«Технология конструкционных материалов» является комплексной дисциплиной, содержащей основные сведения о способах получения конструкционных материалов и дальнейшей их обработки с целью придания им свойств и конфигурации, необходимых в металлургическом и машиностроительном производствах.
ТКМ-.дисциплина, которая изучает методы получения заготовок и деталей машин из конструкци онных материалов.
Цель.освоение навыков проектирования технологических конструкций деталей машин
«Технология конструкционных материалов» освещает технологические методы формообразования заготовок литьем, обработкой давлением,сваркой, а также методы обработки материалов резанием и производство изделий из композиционных материалов.
Изучение дисциплины «Технология конструкционных материалов» базируется на знании студентами основ физики, химии, математики.
Указанная дисциплина – первая общепрофессиональная дисциплина, которая является основой технологической подготовки студентов и способствует успешному усвоению специальных дисциплин.
Для достижения поставленной цели инженер должен уметь
1)выбирать рациональные методы формообразование заготовок и их механической обработки
2)разрабатывать чертежи заготовок с учетом выбранных процессов их изготовления и механическая обработка 3) вносить изменения в конструкцию деталей обеспечивая повышения технологичности
Роль технологии в развитии новых видов производства, повышении их экономической эффективности, обеспечении качества промышленной продукции
Известно, что важнейшим источником роста эффективности производства является постоянное повышение технического уровня и качества выпускаемой продукции. В любой стране мира высококачественная продукция оценивается высоко и имеет спрос у потребителя. Качество является единственным и самым эффективным средством в борьбе с конкурентами, удовлетворении требований потребителей, снижении издержек производства
Высокочастотная сварка
Высокочастотная сварка - сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляется токами высокой частоты (ТВЧ). Нагрев заготовок ведется или до сварочной температуры или до расплавления кромок заготовок.
При нагреве проводника ТВЧ происходит неравномерное распределение тока по сечению проводника. Под воздействием переменного тока вокруг проводника индуцируется переменное магнитное поле той же частоты. Под воздействием этого поля значительно возрастает индуктивное сопротивление внутренних слоев проводника и происходит вытеснение тока в наружные слои проводника. С увеличением частоты тока неравномерность распределения плотности тока по сечению проводника увеличивается (т.н. поверхностный эффект). В поверхностных слоях проводника концентрируется до 80…95% тепловой энергии. При прохождении ТВЧ по электрической цепи содержащей два близко расположенных проводника на их нагрев будет влиять взаимодействие магнитных полей, протекающих по каждому из проводников. В зависимости от направления тока в зазоре между проводниками можно наблюдать уменьшение или увеличение суммарной напряженности магнитного поля (эффект близости). При противоположных направлениях тока I, наибольшая его плотность будет в поверхностных слоях проводников близко расположенных к зазору. Если кромки свариваемых заготовок установить с небольшим зазором и включить их в общую электрическую цепь ТВЧ (незамкнутая петля), то сочетание поверхностного эффекта и эффекта близости будут способствовать интенсивному нагреву кромок.357
В качестве источника ТВЧ можно использовать машинные или электронные генераторы (внешние источники) или возбуждать их непосредственно в теле свариваемых заготовок 1 индуктором 2 (рис. 14.11).
В месте контакта кромок заготовок температура может достигать 1200…1300оС. Вследствие большой интенсивности нагрева (800…1500) градусов в секунду скорость сварки может достигать десятки и сотни метров сварного шва в секунду. Вследствие малой толщины (0,15…0,2 мм) нагреваемых слоев заготовок, зона структурных превращений основного металла достаточно мала.
Высокочастотной сваркой можно сваривать практически любые стали, медные и алюминиевые сплавы, высоко активные металлы и сплавы, соединения из разнородных металлов толщиной 0,8…14 мм. Сварной шов имеет высокую механическую прочность и вязкость и отличается стабильность качества. Процесс сварки может осуществляться в любой атмосфере (в защитных газах в вакууме); легко автоматизируется с использованием следящих по электрическим и механическим параметрам систем.
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку: компонент, обладающий непрерывностью по всему объему, называют матрицей; компонент прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считают армирующим или упрочняющим.
В качестве матриц в композитах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органического или неорганического происхождения, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.
Армирующие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокими прочностью, твердостью и модулем упругости, превосходящими эти показатели у матрицы.
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и прочности связи между ними. Обычно компоненты выбирают со свойствами, значительно отличающимися друг от друга. Высокая надежность в работе конструкций из композиционных материалов связана с особенностями распространения в них трещин. В обычных сплавах трещина развивается быстро, и скорость роста ее в период работы детали возрастает. В композиционных материалах трещина обычно возникает и развивается в матрице и, встречая на своем пути армирующий элемент, прекращает свое развитие.
Выбор метода получения композиции из различных сочетаний матрицы и армирующего компонента определяется рядом факторов: размерами, профилем и природой исходных материалов матрицы и упрочнителя; возможностью создания прочной связи на границе раздела матрица-упрочнитель; возможностью получения равномерного распределения упрочнителя в матрице; возможностью совмещения процессов получения композита и изготовления из него деталей; экономичностью процесса.
Комбинированные заготовки. При изготовлении заготовок сложной конфигурации значительный экономический эффект дает изготовление отдельных элементов заготовки прогрессивными методами (штамповка, отливка, сортовой и фасонный прокат) с последующим соединением этих элементов сваркой или другими способами. В сельскохозяйственных машинах сварку применяют: при изготовлении рам, колес, и т.д.
Резины - это пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых связующим выступает полимер, находящийся в высокопластическом состоянии.
В качестве связующих используются натуральные и синтетические каучуки, обладающие высокой пластичностью. Чистый каучук, ползущий даже при комнатной температуре не может применяться в готовых изделиях. Для повышения упругих и других физико-механических свойств в каучук вводят специальные химические вещества - вулканизаторы.
Получаются резины различной твердости - мягкие, средней твердости, твердые.
Технология приготовления резиновых смесей состоит из ряда операций: подготовки ингредиентов, смешивания и получения полуфабрикатов требуемой формы. Подготовка ингредиентов включает нарезание каучука на куски и пластифицирование путем многократного пропускания через нагретые до 40-500С валки. Смешивание проводят в резиносмесителях или на вальцовочных машинах. Полученная масса подвергается каландированию на специальных машинах - каландрах. В результате получается сырая резина в виде листов или лент определенной толщины. Эти листы наматывают на деревянные бобины, на которых они могут храниться при 5-200С до 3-6 месяцев.
Из сырой резины методами прессования и литья под давлением изготавливают детали требуемой формы и размеров. Прессованием получают детали из сырой резины в специальных прессформах на гидравлических прессах, как в холодном, так и в горячем состоянии. В последнем случае вулканизация протекает одновременно с формовкой. Этим способом можно получить кольца, муфты и другие изделия.
Более прогрессивным методом является литье под давлением, в котором форма заполняется предварительно разогретой пластичной сырой резиновой смесью под давлением 30-150 МПа. Прочность резиновых изделий увеличивают армированием стальной проволокой, сеткой, капроном и другими материалами.
Диффузионная сварка - сварка давлением, осуществляемая за счет взаимной диффузии атомов в тонких поверхностных слоях контактирующих частей. Диффузионная сварка осуществляется при относительно длительном воздействии повышенной температуры и незначительной пластической деформации. Диффузионные процессы протекают достаточно активно при 358нагреве металлов до температур рекристаллизации (0,4 Тплавления) и давлениях, необходимых для пластического деформирования и смятия микровыступов с целью обеспечения физического контакта по всей свариваемой поверхности. диффузионную сварку выполняют в вакууме (сварка химически активных металлов) или в атмосфере защитных или инертных газов.Схема установки для диффузионной сварки показана на рис. 14.12. Свариваемые заготовки 5 устанавливают внутри камеры 3, охлаждаемой водой, подаваемой по змеевику 2. насосом 7, в камере создается вакуум (10-3…10-5Па) (или нагнетаются защитные или инертные газы). Нагрев заготовок производится с помощью нагревателя или индуктора ТВЧ 4. Все вводы в камеру (к насосу, к генератору 8, к штоку поршня 6) герметизируются. Процесс сварки идет в две стадии. На первой стадии заготовки нагреваются, и прикладывается давление. Происходит пластическое деформирование микровыступов и разрушение тонких пленок на контактирующих поверхностях заготовок. На второй стадии заготовки выдерживаются под давлением. Под действием диффузии, образуется объемная зона взаимного соединения. Для получения качественного соединения, свариваемые поверхности заготовок необходимо предварительно очищать от окисных пленок и загрязнений.Диффузионная сварка позволяет: соединять металлы, сплавы и керамические материалы в различных сочетаниях и соединять заготовки с большой разницей по толщине. Как правило, полученные соединения не нуждаются в последующей механической обработке
Композиты-материалы состоящ.из двух или более материалов.
Компози́т (композицио́нный материа́л) — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.
По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:
с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.
По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:
с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.
По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:
композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;
композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;
композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;
композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.
Завершающей стадией является вулканизация, обеспечивающая повышение прочности и упругости резины.
Литейное производство.
Сущность литейного производства.
Литейное производство - отрасль машиностроения, изготавливающая заготовки или детали (отливки) заливкой расплавленного металла (расплава) заданного химического состава в полость литейной формы, имеющей конфигурацию отливки. При охлаждении, расплав затвердевает и сохраняет конфигурацию полости формы. Литьем можно изготавливать изделия очень сложной конфигурации, которые другими видами обработки - ковкой, штамповкой, сваркой - получить трудно или невозможно.
Роль литья в машиностроении и перспективы его развития.
Литейное производство является основной базой машиностроительного комплекса и его развитие зависит от темпов развития машиностроения в целом. Литейное производство России является основной базой машиностроительного комплекса и его развитие зависит от темпов развития машиностроения в целом. Перспективы развития литейного производства определяются потребностью в литых заготовок, их динамикой производства, авторитетом литейных технологий и конкурентной способностью среди развитых зарубежных стран. Литейное производство в России занимает лидирующее положение среди таких заготовительных баз машиностроения, как сварка и кузница.
Понятие об отливках.
Отливка-заготовка изделия, реже готовое изделие, полученное при заливке жидкого материала в литейнуюформу , в которой он затвердевает. О. подразделяются на полуфабрикаты чушки,предназначенные для последующей переплавки, слитки, обрабатываемые давлением; фасонные О.,подвергаемые, как правило, обработке резанием; готовые изделия, которые только очищаются илиокрашиваются. Материалами для О. могут быть любые металлы и их сплавы, а также горные породы,шлаки, стекло, пластмассы и т.п.
Литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка, ликвация.
Жидкотекучесть - это способность жидких металлов и сплавов течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить рельеф отливки. Жидкотекучесть сплава зависит от :
1)температурного интервала кристаллизации;
2)температуры заливки и формы;
3)свойств формы;
4)вязкости;
5)Поверхностного натяжения расплава;
Усадка - это свойство литейных сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. На величину усадки влияют, прежде всего, химический состав сплава, температура заливки и свойства литейной формы. С повышением температуры заливаемого сплава усадка отливки увеличивается. Различают линейную и объемную усадку.
Линейная усадка -это уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры заливки до температуры окружающей среды:
Объемная усадка - это уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме
Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, трещин и короблений.
Усадочные раковины- сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки ,затвердевающих последними.
Усадочная пористость – рассредоточенное скопление пустот, образовавшихся в отливке в результате усадки в тех местах отливки, которые затвердевают последними без доступа к ним расплава.
Предупредить образования усадочных раковин и пористости позволяет установка в литейную форму наружных или внутренних холодильников.
Ликвация - это неоднородность химического состава по сечению отливки. Ликвация возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его жидкой и в твердой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяются компоненты.
Литейная технологическая оснастка.
Технологическая оснастка литейного производства - средства технологического оснащения, дополняющие литейное технологическое оборудование для выполнения определенной части процесса получения отливок. К литейной оснастке по ГОСТ 17819-84* относятся литейные формы, стержни, модели и другие средства технологического оснащения.