Общие принципы классификации технологических процессов

Все многообразие технологических процессов, используемых в производственной деятельности с точки зрения их естественной (природной) сущности и можно свести условно в три основные группы:

· физические процессы, используемые в технологии;

· химические процессы, используемые в технологии;

· биологические процессы, используемые в технологии.

Такая упрощенная классификация не исключает реализацию более сложных по своей сути процессов: физико-химических, биохимических и т.д.

Физические процессы связаны с такими преобразованиями сырья в продукт, при которых существенных изменений с химической структурой (химической формулой) исходных веществ не происходит.

Все многообразие физических процессов, используемых в технологии можно подразделить, в свою очередь, на следующие подгруппы:

· механические процессы;

· гидромеханические процессы;

· тепловые процессы;

· массообменные процессы.

Химические процессы связаны с глубокими и, как правило, необратимыми изменениями химической структуры (формулы) исходных веществ и, следовательно, их свойств.

Биологические процессы связаны либо с использованием живых микроорганизмов с целью получения требуемых продуктов (традиционная биотехнология), либо с воспроизведением в искусственных условиях процессов, протекающих в живой клетке (современная биотехнология).

Механические процессы, используемые в технологии

Механические процессы относятся к физическим и связаны с преобразованием исходных веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии. Это преобразование связано с изменением положения, формы, размеров, соотношения твердых тел в смесях. Объединяет все эти процессы механический способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе получения продукции.

Исходя из этого, выделяют следующие разновидности механических процессов:

· транспортные процессы;

· процессы формообразования и формоизменения твердых тел;

· процессы изменения размеров твердых тел;

· процессы дозирования, сортировки, смешивания.

Транспортные процессы предназначены для перемещения насыпных и штучных грузов по заданной трассе без остановок для загрузки и разгрузки. Транспортные процессы являются неотъемлемой частью технологического процесса и делятся на две большие группы:

1) процессы непрерывного транспорта (ленточные, пластинчатые, винтовые транспортеры, элеваторы и т.д.);

2) процессы дискретного транспорта (вагоны, вагонетки и т.д.).

По направлению и трассе перемещения грузов машины непрерывного транспорта могут быть вертикальными, горизонтальными и пространственными. Транспортирующие установки могут быть стационарными, подвижными, переносными и передвижными.

Процессы формообразования и формоизменения твердых тел подразделяются на две больших группы:

· процессы, основанные на использовании методов пластической деформации (обработка давлением);

· процессы, основанные на механическом изменении формы, размеров твердых тел путем снятия поверхностного слоя с обрабатываемого материала (обработка резанием).

Методами пластической деформации получают заготовки и детали из стали, цветных металлов и их сплавов, пластмасс, резины, многих керамических материалов, стекла, химических волокон, пластиков и др. Широкое распространение методов пластической деформации обусловливается их высокой производительностью и обеспечением высокого качества изделий.

Наряду с традиционными методами (прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка) применяются новейшие методы (обработка металлов давлением с наложением ультразвука, листовая штамповка с использованием взрыва и др.).

Обработка материалов давлением заготовок деталей машин является одним из распространенных и прогрессивных способов обработки, так как по сравнению с другими способами обеспечивает меньше потери материала, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов.

При обработке материалов давлением вызывается пластическая деформация, изменяющая форму заготовки без изменения ее массы.

Рассмотрим сущность важнейших процессов обработки металлов давлением.

Прокатка является наиболее распространенным и экономичным способом обработки металлов давлением. Сущность процесса прокатки заключается в деформировании металла (заготовки) путем обжатия его между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего происходит изменение формы заготовки (уменьшается поперечное сечение заготовки и увеличивается ее длина).

Прокатные изделия стандартизованы. Перечень прокатываемых изделий с указанием формы профилей и их размеров называется сортаментом проката. В зависимости от вида различают сортовой, листовой, трубный, периодический и специальный прокат.

Волочение. Сущность процесса волочения заключается в том, что обрабатываемый металл протягивается через постепенно сужающееся отверстие, получая форму и размеры этого отверстия.

Волочением получают проволоку диаметром от 4 до 0,01 мм, калиброванные валки, прутки различного профиля. Волочение обеспечивает получение точных размеров заготовок, высокого качества их поверхности, весьма тонких профилей, в том числе тонкостенных труб, а также различных фасонных изделий.

Прессование. При прессовании нагретый металл выдавливают из замкнутого пространства контейнера через отверстие (матрицу). Методом прессования получают прутки различного профиля и размеров (5 – 200 мм), трубы с внутренним диаметром до 80 мм. Процесс прессования по сравнению с прокаткой обеспечивает более точные размеры изделий и большую производительность. Поэтому сложные профили заготовок указанных выше размеров целесообразно получать методом прессования.

Ковка. Под свободной ковкой понимают пластическую деформацию нагретого металла с помощью бойка молота или пресса (при этом течение металла не ограничивается заранее изготовленными формами).

Методы свободной ковки применяют в единичном и мелкосерийном производствах для получения поковок любой массы.

Штамповка. При штамповке металл деформируется в заранее изготовленных формах – штампах. Поэтому при штамповке получают более точную и чистую заготовку, чем при свободной ковке.

Штамповку экономически целесообразно применять в серийном и массовом производствах, так как штампы являются дорогим инструментом. Каждый штамп предназначен только для получения определенного типа заготовок.

Штамповка в зависимости от исходно заготовки подразделяется на объемную и листовую и может выполняться в горячем или холодном состоянии. В промышленности применяют процессы штамповки с использованием взрывчатых (бризантных) веществ, а также электрогидравлическую штамповку.

