Металлургия и литейное производство
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В МАШИНОСТРОЕНИИ
Часть I
МЕТАЛЛУРГИЯ, ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
И ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ
Под редакцией доктора техн. наук, проф. В.С. Кушнера
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМОАМ) в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
Омск-2005
УДК 621:658.562.3(075)
ББК 34.5я73
Т38
Рецензенты:
Б.А. Калачевский, д-р техн. наук, проф., СИБАДИ
К.Н. Полещенко, д-р техн.наук, проф., ОГУ
Т38Кушнер В.С.Технологические процессы в машиностроении (Часть I): металлургия, литейное производство и обработка резанием: Учеб. для машиностроительных направлений и специальностей технических университетов / В.С. Кушнер, А.С. Верещака, А.Г. Схиртладзе, Д.А. Негров; под. ред. В.С. Кушнера.Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. 200 с.: ил.
ISBN 5-8149-0265-5
Рассмотрены основные металлургические и машиностроительные технологические способы получения металлов и сплавов, формообразования заготовок и деталей машин литьем, резанием. Описание технологических процессов основано на рассмотрении их физической сущности и предваряется теоретическими сведениями о тепловых, механических и термомеханических закономерностях.
Для студентов технических университетов.
УДК 621:658.562.3(075)
ББК 34.5я73
© Авторы, 2005
© Омский государственный
технический университет, 2005
© Московский государственный
технологический университет
«СТАНКИН», 2005
ISBN 5-8149-0265-5
| ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1. МЕТАЛЛУРГИЯ И ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО. . . . . . | |
| 1.1. Элементы теплофизики металлургических и литейных процессов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.1.1. Теплофизические характеристики материалов. Основной закон теплопроводности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.1.2. Определение затрат энергии на нагрев и плавление металлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.1.3. Уравнение теплопроводности. Фундаментальное решение. . | |
| 1.1.4. Метод точечных источников тепла. Выравнивание температуры в неограниченном стержне. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.1.5. Температурное поле стержня при постоянной начальной температуре и постоянной температуре на торце. . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.1.6. Закономерности отвода тепла в литейную форму. . . . . . . . . | |
| 1.2. Производство чугуна и стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.2.1. Производство чугуна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.2.2. Оценка потерь тепла через стены шахтной печи при стационарном теплообмене с окружающей средой. . . . . . . . . | |
| 1.2.3. Сущность процесса выплавки стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.2.4. Производство стали. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.3. Литье в песчаные формы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.3.1. Изготовление песчаных литейных форм. . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.3.2. Закономерности кристаллизации и затвердевания отливки в литейной форме. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.3.3. Основные технологические операции и закономерности получения отливок в песчаных формах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.4. Специальные способы литья. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.4.1. Способы литья в оболочковые формы и по выплавляемым моделям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.4.2. Литье в кокиль. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.4.3. Литье под давлением. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 1.4.4. Центробежное литье. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
| 2. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ. . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.1. Кинематические и геометрические параметры способов обработки резанием . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.1.1. Способы лезвийной и абразивной обработки. . . . . . . . . . . . . | |
| 2.1.2. Координатные плоскости и действительные углы режущего лезвия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.1.3. Характеристики режима резания и сечения срезаемого слоя [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.1.4. Усадка стружки и относительный сдвиг. . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.1.5. Скорости деформаций и истинные деформации в зоне стружкообразования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.2. СИЛЫ РЕЗАНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.2.1. Технологические и физические составляющие силы резания при точении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.2.2. Схема и расчет сил при свободном прямоугольном точении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.2.3. Схема и расчет сил при свободном косоугольном точении | |
| 2.2.4. Силы при фрезеровании торцово‑коническими прямозубыми фрезами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.2.5. Силы при фрезеровании цилиндрическими фрезами с винтовыми зубьями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.2.6. Удельные силы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.3. ТЕПЛОФИЗИКА И ТЕРМОМЕХАНИКА РЕЗАНИЯ. . . . | |
| 2.3.1. Температура в полуплоскости от равномерно распределенного быстродвижущегося источника теплоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.3.2. Термомеханическое определяющее уравнение для адиабатических условий деформации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.3.3. Температура деформации и тепловой поток из зоны стружкообразования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.3.4. Температура передней поверхности инструмента. . . . . . . . . | |
| 2.3.5. Температура задних поверхностей инструмента . . . . . . . . . . | |
| 2.4. Изнашивание режущих инструментов и рациональные режимы резания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.4.1 Характеристики износа, изнашивания, износостойкости и критерии затупления режущего инструмента. . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.4.2. О природе явлений, приводящих к изнашиванию и деформации инструмента. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.4.3. Обрабатываемость материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.4.4. Выбор материала и геометрических параметров инструмента, назначение рациональных режимов черновой и чистовой обработки резанием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.5. Проектирование заготовок и их предварительная обработка резанием. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.5.1. Маршрутный технологический процесс механической обработки заготовки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.5.2. Определение допусков на диаметральные размеры обработанных цилиндрических поверхностей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.5.3. Определение диаметральных размеров заготовки. . . . . . . . . | |
| 2.5.4. Определение линейных размеров заготовки. . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.5.5. Разрезание прутков проката дисковыми пилами. . . . . . . . . . | |
| 2.5.6. Сверление и зенкерование заготовок на вертикально-сверлильных станках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| 2.5.7. Растачивание отверстия на токарном вертикальном шестишпиндельном полуавтомате. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |
| Библиографический список. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
ВВЕДЕНИЕ
Основной задачей дисциплины «Технологические процессы в машиностроении» является подготовка студентов машиностроительных направлений и специальностей в области технологии производства и обработки конструкционных материалов, формообразования заготовок и деталей машин.
Авторы настоящего учебника опирались на принципы курса, заложенные в учебнике проф. А.М. Дальского и др. [10]. Они заключаются в единстве методов обработки конструкционных материалов: литья, сварки, обработки давлением и резанием, в их слиянии и взаимопроникновении.
Дисциплина «Технологические процессы в машиностроении» является основой для специальных дисциплин, изучающихся студентами позже, и охватывает очень широкий спектр разнообразных технологий, огромное множество описаний оборудования, инструментов. Рассмотрение столь большого числа технологических способов обработки конструкционных материалов и формообразования заготовок и деталей неизбежно перегружает дисциплину описательным материалом, зачастую в ущерб углубленному изучению физико-химической сущности этих процессов. Время, предусмотренное новыми учебными планами на изучение технологических процессов в машиностроении, существенно сократилось, а содержание дисциплины и задачи, которые необходимо рассмотреть и решить в рамках этой дисциплины, значительно усложнились.
Дисциплина «Технологические процессы в машиностроении» представляет возможность проиллюстрировать применение фундаментальных законов, методов, понятий, составляющих содержание естественно-научного и общепрофессионального циклов дисциплин, на прикладных технологических задачах, имеющих прямое отношение к выбранным студентами направлениям образования и специальностям. Это может и должно быть сделано, поскольку изучение физических основ технологических процессов и способов важно не только для усиления фундаментальной подготовки, но и для более глубокого понимания изучаемых процессов и технологий. Кроме того, учитывалась еще одна современная тенденция – необходимость разработки методов расчета основных технологических и физических характеристик рассматриваемых технологических способов на основе применения вычислительной техники. Для решения этой задачи в настоящем учебнике за счет некоторого неизбежного сокращения технических подробностей быстро развивающихся и изменяющихся технологий усилено внимание к изучению их теплофизических и термомеханических основ.
Еще в 60–80-х гг. ХХ в. усилиями отечественных ученых (академика Н.Н. Рыкалина [7], проф. А.Н. Резникова [6], проф. Н.В. Дилигенского, и др.) сложилось и успешно развивалось научное направление – «Технологическая теплофизика», целью которого была разработка единого подхода к описанию теплофизики разнообразных технологических процессов обработки материалов сваркой, резанием, давлением, литьем, и др. Эти исследования, сыгравшие важную роль в совершенствовании машиностроительных технологий, должны найти соответствующее отражение и в дисциплине «Технологические процессы в машиностроении». В связи с этим в настоящем учебнике усилено внимание к теплофизике технологических процессов. Однако для того, чтобы не перегружать дисциплину сложными теплофизическими расчетами, авторы настоящего учебника в большинстве случаев ограничились только качественным анализом, использовав для этого необходимый минимум наиболее простых и важных теоретических решений в области технологической теплофизики.
Создание и развитие технологической теплофизики показали эффективность создания общего подхода к описанию различных технологических процессов. Аналогичный подход принят и в настоящей версии преподавания дисциплины. Он основывается на современных научных представлениях в области технологической теплофизики, механики, термомеханики и на связи курса «Технологические процессы в машиностроении» с другими естественно-научными и общепрофессиональными дисциплинами.
Содержание дисциплины условно сгруппировано в четырех основных разделах. В начале каждого раздела приведены теоретические сведения, необходимые для анализа физической сути рассматриваемых процессов. Первая часть учебника посвящена металлургии и литейному производству.
Рассмотрение химических превращений и реакций позволило охарактеризовать суть процессов восстановления железа из руд при выплавке чугуна и снижения содержания углерода и примесей при выплавке стали. Процессы затвердевания и кристаллизации металла и строение слитка объяснены на основе анализа закономерностей отвода тепла в изложницу, или литейную форму.
Изучая этот раздел, студент должен иметь представления об основных закономерностях теплообмена в твердых телах, об уравнении теплопроводности и теплофизических характеристиках материалов, о закономерностях выравнивания температуры и описании их методом точечных источников, в частности о температуре стержня с постоянной температурой на торце; знать характеристики технологических процессов и оборудования, применяющихся в металлургическом и машиностроительном производствах для получения металлов и сплавов, методы расчета энергетических затрат, количественной оценки времени остывания отливок или слитков с помощью ЭВМ, основные направления повышения качества отливок и производительности металлургического и литейного производства; уметь проектировать заготовки, получаемые литьем, выбирать рациональные технологии и оценивать затраты энергии и времени, связанные с производством отливок.
Второй раздел, посвященный технологическим способам обработки заготовок резанием, написан с использованием учебника [1]. На основе кинематического подхода даны характеристики способов лезвийной и абразивной обработки резанием, определения геометрических характеристик режущих инструментов и режима резания, деформации материала при резании.
Рассмотрено влияние схемы резания (свободного и несвободного, прямоугольного и косоугольного, стационарного и нестационарного) на технологические составляющие силы резания применительно к основным способам лезвийной обработки. Приведены теоретические и эмпирические сведения об удельных силах резания.
Методы технологической теплофизики и термомеханики использованы для определения температур в зоне стружкообразования, на передней и задней поверхностях инструмента.
Рассмотрены геометрические характеристики износа, а также дифференциальные и интегральные характеристики изнашивания режущего лезвия, выяснены связи между ними и влияние условий термомеханического нагружения режущего лезвия на его износ или пластические деформации. Рассмотрены методики определения допускаемых режимов резания по заданным рациональным температурам или по условиям достижения критериев затупления инструмента.
Приведены основные понятия, использующиеся при разработке технологических процессов обработки резанием, методика расчета заготовок и назначения межоперационных размеров деталей, а также примеры проектирования лезвийной обработки при получении заготовок.
Изучив второй раздел, студент должен иметь представления об условиях образования сливной стружки и вытекающих из них характеристиках (усадке стружки, относительном сдвиге), о деформациях и скоростях деформации при резании, о закономерностях распространения тепла от быстродвижущихся источников, о взаимосвязи температуры и механических характеристик обрабатываемого материала, о влиянии температуры на изнашивание инструмента; знать основные понятия, определения и расчетные формулы, характеризующие способы лезвийной и абразивной обработки резанием, методики расчета сил, температур, режимов резания, выбора рациональных инструментальных материалов и назначения рациональных режимов резания, а также методики оценки точности и шероховатости обработанных поверхностей, размеров заготовок; уметь рассчитывать оптимальные размеры заготовок, выбирать и проектировать рациональные способы обработки резанием, описывать характеристики оборудования и режущих инструментов, рассчитывать на ЭВМ и выбирать по таблицам рациональные параметры режима резания, разрабатывать технологические наладки обработки резанием, обосновывать оптимальные варианты технологических процессов обработки деталей резанием.
В учебнике использовались специально разработанные программы для ЭВМ. Программы для расчета основных физических и технологических характеристик этих способов и процессов предназначены для использования при проведении лабораторных работ, а также при выполнении домашних заданий или курсовой работы.
Включение в число обязательных форм проведения занятий по дисциплине «Технологические процессы в машиностроении» курсовой работы (проекта) имеет принципиальное значение. Решая конкретную технологическую задачу, студент более активно и целенаправленно относится к лекционному материалу. В свою очередь, выполнение проекта окажет влияние и на содержание лекционного курса, поскольку в лекциях должны содержаться расчетные методы и сведения, необходимые и достаточные для выполнения конкретного технологического проекта.
МЕТАЛЛУРГИЯ И ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО