Курс лекций ТПвМ. Курс лекций по дисциплине Технологические процессы в машиностроении

• Название: Курс лекций по дисциплине Технологические процессы в машиностроении
• Анкор: Курс лекций ТПвМ.docx
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 1.96 Mb.
• Имя файла: Курс лекций ТПвМ.docx
• Тип: Курс лекций; #850
• страница: 15 из 18

Часть операций, выполняемая над одним соединением при неизменном инструменте, называется переходом. Отдельное законченное действие рабочего в процессе сборки или подготовки к сборке называется элементом перехода.

Классификация соединений деталей.

Лекция 33. Изготовление деталей из композиционных материалов.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ

ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Развитие машиностроения, а также задача повышения надежности и качества выпускаемых изделий потребовали создания новых конструкционных материалов. Композиционные материалы применяют во всех отраслях промышленности. В широком смысле практически всякий современный материал представляет собой композицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде. На современном этапе понятие композиционного материала должно удовлетворять следующим критериям: композиция должна представлять собой сочетание хотя бы двух химически разнородных материалов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами); композиция должна характеризоваться свойствами, которых не имеет никакой из ее компонентов в отдельности.

Композиционный материал получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств. Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах — от сотых долей микрометров (для порошковых наполнителей) до нескольких миллиметров (при использовании волокнистых наполнителей). Например, автомобильную шину изготовляют из композиционного материала, основой которого является резина. Для повышения механических свойств в нее добавляют порошковые и волокнистые наполнители (в том числе металлическую проволоку), а также вещества для повышения морозостойкости, износостойкости и т. д.

Широкое применение конструкционных композиционных материалов обусловлено их важными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Порошковая металлургия позволяет получать композиционные материалы и детали, характеризующиеся высокой жаропрочностью, износостойкостью, стабильными магнитными и другими специальными свойствами. Возможность получения псевдосплавов из таких несплавляющихся металлов, как медь—вольфрам, серебро—вольфрам и др., обладающих высокими электропроводимостью и стойко-стью к электроэрозионному изнашиванию, делает их незаменимыми для изготовления электроконтактных деталей. Пористые материалы в отдельных случаях становятся единственно приемлемыми для изготовления фильтров, подшипников скольжения и др. Композиционные материалы на основе пластмасс характеризуются относительно высокой механической прочностью, высокой химической и коррозионной стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами. Применением их достигается экономия дорогостоящих цветных материалов, повышение стойкости деталей, работающих на трение и в агрессивных средах, снижение массы, уменьшение трудоемкости изготовления деталей.

Конструкционные материалы на основе резины по своим свойствам существенно отличаются от металлов и других материалов. Они характеризуются способностью выдержать значительные деформации без разрушения, высокой сопротивляемостью к изнашиванию, газо-, водонепроницаемостью и диэлектрическими, свойствами.

Стекло, керамика, древесные и другие неметаллические материалы также имеют свои специфические физико-механические и эксплуатационные свойства.

Выбор конструкционного материала зависит от физико-механических и эксплуатационных свойств, на которые влияет технологический процесс получения самих конструкционных материалов и деталей из них. Процесс изготовления деталей из этих материалов характеризуется высоким коэффициентом использования материала (0,85—0,95), малой трудоемкостью, высокой механизацией и автоматизацией.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Способы получения и технологические свойства порошков

Порошковая металлургия — отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые подвергают термической обработке – спеканию. Промышленность выпускает различные металлические порошки: железный, медный, никелевый, хромовый, кобальтовый, вольфрамовый, молибденовый, титановый и др. Способы получения порошков условно разделяют на две основные группы: механические и физико-химические.

Наибольшее практическое применение имеют способы механического измельчения исходного сырья (стружки, обрезков, скрапа и т. д.). Измельчение проводят в механических мельницах. Размолом получают порошки из легированных сплавов строго заданного химического состава и из хрупких материалов, таких, как кремний, бериллий и др.

При применении механических способов исходный продукт измельчается без изменения химического состава. К недостаткам механического измельчения следует отнести высокую стоимость порошков, включающую стоимость изготовления исходных литых металлов и сплавов, и относительно низкую производительность процесса.

К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление оксидов, осаждение металлического порошка из водного раствора соли и др. Получение порошка связано с изменением химического состава исходного сырья или его состояния в результате химического или физического (но не механического) воздействия на исходный продукт. Физико-химические способы получения порошков в целом более универсальны, чем механические. Возможность использования дешевого сырья (отходы производства в виде окалины, оксидов и т. д.) делает многие физико-химические способы экономичными. Порошки ряда тугоплавких металлов, а также порошки сплавов и соединений, на их основе могут быть получены только физико-химическими способами.

Поведение металлических порошков при прессовании и спекании зависит от свойств порошков, которые, в свою очередь, определяются способами их получения. Металлические порошки характеризуются их химическим составом, а также физическими и технологическими свойствами. Химический состав порошков определяется содержанием основного металла или компонента и примесей. Физические свойства порошков определяются размером и формой частиц, микротвердостью, плотностью, состоянием кристаллической решетки. Технологические свойства характеризуются текучестью, прессуемостью и спекаемостью порошка.

Текучесть — способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Текучесть оценивают количеством порошка, вытекаемого через отверстие диаметром 1,5 – 4 мм в секунду. Текучесть порошка имеет большое значение, особенно при автоматическом прессовании, где производительность пресса зависит от скорости заполнения формы. Низкая текучесть способствует также получению неоднородных по плотности заготовок.

Прессуемость характеризуется способностью порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повышается с введением в его состав поверхностно-активных веществ.

Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.

Краткая характеристика композиционных порошковых материалов

Порошковой металлургией получают различные конструкционные материалы для изготовления заготовок и готовых деталей. Большое применение находят композиционные материалы со специальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Из антифрикционных металлокерамических материалов изготовляют подшипники скольжения для различных отраслей промышленности. В антифрикционных материалах с пористостью 10—35 % металлическая основа является твердой составляющей, а поры, заполняемые маслом, графитом или пластмассой, выполняют роль мягкой составляющей. Пропитанные маслом пористые подшипники способны работать без дополнительного смазочного материала в течение нескольких месяцев, а подшипники со специальными «карманами» для запаса масла — в течение 2—3 лет.

Для пористых антифрикционных материалов используют железо-графитовые, железо-медно-графитовые, бронзографитовые, алюминиево-медно-графитовые и другие композиции. Процентный состав этих композиций зависит от эксплуатационных требований, предъявляемых к конструкциям деталей.

Фрикционные композиционные материалы представляют собой сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и различных оксидов. Для уменьшения износа в композиции вводят графит или свинец. Фрикционные материалы обычно применяют в виде биметаллических элементов, состоящих из фрикционного слоя, спеченного под давлением с основой (лентой или диском). Коэффициент трения по чугуну для фрикционных материалов на железной основе 0,4 –0,6. Они способны выдерживать температуру в зоне трения до 500 – 600 °С. Применяют фрикционные материалы в тормозных узлах и узлах сцепления (в самолетостроении, автомобилестроении и т. д.).

Из высокопористых материалов изготовляют фильтры и другие детали, В зависимости от назначения фильтры выполняют из порошков коррозионно-стойкой стали, алюминия, титана, бронзы и других материалов с пористостью до 50 %. Металлические высокопористые материалы получают спеканием порошков без предварительного прессования или прокаткой их между вращающимися валками при производстве пористых лент. В порошки добавляют вещества, выделяющие газы при спекании.

Металлокерамические твердые сплавы характеризуются высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Поэтому из них изготовляют режущий и буровой инструменты, их наносят на поверхность быстроизнашивающихся деталей и т. п. Твердые сплавы изготовляют на основе порошков карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего материала применяют кобальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают в зависимости от их назначения.

Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами. В качестве связующего для алмазных порошков применяют металлические порошки (медные, никелевые и др.) или сплавы.

Из жаропрочных и жаростойких материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Эти материалы должны иметь высокую жаропрочность и стойкость против окисления. Металлические сплавы на основе никеля, титана, тантала, вольфрама и других элементов удовлетворяют этим требованиям при работе до температур 850—900 °С. При более высоких температурах (до 3000°С) можно использовать тугоплавкие и твердые соединения типа оксидов, карбидов, боридов и др.

Порошковую металлургию широко применяют для получения материалов со специальными "электромагнитными свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлектрики, ферриты и т. д.).

В последнее время значительно возрос объем применения так называемых компактных конструкционных материалов, получаемых из порошков самых различных металлов и сплавов. В связи с высокой плотностью механические свойства их практически не снижаются, а отдельные эксплуатационные свойства значительно увеличиваются. Например, спеченный алюминиевый порошок (САП) в своем составе содержит до 15% оксидов алюминия, которые в виде тонкой пленки покрывают зерна алюминия и образуют в спеченном материале непрерывный каркас. Такая структура придает материалу высокую теплостойкость. Этот материал может длительное время работать при температурах до 600 °С. САП по сравнению с обычным алюминием имеет более низкий температурный коэффициент. Применяют САП для изготовления компрессорных лопаток, поршней, колец для газовых турбин и т. д. Перспективно применение компактных конструкционных материалов в условиях крупносерийного и массового производствах деталей сложной конфигурации небольших размеров.

В современной технологии композиционных материалов все большее место занимают волокнистые материалы, представляющие собой композицию из мягкой матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу. Материалы, упрочненные волокнами, характеризуются высокой удельной прочностью, а также могут иметь малую теплопроводность, высокую химическую и термическую стойкость и т. п. Для получения композиционных материалов используют различные волокна: проволоки из вольфрама, молибдена, волокна оксидов алюминия, бора, карбида кремния, графита и т. п. – в зависимости от требуемых свойств создаваемого материала. Вопросами исследования и создания волокнистых материалов занимается новая, быстроразвивающаяся отрасль порошковой металлургии – металлургия волокна

Приготовление смеси и формообразование заготовок

Процесс приготовления смеси включает предварительный отжиг, сортировку порошка по размерам частиц (рассев) и смешение.

Предварительный отжиг порошка способствует восстановлению оксидов и снимает наклеп, возникающий при механическом измельчении исходного материала. Отжиг проводят при температуре, равной 0,5 – 0,6 температуры плавления, в защитной или восстановительной атмосфере.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам просеиванием на ситах, а более мелкие порошки — воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадочные материалы различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, одеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовок высокого качества; легкоплавкие материалы, улучшающие процесс спекания; различные летучие вещества для получения деталей с заданной пористостью. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах и других смешивающих устройствах.





Заготовки из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

При холодном прессовании в пресс-форму 2 (рис. 97, а) засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1. В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки обеспечивается в основном силами механического сцепления частиц порошка. С увеличением давления прессования прочность заготовки возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки вследствие влияния трения порошка о стенки пресс-формы, в результате чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно - и двустороннее прессование.

Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки меньше трех. Двустороннее прессование (рис. 97, б) применяют для формообразования заготовок сложной формы. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на 30 – 40%. Давление прессования зависит от требуемой плотности, формы прессуемой заготовки, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить необходимое давление.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим и пластическим деформациям, в результате чего в заготовке накапливаются значительные напряжения. После извлечения из пресс-формы заготовки размеры ее изменяются за счет упругого последействия.

При горячем прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6—0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву процесс уплотнения протекает гораздо интенсивнее, чем при обычном прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление прессования. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью, плотностью и однородностью структуры. Этот метод применяют для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды, силициды и т. д.). Для изготовления пресс-форм используют, как правило, графит. Низкая производительность, малая стойкость пресс-форм (10 – 12 прессовок), необходимость проведения процесса в среде защитных газов – все это ограничивает применение горячего прессования и обусловливает его использование только в тех случаях, когда другие методы порошковой металлургии не обеспечивают заданных эксплуатационных свойств.

Гидростатическое прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса (рис. 98) заключается в том, что порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1. Отсутствие внешнего трения способствует получению заготовок равномерной плотности и снижению требуемого давления. В качестве рабочей жидкости используют масло, воду, глицерин и др. Гидростатическим прессованием получают самые разнообразные по форме и размерам заготовки.

При газостатическом прессовании в качестве рабочей среды, создающей давление прессования, используют газ, нагретый до температуры спекания порошков. В этом случае процессы формообразования и спекания заготовок технологически совмещаются.

Выдавливанием изготовляют прутки, трубы и профили различного сечения. Сущность процесса получения заготовки заключается в выдавливании порошка через калиброванное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор в количестве до 12 % массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброванного отверстия пресс-формы. Полые профили получают с применением рассекателя. В качестве оборудования используют механические и гидравлические прессы.

Прокатка – один из наиболее производительных и перспективных способов переработки порошковых материалов. Порошок (рис. 99, а) непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками. При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке с целью придания ей заданных размеров. Ленты, идущие для приготовления фильтров и антифрикционных изделий не подвергают дополнительной прокатке. Число обжатий, необходимое для получения беспористой ленты, зависит от пластичности композиции и параметров прокатки.

Прокаткой получают ленты из различных материалов (пористых, твердосплавных, фрикционных и др.). Применяя бункеры с перегородкой (рис. 99, б), изготовляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02 – 3 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного профиля, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 до нескольких миллиметров.



Рис. 99. Схема прокатки порошков

Спекание и окончательная обработка заготовок

Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В спрессованных заготовках доля контакт, между отдельными частицами очень мала и спекание сопровождается ростом контактов между отдельными частицами порошка. Это является следствием протекания в спекаемом теле при нагреве следующих процессов: восстановления поверхностных оксидов, диффузии, рекристаллизации и др. Протекание этих процессов зависит от температуры и времени спекания, среды, в которой осуществляется спекание и других факторов. При спекании изменяются линейные размеры заготовки (большей частью наблюдается усадка — уменьшение размеров) и физико-механические свойства спеченных материалов. Температура спекания обычно составляет 0,6 – 0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже температуры плавления основного материала для композиций, в состав которых входят несколько компонентов. Время выдержки после достижения температуры спекания по всему сечению составляет 30 – 90 мин. Увеличение времени и температуры спекания до определенных значений способствует увеличению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению прочности в результате роста зерен кристаллизации.

Проведение спекания в условиях, когда входящий в композицию легкоплавкий компонент образует при спекании жидкую фазу, активизирует усадку и обеспечивает получение заготовок с малой или даже нулевой пористостью, с высокими физико-механическими свойствами. С этой же целью, например, применяют пропитку тугоплавких материалов серебром или медью при производстве электроконтактных деталей.

К атмосфере спекания предъявляются требования – безокислительные условия нагрева заготовок. В большинстве случаев спекание проводят в восстановительной атмосфере, способствующей удалению оксидов, или в вакууме. Для спекания используют электропечи сопротивления или печи с индукционным нагревом.

После спекания заготовки в ряде случаев подвергают дополнительной обработке в целях повышения физико-механических свойств, получения окончательных размеров и формы, нанесения декоративных покрытий и защиты поверхности детали от коррозии.

Для повышения физико-механических свойств спеченных заготовок применяют следующие виды обработки: повторное прессование и спекание, пропитку смазочными материалами (антифрикционных деталей), термическую или химико-термическую обработку.

Повторное прессование и спекание позволяет получать детали с более высокой плотностью. Промежуточные отжиги, снимая наклеп в зернах заготовки, способствуют дальнейшему их уплотнению при относительно небольшом давлении. Процесс повторного прессования осуществляют в тех же пресс-формах или в пресс-формах с повышенной точностью изготовления формообразующих деталей. В производственных условиях, как правило, ограничиваются двукратным прессованием и спеканием.

Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке при повышенных температурах. Обработка давлением позволяет снизить пористость материалов и повысить их пластичность. Например, у спеченных заготовок вольфрама с исходной пористостью 38 – 40 % после ковки пористость снижается до 2 – 5 %, и металл приобретает пластичность, необходимую для протяжки через фильеры или прокатки. Перед прокаткой для снятия напряжений заготовки из вольфрама подвергают промежуточному отжигу при температурах выше 1200 °С. После протяжки вольфрама в проволоку диаметром 0,05 мм пористость его снижается до 1%.

Пропитку заготовок обычно выполняют погружением их в масляную ванну с температурой 70 – 140 °С. Длительность пропитки колеблется от 15 мин до 2 ч. Степень заполнения пор при этом составляет 90 – 95 %. Более высокое заполнение пор маслом достигается при применении вакуумной пропитки.

Основными видами термической обработки являются отжиг и закалка. Операцию отжига используют для повышения технологических свойств при производстве деталей из тугоплавких металлов. Отжиг снижает прочностные характеристики и в несколько раз повышает пластичность материала, что облегчает дальнейшую обработку давлением (ковка, протяжка, прокатка и т. д.). Наличие пор в материалах делает их чувствительными к окислению при нагреве и к коррозии при попадании закалочной жидкости в поры при закалке. В качестве охлаждающих сред необходимо выбирать жидкости, не представляющие опасности с точки зрения коррозии в процессе хранения и эксплуатации закаленных деталей. В некоторых случаях детали из железного порошка подвергают науглероживанию методами химико-термической обработки — нагреву в ящиках с карбюризатором или в газовой науглероживающей атмосфере. Процесс насыщения углеродом протекает значительно быстрее вследствие проникания газов внутрь пористого тела.

Для повышения износостойкости деталей применяют операцию сульфидирова-ния; для придания спеченным заготовкам необходимых размеров и формы калибровку, протягивание, штамповку и обработку резанием.

Калибровка позволяет получать детали высокой точности. Эту сперадию проводят в специальных пресс-формах или приспособлениях. Перед калибровкой заготовки должны иметь размеры на 0,5—1 % больше (меньше для внутренних поверхностей) окончательных. Большая степень деформации при калибровке может значительно повысить прочность и снизить пластичность деталей. Поэтому после калибровки применяют дополнительное спекание или отжиг.



Рис. 100. Схема калибровки подшипников скольжения

Рассмотрим схему последовательных операций калибровки подшипников скольжения на автоматическом прессе (рис. 100). Специальный захват устанавливает подшипник 3 над отверстием калибрующей матрицы 4 (положение I), Затем направляющая часть центрального стержня 2 входит во внутреннюю часть подшипника (положение II) и верхний пуансон 1 вдавливает подшипник в матрицу 4 (положение III). После этого центральный стержень продвигается вниз и его калибрующая часть проходит через подшипник (положение IV). Этим осуществляется калибровка внутреннего и наружного диаметров. Для обеспечения калибровки по высоте нижний 5 и верхний 1 пуансоны продолжают движение навстречу друг другу до заданного предела (положение V). Затем нижний пуансон отводится вниз, а центральный стержень вверх, и верхний пуансон 1 при дальнейшем своем ходе проталкивает подшипник из матрицы вниз (положение VI), после этого цикл повторяется. Такое последовательное расчленение деформаций на ряд операций позволяет снизить усилие калибровки в 2 – 3 раза, в сравнении с калибровкой, при которой деформация производится почти одновременно. Предварительная пропитка заготовок маслом значительно облегчает процесс.