Введение
Использование металлов человеком началось в глубокойдревности (более пяти тысячелетий до н. э.). Вначале находили применение цветныеметаллы (медь, сплавы меди, золото, серебро, олово, свинец и др.), позднееначали применять черные — железо и сплавы на его основе.
Длительноевремя производство металлов носило примитивный характер и по объему было весьманезначительным. Однако в конце XIX в. мировая выплавка стали резко возросла с0,5 млн. т в 1870 г.до 28 млн. т в 1900 г.Еще в большем объеме растет металлургическая промышленность в XX столетии.Наряду с увеличением выплавки стали появилась необходимость организовать вбольших масштабах получение меди, цинка, вольфрама, молибдена, алюминия,магния, титана, бериллия, лития и других металлов.
Металлургическоепроизводство подразделяется на две основные стадии. В первой получают металлзаданного химического состава из исходных материалов. Во второй стадии металлув пластическом состоянии придают ту или иную необходимую форму при практическинеизменном химическом составе обрабатываемого материала.
Для изготовления отдельных деталей и изделия в целомиспользуют различные способы обработки металлов и других материалов. Наиболеераспространенные виды обработки металлов будут рассмотрены ниже.Сварка
Сваркой называют технологический процессполучения неразъемных соединений из металлов (или пластмасс),осуществляемый установлением межатомных (у пластмасс — межмолекулярных)связей между свариваемыми частями изделия при их местном или общем нагреве, илипластическом деформировании, или при совместном действии этих двух факторов.Между свариваемыми частями изделия образуется сварной шов.
Сварка является одной из распространенныхтехнологических операций,широко применяемой в машиностроении, на транспорте и в строительстве. Объясняется это значительной экономией металлов посравнению с болтовыми и заклепочными соединениями, высокой прочностью инизкой стоимостью сварных конструкций.
В зависимости от состояния металла в сварочной зоне всевиды сваркиможно разделить на две группы: по способу соединения свариваемых частейизделия и по виду используемой энергии. В первом случае различают сваркуплавлением и сварку давлением. При сварке плавлением сварной шовобразуется из общей сварочной ванны расплавленных металлов соединяемых частейизделия. При сварке давлением, для повышенияпластичности металла в зоне сварки, соединяемые части изделия нагревают исдавливают. К сварке плавлением относятся: дуговая, электрошлаковая,электронно-лучевая, лазерная, газовая, термитная; к сварке давлением — контактная,диффузионная, электрозвуковая, трением, взрывом и др.Электрической дугой можно производить не только дуговую сварку, но и резкуметаллов. Однако образующаяся при этом поверхность разреза имеет неровности с наплывами.Поэтому электродуговую резку обычно применяют. Для разделки металлолома иотделения прибылей и литников в деталях, полученных при литье в песчано-глинистые формы.
По виду используемой энергии сварку подразделяют натермическую (сварка дуговая, плазменная, газовая и др.), термомеханическую (сварка контактная, диффузионнаяи др.) и механическую (сварка взрывом, трением, ультразвуковая и др.).
При сварке плавлением образуется литой сварной шов схарактернымдендритным строением. При сварке давлением образуется Шов, представляющийсобой зону сросшихся кристаллитов металла соединяемых частей изделия. Зону, непосредственно примыкающую к сварному шву, называют зоной термическоговлияния. Она имеет крупнозернистое строение и является наиболее механическислабой в сварном соединении. Этотдефект можно устранить отжигом.
Наиболее распространенные виды сварных соединений — стыковые,внахлестку, угловые и тавровые. При сварке внахлестку свариваемые элементыизделия накладываются друг на друга с перекрытием, равным 3—5 толщинампластин. При этом не требуется подготовка кромок. Угловые и тавровыесоединения также не всегда требуют подготовки кромок. При стыковой сварке характерподготовки кромок зависит от толщины свариваемых элементов.Пайка
Пайка — это процесс получения неразъемныхсоединений в результате расплавления припоя, смачивания им металла,растекания припоя по поверхности металла и заполнения зазора между соединяемымизаготовками (деталями) и, наконец, затвердевания припоя.
В отличие от сварки при пайке не требуется расплавленияосновногометалла, что позволяет производить распай деталей.Наиболее широко пайку применяют в электро — ирадиотехнике и приборостроении. В этих отраслях промышленности пайку производятдля созданиямеханически прочного, иногда герметичного, шва или для получения постоянного(нескользящего или разрывного) электрического контакта с небольшим переходнымсопротивлением.Литейное производство
Литейным производством называют процессполучения литых заготовок, называемых отливками, путем заливки расплавленногометалла в рабочую полость литейной формы. Полученные отливки приобретаютконфигурацию и размеры рабочей полости.
Литье является наиболее простым и дешевым промышленным способомполучения заготовок, в том числе имеющих сложную геометрическую форму.
