Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -11-

Государственным образовательным стандартом высшего профессио-

нального образования подготовка бакалавров машиностроительного направ-

ления предусматривает изучение общепрофессиональной дисциплины

«Технология конструкционных материалов».

Цель изучения дисциплины − ознакомление со структурой современ-

ного машиностроительного производства и содержанием его технологичес-

ких процессов.

Основная задача изучения дисциплины − освоение методов создания

изделий из современных материалов на современном оборудовани

и.

Важным этапом при создании изделия машиностроения является про-

цесс проектирования. Будущие бакалавры техники и технологии должны

принимать конструкторско-технологические решения, соответствующие

эксплуатационным требованиям к изделиям и современному уровню

развития технологии.

В предлагаемом учебном пособии представлены сведения о составе,

свойствах конструкционных материалов и основных методах их получения.

В пособии рассмотрены технологии заготовительного производства и методы

изготовления деталей машин, вопросы автоматизированного п

роектирования

при серийном производстве заготовок и сборке машин, а также проблемы

экологии машиностроительных производств.

По окончании изучения курса «Технология конструкционных материа-

лов» студенты должны обладать определенными компетенциями, а именно

готовностью:

использовать знания по естественнонаучным и общетехническим

дисциплинам в профессиональной деятельности;

работать со справочной и специальной литературой, а также другими

видами информации для решения производственных задач;

уметь проводить расч

еты по типовым методикам и проектировать

технологические процессы изготовления заготовок и деталей машин простой

конфигурации;

участвовать в разработке проектной и рабочей технической документа-

ции в соответствии с нормативными документами;

контролировать соблюдение технологической дисциплины в условиях

производства.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -12-

Дисциплина «Технология конструкционных материалов» изучает осно-

вы не только машиностроительного, но и металлургического производства.

На рис. 1

.1 представлены основные этапы изготовления изделий машино-

строения.

Технологический процесс начинается с металлургического производст-

ва первичных заготовок: слитков, профилей, порошков, потому что основные

конструкционные материалы сегодня – это металлические сплавы.

В условиях металлургического производства машиностроительные

профили изготавливают обработкой давлением: прокаткой, прессованием и

волочением. В результате получают заготовки в виде сортовых профилей,

листового проката, труб и периодических профилей. При изготовлении

деталей из калиброванных профилей, отличающихся высокой точностью

размеров и низкой шероховатостью поверхности, возможна только

отделочная механич

еская обработка поверхностей заготовок.

Сортовые профили подразделяют на профили простой геометрической

формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер;

рельс; угловой, тавровый профили и т. п.), листовой металл − на толсто- и

тонколистовую сталь и фольгу. Трубы могут быт

ь бесшовными и сварны-ми.

Бесшовные трубы используют в наиболее ответственных трубопроводах,

работающих под внутренним давлением в агрессивных средах. Периоди-

ческие профили имеют изменяющиеся форму и площадь поперечного

сечения вдоль своей оси. Они являются заготовками, упрощающими процесс

изготовления ответственных деталей машин в условиях крупносерийного

производства. Гнутые профили применяют при изготов

лении изделий для

машиностроения, автомобильной и авиационной промышленности, строи-

тельных конструкций.

Заготовки машиностроительного производства, имеющие форму и раз-

меры близкие к форме деталей машин, получают методами обработки

давлением, порошковой металлургии, литья и сварки.

Для получения заготовок из стали и цветных металлов с деформи-

рованной макроструктурой применяют методы обработки давлением: ковку,

объемную и листовую штамп

овку.

Ковку применяют для изготовления заготовок в единичном производ-

стве путем пластической деформации профилей или слитков. При производ-

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Технологические возможности основных методов получения заготовок



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -13-

стве крупных и уникальных заготовок массой до 250 т ковка − единственно

возможный способ обработки давлением.

