Технологические основы машиностроения (лекции)

Технологические основы машиностроения (лекции)

Структура: линейная, разветвленная.

Реактопласты – при повышении температуры переходят в вязкотекучее состояние, с увеличением продолжительности действия повыш.температур – в твердое состояние.

Структура – пространственная.

Свойства: высокая твердость и термостойкость.

Состав пластмасс – простые (только из одного полимера) и сложные (входят наполнители, пластификаторы, отвердители , красители). Наполнители – необходимы для удешевления и придания пластмассам определенных физико-механических свойств. (Асбест – теплостойкость + фрикционные свойства; графит - износостойкость). Пластификаторы – для повышения эластичности и пластичности при переработке пластмасс в изделия и увеличения их морозостойкости.

Выполняют роль смазывающих веществ.

Связующие вещества – роль таких веществ выполняют полимеры/смесь полимеров, содержание которых в сложных пластмассах – 30-70%. Полимеры: природные (природные смолы, целлюлоза, белки), синтетические (эпоксидные смолы, полиамиды ). 9. Основные способы переработки: - Прямое (компрессионное) прессование – материал загружается в оформляющуюся полость пресс-формы, где происходит его формирование под давлением и отвердение при повышенной температуре. - Литьевое – материал загружается в камеру, доводится до вязкотекучего состояния, затем выдавливается в оформленную полость пресс-формы. - Литьё под давлением – исходный материал в виде гранул, порошка поступает в рабочий цилиндр изделия, там нагревается и выдавливается в пресс-форму. - Центробежное литье – для изготовления изделий, имеющих форму тел вращения. Темп.литьевой формы на 20-30 градусов выше, чем температура плавления. Форму вращают со скоростью 600-1800 оборотов. - Экструзия (выдавливание) – непрерывный процесс получения изделий путём продавливания полимерных материалов через фильеру соответствующего сечения. - Каландрование – процесс изготовления листов или ленты путём пропускания размягченного термопластичного материала через зазор между несколькими параллельными валками. - Термоформирование – изготовление полных объемных изделий из листовых термопластичных материалов. 2. Свойства конструкционных материалов Механические свойства материалов – характеристики, определяющие поведение материала под действием приложенных внешних сил. Они являются главными, так как они определяют служебные свойства материалов. Их показатели – прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость.

Деформация – напряжение, приложенное к твёрдому телу; изменение размеров и формы тела под действием внешних в внутренних сил.

Деформация, исчезающая после прекращения действия силы – упругая, а остающаяся в теле – остаточная (пластическая). Ползучесть – способность материала непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной силы.

Прочность материала – способность материала сопротивляться деформации и разрушению.

Физический предел текучести – наименьшее напряжение, при котором образец пластически деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.

Временное сопротивление разрыву – напряжение, отвечающее большей нагрузке, предшествующее разрушению образца.

Твердость материала – сопротивление проникновению в него другого более твердого тела, не испытывающего при этом остаточных деформаций.

Методы определения: по Бриннелю ( HB – вдавливание стального шарика в металлическую пластину), Роквеллу ( HRC , HRB , HRA ), Виккерсу (вдавливание алмазного конуса в пластину, измерение диагонали отпечатка). Пластичность – способность материалов пластически деформироваться под действием внешних сил без разрушения.

Хрупкость – отсутствие или малое значение пластичности.

Относительное удлинение – отношение в процентах приращения расчётной длины образца после разрыва к его первоначальной длине.

Относительное сужение – отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва к его первоначальной площади.

Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза.

Физические свойства материала – характеристики, определяющие поведение материала под действием приложенных внешних сил.

Физические испытания могут выполняться в условиях динамического или статистического нагружения , а так же при переменных нагрузках.

Химические свойства.

Химическая стойкость – способность материала сопротивляться действию внешних агрессивных сред.

Химическая активность – способность материала взаимодействовать с внешними средами.

Технологические свойства – способность материала поддаваться тем или иным видам обработки.

Деформируемость – способность материала деформироваться без разрушения.

Свариваемость - способность материала обрабатывать различными материалами резания.

