Тема 1.5 Способы получения заготовок

1.5.1. Выбор материала заготовок

Материалом называют исходный предмет труда, потребляемый для изготовления изделия.

Основным материалом называют материал исходной заготовки. К основному материалу относят материал, масса которого входит в массу изделия при выполнении технологического процесса.

Исходной заготовкой называют заготовку перед первой технологической операцией.

Обоснованный выбор материала для изготовления заготовок является важнейшим этапом проектирования технологического процесса. Материал (при определенной термической обработки) определяет эксплуатационные качества и долговечность работы изделия.

Основой при выборе материала заготовки изделия являются следующие требования: он должен обеспечивать необходимую прочность, обладать оптимальными технологическими свойствами при минимальной стоимости готовых изделий и хорошей обрабатываемости.

Выбор материала зависит от условий работы детали в узле.

При анализе условий работы деталей следует учитывать:

• максимальную нагрузку, которая может возникнуть в изделии при эксплуатации;

• характер приложенной нагрузки (статическая, динамическая, знакопеременная и т. д.);

•температурные условия работы (интервал температуры, постоянная или переменная температура);

•наличие агрессивной среды (кислотная, щелочная, газовая);

•тип трения (скольжение, качение) рабочих поверхностей изделия в процессе эксплуатации;

• характер износа (абразивный, окислительный);

• допуски на коробление и поводку, твердость, а также пределы отклонений других показателей.

На основании анализа условий работы изделия разрабатывают требования, обеспечивающие его максимальную долговечность и наилучшую работоспособность.

Детали машин часто выходят из строя вследствие повышенного износа или местной коррозии. Повышение износостойкости трущихся стальных деталей достигается различными видами химико-термической обработки.

При решении задачи по выбору материала необходимо решить вопрос о способе термической обработки.

Если материалом изделия является сплав, то вместо таких показателей, как прокаливаемость, закаливаемость, характер превращений, вводятся другие показатели, например, способность сплава к упрочнению.

После технического обоснования выбранного материала и технологии термической обработки детали следует обосновать экономическую целесообразность его применения.

Механические свойства материалов являются одним из важнейших критериев при выборе их для деталей машин. Под механическими свойствами металлов понимают совокупность показателей, характеризующих их сопротивление деформированию и разрушению при действии на них нагрузки. К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость.

Под действием внешних сил в твердом теле происходят изменения размеров и формы практически без изменений объема, называемые деформациями. Процесс возникновения деформаций называют деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называют упругими, а не исчезающими после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Под действием сил (внутренних и внешних) в твердом теле возникают напряжения, которые характеризуются внутренними усилиями, приходящимися на единицу площади поперечного сечения. Способность материала сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок называют его прочностью. Прочность различных материалов оценивают характеристиками механических свойств, определяемыми при механических испытаниях, которые проводят в условиях: растяжения, сжатия, изгиба, кручения, сдвига, вдавливания.

Наиболее распространенными в машиностроении являются статические испытания характеристик механических свойств в условиях растяжения, динамические испытания ударной вязкости при изгибе и статические испытания твердости при вдавливании.

Чтобы напряжения и деформации при эксплуатации деталей машин не превосходили допустимых пределов, необходимо для изготовления этих де­талей подбирать соответствующие материалы.

Пластичность — способность материалов под действием нагрузки изменять свою форму и размеры без разрушения, а после снятия нагрузки сохранять измененную форму и размеры.

Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела.

Ударной вязкостью называют способность материала поглощать механическую энергию под действием ударной (динамической) нагрузки.

Для надежной работы деталей машин необходимо, чтобы напряжения и деформации при эксплуатации деталей не превосходили допустимых пределов. Это достигается правильным выбором материала детали, для чего необходимо знать в первую очередь механические свойства и обрабатываемость материала.

Оценку твердости материала изделия проводят путем вдавливания в него индикатора определенной формы. Оценку твердости заготовок проводят методом Бринелля или Роквелла. При оценке твердости по методу Бринелля индентором является шарик диаметром 2,5, 5 или 10 мм, который вдавливается в исследуемый материал с помощью пресса Бринелля (рис. 1.27).

Рисунок 1.27. Схема оценки твердости материала изделия по Бринеллю: а — вдавливание шарика; б — получение отпечатка

Для оценки твердости более твердых или термически обработанных изделий применяют метод измерения твердости по Роквеллу (НRС). При этом методе в поверхность изделия вдавливается либо стальной закаленный шарик D= 1,588 мм (1/16"), либо алмазный конус (пирамида) с углом при вершине 120°. Полученные отпечатки измеряют и по специальным таблицам переводят в значение твердости.

Требования к твердости материалов изделий должны регламентироваться только по шкале С Роквелла, воспроизводимой государственным специальным эталоном (НRC).

В машиностроении широкое распространение получили заготовки из чугуна, стали и цветных металлов (рисунок 1.28).

Рисунок 1.28 Материал заготовок

Низкоуглеродистые стали применяют для изготовления прутков, уголков, труб и т. д. Среднеуглеродистые стали используют для изготовления небольших деталей, не требующих сквозной прокаливаемости при термической обработке.

Высокоуглеродистые стали (0,6... 0,8 % С) хорошо работают в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок, поэтому из них изготавливают пружины, рессоры, шпиндели и подобные детали.

Широкое распространение в машиностроении получили заготовки из качественных углеродистых конструкционных сталей.

Твердость углеродистой стали диаметром или толщиной менее 5 мм не регламентируется и устанавливается по согласованию с потребителем. В сталях с содержанием углерода более 0,3 % (по нижнему пределу), предназначенных для поверхностной закалки токами высокой частоты, проверяют глубину обезуглероженного слоя, которая не должна превышать 0,5 % от диаметра или толщины. В сталях со специальной отделкой или с обработанной поверхностью обезуглероженный слой не допускается.

Создание новых машин и механизмов вызывает потребность в материалах, обладающих высокой твердостью, прочностью, химической стойкостью, отличающихся сравнительно малым удельным весом, способных существенно не изменять своих механических свойств при высоких нагрузках. Ученые настойчиво ищут все новые возможности удовлетворения повышенного спроса на высококачественные металлы, сплавы и пластмассы;

Важнейшей характеристикой материала заготовки является его обрабатываемость. Обрабатываемость часто рассматривают с трех точек зрения:

1) влияние свойств металлов на их способность изнашивать и разрушать режущую часть инструмента;

2) влияние свойств металлов на сопротивляемость резания;

3) влияние свойств металлов на качество обработанной поверхности.

Понятие «обрабатываемость металлов» характеризует совокупность качеств, которые определяют производительность труда при обработке резанием и, следовательно, себестоимость продукции.

Обрабатываемость металлов связана с их химическим и структурным состоянием. На обрабатываемость оказывает влияние целый комплекс механических и теплофизических характеристик металла и ряд параметров, непосредственно связанных со свойствами кристаллической решетки металлов.

Исследование обрабатываемости, т. е. установление оптимальных условий обработки металла включает: определение оптимальных марок инструментального режущего материала для данных операций, оптимальных геометрических параметров режущего инструмента и состава СОЖ, установление зависимостей составляющих силы резания и стойкости инструмента от режимов резания, исследование влияния режимов резания,

исследование влияния термической обработки и предварительной деформации на обрабатываемость для получения структуры, при которой обрабатываемость будет наиболее высокой и стабильной.

Особое место занимает изучение влияния на обрабатываемость металлов способа их получения и химических элементов, входящих в их состав. Эта задача решается совместно с металлургами.

Обрабатываемость металлов резанием оценивается по характеристикам, отражающим способность металлов ограничивать производительность их обработки или вызывать затруднения в обеспечении требуемой точности и качества обработанной поверхности.

Обычно обрабатываемость при предварительной обработке оценивается по способности изнашивать режущую часть инструмента до оптимального износа при работе с определенным сечением среза инструмента, имеющим оптимальные геометрические параметры, и определяется по скорости резания, соответствующей определенной стойкости инструмента. Величину стойкости выбирают такой, при которой достигается либо минимальная стоимость обработки, либо минимальный износ инструмента.

При предварительной обработке оценивают следующие характеристики:

-максимальное сечение среза и максимальную величину износа инструмента, при которых наступает поломка инструмента; сопротивление резанию;

-способность образовывать хорошо завивающуюся и хорошо ломающуюся стружку.

В каждом отдельном рассматриваемом случае требуется глубокий теоретический анализ и экспериментальные исследования. Например, у хромо-никелевых аустенитных сталей обрабатываемость точением может быть улучшена при помощи отжига или отпуска и ухудшена закалкой или нормализацией, а обрабатываемость некоторых сплавов на хромоникелевой основе улучшается при закалке и ухудшается при отжиге и отпуске.

Улучшение обрабатываемости следует рассматривать не только в отношении к процессу резания, но и к холодному пластическому деформированию, электроискровому, электрохимическому и другим методам обработки заготовок.

Обрабатываемость металлов является сложной и многогранной характеристикой и при ее оценке необходимо учитывать многообразие факторов, характеризующих процессы механической обработки (производительность, качество и себестоимость обработки). Содержание любой механической обработки изделия состоит в воздействии на него различными способами с целью достижения заданных макро- и микрогеометрии поверхности и физико-механических свойств поверхностного слоя с максимальной производительностью и при наименьшей себестоимости.

Следовательно, определение условий, обеспечивающих наилучшую обрабатываемость металлов, является важнейшей задачей при проектировании

технологических процессов, включающих в себя и выбор материала исходной заготовки.

Для решения задачи улучшения обрабатываемости материала необходимо систематизировать факторы, влияющие на физико-механические свойства этого материала. Физико-механические свойства материалов зависят от макро- и микроструктуры, химического состава и их состояния в различных условиях. Улучшения обрабатываемости достигается за счет изменения химического состава материала или применения различных видов термообработки, изменяющих структуру и физико-механические свойства материала.

Обычно в качестве эталона обрабатываемости берут сталь 45 в состоянии нормализации или отжига.

Наряду с выбором материала и его обрабатываемости большое значение имеет обработка конструкции заготовок на технологичность.

1.5.2 Технологичность конструкции заготовок

Обрабатываемость материала заготовки является одним из определяющих показателей, оказывающих влияние на построение технологического процесса обработки заготовок.

При отработке на технологичность исходных заготовок в условиях массового и крупносерийного производства одним из важнейших показателей является коэффициент использования металла. В условиях массового и крупносерийного производства для обеспечения технологичности конструкции исходные заготовки должны быть приближены (по форме и размерам) к готовой детали и иметь простую геометрическую форму с плавными переходами.

Для штампованных заготовок форма линий разъема штампа должна лежать в одной плоскости и не препятствовать извлечению заготовок из штампа.

К основным процессам малоотходного производства заготовок можно отнести штамповку, поперечно-клиновую прокатку, штамповку в многопозиционных горячевысадочных автоматах, горячую накатку, метод порошковой металлургии и т. д.

Следует учитывать, что в разных условиях производства одна и та же исходная заготовка может быть технологичной и нетехнологичной. Технологичность конструкции заготовок постоянно совершенствуется, так как неразрывно связана с уровнем развития техники и технологии.

При отработке исходной заготовки на технологичность необходимо обеспечить хорошую обрабатываемость применяемых материалов, унификацию, стандартизацию и нормализацию конструкций, возможность применения прогрессивных методов и процессов получения исходных заготовок.