллической решетке в процессе холодной деформации происходит накопление избыточной энергии. Эти явления получили название упрочнения (наклепа) металла. Структура холоднодеформированного металла с искаженными кристаллическими решетками, деформированными зернами и значительной накопленной внутренней энергией крайне неустойчива. Даже при относительно невысоких температурах в металле начинаются разупрочняющие процессы – возврат (отдых) и рекристаллизация, снижающие эффект упрочнения.
Горячая деформация (деформация с полным разупрочнением) – деформация, при которой во всем объеме деформированного тела успевают пройти процессы рекристаллизации. При горячей обработке деформированные зерна подвергаются рекристаллизации, а волокна неметаллических включений сохраняют свою форму, то есть деформированный металл приобретает волокнистую макроструктуру. Эта макроструктура сохраняется и при последующей термической обработке, и при дальнейшей обработке давлением, что приводит к анизотропии механических свойств. Анизотропия свойств деформированного тела должна учитываться при конструировании деталей машин и приборов с точки зрения их дальнейшей эксплуатации и выборе технологии их изготовления.
Нагрев металла перед обработкой давлением. Для повышения пластичности и снижения сопротивления деформированию металл необходимо нагреть до температур рекристаллизации. Температура горячей обработки давлением у каждого металла и сплава имеет свои верхний и нижний пределы, образующие так называемый температурный интервал обработки. У различных алюминиевых сплавов, подвергающихся обработке давлением, верхний предел находится между 470ºС и 500ºС, а нижний предел – между 350ºС и 400ºС. Соответственно, у магниевых сплавов верхний предел – между 370ºС и 430ºС, нижний предел – между 300ºС и 350ºС. У медных сплавов верхний предел – между 750С º и 850ºС , нижний предел – между 600ºС и 770ºС. У стали верхний предел – между 1100ºС и 1350ºС , нижний предел – между 700ºС и 950ºС. Эти пределы зависят от химического состава сплава.
Изготовление проката. Прокатка – процесс пластического деформирования заготовки, в результате которого происходит изменение формы заготовки (слитка) – уменьшение толщины (высоты) заготовки при втягивании ее силами трения в зазор между вращающимися валками прокатного стана. Взаимное расположение валков и заготовки, форма и число валков могут быть различными. При этом получают прокат – готовые изделия или заготовки для последующей обработки. Область применения прокатанного металла огромна: непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, станинах машин и т.д.); в качестве заготовок для изготовления деталей в механических цехах и заготовок для последующей ковки и штамповки. В прокат перерабатывают до 80 % всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов и сплавов.
Форма поперечного сечения проката называется профилем. Профиль может быть по длине изделия быть постоянным, либо переменным (периодическим). Совокупность различных профилей и их размеров называют сортаментом. Сортамент проката делится на следующие основные группы: сортовой прокат, листовой прокат, трубы и профили специального назначения.
Сортовой прокат подразделяется на следующие виды: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонный (швеллер, рельс, угловой, тавровые профили и т.д.) (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Основной сортамент проката
а: а – простой геометрической формы; б – фасонный прокат
К специальным видам проката относятся кольца, зубчатые колеса, периодические профили и др. Периодические профили применяют как фасонную заготовку для последующей штамповки и как заготовку под окончательную механическую обработку.
Для изготовления машиностроительных профилей применяют различные виды обработки металлов давлением: прокатку, прессование, волочение, профилирование листового металла.
Исходной заготовкой при прокатке служат слитки.
Процесс прокатки осуществляется на прокатных станах, которые представляют собой технологический комплекс последовательно расположенных машин и агрегатов, предназначенных для пластической деформации металла в валках (собственно прокатки), дальнейшей его обработки и отделки (правки, обрезки кромок, резки на мерные изделия и пр.) и транспортировки. На заготовительных и сортовых станах заготовка последовательно проходит через ряд калибров. Разработку системы последовательных калибров, необходимых для получения того или иного профиля, называют калибровкой. Калибровка является сложным и ответственным процессом. После прокатки профили режут на мерные длины, охлаждают, правят в холодном состоянии, термически обрабатывают, удаляют дефекты. После осмотра и удаления наружных дефектов заготовки мерной длины нагревают в методических печах и прокатывают на сортовых, проволочных и других станах. Основные виды прокатки: продольная, поперечная и поперечно-винтовая (косая).
Поперечно-винтовая прокатка – единственный способ получения шаров с волокном вдоль конфигурации детали, что обеспечивает наряду со способами повышения плотности металла (вакуумирование, непрерывное литье) повышение надежности и длительного срока службы шаров и подшипников в целом.
