Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Бийский технологический институт (филиал)
государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова»
В.Н. Беляев, А.М. Фирсов
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Учебное пособие к выполнению лабораторных работ по курсу «Технологические процессы в машиностроении», «Технология конструкционных материалов», «Технология и организация производства продукции и услуг» для студентов специальности 151001 «Технология машиностроения», 160302 «Ракетные двигатели», 170104 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем», 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования», 220501 «Управление качеством»
Бийск
Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова
2009
УДК 621.7, 621.9
Б43
Разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом ВПО 2000 г. для направления подготовки 151001, 160302, 170104, 190603, 220501 на основе учебно-методических комплексов «Технологические процессы в машиностроении», «Технология конструкционных материалов», «Технология и организация производства продукции и услуг»
Рецензенты:
доктор технических наук Г.С. Игонин
кандидат технических наук К.Н. Падюков;
Работа подготовлена на кафедре металлорежущих станков и инструментов
Беляев В.Н., Фирсов А.М.
Лабораторный практикум: учебное пособие/ В.Н. Беляев, А.М. Фирсов. – Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. – 104 с.
Учебное пособие предназначено для студентов ВУЗов специальностей 151001, 160302, 170104, 190603, 220501 для выполнения лабораторных работ в рамках курсов «Технологические процессы в машиностроении», «Технология конструкционных материалов», «Технология и организация производства продукции и услуг». Содержит описание лабораторных работ по литейному производству, сварке, обработке металлов давлением и резанием. Изложены теоретические основы, методические указанию по выполнению работ, дано описание оборудования и приборов.
Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» Бийского технологического института
Протокол № от 2009 г
|
© БТИ АлтГТУ, 2009 |
Учебное издание
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА (4 часа)
Изучение технологии литейного производства и проектирование литейной формы для изготовления отливки.
а) изучить принципы проектирования и получения литейной формы;
б) ознакомится с технологией литейного производства;
в) спроектировать эскиз литейной формы по заданному чертежу детали;
г) оформить отчёт о проделанной работе.
Для работы необходимы: линейка, карандаш, чертежи деталей.
1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ
Изготовление деталей машин и других изделий способом литья называется литейным производством, а изделия, полученные этим способом, называются отливками.
Литьё- получение отливок путём заливки расплавленных материалов в литейную форму.
Литейное производство — это изготовление разнообразных металлических изделий путем заливки расплавленного металла в форму, где он затвердевает. Оно является одним из важнейших производств в машиностроении. Изготовление литых деталей в машиностроении составляет 60—80% всех видов технологических процессов. Способ получения деталей отливкой является более дешевым по сравнению с ковкой и штамповкой. Литьем изготовляют детали очень сложной конфигурации, в особенности полые, которые нельзя изготовить ковкой, штамповкой или иной механической обработкой из прокатанного или из прессованного материала. Вес литых деталей не ограничен — от нескольких грамм до сотен тонн.
Точность размеров, шероховатость поверхности и свойства отливки зависят от качества литейной формы и литейных свойств заливаемого металла. Основными литейными свойствами сплавов, которые необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии изготовления отливок, являются жидкотекучесть, усадка и ликвация — неоднородность различных частей отливки по химическому составу.
От жидкотекучести сплава зависит выбор толщин стенок и возможная степень сложности отливки. Чем больше жидкотекучесть сплава, тем тоньше может быть стенка отливки.
Усадкой называют уменьшение объема и линейных размеров металлов и сплавов при затвердевании. Линейная усадка может вызывать коробление и образование трещин в отливке. Объемная усадка приводит к появлению усадочной пористости и раковин.
Затвердевание расплавленного металла начинается у поверхности формы и распространяется в перпендикулярном к ней направлении. Поэтому при выборе оптимальной конструкции детали необходимо учитывать расположение кристаллов в отливке. На рисунке 1 показаны правильная и неправильная конструкции детали. При сопряжении поверхностей под углом вследствие неравномерной кристаллизации и неблагоприятного расположения кристаллов в отливке возникают внутренние напряжения и трещины. Поэтому в местах переходов от одной поверхности к другой необходимо предусматривать радиусы закруглений. Минимальный радиус закругления в сопряжениях двух стенок определяется выражением:
,
где и — толщины стенок, мм;
К— коэффициент, равный 3 при литье в песчано-глинистые и оболочковые формы и равный 5 при кокильном литье.
Рисунок 1– Направления кристаллизации при правильной (а) и неправильной (б) конструкции детали
При литье под давлением и по выплавляемым моделям радиус закругления R принимают равным 0,8— 1,0 мм. Радиусы на внешних кромках можно принять в два раза меньшим R. Переходы между стенками различной толщины должны быть плавными (рисунок 2) и соответствовать соотношению:
,
где L — длина переходной части.
а — недопустимый; б — удовлетворительный; в — хороший
Рисунок 2 – Переходы от толстой к тонкой стенке отливки
При охлаждении отливки по мере увеличения толщины слоя затвердевшего металла, уменьшается скорость кристаллизации и увеличивается крупнозернистость структуры, что ухудшает механические свойства отливки.
Для создания равномерной мелкозернистой структуры необходимо предусматривать в отливках по возможности одинаковую толщину стенок. При выборе минимальной толщины необходимо учитывать жидкотекучесть заливаемого сплава, температуру заливки, теплопроводность материала формы.
В таблице 1 приведены рекомендуемые толщины стенок отливок и минимальные диаметры отверстий в отливках для различных методов литья.
Глубокие отверстия (L>3d) в отливках делать не рекомендуется. При необходимости их выполняют с перемычкой.
Таблица 1 – Рекомендуемые толщины стенок и минимальные диаметры отверстий отливок
|
Вид литья |
Толщина стенки отливки, мм |
Минимальный диаметр отверстия, мм |
|
|
средняя |
минимальная |
||
|
В песчано-глинистые формы В оболочковые формы По выплавляемым моделям В кокиль Под давлением |
7—10 5-10 2—3 4—8 2—4 |
4,0 2,5 0,3 2,0 0,6 |
10,0 10,0 5,0 10,0 1,5 |
При литье сплавов, склонных к ликвации и имеющих большую усадку, конструкция отливки и технология литья должны обеспечивать направленное затвердевание отливки — снизу вверх. В этом случае усадочная раковина и ликвирующие примеси концентрируются в прибыли.
На необрабатываемых поверхностях отливок, перпендикулярных к плоскости разъема, необходимо предусматривать уклоны или конусность в пределах 0010'—30 в зависимости от метода литья. Внешние поверхности отливки должны иметь по возможности прямолинейные очертания, чтобы обеспечить извлечение модели из формы без устройства отъемных частей и не усложнял конструкцию и технологию изготовления формы.
2 ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ
Шихтовыми материалами для получения литейных сплавов служат технически чистые металлы, лигатуры, лом и возврат собственного производства (литники, прибыли, бракованные отливки). Лигатуры применяют для введения в литейный сплав тугоплавких металлов и легко испаряющихся и окисляющихся элементов. Для изоляции расплавленного металла от атмосферы печи и для рафинирования в шихту вводят флюсы.
Лигатура – вспомогательные сплавы, применяемые для введения в жидкий металл легирующих элементов.
Плавильными агрегатами для получения жидкого металла служат главным образом электрические печи — дуговые, индукционные и электропечи сопротивления.
Для получения большого количества расплавленного металла применяют электродуговые печи и электрические печи сопротивления ванного типа. На рисунке 3 приведена схема электропечи сопротивления. Электропечи сопротивления обычно имеют емкость 0,5—3,0 т и используются для выплавки алюминиевых и цинковых сплавов. Недостатком этих печей является невозможность вести плавку под флюсом и рафинировать жидкий металл продувкой.
Тигельные электропечи сопротивления имеют меньшую емкость и позволяют вести плавку под флюсом и осуществлять рафинирование расплава. На рисунке 4 показана схема раздаточной тигельной электропечи для плавки алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов.
Электроиндукционный нагрев осуществляется в индукционных канальных печах с железным сердечником и тигельных бессердечниковых печах. В печах с железным сердечником имеются 1—3 узких кольцевых вертикальных подовых канала, охватывающих сердечник и первичную обмотку трансформатора (рисунок 5). Перед плавкой подовые каналы заливают расплавленным металлом, который играет роль вторичной обмотки. При подведении к первичной обмотке переменного тока промышленной частоты в жидком металле подовых колец возникает индукционный ток, электрическая энергия которого превращается в тепловую. Тепло металла подовых колец передается шихтовым материалам. Канальные индукционные печи широко применяют при производстве отливок из медных сплавов (латуни, бронзы, томпака и др.), а также некоторых алюминиевых сплавов. Недостатком индукционных печей с железным сердечником является необходимость оставлять при разливке часть металла в подовых кольцах в жидком состоянии для замыкания вторичного контура. Это затрудняет смену марки сплава, усложняет эксплуатацию и приводит к повышенному расходу электроэнергии на 1 т выплавленного металла.
1 — загрузочное окно; 2 — ванна с расплавленным металлом; 3 — электронагреватели
Рисунок 3 – Электрическая печь сопротивления ванного типа
Наиболее удобны для эксплуатации тигельные бессердечниковые индукционные высокочастотные и низкочастотные печи. Тигель находится внутри многовиткового индуктора из медной или алюминиевой трубки. Индуктор изолирован от тигля огнеупорной футеровкой. При сливе металла печь поворачивают вокруг горизонтальной оси. Метод плавки в высокочастотных индукционных бессердечниковых печах является универсальным и используется для плавки черных и цветных металлов и сплавов высокого качества. Плавку можно вести в открытой атмосфере, в среде защитного газа (рисунок 6) и в вакууме.
1 — термопара; 2 — крышка; 3 — электрические нагреватели;
4 — тигель; 5 — вытяжной зонт
Рисунок 4 – Электрическая тигельная печь сопротивления
1 – сердечник; 2 – подовый канал
Рисунок 5 – Схема индукционной печи с железным сердечником
Заливаемый в литейную форму расплав должен быть достаточно нагрет для хорошего заполнения формы. Вместе с тем чрезмерно высокая температура заливки обусловливает крупнозернистость структуры отливки, повышенное содержание газов в металле, снижение механических свойств и ухудшение качества поверхности отливки. Оптимальная температура заливки алюминиевых сплавов составляет 700—750° С магниевых 715—740° С, оловянистых и алюминиевых бронз 1130—1250° С При заливке магниевых сплавов струю металла опыливают порошком серы во избежание окисления и возгорания на воздухе.
3 ФОРМОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Формовочные материалы должны обладать, главным образом, огнеупорностью, газопроницаемостью, прочностью и пластичностью.
Огнеупорностью формовочного материала называется способность его не сплавляться и не спекаться при соприкосновении с расплавленным металлом. Наиболее доступным и дешевым формовочным материалом является кварцевый песок (SiO2), достаточно огнеупорный для отливки самых тугоплавких металлов и сплавов. Из примесей, сопровождающих кварцевой песок, особенно нежелательны щелочи, которые, действуя на него как флюсы, образуют легкоплавкие соединения (силикаты), пригорающие к отливке и затрудняющие ее очистку. При плавке чугуна и бронзы вредные примеси в кварцевом песке не должны превышать 5…7 %, а для стали 1,5…2 %.
Газопроницаемостью формовочного материала называется его способность пропускать газы. При плохой газопроницаемости формовочной земли в отливке могут образоваться газовые раковины (обычно сферической формы) и вызвать брак отливки. Раковины обнаруживаются во время последующей механической обработки отливки при снятии верхнего слоя металла. Газопроницаемость формовочной земли зависит от ее пористости между отдельными зернами песка, от формы и величины этих зерен, от их однородности и от количества в ней глины и влаги.
Песок с округленными зернами обладает большей газопроницаемостью, нежели песок с остроугольными зернами. Мелкие зерна, располагаясь между крупными, также уменьшают газопроницаемость смеси, снижая пористость и создавая мелкие извилистые каналы, затрудняющие выход газов. Глина, имея чрезвычайно мелкие зерна, закупоривает поры. Излишек воды также закупоривает поры и, кроме того, испаряясь при соприкосновении с залитым в форму горячим металлом, увеличивает количество газов, которые должны пройти через стенки формы.
Прочность формовочной смеси заключается в способности сохранять приданную ей форму под действием внешних усилий (сотрясений, удара струи жидкого металла, статического давления залитого в форму металла, давление газов, выделяющихся из формы и металла при заливке, давления от усадки металла и т.д.).
Прочность формовочной смеси возрастает при повышении содержания влаги до определенного предела. При дальнейшем повышении количества влаги прочность понижается. При наличии в формовочном песке примеси глины («жирный песок») прочность повышается. «Жирный песок» требует большего содержания влаги, чем песок с малым содержанием глины («тощий песок»). Чем мельче зерно песка и чем угловатее его форма, тем больше прочность формовочной смеси. Тонкая связующая прослойка глины между отдельными зернами песка достигается тщательным и продолжительным перемешиванием песка с глиной
Пластичностью формовочной смеси называется способность легко воспринимать и точно сохранять форму модели. Пластичность особенно необходима при изготовлении художественных и сложных отливок для воспроизведения мельчайших подробностей модели и сохранения отпечатков их во время заливки формы металлом. Чем мельче зерна песка и чем равномернее они окружены прослойкой глины, тем лучше они заполняют мельчайшие детали поверхности модели и сохраняют форму. При излишней влажности связующая глина разжижается, и пластичность резко снижается.
4 ДЕФЕКТЫ ЛИТЬЯ И ИХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. РАКОВИНЫ
Наиболее частым видом литейного брака являются всевозможные раковины. Они являются большей частью только в процессе механической обработки отливок.
Раковины бывают газовые, усадочные (рыхлость и пористость), песочные, шлаковые.
4.1 Раковины газовые.
Отличительными признаками газовых раковин являются сферические или округленные пустоты с гладкой блестящей (у закрытых) или окисленной (у открытых) поверхностью, расположенные или снаружи отливки, или внутри нее.
Газовые раковины, образовавшиеся за счет плохого качества металла, чаще всего имеют малые размеры и разбросаны по всей массе отливки. Газовые раковины, образовавшиеся за счёт дефектов формы и неправильной технологии заливки, концентрируются чаще всего на отдельных определенных участках формы и находятся на небольшой глубине от поверхности отливки или стержня.
4.1.1 Причины образования.
4.1.1.1 Выделение газов из металла вследствие уменьшения pастворимости их в металле при его кристаллизации. Пузырьки газа стремятся всплыть на поверхность, часть их не успевает уйти за пределы отливки и остается в ней в виде газовых раковин.
4.1.1.2 Конструкция формы с такими поверхностями, которые затрудняют удаление скопившихся газов. Это вызывает образование раковин на поверхности отливки.
4.1.1.3 Плохая газопроницаемость формовочной смеси, в частности для стержней, при большом газообразовании.
4.1.1.4 Неудачный состав переплавляемой шихты, загрязненной ржавчиной, серой, водородом, исходным металлом, уже насыщенным газом, замасленной стружкой, а также присутствие в шихте влаги и чрезмерное содержание серы в коксе, в нефти (в мазуте) и в сланцевом масле, если они служат топливом.
4.1.1.5 Неправильное ведение плавки, вызывающее насыщение металла газом в процессе плавки, если металл плохо раскислен.
4.1.1.6 Слишком большая скорость заливки форм. Когда скорость заполнения формы металлом больше скорости отвода из нее газов, оставшиеся газы вызывают в отливках образование газовых раковин. Чем меньше скорость заливки, тем больше остается времени для удаления газов и воздуха через поры и вентиляционные каналы формы. При этом отпадает опасность прохождения газов через жидкий металл.
4.1.1.7 Неудачный способ заполнения формы — заливка прерывающейся струей. При быстрой заливке металла в форму сверху образуются брызги; они окисляются и при отливке чугуна и стали могут вызвать появление раковин за счет выделения окиси углерода при восстановлении окислов железа углеродом. Алюминиевая бронза и алюминиевые сплавы при заливке форм сверху вспениваются. Это также вызывает в отливке газовые раковины.
4.1.1.8 Недостаточное сечение или неправильное расположение выпора.
4.1.1.9 Насыщение чугуна в вагранке газами при избыточном количестве влаги в воздухе, подаваемом в вагранку.
4.1.1.10 Недостаточно горячий металл может содержать газовые пузыри, не успевающие выделиться при охлаждении металла.
4.1.1.11 Разливка металла в плохо высушенный и недостаточно нагретый ковш. Носок ковша должен быть особенно хорошо высушен перед разливкой.
4.1.1.12 Излишняя влажность формовочной смеси в отдельных местах, если форму приходится исправлять после выемки модели.
4.1.1.13 Чрезмерное уплотнение земли и заглаживание формы, уменьшающие газопроницаемость.
4.1.1.14 Ржавая поверхность холодильников и кокилей, которая при соприкосновении с жидким чугуном реагирует с углеродом металла, образуя окись углерода (СО).
3.1.1.15 Неправильная конструкция литниковой системы, при которой возможно засасывание воздуха или неспокойное поступление металла в форму, разрыв струи, образование вихрей и неправильное вентилирование газов из стержней (направленное вниз или навстречу поступающему в форму жидкому металлу).
4.1.1.16 Заливка струей с большой высоты, когда происходит засасывание воздуха, вспенивание и разбрызгивание металла (с образованием «корольков»).
4.1.1.17 Газы, выделяющиеся вследствие химической реакции в самом металле. Сернистый газ (SO2) обычно вступает в реакцию с медью, образуя закись меди (Си2О) и сернистую медь (Cu2S):
SO2 + 6Cu Cu2S + 2Cu2O.
Реакция эта, однако, может идти в обоих направлениях, в зависимости от концентрации участвующих веществ. От взаимодействия сернистой меди с закисью меди может выделяться сернистый газ, нерастворимый в металле и дающий крупные пузыри. Такие случаи нередко имеют место в заводской практике и особенно опасны при разливке красной меди. На рисунке 6 изображен разрезанный слиток меди массой около 3 кг, забракованный из-за газовых раковин внутри слитка, вызвавших его «рост».
Рисунок 6 – Газовые раковины в красной меди
Мелкие газовые пузырьки могут получиться на поверхности отливки из бронзы с примесью свинца. Это газовая пористость происходит при окрашивании формы краской, содержащей графит. Окислы свинца в бронзе восстанавливаются графитом с выделением окиси углерода на поверхности отливки, соприкасающейся с графитовой краской.
При замене графита тальком (3MgO-4SiO2-H2O) источком газовой пористости может явиться кристаллизационная вода, выделение которой при температуре бронзы, залитой форму, вызывает повышенную пористость на поверхности отливки. Предварительное прокаливание талька до температуры 1000 °С обеспечивает удаление кристаллизационной воды. Тогда газовой пористости на поверхности отливки не получится.
4.2 Раковины усадочные (рыхлость и пористость)
4.2.1 Отличительные признаки
Усадочные раковины имеют вид углублений и пустот неправильной формы, образующихся в тех местах отливки, где металл затвердевает в последнюю очередь. Иногда вместо концентрированных усадочных раковин наблюдается местная рыхлость и пористость, вследствие которой отливки не выдерживают давления при гидравлическом испытании и бракуются.
