Лабораторная работа № 18 Изучение основных способов обработки материалов

Цель работы: изучить основные способы обработки конструкционных материалов

Основными машиностроительными материалами являются метамы и сплавы — основа тяжелой индустрии, без них ие может развиваться ни одна отрасль народного хозяйства. Однако необходимость рационального использования природных ресурсов привела к созданию конструкционных неметаллических материалов, они находят все возрастающее применение в разных отраслях техники.

Современное развитие техники стимулирует создание новых материалов, свойства которых отвечают техническим требованиям. Так, с принципиально новым классом композиционных материалов ученые связывают дальнейший прогресс промышленности.

В области обработки материалов преимущественное развитие получило литейное производство металлов, пластмасс, керамики с использованием новейших способов переработки, а также обработки давлением и резанием с применением новейших сверхтвердых материалов в качестве инструмента.

К основным способам обработки материалов относятся:

  • • литейное производство;
  • • механическая обработка;
  • • электрическая обработка;

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Литье — один из главнейших методов изготовления изделий в машиностроении, им перерабатывается до 80% всего объема производимого металла. Этот способ сравнительно дешев, позволяет изготавливать полые детали сложной конфигурации, которые ковкой, штамповкой пли другими способами обработки материалов сделать невозможно.

В машиностроении масса литых деталей составляет около 50% массы машин и механизмов, в станкостроении — около 80%. Методом литья получают до 82% изделий из чугуна, до 23% — из стали и 5% — из цветных металлов.

Литье — процесс получения отливок (изделий) из разных расплавленных материалов — металлов, керамики, пластмасс и др., принимающих конфигурацию полости формы и сохраняющих ее после затвердевания. Отливки (изделия, детали) получают несколькими способами.

К способам литейного производства относятся:

литы в песчаные (земляные) формы,

литьё в специальные формы — литьё в оболочковые формы, литьё ио выплавляемым моделям, литьё в кокиль;

литьё с применением внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл — литьё под давлением, литьё иод низким давлением, литьё вакуумным всасыванием, литьё с криста.клизаци-ей под давлением, центробежное литьё, литьё выжиманием;

литьё с непрерывным процессом формирования отливки — непрерывное и полунепрерывное литьё, электрошлаковое литьё;

получение отливок методом направленной кристаллизации — монокристаллическое литьё.

Для литейного производства используют различные материалы: сталь, чугун, цветные мета.лы и их сплавы, полимерные материалы и др.

Материалы, применяемые в литейном производстве должны обладать рядом технологических свойств. Важнейшими свойствами яв.мпотся: жидкотекучесть, усадка, ликвация.

Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять полость стандартной формы (пробы) и точно воспроизводить очертания отливки.

Жидкотекучесть зависит от:

  • а) состава и физико-химических свойств сплава;
  • б) теплофизических свойств формы;
  • в) технологических условий литья.

Наибольшая жидкотекучесть характерна для чистых металлов.

Коэффициентусадки у различных металлов разный:

у чугунов — 1%;

у цветных металлов и их сплавов — 1,5%;

у сталей — 2%;

К продукции литейного производства предъяв.яется ряд требований, которым должна соответствовать отливка. Эти требования можно разделить на две большие группы: общие требования, специальные требования.

К общим требованиям относятся: размерная точность, массовая точность, шероховатость поверхности, механические свойства, качество литого металла.

К специальным требованиям относятся: герметичность, коррозионная стойкость, износостойкость, другие свойства отливок.

Достоинства литейной технологии

  • 1) универсальность, позволяющая получать отливки сложной конфигурации из большой номенклатуры сплавов, широкого диапазона размеров и массы (от нескольких граммов до сотен тонн);
  • 2) экономичность процесса в серийном производстве.

Недостатки процесса литья

  • 1) пониженные пластичность и прочность литой заготовки по сравнению с деталями, полученными методом штамповки;
  • 2) необходимость проведения сложных и дорогостоящих операций по обеспечению техники безопасности и экологической защиты окружающей среды.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Механическая обработка — изменение формы и размеров заготовки с целью придания ей определённых характеристик.

