Технологические процессы получения заготовок методами пластической деформации

Кузнечная сварка – образование  неразъемного соединения под действием  давления в нагретом состоянии. В  связи с развитием новых видов  сварки эта операция применяется  редко.

Различают ковку в штампах и  без применения штампов — так  называемую свободную ковку. При  ковке в штампах металл ограничен  со всех сторон стенками рабочей полости  штампа и при деформации приобретает  форму, соответствующую этой полости. При свободной ковке (ручной и  машинной) металл не ограничен совсем или ограничен с одной стороны. При ручной ковке кувалдой или  молотом воздействуют непосредственно  на металл или на инструмент. Машинную ковку выполняют на специальном  оборудовании — молотах с массой падающих частей от 1 до 5000 кг или гидравлических прессах, развивающих усилия 2—200 Мн (200—20000 тс), а также на ковочных машинах.

Ковка является одним из экономичных  способов получения заготовок деталей. В массовом и крупносерийном производствах преимущественное применение имеет ковка в штампах, а в мелкосерийном и единичном — свободная ковка.

 

5. ШТАМПОВКА

Штамповка - процесс обработки металлов давлением, при котором формообразование детали осуществляется в специализированном инструменте — штампе. По виду заготовки различают объёмную штамповку и листовую штамповку, по температуре процесса — холодную штамповку и горячую. По сравнению с ковкой штамповка обеспечивает большую производительность благодаря тому, что пластически деформируется одновременно вся заготовка или значительная её часть.

 При объёмной штамповке течение  металла ограничивается стенками  полости штампа, что вызывает  увеличение сопротивления деформированию  тем в большей степени, чем  сложнее конфигурация поковки.  Нагрев заготовки позволяет примерно  в 10—15 раз снизить сопротивление  деформированию, а также повысить  пластичность металла. Холодная  штамповка сортового металла  применяется для изготовления  небольших деталей — массой  менее 1 кг, горячая — для деталей массой 1,5-2 т; более тяжелые поковки изготовляются ковкой. Границы между этими процессами изменяются по мере совершенствования кузнечно-прессового оборудования и увеличения развиваемого ими усилия деформирования. Поскольку стоимость штампов наряду со стоимостью металла заготовки является основной составляющей себестоимости поковки, применение объёмной штамповки экономически выгодно при серийном производстве.

 

Вопрос № 16. Сущность процессов  сварки и их сравнительная оценка.

Сварка  – технологический процесс получения  неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями  при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием  того и другого. Сваркой соединяют  однородные и разнородные металлы  и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также  пластмассы.

Сварка  – экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый  практически во всех отраслях машиностроения.

Физическая  сущность процесса сварки заключается  в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых  поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых  заготовках.

В зависимости от формы  энергии, используемой для образования  сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся  виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электронно – лучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии  и давления (контактная, диффузионная и др.).

К механическому  классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии  и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

Свариваемость – свойство металла или сочетания  металлов образовывать при установленной  технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным  конструкцией и эксплуатацией изделия.

Ручная дуговая  сварка.

Ручную дуговую  сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В  процессе сварки металлическим покрытым электродом – дуга горит между  стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковые ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и образуется сварочный шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Электроды для  ручной сварки представляют собой стержни  с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной  проволоки повышенного качества. Сварочную проволоку всех марок  в зависимости от состава разделяют  на три группы: низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная.

Рис. 1. Ручная дуговая сварка металлическим электродом с покрытием

Ручная сварка удобна при выполнении коротких и  криволинейных швов в любых пространственных положениях – нижнем, вертикальном, горизонтальным, потолочном, при наложении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы. Ручная сварка обеспечивает хорошее качество сварных швов, но обладает более низкой производительностью, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой под флюсом.

Производительность  процесса в основном определяется сварочным  током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами ограничен, так как повышение тока сверх  рекомендованного значения приводит к  разогреву стержня электрода, отслаиванию  покрытия, сильному разбрызгиванию и  угару расплавленного металла. Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмосфере защитных газов.

1. Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электродную проволоку  и флюс для защиты дуги и сварочной  ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва.

В процессе автоматической сварки под флюсом дуга горит между  проволокой и основным металлом. Столб  дуги и металлическая ванна жидкого  металла со всех сторон плотно закрыты  слоем флюса толщиной 30 – 35 мм. Часть флюса расплавляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла – ванна жидкого шлака. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.  Действие мощной дуги и весьма быстрое движение электрода вдоль заготовки обусловливают оттеснение расплавленного металла в сторону, противоположную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода происходит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва, покрытого твердой шлаковой коркой. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод.

Дуговую сварку под флюсом выполняют сварочными автоматами, сварочными головками или  самоходными тракторами, перемещающимися  непосредственно по изделию. Назначение сварочных автоматов – подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса. Автоматическую сварку под флюсом применяют  в серийном и массовом производствах для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении на металле толщиной 2 – 100 мм. Под флюсом сваривают металлы различных классов. Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одним из основных звеньев автоматической линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов для производства сварных прямошовных и спиральных труб.

2. Сварка в среде защитных газов.

При сварке в  защитном газе электрод, зона дуги и  сварочная ванна защищены струей защитного газа.

В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон  и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), а иногда – смеси двух газов и более.

Сварка в  среде защитных газов в зависимости  от степени механизации процессов  подачи присадочной или сварочной  проволоки и перемещения сварочной  горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматической.

По сравнению  с ручной сваркой покрытыми электродами  и автоматической под флюсом сварка в защитных газах имеет следующие  преимущества: высокую степень защиты расплавленного металла от воздействия  воздуха; отсутствие на поверхности  шва при применении аргона оксидов  и шлаковых включений; возможность  ведения процесса во всех пространственных положениях; возможность визуального  наблюдения за процессом формирования шва и его регулирования; более высокую производительность процесса, чем при ручной дуговой сварке; относительно низкую стоимость сварки в углекислом газе.

Области применения сварки в защитных газах охватывают широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и  трубопроводы химических аппаратов  и т. п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей.

2. Контактная сварка.

Контактная  сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места  соединения без оплавления или с  оплавлением и осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов – пластическая деформация, в ходе которой формируется сварное соединение.

Место соединения разогревается проходящим по металлу  электрическим током, причем максимальное количество  теплоты выделяется в месте сварочного контакта.

На поверхности  свариваемого металла имеются пленки оксидов и загрязнения с малой  электропроводимостью, которые также  увеличивают электросопротивление контакта. В результате в точках контакта металл  нагревается до термопластического состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются новые точки соприкосновения, пока не произойдет полное сближение до межатомных расстояний, т. е. сварка поверхностей.

Контактную  сварку классифицируют по типу сварного соединения, определяющего вид сварочной  машины, и по роду тока, питающего  сварочный трансформатор. По типу сварного соединения различают сварку стыковую, точечную, шовную.

1. Точечная сварка.

Точечная сварка – разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются  в отдельных точках. При точечной сварке заготовки собирают внахлестку и зажимают между электродами, подводящими  ток к месту сварки. Соприкасающиеся  с медным электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжается до пластического состояния внешних слоев и до расплавления внутренних слоев. Затем выключают ток и снимают давление. В результате образуется литая сварная точка.

Точечная сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам может быть двусторонней и односторонней.

Многоточечная контактная сварка – разновидность  контактной сварки, когда за один цикл свариваются несколько точек. Многоточечную  сварку выполняют по принципу односторонней точечной сварки. Многоточечные машины могут иметь от одной пары до 100 пар электродов, соответственно сваривать 2 –200 точек одновременно. Многоточечной сваркой сваривают одновременно и последовательно. В первом случае все электроды сразу прижимают к изделию, что обеспечивает меньшее коробление и большую точность сборки. Ток распределяется между прижатыми электродами специальным токораспределителем, включающим электроды попарно. Во втором случае пары электродов опускают поочередно или одновременно, а ток подключают поочередно к каждой паре электродов от сварочного трансформатора. Многоточечную сварку применяют в основном в массовом производстве, где требуется большое число сварных точек на заготовке.

3. Газовая сварка и резка металлов.

При сварке место  соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем. При нагреве газосварочным пламенем кромки свариваемых заготовок расплавляются, а зазор между ними заполняется  присадочным металлом, который вводят в пламя горелки извне. Газовое  пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого  кислорода.

Рис. 2: Схема  газовой сварки: a) правым, б) левым способом

В практике применяют  два способа сварки - правый и  левый (см. рис.8) При правом способе сварку ведут слева на право, сварочное пламя направляют на сваренный участок шва, а присадочную проволоку перемещают вслед за горелкой. Так как при правом способе пламя направлено на сваренный шов, то обеспечивается лучшая защита сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, большая глубина плавления, замедленное охлаждение металла шва в процессе кристаллизации. Теплота пламени рассеивается меньше, чем при левом способе, поэтому угол разделки кромок делается не 90 °, а 60-70°, что уменьшает количество наплавленного металла и коробление. При правом способе производительность на 20-25 %выше, а расход газов на 15-20 % меньше, чем при левом. Правый способ целесообразно применять при сварке металла толщиной боле 5 мм и металлов с большой теплопроводностью.