Исходным материалом при свободной ковке и штамповке служат слитки, прокат различных профилей и прессованный металл.

Наиболее распространенными методами формообразования заготовок и изделий из пластмасс в вязкотекучем состоянии являются: компрессионное прессование, литье под давлением, экструзия, каландрирование и др.

Компрессионное прессование применяют для формования пластмасс, которые в исходном состоянии представляют собой пресс-порошки или таблетки. Пресс-порошок или таблетки загружают в горячую пресс-форму, где они нагреваются, размягчаются и под давлением пресса начинают течь, заполняя полость пресс-формы. После отверждения материала пресс-форму раскрывают и отформованное изделие извлекают.

Литье под давлением применяют для получения изделий и из термопластов на специальных литьевых машинах.

Экструзия производится на специальных машинах – экструдерах. Методом экструзии получают изделия из термопластов: трубы, шланги, стержни и тонкие пленки (толщиной 40 – 400 мкм) путем раздувания воздухом трубной заготовки.

Вальцевание и каландрирование применяют для получения листовых изделий и пленок из пластмасс. Сущность этих методов аналогична прокатке при обработке металлов давлением. Для получения очень тонких пленок (толщиной 0,05 – 1,0 мм) применяют многовалковые каландры.

Основными методами формообразования резинотехнических изделий являются следующие методы пластической деформации: экструзия, горячее и холодное прессование, литье под давлением.

Высокой точности и малой шероховатости поверхности деталей можно достичь с помощью механической обработки резанием, т.е. обработки со снятием слоя материала и образованием стружки.

Правильное выполнение процессов механической обработки зависит от ряда факторов, в числе которых большое значение имеют припуски на обработку.

Припуском на обработку называется слой материала, подлежащий удалению с поверхности заготовки для получения требуемого размера.

Правильный выбор размера припуска имеет большое технико-экономическое значение. Завышенные припуски увеличивают расход конструкционных материалов, электроэнергии, ускоряют износ оборудования, режущего инструмента, увеличивают трудоемкость и стоимость обработки.

В зависимости от вида операции механообработки, формы заготовки (плоская, круглая цилиндрическая, коническая, фасонная), выбирают оборудование и необходимый режущий инструмент. Классификация технологических методов обработки заготовок на металлорежущих станках со снятием стружки представлена на схеме (рис. 4.1).

Механообработку ведут на различных металлорежущих станках: токарных, сверлильных, фрезерных и др.

Процессы изменения размеров твердых тел условно подразделяют на дробление (крупное, среднее, мелкое) и измельчение (тонкое и сверхтонкое). Измельчение материалов осуществляют путем раздавливания, раскалывания, истирания и удара.

В зависимости от физико-механических свойств и размеров кусков измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких – раздавливанием и истиранием.

Дробление материалов обычно осуществляется сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды). При мокром измельчении пылеобразования не наблюдается и облегчается транспортирование измельченных продуктов.

По своему назначению измельчающие машины условно делятся на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления и мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения.

Процессы разделения твердых тел по размеру. Разделение твердых зернистых материалов на классы по крупности кусков или зерен называется классификацией. Существуют два основных способа классификации:

1) ситовая (грохочение) – механическое разделение на ситах;

2) гидравлическая – разделение смеси на классы зерен, обладающих одинаковой скоростью осаждения в воде или воздухе.

Разделение смеси зерен на классы в воздушной среде называется воздушной сепарацией. Процессы гидравлической классификации и воздушной сепарации будут рассмотрены в группе гидромеханических процессов.

Классификация может иметь самостоятельное значение – для приготовления готовых продуктов определенных сортов (сортировка) или быть вспомогательной операцией для предварительной подготовки материала к последующей обработке. Наиболее широко классификация используется совместно с процессами измельчения.

Эффективность классификации зависит от большого число факторов, в том числе, от конструкции машины и свойств материала.

Процессы смешивания твердых сыпучих материалов.Смешение – это процесс образования однородных систем из сыпучих материалов. Смешение осуществляют механическим, гидравлическим, пневматическим и некоторыми другими способами. Машины, применяемые для перемешивания, называются смесителями.

Механизм действия процесса смешивания является весьма сложным, зависит от большого количества факторов и главным образом от конструкции смесителя и режима его работы.

Идеально в результате смешения должна получится такая смесь материала, что в любой ее точке (пробе) к каждой частичке одного из компонентов примыкают частицы другого компонента в количествах, определяемых заданными соотношениями.

К пневмосмесителям относятся аппараты, в которых смешивание осуществляется в слое псевдоожиженного газом (воздухом) зернистого материала. Такие аппараты отличаются высокой эффективностью, малым временем смешения, отсутствием вращающихся частей, но требуют установки пылеулавливающих устройств.

Находят широкое применение вибросмесителей, в которых необходимая циркуляция сыпучего материала, достигается с помощью вибрации.

Процессы дозирования твердых материалов. Эти процессы применяются в химической, пищевой, промышленности строительных материалов, во многих других отраслях и осуществляются дозаторами. От точности дозирования во многом зависит качество продукции и рациональное расходование исходных материалов.

Дозирование материалов можно производить по объему и по массе. Оборудование для объемного дозирования проще по устройству, но точность его работы ниже, чем весовых дозаторов, т.к. в этом случае сказывается влияние изменения плотности материала.

По режиму работы различают дозаторы циклического и непрерывного действия.

Весовые автоматические дозаторы являются наиболее совершенными, в результате их применения устраняется ручной труд, сокращается время дозирования, появляется возможность автоматизировать работу смежного технологического оборудования.