Лабораторная работа №5 получение заготовок и деталей литьем, обработкой давлением, сваркой, резанием

Цель работы: получение практических навыков по выбору оптимальных режимов и способов получения заготовок и деталей способами литья, обработки давлением, сварки и резания. Изучение влияния способов получения заготовок и деталей на их строение структуру и свойства.

Оборудование и материалы: нагревательные печи, литейные сплавы, формовочная смесь, модельный комплект, разрывная машина Р-10, модель прокатного стана, штампы, сварочный аппарат для электродуговой сварки плавящимся электродом, газовая горелка, манометры, набор режущего инструмента, токарный фрезерный сверлильный станок, твердомер, микроскоп металлографический.

1. Теоретическое введение

1.1. Литье

Литейное производство – отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали). Конечную продукцию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются эксплуатационные свойства отливок.

Литейные формы изготавливают по литейным моделям в литейных опоках. Литейная опока (рис.5.1) – приспособление для удержания формовочной смеси при изготовлении формы.

Модельный комплект – это совокупность технологической оснастки и приспособлений, необходимых для образования в форме полости, соответствующей контурам отливки. Модельный комплект включает: модели, модельные плиты, стержневые ящики, модели элементов литниковой системы и другие приспособления.

Рис. 5.1. 1 – Модель, 2 – литниковая чаша, 3 – стояк, 4 – шлакоуловитель, 5 – питатель, 6 – прибыль, 7 – выпоры, 8 – стержни, 9 – верхняя опока, 10 – нижняя опока, 11 – формовочная смесь

Для изготовления формы в качестве исходных материалов используют формовочные кварцевые пески и литейные формовочные глины.

Рис.5.2 иллюстрирует изготовление отливок специальными способами литья.

Сущность способа литья по выплавляемым моделям (рис. 5.2 а) состоит в том, что детали получают заливкой в неразъемные, тонкостенные керамические формы, изготовленные с помощью моделей из легкоплавких составов. Разовые выплавляемые модели изготовляют в пресс-формах из модельных составов, состоящих из двух или более легкоплавких компонентов (парафина, стеарина, жирных кислот, церезина и др.).

При литье намораживанием (рис. 5.2 б) образование изделия происходит в результате последовательного затвердевания металла – его «намораживания». На поверхность жидкого металла помещают плиту-поплавок с отверстием, соответствующим сечению отливки. В мениск жидкого металла, выступающего из отверстия, вводят затравку. При ее подъеме из отверстия плиты-поплавка за счет сил поверхностного натяжения постепенно вытягивается жидкий металл, затвердевающий («намораживающийся») и образующий изделие.

а	б
в		г
д

Рис. 5.2. Специальные методы литья: a – литье по выплавляемым моделям; б – литье намораживанием; в – центробежное литье с горизонтальной осью вращения; г – центробежное литье с вертикальной осью вращения; д – литье под давлением

При центробежном литье (рис.5.2 в, г) сплав заливают во вращающиеся формы. Формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.

Литьем под давлением (рис.5.2 д) получают отливки в металлических формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и формирование отливки осуществляют под давлением.

1.2. Обработка металлов давлением

При обработке металлов давлением полуфабрикаты и изделия получают пластическим деформированием исходной заготовки без снятия стружки.

Обработка металлов давлением преследует две основные цели: получение изделий сложной формы из заготовок и улучшение кристаллической структуры исходного литого металла с улучшением физико-механических свойств.

Основные способы обработки давлением показаны на рис. 5.3.

Прокатка – наиболее распространенный вид обработки металлов давлением. Применяется продольная, поперечная и винтовая прокатка.

При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, получая пруток или трубу с профилем, соответствующим сечению отверстия инструмента.

Волочением называют протягивание заготовок через постепенно сужающееся отверстие волоки. При волочении поперечное сечение заготовки уменьшается, а ее длина соответственно увеличивается.

Ковка – вид горячей обработки металлов давлением, при котором металл деформируется с помощью универсального инструмента.

Основные методы штамповки – объемная и листовая. Штамповка бывает горячей и холодной. При объемной штамповке используют специальные инструменты – штампы.

Рис. 5.3. Основные способы обработки металлов давлением: а – прокатка; б – волочение; в – прессование; г – ковка; д – объемная штамповка; е – листовая штамповка, Q – усилие прижима

Схемы штампов для объемной штамповки показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Типы штампов объемной штамповки: а – открытый, б – закрытый. 1 – верхний (подвижный) штамп, 2 – нижний (неподвижный) штамп, 3 – штамповка, 4 – облой (заусенец)

Основные операции холодной объемной штамповки:

- объемная формовка – операция, при которой деталь получают обжатием заготовки в открытом или закрытом штампе.

- холодное выдавливание – изготовление сплошных и полых тонкостенных изделий из толстой заготовки выдавливанием металла в зазор между пуансоном и матрицей.