4.2.2 Причины образования
Основной причиной образования усадочных раковин является уменьшение объема металла при затвердевании и дальнейшем охлаждении. Размер усадочных раковин зависит от степени (величины) усадки и от температуры заливки метала в форму (высокая температура заливки увеличивает объем усадочных раковин), а также от конструкции и размеров отливки и от скорости заполнения формы.
4.2.3 Меры предупреждения
В тех частях отливок, где следует ожидать образования раковин, в формах устраивают соответствующие прибыли, из которых в период усадки отливка питается жидким металлом. Металл в прибыли должен затвердевать в последнюю очередь. Для устранения пористости применяют холодильники, ускоряющие затвердевание металла в соответствующих зонах (рисунок 7).
1— холодильник; 2 — усадочная рыхлость
Рисунок 7 – Постановка холодильника во избежание усадочной раковины
4.3 Раковины песочные
4.3.1 Отличительные признаки
Песочные раковины — это закрытые или открытые раковины неправильной формы в различных частях отливки, заполненные частично или полностью формовочным материалом (рисунок 8).
Рисунок 8 – Песочные раковины
4.3.2 Причины образования
Образование песочных раковин вызывают следующие причины.
4.3.2.1 Повреждение песочной формы при извлечении из нее модели и при сборке формы (накладывании верхней опоки).
4.3.2.2 Разрушение частей формы струей металла при заполнении формы.
4.3.2.3 Размывание металлом слабо набитых мест формы или пережженных в сушиле.
4.3.2.4 Механическое засорение готовой формы.
4.3.2.5 Неправильные формовочные уклоны модели.
4.3.2.6 Отсутствие галтелей (закруглений в углах модели) необходимой величины (вследствие чего земля с углов осыпается).
4.3.2.7 Несоответствие размеров и конструкций опоки размерам модели (в тесной опоке тонкий слой земляной формы может осыпаться от удара струи жидкого металла).
4.3.2.8 Применение неисправных опок, вызывающих повреждение формы.
4.3.2.9 Неудовлетворительное качество формовочных материалов, разрушаемых в форме металлом.
3.3.2.10 Неравномерное уплотнение в форме формовочной смеси.
4.4 Раковины шлаковые
4.4.1 Отличительные признаки.
Шлаковые раковины имеют неправильную форму и шероховатую поверхность. Полость раковины бывает заполнена шлаком полностью или частично.
Размеры, количество и расположение шлаковых раковин разнообразны и зависят от причин, вызвавших их образование.
4.4.2 Причины образования
Основной причиной образования шлаковых раковин является попадание шлака в форму вместе с металлом при заливке вследствие:
а) плохой очистки металла от шлака;
б) недостаточного заполнения литниковой чаши во время заливки;
в) неправильной литниковой системы;
г) недостаточной жидкотекучести металла;
д) перерыва струи металла при заливке.
4.4.2 Меры предупреждения
Для борьбы со шлаковыми раковинами необходимо обеспечить повышенную температуру при плавлении металла с целью увеличить его жидкотекучесть и понизить вязкость, а также улучшить условия всплывания шлака при выдерживании металла в ковше перед заливкой. Шлак необходимо счищать с поверхности металла счищалками. Для облегчения снятия жидкий шлак следует присыпать чистым сухим песком, который делает его более густым.
5 БОРЬБА С БРАКОМ В ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХАХ
5.1 Предупреждение брака
Литейный брак приносит огромнейший ущерб даже при условии использования забракованного литья в качестве шихтового возврата.
Этот ущерб велик, особенно, если учесть потери дефицитного цветного металла. Только понимание сущности производства может помочь при всех условиях находить истинную причину брака и пути его устранения. Глубокое понимание технологии дает возможность изменять устаревшие способы производства и вводить новые.
Борьба с браком может быть успешной только в том случае, когда выявлены причины его и найдены способы устранения брака.
Способы снижения брака в литейном производстве следующие:
а) тщательное контролирование исходных материалов (шихты, формовочных земель и других видов сырья);
б) выбор правильной технологии (формовки, плавки заливки и т. д.);
в) детальный инструктаж исполнителей с применением авторегулировки и контрольной аппаратуры (пирометров и пр.);
г) строгая технологическая и организационная дисциплина;
д) правильная организация технического контроля отливок;
е) тщательный анализ и изучение видов и предполагаемых причин брака;
ж) широкое внедрение различных методов исправления дефектов отливок;
з) совместная работа литейщиков и конструкторов, так как литейный брак нередко зарождается еще на столе конструктора.
5.2 Способы исправления литейного брака
Во многих литейных цехах существуют специальные отделы для исправления литейного брака, когда такое исправление технически и экономически целесообразно и не отражается на качестве изделий. Способы исправления литейного брака следующие.
5.2.1 Небольшая течь отливки, обнаруженная при испытании гидравлическим давлением, устраняется путем заварки, термической обработки (отжигом), пропитки под давлением бакелитовым лаком с последующей термической обработкой при температуре до 150…180 °С или запрессовкой в поры растворов различных веществ.
5.2.2 Заделка мелких трещин и раковин путем нанесения металла с помощью аппарата ЛК-2 или другого.
5.2.3 Газовая или электродуговая заварка пороков отливки после удаления дефектной части металла. Этот способ в последнее время применяется чаще других.
6 СПОСОБЫ ЛИТЬЯ
Литье в кокиль – получение фасонных отливок в металлической многократно используемой форме (кокиле). Наиболее эффективно при изготовлении отливок из цветных металлов и сплавов (алюминиевых, магниевых и т.п.)
Литье в оболочковые формы (литьё в корковые формы) – получение фасонных металлических отливок в разовых литейных формах, изготовленных из смеси кварцевого песка и фенолформальдегидной смолы.
Литьё по выплавляемым моделям – получение фасонных металлических отливок в неразъёмных оболочках из мелкозернистого огнеупорного материала. Рабочая полость образуется после выплавления из оболочки модели (из парафина, стеарина и т.п.). Возможность получения сложных отливок с высокой точностью.
Литьё под давлением – получение отливок в форме, в которую расплавленный материал (металл, пластмасса, резиновая смесь и т.п.) поступает под давлением, а после затвердевания приобретает конфигурацию внутренней полости формы. Применяется главным образом для получения сложных изделий с высокой точностью..
7 ПРАВИЛА КОНСТРУИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ
Конструктор отливок должен учитывать процесс образования структуры при затвердевании отливки, процесс усадки, внутренние напряжения, основные приемы формовки, способы заливки и приемы очистки литья и т. п. При конструировании модели необходимо стремиться к получению отливки с минимальными внутренними напряжениями. Конструктор моделей отливок должен избегать острых углов, так как в них преимущественно и концентрируются рыхлость и усадочные раковины. Углы необходимо округлять, обеспечивая равномерное остывание.
Нужно модель сконструировать так, чтобы толщина стенок отливки оказалась равномерной, и чтобы конструкция отливки обеспечивала возможность питания металлом наиболее горячих мест, создавая направленное затвердевание отливки. Для сплавов, обладающих большой усадкой (сталь, белый чугун, алюминиевая бронза и др.), это требование имеет особенное значение.
Достижение равномерного затвердевания и последующего охлаждения отливки является основным условием уменьшения брака и основной задачей для борьбы с вредными напряжениями в отливке.
Очертания, размеры и толщина стенок отливки должны подбираться так, чтобы полностью была исключена возможность получения брака по вине неудачной конструкции.
Изготовление сложных цельных моделей (не составных) очень дорого. Такие модели осложняют формовку и увеличивают вероятность получения брака. Дальнейшая механическая обработка сложных отливок бывает обычно затруднительна.
Составная конструкция значительно упрощает изготовление модели. Она облегчает формовку и последующую отливку и обработку на станках, т. е. снижает себестоимость изделия. Поэтому конструктор должен учитывать не только назначение отливки, но и возможность более легкой установки ее на станках для механической обработки. Для этого он в соответствующих местах предусматривает выступы или приливы.
8 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
8.1 Изучить методические рекомендации, ознакомиться с основными свойствами литейных сплавов, формовочной смеси, видами дефектов отливок.
8.2 Получить чертеж детали. Спроектировать эскиз литейной формы.
8.3 Произвести осмотр реальной отливки и классифицировать дефекты литья.
8.4 Оформить отчёт о проделанной работе.
9 Форма отчёта по лабораторной работе №1
Отчёт по лабораторной работе №1
– Изображение эскиза детали.
– Изображение эскиза литейной формы.
– Изображение детали с дефектами поверхности и их описание.
10 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что представляет собой жидкотекучесть литейного сплава?
2. Что представляет собой ликвация литейного сплава?
3. Что представляет собой усадка литейного сплава?
4. Что представляет собой огнеупорность формовочной смеси?
5. Что представляет собой прочность формовочной смеси?
6. Что представляет собой газопроницаемость формовочной смеси?
7. Что представляет собой пластичность формовочной смеси?
8. Отличительные признаки газовых раковин.
9. Причины образования газовых раковин.
10. Отличительные признаки усадочных раковин.
11. Причины образования усадочных раковин.
12. Меры предупреждения усадочных раковин.
13. Отличительные признаки песочных раковин.
14. Причины образования песочных раковин.
15. Отличительные признаки шлаковых раковин.
16. Причины образования шлаковых раковин.
17. Меры предупреждения шлаковых раковин.
18. Способы снижения брака в литейном производстве.
19. Способы исправления литейного брака.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ (4 часа)
Изучение процесса сварки деталей, технологии сварочного производства и оценки качества сварного шва.
Для работы необходимы: линейка, карандаш, сварочный трансформатор, образец сварного соединения, мел, приборы для приготовления мелового раствора, керосин.
1 ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ СВАРКИ
Сущность технологического процесса сварки металлов состоит в получении неразъемного соединения путем создания условий для межатомного взаимодействия и возникновения прочных металлических связей между атомами поверхностных слоев свариваемых деталей. Для осуществления межатомного взаимодействия необходимо, чтобы атомы свариваемых поверхностей находились в пределах действия межатомных сил, т. е. на расстояниях, соизмеримых с параметрами кристаллических решеток металлов. Необходимое сближение частиц соединяемых поверхностей достигается воздействием на металлы в зоне сварки тепловой или механической энергии. В зависимости от этого сварочные процессы условно делят на способы сварки плавлением и способы сварки давлением.
При сварке металлов плавлением кромки соединяемых заготовок и присадочный материал при помощи внешнего источника тепла нагреваются до расплавления и вследствие повышенной подвижности атомов металлов в жидком состоянии образуют общую сварочную ванну. После охлаждения и кристаллизации расплава в зоне сварки остается сварной шов, прочно соединяющий свариваемые поверхности деталей
При сварке давлением соединение двух поверхностей свариваемых заготовок происходит при совместной пластической деформации в результате приложения внешних усилий. Сварку высокопластичных металлов осуществляют без нагрева зоны сварки (холодная сварка); в остальных случаях сварку давлением ведут с подогревом металла до пластического состояния или до оплавления. В процессе деформации в месте контакта поверхностные неровности сминаются, окисные пленки разрушаются и выдавливаются из зоны сварки; осуществляется плотный контакт между очищенными поверхностями заготовок. Пограничные зерна измельчаются и частично взаимно перемешиваются, между частицами материала возникает межатомное взаимодействие. Основными методами сварки давлением являются контактная сварка, диффузионная, ультразвуковая, газопрессовая, сварка трением, холодная сварка.
На качество сварки существенно влияет степень чистоты свариваемых поверхностей и металла сварочной ванны. Присутствие окисных пленок и других загрязнений затрудняет взаимопроникновение свариваемых металлов и приводит к понижению прочности сварного соединения. Для защиты металла в процессе сварки от окисления и газопоглощения сварку электрической дугой производят под слоем флюса, в среде инертных газов, в водороде и вакууме. При ручной дуговой сварке используют также электроды, покрытые защитными шлакообразующими обмазками.
2 ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА
В качестве источника тепла при дуговой электросварке используется электрическая дуга, представляющая собой электрический разряд между двумя электродами в газообразной среде, сопровождающийся большим выделением тепла и лучеиспусканием. Для возникновения дугового разряда необходимо ионизировать газовый промежуток между электродами потому, что при обычных условиях газы, в том числе и воздух, не проводят электричества. Для получения электрической дуги один полюс сварочной машины соединяется со свариваемым изделием, а другой с электродом; при соприкосновении электрода с изделием в месте контакта выделяется большое количество тепла, расплавляющего как кромки изделия, так и металлический электрод. Разогретый электрод отводят на 2—3 мм от изделия, расплавленный конец электрода будет излучать электроны, которые, пролетая с большой скоростью сквозь воздушный промежуток, расщепляют атомы окружающего воздуха на положительно и отрицательно заряженные частицы, так называемые ионы; ионизированный воздух обеспечивает устойчивое горение электрической дуги. Отрицательные ионы при ударе анода выделяют на нем большее количество тепла, чем положительные ионы, ударяющиеся о катод. Поэтому и температура анода выше чем на катоде. Электрическая дуга является мощным источником тепла температура дуги — 4000—5000°.
Источниками питания для дуговой сварки служат сварочные трансформаторы переменного тока и сварочные генераторы постоянного, тока или выпрямители. При сварке на постоянном токе дуга горит более устойчиво, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях и, кроме того, имеется возможность вести сварку на прямой или на обратной полярности. Переменный ток менее предпочтителен в технологическом отношении, но сварочные трансформаторы (рисунок 9) проще в эксплуатации и имеют более высокий коэффициент полезного действия, чем генераторы постоянного тока.
1-трансформатор, 2-регулятор
Рисунок 9 – Схема сварочного трансформатора с отдельным
регулятором
Электроды для дуговой сварки разделяют на плавящиеся и неплавящиеся. При сварке плавящимися электродами сварной шов образуется в результате оплавления основного металла деталей и металлического электрода в виде стержней или проволоки, химический состав которой выбирают близким составу свариваемого металла. В качестве неплавящихся электродов применяют угольные, графитовые и вольфрамовые стержни. В этом случае для образования сварочной ванны и шва в дугу необходимо подавать присадочную проволоку.
3 АРГОНО-ДУГОВАЯ СВАРКА
При аргоно-дуговой сварке электрод, дугу и сварочную ванну изолируют от воздействия атмосферного воздуха непрерывным потоком газообразного аргона. Аргон из баллона через редуктор подают в сварочную горелку. Горелка имеет вмонтированный электрод и кольцевой канал. Поступающий по кольцевому каналу аргон окружает электрод и дугу концентричной струей, создавая в зоне сварки защитную газовую оболочку (рисунок 10).
При аргоно-дуговой сварке отпадает необходимость в применении защитных флюсов или электродов с обмазкой. Сварочный шов получается чистый, свободный от шлака. Высокая плотность тока обеспечивает высокую концентрацию тепла, что способствует уменьшению коробления изделия. Сварка может производиться в любых пространственных положениях. В процессе сварки можно наблюдать за открытой дугой.
При аргоно-дуговой сварке используют неплавящиеся вольфрамовые электроды диаметром 1,5—6 мм и плавящуюся электродную проволоку диаметром 0,5— 2,0 мм. Расход аргона 2—18 л/мин.
Аргоно-дуговую сварку плавящимся электродом ведут главным образом постоянным током при обратной полярности. Катодное распыление металла детали и бомбардировка поверхности сварочной ванны положительными ионами разрушают окисные и нитридные пленки и другие загрязнения свариваемых поверхностей. Это улучшает качество сварки активных металлов и обеспечивает более высокую производительность.
1 — мундштук; 2 — канал для подачи аргона; 3— электрод;
4 — дуга; 5 — изделие; 6 — присадочная проволока
Рисунок 10 – Дуговая сварка в защитной среде
Катодное распыление – разрушение поверхности твёрдого тела при бомбардировке его ионами.
Аргоно-дуговая сварка плавящимся электродом может быть использована для соединения практически всех сталей и цветных металлов.
4 ДУГОВАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ
Дуговую резку металлов можно производить угольным и металлическим электродами путем выплавления расплавленного металла дугой в месте реза.
Резку угольным электродом производят постоянным током. При резке угольным электродом получаются неровные края, натеки, большая ширина реза и т. д., поэтому она применяется (при отсутствии кислородной резки) при разборке старых металлоконструкций, удалении литников и прибылей в отливках.
При помощи металлического электрода можно подвергать резке металл толщиной до 20 мм. Но и этот способ резки нельзя считать экономически выгодным, так как он дает малую производительность и требует большого расхода электродов. Поверхность реза в этом случае получается неудовлетворительного качества, как и при резке угольным электродом.
5 ГАЗОВАЯ СВАРКА
Газовой сваркой называется процесс соединения двух, деталей, при которой нагрев и расплавление кромок этих деталей происходит под действием тепла кислородно-газового пламени.
Газовая сварка применяется при сварке изделий из стали небольших толщин, цветных металлов и сплавов, при сварке чугуна, при выполнении сложных ремонтных работ.
При газовой сварке в качестве горючих применяются в смеси с кислородом ацетилен, водород, природные газы (метан), коксовые и другие газы, а также пары керосина и бензина.
Кислород — газ, не имеющий запаха, вкуса и цвета, не относится к числу горючих газов, но активно поддерживает горение.
Процесс горения газов заключается в соединении их с кислородом; горение в кислороде характеризуется образованием яркого пламени, обладающего высокой температурой. Кислород вступает в химическое соединение с металлами и их сплавами. При температуре —183° кислород превращается в прозрачную, голубую жидкость. При испарении 1 л жидкого кислорода образуется 790 л газообразного. Это обстоятельство используют для дешевой транспортировки кислорода. Газообразный кислород перевозят в стальных баллонах. Баллон емкостью 40 л содержит 6 м3 газообразного кислорода под давлением 150 ат. Кислородные баллоны окрашивают в синий цвет.
Ацетилен. Для газовой сварки широко применяется ацетилен. Он выделяет наибольшее количество тепла и развивает наибольшую температуру при сгорании в кислороде (3100—32000С).
Ацетилен (С2Н2) — газ, представляющий собой химическое соединение двух веществ — углерода и водорода; имеет резкий неприятный запах. Ацетилен получается из карбида кальция при действии воды по реакции:
СаС2 + 2Н2О = Са (ОН) 2 + С2Н2 + 30,4 ккал/моль. |
При этом выделяется большое количество тепла.
Карбид кальция получается из извести и угля путем сплавления их в электропечах. При разложении 1 кг карбида кальция получается 250—300 л ацетилена.
Ацетилен образуется в специальных аппаратах — ацетиленовых генераторах.
Пары бензина и керосина, применяемые в качестве горючих газов при газовой сварке, отличаются вредностью и способностью взрываться в смеси с воздухом. Поэтому при работе с бензином и керосином нужно соблюдать меры предосторожности. Температура бензино-кислородного пламени 2400—25000С, керосино-кислородного — 2200—2300°С.
Заменители ацетилена при газовой сварке и резке. Для газовой сварки применяются дешевые горючие газы: коксовый, природный, метан и др.
