10. Коспект Лц СМФ

Министерство образования и науки Украины
ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ
Н.С.МОЛОДЦОВ







МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ


Конспект лекций





Одесса - 2003
УДК 621.617.
Молодцов Н.С. Материаловедение и технология материалов. /Конспект лекций для курсантов и студентов механических специальностей ОНМА.-Одесса, ОНМА, 2003.-160 с.


Конспект лекций разработан профессором Молодцовым Н.С. в соответствии с планом издания учебно-методической литературы ОНМА на 2003 год. Он предназначен для курсантов ОНМА, изучающих дисциплины: «Материаловедение и технология материалов», «Материаловедение и обработка материалов» и «Технология материалов».
Пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры технологии материалов и судоремонта ОНМА, протокол № от _______ 2003 г., ученом совете СМФ, протокол № от _______ 2003 г., методическом совете ОНМА, протокол № от _______ 2003 г., утверждено на ученом совете ОНМА и рекомендовано для тиражирования и использования в учебном процессе.
Содержание
№№
лекций
Тема лекции
Стр.

1
Введение.


2
Общие сведения о производстве материалов и заготовок.


3
Конструкционные и ремонтные материалы и способы их обработки.


4
Общие сведения о получении неразъемных соединений и обработке на металлорежущих станках.


5
Технологический процесс, методы и технические средства измерений.


6
Строение материалов. Общие сведения о диаграмме состояния металлических сплавов.


7
Механические свойства материалов и методы их определения.


8
Физическая сущность механизмов деформации и разрушения материалов. Влияние пластической деформации на их структуру и свойства.


9
Диаграмма состояния и микроструктура металлических сплавов.


10
Легированные и специальные стали и сплавы


11
Теория термической обработки металлических сплавов.


12
Технология термической обработки стали и сплавов


13
Общие сведения и физическая сущность способов получения неразъемных соединений.


14
Технология получения неразъемных соединений.


15
Технологические особенности основных способов получения неразъемных соединений


16
Качество неразъемных соединений и методы их контроля.


17
Общие сведения и физическая сущность обработки мате-риалов резанием.


18
Влияние элементов режима резания и геометрии инструмента на качество обработанной поверхности


19
Условия работы и износ рабочих поверхностей деталей


20
Способы восстановления и упрочнения деталей СТС.


21
Заключение.


Лекция 1. Введение.
План лекции: Требования к компетентности вахтенных механиков судов. Значение дисциплины при подготовке вахтенного механика судна. Объем, задачи и содержание дисциплины, методика ее изучения, формы самостоятельной работы. Научное направление кафедры ТМС. Дополнительные учебно-методические материалы. Контрольные вопросы.

Развитие науки и техники, постоянное совершенствование морского флота и повышение его технического уровня требуют высококачественной и разносторонней подготовки инженера - судомеханика.
Международной конвенцией ПДНВ 78/95 определены минимальные требования к компетентности вахтенных механиков судов (Таблица А-III/1 ПДНВ 78/95), а IMO – моделью дисциплины «Материаловедение и технология материалов» (МиТМ) - содержание и объем требований (см. приложение 1 к рабочей программе).
Важную роль в обеспечении указанных требований и рекомендаций играет глубокое знание вахтенными механиками характеристик и ограничений материалов и процессов, которые применяются при строительстве и ремонте судов и оборудования, строения и свойств материалов и способов их обработки, которые учитываются при изготовлении и ремонте систем и их компонентов, а также умение оценивать качество получаемых изделий. Значение дисциплины состоит еще и в том, что усвоение ее разделов способствует пониманию и успешному усвоению таких дисциплин, как "Прикладная механика и основы конструирования", "Детали машин" и "Сопротивление материалов", "Диагностика и технология ремонта СТС и систем управления" и др. Кроме этого, без знания основных положений материаловедения и технологии материалов невозможна успешная профессиональная деятельность инженера-механика. Поскольку такие необходимые практические навыки, как определение основных механических свойств материала, выполнение операций термической обработки, выбор марки или материала его заменителя для изготовления детали с учетом условий его работы, выбор оптимальной геометрии резца и элементов режима резания при обработке материалов на токарном станке, выбор оптимального режима ручной электродуговой сварки материалов с учетом их особенностей и другие могут быть приобретены только при изучении дисциплины МиТМ и выполнении программы технологической практики.
Учитывая повышение требований к технологической подготовке судовых механиков, ее объем для курсантов Одесской государственной морской академии (ОГМА), начиная с 1999-2000 учебного года, значительно увеличен и приведен в соответствие с рекомендациями IMO. Так, в учебном плане специализации 7.100302.00 “Эксплуатация судовых энергетических установок” предусмотрены дисциплины “Материаловедение и технология материалов” (МиТМ) и “Технологическая практика” (ТП).
На МиТМ выделяется 108 часов, в т.ч. на лекции - 42, лабораторные и практические занятия - 12 и 8 и самостоятельную работу – 46; на ТП – 300 часов.
Для судовых механиков прошлых лет выпуска проводится предрейсовая доподготовка (повышение квалификации). С этой целью в ОГМА, на базе кафедры ТМС, создан и функционирует учебно-научно-производственный центр (УНПЦ) «Технология», в котором судовые механики и рядовой состав получают необходимые дополнительные теоретические знания и практические навыки работы на металлорежущих станках, сварочном и термическом оборудовании и др. Сроки и программа доподготовки корректируются в зависимости от уровня знаний и умений слушателей.
Дисциплина МиТМ изучается в первом семестре. Ее обеспечивают дисциплины "Начертательная геометрия и графика" ( используется умение курсанта читать чертеж детали), "Химия" (используется знание законов протекания химических реакций окисления и восстановления металлов) и "Физика" (используются знание законов об агрегатном состоянии веществ и фазовых превращений, о теплоте и теплопередаче, растворах, основных физических свойствах металлов в твердом и жидком состояниях).
ТП проводится в учебных мастерских кафедры ТМС, СРЗ и судах в первом и втором семестрах соответственно по 64 и 76 часов и летом – 160, а также в период первой и второй плавательных практик после 4-го и 6-го семестров.
При успешном выполнении программ МиТМ и ТП и выполнение индивидуальных заданий в период первой и второй плавательных практик курсанты получают соответствующее свидетельство (справку), которая вместе с другими документами предоставляет право на оформление и получение рабочего диплома вахтенного механика.
Таким образом, основными задачами дисциплины МиТМ являются следующие.
1. Дать общие сведения: 1) о получении материалов, их классификации и маркировке, инструменте и способах обработки; 2) об основах построения технологического процесса, методах и технических средствах измерений, которые обеспечивают эффективное прохождение курсантами технологической практики.
2. Изучить характеристики, строение, свойства и ограничения материалов, а также главные технологические процессы их обработки и принципиальные схемы работы применяемого оборудования, инструментов и приспособления.
3. Ознакомить с использованием соответствующих инструментов для изготовления деталей и ремонта в условиях эксплуатации судна.
В результате изучения дисциплины МиТМи выполнения программы ТП курсанты должны приобрести следующие знания и умения.
1. Знать:
1.1.Характеристики, строение, свойства и ограничение основных судостроительных материалов, методику и оборудование для их определения.
1.2. Классификацию и маркировку конструкционных материалов.
1.3. Сущность и виды термической обработки материалов.
1.4. Сущность и основные методы сварки и пайки металлов.
1.5. Основные методы и методику выбора оптимальных режимов обработки резанием.
1.6. Принципиальные схемы работы оборудования, инструмента и приспособлений для изготовления деталей и ремонта в условиях эксплуатации судна.
2. Уметь:
2.1. Определять основные механические свойства материалов.
2.2. Делать термообработку углеродистой стали.
2.3.Выбирать элементы режима сварки, паки и обработки резанием различых материалов.
2.4. Использовать оборудование, инструменты и приспособления для изготовления деталей и ремонта в условиях эксплуатации судна.
Содержание дисциплины МиТМ состоит из двух частей: материаловедения и технологии материалов.
Материаловедением называют науку, которая изучает взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов.
Технологией материалов называют науку, которая изучает способы обработки материалов и их технические средства, необходимые для изготовления (ремонта) деталей. Она базируется на основных положениях материаловедения.
Учитывая основные задачи дисциплины и необходимость обеспечения эффективного прохождения курсантами технологической практики, она разбита на 6 разделов, каждый из которых состоит из следующих вопросов.

Раздел 1. Общие сведения о получении материалов и способы их обработки.

1.1. Общие сведения о производстве черных и цветных металлов, способы получения заготовок, дефекты отливок и поковок, их причины и методы контроля. Неметаллические материалы: их строение, классификация и области применения.
1.2. Конструкционные и ремонтные материалы и инструменты. Их классификация и маркировка.
1.3. Общие сведения и технология слесарных работ: оборудование, инструмент и их устройство; основные операции слесарной обработки.
1.4. Общие сведения о сварке и пайке: оборудование и материалы; элементы режима сварки и пайки; ручная электродуговая сварка. Виды паяных соединений и их прочность. Материалы и технология пайки.
1.5. Обработка на металлорежущих станках: общие сведения о процессе резания металлов; работы, выполняемые на токарных, строгальных и фрезерных станках. Инструмент и приспособления, применяемые для выполнения этих работ.



Раздел 2. Строение и свойства материалов.

2.1. Строение металлов и сплавов, диаграмма состояния железо-углеродистых сплавов. Основы теории легирования стали.
2.2. Механические свойства материалов и методы их определения. Упругая, пластическая деформация и разрушение. Виды прочности. Влияние факторов на прочность и пластичность металлов и пути их увеличения. Влияние углерода и легирующих элементов на свойства стали.

Раздел 3. Термическая и химико-термическая обработка сплавов.

3.1. Теория термической и химико-термической обработки стали и чугуна. Классификация видов термической обработки по А. А. Бочвару. Превращения при нагревании. Два вида превращений переохлажденного аустенита: в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении. Мартенситное превращение аустенита. Превращения при отпуске закаленной стали. Поверхностная закалка. Поверхностный наклеп. Свойства термически обработанной стали. Физическая сущность основных методов химико-термической обработки стали. Влияние легирующих элементов на свойства стали при термообработке.
3.2. Технология термической и химико-термической обработки стали. Определение температуры и продолжительности нагревания под закалку и отпуск. Химическое влияние среды. Закалочные среды. Прокаливаемость. Обработка холодом. Способы закалки. Отжиг и нормализация. Пороки термически обработанной стали. Методы химико-термической обработки: цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация. Пороки термической обработки: коробление, трещины, несоответствие механических свойств и размеров и др.

Раздел 4. Основные сведения и физическая сущность сваривания и пайки.

4.1. Физическая сущность пайки, электродуговой и газовой сварки. Основы теории преобразования энергии при дуговой сварке. Особенности электрических характеристик источников тока, нагревание и охлаждение металла при различных способах сварки.
4.2. Свариваемость сталей. Кристаллизация металла сварного шва. Строение и свойства сварного соединения. Влияние углерода и легирующих элементов на свариваемость сталей.
4.3. Технологические особенности сварки и пайки различных металлов и сплавов. Сварочные напряжения и деформации. Механизм возникновения сварочных деформаций и напряжений, их классификация. Влияние сварочных напряжений и деформаций на прочность конструкций. Основные способы уменьшения напряжений и деформаций при сварке. Контроль качества сварочных работ. Техника безопасности при сварке, резке и пайке металлов.

Раздел 5. Основные сведения и физическая сущность процессов резания металлов.

5.1. Физическая сущность обработки материалов резанием. Элементы резания при точении. Основное (технологическое) и штучное время. Геометрия инструмента. Инструментальные материалы. Физико-химические явления, возникающие при резании. Процесс стружкообразования и типы стружек. Тепловыделение при резании металлов. Трение и наростообразование в контактных областях зоны резания. Влияние смазочно-охлаждающих веществ на процесс резания. Вибрации при резании металлов. Силы, которые возникают при резании. Износ резцов. Влияние различных факторов на допускаемую скорость резания. Качество обработанной поверхности.
5.2. Влияние элементов режима резания и геометрии инструмента на качество обработанной поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин. Выбор оптимального режима резания.

Раздел 6. Общие сведения и физическая сущность основных методов восстановления и упрочнения деталей.

6.1. Условия работы и износ рабочих поверхностей деталей ДВС, паровых и газовых турбин, валопровода и гребных винтов.
6.2. Способы восстановления и упрочнения деталей СТС: электродуговой наплавкой, гальваническими покрытиями, упрочнение трением и др.
6.3. Новые методы обработки: обработка резанием с нагревом и вводом электрического тока, вибрационное и сверхскоростное резание. Комбинированные методы обработки.
При изучении указанных разделов особое внимание следует уделить физико-химическим свойствам материалов, раскрытию физико-химической стороны технологических процессов, связи между составом, строением и свойствами материалов, их изменению в процессе эксплуатации и мерам, которые предотвращают ухудшение свойств материалов или их преждевременное разрушение. Необходимо ясно представлять зависимость между технологией обработки материалов и качеством получаемых изделий, знать методы контроля готовых изделий и способы устранения дефектов.
Следует иметь в виду, что 2-й и 3-й разделы отличаются тесной связью рассмотриваемых вопросов. Материал каждой темы базируется на сведениях предшествующих тем. Поэтому их необходимо изучать в последовательности и в строгом соответствии с программой. Следует также учитывать, что эти разделы являются наиболее трудными для усвоения. Поэтому рекомендуется на занятиях и во время самоподготовки пользоваться имеющимися на кафедре ТМС наглядными и демонстрационными пособиями: диа- и кинофильмами, плакатами и т.п.
При изучении неметаллических материалов следует обратить внимание на возможности замены ими металлов и сплавов, экономическую эффективность такой замены. Вместе с тем, серьезное внимание должно быть уделено физико-химическому описанию свойств неметаллических материалов. Следует привести примеры, где и для каких целей на судах используются подобные материалы и как изменяются их свойства в процессе эксплуатации.
При изучении процессов и методов сварки металлов следует подробно рассмотреть вопросы, связанные с формированием шва, защитой его от вредного влияния внешней среды, уделив внимание изучению новых сварочных процессов, а также сварочным напряжениям.
Изучение раздела «Обработка резанием» начинается с определений, которые относятся к геометрии резца, элементам резания и образования стружки. Особое внимание следует уделить физическим основам процесса резания, так как механическая обработка влияет на формирование поверхностного слоя и долговечность деталей машин.
Изучение металлорежущих станков вынесено на технологическую практику, где курсанты основательно должны изучить кинематические схемы станков, их устройство и работы, выполняемые на станках. Изучению подлежат, в основном, те группы станков, которые устанавливаются в судовых мастерских. В этом же разделе рассматриваются новые методы обработки, дается их сравнительный анализ.
Раздел “Общие сведения и физическая сущность основных методов восстановления и упрочнения деталей” является новым. В нем приводятся условия работы, дефекты и износ рабочих поверхностей судовых деталей ДВС, паровых и газовых турбин, валопровода и гребных винтов. Рассматриваются способы восстановления и упрочнения деталей СТС: электродуговой наплавкой, гальваническими покрытиями, упрочнение трением и др. Кроме того, в данном разделе приводятся новые методы обработки: обработка резанием с подогревом и введением электрического тока, вибрационное и сверхскоростное резание, комбинированные методы обработки, а также некоторые требования к судостроительным материалам и изделиям, их испытаниям и правилу приема по нормам Регистра Украины. Этот раздел носит описательный характер и более глубоко будет рассмотрен при изученные дисциплины “Технология судоремонта”.
На заключительном занятии будут подведенны итоги изучения дисциплины МиТМ, показаны направления дальнейшего развития науки о материалах и способах их обработки, даны рекомендации по изучению новой литературы и дальнейшему совершенствованию знаний в будущей практической работе курсантов.
Тематический план дисциплины и перечень лабораторных и практических работ приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2.
Тематический план дисциплины

Номер и наименование тем
Раздел ІМО
Количество часов на



лекции
практ.
роботы
лаб. роботы
самост. роботу

1.Введение
1.1.1.2.
2
-
-
2

2. Общие сведения о произ-водстве черных и цветных металлов.
1.1.1
1.1.3
1
-
-
2

3. Конструкционные и ремонт-ные материалы и способы получения заготовок.
1.1.1.
1.1.5.5.5
1
3*
-
2

4. Общие сведения и технология слесарных работ.
1.2.1
2
3*
-
-

5. Общие сведения о сварке и пайке металлов.
1.1.3.3.
1.1.5.5.
2
6*
-
2

6.Общие сведения об обработке на металлорежущих станках.
3.1.1
.1, .1.2
4
12*
-
2

7. Основы построения техноло-гического процесса.
1.1..2.

1
12*
-
-

8. Методы и технические сред-ства измерений.
1.1.5
1
8”
2
-

9. Строение металлов и сплавов, диаграмма состояния.
1.1.1.1.
1.1.5.5.
4
4”
-
4

10. Механические свойства материалов и методы их опре-деления.
1.1.1.1.1
1.1.5.5.
4
8”
-
4

11. Теория и практика терми-ческой обработки.
1.2.1.1.
1.1.5.5.
4
4”
4
4

12. Физическая сущность пайки, электродуговой и газовой свар-ки.
1.1.3.3.6
1.1.5.5.
2
4”+2
-
4

13. Свариваемость сталей. Влия-ние углерода и легирующих эле-ментов на свариваемость.
1.1.3.3.8
1.1.5..5.
2
-
2
4

14.Технологические особенности сварки и пайки различных мате-риалов. Контроль качества сва-рочных работ.
1.1.3.3.8
1.1.5..5.7
2
2
2
2

15. Физическая сущность обра-ботки резанием. Качество обра-ботанной поверхности
3.1.1.1,2,.4
2
4
-
4

16. Влияние элементов режима резания и геометрии инстру-мента на качество обработанной поверхности
3.1.1.3
4
-
2
4

17. Условия работы и износ рабочих поверхностей деталей.
1.1.2.
1.1.3.
2
-
-
2

18. Способы восстановления и упрочнения деталей СТС.
1.1.3.
1
-

2

19. Заключение
1.1.5
1
-
-
2

Всего

42
36*+28” +8
12
46

Примечание: “,*) Работы проводятся за счет часов технологической
практики, предусмотренной в сетке расписания и во время самоподготовки.

Таблица 2.
Перечень лабораторных и практических работ

Номер и наименование работы
Номер темы

Работа 1. Определение погрешности при измерении штангенинструментами.
8

Работа 2. Определение погрешности при измерении микрометрическими инструментами.
8

Работа 3. Определение погрешности при измерении индикаторными приборами
8

Работа 4. Выбор измерительных инструментов в зависимости от размеров и допусков контролируемых изделий
8

Работа 5. Определение прочности и пластичности металлов и сплавов
10

Работа 6. Определение твердости материалов
10

Работа 7. Испытание материалов на ударную вязкость
10

Работа 8. Макроскопический анализ материалов
9

Работа 9. Анализ микроструктуры углеродистых сталей и чугунов
9

Работа 10. Влияние термической обработки на структуру и свойства углеродистой стали
11

Работа 11. Влияние степени пластической деформации на структуру и свойства стали
10, 11

Работа 12.Анализ механических свойств сварных соединений.
10, 12

Работа 13.Анализ структуры и свойств металла околошовной зоны при электродуговой сварке
10, 12

Работа 14. Контроль внешних и внутренних дефектов сварных соединений
13, 14

Работа 15. Определение деформаций при наплавке и сварке малоуглеродистой стали
12, 14

Работа 16. Проверка токарно-винторезного станка на точность
15

Работа 17. Выбор геометрии режущего инструмента при обработке сталей и сплавов
15

Работа 18. Влияние элементов режима резания на шероховатость обработанной поверхности при точении стали
16

Работа 19. Маркировка сталей и сплавов и виды заготовок
3

Работа 20. Ручной и механизированный инструмент, применяемый при віполнении слесарных работ.
4

Работа 21. Устройство, настройка и техническое обслуживание оборудования для электродуговой сварки. Сварочные материалы и элементы режима сварки.
5

Работа 22. Устройство, настройка и техническое обслуживание оборудования для газовой сварки и пайки. Материалы и элементы режима сварки и пайки.
5

Работа 23. Устройство, настройка и техническое обслуживание токарного станка. Элементы режима резания.
6

Работа 24. Устройство, настройка и техническое обслуживание фрезерного и строгального станков. Элементы режима резания.
6

Работа 25. Инструмент и приспособления, применяемые для выполнения работ на токарном станке.
6

Работа 26. Инструмент и приспособления, применяемые для выполнения работ на фрезерном и строгальном станках.
6

Работа 27.Технологический процесс слесарной обработки. Разработка операционных карт на изготовление изделий.
7

Работа 28. Технологический процесс сварки и пайки мягким и твердым пропоями. Разработка операционных карт.
7

Работа 29. Технологический процесс изготовления деталей на токарном станке. Разработка операционных карт.
7

Работа 30. Технологический процесс изготовления деталей на фрезерном и строгальном станках. Разработка операционных карт.
7


Методика изложения и изучение дисциплины состоит в следующем. Для более глубокого понимания вопросов, излагаемых на лекции, необходимо рассмотреть их по конспекту лекций и соответствующим разделам учебно-методических материалов.
Лабораторные и практические работы выполняются как правило после соответствующей лекции и проработки основных теоретических положений, изложенных в соответствующем учебном пособии [2]. Методика выполнения работ и требования к оформлению отчетов по ним приведены в указанном пособии и специально разработанном сборнике бланков отчетов.
К выполнению контрольной работы (в случае замены модульного контроля) рекомендуется приступать только после полного изучения соответствующего материала. Все ответы должны быть полными, формулировки четкими. При использовании в расчетах справочных и табличных данных необходимо обязательно указать источник.
Прием отчетов по лабораторным и практическим роботам и контрольных работ, а также проверка усвоения курсантами программного материала проводятся преподавателем на консультациях и отработках, во время лекционных, лабораторных и практических занятий по соответствующим билетам для программированного контроля либо устным опросом.
В конце первого семестра проводится экзамен. На протяжении семестра по билетам тестов 1-го и 2-го уровней усвоения проводится текущий контроль. Курсанты, которые получили хорошие и отличные оценки освобождаются от сдачи модульного контроля и экзамена на этих уровнях по соответствующему материалу.
Курсанты, которые не сдали своевременно контрольные работы и отчеты по лабораторным и практическим работам, к экзамену подисциплине МиТМ не допускаются.
Глубокое усвоение программного материала и успешная сдача экзамена по дисциплине в значительной мере зависит от правильной организации самостоятельной работы. Основными ее формами являются следующие.
1. Проработка конспекта лекций и дополнительной учебно-методической литературы для усвоения основных теоретических положений дисциплины. Эта форма является наиболее ответственной и потому регламентируется специально разработанными методическими указаниями [4]. В них, по каждому разделу дисциплины, приведены краткие методические указания и теоретические положения, тесты 1-го и 2-го уровней усвоения и контрольно-обучающие программы. На этот вид занятий следует отводить не менее 40% времени самостоятельной работы.
2. Проработка по дополнительным литературным источникам вопросов, которые носят описательный характер и потому не рассматривамых на лекциях. К таким вопросам относятся: характеристика машин и станков, описание инструментов и приспособлений, область применения неметаллических материалов и т.п. На эту форму самостоятельной работы следует отводить не более 15% времени самостоятельной работы.
3. Проработка лекций и дополнительной литературы для подготовки к выполнению лабораторных работ. На этот вид работы следует отводить до 25% времени самостоятельных занятий.
4. Выполнение соответствующего (по согласованию с преподавателем) варианта контрольной работы. На этот вид работы отводится остальное время.
При изучении каждого раздела дисциплины необходимо дополнять свой конспект лекций соответствующими короткими ответами на контрольные вопросы и шифрами правильных ответов на контрольно-обучающие программы.
Результаты самостоятельной работы контролируются преподавателем с регистрацией в соответствующем журнале.
Самостоятельная работа проводится в библиотеке и лабораториях кафедры под руководством преподавателя соответственно расписанию отработок и консультаций. В это же время проводятся индивидуальные и групповые консультации, модульный контроль и прием (защита) лабораторных и практических работ и отчетов по практике.

В тематическом плане программы (табл.2) указано распределение часов по видам занятий. Из таблицы видно, что обучение по МиТМ проводится на первом, втором и третьем уровнях усвоения: в том случае, если по темам предусмотреы лекции, лабораторные и практические занятия и самостоятельная работа – обучение отвечает 3-му уровню (уровень умения), а в случаях: лекции, практические занятия и самостоятельная работа – второму (уровень воспроизводства) и лекции и самостоятельная работа – первому (уровень знакомства).
Контроль знаний курсантов проводиться на том уровне, на котором проводится обучение. Контроль на третьем уровне проводится только после успешного ответа на тесты первого и второго уровней.
Успешность выполнения курсантом тестов каждого уровня определяется коэффициентом успешности соответствующего уровня
·( , который определяются по формуле
13 EMBED Equation.3 1415 ,
где а( - число правильно выполненных курсантом тестов данного уровня, n( - число предложенных курсанту тестов данного уровня.
Для стойкого овладения уровнем деятельности
·( должный быть ( 0,7. Соответственно достигнутому уровню деятельности выставляются оценки (по 5-бальной шкале): за 1-й уровень - 3, за 2-й - 4, за 3-й – 5.
Научное направление кафедры ТМС на 1999-2003 гг.: «Совершенствование технологии судоремонта и техничного обслуживания в условиях эксплуатации судна»
Тема 1. "Разработка и совершенствование организационно-технических принципов и технологических процессов восстановления и упрочнения деталей судовых технических средств”. В составе исполнителей 1 д.т.н., профессор; 5 к.т.н., доцентов; 7 старших преподавателей, ассистентов и инженеров.

Учебно-методические материалы

Литература

Основная
1. Молодцов Н.С. Материаловедение и технология материалов. Лабораторные и практические работы/ Учебное пособие для курсантов СМФ. - Одесса, ОГМА, 2002. – 108 с.
2. Молодцов М.С. Материаловедение и технология материалов. Конспект лекций. -Одесса: ОГМА, 2002. - 88 с.
3. Молодцов Н.С. Материаловедение и технология материалов. Мето-дические указания и задания для самостоятельной работы курсантов. - Одесса, ОГМА, 2002.-52 с
4. Технологія конструкційних матеріалів: Учбовий посібник/ М.А.Со-логуб та ін., під ред. М.А.Сологуба. –К.:Вища школа, 1993. – 300 с.
5. Технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов. /Под ред. Г.А. Прейса.- К.: Выша школа, 1994. - 350 с.

Дополнительная

6. Ковальчук Я.О., Ясной П.В. Материалы машино- и приборостроение. Учебное пособие. –Тернополь: Астон, 2001. – 132с.
7. Молодцов М.С. Восстановление изношенных деталей судовых меха-низмов. - М.: Транспорт, 1988. -184 с.
8. Справочник по современным судостроительным материалам/ В.Р. Аб-рамович и др.; под ред. Л.Я.Попилова. – Л.: Судостроение, 1989. – 584 с.
9. Техническое обслуживание судна в рейсе: Справочник/ А.А.Фока и др.; Под ред. А.А. Фока. -М.:Транспорт, 1984.- 320 с.

2. Кинофильмы

1) Производство черных металлов, меди и алюминия. 2) Основы металловедения и термической обработки металлов. 3) Дислокации и дефекты кристаллической решетки. 4) Деформация кристаллов. 5) Пластическая деформация металлов. 6) Методы испытания материалов на прочность. 7) Усталость металлов. 6) Конструкционные полимерные композиционные материалы. 9) Формирование изделий из полимерных композиционных материалов. 10) Электрическая сварочная дуга.
Диафильмы

1)Кристаллическое строение веществ, дислокации в кристаллах. 2) Цветные металлы и сплавы. 3) Пластмассы. 4) Производство лаков, красок, технология покрытия. 5) Электросварка в судостроении. 6) Геометрия резцов. 7) Способы обработки цилиндрических, торцовых поверхностей и канавок на токарных станках. 8) Способы обработки конических поверхностей на токарном станке. 9) Износ и способы восстановления деталей при ремонте промышленного оборудования. 10) Ремонт осей, валов, шпинделей, подшипников. 11) Восстановление деталей гальваническими покрытиями.

Плакаты

1)Некоторые типы кристаллической решетки. 2) Влияние содержания углерода на механические свойства стали. 3) Преобразование при отпуске стали. 4) Химико-термическая обработка. 5) Цементация. 6) Легированные стали.7) Классификация способов сваривания.8) Сварочная дуга.9) Схема изменения структуры в зоне термического влияния при сваривании низкоуглеродистой стали. 10) Деформация и напряжения при сварке. 11) Дефекты сварных швов. 12) Основные схемы резания металлов на станках. 13) Процесс образования стружки. 14) Тепловые явления при резании металлов. 15) Износ инструмента. 16) Технологическая карта. 17) Зависимость микротвердости образцов с сталью 20ХМЛ от глубины поверхностного слоя и его микроструктура при разных способах укрепления.

Контрольные вопросы.

1. Что понимают под материаловедением и технологией материалов и какая связь между этими науками?
2. В чем состоит основная задача дисциплины при подготовке судового инженера-механика?
Что должны знать и уметь курсанты после изучения дисциплины МиТМ?






























Лекция 2. Общие сведения о производстве черных и цветных металлов и неметаллических материалов.

План лекции: Структура металлургического производства и его продукция. Производство чугуна и стали. Производство цветных металлов и неметаллических материалов

Применяемые в технике металлические материалы (металлы) принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы, к цветным - все остальные металлы.
Металлические материалы получают в основном непосредственно из руды. В большинстве случаев руды представляют собой оксиды, сульфиды или карбонаты: магнитная железная руда –Fe3O4, серный колчедан –FeC2, железный шпат –FeCO3, боксит - смесь из 55 – 65% Al2O3, до 28% Fe2O3, до 24%SiO2, медный колчедан –CuFeS2,
Металлосодержащие полезные ископаемые в земной коре содержат одновременно и нежелательные минеральные составные части, безрудную или жильную породу. Поэтому методами флотации, измельчения, агломерации руды должны быть сначала приведены к состоянию, удобному для дальнейшей металлургической переработки.
Чтобы добыть чистые металлы из руд, их подвергают соответствующему химическому разложению. В качестве примера возьмем оксид, из которого путем восстановления вначале получают черновой загрязненный материал, который далее путем рафинирования перерабатывают до чистого или особо чистого металла.
Далее оксиды металлов можно восстановить веществом, обладающим большим сродством к кислороду, чем получаемый материал. К ним относятся, например, углерод или его оксид при высоких температурах (карбометрический метод), алюминий (алюмотермия) или кремний (кремнетермия). Эти способы объединены под общим понятием пирометаллургии. Существует и ряд других методов: избирательного окисления, электролитические, выпариванием и и др.
На основании этих принципов были разработаны самые разнообразные технологические варианты получения металлов.
Таким образом, металлургическое производство - это сложная система различных производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей; заводы для производства ферросплавов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные цехи, в которых слитки стали пере-рабатывают в сортовой прокат - балки, рельсы, прутки, проволоку, лист и т. д.
Основная продукция черной металлургии: чугуны - передельный, используемый для передела на сталь, и литейный - для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах; железорудные металли-зованные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием Mn, Si ,V ,Ti и т.д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производства сортового проката, листа, труб и т.д.; стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т.д., называемые кузнечными слитками.
Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для производства сортового проката (уголки, полосы, прутки и т.д.); слитки цветных металлов для изготовления отливок на машиностроительных заводах; лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов для отливок.
Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы из руд, если их содержание в руде составляет: железа не менее 30-60%, меди - 3-5%, молибдена 0,005-0,02%.
Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т.д.
В зависимости от содержания добываемого металла, руды бывают богатые и бедные. Бедные руды обогащают, т.е. удаляют из руды часть пустой породы. Использование концентрата улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей.
Флюсы - это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.
Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают оксиды (SiO2, P2O5), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO, и др.).
Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный газ.
Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 10000C (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80-88% углерода, 8-12% золы, 2-5% влаги, 0,5-1,8% серы, 0,02-0,2% фосфора и до 1-2% летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы.
Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла.
По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на кислые, основные, нейтральные.
Огнеупорность кислых составляет 17000С, основных – 20000С, нейтраль-ных, содержащих большое количество Al2O3 и Cr2O3 – 20000C.
В начале железо получали непосредственно из руды восстановлением в горнах. С увеличением высоты горнов железо насыщалось углеродом, получался сплав хрупкий, но с хорошими литейными свойствами. Этот сплав был назван чугуном. С ХIII в. чугун начали перерабатывать в сталь - сплав с меньшим, чем в чугуне, содержанием углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов, обладающий высокой пластичностью и прочностью. Такая двухстадийная схема производства стали - выплавка чугуна в доменной печи и передел его в сталь - является и в настоящее время основной.
Для производства чугуна используются преимущественно оксидные руды в виде агломерата (кусковой пористый офлюсованный материал, полученный спеканием шихты, состоящей из железной руды, известняка, возврата, коксовой мелочи, влаги), или кусков, которые восстанавливают в доменных печах с помощью углерода или его оксида.
Физико-химическая сущность производства чугуна заключается в следующем. Шихта доменной печи нагревается, из нее испаряется влага, выделяются летучие вещества, которые при температуре 750-9000С вступают в реакцию с восстановлением железа по следующим формулам:
3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + CO2; Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;
FeO +CO = Fe + СO2.
Часть закиси железа восстанавливается углеродом кокса, образуя так называемое губчатое железо, которое при температуре 1000-11000С науглероживается:
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2; 3Fe + C = Fe3C.
Углерод, понижая температуру плавления сплава, способствует его расплавлению и дополнительному насыщению сплава углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды: марганцем, кремнием, фосфором, серой. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают. Доменный чугун поступает либо в чугуносмеситель и перерабатывается дальше в жидком виде на сталеплавильных заводах, либо в литьевую машину, в которой получают твердые чугунные чушки, поступающие далее на сталелитейные заводы или на литейное производство.
Доменная печь имеет высоту до 40 м; в ее самом широком месте, распаре, диаметр достигает от 3,5 до 10 м. Она работает непрерывно 10 - 15 лет. Из нее получают чугун, содержащий 3,5-4,3% С, 1-3% Si, 0,5-1,5% Mn, 0,05-0,1% серы, фосфора, а также шлаки. Этот побочный продукт используют при производстве гравия, мелкого щебня, материала для мостовых, цемента, шлаковой ваты.
Сущность получения стали состоит в том, что путем избирательного окисления из доменного чугуна удаляют часть углерода и другие нежелательные элементы. Важным процессом в производстве стали поэтому является так называемая переделка чугуна. Под этим понятием объединены все реакции окисления углерода и других спутников железа (кремний, марганец, фосфор, сера), происходящие внутри металлургической печи в полученном там или введенном расплаве доменного чугуна и металлолома. К необходимому для окисления углерода воздуху примешиваются топочные газы и кислород.
Сталь получают различными способами: в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах.Все важнейшие в настоящее время способы производства стали можно разделить на: горновые (мартеновский и электроплавильный), конверторный (нижнего дутья:Томаса, Бессемера) и прямое восстановление (верхнего (кислородного) дутья).
Кислородно-конверторный процесс получения стали заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислородом дутья, так и оксидом железа FeO. Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертора раскисляют, т.е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду (Si, Mn, Al). Взаимодействуя с FeO, они образуют нерастворимые оксиды MnO, SiO2, Al2O3, переходящие в шлак.
Мартеновский процесс получения стали заключается в окислении примесей чугуна за счет оксидов железа руды и скрапа (стального лома) по формулам:
3Si + 2Fe2O3 = 3SiO2 + 4Fe, 3Mn + Fe2O3 = MnO + 2Fe,
6P +5Fe2O3 = 3P2O5 + 10Fe, 3C + Fe2O3 = 3CO + 2Fe.
Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью: FeS + CaO= FeO + CaS. Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием при выпуске стали из печи. Вместимость мартеновских печей составляет от 10 до 600 т. стали, которую в зависимости от размеров печи и особенностей технологии выпускают из печи в виде готового расплава через 5 - 20 часов.
Производство стали с помощью электроэнергии происходит чаще всего в электродуговых и реже в индукционных печах. Между тремя вводимыми сверху графитовыми электродами и металлической шихтой возникают электрические дуги. В конвертере металлическая шихта постоянно находится в жидком состоянии. Кислород поступает либо из воздуха, который продувается снизу через расплав (нижнее дутье), либо в виде чистого кислорода через небольшую форсунку нагнетается поверх металла (верхнее или кислородное дутье). Вследствие очень интенсивной окислительной реакции необходимая теплота выделяется в ходе процесса в конвертере так, что отпадает необходимость в подводе дополнительного горючего. Вместимость таких конвертеров лежит в пределах от 5 до 100 т, а время изготовления стали составляет от 20 до 60 минут.
Производство стали в электропечах обладает рядом преимуществ: способностью быстрого нагрева и поддержания заданной температуры в пределах до 20000С, возможностью создания окислительной, восстановительной или нейтральной атмосферы, а также вакуума. Это позволяет получать стали с минимальным количеством примесей и оптимальным содержанием компонентов, отличающуюся высоким качеством и обладающую специальными свойствами. Восстановительный период включает раскисление стали, удаление серы и доведение содержания всех компонентов до заданного. Физическая сущность химических реакций аналогична предыдущим с некоторыми особенностями. Плавка без окисления применяется для получения легированной стали из скрапа и отходов соответствующего состава.
Большая часть нелегированной стали производится в настоящее время мартеновским способом. Вместе с этим современные способы воздушного или кислородного дутья позволяют получать стали, не уступающие по качеству мартеновским. Методы с использованием электричества дают возможность получать нелегированные высококачественные стали, а также низко- и высоколегированные.
Доменный процесс получения чугуна требует значительного расхода кокса, флюсов, электроэнергии для подготовки сжатого воздуха для дутья. Поэтому наряду с выплавкой чугуна в доменных печах все более широко используют более экономичные процессы прямого восстановления железа из руд с последующей его плавкой в электропечах для получения стали. Добытую в карьерах руду обогащают и получают окатыши (шихта из измельченных концентратов, флюсов, топлива - шарики диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200–13500С на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми). Окатыши поступают в шахтную печь, работающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу подают смесь природного и доменного газов, подвергнутого конверсии. В результате этого смесь разлагается на водород и окись углерода. В восстановительной зоне печи создается температура 1000–11000С, при которой водород и окись углерода восста-навливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа, содержащего 90 - 95% железа. Охлажденные окатыши выдаются на конвейер и поступают на выплавку стали в электропечах.
Строение слитка при разливке стали определяется не только скоростью охлаждения (кристаллическим строением), но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокойные и полуспокойные.
Кипящей называют сталь, не полностью раскисленной в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице. Поэтому в слитке образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, которые устраняются последующей горячей прокаткой. Такая сталь наиболее дешевая, практически не содержит примесей, обладает высокой пластичностью.
Спокойную сталь получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь имеет плотную структуру, а усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно уменьшает выход годного металла.
Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия. В нижней части слитка такая сталь имеет строение спокойной, а в верхней - кипящей.
Производство цветных металлов, ввиду многообразия руд, содержащих их, получают самыми разнообразными способами. Однако каждый из них основан на одном из перечисленных выше принципов получения металлов.
Алюминий получают из бокситов - руды, содержащей около 55-65% Al2O3, не более 28% Fe2O3 и до 24% SiO2. Измельченный, высушенный и перемолотый боксит превращают в алюминат натрия. Это осуществляется либо воздействием на него едкого натра под давлением в 6-8 раз больше атмосферного, либо путем спекания с содой во вращающихся трубных печах. Из раствора алюмината можно осадить гидроксид алюминия, который затем в таких же печах при 1300- 1400°С превращается в чистый глинозем (Al2O3). После растворения глинозема в соли (криолит) начинается важнейшая стадия процесса получения алюминия, электролиз расплава. При этом на дно электролизной ячейки выпадает шлаковый алюминий, из которого путем переплавки получают чистый алюминий (до 99-99,8% алюминия). Другой специфический способ электролиза приводит к получению сверхчистого алюминия (99,99% алюминия).
Медь получают из сульфидных руд, в которых она находится в виде сернистых соединений CuS, Cu2S, CuFeS2 и др. Процесс выплавки меди включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта - штейна, из которого затем получают черновую медь с последующей очисткой - рафинированием.
Титан получают из ильменитовой руды TiO2*FeO. Полученный после обогащения руды электромагнитным или гравитационным способом концентрат подвергают восстановительной плавке в электродуговой печи для удаления оксидов железа.
Производство неметаллических материалов основано на использовании в основном синтетических полимеров, являющихся продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Кроме этого полимеры встречаются и в природе: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, природный графит. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.
В судостроении и судоремонте нашли применение следующие неметаллические материалы: пластмасса, резина, клей, лаки и краски.
Пластмассы получают из синтетических или природных полимеров совместно с другими компонентами: наполнителями, красителями, пластификаторами и др. Они способны при определенных условиях формоваться и сохранять приданную им форму. В качестве связующего вещества используются синтетические смолы.
Резину получают путем специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Как технический материал она отличается высокими эластическими свойствами.
Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.
Лакокрасочные материалы принадлежат к группе пленкообразующих материалов. Кроме пленкообразующих веществ (синтетические смолы, масла) компонентами их являются растворители, пластификаторы и др.
Более полная информация о производстве материалов приведена в следующих диафильмах.
Производство чугуна
Производство стали в электропечах
Производство стали в конверторах
Дуговая сталеплавильная электропечь, 2 части
Основное технологическое оборудование и плавильные печи для производства цветных металлов , 2 части
Разливка стали
Непрерывная разливка стали
Ведение мартеновской плавки
Методы и средства контроля электросталеплавильного производства и др.
Диафильмы выделенные курсивом рекомендуются курсантам для просмотра









































Лекция 3. Конструкционные материалы и способы получения заготовок.

План лекции: Общие сведения о строениии металлов и сплавов и неметаллических материалов. Стали обыкновенного качества и качественные; чугуны серые, ковкие и высокопрочные. Классификация и маркировка сталей и чугунов.Черные и цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы. Получение отливок и поковок.

Все металлы имеют кристаллическое строение. При этом подавляющее большинство из них имеют кубические решетки (объемноцентрированную и гранецентрированную), и гексагональную плотноупакованную, т.е. соответст-венно ОЦК (Cr, M0, W), ГЦК (Ni, Al, Cu) и ГПУ (Zn, Mg).
Некоторые металлы и в первую очередь железо, при различной температуре имеют различную кристаллическую форму (модификацию), которые обозначаются греческими буквами a, (, (, ( и т.д. Существование металла в различных кристаллических формах называется полиморфизмом, а переход из одной модификации в другую - полиморфным превращением. Это положение имеет большое значение для понимания основ металловедения и в первую очередь термической обработки.
Установлено, что свойства отдельных кристаллов (монокристаллов) в различных направлениях неодинаковы, поскольку число атомов и расстояние между ними в кристаллах различны. Такое явление, как зависимость свойств металлов от направления, назвали анизотропией, имеющей большое значение в технике.
Кристаллические решетки металлов не являются идеальными, а имеют много дефектов: точечные - вакансии, смещенные атомы, атомы примесей и линейные - дислокации (краевые и винтовые). Эти дефекты в значительной мере изменяют свойства кристаллов. Для поликристалла, состоящего из зерен, которые в свою очередь состоят из блоков монокристаллов ориентированных под различными углами, имеет место так называемый поверхностный дефект, образующийся на границах зерен и свободных поверхностях. Эти дефекты называют еще, соответственно: нульмерные, одномерные и двумерные.
Процесс кристаллизации металла начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первичные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним - оси высших порядков (рис. 3.1,а). Такие первичные кристаллы, напоминающие внешним видом дерево, получили название дендритов. Дальнейший их рост и формирование кристаллов происходит за счет жидкого металла, заполняющего межосевое пространство. В конечном итоге кристаллы, соприкасаясь друг с другом, приобретают случайную внешнюю форму (рис. 3.1,б). Такие кристаллы назвали зернами.
Величина и количество зерен характеризуется двумя факторами: числом центров кристаллизации (ЧЦ) и скоростью их роста, т.е. скоростью кристаллизации (СК). От этих факторов зависит в основном размер зерен, а следовательно и свойства металла. С повышением скорости охлаждения ЧЦ увеличивается в большей степени, чем СК, поэтому размер зерен в металле уменьшается. Схематически строение металлического слитка представлено на рис. 3.2.

Сплавы состоят из двух или более металлов или металлов и неметаллов. В технике металлы и их сплавы обычно относят к одной группе материалов - к металлам. Сплавы или их части могут быть одно- или двухфазными (фаза - однородная по составу и строению часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно). Они образуются в виде твердого раствора (компоненты растворяются друг в друге в твердом состоянии), механической смеси и химического соединения. Твердый раствор и химическое соединение являются однофазными и имеют один тип кристаллической решетки, а механическая смесь, например, двух компонентов двухфазной и т.д. При этом в твердом растворе атомы растворимого компонента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются в нее.
Представление о взаимосвязи структуры и свойств материала, его кристаллическом строении и фазовом составе можно получить из диаграммы состояния представляющей собой графическое изображение всех превращений, происходящих в сплаве в зависимости от концентрации его компонентов и температуры. Диаграмма состояния определяется экспериментально по критическим точкам превращений в сплавах при их нагреве и охлаждении.
В основе строения неметаллических материалов лежат полимеры - вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1000000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическими составами этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.
Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Поперечное сечение цепи - несколько ангстрем, а длина - несколько тысяч ангстрем. Поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость, являющаяся одной из отличительных свойств полимеров. Гибкость полимеров ограничена размером сегментов - жестких участков, состоящих из нескольких участков. Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической связью, а силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно (в 10-50 раз) меньше. Таким образом, молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромолекулах и относительно слабыми между ними.
Полимеры встречаются в природе - натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений. Возможности создания новых полимеров и изменения свойств уже существующих очень велики. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.
Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим, т.е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная. Представителями термопластов являются полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.
Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называется термостабильным. Примером термореактивных смол могут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.
Основными конструкционными материалами, применяемыми в судостроении и судоремонте, являются стали и чугуны, цветные металлы и сплавы, неметаллические материалы.
Сплавы железа с углеродом с содержанием последнего до 2,14% называются сталями, а более 2,14% - чугунами.
Углеродистые стали, применяемые на практике, содержат кроме углерода: 0,4%Si, 0,5-0,8%Mn и по 0,02-0,05% S и P. Кремний и марганец являются полезными примесями; растворяясь в феррите, они упрочняют сталь. Сера образует соединение FeS и вызывает красноломкость, а фосфор - хладноломкость стали.
Углеродистые конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные.
Стали обыкновенного качества подразделяют на группы А, Б и В. Стали группы А характеризуются механическими свойствами, группы Б - химическим составом, а группы В - механическими свойствами и химически составом. По степени раскисления они бывают кипящими (кп), полуспокойными (пс) или спокойными (сп), а в зависимости от нормируемых показателей механических свойств их подразделяют на ряд категорий.
Конструкционные стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрой - номером стали. Группа указывается соответствующей буквой в начале марки (для группы А буква не ставится). В конце марки указывается степень раскисления и номер категории (первая категория не указывается). Например, Ст1кп, БСт1пс, ВСт1кп3, ВСт6 и т.д. Стали обыкновенного качества применяются для изготовления малоответственных или малонагруженных деталей: валиков, болтов, крышек подшипников и др.
Качественные конструкционные стали отличаются меньшим содержанием вредных примесей (серы и фосфора ,0,04%). Они подразделяются на стали с нормальным содержанием марганца, около 0,6% (I группа) и повышенным, около 1,2% (II группа), а по содержанию углерода: на малоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,60% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Качественные конструкционные стали маркируются следующим образом: стали I группы - числами 08, 10, 25 ... 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, а для сталей II группы - дополнительно в конце цифр ставится буква Г, указывающая на повышенное содержание марганца. Стали I и II групп применяются для изготовления широкого круга ответственных деталей. При этом средне- и высокоуглеродистые стали подвергаются как правило термической обработке.
Углеродистые инструментальные стали подразделяют на качественные: У7 ... У12, У13 и высококачественные: У7А ... У12А, У13А. Числа в марке указывают на содержание углерода в десятых долях процента, а буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь, т.е. содержащую меньший процент вредных примесей (S и P).
Чугуны подразделяются на белые и серые. В белых чугунах углерод находится в связанном состоянии, в цементите, а в серых - в свободном, в графите. При этом графит в чугуне выделяется в виде пластин, хлопьев или шаров. Серые чугуны, применяемые на практике, содержат: 3-3,5% C, 1,5-3% Si, около 0,5% Mn, до 0,12% S и 0,3-0,8% Р). Чугуны с пластинчатым графитом обычно называют серыми, с графитом в виде хлопьев – ковкими и с графитом шаровидной формы – высокопрочными.
Углеродистые стали и чугуны находят широкое применение для изготовления деталей СТС.
Основными из них являются:
Сталь 15 - вкладыши рамового опорного и установочного подшипников судовых среднеоборотных двигателей (СОД), подшипник рамовый с заливкой Б83; шпиндель, ось ролика регулятора с цементацией 0,8-1,2 мм; шайба кулачная, втулка топливной шайбы и топливная шайба c последующей цементацией 1,2-2,0 мм судовых малооборотных двигателей (МОД).
Сталь 25Л - нижняя головка шатуна СОД, рама фундаментная, ползун крейцкопфа с заливкой Б83 или БН и корпус толкателя привода распредвала.
Сталь 35 - вал коленчатый, стержень шатуна рабочего цилиндра и груз распределительного вала судовых СОД, связь анкерная, вал коленчатый, шатун рабочего цилиндра, болт шатунный, крейцкопф, вал распределительный, корпус главного пускового клапана.
Сталь 45 - вал распределительный, шестерни и другие детали СОД; болт, гайка и контргайка рамового подшипника; звездочки после литья и оси привода распредвала, корпус форсунки, шестерни, вал приводной и муфты регулятора с приводом.
СЧ 21 - рама фундаментная, крышка рамового подшипника, блок цилиндров, а также корпус, верхняя и нижняя крышка регулятора числа оборотов судовых двигателей, крышка подшипника, блок цилиндров, маховик, уплотнение поршневого штока корпус сальника; корпуса топливного насоса, подшипника регулятора с приводом, сервомотора регулятора.
СЧ 24 - корпус привода топливного насоса, крышка рабочего цилиндра, кольца уплотнительные и маслосъемные, вставка головки поршня.
СЧ 28 - крышка-втулка рабочего цилиндра и поршень судовых среднеоборотных двигателей, параллель и тронк поршня.