Рис. 1.1. Основные этапы изготовления и обслуживания изделий

машиностроительного производства

Заготовки, полученные объемной штамповкой, отличаются более

высокой точностью размеров и качеством поверхностного слоя по сравнению

с коваными поковками. Применение этого вида обработки давлением для

получения заготовок деталей машин экономически целесообразно в условиях

Полезные

ископаемые

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Технологические возможности основных методов получения заготовок



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -14-

крупносерийного и массового производства. При изготовлении поковок

объемной штамповкой применяют сортовые и периодические профили

массой до 400 кг. По точности и шероховатости поверхностей заготовки,

получаемые холодной объемной штамповкой, не уступают изделиям,

изготавливаемым специальными способами литья. При этом механические

свойства поковок выше, чем отливок.

Листовой штамповкой изготавливают самые разнообразные плоские и

пространственные изделия минимальной массой (от долей граммов до

десятков килограммов) с высокой точностью размеров и качеств

ом

поверхности. Это позволяет сократить количество отделочных операций

механической обработки резанием. В качестве заготовок при листовой

штамповке используют полученные прокаткой листы, полосы или ленты,

толщина которых обычно не превышает 10 мм.

Методами порошковой металлургии получают заготовки, которые по

размерам и форм

е близки к размерам и форме деталей, поэтому при

изготовлении изделий требуется небольшой объем механической обработки.

Технологии порошковой металлургии позволяют практически полностью

исключить из производства обычные металлургические процессы, а также

значительно улучшить экологические показатели производства. Коэффи-

циент использования металла увеличивается до 0,98, производительность

труда возрастает по сравнению с изготовлением деталей из сортовых

профилей, получаемых в условиях металлургического производства.

Методом литья получают за

готовки практически любых размеров, как

простой, так и очень сложной конфигурации. При этом отливки могут иметь

сложные внутренние полости с криволинейными поверхностями, пересекаю-

щимися под различными углами. Точность размеров и качество поверхности

заготовки зависят от способа литья. Отливки можно изготавливать

практически из в

сех металлов и сплавов.

Сварные заготовки изготавливают различными видами сварки. В ряде

случаев сварка упрощает изготовление заготовок сложной конфигурации.

Слабым местом сварной заготовки является шов или околошовная зона: их

прочность, как правило, ниже прочности основного металла. Заготовки

сложной конфигурации экономически эффективнее изготавливать из

элементов, полученных штамповкой, литьем, прокаткой, с их последующи

соединением сваркой.

Далее заготовки подвергают механической, электрофизической,

электрохимической обработке с целью получения деталей с требуемыми

параметрами качества. Так, например, часто сварные конструкции перед

резанием подвергают термической обработке для снятия внутренних

напряжений и изменения механических свойств.

Затем cледует сборка деталей для изготовления машин с требуемыми

эксплуатационными характеристиками. Работоспособность изделия (маши-

ны) в целом и к

ачество отдельных деталей проверяют в процессе его

испытаний. Если изделие отвечает требованиям технического задания, то его

начинают эксплуатировать в заданных условиях.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Технологические возможности основных методов получения заготовок



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -15-

В процессе технического обслуживания или ремонта выявляются

детали, которые не могут эксплуатироваться далее (вышедшие из строя) и

должны быть заменены на новые. Отработанные детали диагностируют, и, в

зависимости от результатов экспертизы, они могут быть восстановлены или

использованы по иному назначению. В случаях, когда изделие

неремонтопригодно, его отправляют на переплав или подвергают захороне-

нию в соо

тветствии со специальной технологией.

На всех этапах технологического процесса изготовления изделия

происходит потребление энергии и загрязнение окружающей среды.

Восстановление физически изношенных деталей, ремонтируемых изделий и

использование их вновь позволит существенно сократить затраты на их

изготовление и уменьшить потребление ресурсов биосферы и загрязнение

окружающей среды.

При проектировании изделий и подготовке тех

нической документации

по их изготовлению конструктор и технолог должны обеспечить требуемое

качество продукции при минимальных затратах материалов, энергии и труда.

Поэтому при конструировании изделий следует учитывать не только условия

эксплуатации изделий, но и технологию их изготовления.

В процессе конструирования деталей с заданными показателями

качества необходимо учитывать следующие требования, способствующие

повышению их т

ехнологичности: минимальную себестоимость, трудоем-

кость и материалоемкость, высокую надежность, стабильность и ремонто-

пригодность. Вопросы технологичности конструкции детали должны

решаться на стадиях проектирования заготовки, ее механической обработки

и сборки всего изделия.