Температура сгорания коксового газа в кислороде 1800-2000°. Стоимость коксового газа значительно ниже стоимости ацетилена. Применение коксового газа ограничивается, как правило, теми заводами, на которых он производится.
В связи с большими разработками месторождений природного газа и сооружений магистральных трубопроводов для передачи этого газа в промышленные центры страны, значительное применение для газовой резки находит природный газ.
Природный газ состоит в основном из метана (95%) с большой примесью азота (до 3%) и различных углеводород.
Метан представляет собой соединение углерода с водородом. Температура пламени при сгорании метана в кислороде 1900— 2000°. «Нефтяные газы»—отходы, получаемые при перегонке нефти. Нефтяной газ при сгорании в кислороде дает пламя с температурой 2300—2400°.
Наиболее полноценным заменителем ацетилена при газовой резко является водород, при помощи которого можно производить резку металла больших толщин (до 1000 мм). Водород получается из воды путем электролиза. В качестве горючего при резке могут быть также применены газы; псевдобутилен — отход при производстве синтетического каучука; генераторный газ, получающийся в больших количествах на металлургических заводах, и др.
6 КОНТАКТНАЯ СВАРКА
Особенность - контактной сварки в том, что сварка происходит в результате механического давления на металл, нагретый до пластического состояния. Контактная сварка обеспечивает высокое качество сварных соединений, так как окислы и шлаки при сварке выдавливаются наружу.
Вторая особенность контактной сварки — быстрота процесса, высокая производительность, требующая применения машин с большой электрической мощностью.
Контактная сварка широко применяется в промышленности, в самолетостроении, инструментальном деле и других важнейших отраслях.
При контактной сварке нагрев свариваемых изделий производится теплом, выделяемым при прохождении электрического тока по свариваемым изделиям и в контакте между ними. Применяемые при контактной сварке большие силы тока (десятки и сотни тысяч ампер) обеспечивают быстрый напрев изделия в месте сварки, а приложенное давление дает прочное соединение. Длительность сварки — доли секунды. Контактная сварка может производиться переменным током частотой 50 Гц, аккумулированной энергией, накапливаемой в конденсаторах или других устройствах, а также импульсами постоянного тока. Разновидностями контактной сварки являются стыковая, точечная и роликовая сварки.
Стыковой сваркой соединяют детали по всей площади соприкосновения (рисунок 11). Различают три метода стыковой сварки: сопротивлением, непрерывным оплавлением и прерывистым оплавлением.
1-первичная цепь трансформатора; 2-вторичная цепь
трансформатора
Рисунок 11 – Схема стыковой сварки
При сварке сопротивлением электрический ток пропускают через предварительно сжатые заготовки. После разогрева их в месте контакта до пластического состояния заготовки дополнительно сжимаются и производится осадка их на необходимую величину. Затем электрический ток выключается. Свариваемые торцы заготовок перед сваркой тщательно очищаются от окисных пленок и обеспечивается плотное их прилегание. Попадание окислов между контактирующими поверхностями снижает качество сварки.
Сварка непрерывным оплавлением производится следующим образом. Торцы свариваемых заготовок сближают до соприкосновения при включенном сварочном токе. Неплотный контакт заготовок обусловливавает высокое сопротивление электрическому току. На торцах заготовок возникают искровые разряды и происходит быстрый нагрев и оплавление торцовых поверхностей. После оплавления всего сечения заготовки быстро осаживаются. Расплавленный металл вытесняется из зазора и образуется сварное соединение по всей площади касания заготовок. По сравнению со сваркой сопротивлением сварка непрерывным оплавлением более производительна и позволяет свариваемые торцы заготовок обрабатывать менее тщательно. Недостатком является значительное разбрызгивание и угар металла.
При сварке прерывистым оплавлением нагрев до оплавления всего сечения выполняют путем периодического замыкания и размыкания сварочного контура с последующей осадкой заготовок. Размыкание достигается либо периодическим выключением тока, либо механическим разведением свариваемых заготовок на небольшое расстояние. При такой сварке требуется меньшая мощность машин, но увеличивается расход металла вследствие его угара.
Стыковую сварку применяют для соединения стали, медных и алюминиевых сплавов, некоторых сплавов титана. Сваривают и разнородные металлы: сталь с медью, латунь с медью и др.
Соединение листовых заготовок производят точечной и шовной сваркой. В зависимости от расположения электродов точечная сварка может бить двусторонней или односторонней.
При двусторонней сварке (рисунок 12 а) заготовки накладывают друг на друга и зажимают стержневыми металлическими электродами, по которым пропускают сварочный ток. Режим сварки подбирают таким образом, чтобы металл в зоне контакта — в месте наибольшего сопротивления электрической цепи — нагревался до плавления. После осадки и охлаждения в месте контакта образуется литая сварная точка. Односторонняя сварка (рисунок 12 6) осуществляется двумя электродами, расположенными со стороны одной из свариваемых заготовок. Электрический ток, разогревающий металл в точках сварки, замыкается между электродами через вторую (нижнюю) заготовку и нижнюю медную пластину, которая подкладывается для увеличения тока, протекающего через нижнюю заготовку.
Операции точечной сварки производятся в определенной последовательности: сдавливание свариваемых заготовок, включение электрического тока, выдержка в течение определенного времени, выключение тока, увеличение и последующее снятие усилия сжатия. При нарушении последовательности операций качество сварки резко снижается. Диаметр сварной точки зависит от диаметра электрода, величины сварочного тока и продолжительности разогрева при сварке. Практически размер точки по ширине составляет 1,0—1,2 диаметра электрода, который обычно выбирается на 3—4 мм больше суммарной толщины свариваемых заготовок. Свариваемые поверхности заготовок должны быть очищены от окислов.
1,2 – заготовки; 3- подкладка
Рисунок 12 – Схема двусторонней (а) и односторонней (б)
точечной сварки
Рисунок 13 – Точечная сварка арматуры
Режим точечной сварки определяется удельным давлением в зоне сварки, плотностью тока и временем одного цикла сварки.
Точечной двусторонней сваркой сваривают внахлестку две, три и даже четыре заготовки. Сварные точки располагают друг от друга на расстоянии, примерно равном 2,5 диаметра электрода.
Точечную сварку используют для соединения заготовок одинаковой и различной толщины в пределах от 0,001 до 5 мм (рисунок 13).
Роликовая (шовная) сварка обеспечивает получение прочноплотного шва в форме сплошного ряда последовательно расположенных сварных точек. Такой шов получается при помощи вращающихся роликов, к которым подведен сварочный ток и приложено усилие сжатия. Как и точечная, роликовая сварка может быть односторонней и двусторонней (рисунок 14).
а –двусторонняя, б – односторонней
Рисунок 14 – Схема шовной сварки
Роликовую сварку широко используют в тех случаях, когда при изготовлении различных конструкций из листового материала толщиной 0,3—3 мм требуется обеспечить высокую герметичность сварного соединения. На рисунок 15 показаны наиболее характерные типы сварных соединений, выполняемых роликовой сваркой.
Рисунок 15 – Примеры соединений, выполняемых
шовной сваркой
7 ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА
В настоящее время целесообразно из дуговой сварки выделить плазменную сварку, которая, наряду с общими признаками, имеет отличия от дуговой сварки. В плазменной сварке основным источником энергии для нагрева материала служит плазма — значительно ионизированный и нагретый газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны.
Плазма представляет собой смесь электрически нейтральных молекул газа и электрически заряженных частиц, электронов и положительных ионов, иногда еще и тяжелых отрицательных ионов. Наличие электрически заряженных частиц делает плазму чувствительной к воздействию электрических полей. Плазма электропроводна, и при действии электрических полей в ней возникают электрические токи. При высоких степенях ионизации электропроводность плазмы может быть очень высокой. Токи в плазме могут отклоняться под действием магнитных полей. Ускорения, сообщаемые заряженным частицам действием электрических и магнитных полей путем соударений, передаются нейтральным частицам газа, и весь объем плазмы может получать направленное движение, образуя струю (или поток) или факел горячего газа. Электрические поля, воздействуя на плазму, передают энергию заряженным частицам, а через них и всей плазме и могут повышать ее температуру примерно до 20 000—30 000° С.
Технологически струя плазмы близка к газосварочному пламени, отличаясь более высокой температурой. Плазменной струей или факелом можно осуществлять различные виды обработки: сварку, резку, напыление, пайку, термообработку и т. д., причем можно обрабатывать как металл, так и неметаллические материалы — стекла, керамику и пр.
Плазменная сварка сжатой дугой состоит в том, что сечение плазменной струи уменьшается по сравнению со свободной струей под действием магнитных полей, обдуванием потоками газа или распыленной жидкости, пропусканием струи через сопло. Данный способ является наиболее важным и распространенным (рисунок 16).
В дуге между неплавящимся электродом 1 и нагреваемым изделием 4 располагается сопло 2, представляющее собой металлическую или графитную пластинку с калиброванным отверстием-каналом, через которое проходит плазменная струя 3, образуемая дуговым разрядом. Дуга может быть прямого действия (замкнут контакт 5, разомкнут 6), косвенного действия (замкнут 6, разомкнут 5) и смешанного действия (замкнуты контакты 5 и 6). При замыкании контакта 6 ток идет через сопротивление 7.
Рисунок 16 – Сварка и резка сжатой дугой
Обычно для плазменной сварки используют горелку, часто называемую плазматроном (рисунок 17). В горелку подается одновременно два независимых потока 1 — плазмообразующий и 2 — защитный. В обоих потоках может быть один и тот же газ, например аргон; могут быть и разные газы, например 1 — аргон и 2 — азот + водород. Поток 2 подает газ для образования плазмы; расход и скорость газа небольшие. С увеличением скорости газа усиливается расплавляющее действие плазменной струи и глубина расплавления основного металла. При значительном увеличении скорости газа расплавление металла может стать сквозным, металл выдувается из ванны и процесс сварки может перейти в резку металла.
Внешний поток 2 защищает сварочную ванну и зону сварки от воздействия атмосферного воздуха; кроме того, он обжимает плазменную струю за пределами сопла и может придавать ей цилиндрическую или коническую форму. Свободная струя, вышедшая из сопла, постепенно расширяется по мере удаления от среза сопла. Поток 2 в случае дуги косвенного действия может сводить конец факела на острие, что иногда целесообразно технологически, поэтому защитный поток 2 называют также формирующим или фокусирующим.
Рисунок 17 – Плазменная сварочная горелка
Плазменная сварка имеет промышленное применение обычно как автоматическая или полуавтоматическая, причем автоматы и полуавтоматы для дуговой сварки легко могут быть приспособлены для плазменной с соответствующей заменой горелки. К преимуществам плазменной сварки можно отнести повышение производительности, уменьшение расхода присадочного металла, расширение возможности стыковой сварки металла без скоса кромок (толщиной до 15 мм) или с уменьшением разделки, малую чувствительность к колебаниям длины дуги, устранение включений вольфрама в наплавленном металле. При значительных толщинах металла возможна многослойная сварка. Сварку можно вести и на вертикальной поверхности. Струя плазмы отличается большой жесткостью и устойчивостью. Плазменная сварка с дугой косвенного действия пригодна не только для металлов, но и для неэлектропроводных материалов (стекла, керамика и т.п.). Для сварки особо малых толщин металла, от десятков микрон до 1 мм, мелких и мельчайших деталей успешно используется разновидность плазменной сварки, известная под названием микроплазменная сварка, или сварка игольчатой дугой, потому, что здесь струя плазмы диаметром 1,5—2 мм, заканчивается острием. Токи применяются 0,1 —10 а, расход газа 10—30 л/ч, диаметр сопла 0,8 мм. Формирующий газ придает плазменной струе форму иглы.
8 ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА
Процессы плазменной сварки и резки отличаются лишь величиной отдельных параметров. Если увеличить ток в плазменной сварочной горелке и поток газа, то плазменная струя будет проплавлять насквозь металл небольшой толщины и процесс сварки перейдет в процесс резки, что иногда используется на практике.
Рисунок 18 Плазмотрон для резки
Горелка для плазменной резки, или плазменный резак, в настоящее время чаще называется плазмотроном.
Плазмотрон для резки отличается от плазменной сварочной горелки размерами, большей электрической мощностью, большим расходом газа, обязательным водяным ох расходом газа, обязательным водяным охлаждением. Наиболее существенные части плазмотрона — электрод и сопло для выхода газа, образующего плазменную струю (рисунок 18). Раньше материалом электрода служил исключительно вольфрам. В отдельных конструкциях плазмотронов были попытки применять электроды угольные (графитные) и водоохлаждаемые медные, но значительного применения они не получили. С 1966 г. началось применение для электродов металла циркония.
На рисунке 19 представлена схема стабилизации дуги.
а-концентрическая; б-вихревая
1-защитный газ; 2-рабочий газ
Рисунок 19 – Схема стабилизации дуги
9 ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА
Основное затруднение при осуществлении плазменной сварки на обычном атмосферном воздухе состояло в создании электрода, стойкого при нагреве в воздухе. Система двойного газа оказывалась слишком сложной и требовала дефицитных газов, хотя и в меньшем количестве.
Появление циркониевого электрода в корне изменило вопрос о газах для плазменной резки. Цирконий имеет не очень высокую температуру плавления, около 1900° С и большое химическое сродство к кислороду и азоту, — он активно соединяется с ними, образуя весьма тугоплавкий окисел и нитриды. Нагретый окисел на поверхности электрода проводит ток дуги и в то же время защищает металл от дальнейшего окисления. Появилась реальная возможность использования атмосферного воздуха для плазменной резки.
При плазменной резке углеродистых сталей наряду с очень высоким качеством реза обеспечивается и высокая производительность резки. По-видимому, здесь играет роль кислород воздуха, сжигающий металл и ускоряющий резку. Существенное преимущество плазменной резки — практически мгновенный старт, в то время как газокислородная резка требует 5—20 сек, на нагрев металла при начале каждого реза.
На рисунках 20–24 представлены примеры плазменной резки и сравнение её с газовой резкой металлов.
Рисунок 20 – Плазменная резка листа
Рисунок 21 – Пространственная резка
Рисунок 22 –Примеры плазменной резки
Газовая 13:42 мин Плазменная 4:32 мин
Рисуногк 23 – Сравнение плазменной и газовой резки
Рисунок 24 – Скорость резки и область применения в зависимости от толщины металла
10.1 Изучить методические материалы по сварке и резке металлов.
10.2 Изучить сварные соединения, полученные разными методами сварки.
10.3 Получить деталь со сварным швом.
10.4 Для проверки качества сварного шва приготовить известковый раствор. Для этого мел измельчить и растворить в воде. Далее приготовленный раствор равномерно нанести на поверхность шва. Дать высохнуть.
10.5 С обратной стороны намочить шов керосином.
10.6 С лицевой стороны проверить шов на наличие пятен на известковом покрытии.
10.7 Оформить отчет.
11 Форма отчёта по лабораторной работе №2
Отчёт по лабораторной работе №2
– Изображение изделия со сварным швом;
– Методика проведения испытаний;
– Результаты испытаний и выводы по работе.
1. Объяснить физическую сущность сварки плавлением
2. Объяснить физическую сущность сварки давлением
3. Перечислить основные методы сварки давлением
4. Факторы, влияющие на качество сварки
5. Приёмы защиты металла в процессе сварки
6. Сущность метода электродуговой сварки
7. Источники питания и их особенности при дуговой сварке
8. Виды электродов при дуговой сварке
9. Сущность метода аргоно-дуговой сварки
10. Сущность метода газовой сварки
11. Газы применяемые при газовой сварке
12. Особенности контактной сварки
13. Стыковая сварка
14. Точечная и роликовая сварки
15. Сущность метода плазменной сварки
16. Плазменная сварка сжатой дугой
17. Плазменная резка и плазмотроны
18. Воздушно-плазменная резка
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
Изучить методы контроля сварных соединений и произвести оценку качества углового сварного шва, полученного электродуговой сваркой.
1 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ И ЗАВОДСКОЙ КОНТРОЛЬ
Обеспечить постоянное высокое качество сварных изделий возможно лишь при надлежащей организации контроля качества во всех стадиях производства.
Контроль исходных материалов производится при помощи химического анализа, металлографических исследований, механических испытаний, пробы на свариваемость, сварки пробных образцов и т. д. Контролю подлежат основной металл, присадочный металл, проволока, прутки, электроды, обмазки, флюсы. Контролируются также газы, ацетилен и кислород для газовой сварки.
Основной металл должен удовлетворять требованиям соответствующих стандартов и технических условий. Для сварки стали существенное значение имеет химический состав основного металла, в особенности содержание углерода, затем серы и фосфора. Часто достаточно изменения содержания углерода на несколько сотых долей процента, чтобы заметно изменились сварочные свойства металла, появилась склонность к образованию трещин, закалке и т. д.
Существенное значение для последующей сварки может иметь процесс изготовления металла. Например, мартеновская сталь для сварки лучше бессемеровской. Спокойная мартеновская сталь лучше кипящей, так как последняя обладает повышенной склонностью к образованию пор и трещин. В сталях, чувствительных к термообработке, часто существенное значение имеет структура и предшествующая термическая обработка металла, нередко результаты сварки могут быть улучшены надлежащей термической обработкой основного металла, нормализацией, высоким отпуском, отжигом и т. д.
Пригодность специальных сталей к сварке часто требует проверки их посредством одной из проб на свариваемость. Электроды и присадочная проволока должны иметь соответствующие сертификаты. В сомнительных случаях должна быть проведена сварка с наблюдением за процессом и последующим всесторонним испытанием образцов. Контроль подготовки под сварку заключается в проверке правильности сборки, подготовки под сварку, правильности постановки прихваток, состояния поверхности кромок. Проверяются размеры заготовок и чистота поверхности кромок под сварку.
Контроль в процессе производства сварочных работ заключается в проверке квалификации сварщиков, исправности оборудования, наличия исправных контрольно-измерительных приборов, строгого соблюдения установленного технологического процесса. Особенно важна проверка квалификации сварщиков для газовой и дуговой сварки, выполняемых вручную. Квалификация проверяется периодически, на сварке соответствующих проб. К ответственным работам, например подлежащим приемке инспекций Госгортехнадзора, допускаются лишь сварщики, имеющие особое удостоверение (паспорт) на право выполнения ответственных сварочных работ. Наблюдения за процессом сварки производятся для проверки соответствия режимов и приемов сварки установленному технологическому процессу. Перечисленные стадии предварительного контроля необходимы для обеспечения высокого качества сварных изделий.
Внешний осмотр и обмер изделий и сварных швов. Достаточно опытный контролер может выявить ряд дефектов внешним осмотром сварных швов изделия. Этим способом на поверхности сварных швов выявляются трещины, подрезы, раковины, поры, кратеры, неравномерное распределение наплавленного металла, слишком неровная, грубочешуйчатая его поверхность и т.д. Осмотр производится невооруженным глазом; места, сомнительные по трещинам, просматриваются в лупу. Осмотр шва производится по возможности сразу после сварки и во всяком случае до окраски изделия. Одновременно с осмотром обычно производится и обмер сечений швов шаблонами и калибрами (рисунок 25). Так же производится обмер сваренного изделия для проверки установленных размеров с учетом допусков и деформаций.
