Технологические процессы заготовительного производства
Важнейшими технологическими процессами заготовительного производства в машиностроении являются обработка металлов давлением и литейное производство. Основным исходным сырьем машиностроительного производства являются металлы и сплавы на их основе.
Металлами называются непрозрачные кристаллические вещества, обладающие такими характерными свойствами, как прочность, пластичность, электропроводность, теплопроводность, блеск. Металлы традиционно подразделяются на две большие группы: черные и цветные.
К черным металлам относят железо и сплавы на его основе - сталь и чугун, а иногда также марганец и хром; к цветным — все остальные металлы и сплавы на их основе, среди которых наибольшее применение в машиностроении нашли алюминий, медь, титан, никель.
Основной задачей технологических процессов заготовительного производства является получение заготовок, приближенных по форме и размерам к готовым деталям.
Обработка материалов давлением является одним из наиболее распространенных и прогрессивных способов обработки, так как по сравнению с другими методами она обеспечивает меньшие потери металла, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, увеличение прочности металла, широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов. Заготовки, получаемые обработкой давлением, имеют минимальные припуски на механическую обработку, а иногда и не требуют такой обработки.
При обработке металлов давлением происходит пластическая деформация, изменяющая форму заготовки без изменения ее массы.[5, стр.105]
На формообразование заготовок из конструкционных материалов влияет их пластичность, т.е. способность изменять форму под воздействием внешней силы, не разрушаясь, и сохранять полученную форму после прекращения действия силы. Природная пластичность различных материалов неодинакова и зависит в первую очередь от их структуры и химического состава. Одни материалы обладают высокой пластичностью в холодном состоянии и могут изменять свою форму без предварительного нагрева. Другие для повышения пластичности нагревают и подвергают пластической деформации в горячем состоянии. Исходя из этого, различают холодную и горячую обработку материалов давлением. При обработке металлов давлением широко применяются следующие технологические методы: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка (рис.2).
Прокатка является наиболее распространенным и экономичным способом обработки металлов давлением. Более 80 % выплавляемой стали поступает в прокатное производство, продукция которого стандартизирована и включает более 1000 наименований различного профиля: прокат простого профиля (круг, квадрат, шестигранник и др.), прокат фасонного профиля (швеллер, двутавр, уголок и др.), листовой прокат, трубы, периодический прокат и прокат специального профиля. Перечень прокатываемых изделий с указанием формы профилей и их размеров называется сортаментом проката.
Волочение — процесс протягивания (рис.2,б) на волочильном стане прутка через отверстие волочильной доски: при этом поперечное сечение прутка уменьшается, длина увеличивается, а обрабатываемый металл принимает форму и размеры этого отверстия. Волочением получают проволоку диаметром от 4 до 0,01 мм и менее, калиброванные валки, прутки различного профиля. Волочение применяют также для уменьшения диаметров труб.
Прессование— процесс выдавливания металла, заключенного в замкнутый объем цилиндра-матрицы через отверстие вматрице, в зависимости от формы и размеров которого получают изделия любой, даже самой сложной формы (рис.2,в). Прессование осуществляется на специальных прессах.
Свободная ковка(рис.2,г) — процесс горячей обработки металлов давлением, в ходе которого имеет место свободное течение металла в стороны. Исходным материалом при свободной ковке служат слитки, прокат различных профилей и прессованный металл. Изделие, полученное ковкой, называют поковкой.
Штамповка— процесс деформации металла в горячем или холодном состоянии, в ходе которого течение металла ограничено стенками рабочей поверхности специального инструмента — штампа. Штамповка может быть объемной и листовой.
Для объёмной штамповки (рис.2,д) исходными материалами служат прутки или штучные заготовки. Прогрессивным процессом горячей объёмной штамповки является безоблойная штамповка, т.е. штамповка в закрытых штампах без образования облоя, что даёт возможность значительно экономить материал.
Листовая штамповка (рис.2,е) является передовым методом обработки металлов давлением, характеризующимся высокой производительностью, простотой технологического процесса, точностью получаемых размеров изделия и низкой себестоимостью. Исходным материалом для нее служат листы, ленты, полосы. Для изготовления изделий толщиной свыше 8 мм применяют горячую листовую штамповку.
Так как при штамповке металл деформируется в заранее изготовленных формах (штампах), то заготовка получается более точной и чистой, чем при свободной ковке.
Штамповку экономически целесообразно применять в серийном и массовом производствах, так как штампы являются дорогим инструментом. Очевидно, что каждый штамп предназначен только для получения определенного типа заготовок.
Технологическое оборудование для обработки металлов давлением делят на следующие группы:
• основное: для выполнения технологических операций деформирования металла при прокатке, волочении, прессовании, ковке, штамповке (прокатные и волочильные станы, молоты, прессы и др.);
• дополнительное: оборудование и машины для резки заготовок из сортового проката (пресс-ножницы, зубчатые и фрикционные пилы, ножовочные станки, отрезные фрезерные станки и фрезерные автоматы), нагревательные печи и электронагревательные устройства, посадочные машины, кантователи, манипуляторы;
• вспомогательное: машины и механизмы для транспортировки заготовок от нагревательных устройств к основному оборудованию (мостовые краны, конвейеры, кран-балки, электротали, монорельсы, консольные краны, напольные транспортеры и др.), машины и оборудование для очистки воздуха и газов (вытяжные зонты, вентиляторы, воздуходувки и др.).