- холодная калибровка применяется для получения точных размеров и гладкой поверхности деталей, изготовленных горячей объемной штамповкой или другими методами.

- холодная высадка – уменьшение длины части заготовки с получением местного увеличения поперечных размеров. Например, при штамповке головок болтов, заклепок, винтов.

- чеканка – операция, посредством которой образуется выпукло-вогнутый рельеф на поверхности детали за счет незначительного перемещения металла под штампом.

Операции листовой штамповки классифицируются на разделительные и формоизменяющие.

К разделительным операциям (рис. 5.5 a, b) относятся:

- резка – последовательное отделение части металла по прямой или кривой линии;

- вырубка – единовременное отделение материала от заготовки по замкнутому контуру, причем отделяемая часть является изделием;

- пробивка – получение отверстий отделением материала по замкнутому контуру внутри детали.

Рис. 5.5. Схемы основных операций листовой штамповки: а – резка, b – вырубка, с – гибка, d – вытяжка, е – отбортовка, f – обжим; 1 – пуансон, 2 – матрица, h – толщина заготовки, Z – размер зазора, Q – усилие прижима

К формоизменяющим операциям относятся:

- правка применяется для устранения неровностей и искривлений плоских деталей после вырубки, пробивки или формоизменяющих операций.

- гибка бывает двухугловая – U-образная или одноугловая – V-образная.

- вытяжка – операция, превращающая плоскую заготовку в полую деталь или полуфабрикат.

- протяжка – вытяжка с утонением.

- отбортовка – получение боротов (горловин) путем вдавливания центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием в матрицу.

- обжим – операция, при которой уменьшается диаметр краевой части полой заготовки в результате заталкивания ее в сужающуюся полость матрицы.

К наиболее типичным машинам кузнечно-штамповых цехов относятся молоты, прессы. По конструкции, главным образом, по характеру привода они весьма разнообразны. Используются паровоздушные, пневматические, механические, гидравлические молоты.

По виду энергии прессы подразделяются на гидравлические и механические.

Проведение операций обработки давлением требует расчета целого ряда внешних параметров, например:

Размер заготовок для поковок:

l/d  2,5

где l – длина заготовки, d – ее диаметр или сторона квадрата.

Веса исходной заготовки G_заг при объемной штамповке:

G_заг = G_п+G_з +G_у

где G_п – вес поковки, G_з – вес отходов в заусенец, G_у – вес угара при нагреве заготовки.

G_з = (0,50,8) f_з^.S^.

где f_з – площадь сечения заусенечной канавки, S – периметр поковки в плоскости разъема,  – плотность металла.

Усилие Р при гибке листового материала определяют по формуле:

Р=0,7(ВS^2._b)/r + S

где В – ширина заготовки, мм; _b – предел прочности материала при растяжении, кг^.с/мм²; r – радиус пуансона, мм; r + S= R – радиус матрицы, мм; S – толщина заготовки, мм.

1.3. Сварка

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическим деформировании, или совместным действием того и другого.

Сварные соединения можно получать двумя разными путями – сваркой плавлением и сваркой давлением.

Нагрев свариваемых деталей осуществляется разными способами: электрической дугой, газокислородным пламенем, прямым пропусканием тока, лазерным излучением и т.д. По-разному обеспечивается защита зоны сварки от воздействия воздуха и ее деформация. Отсюда – многообразие технологических процессов сварки, которых известно более семидесяти.

В электродуговой сварке для нагрева свариваемых деталей применяется энергия электрической дуги. Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока – сварочные трансформаторы и источники постоянного тока – сварочные выпрямители. Схема сварочной дуги постоянного тока прямого действия представлена на рис. 5.6 а.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. Изменяя угол наклона электрода по отношению к поверхности свариваемого металла, можно регулировать глубину расплавления. При сварке тонких листов накладывают шов в виде валика шириной 0,8 – 1,5 диаметра электрода. При сварке толстых листов применяют уширенные валики. При таких швах конец электрода совершает три движения (рис. 5.6 б): поступательное вдоль оси электрода, поступательное вдоль линии шва и поперечно-колебательное движение. Последние улучшают прогрев кромок шва, замедляют остывание ванны наплавленного металла, устраняют непровар и обеспечивают получение однородного шва.

Строение сварного шва показано на рис. 5.7 а. В узкой зоне сплавления 3 кристаллизуются зерна, принадлежащие основному и наплавленному металлу. В зоне термического влияния 4 изменяется структура металла, а его химический состав остается неизменным. Структурные превращения стали в зоне термического влияния представлены на рис. 5.7 б.

а	б

Рис. 5.6. а – Схема электродуговой сварки: 1– электрод, 2– зона плавления дуги, 3– дуга электрическая и зона радиационного воздействия дуги, 4– деталь, 5– катодное пятно, 6– сварочная ванна, 7– кратер, 8– анодное пятно, h– проплавление.

б – Схемы движения электрода при ручной электродуговой сварке

При газовой сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем, которое получают при сгорании горючего газа в атмосфере кислорода. Кислород поставляют в стальных баллонах под давлением 15 МПа. В качестве горючего газа при газовой сварке применяют ацетилен. Он имеет наибольшую теплоту сгорания и высокую температуру пламени 3200⁰С (рис. 5.8). Ацетилен при избыточном давлении 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне, что используют для его безопасного хранения в баллонах.

Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянного рабочего давления применяют газовые редукторы. Кислородные редукторы понижают давление от 15 до 0,1 МПа, ацетиленовые – от 1,6 до 0,02 МПа. Из редуктора газ поступает в горелку. Горелка (рис. 5.8) предназначена для смешения кислорода с горючим газом, подачи горючей смеси к месту сварки и создания пламени требуемой мощности.

а	б

Рис. 5.7. а – Строение сварочного шва: 1 – основной металл; 2 – наплавленный металл; 3 – зона сплавления; 4 – зона термического влияния. б – Структурные превращения малоуглеродистой стали в зоне термического влияния: 1 – зона неполного расплавления, 2 – зона перегрева, 3 – зона нормализации, 4 – зона неполной перекристаллизации, 5 – зона рекристаллизации, 6 – зона синеломкости

а	б

Рис. 5.8. а – Схема безинжекторной горелки: 1 – мундштук, 2 – трубка наконечника, 3 – корпус, 4 – камера смешения, 5 – ацетиленовый канал, 6 – кислородный канал.

б – Строение ацетилено-кислородного пламени по зонам: 1 – ядро, 2 – рабочая зона, 3 – факел

В зависимости от толщины свариваемого металла производят различную подготовку кромок (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Конфигурация краев заготовок различной толщины и типы сварных соединений

Сварочные процессы характеризуются рядом технико-экономических показателей, таких, как:

Величина сварочного тока – I_св:

I_св = k^.d,

где d – диаметр электрода в миллиметрах, зависит от толщины свариваемого металла (h):

d, мм	1,5	2,0 – 2,5	2,5 – 4,0	4,0 – 6,0	4,0 – 8,0
h, мм	0,5	1,0 – 2,0	2,0 – 5,0	5,0 – 10,0	Свыше 10

k – коэффициент (А/мм), равный для электродов из малоуглеродистой стали 4060 и 3540 для электродов из высокоуглеродистой стали.

Масса наплавляемого металла – Q_н:

Q_н = k_п^.I^.t_o,

где, k_п – коэффициент расплавления (8–14 г/А^.ч); I – сварочный ток, А; t_o – основное время горения дуги.

Коэффициент расплавления – k_п:

k_п = (Q_e – Q_r)^.3600/ I^.t_o

где, Q_e – вес электрода без обмазки до сварки в граммах; Q_r – вес электрода без обмазки после сварки в граммах; I – сварочный ток в амперах; t_o – время горения дуги в секундах.

Коэффициент наплавки k_н, характеризующий количество электродного металла, наплавленного в течение 1 часа, приходящееся на 1 ампер сварочного тока:

k_н = Q_d^.3600/I^.t_о.

Где Q_d = (Q₂ – Q₁) – вес наплавленного металла, определяемый как разность веса детали после сварки Q₂ и веса детали до сварки Q₁, k_н = 78 г/А^.ч – для тонкообмазанных электродов и 1012 г/А^.ч для толстообмазанных электродов. Всегда k_п  k_н

Коэффициент потерь на угар и разбрызгивание – :

 = {[(Q_e – Q_r) – Q_d]/Q_e – Q_r}^.100%.

Диаметр (d) присадочной проволоки при газовой сварке:

при левом способе d = /2 + 1, при правом способе d = /2.

Где,  – толщина металла, в мм.

1.3. Обработка металлов резанием

Процесс снятия припуска режущим инструментом с целью получения детали заданной формы, размеров и точности называется резанием.

В зависимости от характера выполняемых работ и вида режущего инструмента различают следующие основные методы обработки металлов резанием (рис. 5.10): точение, сверление, фрезерование, строгание, шлифование.

Технологический метод формообразования заготовок точением характеризуется двумя движениями: вращательным движением заготовки (скорость резания) и поступательным движением инструмента – резца (движение подачи).

Элементы токарного проходного резца представлены на рис.5.11. По технологическому назначению резцы делятся на несколько типов: прямой проходной, отогнутый проходной, торцевой отогнутый, подрезной отогнутый, отрезной оттянутый, канавочный, фасонный, резьбовой наружный, расточной отогнутый, торцевой внутренний.

Рис. 5.10. Обработка резанием: а – токарная обработка, б – сверление, в – фрезерование, г – строгание, д – шлифование круглое е – шлифование плоское. 1– заготовка, 2– инструмент. I – главное движение резания, II – движение подачи

Рис. 5.11. Части и элементы токарного проходного резца:

1 – рабочая часть, 2 – стержень, 3 – передняя поверхность, 4 – главная задняя поверхность, 5 – главное режущее лезвие, 6 – вершина резца, 7 – вспомогательная задняя поверхность, 8 – вспомогательное режущее лезвие

Сверление – распространенный метод получения отверстий в сплошном материале. Сверлением получают сквозные и несквозные (глухие) отверстия и обрабатывают предварительно полученные отверстия в целях увеличения их размеров, повышения точности и снижения шероховатости поверхности. Сверление осуществляют при сочетании вращательного движения инструмента вокруг оси – главного движения и поступательного его движения вдоль оси – движение подачи. Оба движения на сверлильном станке сообщают инструменту.

Отверстия на сверлильных станках обрабатывают сверлами, зенкерами, развертками и метчиками.

Сверла подразделяют на спиральные, центровочные и специальные. Элементы рабочей части и геометрические параметры спирального сверла показаны на рис.5.12.

Рис. 5.12. Элементы (а) и геометрические параметры (b, c) спиральных сверл: l – рабочая часть (режущая l₁ и калибрующая l₂ части), l₃ – шейка, l₄ – хвостовик; 1, 2 – зубья, 3 – ленточка, 4, 5 – передние поверхности, 6, 7 – задние поверхности, 8, 9 – главные режущие лезвия, 10 – сердцевина, 11, 12 – вспомогательные лезвия или поперечное лезвие

Фрезерование – высокопроизводительный метод обработки заготовок многолезвийным режущим инструментом – фрезой. Оно характеризуется главным вращательным движением инструмента и поступательным движением подачи.

Различают несколько типов фрез (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Типы фрез: 1 – цилиндрические, 2 – торцевые, 3-6 – дисковые, 7 – концевые, 8 – угловые, 9 – полукруглые

Протягивание – высокопроизводительный метод обработки внутренних и наружных поверхностей, обеспечивающий высокую точность формы и размеров обрабатываемой поверхности. Протягивают многолезвийным режущим инструментом – протяжкой. При его поступательном движении относительно неподвижной заготовки (главное движение) (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Геометрия протяжки: 1 – деталь, 2 – тело протяжки, 3, 4, 5 – передняя, затылочная и задняя поверхности соответственно, 6 – главная режущая кромка,  – задний и  – передний углы

Метод протягивания заключается в срезании с обрабатываемой поверхности стружки небольшой толщины, так как размер каждого последующего зуба протяжки больше предыдущего. Обработанная поверхность имеет малую шероховатость.

2. Задания

Задание 1

1. Изучить оборудование и виды литейного производства.

2. Подготовить модельный комплект для литья в песчанноглинистые формы и провести пробу на жидкотекучесть.

3. Дать рекомендации по повышению качества литья.

Задание 2

1. Изучите основные виды оборудования и способы получения полуфабрикатов и деталей методами обработки металлов давлением.

2. Изучите конструкцию штампов.

3. Проведите расчет формы и размеров заготовки для поковок заданного диаметра.

4. Проведите расчет веса заготовки для объемной штамповки в открытом штампе.

Задание 3

1. Изучите оборудование и способы сварки.

2. Проведите расчет наплавляемого металла при ручной электродуговой сварке.

4. Проведите макро- и микроанализ сварного шва.

Задание 4

1. Изучите конструкцию основных элементов металлорежущего оборудования и инструмента.

2. Проведите измерения основных углов токарного резца, сверла, фрезы.

3. Проведите макроанализ полученных поверхностей резания и обоснуйте результат исследований.

3. Содержание отчета

1. Краткие теоретические сведения о получении заготовок и деталей литьем, обработкой давлением, сваркой, резанием.

2. Проверить жидкотекучесть литейного сплава силумин.

3. Проведите все расчеты в соответствии с заданиями, полученные данные занесите в отчет.

4. Результаты макро и микроанализа сварного шва и поверхностей резания.

4. Контрольные вопросы

1. Составляющие модельного комплекта?

2. Способы литья?

3. Достоинства и недостатки получения заготовок и деталей методом литья?

4. Оборудование и основные способы ОМД металлов?

5. Виды штампов?

6. Операции листовой штамповки?

7. Достоинства и недостатки ОМД металлов?

8. Виды сварки? Оборудование ручной и газовой сварки?

9. Достоинства и недостатки получения заготовок и деталей сваркой?

10. Основные виды обработки металлов резанием и виды инструмента.

11. Основные части и элементы токарного резца.

12. Основные типы токарных резцов?

13. Виды обработки на сверлильных станках и инструменты?

14. Типы фрез и их назначение?