Рисунок 25 – Шаблоны для обмера швов
Испытание сварных швов на плотность. Неплотность сварных швов может вызываться непроварами, трещинами, газовыми и шлаковыми включениями и т. д. Проверка на плотность обычно производится после внешнего осмотра и установления замеченных дефектов.
Широко распространена керосиновая проба на плотность: сварной шов окрашивают с одной стороны мелом, разведенным в воде, а обратную сторону шва после высыхания мела обильно смачивают керосином. При наличии неплотности в шве на окрашенной мелом поверхности керосин выступает в виде темных пятен. Наблюдать появление пятен и отмечать дефектные места нужно немедленно после смачивания керосином, иначе керосин, просочившийся через сварной шов, быстро растечется по меловой окраске и затруднит установление точного местоположения дефекта. В зависимости от толщины металла и формы шва выдержка под керосином продолжается от 15 мин до 2 ч. Выявленные дефекты вырубают и подваривают.
Часто применяется испытание на плотность воздухом. Для проверки плотности швов сварное изделие заполняют воздухом под давлением, установленным техническими условиями на данное изделие. Неплотность шва определяют по пузырькам, образующимся на поверхности шва при смачивании ее мыльной водой. Мелкие изделия можно погружать в бак с водой так, чтобы сварные швы, подлежащие контролю, находились на глубине 2—5 см от поверхности воды; неплотности обнаруживают по появлению воздушных пузырьков. Во избежание опасного взрыва испытание воздухом должно производиться при давлениях, совершенно безопасных для прочности изделий.
При подходящей форме сварных соединений, например нахлесточных, испытание воздухом может быть произведено при малом расходе воздуха и повышенных давлениях без опасности повреждения изделия повышенным давлением по способу, показанному на рисунке 26.
Рисунок 26 – Проверка плотности сварных швов
Гидравлическое испытание. Плотность сварных швов можно проверять также и гидравлическим испытанием, производимым для испытания на прочность. Гидравлически испытывают, просто наливая в емкость жидкость (воду, керосин и т. п.) или же создавая дополнительно гидростатическое давление. Последнее создается заполнением изделия водой и нагнетанием ее до давления, предписанного правилами приемки данного изделия и проверяемого по контрольному манометру.
Засверливание сварных швов. Эта операция позволяет контролировать сварные швы на изделии и служит ценным подспорьем при внешнем осмотре и других методах испытаний. Засверливание производится электрическими, пневматическими или ручными сверлильными машинками со спиральными сверлами или специальными коническими фрезами диаметром 6—25 мм с углом заточки 90°. Засверливание следует вести с расчетом вскрытия всего сечения шва и захвата основного металла по 1—2 мм на сторону (рисунок 27).
Рисунок 27 – Засверливание сварного шва
Засверловка должна иметь возможно гладкую поверхность. Для оценки шва поверхность засверловки шлифуют и травят реактивом для выявления макроструктуры, после чего осматривают в лупу.
Это дает возможность обнаружить непровары, трещины, включения и т.д. По окончании контроля отверстия заваривают; количество засверловок определяется условиями приемки. Технические.условия часто предусматривают вырезку образцов из сварных изделий и их лабораторные испытания.
Металлографические исследования образцов. При этом изучают макро- и микроструктуру металла, а иногда и структуру излома образца. Образцы для металлографического исследования вырезают из изделия таким образом, чтобы поверхность шлифа включала полное сечение сварного шва, зону влияния и не подверженный изменениям основной металл. Обработка вырезанных образцов, их шлифование, полирование и травление производят обычными приемами, применяемыми при металлографическом исследовании металла. Помимо металлографического исследования в необходимых случаях проводят химический анализ металла сварного соединения.
Физические методы контроля сварных соединений. Под физическими методами контроля подразумеваются способы определения качества металла или сварного соединения по изменению каких-либо физических свойств, например проницаемости для коротковолновых электромагнитных излучений, звуковых колебаний, магнитной проницаемости, электропроводности и т. д. Физические методы контроля могут применяться не только для образцов сварки, но и для целых сварных изделий. Физические методы позволяют проверить качество сварного шва на всем его протяжении без повреждения изделия.
2 КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РЕНТГЕНОВСКИМИ И ГАММА-ЛУЧАМИ
Метод контроля сварных соединений рентгеновскими и гамма-лучами основан на различной проницаемости для коротковолновых электромагнитных колебаний сплошного металла и различных находящихся в нем неоднородностей, заполненных шлаками, окислами и газами. Поглощение коротковолновых лучей металлом значительно сильнее поглощения их неметаллическими включениями. При рентгеновском контроле применяются специальные мощные рентгеновские аппараты (рисунок 28) для просвечивания металлов: стационарные — для испытаний в лабораторных условиях и передвижные — для испытаний непосредственно в заводских условиях.
1-рентгеновский аппарат; 2-пульт управления; 3-рентгеновская трубка; 4-маслянный насос.
Рисунок 28 – Передвижной рентгеновский аппарат
При рентгеновском контроле можно наблюдать дефекты визуально на флюоресцирующем экране или фотографировать их, получая так называемую рентгенограмму. Визуальный метод обнаружения дефектов на экране для сварных швов не применяется, дефекты в большинстве настолько мелки, что на экране не выявляются.
Для получения рентгенограммы пучок рентгеновских лучей направляется на испытуемый сварной шов (рисунок 29). С обратной стороны закладывают специальную рентгеновскую фотопленку с двусторонней чувствительной эмульсией. Пленку закладывают в светонепроницаемую кассету или пакет из плотной черной бумаги. Для сокращения экспозиции пленку закладывают между флуоресцирующими экранами и защищают снизу свинцовым экраном от вторичных излучений, снижающих четкость снимка. Время экспозиции зависит от толщины металла, сорта фотопленки и расстояния трубки от металла; оно определяется по таблицам или, что удобнее, по специальным диаграммам и колеблется обычно от нескольких минут до получаса. По окончании экспозиции фотопленку обрабатывают, проявляют и фиксируют обычными методами.
1- рентгеновская трубка; 2-фотоплёнка; 3- экран; 4- кассета
Рисунок 29 – Схема получения рентгеновского снимка
Рентгенограмма представляет собой негативное, теневое изображение сварного шва с прилегающим основным металлом. Всякого рода включения, меньше поглощающие рентгеновские лучи, дают на рентгенограмме местные более интенсивные почернения по сравнению с окружающим сплошным металлом. Хороший рентгеновский снимок выявляет дефекты величиной от нескольких десятых долей миллиметра, причем для выявления дефекта имеет значение главным образом размер его в направлении рентгеновского луча.
Непровары выявляются на снимке в виде довольно резкой прямой черной линии, трещина дает обычно извилистую линию; выявляются также поры и шлаковые включения. Рассматривать нужно всегда подлинную рентгенограмму или отпечаток с нее на фотопленке, так как отпечаток на бумаге не передает многих тонких подробностей рентгенограммы и не может служить для надежной оценки сварного шва (рисунок 30). Полученную рентгенограмму сравнивают с типовыми рентгенограммами для данного изделия.
Рисунок 30 – Рентгенограмма сварного шва
По характеру рентгенограмм сварные швы обычно разделяют на три группы: плохие (бракуют), удовлетворительные (могут быть приняты) и хорошие (подлежат безусловной приемке). Совершенно не допускаются трещины, поэтому при наличии трещин, хотя бы мелких, шов относят к группе плохих. В минимальных размерах, определяемых условиями приемки, допускаются частичные непровары. Шлаковые включения и поры в ограниченных пределах, определяемых условиями приемки, считаются допустимыми.
Рентгеновский контроль ввиду расхода фотоматериалов и довольно значительного времени экспозиции снимка обходится сравнительно дорого, поэтому обычно просвечивают не все швы на всем протяжении, а лишь отдельные их участки. Выбор мест для съемки рентгенограмм и общая протяженность участков шва, подлежащих рентгенографированию, определяется условиями приемки. Обычно проверяют 10—15% общей длины швов. Минимальная величина дефекта в направлении рентгеновского луча, выявляемого рентгенограммой, составляет около 2% толщины просвечиваемого металла.
Рентгеновский аппарат требует наличия переменного тока и, кроме того, довольно громоздок; в ряде случаев, например в полевых условиях, применение рентгеновского контроля затруднительно. Поэтому представляет большой интерес контроль сварных швов гамма-лучами радиоактивных веществ. Гамма-лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными веществами, являются электромагнитным излучением, по своей природе близким к рентгеновским лучам. Гамма-лучи имеют малую длину волны, обладают большой жесткостью и при просвечивании меньше поглощаются металлом, чем рентгеновские лучи от обычных аппаратов.
Источниками получения гамма-лучей служили препараты радия и различные радиоактивные вещества. Сейчас все это заменили дешевые искусственные радиоактивные изотопы.
Радиоактивный препарат помещают в ампулу — запаянную стеклянную трубочку диаметром около 3 мм. Препарат упаковывают в ампулу, по возможности плотно, а для получения более четкого фотоснимка источнику излучения придается точечный характер. Для защиты от повреждений стеклянную ампулу помещают в латунную гильзу. Латунная гильза хранится в толстостенном свинцовом контейнере весом около 20 кг, заключенном в металлический футляр с ручкой для переноски. При работе гильзу с ампулой вынимают из контейнера щипцами длиной не менее 1,5 м.
Наша промышленность дешево и в значительных количествах изготовляет искусственные радиоактивные препараты, пригодные для технического применения, в том числе для просвечивания металлов. Примером таких препаратов может служить радиоактивный изотоп кобальта Со60, имеющий атомный вес 60.
3 МАГНИТНЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Из различных способов магнитного контроля для сварных изделий некоторое применение нашли метод магнитных порошков и индукционный метод. Если намагнитить изделие (рисунок 31) и на пути потока расположить дефектный участок с пониженной магнитной проницаемостью, то он вызовет местное искажение потока рассеяния у поверхности металла. Местный поток рассеяния создаст у краев дефекта местные магнитные полюса, северный — у выхода силовых линий из металла в воздухе и южный — у входа линий из воздуха в металл.
Магнитные полюсы могут быть обнаружены, например, по притяжению мелких ферромагнитных частиц. Если взять тонкий порошок ферромагнитного материала, например железа или магнитных окислов железа, и насыпать его на поверхность изделия, то распределение порошка будет неравномерным, — у дефектов (рис. 9) образуется местное скопление. В качестве порошка обычно применяются магнитные окислы железа. Из различных окислов железа наиболее магнитна закись-окись Fe3O4.
а - сварной шов без дефектов; б - трещина в сварном шве
Рисунок 31 – Распределение магнитного поля в изделии
Порошки для магнитного контроля получают нагреванием слабомагнитной окиси железа Fe2O3 в восстановительной атмосфере; по мере отнятия кислорода цвет окиси становится все более темным, переходя от темно-красного к черному, а магнитные свойства усиливаются. В зависимости от степени восстановления можно получить порошки с различными свойствами. В качестве исходного материала для магнитных порошков часто используют крокус — очень тонкий порошок окиси железа, применяемый для полирования металлов. Порошок представляет собой тонкоразмолотую в шаровой мельнице железную окалину, возникающую на поверхности стали при горячей обработке.
Рисунок 32 – Скопления магнитного порошка
Для улучшения подвижности частиц часто применяют суспензию из магнитного порошка, взболтанного в легком минеральном масле или керосине; соответственно различают сухой и мокрый методы контроля магнитными порошками.
Изделия можно намагничивать электромагнитами или, что проще и удобнее, путем обмотки изделия гибким проводом, по которому пропускается электрический ток, преимущественно постоянный. Практически таким путем можно намагничивать изделие любых размеров, например паровой котел, станину крупной машины и т. д.
Методом контроля магнитными порошками могут быть выявлены мелкие трещины, плохо выявляемые внешним осмотром без магнитного порошка, в особенности трещины в зоне влияния на сталях, чувствительных к термообработке (рисунок 32). Могут быть выявлены также внутренние дефекты, лежащие у поверхности. Дефекты, лежащие на глубине более 5—6 мм, методом магнитных порошков, как правило, не выявляются.
При дуговой сварке изделия намагничиваются сварочным током и сохраняют часто достаточно сильное остаточное намагничивание, пригодное для контроля магнитными порошками. Налет на поверхности изделия, образующийся при дуговой сварке, состоит из мельчайших частиц окислов железа, обладающих достаточными магнитными свойствами для контроля. Часто можно наблюдать, что налет скопляется у трещин и других дефектов, делая их более заметными. Поэтому изделия, изготовленные из сталей, склонных к образованию трещин, рекомендуется просматривать по окончании дуговой сварки, до очистки швов и удаления налета, образованного сваркой.
Из электромагнитных приборов индукционного типа для контроля сварных швов известен дефектоскоп (рисунок 33). На контролируемое изделие устанавливают электромагнит переменного тока, создающий переменный магнитный поток в металле изделия. Этот поток вызывает в металле изделия систему переменных вихревых токов, которые в свою очередь, создают переменные потоки рассеяния у поверхности изделия. При однородном сплошном металле, без включений и дефектов, плотность вихревых токов и потоков рассеяния плавно уменьшается по мере удаления от намагничивающего электромагнита. Наличие дефекта вызывает местное искажение распределения вихревых токов и потоков рассеяния. Распределение потоков рассеяния у поверхности изделия исследуется искателем, представляющим собой небольшую индукционную катушку с железным сердечником, закрытую толстостенным экраном из меди или алюминия, образующим корпус искателя (рисунок 34).
Рисунок 33 – Принципиальная схема дефектоскопа
Созданная в катушке искателя потоками рассеяния э. д. с. подается на вход лампового усилителя, а оттуда на индикатор, которым может служить телефонная трубка, гальванометр или электронная лампа (магический глаз). При отсутствии дефектов перемещение искателя вызывает плавное изменение показаний индикатора. Дефект обнаруживается резким, скачкообразным изменением показаний индикатора, — в телефоне слышится щелчок, на гальванометре происходит отброс стрелки, на лампе появляется сомкнутый темный сектор. Таким способом могут быть выявлены не только поверхностные дефекты, но и дефекты на довольно значительной глубине (до 20—25 мм).
Общим для всех магнитных приборов недостатком является отсутствие однозначной связи между показаниями прибора и размерами и степенью опасности дефекта. Прибор измеряет не дефект, а искажение магнитного поля, вызванное дефектом. Искажение магнитного поля, вызываемое дефектом, зависит не только от размеров дефекта, но и от его положения и очертаний.
Вытянутый дефект, расположенный поперек потока, вызывает большее искажение, чем тот же дефект при расположении вдоль потока. При намагничивании изделия магнитный поток следует располагать по возможности перпендикулярно наибольшему размеру предполагаемых дефектов. Дефект с округленными очертаниями дает меньшее искажение, чем дефект с острыми краями. Особенно хорошо выявляются непровары и трещины. Искажение поля быстро ослабевает с увеличением глубины залегания дефекта. Поэтому электромагнитный дефектоскоп пригоден лишь для качественного обнаружения дефектов, без их количественной оценки.
Дефектоскоп принципиально пригоден для контроля и немагнитных металлов, так как в них может быть создана система вихревых токов электромагнитом переменного тока.
1-корпус-экран искателя; 2-железный сердечник;
3-искатель катушка
Рисунок 34 – Искатель дефектоскопа:
4 АКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЬ СВАРКИ
Звуковые колебания, возникающие, например, при легком ударе по металлу, изменяются и нарушаются при наличии дефектов в металле. Поэтому принципиально возможно выявление дефектов в сварных швах по звуку, возникающему при нанесении легкого удара по металлу. Для улучшения слышимости может применяться стетоскоп, аналогичный медицинскому. Звук, воспринимаемый микрофоном, можно также выслушивать по телефону или репродуктору, соединенному с микрофоном через ламповый усилитель. Пока звуковой, или акустический метод контроля сварных швов мало разработан и редко применяется на практике.
Значительное промышленное использование для контроля сварки получил ультразвук. Контроль сварных изделий ультразвуком затрудняется малыми размерами дефектов сварных швов; однако и в этой области достигнуты практические результаты и созданы аппараты, пригодные для промышленного применения; в них используется ультразвук с частотой 1—5 мгц. Контроль ультразвуком основан на малой проницаемости для ультразвука неметаллических включений по сравнению со сплошным металлом и отражении ультразвука от поверхности раздела разнородных сред.
Ультразвук создается пьезоэлектрическим генератором, в котором источником механических колебаний служит кварцевая пластина, меняющая размеры, т. е. сжимающаяся при наложении электрического поля. Подавая на излучающую кварцевую пластину переменный ток высокой частоты, можно вызвать в ней механические колебания той же частоты. Полученные колебания направляются в сварной шов, доходят до противоположной стороны металла и отражаются от его поверхности назад в глубь металла. Если ультразвуковой луч встретит на своем пути неметаллическое включение, то он отразится и пойдет назад. Отраженный луч улавливается искателем — приемным кварцем, по устройству аналогичным излучающему кварцу, но действующим в обратном направлении. В искателе ультразвук преобразуется в электрическую энергию. Ток от искателя после соответствующего преобразования и усиления подается на электронно-лучевую трубку и дает сигнал на светящемся экране, по которому можно установить наличие и приблизительное местоположение дефекта.
Современные ультразвуковые установки работают по принципу радиолокации: основное излучение подается короткими импульсами основного излучения. В настоящее время ультразвуковые дефектоскопы быстро совершенствуются и ультразвуковой метод контроля сварных соединений занимает одно из первых мест по удобству и надежности контроля.
5 ДРУГИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Из других методов заслуживает упоминания люминесцентный метод контроля, применяющийся, например, для выявления тонких поверхностных трещин. Изделие погружают в смесь минерального масла с керосином, затем высушивают древесными опилками и посыпают тонким порошком окиси магния. Избыток окиси магния удаляют, и она остается лишь в тонких трещинах, впитавших минеральное масло. После этого изделие освещают ультрафиолетовыми лучами от кварцевой лампы через светофильтр, поглощающий видимые световые лучи. При этом окись магния, пропитанная минеральным маслом, флюоресцирует ярким желто-зеленым цветом. Трещины на поверхности изделия, находящегося в затемненной камере, выявляются в виде ярко светящихся зигзагообразных линий.
При тепловом методе контроля одну сторону изделия нагревают, а на другую сторону наносят краску, меняющую цвет при нагревании (термокраску). Дефекты, расположенные на пути теплового потока, замедляют его распространение и нарушают равномерность его распределения. Наблюдая за изменениями цвета слоя термокраски, в некоторых случаях можно выявить включения и расслоения в металле и т. п.
10.1 Изучить методические материалы по сварке и резке металлов.
10.2 Изучить сварные соединения, полученные разными методами сварки.
10.3 Получить деталь со сварным швом.
10.4 Для проверки качества сварного шва приготовить известковый раствор. Для этого мел измельчить и растворить в воде. Далее приготовленный раствор равномерно нанести на поверхность шва. Дать высохнуть.
10.5 С обратной стороны намочить шов керосином.
10.6 С лицевой стороны проверить шов на наличие пятен на известковом покрытии.
