Nikitenko
.pdfсоединений типа Меx (CO)y (где Ме–один из металлов), обеспечивающий получение порошков высокой чистоты.
Этим методом получают порошки железа, никеля, кобальта и некоторых других металлов.
Подготовка порошков к формованию. Для получения качественных за-
готовок или деталей порошки предварительно отжигают, разрезают по размерам частиц, смешивают.
Отжиг порошка способствует восстановлению оксидов, удалению углерода и других примесей, а также устранению наклепа, что стабилизирует его свойства и улучшает прессуемость. Отжигу чаще подвергают порошки, полученные механическим измельчением.
Порошки размером более 50 мкм разделяют с помощью набора сит с различным сечением ячеек, а более мелкие – воздушной сепарацией. Конечные свойства порошковых изделий в значительной степени определяются качеством смешивания компонентов шихты. Эта операция обычно осуществляется в специальных смесителях, шаровых или вибрационных мельницах и другими способами.
Вряде случаев в порошковую массу вводят различные технологические наполнители, улучшающие прессуемость порошков (например, раствор каучука
вбензине), обеспечивающие получение заготовок экструдированием (выдавливанием) или их механическую обработку (парафин, воск), получение заготовок литьем (спирт, бензол) и др.
Формование заготовок. Процесс формования заготовок состоит в уплотнении порошка под действием приложенного давления с целью получения из него заготовок определенной формы. Формование осуществляется прессованием, экструдированием, прокаткой.
1.Прессование обычно производится в холодных или горячих прессформах. Крупные заготовки получают гидростатическим способом.
Холодное прессование заключается в следующем. В стальную матрицу пресс-формы с поддоном засыпают определенное количество порошковой шихты и прессуют пуансоном. При этом резко уменьшается контакт между отдельными частицами, происходит механическое их сцепление. Поэтому прочность прессовки повышается, а пористость уменьшается. Недостатком такой схемы прессования является неравномерность распределения давления по высоте заготовки из-за трения ее о стенки матрицы . Поэтому заготовки, полученные в таких пресс-формах, обладают различной прочностью, плотностью по высоте. Таким способом получают заготовки простой формы и небольшой высоты.
Для устранения этого недостатка применяют двустороннее прессование с помощью двух подвижных пуансонов. При такой схеме, кроме того, давление прессования уменьшается на 30–40 %.
Взависимости от требуемой пористости и прочности материала заготовки, а также ее формы давление прессования составляет 0,1–1 ГПа.
191
Горячее прессование совмещает формование и спекание заготовок. Этот процесс осуществляется в графитовых пресс-формах при индукционном или электроконтактном нагреве. Благодаря высокой температуре давление при горячем прессовании можно значительно уменьшить.
Горячее прессование отличается малопроизводительностью, большим расходом пресс-форм, поэтому применяется, главным образом, для получения заготовок из жаропрочных материалов, твердых сплавов, чистых тугоплавких металлов (W, Мо).
Гидростатическое прессование заключается в обжатии порошка, помещенного в эластичную (например, резиновую) оболочку, с помощью жидкости в гидростате под давлением до 2 ГПа. Этот метод позволяет получать крупногабаритные заготовки типа цилиндров и труб с равномерной плотностью по всему объему.
2.Экструдированием называется процесс формования заготовок путем выдавливания шихты через матрицу с отверстием различного сечения. Для этого исходный порошок замешивают с пластификатором (парафином, воском) в количестве, обеспечивающем шихте консистенцию пластилина. Этим способом получают прутки, профили различного сечения. Для получения полых изделий (труб и др.) в матрице располагают соответствующую оправку.
3.Прокатка осуществляется путем обжатия порошковой шихты между горизонтально расположенными валками. Этим способом получают пористые и компактные ленты, полосы и листы толщиной 0,02–3 мм и шириной до 300 мм из железа, никеля, нержавеющей стали, титана и других металлов. Процесс прокатки легко совмещается со спеканием и другими видами обработки. Для этого полученную заготовку пропускают через проходную печь и затем подают на прокачку с целью калибровки.
Прокаткой можно получать и двухслойные заготовки (например, железо – медь). Для этого в бункере необходимо установить перегородку для разделения его на две секции вдоль валков.
