Технология изготовления деталей конструкционного назначения
Технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них, а также из композиций металлов с неметаллами. В обычной металлургии металлические изделия получают, обрабатывая металлы такими методами, как литье, ковка, штампование и прессование. В порошковой же металлургии изделия производят из порошков с размерами частиц от 0,1 мкм до 0,5 мм путем формования холодным прессованием и последующей высокотемпературной обработки (спекания). Порошковая металлургия экономична в отношении материалов и, как и традиционные методы металлообработки, позволяет получать детали с нужными механическими, электрическими и магнитными свойствами. Продукция порошковой металлургии используется в различных отраслях промышленности, в том числе в авиакосмической, электронной и на транспорте. Методы порошковой металлургии начали разрабатываться в 20 в. для металлов, не допускающих обработки обычными методами. Так, например, вольфрам невозможно плавить и обрабатывать обычными методами литья, поскольку очень высока его температура плавления (3410° C). Поэтому, например, вольфрамовую нить для электрических ламп накаливания вытягивают из вольфрамовых штапиков, полученных прессованием и спеканием вольфрамового порошка. Порошки карбидов вольфрама, тантала и титана смешиваются с порошкообразными кобальтом и никелем, затем формуются холодным прессованием и спекаются. В результате получаются твердые металлокерамические материалы (цементированные карбиды), пригодные для обработки металлов резанием и для бурения горных пород. Самосмазывающиеся бронзовые подшипники могут быть изготовлены только методами порошковой металлургии. Поры бронзы заполняются смазочным маслом, которое поступает на рабочую поверхность подшипника под действием капиллярных сил, как по фитилю. Промышленными методами порошковой металлургии обрабатываются также железо, сталь, олово, медь, алюминий, никель, тантал, сплавы бронзы и латуни. Технология Металлические порошки получают восстановлением металлов из их окислов или солей, электролитическим осаждением, распылением струи расплавленного металла, термической диссоциацией и механическим дроблением. Наиболее распространен способ восстановления металлов (железа, меди или вольфрама) из соответствующих окислов с последующим электрорафинированием. Механическим дроблением получают порошки (с частицами нужной крупности и формы) хрома, марганца, железа и бериллия.
Технологический процесс изготовления изделий из металлических порошков состоит из следующих операций: подготовка смеси для формования, формование заготовок или изделий и их спекание. Формование заготовок или изделий осуществляется путем холодного прессования под большим давлением (30–1000 МПа) в металлических формах. Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре, составляющей 70–90% температуры плавления металла. В смесях максимальная когезия достигается вблизи температуры плавления основного компонента, а в цементированных карбидах – вблизи температуры плавления связующего. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Применение Круг изделий, изготавливаемых методами порошковой металлургии, весьма широк и непрерывно расширяется. К ним относятся зубчатые колеса, рычаги, кулачки и поршни для автомобилестроения, машиностроения, энергетики, промышленности средств связи, строительной, горнодобывающей и авиакосмической промышленности. Из ленты, полученной холодной прокаткой никелевого порошка, изготавливают монеты (например, канадский пятицентовик). Порошок железа используется в качестве носителя для тонера в ксероксах. Алюминиевый порошок служит компонентом ячеистого бетона, красок и пигментов, твердого ракетного топлива. Методы обработки металлов давлением Благодаря пластичности металлов, проявляющейся при деформации в холодном или горячем состоянии, можно изменять форму исходной заготовки, полученной, естественно, каким либо другим методом. Возможность обработки металлов давлением во многом определяет их широкое применение. Это технологическое свойство настолько существенно, что когда-то даже было основой определения металла (Металл - это светлое тело, которое можно ковать). При пластической деформации металла происходит смещение атомных слоев друг относительно друга внутри кристаллов и смещение кристаллов относительно друг друга. Важной особенностью этого вида деформации является отсутствие разрушения. Конечно разные металлы и их сплавы обладают различной способностью деформироваться без разрушения. Пластичность металлов оценивается величиной относительного удлинения стандартного образца при разрыве. Эта величина у пластичных металлов колеблется от 10 до 50 %. В настоящее время разработаны сверхпластичные сплавы, относительное удлинение которых при разрыве может достигать сотен процентов. К сплавам, обладающим высокой пластичностью, которые могут обрабатываться