Легированными называют стали, в которые специально вводят (леги-рующие) элементы. Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются Cr, Ni, Si, Mn, а такие элементы как W, Mo, V, Ti и другие вводят в сталь в сочетании с основными для дополнительного улучшения свойств.
Влияние легирующих компонентов на свойства стали зависит от количества вводимых элементов и их взаимодействия с железом и углеродом.
Легирующие элементы в марках стали обозначают соответствующими буквами: Х – хром, Н – никель, С - кремний, Г – марганец, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Т – титан, Ю – алюминий, А - азот, Б - ниобий, Д - медь, Е - селен, К - кобальт, П - фосфор, Р - бор, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные материалы. Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв - среднее содержание элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В означает, что это сталь со средним содержанием 0,18% С, 2% Cr, 4% Ni и около 1% W.
При маркировке инструментальных и некоторых специальных сталей отходят от этого правила. Для них содержание углерода указывается в десятых долях процента. Например, марка 9ХС означает, что это сталь с содержанием 0,9% углерода, около 1% хрома и 1% кремния, а при отсутствии цифры - содержание углерода от 1 до 1,5%.
Некоторые легированные стали выделены в отдельные группы: Ш- шари-коподшипниковые, Р - быстрорежущие, Е - магнитные и др.
Легированные стали находят широкое применение для изготовления деталей СТС. Основными из них являются:
Сталь 15Х, 18Х, 20Х, 18ХГ с цементацией и термообработкой - толкатели топливного насоса и клапанов газораспределения, ролик, ось ролика судовых СОД, ролик пускового золотника, ось ролика привода топливного насоса, топливная и пусковая кулачные шайбы, корпус клапана, подпятник и ролик топливного насоса МОД.
Сталь 38ХМЮА с азотированием и термообработкой - корпус и плунжер топливного насоса СОД.
Сталь ШХ15 - клапан нагнетательный топливного насоса судовых СОД, плунжер и седло клапана топливного насоса СОД, сопло форсунки топливного насоса МОД.
Сталь 18Х2Н4ВА с цементацией на глубину 0,5-0,9 мм и термообработкой HRC 60 - направляющая иглы форсунки СОД.
Сталь 4Х9С2 - клапаны впускной и выпускной СОД и клапан пусковой МОД.
Сталь Р18 - игла форсунки СОД.
Сталь 3Х13 - клапаны предохранительный и воздухораспределителя СОД, Сталь 35ХМ - головка поршня МОД.
Сталь ХВГ - клапан и втулка топливного насоса МОД.
Сталь 40Х с закалкой ТВЧ на 1,5-2,5мм НRС54 - корпус форсунки МОД. Сталь 3Х13 - рубашка и корпус поршня , верхний и нижний штоки поршня и золотник сервомотора регулятора. седло главного пускового клапана МОД.
Стали Х12ВНМФ и 2Х18Н9М - наружное и внутреннее кольца, лопатки турбонагнетателя МОД.
Сталь 3Х19Н9МВБТ - лопатка ротора турбонагнетателя МОД.
Цветные металлы и главным образом их сплавы имеют сравнительно большое применение в судостроении и судоремонте. В некоторых конструкциях судна, механизмах и приборах они пока являются незаменимыми.
Все цветные металлы по сравнению с черными имеют общий недостаток: высокую стоимость. На практике чаще всего прибегают к использованию цветных металлов в случаях, когда требуется материал, обладающий высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью, антифрикционными свойствами, а также с целью снижения массы конструкций, машин и т.д.
Медь и ее сплавы, благодаря их высокой электро- и теплопроводности, пластичности, химической и коррозионной стойкости, хорошей полируемости широко используются для изготовления труб судовых систем, проводников тока, подшипников скольжения и др. В большом количестве медь используется для изготовления важнейших конструкционных сплавов: латуней и бронз.
Латуни - сплавы меди с цинком - используют для изготовления судовых систем и гребных винтов. В простых (двойных) латунях содержание цинка не превышает 38%. В специальные латуни кроме цинка вводятся Al, Fe, Sn, Pb, Si и другие элементы. Легирующие добавки оказывают различное влияние на свойства латуней. Так, добавки свинца улучшают обрабатываемость, марганца - повышают механические и коррозионные, а в сочетании со свинцом - антифрикционные свойства, железа - улучшает пластичность в холодном и горячем состояниях, алюминия (до 6%) - повышает прочность и коррозионную стойкость. Кремний вводится с целью улучшения литейных свойств.
Латунь, содержащая до 39% цинка хорошо поддается обработке давлением в горячем и холодном состояниях, сварке, пайке и лужению.
Марку латуни обозначают буквой Л, затем начальной буквой русского названия легирующего элемента, за которыми следуют цифры, указывающие среднее содержание в % меди и легирующих элементов. Например, сплав ЛМц 58-2, из которого изготавливают корпус клапана управления пуском, корпус индикаторного крана судовых МОД, содержит 58% меди и 2% марганца; ЛАМцЖ67-5-2-2, применяемая для изготовления гребных винтов, содержит 67% меди, 5% алюминия и по 2% марганца и железа.
По технологическому признаку латуни подразделяются на деформируемые и литейные.
Деформируемые латуни обрабатывают прессованием, прокаткой и штамповкой. Применяют их для изготовления деталей арматуры и трубопроводов, деталей иллюминаторов и др.
Литейные латуни применяют для изготовления фасонных отливок арматуры, дельных вещей и гребных винтов.
Литейные латуни в движущейся морской воде в разной степени подвержены коррозионному разрушению - обесцинкованию – электрохимичес-кой коррозии. Все литейные латуни могут свариваться и паяться мягким и твердым припоями.
Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием и другими элементами, являющимися легирующими компонентами. Они делятся на две основные группы: оловянистые (основной легирующий компонент - олово) и специальные (основные легирующие компоненты - алюминий, марганец, кремний и др.).
Бронзы обозначают буквами Бр, затем начальными буквами русского названия легирующих элементов, за которыми следуют цифры, показывающие их процентное содержание. Например, сплав Бр.АМц10-2, применяемый для изготовления поворотной втулки топливного насоса, содержит 10% алюминия и 2% марганца, остальное медь; Бр.ОЦС5-5-5 - втулки регулятора числа оборотов, содержит по 5% олова, цинка и свинца, остальное медь; Бр.АЖМц 10-3-1,5 - золотника клапана управления пуском СОД, содержит 10% алюминия, 3% железа и 1,5% марганца, остальное медь.
Оловянистые бронзы по технологическому признаку разделяют на литейные и деформируемые.
Оловянистые литейные бронзы обладают высокими литейными и антифрикционными свойствами, легко обрабатываются резанием, хорошо лудятся и имеют красивый цвет в готовых изделиях. Их коррозионная стойкость в морской воде обусловлена образованием на поверхности устойчивой плотной пленки окиси олова. Из оловянистой бронзы Бр.ОФ 10-1 изготавливается втулка верхней головки шатуна СОД, из БрОЦСН3-7-5-1 и БрОЦС8-4-3 - литая тонкостенная арматура, облицовки валов, корпусов насосов, работающих в морской и пресной воде, топливе и паре и др.
Деформируемые бронзы применяют для изготовления различных видов проката, поковок и штамповок.
Кроме указанных марок бронз, для деталей СОД и МОД нашли применение также Бр.АМЦ 9-2 - для стержня клапана, БрОСН5-23-1 - направляющего пояска, Бр.АЖ 9-4Л, Бр.ОФ10-1 - втулки ролика и др.
Алюминий и его сплавы обладают рядом ценных свойств: высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, малой склонностью к хрупким разрушениям, устойчивостью механических свойств при низких температурах, высокой технологичностью, эстетичностью в конструкциях и неограниченными запасами сырья для их производства.
Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые в свою очередь подразделяются на упрочняемые и неупрочняемые термообработкой.
К неупрочняемым термообработкой алюминиевым сплавам относят алюминиево-магниевый сплав АМг (магналий) и АМц.
К упрочняемым термообработкой алюминиевым сплавам относятся дуралюмины.
Литейные алюминиевые сплавы для фасонного литья используются для изготовления деталей оборудования, арматуры, деталей электрооборудования. Наиболее широкое применение нашли алюминиево-кремнистые сплавы (силумины), имеющие хорошую жидкотекучесть, небольшую усадку, возмож-ность получения мелкозернистой структуры путем модифицирования, равномер-ность механических свойств по сечению отливки и др. Недостатки силуминов - низкая пластичность и коррозионная стойкость в морской воде, плохое сопро-тивление ударным нагрузкам. В качестве примеров применения силуминов: АЛ2 и АЛ9 - для изготовления диффузора и корпуса турбонагне-тателя МОД.
Титан имеет серебристо-белый цвет, его плотность около 4510 кг/м3 и температура плавления 17250С. Свойства титана существенно зависят от чистоты. Титан обладает весьма высокой коррозионной стойкостью, что в сочетании с низкой плотностью и высокими механическими свойствами предопределило его широкое применение для судовой арматуры подводных лодок и др. Надежную защиту титана и его сплавов от коррозии обеспечивает нерастворимая пассивная пленка, образующаяся на поверхности изделий при воздействии агрессивной среды.
Титан используют в основном для производства конструкционных сплавов. Сплавы на основе титана с добавками алюминия, хрома, молибдена и других элементов обладают более высокими механическими свойствами, чем технический титан. В судостроении наиболее перспективно использование титана и титановых сплавов для плакирования стальных листов, изготовления гребных винтов, крыльевых устройств, различных деталей судовой арматуры, работающих в морской воде, агрессивных и кавитирующих средах. Однако широкое внедрение титана и титановых сплавов ограничено их высокой стоимостью (они во много раз дороже низколегированной стали).
Антифрикционными называют сплавы, предназначенные для изготовления подшипников скольжения. Эти сплавы обладают малым коэффициентом трения, пластичностью, микрокапиллярностью, а также неоднородной по твердости структурой (твердые включения в мягкой основе). Такое сочетание свойств можно получить у двухфазных сплавов, у которых одна фаза - твердые кристаллы, а другая - мягкая основа. Твердые кристаллы обеспечивают хорошую сопротивляемость трению, а мягкая основа - хорошую прирабатываемость вкладыша к валу. При вращении в подшипниках мягкая основа, соприкасаясь с валом, изнашивается и образует сеть микрокапилляр, по которым циркулирует смазка. К металлическим антифрикционным материалам в судостроении относятся баббиты, бронзы (оловянистые и безоловянистые) и латуни.
Баббиты представляют собой сплавы из легкоплавких цветных металлов на основе олова или свинца и предназначены для заливки подшипников (при 300-4200С). Баббиты имеют минимальный коэффициент трения и хорошо удерживают смазку. Баббиты на оловянной основе состоят из пластичной основы и распределенных в ней твердых металлических соединений олова с сурьмой и медью (SnSb, Cu6Sn5), которые играют роль опорных частиц, воспринимающих основную нагрузку вала.
В судостроении применяются в основном оловянистый баббит Б83 и свинцово-никелевый БН. Так, ползун и кольцо уплотнительное поршневого штока МОД изготавливаются наплавкой Б83 и БН на сталь 25. Сплав Б83 применяется для заливки вкладышей, работающих при более высоких удельных нагрузках и окружных скоростях, чем сплав БН.
Основой неметаллических материалов являются синтетические и природные полимеры. Первые являются продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев, а вторые, встречающиеся в природе - натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит.
Из синтетических или природных полимеров совместно с другими компонентами: наполнителями, красителями, пластификаторами и др. получают различные искусственные материалы. Основные из них, пластмассы, лакокрасочные и склеивающие материалы, резина, асбест, нашли применение в судостроении и судоремонте.
Пластмассы широко используются как конструкционные материалы. Их свойства определяются физико-механическими характеристиками основы - смолы. В зависимости от ее поведения при нагреве пластмассы подразделяют на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные пластмассы (термопласты) при каждом нагреве размягчаются, переходят в вязкотекучее состояние, а при охлаждении отвердевают. К таким материалам относятся: оргстекло, полиэтилен, винипласт и др.
Термореактивные пластмассы (реактопласты) при нагреве вначале размягчаются, а затем при определенной температуре переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое соединение, поэтому они не могут повторно перерабатываться. К ним относят пластики на основе фенолоформальдегидной, полиэфирной и других смол.
Для расширения свойств пластмасс в ее состав вводят наполнители (порошки, волокна, листы и пр.), пластификаторы (глицерин, парафиновое масло и др.) и другие добавки (стабилизаторы, смазки, красители).
Пластмассы обладают большим разнообразием свойств: малая плотность, высокая коррозионная стойкость, высокие электроизоляционные характеристики, хорошие антифрикционные свойства, высокий коэффициент трения, большой диапазон твердости и эластичности, возможность обработки различными способами и др. Вместе с этим необходимо учитывать, что им присущи: малая прочность, жесткость и твердость; большая ползучесть, особенно у термопластов; низкая теплостойкость (от -60 до +2000С); низкая теплопроводность; старение - потеря свойств под действием тепла, света, воды и других факторов.
Резина обладает весьма ценными свойствами: эластичностью, упругостью и др. Ее получают путем специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. В судостроении она применяется для уплотнительных элементов (сальников, прокладок, манжет), подшипников, электроизоляционных элементов, водоплавательных средств и др.
Лакокрасочные материалы принадлежат к группе пленкообразующих материалов. Кроме пленкообразующих веществ (синтетические смолы, масла) компонентами их являются растворители, пластификаторы и др.
Лакокрасочные материалы широко применяются для защиты корпуса судна и его оборудования от коррозии, обрастания и с декоративными целями. Классификация лакокрасочных материалов по составу и назначению, совместимость их с грунтовками и технологические схемы окраски наружных и внутренних поверхностей корпуса судна, его трюмов, отсеков, цистерн и т.п. приведены в [9, с.51-61].
Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам. Основные марки клея, рекомендуемые для склеивания различных судостроительных материалов, типовые режимы склеивания и рабочие температуры приведены в [9, с.72-76]. Там же приведена рецептура и режимы отверждения эпоксидных клеев.
Асбестом называют группу минералов волокнистого строения, представляющих собой скопление тончайших волокон в виде кристалликов, удлиненных по одной из своих осей. По специальной технологии асбестовые минералы расщепляют на эластичные и прочные волокна. Эти волокна являются исходным сырьем для производства ряда асбестовых материалов: нитей, шнуров, листовых и фрикционных материалов, сальниковой набивки и т.д. Так, шнуры, сплетенные из асбестовой нити и пропитанные антифрикционным маслобензостойким составом или клеем на основе каучука и графита или прорезиненного и пропитанного графитом, применяются в качестве сальниковых набивок, работающих в различных средах (вода, пар, топливо, аммиак и др.) при температурах до 5000С [9, с.64].
Неметаллические материалы достаточно широко применяют в судостроении и судоремонте.
Так, коррозионные разъедания и раковины втулки цилиндра МОД заделываются составом на основе эпоксидных смол (МВР-134-67), включающие следующие компоненты.
Состав 1: эпоксидная смола ЭД-5 - 100 в.ч., пластификатор ДБФ - 15-20 в.ч., отвердитель ПЭПА - 12-14 в.ч., наполнитель: графит - 30 в.ч., тонкоизмельченные металлические порошки - алюминиевая или бронзовая пудра 15-20 в.ч., асбестовое волокно - 5-10- в.ч., портланд-цемент - 30-40 в.ч.
Состав 2: эпоксидная смола ЭД-6 - 100 в.ч., пластификатор ДБФ - 20-25 в.ч., отвердитель ПЭПА - 10-12 в.ч., наполнитель - тот же, что и в составе 1.
Состав 3: компаунд К -153 - 100 в.ч., отвердитель ПЭПА -12 в.ч., наполнитель - тот же, что в составе 1.
Для экрана турбонагнетателя используется теплоизоляция "Мамва", составляющими которой являются:
а) вата минеральная марки 100 ГОСТ 4640-66 - 10 частей б) асбест 7 сорта ГОСТ 12871-67 - 2 части в) вода - 2 части г) глина ФПС, ФВ или ФО ГОСТ3226-65 - 1 часть В качестве набивки и материала уплотнительных колец применяется резина и асбест и т.д.
Для изготовления деталей СТС используются заготовки, получаемые различными способами. Основными из них являются литейное производство и обработка металлов давлением. Путем литья получают различного вида отливки, а обработкой металлов давлением - поковки и различного вида продукцию прокатного производства. Этими способами получают также и готовые изделия, не требующие последующей обработки.
Из жидкого расплава можно отлить заготовку любой формы. Литейный способ позволяет изготовить изделия из материалов, не поддающихся обработке в твердом состоянии.
Благодаря интенсивному усовершенствованию способов литья все больше производится заготовок с улучшенными эксплуатационными характеристиками, например с тонкими стенками (0,5мм), с небольшими отклонениями от размеров, с лучшим качеством поверхности.
Суть литейного производства состоит в том, что фасонные детали (заготовки) получают заливкой жидкого металла в литейную форму, полость которой соответствует их размерам и форме. После кристаллизации металла литую деталь (заготовку), называемую отливкой, удаляют из литейной формы и в случае необходимости отправляют в механический цех для последующей обработки. Общая схема технологического процесса изготовления отливки приведена на рис. 3.4.

























Рис. 3.4.Общая схема технологического процесса изготовления отливки

Технология изготовления отливки начинается с разработки ее чертежа и рабочих чертежей модельного комплекта (модели и стержневого ящика).
В состав литейного цеха входят отделения: модельное, землепригото-вительное, стержневое, формовочное, плавильное, выбивное, обрубное, очистное. Названия отделений соответствуют технологическим операциям, которые в этих отделениях проводятся.
Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склонность к образованию трещин, склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.
Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.
Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения сплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т.д.
Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур.
Наибольшей жидкотекучестью обладают серый чугун, наименьшей -магниевые сплавы.
Усадка - свойство литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах.
Линейная усадка - уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, до температуры окружающей среды.
На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9-1,3%, для углероди-стых сталей 2-2,4%, для алюминиевых сплавов 0,9-1,5%, для медных 1,4 - 2,3%.
Объемная усадка - уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.
Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке.
Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещин и короблении.
В отливках в результате неравномерного затвердевания тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлаждении возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше, чем меньше податливость формы и стержня. Если величина внутренних напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или холодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность и пластичность и способен противостоять действию возникающих напряжений, искажается геометрическая форма отливки.
Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов, серы и др. примесей. Кроме того, образование горячих трещин вызывают резкие переводы от тонкой части отливки к толстой, острые утлы, выступающие части и т.д.
Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин.
Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность.
В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны активно поглощать значительное количество водорода, кислорода, азота и других и других газов из оксидов и влаги исходных шихтовых материалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающий среды, при заливке металла в форму и т.д. В результате этого образуются газовые раковины и пористость в отливках.
Современное литейное производство располагает многими способами изготовления отливок, область применения которых определяется многими факторами: типом производства, массой отливок, точностью и чистотой поверхности отливок; литейными свойствами сплавов, экономической целесообразностью использования того или иного способа.
В настоящее время около 90 % отливок изготавливают в разовых песчанно-глинистых формах.
Точность геометрических размеров, шероховатость поверхности отливок, полученных в песчаных формах, во многих случаях не удовлетворяет требованиям современной техники. Поэтому быстрыми темпами развиваются специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и др.
Литье в оболочковые формы. Разовую литейную форму изготовляют в виде оболочки, используя для формовочной смеси в качестве связующего материала фенольные термореактивные смолы, прочно цементирующие мелкий кварцевый песок, являющийся наполнителем. Изготовление оболочковой формы исключает потребность в опоках, резко снижает расход формовочной смеси, легко механизируется и автоматизируется.
Литье по выплавляемым моделям. Этим способом отливки получают путем заливки расплавленного металла в формы, изготовленные по выплавляемым моделям многократным погружением в керамическую суспензию с последующими обсыпкой и отверждением. При этом способе получаемые отливки настолько точны, что объем механической обработки уменьшается на 80 - 100 % и в 1,5 - 2 раза сокращается расход жидкого металла.
Литье по выплавляемым моделям применяют при производстве отливок массой от 0,02 до 100 кг, с толщиной стенок до 0,5 мм и отверстиями диаметром до 2 мм из любых литейных сплавов.
Литье в кокиль. При литье в кокиль отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы - кокили. Обладая по сравнению с песчано-глинистыми формами приблизительно в 60 раз более высокой теплопроводностью, кокили обеспечивают мелкозернистую структуру отливок, что повышает их прочность.
Изготовление отливок литьем под давлением. Сущность заключается в том, что жидким металлом принудительно заполняют металлическую пресс-форму под давлением, которое поддерживают до полной кристаллизации отливки. Давление обеспечивает быстрое и хорошее заполнение формы, высокую точность и малую шероховатость поверхности отливки. Принудительное питание отливки жидким металлом исключает возможность образования усадочных раковин, пористости и не требует установки прибылей. Ускоренная кристаллизация металла в металлической пресс-форме под давлением обусловливает образование мелкозернистой структуры. Благодаря внешнему давлению растворенные в металле газы остаются в твердом растворе, что снижает газовую пористость металла. Отливки полученные этим методом, как правило, не имеют припусков на механическую обработку и после удаления из формы являются готовыми деталями. Литьем под давлением можно получать отливки с толщиной стенок до 0,5 мм, сложной конфигурации и с отверстиями диаметром до 1 мм.
Центробежное литье. При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок. Из всех литейных сплавов наилучшими литейными свойствами обладает серый обыкновенный чугун, содержащий 2,7-3,5 % углерода, 0,5-4,0 % кремния, 0,3-1,5 % марганца, до 0,2 % фосфора и менее 0,15 % серы.
Основным фактором, влияющим на структуру чугуна, является химический состав. Углерод обеспечивает хорошую его жидкотекучесть. Кристаллизация серого чугуна в форме сопровождается выделением графита. Выделение графита сопровождается увеличением объема отливки, что способствует заполнению форми и уменьшению усадки. Нижний предел содержания углерода ( 2,7 %) принимают для толстостенных отливок, а верхний ( 3,5 % ) - для тонкостенных.
Кремний повышаем жидкотекучесть, способствует процессу графитиза-ции, уменьшает тем самым усадку чугуна и, следовательно, является одним из главных элементов в чугуне, улучшающих его литейные свойства.
Марганец отбеливает чугун, увеличивает усадку, нейтрализует вредное влияние серы, повышает прочность отливок.
Фосфор повышает жидкотекучесть чугуна, однако повышает хрупкость и твердость отливок.
Сера сильно ухудшает литейные свойства чугуна.
Изготовление отливок из ковкого чугуна, требует применения исходного чугуна такого химического состава: 2,5 - 3,2 % углерода, 0,9 -1,2 % кремния, 0,3 - 0,7 % марганца, до 0,2 % фосфора и до 0,12 % серы. Такой чугун обеспечивает получение отливок со структурой белого чугуна, подвергаемых длительному отжигу, при котором труднообрабатываемый белый чугун превращается в достаточно прочный, легко обрабатываемый резанием ковкий чугун. По механическим свойствам он занимает среднее положение между серым обыкновенным чугуном и углеродистой сталью.
Технология изготовления отливок из высокопрочного чугуна ничем не отличается от технологии получения отливок из серого чугуна. Если в перегретый до 15000С жидкий серый чугун перед заливкой в литейную форму добавить менее 1 % (по весу расплава) смеси магния с ферросилицием или церий, то после кристаллизации получается структура высокопрочного чугуна с включениями графита шаровидной формы. Высокопрочным чугуном во многих случаях заменяют углеродистую сталь, ковкий чугун и цветные сплавы. Отливки из высокопрочного чугуна на 25-30 % дешевле стальных и в 3-4 раза дешевле отливок из цветных сплавов.
Изготовление отливок из стали. Литые изделия из стали имеют ряд преимуществ перед чугунными: обладают значительной прочностью, что дает возможность уменьшить сечение отливки и вес конструкции; хорошо свариваются, что позволяет получать сложные крупные отливки из нескольких литых свариваемых частей и легко исправлять литейные дефекты.
Технология изготовления форм для фасонного стального литья является наиболее сложной и трудоемкой операцией из-за плохих литейных свойств стали.
Малая жидкотекучесть требует перегрева металла и большего сечения каналов литниковой системы, чем для отливок из серого чугуна.
Отливки из сплавов алюминия, содержащие 5-13 % кремния (силумины), полученные литьем в разовые и особенно в металлические формы, отличаются высокими литейными и механическими свойствами. Присадка меди и магния позволяет упрочнить эти сплавы. Применяют их для литья высоконагруженных деталей двигателей.
Алюминиевые сплавы с добавкой меди (дуралюмины) обладают высокими механическими, ни низкими литейными свойствами.
Все литейные сплавы на алюминиевой основе имеют небольшую плотность (2,55-2,95 г/см2), невысокие температуры плавления (610–7800С).
Отливки из сплавов медиобладают хорошими литейными и достаточно высокими механическими и антифрикционными свойствами, но имеют высокую плотность (8,9 - 9,2 г/см2).
Контроль отливок осуществляется визуально для выявления брака или отливок, подлежащих исправлению. Правильность конфигурации и размеров проверяют разметкой, плотность металла отливки - гидравлическими испытаниями под давлением воды до 200 МПа. Внутренние дефекты выявляют в специализированных лабораториях.
Обработкой металлов давлением получают поковки и различного вида продукцию прокатного производства, а также и готовые изделия, не требующие последующей обработки.
Суть технологии обработки металлов давлением заключается в использовании одного из основных свойств металлов - пластичности, т.е. необратимом изменении формы и размеров тела под действием внешних сил и изменением в связи с этим структуры и механических свойств металла. Таким образом, получение заготовок, а в некоторых случаях и самих деталей требуемых размеров и форм при такой обработке достигается пластическим перераспределением (сдвигом) частиц металла. В этом заключается основное отличие и преимущество обработки давлением по сравнению с обработкой резанием, при которой форма изделия получается удалением части заготовки.
Процессы обработки металлов давлением по назначению подразделяют на два вида:
1) для получения заготовок постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строительных конструкциях или в качестве заготовок, основными разновидностями таких процессов являются прокатка, прессование, волочение;
2) для получения деталей или заготовок, имеющих приближенно формы и размеры готовых деталей и требующих обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров и получения поверхности заданного качества, основными разновидностями таких процессов являются ковка и штамповка.
Для повышения пластичности и уменьшения сопротивления деформированию металлы и сплавы перед обработкой давлением нагревают до определенной температуры. При этом нагрев металла сопровождается рядом явлений, которые необходимо учитывать. Так, при нагревании стали выше 7000С происходит интенсивное окисление поверхностного слоя с образованием окалины, а при 1330-13500С окалина плавится и железо горит с образованием снопа ярко-голубых искр. Потери металла на окалину (угар) при однократном нагреве составляют до 2,5%. Наряду с окислением происходит также обезуглероживание поверхностного слоя стали вследствие выгорания углерода. Толщина обезуглероженного слоя составляет обычно 0,2-0,5 мм, достигая иногда до 2,0 мм.
При высоких температурах нагрева интенсивно растет зерно, приводя к перегреву. Перегретая сталь имеет более низкие механические свойства. Структуру перегретой стали можно исправить отжигом. Дальнейшее повышение температуры, близкое к температуре плавления, приводит к так называемому пережогу, окончательному браку.
Каждый металл и сплав имеет свой строго определённый температурный интервал горячей обработки давлением. Например, алюминиевый сплав АК4 -470-3500; медный сплав БрАЖМц - 900-7500; для стали 45 - 1200-7500, а для стали У10 - 1100-8500.

























Лекция 4. Основы технологии слесарных и слесарно-сборочных работ.

План лекции: Общие сведения и основные операции слесарной обработки и сборки, инструмент и приспособления.

В соответствии с требованиями Международной Конвенции и рекомендациями ИМО судовой механик должен быть компетентным, т.е. обладать знаниями, позволяющими использовать на судне соответствующие инструменты для изготовления и ремонта деталей; разборки-сборки, технического обслуживания и ремонта СТС (см. спецификации минимальных требований к подготовке вахтенных механиков).
Указанный инструмент, в зависимости от характера и вида работ, при которых он используется, условно делится на три группы: 1) для изготовления на металлорежущих станках при точении, сверлении, фрезеровании, протягивании, строгании, круглом и плоском шлифованием и др., 2) для вспомогательных слесарно-ремонтных, пригоночных работ, связанных с рубкой, правкой, гибкой, клепкой, разметкой, опиливанием, сверлением, нарезанием резьбы, шабрением, распиливанием, припасовкой, заделкой трещин, притиркой, развальцовкой (отбортовкой) и др. и 3) для сборочных работ, связанных с затяжкой и стопорением резьбовых соединений, установкой заклепочных и шпоночных соединений, использованием мерительного инструмента и др.
Целью настоящей лекции является рассмотрение инструмента и технологических операций, используемых при слесарно-ремонтных работах и сборке. В этом случае используются как ручные, когда расходуется только энергия исполнителя, так и механизированные инструменты, которые в свою очередь делятся на инструменты универсального и специального назначения.
Объем слесарно-ремонтных работ на судне в значительной степени зависит от его состояния, уровня компетентности членов судовой команды, выполняющих слесарные операции, уровня технической оснащенности и применяемой технологии.
В условиях судна от членов команды, выполняющих слесарные операции, требуется универсальность. Вахтенный судовой механик и моторист должны уметь выполнять операции слесарной обработки, используя для этого соответствующий инструмент: режущий (сверла, развертки и метчики, зенкеры, призматические и круглые плашки, шаберы, в т.ч. механические, напильники), мерительный (штангенциркуль, микрометр, предельные калибры, универсальный угломер, мерные плитки), вспомогательный (кернеры, бородки, пробойники, выколотки, клейма, специальные молотки), слесарно-сборочный (гаечные ключи, отвертки, шпильковерты, плоскогубцы, круглогубцы и острогубцы, шплинто- и штифтовыдергиватели, оправки) и различные приспособления; вести разборку, сборку и техническое обслуживание и ремонт СТС, нанесение защитных покрытий на металлические детали, иметь основные навыки работы на металлорежущих станках судовой мастерской, сварочном и другом технологическом оборудовании, имеющемся на судне, знать допуски и отклонения отверстия и вала, допуски и посадки.
Слесарные и слесарно-сборочные работы представляют собой обработку металлов, обычно дополняющую станочную механическую обработку или завершают изготовление металлических изделий соединением деталей, сборкой машин и механизмов, их регулировкой. Они выполняются с помощью ручного или механизированного слесарного инструмента. Ручной инструмент необходимо заменять механизированным, а если это невозможно, применять ручные инструменты специального назначения.
Рассмотрим основные операции слесарной обработки и сборки, применяемые при техническом обслуживании и ремонте деталей и СТС в рейсе.
Рубкаудаление слоя материала или разделение его на части путем ударного воздействия режущим инструментом (зубилом, крейцмейселем, канавочником). Она применяется для подготовки кромок сварных швов под сварку и их обрубку, при изготовлении смазочных канавок в подшипниках скольжения, прокладок, для удаления лишнего материала на крупных деталях и т.п.
Для облегчения рубки мягкого материала режущее лезвие смазывают машинным маслом или смачивают в мыльной воде.
Углы заточки инструмента завися от свойства обрабатываемого материала. Так, для обработки алюминия он составляет 35°, меди и латуни - 45°, стали - 60° , чугуна и бронзы -70°
Опиливание (распиливание) - удаление слоя материала с обрабатываемой детали с помощью напильников для получения пазов, выступов, для индивидуальной подгонки деталей и т. п.
По конструктивным параметрам и назначению напильники подразделяются на драчовые, для грубого опиливания; личные, для получистового опиливания и бархатные, для чистового опиливания.
Плоские напильники используют для обработки плоских и выпуклых поверхностей с линейной образующей (цилиндрических, конических), квадратные - для распиливания прямоугольных отверстий, пазов, круглые - для обработки овальных, круглых и других вогнутых поверхностей. Длина напильника должна на 70-100 мм превышать ширину обрабатываемой поверхности: тиски по высоте устанавливают так, чтобы плоскость обработки касалась согнутой в локте руки.
Тонкие детали обычно имеют недостаточную жесткость, поэтому при опиливании по периметру их зажимают между металлическими накладками или деревянными брусками. Плоские поверхности обрабатывают на бруске из твердого дерева, в котором крепят упоры или прижим для детали. Если необходимо обработать несколько тонких деталей, их при возможности склепывают в пакет и обрабатывают как одну массивную деталь.
Опиливание по копиру (шаблону), являющееся наиболее точным способом обработки криволинейных поверхностей, производят без предварительной разметки в том случае, если надо изготовить несколько одноименных деталей. Копир представляет собой 2 закаленные пластины, устанавливаемые с обеих сторон заготовки.
Шабрение - метод отделочной обработки состоящий в соскабливании шаберами тонких (около 0,005 мм) слоев металла для получения ровной поверхности после предварительной обработки ее резцом, напильником или другим режущим инструментом. При шабрении металл постепенно срезается с участков, соприкасающихся (при пробе на краску) с поверхностью, к которой пригоняется данная деталь. При последующих пробах эти участки становятся все мельче и мельче («разбиваются»), пока не получится «сетка», т. е. достаточное число пятен соприкосновения.
Шабрением можно получить высокую точность: плоскостность и прямолинейность до 0,002 мм на длине 1000 мм и до 30 пятен на площади 25x25 мм.
В процессе сборки машин шабрят либо плоские поверхности деталей (плоскости разъема, направляющие) для обеспечения особо точных сопряжений, либо цилиндрические поверхности (вкладыши подшипников, втулки).
Шабрение ручными шаберами производят двумя методами - от себя (движение шабера по поверхности при снятии стружки) или на себя. Во втором случае выше производительность и ниже шероховатость поверхности. Это достигается рациональным распределением силы, прикладываемой к шаберу, и повышенной упругостью инструмента.
Шабрить поверхности целесообразно под углом к рискам и следам, оставшимся от предыдущей обработки. Двигаясь к риске под углом 30-45°, шабер не делает скачка, и риска быстро исчезает. В связи с этим в практике получил широкое распространение так называемый шахматный способ шабрения, при котором шабер движется под углом к образующей поверхности. При вторичном проходе шабер направляют под тем же углом к образующей, но в другую сторону.
Чугун шабрят всухую. При шабрении стали или других металлов обычно применяют мыльную эмульсию, керосин.
Шаберы применяют ручные плоские, канавочные, трехгранные, полукруглые, насадочные и др., а также механические (шабрение процесс трудоемкий, и там, где можно, его следует заменить другими, более производительными способами обработки). Основные характеристики шабрения и область его применения приведены в табл. 4.1.
Шлифование удаление слоя материала шлифовальными шкурками с целью снижения шероховатости поверхности и повышения точности детали. На судах наиболее применимы шкурки на тканевой основе).
Шлифовальная шкурка должна быть равномерно прижата к обрабатываемой поверхности. С этой целью се приклеивают или крепят механически (гвоздями) к деревянным брускам, круглым или коническим оправкам, которым сообщают перемещения, аналогичные перемещениям напильника. Плоские поверхности мелких деталей обрабатывают шлифовальной шкуркой, лежащей на стекле или поверочной плите. При переходе от грубых шкурок к более тонким тщательно
очищают поверхности от продуктов предшествующей обработки: абразивного материала, металлических частиц. Рекомендуемая зернистость шлифовальных шкурок и область их применения приведены в табл. 4.2.



Таблица 4.1
Основные характеристики шабрения и область его применения
Вид шабрения
Мин.
число
пятен на площади 25(25 мм
Слой. снимаемый за один ход. мм.
Шероховатость поверхности Rа, мкм.
Область применения

Черновое
3
0,020,03
202.5

Пяты шатунов вкладыши по постели, ползуны крейцкопфов, зеркало параллелей, упорные подшипники, подшипники распределительных и вертикальных валов

Получистовое
5
0,010.02
2,51,25

Соединительные фланцы без прокладок, воздушная арматура, шарнирные соединения, подшипники цапф, плоскости разъема составных зубчатых колес, эксцентрики и т.п.

Чистовое
9
0,0050,01
1.250,63

Рамовые и мотылевые подшипники, вкладыши верхних головок шатунов и т.п.

Примечание. Припуск на обработку плоских поверхностей составляет 0,20- 0.25 мм. припуск на обработку цилиндрических - от 0,05 до 0,35 мм для диаметров соответственно от 80 до 300 мм и выше.

Таблица 4.2
Рекомендуемая зернистость шлифовальных шкурок и область их применения
Вид
шлифования
№№ зернистости шкурок
Область применения

Грубое
125-80
Обработка шеек шпинделей арматуры, валов центробежных насосов, посадочных поверхностей валов, поверхностен под притирку и т.п.

Получистовое
63-32
Обработка рабочих поверхностей цилиндровых втулок, шеек распределительных валов, лопаток паровых турбин, посадочных поверхностей под поршневые пальцы, поверхностен торцов поршневых колец и т.п.

Чистовое
25-10
Обработка шеек коленчатых валов и компрессоров, валов турбонасосов, электрических лебедок и т.п.

Тонкое
8М40
Обработка рабочих поверхностей поршневых пальцев и т.п.


Притирка - механическое или химико-механическое удаление слоя материала абразивными порошками или пастами с целью получения герметичных разъемных и подвижных соединений: уплотнительных поверхностей арматуры, клапанов, топливной аппаратуры н др. Более распространенные в судоремонте притирочные пасты в сравнении с порошками в 3-4 раза ускоряют процесс притирки. Основные характеристики алмазных паст и паст ГОИ и область их применения приведены в табл.4.3.
Таблица 4.3
Основные характеристики алмазных паст и паст ГОИ
и область их применения
Паста
Цвет пасты
Область применения


алмазной
ГОИ


Грубая
Красный
Черный
Припуск до 0,1 мм; притирка поверхностей клапанов ДВС, паровых машин, компрессоров, насосов и т. п.

Средняя
Голубой
Темно-зеленый
Припуск до 0,06 мм; притирка конусов игл и распылителей в форсунках, арматуры и др.

Тонкая
Зеленый
Светло-зеленый
Припуск до 0,01 мм; притирка рабочих поверхностей плунжеров и втулок топливных насосов, плоских уплотняющих поверхностей деталей топливной аппаратуры и т.п.

Очень тонкая
Желтый

Припуск до 0,005 мм; притирка направляющих игл форсунок, полировка поверхностен


Полированиеобработка поверхности детали абразивными материалами до получения зеркального блеска посредством снижения ее шероховатости пластическим деформированием и срезанием выступов микронеровностей. Его применяют для повышения коррозионной стойкости и сопротивления усталости материала; для уменьшения трения.
Обработка состоит обычно в последовательном применении алмазных паст и паст ГОИ с уменьшающейся зернистостью абразивного материала, наносимых на вращающиеся с окружной скоростью 3035 м/с круги из войлока, фетра или полотна. Припуск на обработку составляет не более 0,01 мм.
При обработке особо мягких материалов (оргстекла, алюминия) на завершающем этапе целесообразно использовать в качестве абразивного материала зубной порошок или мел, разведенный водой до консистенции пасты.
После полирования деталь следует тщательно протереть сукном, обмыть чистым бензином и досуха обдуть сжатым воздухом.
Полирование как правило не исправляет первоначальных неточностей обработки, а при большом припуске геометрическая форма нередко даже ухудшается.
Развальцовка (отбортовка) - увеличение диаметра конца трубы для образования телескопического соединения или закрепления в трубной доске котла. Отбортовка - отгибание конца трубы для последующего соединения его с помощью фланца или крепления в трубной доске. Эти операции связаны с пластическим деформированием материала.
Металлические трубы развальцовывают вальцовками, имеющими обычно вальцующие и бортующие ролики. Величина развальцовки составляет 25-30% толщины трубы, длина выступающей для отбортовки части - примерно треть ее наружного диаметра.
Заделка трещин с помощью стяжек и резьбовых штифтов применяется для трудносвариваемых материалов.
Резьбовые штифты устанавливают при небольших размерах трещины. После зачистки засверливают ее концы, нарезают резьбу М5-М8, ввертывают в отверстие отожженный медный или латунный пруток с нарезанной на конце резьбой и отрезают оставшуюся часть. Затем производят разметку по всей длине трещины с шагом, составляющим 3/4 диаметра резьбы, и так же попарно устанавливают остальные штифты, зачеканивают их и зачищают напильником.
Стяжки, изготавливаемые из более прочного, чем восстанавливаемая деталь материала, применяют для предотвращения дальнейшего распространения трещины. По кондуктору, шаг которого равен шагу цилиндрических выступов имеющейся стяжки, сверлят отверстия глубиной на 5-10 мм меньше толщины стенки детали, вырубают (фрезеруют) и зачищают перемычки между отверстиями, забивают стяжки в приготовленные пазы и, срезав их выступающую часть, зачеканивают. Затем, если это необходимо, устанавливают резьбовые штифты по длине трещины, не нарушая целостности стяжек.
Для обеспечения герметичности места обработки резьбовые штифты и стяжки можно устанавливать, используя для этого эпоксидные клеи.
Правка устранение неровностей, кривизны или других дефектов формы детали (заготовки), протекающее без удаления слоя материала. На судах правят полосы, листы, прутки, проволоку и сварные конструкции как в холодном, так и в горячем состоянии нанесением ударов, раскручиванием, с помощью термических напряжений.
Гибкапридание заготовке в холодном или нагретом состоянии изогнутой формы, отвечающей заданному контуру. На судах чаще всего изгибают трубы, листы, полосы, прутки, навивают пружины. Расчетная длина заготовки определяется по нейтральной оси и может быть представлена как сумма длин отдельных прямолинейных участков и дуг окружности. При этом радиус скруглений выбирают с учетом свойств и толщины (диаметра) изгибаемого материала. Фактическая длина заготовки может превышать расчетную на размер технологического припуска (для возможности подгонки по месту, закрепления во время обработки), удаляемого по окончании гибки. После определения длины заготовки ее отрезают, правят и размечают на ней чертилкой или мелом участки, подлежащих гибке.
В судоремонте гибка имеет достаточно широкое распространение, особенно в связи с пригонкой различных труб трубопроводов, соединений с закреплением деталей посредством изгиба шплинта и др. В ряде соединений необходимо предусматривать соответствующее направление изгиба, а также его форму.
В условиях эксплуатации судна часто возникает необходимость в выполнении работ по соединению различных трубок, В этом случае необходимо учитывать, что медные или латунные трубки малого диаметра (до 8 мм) при больших радиусах закруглений (более 10-12 диаметров), а также в случае, если не предъявляются требования в отношении точности формы, можно гнуть вручную в холодном состоянии. Трубопроводы же большего диаметра (814 мм) также можно изгибать вручную по шаблону, но на место сгиба на трубу надевается плотно навитая спиральная пружина из стальной проволоки. При больших диаметрах такую пружину целесообразно вставлять внутрь трубы, вследствие чего обеспечивается плавный изгиб и сохраняется круглая форма трубопровода.
Трубы диаметром более 20 мм гнут после наполнения их песком или расплавленной канифолью. Песок должен быть мелким и сухим, и чем плотнее он будет утрамбован, тем менее вероятно появление на трубе морщин и вмятин при изгибе.
Клепка – операция получения неразъемных соединений с помощью заклепок различной формы и размеров. Она подразделяется на холодную, горячую и смешанную. При клепке в холодном состоянии диаметр отверстия принимают на 0,1-0,2 мм больше диаметра заклепки. Горячая клепка выполняется заклепками диаметром более 10 мм, нагретыми до определенной температуры. В этом случае диаметр заклепки принимается на 0,5-1,0 мм меньше диаметра отверстия. Смешанная клепка применяется при установке длинных заклепок, когда нагревают не весь стержень, а только его концевую часть, на которой высаживается замыкающая головка. Клепка может быть обыкновенной и потайной. Она может производиться как вручную, так и на специальных прессах.
Разметкананесение на деталь или заготовку разметочных линий, определяющих места, подлежащие обработке. На основании чертежа линии с помощью чертилок и кернера наносят на поверхность детали, предварительно очищенную и закрашенную сухим мелом, быстросохнущим черным лаком или эмалью.
Поскольку на судне часто приходится изготавливать (восстанавливать) лишь одну деталь, наиболее целесообразной следует признать разметку «по месту» (расположение отверстий, пазов и т. п. р. этом случае определяют по детали, сопрягаемой с вышедшей из строя).
Сверление – один из самых распространенных методов получения отверстия резанием. Оно применяется при выполнении многих слесарных работ и выполняется на приводных сверлильных станках и вручную – ручными дрелями, с помощью механизированного инструмента – электрическими и пневматическими дрелями, а также электроискровым ультразвуковым методами.
Часто встречающиеся при сверлении погрешности - это увеличенное по диаметру отверстие, грубая поверхность, перекос и увод отверстия. Увеличенное отверстие получается при биении сверла или при неправильной его заточке. Эту погрешность можно легко обнаружить и устранить в процессе сверления. Грубая поверхность отверстия получается при слишком большой силе, прикладываемой к сверлильной машине, а также при плохой очистке отверстия от стружки. Перекос и увод отверстия получаются в результате неправильного или слабого закрепления детали.
Развертывание – операция для получения требуемой посадки или соосности отверстий. Толщина слоя металла удаляемого при развертывании, колеблется от нескольких сотых до 0,2-0,3 мм и зависит от диаметра отверстия.
При большом припуске применяют зенкерование и развертывание или несколько разверток с последовательно увеличивающимися диаметрами. На долю последней развертки (чистовой) оставляется минимальный слой, в результате чего достигается минимальная шероховатость поверхности и высокая точность.
Нарезание резьбы на токарных станках наиболее часто нарезают метчиками, плашками и резьбовыми резцами после подготовки наружных или внутренних поверхностей.
Для получения высококачественной наружной резьбы стержень (трубу и т.п.) протачивают с учетом «подъема» материала в результате протекающей в зоне резания пластической деформации.
Учитывать происходящие при нарезании резьбы деформации обязательно также при сверлении или растачивании отверстий под внутреннюю резьбу.
Распиливание (разрезание) - разделение материала или заготовки на части. Его осуществляют вручную ножницами для металла, ножовками, труборезами, а также дуговой сваркой и газовой (только для стали).
Для разрезания латуней и бронз используют только новые ножовочные полотна, так как даже при небольшом изнашивании ножовочное полотно скользит по поверхности резания.
Чеканка придание детали или ее части необходимой конфигурации путем пластического деформирования материала инструментом - чеканом, по которому наносят удары молотком. Чекан изготавливают из стальных прутков длиной 100-180 мм, придают требуемую форму его рабочей части и производят ее закалку и низкий отпуск. На судах зачеканивают противоизносные кольца головок поршней, стяжки, заклепочные швы и др.
Припасовка – окончательная точная пригонка одной детали к другой без каких-либо просветов, качания и перекосов. При этом одна из деталей до пригонки и припасовки должна быть обработана в пределах заданной точности. Производят припасовку как замкнутых (закрытых), так и полузамкнутых (окрытых) контуров. Эти контурные полости (отверстия) называются проймами. Правильность их контуров проверяется специальными калибрами-шаблонами, называемыми выработками.
Затяжка резьбовых соединений в процессе сборки в значительной мере определяет надежность и долговечность их работы. Если детали, соединяемые болтами, шпильками или винтами, испытывают во время работы переменные ударные нагрузки, то такие соединения следует затягивать крутящим моментом определенной величины, при этом в случае многоболтового (многовинтового) соединения нужно обеспечить равномерность затяжки для всех резьбовых соединений. Требования к равномерности затяжки еще более повышаются, если в соединении необходима герметичность. Неполная и неравномерная затяжка гаек (винтов) может явиться причиной деформации деталей под действием переменной нагрузки, нарушения плотности соединения и т. д. Поэтому обеспечение требуемой затяжки резьбового соединения является весьма ответственной частью технологии сборки.
Наиболее распространенный способ ограничения затяжки - применение специальных ключей – предельных (выключающихся при достижении предельной нагрузки) и динамометрических (с указателем величины прикладываемого момента).
Стопорение резьбовых соединений необходима для устранения его самопроизвольного ослабления (самоотвинчивания), которое может привести к нарушению работы СТС и стать причиной аварии. Поэтому при сборке таких соединений большое внимание уделяют обеспечению стабильности их затяжки.
Существует несколько способов стопорения: контргайкой, винтом, накерниванием и др.
Сборка соединений со шпонкамив в значительной мере обеспечивает работоспособность и надежность работы сборочной единицы. Большое значение при этом имеет строгое соблюдение посадок в сопряжениях шпонки с валом и охватывающей деталью. Увеличенные зазоры - одна из основных причин нарушения распределения нагрузок, смятия и разрушения шпонки.
При монтаже на вал охватывающей детатали необходимо следить, чтобы она не «сидела» на шпонке, т. e. центрировалась бы исключительно на цилиндрической или конической поверхности вала. При этом между верхней плоскостью шпонки и впадиной паза втулки должен быть достаточный зазор.
Сборка неподвижных неразъемных соединений: с гарантированным натягом, сварные, паяные, склеиваемые и заклепочные. Гарантированный натяг обеспечивается путем нагревания охватывающей детали перед сборкой, охлаждения охватываемой детали, пластической деформации (например, развальцовкой), приданием упругости охватываемой детали и др.
Заклепочные соединения в конструкциях машин и механизмов вытесняются сварными, клеевыми и резьбовыми соединениями. Особенно заметно вытесняется клепка в связи с успехами в развитии сварки.
Пригоночные работы при сборке - ручная или механическая обработка в процессе сборки сопрягающихся поверхностей деталей для достижения необходимой точности. В результате пригоночных работ компенсирующая деталь оказывается выполненной по месту, т. е. годной только для данной сборочной единицы данного сопряжения. Процесс пригонки состоит из двух этапов: определения величины погрешности и устранения ее снятием излишнего слоя металла.
Наиболее распространенными видами пригоночных работ являются опиливание, зачистка, притирка, полирование, шабрение, сверление отверстий по месту, развертывание отверстий, подторцовывание и гибка и др.
Как известно, при обработке металла режущими инструментами на поверхности остаются царапины и неровности, размеры которых зависят от способа обработки. При выполнении пригоночных работ в процессе сборки необходимо учитывать, что состояние поверхности наряду с качеством материала и способом изготовления детали существенно влияет на ее прочность, надежность и долговечность. На шероховатых поверхностях смазка растекается по микроскопическим впадинам; несущая способность масляного слоя вследствие этого снижается, происходит частичное или полное соприкосновение трущихся поверхностей, сопровождаемое деформацией срезания выступов, т. е. быстрым износом.
Сборка резьбовых разъемных соединений отличается простотой и надежностью, удобством регулирования затяжки, а также возможностью разборки и повторной сборки соединения без замены детали.
Резьбовые соединения применяются: для обеспечения неподвижности и прочности сопрягаемых деталей; для обеспечения прочности и герметичности; для правильности установки и регулирования взаимного положения сопрягаемых деталей.
Чистота деталей - одно из основных условий достижения высокого качества сборки СТС. Поскольку металлические опилки, мельчайшие кусочки стружки, остатки обтирочных материалов, абразивный порошок, попадая в отверстия или каналы детали, могут впоследствии, при работе машины, попасть вместе со смазкой в подшипники или зазоры других подвижных сопряжений и вызвать их преждевременный износ. Для предотвращения этого детали в процессе сборки проходят специальные операции - очистку и мойку.
Большинство из рассмотренных операций, инструмента и приспособлений, используемых при слесарной обработке деталей и сборке СТС достаточно полно представлены в следующих диафильмах.
Сл.1. Слесарно-ремонтные работы в судостроении. В нем приведены слесарный инструмент (сверла, развертки и метчики, зенкеры, призматические и круглые плашки, шаберы, в т.ч. механический, напильники, различные приспособления); мерительный инструмент (штангенциркуль, микрометр, предельные калибры, универсальный угломер, мерные плитки, допуски и оклонения отверстия и вала, допуски и посадки), а также виды обработки: резанием (точение, сверление, фрезерование, протягивание, строгание, круглое и плоское шлифование); судоремонтные работы (шабрение плоскости и подшипника, разрезание ножовкой, рубка зубилом, опиловка поверхности, гибка листового материала, приемы клепки, заливка вкладышей подшипника баббитом, некоторые монтажные работы).
Сл.2. Приемы рубки, правки и гибки металла, состоящего из двух частей: ч.1 - организация рабочего места слесаря и приемы рубки металла (верстак, режущий инструмент: зубило, коейцмейсель, канавочник и углы их заострения), ударный инструмент и положения работающего и приемы рубки металла, ее механизация; ч.2 - правка и гибка металла: виды деформаций металла, его правка и гибка (в т.ч. и сварных изделий); приемы гибки металла: изменение структуры, определение длины развертки при гибке различных профилей под различными углами, гибка, навивка цилиндрической пружины и др.
Сл.3. Рубка, правка, гибка, клепка металлов, включающий основные приемы выполнения операций, инструмент и приспосбления.
Сл.4.Опиливание, распиливание, припасовка. Здесь подробно рассмотрены напильники, его элементы и выбор по профилю, уход за напильниками и рабочее ме сто при опиливании, приемы работы при опиливании различных поверхностей, контроль плоскостей, ошибки при опиливании, механическое опиливание, приемы распиливания, припасовка, техника безопасности при опиливании.
Сл.5. Механизация слесарных работ (шабрение, притирка, полирование). В диафильме представлены различные механизированные инструменты для этих работ, а также предложения по замене, например, шабрения тонким фрезерованием, притирки и полирования – шлифованием и т.п.
Сл.6. Техника безопасности при выполнении слесарных и сборочных работ в двух частях. Сл.7. Контроль станочных и слесарных работ в двух частях.
Сл.8. Разметочные и проверочные работы в судоремонте.
Сл.9.. Технология судовых слесарно-монажных работ в двух частях.





Лекция 5. Общие сведения о получении неразъемных соединений.

План лекции: Основные способы получения неразъемных соединений: сварка, пайка и склеивание материалов. Электрическая дуговая сварка: сварочные материалы и оборудование, основные способы электродуговой сварки и выбор элементов режима ручной электродуговой сварки. Технологические особенности сварки углеродистых и легированных сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Газовая сварка и резка металлов.

По рассматриваемой теме на кафедре имеются следующие диафильмы, с которыми необходимо ознакомиться и изучить.
Св.1. Техника безопасности и производственная санитария при сварочных работах, 2 ч.
Св.2. Электросварка в судостроении, 3 части.
Св.3. Газовая сварка и газовая резка в судостроении, 2 части.
Св.4. Лужение, паяние, заливка подшипников, склеивание металлов.
Св.5. Газовая сварка.
Св.6. Газовая резка металлов.
Св.7. Механизация сварочных работ, 2 части.
Св.8. Сварочное оборудование и аппаратура.
Св.9. Газопламенная обработка.
Св.10. Сварочные трансформаторы
Основными способами получения неразъемных соединений являются сварка, пайка и склеивание материалов. Использование их для получения заготовок и деталей значительно уменьшает трудоемкость изготовления и снижает расход материала.
Сваркой материалов называется процесс получения неразъемных соединений изделий за счет использования межмолекулярных и межатомных сил сцепления. Поэтому, чтобы сварить заготовки необходимо сблизить их на межатомное расстояние.
Сварка металлов и их сплавов имеет наиболее важное значение по сравнению с другими методами получения неразъемных соединений. Это объясняется ее широким распространением и высокой технико-экономической эффективностью. Так, замена литья сваркой экономит 40-50% массы детали. Большой экономический эффект эти способы дают при ремонте CТС и восстановлении деталей. Сварку широко применяют для соединения однородных и разнородных материалов.
Физическая сущность сварки металлических изделий заключается в сближении их на расстояние примерно равное параметру кристаллической решетки. Этому сближению мешают неровности механической обработки и наличие окисных пленок, которые на несколько порядков больше указанного расстояния. Для преодоления этого препятствия необходимо либо сдавить эти заготовки, либо расплавить место их соединения. В связи с этим сварку делят на два основных способа: сварку давлением и сварку плавлением.
При сварке плавлением кромки соединяемых деталей, основной металл, и при необходимости дополнительный (присадочный), нагревают до расплавленного состояния, образуя общую сварочную ванну. После удаления источника нагрева металл ванны охлаждается и затвердевает, образуя наплавленный металл, или сварной шов, соединяющий свариваемые поверхности в одно целое.
По своей природе сварка плавлением является сложным и разнообразным по форме металлургическим процессом. Свойства металла в зоне шва определяются условиями протекания процессов плавления, металлургической обработки основного и присадочного материалов и кристаллизации полученного металла шва при охлаждении.
Свойства сварного соединения в целом определяются характером теплового воздействия на металл в околошовных зонах.
Сварка пластмасс производится с помощью теплоносителя (нагретый газ или инструмент) или нагрева ТВЧ, ультразвуком, трением. Наиболее широко в судоремонте применяется сварка с использованием в качестве теплоносителя нагретый до 180-2200С газ (воздух, азот, углекислый газ) и нагретым инструментом (пластина, паяльник и пр.). После удаления инструмента или разогрева поверхностей свариваемых деталей их сдавливают, чем и обеспечивают сварку.
Пайкой называется процесс получения неразъемных соединений изделий за счет диффузии расплавленного припоя, проникающего в нагретые поверхностные слои заготовок. Припой - металлический сплав, имеющий температуру плавления ниже температуры плавления соединяемых материалов. Температура пайки обычно на 10-300С выше температуры ликвидуса припоя.
Пайка характеризуется широкими возможностями в отношении соединения разнородных материалов: металлов с керамикой, стеклом, графитом и т.п. Качество паяных соединений (прочность, плотность, коррозионная стойкость и др.) зависит от многих побочных процессов, протекающих в зоне пайки.
Принято различать пайку мягкими и твердыми припоями. Температура плавления мягких припоев, а соответственно, и пайки, ниже 4500С, твердых припоев - выше 4500С (обычно даже выше 800 - 9000С).
Склеиванием материалов называется процесс получения неразъемного соединения изделия за счет адгезии, когезии и механического сцепления клеевой пленки с поверхностями склеиваемых заготовок. При этом адгезией (прилипаемостью) называется способность клеевой пленки прочно удерживаться на поверхности склеиваемых материалов, а когезия представляет собой собственную прочность пленки.
Склеивание материалов по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений имеет ряд преимуществ: возможность соединения различных материалов (металлов и сплавов, пластмасс, стекол, керамики и др.) как между собой, так и в различных сочетаниях; атмосферостойкость и стойкость к коррозии клеевого шва; возможность соединения тонких материалов, значительное упрощение технологии изготовления изделий и др. Недостатками клеевых соединений являются относительно низкая длительная теплостойкость (до 3500С), склонность к старению и др.
Прочность склейки можно повысить путем механического сцепления пленки клея с шероховатой поверхностью материала; для этого перед склейкой поверхности обрабатывают наждачной бумагой или другим способом.
Электродуговая сварка - наиболее распространенный способ получения неразъемных соединений. Она занимает первое место по числу установок, занятых рабочих, объему и стоимости выпускаемой продукции. Источником тепла при электродуговой сварке является электрическая (сварочная) дуга, которая горит между электродами и заготовкой. На практике применяют два способа электродуговой сварки: сварка неплавящимся электродом (рис.5.1,а) и сварка плавящимся электродом (рис.5.1,б).
При сварке на постоянном токе электрод присоединяют к отрица-тельному полюсу генератора, а изделие - к положительному (прямая полярность). При сварке с обратной полярностью дуга получается менее устойчивой. При перемещении дуги образуется сварочная ванна.














Более широкое применение имеет сварка на переменном токе, так как оборудование для сварки на переменном токе значительно дешевле, меньшей массы и габаритов, проще в эксплуатации. Кроме того, к.п.д. сварочных трансформаторов переменного тока составляет 0,8-0,85, а агрегатов постоянного тока - 0,3-0,6; расход электроэнергии при сварке на переменном токе почти в 3 раза меньше: чем на постоянном. Недостатком сварки на переменном токе является меньшая устойчивость горения дуги.
Выделение тепловой энергии в сварочной дуге происходит неравно-мерно. Количество тепла, выделяемого на аноде, составляет около 43% за счет бомбардировки его электронами, имеющими кинетическую энергию больше, чем ионы, бомбардирующие катод. На катоде выделяется около 36% общего количества тепла сварочной дуги. Остальное количество тепла выделяется в столбе дуги. Это обстоятельство следует учитывать, например, при сварке тонких листов, где полярность играет большую роль.
При электродуговой сварке на нагревание и расплавление металла используется 60-70% тепла. Остальное количество тепла рассеивается в окружающем пространстве.
К основным параметрам, характеризующим свойства дуги, относятся напряжение, ток и длина дуги. Напряжение дуги V зависит от ее длины L, тока в ней I, материала и размеров электрода, состава и давления газов и др. Чем больше L, тем больше V. Устойчивое горение дуги при высоком качестве сварки обеспечивается при L = 3...5 мм. Зависимость между V и I, при установившемся стационарном состоянии дуги (L=const), выражается ее статической вольт-амперной характеристикой (рис. 5. 2). Как видно из рисунка, она может быть падающей I, жесткой II и возрастающей III. Самое широкое применение имеет дуга с жесткой характеристикой, при которой напряжение на дуге не зависит от силы сварочного тока.
Для устойчивого горения дуги на переменном токе необходимо увеличивать напряжение и частоту тока, применять специальный газ или обмазку (для ионизации среды).
Основными сварочными материалами при электродуговой сварке являются: сварочная проволока диаметром 0,3...12 мм, электроды (плавящиеся и неплавящиеся), флюс (крупнозернистый, стеклообразный порошок, по составу качественного покрытия электрода) и газ (гелий, аргон, углекислый газ).
Наибольшее применение нашли плавящиеся электроды, представляющие собой металлический стержень длиной 350-450 мм, диаметром d=2...6мм, с толстым (качественным) или тонким (стабилизи-рующим) покрытиями. Толщина покрытия колеблется от 1 до 3 мм. В него входят следующие компоненты: стабилизирующие (соединения Na, Ca, Ba и др.), газообразующие (оксицеллюлоза), шлакообразующие (полевой шпат, мрамор), раскисляющие (FeMn, FeSi), легирующие (FeCr, FeMo и др.) и связующие (жидкое стекло). В маркировке электрода (Э145А) цифра указывает на нижнее значение 13 EMBED Equation.3 1415в, а А - повышенное значение пластических свойств.
Сварочные машины и аппараты для питания сварочной электрической дуги: при сварке на постоянном токе питание сварочной электрической дуги происходит от сварочных генераторов или выпрямителей, а при сварке на переменном токе - от сварочных трансформаторов. Сварочные генераторы по устройству и характеристикам отличаются от обычных генераторов, применяемых для силовых установок и освещения. Это наглядно иллюстрируется внешними характеристики обычного и сварочного источников тока. Подробнее устройство и работа сварочных машин и аппаратов будет рассмотрена во время прохождения технологической практики.
При ремонте СТС и их деталей в судовых условиях (без вывода судна из эксплуатации) наиболее часто встречается ручная электродуговая сварка. Она выполняется штучными электродами.
Для получения качественного сварного шва должны быть правильно выбраны элементы режима сварки: диаметр электрода d, величина сварочного тока I и длина дуги L.
Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла h и типа сварного соединения. При этом можно руководствоваться следующими данными h/d, в мм: 0,5/1,5; 1-2/2-2,5; 2-5/2,5-4,0; 5-10/4-6; свыше 10/4-8.
Величина сварочного тока определяется в основном выбранным диаметром электрода:
I = kd, А,
где k - коэффициент, А/мм, равный 40-60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35-40 - для электродов со стержнем из высоко-легированной стали.
Длина дуги оказывает существенное влияние на качество шва; чем она короче, тем выше качество наплавленного металла. Длину дуги определяют по формуле
L = 0,5(d+2), мм
Возбуждение (зажигание) дуги при ручной электродуговой сварке может быть осуществлено двумя способами:
1)прикосновением торца электрода к свариваемому изделию и отводе электрода от изделия на расстояние 3-4 мм,
2)быстрым боковым движением электрода к свариваемому изделию и отводе электрода от изделия (подобно зажиганию спички).
Более подробно о технике выполнения ручной сварки - на технологической практике.
Технологические особенности основных способов получения неразъем-ных соединений.
При выборе способа получения неразъемного соединения, устранения трещин и других целей необходимо обращать внимание на условия работы изделия (нагрузка, температура, среда и пр.), и его трудоемкость.
Электродуговая сварка металлов и их сплавов, как наиболее распространенная, может обеспечить прочность сварного соединения на уровне основного материала, если будут учтены особенности ее технологического процесса. В первую очередь это касается правильного выбора режима сварки и сварочных материалов, а также последующей термической обработки сварного соединения.
Неравномерный нагрев основного металла, литейная усадка сварного шва и структурные превращения в ЗТВ приводят к возникновению напряжений и деформаций при сварке. Складываясь с напряжениями, возникающими от приложения внешних усилий, они могут достигать величин, превышающих допустимые. Тогда в сварных швах или в ЗТВ могут возникнуть трещины, приводящие к разрушению сварной детали.
Основными способами уменьшения указанных напряжений и деформаций являются: предварительный подогрев детали, а после сварки - отжиг или нормализация.
Предварительный подогрев уменьшает разность температур между ненагретым и нагретым до высоких температур основным и расплавленным присадочным металлом и снижает внутренние напряжения. Температура подогрева определяется свойствами металла. Так, при сварке различных сталей она составляет 100-6000С, при сварке чугуна - 500-8000С, алюминия - 250-2700С, бронзы - 300-4000С. Подогрев может быть общим или местным.
Температура подогрева может быть также определена и по соответствующей приближенной формуле.
Отжиг после сварки снимает внутренние напряжения и повышает пластичность сварных швов.
Сварка углеродистых сталей определяется в основном содержанием в ней углерода. При содержании в них до 0,25%С они хорошо свариваются всеми способами. При большем содержании С - необходим предварительный подогрев.
Сварка низко- и высоколегированных сталей производится, как правило, с предварительным подогревом, температура которого определяется по известной формуле. После сварки их подвергают термической обработке - нормализации или высокому отпуску.
Сварка чугуна производится в основном при исправлении брака чугунных отливок, заварке трещин в блоке цилиндров и фундаментной раме двигателей и др. Основные трудности при выполнении этих работ связаны с образованием в сварном соединении зоны отбеливания (структуры цементита), возникающей при быстром охлаждении расплавленного чугуна, и появлением в ЗТВ структур закалки. Чугун с такими структурами имеет высокую твердость и очень хрупок, его трудно обрабатывать обычным инструментом. Поэтому основной задачей при сварке чугуна является получение сварного соединения с одинаковой твердостью металла шва и переходных зон без трещин. На практике применяют несколько способов сварки чугуна, которые можно разделить на три группы: горячая, полугорячая и холодная сварки.
Горячая сварка чугуна осуществляется с предварительным и сопутствующим нагревом всего изделия до 600-7000С с последующим медленным охлаждением. Присадочным металлом служат чугунные стержни диаметром 5-15 мм, содержащие 3-3,5% углерода и 3-4,6% кремния. После сварки деталь медленно охлаждают вместе с печью или засыпают сухим песком или шлаком. Такой способ обеспечивает полную графитизацию металла шва и отсутствие отбела в ЗТВ, исключает возможность появления сварочных напряжений. Его применяют для сварки (ремонта) наиболее ответственных деталей или деталей имеющих сложную форму (блоки цилиндров, станины и др.).
Полугорячая сварка чугуна производится при нагреве детали до 250-4500С (в основном в местах сварки). Такой способ применяют для деталей небольшой толщины и при небольшом объеме наплавляемого металла. После сварки также деталь также засыпают сухим песком или шлаком для медленного охлаждения.
Холодная сварка чугуна производится без предварительного подогрева детали. Для этого используются стальные электроды, электроды из цветных металлов, порошковая проволока. Поверхность кромок наплавляется короткими валиками, электродами малого диаметра при малой силе тока, чтобы металл не успел разогреваться.
Сварка алюминия и его сплавов может производится всеми способами. В качестве присадочного материала применяют проволоку или стержни того же химического состава, что и основной металл. Основными затруднениями при их сварке является присутствие на поверхности металла тугоплавкой (Тпл = 20500С) и плотной (g = 3,9 г/см3) окисной пленки Al2O3 , толщина которой увеличивается с течением времени и с повышением температуры ( для Al Тпл = 6580C, g = 2,7 г/см3). Ее необходимо механически удалять и не допускать образования при сварке. С этой целью используются флюсы, в состав которых входят фтористые и хлористые соединения лития, калия, натрия и др. Под действием этих флюсов Al2O3 переходит в летучий AlCl3, имеющий малую плотность (2,7 г/см3) и самовозгоняющийся при 1830С. Большие значения коэффициентов линейного расширения и теплопроводности часто приводят к деформациям, а иногда и к трещинам в сварных соединениях. Поэтому при сварке производится предварительный подогрев до 250-2600С, а иногда и отжиг при 300-3500С.
Сварка меди и ее сплавов сопряжена с рядом особенностей, затрудняющих этот процесс. Высокая теплопроводность меди вызывает необходимость применения концентрированных источников нагрева и часто подогрева. Легкая окисляемость и большая растворимость водорода в расплавленной меди в сочетании с Cu2O и CO может явиться причиной образования пор и мелких трещин в шве и ЗТВ. Высокий коэффициент линейного расширения приводит к значительным остаточным деформациям детали. Существуют различные способы сварки меди и ее сплавов. Ручная электродуговая сварка меди осуществляется угольными и металлическими электродами.
Сварку меди угольным электродом производят с применением флюсов, из которых наиболее распространен борный шлак. Сила тока составляет 250-350 А, а диаметры электрода и присадочной проволоки - соответственно 12-14 и 3-7 мм.
Сварка меди металлическим электродом ведется на постоянном токе обратной полярности, короткой дугой, электродами диаметром 3-6 мм, без колебаний. Сила тока выбирается по диаметру электрода:
I = 50d.
Сварка бронзы производится в основном при исправлении брака отливок, заварке трещин и других дефектов в деталях. В качестве присадочного материала применяются прутки или электроды того же химического состава, что и основной металл. Электродные покрытия и флюсы те же, что и при сварке меди. При нагреве бронзы выше 5000С она теряет вязкость и становится хрупкой. Поэтому для предупреждения сварочных трещин необходимо применять предварительный подогрев до 300-4500С.
Сварка латуни графитовым электродом производится на постоянном токе прямой полярности с использованием флюсов, состоящих из криолита, хлористых калия и натрия, древесного угля. Флюс наносят на стержни диаметром 6-8 мм из присадочного материала марки ЛК80-3. Сварка латуни металлическим электродом ведется также на постоянном токе электродами из латуни ЛК80-3 или бронзы БрКМц3-1 с соответствующим покрытием.
Сварка титана и его сплавов сопряжена с определенными трудностями, главной из которых является большая химическая активность Ti при высоких температурах по отношению к N2, O2 и H2. Поэтому для получения качественного сварного соединения необходима тщательная защита от газов воздуха не только сварочной ванны, но и остывающих участков металла шва и ЗТВ вплоть до температуры 5000С. Следует также защищать обратную сторону шва даже в том случае, если она не расплавляется, а только нагревается свыше 5000С. О качестве газовой защиты при сварке титана можно судить по цвету металла шва и околошовной зоны. Блестящая серебристая поверхность шва свидетельствует о хорошей защите от О2 и удовлетворительных свойствах шва. Синий цвет шва и серые налеты на нем указывают на плохую защиту. Для соединения деталей из Ti и его сплавов широко применяется аргоно-дуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом на постоянном токе при прямой полярности.
Сварка пластмасс производится с помощью теплоносителя (нагретый газ или инструмент) или нагрева ТВЧ, ультразвуком, трением. Технологический процесс сварки неметаллических материалов (термопластов) заключается в разогреве заготовок и последующем их сдавливании.
Пайку металлов, в зависимости от температуры плавления припоя (присадочного материала), разделяют на пайку мягкими и твердыми припоями.
Пайка мягкими припоями производится оловянно-свинцовыми припоями марок ПОС-90, ПОС-40 и ПОС-30, содержащие соответственно 90, 40 и 30% олова (остальное - свинец и примеси). Температура плавления их составляет 180-2600С. Мягкие припои обеспечивают прочность соединения до 50-70 МПа.
Для получения качественных соединений поверхность изделий в месте спая необходимо тщательно очистить механическим или химическим способом; зазор не должен превышать 0,1 мм. Для защиты от окисления металла и припоя, а также для растворения образующихся оксидов и растекания жидкого припоя по поверхности места спая применяют флюсы: канифоль, хлористый цинк или смесь хлористого цинка с хлористым аммонием и др.
Пайка твердыми припоями производится медно-цинковыми припоями марок ПМЦ-42, ПМЦ-47 и ПМЦ-52. Они имеют соответственно 42, 47 и 52% меди и температуру плавления 840, 860 и 8850С. Для пайки ответственного назначения используют также медно-серебряные припои (ПС-25 и ПСр-45) с температурой плавления 780-8300С и содержащие от 10 до 70% серебра (остальное - медь и цинк).
Предел прочности соединений при пайке твердыми припоями достигает 400-500МПа. В качестве флюсов используется бура, борная кислота или их смесь, хлористый цинк и пр. Изделия нагреваются сварочными горелками, ТВЧ и др. Зазор в соединении не должен превышать 0,05-0,08 мм.
Пайке твердым припоем хорошо поддаются все углеродистые и легированные стали, твердые сплавы, чугуны, большинство цветных металлов и их сплавов.
При газовой сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем. При нагреве 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.
Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к месту работ в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью "Кислород".
Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянной величины рабочего давления применяют газовые редукторы.
В качестве горючих газов можно применять природные газы, водород, пары бензина и керосина и др.
Для газовой сварки применяют ацетилен, так как он имеет большую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими газами и высокую температуру пламени (32000С). Ацетилен (С2Н2) получают в специальных аппаратах - газогенераторах - при взаимодействии воды с карбидом кальцин.
При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250 - 300 дм3 ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне. Последнее свойство используют для его безопасного хранения в баллонах.
На пути следования газа от генератора к сварочной горелке устанавливают предохранительные водяные затворы, предотвращающие проникновение кислородно-ацетиленового пламени в ацетиленовый генератор при обратном ударе. Обратный удар происходит, когда скорость истечения газов становится меньше скорости их горения. Практически обратный удар происходит при перегреве горелки и засорении сопла.
Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись "Ацетилен". Давление 1,5 МПа. В баллоне находятся пористая масса (активированный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Растворенный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и становится безопасным.
Для образования газосварочного пламени используют газосварочные горелки.
Газосварочное пламя образуется в результате сгорания ацетилена, смешивающегося в определенных пропорциях с кислородом в сварочных горелках. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рис.5.3): ядра пламени 1, средней зоны 2 (сварочной), факела пламени 3. На рисунке показано строение газосварочного пламени и распределение температур по его оси.

Рис. Газосварочное пламя
В зоне 1 происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука; в зоне 2 - первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона.
Зона 2, имеющая самую высокую температуру и обладающая восстановительными свойствами, называется сварочной или рабочей зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода.
Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают в зависимости от состава сплава свариваемого металла. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износостойких покрытий - литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст.
При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области её применения: для сварки металлов малой толщины (0,62 - 3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения; для пайки, подварки дефектов и т.д. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые изделия значительно деформируются. Это ограничивает применение газовой сварки.
Газокислородная резка заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струёй образующихся оксидов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты. Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь - до 1000 – 12000С).
Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим требованиям: температура его плавления должна быть выше температуры горения в кислороде; температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры его плавления; количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки; теплопроводность металла не должна быть слишком высокой, в противном случае теплота слишком интенсивно отводится и процесс резки прерывается; образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкотекучими и легко выдуваться вниз струёй режущего кислорода.
По характеру и направленности кислородной струи различают следующие способы резки.
Разделительная резка - режущая струя направлена нормально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину. Разделительной резкой раскраивают листовую сталь, вырезают крути , фланцы и т.д.
Поверхностная резка - режущая струя направлена под очень малым утлом к поверхности металла (почти параллельно ей) и обеспечивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные дефекты отливок.
Резка может быть ручной и машинной. Ручная резка вследствие неравномерности перемещения резака и вибрации режущей струи не обеспечивает высокого качества поверхности реза, поэтому полость реза механически обрабатывают.
Обычно кислородной резкой разрезают металлы толщиной 5 - 300 мм.
При воздушно-дуговой резке металл расплавляется дугой неплавящимся графитовым электродом, а расплавленный металл выдувается из полости реза потоком сжатого воздуха, подаваемого параллельно электроду. Воздушно-дуговую резку можно выполнять во всех пространственных положениях. Основная область её применения - поверхностная обработка металла (различные углубления в виде канавок и т.п.).



























ЛЕКЦИЯ 6. Общие сведения об обработке на металлорежущих станках.
План лекции: Методы обработки резанием, геометрия инструмента и элементы режима резания, инструментальные материалы. Классификация и обозначение металлорежущих станков, основные узлы токарно-винторезного станка и их назначение, резцы и принадлежности к токарному станку, работы выполняемые на токарных станках.

По рассматриваемой теме на кафедре имеются следующие диафильмы, с которыми необходимо ознакомиться и изучить.
М.1-М.4. Техника безопасности при работе на токарных, сверлильных, строгальных и шлифовальных станках.
М.5. Учебная мастерская токарного дела, 2 части
М.6. Наладка и проверка токарных станков, 2 части, 2 экз.
М.7. Токарные резцы, 2 части
М.8. Геометрия резцов
М.9. Приемы затачивания резцов
М.10. Способы обработки конических поверхностей на токарных станках, 2 ч.
М.11. Способы обработки цилиндрических, торцовых поверхностей и канавок на токарном станке.
М.12. Способы нарезания и контроля наружной и внутренней треуголь-ной резьбы на токарном станке
М.13. Способы обработки фасонных поверхностей на токарном станке
М.14. Алмазная заточка и доводка режущего инструмента
М.15. Нарезание резьбы
М.16. Организация рабочего фрезеровщика
М.17. Установка и закрепление фрез на фрезерных станках
М.18. Виды фрезерных работ, 2 части
М.19. Абразивные материалы и инструменты
М.20. Контроль станочных и слесарных работ, 2 ч., 2 экз.
М.21. Современные методы обеспечения технологии ремонта металло-режущих станков,2 ч.

Обработкой резанием называется процесс отделения с заготовки режущим инструментом слоя материала для получения деталей нужной формы, заданных размеров и шероховатости поверхности. В настоящее время большинство деталей машин получает окончательную форму и размеры обработкой резанием на металлорежущих станках. Только эта обработка удовлетворяет возрастающим требованиям к качеству обработанной поверхности и точности размеров.
Трудоемкость обработки резанием составляет до 40% трудоемкости изготовления машин в целом. Она еще больше увеличивается в связи с повышением требований к точности и качеству рабочих поверхностей из-за увеличения объема финишной обработки. Такое положение сохранится и в ближайшее время, несмотря на тенденцию к замене предварительных операций обработки резанием на обработку давлением, литье и т.п.
На металлорежущих станках из заготовок (поковок, отливок, сортового проката, штамповок и пр.) получают окончательные готовые детали путем снятия слоя металла, называемого припуском. При этом заготовка и режущий инструмент должны совершать определенные движения. Они подразделяются на основные (для снятия стружки) и вспомогательные или подготовительные (подвод и отвод инструмента, переключение скоростей и пр.). Основные движения в свою очередь подразделяются на главные и движения подачи. С помощью главного движения осуществляется снятие стружки, а движение подачи позволяет осуществить его со всей поверхности заготовки. В металлорежущих станках главным движением чаще всего бывает вращательным или прямолинейным и может сообщаться как инструменту, так и заготовке.
В зависимости от рода выполняемой работы и вида инструмента различают следующие основные методы обработки резанием, схематически представленные на рис. 6.1: а - точение, б - сверление, в - фрезерование, г - строгание, д - протягивание, е-ж
- круглое и плоское шлифование. Необходимо определить, пользуясь этим рисунком, какие движения являются главными, а какие - движениями подачи.
Формообразование деталей резанием производится на металлорежущих станках режущим инструментом, твердость и прочность которого значительно больше, чем у обрабатываемого материала. Кинематика процесса резания состоит в сочетании оптимальных относительных скоростей перемещения контактных поверхностей и обрабатываемой детали.
Эффективность процесса резания зависит от многих факторов и в первую очередь от геометрии режущей части инструмента и элементов режима резания.
Геометрия режущей части инструмента определяется в основном углами (, (, ( и (, а элементы режима резания - скоростью V и глубиной резания t (рис. 15.2).
Угол (, передний угол, заключен между передней поверхностью 3 и плоскостью М-М, перпендикулярной к обработанной поверхности детали 6. Он предназначен для улучшения отвода стружки, уменьшения потерь энергии на трение стружки о переднюю поверхность инструмента, уменьшения объема пластической деформации в зоне резания и пр.
Угол (, задний угол, заключен между задней поверхностью инструмента 5 и обработанной поверхностью детали 6. Он предназначен для уменьшения потерь на трение между указанными поверхностями.
Угол (, угол заострения, заключен между передней и задней поверхностями инструмента. Сумма углов b и a составляет так называемый угол резания (.
Скоростью резания V называют скорость главного движения, представляющую собой путь точки детали или инструмента относительно друг друга в единицу времени.
Глубиной резания t называют толщину слоя металла, снимаемого за один проход. Она определяется между обрабатываемой и обработанной поверхностями.
К материалам, применяемым для изготовления режущей части инструментов, предъявляют требования высокой механической прочности, износостойкости и теплостойкости. Для этого применяют углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, металло- и минералокерамические твердые сплавы и другие материалы.
Точение является наиболее распространенным методом механической обработки, поскольку большинство деталей машин имеют форму тел вращения. Главным движением в этом случае является вращение заготовки 2, а движением подачи - поступательное перемещение инструмента 1 относительно заготовки (см. рис.6.1,а). Инструментом при точении является резец, основные части и элементы которого приведены на рис.6.2. Он состоит из рабочей (режущей) части или головки и стержня или державки. Его основными элементами являются: передняя 6 и задние (главная 2 и вспомогательная 1) поверхности, главное 5 и вспомогательное 4 режущие лезвия (кромки) и вершина резца 3.
Геометрией рабочей части резца, как и других режущих инструментов, называется совокупность всех конструктивных элементов (углов, величины и формы режущих кромок, формы передней и задних поверхностей, радиуса сопряжения режущих лезвий и пр.), позволяющих обеспечить процесс обработки металлов резанием. Его основой является режущий клин, взаимодействие которого с обрабатываемой деталью рассмотрено на предыдущей лекции. Отсюда следует, что все основные положения (определения), приведенные для резца, по существу будут справедливы и для других инструментов, поскольку для них, в сечении перпендикулярном режущему лезвию, будет также режущий клин, с той лишь разницей, что форма его поверхностей может быть другой (вогнутой, выпуклой и пр.)
Геометрия резца оказывает большое влияние на процесс резания. Так, увеличение переднего угла позволяет уменьшить силы резания и мощность, затрачиваемые на обработку материала. Слишком большое увеличение переднего угла приводит к поломке режущего инструмента. Без наличия заднего угла процесс резания вообще невозможен, а чрезмерное его увеличение приводит к снижению стойкости инструмента. При изучении геометрии резца необходимо обратить внимание на назначение каждого конструктивного элемента, на ту роль, которую выполняет он при резании. Основные геометрические параметры резца приведены на рис. 6.3. Для определения геометрии однолезвийных и многолезвийных инструментов необходимо изучить прежде всего исходные координатные плоскости (рис. 16.2): плоскость резания 4 - плоскость, проходящая через главное лезвие и вектор скорости и касательная к поверхности резания 2; основная плоскость 5 - плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам и нормальная к вектору скорости резания, а следовательно и к плоскости резания; главная секущая поверхность 6 - плоскость, нормальная к проекции главного лезвия на основную плоскость. Различают также вспомогательную секущую плоскость - плоскость, нормальную к проекции вспомогательного лезвия на основную плоскость.
Углы резца принято обозначать следующими буквами греческого алфавита
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·,
· и
·
· определяемые следующим образом (рис. 6.3):

· - задний угол, заключенный между главной задней поверхностью и плоскостью резания;

·
·- передний угол, заключенный между передней поверхностью и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания и проходящей через режущую кромку;

·
·- угол заострения, заключенный между передней и главной задней поверхностями;

· - угол резания, заключенный между передней поверхностью и плоскостью резания;

·
·- главный угол в плане, заключенный между проекцией главного лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи;

·
· - вспомогательный угол в плане, заключенный между проекцией вспомогательного лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи;

·
·- угол при вершине, заключенный между проекциями главного и вспомогательного лезвий на основную плоскость.

· - угол наклона главного лезвия, заключенный между главным лезвием и нормалью к вектору скорости.
Углы
·
·
·
·
·
·
·
·и
· называются главными, поскольку они характеризуют рабочий клин инструмента; они измеряются в главной секущей плоскости и связаны между собой следующими зависимостями:
a + b + g = 900
(1)

d = a + b
(2)

d +g = 900
(3)

Если
· > 900, то угол
· условно называют отрицательным. Углы в плане
·
·
·
·
· и
· измеряются в основной плоскости и связаны между собой зависимостью:
f + f1 + e = 1800
(4)

Угол
·
· измеряется в плоскости резания и выбирается в зависимости от условий обработки: необходимости обеспечения заданного направления схода стружки, наличия на поверхности заготовки литейной корки и пр. Принято различать угол
· положительным, отрицательным и равным нулю (см. [5, рис. 8.4 на с. 62]).
Резец и его геометрические параметры подробно рассмотрены также в основных теоретических положениях к лабораторной работе N 8 [5, с. 59-63].
В качестве материала режущей части резца используются в основном инструментальные стали, металло- и минералокерамические твердые сплавы.
Углеродистые и легированные инструментальные стали (У10, У12А, ХВГ, 9ХС и др.) применяются для резцов только при обработке неметаллических материалов, поскольку их теплостойкость является невысокой.
Быстрорежущие стали (Р9К5, Р18, Р6М3 и др.) применяются для резцов, работающих в тяжелых условиях, при обработке по корке и труднообрабатываемых материалов (жаропрочных, нержавеющих и и т.п.).
Металлокерамические твердые сплавы подразделяют на три группы: вольфрамовые (ВК), титановольфрамовые (ТК) и титанотанталовольфрамовые (ТТК).
Сплавы группы ВК состоят из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом (ВК2, ВК6, ВК6В, ВК6М и т.д.). Цифра указывает на процентное содержание кобальта, остальное - карбид вольфрама, а буквы В и М в конце марки - на величину карбидных зерен, соответственно крупно- и мелкозернистых. Эти сплавы применяются для обработки чугуна, цветных сплавов, пластмасс.
Сплавы группы ТК состоят из зерен карбида вольфрама и титана, сцементированных кобальтом (Т5К10, Т15К12В и др.). Цифра после буквы Т указывает на процентное содержание карбидов титана, а после К - кобальта, остальное - карбид вольфрама. Эти сплавы применяются для обработки сталей и других вязких материалов.
Сплавы группы ТТК состоят из карбидов титана, тантала и вольфрама. Цифра после второй буквы Т обозначает процентное содержание карбидов вольфрама и тантала в сумме. Стойкость резцов из этого сплава в 3,5 раза выше, чем из Р18. Они особенно хороши для обработки труднообрабатываемых жаропрочных сплавов.
Минералокерамические твердые сплавы обладают высокой теплостойкостью (12000С), но низким пределом прочности при изгибе. Они позволяют обрабатывать материалы со значительно большими скоростями резания при небольших сечениях срез и отсутствии вибраций. Лучшей маркой отечественной минералокерамики является сплав ЦМ-332. Для повышения его прочности в сплав добавляют тугоплавкие металлы. Такие сплавы называют керметами, они используются при обработке труднообрабатываемых материалов.
Износ резца зависит от условий обработки и по своей физической природе может быть абразивным, адгезионным и диффузионным. Абразивный износ обусловлен наличием в обрабатываемом материале достаточно твердых составляющих (карбидов, оксидов и пр.), сохраняющих значительную твердость и при нагревании. Они действуют как абразивы, царапая поверхности трения.
Адгезионный износ проявляется при более высоких скоростях резания и больших давлениях и сопровождается схватыванием материала инструмента с материалом заготовки под действием атомарных сил. При этом частички инструментального материала беспрерывно вырываются и уносятся сходящей стружкой и обрабатываемой заготовкой.
Диффузионный износ проявляется при высоких скоростях резания, когда развивается высокая температура, инструментальный материал интенсивно изнашивается под действием диффузии. Происходит взаимное проникновение и растворение структурных составляющих инструментального и обрабатываемого материалов. Интенсивной диффузии благоприятствует то, что в контакт с инструментом беспрерывно вступают все новые участки обрабатываемого материала и стружки. При определенных условиях обработки возникает так называемый окислительный износ, когда постоянно образующаяся на поверхностях инструмента окисная пленка периодически отрывается и уносится стружкой и обрабатываемой заготовкой.
Критерии затупления резца: при черновой обработке принимается износ по задней поверхности резца, равный 0,8-1,0 мм
- для стали и 1,4-1,7 мм - для чугуна; при чистовой обработке принимается технологический, когда превышение износа приводит к тому, что точность и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять техническим условиям на изготовление детали.
Стойкостью резца называют время его работы между переточками при определенном режиме резания. Значения стойкости приведены в справочниках. Так, для резцов из быстрорежущей части она составляет 30-60 мин, а из твердых сплавов - 45-90 мин.
Элементами режима резания при точении являются глубина и скорость резания и подача. Иногда к ним относят элементы сечения среза: ширину, толщину и площадь. При этом глубину резания, подачу и число оборотов заготовки называют технологическими элементами режима резания при точении (они непосредственно устанавливаются на станке), а скорость резания, ширину, толщину и площадь среза - физическими, поскольку они служат для обоснования выбора технологических элементов исходя из физической сущности процесса резания. при точении: скорость, подача и глубина резания; силы и мощность резания; выбор оптимального режима резания. Между технологическими и физическими элементами режима резания существуют соответствующие зависимости.
Рассмотрим основные элементы режима резания и сечение срезаемого слоя при продольном точении цилиндрической поверхности (рис.6.4). Глубиной резания t называют толщину слоя металла, снимаемого за один проход
t = (D-d)/2, мм,
где D и d - диаметры заготовки и обработанной поверхности соответственно, мм.
Скоростью резания V упрощенно называют скорость главного движения, представляющую собой путь точки поверхности заготовки относительно режущей кромки резца в единицу времени:
V = (Dn/1000, м/мин,
где n - частота вращения заготовки, об/мин. Подача s - путь резца пройденный за один оборот детали, мм/об.
Выбор оптимального режима резания производят в следующей последовательности. Вначале выбирают глубину резания t, стремясь весь припуск снять за один проход. Затем выбирают подачу S исходя из требований к точности и шероховатости обработанной поверхности. При этом необходимо учитывать режущие свойства материала инструмента, мощность станка, жесткость детали и всей системы СПИД (станок- приспособление- инструмент- деталь).
После этого определяют скорость резания, допускаемую заданной стойкостью резца по формуле или по справочнику
Определив скорость резания, находят частоту вращения шпинделя станка, соответствующую этой скорости резания, об/мин:
n = 1000V/(D.
Если станок такой частоты не имеет, то берут ближайшую меньшую. Такой порядок определения оптимального режима резания объясняется потому, что глубина резания оказывает наименьшее влияние на процесс резания, а скорость резания, наоборот, оказывает наибольшее влияние. Поэтому, если мощность резания оказалась больше мощности станка, то уменьшение режима резания начинают с элемента, оказывающего наибольшее значение, т.е. со скорости резания.
Сверление является одним из самых распространенных методов образования отверстий в сплошном материале с помощью сверл на сверлильных и токарных станках. В первом случае главное движение и движение подачи сообщается сверлу, во втором - главным движением является вращение заготовки, а движением подачи - перемещение сверла вдоль оси. Чтобы получить более точные отверстия, после сверления их необходимо зенкеровать, растачивать или развертывать. Все эти операции можно выполнять как на сверлильных, так и на токарных станках. Основные схемы обработки отверстий приведены на рис. 16.4, где а - сверление, б - рассверливание, в - зенкерование, г-д - растачивание, е - развертывание, ж - зенкование, з-и - цекование, к - нарезание резьбы.
Геометрию сверла, а также основные элементы режима резания при сверлении можно определить по аналогии с точением.
Фрезерование процесс обработки резанием, при котором режущий инструмент - фреза - совершает главное вращательное движение, а обрабатываемая заготовка - поступательное или вращательное движение подачи. Фрезерование является одним из наиболее производительных и распространенных методов обработки резанием.
Шлифование - процесс обработки поверхностей абразивными инструментами, чаще всего шлифовальными кругами. Абразивный инструмент состоит из зерен абразивного материала, связанных между собой специальной связкой. Применяется шлифование в большинстве случаев для окончательной чистовой обработки и является основным методом получения высокой точности и низкой шероховатости поверхностей. Шлифовать можно как очень мягкие, так и чрезвычайно твердые материалы различной формы. Основными характеристиками абразивного инструмента являются его зернистость, твердость, связка и структура.
Зернистость определяется размером зерен, определяемых размерами двух смежных применяемых для анализа контрольных сит. Номер зернистости обозначает размер в сотых долях миллиметра ячейки сита, на котором основная фракция задерживается.
Связка обеспечивает соединение абразивных зерен в одно целое. На практике наибольшее применение получили керамическая (неорганическая), а также бакелитовая и вулканитовая (органические) связки.
Твердостью абразивного круга называют сопротивление связки вырыванию абразивных зерен внешней силой. Они делятся на мягкие (М), средние (С) ... чрезвычайно твердые (ЧТ). В круге повышенной твердости затупившиеся зерна продолжают удерживаться, что нарушает нормальную его работу, приводит к его засаливанию и появлению прижогов на шлифуемой поверхности. В круге пониженной твердости зерна, не потерявшие своей остроты, преждевременно вырываются, что приводит к чрезмерному износу и потере формы круга. При обработке твердых материалов абразивные зерна изнашиваются более интенсивно и во избежание засаливания круга его надо выбирать более мягким. При обработке мягких материалов - наоборот. Следовательно, чем мягче обрабатываемый материал, тем тверже выбирается круг, и наоборот, т.е. должно осуществляться самозатачивание круга.
Структурой абразивного инструмента называют объемное соотношение зерен, связки и пор.
Маркировка шлифовального круга включает основные их характеристики. Например, маркировка Э40СМ2К5; ПП250х16х35; 35 м/c означает, что круг изготовлен из электрокорунда, имеет зернистость N 40, твердость СМ2, керамическую связку (К), структуру N 5, плоскую форму прямого профиля размером 250х16х35 мм и допускаемую скорость вращения 35 м/с.
Металлорежущие станки подразделяют на универсальные, специализированные и специальные. Нас интересуют в основном универсальные станки, предназначенные для выполнения разнообразных операций в единичном и мелкосерийном производствах.
Для обозначения металлорежущих станков принята единая система. Каждой модели станка присваивается номер, состоящий из трех или четырех цифр. Первая цифра указывает на группу станка (1- токарные, 2 - сверлильные, 3 - шлифовальные, 6 - фрезерные и т.п.), вторая - тип станка в этой группе, третья или третья и четвертая цифры вместе характеризуют основной параметр станка (для токарных - высота центров, для сверлильных - наибольший диаметр просверливаемого отверстия в стали средней твердости). Иногда обозначение дополняется буквами, обозначающими дополнительную характеристику станка либо. Буква после первой цифры указывает на модернизацию основной базовой модели.
Станки токарной группы являются наиболее распространенными, поскольку подавляющее количество деталей имеет форму тел вращения и обработка их ведется на токарных станках. Парк токарных станков составляет больше половины всех металлорежущих станков вместе взятых.
Основными узлами токарно-винторезного станка, имеющегося в каждой судовой мастерской, являются (рис. 6.1): станина 1 - для закрепления на ней неподвижных и перемещения подвижных частей станка, передняя бабка (коробка скоростей) 6 - для передачи заготовке вращательного движения и установки с помощью рукояток 4 и 5 необходимой частоты вращения, задняя бабка 11 - для поддержания правого конца заготовки и крепления хвостового инструмента (сверл, зенкеров, разверток и т.п.), коробка подач 3
- для настройки станка на требуемую величину продольной или поперечной подачи или определенный шаг при нарезании резьбы, суппорт 8 - для закрепления в установленном на нем резцедержателе 9 инструментов и ручного или автоматического их перемещения относительно заготовки, фартук 14 - для преобразования вращательного движения ходового винта 12 и ходового вала 13 в продольное перемещение суппорта 8, а также вращательного движения ходового винта в поперечное перемещение поперечных салазок 2. Для обеспечения безопасности работающего, станок снабжен кожухом ограждения патрона 7 и защитным откидным экраном 10, защищающим от разлетающейся стружки, падающей в поддон 1.
Для обработки заготовок на токарных станках применяют различные резцы, которые классифицируются по различным признакам: по форме головки и ее положения относительно стержня резцы разделяются на правые и левые, прямые и отогнутые и с оттянутой головкой; по назначению - на проходные, подрезные, отрезные, расточные, фасонные и резьбовые.
На рис. 17.2 представлены резцы: левые 1 и 4; правые 2; прямые 1-8, 10, 11, 15; отогнутые 9, 12-14; отрезные 3; расточные 12 и 13; резьбовые 10 и 14; канавочные 5 и 6; фасонные 15; с многогранными неперетачиваемыми пластинками твердого сплава 16. Высокое качество обработанной поверхности детали может быть получено лишь в том слу-чае, когда резцы имеют оптималь-ную геометрию, т.е. определенное числовое значе-ние углов. Рекомендуемые значения главных углов резца, оснащенных плас-тинками твердого сплава и из быст-рорежущей стали приведены в таблице.

Таблица
Материал обрабатываемой детали
Быстрорежущая сталь
Твердый сплав


Передний угол (
Задний
угол (
Передний угол (
Задний
угол (

Сталь с пределом
Прочности:
бв ( 600 Мпа
600 ( бв ( 1000 Мпа
бв ( 1000 Мпа
Жаропрочные стали и сплавы
Чугун
Медные сплавы


25
20
-10

20
5
12



6-12
8-12
8-12

8
8-12
8-12



12-25
10
-10

10
5
12



8-12
8-12
10

10
8-10
8-12


Примечание: Меньшие значения углов соответствуют черновой обработке, большие чистовой.

Для закрепления заготовок на токарных станках и сообщения им вращательного движения служат соответствующие принадлежности к токарному станку: патроны (трехкулачковые самоцентрирующиеся и четырехкулачковые с индивидуальным приводом), планшайба, центры (неподвижные и вращающиеся), люнеты (подвижные и неподвижные) и др.
На токарно-винторезных станках можно выполнять следующие основные работы: обработку цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, плоскостей, отверстий, прорезание канавок, отрезку, нарезание резьбы и др. Практическое освоение этих работ, а также изучение соответствующего оборудования, приспособлений (принадлежностей) и инструмента, в том числе и для сверления, фрезерования и шлифования, предусмотрено в период технологической практики.

Горизонтально- и вертикально-фрезерные станки
Горизонтально-фрезерные станки (рис. 6.63). В станине 1 станка размещена коробка скоростей 2. По вертикальным направляющим станины перемещается консоль 7. Заготовка, устанавливаемая на столе 4 в тисках или приспособлении, получает подачу в трех направлениях: продольном (перемещение стола по направляющим салазок 6), поперечном (перемещение салазок по направляющим консоли) и вертикальном (перемещение консоли по направляющим станины). Главным движением является вращение шпинделя. Коробка подач 8 размещена в консоли. Хобот 3 служит для закрепления подвески 5, поддерживающей конец фрезерной оправки.
Горизонтально-фрезерные станки, имеющие поворотную плиту, которая позволяет поворачивать рабочий стол в горизонтальной плоскости и устанавливать его на требуемый угол, называют универсальными.
Вертикально-фрезерные станки (рис. 5. 14.), Основные узлы станка: станина 1, поворотная шпиндельная головка 3 со шпинделем 4, стол 5, салазки 6, консоль 7, коробка скоростей 2 и коробка подач 8. Главным является вращательное движение шпинделя. Заготовка, установленная на столе, может получать подачу в трех направлениях: продольном, поперечном и вертикальном.
На рис. 5. 16. показаны схемы фрезерования поверхностей на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках. Движения, участвующие в формообразовании поверхностей в процессе резания, на схемах указаны стрелками.
Горизонтальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках цилиндрическими фрезами (рис. 5. 16. а) и на вертикально-фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 5. 16. б). Цилиндрическими фрезами целесообразно обрабатывать горизонтальные плоскости шириной до 120 мм. В большинстве случаев плоскости удобнее обрабатывать торцовыми фрезами вследствие большей жесткости их крепления в шпинделе и более плавной работы, так как число одновременно работающих зубьев торцовой фрезы больше числа зубьев цилиндрической фрезы.
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Вертикальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 5. 16. в) и торцовыми фрезерными головками, а на вертикально-фрезерных станках концевыми фрезами (рис. 5. 16. г).
Наклонные плоскости и скосы фрезеруют торцовыми (рис. 5. 16. д) и концевыми фрезами на вертикально-фрезерных станках, у которых фрезерная головка со шпинделем поворачивается в вертикальной плоскости. Скосы фрезеруют на горизонтально-фрезерном станке одноугловой фрезой (рис. 5. 16. е).
Комбинированные поверхности фрезеруют набором фрез (рис. 5. 16. ж) на горизонтально-фрезерных станках. Точность взаиморасположения обработанных поверхностей зависит от жесткости крепления фрез по длине оправки. С этой целью применяют дополнительные опоры (подвески), избегают использования несоразмерных по диаметру фрез (рекомендуемое отношение диаметра фрез не более 1,5).
Уступы и прямоугольные пазы фрезеруют концевыми (рис. 5. 16. з) и дисковыми (рис. 5. 16. и) фрезами на вертикально- и горизонтально-фрезерных станках.
Уступы и пазы целесообразнее фрезеровать дисковыми фрезами, так как они имеют большее число зубьев и допускают работу с большими скоростями резания.
Фасонные пазы фрезеруют фасонной дисковой фрезой (рис. 5. 16. к), угловые пазы одноугловой и двухугловой (рис. 5. 16. л) (фрезами на горизонтально-фрезерных станках.
Паз клиновой фрезеруют на вертикально-фрезерном станке за два прохода: прямоугольный паз концевой фрезой, затем скосы паза концевой одноугловой фрезой (рис. 5. 16. м). Т-образные пазы (рис. 5. 16. н), которые широко применяют в машиностроении как станочные пазы, например на столах фрезерных станков, фрезеруют обычно за два прохода: вначале паз прямоугольного профиля концевой фрезой, затем нижнюю часть паза фрезой для Т-образных пазов.
Шпоночные пазы фрезеруют концевыми или шпоночными (рис. 5. 16. о) фрезами на вертикально-фрезерных станках. Точность получения шпоночного паза важное условие при фрезеровании, так как от нее зависит характер посадки на шпонку сопрягаемых с валом деталей. Фрезерование шпоночной фрезой обеспечивает получение более точного паза; при переточке по торцовым зубьям диаметр шпоночной фрезы практически не изменяется.
Фасонные поверхности незамкнутого контура с криволинейной образующей и прямолинейной направляющей фрезеруют на горизонтально - и вертикально-фрезерных станках фасонными фрезами соответствующего профиля (рис. 5. 16. п).
Применение фасонных фрез эффективно при обработке узких и длинных фасонных поверхностей. Широкие профили обрабатывают набором фасонных фрез.

Лекция 7. Основы построения технологического процесса, методы и технические средства измерений

План лекции: Технологический процесс: термины и определения, технологическая документация ; точность обработки, методы и технические средства измерений, шероховатость поверхности.

1. Разработка технологического процесса механической обработки
Качество изготовления деталей непосредственно зависит от выбранного (разработанного) технологического процесса механической обработки, методов и средств технических измерений при ее изготовлении.
Технологический процесс изготовления деталей должен обеспечивать выполнение требований, заданных рабочим чертежом и техническими условиями в отношении качества деталей, высокую производительность труда и наименьшую себестоимость продукции. Поэтому разработка его представляет собой довольно сложную и трудоемкую работу.
Технологический процесс механической обработки является частью производственного процесса, непосредственно связанной с изменением формы, размеров или свойств обрабатываемой заготовки, выполняемой в определенной последовательности. Он состоит из ряда операций.
Операция - законченная часть технологического процесса обработки одной или нескольких заготовок, выполняемая на одном рабочем месте рабочим или бригадой. Операция является основным элементом при разработке, планировании и калькуляции технологического процесса обработки заготовок или сборки машин. Операция может быть выполнена за один или несколько переходов, за одну или несколько установок заготовки.
Установка (установ) - часть операции, выполняемая при неизменном закреплении заготовки. Всякое перезакрепление обрабатываемой заготовки на станке будет новой установкой.
Переход - часть операции, которая характеризуется неизменностью обрабатываемой поверхности, режущего инструмента и режима работы станка (число оборотов, подача и глубина резания). Он состоит из нескольких одинаковых, следующих друг за другом проходов.
Проход - часть перехода, когда снимается слой материала без изменения настройки станка. Например, черновое точение с большим припуском на обработку может быть произведено за два и более проходов с одинаковыми глубиной и скоростью резания и подачей.
Припуск на обработку - слой металла или материала, удаляемый в процессе выполнения всех операций обработки данной поверхности детали. Он равен разности размеров заготовки и готовой детали.
Межоперационный припуск на обработку - слой металла или материала, оставленный после одного перехода для выполнения последующего перехода обработки. От величины припуска зависит производительность и экономичность обработки. Поэтому следует уменьшать общие и промежуточные припуски на обработку, а заготовки по своим размерам и форме должны максимально приближаться к готовой детали.
Позиция - каждое новое положение обрабатываемой заготовки относительно станка и инструмента при неизменном ее закреплении. Например, новое положение инструмента при точении можно получить поворотом резцедержателся или каретки суппорта.
Разработка технологического процесса включает решение следующих основных вопросов: выбор заготовки, выбор общих и промежуточных припусков на обработку, разработка и обоснование выбранного варианта технологического процесса, выбор типов и размеров станков, приспособлений, режущего инструмента и другого оборудования для отдельных операций, выбор режимов резания, составление технологических и операционных карт механической и термической обработки, установление норм машинного, вспомогательного и штучного времени и др.
При разработке технологического процесса механической обработки важным является правильное базирование заготовки.
Базирование - установка и закрепление заготовки в определенном положении относительно станка и режущего инструмента. От правильности расположения заготовки относительно станка и режущего инструмента зависит точность размеров, формы и расположения обработанных поверхностей.
Из механики известно, что каждое абсолютно твердое тело в пространстве имеет шесть степеней свободы, т. е. оно может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях по осям х, у и z и поворачиваться вокруг этих осей. Чтобы однозначно определить положение твердого тела в пространстве, надо лишить его этих шести степеней свободы.
Различают базы конструкторские и технологические.
Конструкторскими базами называют поверхности линий и точки на чертежах, от которых проставлены размеры. Технологическими - поверхности, используемые в технологическом процессе механической обработки и сборки.
Технологические базы подразделяются на установочные и измерительные.
Установочными базами называют поверхности обрабатываемой заготовки, используемые при установке ее в приспособлении или непосредственно на станке. В первой стадии механической обработки, когда ни одна поверхность заготовки еще не обработана, ее устанавливают на необработанные поверхности, которые называют черновыми базами. Обработанные поверхности, используемые для закрепления заготовки на станке при выполнении последующих операций называют чистовыми базами.
Измерительными базами называют те поверхности или сочетание поверхностей, линий и точек, от которых производят отсчет размеров при измерении деталей.
Для выполнения большинства операций обработки заготовки стараются использовать одну и ту же базу.
Если невозможно обработать все поверхности заготовки с одной установки или в случае, когда деталь обрабатывается на различных станках, можно менять установочные базы. Однако каждый переход от одной базы к другой увеличивает накопление погрешностей базирования погрешностей положения обрабатываемой детали относительно станка, приспособления и инструмента. При выборе баз различного назначения надо стремиться использовать одну и ту же поверхность в качестве различных баз, так как это способствует повышению точности обработки и измерения. Например, целесообразно в качестве измерительной базы использовать установочную базу.
При выборе черновых баз нужно исходить из следующих основных положений:
1. Для заготовок, не обрабатывающихся кругом, следует, как правило, использовать в качестве черновой базы поверхность, которая не будет обрабатываться вовсе. Это позволит получить наименьшую погрешность обработки относительно обработанных поверхностей.
2. При обработке всех поверхностей заготовки следует принимать за черновые базы такие поверхности, которые имеют наименьший припуск на обработку. Это позволит избежать брака из-за недостатка припуска на какой-либо обрабатываемой поверхности.
3. Поверхности, принятые за черновые базы, должны позволять надежно закрепить заготовку, чтобы производить обработку при заданных режимах резания.
При выборе чистовых баз следует руководствоваться следующими основными положениями:
1. При обработке точных деталей за чистовую базу следует по возможности принимать ту поверхность, по которой готовая деталь устанавливается при сборке машин.
2. Чистовые базы должны обеспечивать наименьшие деформации заготовки при ее закреплении и обработке.
Основными формами технологической документации при разработке технологического процесса механической обработки являются маршрутная и операционная карты механической обработки, ведомость технологической оснастки, карта изменений и другие документы.
Маршрутная карта документ, содержащий описание технологического процесса изготовления детали и контроля качества обработки по всем операциям в технологической последовательности, соответствующие данные по оборудованию, оснастке, материальным, трудовым и другим нормативам. Маршрутная карта является основным технологическим документом. В ней отсутствуют эскизы по отдельным переходам, а также данные о режимах резания.
Операционная карта документ, составляемый на каждую отдельную операцию и содержащий эскизы по отдельным переходам и некоторые сведения из маршрутных карт, но излагаемые более подробно. Это позволяет осуществлять операцию без рабочего чертежа детали.
Соблюдение технологической дисциплины является основным условием, обеспечивающим получение высококачественной детали, сопряжения, технического средства и т.д.. Всякое нарушение технологической дисциплины может нанести большой ущерб технической эксплуатации судна.
На практических занятиях во время технологической практики, на примере изготовления детали – пальца, будет рассмотрен технологический процесс его изготовления, а затем будут разработаны Вами технологические процессы изготовления изделий с оформлением соответствующей технологической документации по всем основным видам заданий практики.

2. Точность обработки, методы и технические средства измерений.

Одним из важнейших показателей качества изделий является точность, представляющая собой степень приближения действительных параметров к идеальным.
Точность обработки в машиностроении - степень соответствия геометрических параметров обработанной детали и параметров, заданных чертежом. Чтобы оценить степень точности детали, необходимо установить: точность размеров, отклонение формы и расположения, класс чистоты обработанной поверхности. Для этих целей применяются различные методы и технические средства измерений.
Техническими измерениями называются измерения физических величин, проводимые опытным путем с помощью определенных методов и средств.
Техническое измерение может быть:
прямое, при котором числовое значение определяемой величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение температуры термометром; размера линейкой и др.);
косвенное, при котором числовое значение определяемой величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величиной, подвергаемой прямому измерению;
абсолютное, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин;
относительное, основанное на измерении величины, относящейся к одноименной величине, принимаемой за единицу.
В машиностроении к техническим измерениям относят лишь линейные и угловые, т. е. измерения геометрических параметров деталей, сборочных единиц и изделий; отклонения расположения и формы, волнистость и шероховатость поверхностей.
Под измерением детали понимают процесс (опыт), в результате которого получают количественную характеристику детали с погрешностью, не превышающей допустимую. Поэтому выбор методов и средств измерений, условий их выполнения всегда ограничен требованиями обеспечения установленной точности.
Основными причинами, влияющими на точность механической обработки, являются погрешности, представляющие собой отступления геометрических либо других параметров от идеальных запроектированных значений. При механической обработке такими погрешностями являются:
-неточность установки обрабатываемой заготовки на станке;
-упругие деформации технологической системы СПИД (станок приспособление инструмент деталь) под действием силы резания;
-деформации заготовки и других элементов оснастки при креплении заготовки;
-размерный износ инструмента;
-погрешности установки на глубину резания, погрешности пробных промеров и т. д.;
-неточность станка (биение шпинделя, погрешности перемещения суппорта и т. д.);
-температурные деформации обрабатываемой детали, станка и инструмента;
-остаточные напряжения в материале заготовок и готовых деталях;
-метод и технические средства измерений.
В условиях единичного изготовления детали точность обработки обеспечивается индивидуальной выверкой устанавливаемой на станок заготовки и последовательным снятием стружки пробными проходами, сопровождаемыми пробными промерами. Заданный размер получается методом последовательного приближения. Точность обработки в этом случае зависит в значительной мере от квалификации рабочего и выбранных методов и средств измерений.
Требуемый класс чистоты (шероховатость) обработанной поверхности проставляется на рабочем чертеже с учетом назначения и условий работы данной детали в сопряжении (изделии).
К основным метрологическим показателям средств измерений относятся: цена деления шкалы прибора - значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы; точность измерений - качество измерений, отражающее близость результатов к истинному значению измеряемой величины; пределы измерений - наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений; измерительное усилие - усилие, возникающее в процессе измерения между контактирующими поверхностями изделия и прибора; погрешность показаний -разность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой величины.
Для нормирования требуемых уровней или классов (степеней) точности изготовления деталей и изделий установлены квалитеты (по аналогии с франц. qualitй - качество, немец. qualitдt). В единой системе допусков и посадок (ЕСДП) их установлено 19: 01, 0, 1, 2, ...,17. Точность в пределах одного квалитета зависит только от номинального размера.
Допуском размера называют разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами. Допуск всегда положителен. Он определяет допускаемое поле рассеяния действительных размеров годных деталей в партии, т.е. заданную точность изготовления. Положение поля задаетя относительно нулевой линии, соответствующей номинальному размеру.
В ЕСДП для типовых деталей машин предусмотрены посадки в системе отверстия (СА) и в системе вала (СВ).
Посадки в системе отверстия - посадки, в которых различные зазоры и натяги, получают соединением различных валов с основным отверстием, которое обозначают Н.
Посадки в системе вала - посадки, в которых различные зазоры и натяги получаются соединением различных отверстий с основным валом, который обозначают h.
Универсальные технические средства измерений разделяются на ручные, механизированные приспособления, автоматизированные (полуавтоматические) и автоматические системы.
К группе ручных измерительных инструментов относят штангенинструменты, снабженные нониусной шкалой, и микрометрические инструменты, в которых для увеличения передаточного отношения использована винтовая пара. Они широко используются для контроля наружных и внутренних размеров (штангенциркули, микрометры, микрометрические штихмассы), глубин и высот пазов (штангенглубиномеры, микрометрические глубиномеры).
Вопрос выбора точности средств измерения приобретает первостепенное значение. Так, предельные погрешности измерения наружных линейных размеров контактными средствами в диапазоне 80-120 мм составляют: для штангенциркуля 100-200 мкм, для индикаторов часового типа 10-20 мкм, для гладких микрометров и скоб 5-15 мкм, для узкопредельных индикаторов 2-4 мкм, для рычажно-зубчатых головок 2,5 мкм, для пужинных головок 1 мкм, для оптиметров 0,5-1 мкм, для длиномеров 0,1-1 мкм, для интерферометров 0,05-0,2 мкм, для лазерных интерферометров до 10-7 мкм.
На практических занятиях планируется выполнение четырех работ: определение погрешности при измерении штангенинструментами, микрометрическими инструментами, индикаторными приборами и выбор измерительных инструментов в зависимости от размеров и допусков контролируемых изделий.
Реальная поверхность детали, которая образуется в процессе ее изготовления, всегда имеет микронеровности различной формы и высоты в виде выступов и впадин, которые могут быть замерены на малом участке (от нескольких миллиметров до долей миллиметра). Совокупность микронеровностей поверхности в пределах базовой длины называется шероховатостью поверхности. Для количественной оценки и нормирования шероховатости поверхностей ГОСТ 2789-73 устанавливает пять основных параметров: три высотных (Ra, Rz, Rmax ) и два шаговых (Sm, S). Профилограмма шероховатости поверхности приведена на рис. 1, а определение параметров – в таблице.



Рис. 1. Профилограмма шероховатости поверхности
Таблица
Шероховатость поверхности (основные термины и определения )

№ № п/п
Термин
Обзначение
Определения

1
2
3
4

1
Базовая линия (поверхность)

Линия (поверхность) заданной геометрической формы, определенным образом проведенная относительно профиля (поверхности) и служащая для оценки геометрических параметров поверхности

2
Базовая длина

l
Длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности

3
Средняя линия профиля

m
Базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах l среднее квадратичное отклонение профиля до этой линии минимально


4



Средний шаг неровностей профиля


Sm
Среднее значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины

5
Отклонение профиля

у
Расстояние между любой точкой профиля и средней линией


6
Средний шаг местных выступов профиля

S
Среднее значение шага местных выступов профиля в пределах базовой длины

7
Наиболь-шая высота неров-ностей профиля


Rmax
Расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины


8
Высота не-ровностей профиля по десяти точкам





Rz
Сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
где: ypmi-высота і-го наибольшего выступа профиля,
yvmi-глубина і-й наибольшей впадины профиля


9
Среднее арифметическое отклонение профиля

Ra

Среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины:
13 EMBED Equation.3 1415,
где n- количество выбранных точек профиля на базовой длине


В судостроении и судоремонте при определении шероховатости поверхностей предпочтительными являются параметры Ra и Rz, причем Rа применяют для 612-го классов, а Rz для 15-го и 1314-го классов. Более полную оценку шероховатости дает параметр Rа.
В обозначении шероховатости поверхности, вид обработки которой конструктором не устанавливается, применяют знак \/ . Поверхность детали, полученная без удаления слоя материала (литье, ковка, штамповка и т. д.), обозначается знаком ( , а с удалением слоя металла (точение, фрезерование, сверление, шлифование и т. д.)знаком V. Отсутствие на чертеже знаков V, ( и \/ означает, что требования к шероховатости поверхности конструктором не нормируются и шероховатость этой поверхности контролю не подлежит. Значение параметра шероховатости для Rа указывается без символа (например, (6.3), а для
Rz после символа (например, ).
Шероховатость является одним из параметров качества обработанной поверхности, определяющей долговечность деталей машин. Так, например, износостойкость двух трущихся поверхностей деталей зависит от удельного давления между поверхностями. При наличии на этих поверхностях микронеровностей площадь контакта между поверхностями уменьшается, а удельное давление и температура в местах контакта повышается, что приводит к повышению интенсивности смятия, среза и выкрашивания выступающих точек обеих поверхностей.
Выбор класса шероховатости поверхности и способа ее обработки зависит от способа соединения деталей, квалитета и размеров изделия. Так, например, в сопрягаемых деталях трущиеся поверхности изнашиваются по их выступам. Шероховатость уменьшает площадь соприкосновения поверхностей деталей. В результате увеличиваются удельное поверхностное давление и износ деталей.
При значительной шероховатости увеличиваются зазоры между деталями, нарушая заданную точность соединения. Чем меньше шероховатость, тем больше площадь соприкосновения трущихся деталей и меньше удельное поверхностное давление и износ поверхностей. От шероховатости поверхности зависит прочность деталей, поскольку на сечениях, соответствующих впадинам, увеличиваются нагрузки, приходящиеся на единицу сечения.
Наличие на поверхности микронеровностей вызывает коцентрацию местных напряжений у дна впадин, что приводит к появлению трещин, снижающих прочность детали.
Впадины микронеровностей являются также местом сбора веществ, способствующих разрушению металла вследствие его окисления и разъедания. Поэтому чем более шероховата поверхность, тем благоприятнее условия для начала коррозии и ее проникновения в глубину детали.
Для контроля шероховатости используются механические, электромеханические, оптические и электронные приборы, которые будут рассмотрены на лабораторных и практических занятиях.

Контрольные вопросы для проверки усвоения лекционного
материала.
1.Что называют технологическим процессом, операцией, установкой, проходом?
2. Что понимается под технологической, конструкторской, измерительной и установочной базами заготовки?
3. Какие основные виды технологической документации и в чем их сущность?
4. Что относят к метрологическим показателям средств измерения ?
5. Какие бывают методы измерений?
6. Что понимают под измерением?
7. Что называют допуском?
8. Что понимают под погрешностью?
9. Как обозначают верхнее предельное отклонение для отверстий и валов?
10. Как обозначают нижнее предельное отклонение для отверстий и валов?
11. Что понимают под шероховатостью?
12. Что понимают под параметрами шероховатости: l, m, Sm, у, S, Rmax, Rz, Ra ?






Лекция 8. Строение металлов и сплавов. Диаграмма состояния.
План лекции: Строение и кристаллизация металлов, строение сплавов и диаграмма состояния; деформация и рекристаллизация металла.

Все металлы имеют кристаллическое строение. При этом подавляющее большинство из них имеют кубические решетки (объемноцентрированную и гранецентрированную), и гексагональную плотноупакованную , т.е. соответственно ОЦК (Cr, M0, W), ГЦК (Ni, Al, Cu) и ГПУ (Zn, Mg).
Некоторые металлы и в первую очередь железо, при различной температуре имеют различную кристаллическую форму (модификацию), которые обозначаются гречес-кими буквами (, (, (, ( и т.д. Существование металла в различных кристаллических формах называется полиморфизмом, а переход из одной модификации в другую - полиморфным превращением. Это положение имеет большое значение для понимания основ металловедения и в первую очередь термической обработки. С этой целью рассмотрим кривую охлаждения чистого железа (рис. 8.1).
Установлено, что свойства отдельных кристаллов (монокристаллов) в различных направлениях неодинаковы, поскольку число атомов и расстояние между ними в них различны. Такое явление, как зависимость свойств металлов от направления, назвали анизотропией, имеющей большое значение в технике. Следует обратить внимание и объяснить почему же реальные металлы (поликристаллы) являются изотропными, т.е. у них свойства не зависят от направления, если они не подвергнуты специальной обработке, например, прокатке.
Кристаллические решетки металлов не являются идеальными, а имеют много дефектов: точечные - вакансии, смещенные атомы, атомы примесей и линейные - дислокации (краевые и винтовые). Эти дефекты в значительной мере изменяют свойства кристаллов. Для поликристалла, состоящего из зерен, которые в свою очередь состоят из блоков монокристаллов ориентированных под различными углами, имеет место так называемый поверхностный дефект, образующийся на границах зерен и свободных поверхностях.
Процесс кристаллизации металла начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первичные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним - оси высших порядков (рис. 2.2,а). Такие первичные кристаллы, напоминающие внешним видом дерево, получили название дендритов.
Дальнейший их рост и формирование кристаллов происходит за счет жидкого металла, заполняющего межосевое пространство. В конечном итоге кристаллы, соприкасаясь друг с другом, приобретают случайную внешнюю форму (рис. 2.2,б). Такие кристаллы назвали зернами. Величина и количество зерен характеризуется двумя факторами: числом центров кристаллизации (ЧЦ) и скоростью их роста, т.е. скоростью кристаллизации (СК). От этих факторов зависит в основном размер зерен, а следовательно и свойства металла. С повышением скорости охлаждения ЧЦ увеличивается в большей степени, чем СК, поэтому размер зерен в металле уменьшается. Схематически строение металлического слитка представлено на рис. 2.3. Необходимо объяснить, почему его зерна в различных зонах сильно отличаются друг от друга.
Сплавы состоят из двух или более металлов или металлов и неметаллов. В технике металлы и их сплавы обычно относят к одной группе материалов - к металлам. Сплавы или их части могут быть одно- или двухфазными (фаза - однородная по составу и строению часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно). Они образуются в виде твердого раствора (компоненты растворяются друг в друге в твердом состоянии), механической смеси и химического соединения. Твердый раствор и химическое соединение являются однофазными и имеют соответствующий тип кристаллической решетки, а механическая смесь, например, двух компонентов - двухфазной и т.д. При этом в твердом растворе атомы растворимого компонента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке (твердые растворы замещения), либо внедряются в нее (твердые растворы внедрения).
Наиболее полное представление о строении сплава можно получить из диаграммы состояния, представляющей собой графическое изображение всех превращений, происходящих в сплаве в зависимости от концентрации его компонентов и температуры. Изучая диаграмму состояния сплава можно получить четкое представление о тесной взаимосвязи структуры и свойств материала, его кристаллическом строении и фазовом составе.
Деформацией и рекристаллизацией металла называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Эти силы могут быть как внешними, приложенными к телу, так и внутренними, возникающими в самом теле под действием изменения объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях, температурного градиента и др. Возникающие при этом напряжения в случае одноосного растяжения имеют вид
( = P/F (MH/м2).
Сила Р, приложенная к некоторой площадке F, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения подразделяют на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).
Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми. Кроме того, существуют еще так называемые фазовые или структурные напряжения, возникающие при кристаллизации, термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему и т.д.
При небольших напряжениях деформация сопровождается незначительными смещениями атомов со своих мест равновесия. При устранении напряжений эти смещения исчезают, так как атомы возвращаются в свои положения равновесия. В этом случае деформацию называют упругой.
При напряжениях, превосходящих предел упругости металла, наряду с упругой деформацией возникает пластическая (остаточная) деформация, являющаяся следствием значительных смещений атомов. Чаще всего эти смещения аналогичны скольжению-сдвигу. Атомы находят новые положения равновесия и при устранении напряжений в исходное положение не возвращаются.
Скольжение атомов при пластической деформации происходит под действием касательных напряжений и по вполне определенным плоскостям пространственной решетки, называемым плоскостями скольжения. Такими плоскостями являются плоскости, наиболее плотно укомплектованные атомами.
Механизм скольжения при пластической деформации наиболее полно объясняется теорией дислокации. Эта теория предполагает, что смещение атомов происходит не путем одновременного перемещения всех атомов, находящихся в плоскости скольжения, а путем перемещения ряда предварительно смещенных атомов, т.е. линейного дефекта кристаллической решетки - дислокации.
Дислокация, перемещаясь в плоскости скольжения, вызывает последовательное - эстафетное - смещение всех атомов, находящихся в плоскости скольжения.
Структурное состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво, хотя при комнатной температуре для большинства металлов может сохраняться весьма долго.
При нагреве пластически деформированный металл постепенно восстанавливает свою структуру и переходит снова в устойчивое состояние. Этот переход можно разбить на несколько стадий: возврат, рекристаллизацию обработки и собирательную рекристаллизацию.
Возврат (или отдых) происходит при невысоком нагреве и устраняет упругие напряжения. Частично восстанавливаются кристаллическая решетка и свойства металла.
Рекристаллизация обработки или первичная рекристаллизация происходит при нагреве металла выше температуры рекристаллизации, определяемой по формуле:
Tр = ( Tпл,,
где Тр и Тпл -температура соответственно рекристаллизации и плавления; ( = 0,4 - для технически чистых металлов и 0,5-0,6 - для сплавов (твердых растворов).
Процесс рекристаллизации аналогичен процессу кристаллизации: возникают центры кристаллизации, на которые наслаиваются атомные слои с неискаженной кристаллической решеткой. Микроструктура заменяется новыми зернами, в большинстве случаев отличающимися по величине от зерен исходного недеформированного металла.
Собирательная рекристаллизация представляет собой процесс дальнейшего роста зерен. Крупные зерна растут, поглощая мелкие, что приводит к уменьшению свободной энергии и делает структуру термодинамически более устойчивой.
Вторичная рекристаллизация представляет собой процесс роста отдельных новых зерен с большей, чем у других скоростью. Зерна, растущие с большей скоростью можно рассматривать как зародышевые центры. В результате образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных. Такая разнозернистость понижает пластичность.
Размер зерна рекристаллизованного металла зависит от температуры нагрева и степени деформации.
С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы, что вызывает рост зерна.
При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рекристаллизации. При 3-15% -ной деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во много раз превысить размер исходного зерна. Такую степень деформации называют критической. Нагрев после критической степени деформации вызывает только быстрый рост исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения других (аналогично вторичной рекристаллизации). При степени деформации выше критической протекает процесс первичной рекристаллизации.
С дальнейшим увеличением степени деформации размер зерна рекристаллизованного металла уменьшается. Это объясняется тем, что при малой степени деформации не все зерна деформированы пластически. Недеформированные зерна выполняют роль центров кристаллизации при нагреве, вырастая за счет пластически деформированных зерен. При больших степенях деформации все зерна пластически деформированы и сильно раздроблены. Возникает большое число центров кристаллизации при нагреве, что и приводит к получению мелкого зерна. Для определения степени влияния пластической деформации на структуру и свойства стали предусмотрено выполнение соответствующей лабораторной работы.

Лекция.9. Механические свойства металлических сплавов и методы их определения.

План лекции: Деформация и рекристаллизация металла. Механические свойства: прочность, пластичность, вязкость и твердость, методы их определения.
Прочность и пластичность металлов и сплавов являются одними из основных механических свойств материалов, определяющих работоспособность деталей судовых технических средств (СТС). Поэтому знание физической сущности деформации материалов, показателей, характеризующих механические свойства, а также умение их определять имеет большое практическое значение.
Так, при проведении работ по техническому обслуживанию и ремонту СТС необходима оценка качества новых или восстановленных запасных частей, а также используемых при ремонте материалов. Аналогичная информация необходима и при технической экспертизе в случае аварий на судах, когда по ее результатам зачастую делается заключение о степени виновности экипажа судна.
Прочность, как свойство металлов сопротивляться разрушению под действием внешних сил, характеризуется временным сопротивлением или пределом прочности (в, определяемым при испытании на растяжение. Для конструктора очень важным являются прочностные характеристики металла. Чем выше прочность металла, тем меньше могут быть размеры детали при той же рабочей нагрузке, тем меньше расход металла на данную машину.
Пластичность, как способность металлов не разрушаться при значительных остаточных деформациях, характеризуется относительным удлинением ( и относительным сужением ( , определяемыми при испытании на растяжение. Характеристики пластичности имеют большое значение при выборе деталей машин. При малой пластичности металлы становятся хрупкими и могут разрушаться в работе при случайных перегрузках, особенно при ударном приложении нагрузок, что может привести к аварии.
Основным видом испытаний для определения прочности материалов является испытание на одноосное растяжение. Оно сравнительно легко подвергается анализу, позволяет по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик материала, являющихся критерием его качества и необходимым для конструкторских расчетов.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение материала под действием приложенных внешних механических сил.
В результате механических испытаний получают численные значения механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний сплава.
К механическим свойствам металла обычно относят прочность, под которой понимают сопротивление металла деформации и разрушению и пластичность, т.е. способность металла к остаточной деформации без разрушения.
Основным видом испытаний для определения прочности и пластичности материалов является испытание на одноосное растяжение. По этому виду испытаний также предусмотрено выполнение лабораторной работы.
Для испытания на растяжение применяют стандартный образец, который перед испытанием маркируют, измеряют и размечают. Начальная расчетная длина образца в пределах рабочей длины ограничивается неглубокими кернами.
При испытании указанный образец крепится концами в захват разрывной машины и растягивается с малой скоростью до разрушения. В ходе испытания записывают так называемую кривую растяжения (рис.3.1), представляющую собой зависимость между прикладываемой к образцу нагрузкой P и его абсолютным удлинением (l. Из этого рисунка видно, что кривая растяжения имеет 4 характерных участка, отражающих протекание в материале сложных физических явлений. Прямая на участке 1 свидетельствует, что удлинение пропорционально нагрузке, т.е. на этом участке сохраняет силу закон пропорциональности (закон Гука). После снятия нагрузки деформация растяжения исчезнет, атомы в решетке займут свое первоначальное положение. Напряжение, при котором нарушается пропорциональность между усилием и удлинением, называется пределом пропорциональности, определяемым по формуле
бпц = Pпц / Fо ,
(1)

где Fо - площадь поперечного сечения образца. Детали машин рассчитывают так, чтобы возникающие в них при эксплуатации рабочие напряжения (бр) не превышали предела пропорциональности (упругости). Обычно бр ( 0,6*бпц.
Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к появлению остаточного удлинения (участок 11), не исчезающего после снятия нагрузки. В этот момент длина образца увеличивается без увеличения нагрузки вследствие пластической деформации, перемещения одной части зерна относительно другой по кристаллографическим плоскостям скольжения. Материал как бы течет, а нагрузка Pт соответствует пределу текучести - минимальному напряжению, при котором образец получает остаточное удлинение без заметного увеличения нагрузки, т.е.
бт = Pт / Fо
(2)

Большинство металлов не имеет явно выраженной площадки текучести, тогда за предел текучести принимают условное напряжение, при котором образец получает остаточную деформацию О,2 % первоначальной длины образца, т.е.
бо,2 = Pо,2 / Fо
(3)

При дальнейшем увеличении нагрузки металл пластически деформируется и несколько упрочняется (участок Ш).
Временное сопротивление или предел прочности sв - это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, т.е.
бв = Pв / Fо
(4)

Для хрупких материалов достижение нагрузки Pв сопровождается разрушением. У пластичных - до этого момента удлинение образца и сужение его первоначального сечения происходит равномерно по всей расчетной длине. Затем в месте наименьшего сопротивления образуется сужение поперечного сечения (шейка): при этом нагрузка уменьшается до Pк и образец разрушается.
Предел прочности для пластичных металлов по формуле (4) меньше истинного сопротивления разрыву, так как фактически площадь сечения к концу растяжения образца меньше Fо.
Для определения характеристик пластичности складывают по поверхности разрушения половинки разорванного образца и замеряют штангенциркулем расстояние между следами керна lк и диаметр шейки около поверхности разрушения dк. Таким образом, под относительным удлинением ( и относительным сужением ( понимают соответствующие отношения абсолютного удлинения и сужения образца после разрыва к их начальным расчетным значениям, выраженным в %, т.е.
13 EMBED Equation.3 1415
(5)
13 EMBED Equation.3 1415
(6)

где lо и lк - начальная и конечная расчетная длина образца, мм; Fк - площадь сечения шейки, мм2 ; Fо - начальная площадь сечения образца , мм2.
Относительное удлинение d можно определить также по диаграмме растяжения (рис.3.1). С этой целью из точки Д проводится до пересечения с осью абсцисс прямая, параллельная отрезку ОС. Полученный отрезок соответствует (lпласт, равное абсолютному удлинению расчетной части образца после разрушения в мм.
Рассмотренные характеристики прочности и пластичности являются исключительно важными для всех материалов, так как на основании этих показателей устанавливаются области использования сталей, чугунов, латуней и других материалов для изготовления или восстановления деталей судовых машин и механизмов, воспринимающих и передающих силовые нагрузки. Однако во многих случаях эти свойства не характеризуют прочность материалов в условиях эксплуатации деталей СТС. Их можно использовать только для ограниченного количества простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к комнатной. Для большинства же изделий и конструкций, особенно из высокопрочных материалов, склонных к хрупкому разрушению, необходимо использовать и другие критерии оценки так называемой конструктивной прочности. В определенной степени это компенсируется учетом склонности металла к хрупкому разрушению, определяемому при динамических испытаниях на ударный изгиб и получением соответствующей характеристики материала, называемой ударной вязкостью.
Ударная вязкость, ан, как прочность при ударных нагрузках, определяется путем разрушения стандартного образца ударом массивного маятника и представляет собой отношение затраченной на излом образца работы Ан, Дж, к площади поперечного сечения образца F, м2, в месте излома, т.е.
ан = Ан/F
(7)

По этому виду испытаний также предусмотрено выполнение соответствующей лабораторной работы.
Кроме рассмотренных механических свойств большое значение для работоспособности деталей СТС имеет твердость их рабочих поверхностей.
Твердость - это свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела определенной формы и размеров.
Методика определения твердости весьма проста и может осуществляться непосредственно на готовой детали без ее разрушения. В большинстве случаев при определении твердости производят вдавливание в испытуемый материал индентора, изготовленного из значительно более твердого материала, чем испытуемый. При вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала под индентором. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твердость. Таким образом, твердость при испытаниях методами вдавливания характеризует сопротивление металла пластическим деформациям, т.е. по существу определяются те же механические свойства материала, которые определяются при испытаниях на растяжение, но в новых условиях напряженного состояния.
Наиболее широко применяются следующие методы определения твердости: Бринелля, Роквелла и Польди. Для определения твердости также предусмотрено выполнение соответствующей лабораторной работы.
Твердость по Бринеллю НВ (Па) рассчитывают как отношение величины нагрузки Р (Н) к площади F (м2) поверхности полученного на образце отпечатка, представляющего собой шаровой сегмент. Определение площади шарового сегмента производят по формуле
F= 1/2 ( D (D - ( D2-d2 ),
(8)

где D - диаметр индентора, м; d - диаметр отпечатка, м.
Тогда окончательная формула для расчета твердости по методу Бринелля будет иметь следующий вид:
13 EMBED Equation.3 1415
(9)

Рассмотренный метод является наиболее точным, однако использование в качестве индентора стального закаленного шарика невозможно для материалов с твердостью более НВ 4500 из-за начинающейся деформации самого индентора. Кроме этого, отпечаток на детали получается достаточно больших размеров, что может привести в негодность ее рабочую поверхность.
Выбор диаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости и толщины испытуемого образца регламентируется ГОСТом и производится по соответствующим таблицам.
По методу Роквелла твердость определяется по глубине проникновения вдавливаемого стального шарика 1,588 мм при нагрузке 1000 Н (шкала В) или алмазного конуса с углом у вершины 1200 при нагрузке 600 и 1500 Н (шкалы А и С). При испытании сначала прикладывают предварительную нагрузку Ро , равную 100 Н, а затем указанную, в зависимости от выбранной шкалы. Разность глубин проникновения шарика или алмаза под нагрузками Ро и Р характеризует твердость. Чем меньше эта разность, тем тверже испытуемый материал и наоборот, чем больше эта разность, тем мягче материал. Значение твердости (HR) определяется по следующим формулам.
При измерении по шкалам А и С :
HR = 100 - е,
(10)

а при измерении по шкале В:
HR = 130 - е,
(11)

где е - величина, определяемая по формуле
е = (h-hо)/0,002,
h, hо - глубина внедрения индентора в испытуемый материал под действием нагрузок Р и Ро соответственно,
0,002 - величина, принятая за единицу твердости и соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.
Твердость по Роквеллу обозначается HRA, HRB или HRC соответственно по шкалам А, В и С.
Метод Роквелла менее точен в сравнении с методом Бринелля. Однако, наряду с более широким диапазоном твердости испытуемых материалов, он позволяет избегать вычислений, получать малые отпечатки на рабочих поверхностях, измерять твердость поверхностных слоев деталей после химико-термической обработки, а также твердость мелких деталей.
Для выбора индентора и нагрузки в зависимости от характеристики испытуемого материала рекомендуется использовать табличные данные.
По методу Польди используется та же схема определения твердости, что и по методу Бринелля - вдавливание стального закаленного шарика. Поэтому ему присущи практически те же ограничения по твердости. Принципиальным же отличием является ударное приложение нагрузки одновременно к детали и эталону, что позволяет исключить ее из рассмотрения и сопоставить значения твердостей с учетом лишь диаметров получаемых отпечатков.
Эталон представляет собой прямоугольный, обычно стальной брусок, у которого заранее в лаборатории судоремонтного завода определена и нанесена на торец твердость по методу Бринелля. Его вставляют в корпус приспособления и зажимают бойком так, чтобы над шариком не оказался отпечаток от ранее проведенных испытаний. Затем, установив приспособление на зачищенное напильником или наждачной бумагой место детали, наносят по бойку сильный удар молотком массой 5-10 Н. После этого вынимают эталон и измеряют на нем и детали диаметры отпечатков. Значение твердости детали вычисляют по формуле
HBдет = HBэт (dэт/dдет)2,
(12)

где НВэт - твердость по Бринеллю материала эталона; dэт - диаметр
отпечатка на эталоне, мм; dдет - диаметр отпечатка на детали, мм.
Важным преимуществом метода Польди является возможность применения его для определения твердости крупных деталей непосредственно на судне или в цехе завода. Это в значительной мере компенсирует сравнительно небольшую точность получаемых при испытаниях результатов.
Кроме рассмотренных методов существует метод определения твердости по Виккерсу и микротвердость. Первый используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, а второй - для определения микротвердости мелких деталей и отдельных структурных составляющих сплавов. В обоих случаях твердость (Н*) определяется по формуле:
Н* = 1,8544 P/d2,
(13)

где Р - нагрузка, Н; d - диагональ отпечатка, мкм.
Механические свойства неметаллических материалов имеют свои особенности, зависящие от их структуры, физического состояния, температуры и т.д. Вследствие высокой молекулярной массы они не способны переходить в газообразное состояние, при нагревании образовывать низковязкие жидкости, а некоторые, обладающие термостабильной пространственной структурой, даже размягчаться.
Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.
Стеклообразное состояние - твердое, аморфное (атомы совершают колебательное движение около положения равновесия, движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит).
Высокоэластичное состояние присуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, и макромолекула приобретает способность изгибаться).
Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью (подвижна вся макромолекула). С изменением температуры линейный или разветвленный полимер может переходить из одного физического состояния в другое.
Полимерным материалам присуще старение - самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале в процессе эксплуатации и хранения. Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и другие немеханические факторы.



Лекция 10. Диаграмма состояния и микроструктура металлических сплавов .

План лекции: Общие сведения о диаграммах состояния различных сплавов, диаграмма состояния железо-углерод: превращения, происходя-щие в сплаве в зависимости от концентрации его компонентов и темпе-ратуры; фазы и структурные составляющие сталей и чугунов, влияние легирующих элементов на свойства стали .

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение всех превращений, происходящих в сплаве в зависимости от концентрации его компонентов и температуры. Она определяется экспериментально по критическим точкам превращений в сплавах при их нагреве и охлаждении. Изучая диаграмму состояния сплава можно получить четкое представление о тесной взаимосвязи структуры и свойств материала, его кристаллическом строении и фазовом составе.
Диаграмма состояния Fе-C дает представление о строении железоуглеродистых сплавов: сталей и чугунов. Первое представление об этой диаграмме дал Д.К.Чернов, который впервые указал на существование в стали критических точек. Он обнаружил, что при температуре примерно 7000С существует критическая точка А1 , ниже которой сталь не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали. Вторая критическая точка А3 - переменная и зависит от содержания углерода в стали.
Диаграмма Fе-C, как видно из названия, должна распространяться от Fе до С. Учитывая, что железо с углеродом образует ряд химических соединений: Fe3C, Fe2C и др., указанную диаграмму можно рассматривать по частям.
Предметом нашего изучения будет первая часть диаграммы Fе-C, диаграмма Fе-Fе3С. Это объясняется тем, что на практике применяются металлические сплавы с содержанием углерода не более 5%, а ближайшим по содержанию углерода химическим соединением является цементит или Fe3C, содержащий углерода 6,67%. Таким образом, при разборе диаграммы состояния Fе-C в качестве одного из компонентов рассматривается железо, а другого - химическое соединение Fe3C.
Чтобы понять диаграмму Fe-C необходимо в первую очередь ознакомиться со строением и свойствами исходных компонентов этой системы: железом и цементитом.
Железо - 26-й элемент таблицы Д.И. Менделеева. На практике используется технически чистое железо с содержанием примесей 0,1...0,2% и температурой плавления 15350С. В зависимости от температуры железо, как мы уже рассматривали, существует в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях: (, (, ( и ( (рис. 2.1).
Типовые показатели механических свойств железа: бв ~ 250 Н/мм2, бт ~ 120 Н/мм2, d ~ 50%, ( ~ 86%, HB = 800 Н/мм2, ан ~ 300 Нм/см2.
Со многими элементами железо образует твердые растворы. Наибольший интерес представляет образование растворов углерода в железе. Растворимость С в Fе существенно зависит от того , в какой кристаллической форме существует Fе. Так, растворимость углерода в (-железе составляет около 0,02%, а ( и (-железе - до 2,14%, т.е. в 100 раз больше.
Твердые растворы внедрения углерода в (- и g-железе называются соответственно ферритом и аустенитом.
Феррит обозначается буквой Ф, ( или Fе(. Его основные механические свойства: НВ ` 600, бв = 330 Н/мм2, d = 40%.
Аустенит обозначается буквой А, (, или Fе(. Его основные механические свойства: НВ ` 1600, бв = 750 Н/мм2, d = 60%.
Цементит, обозначается буквой Ц или Fе3С, имеет сложную кристаллическую решетку, характер связи между атомами Fе и С точно не установлен. Температура плавления цементита около 16000С, твердость НВ=8000, нулевая пластичность, при 2170С теряет свои магнитные свойства. Цементит - соединение неустойчивое и в определенных условиях может разлагаться на железо и углерод в виде графита, что имеет большое значение в процессе структурообразования чугуна.
Упрощенная диаграмма состояния Fе-Fе3C приведена на рис.4.1. По оси абсцисс на диаграмме приведено содержание углерода и цементита. Очевидно, что количество цементита в сплаве равно 15-кратному содержанию углерода.
Линия АСД диаграммы называется линией ликвидус и соответствует температурам начала кристаллизации сплавов Fe-C. Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии.
Линия АЕСF - линия солидус и соответствует температурам конца кристаллизации. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии: жидком и твердом. Кристаллизация сталей начинается с образования аустенита (точки 1 на рис. 4. 1). После полного затвердевания (точки 2 на рис. 4.1) все стали состоят из аустенита. При дальнейшем охлаждении до линии GSE структура сталей не изменяется.
Линия GS относится к сталям с содержанием углерода до 0,8% и соответствует температурам выделения феррита из аустенита, т.е. ниже точки 3 на рис. 4.1 сталь будет состоять из аустенита и феррита, причем выделение феррита приводит к повышению содержания углерода в аустените до 0,8%.
Линия SE относится к сталям с содержанием углерода более 0,8% и соответствует температурам выделения цементита вторичного из аустенита, т.е. ниже точки 4 на рис. 4.1 сталь будет состоять из аустенита и вторичного цементита, выделение которого снижает содержание углерода в аустените до 0,8%.