Спекание и дополнительная обработка заготовок. Для повышения прочности сформованные из порошков заготовки подвергаются спеканию. Эта операция осуществляется в печах электросопротивления или индукционных с нейтральной или защитной средой в течение 30–90 мин при температуре около 2/3 температуры плавления основного компонента. В процессе спекания происходит восстановление поверхностных оксидов, развиваются диффузионные явления, образуются новые контактные поверхности.
При необходимости повышения точности размеров и уплотнения поверхностного слоя спеченные детали подвергают калиброванию – дополнительному прессованию в стальных пресс-формах или продавливанию прутка через калиброванное отверстие в матрице.
Спеченные заготовки можно обрабатывать резанием: точением, фрезерованием, сверлением. В связи с их пористостью не следует применять смазы- вающе-охлаждающие жидкости, т. к. проникая в поры, могут вызвать внутреннюю коррозию материала. Если выход пор на поверхность необходимо сохра-
192
нить (например, у вкладышей подшипников), обработку спеченных деталей нужно производить хорошо заточенным режущим инструментом.
Спеченные детали из сплавов на основе железа, титана, никеля и других металлов могут также подвергаться различным видам термической или химикотермической обработки.
Технологические основы конструирования спеченных деталей. При конструировании деталей из порошков следует:
–не допускать значительной разностенности, так как вследствие большой усадки может произойти коробление детали;
–избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно к оси прессования;
–избегать острых углов, в местах сопряжения элементов детали типа «фланец – цилиндр» предусматривать закругления радиусом не менее 0,25 мм;
–наружные и внутренние резьбы получать обработкой резанием; толщину стенок детали задавать не менее 1 мм.
Лекция 31. Получение материалов на основе полимерных веществ
Сущность процесса получение материалов на основе полимерных ве-
щест. Синтез полимеров из низкомолекулярных соединений (мономеров) или химическая переработка природных полимеров, придание им требуемых свойств; смешивание полученных полимеров с добавками; доведение полученных смесей (композиций) до состояния удобного для дальнейшей переработки; переработка полимерных композиций в изделия.
Исходные материалы: природные высокомолекулярные соединения, природные или искусственные выкомолекулярные соединения (мономеры), добавки, т. е. компоненты, придающие материалам на основе полимеров требуемые свойства и улучшающие их перерабатываемость, вспомогательные материалы, необходимые для осуществления химических реакций синтеза и выделения полимеров.
Конечные продукты: синтезированные или природные высокомолекулярные соединения (полимеры), композиции на основе полимеров (пластмассы, сырые резиновые смеси, герметики, клеи, лаки и краски), полуфабрикаты, заготовки или готовые детали из природных полимерных материалов или полимерных композиций (пиломатериалы, фанера, картон, бумага, нити, пряжа, ткани, резиновые и резино-тканевые изделия, листы, ленты, пленки, прутки, детали машин).
Получение полимеров. Высокомолекулярные соединения (полимеры) получают из низкомолекулярных соединений (мономеров) или из природных полимерных материалов путем сложных химических, физико-химических или термохимических превращений. Эти превращения осуществляются в реакционных аппаратах (реакторах) различных конструкций. Реакции образования или химического превращения полимеров происходят под действием катализаторов
193
или инициаторов (химических веществ, нагрева, давления, света, гамма-лучей и других воздействий). Исходные компоненты-реакции могут находиться в реакторах в виде газов, расплавов, растворов, эмульсий или суспензий. Готовые полимеры получаются в виде твердой массы, жидкостей, расплавов, растворов, порошков, эмульсий (латексов) и в других состояниях.
Образовавшиеся полимеры отделяют от побочных продуктов реакции, т. е. от непрореагировавших мономеров, растворителей, эмульсионной среды и др. С этой целью полимеры осаждают, центрифугируют, фильтруют, выпаривают, сушат. Полученные твердые полимеры размалывают, превращают в гранулы, таблетируют, т. е. делают удобными для расфасовки, хранения и транспортировки. При получении клеев, лаков, пленок иногда используют растворы полимеров, непосредственно образующиеся в реакторе.
Переработка полимеров в изделия. Синтезированные полимеры в боль-
шинстве случаев обладают недостаточной пластичностью, имеют низкие механические свойства, неустойчивы в обычной и агрессивной средах. Поэтому полимеры смешивают с различными добавками, улучшающими эти свойства и придающими новые специальные свойства. К таким добавкам относятся пластификаторы, наполнители, смазывающие вещества, красители и другие компоненты. Иногда добавки вводят непосредственно в реактор при получении полимеров. В результате получают различные материалы на основе полимеров: пластические массы, сырые резины, герметики, клеи, лаки, краски и другие материалы. Твердые материалы приводят к виду, удобному для хранения, транспортировки и дальнейшей переработки.
Плиты, листы, трубы и сортовые профили из материалов, находящихся в вязкотекучем состоянии, получают прессованием материала между гладкими плитами многоэтажных прессов, продавливанием его через отверстия соответствующей формы или пропусканием через валки. Фасонные изделия прессуют в пресс-формах или впрыскивают в них размягченный материал, формуют изделия раздуванием трубок или рукавов и с помощью центробежных сил.
Изделия из твердых полимерных материалов получают различными методами механической обработки: резкой, распиловкой, разделительной штамповкой, сваркой, ткачеством и другими методами.
Средства технологического оснащения: реакционные аппараты (смоловаренные котлы, автоклавы, трубчатые реакторы, реакторы барабанного типа) дозаторы газообразных и жидких материалов, бункера и дозаторы сыпучих материалов, системы пневмотранспорта и газо-пылеочистки; оборудование для выделения полимеров (центрифуги, фильтры, вакуум-сушильные и отгонные аппараты); смесители для сыпучих и пластических материалов (барабанные, лопастные, червячные, пневматические), мельницы, грануляторы, таблеточные машины, фасовочное оборудование; оборудование для изготовления изделий (гидравлические прессы, червячные машины, термопласт-автоматы, вальцы и каландры, установки для формования изделий из листовых материалов, выдувные машины, лентоотливные машины, пресс-формы и специальная технологи-
194
ческая оснастка); компрессорное оборудование, контрольно-регулирующая и управляющая аппаратура.
Пути повышения эффективности получения материалов на основе полимеров. Основными направлениями совершенствования процессов получения полимеров и материалов на их основе являются интенсификация процессов синтеза, внедрение оборудования непрерывного действия и его укрупнение. Например, при синтезе полимеров создают окислительно-восстановительную реакционную среду, что позволяет проводить полимеризацию при более низких температурах, а, следовательно, сократить расход энергии.
Внедрение червячных смесителей непрерывного действия взамен смесителей периодического действия позволяет в 2–3 раза сократить производственные площади, в 1,5–2 раза уменьшить расход энергии, сократить число рабочих.
Увеличение мощностей и емкостей оборудования позволяет увеличить его производительность с одновременным повышением качества продукции. Внедряются такие технологические процесса, как нанесение гальванических покрытий на пластмассовой детали непосредственно в пресс-форме в процессе их изготовления; противотактный способ литья под давлением, при котором пресс-форма заполняется послойно с двух или более сторон (можно получать комбинированные или многоцветные детали); формообразование деталей методом стереолитографии. Этот способ формообразования основан на осуществлении процесса полимеризации в зоне фокусировки лазерного луча. Луч обходит по команде ЭВМ все точки объема детали, обеспечивая таким образом формирование изделия в среде мономера.
Основными технико-экономическими показателями являются производительность на основных стадиях производства (получение полимеров, приготовление полимерных композиций, изготовление изделий), выход годного, процент и удельный расход энергии.
Получение порошковых, керамических и композиционных материалов.
Получение исходных компонентов (порошков, волокон, нитевидных кристаллов, лент, листов, тканей, матричных материалов); формирование из исходных компонентов промежуточных полуфабрикатов, отличающихся от готовых полуфабрикатов, заготовок и изделий неплотностью структуры материала и несоответствием размеров; придание промежуточным полуфабрикатам конечных размеров и плотной компактной структуры; отделка полученных изделий.
Исходные материалы: порошки, гранулы, волокна, жгуты, ткани, нитевидные кристаллы («усы»), фольга, ленты, листы, слитки или чушки металлов, полимерные смолы; вспомогательные материалы– отвердители, пластификаторы, материалы для покрытий и др.
Конечные продукты: полуфабрикаты, заготовки или готовые изделия.
Особенности получения порошковых, керамических и композиционных материалов. Получение исходных компонентов. Порошкообразные, ис-
ходные компоненты (порошки) чаще всего получают механическим измельче-
195
нием твердых или жидких материалов, т. е. дроблением, размолом или распылением. Другим способом является получение порошков в результате химических реакций и физических процессов, протекающих между твердыми, жидкими и газообразными веществами. Это реакции восстановления, замещения, разложения, процессы конденсации и др.
Волокна получают механическими способами, например, волочением, разрезанием фольги, протягиванием или продавливанием материала через фильеры, растягиванием нитей и физико-химическими методами– намораживанием струи расплава на вращающийся барабан, кристаллизацией из расплавов и растворов, осаждением на нити-подложки.
Исходным компонентом являются ткани и нетканые материалы из волокон, отдельные волокна и жгуты, пропитанные матричным материалом, ленты, полученные напылением матричного материала на волокна. Исходные компоненты из матрицы получают в виде гранул, порошков, фольги, лент, расплавов и полимерных составов. В случае необходимости исходные компоненты подвергают предварительной подготовке: отжигу, нанесению защитных и технологических покрытий и т. д.
Изготовление промежуточных полуфабрикатов. Для порошкообразных исходных компонентов эта стадия заключается в уплотнении порошка с одновременным приданием ему формы изготавливаемой заготовки. С этой целью порошки прессуют в пресс-формах, установках гидро- и изо-статического прессования, прокатывают, экструдируют, отливают из жидких составов (шликеров). В результате получают пористые заготовки с прочностью, достаточной только для удержания принятой формы.
Для композиционных материалов с дисперсными армирующими элементами промежуточные полуфабрикаты получают смешиванием жидких или твердых матричных материалов с волокном или порошком упрочнителя. Порошкообразные полуфабрикаты подвергают таблетированию или брикетированию. Придание формы изделий этим полуфабрикатам производится на следующей стадии– стадии компактирования.
Для получения промежуточных полуфабрикатов из композиционных материалов с волокнистым упрочнителем производят механическую «сборку» материала матрицы и волокна. Для этого равномерно укладывают слои из фольги матрицы и волокон упрочнителя. Применяют также укладку или намотку отдельных волокон, жгутов, лент, тканей с нанесением на них материалом матрицы на вращающиеся оправки. Форма промежуточных полуфабрикатов соответствует форме готовых изделий с учетом неплотности укладки.
Компактирование промежуточных полуфабрикатов. Промежуточные полуфабрикаты из порошкообразных исходных материалов для придания им плотной структуры спекают в печах, иногда с одновременной подпрессовкой.
Полуфабрикаты, полученные сборкой, контактируют прокаткой, прессованием, сваркой и другими способами. Изготовление изделий из полуфабрикатов на основе пластмасс с дисперсным наполнителем производится прессованием в нагретых пресс-формах или заливкой в литейные формы. При этом со-
196
вмещаются процессы образования формы и компактирования. В случае необходимости готовые изделия подвергают отделке– обрезка по контуру, удаление заусенцев, нанесение покрытий, термообработка.
Средства технологического оснащения: аппараты и установки для получения порошков и волокон физико-химическими методами; дробилки, мельницы для получения порошкообразных компонентов; ткацкие машины и машины для плетения пространственных армированных структур; установки для плазменного напыления и для нанесения на все волокна матричных материалов; раскроечные, укладочные и намоточно-пропиточные машины для получения волокнистых композиций; смесители; механические и гидравлические прессы, прокатные станки автоклавы, установки для гидростатического и изостатического прессования и другое оборудование для компактирования промежуточных полуфабрикатов; печи; оборудование для отделки и механической обработки; пресс-формы и специальная технологическая оснастка; контрольнорегулирующая и управляющая аппаратура.
Для получения порошков из твердых материалов применяется оборудование, работающее по принципу механического раздавливания (дробилки и мельницы различных конструкций). В установках для получения порошков из жидких материалов струя жидкости распыляется воздухом, паром, водой или падением на твердую поверхность.
Волокна получают на прокатных и волочильных станах, вытягиванием через фильеры, растягиванием нитей. Для получения порошков и волокон фи- зико-химическими методами применяются в основном реакционные аппараты. Для нанесения матричного материала на волокна, жгуты, ленты применяют установки плазменного напыления и другое специальное оборудование.
Обобщенным показателем процесса получения материалов этого класса является их себестоимость. В целом она выше стоимости традиционных материалов, однако это перекрывается эффектом их применения. Так, замена 50 % материала вертолета на композиционные материалы в 2–3 раза снижает
трудоемкость, во столько же раз увеличивается ресурс работы, на 25–30 % снижается вес.
Для прессования порошков применяют универсальное деформирующее оборудование (механические, гидравлические гидростатические и изостатические прессы, прокатные станы). К специальному оборудованию относятся многокоординатные машины с ЧПУ для выкладки раскроенных тканых элементов и лент, машины для послойной укладки матрицы и упрочнителя и другое оборудование.
Для компактирования сборных полуфабрикаты используются механические и гидравлические прессы, прокатные станки –экструдеры, установки диффузионной сварки, штамповочное оборудование, автоклавы, нагревательные печи. К специализированному оборудованию относятся установки для изостатического и гидростатического прессования, для уплотнения взрывом, установки контактно-вакуумного штампования и др.
197
Совершенствование технологических процессов получения этих материалов ведется в направлении повышения качества получаемых изделий и увеличения производительности на всех операциях. С этой целью разрабатываются и внедряются процессы получения ультратонких порошков с размером частиц несколько нанометров. Например, это процессы разложения материалов в кратере лазерной плазмы, получение порошков распылением растворов, содержащих материал порошка. Уменьшением размеров частиц армирующего материала со 100 до 20 нм удается повысить прочность композиционных материалов в 5 раз. Производительность механических способов получения порошков значительно повышается при внедрении измельчителей с высокой энергией мелющих тел. В этих мельницах возможно получение композиционных порошков, состоящих из тонкой смеси различных материалов.
В процессах компактирования внедряются высокоэнергетические процессы прессования, в частности ударно-волновое уплотнение с давлением на фронте волны 6,5 ГПа, что позволяет получить формовки с плотностью до 99 %. Разработаны процессы электроспекания и микроволнового спекания,
обеспечивающие сохранение изделии исходной мелкозернистой структуры и снижение времени спекание в 10–50 раз.
Раздел 7. Технологические процессы сборки
Глава 12.Особенности технологического процесса сборки
Лекция 32. Содержание процесса сборки и структуры сборочных единиц. Контроль в машиностроении
Сущность содержания процесса сборки и структура сборочных еди-
ниц: установка в требуемое положение и соединение готовых деталей, узлов, агрегатов в определенной последовательности, в результате чего получают готовое изделие, машину или механизм, полностью отвечающие заданным требованиям в соответствии с их служебным назначением.
Исходные предметы труда: элементы конструкции сборочной единицы (детали, узлы, агрегаты, болты, шайбы, гайки, винты, заклепки и т. п.).
Конечный предмет труда: сборочная единица, включающая все входящие элементы конструкции, соединенные в соответствии со сборочным чертежом.
Особенности технологического процесса сборки. Сборные изделия от-
личаются большим разнообразием служебного назначения, обеспечиваемого использованием различных физических эффектов и явлений – механических, гидравлических, аэродинамических, электромагнитных, электрических, оптических, электронных и т. п., это и определяет разнообразие конструктивнотехнологических свойств сборочных единиц и входящих в них элементов конструкции, влияющих на содержание технологического процесса сборки.
198
Сложность структуры – состава и взаимосвязи элементов конструкции сборного изделия – определяет иерархический характер технологического процесса сборки, отображаемый в виде схемы сборки изделия. Основными структурными компонентами технологического процесса сборки изделия являются этапы и сборочные операции. Этап есть законченная часть технологического процесса сборки изделия или его составной части, выделяемая в соответствии со схемой сборки. Сборочная операция, как и в других технологических процессах машиностроительного производства, является основным структурным элементом технологического процесса, соответствующим определенному изменению свойств предмета труда с использованием конкретного физического, химического или иного эффекта и определенных средств технологического оснащения.
Применительно к отдельному входящему элементу конструкции сборочной единицы основные операции сборки разделяются на этапы установки и соединения. Этап установки включает в себя перемещение элемента конструкции и базирование, обеспечивающее с заданной точностью требуемое положение устанавливаемого элемента относительно других элементов конструкции сборочной единицы.
Этап соединения включает в себя операции, связанные с образованием контуров соединений, заданных в конструкторской документации. Конкретное содержание операций соединения зависит от вида соединений, применяемых средств технологического оснащения, уровня механизации и автоматизации, организации производства и т. п.; классификация видов соединений определяется по целостности и подвижности составных частей, форме соединяемых поверхностей и методам образования соединений.
Методы образования соединений разделяются в зависимости от наличия или отсутствия специальных соединительных элементов конструкции. При отсутствии таких элементов соединение осуществляется по сопрягаемым поверхностям. К таким соединениям относятся шлицевые, прессовые, термоусаженные и т. п. соединения.
Наибольшим разнообразием отличаются методы образования соединений с использованием специальных соединительных элементов – болтов, винтов, заклепок, шпилек и т. п. К этой же группе относятся клиновые, шпоночные, штифтовые и другие соединения. Для выполнения таких соединений предварительно необходимы операции образования контуров для постановки соединительных элементов. Например, в болтовых, винтовых и заклепочных соединениях необходимо образовать отверстия для постановки болтов, винтов и заклепок, нарезать резьбу (для винтов), обработать гнезда для потайных головок болтов, винтов или заклепок и т. д.
В сварных, паяных и клееных соединениях соединительным элементом является сварной, паяный или клеевой шов.
Для выполнения таких соединений предварительно необходимы операции обработки кромок, механической и химической очистки соединяемых поверхностей в зоне соединительного шва.
199
Классификация видов сборки определяется объектом сборки, стадией и организацией производства сборочных работ, последовательностью сборки, точностью сборки, механизацией и автоматизацией работ, подвижностью объекта сборки в процессе выполнения сборочных работ.
Объектом сборки является сборочная единица – составная часть изделия или изделие в целом. Сборочные единицы относятся к различным иерархическим уровням членения изделия – к агрегатам (секциям, отсекам) или узлам. Сборочная единица n-го порядка (уровня) собирается на n-м этапе процесса сборки.
Стадия сборки характеризует процесс сборки по степени его законченности, а организация производства характеризует сборку изделия или его составных частей в различных условиях организации выполнения технологического процесса сборки.
Последовательность сборки характеризует очередность (порядок) выполнения этапов и операций сборки, а также возможность их выполнения строго поочередно или одновременно (параллельно).
Точность сборки характеризует процесс сборки по методу достижения точности замыкающего звена сборочной размерной цепи, определяющей качественные показатели, обусловленные служебным назначением изделия.
Механизация и автоматизация сборочных работ характеризует процесс сборки в зависимости от степени замены ручного труда машинным.
Подвижность объекта сборки отражает возможность перемещения сборочной единицы с одного рабочего места на другое в процессе сборки.
Основные контуры сборочной единицы. Все конструктивно-
технологические свойства сборочной единицы описываются как контуры. Понятие контура используется как для описания собственно свойств, так и для описания составных частей конструкции изделия, если эти части не рассматриваются как самостоятельные объекты (например, контуры стыков и разъемов, контуры сварных или заклепочных швов и т. п.). По природе описываемых свойств контуры разделяются на геометрические, физические, химические и биологические. По их роли в производстве и эксплуатации изделия контуры разделяются на функциональные, технологические и технико-экономические.
Геометрические контуры характеризуют форму и взаимное расположение в пространстве объектов и их поверхностей. Физические контуры характеризуют массу, прочность, механические, электрические и другие физические свойства объекта. Химические характеризуют химический состав и свойства материалов конструкции, а биологические контуры характеризуют взаимосвязь материала и биологических объектов.
Функциональными называются контуры, связанные со служебным назначением элементов конструкции в процессе эксплуатации изделия. Функциональные контуры разделяются на основные, непосредственно определяющие служебные функции изделия, и вспомогательные, обеспечивающие существование основных контуров. Все другие контуры изделия, не влияющие на выполнение служебного назначения, называются свободными.
200