Прессование – способ обработки давлением, при котором происходит выдавливания металла заготовки из замкнутой полости (контейнера) в другую через отверстие инструмента (матрицы), форма и размеры которого определяют сечение прессуемого изделия.
Профиль выдавливаемого изделия можно получить разнообразной формы. Для прессования используют черные и цветные металлы и сплавы в виде слитков, литых или предварительно деформированных кованых или катаных заготовок диаметром до 500 мм и более и длиной до 1200 мм. Черные металлы и сплавы прессуют в горячем состоянии, цветные – как в горячем, так и в холодном состоянии. При прессовании металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию, и поэтому он должен обладать высокой пластичностью. В этих условиях для прессования металла требуются большие усилия.
Существуют два способа прессования: прямой и обратный. Прямое прессование: перемещение пуансона 3 и истечение металла заготовки 1 через канал матрицы 5 происходят в одном направлении, матрица закреплена в матрицедержателе 6; давление на металлл непосредственно передается пресс-шайбой 4, плотно входящей в полость контейнера 2 (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Схема прямого прессования Рис . 3.7. Профили, получаемые прессованием
Прессованием получают прутки диаметром 3...250 мм, трубы диаметром 20…600 мм с толщиной стенки 1,0…1,5 мм и более, а также изделия из малопластичных, трудноформуемых сталей и сплавов, которые нельзя получить другими способами обработки давлением. Процесс прессования высокопроизводителен и во многих случаях конкурирует с прокаткой.
Прессование выполняют на вертикальных и горизонтальных высокомеханизированных гидравлических прессах усилием до 250 МН.
Волочение – процесс протягивания заготовки (прутка, проволоки) через постепенно сужающееся отверстие деформирующего инструмента, называемого волокой. При волочении площадь поперечного сечения уменьшается, образуя постоянное сечение по всей длине, а увеличивается. Волочение выполняется в холодном состоянии. В тех случаях, когда процесс волочения повторяют многократно, для восстановления пластичности металл, упрочненный волочением, подвергают промежуточному отжигу после одного двух переходов.
Исходными заготовками для волочения служат прокатанные или прессованные прутки и трубы из стали, цветных металлов и их сплавов.
Схема волочения прутка и трубы и примеры профилей, получаемых волочением, представлены на рис. 3.8. Волочение труб можно производить без оправки и на оправке, если требуется уменьшить наружный диаметр и толщину стенки. При этом могут применяться оправки, движущиеся вместе с трубой, жесткозакрепленные оправки (рис. 3.8, б) и плавающие, или самоустанавливающиеся. Волочение на оправках позволяет получить трубы с высокой точностью размеров и качеством внутренней поверхности.
Волочение применяют для получения проволоки диаметром 10...0,002 мм тонкостенных труб, фасонных профилей, а также для калибровки, то есть придания точных размеров и высокого качества поверхности изделий. Разрезкой фасонных профилей получают готовые детали – шпонки, направляющие и т. д.
Рис. 3.8. Схемы волочения прутка (а), трубы (б)
и примеры профилей, получаемых волочением
Волочение производят на барабанных, цепных и гидравлических станах. Барабанные станы служат для волочения проволоки и прутков небольшого диаметра, наматываемых в бунты. Кроме станов для однократного волочения существуют станы для многократного волочения.
Новые конструкции волочильных станов с гидравлической тягой в отличие от цепных работают более плавно и с меньшим числом обрывов заготовок. В настоящее время применяют волочильные доски со вставными фильерами из инструментальных сталей, твердых сплавов, и технических алмазов.
Изготовление поковок. Одним из древнейших методов пластической обработки материалов является ковка. Сущность метода состоит в том, что заготовке придают требуемые формы и размеры путем пластической деформации с помощью универсального инструмента, не ограничивающего течение металла в плоскости, перпендикулярной действию силы.
Процесс ковки состоит из нескольких этапов: нагрева металла; совершения кузнечных операций (как правило, на одном прессе или молоте); первичной термической обработки поковки (отжиг, нормализация и т.п.); контроля качества поковок. Для поковок простой формы число кузнечных операций невелико, и процесс ковки совершается после одного нагрева заготовки.
Ковка – один из наиболее экономичных способов получения высококачественных заготовок в единичном производстве и единственно возможный способ получения заготовок большой массы.
Ковке подвергают различные деформируемые металлы и сплавы, к числу которых относят углеродистые, легированные и высоколегированные стали, жаропрочные сплавы, медь и медные сплавы, титан и его сплавы, а также молибден, вольфрам, ниобий и др. В качестве исходной заготовки для мелких и средних по массе поковок используют блюмы или сортовой прокат круглого, квадратного либо прямоугольного сечения, а для крупных тяжелых поковок – слитки массой до 320 т. Ковка экономически выгодна в индивидуальном и мелкосерийном производстве.
Процесс ковки состоит из чередования в определенной последовательности основных кузнечных операций. К основным операциям машинной ковки относятся осадка (рис. 3.9), протяжка, прошивка, гибка, сварка, скручивание, отрубка и раскатка.
Рис. 3.9. Схема операций осадки (а) и высадки (б):
1, 3 – нижний и верхний боек; 2 – заготовка
В зависимости от марки стали назначают температурный интервал ковки, выбирают режимы нагрева слитка или заготовки и охлаждения поковки, а
также нагревательную печь.
Машинная ковка. Процесс ковки осуществляется на машинах динамического действия – молотах, и машинах статического действия – прессах. Основной характеристикой ковочного молота является масса падающих частей, а пресса – усилие, которое он может развивать. При выборе ковочного оборудования исходят в первую очередь их технологических возможностей этого оборудования. Поковки массой до 150 кг куют преимущественно на ковочных молотах. Поковки массой более 150 кг и до 1000 кг изготавливают как на молотах, так и на прессах. Поковки массой более 1000 кг получают на ковочных прессах.
При ковке на молотах металл деформируется за счет кинетической энергии падающих частей (штока, бабы, верхнего подвижного бойка), накопленной к моменту соударения с заготовкой. Скорость движения рабочего инструмента в момент удара составляет 3...8 м/с, время деформирования – сотые доли секунды. Существуют следующие виды молотов для ковки: пневматические, их используют для ковки мелких поковок; паровоздушные двойного действия, их используют для ковки мелких и средних поковок. Гидравлические ковочные прессы используют для изготовления средних и крупных по массе поковок. На гидравлических ковочных прессах куют поковки из слитков массой до 500 т.
Многие операции при ковке механизированы. Имеются автоматизированные ковочные комплексы, включающие гидропресс, а также ковочные и инструментальные манипуляторы, работающие по заданной программе.
Горячая объемная штамповка – процесс обработки материалов давлением в специальном инструменте – штампе. При штамповке заготовка приобретает заданные форму и размеры путем заполнения материалом рабочей полости штампа. Она обеспечивает достаточно высокую точность размеров и качество поверхности поковок, но ее целесообразно применять при крупносерийном и массовом производстве, так как только тогда оправдаются затраты на дорогостоящие штампы.
Исходные заготовки для штамповки – стальной прокат в виде прутков (обычно круглого, а также квадратного, прямоугольного и других сечений), труб и профилей переменного сечения (периодический прокат), прессованные прутки и труба из бронзы, алюминиевых сплавов и других сплавов с пониженной пластичностью. Для штамповки на автоматах и точной горячей штамповки применяют калиброванный прокат. Наиболее распространена штамповка из мерной заготовки, отрезанной в штампе от прутка, имеющей заданные размеры и массу.
Рис. 3.10. Схема технологического процесса горячей объемной штамповки:
а– резка заготовки на пресс-ножницах;б– нагрев заготовки; в – осадка заготовок;
г– штамповка;д– обрезка облоя и прошивка отверстия;е– очистка поковки от окалины
Технологический процесс изготовления поковок горячей объемной штамповкой (рис. 3.10) в общем случае состоит из следующих основных операций: резки проката на мерные заготовки 1 на пресс-ножницах, нагрева заготовок в электрических или плазменных печах, осадка заготовки 2, штамповке в штампе 3, обрезки облоя (заусенца) и прошивки отверстия, термообработки и очистки поверхности от окалины в дробеметном барабане 4, а также правки и калибровки.
Горячая объемная штамповка подразделяется на различные виды в зависимости от типов штампа, оборудования, исходной заготовки, способа установки заготовки в штампе.
В зависимости от типа штампа: в открытых штампах; в закрытых штампах, в штампах для выдавливания. Перечисленные типы штампов применяются на всех типах оборудования. Вид штампа определяет течение металла, то есть конфигурацию поковки, поэтому данную классификацию поковки можно считать основной.
Открытыми называют штампы, в которых вдоль внешнего контура штамповочного ручья в полости разъема сделана заусенечная канавка. При штамповке она имеет следующее назначение. Во-первых, в нее вытекает избыточный объем металла заготовки. Во-вторых, при соударении верхней и нижней половинок штампа заусенец, находящийся в канавке, предохраняет их от жесткого удара, что способствует продлению срока службы штампа.
Рис. 3.11. Схема заполнения штампа металлом:
а– начальная стадия;б– стадия осадки;в– одновременное течение металла в полость штампа и облой;г– заполенние углов;д– доштамповка
В начальной стадии (рис. 3.11) заготовка 2 подвергается осадке между верхней 1 и нижней 3 частями матрицы, металл одновременно течет в полость штампа и в заусенечную канавку, а облой блокирует по периметру полость штампа и металл заполняет все полости штампа. Последний этап – доштамповка – вытеснение металла из полости штампа в облой.
