Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 11
|
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Бийский технологический институт (филиал)
А.Н. Блазнов
Расчет заготовок и режимов обработки при изготовлении изделий литьем, обработкой давлением, сваркой и резанием
Методические рекомендации с вариантами контрольной работы
по курсу «Технология конструкционных материалов» для студентов предприятий», 240901 «Биотехнология» 2006 УДК 621.7(076) Блазнов, А.Н. Расчет заготовок и режимов обработки при изготовлении изделий литьем, обработкой давлением, сваркой и резанием: методические рекомендации с вариантами контрольной работы по курсу «Технология конструкционных материалов» для студентов заочной формы обучения специальностей 260601 «Машины и аппараты пищевых производств», 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий», 655800 «Пищевая инженерия малых предприятий», 240901 «Биотехнология» / А.Н. Блазнов. Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск. Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2006. – 66 с. В методических рекомендациях приведены программа курса «Технология конструкционных материалов», основные формулы для расчета заготовок и режимов обработки при изготовлении изделий литьем, обработкой давлением, сваркой и резанием. Даны примеры решения задач и варианты заданий для выполнения контрольных работ. Методические рекомендации предназначены для студентов заочной формы обучения специальностей «Машины и аппараты пищевых производств» (260601), «Автоматизированное производство химических предприятий» (240706), «Пищевая инженерия малых предприятий» (655800), «Биотехнология» (240901). Способ изготовления
обычно предопределен требованиями к детали, ее конструктивными размерами и технологическими свойствами
материала. Например, станины станков, корпусы редукторов и другие детали, которые не требуют особой точности размеров и чистоты поверхностей, чаще изготавливают литьем
из чугуна, малоуглеродистых сталей и сплавов цветных металлов. Литейные свойства
материалов различны, например, чугун обладает лучшими литейными свойствами, чем сталь; малоуглеродистые стали (Ст3, Ст5) обладают лучшими литейными свойствами, чем качественные (сталь 45) и легированные (сталь 40Х), и т.д. Изделия, которые представляют собой профили постоянного сечения (рельсы, прутки, уголки, швеллеры) и детали при серийном производстве изготавливают с помощью обработки давлением
, которая считается одним из самых экономичных способов. Ковкость
материалов, проявляемая при обработке давлением, также различна и напрямую связана с пластичностью, например, ковкость чугуна хуже, медных и алюминиевых сплавов – лучше, ковкость сталей зависит от марки. Изделия, требующие высокой точности размеров и чистоты поверхности, получают обработкой резанием
на металлорежущих станках. Детали типа тел вращения в условиях единичного и массового производства чаще изготавливают на токарных станках и станках-автоматах. Обрабатываемость резанием
зависит от твердости и прочности материла, так для чугуна и сплавов цветных металлов она выше, чем для стали. Для сталей Ст3, Ст5 обрабатываемость ниже, чем для стали 45. С помощью сварки
получают изделия, которые представляют собой сборочные единицы заготовок, изготовленных методом литья или обработки давлением, часто подготовленные к сварке на металлорежущих станках. Свариваемость
материалов также определяется особенностью их внутреннего строения, например, у стали более высокая, чем у чугуна. Свариваемость углеродистых сталей Ст3, Ст5 выше, чем качественных конструкционных (сталь 45). На этапах изготовления изделие может подвергаться дополнительной обработке одним из перечисленных способов с целью подготовки для последующей обработки, исправления дефектов предыдущего способа или придания каких-либо специфических свойств. Так, например, отливки часто подвергают горячей обработке давлением для устранения внутренних раковин и пористости, рекристаллизации отливок. Поковки и отливки одинаковых размеров подвергают механической обработке резанием для получения деталей широкой номенклатуры форм и размеров. Для сварки используют поковки и отливки, которые предварительно обрабатывают на металлорежущих станках для придания необходимых форм и размеров и подготовки кромок к сварке. В свою очередь, сварные изделия также могут подвергаться обработке резанием для исправления возникающих при сварке перекосов и короблений и для чистовой обработки. И, наконец, изделия, полученные методами литья, обработки давлением, сваркой и резанием, могут подвергаться термообработке для придания необходимых технологических и эксплуатационных свойств. Таким образом, перед инженером стоит нелегкая задача выбора способа изготовления конкретной детали. Если допустить, что для изготовления имеется оборудование и оснастка на все перечисленные способы, а технологические свойства материла удовлетворительны, выбор способа может быть обоснован технико-экономическими показателями изготовления. Для упрощения технико-экономического анализа в настоящих рекомендациях выбраны два наиболее важных количественных показателя технологичности конструкции – коэффициент использования материала и количество единиц задействованного оборудования (или участков изготовления). На примере изготовления типовой детали с помощью литья, обра-ботки давлением, сварки и обработки резанием показан анализ и выбор наиболее экономически и технически рационального (и обоснованного) способа изготовления. В Приложении А даны варианты индивидуальных заданий для выполнения контрольных работ. Контрольные работы должны быть оформлены на листах формата А4 рукописным или машинописным способом, содержать титульный лист, задание, решение с необходимыми рисунками и расчетными выражениями и список использованной литературы. Пример оформления титульного листа приведен в Приложении Б. Для выполнения контрольных работ рекомендуются соответствующие разделы учебно-методической литературы в соответствии с программой курса. ПРОГРАММА КУРСА
«ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
Введение
Цели и задачи дисциплины. Свойства конструкционных материалов: физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные. Методы изучения состава, структуры и свойств материалов. Кристаллизация металлов и сплавов [1-7 (разделы: введение; внутреннее строение и свойства сплавов; кристаллизация)]. Производство стали и чугуна
Материалы для производства стали и чугуна. Обогащение руд. Понятия пустой породы, концентрата и «хвостов». Легирование, модифицирование и рафинирование сплавов. Подготовка руд к плавке (агломерирование, окусковывание, дробление) [1-7 (разделы: материалы для производства чугуна и стали; обогащение руд)]. Сырье, флюсы, горючие материалы для выплавки чугуна и стали. Производство чугуна в доменных печах. Производство стали конвертерным, мартеновским способами и выплавкой в электрических печах [1-7 (разделы: производство чугуна; производство стали)]. Основы литейного производства
Основные этапы процесса изготовления отливок. Последовательность технологических операций при литье. Изготовление отливок в разовых, многократных и комбинированных формах [1-7 (раздел «Основы литейного производства»)], [14, 15, 28, 33]. Понятие о литниковой системе, формовочных и стержневых смесях и их свойствах. Понятие о литье в землю, в кокиль, по выплавляемым моделям, центробежном литье и т.д. Литейные свойства сплавов [1-7 (разделы: изготовление литых заготовок в разовых, в многократных формах; специальные методы литья, литейные сплавы и их свойства)], [14, 15, 28, 33]. Основы обработки материалов давлением
Физические основы обработки давлением. Классификация способов обработки давлением. Обработка давлением в горячем и холодном состоянии. Явления наклепа, упрочнения и разупрочнения при обработке давлением [1-7 (разделы: физические основы обработки давлением; нагрев металла перед обработкой давлением)], [17, 19-22, 29, 33]. Основные виды обработки давлением: прокатка листовая и сортовая, прессование, волочение, штамповка листовая и объемная. Оборудование, заготовки, используемые для этих видов обработки и получаемые изделия [1-7 (разделы: прокатка, волочение, прессование, ковка, объемная и листовая штамповка)], [16-18, 29, 33]. Основы сварочного производства
Сварка давлением и плавлением. Дуговая сварка: ручная, автоматическая, аппаратное обеспечение, последовательность технологических операций. Сварка под флюсом, в защитных газах и в контролируемой атмосфере. Газовая сварка [1-7 (раздел «Способы сварки плавлением»)], [24, 26, 30, 33]. Примеры сварки давлением: контактная, холодная, сварка трением, ультразвуком, взрывом. Четыре типа соединения кромок заготовок при сварке. Дефекты, возникающие при сварке, методы контроля и способы устранения [1-7 (разделы: способы сварки давлением; контроль сварных соединений)], [25, 30, 33]. Обработка материалов резанием
Сущность обработки резанием. Изучение металлорежущих станков и инструментов [2-7 (разделы: физические основы резания металлов; металлорежущие станки и инструменты)], [8, 10-12, 31, 32]. Параметры резания: глубина, подача, скорость, сила и мощность резания при точении, фрезеровании, сверлении. Расчет режимов резания [2-7 (раздел «Режимы резания»)], [8, 9, 31, 32]. Порошковая металлургия
Технологический процесс получения изделий из металлических порошков (металлокерамика). Операции формования, спекания, обработки. Примеры металлокерамических изделий, их свойства [1-7 (раздел «Производство деталей из металлических порошков»)], [27]. 1.1 Понятие о литниковой системе
Литейная форма заполняется жидким металлом через каналы, которые называют литниковой системой. Конструкция литниковой системы зависит от свойств сплава – его жидкотекучести и усадки. Расход металла на литниковую систему зависит от ее конструкции и обычно составляет от 20 до 40 % массы отливки для серого чугуна, от 30 до 60 % – для белого чугуна, от 60 до 80 % – для стали, от 35 до 80 % – для цветных сплавов. Основными элементами литниковой системы являются литейная воронка 3, стояк 4, шлакоуловитель 5, питатель 6, выпор-канал 2, прибыли 1, 10 (рисунок 1.1). Жидкий металл заливается через воронку 3 и заполняет всю литниковую систему. В шлакоуловителе 5 «всплывают» и задерживаются посторонние примеси, имеющие меньшую массу, чем расплавленный металл. Прибыли 1 и 10 кристаллизуются позже отливки 9 и питают отливку жидким металлом, компенсируя усадку сплава в отливке и предотвращая образование усадочных дефектов (раковин, трещин). Выпор-канал 2 служит для вывода газов из формы. Открытая прибыль 1, расположенная в верхней части литейной формы, играет роль питающей прибыли и выпор-канала одновременно.
1, 10 – прибыли; 2 – выпор-канал; 3 – литейная воронка; 4 – стояк; 5 – шлакоуловитель; 6 – питатель; 7 – опока; 8 – формующая смесь (земля); 9 – отливка Рисунок 1.1 – Литниковая система Все сплавы в момент кристаллизации подвержены усадке. Под усадкой
понимают свойство металлов и сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Линейная усадка (уменьшение отливки в линейных размерах) приводит к возникновению усадочных внутренних напряжений, которые могут вызвать коробление отливки и возникновение трещин. Объемная усадка (уменьшение объема металла при затвердевании и остывании) приводит к образованию усадочных раковин, которые представляют собой пустоты в отливках. Для борьбы с этими дефектами используют следующие способы. Для предупреждения возникновения внутренних напряжений при конструировании предусматривают закругления (галтели) для острых углов и не допускают большого количества выступающих частей. Также предусматривают плавный переход от толстой к тонкой стенке и литейные уклоны. Линейная усадка отливок из серого чугуна в среднем достигает 1 %, из стали – 2 %; из сплавов цветных металлов – 1,5 %. На практике линейные размеры модели увеличивают по сравнению с размерами детали на величину усадки. Линейная усадка рассчитывается по формуле:
где lмод
,
lдет
– размеры модели и детали по чертежу соответственно, мм. Для предупреждения образования усадочной раковины на отливке предусматривают прибыль с таким расчетом, чтобы металл в прибыли затвердевал в последнюю очередь, при этом усадочная раковина будет образовываться в прибыли. Выпоры
делают на самых высоких точках отливки и желательно со стороны, противоположной подводу металла. Ставить выпор на массивных частях отливки не рекомендуется, так как он, имея меньшее сечение и затвердевая раньше отливки, будет питаться ее металлом – в результате под выпором в отливке образуется раковина или пористость. 1.2 Выбор положения отливки в форме и поверхности разъема
При назначении положения отливки в форме необходимо: а) наиболее важные части отливки расположить в нижней части формы, так как металл получается в этих местах наиболее плотным; б) отливку расположить в форме так, чтобы обеспечить ее направленное затвердевание и питание; в) поверхности отливки, служащие базой при механической обработке, расположить в одной форме; г) обрабатываемые поверхности расположить внизу, вертикально или наклонно. Отливки из сплавов с большой усадкой (сталь, ковкий чугун) следует помещать в форме так, чтобы наиболее массивные части, требующие дополнительного питания, находились вверху. На отливках из серого чугуна, где усадка небольшая, наоборот, массивные части рекомендуется размещать внизу. При определении поверхности разъема нужно, чтобы: а) форма и модель имели только одну поверхность разъема, по возможности плоскую, удобную для формовки и сборки формы; б) отливка целиком помещалась в одной, желательно нижней, полуформе – это предотвращает появление брака по перекосам и смещениям; в) число стержней было минимальным; г) модель свободно извлекалась из формы. 1.3 Назначение припусков на механическую обработку
Когда положение отливки в форме установлено, для всех обрабатываемых поверхностей назначают припуски на механическую обработку (таблицы 1.1, 1.2) [4]. Величина припуска зависит от типа металла отливки, класса точности, размера обрабатываемой поверхности и положения этой поверхности в форме. Припуски на нижние и боковые поверхности имеют одинаковое значение, на верхнюю припуск увеличивается. Последнее объясняется тем, что во время заливки различные неметаллические включения (пузырьки газов, шлак и т.д.) всплывают и загрязняют поверхность отливки. Таблица 1.1 – Припуски на механическую обработку отливок из серого чугуна классов точности I-III (по ГОСТ 1855-55), мм Наиболь-ший габа-ритный размер детали, мм Положение поверхности при заливке Номинальный размер, мм до 50 от 50 до 120 от 120 до 260 I II I II III I II III до 120 Верх Низ, бок 2,5 2,0 3,5 2,5 2,5 2,0 4,0 3,0 4,5 3,5 от 120 до 260 Верх Низ, бок 2,5 2,0 4,0 3,0 3,0 2,5 4,5 3,5 5,0 4,0 3,0 2,5 5,0 4,0 5,5 4,5 от 260 до 500 Верх Низ, бок 3,5 2,5 4,5 3,5 3,5 3,0 5,0 4,0 6,0 4,5 4,0 3,5 6,0 4,5 7,0 5,0 от 500 до 800 Верх Низ, бок 4,5 3,5 5,0 4,0 4,5 3,5 6,0 4,5 7,0 5,0 5,0 4,0 6,5 4,5 7,0 5,0 от 800 до 1250 Верх Низ, бок 5,0 3,5 6,0 4,0 5,0 4,0 7,0 5,0 7,0 5,5 6,0 4,5 7,0 5,0 8,0 6,0 Таблица 1.2 – Припуски на механическую обработку стальных отливок класса I (по ГОСТ 2009 – 55), мм Наибольший габаритный размер детали, мм Положение поверхности при заливке Номинальный размер, мм до 120 120- 260 260-500 500- 800 800- 1250 до 120 Верх Низ, бок 3,5 3 от 120 до 260 Верх Низ, бок 4 3 5 3,5 от 260 до 500 Верх Низ, бок 5 3 5 4 6 4 от 500 до 800 Верх Низ, бок 5 4 6 4,5 7 5 7 5 от 800 до 1250 Верх Низ, бок 7 5 7 5 8 6 8 6 9 6 После нанесения припусков на вертикальных поверхностях отливки показывают формовочные уклоны, которые необходимы для извлечения модели из формы. Методы выполнения формовочных уклонов зависят от ряда факторов. Формовочные уклоны на моделях должны выполняться: 1) на обрабатываемых поверхностях сверх припуска на механическую обработку за счет увеличения размеров отливки; 2) на необрабатываемых поверхностях, которые не сопрягаются с другими деталями, за счет одновременного увеличения и уменьшения размеров отливки; 3) на необрабатываемых поверхностях, которые сопрягаются с другими деталями, за счет уменьшения, увеличения или одновременного увеличения и уменьшения размеров отливки. Формовочные уклоны наружных поверхностей модели и стержневых ящиков в зависимости от высоты измеряемой поверхности приведены в таблице 1.3 [4]. На следующем этапе разработки технологии получения отливки на чертеже детали наносят границы стержней и размеры стержневых знаков. Размеры горизонтальных и вертикальных стержневых знаков определяются длиной стержней и их диаметром или средней толщиной [4] (с увеличением длины и диаметра стержня размеры знаков увеличиваются). Таблица 1.3 – Формовочные уклоны Измеряемая высота поверхности модели, мм Уклоны угла моделей (не более) металлических деревянных до 20 10
30/
30
от 20 до 50 10
10
30/
от 50 до 100 00
45/
10
от 100 до 200 00
30/
00
45/
от 200 до 300 00
30/
00
30/
от 300 до 500 00
20/
00
30/
от 500 до 800 00
20/
00
20/
На следующем этапе разработки технологического процесса рассчитывают элементы литниковой системы. 1.4 Расчет элементов литниковой системы [4]
1.4.1 Литниковая система для серого чугуна
Суммарная площадь поперечного сечения питателей
где μ
– коэффициент сопротивления литниковой системы и полости формы; Hр
– расчетный статический напор, м. где Hст
– высота стояка над питателем, м; Hотл
– общая высота отливки, м. Коэффициент Время заполнения формы определяется в зависимости от массы отливки по формуле
где Средняя толщина стенки, мм до 10 от 11 до 20 от 21 до 40 свыше 40 Коэффициент S
1,0 1,3 1,5 1,7 Подставив найденные значения
1.4.2 Литниковая система для стальных отливок
Сталь имеет плохие литейные свойства: усадка приближается к 2 %, низкая жидкотекучесть, склонность к трещинообразованию и образованию окисных пленок. Все это накладывает отпечаток на конструкцию и размеры литниковых ходов. Наиболее широко распространен подвод металла через прибыли в наиболее массивные части отливки. Продолжительность заливки формы можно определить по формуле: где Суммарное сечение питателей
где V
– объем литейной формы, дм3
, определяемый ориентировочно по допустимому расстоянию между моделью и стенками опок (таблица 1.4);
от 0 до 1 от 1 до 2 от 2 до 3 от 3 до 4 от 4 до 5 от 5 до 6 свыше 6
0,97 1,02 1,12 1,2 1,29 1,38 1,49 Площадь сечения остальных элементов литниковой системы определяют из соотношения (1.5): Подбор размеров прибылей для питания стальных отливок осуществляют по расчетным номограммам. Ориентировочные размеры прибылей могут быть определены из соотношения
где Наибольший размер овального перешейка
В зависимости от размеров отливки на подмодельной плите устанавливается одна или несколько моделей. Допускается установка одной модели в том случае, когда для получения по ней формы необходимо использовать опоки размером не менее 400х400 мм. В противном случае на подмодельной плите устанавливается несколько моделей. Расстояние между моделями, литниковой системой и стенками опок выбирается по таблице 1.4 [4]. Таблица 1.4 – Допустимые расстояния между моделями и элементами формы Масса отливки, кг Допустимые расстояния, мм от верха модели до верха опоки от низа модели до низа опоки от модели до стенок опоки от кромки стояка до стенки опоки между кромками моделей от кромки шлакоуловителя до кромки модели до 5 40 40 30 30 30 30 от 5 до10 50 50 40 40 40 30 от 10 до 25 60 60 40 50 50 30 от 25 до 50 70 70 50 50 60 40 от 50 до 100 90 90 50 60 70 50 от 100 до 250 100 100 60 70 100 60 от 250 до 500 120 120 70 80 – 70 2 ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
2.1 Общие сведения о процессах обработки давлением
Обработкой давлением
называют технологический процесс получения фасонных деталей или заготовок путем их пластического деформирования в нагретом или холодном состоянии. Холодное пластическое деформирование
достигается путем изменения формы и размеров зерен металла и их относительного перемещения в холодном состоянии. В процессе обработки давлением зерна металла дробятся и вытягиваются в направлении пластического течения металла, создавая полосчатую (волокнистую) микроструктуру. Искажение кристаллической решетки приводит к возникновению напряжений в металле, изменению физико-химических свойств металла, называемому упрочнением (наклепом). При наклепе возрастают прочность и твердость, снижается пластичность. Волокнистое строение деформированного металла приводит к анизотропии его свойств (прочность и ударная вязкость вдоль его волокон выше, чем поперек). Поэтому течение металла при обработке давлением следует направлять так, чтобы волокна совпадали с направлением наибольших напряжений в детали при ее эксплуатации. Наклеп при холодном деформировании в 1,5 – 2 раза увеличивает прочность и твердость металла при одновременном снижении его пластичности. Поэтому в ряде случаев изделия специально подвергают упрочняющему деформированию. Горячая обработка давлением
представляет собой процесс деформирования предварительно нагретого или нагрев холоднодеформированного металла. При этом происходят разупрочняющие процессы, называемые возвратом и рекристаллизацией. Сущность этих явлений сводится к образованию нормальной (не волокнистой) структуры при температуре, достаточной для формирования кристаллической структуры (обычно 0,4 Ткр
), т.е. действию, обратному наклепу. В результате исчезает анизотропия свойств металла, увеличивается пластичность, снижается твердость и улучшается обрабатываемость резанием. 2.2 Виды обработки давлением
Пластическое деформирование при обработке давлением, состоящее в преобразовании заготовки простой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии. Основная масса стали, выплавляемой в сталеплавильных цехах, поступает в прокатные цеха в виде слитков. В зависимости от материала заготовки, формы и размеров изделий, типа производства применяют следующие виды обработки давлением: прокатку, волочение, прессование, ковку, штамповку. Прокатка
– деформирование холодного или нагретого металла вращающимися валками для изменения формы и размеров поперечного сечения и увеличения длины заготовки. Технологические процессы прокатки обычно состоят из двух стадий: прокатки слитка в полупродукт; прокатки полупродукта в готовый прокат. Полупродуктом являются слябы (рисунок 2.1г), блюмы (рисунок 2.1д), а также более мелкие заготовки (рисунок 2.1е), которые прокатываются из блюмов. Получаемый из полупродукта прокат применяют непосредственно в конструкциях либо в качестве заготовок для последующей ковки, штамповки, сварки. Совокупность различных профилей называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей делят на четыре группы: листовой прокат, сортовой прокат, трубы и прокат специальных видов. Листовой прокат
получают прокаткой слябов на листовых станах. Листовую сталь делят также в зависимости от ее назначения на электротехническую, автотракторную, судостроительную и т.д. Изделия из холоднокатаной стали имеют более высокую точность и менее шероховатую поверхность, чем из горячекатаной. Сортовой прокат
простой формы (в сечении квадрат, круг, прямоугольник, шестигранник) и сложной фасонной формы (двутавровые балки, швеллеры, рельсы, уголки и т. п.) прокатывают на сортовых станах из блюмов и заготовок, пропуская их через ряд соответствующих калибров (рисунки 2.1п, 2.1и). Трубы
получают сваркой заготовок (рисунок 2.1к), свернутых из полосы, или прокаткой на автоматических трубопрокатных станах. Специальные виды проката
– колеса, кольца, оси, втулки, шары, сверла, зубчатые колеса, винты с крупной резьбой и т. п. – получают на деталепрокатных станах, при этом достигается большая производительность при экономном расходовании металла. Волочение
заключается в протягивании заготовок с силой Р (рисунок 2.1л) через сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокой
. Конфигурация отверстия определяет форму получаемого профиля. Исходными заготовками служат прокатные или прессованные прутки и трубы. Волочением получают проволоку диаметром от 0,002 до 10 мм и фасонные профили, а также калибруют трубы диаметром от 0,3 до 200 мм и прутки диаметром от 3 до 150 мм. Волочение производят в холодном состоянии, что обеспечивает такую же точность размеров и шероховатость поверхности, как при обработке резанием. Прессование
– это выдавливание с силой Q заготовки (рисунок 2.1м) из контейнера через отверстие в матрице, соответствующее сечению выдавливаемого профиля. Прессованием получают прутки диаметром от 3 до 250 мм, трубы диаметром от 20 до 400 мм и другие профили, сплошные и полые, с постоянным или переменным сечением. Ковка
– это деформирование усилием N нагретой заготовки (рисунок 2.1н) рабочими поверхностями универсальных инструментов – бойков при свободном течении материала в стороны. Ковкой получают разнообразные по форме и размерам поковки массой до 300 т, которые служат заготовками для последующей обработки резанием. Штамповка
– обработка заготовок из сортового или листового проката давлением с помощью специального инструмента – штампа. Ее широко применяют для серийного изготовления деталей.
Рисунок 2.1 – Схема получения заготовок давлением В зависимости от характера деформирования и используемых заготовок холодную штамповку делят на объемную (сортового металла) и листовую (листового металла). 2.3 Объемная штамповка
Холодная штамповка производится в соответствующих штампах без нагрева заготовок и сопровождается деформированным упрочнением металла. Она обеспечивает достаточно высокую точность и малую шероховатость поверхности заготовок при малых отходах металла, низкой трудоемкости и стоимости изготовления. Возможность осуществления холодной штамповки и качество получаемых заготовок и деталей во многом определяется качеством исходного материала. В металлургических процессах выплавки металла нужно обеспечить его химический состав и отсутствие загрязнений металла. Технологические режимы прокатки и термообработки заготовок должны способствовать получению равномерной мелкозернистой структуры металла. В качестве заготовок для объемной штамповки используют, как правило, сортовой прокат. Большое значение имеет подготовка поверхности заготовок – удаление окалины, загрязнений и поверхностных дефектов. Заготовки смазывают для снижения силы штамповки, повышения стойкости инструмента, предотвращения трещин и других дефектов. Процессы холодной штамповки выполняют за несколько технологических проходов, постепенно приближая форму и размеры заготовок к форме и размерам готовых деталей. 2.3.1 Влияние температуры на сопротивление
деформированию и пластичность стали
Холодная деформация сопровождается интенсивным упрочнением металла, что снижает пластичность и повышает сопротивление деформированию. Поэтому в холодном состоянии целесообразно деформировать пластичные сплавы и стали с содержанием углерода не более 0,3…0,35 %. Холодная деформация высокоуглеродистых и легированных сталей нерациональна ввиду их низкой пластичности и низкой стойкости инструмента из-за увеличенных нагрузок. Нагрев стали до температур горячей деформации (от 1000 до 1200 ºС) позволяет по сравнению с холодной деформацией снизить сопротивление деформированию почти в 10 раз и значительно повысить пластичность. Поэтому при горячей деформации рационально обрабатывать большинство известных сталей и сплавов, включая труднодеформируемые. После горячей деформации металл имеет полностью рекристаллизованную структуру без каких-либо следов упрочнения. Полугорячая деформация занимает промежуточное положение между холодной и горячей деформацией. Нижняя граница температурного интервала полугорячей деформации находится на уровне от 300 до 500 ºС, при котором наблюдается локальное повышение сопротивления деформированию и снижение пластичности вследствие выпадания из твердого раствора железа с углеродом мельчайших частиц карбидов по плоскостям скольжения. Верхняя граница находится на уровне от 750 до 800 ºС, при котором в стали происходят фазовые превращения и начинается интенсивное окалинообразование. Полугорячая деформация позволяет, с одной стороны, использовать преимущества горячей деформации (высокая пластичность, низкое сопротивление деформированию), и с другой – обеспечивает низкую шероховатость поверхности, высокую размерную точность и др., получаемые при холодной деформации. После полугорячей деформации сталь имеет частично рекристаллизованную структуру. Операции объемной штамповки выполняют на прессах или холодноштамповочных автоматах. Ее основными разновидностями являются высадка, выдавливание и объемная формовка. Высадка
– это осадка части заготовки, т. е. образование местных утолщений требуемой формы, например, головок болтов. Можно высаживать утолщения, концентричные и эксцентричные относительно оси стержня. Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал. Высадкой изготавливают стандартные и специальные крепежные изделия, а также другие детали, например, зубчатые колеса заодно с валом, детали электронной аппаратуры. Выдавливание
– формообразование сплошных или полых изделий благодаря пластическому течению из полости штампа через отверстия соответствующей формы. Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание (рисунки 2.2а – 2.2г).
а, б, в, г
– выдавливание соответственно прямое, обратное, боковое, комбинированное; д, е
– соответственно в открытых и в закрытых штампах Рисунок 2.2 – Схемы выдавливания и формовки Выдавливанием получают изделия преимущественно цилиндрической или близкой к ней формы, например, корпуса автомобильных свечей зажигания, конденсаторных батарей, генераторов и т. п. Точность размеров и параметр шероховатости деталей те же, что после обработки резанием. Следует учитывать, что размеры изделий могут отличаться от размеров матрицы из–за нагрева и упругих деформаций как матриц, так и изделий, а на стабильности размеров сказывается износ матриц. Для выдавливания требуются большие удельные силы, что в ряде случаев может приводить к поломкам или низкой стойкости инструмента. Объемная формовка
– это формообразование деталей путем заполнения металлом полости штампа. Она производится в открытых штампах, где излишки металла вытекают в специальную полость для образования облоя (рисунок 2.2д), и в закрытых штампах, где облой не образуется (рисунок 2.2е). После формовки в открытом штампе облой обрезают в специальном обрезном штампе. Форма и размеры заготовок должны быть выбраны с учетом наименьшего расхода и наилучшего течения металла. Возможность вытекания металла с образованием облоя позволяет снизить требования к точности размеров заготовок, а также облегчает процесс деформирования, вследствие чего удельные силы при открытой формовке меньше, чем при закрытой. При формовке в закрытых штампах объем заготовки должен быть равен объему поковки. Это дает экономию металла, уменьшает объем последующей обработки деталей. Прочность полученных деталей выше прочности деталей, полученных в открытых штампах. Однако формовку в закрытых штампах применяют реже, чем в открытых, из-за большой сложности и стоимости получения заготовок точного объема, необходимости использования более мощного оборудования. Объемной формовкой изготавливают пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Детали обычно получают за несколько переходов, в процессе которых последовательно изменяется форма заготовки, для снятия наклепа выполняется промежуточный отжиг. В массовом и крупносерийном производстве целесообразно обработку резанием ряда деталей заменять холодной штамповкой или комбинировать эти процессы. При холодной штамповке коэффициент использования металла достигает 95 % вместо 30…40 % при обработке резанием. Трудоемкость изготовления, например, болтов на холодновысадочных автоматах в 200…400 раз меньше, чем трудоемкость их изготовления на токарных станках. Холодной объемной штамповкой можно получать цельные детали из одной заготовки (например, зубчатые колеса и кулачки заодно с валом) взамен деталей, которые изготавливаются из двух и более частей сваркой, клепкой и т. п. Однако для холодной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что делает целесообразным ее применение только в массовом и крупносерийном производстве. 2.4 Расчет размеров заготовки для объемной штамповки
Рассмотрим расчет размеров и выбор заготовки для изготовления детали с помощью объемной штамповки на примере высадки. б
а
в
а – на свободный диаметр плоским пуансоном; б – в матрице плоским пуансоном; в – пуансоном с конической полостью Рисунок 2.3 – Схемы высадки Высадка широко применяется при горячей объемной штамповке на горизонтально-ковочных машинах и на холодно-высадочных автоматах. Различают высадку на свободный диаметр, высадку плоским пуансоном в матрице и набор металла в коническом пуансоне (рисунок 2.3) [16]. Существует три правила высадки
[16]. Первое правило:
при высадке плоским пуансоном на свободный диаметр за один ход машины можно осуществить набор металла, если длина высаживаемой части не превышает: трех диаметров заготовки (lв
≤ 3
d
) при ровном и перпендикулярном к оси прутка торце; двух с половиной диаметров (lв
≤
2,5d
) при угле скоса торца менее 6º; двух диаметров (lв
≤
2d
) при угле скоса торца более 6º. В противном случае произойдет изгиб заготовки, а при последующем деформировании на боковой поверхности образуется зажим (глубокая складка). Чтобы исключить продольный изгиб, высадку необходимо вести за несколько последовательных переходов (для набора необходимого объема металла). Второе правило:
если длина высаживаемой части lв
> 3
d
, то высадку за один ход машины можно провести на диаметр d1
<
1,5d
(рисунок 2.3б). Чтобы избежать образования зажимов, деформирование осуществляют в закрытой полости матрицы или пуансона так, чтобы стенки полости предохраняли высаживаемый пруток от слишком большого изгиба. С уменьшением зазора между полостью матрицы d1
и прутком d
опасность образования зажима уменьшается. Третье правило:
если длина высаживаемой части lв
> 3
d
и высадка проводится на диаметр d1
=
1,5d
, то выступающая за пределы матрицы свободная часть прутка не должна превышать исходного диаметра прутка (Δl ≤
d
). Наиболее благоприятные условия набора металла обеспечивает высадка в пуансоне с конической полостью (рисунок 2.3в). Для определения размеров конической полости пуансона исходят из условия равенства объемов высаживаемой части заготовки и конической полости пуансона:
Длину высаживаемой части заготовки при горячей штамповке на горизонтально-ковочных машинах определяют исходя из объема высаживаемой части поковки Vпок
с учетом усадки (для стали усадку принимают равной 1,5 %), потерь металла на угар Vуг
(при пламенном нагреве от 1,5 до 2 %, электронагреве 0,5 % объема заготовки) и отхода на облой, если он предусмотрен. Таким образом, объем высаживаемой части заготовки
При холодной высадке объем заготовки принимают равным объему поковки. Диаметр заготовки d
определяется диаметром стержня исходной поковки. Длина высаживаемой части
Длина исходной заготовки-поковки для высадки
где lст