При разработке новых технологий необходимо решать экологические

вопросы, возникающие при добыче полезных ископаемых, потреблении

энергии и загрязнении окружающей среды. Поэтому ответственность за

состояние экосистемы Земли лежит на специ

алистах, работающих во всех

областях техники.

Изделие – это предмет или набор предметов производства, подлежащих

изготовлению на данном предприятии. Всякое изделие, рассматриваемое как

объект проектирования, производства, эксплуатации и ремонта, должно быть

рациональным по своему конструктивному исполнению. Состав и структура

изделий, в соответствии с которыми разрабатывают конструкторскую доку-

ментацию, являются основными признаками их деления на виды. В зависи-

мости от наличия или отсутствия составных част

ей, изделия могут быть

отнесены к сборочным единицам или деталям.

Сборочная единица − изделие, составные части которого подлежат

соединению между собой сборочными операциями.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.2. Термины и определения



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -16-

Деталь − изделие, изготовленное из материала одной марки без приме-

нения сборочных операций или с использованием местных соединительных

операций (сварка, пайка, склеивание и т. п.). Следует различать взаимосвя-

занные и самостоятельные детали: взаимосвязанными считают детали,

являющиеся составными частями сборочных единиц; самостоятельные

детали не входят в состав других изделий (например, гаечный ключ).

Машина – устройство, выполняющее преобразования эне

ргии, мате-

риалов, информации с целью облегчения и увеличения производительности

труда человека. Машины используются для расширения функциональных

возможностей человека в различных областях деятельности. Машина состоит

из деталей, узлов, сборочных единиц, агрегатов и элементов, обеспечиваю-

щих соединение составных частей в многофункциональное изделие.

Узел – часть машины, установки и т. п., состоя

щая из нескольких прос-

тых деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник каче-

ния, редуктор).

Агрегат – укрупненный унифицированный элемент машины, обладаю-

щий полной взаимозаменяемостью и выполняющий определенные функции

(в автомобиле это двигатель, коробка передач).

Изделия изготавливают в условиях массового, серийного и единичного

производства.

Массовое производство характеризуется непрерывным изготовлением

изделий ограниченной номенклатуры на узкоспециализированных рабочих

местах. Этот тип п

роизводства позволяет механизировать и автоматизиро-

вать технологический процесс.

Разделение серийного производства на крупно-, средне- и мелкосерий-

ное условно. При одном и том же количестве выпускаемых изделий в серии,

но при существенном различии их размеров, сложности и трудоемкости

производство может быть отнесено к разным типам. По уровню механизации

и автоматизации крупносерийное производство схоже с массовы

м, а мелко-

серийное − с единичным.

Единичное производство характеризуется изготовлением в единичных

количествах изделий широкой номенклатуры, не повторяющихся или повто-

ряющихся через определенный промежуток времени, на рабочих местах, не

имеющих определенной специализации.

Производственный процесс − совокупность всех действий людей и ору-

дий, необходимых на данно

м производстве для изготовления или ремонта

выпускаемых изделий. При осуществлении этого процесса материалы и

полуфабрикаты превращаются в готовую продукцию, соответствующую

своему служебному назначению.

Технологический процесс − часть производственного процесса, содер-

жащая целенаправленные действия по изменению состояния предметов

труда. При осуществлении технологического процесса происходит последо-

вательное изменение формы, размеров, свойст

в материала или полуфабри-

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.2. Термины и определения



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -17-

ката в целях получения изделия, соответствующего заданным техническим

требованиям. Технологический процесс осуществляется на рабочих местах.

Технологическая операция − законченная часть технологического про-

цесса, выполняемая на одном рабочем месте и охватывающая все последова-

тельные действия рабочего и оборудования по изготовлению заготовки или

ее обработке.

Технологический переход − законченная часть технологической опера-

ции, выполняемая одними и теми же средств

ами технологического оснаще-

ния при постоянных технологических режимах.

Производство изделий невозможно без технологического оборудова-

ния и оснастки.