Закрытыми называют штампы, в которых металл заготовки деформируется в закрытой полости. Для этой штамповки характерны следующие особенности: заготовка должна быть достаточно точной по объему, поскольку заусенец не предусматривается; макроструктура поковок весьма благоприятна, так как процесс формирования поковки в полости штампа протекает так, что волокна обтекают ее контур и после нигде не перерезаются. Расход металла меньше, чем при штамповке в открытых штампах.
Конструкция штампа (рис. 3.12) не предусматривает заусенечную канавку, а зазор между верхней (пуансоном) 1 и нижней (матрицей) 2 частями штампа обеспечивает только их взаимное перемещение. Для удаления поковки 3 из штампа применяется выталкиватель 4.
Штамповка в закрытых штампах позволяет экономить металл и, кроме того, не требует специального оборудования, штампов и рабочей силы для обрезки облоя.
Рис. 3.12. Схема объемной штамповки в закрытом штампе:
1– пуансон;2– матрица;3– поковка;4– выталкиватель
Классификацию методов горячей объемной штамповки можно осуществлять и в зависимости от типа оборудования, на котором они выполняются: на молотах, на кривошипно-штамповочных прессах, на гидравлических прессах, на винтовых прессах и горизонтально-ковочных машинах (ГКМ).
Горизонтально-ковочная машина (ГКМ) предназначена для штамповки поковок типа стержней с утолщением на концах, втулок, колец и т.п. Преимущества перед штамповкой на молотах и прессах – более высокая производительность, возможность штамповки без заусенца, обеспечение хорошей волокнистой макроструктуры. Для штамповки используют сортовой прокат круглого сечения и трубы; штамповку выполняют из штучных заготовок или прутка, при этом каждую поковку отделяют от прутка в штампе.
Проектирование технологического процесса штамповки включает: выбор способа штамповки; составление чертежа поковки; выбор переходов штамповки; определение мощности штамповочного оборудования (массы падающих частей молота или усилия пресса); конструирование штампов; выбор способа и разработку режимов нагрева; определение вида отдельных операций и технико-экономических показателей разработанного пресса.
Чертеж поковки составляют по чертежу готовой детали в такой последовательности: выбирают поверхность разъема штампов, то есть решают вопрос о том, какая часть поковки будет находиться в верхней или нижней частях штампа; по стандарту назначают припуски, допуски, напуски, штамповочные уклоны, радиусы закруглений; указывают основные технические условия на поковку.
Холодную штамповку обычно проводят без предварительного нагрева заготовки. Различают холодную объемную и листовую штамповки. В первом случае заготовкой служит сортовой прокат, а во втором случае – листовой.
Разновидностями холодной объемной штамповки являются холодная высадка, холодное выдавливание и холодная объемная формовка.
Для холодной штамповки крупногабаритных изделий используют гидравлические прессы.
Листовая штамповка – способ изготовления плоских и объемных изделий из листа, полосы, ленты без существенного изменения толщины металла. Листовая штамповка характеризуется высокой производительностью. Обеспечивает точность и стабильность размеров изготавливаемых деталей и позволяет получить значительную экономию металла Операции листовой штамповки можно полностью механизировать и автоматизировать.
Различные фазы процесса изготовления детали, при которых происходит изменение формы заготовки, называется операциями. Все операции листовой штамповки делятся на разделительные, в которых этап пластического деформирования завершается разрушением заготовки, и формообразующие, в которых заготовка в процессе деформирования не разрушается, а только изменяет свою форму. Основные разделительные операции листовой штамповки: отрезка, вырубка, пробивка, проколка, разрезка, надрезка, обрезка, гибка, вытяжка, отбортовка, обжим, раздача, рельефная формовка, закатка.
В качестве инструмента при холодной листовой штамповке используют штампы. Они состоят из блоков деталей и рабочих частей – матриц и пуансонов. Рабочие части непосредственно деформируют заготовку. Детали блока (верхняя и нижняя плиты, направляющие колонки и втулки) служат для опоры, направления и крепления рабочих частей штампа.
На рис. 3.13 представлена схема штампа последовательного действия для пробивки и вырубки. За каждый ход пресса происходит подача заготовки до упора 1, затем пуансон 3 пробивает отверстие в заготовке, а пуансон 2 при следующем ходе пресса производит вырубку детали.
Рис. 3.13. Штамп последовательного действия для пробивки и вырубки: 1– упор;2– пуансон вырубки;3– пуансон пробивки;4– матрица пробивки;5– матрица вырубки