10.7 Оформить отчет. В отчете указывается эскиз изделия со сварным швом. Описывается методика проведения испытаний. Результаты испытаний и выводы по работе.
7 Форма отчёта по лабораторной работе №3
Отчёт по лабораторной работе №3
– Изображение изделия со сварным швом;
– Методика проведения испытаний;
– Результаты испытаний и выводы по работе
1 Что подвергается контролю при определении качества сварки?
2 Методы контроля исходных данных.
3 В чём заключается контроль подготовки под сварку?
4 В чём заключается контроль в процессе сварочных работ?
5 Внешний осмотр и обмер изделий и сварных швов.
6 Сущность способа керосиновой пробы.
7 Испытание на плотность воздухом.
8 Гидравлическое испытание.
9 Засверливание сварных швов.
10 Металлографические исследования образцов.
11 Физические методы контроля сварных соединений.
12 Физическая сущность метода контроля рентгеновскими и гамма-лучами.
13 Что представляет рентгенограмма и что она даёт.
14 Группы сварных швов по характеру рентгенограмм.
15 Недостатки рентгеновского контроля и пути их решения.
16 Контроль гамма-лучами радиоактивных веществ.
17 Физическая сущность магнитного способа контроля.
18 Дефектоскоп.
19 Недостатки магнитных приборов.
20 Физическая сущность акустического способа контроля.
21 Физическая сущность контроля ультразвуком.
22 Реализация контроля ультразвуком.
23 Тепловой метод контроля.
24 Люминесцентный метод контроля.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
Дефекты изделий при обработке металлов
давлением (4 часа)
Изучить дефекты изделий, образующихся при обработке металлов давлением, организацию работ в цехе оценку степени деформации материала, обработанного прокаткой.
1 ДЕФЕКТЫ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ
Брак, получаемый при обработке давлением, может быть следствием неудовлетворительного качества исходного металла, неправильного его нагрева перед горячей механической обработкой, нарушений технологии при обработке и последующей отделке.
Можно назвать следующие основные виды брака, имеющего своей причиной неудовлетворительное качество исходного металла: усадочная раковина и усадочная рыхлость, рванины, плены, шлаковые включения, волосовины, пузыри.
Некоторые дефекты (рванины, плены, волосовины) также могут быть причиной нарушений технологии в прокатных цехах при нагреве металла и его последующей обработке.
2 ДЕФЕКТЫ ПРИ НЕПРАВИЛЬНОМ НАГРЕВЕ
К дефектам, получающимся в результате неправильного нагрева, можно отнести рванины, плены, скворешники, обезуглероживание, карбидную ликвацию, свертыши.
Рванины на стали могут появляться в результате сильного переправа (пережога), при котором прочность сцепления между кристаллами металла ослабевает в результате расплавления и окисления границ между зернами.
Рванины, получаемые по этой причине, характерны тем, что возникают уже в первых пропусках в стане и при первых ударах молота. Рванины могут появиться также в результате недогрева металла, что приводит к пониженной его способности к пластической деформации. Рванины в этом случае образуются обычно при последних пропусках в стане.
Плена, помимо металлургических причин, когда она является следствием неправильной разливки стали (косая струя), негодной смазки изложниц, может иметь и прокатное происхождение.
В этом случае плена может явиться следствием подреза катаемого металла буртом калибра в результате неправильного направления заготовки в калибр.
Грубая насечка калибра также может привести к появлению плен, поэтому насечки валков особенно при прокатке качественных сталей не рекомендуется.
«Скворешники» (внутренние трещины) возникают в результате непрогрева центральной части слитка или заготовки. Его поверхностные слои вытягиваются сильней, чем центральные слои, в результате чего в центре заготовки образуются надрывы, при дальнейшем прокате обычно выходящие на одну из ее граней.
«Скворешники» особенно имеют место в стали с высоким содержанием углерода — выше 0,9%.
Слитки стали ряда марок, особенно кремнистых, необходимо после разливки передавать в горячем виде для посадки в нагревательные колодцы. В противном случае при прокатке слитков, охлажденных после разливки, а затем нагретых, в результате внутренних напряжений могут возникнуть трещины.
Некоторые марки стали и особенно инструментальные после соответствующей термической обработки должны иметь высокую твердость (для каждой марки твердость определяется соответствующими техническими условиями).
При стандартной термической обработке твердость этих сталей определяется химическим составом и особенно содержанием углерода, снижение которого соответственно уменьшает твердость стали. При нагреве высокоуклеродистых сталей до температур 900—1000° и выше в восстановительных печных газах происходит обезуглероживание поверхности, что и приводит к браку по твердости.
Карбидной ликвации подвержены высокоуглеродистые и шарикоподшипниковые стали. Скопления карбидов при прокатке вытягиваются в строчки и в последующем могут явиться очагом разрушения детали. Крупные скопления карбидов в слитке рассасываются в результате продолжительного нагрева при высокой температуре.
Неравномерный нагрев металла приводит к браку по свертышам.
При прокатке такого металла разные сечения вытягиваются различно, что приводит к искривлению прокатываемой штуки металла и свертыванию ее в калибрах.
В результате непрогрева металла могут возникнуть недокаты. Прокатку металла, имеющего низкую температуру и уже прошедшего несколько калибров, не заканчивают из-за опасности вывести из строя оборудование.
Нередко чрезмерный нагрев слитка или большая скорость при прессовке дуралюмина вызывает боковые трещины, которые расходятся, придавая полосе вид ветки дерева (рисунок 35).
Рисунок 35 – Трещины при прессовке полосы дуралюмина
«Ершение» прутков латуни (рисунок 36,а) и дуралюмина (рисунок 36,6) при прессовке через отверстие происходит также вследствие перегрева и большой скорости прессовки.
а – латунь; б –дуралюмин
Рисунок 36 – Разрушение при прессовке
3 ДЕФЕКТЫ, ПОЛУЧАЮЩИЕСЯ ПРИ ПРОКАТКЕ, КОВКЕ И ШТАМПОВКЕ
Следующей группой дефектов являются дефекты, получаемые в процессе горячей деформации в результате неправильной калибровки валков прокатных станов, плохой настройки оборудования, неправильных приемов работы.
Заготовка, сортовой металл, катанка, лист имеют характерные для каждого из этих видов проката дефекты.
Недокаты и свертыши могут получаться на любом из видов проката. Причиной их, наряду с неправильным нагревом, могут быть неполадки на стане, как, например, неправильно установленные проводки и коробки, неверная задача в калибр, неправильная установка калибров.
Сильно выработанные калибры, на которых прокатано много металла, приводят к дефектам на поверхности проката: отпечаткам, надрезам
Для сортового металла характерны дефекты: двусторонний «ус» в результате переполнения калибра металлом вследствие неправильной калибровки или настройки валков. Если пропуск установлен не по центру калибра, штука металла одной стороной, попадая на бурты калибров, получается с «усом» односторонним.
Неправильная установка калибров верхнего и нижнего валка приводит к дефекту — «сдвигу», а в последующем к закату. Закат является обычно результатом появления «уса» в одном из черновых калибров, но может представлять закатанную глубокую риску, полученную в результате применения проводок и линеек с плохой поверхностью.
При прокате особенно вязких марок сталей при передаче штуки металла из «квадрата» или «ромба» в овал на боках овала особенно «неполного» образуются складки, которые в последующем приводят к волосовинам.
При прокате листа в результате неправильной калибровки валков и их настройки могут быть получены бракованные листы по серповидности, коробоватости, волнистости.
Серповидность полосы возникает в результате большего нагрева одной стороны сутунки (плоская стальная заготовка толщиной 4-22 мм и шириной 150-730 мм; используется для получения прокатной жести, кровельной стали), чем другой, при этом более нагретая сторона сутунки будет вытягиваться лучше другой стороны. При неодинаковом зазоре между валками часть полосы, поступающая в меньший зазор валков, также будет вытягиваться сильней, чем другая часть полосы.
Если середина бочки листовых валков сильно утолщена по сравнению с краями, то середина листа при этом сильней вытягивается, чем его края, что приводит к коробоватости. Если же утолщены края бочки валков, т. е. имеется очень большая вогнутость, в этом случае появляется волнистость листа.
Недостаточное наблюдение за валками листовых и сортовых станов с поверхности прокатываемого листа приводит к «продавам» на валках, а, следовательно, отпечаткам на листе и сортовом металле. К рябизне на листе приводит недостаточно тщательно удаленная окалина. При прокатке листа окалина, как более твердая, вкатывается в его поверхность, что затем при последующем травлении приводит к появлению рябизны на листе.
При ковке и штамповке могут возникнуть свои типичные виды брака. При ковке на бойках с острыми кромками возникают «нажимы».
При неаккуратном удалении окалины последняя вдавливается в поверхность поковки или штамповки, образуя раковистую поверхность.
В результате неправильной установки штампов или при их разбалтывании во время работы образуется перекос штамповки.
При недостаточном количестве ударов штамповочного молота или ковке недостаточно прогретого или остывшего металла получается недоштамповка.
При неправильной конструкции штампа или небрежной укладке черновой заготовки в ручей штампа образуются в штамповке зажимы.
При холодном волочении прутков и проволоки наиболее часто встречающимся дефектом являются царапины и риски, получающиеся в результате плохой полировки волочильного очка, его засорения или надрыва.
Наряду с этим дефектом при недостаточном контроле продукции, поступающей из прокатных цехов, возможно выявление на калиброванном металле дефектов, возникающих при выплавке и прокатке. Калиброванный металл обычно употребляется для весьма ответственных изделий, поэтому необходимо обеспечить тщательный контроль заготовок для калибровочных цехов.
4 ДЕФЕКТЫ, ПОЛУЧЕМЫЕ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ
Опасность появления дефектов для ряда марок стали, особенно легированных, не кончается проведением операции горячей механической обработки.
Большую роль для качества стали имеет ее последующее охлаждение.
В результате быстрого охлаждения одних марок стали возникают трещины, других — флокены; наоборот, в результате медленного охлаждения быстрорежущих сталей развивается, например, грубая цементитная сетка.
Трещины охлаждения являются следствием внутренних напряжений в стали, возникающих в результате значительной разницы в температуре наружных и средних слоев охлаждаемого металла, а также структурных превращений при охлаждении, влекущих за собой изменение объема металла, а, следовательно, появление внутренних напряжений в стали.
Флокены, представляющие в продольном направлении серебристые пятна в виде волосных трещин, характерны для хромистых, хромоникелевых и других более сложных легированных конструкционных сталей.
По современным взглядам флокены являются результатом применения при выплавке стали сырья и вспомогательных материалов, плохо просушенных перед завалкой в печь. Это приводит к насыщению жидкого металла водородом. При охлаждении металла в изложницах из металла выделяется водород, создавая в нем внутренние напряжения. Наряду с этим возникают также напряжения при превращении твердого раствора в мартенсит. Напряжения, которые возникают в результате выделения водорода, усиливают напряжения, получающиеся при превращении твердого раствора, что и приводит к образованию надрывов в стали (флокенов).
Строгое соблюдение технологических инструкций, постоянное наблюдение за технологией нагрева, состоянием оборудования, жесткий контроль качества на всех переделах обеспечивают снижение брака до минимальных пределов.
5 ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ В ЦЕХАХ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Оборудование цеха должно быть расположено так, чтобы обеспечить непрерывный поток металла, механизацию его правки, резки, транспортировки, т.е. высокую производительность цеха.
Организация работ в цехах обработки давлением производится в соответствии с разнообразием обрабатываемых сплавов, количеством изготовляемых профилей и с назначением изделий. Почти все изделия, получаемые обработкой давлением, стандартизированы.
Организованное рабочее место и строгое разделение труда обеспечивают надлежащее качество получаемой продукции.
Рабочий и вспомогательный инструмент, а также запасные части к ним необходимо своевременно ремонтировать и бережно хранить. Освещение рабочего места должно обеспечивать нормальную работу в ночное время.
Производительность труда зависит от правильной организации работ, от механизации, освещения, чистоты рабочего места и внимательной работы обслуживающего персонала. Для правильной организации производства необходимо распределить работу между обслуживающими цех рабочими в соответствии с их квалификацией и навыком. Особого внимания требует к себе календарное планирование производства. Потребность в материалах следует рассчитывать, исходя из норм их расхода для производства, норм отходов, угара, брака, учитывая коэффициент расхода материалов на единицу выпускаемой продукции.
Завод ежегодно составляет план, который устанавливает все количественные и качественные показатели работы и намечает план организационно-технических мероприятий. План включает обоснованные технические расчеты потребности всего завода и каждого цеха в основном сырье, полуфабрикатах, материалах, топливе и электрической энергии. На основании этих расчетов составляется калькуляция себестоимости продукции по всему сортаменту с указанием расхода энергии, топлива, рабочей силы, отходов, брака, безвозвратных потерь и т. п. В современных условиях для качественного составления плана необходимо проведение маркетинговых исследований для определения объёмов выпускаемой продукции, которая будет реализована за отчётный период времени.
6.1 Изучить методические материалы по обработке металлов давлением.
6.2 Ознакомится с конструкцией прокатного стана.
6.3 Определить степень деформации материала при прокатке, рассчитав относительное обжатие и коэффициент вытяжки заготовки.
Относительное обжатие определяется отношением разности толщины заготовки до и после прокатки к исходной толщине:
где h0 – толщина заготовки до прокатки;
h – толщина заготовки после прокатки.
Коэффициент вытяжки — отношение длины заготовки после прокатки к исходной ее длине:
где l0 – исходная длина заготовки;
l – длина заготовки после прокатки.
6. 4 Данные для расчёта приведены в таблице
|
Размеры, мм |
Варианты |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
h0 |
10 |
20 |
17 |
100 |
|
h |
8 |
16 |
20 |
95 |
|
l0 |
35 |
140 |
200 |
500 |
|
l |
40 |
160 |
220 |
510 |
6.5 Подтвердить или опровергнуть правильность результатов приведённых в таблице, исходя из условия неизменности ширины заготовки.
6.6 Определить величину изменения ширины заготовки по данным изменения других параметров заготовки.
1 Назовите основные виды брака;
2 Назовите дефекты, образующиеся в результате неправильного нагрева заготовки;
3 Причины образования рванин;
4 Причины образования плена;
5 Причины образования «скворешников»;
6 Причины образования карбидной ликвации;
7 Причины образования свёртышей;
8 Причины образования недокатов;
9 Причины образования «ершения» прутков материала при прессовке;
10 Причины образования дефектов в процессе горячей деформации материала;
11 Причины образования серповидности полосы;
12 Причины образования «усов» и закатов;
13 Причины образования коробоватости полосы;
14 К чему приводит ухудшение качества поверхности валков;
15 Причины перекоса штамповки и недоштамповки;
16 Виды дефектов при охлаждении;
17 Причины образования трещин при охлаждении;
18 Характеристика флокенов;
19 Методы снижения брака;
20 Организация работы в цехах;
21 Параметры, влияющие на производительность труда
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
обработка металлов давлением (4 часа)
Изучить процесс обработки металлов давлением, в частности, получение заготовок прокаткой.
Для проведения работы необходимы: лабораторный прокатный стан, изделие для прокатки, штангенциркуль.
1 ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ
Обработкой давлением называют технологический процесс изготовления деталей или заготовок путем пластического деформирования исходного металла приложением внешнего усилия.
Обработку давлением можно проводить в горячем или холодном состояниях. Основными способами обработки металлов давлением являются прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, объемная штамповка, листовая штамповка. При каждом из этих способов для передачи деформирующего усилия на металл исходной заготовки используют специальное оборудование и инструмент.
Под действием приложенного к деформируемому металлу внешнего усилия атомы кристаллической решетки металла смещаются — отклоняются от мест устойчивого равновесия. Если изменение расстояний между атомами происходит в пределах параметров кристаллической решетки, то после снятия внешнего усилия атомы металла под действием межатомных сил возвращаются в исходное положение равновесия, и металл восстанавливает свою первоначальную форму. Такая деформация называется упругой. Если в результате действия внешних сил атомы кристаллической решетки смещаются на расстояния, значительно превышающие межатомные, то после снятия нагрузки они не возвращаются в исходное положение, и форма кристалла не восстанавливается. Такая деформация называется пластической. Величина внешнего усилия, необходимого для пластической деформации, определяется пластическими свойствами металла и его температурой, а также зависит от схемы приложения деформирующих нагрузок. Объем металла в результате пластической деформации практически остается постоянным, а течение металла при деформировании происходит в направлении наименьшего сопротивления.
Нагрев металла повышает его пластичность, поэтому деформирование в горячем состоянии требует приложения меньших внешних усилий, чем деформирование того же металла в холодном состоянии. Сдвиговые смещения в пластически деформируемом металле могут происходить по плоскостям скольжения, расстояние между которыми составляет 100—200 А. Скольжение наблюдается при статическом действии деформирующего усилия — при растяжении или при сжатии. При динамических, ударных деформирующих нагрузках возможен другой вид сдвигового смещения, при котором смещенная часть кристалла является зеркальным отображением (двойником) недеформированной его части.
Сдвиговые смещения при деформации осуществляются, прежде всего, в тех зонах кристалла и на тех плоскостях, где атомы металла наиболее подвижны, т. е. энергетически не уравновешены. Такими зонами в кристаллах являются зоны дислокаций, в которых нарушена регулярность решетки. В ядре дислокации смещения атомов и их энергетическая неуравновешенность наиболее значительны по величине. При приложении внешних усилий дислокационные смещения вызывают возникновение новых смещений, новых дислокаций и новых микросдвигов. Таким образом, пластическая деформация кристалла складывается из цепи последовательных микросдвигов по различным плоскостям скольжения. Сдвиги при пластической деформации происходят не только в объеме отдельных кристаллов, но и между кристаллами и между зернами. Межзеренные сдвиги обычно происходят по плоскостям скольжения, расположенным под углом 45° по отношению к направлению действующего внешнего усилия. Наиболее благоприятны такие направления деформирующих усилий, при которых в металле внешней нагрузкой создаются напряжения сжатия. При пластической деформации происходит изменение кристаллической структуры металла. Крупные кристаллы, дендриты, крупные зерна, находящиеся в литом металле, дробятся, измельчаются и удлиняются в направлении наибольшего течения металла. Неметаллические включения, располагающиеся по границам зерен, также дробятся и вытягиваются в виде цепочки (рисунок 37). Образуется так называемая волокнистая структура, обусловливающая анизотропию свойств деформированного металла. Искажение кристаллической структуры сопровождается возникновением остаточных внутренних напряжений с изменением свойств деформированного металла. При холодной пластической деформации изменения структуры поверхностного слоя, непосредственно воспринимающего деформирующие усилия, приводят к повышению твердости и предела прочности металла и понижению его пластических свойств.
