Обработка конструкционных материалов

1. (121) Опишите состав, назначение, приготовление формовочных и стержневых смесей. Охарактеризуйте элементы литниковой системы, их назначение, разновидности, применение.

2. (151) Опишите явление, происходящие в металле при его нагреве. Какие дефекты возникают или могут возникать в стальной заготовке при ее нагреве перед горячей обработкой давлением? Меры, предупреждающие их возникновение, их устранение.

3. (203) Типы электродов для дуговой сварки конструкционных углеродистых и низколегированных сталей. Условное обозначение электродов.

4. (244) Опишите кратко материалы для изготовления металлорежущих инструментов: углеродистые, легированные, быстрорежущие стали, металлокерамические твердые сплавы, минеральная керамика, алмаз (основные марки, химический состав, область применения).

5. (283) Определите силу Рz при наружном продольном точении стали («сигма"B=750 МПа), при глубине резания t=3 мм и подаче S=18 мм/об; обработка ведется со скоростью 200 мм/мин. Найдите эффективную мощность для выполнения указанного точения.

6 Напишите и поясните формулу для определения скорости резания при точении. Для чего необходимо рассчитывать скорость резания?

1. (121) Опишите состав, назначение, приготовление формовочных и стержневых смесей. Охарактеризуйте элементы литниковой системы, их назначение, разновидности, применение

Разовые литейные формы и стержни изготовляют из материалов, которые называют формовочными. Различают исходные формовочные материалы, формовочные и стержневые смеси, а также вспомогательные формовочные составы.

Исходные формовочные материалы разделяют на основные и вспомогательные.

К основным относят пески, являющиеся огнеупорной основой смесей, и связующие (глины, смолы и т. д.), соединяющие частицы песка между собой. Вспомогательные исходные материалы (различные добавки) предназначены для придания смесям специальных свойств, например повышенной газопроницаемости.

Для получения формовочных и стержневых смесей смешивают различные исходные формовочные материалы, при этом состав смеси и количество входящих в нее компонентов зависят от назначения смеси. Кроме свежих исходных формовочных материалов в состав смеси обычно входит бывшая в употреблении смесь, подвергнутая специальной обработке (например, охлаждению, дроблению, магнитной сепарации, просеиванию, увлажнению).

Вспомогательные формовочные составы (краски, клеи, пасты) предназначены для улучшения качества поверхности форм и стержней, придания ей определенных свойств, для соединения частей стержней.

Качество форм и стержней определяется свойствами формовочных и стержневых смесей, которые должны отвечать определенным требованиям.

Текучесть — это способность смесей перемещаться под действием внешних усилий и заполнять опоки и стержневые ящики.

Пластичность — это свойство смеси деформироваться под действием внешних усилий и сохранять полученную форму после удаления модели или стержневого ящика. Пластичность зависит от состава смеси, например в песчано-глинистых смесях от содержания в них глины и воды.

Прочность — способность смеси в уплотненном состоянии выдерживать не разрушаясь внешние воздействия. Она должна быть достаточной для того, чтобы формы и стержни не разрушались при их изготовлении, транспортировании, сборке и заливке расплавом.

Податливость — способность смеси в уплотненном состоянии деформироваться под действием сжимающих усилий, возникающих в процессе усадки при затвердевании и охлаждении отливок. При недостаточной податливости смеси в отливке могут образоваться трещины.

Газопроницаемость — свойство смеси пропускать газы, выделяющиеся при заливке и охлаждении из расплава, из стержня и самой формы, а также воздух, находящийся в ее полости. При недостаточной газопроницаемости в отливках образуются газовые раковины и поры.

Огнеупорность — способность смеси не размягчаться и не расплавляться под действием теплоты заливаемого в форму расплава.

Термохимическая стойкость — свойство смеси не вступать в физическое и химическое взаимодействие с жидким металлом, его оксидами и газами, выделяющимися в процессе заливки форм. Низкая термохимическая стойкость приводит к образованию трудно отделимого пригара, ухудшающего качество поверхности отливок и затрудняющего их очистку.