Другим широко используемым методом получения заготовок в машиностроении является литье[5,стр.108].
Литейное производство — совокупность технологических процессов получения фасонных изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в полую форму, воспроизводящую очертания и имеющую размеры будущей детали.
Литье является одним из важнейших и наиболее распространенных способов изготовления заготовок, деталей и готовой продукции. Им получают продукцию всевозможных конфигураций, размеров и массы из различных металлов и сплавов: чугуна, стали, сплавов меди, алюминия, магния и т.д.
Сущность процесса лить заключается в том, что расплавленный металл определённого химического состава заливается в заранее приготовленную литейную форму, полость которой по своим размерам и конфигурации соответствует форме и размерам требуемой заготовки. После остывания, заготовку, деталь или готовое изделие извлекают из формы. Литейные формы могут быть разового и многократного применения.
Все многообразие применяемых технологических процессов литейного производства можно разделить на 2 группы:
1)получение отливок в одноразовых(разрушаемых) формах;
2)получение отливок в формах многоразового применения.
Получение отливок в однообразных формах осуществляется при следующих технологических процессах литейного производства: литье в песчано-глинистых формах, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и др.[5,стр.111].
Литье в песчано-глинистые формы. Несмотря на то, что отливки, полученные этим методом, наименее точны, имеют
грубую поверхность, а сам технологический процесс отличается высокой трудоемкостью и многоэтапностью, литье в песчано-глинистые формы по-прежнему является основным технологическим методом получения отливок на отечественных предприятиях: им получают до 60 % общего объема чугунных и стальных отливок. Широкое распространение метода литья в песчано-глинистые формы объясняется таким его технико-экономическим преимуществом, как низкая себестоимость. Разовые литейные формы позволяют получать практически любые по конфигурации, сложности и массе отливки.
Технологический процесс получения отливок методом литья в песчано- глинистые формы включает следующие этапы:
• изготовление технологической оснастки;
• приготовление формовочных и стержневых смесей;
• изготовление разовых литейных форм и стержней;
• расплавление металла и заливка литейных форм;
• охлаждение, выбивка отливок из форм, обрубка, очистка и контроль качества отливок и др.
Рассмотрим специальные способы литья при получении отливок в формах многоразового использования (на примерах литья в кокиль, центробежного литья, литья под давлением).
Литье в кокиль. В кокилях (металлических формах) изготавливают отливки самой разнообразной конфигурации из цветных и черных сплавов. Конструкция и материал кокилей различны и зависят от металла получаемой отливки.
Центробежное литье — высокопроизводительный способ изготовления отливок тел вращения с центральным отверстием — труб, втулок и др., а также фасонного литья из чугуна, стали и цветных сплавов. Сущность центробежного литья заключается в том, что расплавленный металл заливается во вращающуюся форму. Под действием центробежных сил он отбрасывается к стенкам формы, затвердевает, получая плотную структуру без усадочных раковин. Неметаллические включения собираются на внутренней стороне отливки и удаляются при дальнейшей механической обработке. Для центробежного литья применяют 2 типа машин: с горизонтальной и вертикальной осями вращения формы(рис.3).
Литье под давлением является наиболее производительным и экономичным процессом в массовом производстве тонкостенных (от 0,8 мм и выше) отливок с массой от нескольких граммов до 25—50 кг, любой сложности и конфигурации, с большой точностью размеров и высоким качеством поверхности, исключающим механическую обработку.
Сущность процесса состоит в том, что металл под высоким давлением (от 200 до 2000 МПа) в расплавленном или полужидком состоянии со скоростью 0,5—140 м/с запрессовывается через систему литниковых каналов в рабочую полость разъемной пресс-формы. В пресс-форме металл кристаллизуется, затвердевшая отливка выталкивается из нее. Пресс-формы устанавливают на специальных машинах литья под давлением. Производительность литейных машин — от 60 до 3000 отливок в час. На рис.4 показана последовательность стадий получения отливки под давлением.
Литье в оболочковые формы — способ получения отливок и изделий свободной заливкой расплава в оболочковые формы из термореактивных смесей, представляющих собой смесь кварцевого песка с термореактивной смолой.
Для получения оболочковых форм широко применяется насыпной (бункерный) способ, основанный на использовании поворотного бункера (рис.5).
Литье по выплавляемым моделям представляет собой процесс получения отливок в неразъемных разовых огнеупорных формах, изготовляемых из легко плавящихся, выжигаемых или растворяемых составов. Являясь одним из древнейших методов художественного и производственного литья, данный способ получил в последние годы большое распространение в промышленности из-за высокой точности получаемых отливок.
Технологическое оборудование литейного производства подразделяется на следующие группы:
• основное: машины и оборудование для подготовки исходных материалов (сушила, мельницы, дробилки, сита), приготовления формовочных и стержневых смесей (смесители), изготовления литейных форм и стержней (формовочные и стержневые машины, пескометы, пескодувные машины), специальных методов литья, плавки металлов (вагранки, дуговые и индукционные печи и др.);
• дополнительное: транспортирующие, грузоподъемные и грузонесущие машины и механизмы (конвейеры различных типов, мостовые краны, кран-балки, электротали и др.);
• вспомогательное: оснащение для очистки воздуха, удаления газов в литейных цехах (вентиляторы, воздуходувки, вытяжные зонты и др.).