Горизонтальная линия на диаграмме, линия PSK, соответствует протеканию следующей эвтектоидной реакции:
13 EMBED Equation.3 1415
т.е. аустенит концентрации точки S при температуре 7270С разлагается на феррит концентрации точки Р и цементит концентрации точки К, соответ-
ствующей 6,67%С.
В результате этой реакции образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита называемая перлитом (вид перламутра). Эта реакция происходит у всех сплавов системы, содержащих С > 0,02%, т,е, практически у всех промышленных железоуглеродистых сплавов. Эту реакцию называют эвтектоидным или перлитным превращением. Основные механические свойства перлита пластинчатого - НВ ` 2000, б = 800 Н/мм2, ( = 10%; перлита зернистого - НВ ` 1800, б = 650 Н/мм2, ( = 20%.
По структуре углеродистые стали классифицируют на доэвтек-тоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8% углерода. Ее структура состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита, представляющих в свою очередь зерна феррита, пронизанных пластинами цементита (рис. 4.2, г и д).
С увеличением содержания углерода количество феррита в доэвтектоидных сталях уменьшается, а перлита увеличивается. Так как практически весь углерод находится в перлите, то содержание углерода в доэвтектоидной стали можно определить по формуле, в %:
С = 0,8 Fn/100,
(1)

где Fn - площадь, занимаемая перлитом, %.
Эвтектоидная сталь содержит 0,8%С и имеет перлитную структуру. В поле зрения микроскопа эвтектоидная сталь с пластинчатым перлитом отчетливо выявляет форму цементита в виде темных прожилок на светлом фоне феррита (рис. 4.2,а). При большей степени дисперсности цементитных частиц и при малых увеличениях двухфазное строение перлита может не выявляться. В этих случаях перлит под микроскопом, при травлении стали 4%-ным раствором HNO3 в спирте, имеет сплошной темный фон.
Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и вторичного цементита, располагающегося в виде сетки или зерен (рис.4.2,б,е). В этих сталях содержание углерода может быть ориентировочно определено по следующей формуле, %
С = (0,8 Fn + 6,67 Fц)/100,
(2)

где Fц - площадь, занимаемая вторичным цементитом, в %.
После травления 4%-ным раствором HNO3 в спирте цементит под микроскопом имеет вид белой составляющей, также как и феррит, а перлит - вид темной составляющей.
Чтобы отличить по микроструктуре цементит от феррита, шлиф, протравленный 4%-ным раствором HNO3 в спирте повторно полируется, а затем травится щелочным раствором пикрата натрия, который окрашивает цементит в темный цвет.
Анализ диаграммы состояния железо-углерод показывает, что содержание углерода в стали определяет ее строение и структуру. В связи с этим интересно проследить влияние углерода на основные механические свойства стали (рис. 4.3).
Из этого рисунка видно, что с увеличением в стали углерода возрастает твердость НВ и предел прочности бв, уменьшается относительное удлинение ( и относительное сужение ( и ударная вязкость ан. При дальнейшем увеличении в стали углерода (более 0,9%С)
твердость возрастает, а предел прочности уменьшается. Это объясняется тем, что по границам зерен выделяется вторичный цементит, образующий сплошной каркас вокруг перлитных зерен (рис. 4.2,е). При испытании на растяжение нагрузка воспринимается прежде всего этим каркасом. Цементит, будучи хрупким, разрушается, что приводит к преждевременному разрушению образца и снижению предела прочности. Таким образом, зная микроструктуру стали, мы можем по соответствующим зависимостям определить содержание в стали углерода и ее марку, а пользуясь зависимостями рис. 4.3 - значение основных ее механических свойств.
Влияние легирующих компонентов на свойства стали зависит от количества вводимых элементов и их взаимодействия с железом и углеродом. С железом они обычно находятся в виде твердых растворов замещения (легированный феррит и легированный аустенит) или химического (интерметаллического) соединения (FeCr, Fe3W2, Fe3Mo2), а при взаимодействии с углеродом - в связанном (TiC, WC) или в свободном состоянии.
Легированный феррит присутствует во всех конструкционных сталях, подвергающихся улучшению, а легированный аустенит является основной структурной составляющей жаропрочных и нержавеющих сталей. Интерметаллические соединения являются упрочняющей фазой при термической обработке.
Все легирующие компоненты, за исключением марганца, при нагреве задерживают рост зерна аустенита, что позволяет легированные стали подвергать обработке давлением в более широком интервале температур или подвергать химико-термической обработке, не опасаясь перегрева.
Следует помнить, что в наибольшей мере преимущества легированной стали проявляются после ее термообработки. Особенно сильно повышается бт, ( и ан. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а следовательно, лучшей прокаливаемостью. Это позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масло, воздух), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры.
Растворяясь в железе, легирующие элементы оказывают большое влияние на положение критических точек в стали. Одни легирующие элементы (Ni, Mn, Co) расширяют (-область, понижая А3 и А1, другие (W, V, Cr, Mo) сужают ( и расширяют (-область, повышая А3 и А1. Почти все легирующие элементы сдвигают точки Е и S диаграммы Fe-C влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Исключение - V, Ti, Nb, которые повышают концентрацию углерода в эвтектоиде.






Кристаллизация чугуна (сплав III на рис. 4.1) начинается с образования аустенита в точке 5. В точке 6, как и в любой другой точке линии ЕСF, протекает реакция по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
т.е. жидкость концентрации точки С при температуре 11470С разлагается на аустенит концентрации точки Е и цементит концентрации точки F. Эта эвтектическая смесь (от слова эвтектика - легкоплавящийся) получила название ледебурит. Таким образом, после полного затвердевания (сплав ниже точки 6) микроструктура чугуна будет состоять из аустенита, цементита вторичного и ледебурита.
При дальнейшем охлаждении сплава, до линии РSК, структура чугуна не изменяется. Ниже линии РSK, из-за протекания известной эвтектоидной реакции, структура чугуна будет состоять из П+Цп+Л(П+Цп). При этом аустенит ледебурита также перешел в перлит. Аналогичные рассуждения можно провести и для чугуна с содержанием углерода более 4,3%, например, для сплава ІV.
По структуре чугуны классифицируют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.
Доэвтектические чугуны содержат более 2,14%, но менее 4,3% углерода. Его структура состоит из темных зерен перлита, светлых цементита вторичного и ледебурита представляющего собой, в свою очередь, темные точки перлита на светлом фоне цементита. (рис. 4.4,б).
С увеличением содержания углерода количество ледебурита увеличивается, а перлита и цементита вторичного уменьшается, переходя в ледебурит с содержанием углерода 4,3%.
Эвтектический чугун содержит 4,3% С и имеет структуру ледебурита, светлого фона цементита, усеянного темными зернами перлита. (рис. 4.2,а).
Заэвтектический чугун состоит из ледебурита и первичного цементита (рис. 4.4,а). Зерна ледебурита в виде серых участков, усеянных мелкими темными включениями перлита, как бы пронизаны светлыми крупными пластинками первичного цементита.
Рассмотренные чугуны в изломе имеют белый оттенок и поэтому получили название белых; в них весь углерод находится в связанном состоянии, в виде Fe3C (цементита). Такие чугуны отличаются высокой твердостью и используются в основном для передела в сталь.
При длительном отжиге белого чугуна цементит распадается на железо и углерод, происходит так называемая графитизация, когда углерод выделяется в свободном виде, в виде графита. В зависимости от технологии обработки, графит может быть выделен в виде пластин, хлопьев и шаров (рис. 4.4,г-з). Такие чугуны называются соответственно серыми, ковкими и высокопрочными.

Лекция 11. Теория термической и химико-термической обработки стали и сплавов.
План лекции: Превращения в стали и чугуне при нагреве и охлаждении, превращения при нагреве закаленной стали, рост зерна аустенита при нагреве эвтектоидной стали, физическая сущность методов химико-термической обработки: цементации, азотирования и др.
Термическая обработка - один из основных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства стали. Она состоит из двух основных операций: нагрева и последующего охлаждения. Превращения, происходящие в стали в этом случае, называют соответственно первым и вторым основными превращениями. Рассмотрим сущность этих превращений на примере эвтектоидной стали.
Первое основное превращение в стали характеризуется превращением перлита в аустенит. В этом случае при температуре Ас1 в перлите, на границе между ферритом и цементитом, образуется множество зародышей - мелких зерен аустенита. Количество зародышей будет тем больше, чем выше содержание углерода в стали и чем дисперснее частицы цементита в перлите. Последующая выдержка при температуре превращения или повышение температуры вызывает рост начальных зерен аустенита. При этом одни зерна увеличиваются за счет других, более мелких и термодинамически менее устойчивых, т.е. происходит собирательная рекристаллизация. при этом на свойства стали оказывает влияние величина ее зерна. Так, с ростом зерна резко снижается ударная вязкость и работа распространения трещины, повышается порог хладноломкости (температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому). Размер зерна, образовавшийся при нагреве, не изменяется при последующем охлаждении. По склонности к росту зерна различают два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые 1 и наследственно крупнозернистые 2 (рис. 11.1). В первой - зерно увеличивается незначительно даже при нагреве до температуры 1000-10500С, но при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. Во второй, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше А1. мелкозернистые, так как в них образуются дисперсные частицы AlN, тормозящие рост зерна аустенита. Легирующие элементы, особенно карбидообразующие, замедляют собирательную рекристаллизацию и тем самым задерживают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ni, V, W, Mo и другие, образующие труднорастворимые в аустените карбиды, которые служат барьером. Более слабое влияние оказывает хром, а марганец способствует росту зерна аустенита.
Продолжительный нагрев до- и заэвтектоидной стали при температурах значительно выше А3 или Асм, приводит к образованию крупного зерна как при нагреве, так и при охлаждении до 200С. Такой нагрев принято называть перегревом стали. Перегретая сталь характеризуется крупнокристаллическим изломом. Перегрев может быть исправлен повторным нагревом выше А3 или Асм. Нагрев при еще более высокой температуре называют пережогом стали, который сопровождается образованием по границам зерен окислов железа. При пережоге излом стали камневидный. Пережог - неисправимый дефект стали.
Второе основное превращение в стали, характеризуется перлитным, бейнитным и мартенситным превращениями. Все они могут протекать как при непрерывном охлаждении стали ниже температуры Аr1, так и при определенных степенях переохлаждения.
Перлитное превращение (переохлаждение до 1700С) в зависимости от степени переохлаждения способствует образованию перлита, сорбита и троостита. Все они представляют смесь феррита и цементита и отличаются друг от друга степенью дисперсности цементита. Наибольшая дисперсность, а следовательно и твердость, у троостита.
Сорбит при больших увеличениях представляет собой смесь очень мелких зерен цементита на фоне феррита, но они выражены не так резко, как в перлите, в котором зерна цементита значительно крупнее. Сорбит обладает высокими механическими качествами: большим временным сопротивлением разрыву и хорошей вязкостью при повышенной твердости (2500-3000HB). На этом основании сорбит считается наилучшей структурой для конструкционных сталей.
Троостит представляет распавшийся твердый раствор, в котором цементит выделяется в высокой степени размельчения (дисперсности). Частицы цементита в троостите настолько мелки, что их можно видеть под микроскопом лишь при больших увеличениях, порядка 3500-4000 раз. Троостит, таким образом, является высокодисперсной смесью феррита и цементита. По сравнению с мартенситом он имеет меньшую твердость (3000-5000HB) и не так хрупок, быстро травится реактивом. Троостит очень часто наблюдается в сочетании с мартенситом, так как достаточно небольшого промедления в закалке, чтобы наряду с мартенситом появился троостит. Под микроскопом такой троостит имеет вид темных пятен, расположенных на фоне мелкоигольчатого мартенсита. Троостит обладает, наряду с достаточно высокой твердостью, высоким пределом упругости, но низкой вязкостью. Структура троостита желательна для деталей, от которых требуется высокая прочность и упругость, например, для пружин.
Бейнитное (промежуточное) превращение (переохлаждение на 220-3500С) способствует образованию ферритоцементитной структуры с характерным игольчаты строением. Такую структуру называют бейнитом или игольчатым трооститом с твердостью HB 500. При превращении аустенита в бейнит в конечной структуре остается некоторое количество переохлажденного аустенита.
На свойства получаемых структур (перлита, сорбита, троостита и бейнита) оказывает влияние величина их зерен. Чем крупнее зерна аустенита, тем больше зерна новой структуры. Это объясняется тем, что зерна аустенита растут только при нагреве, при охлаждении не изменяются.
Мартенситное превращение происходит при высоких скоростях охлаждения. В этом случае кристаллическая решетка g-железа перестраивается (мгновенно, за 10-7 с.) с образованием тетрагональной решетки (-железа, при сохранении постоянства концентрации углерода в твердом растворе, т.е. происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Поскольку в кристаллической решетке a-железа остается избыточный углерод, она искажается, приобретая некоторую тетрагональность. Мартенсит, таким образом, является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в тетрагональном (-железе, а термическая обработка, обеспечивающая получение этой структуры, называется закалкой.
Вследствие искажения кристаллической решетки мартенсит обладает большой твердостью (5000-6500HB в зависимости от содержания углерода в стали) и вместе с тем очень хрупок и непластичен. Под микроскопом мартенсит имеет игольчатое строение. Иглы мартенсита располагаются по трем направлениям, образуя иногда равносторонние треугольники. Благодаря своей высокой твердости мартенсит является желательной структурой закалки для металлорежущих инструментов.
По сравнению с другими переходными структурами стали мартенсит имеет наибольший удельный объем. Поэтому при закалке стали на мартенсит резко увеличивается объем изделия, что вызывает появление внутренних напряжений и, как следствие, коробление, а иногда и трещины в изделиях. Слишком высокая температура нагрева стали перед закалкой способствует появлению крупноигольчатого мартенсита, обладающего меньшей твердостью и большей хрупкостью.
Интервал температур мартенситного превращения Мн...Мк зависит от состава стали и колеблется от 400 до -1000С (скорость охлаждения не влияет на температуру начала и конца мартенситного превращения). Поэтому в структуре после обычной закалки содержится некоторое количество аустенита (от 2 до 30% при содержании углерода от 0,5 до 1,5%).
Превращения в закаленной стали при нагревании. Мартенсит и остаточный аустенит являются неустойчивыми (неравновесными) структурными составляющими, которые сохраняются при нормальной температуре только благодаря малой подвижности частиц. С повышением температуры подвижность частиц увеличивается и мартенсит переходит в более устойчивую структурную форму. Чем выше температура нагрева, тем быстрее и полнее идет процесс превращения мартенсита в другие структурные формы (сначала в троостит, а затем в сорбит).
Так, нагрев закаленной стали на мартенсит до температуры 1800С приводит к ее первому превращению - началу распада мартенсита с выделением углерода в виде дисперсных частиц цементита, снижению напряжений за счет уменьшения тетрагональности решетки мартенсита. В результате этого превращения получается структура отпущенного мартенсита игольчатого строения. При дальнейшем нагреве до 3000С протекает второе превращение, внешним признаком которого является увеличение длины образца, а внутренним - превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит; одновременно с этим продолжается выделение углерода из тетрагонального мартенсита с некоторым снижением напряжений в нем. При повышении температуры нагрева до 4000С наступает третье превращение, сопровождающееся уменьшением размеров образца, что указывает на полное выделение избыточного углерода из мартенсита и снятие внутренних напряжений. При нагреве выше 4000С наступает четвертое превращение, характеризующееся полным снятием внутренних напряжений и коагуляцией карбидных частиц в зернистом цементите. В результате этого превращения сталь имеет структуру феррита и зернистого цементита.
Таким образом, термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали ниже температуры точки Ас1 и обеспечивающую превращения мартенсита и остаточного аустенита, называют отпуском. Скорость охлаждения углеродистой стали при отпуске не оказывает влияния на ее механические свойства, а получаемые при этом структуры троостита и сорбита свободны от внутренних напряжений и обладают лучшими механическими свойствами, чем троостит и сорбит, получаемые при перлитном превращении.
Влияние легирующих компонентов на свойства стали зависит от количества вводимых элементов и их взаимодействия с железом и углеродом. С железом они обычно находятся в виде твердых растворов замещения (легированный феррит и легированный аустенит) или химического (интерметаллического) соединения (FeCr, Fe3W2, Fe3Mo2), а при взаимодействии с углеродом - в связанном (TiC, WC) или в свободном состоянии.
Легированный феррит присутствует во всех конструкционных сталях, подвергающихся улучшению, а легированный аустенит является основной структурной составляющей жаропрочных и нержавеющих сталей. Интерметаллические соединения являются упрочняющей фазой при термической обработке.
Все легирующие компоненты, за исключением марганца, при нагреве задерживают рост зерна аустенита, что позволяет легированные стали подвергать обработке давлением в более широком интервале температур или подвергать химико-термической обработке, не опасаясь перегрева.
Следует помнить, что в наибольшей мере преимущества легированной стали проявляются после ее термообработки. Особенно сильно повышается бт, ( и ан. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а следовательно, лучшей прокаливаемостью. Это позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масло, воздух), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры.
Растворяясь в железе, легирующие элементы оказывают большое влияние на положение критических точек в стали. Одни легирующие элементы (Ni, Mn, Co) расширяют (-область, понижая А3 и А1, другие (W, V, Cr, Mo) сужают ( и расширяют (-область, повышая А3 и А1. Почти все легирующие элементы сдвигают точки Е и S диаграммы Fe-C влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Исключение - V, Ti, Nb, которые повышают концентрацию углерода в эвтектоиде.

Химико-термическая обработка связана с изменением химического состава, структуры и свойств поверхностного слоя стальных деталей. Обычно при такой обработке деталь помещают в среду, богатую элементом, который дифундирует в металл. В случае газового окружения (наиболее частый случай) происходят следующие три элементарных процесса.
1. Диссоциация - распад молекул и образование активных атомов диффундирующего элемента, например:
2СО -6 СО2 + С или NН3 -6 3Н + N.
Эти реакции показывают образование активных атомов углерода и азота, способных растворяться в металле.
2. Абсорбция -поглощение (растворение) поверхностью свободных атомов. Это возможно в том случае, если диффундирующий элемент способен растворяться в основном металле.
3. Диффузия - проникновение насыщающего элемента вглубь. В результате указанных процессов образуется диффузионный слой, характеризующийся тем, что на поверхности концентрация диффундирующего элемента наибольшая и постепенно падает по мере удаления от поверхности.
Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем при насыщении металлами, образующими твердые растворы замещения.
При определении толщины диффузионного слоя указывается не полная толщина слоя с измененным составом, а только толщина до определенной твердости, так называемая эффективная толщина диффузионного слоя.

Лекция 12. Технология термической и химико-термической обработки сталей и сплавов.
План лекции: Основные виды и элементы режима термической и химико-термической обработки. Закалка, отпуск, отжиг и нормализация; цементация, азотирование и цианирование, диффузионная металлизация.
Термической обработкой называется нагрев металлических сплавов в твердом состоянии до определенной температуры и последующее быстрое или медленное их охлаждение с целью получения желаемых физико-механических свойств этих сплавов путем соответствующего изменения их микроструктуры. Следовательно, режим термической обработки можно охарактеризовать четырьмя основными параметрами: скоростью нагрева Vн, максимальной температурой нагрева tmax, временем выдержки tв при этой температуре и скоростью охлаждения Vохл. На основании этого любой процесс (режим) термической обработки может быть представлен графиком (рис. 12.1.), где тангенсы угла наклона кривых определяют скорости нагрева и охлаждения.
Скорость нагрева металла должна обеспечить максимальную производительность нагревательных устройств и предохранить деталь от высоких внутренних напряжений, а также обеспечить протекание необходимых превращений. Она зависит от многих факторов: размеров и материала детали, наличия концентраторов напряженийидр.
Максимальная температура нагрева определяется видом термической обработки.
Время выдержки при достижении максимальной (заданной) температуры определяется в основном двумя факторами: 1) необходимостью достижения примерного выравнивания температуры по сечению или объему детали и 2) обеспечением полного протекания превращения в стали.
Скорость охлаждения (степень переохлаждения) определяет протекание тех или иных превращений в стали, а следовательно и ее конечную структуру и свойства.
В зависимости от tmax и Vохл различают следующие основные виды термической обработки: закалка, отпуск, отжиг и нормализация.
Закалка стали. Закалкой стали называется нагрев ее выше температур перехода структурных составляющих в твердый раствор (аустенит) и последующее быстрое охлаждение. Она применяется для повышения прочности и твердости стали. Одновременно увеличивается хрупкость стали и понижается ее пластичность.
Температура нагрева стали под закалку определяется ее химическим составом и, главным образом, содержанием в ней углерода: для доэвтектоидных сталей она должна быть на 30-500 выше критических точек Ас3 (линия GS на диаграмме Fe-Fe3C), а для эвтектоидной и заэвтектоидной сталей - на 30-500С выше критических точек Аc1 (линия SK диаграммы). При этих температурах структура доэвтектоидной и эвтектоидной сталей состоит из аустенита, а структура заэвтектоидной стали - из аустенита и вторичного цементита. Если сталь медленно охлаждать с этих областей температур, то произойдет полный распад аустенита и получаются равновесные устойчивые структуры сплавов, указанные на диаграмме Fе-Fе3C. При быстром же охлаждении, например, погружая ее в воду или масло, аустенит превращается в неустойчивую (неравновесную) структуру, мартенсит.
Наряду с мартенситом в закаленной стали всегда присутствует остаточный аустенит, являющийся также неустойчивой структурой. Вследствие этого, длительная выдержка при комнатной температуре приводит к частичному превращению остаточного аустенита в мартенсит. В результате чего происходит снижение твердости, износостойкости, а также некоторое изменение размеров детали. Последнее особенно недопустимо для мерительных инструментов, прецизионных деталей топливной аппаратуры (игла распылителя) и др. Поэтому для стабилизации структуры сразу же после закалки следует производить обработку холодом, в противном случае произойдет стабилизация аустенита и он неполностью превратится в мартенсит.
Троостит является следующей (после мартенсита) переходной структурой распада аустенита и может быть получен путем закалки стали при более умеренной скорости охлаждения (например, для конструкционной стали в воде, нагретой до 400С). По сравнению с мартенситом троостит имеет меньшую твердость (3000-5000HB) и не так хрупок, обладает высоким пределом упругости, но низкой вязкостью. Структура троостита желательна для деталей, от которых требуется высокая прочность и упругость, например, для пружин.
Сорбит является дальнейшей структурой распада аустенита, которая получается при еще меньших скоростях охлаждения, применяемых при закалке (например, охлаждение мелких деталей в струе воздуха, а массивных - в масле). Он обладает высокими механическими качествами: большим временным сопротивлением разрыву и хорошей вязкостью при повышенной твердости (2500-3000HB). На этом основании сорбит считается наилучшей структурой для конструкционных сталей.
Наиболее широкое применение получила непрерывная закалка, закалка в одном охладителе. Во многих случаях, особенно для изделий сложной формы и при необходимости уменьшения деформации, применяют другие способы закалки: прерывистую (в двух средах), с самоотпуском, ступенчатую и изотермическую.
При выполнении непрерывной и других способов закалки могут возникать различные дефекты: недостаточная твердость - из-за низкой температуры нагрева под закалку; образование мягких участков - из-за местного скопления феррита; повышенная хрупкость - из-за высоких температур закалки; окисление и обезуглероживание поверхности - из-за нагрева в пламенных печах без контролируемой атмосферы; деформация, коробление, трещины - из-за неправильного выбора скорости охлаждения (значительных внутренних напряжений) и др. Эти дефекты могут быть устранены или предупреждены следующим образом. Недостаточная твердость, наличие мягких участков и хрупкость устраняются повторной закалкой; окисление и обезуглероживание поверхности - окончательный брак, нагрев необходимо осуществлять в солях и в нейтральной атмосфере; трещины и деформации - окончательный брак, необходимо обоснованно выбирать скорости нагрева и охлаждения изделий.
Многие указанные дефекты можно устранить поверхностной закалкой, которая обеспечивает высокую твердость поверхностного слоя детали и сохраняет вязкость ее внутренних слоев, что способствует повышению общей прочности за счет повышения предела усталости. Наиболее распространенным способом такой закалки является нагрев токами высокой частоты (закалка ТВЧ).
Сущность закалки ТВЧ заключается в том, что деталь помещают в специальный индуктор (катушку), через который пропускают переменный ток большой силы (до 5000-8000 А) частотой промышленной (50 гц) или повышенной (104 гц) или высокой (105-106 гц). Ток создает магнитный поток, который индуктирует в той части детали, которая находится в индукторе, вихревые токи, вызывающие у поверхности детали наибольшую плотность и осуществляющие нагрев поверхностных слоев детали в течение нескольких секунд до 850-9500С. После нагрева на поверхность изделия подают воду, в результате чего поверхностный слой закаливается. Глубина закаленного слоя, составляющая от долей до нескольких десятков мм, регулируется частотой тока и временем выдержки детали в индукторе. Поверхность детали остается почти не окисленной, что является большим преимуществом этого способа закалки.
Закалке ТВЧ, на глубину 1,5-2,5 мм и твердостью НRС54, часто подвергают зубья шестерен, изготавливаемых из стали 40Х
Отпуск стали. Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур, лежащих ниже линии PSK диаграммы состояния Fе-Fе3C, с последующим быстрым или медленным охлаждением. Назначение отпуска заключается в том, чтобы устранить внутренние напряжения, возникающие при закалке, и придать изделию желаемые механические и физические свойства. Отпуск не является самостоятельной разновидностью термической обработки и применяется всегда после закалки и обработки холодом.
Мартенсит закаленной стали является неустойчивой структурой, которая сохраняется при нормальной температуре только благодаря малой подвижности частиц. С повышением температуры подвижность частиц увеличивается и мартенсит переходит в более устойчивую структурную форму. Чем выше температура отпуска, тем быстрее и полнее идет процесс превращения мартенсита в другие структурные формы (сначала в троостит, а затем в сорбит). Структуры троостита и сорбита, получаемые в результате отпуска закаленной на мартенсит стали, называют трооститом отпуска и сорбитом отпуска. Эти структуры свободны от внутренних напряжений и обладают лучшими механическими свойствами, чем троостит и сорбит закалки.
В зависимости от температуры нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.
Нагрев до 180-2000С не вызывает заметного распада мартенсита и способствует только снятию внутренних напряжений. Это так называемый низкий отпуск. Микроструктура стали после низкого отпуска - мартенсит отпуска или мартенсит + троостит. Такому отпуску подвергаются инструментальные стали.
При нагреве закаленной стали до 300-4000С получается троостит отпуска. Такой отпуск называется средним. Ему подвергаются инструменты, работающие с ударами, а также пружины, шестерни и т.д.
Большинство деталей машин, изготавливаемых из конструкционных сталей, обычно подвергаются после закалки высокому отпуску - при температуре от 500-6000С. В данном случае стремятся получить сорбитовую структуру стали, обладающую наряду с повышенной твердостью и прочностью высокими вязкими свойствами. Обработку, заключающуюся в закалке и высоком отпуске обычно называют улучшающей обработкой, поскольку в этом случае обеспечивается наилучшее сочетание прочности и пластичности стали.
Кроме температуры нагрева, на результаты отпуска большое влияние оказывает время выдержки стали при температуре отпуска: чем больше выдержка, тем полнее протекает переход закаленной стали в более устойчивое состояние и в большей степени устраняются внутренние напряжения. Скорость охлаждения при отпуске не оказывает влияния на механические свойства стали.
Отжиг стали. Отжигом стали называется нагрев стали на 40-500С выше температур фазовых превращений (линия GSK диаграммы состояния) с последующим очень медленным ее охлаждением, осуществляемым обычно вместе с печью.
Отжиг стали производится с целью улучшения ее структуры и снятия внутренних напряжений, возникающих в результате горячей или холодной механической обработки. Отжиг уменьшает твердость и восстанавливает вязкость и, таким образом, облегчает ее дальнейшую механическую обработку.
Структуры сталей, получаемые после отжига, равновесные (такие, которые приводятся на диаграмме Fе-Fе3C сплавов).
Различают следующие виды отжигов: полный, неполный, рекристаллизационный, диффузионный и отжиг для снятия остаточных напряжений.
Нормализация стали. Нормализацией называется процесс нагрева стали до температуры, превышающей на 50-600С линию GSE диаграммы состояния с последующим охлаждением на воздухе. Нормализацию обычно называют одной из разновидностью отжига либо промежуточной операцией между отжигом и закалкой. Основной целью нормализации является устранение полосчатой структуры, полученной в результате холодной механической обработки (прокатка, протяжка и т.д.) и создания нормальной мелкозернистой структуры.
В результате нормализации тонкостенные изделия получают преимущественно сорбитовую структуру, так как охлаждение их на воздухе совершается со скоростью, достаточной для фиксирования сорбита. Нормализация массивных изделий оказывает такое же действие, как и отжиг с медленным охлаждением, но по сравнению с отжигом является более простым и менее длительным процессом. Поэтому нормализация часто применяется вместо отжига после ковки в горячем состоянии заготовок для крупных деталей (коленчатые валы, шестерни и т.д.). В этом случае нормализация производится как подготовительная операция перед закалкой и имеет целью размельчение зерна и снятие внутренних напряжений.
Влияние термической обработки на механические свойства углеродистой стали с 0,42% С, как наиболее распространенной, приведены в таблице

Таблица
Вид термообработки
бВ
бТ
(
(
аН
МДж/м2


Н/мм2
%


Отжиг при 8800С
Закалка и отпуск:
При 3000С
При 6000С
550

1300
620
350

1100
430
20

12
22
52

35
55
9

3
14


Среди методов химико-термической обработки наибольшее применение в судостроении и судоремонте нашли цементация и азотирование.
Цементацией называют процесс поверхностного науглероживания деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей при 850-9500С в углеродсодержащей среде (карбюризаторе). Глубина цементации - 0,5-2,0 мм с содержанием углерода в поверхностном слое 0,75-1,2%. После термической обработки деталей, подвергнутых цементации, структура поверхностного слоя состоит из мартенсита и избыточного цементита. Твердость поверхностного слоя 6000-7000 НВ, повышается усталостная прочность.
Цементацию можно проводить в твердых, жидких и газообразных карбюризаторах.
В качестве твердого карбюризатора применяется древесный уголь и углекислые соли BaCO3 и Na2CO3. Активным науглероживающим элементом является окись углерода; углекислые соли ускоряют процесс образования окиси углерода.
В качестве жидкого карбюризатора применяется среда, содержащая расплавленные соли Na2CO3, NaCl и SiC. Активным науглероживающим элементом является карбид кремния.
В качестве газового карбюризатора применяется среда, содержащая метан (СН4), окись углерода, водород и другие элементы. Активными науглероживающими элементами являются метан и окись углерода.
Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. За эффективную толщину цементованного слоя принимают сумму эаэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) зон. Обычно она составляет 0,5-1,8 мм при концентрации углерода в поверхностном слое 0,8-1,0%. Для повышения контактной усталости количество углерода может быть увеличено до 1,2 мм. Более высокое содержание углерода приводит к снижению механических свойств.
Для деталей СТС наиболее часто цементация применяется: - для топливной и пусковой кулачной шайбы (сталь 15Х , глубина 1,5-2 мм HRC 56-62), - для направляющей иглы форсункм СОД (сталь 18Х2Н4ВА, h=0,5-0,9, HRC 60), -для толкателей топливного насоса и клапанов газораспределения, ролика и оси ролика двигателя МТВН-40 (сталь 15Х, h= 0,8-1,2 мм, HRC 56-62) и др.
Азотированием называют процесс поверхностного насыщения деталей азотом при 480-6500С в атмосфере аммиака (NH3) для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотированию подвергают детали из среднеуглеродистых и легированных сталей, которые подверглись закалке, отпуску и механической обработке, включая шлифование. После азотирования проводится только окончательное шлифование или доводка. Азотированный слой обычно получается толщиной 0,2-0,4 мм.
Наибольшее применение получило газовое азотирование. Для ускорения процесса азотирования используется тлеющий разряд.
На практике азотированию подвергаются корпус и плунжер топливного насоса СОД (сталь 38ХМЮА, h=0,3-0,5 мм, твердость по Виккерсу HV.820).
Кроме указанных методов химико-термической обработки применяются: цианирование - процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом, диффузионная металлизация - процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование) и др.
Лекция 13. Общие сведения и физическая сущность способов получения неразъемных соединений.
План лекции: Способы получения неразъемных соединений. Физическая сущность электродуговой и газовой сварки, пайки и склеивания материалов.

1. Общие сведения о способах получения неразъемных соединений. Основными способами получения неразъемных соединений являются сварка, пайка и склеивание. Использование их для получения заготовок и деталей значительно уменьшает трудоемкость изготовления изделий и снижает расход материала.
При сварке неразъемное соединение получается за счет совме-стной пластической деформации деталей или совместного плавления зоны их контакта. Благодаря этим процессам удаляются неровности механической обработки и окисные пленки, происходит сближение деталей на межатомное расстояние, обеспечивая тем самым действие межатомных сил сцепления. В связи с этим сварку делят на две основные группы: сварку давлением и сварку плавлением.
При пайке неразъемное соединение получается за счет приса-дочного сплава (припоя). В этом случае основной металл не плавится, а плавится лишь припой. Происходит диффузия расплавленного припоя в нагретые поверхностные слои заготовок, обеспечивая так же как и при сварке сближение его частиц и основного металла и образование межатомных связей по всей поверхности контакта деталей (припой - металлический сплав, имеющий температуру плавления ниже температуры плавления соединяемых материалов). Температура пайки обычно на 10-300С выше температуры ликвидуса припоя.
При склеивании неразъемное соединение получается за счет адгезии, когезии и механического сцепления клеевой пленки с поверхностями склеиваемых заготовок. При этом адгезией (прилипае-мостью) называется способность клеевой пленки прочно удерживаться на поверхности склеиваемых материалов, а когезия представляет собой собственную прочность пленки.
Сварка имеет наиболее важное значение по сравнению с другими методами получения неразъемных соединений. Это объясняется ее широ-ким распространением и высокой технико-экономической эффективно-стью. Так, замена литья сваркой экономит 40-50% массы детали. Сварка позволяет получать более рациональные конструкции, используя различ-ные профили проката. Большой эконо-мический эффект дает использо-вание сварки при ремонтных работах по устранению дефектов и восста-новлению изношенных деталей, а также при исправлении брака литья.
Сварку широко применяют для соединения однородных и разнород-
ных материалов.
Наряду со сваркой давлением и сваркой плавлением существуют также промежуточные методы сварки, при которых металлы свариваются одновременно пластической деформацией и плавлением. К ним относят методы электрической контактной сварки: точечную, шовную и стыковую.
В зависимости от способа подачи в зону сварки присадочного материала и флюса ее подразделяют на ручную, автоматическую и полуавтоматическую.
Для быстрого нагрева и плавления металлов в процессе сварки используют различные источники тепловой энергии. Основными из них являются электрический ток и газовое пламя.
Способы сварки плавлением и давлением имеют ряд разновидностей: электродуговая, плазменная, электрошлаковая, газовая, термитная литьем, литейная, лучевая, электроконтактная, индукцион-ная, горновая, прессовая, трением, ультразвуковая, диффузионная и др.
Пайка характеризуется широкими возможностями в отношении соединения разнородных материалов: металлов с керамикой, стеклом, графитом и т.п. Качество паяных соединений (прочность, плотность, коррозионная стойкость и др.) в значительной степени зависит от многих побочных процессов, протекающих в зоне пайки.
Принято различать пайку мягкими и твердыми припоями. Температура плавления мягких припоев, а соответственно, и пайки, ниже 4500С, твердых припоев - выше 4500С (обычно даже выше 800 - 9000С).
В зависимости от физического или химического процесса, используемого для получения качественного паяного соединения, разли-чают следующие виды пайки: капиллярную, металлокерамическую, кон-тактно-реактивную, диффузионную и пайку самофлюсующими припоями.
Склеивание по сравнению с другими способами получения нера-зъемных соединений имеет ряд преимуществ: возможность соединения различных материалов (металлов и сплавов, пластмасс, стекол, керамики и др.) как между собой, так и в различных сочетаниях; атмосферостойкость и стойкость к коррозии клеевого шва; возможность соединения тонких материалов, значительное упрощение технологии изготовления изделий и др. Недостатками клеевых соединений являются относительно низкая длительная теплостойкость (до 3500С), склонность к старению и др.
2. Физическая сущность электродуговой сварки. Источником тепла при электродуговой сварке является электрическая дуга, представ-ляющая собой непрерывный поток электронов и ионов, который образует-ся между двумя электродами в той или иной среде, с выделением значи-тельного количества тепла и света. Ионизация газового промежутка при дуговой сварке в основном обусловлена электронной эмиссией с горячего катода.
Для разогрева катода между ним и анодом, подключенными к источнику сварочного тока, производят кратковременное короткое замыкание. После отрыва электрода от изделия с разогретого катода, каким при сварке постоянным током может быть и электрод (прямая полярность) и изделие (обратная полярность), под воздействием электрического поля начинается электронная эмиссия (при переменном токе полярность постоянно изменяется). Электроны, вылетевшие с поверхности катода, направляются к аноду и, сталкиваясь на своем пути с молекулами и атомами воздуха, ионизируют их. Образуемые в воздушном промежутке отрицательные ионы и электроны перемещаются к аноду, а положительные ионы - к катоду. На поверхности катода и анода осущест-вляется нейтрализация заряженных частиц и преобразование электри-ческой энергии в тепловую.
Выделение тепловой энергии в сварочной дуге происходит неравномерно. Количество тепла, выделяемого на аноде, составляет около 43% за счет бомбардировки его электронами, имеющими кинетическую энергию больше, чем ионы, бомбардирующие катод. На катоде выделяется около 36% общего количества тепла сварочной дуги. Остальное количество тепла выделяется в столбе дуги. Это обстоятельство следует учитывать, например, при сварке тонких листов, где полярность иг-рает большую роль.
При электродуговой сварке на нагревание и расплавление ме-талла используется 60-70% тепла. Остальное количество тепла рас-сеивается в окружающем прост-ранстве.
К основным параметрам, характеризующим свойства дуги, относятся напряжение, ток и длина дуги. Напряжение дуги V зависит от ее длины L, тока в ней I, материала и размеров электрода, состава и давления газов и др. Чем больше L, тем больше V. Устойчивое горение дуги при высоком качестве сварки обеспечивается при L = 3...5 мм. Зависимость между V и I, при установившемся стационарном состоя-нии дуги (L=const), выражается ее статической вольт-амперной харак-теристикой (рис. 13. 2). Как видно из рисунка, она может быть падающей I, жесткой II и возрастающей III. Самое широкое применение имеет дуга с жесткой характеристикой, при которой напряжение на дуге не зависит от силы сварочного тока.
Для устойчивого горения дуги на переменном токе необходимо увеличивать напряжение и частоту тока, применять специальный газ или обмазку (для ионизации среды).
При электродуговой сварке кромки соединяемых деталей, основ-ной металл, и при необходимости дополнительный (присадочный), нагре-вается до расплавленного состояния, образуя общую сварочную ванну. После удаления источника нагрева металл ванны охлаждается и затвер-девает, образуя наплавленный металл, или сварной шов, соединяющий свариваемые поверхности в одно целое. Свойства металла в зоне шва определяются условиями протекания процессов плавления, металлур-гической обработки основного и присадочного материалов и кристалли-зации полученного металла шва при охлаждении. Свойства сварного сое-динения в целом определяются характером теплового воздействия на ме-талл в околошовных зонах.
Свариваемость металлов и сплавов при электродуговой сварке зави-сит от их физико-химических свойств. Наилучшей свариваемостью обла-дают металлы, образующие между собой ряд твердых растворов, хуже - с ограниченной растворимостью в твердом состоянии. Высокая теп-лопроводность, малый коэффициент линейного и объемного расшире-ния и малая усадка также приводят к хорошей свариваемости. Нельзя свари-вать способом металлы, не растворимые в твердом состоянии. В этом случае применяется либо сварка давлением, либо диффузионная, либо подбирается промежуточный металл, растворимый в обоих свариваемых металлах.
3. Общие сведения и физическая сущность газовой сварки и резки. Источником тепла при газовой сварке и резке является газовое пламя, которое получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. В качестве горючих газов можно применять природные газы, водород, пары бензина и керосина и др.
Для газовой сварки применяют ацетилен, так как он имеет большую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими газами и высокую температуру пламени (32000С). Ацетилен (С2Н2) получают в специальных аппаратах - газогенераторах - при взаимодействии воды с карбидом каль-ция.
При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250 - 300 дм3 ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне. Последнее свойство используют для его безопасного хранения в баллонах.
Газосварочное пламя образуется в результате сгорания ацетилена, смешивающегося в определенных пропорциях с кислородом в сварочных горелках. На рис.13.3 показано строение газосварочного пламени и распределение температур по его оси. Ацетилено-кислородное пламя сос-тоит из трех зон: ядра пламени 1, средней зоны 2 (сварочной), факела пламени 3.
В зоне 1 происходит постепенный нагрев до температуры воспла-менения газовой смеси, поступающей из мундштука; в зоне 2 - первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона:
С2Н2 + 02 = 2СО + Н2.
Зона 2, имеющая самую высокую температуру и обладающая вос-


Рис. Газосварочное пламя
становительными свойствами, называется сварочной или рабочей зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода:
2СО + Н2 + (3/2)О2 = 2СО2 + Н20.
Углекислый газ и пары воды при высоких температурах окисляют металл и поэтому зону 3 называют окислительной.
Газосварочное пламя называется нормальным, когда соотношение газов О2/С2Н2=1. Нормальным пламенем сваривают большинство сталей.
При увеличении содержания кислорода (02/С2Н2>1) пламя приобре-тает голубоватый оттенок и имеет заостренную форму ядра. Такое пламя обладает окислительными свойствами и может быть использовано только при сварке латуни. В этом случае избыточный кислород образует с цин-ком, содержащимся в латуни, тугоплавкие оксиды, пленка которых препят-ствует дальнейшему испарению цинка.
При увеличении содержания ацетилена (O2/C2Н2<1) пламя стано-вится коптящим удлиняется и имеет красноватый оттенок. Такое пламя называют науглероживающими и применяют для сварки чугуна и цветных металлов, так как в этом случае компенсируется выгорание углерода и во-сстанавливаются оксиды цветных металлов.
Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают в зависимости от состава сплава свариваемого металла. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износо-стойких покрытий - литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов применяют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст; для сварки меди и ее сплавов - кислые флюсы (буру, буру с борной кислотой); для сварки алюминиевых сплавов - бескислородные флюсы на основе фтористых, хлористых солей лития, калия, натрия, кальция. Роль флюса состоит в растворении оксидов и образования шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны. Во флюсы можно вводить элементы раскисляющие и легирующие наплавленный металл.
При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области её применения: для сварки металлов малой толщины (0,62 - 3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения; для пайки, подварки дефектов и т.д. При увеличении тол-щины металла производительность газовой сварки резко снижается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые изделия значительно дефор-мируются. Это ограничивает применение газовой сварки.
Газокислородная резка заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струёй образующихся оксидов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты. Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь - до 1000 – 12000С).
Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим требованиям: температура его плавления должна быть выше температуры горения в кислороде; температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры его плавления; количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки; теплопроводность металла не должна быть слишком высокой, в противном случае теплота слишком интенсивно отводится и процесс резки прерывается; образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкоте-кучими и легко выдуваться вниз струёй режущего кислорода.
4. Физическая сущность пайки. При пайке, так же как и при свар-ке, образованию межатомных связей по всей поверхности контакта дета-лей предшествует сближение частиц припоя и основного металла – обра-зование физического контакта. Чем быстрее и надежнее протекает этот процесс, тем лучше припой смачивает поверхность металла и растекается на ней. Смачиваемость определяет такое важное свойство, как капилляр-ное проникновение в узкие зазоры между соединяемыми деталями. Она оценивается углом 13 EMBED Equation.3 1415 (рис. 13.2). Чем меньше угол 13 EMBED Equation.3 1415, тем выше смачивае-мость. Наличие на поповерхности окисных, жировых и других посторон-них пленок увеличивает 13 EMBED Equation.3 1415 и резко ухудшает смачиваемость. Поэтому де-тали перед пайкой обязательно проходят механическую или химическую очистку, а пайку производят либо с применением флюсов, либо в камерах с защитной нейтральной или активной атмосферой.












5. Физическая сущность склеивания материалов. Прочность сцепления клеевых соединений зависит в основном от адгезии и когезии. Для объяснения физико-химической сущности адгезионных явлений существует три теории: адсорбционная, электрическая и диффузионная.
Адсорбционная теория рассматривает адгезию как чисто поверх-ностный процесс, аналогичный адсорбции; пленка удерживается на по-верхности материала в результате действия межмолекулярных сил.
Электрическая теория рассматривает адгезию как результат дей-ствия электростатических и ван-дер-ваальсовых сил.
Диффузионная теория предполагает, что при образовании связи между неполярными полимерами электрический механизм адгезии невоз-можен, и адгезия обусловливается переплетением макромолекул поверх-ностных слоев в результате их взаимодиффузии.
В состав клеящих материалов входят следующие компоненты: пленкообразующее вещество (смолы, каучук) - основа клея, определяющая адгезионные, когезионные свойства клея и основные физико-механические характеристики клеевого соединения; растворители (спирт, ацетон, бензин и др.), создающие определенную вязкость клея; пластификаторы для устранения усадочных явлений в пленке и повышения ее эластичности; отвердители и катализаторы для перевода пленкообразующего вещества в термостабильное состояние; наполнители (порошки, волокна, ткани) для уменьшения усадки клеевой пленки, повышения прочности склеивания и экономии клеящих материалов.
Марки клея и типовые режимы склеивания различных материалов приведены в [7, табл. 3.12 и 3.13 на с. 72-76].
Лекция 14. Технология получения неразъемных соединений.
План лекции: Электродуговая и газовая сварка, пайка и склеивание.
Электродуговая сварка - наиболее распространенный способ получения неразъемных соединений. Она занимает первое место по числу установок, занятых рабочих, объему и стоимости выпускаемой продукции. Источником тепла при электродуговой сварке является электрическая (сварочная) дуга , которая горит между электродами и заготовкой. На практике применяют два способа электродуговой сварки: сварка неплавящимся электродом (рис. 13.1,а) и сварка плавящимся электродом (рис. 13.1,б).










Сварка может производится как на постоянном токе, так и переменном токе. При сварке на постоянном токе электрод обычно присоединяют к отрицательному полюсу генератора, а изделие - к положительному. При сварке с обратной полярностью дуга получается менее устойчивой.
При перемещении дуги образуется сварочная ванна. Жидкий металл защищен газовой средой и слоем расплавленного шлака. Шлак образуется применением качественных обмазанных электродов. Иногда в зону сварки подают активные или инертные газы, которые изолируют дугу от внешней среды. Неответственные изделия обычно сваривают открытой дугой без защиты от воздействия воздуха; в этом случае дуга горит только на постоянном токе.
Более широкое применение имеет сварка на переменном токе, так как оборудование для сварки на переменном токе значительно дешевле, меньшей массы и габаритов, проще в эксплуатации. Кроме того, к.п.д. сварочных трансформаторов переменного тока составляет 0,8-0,85, а агрегатов постоянного тока - 0,3-0,6; расход электроэнергии при сварке на переменном токе почти в 3 раза меньше: чем на постоянном. Недостатком сварки на переменном токе является меньшая устойчивость горения дуги.
Основными сварочными материалами при электродуговой сварке являются: сварочная проволока диаметром 0,3...12 мм, электроды (плавящиеся и неплавящиеся), флюс (крупнозернистый, стеклообразный порошок, по составу качественного покрытия электрода) и газ (гелий, аргон, углекислый газ).
Наибольшее применение нашли плавящиеся электроды, представляющие собой металлический стержень длиной 350-450 мм, диаметром d = 2...6 мм, с толстым (качественным) или тонким (стабилизирующим) покрытиями. Толщина покрытия колеблется от 1 до 3 мм. В него входят следующие компоненты: стабилизирующие (соединения Na, Ca, Ba и др.), газообразующие (оксицеллюлоза), шлакообразующие (полевой шпат, мрамор), раскисляющие (FeMn, FeSi), легирующие (FeCr, FeMo и др.) и связующие (жидкое стекло). В маркировке электрода (Э145А) цифра указывает на нижнее значение 13 EMBED Equation.3 1415в, а А - повышенное значение пластических свойств.
Сварочные машины и аппараты для питания сварочной электрической дуги: при сварке на постоянном токе питание сварочной электрической дуги происходит от сварочных генераторов или вып-рямителей, а при сварке на переменном токе - от сварочных трансфор-маторов. Сварочные генераторы по устройству и характеристикам отли-чаются от обычных генераторов, применяемых для силовых установок и освещения. Это наглядно иллюстрируется внешними характеристиками обычного и сварочного источников тока. Подробнее устройство и работа сварочных машин и аппаратов будет рассмотрена во время прохождения технологической практики.
В зависимости от типа электрода, способа защиты сварочной ванны и степени механизации процесса подачи и перемещения электрода различают следующие способы электродуговой сварки: ручная, полуав-томатическая (автоматическая подача проволоки и ручное перемещение вдоль шва) и автоматическая (под слоем флюса и в среде защитных газов).
Ручная электродуговая сварка наиболее часто встречается при ремонте СТС и их деталей в судовых условиях (без вывода судна из эксплуатации). Она выполняется штучными электродами. Для получения качественного сварного шва должен быть правильно выбраны элементы режима сварки: диаметр электрода d, величина сварочного тока I и длина дуги L.
Диаметр электрода выбирают в зависимрсти от толщины металла h и типа сварного соединения. При этом можно руководствоваться следующими данными h/d, в мм: 0,5/1,5; 1-2/2-2,5; 2-5/2,5-4,0; 5-10/4-6; свыше 10/4-8.
Величина сварочного тока определяется в основном выбранным диаметром электрода:
I = kd, А,
где k - коэффициент, А/мм, равный 40-60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35-40 - для электродов со стержнем из высоко-легированной стали.
Величина сварочного тока оказывает влияние не только на глубину провара, но и на форму шва. При ширине шва, равной (3-4)d, получается наиболее благоприятная форма шва. Наибольшая глубина провара полу-чается при сварке на постоянном токе обратной полярности. При сварке на прямой полярности глубина провара меньше на 40-50%, а при сварке на переменном токе - меньше на 15-20%, чем при сварке на постоянном токе обратной полярности.
Длина дуги оказывает существенное влияние на качество шва; чем она короче, тем выше качество наплавленного металла. Длину дуги опре-деляют по формуле
L = 0,5(d+2), мм
Возбуждение (зажигание) дуги при ручной электродуговой сварке может быть осуществлено двумя способами: 1) прикосновением торца электрода к свариваемому изделию и отводе электрода от изделия на расстояние 3-4 мм, 2) быстрым боковым движением электрода к свари-ваемому изделию и отводе электрода от изделия (подобно зажиганию спички). Более подробно о технике выполнения ручной сварки - на техно-логической практике.
При перемещении дуги образуется сварочная ванна. Жидкий металл защищен газовой средой и слоем расплавленного шлака. Шлак образуется применением качественных обмазанных электродов. Иногда в зону сварки подают активные или инертные газы, которые изолируют дугу от внешней среды. Неответственные изделия обычно сваривают открытой дугой без защиты от воздействия воздуха; в этом случае дуга горит только на постоянном токе.
Более широкое применение имеет сварка на переменном токе, так как оборудование для сварки на переменном токе значительно дешевле, меньшей массы и габаритов, проще в эксплуатации. Кроме того, к.п.д. сварочных трансформаторов переменного тока составляет 0,8-0,85, а агрегатов постоянного тока - 0,3-0,6; расход электроэнергии при сварке на переменном токе почти в 3 раза меньше: чем на постоянном. Недостатком сварки на переменном токе является меньшая устойчивость горения дуги.
Жидкий металл защищен газовой средой и слоем расплавленного шлака. Шлак образуется применением качественных обмазанных элек-тродов. Иногда в зону сварки подают активные или инертные газы, кото-рые изолируют дугу от внешней среды. Неответственные изделия обычно сваривают открытой дугой без защиты от воздействия воздуха; в этом случае дуга горит только на постоянном токе.
Более широкое применение имеет сварка на переменном токе, так как оборудование для сварки на переменном токе значительно дешевле, меньшей массы и габаритов, проще в эксплуатации. Кроме того, к.п.д. сварочных трансформаторов переменного тока составляет 0,8-0,85, а агрегатов постоянного тока - 0,3-0,6; расход электроэнергии при сварке на переменном токе почти в 3 раза меньше: чем на постоянном. Недостатком сварки на переменном токе является меньшая устойчивость горения дуги.
Сварка пластмасс производится с помощью теплоносителя (нагре-тый газ или инструмент) или нагрева ТВЧ, ультразвуком, трением.
Наиболее широко в судоремонте применяется сварка с исполь-зованием в качестве теплоносителя нагретый до 180-2200С газ (воздух, азот, углекислый газ) и нагретым инструментом (пластина, паяльник и пр.). После удаления инструмента или разогрева поверхностей свариваемых деталей их сдавливают, чем и обеспечивают сварку.
При газовой сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем (рис. 14.1). При нагреве газосва-рочным пламенем 4 кромки свариваемых заготовок 1 расплавляются, а зазор между ними заполняется присадочным металлом 2, который вводят в пламя горелки 3 извне. Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к месту потребления в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью «Кисло-род».
Средняя жидкостная вмес-тимость баллона 40 дм3. При давлении 15 МПа он вмещает ~6000 дм3 кисло-рода. Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержа-ния постоянной величины рабочего давления приме-няют газовые редукторы. Кислородные редукторы понижают давление от 15 до 0,1 МПа, а ацетиленовые - от 1,6 до 0,02 МПа. Редукторы, при-меняемые в сварочной технике, обычно имеют два манометра, один из ко-торых измеряет давление газа до входа в редуктор, второй - на выходе из него. Редукторы для различных газов отличаются лишь устройством присоединительной части, которая соответствует устройству вентиля соответствующего баллона. Корпус редуктора окрашивают в опреде-ленный цвет, например, в голубой для кислорода, в белый для ацетилена и т.д. К сварочной горелке кислород от редуктора подают через специальные резиновые шланги.
Газосварочные горелки используют для образования газосварочного пламени. В промышленности наиболее распространена инжекторная горелка, так как она более безопасна и работает на низком и среднем давлениях. В инжекторной горелке кислород под давлением 0,10,4 МПа через регулировочный вентиль и трубку подается к инжектору. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает значительное разрежение в камере и засасывает горючий газ, поступающий через вентиль в ацетиленовые каналы горелки и камеру смешения, где образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику к мундштуку, на выходе на которого при сгорании обра-зуется сварочное пламя. Горелки этого типа имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что позволяет регулировать мощность ацетиленокислородного пламени. Обычно горелки имеют семь номеров сменных наконечников.
Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают в зависимости от состава сплава свариваемого металла. Для сварки чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для наплавки износостойких покрытий литые стержни из твердых сплавов. Для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов применяют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст; для сварки меди нее сплавов кислые флюсы (буру, буру с борной кислотой); для сварки алюминиевых сплавов бескислородные флюсы на основе фтористых, хлористых солей лития, калия, натрия, кальция. Роль флюса состоит в растворении оксидов и образования шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны. Во флюсы можно вводить элементы раскисляющие и легирующие наплавленный металл.
При газовой сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем. При нагреве 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.
Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к месту работ в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью "Кислород".
Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянной величины рабочего давления применяют газовые редукторы.
В качестве горючих газов можно применять природные газы, водород, пары бензина и керосина и др.
Для газовой сварки применяют ацетилен, так как он имеет большую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими газами и высокую температуру пламени (32000С). Ацетилен (С2Н2) получают в специальных аппаратах - газогенераторах - при взаимодействии воды с карбидом кальцин.
При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250 - 300 дм3 ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне. Последнее свойство используют для его безопасного хранения в баллонах.
На пути следования газа от генератора к сварочной горелке устанавливают предохранительные водяные затворы, предотвращающие проникновение кислородно-ацетиленового пламени в ацетиленовый генератор при обратном ударе. Обратный удар происходит, когда скорость истечения газов становится меньше скорости их горения. Практически обратный удар происходит при перегреве горелки и засорении сопла.
Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись "Ацетилен". Давление 1,5 МПа. В баллоне находятся пористая масса (активированный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Растворенный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и становится безопасным.
Для образования газосварочного пламени используют газосварочные горелки.
При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой; это и определяет основные области её применения: для сварки металлов малой толщины (0,62 - 3 мм); легкоплавких цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения; для пайки, подварки дефектов и т.д. При увеличении толщины металла производительность газовой сварки резко снижается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые изделия значительно деформируются. Это ограничивает применение газовой сварки.
Газокислородная резка заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струёй образующихся оксидов. При горении железа в кислороде выделяется значительное количество теплоты. Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь - до 1000 – 12000С).
Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим требованиям: температура его плавления должна быть выше температуры горения в кислороде; температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры его плавления; количество теплоты, выделяющейся при сгорании металла в кислородной струе, должно быть достаточным для поддержания непрерывного процесса резки; теплопроводность металла не должна быть слишком высокой, в противном случае теплота слишком интенсивно отводится и процесс резки прерывается; образующиеся оксиды должны быть достаточно жидкотекучими и легко выдуваться вниз струёй режущего кислорода.
По характеру и направленности кислородной струи различают следующие способы резки.
Разделительная резка - режущая струя направлена нормально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину. Разделительной резкой раскраивают листовую сталь, вырезают крути , фланцы и т.д.
Поверхностная резка - режущая струя направлена под очень малым утлом к поверхности металла (почти параллельно ей) и обеспечивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные дефекты отливок.
Резка может быть ручной и машинной. Ручная резка вследствие неравномерности перемещения резака и вибрации режущей струи не обеспечивает высокого качества поверхности реза, поэтому полость реза механически обрабатывают.
Обычно кислородной резкой разрезают металлы толщиной 5 - 300 мм.
При воздушно-дуговой резке металл расплавляется дугой непла-вящимся графитовым электродом, а расплавленный металл выдувается из полости реза потоком сжатого воздуха, подаваемого параллельно электроду. Воздушно-дуговую резку можно выполнять во всех пространственных положениях. Основная область её применения - поверхностная обработка металла (различные углубления в виде канавок и т.п.).
Пайка металлов, в зависимости от температуры плавления припоя, подразделяется на пайку мягким и твердым припоями.
Пайка мягкими припоями производится оловянно-свинцовыми припоями марок ПОС-90, ПОС-40 и ПОС-30, содержащие соответственно 90, 40 и 30% олова (остальное - свинец и примеси). Температура плавления их составляет 180-2600С. Мягкие припои обеспечивают прочность соединения до 50-70 МПа.
Для получения качественных соединений поверхность изделий в месте спая необходимо тщательно очистить механическим или химическим способом; зазор не должен превышать 0,1 мм. Для защиты от окисления металла и припоя, а также для растворения образующихся оксидов и растекания жидкого припоя по поверхности места спая применяют флюсы: канифоль, хлористый цинк или смесь хлористого цинка с хлористым аммонием и др.
Пайка твердыми припоями производится медно-цинковыми припоями марок ПМЦ-42, ПМЦ-47 и ПМЦ-52. Они имеют соответственно 42, 47 и 52% меди и температуру плавления 840, 860 и 8850С. Для пайки ответственного назначения используют также медно-серебряные припои (ПС-25 и ПСр-45) с температурой плавления 780-8300С и содержащие от 10 до 70% серебра (остальное - медь и цинк).
Предел прочности соединений при пайке твердыми припоями достигает 400-500МПа. В качестве флюсов используется бура, борная кислота или их смесь, хлористый цинк и пр. Изделия нагреваются сварочными горелками, ТВЧ и др. Зазор в соединении не должен превышать 0,05-0,08 мм.
Пайке твердым припоем хорошо поддаются все углеродистые и легированные стали, твердые сплавы, чугуны, большинство цветных ме-таллов и их сплавов.
В большинстве случаев сварка позволяет получить более высокую прочность и пластичность соединений, чем пайка. Поэтому пайку приме-няют обычно в следующих случаях: при отсутствии требования равно-прочности соединения с основным металлом, нежелательности или недо-пустимости высокого нагрева металла, необходимости получить детали сразу после их соединения с высокой точностью.
В судостроении и судоремонте пайку применяют при выполнении разного рода жестяницких работ, изготовлении неответственных мелких деталей. Широко используется пайка в судовом приборостроении при изготовлении деталей электро- и радиоаппаратуры (электровакуумные приборы, соединения металлов со стеклом, керамикой, графитом, электро- и радиомонтаж). С помощью пайки изготавливают лопатки паровых и газовых турбин, радиаторов, теплообменников и т.п.
Основными элементами технологии пайки любым из рассмот-ренных способов являются:
-очистка поверхностей, подлежащих пайке, от окисных пленок;
-флюсование, укладка припоя, сборка и фиксация деталей;
-нагрев до температуры пайки, выдержка и охлаждение, т.е.собственно пайка;
-удаление остатков флюса с паяных деталей.
Материалы, трудно соединяющиеся при пайке, перед сборкой под-вергают лужению - нанесению тонкого слоя припоя в условиях анало-гичных пайке.
Детали, собранные под контактно-реактивнуюх) или диффузионную пайку и луженые детали обязательно сжимают с напряжением 5-5,5 МПа и в таком виде подают на пайку (х)Контактно-реактивная сварка - процесс, при котором жидкий припой образуется в результате взаимодействия основного металла (взаимной диффузии) с поверхностью твердых металлических прокладок, введенных в зазор).
При пайке ответственных деталей из нержавеющих, жаропрочных сталей и особенно титановых сплавов наилучшие результаты получаются при пайке в защитных средах (аргон, вакуум). В этом случае пайку производят в специальных контейнерах.
Склеивание пластмасс определяется их химической структурой, физико-механическими характеристиками, а также свойствами приме-няемых клеев.
Детали из термопластов склеивают преимущественно раство-рителями. Например, оргстекло и винипласт - дихлорэтаном, полистирол - бензолом или раствором этих материалов в соответствующих раствори-телях.
Технологический процесс склеивания деталей состоит из подготовки их поверхностей (пригонки, очистки) к склеиванию и непосредственного склеивания: нанесения клея, выдержки для удаления растворителя, сборки деталей и выдержки под прессом без нагрева или с нагревом, в зависимости от применяемых клеев.



































Лекция 15. Технологические особенности основных способов получения неразъемных соединений.
План лекции: Сварка углеродистых и легированных сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов. Пайка и склеивание материалов.
При выборе способа получения неразъемного соединения, устранения трещин и других целей необходимо обращать внимание на условия работы изделия (нагрузка, температура, среда и пр.), и его трудоемкость.
Электродуговая сварка металлов и их сплавов, как наиболее распространенная, может обеспечить прочность сварного соединения на уровне основного материала, если будут учтены особенности ее технологического процесса. В первую очередь это касается правильного выбора режима сварки и сварочных материалов, а также последующей термической обработки сварного соединения.
Неравномерный нагрев основного металла, литейная усадка сварного шва и структурные превращения в ЗТВ приводят к возникновению напряжений и деформаций при сварке. Складываясь с напряжениями, возникающими от приложения внешних усилий, они могут достигать величин, превышающих допустимые. Тогда в сварных швах или в ЗТВ могут возникнуть трещины, приводящие к разрушению сварной детали.
Основными способами уменьшения указанных напряжений и деформаций являются: предварительный подогрев детали, а после сварки - отжиг или нормализация.
Предварительный подогрев уменьшает разность температур между ненагретым и нагретым до высоких температур основным и расплавленным присадочным металлом и снижает внутренние напряжения. Температура подогрева определяется свойствами металла. Так, при сварке различных сталей она составляет 100-6000С,при сварке чугуна - 500-8000С, алюминия - 250-2700С, бронзы - 300-4000С. Подогрев может быть общим или местным.
Температура подогрева может быть также определена и по приближенной формуле, рассмотренной на предыдущей лекции.
Отжиг после сварки снимает внутренние напряжения и повышает пластичность сварных швов.
Сварка углеродистых сталей определяется в основном содержанием в ней углерода. При содержании в них до 0,25%С они хорошо свариваются всеми способами. При большем содержании С - необходим предварительный подогрев.
Сварка низко- и высоколегированных сталей производится, как правило, с предварительным подогревом, температура которого определяется по известной формуле. После сварки их подвергают термической обработке - нормализации или высокому отпуску.
Сварка чугуна производится в основном при исправлении брака чугунных отливок, заварке трещин в блоке цилиндров и фундаментной раме двигателей и др. Основные трудности при выполнении этих работ связаны с образованием в сварном соединении зоны отбеливания (структуры цементита), возникающей при быстром охлаждении расплавленного чугуна, и появлением в ЗТВ структур закалки. Чугун с такими структурами имеет высокую твердость и очень хрупок, его трудно обрабатывать обычным инструментом. Поэтому основной задачей при сварке чугуна является получение сварного соединения с одинаковой твердостью металла шва и переходных зон без трещин. На практике применяют несколько способов сварки чугуна, которые можно разделить на три группы: горячая, полугорячая и холодная сварки.
Горячая сварка чугуна осуществляется с предварительным и сопутствующим нагревом всего изделия до 600-7000С с последующим медленным охлаждением. Присадочным металлом служат чугунные стержни диаметром 5-15 мм, содержащие 3-3,5% углерода и 3-4,6% кремния. После сварки деталь медленно охлаждают вместе с печью или засыпают сухим песком или шлаком. Такой способ обеспечивает полную графитизацию металла шва и отсутствие отбела в ЗТВ, исключает возможность появления сварочных напряжений. Его применяют для сварки (ремонта) наиболее ответственных деталей или деталей имеющих сложную форму (блоки цилиндров, станины и др.).
Полугорячая сварка чугуна производится при нагреве детали до 250-4500С (в основном в местах сварки). Такой способ применяют для деталей небольшой толщины и при небольшом объеме наплавляемого металла. После сварки также деталь также засыпают сухим песком или шлаком для медленного охлаждения.
Холодная сварка чугуна производится без предварительного подогрева детали. Для этого используются стальные электроды, электроды из цветных металлов, порошковая проволока. Поверхность кромок наплавляется короткими валиками, электродами малого диаметра при малой силе тока, чтобы металл не успел разогреваться.
Сварка алюминия и его сплавов может производится всеми способами. В качестве присадочного материала применяют проволоку или стержни того же химического состава, что и основной металл. Основными затруднениями при их сварке является присутствие на поверхности металла тугоплавкой (Тпл = 20500С) и плотной (g = 3,9 г/см3) окисной пленки Al2O3 , толщина которой увеличивается с течением времени и с повышением температуры ( для Al:Тпл = 6580C, g = 2,7 г/см3) . Ее необходимо механически удалять и не допускать образования при сварке. С этой целью используются флюсы, в состав которых входят фтористые и хлористые соединения лития, калия, натрия и др. Под действием этих флюсов Al2O3 переходит в летучий AlCl3, имеющий малую плотность (2,7 г/см3) и самовозгоняющийся при 1830С. Большие значения коэффициентов линейного расширения и теплопроводности часто приводят к деформациям, а иногда и к трещинам в сварных соединениях. Поэтому при сварке производится предварительный подогрев до 250-2600С, а иногда и отжиг при 300-3500С.
Сварка меди и ее сплавов сопряжена с рядом особенностей, затрудняющих этот процесс. Высокая теплопроводность меди вызывает необходимость применения концентрированных источников нагрева и часто подогрева. Легкая окисляемость и большая растворимость водорода в расплавленной меди в сочетании с Cu2O и CO может явиться причиной образования пор и мелких трещин в шве и ЗТВ. Высокий коэффициент линейного расширения приводит к значительным остаточным деформациям детали. Существуют различные способы сварки меди и ее сплавов. Ручная электродуговая сварка меди осуществляется угольными и металлическими электродами.
Сварку меди угольным электродом производят с применением флюсов, из которых наиболее распространен борный шлак. Сила тока составляет 250-350 А, а диаметры электрода и присадочной проволоки - соответственно 12-14 и 3-7 мм.
Сварка меди металлическим электродом ведется на постоянном токе обратной полярности, короткой дугой, электродами диаметром 3-6 мм, без колебаний. Сила тока выбирается по диаметру электрода:
I = 50d.
Сварка бронзы производится в основном при исправлении брака отливок, заварке трещин и других дефектов в деталях. В качестве присадочного материала применяются прутки или электроды того же химического состава, что и основной металл. Электродные покрытия и флюсы те же, что и при сварке меди. При нагреве бронзы выше 5000С она теряет вязкость и становится хрупкой. Поэтому для предупреждения сварочных трещин необходимо применять предварительный подогрев до 300-4500С.
Сварка латуни графитовым электродом производится на постоянном токе прямой полярности с использованием флюсов, состоящих из криолита, хлористых калия и натрия, древесного угля. Флюс наносят на стержни диаметром 6-8 мм из присадочного материала марки ЛК80-3. Сварка латуни металлическим электродом ведется также на постоянном токе электродами из латуни ЛК80-3 или бронзы БрКМц3-1 с соответствующим покрытием.
Сварка титана и его сплавов сопряжена с определенными трудностями, главной из которых является большая химическая активность Ti при высоких температурах по отношению к N2, O2 и H2. Поэтому для получения качественного сварного соединения необходима тщательная защита от газов воздуха не только сварочной ванны, но и остывающих участков металла шва и ЗТВ вплоть до температуры 5000С. Следует также защищать обратную сторону шва даже в том случае, если она не расплавляется, а только нагревается свыше 5000С. О качестве газовой защиты при сварке титана можно судить по цвету металла шва и околошовной зоны. Блестящая серебристая поверхность шва свидетельствует о хорошей защите от О2 и удовлетворительных свойствах шва. Синий цвет шва и серые налеты на нем указывают на плохую защиту. Для соединения деталей из Ti и его сплавов широко применяется аргоно-дуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом на постоянном токе при прямой полярности.


































Лекция 16. Качество неразъемных соединений и методы их контроля

План лекции: Качество сварных, паяных и клеевых соединений. Строение сварного шва и дефекты при его формировании. Сварочные напряжения и деформации. Контроль качества неразъемных соединений: внешним осмотром, магнитным методом и методом красок, рентгеновской дефектоскопией, по макрошлифам.

1. Качество сварных соединений, строение сварного шва и де-фекты при его формировании. Сварка является одним из важнейших техно-логических процессов, применяемых в судостроении и судоремонте. Поэ-тому получению качественных неразъемных соединений способом сварки уделяется большое внимание.
Для того чтобы технически грамотно подходить к получению качест-венных неразъемных соединений способом сварки, необходимо усвоить физические основы сварки, тщательно изучить строение и свойства сварных соединений, представлять причины возникновения в них дефек-тов.
Особое внимание следует обратить на склонность стали к закалке в околошовной зоне, поскольку она является одной из основных причин появления трещин и ухудшения механических свойств сварных соединений при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и (или) легирующих элементов.
Под влиянием термического воздействия (нагрева и охлаждения) сварки основной металл в околошовных зонах претерпевает значительные структурные изменения. Сущность этих изменений можно выяснить при сопоставлении кривой максимальных температур нагрева точек околошовной зоны с диаграммой структурных превращений основного металла и его микроструктуры (рис.1).
Наплавленный металл 1 получается в результате перевода приса-дочного и частично основного метал-лов в жидкое состояние, образования жидкой ван-ночки и последующего ох-лаждения, в процессе ко-торого происходит соеди-нение расплавленного ме-талла с основным 2. В узкой зоне сплавления 1 (зона взаимной кристалли-зации) образуются зерна, в равной мере принадлежащие основному и наплавленному металлу.
Свойства металла в зоне шва определяются условиями протекания процессов плавления, металлургической обработки основного и присадочного металлов и кристаллизации полученного металла шва при охлаждении. Свойства сварного соединения в целом определяются характером теплового воздействия на металл в околошовных зонах.
За зоной сплавления располагается зона основного металла, где он нагревается до высоких температур, не изменяя своего первоначального химического состава. Однако структура его сильно изменяется. Эта зона получила название зоны термического влияния (ЗТВ).
При сварке плавлением независимо от способа сварки структура наплавленного металла 1 имеет дендритную, в большинстве случаев столбчатую структуру, характерную для литой стали. Вид дендритной структуры, соответствующий наплавленному металлу, приведен также на рис. 2,б.

Рис. 2. Макроструктура (а) и микроструктура (б-е) сварного соединения из стали.

Участок II ЗТВ нагревается до температуры близкой к температуре плавления. Этот участок называют участком перегрева. Он имеет крупнозернистую и ферритно-игольчатую (Видманштеттову) структуру, приведенную также на рис. 2,в. Этот участок обладает наибольшей хрупкостью и является наиболее слабым местом сварного соединения. Чтобы устранить вредное влияние указанных структур на механические свойства сварных соединений, необходимо дендритную и Видманштеттову структуры перевести в мелкозернистую равновесную. Этого можно достичь, если сварное соединение подвергнуть полному отжигу либо нормализации. На рис. 3 приведена микроструктура мест сплавления сварных соединений при автоматической и ручной дуговой сварке, подвергнутых отжигу и микроструктура мест сплавления сварных соединений при ручной дуговой и газовой сварке, подвергнутых нормализации. Видманштеттова структура в ЗТВ после отжига или нормализации при сварке всех видов приобретает обычное зернистое строение. Дендритная структура металла шва после отжига или нормализации полностью приобретает зернистое строение (рис. 3,в) только в образцах, которые получают при автоматической (рис. 3,а) и ручной - (рис. 3,б) дуговой сварке. В сварных соединениях, которые получают при газовой сварке и том же самом режиме нормализации дендритная структура полностью не превращается в мелкозернистую (рис. 3,г). Это объясняется наличием в этих швах крупно-дендритной структуры.
На участке III 3TB температура металла не превышает 1100°С. Здесь наблюдается нормализация стали, в результате которой сталь имеет мелкозернистое строение. Металл на этом участке имеет повышенные механические свойства по сравнению с основным металлом. Микроструктура такого участка приведена также на рис. 2,г и 3,в.



Рис. 3. Микроструктура мест сплавлении сварных соединений (основной металл - снизу)

На участке IV 3TB происходит неполная перекристаллизация стали, так как она нагрелась до температуры, лежащей между критическими точками Ac13 EMBED Equation.3 1415 и Ас13 EMBED Equation.3 1415. На этом участке происходит лишь частичная перекристаллизация основного металла, которая характеризуется тем, что наряду с крупными зернами феррита, которые не подвергались перекристаллизации, образуются новые, мелкие зерна феррита и перлита. Микроструктура этого участка приведена также на рис. 2,д.
На участке V структурных изменений в стали не происходит (если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации). В противном случае на этом участке наблюдается рекристаллизация.
На участке VI (200-4500С) труктура стали не претерпевает видимых структурных изменений и не отличается от основной структуры, приведенной также на рис. 2,е, но имеет пониженную пластичность и ударную вязкость. Этот участок получил название участка синеломкости ,
Таким образом, при электродуговой сварке стали в 3TB, расположенной за зоной сплавления, структура основного металла сильно изменяется. При этом размеры 3TB зависят от способа и технологии сварки и рода свариваемого металла. Так, при ручной дуговой сварке стали тонкообмазанными электродами и при автоматической сварке стали под слоем флюса размеры ЗТВ минимальные (2-2,5 мм); при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность ее равна 4-10 мм, а при газовой сварке - 20 - 25 мм.
Структурные изменения основного металла в ЗТВ мало отражаются на механических свойства малоуглеродистой стали при сварке ее любыми способами с последующим отжигом. Однако при сварке среднеуглеродистых и низколегированных сталей в ЗТВ может происходить образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных соединений и часто являются причиной образования трещин. При сварке таких сталей, склонных к закалке, структура металла в ЗТВ будет несколько иной, чем на рис.1. В этом случае за зоной сплавления будут расположены (рис. 2,а): участок закалки 2, участок неполной закалки 3, зона отпуска 4 и основной металл 5.
Качественной характеристикой склонности стали к образованию закалочных структур и трещин является эквивалентное содержание углерода Сэкв, рассчитываемое при известном химсоставе по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, %
В зависимости от величины Сэкв стали разделяют на следующие три группы.
1. Сэкв ( 0,5-0,6 %- незакаливающиеся или малозакаливающиеся (стали 10ХСНД, 09Г2 и др.).
2. 0,7 ( Сэкв ( 1,3% - закаливающиеся. В ЗТВ таких сталей могут встречаться неравновесные структуры: сорбит, троостит, троостомар-тенсит и даже мартенсит (стали З0ХГСА, 40Х, 20ХМФА и др.).
3. Сэкв ( 1,3 - 1,5 - сильнозакаливающиеся. В ЗТВ таких сталей присутствует мартенсит (стали 3Х12, 4Х13, 18Х2Н4ВА, 40ХНМ и др.).
На основании изложенного следует, что для получения качественного сварного соединения при сварке сталей с содержанием С ( 0,7% необходимо применять специальные меры, предотвращающие образование мартенсита и закалочных трещин. Наиболее часто для этих целей используют предварительный подогрев металла перед сваркой или в процессе сварки. При этом приближенно температуру подогрева t в °С можно определить по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где ( - толщина места сварки, мм.
Обычно температура подогрева малолегированных сталей лежит в интервале 100-200°С, а для высоколегированных может достигать 400-500°С. Кроме подогрева перед сваркой, для повышения качества сварного соединения, рекомендуется тепловая изоляция свариваемой детали (покрытие асбестом, засыпка песком и т.п.). Это является особенно важным при сварке в судовых условиях.
Качество паяных и клеевых соединений соединений.
Качество паяных соединений (прочность, плотность, коррозионная стойкость и др.) в значительной степени зависит от следующих побочных процессов, протекающих в зоне пайки.
1. Растворение соединяемых материалов в припое и как следствие - изменение его химического состава и температуры плавления, а также структуры и механических свойств паяного шва.
2. Диффузия элементов припоя в основной металл. Это приводит к изменению химического состава и механических свойств околошовных зон.
3. Образование химических соединений из элементов, входящих в состав припоя и основного металла - интерметаллидов. Их большая хрупкость снижает пластичность и прочность паяных соединений.
4.Возможность закалки или разупрочнения металла в околошовных зонах.
Качество клеевых соединений (прочность) можно повысить путем механического сцепления пленки клея с шероховатой поверхностью материала; для этого перед склеиванием поверхности обрабатывают наждачной бумагой или другим способом.
3. Сварочные напряжения и деформации. При сварке плавлением материал детали в области сварного соединения нагревается до высоких температур, на З00-500°С превышающих температуру его плавления (для стали - около 1500°С). В результате этого в области сварки протекает комплекс сложных физико-химических процессов, приводящих в итоге к возникновению в изделии сварочных напряжений и деформаций. При разработке технологии сварки необходимо осуществлять меры по предотвращению образования сварочных напряжений и деформаций либо по уменьшению их.
Сварочные напряжения - это собственные напряжения, возникаю-щие при сварке в конструкциях при отсутствии внешних силовых нагрузок (сил, моментов). Основными причинами возникновения сварочных напря-жений являются:
1) неравномерность тепловых полей в деталях (температура зоны металла шва превышает температуру плавления материала, температура остальных частей детали близка к комнатной);
2) структурные превращения в районе сварного соединения (проис-ходит образование различных фаз, отличающихся друг от друга по объему, теплофизическим свойствам и т.п.).
Сварочные напряжения можно классифицировать по следующим признакам: по времени существования, по направлению и характеру дей-ствия.
По времени существования - временные сварочные напряжения, существующие лишь в момент нагрева и остывания детали, и остаточные сварочные напряжения, сохраняющиеся в материале после полного остывания соединения;
По направлению действия - продольные и поперечные напряжения, направленные соответственно параллельно и перпендикулярно оси сварного шва;
По характеру действия - активные и уравновешивающие напря-жения. После удаления активных напряжений, напряжения в детали вообще отсутствуют. Уравновешивающие напряжения - это напряжения, которые противодействуют активным.
Сварочные напряжения, действующие в соединениях, вызывают появление в них сварочных деформаций.
Сварочные деформации - это изменения размеров и формы соединений, вызванные возникающими при сварке собственными напряжениями. Как и напряжения, сварочные деформации могут быть временными и остаточными, продольными и поперечными. Помимо этих классификационных признаков, часто используют деление сварочных деформаций на общие и местные (рис. 1).

а) б)

в) г)
Рис. 1. Общие (а) и местные (б - г) сварочные деформации: f- стрела прогиба, ( - угол поворота сечения.

Общие деформации вызывают искажение размеров и формы всего сварного элемента или конструкции, местные - действуют преимущест-венно локально, в зоне сварного шва. Учитывая, что в судовых условиях сваривать сложные конструкции, как правило, не приходится, то обычно при сварке рассматривают местные деформации.
Механизм возникновения местных деформаций достаточно прост. Основной вклад в них вносит сварной шов, после окончания кристаллизации которого начинается процесс его охлаждения и уменьше-
ния размеров. При этом величина сокращения различна для различных сечений шва и может быть определена по соответствующей формуле (см. методические указания к лабораторной работе).
Сварочные напряжения и деформации являются нежелательными, так как они заметно снижают качество сварных изделий. Поэтому при разработке технологии сварки их стремятся предотвратить или свести к минимуму.
Предотвращение образования сварочных напряжений и деформаций производят о помощью конструктивных и технологических мероприятий.
К конструктивных мероприятиям относятся: 1)проектирование сварных изделий с минимальными размерами зоны металла шва (замена односторонней разделки двусторонней, выбор небольшого усиления шва и т.п.), отсутствием пересечений сварных швов и др.
К технологическим мероприятиям относятся:
а) сварка с малой погонной энергией (т.е. уменьшение сварочного тока, увеличение скорости сварки);
б) предварительный подогрев изделия перед сваркой и сопутствующий подогрев (при сварке крупных изделий);
в) широкое использование приспособлений для сборки перед сваркой отдельных частей, а при их отсутствии - сборка с помощью "прихваток";
г) использование при сварке метода "обратных деформаций" (т.е. при сборке перед сваркой части изделия устанавливаются таким образом, чтобы после сварки возникшие в нем напряжения переместили их в нужное положение).
При выполнении стыковых соединений для реализации этого принципа используют подкладки. В первом приближении высоту подкладки Н можно определить следующим образом (рис. 3).


Рис. 3. Схема определения высоты подкладки при сварке стыковых соединений.
Свариваемые листы длиной А и В после установки подкладки высотой Н образуют с горизонтальной плоскостью углы 13 EMBED Equation.3 1415 и (, которые связаны между собой и с углом поворота сечения ( достаточно простыми соотно-шениями:
13 EMBED Equation.3 1415 + ( =( и 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415.
После подстановки и преобразований, получаем
13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415,
H=A sin( или H=B sin(
Уменьшить сварочные напряжения и деформации можно также механической и термической правкой.
Механическая правка осуществляется путем устранения деформаций с помощью домкратов, проковки металла шва «тупым» зубилом, прокатки сваренной детали между валками прокатного стана или приспособления.
Термическая правка осуществляется путем отжига сварного соединения. При этом, чем ответственнее деталь, тем выше должна быть температура отжига (вплоть до 800-850°С).
4. Контроль качества неразъемных соединений. Дефекты неразъемных соединений бывают двух типов: внешние и внутренние.
В сварных соединениях к внешним дефектам относят наплывы, подрезы, наружные непровары и несплавления, поверхностные трещины, раковины и поры. К внутренним - скрытые трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые включения и прочее.
В зависимости от нарушения целостности сварного соединения различают разрушающие и неразрушающие методы контроля.
4.1. Неразрушающие методы контроля. Основными методами неразрушающего контроля являются: внешний осмотр, магнитный метод, метод красок, рентгеновская дефектоскопия и по макрошлифам.
Внешним осмотром в сварных швах выявляют трещины, раковины, поры, подрезы, незаделанные кратеры и другие дефекты. В некоторых случаях он является единственным видом контроля и первым этапом при контроле ответственных сварных соединений. Дефекты сварных соединений, выявляемые внешним осмотром, приведены на рис.1 и в табл.1


Рис. 1. Наружные дефекты сварных соединений.



Таблица 1
Дефекты сварных соединений, выявляемые внешним осмотром
Виды дефектов
Причины возникновения дефектов

Смещение кромок (рис. 1,а), перекос свариваемых деталей (рис. 1, б).

Ослабленный шов (рис. 1, в), чрез- мерно усиленный шов (рис. 1, г), шов с различной по длине шириной или высотой (рис. 1, д).
Подрез (рис. 1, е и ж) - утонение основного металла в месте перехода к наплавленному металлу шва; проплав (рис. 1, з и и) - сквозное проплавление свариваемого соединения с образованием подтеков и свищей.
Непровар (рис. 1, к) - несплавление металла сварного шва с выходящими наружу кромками основного металла.
Ноздреватость металла шва - выходящие на поверхность шва поры


Трещины в наплавленном металле: продольные (рис. 1, л) и поперечные (рис. 1, м). Трещины в зоне термического влияния (рис. 1, н), располагающиеся параллельно шву.
Кратеры шва - сферические углубления в металле шва
Неточность сборки, короб-ление при сварке, плохая правка деталей перед сваркой
Небрежная подготовка кро-мок, неправильный режим сварки, плохое покрытие электродов

Применение повышенных режимов сварки, неудачное почожение шва в пространстве, малая толщина свариваемых деталей или большой зазор между ними
Малый угол скоса кромок, малая величина зазора между кромками

Применение электродов с отсыревшей обмазкой, сварка «длинной» дугой, загрязнение свариваемых кромок
Жесткое закрепление сваривае-мых деталей, структурные напря-жения, сварка при температурах ниже 0°С; сосредоточение неско-льких швов на небольшом участке изделия
Обрыв дуги при электроду-говой сварке

Контроль сварных швов внешним осмотром проводят следующим образом. Последовательно, по участкам, осматривают шов невооруженным глазом, а при необходимости - с помощью лупы. В соответствии с техническими условиями на контролируемый сварной шов устанавливают допустимые дефекты и дефекты, по которым сварной шов бракуют.
Магнитный метод контроля основан на свойстве магнитных силовых линий (рис. 2 и 3), встречающих на своем пути участок пониженной магнитной проницаемости, огибать его и образовывать так называемый поток рассеяния. Этот поток создает у краев дефекта местные магнитные полюсы. Для обнаружения потока рассеяния применяют ферромагнитный порошок Fe2O3. Порошок намагничивается потоком рассеяния и притягивается к краям дефекта, указывая место его расположения и приблизительную форму. Обнаруженная по скоплению порошка трещина будет иметь вид «жилки». При направлении магнитного потока перпендикулярно к продольному направлению трещины ширина «жилки» может достигать стократной ширины трещины.

Рис. 2. Намагничивание в поле Рис. 3. Намагничивание в поле
электромагнита соленоида
Трещины, расположенные под углом менее 2030° к направлению магнитного потока, не могут быть обнаружены этим методом. При выявлении трещин детали намагничивают в двух взаимноперпен-дикулярных направлениях.
В зависимости от размеров и формы детали намагничивание производят электромагнитом или соленоидом.
Методом красок выявляют мелкие поверхностные дефекты, главным образом трещины, на ограниченных участках сварного швав. Он позволяет почти в любых условиях установить наличие трещин в сварных соединениях. Методика проверки заключается в следующем (подробно она рассмотрена в методических указаниях к лабораторным работам).
Поверхность детали очищается от масла, грязи, смазки, затем промывается ацетоном и просушивается. После этого наносится кистью первый слой красной краски, через 12 мин наносят второй и не дожидаясь пока краска высохнет удаляют ее избыток салфеткой и наносят тонкий слой белой краски. Через 58 мин осматривают поверхность. Оставшаяся в трещине или другом глубоком наружном дефекте красная краска поднимается на поверхность белой и выявляет дефект.
В соответствии с техническими условиями на контролируемый сварной шов устанавливают допустимые дефекты и дефекты, по которым сварной шов бракуют.
Рентгеновским методом в сварных соединениях выявляют внутренние дефекты, которые не могут быть выявлены при внешнем осмотре.
Перечень основных внутренних дефектов сварных соединений и причины их возникновения приведены в табл. 2.

Таблица 2
Внутренние дефекты сварных соединений
Виды дефектов
Причины возникновения дефектов

Непровар местное несплавление металла шва с кромками основного металла или несплавление отдельных валиков в многослойных швах





Газовые раковины мелкие полости внутри металла


Шлаковые включения полости в металле шва, заполненные иеметалическими веществами, обычно окислами



Малая сила сварочного тока или слабое пламя сварочной горелки, излишне («короткая» или «длинная» дуга, высокая скорость сварки, затекание шлака в зазоры между кромками, неудовлетворительная очистка кромок от коррозии
Наличие в расплавленном металле газов, применение электродов с отсыревшей обмазкой, загрязнение свариваемых кромок
Высокий удельный вес шлака, недо статочное раскисление металла шва, засорение металла шва крупными частицами электродного покрытия

Контроль сварных соединений рентгеновским методом проводят следующим образом. Каждую рентгеновскую пленку поочередно кладут на стекло негатоскопа и просматривают пленку в такой последовательности, чтобы не пропустить ни одного участка на снимке.
Непровар имеет вид темной извилистой линии с четко выраженными границами. Рентгеновские снимки дефектных сварных сединений представлены на лабораторном стенде.
Включения более плотного металла в сварном шве, например вольфрама, имеет вид светлых точек.
Трещины на рентгеновском снимке видны как темные линии с четко очерченными границами. В соответствии с техническими условиями на контролируемый сварной шов устанавливают допустимые дефекты или дефекты, по которым его бракуют .
По макрошлифам выявляют границы раздела наплавленного металла, его структуру и структуру в зоне термического влияния, а также внутренние дефекты - раковины, непровар, трещины и т. п. Этот метод контроля рассмотрен в соответствующей лабораторной работе.
4.2. Разрушающие методы контроля. К разрушающим методам контроля относятся испытания сварных швов на растяжение и изгиб. Они проводятся при выполнении особо ответственных работ.
Испытание на растяжение проводят для определения прочности стыкового сварного соединения и качества присадочного материала, а на изгиб – для определения вязкости металла стыкового сварного соединения.
После испытания на растяжение устанавливают место разрушения сваренных образцов по шву, по зоне термического влияния и по основному металлу. Выявляют наличие дефектов шва в изломе. Сравнивают полученные данные при испытании трех образцов и делают заключение о влиянии вида сварки на механические свойства сварных соединений.
Испытание на изгиб (загиб) производят также на образцах в соответствии с ГОСТ, сваривают их на всю толщину, усиление сварного шва снимают до уровня основного металла.

Рис. 3. Схема испытания образца сварного соединения на изгиб.

Испытание на изгиб (рис. 3) производят плавно со скоростью не более 15 мм/сек и в момент появления первой трещины испытание прекращают. Осматривают изогнутые образцы, выявляют дефекты шва в местах образования трещин, измеряют транспортиром угол загиба (, сравнивают его с величиной, указанной в технических условиях на сварное изделие. Например, для образцов, вырезанных из воздушных баллонов, изготовленных из стали ЗОХГСА в нормализованном состоянии, угол загиба должен быть не менее 45°. Сравнивают полученные данные и делают заключение о влиянии способа сварки на пластичность металла шва.
Более подробно методика выполнения указанных испытаний изложена в методических указаниях к лабораторным работам.

Лекция 17. Общие сведения и физическая сущность обработки металлов резанием.
План лекции: Методы обработки резанием, стружкообразование, уравнение теплового баланса, нарост, геометрия режущей части инструмента и элементы режима резания, инструментальные материалы.
Обработкой резанием называется процесс отделения с заготовки режущим инструментом слоя материала для получения деталей нужной формы, заданных размеров и шероховатости поверхности. В настоящее время большинство деталей машин получает окончательную форму и размеры обработкой резанием на металлорежущих станках. Только эта обработка удовлетворяет возрастающим требованиям к качеству обработанной поверхности и точности размеров.
Трудоемкость обработки резанием составляет до 40% трудоемкости изготовления машин в целом. Она еще больше увеличивается в связи с повышением требований к точности и качеству рабочих поверхностей из-за увеличения объема финишной обработки. Такое положение сохранится и в ближайшее время, несмотря на тенденцию к замене предварительных операций обработки резанием на обработку давлением, литье и т.п.
На металлорежущих станках из заготовок (поковок, отливок, сортового проката, штамповок и пр.) получают окончательные готовые детали путем снятия слоя металла, называемого припуском. При этом заготовка и режущий инструмент должны совершать определенные движения. Эти движения подразделяются на основные (для снятия стружки) и вспомогательные или подготовительные (подвод и отвод инструмента, переключение скоростей и пр.). Основные движения в свою очередь подразделяются на главные и движения подачи. С помощью главного движения осуществляется снятие стружки, а движение подачи позволяет осуществить его со всей поверхности заготовки. В металлорежущих станках главным движением чаще всего бывает вращательным или прямолинейным и может сообщаться как инструменту, так и заготовке.
В зависимости от рода выполняемой работы и вида инструмента различают следующие основные методы обработки резанием: точение, сверление, фрезерование, строгание, протягивание, круглое и плоское шлифование и др.
Физическая сущность обработки резанием состоит в механическом разрушении поверхностного слоя материала заготовки, в основе которого лежит деформация этого слоя под воздействие внешних сил - сил резания.
Процесс резания сопровождается выделением тепла и другими явлениями, оказывающими влияние на качество обработанной поверхности и слоев материала, прилегающих к ней.
Формообразование деталей резанием производится на металлорежущих станках режущим инструментом, твердость и прочность которого значительно больше, чем у обрабатываемого материала. Кинематика процесса резания состоит в сочетании оптимальных относительных скоростей перемещения контактных поверхностей и обрабатываемой детали.
Для преодоления внутренних сил сцепления отделяемого слоя металла в процессе резания (рис. 17.1) к режущему инструменту 2, представленного в виде клина с углом заострения (, прикладывается внешняя сила - сила резания Р. Под действием этой силы инструмент 2, установленный относительно детали 1 под передним и задним углами ( и (, своей передней поверхностью 3 вдавливается в верхний слой металла детали 1 и подвергает его упругой и пластической деформации. В момент, когда возникающие напряжения превосходят прочность обрабатываемого материала, происходит сдвиг (скалывание) элемента стружки по плоскости сдвига N-N под углом ( или 13 EMBED Equation.3 1415, равным 1800-(, названным углом сдвига. Этот угол сдвига не зависит ни от геометрических параметров инструмента, ни от свойств обрабатываемого материала и равен обычно около 300. Процесс сдвига совершается непрерывно и с обрабатываемой поверхности удаляется слой металла толщиной z в виде стружки 4.
Стружка 4, в зависимости от свойств обрабатываемого материала, углов инструмента ( и (, скорости относительного перемещения инструмента и детали (элементов режима резания) и других условий обра-ботки, может образовываться трех типов: сливная, скалывания и надлома.
Сливная стружка, представляющая собой сплошную завивающуюся ленту, образуется при обработке пластичных металлов со значительными скоростями резания, небольшими толщинами среза и большими передними углами инструмента. Обработанная поверхность имеет минимальную шероховатость.
Стружка скалывания, представляющая собой отдельно связанные между собой элементы, образуется при обработке металлов средней твердости с невысокими скоростями резания, значительными толщинами среза и небольшими передними углами инструмента.
Стружка надлома, представляющая собой отдельные не связанные или слабо связанные между собой кусочки металла неправильной формы, образуется при обработке хрупких металлов. Обработанная поверхность имеет значительные неровности.
В процессе резания, вследствие упруго-пластической деформации и трения, выделяется значительное количество тепла. Схема распростра-нения тепловых потоков в зоне резания представлена на рис. 17.3.
Уравнение теплового баланса в этом случае можно представить в виде:
Q1 + Q2 + Q3 = q1 + q2 + q3 + q4,
где Q1, Q2 и Q3 - тепло, выделяющееся соответственно вследствие деформации и трения обрабатываемого материала о переднюю и заднюю
поверхности инструмента, а q1, q2, q3 и q4 - тепло, уходящее соответственно в стружку, инструмент, деталь и окружающую среду.
Значения Q1...Q3 и q1...q4 зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрических параметров и материала инструмента, других условий обработки. С увеличением скорости резания количество тепла, образующееся в результате упруго-пластических деформаций увеличивается, а отводимое тепло: стружкой - увеличивается, а инструментом и деталью - уменьшается. При нормальных условиях работы температура резания составляет, при обработке металлокерамическими сплавами 800-10000С, а минералокерамикой - 1000-12000С.
Тепловые процессы при резании оказывают большое влияние на качество обработанной поверхности и изнашивание инструмента. Они могут вызвать снижение точности и нарушение правильности геометри-ческой формы и размеров обработанной поверхности, интенсивный износ режущего инструмента. При напряженных режимах резания нагрев поверхностного слоя обработанной поверхности может достигать температур фазовых превращений, существенно изменяя ее свойства.
Физические процессы, протекающие при изнашивании инстру-мента, аналогичны трению и изнашиванию трущихся пар, но они проис-ходят обычно при больших давлениях и температурах, высоком коэффи-циенте трения, постоянном обновлении поверхностей. В зависимости от скорости резания и других условий обработки возникают следующие виды износа: абразивный, адгезионный, диффузионный и окислительный. Форма износа инструмента также может быть различной. Предельно допустимый износ, при котором инструмент теряет нормальную работоспособность, называется критерием затупления. При черновой обработке в качестве критерия затупления принимается износ по задней или передней поверхностям, а при чистовой - технологический, т.е. такой износ, при котором точность и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять техническим условиям.
Металл, уходящий в стружку, и слой металла, прилегающий к обработанной поверхности, упрочняются, в них изменяется макро- и микроструктура, повышается твердость и возникают внутренние напряжения. Вместе с тем в поверхностном слое образуются макро- и микротрещины, ухудшающие его физико-механические свойства. Толщина этого дефектного слоя, в зависимости от условий резания, может изменяться от десятых долей миллиметра до десятых долей микрометра. Схемы упруго-напряженного состояния (а) и деформаций (б) металла в зоне резания приведе-ны на рис. 17.4:
кружками (А) показа-ны недеформирован-ные зерна, -(у и +(у-нормальные напряже-ния сжатия и растяжения соответственно. Экспериментально установлено, что стружка пластиче-ски деформируется по всему сечению, а распространение пластической деформации вглубь обработанной поверхности детали зависит от свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, элементов режима резания и других условий обработки. Максимальная пластическая деформация происходит в зоне стружкообразования АВС и следствием ее являются сдвиговые деформации в срезаемом слое.
В процессе резания происходит так называемое явление наростообразования, которое происходит из-за торможения нижних слоев стружки при ее скольжении по передней поверхности инструмента, высоком давлении и значительной температуре на контакте стружки с инструментом. Действительно, большой коэффициент трения (до 0,8-0,9), удаление оксидных пленок, молекулярное (межатомное) взаимодействие между поверхностями стружки и инструмента, а также другие явления способствуют схватыванию, затормаживанию нижнего слоя стружки. По мере удаления от поверхности инструмента прочность сцепления слоев стружки будет уменьшаться из-за уменьшения степени пластической деформации (упрочнения) и других явлений. При мгновенном отводе инструмента из зоны резания, на его передней поверхности, у режущей кромки, обнаруживается (при определенных условиях резания) плотное скопление частиц металла, получившее название нароста. Этот нарост сильно деформирован, твердость его в 2-3 раза превосходит твердость основного металла. На основании исследований состояния стружки и обработанной поверхности, можно предположить, что он периодически разрушается и уносится стружкой и деталью, затем вновь образуется. При этом точность и качество обработанной поверхности ухудшаются, возникают вибрации инструмента и детали. Установлено, что нарост образуется в определенном диапазоне скоростей резания для различных материалов. Так, для углеродистой конструкционной стали при скорости резания до 10 м/мин нарост весьма незначителен, при 15-40 м/мин он достигает максимума. Дальнейшее увеличение скорости резания приводит к уменьшению нароста и его исчезновению и, как следствие, уменьшению шероховатости и снижению вибраций. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей и увеличение переднего угла также уменьшает наростообразование.
Геометрия инструмента представляет собой совокупность всех конструктивных элементов (углов, величины и формы режущих кромок, формы передней и задней поверхностей, радиуса сопряжения режущих лезвий и пр.), позволяющих обеспечить процесс обработки металлов резанием.
Геометрию инструмента рассмотрим на примере токарного проходного резца как наиболее простого и широко распространенного по сравнению с другими инструментами. К тому же все основные положения (определения), приведенные для резца, по существу справедливы и для других инструментов (сверл, фрез,метчиков и др.), поскольку для них, в сечении перпендикулярном режущему лезвию, будет также режущий клин, с той лишь разницей, что форма его поверхностей может быть другой (вог-нутой, выпуклой и пр.)
Основные геометрические параметры резца приведены на рис. 17.5. Каждый из углов резца измеряется в соответствущей координатной плоскости, которые определяются следующим образом (на рис. 17.5 пред-ставлены следы соответствующих плоскостей): плоскость резания 4 - плоскость, проходящая через главное лезвие и вектор скорости и касательная к поверхности резания 2; основная плоскость 5 - плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам и нормальная к вектору скорости резания, а следовательно и к плоскости резания; главная секущая плоскость 6 - плоскость, нормальная к проекции главного лезвия на основную плоскость. Различают также вспо- могательную секущую плоскость - плоскость, нормальную к проекции вспомогательного лез-вия на основную плос-кость.
Определения углов, обозначаемых буквами греческого алфавита, можно сформулировать следующим образом (рис. 17.5):

·
·-передний угол, опре-деляемый в главной се-кущей плоскости и зак-люченный между передней поверхностью резца и нормалью к плоскости резания;
· - задний угол,определяемый в главной секущей плоскости и заключен-ный между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания;
·
·- угол заострения, определяемый в главной секущей плоскости и заключенный между передней и главной задней поверхностями резца;
· - угол резания, определяемый в главной секущей плоскости и заключенный между передней поверхностью резца и плоскостью резания;
·
·- главный угол в плане, определяемый в основной плоскости и заключенный между проекцией главного лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи;
·
· - вспомогательный угол в плане, определяемый в основной плоскости и заключенный между проекцией вспомогательного лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи;
·
·- угол при вершине, определяемый в основной плоскости и заключенный между проекциями главного и вспомогательного лезвий на основную плоскость.
· - угол наклона главного лезвия, определяемый в плоскости резания и заключенный между главным лезвием и нормалью к вектору скорости.
Углы
·
·
·
·
·
·
·
·и
· называются главными, поскольку они характе-ризуют рабочий клин инструмента. Они связаны между собой следую-щими зависимостями:

·
·
·
·
·
·
·
·
·
·= 900
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·= 900
Принято различать угол
· положительным, отрицательным и равным нулю. Если
· > 900, то угол
· условно называют отрицательным и наоборот. При
· = 900, угол
· =0.
Углы в плане
·
·
·
·
· и
· связаны между собой зависимостью:

·
·
·
·
·+
·=1800.
Угол
· принято различать положительным, отрицательным и равным нулю.
Элементами режима резания являются скорость резания, подача и глубина резания. Иногда к ним относят элементы сечения среза: ширину, толщину и площадь.
При этом глубину резания, подачу и число оборотов заготовки называют технологическими элементами режима резания при точении (они непосредственно устанавливаются на станке), а скорость резания, ширину, толщину и площадь среза - физическими,
Элементы режима резания рассмотрим при продольном точении цилиндрической поверхности токарным проходным резцом (рис.17.6). Они подразделяются на физические и технологические.











К технологическим элементам режима резания при точении относятся: число оборотов п, подача s и глубина резания t. Эти элементы непосредственно устанавливаются на станке с помощью соответствующих рукояток. К физическим - скорость резания V, толщина и ширина срезаемого слоя а и b соответственно. Физические элементы режима резания служат для обоснования выбора технологических элементов, исходя из физической сущности процесса резания при точении: скорости, подачи и глубины резания; силы и мощности резания; выбора оптимального режима резания. Между технологическими и физическими элементами режима резания существуют соответствующие зависимости.
Физические и технологические элементы режима резания связаны между собой следующими зависимостями:
V = (Dn/1000, м/мин; b = t/sin
·, мм; а = s sin
·, мм,
где V - скорость резания (с определенным допущением), представляющая собой путь точки поверхности заготовки относительно режущей кромки резца в единицу времени; D – диаметр заготовки, мм; n - частота вращения заготовки(число оборотов), об/мин; b - расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания, мм; s - путь резца пройденный за один оборот детали, мм/об; t – толщина слоя металла, снимаемого за один проход, определяемая по фоммуле
t = (D-d)/2, мм,
d – диаметр обработанной поверхности заготовки, мм; а - расстояние между двумя положениями поверхности резания или главной режущей кромки за один оборот детали, мм/об
Сила резания при точении R представляет собой равнодействующую всех сил, действующих на резец и может быть определена из выражения
_____________________
R = ( P13 EMBED Equation.3 1415z,P13 EMBED Equation.3 1415y P13 EMBED Equation.3 1415x ,
где Pz , Py , Px - соответственно тангенциальная, радиальная и осевая составляющие силы резания.
По составляющей силы Рz определяют мощность резания. Поэтому ее называют главной составляющей силы резания или просто силой резания. Составляющие Pz , Py и Px так относятся друг к другу, как 1 : 0,4 : 0,2.
Силу Рz при точении определяют по следующей эмпирической формуле
PZ=CpZ tXp SYp KPz , H
где Срz - коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала; Крz - обобщенный поправочный коэффициент на измененные условия обработки в сравнении с теми, для которых дано значение Срz.
Значение Срz,Крz,xp,yp,zp для различных материалов и конкретных условий обработки приведены в справочниках.
Тогда мощность резания определяется по формуле
Ne = PzV/60(103 кВт.
Мощность электродвигателя станка должна быть на менее Nэ, определяемой по формуле
Nэ = Ne / h,
h - к.п.д. станка, равный 0,7-0,8.
Выбор оптимального режима резания производят в следующей последовательности. Вначале выбирают глубину резания t, стремясь весь припуск снять за один проход. Затем выбирают подачу S исходя из требований к точности и шероховатости обработанной поверхности. При этом необходимо учитывать режущие свойства материала инструмента, мощность станка, жесткость детали и всей системы СПИД (станок- приспособление- инструмент- деталь).
После этого определяют скорость резания, допускаемую заданной стойкостью резца, по формуле

где К - общий поправочный коэффициент, учитывающий измененные условия резания в сравнении с теми, для которых даны значения Сv, Xv, Yv, приведенных в справочниках.
Определив скорость резания, находят частоту вращения шпинделя станка, соответствующую этой скорости резания, об/мин:
n = 1000V/pD.
Если станок такой частоты не имеет, то берут ближайшую меньшую. Такой порядок определения оптимального режима резания объясняется потому, что глубина резания оказывает наименьшее влияние на процесс резания, а скорость резания, наоборот, оказывает наибольшее влияние. Поэтому, если мощность резания оказалась больше мощности станка, то уменьшение режима резания начинают с элемента, оказывающего наибольшее значение, т.е. со скорости резания.
В качестве материала режущей части резца используются в основном инструментальные стали, металло- и минералокерамические твердые сплавы.
Углеродистые и легированные инструментальные стали (У10, У12А, ХВГ, 9ХС и др.) применяются для резцов только при обработке неметаллических материалов, поскольку их теплостойкость является невысокой.
Быстрорежущие стали (Р9К5, Р18, Р6М3 и др.) применяются для резцов, работающих в тяжелых условиях, при обработке по корке и труднообрабатываемых материалов (жаропрочных, нержавеющих и и т.п.).
Металлокерамические твердые сплавы подразделяют на три группы: вольфрамовые (ВК), титановольфрамовые (ТК) и титанотанталовольфрамовые (ТТК).
Сплавы группы ВК состоят из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом (ВК2, ВК6, ВК6В, ВК6М и т.д.). Цифра указывает на процентное содержание кобальта, остальное - карбид вольфрама, а буквы В и М в конце марки - на величину карбидных зерен, соответственно крупно- и мелкозернистых. Эти сплавы применяются для обработки чугуна, цветных сплавов, пластмасс.
Сплавы группы ТК состоят из зерен карбида вольфрама и титана, сцементированных кобальтом (Т5К10, Т15К12В и др.). Цифра после буквы Т указывает на процентное содержание карбидов титана, а после К - кобальта, остальное - карбид вольфрама. Эти сплавы применяются для обработки сталей и других вязких материалов.
Сплавы группы ТТК состоят из карбидов титана, тантала и вольфрама. Цифра после второй буквы Т обозначает процентное содержание карбидов вольфрама и тантала в сумме. Стойкость резцов из этого сплава в 3,5 раза выше, чем из Р18. Они особенно хороши для обработки труднообрабатываемых жаропрочных сплавов.
Минералокерамические твердые сплавы обладают высокой теплостойкостью (12000С), но низким пределом прочности при изгибе. Они позволяют обрабатывать материалы со значительно большими скоростями резания при небольших сечениях срез и отсутствии вибраций. Лучшей маркой отечественной минералокерамики является сплав ЦМ-332. Для повышения его прочности в сплав добавляют тугоплавкие металлы. Такие сплавы называют керметами, они используются при обработке труднообрабатываемых материалов.
Износ резца зависит от условий обработки и по своей физической природе может быть абразивным, адгезионным и диффузионным. Абразивный износ обусловлен наличием в обрабатываемом материале достаточно твердых составляющих (карбидов, оксидов и пр.), сохраняющих значительную твердость и при нагревании. Они действуют как абразивы, царапая поверхности трения.
Адгезионный износ проявляется при более высоких скоростях резания и больших давлениях и сопровождается схватыванием материала инструмента с материалом заготовки под действием атомарных сил. При этом частички инструментального материала беспрерывно вырываются и уносятся сходящей стружкой и обрабатываемой заготовкой.
Диффузионный износ проявляется при высоких скоростях резания, когда развивается высокая температура, инструментальный материал интенсивно изнашивается под действием диффузии. Происходит взаимное проникновение и растворение структурных составляющих инструментального и обрабатываемого материалов. Интенсивной диффузии благоприятствует то, что в контакт с инструментом беспрерывно вступают все новые участки обрабатываемого материала и стружки. При определенных условиях обработки возникает так называемый окислительный износ, когда постоянно образующаяся на поверхностях инструмента окисная пленка периодически отрывается и уносится стружкой и обрабатываемой заготовкой.
Критерии затупления резца: при черновой обработке принимается износ по задней поверхности резца, равный 0,8-1,0 мм
- для стали и 1,4-1,7 мм - для чугуна; при чистовой обработке принимается технологический, когда превышение износа приводит к тому, что точность и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять техническим условиям на изготовление детали.
Стойкостью резца называют время его работы между переточками при определенном режиме резания. Значения стойкости приведены в справочниках. Так, для резцов из быстрорежущей части она составляет 30-60 мин, а из твердых сплавов - 45-90 мин.

Эффективность процесса резания зависит от многих факторов и в первую очередь от геометрии режущей части инструмента и элементов режима резания.

Геометрия резца оказывает большое влияние на процесс резания. Так, увеличение переднего угла позволяет уменьшить силы резания и мощность, затрачиваемые на обработку материала. Слишком большое увеличение переднего угла приводит к поломке режущего инструмента. Без наличия заднего угла процесс резания вообще невозможен, а чрезмерное его увеличение приводит к снижению стойкости инструмента. При изучении геометрии резца необходимо обратить внимание на назначение каждого конструктивного элемента, на ту роль, которую выполняет он при резании.

·
·
·
·
·
·
·
·
·
·

·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·,
· и
·
· опре-деляемые следующим образом (рис. 16.2):
Угол
· измеряется в плоскости резания и выбирается в зависимости от условий обработки: необходимости обеспечения заданного направления схода стружки, наличия на поверхности заготовки литейной корки и пр. Принято различать угол
· положительным, отрицательным и равным нулю.

ЛЕКЦИЯ 18. Геометрия инструмента и элементы режима резания при точении.
План лекции: Резец и его геометрия, износ, критерии затупления и стойкость; элементы режима резания: скорость, подача и глубина резания; силы и мощность резания; выбор оптимального режима резания.
Геометрией инструмента называется совокупность всех конструктивных элементов (углов, величины и формы режущих кромок, формы передней и задних поверхностей, радиуса сопряжения режущих лезвий и пр.), позволяющих обеспечить процесс обработки металлов резанием. Геометрия инструмента оказывает большое влияние на процесс резания. Так, увеличение переднего угла позволяет уменьшить силы резания и мощность, затрачиваемые на обработку материала. Слишком большое увеличение переднего угла приводит к поломке режущего инструмента. Без наличия заднего угла процесс резания вообще невозможен, а чрезмерное его увеличение приводит к снижению стойкости инструмента. При изучении геометрии инструмента необходимо обратить внимание на назначение каждого конструктивного элемента, на ту роль, которую выполняет он при резании.
Поскольку большинство деталей машин имеют форму тел вращения, то и наиболее распространенным методом их механической обработки является точение – механическая обработка на токарных станках. Инструментом при точении является резец – самый простой инструмент из всех методов обработки резанием. Поэтому геометрию инструмента целесообразно изучать на примере токарного резца. К тому же все основные положения (определения), приведенные для резца, по существу будут справедливы и для других инструментов, поскольку для них, также как и для резца, в сечении перпендикулярном режущему лезвию, будет режущий клин с той лишь разницей, что форма его поверхностей может быть другой (вогнутой, выпуклой и пр.)
Основные геометрические параметры резца приведены на рис. 16.1. Углы резца, обозначаемые буквами
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·,
· и
·
·
·
·изме-ряются в следующих исходных координатных плоскостиях: плоскость резания 4 - плоскость, проходящая через главное лезвие и вектор скорости и касательная к поверхности резания 2; основная плоскость 5 - плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам и нормальная к вектору скорости резания, а следовательно и к плоскости резания; главная секущая поверхность 6 - плоскость, нормальная к проекции главного лезвия на основную плоскость. Различают также вспомогательную секущую плоскость - плоскость, нормальную к проекции вспомогательного лез-вия на основную плоскость.

Углы резца при-нято обозначать следу-ющими буквами грече-ского алфавита
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·

·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·,
· и
·
· опре-деляемые следующим образом (рис. 16.2):
· - задний угол, заключен-ный между главной задней поверхностью и плоскостью резания;

·
·- передний угол, заключенный между передней поверхностью и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания и проходящей через режущую кромку;

·
·- угол заострения, заключенный между передней и главной задней поверхностями;

· - угол резания, заключенный между передней поверхностью и плоскостью резания;

·
·- главный угол в плане, заключенный между проекцией главного лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи;

·
· - вспомогательный угол в плане, заключенный между проекцией вспомогательного лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи;

·
·- угол при вершине, заключенный между проекциями главного и вспомогательного лезвий на основную плоскость.

· - угол наклона главного лезвия, заключенный между главным лезвием и нормалью к вектору скорости.
Углы
·
·
·
·
·
·
·
·и
· называются главными, поскольку они характеризуют рабочий клин инструмента; они измеряются в главной секущей плоскости и связаны между собой следующими зависимостями:
a + b + g = 900
(1)

d = a + b
(2)

d +g = 900
(3)

Если
· > 900, то угол
· условно называют отрицательным. Углы в плане
·
·
·
·
· и
· измеряются в основной плоскости и связаны между собой зависимостью:
f + f1 + e = 1800
(4)

Угол
·
· измеряется в плоскости резания и выбирается в зависимости от условий обработки: необходимости обеспечения заданного направления схода стружки, наличия на поверхности заготовки литейной корки и пр. Принято различать угол
· положительным, отрицательным и равным нулю (см. [5, рис. 8.4 на с. 62]).
Резец и его геометрические параметры подробно рассмотрены также в основных теоретических положениях к лабораторной работе N 8 [5, с. 59-63].
Стойкостью резца называют время его работы между переточками при определенном режиме резания. Значения стойкости приведены в справочниках. Так, для резцов из быстрорежущей части она составляет 30-60 мин, а из твердых сплавов - 45-90 мин.
Элементами режима резания при точении являются глубина и скорость резания и подача. Иногда к ним относят элементы сечения среза: ширину, толщину и площадь. При этом глубину резания, подачу и число оборотов заготовки называют технологическими элементами режима резания при точении (они непосредственно устанавливаются на станке), а скорость резания, ширину, толщину и площадь среза - физическими, поскольку они служат для обоснования выбора технологических элементов исходя из физической сущности процесса резания. при точении: скорость, подача и глубина резания; силы и мощность резания; выбор оптимального режима резания. Между технологическими и физическими элементами режима резания существуют соответствующие зависимости.
Рассмотрим элементы режима резания и сечение срезаемого слоя при продольном точении цилиндрической поверхности (рис.16.3).
Глубиной резания t называют толщину слоя металла, снимаемого за один проход
t = (D-d)/2, мм,
где D и d – диа-метры заготов-ки и обработа-нной поверхно-сти соответст-венно, мм.
Скоростью резания V упро-щенно называ-ют скорость главного движения, представляющую собой путь точки поверхности заготовки относительно режущей кромки резца в единицу времени:
V = pDn/1000, м/мин,
где n - частота вращения заготовки, об/мин. Подача s - путь резца пройденный за один оборот детали, мм/об. Шириной срезаемого слоя b называют расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания
b = t/sin
·, мм.
Толщиной срезаемого слоя а называют расстояние между двумя положениями поверхности резания или главной режущей кромки за один оборот детали
а = s sin
·, мм.
Сила резания при точении R представляет собой равнодействующую всех сил, действующих на резец и может быть определена из выражения

где Pz, Py, Px - соответственно тангенциальная, радиальная и осевая составляющие силы резания.
По составляющей силы Рz определяют мощность резания. Поэтому ее называют главной составляющей силы резания или просто силой резания. Составляющие Pz, Py и Px так относятся друг к другу, как 1 : 0,4 : 0,2.
Силу Рz при точении определяют по следующей эмпирической формуле
PZ=CpZ tXp SYp KPz , H
где Срz - коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала; Крz - обобщенный поправочный коэффициент на измененные условия обработки в сравнении с теми, для которых дано значение Срz.
Значение Срz,Крz,xp,yp,zp для различных материалов и конкретных условий обработки приведены в справочниках. Тогда мощность резания определяется по формуле
Ne = PzV/60.103 кВт.
Мощность электродвигателя станка должна быть на менее Nэ, определяемой по формуле
Nэ = Ne/h,
h- к.п.д. станка, равный 0,7-0,8.
Выбор оптимального режима резания производят в следующей последовательности. Вначале выбирают глубину резания t, стремясь весь припуск снять за один проход. Затем выбирают подачу S исходя из требований к точности и шероховатости обработанной поверхности. При этом необходимо учитывать режущие свойства материала инструмента, мощность станка, жесткость детали и всей системы СПИД (станок- приспособление- инструмент- деталь).


После этого определяют скорость резания, допускаемую заданной стойкостью резца, по формуле

где К - общий поправочный коэффициент, учитывающий измененные условия резания в сравнении с теми, для которых даны значения Сv, Xv, Yv, приведенных в справочниках.
Определив скорость резания, находят частоту вращения шпинделя станка, соответствующую этой скорости резания, об/мин:
n = 1000V/pD.
Если станок такой частоты не имеет, то берут ближайшую меньшую. Такой порядок определения оптимального режима резания объясняется потому, что глубина резания оказывает наименьшее влияние на процесс резания, а скорость резания, наоборот, оказывает наибольшее влияние. Поэтому, если мощность резания оказалась больше мощности станка, то уменьшение режима резания начинают с элемента, оказывающего наибольшее значение, т.е. со скорости резания.

ЛЕКЦИЯ 18. Точение и другие методы обработки металлов резанием.
План лекции: Резец и его геометрия, материал режущей части, износ, критерии затупления и стойкость; элементы режима резания: скорость, подача и глубина резания; силы и мощность резания; выбор оптимального режима резания.
Точение является наиболее распространенным методом механической обработки, поскольку большинство деталей машин имеют форму тел вращения. Главным движением в этом случае является вращение заготовки 2, а движением подачи - поступательное перемещение инструмента 1 относительно заготовки (см. рис.15.1,а). Инструментом при точении является резец, основные части и элементы которого приведены на рис.16.1. Он состоит из рабочей (режущей) части или головки и стержня или державки. Его основными элементами являются: передняя 6 и задние (главная 2 и вспомогательная 1) поверхности, главное 5 и вспомогательное 4 режущие лезвия (кромки) и вершина резца 3. Геометрией рабочей части резца, как и других режущих инструментов, называется совокупность всех конструктивных элементов (углов, величины и формы режущих кромок, формы передней и задних поверхностей, радиуса сопряжения режущих лезвий и пр.), позволяющих обеспечить процесс обработки металлов резанием. Его основой является режущий клин, взаимодействие которого с обрабатываемой деталью рассмотрено на предыдущей лекции. Отсюда следует, что все основные положения (определения), приведенные для резца, по существу будут справедливы и для других инструментов, поскольку для них, в сечении перпендикулярном режущему лезвию, будет также режущий клин, с той лишь разницей, что форма его поверхностей может быть другой (вогнутой, выпуклой и пр.)
Геометрия резца оказывает большое влияние на процесс резания. Так, увеличение переднего угла позволяет уменьшить силы резания и мощность, затрачиваемые на обработку материала. Слишком большое увеличение переднего угла приводит к поломке режущего инструмента. Без наличия заднего угла процесс резания вообще невозможен, а чрезмерное его увеличение приводит к снижению стойкости инструмента. При изучении геометрии резца необходимо обратить внимание на назначение каждого конструктивного элемента, на ту роль, которую выполняет он при резании. Основные геометрические параметры резца приведены на рис. 16.2. Для определения геометрии однолезвийных и многолезвийных инструментов необходимо изучить прежде всего исходные координатные плоскости (рис. 16.2): плоскость резания 4 - плоскость, проходящая через главное лезвие и вектор скорости и касательная к поверхности резания 2; основная плоскость 5 - плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам и нормальная к вектору скорости резания, а следовательно и к плоскости резания; главная секущая поверхность 6 - плоскость, нормальная к проекции главного лезвия на основную плоскость. Различают также вспо- могательную секущую плоскость - плоскость, нормальную к проекции вспомогательного лез-вия на основную плоскость.
Углы резца при-нято обозначать следу-ющими буквами грече-ского алфавита
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·

·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·,
· и
·
· опре-деляемые следующим образом (рис. 16.2):
· - задний угол, заключен-ный между главной задней поверхностью и плоскостью резания;

·
·- передний угол, заключенный между передней поверхностью и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания и проходящей через режущую кромку;

·
·- угол заострения, заключенный между передней и главной задней поверхностями;

· - угол резания, заключенный между передней поверхностью и плоскостью резания;

·
·- главный угол в плане, заключенный между проекцией главного лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи;

·
· - вспомогательный угол в плане, заключенный между проекцией вспомогательного лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи;

·
·- угол при вершине, заключенный между проекциями главного и вспомогательного лезвий на основную плоскость.

· - угол наклона главного лезвия, заключенный между главным лезвием и нормалью к вектору скорости.
Углы
·
·
·
·
·
·
·
·и
· называются главными, поскольку они характеризуют рабочий клин инструмента; они измеряются в главной секущей плоскости и связаны между собой следующими зависимостями:
a + b + g = 900
(1)

d = a + b
(2)

d +g = 900
(3)

Если
· > 900, то угол
· условно называют отрицательным. Углы в плане
·
·
·
·
· и
· измеряются в основной плоскости и связаны между собой зависимостью:
f + f1 + e = 1800
(4)

Угол
·
· измеряется в плоскости резания и выбирается в зависимости от условий обработки: необходимости обеспечения заданного направления схода стружки, наличия на поверхности заготовки литейной корки и пр. Принято различать угол
· положительным, отрицательным и равным нулю (см. [5, рис. 8.4 на с. 62]).
Резец и его геометрические параметры подробно рассмотрены также в основных теоретических положениях к лабораторной работе N 8 [5, с. 59-63].
В качестве материала режущей части резца используются в основном инструментальные стали, металло- и минералокерамические твердые сплавы.
Углеродистые и легированные инструментальные стали (У10, У12А, ХВГ, 9ХС и др.) применяются для резцов только при обработке неметаллических материалов, поскольку их теплостойкость является невысокой.
Быстрорежущие стали (Р9К5, Р18, Р6М3 и др.) применяются для резцов, работающих в тяжелых условиях, при обработке по корке и труднообрабатываемых материалов (жаропрочных, нержавеющих и и т.п.).
Металлокерамические твердые сплавы подразделяют на три группы: вольфрамовые (ВК), титановольфрамовые (ТК) и титанотанталовольфрамовые (ТТК).
Сплавы группы ВК состоят из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом (ВК2, ВК6, ВК6В, ВК6М и т.д.). Цифра указывает на процентное содержание кобальта, остальное - карбид вольфрама, а буквы В и М в конце марки - на величину карбидных зерен, соответственно крупно- и мелкозернистых. Эти сплавы применяются для обработки чугуна, цветных сплавов, пластмасс.
Сплавы группы ТК состоят из зерен карбида вольфрама и титана, сцементированных кобальтом (Т5К10, Т15К12В и др.). Цифра после буквы Т указывает на процентное содержание карбидов титана, а после К - кобальта, остальное - карбид вольфрама. Эти сплавы применяются для обработки сталей и других вязких материалов.
Сплавы группы ТТК состоят из карбидов титана, тантала и вольфрама. Цифра после второй буквы Т обозначает процентное содержание карбидов вольфрама и тантала в сумме. Стойкость резцов из этого сплава в 3,5 раза выше, чем из Р18. Они особенно хороши для обработки труднообрабатываемых жаропрочных сплавов.
Минералокерамические твердые сплавы обладают высокой теплостойкостью (12000С), но низким пределом прочности при изгибе. Они позволяют обрабатывать материалы со значительно большими скоростями резания при небольших сечениях срез и отсутствии вибраций. Лучшей маркой отечественной минералокерамики является сплав ЦМ-332. Для повышения его прочности в сплав добавляют тугоплавкие металлы. Такие сплавы называют керметами, они используются при обработке труднообрабатываемых материалов.
Износ резца зависит от условий обработки и по своей физической природе может быть абразивным, адгезионным и диффузионным. Абразивный износ обусловлен наличием в обрабатываемом материале достаточно твердых составляющих (карбидов, оксидов и пр.), сохраняющих значительную твердость и при нагревании. Они действуют как абразивы, царапая поверхности трения.
Адгезионный износ проявляется при более высоких скоростях резания и больших давлениях и сопровождается схватыванием материала инструмента с материалом заготовки под действием атомарных сил. При этом частички инструментального материала беспрерывно вырываются и уносятся сходящей стружкой и обрабатываемой заготовкой.
Диффузионный износ проявляется при высоких скоростях резания, когда развивается высокая температура, инструментальный материал интенсивно изнашивается под действием диффузии. Происходит взаимное проникновение и растворение структурных составляющих инструментального и обрабатываемого материалов. Интенсивной диффузии благоприятствует то, что в контакт с инструментом беспрерывно вступают все новые участки обрабатываемого материала и стружки. При определенных условиях обработки возникает так называемый окислительный износ, когда постоянно образующаяся на поверхностях инструмента окисная пленка периодически отрывается и уносится стружкой и обрабатываемой заготовкой.
Критерии затупления резца: при черновой обработке принимается износ по задней поверхности резца, равный 0,8-1,0 мм
- для стали и 1,4-1,7 мм - для чугуна; при чистовой обработке принимается технологический, когда превышение износа приводит к тому, что точность и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять техническим условиям на изготовление детали.
Стойкостью резца называют время его работы между переточками при определенном режиме резания. Значения стойкости приведены в справочниках. Так, для резцов из быстрорежущей части она составляет 30-60 мин, а из твердых сплавов - 45-90 мин.
Элементами режима резания при точении являются глубина и скорость резания и подача. Иногда к ним относят элементы сечения среза: ширину, толщину и площадь. При этом глубину резания, подачу и число оборотов заготовки называют технологическими элементами режима резания при точении (они непосредственно устанавливаются на станке), а скорость резания, ширину, толщину и площадь среза - физическими, поскольку они служат для обоснования выбора технологических элементов исходя из физической сущности процесса резания. при точении: скорость, подача и глубина резания; силы и мощность резания; выбор оптимального режима резания. Между технологическими и физическими элементами режима резания существуют соответствующие зависимости.
Рассмотрим элементы режима резания и сечение срезаемого слоя при продольном точении цилиндрической поверхности (рис.16.3).
Глубиной резания t называют толщину слоя металла, снимаемого за один проход
t = (D-d)/2, мм,
где D и d – диа-метры заготов-ки и обработа-нной поверхно-сти соответст-венно, мм.
Скоростью резания V упро-щенно называ-ют скорость главного движения, представляющую собой путь точки поверхности заготовки относительно режущей кромки резца в единицу времени:
V = pDn/1000, м/мин,
где n - частота вращения заготовки, об/мин. Подача s - путь резца пройденный за один оборот детали, мм/об. Шириной срезаемого слоя b называют расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания
b = t/sin
·, мм.
Толщиной срезаемого слоя а называют расстояние между двумя положениями поверхности резания или главной режущей кромки за один оборот детали
а = s sin
·, мм.
Сила резания при точении R представляет собой равнодействующую всех сил, действующих на резец и может быть определена из выражения

где Pz, Py, Px - соответственно тангенциальная, радиальная и осевая составляющие силы резания.
По составляющей силы Рz определяют мощность резания. Поэтому ее называют главной составляющей силы резания или просто силой резания. Составляющие Pz, Py и Px так относятся друг к другу, как 1 : 0,4 : 0,2.
Силу Рz при точении определяют по следующей эмпирической формуле
PZ=CpZ tXp SYp KPz , H
где Срz - коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала; Крz - обобщенный поправочный коэффициент на измененные условия обработки в сравнении с теми, для которых дано значение Срz.
Значение Срz,Крz,xp,yp,zp для различных материалов и конкретных условий обработки приведены в справочниках. Тогда мощность резания определяется по формуле
Ne = PzV/60.103 кВт.
Мощность электродвигателя станка должна быть на менее Nэ, определяемой по формуле
Nэ = Ne/h,
h- к.п.д. станка, равный 0,7-0,8.
Выбор оптимального режима резания производят в следующей последовательности. Вначале выбирают глубину резания t, стремясь весь припуск снять за один проход. Затем выбирают подачу S исходя из требований к точности и шероховатости обработанной поверхности. При этом необходимо учитывать режущие свойства материала инструмента, мощность станка, жесткость детали и всей системы СПИД (станок- приспособление- инструмент- деталь).


После этого определяют скорость резания, допускаемую заданной стойкостью резца, по формуле

где К - общий поправочный коэффициент, учитывающий измененные условия резания в сравнении с теми, для которых даны значения Сv, Xv, Yv, приведенных в справочниках.
Определив скорость резания, находят частоту вращения шпинделя станка, соответствующую этой скорости резания, об/мин:
n = 1000V/pD.
Если станок такой частоты не имеет, то берут ближайшую меньшую. Такой порядок определения оптимального режима резания объясняется потому, что глубина резания оказывает наименьшее влияние на процесс резания, а скорость резания, наоборот, оказывает наибольшее влияние. Поэтому, если мощность резания оказалась больше мощности станка, то уменьшение режима резания начинают с элемента, оказывающего наибольшее значение, т.е. со скорости резания.
Сверление является одним из самых распространенных методов образования отверстий в сплошном материале с помощью сверл на сверлильных и токарных станках. В первом случае главное движение и движение подачи сообщается сверлу, во втором - главным движением является вращение заготовки, а движением подачи - перемещение сверла вдоль оси. Чтобы получить более точные отверстия, после сверления их необходимо зенкеровать, растачивать или развертывать. Все эти операции можно выполнять как на сверлильных, так и на токарных станках. Основные схемы обработки отверстий приведены на рис. 16.4, где а - сверление, б - рассверливание, в - зенкерование, г-д - растачивание, е - развертывание, ж - зенкование, з-и - цекование, к - нарезание резьбы.
Геометрию сверла, а также основные элементы режима резания при свер-лении можно опре-делить по аналогии с точением. Фре-зерование- процесс обработки резани-ем, при котором режущий инстру-мент - фреза - совершает главное вращательное движение, а обрабатываемая заготовка - поступательное или вращательное движение подачи. Фрезерование является одним из наиболее производительных и распространенных методов обработки резанием.
Шлифование - процесс обработки поверхностей абразивными инструментами, чаще всего шлифовальными кругами. Абразивный инструмент состоит из зерен абразивного материала, связанных между собой специальной связкой. Применяется шлифование в большинстве случаев для окончательной чистовой обработки и является основным методом получения высокой точности и низкой шероховатости поверхностей. Шлифовать можно как очень мягкие, так и чрезвычайно твердые материалы различной формы. Основными характеристиками абразивного инструмента являются его зернистость, твердость, связка и структура.
Зернистость определяется размером зерен, определяемых размерами двух смежных применяемых для анализа контрольных сит. Номер зернистости обозначает размер в сотых долях миллиметра ячейки сита, на котором основная фракция задерживается.
Связка обеспечивает соединение абразивных зерен в одно целое. На практике наибольшее применение получили керамическая (неорганическая), а также бакелитовая и вулканитовая (органические) связки.
Твердостью абразивного круга называют сопротивление связки вырыванию абразивных зерен внешней силой. Они делятся на мягкие (М), средние (С) ... чрезвычайно твердые (ЧТ). В круге повышенной твердости затупившиеся зерна продолжают удерживаться, что нарушает нормальную его работу, приводит к его засаливанию и появлению прижогов на шлифуемой поверхности. В круге пониженной твердости зерна, не потерявшие своей остроты, преждевременно вырываются, что приводит к чрезмерному износу и потере формы круга. При обработке твердых материалов абразивные зерна изнашиваются более интенсивно и во избежание засаливания круга его надо выбирать более мягким. При обработке мягких материалов - наоборот. Следовательно, чем мягче обрабатываемый материал, тем тверже выбирается круг, и наоборот, т.е. должно осуществляться самозатачивание круга.
Структурой абразивного инструмента называют объемное соотношение зерен, связки и пор.
Маркировка шлифовального круга включает основные их характеристики. Например, маркировка Э40СМ2К5; ПП250х16х35; 35 м/c означает, что круг изготовлен из электрокорунда, имеет зернистость N 40, твердость СМ2, керамическую связку (К), структуру N 5, плоскую форму прямого профиля размером 250х16х35 мм и допускаемую скорость вращения 35 м/с.
Контрольные вопросы
Какие основные элементы имеет токарный резец? Как они определяются?
Какие основные геометрические параметры имеет токарный резец? Как они определяются?
Какие основные марки инструментальных материалов применяются для резцов? Как они расшифровываются?
В чем сущность основных видов изнашивания резцов? Какой из них преобладает при обработке твердым сплавом при высоких скоростях резания и почему?
Какие применяются критерии затупления резцов? Для чего вводится понятие стойкости резца и в чем его смысл?
Что понимают под технологическими и физическими элементами режима резания при точении?
Как определяется сила и мощность резания?
Каков порядок выбора оптимального режима резания и почему?
Какова сущность таких методов обработки резанием, как сверление, фрезерование и шлифование?
Каковы принципы выбора шлифовального круга в зависимости от свойств обрабатываемого материала? Как он (круг) маркируется?
ЛЕКЦИЯ 19. Обработка на металлорежущих станках. Электрофизические и электрохимические методы обработки.
План лекции: Классификация и обозначение металлорежущих станков, основные узлы токарно-винторезного станка и их назначение, резцы и принадлежности к токарному станку, работы выполняемые на токарных станках, электрохимические и электрофизические методы обработки.
Металлорежущие станки подразделяют на универсальные, специализированные и специальные. Нас интересуют в основном универсальные станки, предназначенные для выполнения разнообразных операций в единичном и мелкосерийном производствах.
Для обозначения металлорежущих станков принята единая система. Каждой модели станка присваивается номер, состоящий из трех или четырех цифр. Первая цифра указывает на группу станка (1- токарные, 2 - сверлильные, 3 - шлифовальные, 6 - фрезерные и т.п.), вторая - тип станка в этой группе (табл. VI.1 в [2]), третья или третья и четвертая цифры вместе характеризуют основной параметр станка (для токарных - высота центров, для сверлильных - наибольший диаметр просверливаемого отверстия в стали средней твердости). Иногда обозначение дополняется буквами, обозначающими дополнительную характеристику станка либо. Буква после первой цифры указывает на модернизацию основной базовой модели.
Станки токарной группы являются наиболее распространенными, поскольку подавляющее количество деталей имеет форму тел вращения и обработка их ведется на токарных станках. Парк токарных станков составляет больше половины всех металлорежущих станков вместе взятых.
Основными узлами токарно-винторезного станка, имеющегося в каждой судовой мастерской, являются (рис. 17.1):
станина 1 - для закреп-ления на ней неподвижных и перемещения подвиж-ных частей станка, передняя бабка (коробка скоростей) 6 - для пере-дачи заготовке вращатель-ного движения и установ-ки с помощью рукояток 4 и 5 необходимой частоты вращения, задняя бабка 11 - для поддержания правого конца заготовки и крепле-ния хвостового инстру-мента (сверл, зенкеров, разверток и т.п.), коробка подач 3 - для настройки станка на требуемую величину продольной или поперечной подачи или определенный шаг при нарезании резьбы, суппорт 8 - для закрепления в установленном на нем резцедержателе 9 инструментов и ручного или автоматического их перемещения относительно заготовки, фартук 14 - для преобразования вращательного движения ходового винта 12 и ходового вала 13 в продольное перемещение суппорта 8, а также вращательного движения ходового винта в поперечное перемещение поперечных салазок 2. Для обеспечения безопасности работающего, станок снабжен кожухом ограждения патрона 7 и защитным откидным экраном 10, защищающим от разлетающейся стружки, падающей в поддон 1.
Для обработки заготовок на токарных станках применяют различные резцы, которые классифицируются по различным признакам: по форме головки и ее положения относительно стержня резцы разделяются на правые и левые, прямые и отогнутые и с оттянутой головкой; по назначению - на проходные, подрезные, отрезные, расточные, фасонные и резьбовые.
На рис. 17.2 представлены резцы: левые 1 и 4; правые 2; прямые 1-8, 10, 11, 15; отогнутые 9, 12-14; отрезные 3; расточные 12 и 13; резьбовые 10 и 14; канавочные 5 и 6; фасонные 15; с многогранными неперетачиваемыми пластинками твердого сплава 16. Высокое качество обработанной поверхности детали может быть получено лишь в том случае, когда резцы имеют оптимальную геометрию, т.е. определенное числовое значение углов. Рекомендуемые значения главных углов резца, оснащенных пластинками твердого сплава и из быстрорежущей стали приведены в таблице.
Таблица
Материал обрабатываемой детали
Быстрорежущая сталь
Твердый сплав


Передний угол (
Задний
угол (
Передний угол (
Задний
угол (

Сталь с пределом
Прочности:
бв ( 600 Мпа
600 ( бв ( 1000 Мпа
бв ( 1000 Мпа
Жаропрочные стали и сплавы
Чугун
Медные сплавы


25
20
-10

20
5
12



6-12
8-12
8-12

8
8-12
8-12



12-25
10
-10

10
5
12



8-12
8-12
10

10
8-10
8-12


Примечание: Меньшие значения углов соответствуют черновой обработке, большие чистовой.

Для закрепления заготовок на токарных станках и сообщения им вращательного движения служат соответствующие принадлежности к токарному станку: патроны (трехкулачковые самоцентрирующиеся и четырехкулачковые с индивидуальным приводом), планшайба, центры (неподвижные и вращающиеся), люнеты (подвижные и неподвижные) и др.
На токарно-винторезных станках можно выполнять следующие основные работы: обработку цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, плоскостей, отверстий, прорезание канавок, отрезку, нарезание резьбы и др. Практическое освоение этих работ, а также изучение соответствующего оборудования, приспособлений (принадлежностей) и инструмента, в том числе и для сверления, фрезерования и шлифования, предусмотрено в период технологической практики.
Для обработки жаропрочных, нержавеющих и других труднообрабатываемых сталей, а также твердых сплавов и деталей сложной формы, которые механическими методами обработать чрезвычайно сложно, а иногда и невозможно, с успехом используются электрохимические и электрофизические методы размерной обработки. В зависимости от используемых физико-химических процессов эти методы обработки можно подразделить на следующие группы.
1. Электроэрозионные, основанные на использовании тепла электрических разрядов, возбуждаемых между инструментом и заготовкой. К разновидностям этого метода относятся: электроискровая, электроимпульсная, электроконтактная и анодно-механическая обработки.
2. Электрохимические, основанные на преобразовании электрической энергии в энергию химических связей. При этом металл заготовки превращается в легко удаляемые из зоны обработки химические соединения (анодное растворение).
3. Ультразвуковая обработка, основанная на импульсном ударном механическом воздействии на материал с частотой свыше 16 кГц.
4. Лучевые, основанные на съеме материала заготовки при воздействии на нее концентрированных лучей с высокой плотностью энергии, которая в зоне обработки преобразуется в тепло. К ним относятся обработки сфокусированными световыми, электронными или ионными лучами.
Более подробно об электрофизических и электрохимических методах обработки см. в [2, с. 318-327].
Контрольные вопросы
Как обозначаются металлорежущие станки?
Каково назначение основных узлов токарно-винторезного станка?
Какие резцы применяются для обработки на токарных станках?
Каково назначение основных принадлежностей к токарному станку?
Какие работы можно выполнять на токарно-винторезном станке?
В чем сущность и каково назначение электрохимических и электрофизических методов обработки?
Лекция 20. Качество поверхности деталей машин.

План лекции:

Опыт производства и эксплуатации машин показал, что в значительной степени долговечность и эксплуатационная надёжность зависят от состояния и физико-механических свойств тончайших поверхностных слоев деталей, где зарождаются и развиваются процессы износа и повреждаемости усталостного и коррозионного разрушения.
В связи с этим чрезвычайно важное значение приобретает окончательная обработка деталей, в результате которой формируется поверхностный слой деталей машин.
Важнейшим технологическим условием обработки резанием является получение высокого качества обработанной поверхности, которое определяется совокупностью следующих характеристик: шероховатостью поверхности, физико-механическим состоянием, микроструктурой металла поверхностного слоя и остаточными напряжениями.
Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности в пределах заданной, базовой длины. Основные термины и определения шероховатости поверхности рассмотрены при выполнении соответствующей лабораторной работы.
Физико-механическое состояние поверхности характеризуется механичес-кими, физическими и химическими свойствами тонких поверхностных слоев, отличающихся от свойств основного материала изделия.
Микроструктура поверхностных слоев после обработки, как правило, отличается от структуры основного материала изделия.
Остаточные напряжения металла поверхностного слоя также возникают при окончательной обработке.
Различают внутренние напряжения трех родов.
Внутренние напряжения первого рода - это зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между различными частями детали. Чем больше возникающий, например, при термической обработке градиент температур по сечению и между различными частями детали, который зависит от скорости охлаждения, неравномерности охлаждения, размера детали и ряда других причин, тем большего значения достигают внутренние напряжения первого рода
Внутренние напряжения второго рода возникают внутри зерна или между соседними зернами.
Внутренние напряжения второго рода возникают между различными фазами вследствие различных у них коэффициентов линейного расширения или вследствие образования новых фаз (фазовых превращений).
Внутренние напряжения второго рода не зависят от тех факторов, от первого которых зависят внутренние напряжения первого рода, - скорости охлаждения и др.
Внутренние напряжения третьего рода возникают внутри объема порядка нескольких элементарных ячеек кристаллической решетки.
Случай, когда инородный атом в твердом растворе упруго искажает вокруг себя кристаллическую решетку, представляет собой пример возникновения напряжений третьего рода.
Какого бы рода ни были напряжения, в конечном итоге они вызывают одинаковый эффект - упруго деформируют и искажают кристаллическую решетку. Поэтому основным методом изучения и измерения внутренних напряжений является рентгенографический. Для определения напряжений первого рода применяется и механический метод (удаление поверхностных слоев металла и измерение деформаций, вызванных перераспределением напряжений).
Внутренние напряжения первого рода зависят не только от внешних факторов (скорость охлаждения, размер и форма детали и т.д.), но и от внутренних свойств металла. Если металл обладает малой пластичностью, то возникающие внутренние напряжения не разряжаются пластической деформацией и если напряжения по величине превзойдут значение предела прочности, то возникнут трещины.
В процессе нагрева и охлаждения внутренние напряжения меняются, например, при нагреве поверхностные слои металла испытывают напряжения сжатия, так как они стремятся расшириться, а этому препятствуют серповидные более холодные слои металла. Наоборот, при охлаждении поверхностные сдои, имеющие более низкую температуру, чем сердцевина, испытывают напряжения растяжения, а сердцевинные -напряжения сжатия.
Напряжения, которые возникли и сохранились в детали в результате охлаждения, называются остаточными напряжениями.
Закаленная сталь всегда находится в структурно напряженном состоянии.
Остаточные напряжения первого рода подразделяются на напряжения сжатия и растяжения. Сущность их при механической обработке заключается в следующем.
При резании поверхностные слои подвергаются с одной стороны, пластической деформации, а с другой - интенсивному нагреву.
При растяжении наружных слоев (например, точении), внутренние слои тоже будут растягиваться, но упруго. После снятия нагрузки (резец ушел вперед) напряжения в упругой растянутой зоне будут стремиться сняться, но их снятию оказывают сопротивление пластически растянутые поверхностные слои. В результате, внутренние слои окажутся частично растянутыми, но вызовут остаточные упругие напряжения сжатия в поверхностных пластически деформированных слоях. Следовательно, под влиянием механического воздействия в наружном слое возникнут остаточные напряжения сжатия.
Под воздействием нагрева поверхностные слои стремятся удлиниться, чему препятствуют внутренние слои. Поэтому при нагревании в поверхностных слоях возникнут напряжения сжатия. Если нагрев поверхности будет достаточно интенсивен, то могут возникнуть сжимающие напряжения, превосходящие ( текучести, т.е. поверхностные слои окажутся пластически сжатыми. При охлаждении поверхностные слои стремятся укротиться не до первоначальной величины, а на величину их пластического сжатия. Этому препятствуют нижележащие слои, в связи с чем во внутренних слоях возникают упругие деформации сжатия, а на поверхности - уравновешивающие их напряжения растяжения. Таким образом, под влиянием нагрева на обработанной поверхности возникают внутренние напряжения растяжения.
Реально в процессе резания обработанная поверхность подвергается одновременно и механическому и тепловому воздействиям. В зависимости от интенсивности нагрева поверхностные напряжения усиливаются или сжимаются. Как правило, в поверхностном слое напряжения растяжения - температурные.
Шероховатость поверхности детали, обработанной резанием, зависит от большого количества причин, связанных с условиями их изготовления. В частности высота и форма неровностей, а также характер расположения и направление обработочных рисок зависят от принятого метода и режима обработки, условий охлаждения и смазки инструмента, химического состава и микроструктуры обрабатываемого материала, конструкции, геометрии и стойкости режущего инструмента, типа и состояния используемого оборудования, вспомогательного инструмента и приспособлений и др.
Все многообразие причин, определяющих шероховатость обработанной поверхности, можно объединить в три основные группы причин, связанных с : геометрией процесса резания, пластической и упругой деформацией обрабатываемого материала, возникновением вибраций режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
В различных условиях обработки преобладающее влияние на формирование шероховатости поверхности одна из трех указанных групп причин. Однако в отдельных случаях возможно одновременное почти в одинаковой степени влияние на процесс образования шероховатости всех указанных выше причин. Шероховатость обработанной поверхности в подобных случаях не имеет четко выраженной закономерности.
Возникновение неровностей при точении.
1.Геометрические причины образования шероховатости.
При обработке детали резцом за один оборот изделия резец перемещается на величину подачи Si мм/об и переходит из положения 1 в положение 2. При этом на обработанной поверхности остается некоторая часть металла, не снятая резцом и образующая остаточный гребешок m. Очевидно, что величина и форма неровностей поверхности, состоящая из остаточных гребешков, определяется величиной подачи Si и формой режущего инструмента.
Уменьшение S, ( и (1 приводит к уменьшению высоты неровностей и изменению их формы.
Применение резцов с закругленной вершиной достаточно большого радиуса ri приводит к изменению формы неровностей, которая становится закругленной, При этом увеличение радиуса закругления вершины резца приводит к уменьшению высоты шероховатости Rz .
Исходя из приведенных соображений геометрического характера, проф. В.Л. Чебышев предложил определять высоту неровностей при резцовой обработке по следующей формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
При изготовлении режущего инструмента и, особенно, при его затуплении на режущем лезвии инструмента образуются неровности и зазубрины, определенным образом увеличивающие шероховатость обрабатываемой поверхности, что особенно сильно проявляется при тонком точении с малыми подачами, когда величина неровностей лезвия соизмерима с величиной Rz , найденной по формуле (7).
Для устранения влияния зазубрин и притупления режущего лезвия рекомендуется тщательная (желательно алмазная ) доводка инструментов и своевременная их переточка.
2.Пластические и упругие деформации металла в поверхностном слое.
При обработке резанием пластичных материалов поверхностный слой детали сильно деформируется, теряя свою равноосную структуру и приобретает специфическое строение (т.н. "текстура"), обладающее иными физическими свойствами. При этом значительно изменяются геометрическая форма и величина неровностей обработанной поверхности (обычно шероховатость при этом увеличивается). При обработке хрупких металлов наблюдается вырывание отдельных частиц металла, что также ведет к увеличению размеров и изменению формы неровностей.
Скорость резания является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на развитие пластических деформаций при точении.
Шероховатость обработанной поверхности в этом случае связана в основном с процессами образования стружки и, в первую очередь, с явлениями нароста. В зоне малых скоростей (для стали 30, 40, 50), при которых нарост не образуется (V =1 м/мин), размеры неровностей обработанной поверхности незначительны. С увеличением скорости размеры неровностей возрастают, достигая при 20-40 м/мин своего наивысшего значения, многократно превосходящего расчетную величину.


Дальнейшее повышение скорости резания уменьшает величину нароста и понижает высоту шероховатости обработанной поверхности.
Подача является вторым элементом режима резания, имеющим решающее значение для образования шероховатости. Влияние подачи на величину шероховатости связано не только с геометрическими причинами, но в значительной степени обусловлено упругими и пластическими деформациями в поверхностном слое.
Резание металлов осуществляется инструментом, лезвие которого всегда имеет некоторый радиус закругления ( При внедрении резца в обрабатываемый материал происходит отделение стружки по плоскости скалывания А-А. При этом часть металла, лежащего ниже точки В, не срезается, а подминается округленной частью резца, подвергаясь упругой и пластической деформациям.
После прохождения резца несрезанный слой металла частично упруго восстанавливается, вызывая трение по задней поверхности резца. Разница степени упругого восстановления металла выступов и впадин неровностей обычно увеличивает высоту шероховатости.


Наименьшая толщина срезаемого слоя tmin при которой процесс резания не происходит, зависит от радиуса округления режущего лезвия, свойств обрабатываемого материала, скорости резания (при уменьшении радиуса округления ( увеличении скорости резания tmin уменьшается).
Экспериментальная зависимость высоты неровностей от подачи представлена на рисунке.

Анализ кривой показывает, что вопреки формуле (7) снижение подачи менее 0,12 мм/об не приводит к существенному снижению высоты неровностей. Таким образом, даже при минимальной подаче нельзя устранить шероховатость обработанной поверхности, которая при этом в значительной мере определяется наименьшей толщиной срезаемого слоя и пластическими деформациями обрабатываемого материала. Следовательно, при чистовом и тонком точении углеродистых сталей с подачами от 0,02 до 0,10 мм/об превалирующее влияние на высоту неровностей оказывают не геометрические причины, а упругие и пластические деформации .
Глубина резания влияет на величину шероховатости незначительно. Как установлено наблюдениями многочисленных исследователей при обычном точении, это влияние совершенно ничтожно и практически может не приниматься во внимание, При уменьшении глубины резания до 0,02 - 0,03 мм, вследствие наличия на режущей кромке резца округления, нормальное резание прекращается, и резец отжимаясь от изделия начинает скользить по обрабатываемой поверхности, периодически врезаясь в нее и вырывая отдельные участки. Поэтому глубину резание при работе обычными резцами не следует брать слишком малой.
При работе с глубиной резания меньшей, чем величина подачи, глубина оказывает геометрическое влияние на высоту шероховатости. В этом случае уменьшение глубины резания снижает высоту шероховатости.
3.Обрабатываемый материал и его структура оказывают существенное влияние на характер и высоту неровностей обработанной поверхности. Более вязкие и пластичные материалы (например, малоуглеродистая сталь), склонные к пластическим деформациям, дают при их обработке резанием грубые и шероховатые поверхности.
Величина шероховатости обработанной поверхности уменьшается при переходе от структуры феррито-перлита к трооститу и троостито-мартенситу. Феррит, являющийся мягкой, вязкой и легко деформирующейся составляющей структуры стали, при обработке резанием имеет склонность к образованию неровностей поверхности. С точки зрения получения поверхности с минимальной шероховатостью оказываются чрезвычайно неблагоприятными структуры с неоднородной величиной зерен, в частности структура так называемого «глобулярного перлита» состоящая из круглых зерен цементита, рассеянных по основной массе феррита.
Значительно меньшая шероховатость образуется при обработке стали после нормализации и отпуска, имеющей однородную и мелкозернистую структуру. Таким образом, для получения при механической обработке возможно меньшей шероховатости рекомендуется предварительная нормализация углеродистой стали при температуре 850-870°С или (в случае необходимости облегчить условия резания и повысить стойкость режущего инструмента) отжиг при 900°С в течение 5 ч.
Исследованиями А.И. Исаева установлено, что с увеличением твердости обрабатываемого материала высота шероховатости снижается. При этом одновременно уменьшается влияние изменения скорости резания на высоту шероховатости и при твердости НВ 500 влияние скорости почти отсутствует.
На основании этих исследований рекомендуется предварительная термообработка конструкционных сталей, повышающая их твердость.
Указанными исследованиями также установлено, что влияние скорости резания и твердости на высоту шероховатости углеродистых сталей заметно проявляется лишь в зоне сравнительно низких скоростей резания. При превышении скорости резания 140 м/мин влияние твердости на высоту шероховатости заметно ослабевает. Это объясняется тем, что уже при скорости резания 140 м/мин и выше температура обрабатываемого материала достигает 780-840°С. При такой температуре механические свойства сталей различной начальной твердости в большой степени выравниваются, в результате чего высота шероховатости стабилизируется и практически не зависит от изменения скорости резания.
Снижение вязкости обрабатываемого материала за счет наклепа поверхностного слоя также способствует уменьшению шероховатости обработанной поверхности. На практике это явление часто наблюдается при развертывании отверстий после зенкерования, создающего заметный наклеп обработанной поверхности. Если припуск, оставленный на развертывание, оказывается меньше глубины наклепанного зенкерованием более хрупкого поверхностного слоя, то в результате развертывания получается поверхность с минимальными неровностями.
Изменение химического состава обрабатываемого материала, отражающееся на его вязкости, в свою очередь влияет на размеры шероховатости обработанной поверхности деталей как из цветных сплавов, так и из сталей.
Применение смазывающе-охлаждающих жидкостей, предотвращающих схватывание, уменьшающих трение и облегчающих процесс стружкообразования, способствует снижению высоты неровностей поверхности.
4.Вибрации системы СПИД. Как известно, в процессе резания возникают вынужденные колебания системы станок - деталь - инструмент, вызываемые действием внешних сил, и автоколебания системы, появление которых связано с периодическим упрочнением (наклепом) срезаемого слоя металла, изменением условий трения при резании и т.д.
Вибрации лезвия режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности являются дополнительным источником увеличения шероховатости обработанной поверхности. Очевидно, что высота шероховатости поверхности будет тем больше, чем больше удвоенное значение амплитуды колебания лезвия инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
Большое влияние на шероховатость обработанной поверхности оказывает состояние станка. Новые, хорошо отрегулированные станки, установленные на массивных фундаментах, хорошо изолированных от вибраций другого оборудования, обеспечивают достижение высоких классов чистоты, очень важным является создание достаточно высокой жесткости приспособлений для крепления деталей и вспомогательных инструментов для крепления режущего инструмента.
Геометрия режущего инструмента в свою очередь оказывает влияние на вибрации системы СПИД. Уменьшение углов в плане ( и (1 , а также увеличение радиуса закругления вершины резца r, вызывающее увеличение нормальной составляющей усилия резания Рy , приводят к возрастанию амплитуды колебаний и к соответствующему росту шероховатости поверхности.
Возникновение неровностей при фрезеровании.
Геометрические причины образования шероховатости При фрезеровании цилиндрическими фрезами геометрические причины в отличие от точения оказывают влияние на образование продольной шероховатости, измеренной в направлении продольной подачи стола, которая в связи с этим в большинстве случаев оказывается больше поперечной и принимается для общей оценки поверхности.
Высота и форма неровностей при торцевом фрезеровании так же, как и при точении, геометрически определяются величиной подачи, радиусом закругления режущего лезвия зуба и значениями углов в плане ( и (1. Выступание отдельных зубьев и торцевое биение фрез в несколько раз увеличивает высоту неровностей фрезерованной поверхности по сравнению с ее расчетной величиной,
Пластические деформации металла поверхностного слоя. При встречном фрезеровании- стали цилиндрическими фрезами металл, удаляемый с поверхности, претерпевает пластическую деформацию, увеличивающуюся по мере углубления зуба в металл, от минимального значения в момент врезания до наибольшего значения в момент выхода зуба из kof такта в изделием,
В момент врезания зуба при обработке стали обычно возникает сливная стружка при незначительной степени пластической деформации металла стружки и обработанной поверхности. Дальнейшее перемещение зуба приводит к непрерывному увеличению степени пластической деформации металла, уходящего в стружку, и металла поверхности резания. В металле происходят значительные сдвиги, стружка из сливной превращается в элементную.
С увеличением скорости резания период образования сливной стружки удлиняется, степень пластической деформации обрабатываемого металла и шероховатость обработанной поверхности уменьшается.
Влияние скорости резания на высоту шероховатости при торцевом фрезеровании совершенно аналогично влиянию скорости- при точении и также связано с возникновением при малых скоростях нароста, увеличивающего шероховатость обработанной поверхности.
Вибрации системы СПИД. Возникновение вибраций в системе СПИД, связанное с неуравновешенностью ее отдельных узлов иди с неправильной заточкой режущего инструмента, вызывает значительное увеличение шероховатости обработанной поверхности.
Возникновение неровностей при круглом наружном шлифовании.
Геометрические причины образования шероховатости. При круглом наружном шлифовании к геометрическим факторам образования шероховатости поверхности следует отнести: размер абразивных зерен, их форму и расстояние между ними, режим правки круга, скорость вращения круга, скорость вращения изделия, величину продольной (осевой) подачи изделия и количество ходов "выхаживания" круга без его поперечной подачи.
Пластические деформации металла поверхностного слоя. Особенностями процесса шлифования является возникновение огромных давлений резания и высокий локальный нагрев металла в зоне резания в тонком поверхностном слое обрабатываемой заготовки. Естественно, что при таких условиях резания наблюдается значительное пластическое деформирование металла поверхностного слоя.
Разогретые, сильно нагруженные поверхностные слои вытягиваются в направлении резания, образуя надрывы и местные выпучивания металла. В результате пластического деформирования поверхностного слоя внешний вид шлифованной поверхности меняется; обработочные риски теряют свою геометрически- правильную форму и направление, приобретают искривления, утолщения и надрывы, иногда значительной величины, а их поперечный профиль сильно искажается по сравнению с профилем соответствующего абразивного зерна.
Пластическая деформация поверхностного слоя при шлифовании вызывается двумя причинами.
Первая причина заключается в увеличении усилий шлифования в связи с ростом толщины снимаемой стружки» имеющим место при увеличении глубины шлифования, продольной подачи на один оборот изделия, скорости вращения изделия и т.д. Пластическая деформация поверхностного слоя в этом случае выражается в вытягивании кристаллических зерен, обрывах вытягиваемых волокон и создании на поверхности поперечных (по отношению к направлению резания) уступов и трещин.
При увеличении глубины шлифования с охлаждением, росте продольной (осевой) подачи, скорости вращения изделия и соответствующем возрастании нагрузки на отдельные абразивные зерна заметно увеличивается степень пластической деформации поверхностного слоя и растет высота шероховатости (рис. ).
Степень пластической деформации указанного вида зависит от пластичности обрабатываемого металла, его состава и структуры, степени остроты абразивных зерен круга и условий охлаждения.
Высота шероховатости шлифованной поверхности в результате пластической деформации первого вида всегда значительно больше высоты шероховатости поверхности, обуславливаемой геометрическими причинами.
Вторая_причина пластической деформации заключается в увеличении количества тепла, выделявшегося в зоне резания, в связи с трением между абразивными зернами неправильной геометрической формы и обрабатываемым металлом и в связи с внутренним трением пластически деформируемого металла.
В зоне прохождения абразивного зерна при шлифовании стали в микрообъемах металла поверхностного слоя возникают очень высокие температуры (1000-1400°C), способствующие развитию пластической деформации, структурных изменений и появлению остаточных напряжений.
Вибрации системы СПИД. При обработке на шлифовальных станках при определенных условиях могут возникнуть вибрации, увеличивающие шероховатость поверхности иди вызывающие появление волнистости. Условиями, вызывающими вибрации при шлифовании, могут быть: биение шпинделя станка, неудовлетворительная балансировка шлифовального круга или плохая его правка после затупления и засаливания и др.
При наличии вибраций в системе СПИД величина волнистости и продольной и поперечной шероховатости возрастает с увеличением усилий резания, а следовательно, и с повышением глубины шлифования и скорости вращения изделия.
Образование шероховатости поверхности при доводке.
Современные доводочные процессы строятся на двух различных принципах использования абразивных зерен: доводка связанным абразивом в брусках (суперфиниширование, хонингование и их некоторые разновидности) и доводка свободным абразивом (доводка абразивными и алмазными порошками и пастами, нанесенными на поверхность инструмента притира, или на поверхность обрабатываемой детали).
В обоих случаях сущность процесса доводки является одинаковой и сводится к осуществлению двух разновидностей деформирования металла: резания- царапанья со снятием тончайших стружек и пластического деформирования- полирования металла.
В процессе резания- царапанья осуществляется снятие припуска металла, необходимое для устранения погрешностей формы и размеров обрабатываемой детали и дефектных слоев, созданных предыдущими операциями. Процесс резания- царапанья определяет собой производительность и точность доводочных операций.
В процессе пластического деформирования происходит сглаживания неровностей поверхности и заполирование их впадин. Этот процесс завершает формирование шероховатости доведенной поверхности.
В зависимости от условий и режимов доводки она может сводиться к одному из указанных процессов.
В ряде случаев процесс доводки осуществляется в две стадии для использования преимуществ обоих процессов: сначала доводка осуществляется резанием- царапаньем, с помощью которого удаляется необходимый припуск, затем процесс переводится в режим полирования, при котором производится пластическое деформирование и заглаживание неровностей, обеспечивающее минимальную шероховатость поверхности.
Процесс образования неровностей при доводке определяется геометрическими факторами, проявляющими свое действие при резании- царапаньи и пластическими деформациями металла поверхностного слоя.
Геометрические причины возникновения неровностей. При резании- царапании абразивные зерна прорезают в металле канавки, сечения в которых копируют форму и размеры абразивных зерен, процарапавших эти канавки, т.е. высота неровности при доводке геометрически непосредственно связана с зернистостью абразива.
При доводке в режиме резания- царапания, когда геометрические факторы имеют преобладающее влияние, удается уменьшить шероховатость поверхности только до 10-11-го класса.
Дальнейшее снижение шероховатости можно получить при переводе доводки в режим полирования.
Влияние пластических деформаций металла. Пластические деформации металла поверхностного слоя оказывают влияние на форму и размеры неровностей поверхности не только при доводке в режиме полирования, но также влияют и при доводке в режиме резания- царапанья со снятием определенного припуска.
При внедрении в металл абразивного зерна, имеющего неблагоприятную для образования стружки геометрическую форму (отрицательные передние углы, значительные радиусы округления вершин), происходит значительное деформирование металла. В этом случае только часть металла срезается зерном и удаляется с поверхности. Другая часть металла пластически выдавливается из царапины наверх, образуя "навалы" на ее краях, увеличивая высоту неровностей. Таким образом, при доводке в режиме резания- царапанья пластические деформации искажают форму и увеличивают размеры неровностей, возникающих под влиянием геометрических причин.
При доводке в режиме полирования пластические деформации металла являются фактором формирования неровностей. В результате давления закругленных вершин абразивных зерен на металл поверхностного слоя происходит пластическое деформирование неровностей поверхности, их сглаживание и перетекание металла выступов во впадины. Это изменяет форму и направление неровностей и позволяет уменьшить их величину до предельных значений.
При благоприятных условиях и правильно выбранных режимах (состав и размеры абразива, удельное давление, кинематика процесса и скорости относительных движений, состав СОЖ) доводка в режиме полирования может обеспечить уменьшение высоты неровностей до сотых долей микрона, т.е. в пределах 14б класса чистоты.
Формирование опорной поверхности.
В связи с тем, что при контакте деталей машин их соприкосновение происходит по реальным, шероховатым поверхностям, возникает задача определения фактической поверхности контакта.
Фактическая поверхность контакта определяется с помощью кривой опорной поверхности Аббота-Файерстона. построение которой по профилограмме поверхности показано на рис. ) Абсциссы точек кривой опорной поверхности Аббота-Файерстона представляют собой суммы отрезков l1, l2, , ln, лежащих внутри контура профиля неровностей на определенном расстоянии от основания неровностей hi .
Величина контакта данной поверхности в идеальной плоскостью, в сечении по которому была снята профиле грамма, принимается за величину фактической опорной поверхности ( и определяется абсциссами кривой опорной поверхности, выраженными в процентах к общей длине рассматриваемого участка профиля или в долях этой длины, принимая ее равной единице, т.е.
13 EMBED Equation.3 1415
В общем случае площадь поверхности ( выражается отношением площади сечения шероховатости слоя плоскостью, проведенной параллельно базовой на данном уровне, ко всей площади, с которой снята профилограмма.
При повышении класса чистоты увеличивается размеры площади опорной поверхности (, однако при разных видах обработку по одинаковому классу чистоты размеры площади опорной поверхности могут значительно отличаться. Так, например, площадь опорной поверхности после строгания по 7-му классу чистоты почти в два раза больше, чем при цилиндрическом фрезеровании, и в полтора раза больше, чем при торцевом фрезеровании и плоском шлифовании.
Изложенное показывает, что для ответственных деталей машин, которые по условиям работы в изделии должны иметь большую площадь опорной поверхности (работа в условиях трения и износа, работа при больших контактных нагрузках и т.п.), необходимо не только предусматривать в чертежах высокие классы чистоты, но и указывать в них метод , обработки, обеспечивающей достижение наибольших размеров площади опорной поверхности или непосредственно указать в чертеже наименьшие размеры этой площади.
Однако при всех достоинствах кривой площади опорной поверхности она не может выразить собой всех особенностей микрорельефа поверхности и в отдельных случаях должна сопровождаться некоторыми дополнительными характеристиками шероховатости поверхности.
Дополнительные характеристики шероховатости поверхности.
При классификации шероховатости поверхностей деталей машин было бы крайне желательно использовать такие критерии и характеристики, которые бы наиболее полно отражали эксплуатационные качества деталей. Однако многообразие условий эксплуатации различных деталей машин делает подбор таких универсальных характеристик невозможным.
Так, например, при расчетах натягов прессовых соединений и при определении длительности сохранения заданной посадки и установленной точности при работе трущихся деталей важное значение имеет высота неровностей RZ, при определении износостойкости и контактной прочности существенное влияние оказывают величина площади опорной пoвeрхности и oтдeльныx неpoвнocтeй, усталостная прочность и коррозионная стойкость зависят от величины радиуса закругления впадин, величина сил трения связана с направлением штрихов обработки.. и т.п. Поэтому для ответственных деталей машин необходимо дополнять установленные по ГОСТ 2789-59 характеристики шероховатости поверхности (RZ и RА) некоторыми нестандартными характеристиками, страдающими специфику условий эксплуатации этих деталей.
Исследование микрорельефа стальных и чугунных поверхностей после различных методов механической обработки показало, что в большинстве случаев форма неровностей в продольном и поперечном сечениях представляет собой трапеции с различными размерами- оснований и радиусов закругления вершины, а в горизонтальном сечении фигуры, близкие к эллипсам. При этом форма неровностей может быть охарактеризована величиной радиусов закругления их вершин rnon и rпр, величиной отношения приведенного радиуса закругления r=( rnon rпр к высоте неровностей (RZ) и величиной углов профиля ( , образуемых сторонами профиля с общим направлением поверхности. Величина шага неровностей определяется размерами осей эллипсов оснований неровностей. Важное значение для характеристики шероховатости поверхности имеет распределение выступов отдельных неровностей по высоте, которое может быть выражено величиной отношения числа выступов на определенном уровне профиля nФ к общему числу неровностей n на данном участке поверхности ( nФ/п ).
К важным характеристикам шероховатости поверхности относится направление штрихов обработки, которое оказывает большое влияние на ряд важных эксплуатационных свойств деталей машин. Направление штрихов определяется кинематикой процесса обработки и зависит от вида и режимов обработки деталей. Регулированием сочетаний скоростей вращения детали, подачи инструмента и скорости осциллирующих движений можно создавать на поверхности детали такое расположение штрихов обработки, при которых ее эксплуатационные качества (например, по износоустойчивости, смачиваемости маслом, коэффициенту трения) оказываются наивысшими.
Сущность упрочнения металла.
При обработке деталей резанием под действием прилагаемых уси-лий в металле поверхностного слоя происходит пластическая деформация, изменяющая его механические и физические свойства:
1. В области плоскостей скольжения происходит искажение кристаллической решетки, в частности поворот ее вблизи плоскостей скольжения, смещения атомов с положений устойчивого равновесия и упругие искривления плоскостей скольжения.
Искажение кристаллической решетки вызывает появление дополнительных напряжений, остающихся после прекращения деформации (остаточные напряжения Ш рода).
2. При деформации поликристалла, состоящего из большого числа различных по размерам зерен, имеющих разнообразную ориентировку кристаллографических плоскостей, отдельные его зерна действуют друг на друга, вызывая появление внутренних напряжений. Характер возникающих при этом внутренних напряжений различных зерен неодинаков. Одни зерна могут испытывать напряжения растяжения или сжатия, в то время, как другие зерна - напряжения изгиба. Это объясняется тем, что при деформировании поликристалла часть его зерен ориентирована благоприятно по отношению к направлению деформирующей силы (направление плоскостей скольжения у таких зерен составляет 45° к направлению деформирующей силы), в то время, как другая часть зерен ориентирована неблагоприятно (при угле 0° и 90°). При некотором значении внешней силы напряжение в благоприятно расположенных зернах поликристалла превосходит величину критического напряжения и в них начинается скольжение. В это время напряжение, развившееся в соседних неблагоприятно расположенных зернах, величины критического напряжения еще не достигает, и деформация этих зерен не происходит. В результате воздействия внешней силы на поликристалл в благоприятно расположенных зернах начинается пластическая деформация, которой препятствуют соседние, неблагоприятно ориентированные и поэтому не деформирующиеся зерна.
В конечном счете неблагоприятно ориентированные, а поэтому слабо деформированные зерна поликристалла приобретают внутренние напряжения растяжение, а благоприятно расположенные зерна, претерпевшие значительную деформацию, приобретают напряжения сжатия, как результат воздействия соседних, мало деформированных зерен, препятствующих развитию в них деформации растяжения» После снятия внешних напряжений, внутренние напряжения между отдельными зернами поликристалла остаются в нем, как остаточные напряжения второго рода (межкристаллитные напряжения).
Неоднородность напряженного состояния отдельных зерен поликристалла в значительной степени усиливается при увеличении разницы в размерах его зерен.
3. Скольжение в кристаллах уменьшает структурные неоднородности снижающие их прочность. Устранение неоднородностей частично восстанавливает обычно пониженную практическую прочность кристаллов, повышая величину критического сдвигающего напряжения.
4. При скольжении одной части кристалла относительно другой на плоскостях скольжения возникают осколки зерен, создающие шероховатость поверхностей скольжения, которая тормозит дальнейшее перемещение.
5. Изменение формы кристаллических зерен в процессе деформации способствует их механическим зацеплением и затрудняет взаимное перемещение, наблюдающееся при пластической деформации поликристаллов.
Совокупность перечисленных явлений, сопровождающих процесс пластической деформации поликристаллов, вызывает общее упрочнение (наклеп) деформируемого металла.
В результате упрочнения при пластической деформации повышаются все характеристики сопротивления деформации (предел текучести, предел прочности, твердость и др.), понижается пластичность (уменьшается относительное удлинение при разрыве, и относительное сужение и т.д.), а также изменяются некоторые физические свойства металла.
Холодная пластическая деформация металла, вызывающая смещение атомов с положений их устойчивого равновесия, соответствующих наиболее плотному размещению атомов в кристаллической решетке, искажения кристаллической решетки и возникновение внутрикристаллитных и межкристаллитных нарушений; приводит к уменьшению плотности металла. Рис. показывает, что удельный вес пластически деформируемого металла снижается пропорционально увеличению степени пластической деформации.
По данным М.Г. Окнова, увеличение удельного объема металла в результате его пластического деформирования и наклепа может достигать 0,3-0,8% по сравнению с величиной удельного объема до деформации. При горячей обработке пластическая деформация, протекающая при отсутствие растягивающих напряжений, может способствовать устранению нарушений структуры, связи с чем возможно повышение плотности.
Возникновение внутрикристаллитных и кристаллитных нарушений, местные распределения внутренних напряжений, возникновение нарушений на границах между обломками зерен в области дефектов решетки, сопровождающие пластическую деформацию, приводит к рассеянию электронов и снижает электропроводность металла. Упрочнение металла снижает его теплопроводность и изменяет магнитные свойства, увеличивая в два-три раза коэрцитивную силу, значительно повышает способность металла к растворению и коррозии, ускоряет процесс распада твердого раствора.
Оно также оказывает значительное влияние на его структуру после последующей рекристаллизации. Упрочнение при критической степени деформации (для стали 3-4%) способствует интенсивному росту зерен и созданию после рекристаллизации крупнозернистой структуры. Увеличение степени предварительной деформации выше критической способствует получению после рекристаллизации мелкозернистой, однородной структуры.
Упрочнение является атермическим процессом. Степень и глубина наклепа зависят от степени пластической деформации металла поверхностного слоя, в свою очередь зависящей от величины и продолжительности воздействия внешних сил, вызывающих деформацию, и от пластических свойств деформируемого металла.
При этом большое влияние на способность металла к упрочнению оказывает его структура. Рис. показывает, что при одинаковой степени пластической деформации углеродистых и легированных сталей различной структуры наименьшее приращение твердости (10-15%) показали стали, имевшие структуру сорбита, с твердостью по Виккерсу HV 300-450
Наибольшее упрочнение при наклепе дают мягкие стали со структурой феррит-перлит (HV 100-200) и твердые стали (HV 700) со структурой мартенсита.
Наклеп металла поверхностного слоя деталей машин обычно характеризуется его микротвердостъю (или степенью повышения микротвердости металла поверхностного слоя по отношению к микротвердости недеформированного металла сердцевины) или рентгенографическими характеристиками (расширение, размытие и ослабление интенсивности интерференционных линий).
Разупрочнение металла
Одновременно с упрочнением (наклепом) в металле поверхностного слоя происходит разупрочнение (отдых, возврат), частично возвращающий металлу его первоначальные свойства.
Скорость отдыха в значительной мере определяются температурой нагрева металла и степенью упрочнения. Очевидно, что чем сильнее упрочнен металл, т.е. чем больше он удален от состояния равновесия, тем быстрее и полнее должен протекать его отдых.
При данных условиях отдыха (температура, степень упрочнения и пр») степень его определяется временем. Чем больше времени металл подвергается отдыху, тем полнее при прочих равных условиях происходит восстановление свойств металла, которые он имел до пластической деформации, т.е. тем полнее его отдых.
Важно отметить, что отдых металла происходит не только после окончания пластической деформации металла, но и в период самой деформации. В процессе пластической деформации металла в нем протекают два противоположных по своим результатам процесса " упрочнение и разупрочнение. Это можно объяснить тем, что пластическая деформация в металле происходит не одновременно во всей объеме, а начинается с наиболее благоприятно ориентированных зерен, упрочняющихся пропорционально степени их деформации. Только после упрочнения благоприятно ориентированных, а следовательно, и наиболее "слабых" зерен пластически деформируются и наиболее благоприятно ориентированные зерна, и пластическая деформация охватывает весь объем металла. В этот момент в деформированных и- упрочненных зернах начинается процесс разупрочнения. Опыты показывает, что при подборе соответствующего режима пластической деформации упрочнение металла может полностью сниматься отдыхом, протекающим в момент самой деформации.
Степень отдыха, выражающегося в снижении или снятии упрочнения повышается при соответствующем изменении следующих факторов:
1) возрастании- температуры отдыха;
2) увеличении продолжительности отдыха;
3) повышении степени упрочнения;
4) росте величины внешних напряжений, стимулирующихся протекание отдыха;
5) уменьшении скорости деформации и, следовательно, при увеличении продолжительности "отдыха под нагрузкой";
6) снижении температуры плавления металла.
Наклеп металла поверхностного слоя при механической обработке
При механической обработке в зоне резания одновременно действуют значительные усилия резания, создающие наклеп, и температура, вызывающая разупрочнение металла. Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением процессов упрочнения и разупрочнения, зависящих от преобладания действий в зоне резания силового или теплового факторов. В связи с этим при различных видах и режимах механической обработки, различной геометрии режущего инструмента степень и глубина распространения наклепа оказываются различными.
При этом всякое изменение режима резания, связанное с увеличением усилий резания и степени пластической деформации, ведет к повышению степени наклепа. Увеличение продолжительности воздействия усилий резания на металл поверхностного слоя приводит к увеличению глубины распространения наклепа.
Изменение режимов обработки, приводящее к увеличению количества тепла в зоне резания и увеличивающее продолжительность теплового воздействия инструмента на металл зоны резания, усиливает интенсивность отдыха, снимающего наклеп поверхностного слоя.
С этих общих позиций может быть оценено влияние режимов резания на наклеп поверхностного слоя, однако на практике картина значительно усложняется влиянием сил трения, изменением условий отвода тепла из зоны резания, структурными изменениями металла и некоторыми другими явлениями, трудно поддающимися предварительному учету и искажающими ожидаемые закономерности возникновения наклепа.
При обработке, точением наклеп поверхностного слоя увеличивается с увеличением подачи, глубины резания, радиуса округления режущего лезвия (рис. ) и при переходе от положительных передних углов резца к отрицательным (рис. )
Во всех указанных случаях увеличение наклепа связано с увеличением степени пластической деформации в связи с возрастанием усилий резания,
Влияние скорости резания чаще всего проявляется через изменение теплового воздействия и изменение продолжительности воздействия сил и нагрева на металл поверхностного слоя.
При увеличении скорости резания уменьшается продолжительность воздействия деформирующих сил на металл, что должно привести к уменьшению глубины наклепа.
Одновременно с этим при повышении- скорости резания увеличивается трение и выделение тепла в зоне резания, ускоряющего протекание отдыха. Поэтому для металлов, не претерпевающих при резании структурных изменений, при повышение скорости резания следует ожидать снижения наклепа, что и показано на рис.
Вибрации режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности, возникающие при недостаточной жесткости системы СПИД, создают дополнительное динамическое воздействие инструмента на металл поверхностного слоя, уменьшают продолжительность "отдыха под нагрузкой" и, в конечном счете, увеличивают наклеп металла.
При фрезеровании аналогично точению, увеличение подачи и глубины резания повышает степень наклепа. Значительно увеличивается наклеп при износе режущего инструмента. При встречном фрезеровании наклеп оказывается больше, чем при попутном.
Общие закономерности возникновения наклепа сохраняются и при абразивной обработке.
При шлифовании наклеп поверхностного слоя возрастает при увеличении нагрузки на абразивное зерно, вызванной увеличением глубины шлифования, скорости вращения изделия (или продольной подачи стола при плоском шлифовании), увеличением размера и радиуса округления абразивных зерен. При увеличении скорости вращения круга уменьшается нагрузка на абразивные зерна; одновременно увеличивается количество тепла, выделяющегося в зоне шлифования, снимающего наклеп и упрочнение поверхностного слоя уменьшается (рис. ).
С увеличением числа ходов выхаживания, в связи с продолжительным трением абразивных зерен и обрабатываемой поверхности, вызывающим пластическую деформацию металла поверхностного слоя, его наклеп возрастает (рис. ).
При возникновении вибраций шлифовального круга увеличивается фактическая глубина шлифования, возрастает нагрузка на отдельное :
абразивное зерно и общее усилие шлифования. Это приводит к увеличению степени пластической деформации металла во впадинах волн, и к соответствующему повышению степени его наклепа и шероховатости поверхности.
При доводке различными методами происходит наклеп металла поверхностного слоя, особенно значительный при доводке в режиме полирования (до 45%), при глубине распространения наклепа в пределах 15-20 мк.
Остаточные напряжения металла поверхностного слоя. Причины возникновения остаточных напряжений. Возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое при механической обработке деталей машин объясняется следующими основными причинами:
1. При воздействии режущего инструмента на поверхность обрабатываемого металла в его поверхностном слое протекает пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением и изменением некоторых физических свойств металла. Пластическая деформация металла вызывает уменьшение его плотности, удельного веса, а следовательно, и увеличение удельного объема, достигающего 0,30,8 от удельного объема до пластической деформации. Увеличение объема металла распространяется только на глубину проникновения пластической деформации и не затрагивает слоев металла, лежащих ниже.
Увеличению объема пластически деформированного металла поверхностного слоя препятствуют связанные с ним недеформированные нижележащие слои, в результате чего в наружном слое возникают сжимающие, а в нижележащих слоях - растягивающие остаточные напряжения.
2. Режущий инструмент, снимающий с обрабатываемой поверхности элементную стружку, вытягивает кристаллические зерна металла подрезцового слоя, которые при этом претерпевают упругую и пластическую деформации растяжения в направлении резания. Трение задней поверхности режущего инструмента об обрабатываемую поверхность в свою очередь способствует растяжению кристаллических зерен металла поверхностного слоя. После удаления режущего инструмента пластически растянутые верхние слои металла, связанные как единое целое с нижележащими слоями металла, приобретают остаточные напряжения сжатия, ориентированные по направлению резания. Соответственно этому, в нижележащих слоях развиваются уравновешивающие их остаточные напряжения растяжения. При этом в направлении, перпендикулярном к направлению скорости резания (т.е. направлении, подачи), тоже протекают упругая и пластическая деформации кристаллических зерен, вызывающие возникновение остаточных напряжений ("осевые напряжения"), величина и знак которых могут совпадать, а могут и не совпадать с величиной и знаком остаточных напряжений , ориентированных в направлении скорости резания.
3. При отделении от обрабатываемой поверхности сливной стружки (обработка пластических металлов при соответствующих условиях резания), после пластического вытягивания кристаллических зерен металла поверхностного слоя в направлении резания, происходит их дополнительное вытягивание под влиянием связанной с обрабатываемой поверхностью стружки по направлению схода сливной стружки, т.е. вверх. В этом случае может произойти полное переформирование кристаллических зерен поверхностного слоя (вытягивание в вертикальном и сжатие в горизонтальном направлениях), что приводит к появлению в направлениях скорости резания и подачи остаточных напряжений растяжения,
4. Выделяющееся в зоне резания тепло мгновенно нагревает тонкие поверхностные сдои металла до высоких температур, что вызывает увеличение его удельного объема. Однако в разогретом слое не возникает никаких внутренних напряжений с вязи с тем, что при таком нагреве металла его модуль упругости снижается до минимума, а пластичность возрастает. После прекращения действия режущего инструмента происходит быстрое охлаждение металла поверхностного слоя, сопровождающееся его сжатием, чему препятствуют нижележащие слои металла, оставшиеся холодными. В результате во внешних слоях металла развиваются остаточные напряжения растяжения, а в нижележащих слоях -уравновешивающие их напряжения сжатия.
5. При обработке металлов, склонных к фазовым превращениям, I нагрев зоны резания вызывает структурные превращения, связанные, как известно, с объемными изменениями металла. В этом случае в слоях металла со структурой, имеющей большей удельный объем, развиваются напряжения сжатия, а в слоях со структурой меньшего удельного объема - возникают остаточные напряжения растяжения. Так, например, если сталь с мартенситной структурой шлифуется засаленным кругом или с недостаточным охлаждением, или с неправильным режимом, то происходит прижог, приводящий к образованию на отдельных участках структур троостита или сорбита, имеющих меньший удельный объем, чем структура мартенсита. В этих отожженных слоях развиваются остаточные напряжения растяжения, а в смежных с ними слоях - уравновешивающие их напряжения сжатия.
Любая из вышеуказанных причин при обработке металлов резанием может преобладать над другими. При этом она будет определять величину и характер распределения остаточных напряжений. Однако может оказаться, что все названные причины достаточно сильно влияют на свойства поверхностного слоя, поэтому окончательное распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя приобретает весьма сложный характер.
Изменение видов и режимов обработки меняет характер напряженного поля в зоне резания и удельное значение тепла в составе причин, влияющих на образование остаточных напряжений. Поэтому изменяется как величина, так и знак остаточных напряжений металла поверхностного слоя.
В большинстве случаев изменение методов обработки и режимов резания, приводящее к увеличению влияния силового поля и повышению степени пластической деформации, вызывает увеличение остаточных напряжений сжатия и снижение растягивающих напряжений.
Изменение режимов резания и условий обработки, влекущее за собой повышение мгновенной температуры нагрева металла поверхностного слоя и усиливающее этим влияние теплового фактора (повышение скорости резания, увеличение засаливания - абразивного круга при шлифовании, снижение теплопроводности обрабатываемого металла и режущего инструмента, увеличение длительности соприкосновения отдельных участков обрабатываемой поверхности с режущим инструментом, являющимся источником нагревания металла поверхностного слоя, ухудшение условий охлаждения и т.п.) ведет к росту остаточных напряжений растяжения, уменьшению остаточных напряжений сжатия или к превращению сжимающих остаточных напряжений в растягивающие.
Знак остаточных напряжений определяется полнотой протекания фазовых превращений и соотношением удельных объемов структурных составляющих смежных слоев металла поверхностного слоя. При этом очень большое значение для формирования остаточных напряжений имеют химический состав металла и его способность к структурным изменениям, пластичность, упругость, теплопроводность и температуропроводность и другие механические и физические свойства обрабатываемого металла.
При точении, фрезеровании, строгании, сверлении и других методах обработки металлов металлическими или твердосплавными инструментами в поверхностном слое металла возникают остаточные напряжения, которые формируются под влиянием всех указанных выше основных причин.
Технологическая наследственность
Технологической наследственностью следует называть изменение эксплуатационных свойств деталей под влиянием технологии их изготовления»
Под технологией изготовления деталей при этом подразумеваются методы и режимы обработки, примененные на отдельных операциях, вид и состояние режущего инструмента, условия охлаждения, размеры межоперационных припусков, а также последовательность и содержание операций технологического процесса в целом.
Технологическая наследственность проявляется не только во влиянии метода и режима обработки, примененных на последней чистовой операции, но также может проявиться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали при ее эксплуатации в результате воздействия тех или иных элементов качества поверхности, созданных в поверхностном слое детали при черновой обработке.
Установлено, что при шлифовании грубообточенной и закаленной заготовки- на участках выступов А шероховатости поверхности создаются тепловые удары, вызывающие мгновенный нагрев и структурные изменения металла поверхностного слоя.
При этом после чистового шлифования на участках обработанной поверхности, расположенных под выступами неровностей, образованных токарной обработкой, возникают зоны отпущенного металла пониженной твердости, а при напряженных режимах шлифования *- зоны твердого металла, претерпевшего вторичную закалку. В обоих случаях на границах разных структур появляются значительные остаточные напряжения, снижающие долговечность деталей, а иногда вызывающие появление шлифовочных трещин.
Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин .
Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей (усталостная прочность, износостойкость и др.) и режимами обработки деталей при основных методах их изготовления.
В большинстве случаев такие связи могут быть установлены путеь нахождения математических зависимостей: «качество поверхности - функция режима резания", "эксплуатационная характеристика - функция качества поверхности" с их последующим совместным решением и установлением прямой связи: "эксплуатационная характеристика - режим резания".
Последняя зависимость может быть непосредственно использована для расчетов режимов резания, обеспечивающих достижение заданных конструктором эксплуатационных характеристик.
Иногда установление связи эксплуатационных свойств с режимами обработки через зависимости качества поверхности от режимов, эксплуатационных свойств от качества поверхности становится затруднительным в связи с различным направлением изменения отдельных характеристик качества поверхности, влияющих на эксплуатационные свойства, при изменении режимов резания.
В подобных случаях для использования технологической наследственности с целью повышения долговечности деталей или улучшения других ее эксплуатационных характеристик путем назначения рациональных методов и режимов изготовления деталей, необходимо экспериментально установить прямые зависимости между отдельными эксплуатационными характеристиками и режимами обработки .
Влияние технологии обработки на эксплуатационные свойства деталей машин
Износостойкость деталей машин, как показывает материалы различных исследований, во многих случаях может быть повышена путем простого изменения метода обработки или даже путем изменения режим резания или геометрии режущего инструмента.
В некоторых случаях совершенно одинаковые по своей точности и шероховатости поверхности детали машин, изготовленные по одному и тому же чертежу, принятые и оцененные техническим контролем как совершенно равноценные, могут иметь резко различные эксплуатационные качества в зависимости от технологической наследственности, приобретенной деталями в процессе их изготовления,
Влияние видов и режимов обработки деталей на их износостойкость в значительной степени? обусловлено шероховатостью трущихся поверхностей и размерами их фактических опорных поверхностей, а также степенью их наклепа.
Усталостная прочность деталей машин очень сильно зависит от видов и режимов обработки деталей. Так, например, при фрезерования нержавеющей стали 2Х13 цилиндрическими фрезами, изменение режимов фрезерования приводит к изменению предела усталости с 32 до 38 кГ/мм2 т.е. увеличивает величину предела усталости на 18%. При этом переход от метода попутного фрезерования к встречному с неизменным режимом фрезерования повышает предел усталостной прочности- на 8-10%.
Применение различной технологии обработки деталей из нержавеющей стали 2Х1З увеличивает усталостную прочность от 21 до 37кГ/мм2.
Усталостная прочность деталей машин зависит не только от величины шероховатости и направления штрихов обработки, но и в большой степени от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя.
При точении высокопрочной стали в помощью изменения геометрии резца, в частности путем изменения его переднего угла, усталостная прочность может быть повышена на З6-63%.
Увеличение скорости резания при точении высокопрочной стали, воспринимающей закалку, ведет к повышению усталостной прочности на 12-30%.
Увеличение подачи при росте нагрузки повышает усталостную прочность, а при точении закаленной стали, в связи с её отпуском -снижает ее.
Особенно сильно влияют режимы обработки на усталостную прочность титановых сплавов.
Результаты различных экспериментальных исследований убеждают в возможности установления зависимостей долговечности деталей от видов и режимов их обработки и определения видов обработки, наиболее благоприятных для повышения долговечности деталей машин.
Лекция 21. Заключение.
План лекции: Подведение итогов и рекомендации по дальнейшему совершенствованию знаний и умений по материаловедению и технологии материалов.



13PAGE 15


13PAGE 15


13PAGE 1414515



Рис. 3.1


Рис. 3.2

Приготовление формовочной смеси

Разработка чертежа модели и стержневого ящика


Изготовление стержневого ящика

Приготовление стержневой смеси

Изготовление формы


Сушка форм

Изготовление модели


Изготовление стержней

Сушка стержней


Плавка металла

Сборка и заливка формы

Выбивка отливки и стержней

Обрубка и очистка отливки

Термообработка отливки

Контроль качества отливки

Рис.5.1
Схемы электродуговой сварки: 1- держатель, 2- электрод, 3- электрическая дуга, 4- присадочный металл, 5- свариваемая деталь, 6- гибкий провод.

Рис.5.2
Вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Рис. 15.1
Схемы основных методов обработки резанием

Рис. 6.2.

Рис.6.3.

Рис. 6.4.

Рис 16.4.

Рис 6.1.

Рис 17.2.

13 EMBED Word.Picture.8 1415
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 8.1. Кривая охлаждения чистого железа

Рис. 2.2


Рис. 2.3

Рис. 3.1

Рис. 4.1

ан

Рис. 4.3

Рис.4.2 Схемы микроструктур стали(150

Технически чистое железо

Доэвтектоидная сталь 0,1% С

Эвтектоидная сталь 0,8% С

Доэвтектоидная сталь 0,3% С

Заэвтектоидная сталь

Рис. 4.4 Схемы микроструктур чугунов. (150


11470С

Рис. 11.1
Диаграмма состояния Fe-Fe3C (а) и схема роста зерна аустенита в стали, содержащей 0,8 %С: 1- наследственно мелкозернистое и 2- крупнозернистая стали, 3- наследственное зерно, зерно при нагреве под термическую обработку, 5- исходное зерно ,6- начальное зерно

t, 0C

tmax

VH

Vохл

Рис. 12.1

(B

(B, ч

Рис.13.2
Вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Рис. 12.2
Положение капли припоя на поверхности металла: а- припой не смачивает поверхность (металл покрыт толстой оксидной пленкой), б-припой плохо смачивает поверхность, в-припойхорошо смачивает поверхность.

Рис.13.1
Схемы электродуговой сварки: 1- держатель, 2- электрод, 3- электрическая дуга, 4- присадочный металл, 5- свариваемая деталь, 6- гибкий провод.

13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис 1. Схема строения сварного шва и зоны термического влияния

Рис. 17.1

13 EMBED Word.Picture.8 1415

Рис. 15.4

Рис.16.2.

Рис. 17.6.

Рис.16.2.

Рис. 16.3.

Рис. 16.1.

Рис.16.2.

Рис. 16.3.

Рис 16.4.

Рис 17.1.



 $ ( , \ ^ ` b ¬ ®
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
· о р і      † € Љ
·
·
·
·тз
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Ч
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Root EntryEquation NativeEquation Native15Times New Roman
БОРИС ЛЕБЕДЕВ
БОРИС ЛЕБЕДЕВ
Рис. 5. 16. Схемы обработки заготовок на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках




Приложенные файлы

  • doc 14745705
    Размер файла: 5 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий