Курс лекций ТПвМ. Курс лекций по дисциплине Технологические процессы в машиностроении
 Скачать 1.96 Mb.
|
4,5 г/см3. Предел прочности при растяжении чистого титана σв = 250 МН/м2, удлинение δ = 70%; технического титана, со держащего примеси, σв = 300 – 550 МН/м2, δ = 20 – 30%, т. е. чем больше примесей содержится в титане, тем выше его прочность и ниже пластичность. Однако отношение σв/γ (удельная прочность) титана значительно выше, чем у многих легированных конструк ционных сталей. Вследствие этого при замене стали титановыми сплавами можно при равной прочности получить до 40% эконо мии по массе детали. Несмотря на высокую температуру плавле ния, титан имеет более низкую жаропрочность, чем сплавы на основе железа и никеля. Предельная температура использования титана и его сплавов не выше 550—600° С. При более высокой тем пературе титан и его сплавы легко окисляются и поглощают во дород.
0,2 мкм), которая хорошо защищает от даль нейшего окисления, поэтому алюминий стоек против коррозии. Температура плавления алюминия 660° С.Курс лекций по дисциплине «Технологические процессы в машиностроении» Лекция 1. Введение. В современных условиях развития общества одним из самых значимых факторов технического прогресса в машинострое нии является совершенствование технологии производства. Коренное преобразование производства возможно в результате создания более совершенных средств труда, разработки принципиально новых технологий. Развитие и совершенствование любого производства в настоящее время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычислительной техники, применением станков с числовым программным управлением. Все это составляет базу, на которой создаются автоматизированные системы управления, становятся возможными оптимизация техноло гических процессов и режимов обработки, создание гибких автомати зированных комплексов. Важным направлением научно-технического прогресса является также создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, поли мерные и другие материалы, позволяющие резко повысить техниче ский уровень и надежность оборудования. Обработка этих материа лов связана с решением серьезных технологических вопросов. Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая на прак тике их заданные характеристики и надежность работы с учетом экономических показателей, инженер должен уверенно владеть методами изготовления деталей машин и их сборки. Для этого он должен обладать глубокими технологическими знаниями. Предметом курса являются современные рациональные и распространенные в промыш ленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин. Содержание курса представлено на принципе единства основных, фундаментальных методов обработки конструк ционных материалов: литья, обработки давлением, сварки и обра ботки резанием. Эти методы в современной технологии конструкцион ных материалов характеризуются многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении. Описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряется сведениями о строении и свойствах конст рукционных материалов. Комплекс этих знаний обеспечивает уни версальный подход к изучению технологии. Большой вклад в развитие металлургии внесли русские ученые и инженеры. Российская металлургия является одной из самых передовых в мире и давно оставила позади самые развитые страны запада. Такие учёные как Обухов П. М., является основателем крупнейшего производства литой стали и стальных пушек в России. В 1857 году изобрёл способ массового производства тигельной стали высокого качества. Калакуцкий Н. В. наиболее полно представил влияние способов и условий ковки на структуру металла, его свойства, образование дефектов. Впервые объяснил образование внутренних напряжений в стали и чугуне. Лавров А. С. выдвинул теорию по которой сталь представляет собой твёрдый раствор углерода в железе. Совместно с Калакуцким Н. В. объяснил процесс ликвации. Впервые в мире применил алюминий для раскисления стали. Чернов Д. К. основатель современного металловедения. Его открытия – критические температуры, теория кристаллизации слитка, совершенствование конверторного процесса, применение спектроскопа для определения конца процесса производства получили признание во всём мире.Аносов П. П. впервые использовал вместо угля газ. Раскрыл рецепт булатной стали, который был утерян. Он в течении 10 лет делал опыты по сплавлению железа с кремнием, золотом, платиной и другими элементами.Бадаев С. И. Изобрёл способ получения новой «бадаевской» стали, которая обладает хорошей вязкостью и свариваемостью. Взаимосвязь конструкции изделия с технологией его производства обусловила одну из наиболее сложных функций технологически подготовки производства - отработку конструкции изделия н технологичность. Недостаточно полное и четкое выполнение этой функции на практике является причиной изготовления в промышленности неотработанных на технологичность изделий, что вызывает неоправданные затраты труда, средств, материалов и времени. На отдельных предприятиях различных отраслей промышленности производится отработка конструкции изделия на технологичность, но методы отработки обычно существенно различаются. Отсутствие единой методики отработки конструкций на технологичность затрудняет сравнительную оценку технологичности изделий и обмен опытом создания технологичных изделий. Обязательность отработки конструкций изделий на технологичность на всех стадиях их создания устанавливается стандартами ЕСТПЛ. Совершенство конструкции машины характеризуется ее соответствием современному уровню техники, экономичностью и удобством в эксплуатации, а также тем, в какой мере учтены возможности использования наиболее экономичных и производительных технологических методов ее изготовления применительно к заданному выпуску и условиям производства. Конструкцию машины, в которой эти возможности полностью учтены, называют технологичной. Таким образом, технологичность конструкции изделий (ТКИ) - это совокупность таких свойств конструкции изделия, которые определяют ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Отсюда следует, что ТКИ - понятие относительное. Технологичность одного и того же изделия в зависимости от тина производства, где оно изготавливается, и от конкретных производственных условий может быть, различной. ТКИ - понятие комплексное. Ее нельзя рассматривать изолированно, без взаимной связи и учета условий выполнения заготовительных процессов, процессов обработки, сборки и контроля, ремонта и эксплуатации. Улучшением технологичности конструкции можно увеличить выпуск продукции при тех же средствах производства. Трудоемкость машин нередко удается сократить на 15-25% и более, а себестоимость их изготовления на 5-10%. Основная задача обеспечения ТКИ заключается в достижении оптимальных трудовых, материальных и топливно-энергетических затрат на проектирование, подготовку производства, изготовление, монтаж вне предприятия-изготовителя, технологическое и техническое обслуживание, ремонт при обеспечении прочих заданных показателей качества изделия в принятых условиях проведения работ. Главными факторами, определяющими требования к ТКИ, являются: · вид изделия, степень его надежности и сложности, условия изготовления, технического ремонта и обслуживания, показатели качества; · тип производства; · условия производства, в том числе наличие передового опыта и прогрессивных методов изготовления аналогичных изделий, оборудования, оснастки и т. д. Производственный и технологический процессы. Под производственным процессом понимают совокупность отдельных процессов, осуществляемых для получения из материалов и полуфабрикатов готовых машин (изделий). В производственный процесс входят не только основные, т. е. непосредственно связанные с изготовлением деталей и сборкой из них машины, процессы, но и все вспомогательные процессы, обес печивающие возможность изготовления продукции (например, транспортирование материалов и деталей, контроль деталей, изго товление приспособлений и инструмента, заточка последнего и т. д.). Технологическим процессом называют после довательное изменение формы, размеров, свойств материала или полуфабриката в целях получения детали или изделия в соответ ствии с заданными техническими требованиями. Технологический процесс механической обработки деталей яв ляется частью общего производственного процесса изготовления всей машины. Производственный процесс разделяется на следующие этапы: 1)изготовление заготовок деталей — литье, ковка, штамповка или первичная обработка из прокатного материала; 2)обработка заготовок на металлорежущих станках для полу чения деталей с окончательными размерами и формами; 3)сборка узлов и агрегатов (или механизмов), т. е. соединение отдельных деталей в узлы и узлов – в агрегаты (механизмы); в единичном (индивидуальном) производстве применяются слесар ная обработка и пригонка деталей к месту постановки при сборке; в серийном производстве эти работы выполняются в незначительном объеме, а в массовом н крупносерийном — не применяются, так как благодаря применению предельных калибров при обработке на металлорежущих станках достигается взаимозаменяемость де талей; 4) окончательная сборка всей машины; 5) регулирование и испытание машины; 6) окраска и отделка машины (изделия). (Окраска состоит из нескольких операций, выполняемых па разных этапах технологи ческого процесса: например шпаклевка, грунтовка и первая окраска отливок, окраска обработанных деталей, окончательная окраска всей машины.) На каждом этапе производственного процесса, по отдельным операциям технологического процесса данного этапа, осуществ ляется контроль изготовления деталей в соответствии с техниче скими условиями, предъявляемыми к изготовляемой детали на дан ном этапе процесса для обеспечения должного качества готовой машины (изделия). Технологический процесс механической обработки деталей дол жен проектироваться и выполняться таким образом, чтобы посред ством наиболее рациональных и экономичных способов обработки удовлетворялись требования к деталям (точность обработки и чи стота поверхностей, взаимное расположение осей и поверхностей, правильность контуров и т. д.), обеспечивающие правильную ра боту собранной машины. Особенности обработки на станках с программным управлением. Технологическая документация: операционные карты, эскизы, маршрутный тех. процесс. Лекция 2. Разработка технологических процессов обработки деталей и сборки изделий с технико-экономическим обоснованием. Классификация конструкционных материалов и их основ ные свойства. Основные требования, предъявляемые к технологическому процессу механической обработки и сборки, заключается в том, чтобы процесс протекал в рациональной организационной форме, с полным использованием всех технических возможностей оборудования, инструмента и приспособлений при оптимальных режимах обработки, допускаемых на данном оборудовании, наименьшей затрате времени и наименьшей себестоимости обработки. В состав технологического процесса обработки и сборки в качестве технологических операций или переходов включаются разнообразные механические и сборочные работы: токарная обработка, сверление, фрезерование, строгание, сборка, фиксация положения деталей, проверка точности взаимного расположения деталей, очистка и промывка деталей и сборочной единицы и т. д. Технологический процесс обработки и сборки состоит из операций, переходов, приёмов. Технологический процесс сборки разрабатывается в следующей последовательности: 1. Устанавливается организационная форма обработки и сборки, определяются ее такт и ритм; 2. Анализируются чертежи с позиции отработки технологичности конструкции; 3. Производится размерный анализ с выполнением соответствующих размерных расчетов и устанавлива ются рациональные методы обеспечения требуемой точности; 4. Определяется целесообразная в данных условиях производства дифференциация проектируемого процесса; 5. Устанавливается последовательность соединения всех сбороч ных единиц и деталей изделия, и составляются схемы общей сборки и уз ловых сборок изделия; 6. Составляется содержание технологических операций механической обработки и сборки задаются методы контроля и испытаний изделия; 7. Определяется и разрабатывается необходимая для выполнения технологического процесса технологическая оснастка (приспособления), монтажный, контрольно-измерительный инструмент и оборудование; 8. Производится техническое нормирование работ и рассчитываются экономические показатели процесса; 9. Оформляется техническая документация процесса; 10. Разрабатываются ведомости потребного числа рабочих мест, и площадей; 11. Разрабатывается планировка участка, цеха. Технико-экономическая эффективность спроектированных или существующих процессов обработки и сборки оценивается технико-экономическими показателями. К числу наиболее характерных технико-экономических показа телей относятся следующие: 1) Себестоимость детали; 2) Себестоимость (цеховая), слагающаяся из величины основной заработной платы производственных рабочих и цеховых накладных расходов; 3) Норма штучного и штучно-калькуляционного времени полной обработки и сборки; 4) Основное (технологическое) время по всем операциям. Технологические характеристика типовых заготовительных процессов. Технологическая оснастка. Основы классификации сталей и их маркировка Стали являются наиболее многочисленными сплавами и широко применяются в промышленности как основной машиностроитель ный материал. Стали классифицируют по химическому составу, способу про изводства и применению. По химическому составу классифицируют в основном конст рукционные стали. Согласно этой классификации стали подразде ляют на углеродистые, хромистые, хромоникелевые и т. д. Другие стали, например инструментальные с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу почти не классифици руют. По способу производства (определение условий металлурги ческого производства сталей и содержание в них вредных приме сей) стали классифицируют на группы А, Б, В и Г. Группа А. К ней относятся стали обыкновенного качества. Они могут иметь повышенное содержание серы (до 0,055%) и фосфора (до 0,07%). Механические свойства сталей обыкновенного качества ниже механических свойств сталей других классов. Основным элемен том, определяющим механические свойства этих сталей, является углерод. Их выплавляют в кислородных конвертерах и марте новских печах. Стали обыкновенного качества подразделяют на спокойные (полностью раскисленные), кипящие (не полностью раскисленные) и полуспокойные (занимающие промежуточное по ложение между спокойными и кипящими). Согласно ГОСТу спо койные, полуспокойные и кипящие стали обозначают в конце марки буквами, соответственно сп; пс и кн. Группа Б. К ней относятся качественные стали — углероди стые или легированные. В этих сталях содержание серы и фос фора не должно превышать 0,035% каждого. Выплавляют их в основных мартеновских печах. Группа В. К этой группе относятся высококачественные стали, главным образом легированные, выплавляемые в электропечах. В этих сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,025% каждого. Группа Г. Стали особовысококачественные, выплавляемые в электропечах, электрошлаковым переплавом или другими мето дами. Содержание серы и фосфора до 0,015% каждого. По применению стали подразделяют на строительные, машино строительные (конструкционные, общего назначения), инстру ментальные, машиностроительные специализированного назначе ния, с особыми физическими свойствами, с особыми химическими свойствами (устойчивые против коррозии). Строительные стали — это углеродистые и некоторые низко легированные стали с небольшим содержанием углерода — стали обыкновенного качества. Для машиностроительных сталей (конструкционных) общего назначения главной характеристикой являются их механические свойства, которые зависят от содержания углерода, изменяюще гося в пределах 0,05—0,65%. Инструментальные стали имеют высокие твердость, прочность и износостойкость. Их используют для изготовления режущего и измерительного инструментов, штампов и т. д. Твердость и вяз кость зависят от содержания в инструментальных сталях угле рода. Машиностроительные стали и сплавы специализированного назначения характеризуются их механическими свойствами при низких и высоких температурах; физическими, химическими и технологическими свойствами. Они могут быть использованы для эксплуатации в особых условиях (на холоде, при нагреве, при ди-намических и гидроабразивных нагрузках и т. п.). Стали и сплавы с особыми физическими свойствами получают эти свойства в результате специального легирования и термической обработки. Их применяют в основном в приборостроении, электронной, радиотехнической промышленности и т. д. Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (стойкие против коррозии). Стойкости сталей против коррозии достигают при содержании хрома не ниже 12,5—13%. Стали с высоким содержанием хрома и никеля — стойкие в агрессивных средам. Маркировка сталей. Стали обыкновенного качества обозна чают марками Ст0 — Ст6. Чем выше номер, тем выше прочностные свойства стали и содержание углерода. Качественные, высококачественные и особовысококачественные стали маркируют следующим образом. Содержание углерода указывают в начале марки цифрой, соответствующей его содер жанию: в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,7% С (конструкционные стали), и в десятых долях процента для ста лей, имеющих более 0,7% С (инструментальные стали). Соответ ственно сталь, содержащую до 0,1 % С, обозначают как сталь К сталь с 0,5% С — сталь 50, сталь с 1% С — сталь У10. Легирующие элементы обозначают русскими буквами, на пример Н (никель); Г (марганец); X (хром); С (кремний) и т. д. Если после буквы нет цифры, то сталь содержит 1,0—1,5% ле гирующего элемента; если стоит цифра, то она указывает содержание легирующего элемента в процентах, кроме молибдена и ванадия, содержание которых в сталях обычно до 0,2—0,3%. Различие в обозначении качественной стали по сравнению с высококачественной сталью состоит в том, что в конце марки высококачественной стали ставят букву А: сталь 30ХНМ — ка чественная, а сталь ЗОХНМА — высококачественная. В конце марки особовысококачественной стали стоит буква Ш. Для некоторых высококачественных сталей бывают следую щие отклонения в обозначении: 1) все инструментальные, легированные стали и сплавы с особыми физическими свойствами всегда высококачественные, по этому в марках этих сталей букву А не ставят; 2) шарикоподшипниковые стали обозначают в начале марки буквами ШХ, затем стоит содержание хрома в десятых долях процента; например, сталь ШХ15; 3) быстрорежущие сложнолегированные стали обозначают бук вой Р, следующая за ней цифра указывает на содержание в ней вольфрама в %; 4)электротехнические стали обозначают буквой Э; следующая за ней цифра указывает на содержание в ней кремния в %. Цветные металлы и сплавы Алюминий и его сплавы. Алюминий – легкий металл (плот ность 2,7 г/см3), обладает высокими теплопроводностью |
Алюминиевые сплавы разделяют на деформируе мые и литейные. К деформируемым алюминиевым сплавам отно сятся дуралюмины (Д1—Д16), содержащие 3,8—4,9% Сu, 0,4— 1,8% Mg, 0,4—0,9% Мn; авиали (АВ), содержащие 0,2—0,6% Сu, 0,4—0,9% Mg, 0,15—0,35% Мn, 0,5—1,2% Si; высокопрочные алюминиевые сплавы, содержащие медь, магний, марганец и уп рочняющие добавки (до 8,5% Zn или 0,1—0,25% Сг); ковочные алюминиевые сплавы (АК), содержащие 1,8—4,8 Сu, 0,4—0,8% Mg, 0,4—1,0% Мn, 0,6 — 1,2% Si, а также жаропрочные алюминиевые сплавы, в которые в качестве упрочняющих добавок вводят желе зо, никель, титан и цирконий. Эти сплавы хорошо обрабатыва ются ковкой, штамповкой, прокаткой. Механические свойства их повышаются после термической обработки. Благодаря высоким механическим свойствам и малой плотности эти сплавы широко применяют в машиностроении, самолетостроении, химической промышленности, транспортном и пищевом машиностроении, при боростроении и т. д. Кроме термически обрабатываемых дефор мируемых сплавов, широко применяют алюминиевые деформиру емые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц до 1,6 % Мn) или магнием и марганцем (АМг), содержащие 1,8—5,8% Mg и 0,2-0,8% Мn.
Эти сплавы хорошо обрабатываются давлением (штамповкой в холодном состоянии, гибкой и т. д.), свариваются и имеют вы сокую коррозионную стойкость. Их широко применяют в стро ительных конструкциях (рамах, перегородках, дверях, витра жах и т. д.), при изготовлении баков для бензина, трубопро водов и т. д.
Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления деталей машин и приборов литьем. Они имеют хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть в расплавленном состоянии, малую усадку при затвердевании, высокие механические свойства. Кроме того, они хорошо обрабатываются резанием. Из литейных алюминиевых сплавов наибольшее применение имеют силумины — сплавы алюминия с 10 – 13% Si; сплавы алюминия с медью и мар ганцем, содержание 4,5 –5,3% Си и до 1% Мn; сплавы алюминия с 9,5-11,5% Mg.
Силумины наиболее широко используют для изготовления многих деталей в машиностроении и приборостроении: блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, картеров блоков, корпусов компрессоров, арматуры и т. д.
Сплавы алюминия с медью, обладающие повышенной проч ностью, применяют для литья деталей, работающих при нагрузках (арматуры, кронштейнов и др.).
Сплавы алюминия с магнием обладают хорошей коррозионной стойкостью и применяются для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении. Многие отливки из алю миниевых сплавов подвергают термической обработке для повы шения их механических свойств, пластичности, а также снижения остаточных напряжений.
Алюминий применяют для приготовления спеченных алюми ниевых сплавов (САС) и спекаемых алюминиевых пудр (САП), из которых методами порошковой металлургии (прессованием с пос ледующим спеканием) изготовляют детали машин.
Магний и его сплавы. Магний относится к группе легких металлов, плотность его в твердом состоянии 1,738 г/см3, темпе ратура плавления 651° С. Магний, являясь весьма химически активным металлом, широко применяется в виде сплавов с алю минием, цинком, марганцем.
Магниевые сплавы подразделяют на деформируемые сплавы (МА), используемые в виде листов, полос, профилей, прут ков и поковок, и литейные сплавы (Мл), из которых получают фа сонные отливки.
Деформируемые магниевые сплавы обычно содержат 1—2% Мn, до 0,8% А1, десятые доли процента кальция и церия; высокопроч ные сплавы — до 5% А1 и 1,5% Zn, а жаропрочные магниевые сплавы содержат добавки циркония, никеля и др. Деформируе мые магниевые сплавы имеют прочность до 264—274 МН/м2 при удлинении 7—12%. Из этих сплавов изготовляют сварные бензо - и маслобаки, арматуру бензо - и маслопроводов самолетов, летательных аппаратов, детали прядильных и ткацких стан ков.
Литейные магниевые сплавы содержат 2,5—9,0% А1 и 0,2—1,5% Zn, а также 0,15—0,5% Мп; предел прочности при растяжении 177—235 МН/м2, при удлинении 3—8%. Детали, отлитые из жаропрочных магниевых сплавов, способны работать продолжи тельное время при температуре до 250° С, а кратковременно при температурах до 400—450° С.
Литейные магниевые сплавы имеют невысокий модуль упру гости (Е
43 000 МН/м2) и вследствие этого высокие демпфиру ющие свойства (гасят колебания и вибрации конструкции). Од нако литейные магниевые сплавы имеют невысокую коррозион ную стойкость, для ее повышения отливки из этих сплавов окси дируют и покрывают защитными лаками. Отливки из магниевых сплавов широко применяют в самолето - и ракетостроении, в автомобильной промышленности (для картеров двигателей, коробок передач), в электротехнике, радиотехнике (для деталей и корпу сов приборов), в текстильной и полиграфической промышленностях, транспортном машиностроении и т. д.Медь и ее сплавы. Технически чистая медь обладает высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, электропроводностью и теплопроводностью. Плотность меди 8,97 г/см3, температура плавления 1083°С, теплопроводность 385 Вт/(м°С), удельное электросопротивление 0,018 Ом∙мм2/м. В литом состоянии медь имеет предел прочности на растяжение 170—200 МН/м2, предел текучести 70—90 МН/м2 и относительное удлинение 17—20%. Благодаря высокой электропроводности, теплопроводности и кор розионной стойкости медь широко применяют для изготовления линий электропередач и проводной связи, в электромашинострое нии — для деталей электрических машин и приборов. Около 50% всей меди используют в электропромышленности.
Высокая теплопроводность и коррозионная стойкость способ ствуют широкому использованию меди в химическом машино строении для изготовления вакуум-аппаратов, трубчатых змее виков, теплообменников в холодильных агрегатах.
Медные сплавы подразделяют на бронзы и латуни. Бронзами называются сплавы меди с оловом (4—33% Sn), свинцом (