Кроме того, смеси должны обладать достаточной живучестью, т. е. сохранять свои свойства после приготовления в течение заданного промежутка времени, малой газотворностью, т. е. не выделять большого количества газов в процессе заливки, выбиваемостью — легко удаляться из отливок после их охлаждения, негигроскопичностью. Третьякова Н. В. Технология конструкционных материалов. М., 2012. — 107 с.: ил.; 21 см.

Литниковая система — это совокупность каналов и элементов литейной формы, предназначенных для подвода расплавленного металла в полость формы, обеспечения ее заполнения и питания отливки при затвердевании. Основными элементами литниковой системы являются литниковая чаша (в кокилях воронка), стояк, шлакоуловитель (в кокилях литниковый ход), питатель, выпор или прибыль (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Элементы литниковой системы:

1 — питатель, 2 — стояк, 3 — литниковый ход, 4 — литниковая воронка, 5 —выпор, 6 — прибыль Литниковая чаша является резервуаром, в который из ковша заливают металл. Она воспринимает удар струи расплава, дает возможность всплыть неметаллическим включениям и предохраняет от попадания в форму воздуха. Литниковую воронку наиболее часто применяют для кокильного литья, она выполняет те же функции, что и чаша, но в отличие от последней не задерживает шлак. Воронку размещают в песчаном стержне или вверху в половинках кокиля с вертикальным или комбинированным разъемом, а также в стенках кокиля преимущественно при литье цветных сплавов.

Стояк соединяет литниковую чашу со шлакоуловителем и служит для подачи расплава в другие элементы литниковой системы. Для предохранения формы от размывания жидким расплавом стояк заканчивается полукруглым углублением, которое называется зумпфом. Стояк выполняют в стержне или кокиле вертикально или наклонно, иногда в кокилях в виде изогнутого канала, особенно при литье цветных сплавов для снижения скорости течения расплава.

Шлакоуловитель предохраняет от попадания в полость формы неметаллических включений расплава (шлак, песчаные частицы и др.). В литниковых системах для литья в кокили вместо шлакоуловителя применяют в основном литниковый ход.

Питатели — это каналы, предназначенные для подвода расплава в полость литейной формы. Питатель выполняют в виде короткого канала, который в поперечном сечении имеет трапецеидальную и реже круглую, овальную или щелевидную форму.

Выпоры служат для вывода из формы пара и газов, определения момента заполнения формы и дополнительного питания отливки металлом. Выпоры делают на самых высоких точках отливки преимущественно со стороны, противоположной подводу металла.

Прибыли предназначаются для дополнительного питания отливки жидким металлом. Располагаются у наиболее массивных частей отливки для компенсации расплава при его затвердевании Гини О. Ч. Специальные технологии литья: М ., 2010, 368 с.

2. (151) Опишите явление, происходящие в металле при его нагреве. Какие дефекты возникают или могут возникать в стальной заготовке при ее нагреве перед горячей обработкой давлением? Меры, предупреждающие их возникновение, их устранение

Целью нагрева металла перед горячей обработкой давлением является снижение его сопротивления деформированию и повышение пластичности.

При нагреве металла до максимально допустимых температур ковки (1100 — 1250' С для сталей различных марок) сопротивление его деформированию снижается в 15 — 20 раз по сравнению с обычным холодным состоянием. Нагрев является важнейшей операцией при обработке давлением, так как от него зависят качество изделий, производительность оборудования и себестоимость продукции. Основные требования к нагреву металла сводятся к обеспечению равномерного прогрева слитка или заготовки по сечению и длине за минимальное время, при наименьшей потере металла на угар (в окалину) и экономном расходе топлива. Несоблюдение установленного режима нагрева по скорости и температурам может привести к ряду дефектов в металле, часть которых является неисправимым браком (пережог, трещины).

Применяют два основных способа нагрева заготовок: пламенный нагрев в печах и электронагрев. При пламенном нагреве тепло от сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива передается нагреваемому металлу тремя путями: конвекцией — от пламени и горячих газов к поверхности заготовок; излучением (лучеиспусканием) — от пламени и раскаленных стенок печи; теплопроводностью — с поверхности заготовок в глубь металла.

Схема передачи тепла металлу в рабочей камере нагревательной печи, работающей на твердом топливе, с полугазовым процессом сжигания, изображена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Схема работы печной установки и передачи тепла металлу

Первичный воздух в количестве 60% от необходимого для полного сжигания топлива подается через колосниковую решетку в нижнюю часть топки. Вследствие неполного сгорания топлива в топочный объем поступает полугаз, содержащий горючие: окись углерода, углеводороды, водород и частицы углерода в виде сажи. Полугаз поднимается вверх, смешивается с вторичным воздухом (остальными 40%) перед входом в рабочую камеру и догорает в ней. В рабочей камере печи горящие газы передают тепло заготовкам, окружающим стенкам и своду, а раскаленные стенки и свод, в свою очередь, также отражают тепловые лучи на лежащие на поду печи заготовки. Теплообмен в печи показан условными обозначениями. При низких температурах (до 600 — 900' С) преобладает теплопередача металлу путем конвекции, а при высоких температурах около 90% всего тепла передается излучением. Нагреву металла до высоких температур сопутствуют тепловое расширение, структурные превращения и рост зерен металла, изменение его механических свойств, окисление и обезуглероживание поверхности заготовок.

Дефектами нагрева являются перегрев и пережог. Нагрев стали при высоких температурах (свыше 1050' С) вызывает быстрое увеличение размеров зерен за счет слияния более мелких зерен в крупные, т. е. перегрев металла. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару и может дать трещины при ковке. Перегрев исправляется термической обработкой.

Пережогом называется явление сквозного окисления металла заготовки при высоких температурах нагрева (близких к линии солидус), сопровождающееся появлением окислов по границам зерен металла и нарушением механической связи между зернами. Пережженая сталь рассыпается на куски под ударами молота. Этот брак неисправим Околович Г. А. Нагрев и нагревательные устройства: Учебное пособие. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. — 172 с.

3. (203) Типы электродов для дуговой сварки конструкционных углеродистых и низколегированных сталей. Условное обозначение электродов

стержневой смесь стальной сварка

Электроды для ручной дуговой сварки изготавливают в виде стержней, выполненных из холоднотянутой калиброванной сварочной проволоки, на которую методом опрессовки под давлением наносят слой защитного покрытия. Роль покрытия заключается в металлургической обработке сварочной ванны, защите ее от атмосферного воздействия и обеспечении более устойчивого горения дуги Лупачёв В. Г. Ручная дуговая сварка. .М, «Высшая школа», 2006, 416 с.

В группу электродов для дуговой сварки конструкционных углеродистых и низколегированных сталей входят электроды, предназначенные для сварки углеродистых сталей, содержащих до 0,25% углерода, и низколегированных сталей с временным сопротивлением разрыву до 590 МПа.

Основными характеристиками электродов являются механические свойства металла шва и сварного соединения: временное сопротивление разрыву (условное обозначение — sв), относительное удлинение (d5), ударная вязкость (aн), угол изгиба.

В условном обозначении типа электрода две стоящие за буквой «Э» (электрод) цифры соответствуют минимальному временному сопротивлению разрыву металла шва или сварного соединения в кгс/мм2.

По этим показателям электроды, классифицируются в ГОСТ 9467–75 на следующие типы: Э38, Э42, Э46 и Э50 — для сварки сталей с временным сопротивлением до 490 МПа; Э42А, Э46А и Э50А — для сварки тех же сталей, когда к металлу шва предъявляются повышенные требования по относительному удлинению и ударной вязкости; Э55 и Э60 — для сварки сталей с временным сопротивлением разрыву свыше 490 МПа и до 590 МПа. Этим же стандартом регламентируется содержание серы и фосфора в наплавленном металле. Типы электродов представлены в таблице 3.1. ГОСТ 9467–75 Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы.

Таблица 3.1

4. (244) Опишите кратко материалы для изготовления металлорежущих инструментов: углеродистые, легированные, быстрорежущие стали, металлокерамические твердые сплавы, минеральная керамика, алмаз (основные марки, химический состав, область применения)

Современные режущие инструменты изготовляются из углеродистых и легированных инструментальных сталей, быстрорежущих инструментальных сталей, твердых сплавов, минералокерамики, алмазов, абразивных материалов.

Углеродистые и легированные инструментальные стали обладают высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, но эти свойства сохраняются лишь при нагреве до невысоких температур (не свыше 200—300° С). Поэтому такие материалы применяют для резания сравнительно мягких, малопрочных материалов и обрабатывают с невысокой скоростью резания.

Для получения высокой твердости инструментальные стали имеют повышенное содержание углерода: от 0,7 до 1,4%. Они содержат также сравнительно небольшое количество других элементов, которые называют легирующими.

Введение

в сталь легирующих элементов придает стали специальные свойства. В настоящее время в качестве легирующих элементов используются хром, кобальт, никель, молибден, титан, вольфрам, бор, азот, алюминий, ванадий, цирконий, ниобий и др. В инструментальных сталях количество легирующих элементов сравнительно невелико, обычно до 3−4%. В производстве режущих инструментов из инструментальных легированных сталей наибольшее применение находят две стали: хромокремнистая 9ХС и хромовольфрамомарганцовистая ХВГ.

Если процент легирующих элементов в стали увеличить: вольфрама до 8,5—19%, хрома до 3,8—4,6%, а также ввести молибден и ванадий, то можно повысить теплостойкость до 600° С без существенного снижения стойкости. Такие стали называют быстрорежущими.

По сравнению с инструментами из углеродистой стали инструменты из быстрорежущей стали допускают более высокую скорость резания при одинаковой стойкости. Основной маркой быстрорежущей стали является Р18, которая содержит 17,5−19,0% W, 3,8−4,4% Сг, 0,7−0,8%С и 1,0−1,4%V.

Из этой стали изготовляют большинство режущих инструментов, так как в закаленном состоянии она обладает стабильными высокими режущими свойствами и весьма повышенной износостойкостью. Инструменты из стали Р18 хорошо переносят ударные нагрузки при работе и их легко можно перетачивать по мере затупления и износа.

Многие инструменты делают составными: рабочая часть (принимающая непосредственное участие в резании) выполняется из быстрорежущей стали, а нерабочая (корпус, хвостовая часть и т. д.) — из менее дорогой — конструкционной стали.

Инструменты с низкой твердостью очень быстро изнашиваются и становятся неприспособленными для работы, так как теряют свою форму и размеры. С повышением твердости шлифуемость стали при изготовлении и при переточках ухудшается. Однако чрезмерное повышение твердости может вызывать преждевременное выкрашивание режущих кромок и быть причиной поломки инструмента.

В настоящее время для производства режущих инструментов очень широко используются твердые сплавы. Эти инструментальные материалы содержат чрезвычайно твердые и тугоплавкие металлоподобные вещества, называемые карбидами, нитридами, боридами и силицидами. Они представляют собой соединения углерода, азота, бора, кремния с металлами — вольфрамом, титаном, танталом, ниобием, молибденом. Температура плавления карбидов очень высокая в пределах 2000;3800° С, а по твердости они приближаются к самому твердому веществу — алмазу.

Твердые сплавы изготовляются по особому технологическому процессу, называемому порошковой металлургией. Порошки карбидов смешиваются с порошками некоторых металлов, из них формируются и прессуются изделия или пластинки, которые затем подвергаются термической обработке — спеканию при температуре ниже температуры плавления исходных материалов.

Такой процесс позволяет получать инструменты и детали сложной формы, с особой структурой. Обычно это очень мелкозернистые соединения частиц карбидов размером 0,5−10 мкм, соединенных цементирующей средой. Цементирующим металлом в твердых сплавах обычно является кобальт.

Твердые сплавы стремятся заменить более дешевыми минералокерамическими материалами, которые получают из глинозема (окиси алюминия А1203). Инструментальные минералокерамические материалы (например, керамика марки ЦМ-332) имеют достаточную прочность, высокую твердость (HRA 89−95) и повышенную теплостойкость (до 1100−1200° С). Их высокая износостойкость позволяет производить резание с очень высокими скоростями при весьма малом износе инструмента.

Однако минералокерамика обладает низкой ударной вязкостью, малой пластичностью и большой хрупкостью, поэтому применение минералокерамики в настоящее время ограничивается только операциями чистовой и получистовой обработки с равномерным припуском и на станках достаточно высокой жесткости.

Твердость алмаза является наиболее высокой из всех твердых тел, а его износостойкость при обработке некоторых материалов в сотни и тысячи раз превосходит износостойкость обычных абразивных материалов и твердых сплавов. Алмазы могут использоваться в виде однокристального и многокристального инструмента. Для однокристального инструмента применяются природные алмазы, а для многокристального могут использоваться синтетические и природные алмазы.

Алмаз — самый твердый материал, имеет высокую красностойкость и износостойкость, у него практически отсутствует адгезия со многими материалами. Алмазы используют для изготовления алмазных инструментов (круги, пилы, бруски, ленты) и доводочных порошков.

В промышленности используют природные и синтетические алмазы марок AGO, AGP, АСР, АСВ, АСК, АСС, ACM, ACH, АСПК и др.

Резцы затачивают кругами из синтетических алмазов марки АС080 / 63Б1. Доводку производят алмазными кругами марки АСМЗ / 2Б1 100% или пастами АП28 — АП17.

Алмаз — это кристаллическая форма углерода С. Он не всегда бывает чистым, часто в его составе обнаруживаются примеси, например оксид железа. Однако примесей, чаще всего, не бывает больше 5%. Именно из-за наличия в химическом составе алмаза примесей окиси железа некоторые камни имеют желтоватый оттенок. Стоимость таких «нечистых» алмазов ниже, чем у алмазов чистой воды.

Современные способы получения алмазов используют газовую среду, состоящую из 95% водорода и 5% углеродсодержащего газа (пропана, ацетилена), а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз (CVD). Температура газа от 700—850°C при давлении в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии синтеза, скорость роста алмазов от 7 до 180 мкм/час на подложке. При этом алмаз осаждается на подложке из металла или керамики при условиях, которые в общем стабилизируют не алмазную (sp3), а графитную (sp2) форму углерода. Стабилизация алмаза объясняется в первую очередь кинематическими процессами на поверхности подложки. Принципиальным условием для осаждения алмаза является возможности подложки образовывать стабильные карбиды (в том числе и при температурах осаждения алмаза: между 700 °C и 900°C). Так, например, осаждение алмаза возможно на подложках из Si, W, Cr и не возможно (напрямую, либо только с промежуточными слоями) на подложках из Fe, Co, Ni.

5. (283) Определите силу Рz при наружном продольном точении стали («сигма"B=750 МПа), при глубине резания t=3 мм и подаче S=18 мм/об; обработка ведется со скоростью 200 мм/мин. Найдите эффективную мощность для выполнения указанного точения

Силу резания принято раскладывать на составляющие силы, направленные по осям координат станка — тангенциальную Pz, радиальную Py и осевую Px Белецкий Д. Г., Моисеев В. Г., Шеметов М. Г. Справочник токаря-универсала. — М.: Машиностроение, 1987.

При наружном, продольном и поперечном точении, растачивании, эти составляющие рассчитывают по формуле 5.1:

Pz (Py, Px)=10CpЧt^xЧS^yЧVⁿЧkp (5.1)

где Cp — коэффициент, учитывающий условия обработки;

x, y, n — показатели степени;

t — глубина резания, мм;

S — подача, мм/об;

V — скорость резания, м/мин;

kp — обобщенный поправочный коэффициент, учитывающий изменение условий по отношению к табличным.

В зависимости от обрабатываемого материала (ув=750 МПа), материала рабочей части резца (принимаем твердый сплав Т15К6) и вида обработки (наружное, продольное), выбираем для тангенциальной составляющей:

Cp=300; x=1; y=0,75; n=-0,15 Осипов К. А., Нефедов Н. А. Сборник задач и примеров по резанию металлов и режущему инструменту. — М.: Машиностроение, 1990. — 448с.

Поправочный коэффициент kp представляет собой произведение ряда коэффициентов, учитывающих фактические условия резания (формула 5.2):

kv=kmpЧkцpЧkvpЧkлp (5.2),

где kmp — поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости:

n — показатель степени, для твердого сплава равный 0,75;

kцp, kvp, kлp — поправочные коэффициенты, учитывающие влияние геометрических параметров режущей части инструмента на составляющие силы резания при обработке стали.

Для режущей части инструмента из твердого сплава:

kцp=1,0; kvp =1,25; kлp = 1,0.

Следовательно получим: kp=1,25.

Имея все данные, рассчитываем силы резания:

Pz =3000*3*(18⁰, 75)*200^(-0,15)= 35 525,68 Н.

Эффективную мощность резания рассчитываем по формуле 5.3:

(5.3).

116,1кВт

6 Напишите и поясните формулу для определения скорости резания при точении. Для чего необходимо рассчитывать скорость резания?

Процесс резания характеризуется определенным режимом. К элементам режима резания относятся глубина резания, подача и скорость резания.

Скорость резания V — путь, пройденный наиболее отдаленной от оси вращения точкой поверхности резания относительно режущей кромки резца за единицу времени (м мин). Скорость резания зависит от частоты вращения и диаметра обрабатываемой заготовки. Чем больше диаметр D заготовки, тем больше скорость резания при одной и той же частоте вращения, так как за один оборот заготовки (или за одну минуту) путь, пройденный точкой 4 на поверхности резания (рис. 6.1), будет больше пути, пройденного точкой Б (рD>рd) Байкалова В. Н. Расчёт режимов резания при точении, изд. МГАУ им. В. П. Горячкина., 2000. .

Рис. 6.1. Данные для определения скорости резания при точении Величину скорости резания можно определить по формуле 6.1:

м/мин (6.1)

где р = 3,14;

D — наибольший диаметр по­верхности резания, мм;

n — частота вращения заготовки (число оборотов в минуту).

Если известна скорость резания, допускаемая режущими свойствами инструмента v и диаметр заготовки D, можно определить требуемую частоту вращения заготовки и настроить на частоту шпинделя (формула 6.2):

n=1000v/рD об/мин (6.2).

Выбор оптимального значения скорости резания производится по справочникам с помощью специальных нормативных таблиц в зависимости от свойств обрабатываемого материала, конструкции и материала инструмента после того, как уже выбрана глубина резания и величина подачи.

Величина скорости резания влияет на износ инструмента. Чем выше скорость резания, тем больше износ. Скорость резания выбирается такой, чтобы оптимальный износ наступал через определенное время и стойкость инструмента находилась в определенных пределах Данилевский В. В. Справочник молодого машиностроителя, изд. З. М., «Высшая школа», 1973, 648 с. с ил.

1. Байкалова В. Н. Расчёт режимов резания при точении, изд. МГАУ им. В. П. Горячкина., 2000.

2. Белецкий Д. Г., Моисеев В. Г., Шеметов М. Г. Справочник токаря-универсала. — М.: Машиностроение, 1987.

3. Гини О. Ч. Специальные технологии литья: М ., 2010, 368 с.

4. Данилевский В. В. Справочник молодого машиностроителя, изд. З. М., «Высшая школа», 1973, 648 с. с ил.

5. Лупачёв В. Г. Ручная дуговая сварка. .М, «Высшая школа», 2006, 416 с.

6. Околович Г. А. Нагрев и нагревательные устройства: Учебное пособие. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. — 172 с.

7. Осипов К. А., Нефедов Н. А. Сборник задач и примеров по резанию металлов и режущему инструменту. — М.: Машиностроение, 1990. — 448с.

8. Третьякова Н. В. Технология конструкционных материалов. М., 2012. — 107 с.: ил.; 21 см.

9. ГОСТ 9467–75 Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы.