ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО СВАРНЫХ ЗАГОТОВОК. ЗАГОТОВКИ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. ЗАГОТОВКИ ИЗ ПЛАСТМАСС

Лекция 4.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОСТВО СВАРНЫХ ЗАГОТОВОК.

ЗАГОТОВКИ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ

МЕТАЛЛУРГИИ. ЗАГОТОВКИ ИЗ ПЛАСТМАСС

1. Классификация сварных конструкций

2. Технологические особенности изготовления заготовок сваркой

3. Проектирование сварных заготовок

4. Технологичность сварных и комбинированных заготовок

5. Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии

6. Заготовки их пластмасс

1. Классификация сварных конструкций

Сварные заготовки состоят из отдельных частей, выполненных с применением различных технологических процессов и из различных материалов. Заготовки целесообразно расчленять на составные части с последующей их сваркой, если изготовление их цельными связано с большими производственными трудностями (отсутствие оборудования, усложнение механической обработки, большой процент брака) или особо тяжелыми условиями работы отдельных частей готовой детали, требующих применение дорогих и дефицитных материалов.

В связи с уменьшением толщины стенок и упрощением конструкции сварные заготовки дают экономию металла до 30–60 % по сравнению с литыми. Кроме того, капитальные затраты литейных цехов значительно превосходят затраты на сварочное оборудование. Так, удельные капитальные вложения на 1 т сварных заготовок примерно в три раза меньше, чем на 1 т стального литья. Упрощение технологии изготовления сварных конструкций по сравнению с литьем, ковкой или штамповкой ведет к сокращению сроков освоения производства, снижению трудоемкости и себестоимости изготовления заготовок.

Сварные конструкции классифицируют по методу получения исходных заготовок (листовые, лито-сварные, ковано-сварные, штампо-сварные), по целевому назначению (вагонные, судовые, авиационные и т. д.), по толщине свариваемых элементов (тонкостенные и толстостенные) или по применяемым материалам (стальные, алюминиевые, титановые и др.). В зависимости от характерных особенностей работы выделяют следующие типы сварных элементов и конструкций: балки, колонны, оболочковые конструкции, корпусные транспортные конструкции и детали машин и приборов.

Балки и колонны – это конструктивные элементы, работающие в основном на поперечный изгиб или сжатие. Они состоят в основном из листовых элементов, свариваемых, как правило, автоматической сваркой под флюсом. Обработке резанием после сварки они практически не подвергаются.

Оболочковые конструкции представляют собой емкости, сосуды, трубы, к которым предъявляются требование герметичности при избыточном давлении. Крупные емкости: резервуары для хранения нефтепродуктов, газгольдеры, корпусы печей и т. п. – собираются на месте монтажа из листовых полотнищ или секций. Сварка ведется, как правило, встык под флюсом сварочными тракторами.

К корпусным транспортным конструкциям относятся корпуса судов, вагонов, кузова автомобилей. Они представляют собой пространственную конструкцию из плоских или изогнутых листовых элементов. Корпуса вагонов и судов имеют решетчатую основу, к которой крепится листовая обшивка. Для этой группы деталей в широких масштабах применяются автоматическая дуговая и контактная сварки. Большое число пересекающихся элементов усложняет технологию сварки. Возникающие сварочные напряжения технологически не снимаются.

Детали машин и приборов имеют разнообразные формы и размеры. Это могут быть станины, валы и колеса, корпуса приборов, тяги, шатуны и т. п. Элементы сварных заготовок деталей машин изготавливаются из разнообразных материалов при толщине от десятых долей миллиметра до 100 мм и более. Поэтому в различных случаях применяют разные способы сварки. Практически все сварные заготовки перед окончательной механической обработкой проходят термообработку для снятия остаточных напряжений.

2. Технологические особенности изготовления заготовок сваркой

Высокая эффективность современных процессов сварки, обеспечивающая их конкурентоспособность при изготовлении комбинированных (штампо-сварных и сварно-литых) и сварных из проката заготовок, является действенным средством снижения металлоемкости машиностроительных конструкций.

Дуговая сварка (ручная, полуавтоматическая и автоматическая) является наиболее распространенным способом сварки. Ручная сварка применяется для сварки швов небольшого размера; за один проход без предварительной разделки кромок она позволяет сваривать детали толщиной 4–8 мм. Автоматическая сварка может вестись одним или несколькими электродами под слоем флюса, в среде защитных газов (аргона, гелия, углекислого газа) или самозащитной проволокой. При этом резко повышается толщина свариваемых деталей (до 15 мм без разделки кромок) и производительность сварки (в 6–8 раз по сравнению с ручной сваркой). Сварка в углекислом газе углеродистых и низколегированных сталей характеризуется стабильностью режима сварки, хорошим формированием сварного шва, высоким качеством соединения. Производительность полуавтоматической сварки примерно в 2–4 раза выше, чем ручной.

Контактная сварка (стыковая, точечная, шовная) отличается высокой производительностью и экономичностью. Ею хорошо свариваются углеродистые, низколегированные и некоторые коррозионно-стойкие стали, а также алюминий, титан и их сплавы.

При стыковой сварке заготовки свариваются по всей поверхности их касания. Можно сваривать стальные стержни, рельсы, прутки, трубы, прокат сечением до 10 000 мм2, а также прутки, трубы, прокат, штамповки из цветных металлов сечением до 4 000 мм2. Точечной сваркой соединяют листовые заготовки внахлест в отдельных местах (точками). Точечной сваркой сваривают заготовки (листы, прутки, швеллеры, уголки и т. п.) одинаковой или разной толщины от сотых долей миллиметра до 30 мм. Шовной сваркой сваривают внахлест листовые заготовки непрерывным плотнопрочным швом (кузов автомобиля, герметичные емкости и т. п.).

Сварка трением взамен контактной в 2–4 раза уменьшает припуски и в 1,5–2 раза брак. При применении сварки трением получают существенную экономию материалов. Так, гладкие и резьбовые калибры (пробки) ранее изготавливались из дорогой стали ШХ15 методом ковки в несколько переходов (рис. 4.1, а). После внедрения сварки трением хвостовик из стали 45 приваривается к рабочей части из стали ШХ15 (рис. 4.1, б). Валики центров точились из прутка (рис. 4.2, а). Внедрение сварки трением (рис. 4.2, б) увеличило число операций: отрезка двух прутков и сварка, но зато в общем сократило затраты рабочего времени и значительно уменьшило расход инструментальной стали. Изготовление штампосварных заготовок клапанов двигателей внутреннего сгорания позволило резко сократить расход жаропрочной стали и упростить горячую штамповку (рис. 4.3).

Рис. 4.1. Изготовление калибров по старой технологии (а) и с применением сварки трением (б)

Рис. 4.2. Изготовление валиков вра- щающихся центров по старой технологии (а) и с применением сварки рением (б)

Рис. 4.3. Изготовление клапанов по старой технологии (а) и с применением сварки трением (б)

Электрошлаковая сварка при производстве толстостенных (до 1 м и более) сварных конструкций в тяжелом машиностроении обеспечивает высокую экономическую эффективность: съем продукции с 1 м2 производственной площади увеличивается в 2 раза, цикл производства уменьшается в 1,5...2 раза, экономится металл, снижается расход электроэнергии в 1.5...2 раза, а флюса – в 20... 40 раз, отпадает необходимость в предварительной разделке кромок, снижается себестоимость.

Электронно-лучевая сварка позволяет получать сварные соединения из окончательно обработанных деталей без их существенных деформаций (например, блоки зубчатых колес взамен крупных поковок). Электронно-лучевая сварка гарантирует высокое качество сварного соединения деталей из тугоплавких металлов, жаропрочных, жаростойких и других материалов со скоростью, не уступающей дуговой сварке.

Диффузионная сварка позволяет соединять разнородные материалы, в том числе тугоплавкие металлы и неметаллические материалы с металлами, сваривать детали разной толщины; обеспечивать равнопрочность основного металла и сварного соединения. В процессе сварки исключается неблагоприятное влияние металлургических и ряда термических факторов. Диффузионная сварка применяется при изготовлении резцов, угольников, магнитов, микрометров с пяткой из твердых сплавов, дисков газовых турбин.

При производстве заготовок ограниченно применяют также газовую, плазменную, ультразвуковую, лазерную и другие сварки. В изделиях сложной геометрической формы (телескопические соединения трубчатых элементов, сотовые конструкции и т.п.), при изготовлении которых наложение сварных швов оказалось бы затруднительным, целесообразно применять пайку.

Многообразие способов сварки и пайки, а также конструктивных и производственно-технологических факторов, влияющих на возможность их применения, требует тщательного технико-экономического обоснования выбора способа сварки.

3. Проектирование сварных заготовок

Методика проектирования сварных заготовок

Проектирование сварных заготовок производится с учетом обеспечения прочности (в частности, усталостной прочности, сопротивления хрупкому разрушению) и технологичности сварного соединения. На стадии проектирования необходимо также продумать последовательность сборочно-сварочных операций, оценить ожидаемые сварочные деформации (коробление) и точность размеров и конфигурации сварной заготовки после механической обработки.

Таким образом, на первом этапе на основании чертежа готовой детали производится общий анализ ее конструкции, материала, технологичности и оценивается возможность получения заготовки сваркой. После этого выбирают оптимальный в данном случае способ сварки.

Выбор способа сварки определяется конструкцией детали в зоне сварки, ее габаритами, степенью ответственности сварного соединения и технологическими возможностями процесса сварки. Одновременно со способом выбора сварки обычно назначают тип сварного соединения.

Затем производится разбивка заготовки на свариваемые части. Выбор места деления заготовки производится с учетом двух точек зрения. С одной стороны, в результате деления должны образовываться элементы (исходные заготовки), технологичные для изготовления литьем или обработкой давлением. С другой стороны, зона сварки должна быть удобной для выбранного способа сварки, доступной для сварочного инструмента, присадочных материалов и обеспечивать провар сварного соединения на всю глубину. Особое внимание при выборе места сварки следует уделить расположению сварных швов вне зоны действия значительных внешних нагрузок.

Зная конструктивные размеры зоны сварки и способ сварки, по соответствующим стандартам назначают тип сварного шва.

Проектирование свариваемых частей производится на следующем этапе. Если исходной заготовкой является отливка или поковка, то ее проектирование производится в соответствии с указаниями, относящимися к данным заготовкам. Если исходная заготовка – прокат, то проектирование сводится к выбору его оптимальных размеров и определению разделки кромок в соответствии с выбранным типом сварного шва. В случае необходимости на исходных заготовках предусматриваются сборочные и фиксирующие элементы, а также припуски для механической обработки после сварки.

Ввиду жесткой связи между прочностью сварной конструкции, формой сварного соединения и технологией сварки разработка конструкции заготовки должна вестись одновременно с проработкой технологии ее изготовления.

Оформление чертежа сварной заготовки выполняется в соответствии с принятыми правилами. На чертеже заготовку представляют в таком виде, в каком она должна быть после сварки (рис. 4.4). Чертеж должен содержать: изображение заготовки с проекциями, сечениями и разрезами в количествах, необходимых для полного понимания устройства; габаритные, установочные и присоединительные размеры; номера позиций составных частей; данные о материале заготовки и т. д. Все сварные швы должны иметь условные обозначения в соответствии с требованиями ГОСТ 2.312–72.

Рис. 4.4. Пример оформления чертежа сварной заготовки

В технических условиях чертежа указываются требования к качеству материала или сведения о его заменителе; сварочные материалы (если это необходимо); контрольные операции. Дополнительно могут указываться допустимые дефекты, основания для браковки, способы исправления брака, специальные испытания сварных соединений.

Пример проектирования сварной заготовки

Необходимо спроектировать сварную заготовку для детали, представленной на рис. 2.11. Материал детали – сталь 40Х, масса – 10,1 кг, годовая программа выпуска – 5 000 шт.

Для повышения технологичности изготовления составных частей сварной заготовки желательно изготавливать отдельно фланец и хвостик. Ввиду достаточно большого размера программы выпуска и кольцевой формы сварного шва оптимальным способом сварки в данном случае может служить механизированная дуговая сварка.

Для дуговой сварки наиболее технологично стыковое сварное соединение, поэтому линию раздела проводим на расстоянии 12 мм от торца  135 мм. Поскольку наружный диаметр в зоне сварки менее 80 мм, применение сварки под флюсом невозможно. С учетом технологических соображений выбираем полуавтоматическую аргонно-дуговую сварку сварочной проволокой Св-18ХМА. По ГОСТ 14771-76 выбираем тип сварного шва (СВ), обеспечивающий полный провар сварного соединения при односторонней многопроходной сварке.

Левая часть заготовки (фланец) проектируется как поковка, получаемая на КГШП. Правая часть заготовки (хвостик) представляет собой трубу 76х18 (ГОСТ 8732-78) длиной 148 мм. На торце трубы выполняется разделка кромок в соответствии с размерами шва С8 по ГОСТ 14771-76. Зная конфигурацию и размеры исходных частей заготовки, оформляем ее чертеж (рис. 4.5). Расчетная масса заготовки – 12,4 кг.

Рис. 4.5. Чертеж сварной заготовки детали (см. рис. 2.11)

4. Технологичность сварных и комбинированных заготовок

Свариваемость металлов

Совокупность технологических характеристик основного металла, обеспечивающая возможность при принятом технологическом процессе создавать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, называют свариваемостью. Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла, т. к. определяется также способом и режимом сварки. Практически под хорошей свариваемостью понимается возможность при обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное с основным металлом, без трещин и без снижения пластичности в околошовной зоне.

Установить общие критерии свариваемости для всех металлов и сплавов невозможно. В настоящее время классифицируются по свариваемости только стали. В зависимости от содержания углерода и легирующих элементов стали делятся на хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся.

Хорошо сваривающиеся стали (Ст3, 10, 15НМ, 12Х18Н9Т) без труда образуют сварные соединения по обычной технологии. Для сварки удовлетворительно сваривающихся сталей (БСт5, 30, 35, 15ХСНД, 12Х14А) необходим предварительный подогрев и последующая термообработка. Ограниченно сваривающиеся стали (Ст6, БСт6, 40, 50, 30ХГСА, 5ХНМ) в обычных условиях сварки склонны к образованию трещин. Перед сваркой их чаще всего подвергают термообработке и подогревают. Для большинства сталей необходима также термообработка после сварки. Сварку плохо сваривающихся сталей (60Г, 50ХГА, 85, У8, У10А, Р18, Х12, 3Х2В8Ф) выполняют с обязательной термообработкой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

Обеспечение технологичности сварных и комбинированных заготовок

Технологичность обеспечивается выбором материала заготовки, типа сварного соединения, конструкции свариваемых элементов, вида сварки и технологии сварки.

При выборе материала заготовки следует учитывать не только его эксплуатационные свойства, но и его свариваемость. Сварка материала не должна ухудшить работу сварной конструкции в реальных условиях эксплуатации. Например, если конструкция работает при низких температурах, то материал заготовки должен обеспечить после сварки металлу сварного шва и околошовной зоны порог хладноломкости ниже предполагаемой температуры эксплуатации сварного изделия. Если стремления выбрать материал с наилучшими эксплуатационными характеристиками и хорошей свариваемостью вступают в противоречие, то следует выбрать компромиссный вариант с возможно меньшей стоимостью материала. Необходимо также помнить, что термообработка до или после сварки и нагрев перед сваркой могут существенно улучшить свариваемость материалов.

Типы сварных соединений, подготовка свариваемых частей к сварке (разделка кромок) зависят от способа сварки, толщины деталей и других факторов. Наиболее просты и технологичны при способах сварки плавлением стыковые швы (рис. 4.6, а). Если толщина деталей велика, применяют двухстороннюю сварку. Тавровые и угловые соединения характерны для изготовления пространственных конструкций. Если габариты позволяют поворачивать конструкцию в удобное для сварки (нижнее) положение, такие швы также достаточно технологичны для способов сварки плавлением.

Нахлесточные соединения чаще всего применяют для сварки листовых заготовок. Наиболее технологично сваривать их контактной сваркой. Нахлесточные соединения, выполненные сваркой плавлением (рис. 4.6, б), по сравнению со стыковыми соединениями менее прочны и менее экономичны.

Выбор конструкции свариваемых элементов производится, исходя из толщины этих элементов, их взаимного расположения, свободного доступа к лицевой и корневой частям шва, стремления свести к минимуму длину сварных швов.

Рис. 4.6. Технологичные (а, в, г, д, е) и нетехнологичные (б) конструкции,

получаемые сваркой плавлением

При проектировании сварных заготовок необходимо учитывать следующие основные факторы.

1. Число сварных соединений должно быть минимальным, так как прочность соединения может быть меньше, чем прочность основного металла детали. Сварные швы по возможности следует предусматривать прямолинейными и непрерывными по длине.

2. Конструкция и взаимное расположение свариваемых элементов должны обеспечивать удобство доступа сварочного инструмента в зону сварки. Так, при приварке стенок, перегородок желательно выносить сварные швы из тесного пространства между ними (рис. 4.7, 1). При приварке фланцев к стенке желательно увеличить зазор между ними или вынести сварной шов на наружную поверхность фланца (рис. 4.7, 2). В случае контактной сварки следует стремиться к тому, чтобы использовались стандартные прямые электроды, а не специальные. Для этого необходимо изменить конструкцию свариваемых элементов или предусмотреть технологические вырезы, отверстия и др. (рис. 4.7, 3). Расположение сварного шва напротив бурта или рядом с выступающей частью заготовки (рис. 4.6, в) затрудняет сварку и рентгеновский контроль.

3. При наличии нескольких возможных вариантов сварки следует применять наиболее простые и производительные способы. Например, при приварке рычага к оси рациональнее заменить кольцевые швы электрозаклепкой (рис. 4.8, 1). При сварке листовых конструкций или фланцев с трубами следует заменять дуговую сварку контактной (рис. 4.8, 2, 3).

4. В сварной конструкции не должно быть резких (ступенчатых) переходов по толщине металла (рис. 4.9), отклонений от симметричности расположения элементов по толщине; не должно быть резких переходов форм конструкции (малых радиусов закругления вырезов). В противном случае возможно разрушение конструкции в результате концентрации напряжений. Это особенно важно для конструкций, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и вибрации. Для таких конструкций необходимо предусмотреть плавные переходы от металла шва к основному металлу.

При контактной сварке конструкция заготовки должна обеспечить необходимую по величине контактную поверхность деталей.

При стыковой сварке следует стремиться к тому, чтобы свариваемые детали вблизи стыка имели одинаковые или близкие по форме и размерам сечения.

Рис. 4.7. Обеспечение удобства доступа сварочного инструмента в зону сварки:

а – нетехнологично; б – технологично

Рис. 4.8. Примеры выбора способа сварки:

а – нетехнологично; б – технологично

Рис. 4.9. Сварка исходных заготовок различной толщины:

а – при S/S1 <3; б – при S/S1 >3, при этом l >5(S – S1); l' >3(S – S1)

5. Разделка кромок должна обеспечивать проварку шва по всей толщине. В то же время следует избегать трудоемкой разделки кромок. Вместо этого желательно образовывать сварочную ванну путем правильного размещения свариваемых деталей (рис. 4.10).

6. С целью обеспечения точного положения соединяемых элементов необходимо предусматривать их взаимную фиксацию (рис. 4.11, а). Если свариваемые детали имеют точные или обработанные поверхности, то их следует располагать подальше от зоны сварки, чтобы на них не попадали брызги металла или не оказывала теплового воздействия сварочная дуга (рис. 4.11, б).

Рис. 4.10. Обеспечение провара сварного шва: а – нетехнологично; б, в – технологично

Рис. 4.11. Фиксация положения деталей> при сварке

7. Для снижения концентрации сварочных напряжений необходимо избегать пересечения сварных швов в одном узле и сводить к минимуму количество наплавляемого металла (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Примеры конструкции сварных узлов

а – нетехнологично; б – технологично

8. Габариты сварных заготовок должны соответствовать возможности их обработки в термических печах. Если термическая обработка не дает должного эффекта, невозможна или экономически невыгодна, равнопрочность сварных соединений может быть достигнута за счет утолщения кромки элементов конструкции на ширине не менее зоны термического влияния.

Важной задачей является правильный выбор способа сварки в соответствии с назначением, формой и размерами конструкций. Назначение способа сварки в значительной степени определяется свариваемостью, особенно при соединении разнородных материалов, конструктивным оформлением сварных соединений, степенью их ответственности и производительностью процесса. Необходимо также учитывать тип соединений, присадочный материал, приемы и обеспечение удобства выполнения сборочно-сварочных соединений. Эти условия предопределяют механические свойства соединений и допускаемые напряжения, необходимые для прочностных расчетов конструкций. Так, для сварки длинных швов встык более технологично применение дуговой автоматической сварки. Толстостенные элементы соединяют электрошлаковой сваркой. Для сварки внахлест тонколистовых материалов рационально применение контактной сварки. Некоторые виды свариваемых материалов (алюминиевые и титановые сплавы, нержавеющие стали и т. п.) требуют надежной защиты зоны сварки от окисления, т. е. применения аргонно-дуговой, электронно-лучевой и диффузионной сварки. Необходимо также учитывать возможности механизации и автоматизации процесса выбранного способа сварки.

Рациональная технология сварки должна обеспечить минимальный уровень сварочных напряжений и как следствие – сварочных деформаций. Это достигается за счет различных технологических приемов. В частности, сварка при повышенных плотности тока и скорости сварки дает меньшие деформации. Предварительный подогрев, уменьшая разность температур между основным и расплавленным металлами, ведет к снижению остаточных напряжений.

Уменьшение размеров сварного шва, переход от односторонней разделки кромок к двухсторонней повышают технологичность конструкции, так как снижаются сварочные деформации.

Наименьшие деформации после сварки будут иметь конструкции, соединения в элементах которых располагаются так, что сумма статических моментов объема металла швов относительно центра тяжести сечения элемента равна нулю или близка к нему. Поэтому рекомендуется располагать швы в элементах симметрично (рис. 4.6, е). Для уменьшения остаточных напряжений следует избегать в изделии пересекающихся швов, а также их скопления. Для уравновешивания деформаций следует применять рациональную последовательность наложения сварных швов: при многопроходной сварке толстых деталей рекомендуется последовательно переходить с одной на другую сторону сечения (рис. 4.13, а); длинные прямолинейные швы рекомендуется разбивать на участки, сварка которых ведется в противоположных направлениях (рис. 4.13, б); при сварке пространственных конструкций необходим переход с одного элемента на другой (рис. 4.13, в). При соединении оболочек кольцевыми швами необходимо продольные швы располагать не по одной линии, а смещать их относительно друг друга (рис. 4.6, г). При этом удается снизить концентрацию напряжений и повысить работоспособность изделия.

Хорошие результаты дает предварительный изгиб свариваемых деталей в сторону, противоположную сварочной деформации (рис. 4.14). Сварку сложных деталей нежесткой конструкции производят в специальных приспособлениях (кондукторах). Жесткое закрепление во время сварки и охлаждения препятствует короблению деталей тогда, когда из-за высоких температур их материал обладает повышенной пластичностью. По окончании сварки при тех же остаточных напряжениях больших деформаций не возникает.

Рис. 4.13. Рациональная последовательность (1, ..., 5) наложения сварных швов: а – при многопроходной сварке в пределах поперечного сечения; б – при сварке длинных швов; в – при сварке пространственных конструкций

Рис . 4.14. Сварка деталей без предварительного изгиба (а) и с предварительным изгибом (б) в зоне сварки

При выполнении стыковых соединений из алюминиевых сплавов необходимо предусмотреть возможность удаления оксидных пленок из стыка в проплав, применяя сварочные подкладки с профилированными канавками или специальным оформлением конструкции соединения (рис. 4.6, д). Оксидные включения, остающиеся в швах, служат причиной зарождения трещин и нарушения герметичности.

Механическую обработку сварных заготовок следует, как правило, производить после отпуска, так как удаление части сечения вызывает перераспределение остаточных напряжений и искажение ранее обработанных поверхностей. Однако эти искажения зависят от жесткости обрабатываемой детали и размера снимаемого слоя и могут быть невелики. Поэтому часто сварные изделия обрабатывают без предварительной термообработки.

Термическая обработка сварных заготовок

Термическая обработка сварных заготовок производится с целью улучшения свойств металла шва и околошовной зоны и для снятия сварочных напряжений. Режим термообработки определяется химическим составом, теплофизическими и механическими свойствами материала. Термообработка способствует обеспечению точности последующей механической обработки заготовки, а также стабильности размеров и формы сварного изделия в процессе эксплуатации.

Наиболее полное снятие напряжений производится с помощью общего высокого отпускаю термических печах. Заготовку нагревают до 600–650 °С и выдерживают в течение времени, которое определяют из расчета 2–3 мин на 1 мм толщины металла. Положение заготовки в печи должно предотвратить ее деформацию за счет провисания под собственной тяжестью. Охлаждение после отпуска производится медленно, чтобы в металле снова не возникли напряжения. Заготовки из среднеуглеродистых сталей часто охлаждают до температуры 300 °С с печью, а затем – на воздухе. Для сталей, склонных к охрупчиванию при температуре 600–620°С, температура отпуска снижается до 550–560 °С.

Местный высокий отпуск применяется для крупных деталей в местах, где непосредственно производилась сварка, с целью снижения уровня сварочных напряжений и повышения пластичности металла. Нагрев в этом случае производится с помощью переносных индукционных термических печей или газовых горелок. Нагрев может также осуществляться наложением дополнительного слоя металла с применением соответствующего режима сварки. Местный отпуск производят в кондукторах сразу же после сварки. При этом следует отметить, что неравномерный местный нагрев может вызвать свои нежелательные остаточные напряжения.

Термопластичный отпуск – это нагрев смежных зон основного металла, параллельных шву. Пластическая деформация при нагреве снимает остаточные напряжения сжатия в околошовной зоне. Этот метод требует тщательной регулировки источника нагрева и определенной скорости перемещения его вдоль шва.

Необходимо помнить, что высокий отпуск – более дорогая операция, значительно увеличивающая стоимость изготовления заготовки, и ее следует применять в действительно обоснованных случаях, например, когда заготовка подвергается в дальнейшем механической обработке с целью получения точных присоединительных размеров и т.п.

Сварные и комбинированные заготовки

Сварные заготовки. Многие сварные заготовки изготавливают из листового проката, фасонных и гнутых профилей, что обеспечивает возможность получения легких изделий повышенной жесткости и устойчивости. К таким заготовкам относятся рамы, станины, барабаны, корпуса редукторов, зубчатые колеса (рис. 4.15), штанги, тяги (рис. 4.16), подшипниковые опоры разных систем (рис. 4.17) и т. п. Все они выполнены из листового проката с усилением корпусов приваркой ребер жесткости.

Рис. 4.15. Сварное зубчатое колесо	Рис. 4.16. Сварные тяги
Рис. 4.17. Сварные подшипниковые опоры

В ряде случаев применение сварки дает существенный экономический эффект и снижает трудоемкость механической обработки заготовки.

Комбинированные заготовки. В современном машиностроении тенденции в изготовлении крупных заготовок ведут к замене литых заготовок комбинированными, которые получают сочетанием ковки и литья со сваркой. Это позволяет подойти дифференцированно к различным частям детали, в частности, использовать в одной конструкции разнородные материалы, наиболее соответствующие условиям работы различных элементов, уменьшить массу и металлоемкость конструкций. Комбинированные заготовки обладают большей технологичностью. Их внедрение снижает сроки освоения производства, сокращает расходы на литейную и штамповочную оснастку.

Сварно-литые заготовки изготавливают при производстве станин прессов, прокатных станов, станков, корпусов редукторов, картеров тепловозных двигателей, толстостенных сосудов, различных деталей вагонов и т. п. Расчленение крупногабаритных цельнолитых заготовок позволяет использовать более точные способы литья (в кокиль, под давлением), применение которых резко снижает объем механической обработки. При наличии в детали стенок толщиной свыше 30 мм, сопрягаемых со стенками малых сечений и с частями, имеющими, сложный профиль, применяют сварно-литую заготовку. При сочетании стенок постоянного сечения толщиной до 30 мм со сложными фасонными профилями переменного сечения применяют сварно-листо-литые заготовки.

При конструировании сварно-литых заготовок прибыли на отливке располагают вдали от кромок, подлежащих сварке. Повышенное содержание серы и углерода в местах расположения прибылей приводит к появлению дефектов в сварных швах и в прилегающих к ним зонах металла отливки. При конструировании сварно-литых заготовок, образующих жесткий контур, следует предусматривать соединение отдельного элемента с остальной частью конструкции не более чем двумя сварными швами. В случае большего числа стыков осуществить сварку намного сложней, а иногда невозможно. При конструировании крупногабаритных сварно-литых заготовок стремятся к тому, чтобы габаритные размеры мелких отливок обеспечивали возможность машинной формовки, а длина отдельных частей во избежание коробления не превышала 4–5 м. В сварно-литых заготовках с нечетным числом отверстий разъем размещают в плоскости, поперечной к оси среднего отверстия, что существенно упрощает сварку.

В зависимости от размеров поперечного сечения, типа сварного шва и материала сварку элементов заготовки производят различными видами дуговой, контактной или электрошлаковой сварки.

Штампо-сварные заготовки (рамы, кожухи, ободы, шкивы, емкости и др.) изготавливают обычно из листового материала. Они позволяют заменить литые или штампованные заготовки, требующие в дальнейшем довольно дорогой механической обработки. Конструкция штампо-сварной заготовки должна одновременно отвечать условиям технологичности и листовой штамповки, сварки.

Штампо-сварные заготовки имеют ряд преимуществ: высокая производительность изготовления; сокращение расхода материала и снижение массы конструкции; простота получения заготовок со сложными конструктивными формами; сравнительно низкая себестоимость изготовления заготовок. Штампо-сварные заголовки сваривают в основном контактными способами сварки.

Сварно-ковано-литые заготовки изготавливают сочетанием литых элементов с поковками или заготовками из проката соединяемых затем сваркой. Такие конструкции часто применяются тяжелом и энергетическом машиностроении: роторы турбин, массивные валы; крупные зубчатые колеса, рамы и т. п. По сравнению с литыми (или коваными) сварно-ковано-литые заготовки имеют следующие преимущества: значительное снижение массы заготовки; упрощение литейной и штамповочной технологии изготовления соответствующих элементов заготовки; повышение качества и точности изготовления отдельных элементов заготовки; сокращение производственного цикла.

Соединение элементов сварно-ковано-литых заготовок производится в основном электрошлаковой или контактной стыковой сваркой и реже – дуговыми способами сварки.

Преимущества комбинированных сварных конструкций, в которых использованы одновременно заготовки, полученные различными способами (отливки, поковки, листовой и сортовой прокат), прежде всего проявляются при изготовлении тонкостенных протяженных деталей.

Эффективным направлением является использование в различных частях сварных конструкций разнородных материалов, наиболее полно отвечающих требованиям эксплуатации, применение двухслойного проката со специальными свойствами облицовочного слоя и других сочетаний.

Технико-экономическое сравнение вариантов изготовления цельных литых или штампованных заготовок, с одной стороны, и сварно-литых или сварно-штампованных заготовок, с другой, производится по уменьшению (или увеличению) массы заготовки; затратам на изготовление модельной оснастки, штампов и других приспособлений; времени цикла подготовки и освоения производства; себестоимости изготовления заготовки.

При оценке различных вариантов изготовления заготовки в каждом конкретном случае следует учитывать особенности данной конструкции, технологические свойства материала, тип производства, требуемую точность изготовления и другие факторы. В качестве примера рассмотрим три варианта изготовления заготовки шестерни большого размера (рис. 4.18). Первый вариант заготовки (рис. 4.18, а) изготовлен из кованого обода, диска из листовой стали и катаной ступицы. Он выгоден тогда, когда серия изготавливаемых заготовок не велика, т. е. в единичном производстве. Изготавливать в этом случае литейную оснастку долго и дорого. Сварно-литой вариант (рис. 4.18, б) выгоден тогда, когда отформовать и отлить всю шестерню сразу не представляется возможным из-за отсутствия соответствующего оборудования. Размеры литой ступицы существенно меньше. Кроме того, применение катаного обода дает более высокое качество и износостойкость поверхности зубьев. Второй вариант можно применить в серийном производстве. Третий вариант (рис. 6.22, в) – полностью литая заготовка – рационален только в крупносерийном производстве, когда на предприятии имеются возможности для изготовления соответствующих модельной оснастки и форм.

1 – обод кованый; 2 – ребро на листовой стали; 3 – ступица из проката; 4 – обод катаный; 5 – ступица литая

Рис. 4.18. Конструктивные варианты заготовки шестерни:

а – сварно-штампованный; б – сварно-литой; в – литой

При технико-экономическом сопоставлении возможных вариантов изготовления цельных (литых, кованых, штампованных) и комбинированных (сварных) заготовок следует определять число «критической» серийности N, показывающее, при каком максимальном количестве деталей наиболее экономичен сварной вариант

N = M/(S – О),

где S – стоимость одной комбинированной заготовки; О – стоимость одной цельной заготовки; М – стоимость одного модельного комплекта, штампов и других приспособлений, необходимых для изготовления цельной детали.

5. Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии

Применение конструкционных порошковых материалов

Производство заготовок методами порошковой металлургии включает получение и подготовку порошков исходных материалов (металлов, сплавов, металлоидов и др.); прессование изделий необходимой формы в специальных пресс-формах; термическую, обработку (спекание) спрессованных изделий, обеспечивающую им окончательные свойства. Иногда применяют совмещение операций прессования и спекания, пропитку пористого брикета расплавленным металлом, допрессовку или калибровку спеченных полуфабрикатов и пр.

Методы порошковой металлургии позволяют получить материалы как аналогичные по структуре и свойствам традиционным, так и обладающие совершенно новыми комплексами свойств. При этом совмещаются процессы получения конструкционных материалов и формообразования заготовок, часто не требующих последующей размерной обработки или подвергаемых незначительной механической обработке.

В зависимости от условий эксплуатации конструкционные порошковые материалы (КПМ) подразделяют на две группы: материалы, заменяющие обычные углеродистые и легированные стали, чугуны и цветные металлы; материалы со специальными свойствами – износостойкие, инструментальные, жаропрочные, жаростойкие, коррозионно-стойкие, для атомной энергетики, с особыми физическими свойствами (магнитными, электро- и теплофизическими и др.), тяжелые сплавы, материалы для узлов трения – антифрикционные и фрикционные и др. Физико-механические свойства КПМ при прочих равных условиях определяются плотностью (или пористостью) изделий, а также условиями их получения. По степени нагруженности порошковые детали подразделяют на четыре группы (табл. 4.1).

Таблица 4. 1. Характеристика конструкционных порошковых материалов

Прочность и жесткость малонагруженных деталей не рассчитывают, их размеры выбирают из конструктивных или технологических соображений. При изготовлении из традиционных литых или деформированных материалов такие детали имеют слишком большой запас прочности и повышенную массу. Поэтому массовое изготовление заготовок этих деталей методами порошковой металлургии позволяет экономить значительное количество металла. Причем могут быть использованы наиболее дешевые порошки металлов без их легирования (обычно порошки железа или шихты на его основе с добавками углерода).

К умеренно нагруженным деталям условно относят такие, работоспособность которых в течение всего периода эксплуатации при действующих напряжениях обеспечивают КПМ с пределом прочности, не превышающим при статическом одноосном растяжении 45–65 % (в условиях динамического нагружения 35...60%) соответствующих характеристик беспористого материала аналогичного состава. Обычно их изготавливают из порошков углеродистых или низколегированных сталей. Большинство умеренно нагруженных деталей не подвергается расчетам на прочность и жесткость. Их размеры также выбирают из конструктивных или технологических соображений.

Средненагруженные детали находятся под воздействием значительных статических или умеренных динамических нагрузок. Их изготавливают из порошков углеродистых или легированных сталей, цветных металлов и сплавов. Необходимый уровень прочности деталей обеспечивает материал пористостью 2–9 %.

На тяжелонагруженные детали воздействуют статические или динамические напряжения большой интенсивности. Работоспособность таких деталей обеспечивают КПМ, относительная прочность которых близка к прочности беспористого материала.

Для получения высоких прочностных характеристик КПМ используют более сложные технологические процессы, включающие двойное (тройное) прессование, калибровку, горячее прессование, горячую объемную штамповку и т. д. Физико-механические свойства наиболее распространенных углеродистых порошковых сталей различных подгрупп плотности приведены в табл. 4.2.

Преимуществами производства заготовок методами порошковой металлургии являются: возможность применения материалов с разнообразными свойствами – тугоплавких, псевдосплавов (медь-вольфрам, железо-графит и др.), пористых (фильтры, самосмазывающиеся подшипники) и других; малоотходность производства (отходы не превышают 1–5 %); исключение загрязнения перерабатываемых порошковых материалов; использование рабочих невысокой квалификации; легкость автоматизации технологических процессов и др.

К недостаткам порошковой металлургии относятся: ограниченность размеров и относительная простота формы получаемых изделий; экономичность применения при достаточно больших масштабах производства; остаточная пористость заготовок, которая в некоторых случаях не позволяет получить такие же физико-механические свойства, как у отливок и поковок.

Таблица 4.2. Физико-механические свойства порошковых углеродистых сталей без термической обработки

Типовыми деталями, изготавливаемыми из порошковых заготовок, являются шестерни, кулачки, звездочки, накладки, шайбы, заглушки, гайки, втулки, храповики, фланцы, детали измерительных инструментов и др.

Выбор заготовок, намечаемых для изготовления из КПМ, проводят в три этапа: 1) отбор деталей, заготовки которых можно изготавливать методами порошковой металлургии; 2) оценка их технологичности с точки зрения требований порошковой металлургии и определение возможной схемы технологического процесса; 3) анализ технико-экономических показателей производства заготовок и определение экономической целесообразности их изготовления из порошков.

На первом этапе изучают конструктивные особенности и условия работы анализируемых изделий. Предварительно определяют наиболее массовые и быстроизнашивающиеся детали, а также детали, изготавливаемые из дорогих и дефицитных материалов; определяют общую годовую потребность в порошковых заготовках этих деталей. Выявленные детали классифицируют по конструкции и назначению, конфигурации и размеру; точности размеров и шероховатости поверхностей, условиям эксплуатации. По условиям эксплуатации (температура, влажность и агрессивность окружающей среды, наличие или отсутствие смазки, скорость и давление в зоне сопряжения и т. п.) выбирают тип порошкового материала (конструкционный, антифрикционный, специального назначения и пр.) и его марку.

На втором этапе прежде всего оценивают форму и размеры заготовки. Для этого вычерчивают эскиз заготовки, определяют ее группу сложности (табл. 4.3), анализируют возможность изменения формы и размеров. Затем определяют последовательность операций при получении заготовки (табл. 4.4), ее расположение в пресс-форме, необходимость операции калибровки или последующей механической обработки для получения требуемой точности размеров.

Таблица 4.3. Классификация порошковых заготовок по группам сложности

По давлению прессования и площади поперечного сечения заготовки находят потребную мощность прессового оборудования.

При анализе возможности производства порошковых заготовок учитывают сложность изготовления пресс-форм, количество и трудоемкость операции, влияние конфигурации детали на равномерность плотности заготовки по всему сечению. Наиболее целесообразно изготавливать методами порошковой металлургии заготовки из цветных металлов и сплавов (1–7 групп сложности), стальные и чугунные детали крупносерийного производства (1–5 групп сложности).

Таблица 4.4. Основные технологические схемы производства заготовок

методами порошковой металлургии

На третьем этапе для сравнения с другими видами заготовок анализируют годовую программу выпуска порошковых заготовок, которая должна быть не ниже критической, коэффициент использования материала и себестоимость изготовления заготовки с учетом последующей механической обработки.

Заготовки, намечаемые для производств методами порошковой металлургии по сложности технологической подготовки их производства, можно подразделить на: заготовки, имеющие аналоги по конструктивно-технологическим признакам подобной сложности из выбранного типа КПМ, которые освоены промышленностью и могут быть полностью изготовлены по отработанной технологии; заготовки, не имеющие аналогов подобной сложности с достаточным опытом промышленного изделия, для которых требуется проверка отдельных технологических решений; заготовки, не имеющие аналогов по конструктивно-технологическим признакам из выбранного типа КПМ с каким-либо опытом промышленного внедрения. Для производства заготовок первой категории могут быть использованы типовые или групповые технологические процессы, для заготовок третьей категории необходима разработка новых технологических процессов, а в ряде случаев проведение научно-исследовательских работ. В меньшем объеме такие работы проводятся при технологической подготовке производства заготовок второй категории.

Проектирование заготовок из порошковых материалов

Перед оформлением чертежа порошковой заготовки необходимо тщательно проанализировать технологичность ее конструктивных форм.

С усложнением формы прессуемой заготовки затрудняется достижение равномерной плотности во всех ее частях. При прессовании перемещение частиц порошка происходит в основном только в направлении, параллельном давлению прессования. Поэтому приходится применять составные пуансоны, части которых имеют независимое друг от друга движение. Каждый переход сечения заготовки необходимо прессовать отдельным пунсоном и в отдельной части матрицы. Чем сложнее форма заготовки, тем больше переходов сечения, тем сложнее и дороже пресс-форма для изготовления заготовки. При изготовлении заготовок повышенной сложности приходится применять разрезные матрицы.

Сложность изготовления пресс-форм, их стойкость и стоимость являются определяющими факторами целесообразности изготовления заготовок методами порошковой металлургии. Иногда, особенно в условиях массового производства, для обеспечения технологичности, следует изменить конфигурацию порошковой и сопрягаемой с ней деталей. Для сохранения формы прессовки при выталкивании из пресс-формы порошковые заготовки не должны иметь конструктивных элементов, препятствующих свободному их выталкиванию (различных приливов и углублений, расположенных под углом к оси прессования, косых ребер и пр.). Следует максимально уменьшить количество изменений толщины или диаметра заготовки вдоль оси (рис. 4.19,1), Также необходимо избегать резких изменений толщины стенок (рис. 4.19, 2).

Рис. 4.19. Примеры конструкций порошковых заготовок:

а – технологично; б - нетехнологично

Толщина стенки прессовок диаметром 10–15 мм и высотой 15–20 мм должны быть не менее 1,2–1,5 мм. У более крупных заготовок минимальная толщина стенок вырастает (ориентировочно 0,8 мм на каждые 25 мм длины). При высоте прессовки меньше диаметра минимальная толщины стенки составляет 1,6 мм. Толщина донной части глухих отверстий должна быть не менее 2–3 мм. Отверстия должны располагаться на расстоянии не менее 2–3 мм от края заготовки и друг от друга. При толщине стенок или фланцев до 2,5 мм их наружные углы закругляют, а при больших толщинах выполняют фаску под углом 45°. У основания конических поверхностей предусматривают цилиндрический поясок шириной не менее 0,5 мм. В конструкциях заготовки рекомендуется избегать применения узких и длинных выступов (рис. 4.19, 3), длинных и узких выемок (рис. 7.2, 4), ширина таких выступов и выемок должна быть не менее 3–4 мм, обратной конусности (рис. 7.2, 5), острых углов (рис. 7.2, 6) и других форм, приводящих к ослаблению пресс-форм. Необходимо предусматривать небольшие площадки на концах скосов и углов, что позволит притупить острые углы на торцах пуансонов. При сопряжении поверхностей следует предусматривать радиус закругления не менее 0,25 мм для внутренних и не менее 2,5 мм для наружных поверхностей. Скругленные углы способствуют снижению сопротивления перемещения порошка в полости матрицы.

Рекомендуется заменять фигурные отверстия в деталях круглыми (рис. 4.19, 7), что удешевляет и упрощает конструкцию пресс-формы. В прямоугольных отверстиях для облегчения перемещения порошка углы выполняют закругленными. Вместо косоугольной насечки следует проектировать крупную прямоугольную, которую легче можно выполнить в пресс-форме.

Следует избегать применения радиальных канавок (рис. 7.2, 8), выемок или отверстий, расположенных перпендикулярно к оси прессования (рис. 7.2, 9). Если же такие элементы формы необходимы, то их следует получать механической обработкой резанием после спекания прессовки.

Фланцы, расположенные на небольшом расстоянии от края цилиндра, лучше прессовать более толстыми с припуском под обтачивание после спекания. Резанием обрабатывают также внутреннюю и наружную резьбы. Выемки или радиальные канавки, расположенные параллельно оси прессования, могут быть выполнены пресс-инструментом. Ступицы шестерен следует выполнять на 2–3 мм меньше диаметра окружности впадин (рис. 7.2, 10). В случаях, когда это возможно, следует заменять криволинейные и непараллельные поверхности параллельными. Это, в частности, относится к деталям, которые ранее изготовлялись литьем ли ковкой. В зависимости от удобства прессования углубления и пазы целесообразно заменять выступами (рис. 7.2, 11) или пазы заменять углублениями (рис. 7.2,12). В целях облегчения выталкивания прессовок, особенно фланцев, из пресс-форм, их следует выполнять с конусностью К =0,007ч, где ч – упругие последействия по диаметру, %.

При изготовлении изделий сложной формы, получение равномерного распределения плотности в которых затруднительно, части изделия формируются отдельно, а затем их соединяют в одно целое при спекании или пропитке легкоплавким металлом. Если деталь имеет длинную выступающую часть, то для увеличения жесткости ее прессуют с дополнительными ребрами.

Точность заготовок, получаемых методами порошковой металлургии

При прессовании в закрытых пресс-формах получают заготовки заданной формы и размеров. Однако допуски на их размеры по длине и поперечному сечению более высокие по сравнению с точной механической обработкой. Точность изготовления порошковых заготовок зависит от точности пресса, пресс-форм, стабильности упругих последействий при холодном прессовании и объемных изменений при спекании, износа пресс-форм, роста линейных размеров полуфабрикатов и изделий при хранении и т. д. Упругое последействие зависит от ряда технологических факторов: дисперсности и формы частиц порошка, содержания оксидов, твердости материала частиц, давления, прессования, наличия смазок и пр. Упругое последействие в заготовках из порошков хрупких и твердых материалов всегда больше, чем в изделиях из мягких и пластичных порошков. Оно сильнее проявляется по высоте заготовок (до 5–6 %), чем по диаметру (не более 2–3 %). Упругое последействие облегчает снятие заготовок с пуансона за счет увеличения охватывающих размеров, но препятствуют их извлечению из пресс-форм при наличии всевозможных выступов, ребер и пр.

Точность размеров холоднопрессованных брикетов при уплотнении «по давлению» соответствует для высотных размеров 12–14-му квалитетам, для диаметральных – 6–8-му квалитетам; при уплотнении с ограничителем для высотных размеров точность соответствует 12-му квалитету, для диаметральных – 8–11-му квалитету. Спекание приводит к снижению точности размеров на 1–2 квалитета.

Точность геометрической формы и взаимного расположения поверхностей прессовок (круглость, соосность) практически не зависят от схемы прессования и определяются в основном точностью пресс-форм. Поэтому точность изготовления пресс-форм должна быть на 1 квалитет выше заданной точности порошковых заготовок.

Распределение отклонений от номинальных диаметральных размеров деталей типа втулок при уплотнении «по давлению» подчиняется нормальному закону, дисперсия которого зависит от точности изготовления деталей пресс-формы. Дисперсия нормального закона для соосности втулок численно равна зазору между подвижными деталями пресс-форм. При изготовлении заготовок с точностью по 6–7-му квалитету для обеспечения их точности по соосности пресс-формы изготавливают по 3–6-му квалитету. При этом рекомендуются следующие минимальные зазоры между подвижными элементами: при диаметре изделий 18 мм – 4–14 мкм; 26 мм – 4–18 мкм; 45мм – 8–26 мкм. При использовании пресс-формы с шероховатостью формообразующих поверхностей Ra=2,5–0,02 мкм достигается шероховатость холоднопрессованных брикетов Rа=5,0–0,16 мкм. Шероховатость спеченных изделий составляет Ra=2,5–0,8 мкм.

Для повышения точности пористых порошковых заготовок применяют калибрование путем обжатия их после спекания в калибровочных пресс-формах при припуске 0,5–1,0%. Усилие при калибровке составляет 10–25 % усилия холодного прессования. Упругое расширение после калибрования достигает 0,1 %. Отклонения диаметральных размеров калиброванных изделий от соответствующих размеров матрицы или стержня калибрующей пресс-формы не превышает 5–10 мкм.

Калиброванию подвергаются наружные и внутренние поверхности заготовок.

Технико-экономическая эффективность применения порошковых заготовок

Методы порошковой металлургии позволяют экономить трудовые и материальные ресурсы в машиностроении и при эксплуатации машин. В ряде случаев порошковые конструкционные материалы по своим уникальным свойствам не имеют аналогов и позволяют обеспечивать выпуск качественно новой продукции.

Экономическая эффективность изготовления порошковых заготовок тем больше, чем больше их серийность. Поэтому такая технология доступна только при годовой программе выпуска в несколько тысяч штук. Опыт промышленности показывает, что заготовки из литья и проката черных металлов целесообразно переводить на изготовление из порошков при серийности 10 000 шт., а заготовки из цветных металлов – при серийности 2000–3000 шт.

6. Заготовки из пластмасс

Пластмассы, их свойства и области применения

Пластмассы обладают рядом ценных качеств, благодаря которым их удельный вес в машиностроении имеет тенденцию к возрастанию. К основным эксплуатационным достоинствам пластмасс относятся: малая плотность, высокая демпфирующая способность, сравнительно высокая стойкость к агрессивным средам, высокие электро-, тепло-, звукоизоляционные, фрикционные и другие свойства.

К технологическим достоинствам пластмасс относятся простота и легкость получения заготовок сложной формы при невысоких (по сравнению с металлами) температурах формообразования, технологическая простота армирования пластмассовых деталей металлическими элементами, высокая точность получаемых размеров, не требующая во многих случаях механической обработки, отличная обрабатываемость резанием.

В то же время пластмассы обладают весьма существенными недостатками: пониженные механические характеристики прочности, в частности, контактной (стальные зубчатые передачи способны испытывать в 3–3.5 раза большие контактные напряжения чем пластмассовые), невысокий температурный режим эксплуатации, ограниченность в размерах, обусловленная невозможностью изготовить пресс-форму огромных размеров, высокая стоимость, в 3...85 раз превосходящая стоимость черных металлов.

По поведению при нагревании пластмассы делят на две основные группы: термореактивные (реактопласты) и термопластические (термопласты). Реактопласты при нагревании вначале переходят в вязкотекучее состояние, а затем превращаются в необратимые, неплавкие и нерастворимые вещества. В отличие от них термопласты при нагревании и охлаждении способны многократно переходить из твердого состояния в вязкотекучее и обратно.

Как термореактивные, так и термопластические пластмассы имеют множество различных названий и марок, отличающихся по своим физическим, механическим, технологическим и эксплуатационным свойствам.

Несмотря на присущие недостатки из пластмасс изготовляют довольно большую номенклатуру деталей: зубчатые колеса, звездочки, штурвалы, рычаги, корпусы, кронштейны, втулки, крышки, колпаки, крепежные и другие детали.

Способы изготовления заготовок из пластмасс

Существует несколько способов изготовления заготовок из пластмасс. Так как все они требуют дорогостоящей, специальной оснастки (пресс-форм), то областью их применения является серийное и массовое производство.

Рассмотрим краткую характеристику этих способов.

Литье под давлением является наиболее производительным способом получения деталей из пластмасс. Используется в массовом производстве заготовок простой и сложной конфигурации. Осуществляется на специальных машинах, предназначенных для расплавления пластмассы и подачи ее поршнем или шнеком под давлением 50–250 МПа в закрытую охлаждаемую пресс-форму, при раскрытии которой изделие автоматически выталкивается. Пресс-формы для литья под давлением могут быть одно- и многоместными. Применяемые при этом способе литьевые автоматизированные машины могут работать без предварительной пластификации (рис. 4.20, а) и с предварительной пластификацией исходного материала (рис. 4.20, б).

1 – пресс-форма; 2 – изделие; 3 – сопло; 4 – электронагревательное устройство; 5 – литьевой цилиндр; 5 – дозирующий плунжер; 7 – бункер; 8 – плунжер литьевого цилиндра; 9 – пластификационный шнек

Рис. 4.20. Схемы дозирующего и прессующего устройств машин для литья

под давлением без предварительной (а) и с предварительной (б) пластификацией

Исходным материалом при этом способе изготовления заготовок служат термопласты: полиамид, полиэтилен, капрон, этрол, полистирол, полипропилен, полиформальдегид, полиуретан, полихлорвинил. Подача материала осуществляется в пресс-форму, подогретую до температуры 40–80°С. Для ускорения процесса отверждения в конструкции пресс-формы обычно предусматривают водяное охлаждение. Максимальный объем отливки, получаемой под давлением, – 1200 см3.

Прямое (компрессионное) прессование применяется для производства заготовок мелких и средних размеров и осуществляется на гидравлических прессах усилием 100–10000 кН и с гидравлическим выталкиванием. Прессование может производиться в закрытых и открытых пресс-формах.

Прессование в закрытых пресс-формах осуществляется с подогревом последних до 130–180°С. Пресс-форма (рис. 4.21, а) имеет загрузочную камеру и пуансон, с помощью которого на пластичный материал передается давление 15–16 МПа. Прессование в открытых пресс-формах применяется для невысоких заготовок (рис. 4.21, б). В этом случае заготовки оформляются в матрице и пуансоне. Избыток материала отжимается по плоскости разъема и является отходом. Пресс-формы могут быть съемными и стационарными, как правило, обогреваемые и водоохлаждаемые.

1 – матрица; 2 – подвижная матрица; 3 – пуансон; 4 – изделие; 5 – избыток материала

Рис. 4.21. Съемные пресс-формы для прямого прессования:

а – закрытая; б – открытая

В качестве материалов при прессовании применяют термопласты без наполнителя, а также реактопласты (порошкообразные, волокнистые и слоистые). Заготовки, полученные литьем под давлением и прессованием, имеют гладкую поверхность, точные размеры и поверхность, не требуют дальнейшей механической обработки.

Литьевое прессование используется для производства заготовок сложной конфигурации с локальными утолщениями, с более тонкими сечениями и более глубокими отверстиями, чем у заготовок, изготовляемых прямым прессованием. Исходным материалом при этом способе служат пресс-порошки, волокниты и термореактивные материалы с порошковыми и мелковолокнистыми наполнителями. Существует две разновидности литьевого прессования: с верхней и нижней заливкой. При прессовании с верхней заливкой закрытие загрузочной камеры и заливка материала в полость матрицы происходят при опускании пуансона. Эта разновидность литья применяется для изделий, требующих разъема матрицы при их удалении (рис. 4.22, а). Она осуществляется в обогреваемых пресс-формах со съемными матрицами на гидравлических прессах. При прессовании с нижней заливкой закрытие пресс-формы происходит при опускании верхнего поршня, а заливка материала, расплавленного в загрузочной камере, осуществляется при подъеме нижнего выталкивающего поршня (рис. 4.22, б). При этом используются стационарные обогреваемые пресс-формы, устанавливаемые на гидравлические прессы с верхним и нижним давлением одновременно.

1 – корпус; 2 – матрицы; 3 – загрузочная камера; 4 – пуансон; 5 – изделие;

6 – выталкивающая система

Рис. 4.22. Пресс-формы для литьевого прессования с верхней (а) и нижней (б)

загрузочной камерой

Дутьевое (пневматическое) формование используется для производства заготовок открытого типа (крышки, контейнеры, корыта и др.) из листовых термопластов толщиной 1,5–4 мм. В качестве исходных материалов используют, например, оргстекло, винипласт, полиэтилен, полистирол. Различают негативное и позитивное пневматическое формование. Негативное формование осуществляется давлением сжатого воздуха на предварительно разогретый до размягчения листовой материал, уложенный на форму-матрицу (рис. 4.23, а). Заготовка приобретает форму матрицы с помощью сжатого воздуха. Для заготовок типа сфер формовка может осуществляться без матрицы. Процесс осуществляется на столе, оборудованном устройством для обогрева.

1 – матрица; 2 – заготовка в процессе формования; 3 – прижимная плита; 4 – пуансон

Рис. 4.23. Схема дутьевого формования:

а – негативного; б – позитивного

Позитивное формование применяется для глубокой вытяжки, которая осуществляется пуансоном с последующей раздувкой сжатым воздухом, подаваемым через пуансон. Осуществляется на столе с поворотной плитой обогрева и пневматическим прессом. В качестве оснастки здесь применяется форма-матрица с прижимным пуансоном (рис. 4.23, б).

Вакуумное формование используется для неглубокой вытяжки крупногабаритных заготовок панельного типа. Изделие формуется вакуумным всасыванием предварительно размягченного листа в матрицу, а выталкивается сжатым воздухом. Исходный материал – листовой термопласт толщиной 1,5–3 мм. Формование осуществляется на вакуум-формовочных машинах в комплексе с компрессором, вакуум-насосом, термоэкраном для подогрева исходной заготовки и специальной вакуумной формой (рис. 4.24).

1 – матрица; 2 – заготовка; 3 – плита разогрева; 4 – прижимная плита; 5 – деталь

Рис. 4.24. Схема вакуумного формования:

а – разогрев материала; б – отсос воздуха; в – выталкивание изделия сжатым воздухом;

Комбинированное формование является одновременно негативным и позитивным. Применяется для изделий сложной конфигурации с поднутрениями, а также при глубокой вытяжке. Исходный материал — листовой термопласт толщиной 2–4 мм. Формование осуществляется на специальных машинах, оснащенных опокой с прижимным кольцом и пуансоном для позитивного формования.

Экструзия (выдавливание) используется для производства профильной заготовки неограниченной длины, а также для нанесения пластмассовой изоляции на проволоку. Осуществляется на различного типа шнековых экструзионных машинах.

Помимо перечисленных специфических операций заготовки из реактопласта и термопласта толщиной до 6,5 мм можно получать штамповкой (вырубка, гибка, отбортовка, пробивка отверстий и др.). Штамповка пластмасс требует предварительного подогрева исходной заготовки и осуществляется на гидравлических и механических прессах, оборудованных штампами, приспособлениями для нагрева, гибки и отбортовки.

Иногда для создания весьма сложных, пластмассовых заготовок (например, корпусных деталей) прибегают к поэлементному созданию заготовки одним из вышеперечисленных способов с последующей сваркой составных частей, осуществляемой с помощью специальных нагревательных устройств.

Проектирование заготовок из пластмасс

Проектирование заготовок из пластмасс и отработка на технологичность обусловлены способностью последних заполнять полости прессформы и извлекаться из них после затвердевания. Поэтому конструктор должен знать основные рекомендации, выработанные практикой, по оформлению толщин стенок, радиусов закруглений, наружных и внутренних поверхностей, мелких конструктивных элементов типа утолщений, облегчений, отверстий, резьб и пр., которые, как правило, вытекают из возможностей технологии.

Толщина стенок. При проектировании пластмассовых заготовок необходимо обеспечить их равностенность. На рис. 4.25 приведены примеры создания равностенных заготовок за счет ликвидации локальных утолщений и снижения толщины стенок. С увеличением толщины сиенок возрастает продолжительность выдержки и опасность коробления в процессе прессования. При литье под давлением в толстых сечениях образуется воздушная и усадочная пористость. Рекомендуемые толщины стенок приведены в табл. 4.5. При прессовании – малогабаритных заготовок из стекловолокнистых материалов и литье под давлением полиамидов, толщину стенок можно уменьшить до 0,3 мм, так как эти материалы имеют повышенные механические свойства.

Прочность и жесткость деталей рекомендуется повышать путем применения ребер жесткости (рис. 4.26, а, б), толщина которых в наибольшем сечении не должна превышать толщину стенки (рис. 4.26, в). Для круглых деталей не рекомендуются концентричные и сплошные радиальные ребра жесткости, так как они препятствуют усадке.

Рис. 4.25. Примеры устранения локальных утолщений на технологичных (а) и нетехнологичных (б) конструкциях

Рис. 4.26. Повышение прочности дета- лей с помощью ребер жесткости: а и б – нетехнологичные и технологичные конструкции; в – рекомендуемая конфигурация сечения ребер жесткости

Таблица 4. 5. Толщина стенок пластмассовых заготовок

Радиусы закруглений в местах сопряжения поверхностей улучшают заполняемость пресс-форм и внешний вид деталей. Острые кромки допускаются только на поверхностях, по которым проходит плоскость разъема пресс-формы. После зачистки заусенца на этих кромках образуются фаски величиной 0,2–0,3 мм.

Прочность корпусных деталей повышается при плавном утолщении стенок в местах закругления (рис. 4.27), которое достигается сопряжением наружных и внутренних поверхностей равными радиусами R со смещенным центром. Радиус R должен быть больше половины толщины стенки . Для термореактивных материалов минимально допустимое значение радиуса закругления 0,5 мм, для термопластических материалов с повышенной вязкостью типа полистирола или полиметилметакрилата допустимо 0,8 мм.

Рис. 4.27. Примеры оформления радиусов закруглений:

а  – нетехнологично; б – технологично

На наружных и внутренних боковых поверхностях стенок следует предусматривать технологические уклоны в направлении плоскости разъема (рис. 4.28), облегчающие удаление деталей из пресс- формы. Величина уклона (табл. 4.6) влияет на размерную точность элементов заготовки, лежащих в плоскости разъема или перпендикулярных направлению перемещения подвижных частей пресс-формы.

Рис. 4.28. Расположение технологических уклонов в зависимости от направления разъема пресс-формы

Таблица 4.6. Рекомендуемые уклоны для различных поверхностей пластмассовых заготовок

Оформление поверхностей. На боковых поверхностях пластмассовых деталей недопустимы поднутрения, препятствующие разъему пресс-формы и извлечению изделия (рис. 4.29, а). Бобышки на наружных боковых поверхностях (рис. 4.29, б) допустимы только при дополнительном вертикальном разъеме, что значительно усложняет конструкцию пресс-формы. Примеры устранения поднутрений и выступов показаны на рис. 4.29, в.

Опорные поверхности рекомендуется заменять опорными площадками, буртиками, выступами по периметру (рис. 4.30), что повышает жесткость деталей, снижает их коробление и способствует плотному прилеганию сопрягаемых поверхностей.

Рис. 4.29. Примеры ликвидации внешних и внутренних поднутрений: а, б – нетехнологичные конструкции; в – технологичные конструкции

Рис. 4.30. Оформление опорных поверхностей нетехнологичных (а) и технологичных (б) конструкций

С целью облегчения удаления заусенца следует уменьшать число плоскостей разъема и располагать линию образования заусенца на участках простой конфигурации.

Отверстия. Размеры отверстий в пластмассовых заготовках назначают так же, как и для металлических изделий. При этом необходимо учитывать возможность появления напряжений вследствие затрудненной усадки. Допустимая глубина отверстия зависит от метода изготовления деталей. Рекомендуемые минимальные значения диаметра отверстия dmin при глубине h2d: для полиамидов – 0,5 мм; прочих термопластов – 0,8 мм; стекловолокнитов – 1,0 мм; пресс-порошков – 1,5 мм; текстолитов – 2,5 мм.

Резьба. Прессованием и литьем можно изготовить резьбовые элементы деталей, не требующие последующей механической обработки. Не рекомендуется для пластмассовых деталей прямоугольные резьбы и резьбы с шагом менее 0,4 мм вследствие их недостаточной прочности. Минимально допустимый диаметр резьбы для заготовок из термопластов и волокнистых пресс-материалов 2 мм, а для деталей из пресс-порошков – 3 мм. Желательно, чтобы длина резьбы не превышала двух ее диаметров.

Армирование пластмасс металлическими элементами значительно повышает область применения пластмассовых изделий. Наиболее распространенная арматура: штифтовая (гладкие и резьбовые шпильки, винты), втулочная (гладкие и резьбовые втулки), плоская (лепестки, контакты) и проволочная. Для предупреждения проворачивания или вырыва из изделия на штифтовой арматуре делают накатку и кольцевые выточки, на плоской – отверстия или вырезы, на проволочной – расплющивание или изгиб арматуры.

Чтобы предупредить возникновение трещин, сечение металлической арматуры должно быть небольшим по сравнению с сечением пластмассы и располагаться симметрично относительно последнего. Арматура не должна находиться близко к краю или к поверхности заготовки во избежание появления вздутий пластмассы.

Надписи и рисунки на пластмассовых заготовках следует делать выпуклыми, что упрощает изготовление пресс-формы. С целью устранения выкрашивания высота шрифта или рисунка не должна превышать 0,2 мм. Если требуется увеличить высоту шрифта, надпись утапливается ниже поверхности заготовки.

Точность, шероховатость и припуски на обработку заготовок из пластмасс

Точность размеров заготовок из пластмасс зависит от усадочной деформации и размерной стабильности материала. При оценке точности размеров заготовок из пластмасс необходимо учитывать дополнительно влияние технологических уклонов, которые могут назначаться на поверхности заготовки, параллельные направлению замыкания формы.

Точность для размеров элементов заготовок, оформляемых в одной части формы, может находиться в пределах 7–.17 квалитетов. При этом наиболее высокая точность достигается у мелких заготовок (1–50 мм), изготовленных из материалов с минимальным колебанием усадки (до 0,1 %) и нулевым технологическим уклоном. Точность изготовления заготовок из различных материалов приведена в табл. 4.7.

Таблица 4.7. Точность изготовления заготовок из пластмасс

Допуски и посадки на гладкие детали из пластмасс размерами 1–500 мм, сопрягаемые с металлическими или пластмассовыми деталями, регламентированы стандартами. При этом следует помнить, что предельные отклонения и допуски установлены для деталей, работающих при температуре 20°С и относительной влажности воздуха 65 %. Пластмассы по сравнению с металлами отличаются большей размерной чувствительностью. Поэтому эксплуатация пластмассовых сопряжений в условиях значительных перепадов температур нежелательна.

Шероховатость поверхности пластмассовых заготовок зависит от качества обработки пресс-форм, вида наполнителя и технологических режимов формования. Параметр шероховатости поверхности заготовок, изготовляемых литьем под давлением и прессованием, соответствует Ra= 0,32–1,25 мкм, а в отдельных случаях достигает Ra =0,08–0,32 мкм. На шероховатость поверхности в значительной мере влияет износ оформляющих элементов пресс-формы.

При механической обработке качество поверхности пластмассовых изделий ухудшается. Параметр шероховатости поверхностей, обработанных режущим инструментом, обычно соответствуют Rz =40–20 мкм и определяется чертежом.

Если на рабочих поверхностях детали требуемую точность получить невозможно или экономически нецелесообразно, то на такие поверхности должны быть оставлены припуски, которые зависят от обрабатываемого материала, формы и размеров заготовки. Ориентировочные границы значений припусков для различных материалов колеблются в пределах: при точении – 0,1–2,5, при фрезеровании – 1–4, при шлифовании – 0,5–0,4 мм.

Контрольные вопросы

1. Каковы особенности и технологические возможности основных способов сварки?

2. Каков порядок проектирования сварных заготовок?

3. Какие факторы учитывают при проектировании сварных заготовок?

4. От чего зависит свариваемость металлов и сплавов?

5. Перечислите рекомендации по обеспечению технологичности конструкций сварных заготовок.

6. Какие факторы определяют целесообразность применения комбинированных заготовок?

Контрольные вопросы

1. Какими преимуществами обладает производство заготовок методами порошковой- металлургии?
2. На какие виды подразделяют порошковые конструкционные материалы в зависимости от условий эксплуатации?
3. Какие требования необходимо выдержать при конструировании заготовок из порошковых материалов?
4. Какие факторы влияют на точность заготовок и деталей, получаемых методами порошковой металлургии?
5. Какие факторы определяют целесообразность применения заготовок из порошковых конструкционных материалов?

Контрольные вопросы

1. Перечислите достоинства, недостатки и область применения пластмасс.

2. Дайте характеристику реактопластов и термопластов. В чем их принципиальное отличие?

3. Перечислите и охарактеризуйте способы изготовления заготовок из пластмасс.

4. Какие требования предъявляются к конструктивному оформлению поверхностей стенок, радиусов закруглений, отверстий, резьб и чем обусловлены эти требования?

5. Назовите факторы, влияющие на размерную точность и шероховатость поверхностей заготовок из пластмасс.

6. В каких случаях и в каких пределах назначают припуски на механическую обработку заготовок из пластмасс?

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО СВАРНЫХ ЗАГОТОВОК. ЗАГОТОВКИ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. ЗАГОТОВКИ ИЗ ПЛАСТМАСС