Процессы формообразования и соединения твердых тел

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 металла, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, увеличение прочности металла, широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов.

При обработке металлов давлением вызывается пластическая деформация, изменяющая форму заготовки без изменения ее массы. В процессе обработки металлов давлением на заготовку действуют формирующие силы прокатных станков, молотов, прессов и другого обо рудования или силы, вызванные действием ударных волн (при взрывной штамповке, электорогидравлической формовке).

Рассмотрим сущность 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 из размеров называется сортаментом проката. В зависимости от вида различают сортовой, листовой, трубный и специальный прокат.

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

Волочением получают проволоку диаметром от 4 до 0,01 мм, калиброванные валки, прутки различного профиля. Волочение применяют также для уменьшения диаметров труб.

Волочение обеспечивает получение точных размеров заготовок, высокого качества их поверхности, весьма тонких профилей, в том числе тонкостенных труб, а также различных фасонных прокатов.

Прессование. При прессовании нагретый металл выдавливают из замкнутого пространства контейнера через отверстие (матрицу).

Методом прессования получают прутки различного профиля и размером (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 экономики целесообразно получать методом прессования.

Ковка. Различают два вида ковки: свободную ковку и ковку в штампах – штамповку. Исходным материалом при свободной ковке и штамповке служат слитки, прокат различных профилей и прессованный металл. Изделие, полученное ковкой, называют поковкой.

Под свободной ковкой понимают пластическую деформацию нагретого металла с помощью бойков 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.

Ковку выполняют на молотах или прессах.

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.

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

В зависимости от поведения под действием теплоты и давления пластмассы условно делятся на две группы: термопласты и реактопласты.

Термопласты (термопластические материалы) под действием температуры и давления переходят в пластическое состояние, не претерпевая существенных химических изменений, причем их превращения обратимы. Бракованные отпрессованные изделия и отходы производства могут быть вновь подвергнуты обработке с целью получения новых изделий, что повышает эффективность применения таких материалов.

Реактопласты (термореактивные пластмассы) под воздействием теплоты и давления подвергаются необратимым изменениям в процессе переработки. Изделия, изготовленные из этих пластмасс, вторично переработать нельзя.

Компрессионное прессование применяют для формования реактопластов (фенопластов, аминопластов), 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.

Слоистые пластики (гетинакс, текстолит, стеклопластики) получают прессованием листов картона, ткани или стеклоткани, пропитанных смолами.

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 (поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена): 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 (винипласта, пластиката). Сущность этих методов заключается в том, что размягченный термопластичный материал пропускают между валками или каландрами, в результате чего образуется лента. Для получения очень тонких пленок (толщиной 0,05 – 1,0 мм) применяют многовалковые каландры.

Основными методами формообразования резинотехнических изделий являются 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.

Процесс резания осуществляется рабочими движениями. Главным рабочим движением называется то, при котором образуется стружка, вспомогательным (движением подачи) – которое обеспечивает процесс резания на всей обрабатываемой поверхности.

Количественной характеристикой главного рабочего движения является скорость резания U, а вспомогательного – подача S. Эти две величины, а также глубина резания t, равная толщине слоя материала, снимаемого с заготовки, входят в состав режимных параметров, т. е. определяют производительность и себестоимость обработки.

При различных видах механообработки характер рабочих движений меняется. Например, при точении главное рабочее движение (вращательное) совершает заготовка, а поступательное движение подачи – резец. При сверлении рабочие движения выполняет сверло.

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

Припуском на обработку называется слой материла, 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.

Режущий инструмент можно классифицировать следующим образом:

1. Резцы, применяемые при точении (токарной обработке).

2. Сверла, применяемые при сверлении.

3. Фрезы, применяемые при фрезеровании

4. Абразивный инструмент: шлифовальные круги различной формы, абразивные бруски, сегменты, применяемые при шлифовании.

5. Другие: резьбонарезной инструмент, протяжки, развертки, зенкеры и т.д.

Классификация технологических методов обработки заготовок на металлорежущих станков со снятием стружки представлена на схеме (рис. 18.40).

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

Процессы соединения твердых тел нашли широкое применение в современном производстве. Строго говоря, по своей сути они не являются чистыми представителями механических процессов (в ходе их осуществления происходят более сложные физические (тепловые и диффузионные) и физико-химические явления). Они условно отнесены в эту группу с точки зрения получаемого результата в сопоставлении с другими механическими процессами формоизменения и соединения твердых тел.

В различных конструкциях изделий и сооружений используют подвижные и неподвижные соединения отдельных их частей и деталей, а также разъемные и неразъемные соединения.

К разъемным (демонтируемым) соединениям относят такие, которые могут быть полностью разобраны без повреждения составляющих их частей и крепежных деталей. Остальные относят к неразъемным соединениям, которые, в свою очередь, можно разделить на две группы. К первой группе относят соединения с гарантированным натягом, получаемым без дополнительных средств крепления. Они используются, как правило, при сборке готовых деталей. Ко второй группе относят соединения, осуществляемые с помощью сварки, пайки, склеивания,

клепки. Их широко используют, как при сборке, так и в заготовительном производстве.

Сварка – это технологический процесс получения неразъемных соединений металлов, сплавов и других материалов, осуществляемый на основе сил межатомного сцепления свариваемых материалов. Она широко применяется в машиностроении, приборостроении, металлообработке, в строительстве и других отраслях народного хозяйства; сварка является незаменимой в судостроении, мостостроении, авиастроении, создании трубопроводов. Сварка позволяет соединять между собой однородные металлы и сплавы, разнородные металлы (например, медь с алюминием, сталь с медью), металлы с неметаллами (керамикой, стеклом, графитом и др.), а также пластмассы.

Применение сварных заготовок обеспечивает значительную экономию металла и снижение их массы по сравнению с заготовками, полученными ковкой или литьем, а также снижение трудоемкости изготовления. Сварные соединения часто обеспечивают большую прочность и надежность при эксплуатации по сравнению с другими видами неразъемных соединений. Поэтому сварку считают одним из прогрессивных технологических процессов.

Сварные соединения можно получить двумя способами: плавлением и давлением. В первом случае кромки свариваемых деталей расплавляют. Подвижность атомов материала в жидком состоянии приводит к образованию общей сварочной ванны. При охлаждении происходит кристаллизация атомов двух металлов и в результате образования единого литого ядра сварного шва получается прочное неразъемное соединение. В другом случае сварку осуществляют сдавливанием свариваемых поверхностей, при котором сварное соединение образуется за счет взаимного проникновения (диффузии) атомов одного материал в другой.

По виду энергии, используемой для нагрева материала, все методы сварки можно разделить на шесть групп: 1) электрическая, 2) химическая, 3) механическая, 4) лучевая, 5) электромеханическая, 6) химико-механическая.

В промышленности наиболее широкое применение получили электросварка (электродуговая, плазменная, электрошлаковая) и электромеханическая сварка (контактная, диффузионная). Из химических методов наибольшее значение имеет газовая сварка. Из механических способов применение имеют ультразвуковая сварка, сварка трением и др.

Пайка – процесс соединения заготовок, изготовленных из металлов и неметаллических материалов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного присадочного материла, называемого припоем.

Температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления основного материала. Неразъемное соединение образуется в результате растворения припоя, смачивания и взаимной диффузии припоя и основного материала. Пайка не вызывает значительного коробления и окисления поверхностей соединяемых заготовок.

Процесс пайки заключается в нагреве паяемых заготовок и расплавлении припоя. Для получения соединения высокого качества температура нагрева заготовок в зоне шва должна быть на 50 – 100 ⁰С выше температуры плавления припоя. Нагрев заготовок и расплавление припоя в зависимости от его вида производят медными паяльниками, газовыми горелками, электрическим током в печах, индукционным током, а также в печах-ваннах с расплавами солей.

Паять можно заготовки из углеродистой или легированной стали всех марок, твердых сплавов, чугунов, редких металлов и их сплавов. Можно также соединять разнородные материалы.

Преимуществами пайки являются: достаточная прочность и чистота соединения, отсутствие оправления металла, сохранение формы и размеров изделия, возможности механизации и автоматизации процесса.

Клеевая технология. В последнее время склеивание как метод получения неразъемных соединений при сборке получает все более широкое распространение. Наиболее эффективно применять склеивание вместо клепки. Преимуществами клеевых соединений в этом случае являются: снижение трудоемкости, отсутствие выступов на наружных поверхностях, обеспечение герметичности, экономия материала. В некоторых случаях, например для соединения деталей из неметаллических материалов малой толщины, склеивание является одним из самых надежных способов получения неразъемного соединения. Наиболее часто склеивают те материалы, которые теряют свои свойства при нагревании и сдавливании.

Склеивание применяется для пластмасс, стекла, керамики, легких сплавов (алюминиевых, магниевых).

Технологических процесс получения клеевого соединения в основном состоит из следующих этапов: подготовка поверхностей, нанесение клея, склеивание при определенных температурах, давлений и времени выдержки, очистка соединения и контроль качества.

В зависимости от материала соединяемых частей и конструктивных особенностей применяют различные клеи. Широкое распространение получили карбонильные, эпоксидные и другие клеи. Вид и качество применяемого клея оказывают большое влияние на механическую прочность соединения.