Все виды литья, применяемые в промышленности, можно разделитьпо материалу, литейной форме, способу заливки металла в форму,требуемых точности размеров и шероховатости поверхности отливок и по другим признакам.Рассмотрим две основные группы литья:литье в песчано-глинистые формы и специальные виды литья.
Литье в песчано-глинистые формы. Для изготовлениялитейной формы служит формовочная смесь, представляющая собой многокомпонентнуюсистему, состав которой определяется типом и массой отливки иприродой металла. Основными компонентами формовочной смеси являются кварцевыйпесок и формовочная глина. Глина является связующим и при оптимальномсодержании воды (4—5%) придает формовочной смеси необходимую прочность ипластичность. Песок увеличивает пористость и, следовательно, газопроницаемостьформовочной смеси. Кроме того, в формовочную смесь вводятпротивопригарные добавки (каменноугольную пыль, графит), защитные присадочныематериалы (борную кислоту, серный цвет) и другие ингредиенты. Для изготовлениястержней используют стержневые смеси, состоящие из кварцевого песка и самотвердеющихся неорганических (жидкое стекло с добавкой 10% раствора NaOH) или органических(фенолформальдегидная или карбамидофурановая смолы) связующих.
Специальные виды литья. К специальнымвидам литья относятся: литье в оболочковые формы, литье по выплавляемыммоделям, литье в металлические формы, литье под давлением и центробежное литье. Этиметоды позволяют получать отливки повышенной геометрическойточности, с малой шероховатостью поверхности, минимальнымприпуском на механическую обработку или исключающую ее полностью иимеющие высокую производительность.
Центробежное литье — это литье вбыстровращающиеся литейные формы: металлические, песчаные, оболочковые, повыплавляемым моделям. Под действием центробежных сил расплавленный металлоттесняется к наружной поверхности формы, где затвердевает ровным слоем. Легкиепримеси и газы оттесняются к внутренней поверхности отливки. В результате этихпроцессов металл в отливке уплотняется и ее механические свойства улучшаются.Этим методом получают водопроводные и канализационные трубы, колеса, шкивы, зубчатые колесаи т.п. Преимущества те же, что и при литье в кокили,однако качество внутренней поверхности по причинам, изложенным выше, хуже, чем наружной.Обработка металлов давлением
Обработка металлов давлением основана на ихпластической деформации под действием внешних сил, в результате которойметаллическая заготовкаприобретает определенную форму и размеры. Входе пластической деформации зерна измельчаются, структура металла в целом улучшается и, как следствие,улучшаются механические свойства.
Основнымивидами ОМД являются: прокатка, прессование, волочение, ковка,объемная и листовая штамповка.
Прокатка заключается впластической деформации металла в результате обжатия заготовки между двумя вращающимися валками. Силытрения Pwвтягиваютзаготовку между валками, и под действием сил Р, нормальных к поверхностивалков, уменьшается толщина заготовки. Цель прокатки — получение продукции разнообразнойформы и различными размерами поперечного сечения. Форму поперечного сеченияпрокатанной продукции называют профилем. Перечень разных профилей,имеющих различные геометрические размеры, составляет сортамент проката.Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие пять основных групп: сортовойпрокат, листовой, трубный, специальный и периодический.
Прессование — это технологическая операция, заключающаяся в продавливаниизаготовки, находящейся в форме, черезотверстие матрицы с помощью давящего пуансона. Форма и размеры поперечного сечения получаемогопрофиля соответствуют форме и размерам отверстия матрицы. Чем выше температура металла, тем легче протекает процесспрессования. Этим методом получают прутки, трубы и другие изделия более сложныхпрофилей.
Волочение. Процесс волочения состоит из протягиваниязаготовки через сужающееся отверстие матрицы (волочильной доски).В результате площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, и онаприобретает профиль и размеры отверстия (глазка) волочильной доски; длиназаготовки при этом увеличивается. Сортамент изделий, изготавливаемыхволочением, разнообразен: проволока диаметром 0,002—10 мм и различные фасонныепрофили. Для получения стальной проволоки диаметром до 0,5 мм используют волочильные доскисо вставными глазками (фильерами) из твердых сплавов, а для получения тонкоймедной или вольфрамовой проволоки диаметром до 0,25 мм — алмазные глазки.Волочение применяют также для калибровки прутков различного профиля. Полученныеизделияимеют точные размеры и гладкую поверхность.
Свободная ковка. Различают ковку свободную и в штампах (штамповка).При свободной ковке заготовка не ограничивается стенками специальныхформ (штампов), и формообразование происходит свободно в пространстве междубойками молота путем пластической деформации металла заготовки. Этотпроцесс и качество поковки во многом зависят от искусства оператора-кузнеца.Свободная ковка делится на ручную и машинную.
Штамповка — это процесс получения поковок,заключающийся в пластической деформации металла в закрытой полостиспециальной формы, называемой штампом. Форма и размеры полости штампа соответствуютформе и размерам будущей детали с учетом припуска на механическуюобработку, если таковая предусмотрена. Обычно штампованные поковки механическиобрабатывают только в местах сопряжения с другими деталями: эта обработка можетсводиться только к шлифованию. Штамп — это дорогостоящий инструмент и пригоден дляизготовления только какой-то одной, конкретной детали. Поэтомуштамповку используют только при массовом изготовлении поковок. Различают штамповкуобъемную и листовую.Обработка металлов резанием
Обработка металлов резанием заключается всрезании с поверхности заготовки слоя металла, называемого припуском, сцелью получения изделия требуемых геометрической формы, размеров и шероховатостиповерхностей. Срезание припуска производят с помощью режущего инструмента.
В большинстве случаев изделия, полученные литьем,прокаткой, ковкой, штамповкой, сваркой и другими методами, подвергают обработке резанием.Удаляемый при этом припуск превращается в стружку, которая является характернымпризнаком всех процессов обработки металлов резанием (ОМР). ОМР бываетмеханической, когда припуск срезают на металлорежущих стенках, и слесарной, когдаприпуск удаляют вручную с помощью соответствующего слесарногоинструмента. ОМР применяют и как самостоятельный способ изготовления деталей.
Основными видами механической ОМР являются: точение; строгание;долбление; сверление (зенкерование, развертывание и зенкование); фрезерованиеи шлифование, — производимые наметаллорежущих стенках соответствующей группы.Станки различают токарной группы, строгальной и долбежной, сверлильной ирасточной, фрезерной, шлифовальной и др. При ОМР используют различныйрежущий инструмент: резцы, сверла, зенкера,развертки, фрезы, которые имеют специально заточенную режущую часть, а также применяют шлифовальные абразивные круги,зерна которых обладают острыми гранями и углами. Режущий инструментизготавливают из материала повышенной твердости, прочности, термо — и износостойкости, различных форм и размеров.
Долбление. Эта операция является разновидностьюстрогания и производится на долбежных станках. На них главный вид движения ν (возвратно-поступательный) осуществляет резец ввертикальной плоскости, а движение подачи s— заготовка в горизонтальной плоскости.Долбление применяют для полученияканавок, плоских и фасонных поверхностей небольшой высоты, но значительных поперечных размеров.
Сверление. При сверлении (зенкеровании,развертывании, зенковании) обычноглавное движение ν и движениеподачи sсообщают режущемуинструменту. При сверлении главное движение сообщают заготовке.Сверление применяют для получения сквозных и глухих цилиндрическихотверстий. Зенкерование — для увеличения диаметра отверстия, предварительнополученного литьем, штамповкой или сверлением, и придания ему болееправильной геометрической формы, достижения наименьшей шероховатости поверхности, чемпри сверлении или рассверливании. Развертывание обеспечивает получениеотверстий с высокой точностью размеров и высоким качеством поверхности; егоприменяют в основном для окончательной обработки отверстий. Зенкование— получение отверстийпод потайные и полупотайные головки болтов и заклепок.
Фрезерование. При фрезеровании главное движение ν сообщается многолезвийному режущему инструменту — фрезе, а движение подачи s— заготовке. Существуют схемыфрезерования, когда главное движение и движение подачи сообщают фрезе. Фрезерованиеприменяют при обработке горизонтальных, вертикальных и наклонных плоскостей,фасонных поверхностей, пазов и канавок различного профиля, при изготовлениизубчатых колес. Особенность процесса фрезерования заключается в прерывистости резания каждымзубом фрезы. Зуб фрезы вступает в контакт с заготовкой и выполняет работу толькона некоторой части своего оборота. Затем зуб фрезы, продолжая движение, некасается заготовки до следующего врезания; в этот момент он охлаждается, чтоудлиняет срок службы фрезы. Каждый зуб фрезы имеет такие же элементы и углы, что и токарный резец. Поэтомуфрезу можно рассматривать как набор токарных резцов.
Шлифование. Процесс шлифования применяют какотделочно-доводочную операцию с получением размеров деталей с точностью по 6—7-муквалитетам и шероховатостью поверхности R2= 0,08—0,32 мкм. Используютшлифование и как обдирочную операцию при очистке литья, поковок и т.д. Шлифование— это обработка поверхностей изделия шлифовальными абразивными кругами. Дляобдирочной обработки применяют крупнозернистые абразивы, а для чистовогошлифования — мелкозернистые. Используют абразивы естественные — наибольшееприменение получили минерал корунд и алмаз, и искусственные — электрокорунд сразличными добавками, карбид кремния, нитрид бора и др.Заключение
Развитие народного хозяйства страны в значительной мереопределяется ростом объема производства металлов, расширением сортаментаизделий из металлов и сплавов и повышением их качественных показателей, что взначительной мере зависит от условий механической обработки. Знаниезакономерностей обработки металлов помогает выбирать наиболее оптимальныережимы технологических процессов, требуемое основное и вспомогательноеоборудование и технически грамотно его эксплуатировать.Литература
1. С. Н. Колесов, И. С. Колесов,Материаловедение и технология конструкционных материалов, М:. Высшая школа. 2004 г.