Процессы и операции формообразования

 

Пайка.

Технологический процесс  образования неразъемного соединения металлических деталей нагревом (ниже температуры их автономного  расплавления) и заполнения зазора между ними расплавленным припоем, образующим после кристаллизации (застывания) прочный механический спай (шов), называется пайкой.

Соединение металла  с припоем происходит за счет растворения  металла и его диффузии в припой. При этом зазоры между спаиваемыми  деталями должны быть возможно малыми, с тем чтобы между ними находился минимальный слой чистого припоя, прочность которого меньше прочности сплава припоя с основным металлом.

В зависимости от температуры  в зоне соединяемых материалов пайка  подразделяется на низкотемпературную и высокотемпературную.

Зазор между деталями устанавливают  в зависимости от соединения: для  низкотемпературных припоев в пределах от 0,05 до 0,08 мм, для высокотемпературных  —от 0,03 до 0,05 мм.

По сравнению со сваркой пайка  является наиболее скоростным и наименее трудоемким способом соединения.

Нагрев соединяемых деталей  и припоя производят разными способами: паяльником, токами высокой частоты, в печах, горелкой, в жидких средах, ультразвуком. Название способа пайки  определяется инструментом (оборудованием) или средой, нагревающей место соединения. Кроме того, пайку различают по характеру окружающей среды: в вакууме, нейтральных газах, в восстановительной среде.

По способу введения припоя пайку  разделяют на следующие разновидности: заливкой; с предварительной укладкой припоя к месту соединения (шва); с предварительным избыточным облуживанием поверхностей соединяемых деталей; с введением припоя паяльниками; с применением палочных или трубчатых припоев. С помощью пайки соединяют элементы деталей таких форм, которые трудно или невозможно соединить другими способами, ее применяют почти для всех металлов. Правильно разработанная конструкция паяного соединения и качественное его выполнение обеспечивают надежную работу соединения в течение длительного времени.

Припой должен хорошо растворять основной металл, смачивать его, иметь хорошую  жидкотекучесть и достаточную механическую прочность. Температура плавления  припоя должна быть ниже температуры  плавления основного металла.

В качестве припоев используют цветные металлы и их сплавы, которые в зависимости от температуры плавления подразделяют на низкотемпературные (мягкие) с температурой плавления до 450°С и высокотемпературные (твердые) с температурой плавления от 450 до 1850°С.

В соответствии с ГОСТ 21930—76 и 21931—76 припои характеризуются температурой начала и конца плавления.

При монтажной пайке применяют  оловянно-свинцовые и серебряные припои. Серебряные припои по сравнению  с оловянно-свинцовыми обеспечивают высокую прочность соединения и  их эксплуатационную надежность. Благодаря сравнительной легкоплавкости серебряных припоев процесс пайки является более экономичным, поэтому, несмотря на дефицитность серебра, для пайки ответственных конструкций применяют, эти припои.

Надежность паяных соединений зависит от состояния соединяемых поверхностей и их конструкций, температуры пайки и применяемого флюса. Подготовка поверхности деталей, подлежащих пайке, заключается в удалении загрязнений, ржавчины, оксидных и жировых пленок механическим или химическим способом. В простейшем случае подготовка поверхности заключается в ее промывке бензином или спиртом.

Для пайки необходима либо защитная атмосфера, либо флюсы, предохраняющие от возможного окисления поверхности  соединяемых деталей при повышенной температуре.

Непосредственно перед горячим лужением или пайкой подготовленные поверхности деталей покрывают флюсом, выбор которого зависит от применяемого припоя и соединяемых металлов, а также от способа пайки. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя, чтобы во время пайки он находился в жидком состоянии и равномерно растекался по основному металлу. Флюсы образуют жидкую и газообразную защитную зону, предохраняющую поверхность металла и расплавленного припоя от окисления, растворяют и удаляют пленки оксидов с поверхности.

Технологический процесс пайки  включает в себя лужение, которое  предшествует пайке и заключается  в покрытии поверхностей соединяемых  деталей тонкой пленкой припоя. При  лужении происходит сплавление припоя с основным металлом, поэтому при пайке достаточно сплавить припой с полудой, что возможно при более низкой температуре нагрева.

Пайка деталей производится после  их лужения. Процесс пайки включается в нанесении припоя в место  соединения деталей, прогреве мест соединения и припоя до его полного растворения и в сохранении деталей в сжатом состоянии до полного затвердевания припоя. Правильно спроектированное соединение должно быть удобным в сборке перед пайкой и надежно работать в условиях эксплуатации. Основные типы паяных соединений установлены ГОСТ 19249—73.

Высокую механическую прочность паяного  соединения можно получить только при  тщательном соблюдении технологии пайки. Недостаточно  тщательная очистка деталей перед пайкой, неправильная конструкция паяного шва, несоблюдение температурного режима папки и другие нарушения технологического процесса неизбежно приводят к появлению различного рода дефектов в паяном шве и ослаблению паяного соединения.

Наиболее часто встречающиеся  дефекты паяных швов и основные причины, их вызывающие: трещины в паяном шве - быстрое охлаждение деталей после пайки или значительная разница в коэффициентах теплового расширения припоя и металла; наличие пор во шве - низкая температура пайки или интенсивное испарение флюса; припой не смачивает поверхность деталей - большая загрязненность поверхностей деталей.

Достоинствами пайки  являются простота и дешевизна технологического процесса, широкие возможности его  механизации и автоматизации, возможность  соединения всех металлов и разнородных  материалов (металл с керамикой, стеклом, резиной), малые остаточные температурные напряжения и деформации, малое электросопротивление мест соединения. Так как непосредственная пайка при соединении металлов с неметаллами невозможна, то на поверхности неметаллических материалов создают промежуточный слой из меди, никеля, серебра, который хорошо сцепляется с поверхностью этих материалов и обеспечивает качественную пайку с металлом.

Недостатком соединений пайкой является их невысокая механическая и термическая прочность.

Различают паяные соединения внахлестку и встык. Наибольшую прочность имеет соединение внахлестку, но при этом увеличиваются габариты соединения. Соединение встык имеет малые габариты, но невысокую прочность.

Контроль качества готовых  паяных соединений обычно проводят одним  из физических способов без разрушения изделия (внешний осмотр, рентгеноскопия) или с разрушением изделий (на отрыв, на срез, на разрыв).

 

Клепка

Неразъемные соединения могут быть получены при расклепывании  отдельных заклепок или элементов, имеющихся на одной из деталей.

При расклепывании соединяемые  детали сильно сдавливаются, в результате чего между ними возникает трение, препятствующее их взаимному сдвигу, при этом происходит осадка заклепок до полного соприкосновения их головок с деталями.

Замыкающую головку  можно получить с помощью ударов (молотком) или давления (на прессе). Для получения качественной клепки и замыкающей головки применяют специальные обжимки и раскатники, с помощью которых при более высокой производительности обеспечивается высокое качество клепаных соединений и возможность механизации и автоматизации этой операции.

В производстве узлов и приборов для клепальных работ основное применение получили настольные, рычажные, реечные и винтовые прессы с ручным, пневматическим и электромагнитным приводами.

Для конструкций большинства  узлов и блоков применяют соединение заклепками при толщинах материалов от десятых долей миллиметра до 10 мм. Наиболее широко используют соединения частей конструкции толщиной 0,5-2,5 мм.

Заклепки различают  по форме головки: полукруглые, полупотайные, потайные, плоские и др. Для простых конструкций применяют также пустотелые или полупустотные заклепки различных форм. В качестве материала для заклепок применяют легко деформируемые металлы: алюминий и его сплавы, латунь, медь, малоуглеродистую сталь. Размеры заклепки определяются ее диаметром и длиной. Диаметр заклепки d выбирается в зависимости от толщины S соединяемых деталей (d=2S).

Заклепочные соединения после сборки деталей защищают специальными краска эмалями или лаками. Если заклепочное соединение применяется на токонесущих элементах, после клепки его необходимо дополнительно пропаять.

Выбор формы головок  заклепок зависит от конструкции  соединяемых элементов. Материал заклепок выбирают исходя из назначения соединения, необходимой прочности и условий  эксплуатации собранной металлоконструкции.

Достоинствами заклепочных  соединений являются возможность соединения различных материалов, хорошая сопротивляемость вибрационным и ударным нагрузкам, удобство и надежность контроля качества соединения. К недостаткам относятся трудоемкость (разметка, сверление отверстий, закладка и клепка заклепок) и высокая стоимость; ослабление соединяемых деталей отверстиями; дополнительный расход материала на накладки.

 

 

Склеивание.

Склеивание деталей  производят с помощью специальных веществ, которые в результате взаимодействия с поверхностью изделий и изменения своего физического состояния способны при определенных условиях прочно скреплять соединенные детали. Другими словами, склеивание является результатом проявления сил сцепления между клеящим веществом и склеиваемыми материалами (адгезии). При этом обеспечивается равномерное распределение напряжений в соединении.

При склеивании образуются неразъемные соединения элементов конструкций и приборов. Соединения, получаемые при склеивании, особенно целесообразны в элементах конструкции, выполняемых из стекла или керамики, гетинакса или текстолита, а также в малогабаритных узлах, в которых применение металлических соединительных элементов нежелательно.

В зависимости от назначения клеи делятся на конструкционные и неконструкционные. Конструкционные клеи применяют для получения прочных соединений, а неконструкционные — для соединения ненагруженных деталей.

К конструкционным клеям  относятся: эпоксидные (на основе эпоксидной смолы), ЭД-6, БФ-2 и БФ-4 (на основе фенолоформальдегидной смолы), полиуретановый ПУ-2, карбонильный, бакелитовый и др. К неконструкционным клеям относятся: №88, термопреновый, совпреновый №4, АК-20 и др.

Технологический процесс  склеивания состоит из следующих  основных этапов: подготовки поверхностей склеиваемых деталей, внесения клея, склеивания деталей под давлением. Подготовка поверхностей деталей заключается в механической зачистке и обезжиривании их растворителями. Особое значение имеет процесс нанесения клея и выдержка его перед соединением. Для получения прочных клеевых соединений клей наносят двумя тонкими равномерными слоями с короткой промежуточной выдержкой (сушкой) после нанесения каждого слоя. Это делается для того, чтобы весь растворитель мог испариться из клея.

После открытой выдержки на воздухе в течение некоторого времени с момента нанесения  второго слоя клея склеиваемые поверхности  деталей соединяют и выдерживают  под давлением, которое устанавливается  в зависимости от состава клея и склеиваемых материалов. Температура склеивания карбонильного, термопренового, совпренового №4, полиметакрилового, АК-20, эпоксидного (холодного отверждения) клеев колеблется от 20 до 30 °С, эпоксидного (горячего отверждения), БФ-2, БФ-4, ПУ-2 (горячего отверждения), бакелитового - от 70 до 160 °С.

Следует учитывать, что  прочность клеевого соединения зависит  от толщины слоя: чем меньше толщина  слоя, тем выше механическая прочность  клеевого соединения (рекомендуемая  толщина колеблется от 0,1 до 0,15 мм).

Недостатком клеевых  соединений является сравнительно низкая прочность, незначительная теплостойкость, а также длительность технологического процесса склеивания.

 

Соединения с помощью  запрессовки и заформовки.

Заформовка заключается  в соединении металлических элементов (арматуры) со стеклом, пластмассами, резиной, легкоплавкими цинковыми, алюминиевыми и магниевыми сплавами путем погружения этих элементов в формуемый материал, находящийся в вязкотекучем пластичном или жидком состоянии. После застывания формуемого материала образуется неразъемное соединение.

Таким способом получают различные рукоятки, крышки, клеммовые держатели, детали для электроизмерительных, оптико-механических и электронных приборов. Заформовка является единственным способом получения газонепроницаемого соединения металлических электродов со стеклянными баллонами электровакуумных устройств.

Соединения заформовкой  имеют следующие достоинства: не требуются высокие точность и  чистота обработки погружаемых  частей арматуры; можно получить необходимые, часто не совместимые местные свойства элементов узла - электро- и теплопроводность арматуры при сохранении изоляционных свойств узла; уменьшаются масса изделий и расход металла, стоимость.

При заформовке практически  отсутствует сцепление арматуры с формуемым материалом. Прочность и плотность соединений обеспечивают выбором соответствующих форм погружаемой арматуры в виде кольцевых проточек, впадин, уступов, уширений, загибов, увеличивающих поверхности контакта и препятствующих ее выдергиванию.

Соединение деталей  из твердых и малопластичных материалов осуществляют с помощью запрессовки. Деталь или ее часть вставляется в отверстие другой детали, причем для получения прочного соединения отверстие берется меньшего размера, чем вставляемая в него деталь. Такой вид соединения называют соединением внатяг.

При малых натягах  небольших деталей (штифтов, клиньев, втулок, заглушек) их запрессовывают ударами  молотка. Во избежание повреждения  деталей применяют медные прокладки  или молотки с медной накладкой. При больших натягах и размерах поверхностей сопряжения деталей применяют ручные, электромеханические, гидравлические или пневматические прессы.