методами давления относятся: низкоуглеродистые ста- ли, сплавы алюминия, меди (латуни), многие легированные стали. Пластичность металлов существенно увеличивается при их нагреве, поэтому обработку давлением в основном производят в "горячем" состоянии. При нагреве кроме того существенно снижается прочность металлов, поэтому усилия для их деформирования значительно ниже, что позволяет применять более простое оборудование и инструмент. Наиболее распространенными технологическими методами обработки металлов давлением являются: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Прокатка Более 80% производимой стали и около 50% цветных металлов перерабатывается прокаткой. Таким способом получают длинные заготовки определенного профиля - сортамент. Эти изделия служат заготовками для производства различных деталей машин или имеют собственное применение - трубы, рельсы, профили для строительных конструкций. Прокаткой получают листовой материал, который после дальнейшей обработки применяется для производства корпусов судов, машин, самолетов и т.д. Оборудование - прокатные станы. Станы для производства заготовок для последующего получения сортамента называются блюминги, а для производства заготовок под последующий листовой прокат - слябинги. В качестве заготовок на этих станах используются слитки. Естественно, что для снижения расхода энергии рационально прокатывать слитки в горячем состоянии, после разливки металла и его затвердевании. Поэтому такие станы обычно устанавливаются на металлургических комбинатах, производящих (варящих) сплав (сталь). Возможна прокатка только пластичных металлов в горячем или холодном состоянии (фольга является продуктом прокатки чистого алюминия в холодном состоянии). Форма может быть достаточно сложной, но существуют существенные ограничения, связанные с условиями прохода металла через прокатные валки. Трудно получить поверхности перпендикулярные осям прокатных валков, поэтому необходимо предусматривать специальный наклон таких стенок. Трудно или иногда невозможно получать профили сортамента с закрытыми, замкнутыми поверхностями. Диапазон размеров (толщин) прокатываемого металла довольно широк. От толстолистового проката (>200мм) до фольги толщиной до 0,001мм. 4.Точность. Если при прокатке в горячем состоянии точность составляет десятые доли мм, что соответствует 12-14 квалитетам точности, то при прокатке без нагрева точность может быть существенно выше и при прокатке фольги достигает тысячных долей миллиметра. Также зависит от наличия нагрева и при горячей прокатке шероховатость существенно выше (до Rz 320), при холодной же прокатке (фольга) может быть получена весьма низкая шероховатость (менее Ra0,63). Прессование Прессованием называется процесс выдавливания металла из замкнутой полости (контейнера) через профильное отверстие матрицы. Оборудование. Горизонтальные и вертикальные гидравлические прессы с усилием 300-25000 тонн. Матрицы, пуансоны для прессования изготавливают из особопрочных сталей и сплавов, так как давления при прессовании весьма велики. Поэтому таким методом получают в основном изделия из алюминиевых и медных сплавов. Форма получаемого профиля может быть весьма сложной, этот метод обеспечивает получение наиболее сложных профилей, таких как оребренные трубы для теплообменных аппаратов, строительные профили (профили рам из легких сплавов). Точность и качество поверхности получаемых профилей также весьма высоки, так как практически определяются качеством матрицы, точность и шероховатость поверхностей которой может быть достигнута в процессе изготовления. Конечно в процессе работы матрица изнашивается, что ухудшает вышеуказанные параметры изделия. Волочение Процесс обжатия металла заготовки при протаскивании ее через волоку - инструмент с отверстием, сечение которого меньше исходного сечения заготовки. В результате процесса поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается. Волочение применяется без нагрева заготовки для получения тонкой проволоки (от 0,002мм до 4мм). За один цикл обжатия в волоке нельзя значительно уменьшить сечение заготовки, так как усилие может быть приложено только к выходящему из волоки концу заготовки и, при чрезмерном усилии, проволока может просто порваться. Волочением можно также калибровать (с целью повышения точности) прутки различного профиля, тонкостенные трубы и т.д. Оборудованием являются специальные волочильные станы, на которых за один цикл проволока может получать несколько обжатий. Заготовками для волочения является продукция прокатного производства (проволока "катанка" диаметром 6мм). Волочением получают всю проволоку для электротехнической и электронной промышленности, стальную проволоку для машиностроения, строительства и т.д. Точность профиля достигает 6 квалитета, а шероховатость поверхности может быть обеспечена менее 0,32мкм. Волоки, работающие в чрезвычайно напряженном режиме и подвергающиеся интенсивному истиранию, выполняются из сверхтвердых металлокерамических сплавов и кристаллов (алмаз). Ковка Ковкой называется процесс горячей обработки металлов давлением, при котором на заготовку воздействуют ударами кувалды, бойка молота, нажатием бойка пресса или другим универсальным инструментом. Исходная заготовка при ковке - слиток или отрезок проката. Ручная ковка в настоящее время применяется в ремонтных работах и художественной обработке металла. Машинная ковка осуществляется на кузнечно-прессовых машинах: ковочных молотах с массой падающих частей от 0,5 до 16т, ковочных прессах с усилием от 500 до 100000т. Технологические возможности Материал заготовки. В основном производятся стальные поковки, которые куются при температуре 900-1300°С. Хотя ограничено производятся поковки из цветных материалов. Свойства материала при ковке значительно улучшаются, так как происходит дробление кристаллов металла, выравнивание химического состава, может быть создана целесообразно направленная мелкокристаллическая структура металла. Поэтому в ряде случаев ковку применяют при изготовлении заготовок ответственных деталей машин (валов, роторов турбин, стволов пушек...). Форма получаемых в промышленности изделий обычно весьма проста, хотя в художественной ковке форма ограничена только фантазией художника. Размеры заготовок могут быть очень велики. Например, поковка гребного вала корабля, ротора крупной турбины. Масса поковок может составлять десятки тонн. Конечно невозможно было бы пластически деформировать такую огромную заготовку всю целиком из-за отсутствия соответствующего оборудования, но при ковке возможна местная пластическая деформация заготовки и, естественно, крупногабаритные поковки проковывают последовательно по участкам. Точность поковок соответствует 14 квалитету и грубее, а шероховатость поверхности обычно весьма высока (> 300мкм), поэтому поковки обрабатываются резанием и другими методами при получении из них деталей машин. Применение при ковке универсального инструмента значительно удешевляет подготовку производства, поэтому ковка применяется в индивидуальном и мелкосерийном производстве.
Горячая объемная штамповка При этой обработке металл заготовки деформируется во всем объеме, причем течение его ограничивается полостью штампа. При этом форма получаемого изделия соответствует форме штампа. Естественно, что по сравнению со свободной ковкой процесс значительно более производителен, но требует изготовления специальной оснастки штампов. Поэтому в основном применяется в серийном и массовом производстве. Деформация всего обьема заготовки требует, несмотря на ее нагрев, значительных усилий, действующих на штамп, поэтому габариты (масса) заготовок обычно ограничена (менее 250кг). Материал при высоких степенях пластической деформации также как и при ковке уплотняется, измельчается зерно, что приводит к улучшению механических свойств изделия. Поэтому процесс применяется при производстве заготовок весьма ответственных изделий: валов, зубчатых колес, турбинных лопаток и т.д. Точность получаемых заготовок также значительно выше, чем при ковке и достигает 12 квалитета. Шероховатость же поверхности, из-за наличия окалины на поверхности нагретой заготовки высока (100 - 500мкм). Обьемная штамповка иногда проводится в холодном состоянии и в этом случае точность и шероховатость могут быть значительно улучшены. Однако трудно обеспечить большую степень пластической деформации заготовки и инструмент (штамп) быстро изнашивается. Листовая штамповка Листовой штамповкой называется процесс деформации листовой заготовки на прессе с помощью штампа. При штамповке вырубке происходит срез материала между краями сложноконтурного пуансона и эквидистантной к нему по контуру матрицей. Пуансон и матрица выполняются из материалов значительно более твердых, чем материал заготовки (закаленная сталь, металлокерамический твердый сплав). Обычно тонколистовой материал (< 10мм) вырубают без подогрева заготовки, при большей же толщине требуется подогрев. Таким образом производятся заготовки сложного контура из пластичных металлов. Размеры заготовок определяются размерами штампов и обычно не превышают 1м. Точность определяется точностью изготовления матрицы и может достигать 6-7 квалитетов. Шероховатость же поверхности среза в зоне разрушения материала высока, но может быть уменьшена с помощью специальных приемов (чистовая штамповка вырубка). Штамповка вырубка широко применяется в машиностроении, радиоэлектронной промышленности, аэрокосмической промышленности. Штамповка вытяжка позволяет создавать из плоского листа объемные детали за счет значительной пластической деформации, при которой происходит не только гибка, но и вытяжка материала со значительным изменением его толщины. Поэтому такой метод обработки позволяет обрабатывать только особо пластичные материалы (малоуглеродистая сталь).
|