Упрочнение металла в результате пластической деформации в холодном состоянии называется наклепом. При определенной степени наклепа и определенной глубине наклепанного слоя холоднодеформированный металл утрачивает пластичность настолько, что дальнейшее деформирование внешним усилием может привести к его разрыву и разрушению. Поэтому деформация путем холодной обработки давлением может осуществляться лишь в определенных пределах. При нагреве наклепанного металла подвижность атомов искаженной кристаллической решетки увеличивается, благодаря чему становится возможным зарождение и рост новых кристаллов с неискаженной структурой, т.е. происходит рекристаллизация. В результате рекристаллизации металл разупрочняется и восстанавливает свои первоначальные свойства. Межзеренные неметаллические включения не претерпевают рекристаллизационных изменений, поэтому волокнистое строение металла сохраняется после рекристаллизации (процесс роста одних зёрен за счёт других; протекает особенно интенсивно в пластически деформированных материалах).
а-исходное состояние; б- после деформации
Рисунок 37 – Схема деформации поликристалла:
Горячая обработка давлением производится при температурах выше температуры рекристаллизации и не сопровождается наклепом. Поэтому пластическое деформирование металла в горячем состоянии, практически может выполняться без ограничения степени деформации. Температура нагрева металла для горячей обработки давлением должна соответствовать интервалу его наибольшей пластичности и зависит от химического состава сплава. При нагреве металла до более высоких температур возникает перегрев, при котором металл становится крупнозернистым и его пластичность существенно понижается. Перегрев можно исправить отжигом. Нагрев до температур, приближающихся к температуре плавления металла, приводит к пережогу. При пережоге происходит окисление металла по границам зерен, вследствие чего металл полностью теряет пластичность и разрушается при приложении внешнего усилия деформации.
2 ПРОКАТКА
Технологический способ пластического деформирования, называемый прокаткой, состоит в том, что исходный слиток или заготовку пропускают в зазор между вращающимися валками, величина которого меньше толщины исходной заготовки. Заготовка (или слиток) подается в валки прокатного стана и захватывается ими, а дальнейшее продвижение заготовки в валках осуществляется за счет сил трения, возникающих на поверхности контакта валков с прокатываемой заготовкой (рисунок 38). При прокатке металл обжимается, в результате чего толщина заготовки уменьшается до величины зазора между валками, а длина и ширина заготовки увеличиваются.
1- прокатные валки; 2- заготовка
Рисунок 38 – Основные способы прокатки:
Степень деформации при прокатке характеризуется величинами относительного обжатия и коэффициента вытяжки. Относительное обжатие определяется отношением разности толщины заготовки до и после прокатки к исходной толщине:
где h0 – толщина заготовки до прокатки;
h – толщина заготовки после прокатки.
Коэффициент вытяжки — отношение длины заготовки после прокатки к исходной ее длине:
где l0 – исходная длина заготовки;
l – длина заготовки после прокатки.
Продукцией прокатного производства является сортовой прокат различных профилей, проволока, лист, фольга, трубы, а также различные специальные виды проката (рисунок 39).
Рисунок 39 – Некоторые виды профилей, получаемых прокаткой
Прокатный стан (рисунок 40) – машина или система машин для осуществления прокатки.
Прокатные станы различают по характеру вращения валков, по роду выпускаемой продукции, по конструкции рабочих клетей, по расположению клетей и т.д.
По характеру вращения валков различают станы реверсивные, когда направление вращения валков изменяется на обратное после каждого пропуска заготовки, и нереверсивные, в которых валки вращаются всегда в одну сторону.
1- прокатные валки; 2- станины; 3-подушечки и подшипники;
4- нажимные винты
Рисунок 40 – Общий вид прокатного стана:
3.1 По роду выпускаемой продукции станы делятся на:
3.1.1 блуминги, прокатывающие блумы и заготовку размерами от 150X150 до 350X350 мм, и слябинги, прокатывающие слябы, предназначенные для дальнейшего переката на лист, а также заготовочные станы для более мелкой заготовки;
Блюминг (рисунок 41)- прокатный стан для обжатия стальных слитков в блюмы, иногда слябов и фасонных заготовок. Характеризуется диаметром прокатных валков в мм, который обычно проставляется рядом со словом блюминг. Например блюминг1500.
Блюм- полупродукт металлургического производства- стальная заготовка квадратного сечения со стороной свыше 140 мм, получаемая прокаткой на блюминге или из жидкого металла на машинах непрерывного литья.
Сляб- стальная заготовка прямоугольного сечения с большим отношением ширины к высоте (до 15). Получают из слитков прокаткой на слябинге (иногда блюминге) или из жидкого металла на машинах непрерывного литья.
3.1.2 Слябинг – высокопроизводительный прокатный стан для обжатия крупных (массой до 45 т.) стальных слитков в слябы. Характеризуется диаметром горизонтальных валков в мм, который обычно проставляется рядом со словом слябинг. Например Слябинг1150.
3.1.3 сортовые и рельсобалочные;
3.1.4 проволочные;
3.1.5 листопрокатные;
3.1.6 трубопрокатные;
3.1.7 специальные: колесопрокатные, бандажепрокатные и пр.
3.2 По конструкции станы можно разделить на следующие группы:
3.2.1 двухвалковые (дуо-станы) — по два валка в каждой клети;
3.2.2 трехвалковые (трио-станы) —по три валка в каждой клети с постоянным направлением вращения валков;
3.2.3 многовалковые станы (не менее четырех валков в клети); в них рабочие валки малого диаметра опираются на валки большего диаметра; на таких станах можно применять большие обжатия гари минимальном диаметре рабочих валков, обеспечивая равномерную толщину листа или ленты при прокатке;
3.2.4 универсальные станы, имеющие наряду с горизонтальными валками вертикальные валки;
3.2.5 станы для прокатки труб с косым расположением валков.
1- муфта; 2,3- нижняя и верхняя шестерня; 4- коробка шестерённой клети; 5- подшипники; 6,7- нижний и верхний соединительные шпиндели; 8,9- подшипники шпинделей; 10- опорный рычажной механизм подшипника 9; 11- уравновешивающий груз; 12- электродвигатели нажимного и уравновешивающего механизма; 13- вагонетка для окалины.
Рисунок 41 – Блюминг
Различаются станы и по расположению рабочих клетей. Имеются станы с клетями, расположенными в одну линию (по одной оси) с общим двигателем и одинаковой скоростью вращения. Это является главным недостатком такой системы, так как не обеспечивает основного условия высокопроизводительной прокатки — увеличения скорости от первых пропусков к последующим. Черновые клети, обжимающие короткие заготовки с большим поперечным сечением требуют меньшей скорости вращения, чем чистовые клети, в которых получается окончательный профиль. При расположении станов в две линии этот недостаток несколько уменьшается, так как обжимная клеть выделена в особую линию. Скорость второй линии с черновыми и чистовыми клетями больше, чем первой.
Прокатные станы имеют разнообразные конструкции и различную мощность, от крупных обжимных станов, позволяющих вести прокатку стальных слитков, и до прецизионных станами холодной прокатки, дающими металлическую ленту и фольгу толщиной в десятые и сотые доли мм.
Прокатка полос, листов и фольги производится в валках цилиндрической формы с гладкой рабочей поверхностью (рисунок 42). Для прокатки сортового металла, проволоки и специальных профилей применяют калиброванные валки, на рабочей поверхности которых имеются вырезы-ручьи. Совмещенные ручьи одной пары валков образуют калибры (рисунок 43). Последовательным пропусканием прокатываемой заготовки через серию калибров осуществляют постепенное обжатие и изменение профиля и размеров заготовки. Валки монтируются в подшипниках на опорах станин и получают вращательное движение от электродвигателя. Станины вместе с валками составляют рабочую клеть прокатного стана.
Рисунок 42 – Схема прокатки листа
Рисунок 43 – Калибры валков
Прокатку металлов крупных и средних профилей ведут в горячем состоянии. Для получения тонкой проволоки (d<5 мм), тонкого листа и ленты используют станы холодной прокатки. Холодная прокатка по сравнению с прокаткой в горячем состоянии обеспечивает значительно более высокую точность и чистоту поверхности готовых изделий. Исходный горячекатаный лист или проволоку перед холодной прокаткой очищают от окалины травлением в кислотных ваннах с последующей промывкой и сушкой горячим воздухом. Для снятия наклепа, возникающего при холодной прокатке, применяют промежуточные отжиги в нормализационных печах или в печах с защитной атмосферой. Для холодной прокатки листов и ленты обычно применяют многовалковые станы. Прокатку особо тонких лент производят на специальных станах, y которых деформирующими элементами являются рабочие ролики диаметром 6—15 мм из металлокерамического сплава.
Режимы прокатки (необходимые удельные давления, степени деформации, скорость прокатки) выбирают в зависимости от пластических свойств деформируемого сплава. Медные и алюминиевые сплавы обладают высокой пластичностью и хорошо прокатываются в горячем и холодном состоянии. Слитки из алюминиевых сплавов сна; чала катают в горячем состоянии на прутки диаметром 90—100 мм, а затем — на листы толщиной 3—6 мм, из которых холодной прокаткой получают тонкий лист (0,3—0,5 мм) и фольгу. Относительное обжатие при прокатке алюминиевых сплавов, а также латуней, выбирают в пределах 65—95%- Скорости прокатки обычно высо кие: до 10 м/с и более.
Бронзы также могут быть обработаны прокаткой в холодном и горячем состоянии, но с несколько меньшими обжатиями. При горячей прокатке слитков степень деформации составляет 50—55% при скоростях прокатки 0,55—2,3 м/с. Холодной прокаткой получают из бериллиевой бронзы ленты толщиной 0,10—0,15 мм.
Магниевые сплавы обладают пониженной пластичностью, поэтому слитки перед прокаткой подвергают прессованию с обжатием не менее 80—90% для измельчения зерна. Прессованные прутки катают в горячем состоянии на листы 0,8—10 мм с обжатием за один проход 10— 15% и скоростью ~0,9 м/мин. Горячекатаные листы отжигают и подвергают холодной прокатке для повышения механических свойств и получения чистой поверхности.
Нержавеющие, жаропрочные и другие сложнолегированные стали и сплавы имеют сопротивление деформации в 4—6 раз выше, чем обычные конструкционные стали. Поэтому для прокатки этих материалов требуется применение более высоких удельных давлений при минимальных скоростях прокатки. Допустимые обжатия понижают до 50—60%, а в начале деформации — до 25%.
Горячая прокатка титана и его сплавов ведется с нагревом в среде инертного газа и также требует высоких удельных давлений с обжатиями 20—40%. Дальнейшей холодной прокаткой с обжатиями 12—20% из листа титанового сплава толщиной 5—7 мм можно получить лист 0,5—1,0 мм, а для некоторых марок — до 0,2 мм толщиной.
3 Производство сварных труб
Сварные трубы получают из плоской заготовки — ленты, называемой штрипсом, или из листов, ширина которых обычно соответствует длине окружности трубы. Сварные трубы изготовляют несколькими способами: печной сваркой (встык и внакладку), электрической и газовой сваркой.
Производство труб электросваркой. В промышленности применяется несколько способов производства труб электросваркой. Наибольшее распространение имеет способ получения труб контактной сваркой сопротивлением. В этом случае изготовляют трубы диаметром от 6 до 630 мм и толщиной стенки от 0,15 до 20 мм.
Исходным материалом здесь служит светлая холоднокатаная лента в рулонах или полосы, а для труб больших диаметров — листовая заготовка, которая предварительно очищается от окалины и ржавчины травлением или обдувкой металлическим песком.
Ленты и полосы свертываются в холодном состоянии в трубу в формовочных (профиле-загибочных) непрерывных двухвалковых станах дуо с числом клетей от 5 до 12 в зависимости от размера труб.
Рисунок 44 – Последовательность процесса свёртывания трубы из полосы в шести парах валков профиле-загибочного стана
На рисунке 44 показаны последовательность процесса свертывания трубы и расположение валков в шестивалковом стане. Четвертая пара, как видно из рисунка, расположена вертикально. По выходе из последней клети стана трубная заготовка поступает в электросварочный агрегат, где специальными роликовыми электродами кромки трубы плотно прижимаются друг к другу и одновременно свариваются. Образовавшийся во время сварки наплыв сострагивается при движении трубы вперед. После сварки трубы проходят правку с калибровкой и дальнейшие отделочные операции.
Кроме производства электросварных труб контактной сваркой сопротивлением, применяются контактная сварка оплавлением (реже), электродуговая сварка под слоем флюса с прямым и со спиральным швом. Способом электродуговой сварки под слоем флюса изготовляются трубы большого диаметра, которые используются главным образом для транспортировки газа, нефти и нефтепродуктов.
Трубы с прямым швом изготовляют диаметром 426—1420 мм при толщине стенки 6—13 мм, а трубы со спиральным швом — диаметром 150—720 мм при толщине стенки 5—10 мм.
При производстве труб дуговой сваркой под слоем флюса с прямым швом подготовленный лист вначале формуется на листогибочных вальцах или прессах, затем сваривается снаружи и изнутри. Внутренняя сварка осуществляется сварочной головкой, перемещающейся внутри трубы на тележке со штангой. Сваренные трубы поступают дальше на отделочные операции: калибровку, правку и гидравлическое испытание.
Основными операциями при сварке труб со спиральным швом являются: свертывание трубы по спирали, сварка шва и отрезка. Все эти операции осуществляются на автоматическом трубосварочном стане, имеющем соответственно три основных механизма для подачи ленты, формовки, сварки и отрезки. Производительность таких станов составляет 450—500 м труб в смену.
В последнее время трубы диаметром от 12,5 до 219 мм начали изготовлять и индукционной сваркой. При изготовлении труб из высоколегированных сталей находит применение атомно-водородная и аргоно-водородная сварка.
4 Периодический прокат
В настоящее время периодический прокат в кузнечно-штамповочном производстве получает широкое применение не только как фасонная заготовка для последующей штамповки деталей различных машин, но и как заготовка под окончательную механическую обработку.
Периодический прокат представляет собой заготовку, поперечное сечение которой не является одинаковым по форме и площади, как при обычном продольном прокате, а периодически изменяется (рисунок 45).
Рисунок 45 – Примеры периодического проката для последующей штамповки деталей автомобилей
Один из способов изготовления периодического проката круглого сечения — поперечная прокатка — изображен на рисунке 46. Нагретая круглая заготовка 10 сплошного сечения или труба помещается между тремя коническими валками 2, расположенными под углом в 120° относительно друг друга. Оси рабочих валков повернуты на небольшой угол к оси прокатки. Валки, получая вращение посредством универсальных шпинделей, прокатывают находящуюся между ними заготовку 10 при одновременном ее перемещении вдоль оси.
Рисунок 46 – Схема прокатки изделий периодического профиля в стане с тремя коническими валками
Во время прокатки рабочие валки, закрепленные в головках 1 гидроцилиндров 9, могут сближаться или расходиться от оси изделия, вследствие чего выходящая из валков заготовка имеет переменное сечение по длине, т. е. получается прокат с периодически повторяющимся профилем.
Цикличность работы нажимных устройств задается сменной копировальной линейкой 6, упирающейся в копирный палец 7, который через систему реле, датчиков тока и других устройств электроавтоматики управляет гидроприводом 8 и главным мотором стана. Для перехода на прокатку заготовок другого профиля достаточно сменить линейку 6.
Для предохранения заготовки от образования в ней полости (рыхлости) в процессе поперечной прокатки необходимо создать значительное осевое натяжение. Последнее создается при помощи гидравлического цилиндра 5 через свободно вращающийся зажим 3, в котором зажат конец заготовки 10. Натяжное устройство 4 перемещает также копировальную линейку 6. Усилие натяжения и осевая скорость выхода заготовки из валков взаимно регулируются.
На этих периодических трехвалковых станах прокатывают заготовки диаметром от 25 до 120 мм при длине от 1100 до 2500 мм. Максимальная скорость прокатки 0,1—0,5 м/сек, производительность достигает 10—35 тыс. т в год.
Рисунок 47 – Кинематическая схема стана для прокатки шаров
конструкции ЦНИИТмаша
В настоящее время получил широкое распространение и процесс прокатки в винтовых калибрах. Этим способом изготовляются периодический прокат, а также шары для подшипников (рисунок 47). Пруток диаметром на 1—2 мм меньше диаметра шара задается в валки имеющие круглые калибры, выполненные по винтовой линии. Так как оси валков находятся друг к другу под некоторым углом, то пруток, втягиваясь в них, постепенно формуется в шары, которые в конечном итоге пережимаются и падают в поддон. Таким способом получаются шары от 4 до 125 мм в диаметре со средней производительностью 60—80 шт/мин.
5 ВОЛОЧЕНИЕ
Волочением называется протягивание заготовки 1 через отверстие инструмента 2 в виде волочильной доски или волоки, сечение которого меньше сечения протягиваемой заготовки (рисунок 48).
Заготовками для волочения может служить прокат (в виде катанки, прутков и труб), а также прессованные профили (прутки и трубы). Процесс волочения производится преимущественно в холодном состоянии.
Сортамент современных изделий, изготовляемых волочением, весьма разнообразен. Волочением изготовляют стальную проволоку диаметром от 0,002 до 10 мм, калибруют стальные трубы с наружными диаметрами от капиллярных до 500 мм, калибруют стальные прутки с диапазоном диаметров от 3 до 150 мм: Из цветных металлов волочением изготовляют проволоку круглого, прямоугольного, и сегментного сечений, прутки различных сечений, трубы круглого и прямоугольного сечений и т. п.
Рисунок 48 – Схема процесса волочения
Волочение позволяет получать изделия с высоким классом точности и высокой чистотой поверхности. Например, стальная проволока диаметром 0,006 мм по 2-му классу точности имеет допуск —0,001 мм. Чистота поверхности после волочения обычно соответствует 7—9-му классу по ГОСТу 2789—2003.
Волочильные станы в основном подразделяются на цепные и барабанные; первые — периодического действия, вторые — непрерывного. Катанка, прутки и трубы протягиваются на цепных стадах крупных размеров.
Рисунок 49 – Схема цепного волочильного стана
Цепной стан (рисунок 49) имеет станину 1 длиной 14—16 м. В станине 1 укреплены два цепных барабана 4 и 2; барабан 4 получает вращение от электромотора через редуктор. На барабаны 4 и 2 накинута бесконечная шарнирно-пластинчатая цепь 3. По наклонным направляющим станины 1 перемещается тележка 6, на которой укреплены крюк 5 с противовесом 7 и зажимное приспособление в виде клещей 8. К передней стойке стана прикрепляется инструмент 9. Для начала работы на стане необходимо конец прутка 10 заправить (обжать) таким образом, чтобы он прошел через отверстие инструмента (волоки) 9 и был захвачен губками клещей 8. Крюк 5 тележки 6 накидывается на один из пальцев звена бесконечной цепи 3, которая при перемещении будет передвигать тележку 6. При этом клещи 8, зажимая пруток 10, будут его протягивать через отверстие волоки 9. В крайнем правом положении тележки 6 крюк 5 будет вытолкнут из звена цепи 3 зубом барабана 4; противовес 7 приподнимает крюк, клещи 8 разожмутся и тележка 6, будучи установленной на наклонных направляющих, переместится влево для повторения цикла протяжки. Крюк 5 вручную (или автоматически) будет снова накинут на палец звена цепи; клещи 8 захватят пруток 10 в новом месте, и цикл протягивания повторится. Современные цепные станы могут одновременно протягивать до десяти прутков и строятся с тянущим усилием до 150 т (1500 КН).
6.1 Изучить методические материалы по обработке металлов давлением.
6.2 Ознакомится с конструкцией и устройством прокатного стана.
6.3 Получить слиток для прокатки. Провести измерение исходных размеров заготовки.
6.4 Произвести прокатку слитка.
6.5 Измерить заготовку после прокатки.
6.6 Определить относительное обжатие и коэффициент вытяжки заготовки.
1 Определение обработки металлов давлением
2 Основные способы обработки металлов давлением
3 Физическая сущность обработки металлов давлением
4 Физическая сущность горячей обработки металлов давлением
5 Характеристики степени деформации при прокатке.
6 Определение прокатного стана
8 Разделение прокатных станов по роду выпускаемой продукции
9 Разделение станов по конструкции
10 Прокатные станы с клетями в одну линию
11 Производство труб печной сваркой
12 Производство труб электросваркой
13 Периодический прокат
14 Прокат в винтовых калибрах
15 Определение волочения
16 Сортамент изделий изготовляемых волочением
17 Разделение волочильных станов
18 Цепной волочильный стан
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ обработкИ
металлов РЕЗАнием (4 часа)
Изучить основные методы обработки металлов резанием, ознакомиться с различным металлорежущим оборудованием и определить нормы времени на металлорежущие операции.
Для проведения работы необходимы: токарный, фрезерный станок, заготовка, режущие инструменты
1 МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Основными методами обработки металлов резанием являются точение, сверление, строгание, протягивание, фрезерование, шлифование и ряд отделочных методов обработки. Сущность этих методов состоит в снятии с поверхности заготовки определенного слоя металла путем механического силового воздействия, осуществляемого при помощи режущего инструмента.
2 ЭЛЕМЕНТЫ РЕЗАНИЯ, ГЕОМЕТРИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ
Под режимом резания понимают совокупность скорости резания, подачи и глубины резания.
Скорость резания (v) представляет собой путь перемещения режущего лезвия инструмента относительно заготовки в направлении главного движения в единицу времени. При вращательном движении (например, точение)
где D — диаметр заготовки, мм;
n — число оборотов заготовки в минуту.
Допустимую скорость резания (например, при точении) в зависимости от стойкости резца при резании с заданной подачей S и глубиной резания t определяют по формуле
v = C1 /txSy м/мин,
где С1—коэффициент, принятый в зависимости от материала заготовки и резца, геометрии резца;
х, у—показатели степени (здесь х<у<1). При возвратно-поступательном движении (например, долблении) скорость резания определяется как средняя скорость по формуле:
где L— ход ползуна с резцом, мм;
n—число двойных ходов в минуту;
k—отношение скорости рабочего хода vр к холостому ходу
k = vP:vX.
Подачей (S) инструмента является путь перемещения режущей кромки инструмента относительно заготовки (рисунок 50). При точении — это перемещение инструмента за один оборот заготовки, при сверлении — за один оборот инструмента, при строгании — за один двойной ход заготовки. Размерность подачи при точении сверлении — мм/об, строгании — мм/двойной ход, при фрезеровании — мм/мин.
Рисунок 50 – Элементы резания при точении
Глубина резания (t) — расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное в направлении, перпендикулярном к обработанной поверхности. Глубина резания при точении t=(D—d)/2 мм (D — диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм, d— диаметр обработанной поверхности за 1 проход, мм).
Ширина срезаемого слоя (b) определяется расстоянием, измеренным по поверхности резания, между обрабатываемой и обработанной поверхностями:
где — главный угол в плане.
Толщина срезаемого слоя (а) — расстояние между двумя последовательными положениями режущей кромки инструмента за время одного оборота заготовки. Величина а определяется по формуле:
а =S*sin мм.
3 ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ ТОКАРНОЙ ГРУППЫ
Станок (рисунок 52) состоит из станины 9, передней бабки со шпинделем и коробкой скоростей 2, задней бабки 6, коробки подач 2, суппорта, состоящего из фартука 3 и поперечных салазок 4, ходового винта 7 и ходового вала 8, узлов системы смазки станка и подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания, а также привода и устройства управления станком. Станина станка состоит из чугунной постели, расположенной на двух тумбах, и направляющих, по которым перемещается суппорт и задняя бабка. Передняя бабка является коробкой скоростей с главным валом — шпинделем. Коробка подач служит для изменения числа оборотов ходового винта или ходового вала. Задняя бабка предназначена для закрепления детали в центрах или установки инструмента для сверления, зенкерования и других операций. Суппорт станка предназначен для закрепления инструмента и его перемещения с заданной подачей. В резцедержателе суппорта устанавливают резцы.
1- коробка подач; 2- передняя бабка; 3- фартук; 4-поперечные салазки;
5- резцедержатель; 6- задняя бабка; 7- ходовой винт; 8- ходовой вал;
9- станина станка
Рисунок 52 – Схема токарно-винторезного станка:
Лобовые токарные станки (рисунок 53) служат для обработки коротких деталей большого диаметра. Передняя бабка 1 с планшайбой 2 имеет большую высоту центров, короткую станину 3 с расположенным на ней суппортом, имеющего фартук 6 и резцедержатель 7. Станок снабжён ходовым винтом 4 и ходовым валом 5.
Рисунок 53 – Общий вид лобового станка
Рисунок 54 – Общий вид карусельного токарного станка
Карусельные станки (рисунок 54), как и лобовые, служат для поперечного и продольного точения коротких, но крупных и тяжелых изделий большого диаметра. Благодаря тому, что планшайба 1 карусельного токарного станка с вертикальной осью вращения расположена в горизонтальной плоскости на столе 2, установка и выверка обрабатываемого изделия на горизонтальной планшайбе производится быстрее, чем на лобовом станке, крепление его проще и безопаснее, а доступ к нему удобнее. Вес изделия не вызывает прогиба шпинделя. Поперечина 3 перемещается в вертикальной плоскости по направляющим станины 5 вместе с салазками 6 и револьверной головкой 7. В горизонтальной плоскости салазки 6 и головки 7 передвигаются по направляющим 8 и 9 поперечины 3. Вертикальное и горизонтальное перемещение на карусельных станках с револьверной головкой дает возможность точения и цилиндрических и торцевых поверхностей.
4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМЫ ВРЕМЕНИ НА ТОКАРНЫЕ ОПЕРАЦИИ
В основу расчета времени операции берут техническую норму штучного времени:
Тшт = То + Тв + Тоб + Тотд мин,
где То— основное технологическое (машинное) время;
Тв— вспомогательное время, затрачиваемое на управление станком, снятие, установка контроль детали и др.;
Тоб—время на обслуживание рабочего места и станка;
Тотд— время отдыха рабочего.
II- конечное положение резца
Рисунок 55 – Схема к расчёту машинного времени при
резании точением
Сумма основного и вспомогательного времени составляет оперативное время: ТОП=ТО+ТВ. Основное технологическое (машинное) время — это время, затрачивавамое на изменение формы и размеров заготовки. При точении (рисунок 55) машинное время ТО определяется отношением пути, пройденного инструментом (длина xода резца), к скорости подачи инструмента, выраженной произведением nS:
где L — длина хода резца;
i— число проходов резца;
n — число оборотов детали в минуту;
S— подача резца, мм/оборот.
Длина хода резца L при обработке поверхности длиной l равна:
L = l + l1 + l2 мм,
где l1=tctg—длина пути врезания резца при главном угле в плане и глубине резания t;
l2—перебег резца (1—3 мм).
5 ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ СВЕРЛИЛЬНОЙ ГРУППЫ
Сверлильные станки делятся на вертикально-сверлильные, радиально-сверлильные, горизонтально-сверлильные и расточные.
Вертикально-сверлильные станки, т. е. станки с вертикальным шпинделем, наиболее распространены. На рисунке 56 изображен такой станок типа 2135.
К коробчатой станине 1, опирающейся на фундаментную плиту, присоединен подъемный стол 2, который поднимается опускается винтом 3 с помощью рукоятки 4 и пары конических зубчатых шестерен. На подъемном столе устанавливают обрабатываемую деталь. В шпинделе 5 закрепляют инструмент. Электродвигатель 6 при помощи коробки скоростей 7 приводит во вращательное движение шпиндель, а при помощи коробки подач 8 сообщает ему подачу в вертикальном направлении. Маховичок 9 поднимает шпиндель, выводя инструмент из отверстия, и служит для подачи его вручную. Насос 10 по трубопроводу 11 подает охлаждающую жидкость из резервуара 12(в плите) к режущему инструменту. Рычаги 13 и 14 служат для управления перемещением шпиндельных блоков. Движение от коробки подач передается на рейку, закрепленную на гильзе 15. В ней шпиндель свободно вращается, но перемещаться может в осевом направлении лишь при перемещении гильзы и вместе с ней.
Рисунок 56 – Общий вид вертикально-сверлильного станка
6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМЫ ВРЕМЕНИ НА СВЕРЛИЛЬНЫЕ
ОПЕРАЦИИ
При сверлении и рассверливании основное (машинное) время равно:
где L — длина хода сверла в направлении подачи (рисунок 57);
n — число оборотов сверла (или детали) в минуту;
S— подача сверла, мм/оборот.
Длина хода сверла L:
L = l + l1 + l2 мм,
где l- глубина сверления, мм
l1— величина врезания 0,3D мм;
l2—перебег сверла (1—3 мм).
Рисунок 57 – Схема сверления
7 ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ ФРЕЗЕРНОЙ ГРУППЫ
На фрезерных станках можно выполнять разнообразные работы — от обработки плоских поверхностей до различных фигурных работ.
Фреза представляет собой режущий инструмент цилиндрической формы с расположенными по окружности или по торцам режущими зубьями. Фреза вращается вокруг своей оси, а изделие получает движение подачи (рисунок 58).
Рисунок 58 – Схема процесса фрезерования
Процессы резания и образование стружки при фрезеровании значительно отличаются от работы резцом или сверлом и имеют ряд своеобразных особенностей. Резец и сверло в течение всего периода резания без отрыва соприкасаются с металлом и дают длинную стружку. При фрезеровании зубья фрезы работают периодически в течение малой доли оборота. Отдельный зуб при каждом обороте фрезы быстро снимает с обрабатываемой детали стружку, а потом не соприкасается с ней и успевает до некоторой степени охладиться воздухом.
При фрезеровании различают подачу минутную S1 (мм/мин), подачу на один оборот S2 (мм/об) и подачу на зуб S3 (мм/зуб). Подачи связаны зависимостью:
S1= S2n= S3zn,
где n-число оборотов фрезы (детали) в минуту;
z- число зубьев фрезы
На рисунке 59 изображён универсальный горизонтально-фрезерный станок. На фундаментной плите 1 укреплена коробчатой формы станина 2. По направляющим станины перемещается в вертикальной плоскости консоль 3, а по направляющим консоли — салазки 4 с поворотной плитой 5. Эту плиту можно установить под любым углом в горизонтальной плоскости. Стол 6 служит для закрепления приспособлений и обрабатываемых изделий. Он перемещается по направляющим поворотной плиты. На коробчатом хоботе 7 прикреплены подвески 8, поддерживающие оправку 9. В станине 2 помещается мотор 10, приводящий во вращение коробку скоростей и коробку подачи. Подача производится для подъема и опускания консоли (вертикальная подача), перемещения салазок (поперечная подача) или стола (продольная подача).
Рисунок 59 – Общий вид универсального
горизонтально-фрезерного станка
8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМЫ ВРЕМЕНИ НА ФРЕЗЕРНЫЕ ОПЕРАЦИИ
При фрезеровании основное (машинное) время определяется формулой:
где L — расчетная длина прохода фрезы, мм;
SМ— минутная подача фрезы, мм/мин.
Расчётная длина прохода фрезы L:
L = l + l1 + l2 мм,
где l- глубина фрезеруемой поверхности, мм
l1— величина врезания 0,5D мм;
l2—перебег фрезы (1—5 мм).
9 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТРУДА
Производительность труда – эффективность труда в процессе производства. Измеряется количеством времени, затраченного на производство единицы продукции или количеством продукции, произведённой в единицу времени.
Число деталей Q, изготовленных в единицу времени (производительность):
Q = 60/ТШТ.
Пути повышения производительности. Трудоемкость станочной обработки может быть снижена путем сокращения машинного Тм или вспомогательного ТВ времени операции, а также общего сокращения штучного времени ТШТ за счет многоинструментальной настроенной обработки одной или нескольких заготовок.
Одновременная обработка нескольких заготовок может выполняться как на одном многошпиндельном станке, так и на нескольких станках при многостаночном обслуживании.
Механическая обработка может осуществляться методом разделения, т.е. дифференциации операций (за одну установку обрабатывается одна-две поверхности) и методом концентрации операций (простейший вид — последовательная обработка всех поверхностей заготовки за одну или две установки с ее поворотом).
Основными способами сокращения ТМ являются: повышение режимов резания, сокращение длины и числа переходов инструмента, совмещение операций и одновременная обработка нескольких заготовок. Повышение режимов резания осуществляется за счет применения более рациональных режимов резания, прогрессивных конструкций режущего инструмента и оснастки. Увеличение скорости резания (скоростное резание) и увеличение подачи (силовое резание), уменьшение количества проходов за счёт увеличения припуска на обработку обеспечивают снижение ТО.
Совмещение операций возможно также при использовании нескольких инструментов, например одновременное обтачивание и сверление заготовки, установленной в патроне (сверло устанавливается в задней бабке), обтачивание валика с протачиванием канавок резцом, установленным в дополнительном заднем резцедержателе и т. п.
Сокращение времени установки заготовок обеспечивается за чет применения быстродействующих патронов (пневматических, гидравлических, электромагнитных) и других типов механизированных зажимов (самозажимных хомутиков и оправок, рифленых центров и др.)
Для сокращения времени смены инструмента используются также различные приспособления, например поворотная револьверная головка, дополнительный задний резцедержатель на суппорте и др. Поворотная револьверная головка, установленная в пиноли задней бабки, имеет 4 — 6 инструментов (сверла, зенкеры, развертки, метчики для полной обработки отверстий). Она значительно сокращает вспомогательное время по сравнению со временем установки и съема инструментов в конусном отверстии пиноли.
Сокращение времени на измерения достигается при работе по упорам, при измерениях размеров во время работы станка и при обработке отверстий мерным инструментом.
10.1Изучить методические материалы по обработке металлов резанием.
10.2 Ознакомится с конструкцией и устройством токарного станка и другого металлорежущего оборудования.
10.3 Определить производительности труда обработки цилиндрической детали на токарном станке.
Данные процесса точения, необходимые для расчёта производительности, представлены в таблице:
|
Параметры Вариант |
n,об/мин |
S,мм/об |
i,шт |
,0 |
t,мм |
l,мм |
|
1 |
200 |
0,2 |
1 |
45 |
2 |
100 |
|
2 |
250 |
0,14 |
2 |
60 |
3 |
150 |
|
3 |
2000 |
0,07 |
3 |
90 |
1 |
200 |
|
4 |
630 |
0,3 |
1 |
45 |
1,5 |
250 |
10.4 Определить производительности труда при сверлении отверстия.
|
Параметры Вариант |
n,об/мин |
S,мм/об |
l,мм |
D,мм |
|
1 |
630 |
0,25 |
50 |
20 |
|
2 |
315 |
0,1 |
100 |
30 |
|
3 |
1000 |
0,2 |
10 |
10 |
|
4 |
100 |
0,05 |
200 |
50 |
10.5 Определить производительности труда при фрезеровании
|
Параметры Вариант |
n,об/мин |
S,мм/об |
l,мм |
D,мм |
|
1 |
1000 |
0,25 |
300 |
20 |
|
2 |
800 |
0,3 |
200 |
30 |
|
3 |
300 |
0,1 |
50 |
10 |
|
4 |
1800 |
0,4 |
500 |
50 |
6) При расчёте принять:
рр
1 Сущность методов обработки металлов давлением;
2 Основные методы обработки металлов резанием;
3 Скорость резания;
4 Подача инструмента;
5 Глубина резания;
6 Устройство токарного станка;
7 Назначение лобовых токарных станков;
8 Назначение карусельных станков и их достоинства по сравнению с лобовыми станками;
9 Штучное время;
10 Разделение сверлильных станков;
11 Основное время при сверлении;
12 Сверление;
13 Фрезерование;
14 Что такое фреза;
15 Отличие процесса резания при фрезеровании от точения и сверления;
16 Виды подач при фрезеровании;
17 Основное время при фрезеровании;
18 Определение производительности труда;
19 Пути повышения производительности;
20 Основные способы сокращения машинного времени
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
обработка металлов резанием (4 часа)
Изучить процесс обработки металлов резанием, в частности, обработку металлов резанием на станках токарной группы.
Для проведения работы необходимы: токарный станок, штангенциркуль, карандаш
Основная задача обработки металлов резанием — придать изделию необходимые форму, размеры и качество поверхности. Для этого снимают стружку с заготовки, т. е. лишний металл (припуск).
1 МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Основными методами обработки металлов резанием являются точение (рисунок 61), сверление (рисунок 62), строгание (рисунок 63), протягивание (рисунок 64), фрезерование (рисунок 65), шлифование (рисунок 66) и ряд отделочных методов обработки. Сущность этих методов состоит в снятии с поверхности заготовки определенного слоя металла путем механического силового воздействия, осуществляемого при помощи режущего инструмента. Необходимая геометрическая форма и размеры детали получаются в результате сочетания определенных движений заготовки и инструмента. При обработке на металлорежущих станках различают движения — главное, движение подачи и вспомогательное движение.
Рисунок 61- Схема процесса точения
Скорость деформирования металла и отделения стружки — скорость резания — определяется главным движением. Движением подачи определяется толщина срезаемого слоя и обеспечивается постепенное удаление припуска.
Рисунок 62- Схема процесса сверления
Главное движение может сообщаться заготовке (например, при точении) или инструменту (например при сверлении). Движение подачи также может иметь инструмент (при точении) или заготовка (при фрезеровании) и главное движение, и движение подачи могут быть непрерывными (точение, сверление) и прерывистыми (строгание, долбление).
Рисунок 63- Схема процесса строгания
По своему направлению главное движение может быть вращательным (точение), прямолинейно-поступательным (протягивание) или возвратно-поступательным (строгание, долбление). Движение подачи может быть поступательным (точение, сверление) или вращательным (шлифование, зубонарезание).
Рисунок 64- Схема процесса протягивания
Рисунок 65- Схема процесса фрезерования
а) б)
а) круглое шлифование; б) плоское шлифование
Рисунок 66- Схема процесса шлифования:
2 МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
Материалы режущих инструментов должны обладать высокой твердостью и прочностью, износостойкостью, теплостойкостью. К таким материалам относятся инструментальные стали, твердые сплавы, минералокерамика, абразивно-алмазные материалы, являющиеся работоспособными в условиях высоких температур, усилий и интенсивного трения.
Углеродистые инструментальные стали имеют низкую теплостойкость (красностойкость 200—250° С). Поэтому из них изготовляют главным образов развертки метчики, ножовочные полотна, зубила и другой инструмент, используемый с низкой скоростью резания. Рабочую часть инструмента из углеродистых инструментальных сталей закаливают до твердости HRC 60—62.
Красностойкость- способность сплава сохранять при нагреве высокую твёрдость и износостойкость.
Легированные инструментальные стали после термообработки имеют твердость HRC 62—64, что позволяет применять их для изготовления инструментов, работающих при скоростях больших, чем инструмент из углеродистой стали. Наиболее применимыми являются стали хромистые (Х12М, 9Х), хромокремнистые (6ХС, 9ХС), хромованадиевые (8ХФ), хромовольфрамомарганцовистые (ХВГ, 9ХВГ). Высокая вязкость инструмента позволяет использовать его при обработке хрупких материалов с ударными нагрузками. Ряд сталей (ХВГ, 9ХВГ) при термообработке мало деформируются, поэтому из них изготовляют сложные и длинные инструменты, например развертки, протяжки, длинные сверла и др.
Инструмент из быстрорежущей стали обладает более высокими режущими свойствами (твердость HRC 62—65), что позволяет увеличить скорости резания до 100 м/мин.
Быстрорежущие стали могут иметь нормальную и повышенную стойкость. Инструмент из стали нормальной стойкости (Р18, Р9) применяют для обработки стали с пределом прочности 90—100 кгс/мм2 и чугуна с твердостью НВ 270—280. Из стали Р9 изготовляют инструменты простой формы — резцы, фрезы, зенкеры, а из стали Р18 —более сложные инструменты для зубо-резьбонарезных работ.
Режущий инструмент, оснащенный пластинами из твердого сплава, используют со скоростью резания в 5 — 8 раз большей, чем из углеродистой стали (50—800 м/мин). Однако высокая твердость твердосплавных материалов затрудняет изготовление из них сложного фасонного инструмента.
Минералокерамические материалы имеют твердость выше твердых сплавов (HRC 91—93). Высокая термостойкость (до 1200°С), износостойкость, неокисляемость обеспечивают высокую размерную стойкость режущего инструмента при скорости резания до 2000 м/мин. Режущий инструмент из минералокерамики хрупкий, поэтому применяют при чистовой обработке стали, чугуна и цветных металлов.
Прочность минералокерамики повышают добавкой 5-40% вольфрама, молибдена и др.
Абразивно-алмазные материалы используют для изготовления шлифовальных кругов, брусков, паст и др. Ценностью абразивных материалов является высокая температурная стойкость (до 2000°С), износостойкость и теплоёмкость. Это позволяет производить обработку со скоростью резания до 70 м/с и выше.
Режимы резания при обработке материалов алмазным инструментом характеризуются высокой скоростью 100—3000 м/мин с малыми подачами, что обеспечивает высокую чистоту обработки. Стойкость алмазных резцов при точении материалов высокой абразивности - пластмасс, алюминия, бронзы, пьезокерамики, полупроводников — в десятки раз превышает стойкость твердосплавных инструментов.
3 ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ
Резание материалов можно рассматривать как процесс местного сжатия и сдвига обрабатываемого материала режущим клином (резцом) с последующим образованием стружки. При этом срезаемый слой материал и слои, расположенные впереди резца и под резцом, подвергаются упругим и пластическим деформациям.
От характера и степени деформации материала заготовки зависит количество тепла, выделяемого при резании, износ инструмента, наклеп, нарост, шероховатость поверхности и другие явления.
Резание материалов сопровождается выделением тепла в зоне резания, происходящим вследствие пластического деформирования металла, трения стружки о переднюю поверхность резца и трения задних поверхностей инструмента о заготовку. Тепловой баланс обработки резанием распределяется следующим образом: в стружку отводится 25—85% выделяемого тепла, в заготовку 10—50%, в инструмент 2— 8% и на излучение ~1%. Таким образом, основное количество тепла, выделяемого при резании, переходит в стружку и заготовку. Однако при низкой теплопроводности режущих инструментов (твердые сплавы, например) температура режущей кромки резца также значительна (до 800—1000°С). Температура нагрева инструмента существенно зависит от скорости резания и подачи. Увеличение глубины резания незначительно повышает температуру ввиду увеличивающейся площади контакта инструмента и детали, что облегчает отвод тепла из зоны резания.
Для охлаждения инструмента и снижения трения контактирующих поверхностей инструмента и детали применяют смазочно-охлаждающие жидкости (рисунок 67). В качестве смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) при черновой обработке применяют водные растворы кальцинированной соды, нитрита натрия и водные эмульсии с антикоррозионными добавками. При чистовой (окончательной) обработке применяют жидкости, обладающие высокой маслянистостью — минеральные, растительные масла, масла с добавками серы (сульфофрезол) и др. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей способствует снижению потребной мощности резания на 10—15%, повышает стойкость режущего инструмента и чистоту обработки поверхности.
а) б)
а) при фрезеровании; б) при точении
Рисунок 67- Подача СОЖ в зону резания:
При резании пластичных материалов в условиях высоких давлений на поверхности резца частицы материалта затормаживаются, налипая на резец. В процессе резания спресованный слой заторможенного материала возрастает, образуя нарост на резце (рисунок 68). Нарост появляется и срывается примерно 200 раз в секунду, при этом отделившиеся частицы покрывают обработанную поверхность, ухудшая чистоту обработки, вызывая вибрацию технологической системы и волнистость обработанной поверхности. При образовании нароста происходит увеличение переднего угла резца (рисунок 69), что снижает силу резания и износ резца, улучшает теплоотвод от режущей кромки инструмента. Величина нароста при резании пластичных материалов зависит главным образом от скорости резания. При скоростях резания до 10—12 и более 50—70 м/мин величина нароста незначительна. Однако при скоростях резания 18—30 м/мин нарост достигает наибольшего значения и существенно влияет на качество обработки и процесс резания. Величину нароста снижают правильным выбором скорости резания, применением смазочно-охлаждающей жидкости, тщательной доводкой передней поверхности режущего инструмента.
I-нароста нет; II- появление нароста; III- наибольший нарост; IV-разрушение нароста
Рисунок 68- Схема наростообразования:
Рисунок 69- Схема изменения геометрии резца:
4 ИЗНОС И СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА ПРИ РЕЗАНИИ
Износ инструмента по главной задней поверхности (h3) вызывает ухудшение качества обработки и увеличение усилия резания. Величина износа не должна превышать h3=0,8-1,5мм; при больших значениях h3 резец подлежит переточке. Период работы режущего инструмента между переточками называют стойкостью инструмента, измеряемой в минутах работы по резанию материала. Стойкость резца связана со скоростью резания
где Т— стойкость резца, мин;
CV—постоянная величина, характеризующая условия резания;
т— показатель степени, зависящий от материала инструмента (m=0,l-0,3).
Стойкость резцов из быстрорежущей стали составляет 30—60 мин, твердых сплавов 45—90 мин, для резьбовых резцов— 120 мин для одноинструментной обработки. При многорезцовой обработке о стойкости инструмента судят по наименее стойкому (лимитирующему) инструменту.
Наклеп обрабатываемой поверхности при резании возникает в результате упруго-пластического деформирования металла заготовки, вследствие затупления резца (увеличения радиуса закругления его режущего лезвия). Глубина наклепа составляет от нескольких микрон до 5—6 мм и зависит от режимов резания, геометрии инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала. С увеличением глубины резания, подачи, угла резания, затупления резца глубина и степень наклепа возрастают. Влияние подачи на величину наклепа является наибольшим. С увеличением скорости резания V>100 м/мин наклеп снижается.
Явление наклепа положительно на окончательных (финишных) операциях обработки, так как поверхность детали упрочняется.
5 ЭЛЕМЕНТЫ РЕЗАНИЯ, ГЕОМЕТРИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ
Под режимом резания понимают совокупность скорости резания, подачи и глубины резания.
Скорость резания (v) представляет собой путь перемещения режущего лезвия инструмента относительно заготовки в направлении главного движения в единицу времени. При вращательном движении (например, точение)
где D — диаметр заготовки, мм;
п — число оборотов заготовки в минуту.
Допустимую скорость резания (например, при точении) в зависимости от стойкости резца при резании с заданной подачей S и глубиной резания t определяют по формуле
v = C1 /txSy м/мин,
где С1—коэффициент, принятый в зависимости от материала заготовки и резца, геометрии резца;
х, у—показатели степени (здесь х<у<1).
При возвратно-поступательном движении (например, долблении) скорость резания определяется как средняя скорость по формуле
где L— ход ползуна с резцом, мм;
п—число двойных ходов в минуту;
k—отношение скорости рабочего хода vр к холостому ходу
k = vP:vX.
Подачей (S) инструмента является путь перемещения режущей кромки инструмента относительно заготовки (рисунок 70). При точении — это перемещение инструмента за один оборот заготовки, при сверлении — за один оборот инструмента, при строгании — за один двойной ход заготовки. Размерность подачи при точении сверлении — мм/об, строгании — мм/двойной ход, при фрезеровании — мм/мин.
Рисунок 70-Элементы резания при точении
Глубина резания (t) — расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное в направлении, перпендикулярном к обработанной поверхности. Глубина резания при точении
t=(D—d)/2, мм
где D — диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм,
d— диаметр обработанной поверхности за 1 проход, мм.
Ширина срезаемого слоя (b) определяется расстоянием, измеренным по поверхности резания, между обрабатываемой и обработанной поверхностями:
где — главный угол в плане.
Толщина срезаемого слоя (а) — расстояние между двумя последовательными положениями режущей кромки инструмента за время одного оборота заготовки. Величина а определяется по формуле
а =Ssin мм.
6 ТОЧНОСТЬ И ЧИСТОТА ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ
ДЕТАЛЕЙ
Под точностью детали подразумевается степень соответствия фактически полученных при обработке размеров деталей расчетным. Точность детали определяется отклонениями реальной детали от заданной по форме, размерам, взаимному расположению поверхностей и шероховатости. Отступление данных показателей реальной детали от заданной является отклонением (погрешностью).
Точность обработки зависит от точности станков, приспособлений, инструмента, погрешности установки детали, тепловых деформаций и других факторов. Точность станков, измеренную в ненагруженном состоянии, называют геометрической точностью. Так, радиальное биение шпинделя фрезерного и токарного станка допускается не более чем 0,01—0,015 мм, а допустимая непараллельность и непрямолинейность направляющих токарного или продольно-строгального станка на длине 1000 мм не должна превышать 0,02 мм. В процессе эксплуатации станок подвергается износу, что приводит к увеличению погрешности детали. Механическую обработку деталей осуществляют в приспособлениях, погрешности изготовления которых также влияют на точность обработки деталей. Погрешности изготовления режущих инструментов, а также износ мерного (сверло, метчик и др.) и профильного (фрезы, фасонные резцы) инструментов также значительно влияют на точность изготовления деталей. При неточности изготовления или износе измерительного инструмента, погрешности его переносятся на обрабатываемое отверстие. Величина погрешности установки заготовки на станке зависит от точности и чистоты поверхности технологической базы заготовки и соответствующей поверхности станка или приспособления. Погрешность установки заготовки включает погрешность базирования заготовки и погрешность закрепления. Погрешность закрепления заготовки существенно влияет на точность обработки нежестких деталей; усилие для закрепления детали и место его приложения принимают таким, чтобы обеспечивалась требуемая точность обработки.
В процессе резания, а также вследствие нестабильного теплового режима в цехе, возникают тепловые деформации станка, инструмента и детали, что приводит к погрешностям обработки. Фактические погрешности в результате температурных деформаций велики и примерно равны допускам 2—3-го класса точности. Температурные изменения узлов станков составляют 10—160 С, а смещения узлов достигают 0 01—0,1 мм, что приводит к погрешностям обработки. Тепловая деформация (удлинение) резца из быстрорежущей стали, нагреваемого ё зоне резания до 800° С, достигает 0,05 мм, а следовательно, диаметр обрабатываемой детали при точении уменьшится на 0,1 мм. Все это необходимо учитывать при обработке точных деталей.
7.1 Изучить методические материалы по обработке металлов резанием.
7.2 Ознакомится с конструкцией и устройством токарного станка (рисунок 71).
1- коробка подач; 2- передняя бабка; 3- продольный суппорт; 4-поперечный суппорт; 5- резцедержатель; 6- задняя бабка; 7- ходовой винт; 8- ходовой вал; 9- станина станка
Рисунок 71 – Схема устройства универсального токарно-винторезного станка
Станок состоит из станины 9, передней бабки со шпинделем и коробкой скоростей 2, задней бабки 6, коробки подач 2, суппорта 3,4, ходового винта 7 и ходового вала 8, узлов системы смазки станка и подачи смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания, а также привода и устройства управления станком. Станина станка состоит из чугунной постели, расположенной на двух тумбах, и направляющих, по которым перемещается суппорт и задняя бабка. Передняя бабка является коробкой скоростей с главным валом — шпинделем. Коробка подач служит для изменения числа оборотов ходового винта или ходового вала. Задняя бабка предназначена для закрепления детали в центрах или установки инструмента для сверления, зенкерования и других операций. Суппорт станка предназначен для закрепления инструмента и его перемещения с заданной подачей. В резцедержателе суппорта устанавливают резцы.
7.3 Получить и ознакомиться с различными токарными резцами.
Резцы токарных станков в большинстве случаев изготовляют составными. Режущие элементы припаивают или крепят к державке, резца с помощью винтов. В зависимости от назначения применяют резцы проходные прямые и отогнутые (рисунок 72,а,б), резцы для обработки торцов заготовки с продольной и поперечной подачей (рисунок 72, в, г). На рисунке 72 д показан резец для отрезных работ и точения кольцевых канавок. Резцы на рисунке 72 е используют для расточки сквозных и глухих отверстий и подрезки торцов в отверстиях, для нарезания наружных резьб применяют резцы, показанные на рисунке 72 ж. Резцы с неперетачиваемыми пластинками изготовляют в виде пластинок 2 с режущими кромками (три и более); пластинку устанавливают на штыре 1 корпуса 5 и закрепляют клином 3 (угол клина 30°) и винтом 4 (рисунок 73). По направленности главной режущей кромки различают резцы левые и правые (рисунок 74). Обтачивание наружных поверхностей цилиндрической формы производят в патронах. При обработке нежестких деталей (длина заготовки более 10 ее диаметров) применяют поддерживающие устройства — люнеты (рисунок 75).
а) б) в) г) д) е)
ж)
Рисунок 72 – Разновидности токарных резцов
Рисунок 73- Токарный резец с механическим закреплением режущей пластины
Рисунок 74 - Определение направленности главной режущей кромки
Рисунок 75- Применение люнета
7.4 Ознакомится с назначением и конструкцией штангенциркуля и микрометра – измерительных устройств для определения диаметра деталей, обработанных точением (рисунок 76).
Рисунок 76 – Штангенциркуль
Произвести пробное измерение различных деталей.
7.5 Определить производительности труда обработки цилиндрической детали.
В основу расчета производительности труда при резании берут техническую норму штучного времени:
Тшт = То + Тв + Тоб + Тотд мин,
где То— основное технологическое (машинное) время;
Тв— вспомогательное время, затрачиваемое на управление станком, снятие, установка контроль детали и др.;
Тоб—время на обслуживание рабочего места и станка;
Тотд— время отдыха рабочего.
II- конечное положение резца
Рисунок 76 – Схема к расчёту машинного времени при резании
точением
Сумма основного и вспомогательного времени составляет оперативное время: ТОП=ТО+ТВ. Основное технологическое (машинное) время — это время, затрачивавамое на изменение формы и размеров заготовки. При точении (рисунок 76) машинное время ТО определяется отношением пути, пройденного инструментом (длина xода резца), к скорости подачи инструмента, выраженной произведением nS:
где L — длина хода резца;
i— число проходов резца;
п — число оборотов детали в минуту;
S— подача резца, мм/оборот.
Длина хода резца L при обработке поверхности длиной l равна:
L = l + l1 + l2 мм,
где l1=tctg—длина пути врезания резца при главном угле в плане и глубине резания t;
l2—перебег резца (1—3 мм).
Число деталей Q, изготовленных в единицу времени, называют производительностью
Q = 60/ТШТ.
Данные процесса точения, необходимые для расчёта производительности, представлены в таблице
|
Параметры Вариант |
n,об/мин |
S,мм/об |
i,шт |
,0 |
t,мм |
l,мм |
|
1 |
200 |
0,2 |
1 |
45 |
2 |
100 |
|
2 |
250 |
0,14 |
2 |
60 |
3 |
150 |
|
3 |
2000 |
0,07 |
3 |
90 |
1 |
200 |
|
4 |
630 |
0,3 |
1 |
45 |
1,5 |
250 |
7.6 Ознакомится с инструментами для обработки металлов фрезерованием, сверлением, шлифованием, строганием и др.
7.7 Ознакомится с металлорежущим оборудованием для обработки деталей шлифованием, хонингованием, фрезерованием, сверлением и др.
1 Основная задача обработки металлов резанием
2 Основные методы обработки металлов резанием
3 Виды движений при обработке деталей на металлорежущих станках и их примеры.
4 Требования к материалам режущих инструментов
5 Перечислите инструментальные материалы.
6 Физическая сущность процесса резания
7 Назначение СОЖ
8 Последствия наростообразования на режущем инструменте
9 Что такое стойкость инструмента?
10 Скорость резания и подача инструмента
11 Глубина резания и ширина срезаемого слоя
12 Что такое точность обработки детали?
13 Что такое погрешность?
14 Параметры, влияющие на точность обработки детали
15 Влияние температурных деформаций на точность обработки
16 Устройство токарного станка
17 Виды токарных резцов
18 Основное технологическое время
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1 Никифоров, В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов / В. М. Никифоров – СПб.: Политехника, 2003. –382 с.
2. Технология конструкционных материалов / под ред. А.М. Дальского. – М.: Машиностроение, 2004. – 512 с.
3. Кнорозов, Б.В. Технология металлов / Б.В Кнорозов, Л.Ф. Усов и др. – М.: Машиностроение, 1979. – 200 с.
СОДЕРЖАНИЕ:
1 Лабораторная работа №1 3
Технология литейного производства
2 Лабораторная работа №2 20
Сварка и резка металлов
3 Лабораторная работа №3 37
Контроль сварных соединений
4 Лабораторная работа №4 51
Дефекты изделий при обработке металлов давлением
5 Лабораторная работа №5 59
Обработка металлов давлением
6 Лабораторная работа №6 74
Технология и обработка металлов резанием
7 Лабораторная работа №7 87
Обработка металлов резанием
Рекомендуемая литература 103
Беляев Вячеслав Николаевич, Фирсов Александр Максимович
Лабораторный практикум
Редактор …….
Корректор …..
Подписано в печать …… Формат …..
Усл. п. л. ….. Уч.-изд. л. ….
Печать — ризография, множительно-копировальный
Аппарат «RISO TR-1510@
Тираж …. экз. Заказ ….
Издательство Алтайского государственного технического
университета
656038, г.Барнаул, пр-т Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ
Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ
659305, г.Бийск, ул. Трофимова, 29
EMBED Word.Document.8 \s
EMBED Word.Document.8 \s