Лекции ОТМС. Лекции, 6 часов самостоятельное изучение ) тема жизненный цикл изделий машиностроения и его технологическая со ставляющая. (2 Часа лекции) Введение
 Скачать 10.52 Mb.
|
|
ТЕМА 8. ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ. (2 ЧАСА ЛЕКЦИИ) Формирование свойств материала и размерных связей в процессе изготовления детали Для того чтобы получить качественную деталь необходимо при построении и в ходе технологического процесса ее изготовления решить следующие две важные и сложные задачи. 1. Обеспечить требуемые свойства материала детали. 2. Обеспечить необходимую точность размеров, расстояний, относительных поворотов и формы поверхностей детали. Формирование свойств материала детали Детали машин изготовляют из чугунов, сталей, сплавов на основе меди, алюминия, магния и титана, полимеров, стекла, гранита и других материалов. Материал детали выбирает конструктор, исходя из ее служебного назначения. При выборе материала устанавливают соответствие его механических, физических и химических свойств функциям, которые надлежит исполнять детали, и условиям ее работы. Материал выбирают также с учетом его технологических свойств. К механическим свойствам материала относят временное сопротивление при растяжении и сжатии, предел текучести, твердость, относительное удлинение, структуру остаточных напряжений и др. К физическим свойствам относят удельный вес, плотность, модуль объемного сжатия, модуль Юнга, температуру плавления и кристаллизации, теплопроводность, коэффициент линейного расширения, электрическое сопротивление и пр. Химические свойства материала прежде всего определяются его коррозионной стойкостью. Технологические свойства материала составляют обрабатываемость резанием и давлением, свариваемость, упрочняемость и т.д. Требования к свойствам материала детали должны быть заданы системой номинальных значений показателей свойств и допусками, ограничивающими отклонения показателей от их номинальных значений. На машиностроительных предприятиях детали машин изготовляют из полуфабрикатов. Полуфабрикатами обычно являются прокат, заготовки, полученные отрезкой из проката, литьем, методами пластического деформирования, сваркой, металлические порошки, полимерные материалы и др. В процессе изготовления детали материал заготовки подвергается силовым, тепловым, химическим и другим видам воздействий. Вследствие этого на каждом из этапов технологического процесса могут изменяться химический состав, структура, зернистость материала заготовки, а следовательно, и его механические, физические, химические свойства и состояние поверхностных слоев. Переход от свойств материала заготовки к свойствам материала готовой детали может быть представлен схемой, приведенной на рис. 7.1. Рис. 7.1. Переход от свойств материала заготовки к свойствам материала детали Анализируя схему, можно прийти к выводам о том, что для достижения требуемых свойств материала детали необходимо следующее: 1. Строить технологический процесс изготовления детали с таким расчетом, чтобы все воздействия на заготовку в конечном счете обеспечивали бы получение необходимых свойств материала детали, наряду с точностью ее геометрических параметров. 2. Исходя из требуемых свойств материала детали и с учетом изменений этих свойств в технологическом процессе ее изготовления, предъявить комплекс требований к материалу заготовки. 3. Обеспечить соблюдение требований к материалу заготовки в технологических процессах ее изготовления. Свойства материала заготовок Способ изготовления заготовки выбирают с учетом ее последующей обработки на основе технико-экономического анализа. На выбор способа влияют марка материала, размеры и конфигурация детали, требуемая точность размеров и качество поверхностей заготовки, объем выпуска, тип производства, характер последующей механической и других видов обработки заготовки. Разные процессы получения заготовок приводят к разным свойствам их материала. Структура и размер зерен материала отливки зависит от многих факторов: количества и свойства примесей в чистом металле или легирующих элементов в сплаве, температуры разливки, скорости охлаждения при кристаллизации, а также конфигурации, температуры, теплопроводности, состояния внутренних поверхностей литейной формы. Свойства материала литой заготовки во многом зависят от ее конструкции. Конструкция отливки должна создавать возможность одновременного или последовательно направленного затвердевания ее частей. В первом случае желательна равномерность сечений стенок, а во втором – постепенное увеличение массивности стенок в предполагаемом направлении затвердевания металла. Неравномерное охлаждение различных частей отливки, сопротивление формы и стержней свободной усадке металла могут привести к образованию трещин, усадочных раковин и остаточных напряжений. В тонких местах стенок чугунных отливок при быстром охлаждении происходит отбел поверхностей. Пластическое деформирование металла также сопровождается изменением его физико-механических свойств. При начальной горячей обработке давлением (прокатка, ковка) литых слитков металла происходит деформирование его дендритной структуры, зерна металла вытягиваются и его механические свойства в продольном и поперечном направлениях становятся различными. Прочность заготовки снижается. Из-за неоднородности деформаций в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений. При пластическом деформировании большое значение имеет температура нагрева металла. Нарушение теплового режима может привести к образованию трещин, крупнозернистой дефектной структуре (перегретая сталь) и к неисправимому браку – пережогу (оплавлению и окислению металла по границам зерен). Если деформирование осуществляется без предварительного нагрева, в металле возникают остаточные напряжения, отдельные кристаллы повреждаются и частично разрушаются. В результате этих явлений металл приобретает наклеп. Наклеп затрудняет пластическое деформирование и возрастает с увеличением степени деформации. Достигнув определенной стадии наклепа, металл перестает пластически деформироваться и разрушается. Для технологического процесса изготовления детали из заготовки большое значение имеют технологические свойства ее материала, в частности обрабатываемость резанием. Обрабатываемость резанием, т.е. способность поддаваться обработке резанием, зависит от химического состава материала заготовки, его структуры, зернистости, а также от свойств материала режущего инструмента. К показателям обрабатываемости резанием относятся следующие: сила резания (момент вращения) по сравнению с эталонным материалом (обычно сталь 45), измеренная при одинаковых режимах обработки; эффективная мощность, затрачиваемая на резание, по сравнению с эталонным материалом при одинаковых режимах обработки; склонность к наростообразованию на инструменте при одинаковых условиях обработки; интенсивность изнашивания инструмента; качество поверхностей (шероховатость, остаточные напряжения в поверхностном слое), обработанных резанием при одинаковых условиях, и др. Значения показателей обрабатываемости конструкционного металла данного химического состава и структурного состояния определяются твердостью, пределом прочности и относительным удлинением, коэффициентом трения в паре с инструментальным материалом, свойством изнашивать лезвия инструментов, теплопроводностью и т.д. Для уменьшения недостатков структуры материала в литых заготовках (особенно в стальном литье), а также в кованых и штампованных заготовках (крупнозернистого строения в результате перегрева и рано законченной ковки, наклепа, остаточных напряжений) заготовки подвергают термической обработке (отжигу и нормализации). В результате термообработки улучшаются механические и технологические свойства материала заготовок. Воздействия механической обработки на свойства материала заготовок Механическую обработку заготовки можно вести резанием и пластическим деформированием. В обоих случаях формирование поверхностных слоев обрабатываемых поверхностей проходит в сложных условиях, определяемых действием сил, теплоты и химических явлений. При обработке резанием снятие с заготовки необходимого слоя материала требует приложения через режущий инструмент силы, способной создать в срезаемом слое напряжения, превышающие прочность материала. Под воздействием этой силы в срезаемом слое и поверхностном слое материала заготовки возникают упругие и пластические деформации. При прекращении воздействия режущего инструмента упругие деформации в поверхностном слое устраняются, и поверхностный слой материала частично восстанавливается. Пластические же деформации приводят к качественным изменениям поверхностного слоя. Пластическое деформирование материала сопровождается его упрочнением, называемым наклепом, и изменением его механических, физических и химических свойств. В частности, наклеп уменьшает плотность материала и увеличивает его объем, повышает твердость, снижает электропроводность, теплопроводность, магнитную проницаемость и коррозийную стойкость, повышает электрическое сопротивление и диффузионные способности. Поскольку пластическое деформирование материала сопровождается выделением теплоты, то в процессе резания одновременно совмещаются два противоположных по результатам процесса – упрочнения (наклепа) и разупрочнения (отдыха). Конечное состояние материала поверхностного слоя определяется соотношением скоростей протекания каждого из этих процессов. Так, при точении степень наклепа увеличивается с ростом сил резания, чему способствуют увеличение глубины резания и подачи, переход от положительных передних углов резцов к отрицательным, большие радиусы закругления и затупление резцов. Но в то же время изменение режимов обработки, приводящее к увеличению количества теплоты в зоне резания, создает условия для отдыха материала и снятия наклепа с поверхностного слоя. На рис. 7.2 показано влияние подачи S и радиуса г закругления вершины резца на микротвердость Н обточенной поверхности, а на рис. 7.3 – влияние переднего угла γ резца на микротвердость Н и глубину наклепа h. Рис. 7.2. Влияниеподачи S и радиуса r закругления вершины резца на микротвердость H обточенной поверхности Рис. 7.3. Влияние переднего угла γ - резца на микротвердость Н и глубину наклепа h Интенсивность и глубина распространения наклепа зависят также от свойств материала заготовки во взаимосвязи со скоростью резания. При обработке металлов, не претерпевающих структурных изменений, увеличение скорости резания приводит к уменьшению продолжительности воздействия на металл деформирующих сил и к большему выделению теплоты в зоне резания, ускоряющей отдых металла. На рис. 7.4 приведены зависимости твердости поверхностного слоя сталей 30ХГС (1) и 20 (2) от увеличения скорости резания при точении. Рис. 7.4. Влияние скорости резания при точении на упрочнение заготовок из стали 30ХГС (1) и стали 20 (2) В процессе механической обработки в поверхностных слоях заготовки возникают остаточные напряжения. Их причинами являются различия условий, в которых во время обработки и по завершении ее оказываются верхние и нижележащие слои материала. Под воздействием режущего инструмента в поверхностном слое металла происходят пластическое деформирование, изменения формы кристаллических зерен, нагрев поверхностного слоя до высоких температур, структурные превращения. Эти явления могут сопровождаться изменениями в поверхностном слое плотности объема материала, переформированием кристаллических зерен, тепловыми деформациями. Любая из указанных выше причин может преобладать в процессе обработки над другими. Поэтому, в зависимости от интенсивности проявления разных факторов поверхностный слой может быть наделен напряжениями как растяжения, так и сжатия. Соответственно противоположными им будут остаточные напряжения в нижележащем слое. Знак и глубина остаточных напряжений зависят также от характера воздействия инструмента на материал и условий, в которых осуществляется процесс резания. Например, при точении на формирование остаточных напряжений влияют скорость резания, подача, геометрия режущего инструмента, эффективность действия охлаждающей жидкости. В процессе шлифования заготовок температура в зоне резания может приближаться к температуре плавления материала. Поэтому главной причиной формирования остаточных напряжений является высокий уровень нагрева поверхностного слоя заготовки. Влияние смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). В зависимости от состава действие СОЖ может быть различным: охлаждающим, смазывающим и повышающим эффективность процесса обработки. Основное назначение СОЖ – охлаждение в процессе обработки режущего инструмента и заготовки (прежде всего ее поверхностного слоя). Снижение температуры нагрева инструмента и заготовки может осуществляться путем непосредственного теплообмена между режущим инструментом, заготовкой и СОЖ и через уменьшение сил трения инструмента по задней и передней поверхностям о заготовку и сходящую стружку. Охлаждающее действие СОЖ на нагретый поверхностный слой заготовки подобно процессу закалки, если нагрев будет выше критической точки Ас3, или отпуска, если нагрев оказался ниже точки Асх. Соответственно этому будет изменяться структура и зернистость поверхностного слоя заготовки, приобретенные им в процессе наклепа. Формирование остаточных напряжений в поверхностном слое становится зависимым в основном от проявления теплового фактора. Обработка методами поверхностно-пластического деформирования (ППД). Методы ППД основаны на пластическом деформировании поверхностного слоя заготовки без снятия слоя материала и относятся к отделочным методам обработки, применяемым для повышения предела выносливости и износостойкости детали. К методам ППД относят дорнование, выглаживание, чеканку, дробеструйную обработку, накатывание (раскатывание), обработку стальными щетками. Все методы ППД сводятся к силовому воздействию инструмента (дорнов, бойков, роликов, шариков, дроби и др.) на обрабатываемую поверхность, оказываемому либо путем давления, либо нанесением большого числа ударов. При поверхностно-пластическом деформировании в поверхностном слое заготовки возникают сложные процессы, сопровождающиеся вытягиванием, дроблением, скалыванием зерен, выделением теплоты и изменением структуры материала. Следствием этих процессов являются смятие гребешков микронеровностей, образование в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений, повышение механических свойств материала. Воздействия на свойства материала заготовок термической и химико-термической обработок Основной задачей термообработки заготовок являются изменения структуры и свойств их материала, направленные, в подавляющем большинстве случаев, на получение более мелкого зерна. Термической обработке подвергают слитки, отливки, поковки, сварные соединения, заготовки, получаемые из проката, а также детали, изготовляемые из разнообразных металлов или сплавов. Основными видами термической обработки заготовок из сталей являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг заготовок из сталей проводят для снижения твердости, повышения пластичности и получения однородной мелкозернистой структуры. При отжиге полностью устраняются остаточные напряжения. Отжиг проводят нагревом заготовок до температуры, превышающей А C3 на 30–50 °С, и после сквозного нагрева заготовки охлаждают. Скорость охлаждения при отжиге выбирают в зависимости от степени легированности стали. Для углеродистых сталей скорость охлаждения составляет 100–200 °С/ч, для легированных сталей – 20-70 ºС/ч. В результате отжига в фасонном литье устраняется грубозернистая структура, снижающая механические свойства заготовки. В катаных и кованых заготовках устраняются последствия различия условий деформирования и охлаждения их различных частей, структура материала приобретает однородность. Нормализация отличается от отжига условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50–70 °С выше Л C3 заготовку из стали охлаждают на воздухе. Нормализация сообщает стали более высокую прочность, чем отжиг, из-за большей скорости охлаждения. Закалку заготовок из сталей ведут для получения структур наивысшей твердости. При последующем отпуске твердость может быть снижена, но повышена пластичность. Охлаждение при закалке осуществляется погружением закаливаемой заготовки в воду или масло, имеющих температуру 20–25 °С. Значительные напряжения разного рода, обусловленные неравномерностью упругих и пластических деформаций при нагревании и охлаждении заготовки, изменениями объемов при фазовых превращениях и др., могут привести к возникновению закалочных трещин и короблению заготовок. Уменьшению остаточных напряжений в материалах заготовок в значительной мере могут способствовать закалка в двух средах и ступенчатая закалка. В ряде случаев целесообразно упрочнять только поверхностные слои заготовки. Тогда до закалочной температуры нагревают только этот слой и быстро охлаждают его, оставляя сердцевину незакаленной. Нагрев осуществляют газопламенным способом, токами высокой частоты, низкотемпературной плазмой, лазером. Охлаждают водой следом за движущимся тепловым индуктором. Регулируя скорость движения индуктора, сообщаемую тепловую энергию и скорость охлаждения, изменяют глубину и свойства закаленного слоя. Отпуск осуществляют при нагреве заготовки до температур, не превышающих уровень А C 1 . Во время отпуска идут структурные изменения, обеспечивающие большую пластичность материала и снятие остаточных напряжений. В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий при 120–250 °С, средний при 350–450 °С и высокий при 500–680 °С. Каждому виду отпуска соответствует своя продолжительность выдержки. При низком отпуске продолжительность выдержки составляет 0,5–2 ч, хотя при нагреве до 100–120 °С выдержка может доходить и до 10–15 ч. Такой режим отпуска применяют, когда нежелательно падение твердости, достигнутой в результате закалки. Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет от 1 до 2 ч для деталей небольшой массы и от 3 до 8 ч для деталей массой от 200 до 1000 кг. Комплексную термическую обработку заготовок из конструкционных сталей, состоящую из полной закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Химико-термическую обработку применяют для поверхностного упрочнения и противодействия влиянию на поверхность внешних агрессивных сред. Наибольшее распространение в машиностроении получили процессы цементации, цианирования и азотирования. Значительно реже применяют алитирование, сульфидирование, хромирование, цинкование, борирование и др. Рассмотрение химико-термической обработки ограничим наиболее распространенными процессами. Цементация представляет собой процесс обогащения поверхностного слоя низкоуглеродистой стали углеродом. Последующая термообработка сообщает поверхностному слою высокую твердость и вязкость сердцевине и повышает износостойкость и усталостную прочность детали. Цементацию ведут на глубину 0,5–2,2 мм, реже на меньшую глубину. Однако при изготовлении крупных деталей глубина цементированного слоя может доходить до 6 мм. Твердость поверхностного слоя после закалки составляет HRC3 64–66. Цементацию осуществляют в твердом или газовом карбюризаторе при температуре 920–1050 °С. Длительность насыщения поверхностного слоя углеродом зависит от заданной глубины цементации и марки материала. Длительность выдержки может составлять от 2 до 24 ч. В связи с длительной выдержкой заготовок при температуре науглероживания структура материала получается крупнозернистой. Для обеспечения не только высокой твердости поверхности, но и высокой прочности и ударной вязкости материала необходимо получить мелкое зерно как на поверхности, так и в сердцевине заготовки. Для этого заготовки после цементации подвергают двойной закалке и низкому отпуску, уменьшающему остаточные напряжения и сохраняющему твердость стали. Обычно цементации подвергают не все, а лишь отдельные поверхности заготовки, которым должна быть придана высокая твердость, поэтому нецементируемые поверхности должны быть изолированы. Существуют различные способы защиты нецементируемых поверхностей. К их числу относят гальваническое омеднение, применение специальных обмазок, забивку отверстий медными пробками и надевание на наружные поверхности колпачков. Защитой от цементации может служить припуск, удаляемый с заготовки после цементации до закалки. В этом случае технологический процесс изготовления детали строят с таким расчетом, чтобы на первых его стадиях обработать поверхности заготовки, подлежащие цементации, с припуском под обработку после закалки. Остальные поверхности заготовки либо не обрабатывают, либо обрабатывают с припуском, в 1,5–2 раза превышающим заданную глубину цементованного слоя. После цементации защитные и цементованные слои с этих поверхностей удаляют, и заготовку направляют на закалку, в результате которой высокую твердость приобретут только цементованные поверхности. Цианирование преследует ту же цель, что и цементация, т.е. повышение поверхностной твердости, износостойкости и усталостной прочности. Процесс насыщения поверхностного слоя материала углеродом ведут при температуре 820–950 °С в жидких, газовых средах или твердых упаковках с применением цианистых соединений в качестве карбюризаторов. Микроструктура цианированной стали в закаленном и отожженном состоянии аналогична микроструктуре цементованной стали. Отличие в содержании в поверхностном слое азота, придающего цианированной стали большую износостойкость. Азотирование применяют для повышения поверхностной твердости, износостойкости и предела выносливости деталей машин, изготовляемых из легированных сталей и чугуна. До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску, проводят чистовую обработку заготовки, а после азотирования – отделочную обработку (тонкое шлифование, притирку, доводку и т.п.). Диффузионное насыщение поверхностей заготовки азотом ведут при температуре 500–600 °С в муфелях или контейнерах, через которые пропускают аммиак. Так как азотированию обычно подвергают лишь отдельные поверхности изготовляемой детали, то ее другие поверхности требуют защиты. Наиболее распространенным средством защиты является гальваническое лужение. Азотирование – это более длительный процесс, чем цементация, требующий 50–60 ч выдержки. Толщина азотированного слоя обычно не превышает 0,5 мм. В связи с этим азотирование используют реже, чем цементацию, хотя оно и обеспечивает более высокую твердость и износостойкость поверхностей деталей. Обеспечение требуемых свойств материала детали в процессе изготовления Основными причинами отказов деталей в работающей машине являются изнашивание, коррозия, перераспределение остаточных напряжений, приводящие к потере геометрической точности детали, а также усталостные явления в материале и, как следствие, поломка детали. Из этого перечня причин видно, что большинство их связано со свойствами материала, определяемыми выбором материала при конструировании и обеспечением требуемых свойств при изготовлении деталей. Требования к свойствам материала детали, выдвигаемые конструктором, чаще сводятся к указаниям в чертежах марки материала, твердости и значений параметров шероховатости поверхностей. Но этими требованиями не охватывается весь комплекс показателей, определяющих эксплуатационные свойства детали. Считая, что выбор материала детали был сделан конструктором правильно и сопровожден необходимыми требованиями, проанализируем источники возможных отклонений свойств материала в технологическом процессе. Такими источниками могут быть следующие. 1. Неправильный выбор исходного материала для заготовки и его дефекты. 2. Выбор способа получения заготовки, не обеспечивающего требуемые структуру, механические и химические свойства материала и возможность получения нужных свойств в технологическом процессе изготовления детали. 3. Дефекты заготовки, затрагивающие свойства ее материала. 4. Несоответствие свойствам материала последовательности, способов и режимов предварительной обработки заготовки, следствием чего могут быть нежелательные структурные изменения материала, остаточные напряжения, трещины в поверхностном слое и т.п. 5. Несоответствие марке материала режимов термической и химико- термической обработки заготовки, не обеспечивающих требуемые структуру и твердость материала, нужное соотношение твердости поверхности и сердцевины заготовки, приводящие к ее короблению, обезуглероживанию и водородонасыщению поверхностного слоя, поверхностным трещинам и другим дефектам. 6. Неправильный выбор способа (сочетания способов) и режимов отделочной обработки заготовки, следствием чего могут быть закалка или, наоборот, отпуск и снижение твердости, перенаклеп и шелушение поверхностного слоя, несоответствие значений параметров шероховатости поверхностей детали требуемому уровню, напряжения растяжения в поверхностном слое и т.д. 7. Остаточные напряжения в материале детали, вызывающие ее коробление даже после того, как деталь будет установлена в машине и начнет функционировать. Многие технологические процессы, применяемые для получения заготовок и изготовления деталей, сопровождаются возникновением остаточных напряжений в материале. Остаточные напряжения могут образовываться во всем объеме материала, составляющего заготовку или деталь, либо в его отдельных частях. Значительные остаточные напряжения возникают в отливках, поковках, в холоднодсформированных и сварных заготовках, при закалке, в процессе правки пруткового материала и т.п. Основной причиной образования остаточных напряжений является неравномерное остывание различных частей нагретой заготовки. Обычно остаточные напряжения уравновешены в объеме материала заготовки или детали и внешне ничем не проявляются, пока их равновесие не будет нарушено какими-либо причинами. Такими причинами могут быть удаление с заготовки отдельных слоев материала, тепловые и ударные воздействия на заготовку или деталь и др. Нарушение равновесия приводит к перераспределению остаточных напряжений, что сопровождается деформированием заготовки или детали и потерей точности всех геометрических показателей (формы, относительных поворотов, расстояний и размеров поверхностей). Перераспределение остаточных напряжений – весьма коварный фактор. Оно может проявляться не только в процессе изготовления детали, но продолжаться после того, как деталь будет установлена в машину на сборке, и даже в работающей машине. Поэтому для обеспечения качества машины необходимо всеми возможными путями уменьшать остаточные напряжения в деталях. Основными мероприятиями для решения этой задачи являются следующие: разработка конструктивных форм деталей, отвечающих требованиям равномерного остывания всех ее частей; правильное ведение процессов получения литых и кованых заготовок и особенно их остывания; выделение черновой обработки заготовки в отдельные операции; естественное и искусственное старение заготовок. Интенсивность перераспределения остаточных напряжений значительно возрастает при удалении с заготовки в процессе обработки поверхностных слоев материала. Поэтому после черновой обработки заготовку следует освободить от зажима, чтобы дать ей возможность свободно деформироваться. Это мероприятие уменьшает последующее деформирование заготовки, но не избавляет ее от него полностью. В связи с этим заготовку после черновой обработки подвергают естественному или искусственному старению. При естественном старении заготовки размещают в помещении или на улице и предоставляют им возможность свободно деформироваться под воздействием внешней среды. Продолжительность естественного старения может быть различной и составлять от нескольких месяцев до нескольких лет. Для того чтобы сократить цикл производства, естественное старение можно заменить искусственным. Одним из видов искусственного старения является термообработка. В зависимости от марки материала, конструкции, размеров и массы заготовки старение с помощью термообработки ведут при разных режимах. Однако суть ее остается общей и сводится к постепенному нагреву заготовки до 500–650 °С, выдержке в течение нескольких часов и охлаждению вместе с печью со скоростью 20 °С/ч. |