Технологическое оборудование − это орудия производства, в которых

для выполнения определенной части технологического процесса размещают

заготовки, средства воздействия на них и источники энергии. Примером

технологического оборудования являются литейные машины, прессы,

станки, печи и т. д.

Технологическая оснастка − это орудия произ

водства, используемые

совместно с технологическим оборудованием, для выполнения определенной

части технологического процесса. Примерами технологической оснастки явля-

ются штампы, литейные формы, приспособления, режущий инструмент и т. д.

Изготовление деталей начинается с производства заготовок. Различают

следующие виды заготовок.

Профили − заготовки постоянного или периодического сечения, изго-

тавливаемые в условиях металлургического производства.

Штучные заготовки − заготовки, получаемые обработкой давлением,

методами порошковой металлургии, литьем и сваркой.

Комбинированные заготовки − сложные изделия, получаемые соедине-

нием (в частности, сваркой) отдельных литых, штампованных, кованых

элементо

в. Эти заготовки классифицируют в соответствии с методом получе-

ния исходных элементов и называют листосварными, штампованными,

литосварными и др. Примерами комбинированных заготовок также являются

заготовки из композиционных материалов. Комбинированные заготовки

позволяют снизить массу изделий, а для более нагруженных конструкций

использовать оптимальную композицию структурообразующих элементов.

Заготовки характеризуются конфигурацией и размерами, точностью

получаемых размеров, структурой мет

алла, состоянием поверхности и т. д.

Форма и размеры заготовки определяют технологию ее изготовления и

последующую механическую обработку. Точность размеров является важ-

нейшим фактором, влияющим на стоимость изготовления детали.

Припуск на механическую обработку − слой металла, удаляемый с

поверхности заготовки с целью получения требуемых по чертежу формы и

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.3. Основные виды, качество и технологичность заготовок



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -18-

размеров детали. Припуск на механическую обработку назначают только на

те поверхности, для которых требуемая форма и точность размеров не могут

быть достигнуты принятым методом и способом получения заго-товки.

Размер припуска влияет на себестоимость изготовления детали.

Оптимальный припуск зависит от материала, размеров, конфигурации

и вида заготовки, толщины дефектного поверхностного слоя и др. Известно,

что полученные в песчаных формах отливки имеют на поверхности

раковины, песч

аные включения, а поковки, изготовленные ковкой, покрыты

окалиной. В процессе проектирования заготовки припуск выбирают по

стандартам и справочникам.

Напуск − это объем металла на поверхности заготовки (сверх припус-

ка), предназначенный для упрощения конфигурации заготовки и облегчения

условий ее получения. В большинстве случ

аев напуск удаляют механической

обработкой резанием, реже − оставляют в изделии (штамповочные и литей-

ные уклоны, увеличенные радиусы закруглений и др.).

На рис. 1.2

показаны припуски, напуски и операционные размеры вала.

Рис. 1.2. Припуски, напуски на размеры вала: А

заг

, Б

заг

, В

заг

′

заг

′′

–

исходные размеры заготовки; А

дет

, Б

дет

′

дет

′

– размеры детали;

, Д

′

– операционные размеры заготовки

Правильный выбор конструкционного материала должен обеспечивать

высокие эксплуатационные свойства детали, ее долговечность, ремонтопри-

годность и способность к утилизации.

Выбор материала осуществляют на основе расчетов, экспериментов или

опыта эксплуатации аналогичных деталей. Проектируя деталь, конструктор

должен знать, какие технологические процессы будут использованы при

изготовлении заготовки и ее последующей обработке. При этом технологи-

ческие свойства материала могут зара

нее определять технологию изготовле-

ния заготовки и последующую ее термическую и механическую обработку.

заг

Напуск

Припуск

заг

дет

Д′

дет

Д′

заг

Д′

Д″

дет

Д″

заг

Д″

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.3. Основные виды, качество и технологичность заготовок



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -19-

Под качеством промышленной продукции понимают степень соответ-

ствия присущих характеристик запросам потребителей (в соответствии с

ГОСТами).

Качество заготовок в большинстве случаев оценивают точностью фор-

мы, размеров, взаимного расположения поверхностей, а также физико-меха-

ническими свойствами и качеством поверхностного слоя.

Под точностью заготовки понимают ее соответствие требованиям

чертежа и технических условий на ее изготовление. Отклонение реальной

заготовки от требования че

ртежа (эталона) называют погрешностью.

Точность заготовок характеризуют как геометрическими показателями,

так и физико-механическими свойствами, которые обеспечиваются правиль-

ным выбором марки материала и стабильностью параметров технологичес-

кого процесса изготовления заготовок.

Качество поверхности определяется свойствами материала и техноло-

гией изготовления заготовки. Геометрические показатели качества поверх-

ности и точ

ности заготовок взаимосвязаны. Так, если заготовку получают

литьем в песчаных формах, то микро- и макронеровности не позволяют

получать высокую точность размеров.

Под технологичностью конструкции изделия понимают совокупность

свойств конструкции, определяющих ее пригодность к достижению опти-

мальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных

показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работы.

Вопросы технологи

чности решают комплексно, начиная со стадии проекти-

рования заготовки, выбора метода ее изготовления и заканчивая процессами

ее механической обработки и сборки всего изделия.

Для заготовок в качестве показателей технологичности применяют

коэффициент использования материала, технологическую себестоимость,

трудоемкость изготовления и др.

Коэффициент использования материала (КИМ) – это безразмерная

величина, определяемая отно

шением массы детали (m

дет

) к массе израсходо-

ванного при ее изготовлении материала (m

КИМ = m

дет

Обеспечение технологичности деталей на стадии проектирования

достигается при соблюдении следующих условий:

• конфигурация изделия представляет собой сочетание наиболее прос-

тых геометрических форм;

• формы и размеры отдельных элементов детали (уклоны, радиусы

закругления и др.) должны быть по возможности унифицированы;

• точность размеров и шероховатость поверхности деталей должны

быть обоснованными;

• желательно использовать способы получения за

готовок, которые не

требуют последующего снятия стружки, например холодную объемную

штамповку.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -20-

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное распо-

ложение атомов (ионов), существующее в реальном кристалле.

В твердом состоянии металл представляет собой кристаллический

остов, состоящий из положительно заряженных ионов, омываемых «газом»

из свободных коллективизированных электронов. Связь в металле осущест-

вляется электростатическими силами. Между ионами и коллективизирован-

ными электронами проводимости возникают электростатические силы притя-

жения, которые стя

гивают ионы. Такая связь называется металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами при-

тяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком

расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна.

Атомы в металле располагаются закономерно, образуя правильную

кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимо-

действия атомов.

Кристаллическая решетка, п

редставленная на рис. 2.1, а

, состоит из

воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения

атомов (ионов) в пространстве. Жирными линиями выделен наименьший

параллелепипед, последовательным перемещением которого вдоль трех

своих осей может быть построен весь кристалл. Этот наименьший объем

кристалла (рис. 2.1, а, б

), дающий представление об атомной структуре

металла в любом объеме, получил название элементарной кристаллической

ячейки. Для однозначной ее характеристики необходимо знать следующие

величины: три ребра (a, b и c) и три угла между осями α, β и γ (рис. 2

.1, в).

Большинство металлов образуют одну из следующих высокосиммет-

ричных решеток с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно-центри-

рованную, кубическую гранецентрированную и гексагональную (рис. 2.2

Как видно из рис. 2.2, а

, в кубической объемно-центрированной решет-

ке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре куба.

Кубическую объемно-центрированную решетку имеют металлы Pb, K, Na, Li,

, Zr

, Ta, W, V, Fe

, Cr, Nb, Ba и др.

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК) атомы расположе-

ны в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 2.2, б

). Решетку такого

типа имеют металлы Ca

, Ce, Sr

, Pb, Ni, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Jr, Fe

, Cu, Co

и др.

В гексагональной решетке (ГПУ) (рис. 2.2, в

) атомы расположены в

вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в

средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы Mg, Ti

Cd, Re, Os, Ru, Zn, Co

, Be, Ca

и др.