– длина стержневой части поковки. На наружные поверхности заготовок назначают припуски на механическую обработку для цилиндрических поверхностей – по таблице 2.1, для торцов и уступов – по таблице 2.2 [9]. С учетом припусков выбирают диаметр заготовки из стандартного ряда горячекатаного или холоднокатаного проката по таблицам 2.3 или 2.4 [9] соответственно. Таблица 2.1 – Припуски на черновую обработку при точении наружных цилиндрических поверхностей Номинальный диаметр, мм Припуск на диаметр при расчетной длине, мм до 25 от 25 до 63 от 63 до 100 от 100 до 160 от 160 до 250 от 250 до 400 от 400 до 630 от 630 до 1000 от 1000 до 1600 до 6 2,5 2,5 2,5 3,0 3,0 3,5 – – – от 6 до 10 3,0 3,0 3,0 3,5 3,5 3,5 3,5 – – от 10 до 18 3,0 3,0 3,0 3,5 3,5 3,5 4,0 – – от 18 до 30 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 4,0 5,0 5,0 от 30 до 50 4,0 4,0 4,0 4,5 4,5 4,5 5,0 5,5 6,0 от 50 до 80 4,0 4,0 4,0 4,5 4,5 4,5 5,0 5,5 6,0 от 80 до 120 5,5 5,5 5,5 6,0 6,0 7,0 7,5 8,5 8,5 от 120 до 200 6,0 6,0 6,0 7,0 7,0 7,5 8,0 9,0 9,0 Таблица 2.2 – Припуски на подрезание торцов и уступов Номинальный диаметр, мм Припуск при общей длине заготовки, мм до 18 от 18 до 50 от 50 до 120 от 120 до 260 от 260 до 500 св. 500 до 30 0,4 0,5 0,7 0,8 1,0 1,2 от 30 до 50 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 от 50 до 120 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,3 от 120 до 300 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,5 Таблица 2.3 – Горячекатаный прокат по ГОСТ 2590-71 Диаметр Допускаемые отклонения Допуск + – Сталь горячекатаная круглая повышенной точности (Б)
3; 5,5; 6; 6,5; 7; 8; 9 0,1 0,3 0,40 10; 11; 12; 14; 15; 16; 17; 18; 19 0,2 0,3 0,50 20; 21; 22; 23; 24; 25 0,2 0,4 0,60 26; 27; 28; 29; 30; 31; 32; 33; 34; 35; 36; 37; 38; 39; 40; 41; 42; 43; 44; 45; 46; 47; 48 0,2 0,6 0,80 50; 52; 53; 54; 55; 56; 58 0,2 0,9 1,10 60; 62; 63; 65; 67; 68; 70; 75; 78 0,3 1,0 1,30 80; 82; 85; 90; 95 0,4 1,2 1,60 100; 105; 110; 115 0,5 1,5 2,00 120; 125 0,6 1,8 2,40 130; 135; 140; 150 0,6 2,0 2,60 Сталь горячекатаная круглая обычной точности (В)
5; 5,5; 6; 6,5; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19 0,3 0,5 0,80 20; 21; 22; 23; 24; 25 0,4 0,5 0,90 26; 27; 28; 29; 30; 31; 32; 33; 34; 35; 36; 37; 38; 39; 40; 42; 44; 48 0,4 0,75 1,15 50; 52; 54; 55; 56; 58 0,4 1,0 1,40 60; 62; 65; 68; 70; 72; 75; 78 0,5 1,1 1,60 80; 85; 90; 95 0,5 1,3 1,80 100; 110; 115 0,6 1,7 2,30 120; 125; 130; 140; 150 0,8 2,0 2,80 Таблица 2.4 – Калиброванная круглая холоднотянутая и холоднокатаная сталь по ГОСТ 7417-75 Диаметр*, мм Отклонения, мм, для стали классов точности Диаметр*, мм Отклонения, мм, для стали классов точности 3 3а 4 5 3 3а 4 5 3,0 -0,020 -0,040 -0,060 -0,120 31–50 -0,050 -0,100 -0,170 -0,340 3,1–6 -0,025 -0,048 -0,080 -0,160 52–65 -0,060 -0,120 -0,200 -0,400 6,1–10 -0,030 -0,058 -0,100 -0,200 67–80 – – -0,200 -0,400 10,2–18 -0,035 -0,070 -0,120 -0,240 82–100 – – -0,230 -0,460 18,5–30 -0,045 -0,084 -0,140 -0,280 * Диаметры в указанных пределах брать из ряда: 3,1; 3,2; 3,3; 3,4; 3,5; 3,6; 3,7; 3,8; 3,9; 4,0; 4,1; 4,2; 4,4; 4,5; 4,6; 4,8; 4,9; 5,0; 5,2; 5,3; 5,5; 5,6; 5,8; 6,0; 6,1; 6,3; 6,5; 6,7; 6,9; 7,0; 7,1; 7,3; 7,5; 7,7; 7,8; 8,0; 8,2; 8,5; 8,8; 9,0; 9,2; 9,3; 9,5; 9,8; 10,0; 10,5; 10,8; 11; 11,2; 11,5; 11,8; 12,0; 12,5; 12,8; 13,0; 13,5; 14,0; 14,2; 14,5; 14,8; 15,0; 15,2; 15,5; 15,8; 16,0; 16,2; 16,5; 16,8; 17,0; 17,2; 17,5; 17,6; 17,8; 18,0; 18,5; 19,0; 19,5; 20,0; 20,5; 21,0; 21,5; 22–42 с интервалом 1 мм; 44; 45; 46; 48; 49; 50; 52; 53; 55; 56; 58; 60; 61; 62; 63; 65; 67; 69; 70; 71; 73; 75; 78; 80; 82; 85; 88; 90; 92; 95; 98; 100 3 ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Сваркой
называют технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов, сплавов и других однородных или разнородных материалов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок. В зависимости от агрегатного состояния металла в месте соединения во время сварки различают сварку давлением
, осуществляемую с приложением давления в холодном или в подогретом состоянии, и сварку плавлением
, при которой соединение получают расплавлением соединяемых поверхностей. 3.1 Сварка давлением
Сущность получения неразъемного сварного соединения двух металлических заготовок в твердом состоянии состоит в сближении идеально чистых соединяемых поверхностей на расстояние (2…4) 10 -8
см, при котором возникают межатомарные силы притяжения. При достижении такого расстояния возможно образование металлических связей. Поверхность любого, даже тщательно отполированного, твердого тела всегда волниста, шероховата и имеет множество микроскопических выступов, высота которых, однако, на несколько порядков выше, чем расстояния, необходимые для возникновения сил межатомарного взаимодействия. Наружную поверхность металла характеризует наличие нескомпенсированных металлических связей и большое число дефектов кристаллического строения, что способствует ее активному взаимодействию с внешней средой и приводит к быстрому окислению и осаждению на поверхности жидкости и газов. Практически после любой обработки поверхность мгновенно покрывается тонкой пленкой оксидов. Толщина этого слоя составляет от 100 до 200 молекул, и удалить его полностью не удается, так как этому препятствует возникшая между слоем и поверхностью электрическая связь. Таким образом, главными причинами, препятствующими получению прочного неразъемного соединения методом диффузии, являются шероховатость поверхности и наличие оксидных пленок на поверхности соединяемых заготовок. Получить прочное неразъемное соединение двух поверхностей в твердом состоянии можно, если удалить загрязняющие пленки и осуществить затем плотный контакт по всей соединяемой плоскости. Практически при сварке в твердом состоянии этого достигают путем приложения к свариваемым заготовкам давления, которое должно быть достаточным для смятия всех неровностей в соединяемом сечении. Сварку в твердом состоянии с приложением давления называют сваркой давлением
.
Существует множество разновидностей сварки давлением, которые различаются источником нагревания либо видом энергии, применяемым для активации процесса. К сварке давлением относится контактная электрическая сварка
, при которой подогревают соединяемые поверхности проходящим электрическим током и затем их сдавливают. По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на стыковую, точечную и шовную. Конденсаторная сварка
является одной из разновидностей контактной электрической сварки. Энергия, необходимая для подогревания места сварки, накапливается в конденсаторах, а затем в процессе разряда преобразуется в теплоту. Диффузионной сваркой
соединяют заготовки в твердом состоянии в вакууме приложением сдавливающих сил при повышенной температуре. Тщательно зачищенные свариваемые заготовки собирают, помещают в вакуумную камеру (при давлении от 133·10-3
до 10-6
Па), сдавливают и затем нагревают специальным источником тепла до температуры рекристаллизации, равной 0,4Тпл
(температуры плавления). Сварка трением
образует соединение в результате пластического деформирования заготовок, предварительно нагретых в месте контакта теплотой, выделившейся в результате их трения. Холодная сварка
– один из способов сварки давлением без подогревания. Для ее осуществления с соединяемых поверхностей вращающейся металлической щеткой, шабрением и последующим обезжириванием тщательно удаляют оксиды и загрязнения. Детали, подлежащие сварке, помещают между неподвижным и подвижным пуансонами, которые имеют выступы, при сварке полностью вдавливаемые в поверхность металла. 3.2 Сварка плавлением
При сварке плавлением
силы межатомарного взаимодействия возникают между материалами двух свариваемых заготовок, находящихся в месте соединения в жидком состоянии. Для получения неразъемного соединения кромки свариваемых заготовок расплавляют с помощью мощного источника теплоты; расплавленный металл образует общую сварочную ванну.
Расплавленный металл соединяемых заготовок смешивается и образуются межмолекулярные связи. В процессе расплавления устраняются все неровности поверхностей, органические пленки, адсорбированные газы, оксиды и другие загрязнения. По мере удаления источника нагревания жидкий металл остывает, начинается кристаллизация и образование сварного шва. Сварку можно осуществлять, расплавляя только кромку свариваемых заготовок либо дополнительно к этому расплавляя присадочный металл (как правило, металл электрода). В зависимости от типа выбранного источника теплоты сварку плавлением можно подразделять на электродуговую плавлением, электронно-лучевую плавлением, ацетилено-кислородную (газовую) и т. п. Металл сварного шва, полученный при сварке плавлением, по своей структуре и химическому составу существенно отличается от металла свариваемых заготовок. Полученный в процессе сварки плавлением сварной шов имеет литую структуру. Электрическая дуговая сварка
является одним из наиболее распространенных способов сварки плавлением. К свариваемым заготовкам и к электроду подводится постоянный или переменный ток от специального источника тока и возбуждается электрическая сварочная дуга – стабильный электрический разряд в ионизированных парах или газах. Электропроводимость дугового промежутка обусловлена появлением электродов и ионов в результате термической ионизации. Температура, необходимая для ионизации в момент возбуждения дуги, получается вследствие выделения теплоты при коротком замыкании электрода на деталь. Дуговая сварка плавлением имеет разновидности в зависимости от степени автоматизации и рода защиты расплавленного металла от воздействия окружающей среды. При ручной дуговой сварке
сварщик возбуждает дугу, поддерживает ее горение, опускает электрод по мере его плавления и перемещает электрод вдоль свариваемых заготовок. В качестве электродов в этом случае применяют прутки из сварочной проволоки, покрытые специальным составом. В этот состав вводят элементы, способствующие устойчивости дуги и осуществляющие защиту расплавленного металла от вредного воздействия окружающей среды, раскисление и легирование металла шва. В зависимости от назначения различают следующие типы электродов: для сварки конструкционных углеродистых, низколегированных и легированных сталей, цветных металлов и сплавов и для наплавочных работ. Автоматическая дуговая сварка под флюсом
обеспечивает производительность, в 10–15 раз большую производительности ручной дуговой сварки и, кроме того, она не требует оператора столь высокой квалификации. При автоматической сварке зажигание дуги, подача электрода в дугу и перемещение его вдоль направления сварки осуществляются механически либо автоматами, выдерживающими заданный параметр режима. Защита расплавленного металла от воздействия воздуха осуществляется порошкообразным флюсом, ссыпаемым из бункера непосредственно перед дугой. Разновидностью дуговой сварки под флюсом является полуавтоматическая сварка
. При таком способе подача электрода осуществляется механически, а перемещение его по направлению сварки – вручную. Способ рекомендуют для получения коротких и криволинейных швов в нижнем положении. При сварке в защитных газах
в зону сварочной дуги подается инертный либо нейтральный газ, достаточно надежно защищающий расплавленный и остывающий металл сварного шва от контакта с окружающей атмосферой. В качестве защитных газов наибольшее применение получили инертные газы – аргон, гелий и более дешевый углекислый газ. Иногда применяют смеси двух газов и более. При сварке с защитой инертными газами различают сварку неплавящимся и плавящимся электродами. Разновидностью сварки в среде инертных газов является сварка в контролируемой атмосфере
. Детали помещают в специальные камеры, из которых откачивают воздух, а затем заполняют аргоном. Сварку выполняют вручную или с помощью автомата с дистанционным управлением. Для сварки крупногабаритных заготовок применяют камеры объемом до 450 м3
, внутри которых работает сварщик, снабженный специальной системой обеспечения дыхания. Сварка в среде инертных газов является относительно дорогим процессом, и ее применяют в основном для сварки заготовок из цветных металлов и сплавов, из аустенитных и высокопрочных сталей, а также из тугоплавких и активных металлов. Лучевая сварка плавлением
имеет разновидность – электронно-лучевую сварку, сущность которой состоит в использовании для нагрева и расплавления свариваемых кромок кинетической энергии электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. В месте соударения электронов со свариваемыми заготовками почти 99 % кинетической энергии переходит в тепловую, что сопровождается повышением температуры до 5000…6000 °С. Кромки заготовок расплавляются, и после кристаллизации образуется сварной шов. 3.3 Свариваемость металлов и сплавов и дефекты сварных
соединений
Свариваемостью
металла называют совокупность его технологических свойств, определяющих его способность обеспечить при принятом технологическом процессе экономичное, надежное в эксплуатации сварное соединение. Соединение считают высококачественным или равнопрочным, если его механические свойства близки к механическим свойствам основного металла, и в нем отсутствуют поры, шлаковые включения, раковины. Кроме того, в некоторых случаях соединение должно иметь химические и физические свойства такие же, как свойства основного металла. Рассмотренные выше способы сварки в большинстве своем связаны с нагреванием заготовок. В процессе нагревания, которое в зависимости от плотности мощности источника осуществляется со скоростью от 200…300 до 5000…10000 °С/с (лазерное воздействие), происходит нагревание, расплавление и даже испарение металла в зоне действия источника, а также подогрев металла, прилегающего к месту соединения в зоне термического влияния. Одновременно протекают фазовые изменения, диффузионные процессы, приводящие к перераспределению примесей, перемещение границ зерен, рост зерен. Формируется сварочная ванна. После окончания непосредственного действия источника энергии (максимум на термическом цикле) начинается затвердевание сварного шва и затем его остывание. Характер структуры, образующейся в шве и зоне термического влияния, зависит от скорости изменения температуры. Скорость остывания определяет время нахождения металла при тех или иных температурах, а значит и законченность высокотемпературных процессов, оказывающих определяющее влияние на возможность получения бездефектного соединения и его эксплуатационные свойства. Свариваемость – это сложная характеристика, зависящая не только от свойств свариваемого металла, но и от технологического процесса, режима сварки, свойств применяемых сварочных материалов. Чаще всего признак плохой свариваемости – наличие в сварном соединении отдельных дефектов. Дефектом является существенная разница свойств основного металла, сварного шва и зоны термического влияния. При сварке заготовок из углеродистых и легированных сталей твердость зоны термического влияния возрастает, в то время как пластические свойства значительно снижаются, что повышает хрупкость. Поскольку в результате сварки плавлением образуется сварной шов, имеющий литую структуру, он обладает дефектами, присущими отливке. К основным дефектам сварного шва относятся неоднородность твердости, горячие и холодные трещины, ликвация, пористость, усадочные раковины, шлаковые включения, непровар, коробление, перекос. Горячие и холодные трещины в сварных соединениях, как и в отливках, образуются в результате усадочных явлений. Горячие трещины
могут образовываться в том случае, если усадка шва не соответствует его пластичности, т.е. наступает разрушение. Горячие трещины, как правило, имеют межкристаллитный характер и располагаются по границам зерен в шве. Чаще всего горячие трещины образуются при сварке заготовок из высоколегированных сталей, алюминиевых и медных сплавов. Холодные трещины
чаще всего возникают после полного затвердевания сварного шва в период завершения охлаждения или появляются в металле, уже охлажденном до окружающей температуры. Холодные трещины появляются как следствие возникновения собственных напряжений в результате усадки, а также структурных превращений в зоне термического влияния. Существенное влияние на вероятность возникновения холодных трещин оказывают газы, растворившиеся в нагретом металле, в частности, водород; скапливаясь во время остывания в дефектах кристаллической структуры, они способствуют усилению напряженного состояния. Наиболее часто холодные трещины располагаются в основном металле в непосредственной близости к сварному шву. Этот дефект характерен для заготовок из высокоуглеродистых и легированных сталей, образующих закалочные структуры в околошовной зоне. 3.4 Технологичность сварных соединений
Сварная конструкция считается технологичной, если для ее изготовления могут быть применены относительно простые и дешевые способы, которые в совокупности с правильным выбором конструкции соединяемых заготовок позволяют механизировать и автоматизировать изготовление и вспомогательные сварочные операции, обеспечивая низкую себестоимость. Комплексная технология изготовления предусматривает применение для конструкции составных, относительно простых частей, полученных различными, наиболее рациональными для данных условий методами формообразования. В качестве составных частей свариваемой конструкции могут быть применены заготовки, полученные литьем, прокаткой, штамповкой. Примером такой конструкции является корпус заднего моста автомобиля (рисунок 3.1), где корпус 6 и крышка корпуса 5 дифференциала выполняют литьем, кожух 3 – прокаткой, корпус подшипника полуосей 1 – штамповкой и воедино все собирают контактной стыковой (шов 2) и электродуговой (шов 4) сваркой.
Рисунок 3.1 – Корпус заднего моста автомобиля Применение комплексной технологии требует достаточно высокого уровня развития каждого из способов формообразования, позволяющих получать отдельные заготовки высокого качества из нужных материалов. Комплексная технология предусматривает необходимость увязки стыковочных сопряжений по размерам и толщине. Основными типами сварных соединений являются стыковые, нахлесточные, тавровые и угловые (рисунок 3.2). При сварке заготовок больших толщин необходимо обрабатывать соединяемые кромки для получения провара по всему сечению (рисунок 3.3). Следует предусматривать возможность свободного доступа ко всем швам в процессе не только сварки, но и последующего осмотра и контроля. Выбранный метод должен обеспечивать помимо необходимых прочностных и эксплуатационных свойств конструкции минимальную ее деформацию в процессе сварки, что зависит от жесткости конструкции, режима сварки и толщины соединяемых элементов. При увеличении деформации необходимо назначать большие припуски на обработку резанием. Уменьшить сварочные деформации можно, установив определенную последовательность наложения швов, дополнительные ребра жесткости, прочно закрепив свариваемые заготовки, выполнив предварительное деформирование обратного знака, и другими приемами, усложняющими и удорожающими сварку.
а
– стыковое; б
– нахлесточное; в
– тавровое; г
– угловое Рисунок 3.2 – Основные типы сварных соединений
а
– V-образная; б – U-образная; в
– Х-образная; г
– двусторонняя Х-образная Рисунок 3.3 – Формы подготовки кромок под сварку Рекомендуется в качестве заготовок для получения сварных изделий использовать различные профили проката. Наиболее часто изделие может быть разбито на два или более геометрических тела простой формы, такие как трубы, цилиндры, листы, уголки, швеллеры и т.д. Для изготовления деталей типа штуцера, например, обычно применяют холодно- или горячедеформированные трубы, которые приваривают к фланцу, изготовленному из листа соответствующей толщины. Сортамент и толщина стальных листов и труб, используемых в качестве заготовок, приведены в таблицах 3.1 и 3.2 соответственно. При выборе заготовок для сварки необходимо стремиться к тому, чтобы размеры заготовок максимально приближались к размерам деталей, указанных на чертеже (с учетом минимального припуска на обработку резанием). В том случае, если трубы с требуемым диаметром и толщиной стенки нет в сортаменте, допускается принять для учебных целей другие близкие нестандартизованные размеры труб. На практике нестандартные трубы могут быть изготовлены по спецзаказу с применением специального инструмента. Таблица 3.1 – Размеры стальных горячекатаных листов по ГОСТ 19903-74, мм Толщина листов* Минимальная и максимальная длина листов при ширине 700 1000 1500 1800 2000 2500 3000 от 0,5 до 0,9 1420 – – – – – – 1,0 1420 2000 – – – – – от 1,2 до 1,4 2000 – – – – – от 1,5 до 1,8 2000 2000-6000 – – – – от 2,0 до 2,8 2000-6000 – – – – от 3 до 5 2000-6000 – – – от 6 до 7 – 2000-6000 – – от 8 до 10 2000-6000 3000-12000 – – от 11 до 12 – 2000-6000 4000-9000 – от 13 до 25 – 3000-6500 4000-9000 – от 26 до 40 – 3500-12000 4000-11000 3500-9000 от 42 до 100 – – 3500-9000 – * Толщина листов в указанных пределах брать из ряда: 0,5; 0,55; 0,6; 0,65; 0,7; 0,75; 0,8; 0,9; 1,0; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,0; 3,2; 3,5; 3,8; 3,9; 4,0; 4,5; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21; 22; 25; 26; 28; 30; 32; 34; 36; 38; 40; 42; 48; 50; 52; 55; 60; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 95; 100. Таблица 3.2 – Рекомендуемый сортамент труб из углеродистой стали Трубы бесшовные горячекатаные (по ГОСТ 8732-78) и холоднодеформированные (по ГОСТ 8734-75) Трубы электросварные по ГОСТ 10704-76 Трубы бесшовные горячекатаные (по ГОСТ 8732-78) и холоднодеформированные (по ГОСТ 8734-75) на давление 16-40 МПа Трубы бесшовные для соединяемых встык трубопроводов высокого давления (по ТУ 14-3-251) Трубы бесшовные для соединяемых на резьбовых фланцах трубопроводов высокого давления (по ТУ 14-3-251) Dу
, мм Dн
×s
, мм Dу
, мм Dн
×s
, мм Dу
, мм
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||