Эксплуатационные – определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы машины (жаростойкость, хладостойкость ). 3. Порошковая металлургия Порошковая металлургия: характеристика и возможности метода. ПМ – область техники, охватывающая производство металлических порошков и изделий из них. ПМ изготавливает алмазно-металлические материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами.

Изделия, получаемые методом ПМ Типовая технологическая схема получения изделий методом порошковой металлургии - - - - Способы получения металлических порошков Основные способы формообразования изделий: прокатка (пропускание через валки материал; получаем полосы и ленты), выдавливание (формование металлического порошка с пластификатором путём продавливания через отверстие материала; получаем трубы, профили), прессование (наиболее распространённый способ: горячее, изостатическое, гидростатическое, газостатическое). Спекание - для придания изделиям необходимой прочности и твердости. Его производят в инертной среде для уменьшения окисления металлических порошков. 4. Металлургия Исходные материалы доменного производства К ним относятся – железные и марганцевые руды, топливо и флюсы.

Железные руды – красный, бурый, магнитный, шпатовый железняк.

Марганцевые руды – содержат марганец в виде различных оксидов, применяются при выплавке чугуна, ферромарганца. Флюсы – необходимы для удаления из печи тугоплавкой пустой породы и золы топлива (в качестве флюсов используют доломитизированный известняк). Топливо служит не только для получения необходимых температур, но так же участвует в химических процессах восстановления металлов при плавке.

Основное топливо – КОКС – получают путём спекания коксующихся сортов угля без доступа воздуха в спец.коксовых батареях.

Продукты доменного производства и их применение Основные и побочные.

Основные: а) доменные чугуны ( передельные 80-85% – для передела в сталь, литейные – для производства отливок на машиностроительных заводах), б) ферросплавы (зеркальный чугун 20-25% Mn , ферромарганцы - до 75% Mn , ферросилиций). Побочные: а) Шлаки, б) доменный газ (используется в качестве топлива в воздухонагревателях). Устройство доменной печи - вертикальная печь шахтного типа, имеющая наружный металлический кожух, выложенный внутри ( футурованный ) огнеупорными материалами.

Состоит из: верхней части – колошника (в нём устройство для загрузки шихты и трубы для отвода доменного газа), шахты (в ней начинаются процессы восстановления железа и его науглероживание), распара (плавление пустой породы с образованием шлаков), заплечика (заканчивается процесс восстановления железа). Основной характеристикой домны является её объем – от оси чугунной лётки до верхнего уровня засыпки материалов. Домна работает по принципу противотока.

Каждая печь имеет 3-4 воздухонагревателя, работающих попеременно (состоит из: камеры сгорания и насадки) Основные технико-экономические показатели работы доменной печи 1) 2) Чугун – сплав железа с углеродом.

Содержание углерода: С>2,14%. В чёрной металлургии является первичным продуктом металлургического производства, получаемым из железных руд. Сталь - сплав железа с углеродом.

Содержание углерода: С Сущность передела чугуна в сталь: сталь содержит углерод и имеет меньше посторооних примесей, чем чугун.

Следовательно, сущностью любого металлургического передела чугун а в сталь является снижение содержания этих примесей путём из избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Для ускорения окисления примесей в печь добавляют окалину или ведут продувку кислородом. В начале плавки окисляется кремний, марганец, фосфор, а углерод окисляется с поглощением тепла в середине и конце плавки.

Производство стали в конвертерах - процесс выплавки стали из жидкого передельного чугуна с добавлением скрапа в конвертере с продувкой кислородом сверху.

Конвертер наклоняют, заливают жидкий чугун при t 1300-1400 градусов.

Устройство и принцип действия конвертера Конвертер имеет металлический кожух, выложенный внутри огнеупорными материалами.

Емкость конвертера – от 10 до 400 тонн. Имеет лётку (выпуск стали) и горловину (для заливки чугуна, загрузки скрапа, ввода фурмы и слива шлака), поворачивается вокруг своей оси.

Конвертер наклоняют и через горловину загружают скрап. Затем из ковшей заливают жидкий чугун. После конвертер поворачивают в рабочее положение ,вводят фурму и продувают кислородом.

Одновременно загружают шлакообразующие (плавиковый шпат, известь, железную руду, бокситы). Струи кислорода перемешивают металл со шлаком.

Подачу кислорода прекращают, когда содержание углерода в стали достигнет заданного. Фурму выводят из конвертера, его наклоняют и через лётку выпускают сталь. Затем конвертер направляют в противоположную сторону и через горловину сливают шлак. Плюс: высокая производительность (400-500 тонн стали в час). Минус: выплавляет только углеродистые и низколегированные стали.

Производство стали в Мортыновских печах Состоит из пода, свода, передней стенки с рабочими окнами для загрузки шихты, задней стенки с лёткой для выпуска стали. К устройству с обеих сторон примыкают головки с каналами для подачи топлива (мазут, смесь природного, доменного, коксового газов) и нагретого воздуха.

Каждая головка сообщается с одним/двумя регенераторами. В этих печах меньший угар элементов, что позволяет выплавить углеродистые конструкционные и инструментальные стали.

Плавка в печах ведётся двумя способами: 1) Скрап-процесс - шихта содержит до 75% скрапа – остальное твёрдый передельный чугун, применяется при отсутствии доменного производства; 2) Скрап-рудный процесс – до 75% жидкого передельного чугуна, остальное – скрап + железная руда.

Производство стали в электродуговых печах Способы плавки – с полным окислением примесей (шихта-до 90% скрап, остальное – твердый чугун), без окисления (сводится к переплаву близких по составу сталей). Устройство и принцип действия дуговой электропечи Емкость – от 5 до 400 тонн.

Состоит из пода, свода, передней стенки (желоб для выпуска готовой стали), и задней стенки.

Расплав и нагрев металла осуществляется тремя мощными электродугами, горящими между тремя графитированными электродугами и шихтой.

Электроды установлены в своде и могут перемещаться вверх-вниз для поддержания постоянной длины дуги.

Напряжение – 600-800вольт, сила тока – 1-10килоампер, расход энергии – 500-800кВт/тонна, длительность плавки – 3-6 часов.

Производство стали в индукционных печах Ток, проходящий по индуктору, вызывает в металле в тигле токи Фуко, приводящие к расплавлению шихты.

Электромагнитное поле индуктора вызывает интенсивное перемешивание металла.

Длительность плавки: 30мин-2 часа. Плюсы: отсутствие высокотемпературных дуг уменьшает угар металла. Малые габариты печей позволяют помещать их в вакуумные камеры (где улучшается качество стали). Устройство и принцип работы индукционной печи Емкость – 60кг – 60 тонн.

Предназначен для выплавки особо высококачественной и специальной стали.

Состоит из тигля (выполнен из огнеупорных материалов, вокруг которого размещён спиральный многовитковый индуктор). Индуктор подключается к генератору.

Индукционный печи бывают: высокочастотные, повышенной частоты, промышленной частоты.

Способы разливки стали Выбор способа разливки стали зависит от массы, марки стали и др. Из печи сталь выпускают в хорошо прогретый сталеразливочный ковш, который в днище имеет отверстие, закрываемое стопорным механизмом.

Емкость ковшей – 5-480 тонн. Из ковша сталь разливают в изложницы или установки непрерывной разливки стали.

Способы разливки стали в изложницы Сверху – возможность получения слитков любой массы, простое оборудование, низкая себестоимость разливки.

Низкая производительность.

Поверхность слитка неровная из-за разбрызгивания металла. Снизу – сифонная – Из ковша металл поступает в центральный летник, а из него по каналам – в изложницы.

Одновременно можно заливать от 2 до 60 изложниц, но массой до 20 тонн.

Непрерывная разливка стали Сталь из ковша заливают в промежуточное устройство, а из него в охлаждаемый водой кристаллизатор. Перед началом заливки в кристаллизатор вводят стальное дно – затравку – со штангой.

Первые порции стали кристаллизуются на стенках изложницы и на затравке, которая с помощью штанги и валков вытягивается из кристаллизатора, извлекая за собой слиток.

Окончательное затвердевание стали в сердцевине слитка происходит за счёт охлаждения водой из брызгал. В нижней части установки непрерывный слиток разрезается газовым резаком на заготовки мерной длины.

Способы улучшения качества стального слитка 1) 2) 3) включений.

Спокойная сталь: строение слитка, преимущества Стали раскислены в печи, ковше полностью.

Структура слитка имеет 3 зоны кристаллизации: наружная (состоит из мелких различно ориентированных кристаллов, образуется за счёт большой скорости охлаждения при соприкосновении металла с холодными стенками изложницы), зона столбчатых кристаллов (растут перпендикулярно стенкам изложницы, которые являются наименьшим путём для отвода тепла), зона крупных равноосных кристаллов. У этого типа стали образуется усадочная раковина, которую перед прокаткой срезают.

Кипящая сталь: её преимущества и недостатки Сталь раскислена в печи не полностью. Её раскисление продолжается в изложнице. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывают кипение стали. При прокатке эти пузырьки завариваются. Из этой стали изготавливают слитки малоуглеродистой стали с низким содержанием магния и кремния, хорошо штампуется и сваривается. 5. Литейное производство Сущность литейного производства, его преимущества Технологический процесс получения заготовок или деталей путём заливки расплавленного металла в литейную форму. Литьём получают детали как простой, так и сложной формы, которые другим способом получить невозможно. Масса – от нескольких грамм до сотен тонн из разнообразных металлов. Это относительно простой и экономичный способ, но есть относительно высокий брак, свойства литого металла ниже, чем у деформированного.

Изготовление отливок в песчано-глинистых формах ПГФ является универсальным и экономичным производством, применяется в единичном, серийном, массовом производстве отливок из разнообразных металлов.

Минусы: невысокие размерные точности, минимальная чистота поверхности, экологически вредный процесс.

Модельный комплект В его состав входят модель, стержневые ящики, модельные плиты (для закрепления модели, элементов литниковой системы и установки на формовочные машины), элементы литниковой системы и опоки (прочные металлические рамы, нужны для контроля формы во время её изготовления и транспортировки). Назначение литейной модели Модель предназначена для получения полости литейных форм, соответствующих внешним очертаниям отливки.

Назначение стержней Стержни предназначены для получения отверстий или полостей в отливке. Их изготавливают из песка со связующими материалами в неразъемных стержневых ящиках Требования, предъявляемые к моделям и стержневым ящикам Состоят в том, что они должны быть прочными, легкими, жесткими (чтобы противостоять колебанию), иметь конструкцию, размеры, обеспечивающие извлечение модели из формы, а так же получение отливок требуемых форм и размеров.

Разработка чертежа модели При разработке чертежа модели выбирают поверхность разъема модели формы. В соответствии с чертежом детали назначают на модели припуски на механическую обработку. Все вертикальные поверхности моделей делают с уклонами для облегчения выемки модели из формы.

Размеры модели должны быть больше соответствующих размеров отливки на величину усадки. Затем наносят галтели – закругления, предотвращающие появление трещин в углах отливки.

Литниковая система и её назначение Система каналов и элементов литейной формы, предназначенная для подвода металла к полости литейной формы, её равномерного непрерывного заполнения жидким металлом, а так же для питания отливки жидким металлом во время её затвердевания. Она предотвращает попадание песка и других неметаллических включений в отливку.

Состоит из литниковой чаши, стояка (для передачи металла другим элементам литниковой системы), шлакоуловителя и питателей.

Литниковая система для стального литья включает в себя выпоры (для удаления пара и газов из формы) и прибыли (для питания отливки жидким металлом во время кристаллизации). Свойства формовочных смесей Прочность (способность смеси не разрушаться под действием собственного веса, а так же при транспортировке, сборке форм и их заливки металлом), пластичность (способность получать точные очертания модели под действием внешней силы и сохранять их после прекращения действия силы), податливость (способность уменьшаться в объеме под действием сжимающих сил отливки при усадке), газопроницаемость (способность пропускать газы и пары через себя), огнеупорность (способность не оплавляться при взаимодействии с жидким металлом и не образовывать с ним химических соединений). Изготовление литейных песчано-глинистых форм ПГФ являются разовыми формами, так как после затвердевания отливки их разрушают.

Изготовление литейных ПГФ – формовка. Она бывает ручной, машинной на полу –автоматических линиях.

Наиболее распространена машинная формовка, при которой механизируются – уплотнение смеси в форме и выемка модели из формы.

Способы уплотнения формовочной смеси при машинной формовке Наиболее часто применяется машинная формовка в парных опоках. На модельную плиту с моделью и элементами литниковой системы устанавливается опока, которая заполняется формовочной смесью из бункера, расположенного над каждой машиной. Затем смесь уплотняют.

Готовую полуформу снимают с машины, устанавливают на приемное устройство и отделывают. В нижнюю полуформу устанавливают стержни и накрывают верхней полуформой, после чего их скрепляют для предотвращения подъёма верхней полуформы под действием газа.

Уплотнение формовочной смеси встряхиванием На столе формовочной машины закрепляется модельная плита с моделью, на плиту ставится опока, которая заполняется формовочной смесью. Под действием сжатого воздуха стол поднимается на 80-100мм, при этом открывается отверстие, через которое уходит сжатый воздух. Стол падает и ударяется о станину.

Уплотнение смеси происходит за счёт сил инерции.

Машина делает 30-50 ударов в минуту. При этом методе наибольшее уплотнение - у модели.

Способы извлечения моделей из форм Применяются машины: со штифтовым подъемом опок, с протяжной плитой, которая предохраняет снизу форму от выпадения, с поворотной плитой, с перекидной плитой.

Специальные методы литья, их преимущества Эти методы позволяют получить отливки высокой точности с повышенной чистотой поверхности, с минимальными припусками на обработку, с высокими служебными свойствами. Эти способы отличаются меньшими материало -, энерго -, трудоёмкостью, позволяют существенно улучшить условия труда, уменьшить вредное влияние на окружающую среду.

Минусы – ограниченная масса отливок, высокая стоимость продукции. Литьё по выплавляемым моделям Позволяет получать отливки высокой точности из различных сплавов с толщиной стенок от 0,8мм с чистой поверхностью.

Процесс автоматизирован.

Сущность заключается в использовании неразъемной разовой модели, по которой из жидких формовочных смесей изготавливается неразъемная керамическая форма. Перед заливкой металла в форму модель из неё выплавляется.

Выплавляемые модели изготавливают из легкоплавкого сплава. В модели собирают звенья вместе с элементами литниковой системы.

Звенья собирают в блоки, наносят слой огнеупорного покрытия Литьё в оболочковые формы Формовочная смесь, состоящая из кварца, песка и 6-8%термореактивной смолы засыпают в поворотный бункер, на который крепятся нагретые модельная плита с моделью. Затем бункер переворачивают, формовочная смесь покрывает модель, на которой образуется слой спекшейся смеси.

Бункер возвращают в исходное положение. Плиту с оболочковой полуформой помещают в печь для окончательного затвердевания оболочки. Затем полуформы скрепляют и помещают в опоки. Плюсы – отливки имеют повышенную точность и частоту поверхности, формы при затвердевании легко разрушаются. Минус – дефицитные материалы, ограничена сложность отливок. Литьё в металлические формы Этим способом получают отливки из различных сплавов.

Стойкость металлических форм – от 100 до нескольких тысяч заливок. Плюс – получение точных отливок с высокими механическими свойствами. Минус – ограничены габариты и сложность отливок, быстрое охлаждение приводит к потере жидкотекучести, высокая стоимость форм. Литьё в кокиль Кокиль – разъемная металлическая форма, состоящая в зависимости от сложности отливки из двух или нескольких разъемных частей. Для предохранения внутренней поверхности кокиля от разъедания жидким металлом и снижения скорости охлаждения отливок внутреннюю поверхность кокиля покрывают огнеупорными материалами – облицованный кокиль. Литьё под давлением Самый высокопроизводительный способ получения отливок в основном из цветных сплавов.

Машины литья под давление имеют холодные или горячие камер прессования, расположенные вертикально или горизонтально.

Минусы – может наблюдаться газовая пористость в толстостенных отливках.

Центробежное литьё Перед началом заливки металла форма приводится во вращение.

Формирование отливки происходит под действием центробежных сил.

Отливки получаются плотными, а все газовые и шлаковые включения скапливаются на внутренних поверхностях.

Машины имеют горизонтальную или вертикальную ось вращения.

Сплавы, применяемые для изготовления отливок ~75% - Чугун, ~23% - Сталь, ~2% - Цветные сплавы Основные литейные свойства сплавов Жидкотекучесть, усадка (линейная, объемная). Наилучшей жидкотекучестью обладают силумины, серый чугун, углеродистая сталь, белый чугун, магниевые сплавы.

Усадка: чугун – 1%, сталь-2,5%, цветные сплавы-1,5%. Меры борьбы с усадками: равномерное охлаждение различных сечений, установка прибылей в местах толстых сечений. Тогда раковина образуется в прибыли.

Усадка литейных сплавов Усадка – уменьшение литейных и объемных размеров отливок при их кристаллизации и охлаждении.

Обозначается в процентах.

Зависит от температуры металла и его химического состава. В связи с линейной усадкой возможно коробление и образование трещин. Для предотвращения этого предусматривают галтели, а так же равномерное охлаждение различных сечений за счёт установки холодильников.

Объемная усадка – в результате неравномерного охлаждения различных сечений отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов Жидкотекучесть – способность жидкого металла свободно течь в литейной форме, полностью заполняя её объём и точно воспроизводя её рельеф. При недостаточной жидкотекучести возможен недолив или образование холодных спаев.

Зависит от температуры металла и его химического состава. Серый чугун Серый чугун – сплав железа с углеродом и другими примесями, в котором большая часть углерода находится в свободном виде в виде графитов пластинчатой формы.

Оставшаяся часть углерода находится в связанном состоянии в виде цементита.

Механические свойства СЧ зависят от величины зерна металла, размера, формы и характера распределения включений графита, а так же от соотношения между связанным и свободным углеродом.

Различают: ферритные серые чугуны, перлитно-ферритные, перлитные.

Высокопрочный чугун Содержит весь углерод или часть его в свободном виде в виде графита шаровидной формы. В зависимости от содержания связанного углерода ВЧ как и СЧ может иметь ферритную, ферритно-перлитную, перлитную структуру металлической матрицы.

Получают ВЧ путём модифицирования (введения малых добавок) серого чугуна магнием, церием и другими редкоземельными металлами. При этом образуется не пластинчатая, а шаровидная форма графита, которая является меньшим концентратором напряжения и поэтому ВЧ имеет большую прочность и повышенную пластичность по сравнению с СЧ. В ряде случаев ВЧ заменяет сталь и из него изготавливают коленчатые валы, зубчатые колёса и т.д.

Ковкий чугун КЧ получается в результате специального графитизирующего отжига отливок из белого чугуна в котором весь углерод находится в связанном виде в виде цементита.

Следовательно белый чугун имеет очень высокую твёрдость и практически не обрабатывается резанием.

Ковкий чугун имеет повышенную пластичность по сравнению с СЧ. Из него изготавливают детали, работающие с ударными и знакопеременными нагрузками.

Литейные стали Литейные стали по назначению делятся на конструкционные (углеродистые и низколегированные) и стали со специальными физ., хим ., другими свойствами (легированные и высоколегированные). Плавильные агрегаты Шихта для чугунного литья состоит из доменного литейного чугуна, ферросплавов, возврата собственного производства (брак и литники), чугунного и стального лома, брикетированной чугунной, стальной стружки.

Основным плавильным агрегатом в чугунно-литейном цехе является вагранка (вертикальная печь шахтного типа, шахта которой установлена на плите, плита – на 4 колоннах; в плите имеется рабочее окно для ремонта плавильного пояса вагранки). КЧ и ВЧ очень часто плавят дуплекс-процессом: вагранка – электропечь, электропечь – электропечь.

Дуплекс процессом получают чугуны более точные по химическому составу и имеющим большую температуру расплава.

оценка стоимости аренды помещения в Брянске
оценка станка в Смоленске
оценка машин для наследства в Курске