К основным видам механической обработки относятся:

обработка со снятием стружки (обработка резанием);

обработка без снятия стружки;

обработка давлением.

Обработка со снятием стружки (обработка резанием)

Резание — это процесс снятия лишнего материала (припуска) с заготовки режущим инструментом для получения детали с заданными размерами и шероховатостью (качеством поверхности).

Отходом при резании яв.еяется стружка, которая может быть разной (скалывания, надлома, сливной и др.) в зависимости от свойств материала, скорости резания, сечения снимаемого слоя и состояния инструмента: утла резания, заточки, материала режущей кромки и др.

Возможными видами механической обработки материалов резанием являются точение, фрезерование, сверление и строгание (рисунок 18.1)

в г

а — точение; 6 — фрезерование; в — сверление; г - сзрогание;

Рисунок 18.1 — Виды обработки резанием

При точении (рисунок 18.1, а) заготовка вращается на проходной резец, который с заданными подачей и глубиной резания перемещается влево, снимая стружку. Резец, как правило, устанавливают по центру обрабатываемой заготовки.

Фрезерование (рисунок 18.1, 6) выполняется цилиндрической фрезой, которая вращается навстречу подаваемой заготовке.

Сверление (рисунок 18.1, в) осугцеств.шется спиральным сверлом, которое вращается и одновременно опускается в заготовку. Оценивая характер выходящей стружки, можно заключить, что сверло правильно заточено и одновременно работают обе его режущие кромки (для большинства металлов стружка сливная).

Строгание (рисунок 18.1, г) выполняется строгальным резцом, который при движении вперед совершает рабочий ход, а при движении назад — холостой. В этот момент он откидывается, а заготовка перемещается вправо на заданную подачу.

Обработка, без снятия стружки

К обработке без снятия стружки относятся обработки алмазным инструментом и шлифование.

Твердые и хрупкие материалы (стекло, керамику, полупроводниковые материалы) можно резать алмазным инструментом — алмазными отрезными дисками (кругами) и скрайбированием.

Алмазные диски бывают двух типов — с наружной и внутренней режущими кромками.

Алмазные диски с наружной режущей кромкой, шаржированной алмазом, применяют для резки, когда требования к точности невысоки, а стоимость материала, переходящего в отходы, незначительна. Такне диски в зависимости от величины диаметра позволяют резать заготовки толщиной (диаметром) до 30 мм при толщине самого инструмента (металлической основы) 0,5...0,6 мм. Алмазным диском разрезают заготовки при его частоте вращения 2000...3000 мин1 и обильном охлаждении водой пли специальными охлаждающими жидкостями.

Диски 1 (рисунок 18.2) с внутренней режущей кромкой 2, которая шаржирована а.мазом, используют в специальных станках, на которых разрезают твердые хрупкие материалы 3, например слитки полупроводниковых материалов на пластаны диаметром до 150 мм. Толщина отрезаемых пластин 200...300 мкм при такой же ширине реза.

Скрайбирование— это способ разделения тонких и хрупких пластин (например, керамики, ситалла, полупроводников) на отдельные части, состоящий из двух этапов — нанесения на пластине надрезов (рисок, царапин) глубиной 10... 15 мкм алмазным резцом (скрайбером) и последующего разламывания по ним на мягкой опоре при растягивании или прокатке пластины валиком.

— Резание материала диском с внутренней режущей кромкой

Рисунок 18.2 — Резание материала диском с внутренней режущей кромкой

  • 1 — диск;
  • 2 — внутренняя режущая кромка;
  • 3 — твердый хрупкий материал;

Шлифование — это, как правило, финишная операция при изготовлении изделий металлообработкой (резанием). Обычно шлифуют детали, прошедшие термическую обработку, получая при этом заданные размеры и шероховатость. Обработка ведется шлифовальными кругами, в которых резцами служат зерна а.маза, корунда, карборунда, закрепленные связкой. В процессе работы кругл самозатачиваются: сработавшиеся режущие частицы осыпаются, а на смену им обнажаются и вступают в работу новые.

Шлифование выполняется разными способами.

При наружном круглом шлифовании деталь 1 (рисунок 18.3, ар как правило, вращается в центрах и продольно перемещается, а абразивный шлифовальный круг 2 вращается навстречу детали и может подаваться к ней, выполняя начальное врезание на заданную глубину.

При наружном плоском шлифовании плоские поверхности детали 1 (рисунок 18.3, 6) обрабатывают периферийной частью шлифовального круга или его торцом — чашкой 3. Шлифуемая деталь удерживается магнитом стола шлифовального станка, а вращающийся шлифовальный круг может опускаться и подниматься, подача заготовки (детали) осуществляется перемещением сгола станка в двух направлениях.

а

г

а — наружное круглое; 6 — наружное плоское; в — внутреннее;

г — бесцентровое; 1 — деталь; 2 — шлифованный круг; 3 — чашка; 4 — патрон;

5 — шлифовальная головка; 6 — нож; 7 — ведущий круг

Рисунок 18.3 — Разные способы шлифования

Способом внутреннего шлифования обрабатывают сквозные, глухие, ступенчатые цилиндрические и конические отверстия. Шлифуемую деталь 1 (рисунок 18.3, в) закрепляют в патроне 4, вместе с которым она вращается в направлении стрелки. Шлифовальный круг имеет свой привод, с помощью которого он вращается вокруг собственной осн, передвигается вперед-назад и может перемещаться перпендикулярно своей осн вращения для врезания в обрабатываемую деталь. Обычно инструмент для внутреннего шлифования, состоящий из абразивного круга и оправки, называют шлифовальной головкой 5.

Бесцентровое шлифование широко применяют в серийном и массовом производстве для обработки цилиндрических, преимущественно гладких деталей с продольной автоматической подачей. Достоинством бесцентрового шлифования яв.шется большая производительность и высокая стабильность размеров шлифуемых деталей. При шлифовании на бесцентровошлифовальном станке деталь 1 (рисунок 18.3, г), проходя между двумя абразивными кругами — шлифовальным 2 и ведущим 7, опирается на нож 6, причем центр шлифуемой детали находится несколько выше центров кругов. Ведущий круг 7 вращается со скоростью скольжения по обрабатываемой поверхности 10...50 м/мин, а шлифование осугцеств.шется кругом 2, который вращается со скоростью шлифования 30...35 м/с.

11ри всех видах шлифования обрабатываемые детали и шлифовальные круги обязательно охлаждают специальными жидкостями, которыми одновременно удаляются отходы резания и абразивная пыль.

Обработка давлением

Обработка металлов давлением — это технологические процессы формоизменения заготовок без нарушения их сплошности в результате пластической деформации под действием внешних сил.

Примером могут быть прокатка, горячая и холодная штамповка, ковка, экструзия, волочение и др.

Обработка давлением может выполняться в холодном или горячем состоянии. В обоих случаях металл подвергается пластической деформации. При холодной обработке с увеличением степени деформации у металла повышается твердость и прочность, но при этом он хуже деформируется, требуется большее усилие для изменения формы, размеров, меняются свойства обрабатываемого материала.

Прокатка — процесс обработки металлов давлением, при котором нагретый слиток (заготовка) пропускается между валками прокатного стана. После прокатки изменяются форма, структура и механические свойства металла. Химический состав стали существенно влияет на обработку ее давлением в горячем и холодном состояниях.

При прокатке толщина заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается. Фасонный профиль проката получают при прокатке в валках со специальными последовательно уменьшающимися вырезами - ручьях.

Получение разнопрофильного проката имеет своп особенности и выполняется по соответствующей технологии. Методом прокатки изготовляются листы, полосы, фасонный профиль (уголки, швеллеры, балки, рельсы, шпунт и др.), прутки, проволока, трубы и др. На рисунке 18.4 показаны некоторые профили проката.

а, б, в — квадратный, круглый, полосовой; г, д, е — угловой, двутавровый, шве ллерный; ж, з, и, к — железнодорожный и трамвайный рельсы, тавровый, шпун товой; л, м, н — полосы для башмаков тракторных гусениц, для ободьев колес грузовых автомобилей и турбинных лопаток

Рисунок 18.4 — Профили проката

Прокаткой получают и другие изделия, используя соответствующие специфические технологии.

Горячая штамповка — это процесс заполнения формы — штампа нагретым металлом под воздействием кузнечной машины. В зависимости от сложности изготавливаемой детали и принятой технологии горячая штамповка может быть одно- или многоручьевой и соответственно использовать заготовительные и отделочные штампы.

Ковка— способ обработки металлов давлением в нагретом состоянии, при котором инструмент многократно прерывисто ударяет но заготовке, в результате чего она, деформируясь постепенно, приобретает заданные форму и размеры. Ковка в штампах используется в массовом производстве, свободная ковка — в единичном и мелкосерийном. Ковкой изготавливают изделия в окончательном виде, не требующие доделки, пли требующие незначительной доработки, а также заготовки. Основные операции ковки — это осадка, высадка, прошивка, обкатка, гибка, раскатка, протяжка.

Свободная ковка— это процесс последовательного деформирования нагретой заготовки плоскими бойками кузнечной машины с перемещением ее вручную или с помощью механизмов. В результате свободной ковки получают полуфабрикат — поковку с припусками для окончательной обработки, как правило, резанием. Этот способ нерационален и применяется в индивидуальном и мелкосерийном производстве, так как низкопроизводителен, требует доработки поковки, сопровождается значи тельными потерями мета.ла при механической обработке и на угар (2...3% массы металла при первом нагреве и 10... 15% при повторных нагревах).

Достоинствами свободной ковки является возможность последовательного выполнения разных операций — осадки, вытяжки, высадки, гибки, пробивки, прошивки и рубки.

Прессование (экструдирование) — способ обработки металлов давлением, заключающийся в выдавливании метала из замкнутой полости контейнера через канал матрицы, форма и размеры которого определяют сечение (профиль) получаемого изделия.

Конфигурация поперечного сечения профиля может быть сплошной и пустотелой (полой). Наиболее широко в промышленности применяют прессование для получения алюминиевых профилей, их сортамент насчитывает несколько тысяч. Прессуют профили также из стали, магниевых, титановых, медных, никелевых и других сплавов. Выдавливают (прессуют) профили жестким инструментом (пуансоном) или жидкостью высокого давления в процессе гидроэкструзии. В качестве жидкого рабочего тела может быть

Ъолочение — способ обработки метанов давлением, как правило, в холодном состоянии, при котором протягивают длинномерные изделия круглого или фасонного профиля (проволоку, прутки, грубы) через калиброванное отверстие — волоку? (фильеру), площадь выходного сечения отверстия которой меньше площади сечения заготовки.

В результате волочения поперечные размеры заготовок уменьшаются, а длина изделия увеличивается. Для такого способа обработки метанов применяют волочильные станы, в которых, например, проволока может одновременно и последовательно протягиваться через несколько фильер до получения заданного размера. Волочение может быть и однократным.

Волочением изготовляют (кроме проволоки) прутки из ряда материалов разных размеров и профилей с высокой точностью, трубы, а также сложные профили, которые не удается получить другими способами обработки.

Холодная штамповка — один пз наиболее используемых видов обработки давлением, при котором течение металла принудительно ограничивается рабочими поверхностями инструмента (штампа). Этот метод обработки обеспечивает высокую производительность, точность изготовления изделий и применяется в серийном и массовом производстве.

Основные операции изготовления разных изделий холодной штамповкой — это вырубка, обрубка, пробивка отверстий, вытяжка, объемная штамповка и др.

Ъырубка — процесс полного отделения материала по замкнутому контуру от обшей массы. Обрубка и пробивка — операции,

аналогичные вырубке. При вырубке пуансон 1 (рисунок 18.5, а) внедряется в материал 2 иа определенную глубину (первая стадия). Деформация материала с противоположной стороны (со стороны матрицы 3) приводит к образованию его выпуклой формы. При дальнейшем внедрении пуансона в материал начинается образование трещин, в первую очередь от режущих кромок матрицы (трещины 4), затем появляются трещины 5 от режущих кромок пуансона (вторая стадия). При дальнейшем рабочем движении пуансона в матрице трещины от матрицы и пуансона сходятся, и вырубленная деталь отделяется от основной массы материала (третья стадия).

Зазор

а — вырубка; б — вытяжка; 1 — пуансон; 2 — материал; 3 — матрица;

4, 5 — трещины в материале в области режущих кромок матрицы и пуансона

Рисунок 18.5 — Операции холодной штамповки

Ъьгтяжка— операция изготовления из плоской заготовки полых деталей замкнутого контура, открытых с одной стороны. В зависимости от размера и формы деталь может быть изготовлена за одну или несколько вытяжных операций. Как правило, во время первой операции плоскую заготовку вытягивают в полое тело определенного размера, а при проведении последующих операций происходит уменьшение поперечного размера этого тела н увеличение его высоты.

При вытяжке плоская заготовка из материала 2 (рисунок 18.5, 6) втягивается пуансоном 1 в матрицу 3, в результате чего фланец заготовки растягивается в радиальном и сжимается в перпендикулярном радиальному7 направлении. Сжимающие силы могут вызвать образование складок на фланце, поэтому заготовку прижимают к поверхности матрицы складкодержателем.

Толщина материала заготовки при вытяжке сохраняется только в середине дна. В местах перехода от дна к стенкам материал утоняется, а со стороны открытого конца деталь несколько утолщается; естественно, что разрыв вытягиваемых деталей наиболее вероятен в ослабленном сечении

Технологические процессы изготовления металлических деталей штамповкой определяются требованием к качеству изделий, наличием оборудования и оснастки.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

К электрическим относятся электромеханический, электротермический, электрохимический, электрогидравлический и другие методы обработки материалов (в основном металлов).

Электромеханический способ

Электромеханический способ заключается в одновременном электрическом и механическом (электроконтактная обработка) воздействии на обрабатываемый материал или механическом воздействии, возникающем при преобразовании электроэнергии некоторыми физическими методами (ультразвуковая обработка) и др.

Ультразвуковая обработка — воздействие ультразвуком на обрабатываемое изделие. Ультразвуком называют упругие волны с частотой колебаний от 20 кГц до 1 ГГц, которые можно направленно фокусировать в пучки со значительной механической энергией. Использование ультразвука в промышленности значительно интенсифицирует многие процессы обработки различных материалов. Например, с помощью УЗ-воздействия можно получить композиционные сплавы из компонентов, взаимно не растворимых один в другом. Это так называемые литые псевдосплавы.

Анодно-механическая обработка осуществляется при одновременном использовании анодного растворения металла изделия и механического удаления продуктов распада в электролите. Этот способ обработки применяют для резки, обдирки, профильного точения, шлифования, долбления.

Принцип анодно-механической обработки заключается в следующем. Прн прохождении постоянного тока через электролит 3 (рисунок 18.6, а), погруженные в него заготовку (анод) 1, а также через движущийся в электролите катод 4 происходит растворение анода с образованием пленок 2, которые механическим способом (движущимся металлическим катодом) снимаются п удаляются.

Заготовка (анод) 1 (рисунок 18.6, о) разрезается специальным инструментом 5 в виде вращающегося и перемещаемого на заготовку диска, служащего катодом. Процесс резки происходит от источника постоянного тока 6 с непрерывной подачей электролита 3.

а — принцип обработки; 6 — схема установки; 1 — заготовка (анод); 2 — пленка;

  • 3 — электролит; 4 — катод; 5 — инструмент (диск-катод);
  • 6 — источник постоянного тока.

Рисунок 18.6 — Анодно-механическая обработка металлических заготовок

Например, анодно-механическое разрезание стальных заготовок диаметром 10...50 мм обычно ведется на постоянном токе при напряжении на электродах 20...22 В и плотности тока 200...500 А/см, давлении инструмента на заготовку в пределах

0,05...0,2 МПа и скорости перемещения электродов 20...40 м/с. Средой при проведении данной резки являются водные растворы жидкого стекла.

Электротермический способ

Электротермический способ обработки осуществляется полным, частичным или поверхностным нагревом изделий электрическим током индукционным, контактным и другими методами. К этому способу относятся электроэрозиоиная обработка и нагрев металлов в электролите.

Электроэрозионная обработка мета.ла основана на тепловом воздействии на него импульсами электрического тока между электродами, одним из которых яв.яется инструмент — анод, а вторым — обрабатываемая деталь — катод. В результате эрозии (разъедания) металл обрабатываемой детали разрушается. Элек-троэрозпонную обработку подразделяют на электроискровую и электроимпульсную.

При электроискровой обработке на поверхность детали 3 (рисунок 18.7), погруженной, например, в керосин 2, подаются очень короткие искровые разряды от источника питания 4, во время действия которых за счет выделения большого количества теплоты происходят плавление, частичное испарение и взрывоподобный выброс отделенных частиц металла детали. При этом разрушение металла детали происходит по форме, повторяющей форму инструмента 1. Если инструмент, например, шестигранник, то и отверстие в детали будет иметь шестигранную форму. Если же в качестве инструмента использовать проволоку, перематываемую с катушки на катушку при работе, то с ее помощью можно перерезать деталь пли вырезать заданный программой станка профиль, даже если деталь выполнена из твердого сплава.

Электроискровую обработку используют при обработке отверстий и пазов рабочих деталей штампов, прессформ, изготовлении твердосплавных фильер и металлорежущего инструмента. Электроискровую обработку целесообразно применять в тех случаях, когда известными способами резания изготовить изделия невозможно или затруднительно.

  • 1 — инструмент;
  • 2 — керосин;
  • 3 — деталь;
  • 4 — источник питания.

Рисунок 18.7 — Электроискровая обработка металлических деталей

Электроимпульсная обработка основана па использовании униполярных (одного направления) импульсов электрической дуги. При этом формообразующий инструмент является анодом, а обрабатываемая заготовка, — катодом (обратная полярность). От электроискровой этот способ отличается тем, что обработка проводится относительно длинными импульсами тока, получаемыми от машинного импульсного генератора. В результате такой модернизации повысилась производительность и снизился износ инструмента.

Электрохимическая обработка

Электрохимическая обработка — метод одновременного воздействия на обрабатываемую деталь электрического тока и химической реакции. При этом происходит анодное растворение ме-талла детали и переход с поверхности анода — электрода, соединенного с положительным полюсом источника питания, в раствор (электролит). Такую обработку используют для электрополирования, шлифования, удаления заусенцев, очистки, заточки режущего инструмента, прошивания отверстий; полостей, получения фольги и других целей.

Элекгрогидравлический способ

ЭлектрогиЬравлический способ основан на управляемом разрушении или деформации твердых материалов повторяющимися и управляемыми импульсами высоких давлений жидкости, возникающими в ней при импульсном высоковольтном электрическом разряде. Причем мощность и длительность импульсов давления можно регулировать, изменяя параметры источника питания. Такую обработку применяют для штампования, прессования, вытягивания металлических материалов, а также для создания поверхностного упрочнения (наклепа) металлов, их прошивки (сверления, долбления) и других целей.

Последовательность выполнения работы

  • 7. Изучить теоретическую часть и дать ответы на контрольные вопросы 1—2.
  • 2. Дать ответ на контрольный вопрос 3.
  • 3. Изучить теоретическую часть и дать ответы на контрольные вопросы 4—8.

Вопросы для контроля

  • 1. Перечислите основные способы литейного производства.
  • 2. Что такое обработка давлением? Перечислите основные виды обработки давлением.
  • 3. Перечислите основные способы обработки со снятием стружки. И без снятия стружки.
  • 4. Какие виды обработки относят к электрическим?
  • 5. Что такое электроэрозпонная обработка?
  • 6. Каков принцип ультразвуковой обработки?
  • 7. В чем заключается анодно-механическая обработка?
  • 8. В чём заключается электрогидравлический способ обработки?

Олег Николаевич Моисеев Леонид Юрьевич Шевырев Павел Александрович Иванов

под общей редакцией О. Н. Моисеева

Материаловедение

учебное пособие по лабораторным работам

Ответственный редактора. Иванова Корректор М. Глаголева Верстальщик С. Лобанова

11здательство «Директ-Медиа» 117342, Москва, ул. Обручева, 34/63, стр. 1

Тел/факс+ 7 (495) 334-72-11

E-mail: Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script www.biblioclub.ru www.directmedia.ru

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