Реферат на тему «Основные способы обработки материалов»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1 Литейное производство
2 Термомеханическая обработка металла
3 Прокатка металлов
4 Волочение металла
5 Прессование металла
6 Ковка и штамповка металла
7 Обработка металлов давлением
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Металлы наряду со способностью деформироваться обладают высокими прочностью и вязкостью, хорошими тепло- и электропроводностью. При сплавлении металлов в зависимости от свойств составляющих компонентов создаются материалы с высокой жаростойкостью и кислотоупорностью, магнитными и другими полезными свойствами.
Металлургическое производство подразделяется на две основные стадии. В первой получают металл заданного химического состава из исходных материалов. Во второй стадии металлу в пластическом состоянии придают ту или иную необходимую форму при практически неизменном химическом составе обрабатываемого материала.
Способность металлов принимать значительную пластическую деформацию в горячем и холодном состоянии широко используется в технике. При этом изменение формы тела осуществляется преимущественно с помощью давящего на металл инструмента. Поэтому полученное изделие таким способом называют обработкой металлов давлением или пластической обработкой [1].
Обработка металлов давлением представляет собой важный технологический процесс металлургического производства. При этом обеспечивается не только придание слитку или заготовке необходимой формы и размеров, но совместно с другими видами обработки существенно улучшаются механические и другие свойства металлов.
Прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка представляют собой различные виды обработки металлов давлением в пластическом состоянии.
Цель работы – изучить основные способы обработки материалов.

1 Литейное производство

Литейное производство заключается в получении изделий путем заливки расплавленного металла в литейную форму, полость которой соответствует конфигурации требуемой литой заготовки или детали (отливки).
Литейные формы делятся на:
— разовые формы, изготовленные из смеси песка и глины, однократно заполняемые металлом;
— многократные формы, изготовленные из металла или огнеупорных материалов. Они служат длительное время и являются постоянными.
Разовые формы газопроницаемы и податливы, но отливки, получаемые в них, имеют крупнозернистую структуру и не очень высокую точность размеров.
Многократные формы плохо пропускают газы и практически не сжимаются под действием отливок, но отливки получаются с мелкозернистой структурой и имеют более точные размеры и форму.
Металл заливается в литейную форму через каналы, называемые литниковой системой. Литниковая система обеспечивает плавное равномерное течение металла при заполнении формы и подпитку жидким металлом утолщенных мест отливки в период остывания с целью компенсации усадки и исключения возможности появления рыхлот, трещин и недоливов.
Заполнение формы металлом может быть свободным — под действием силы тяжести металла или принудительным — под действием давления или центробежных сил [4].
После затвердевания металла во внутренней полости формы получается отливка. Наружные очертания отливки образуются стенками полости формы, а внутренние отверстия, пустоты и каналы в отливках при помощи вставок (стержней), которые после кристаллизации отливки извлекают из нее. Стержни устанавливают внутрь литейной формы в процессе ее сборки перед заполнением металлом.
Отливки, как правило, являются заготовками и подвергаются дальнейшей обработке для получения требуемых точных размеров, геометрической формы и чистоты поверхности. Литейное производство имеет ряд достоинств. Оно позволяет получать отливки различных размеров и веса, самой разнообразной конфигурации, с небольшими припусками на обработку. Методом литья можно изготавливать изделия сложной формы, которые другими видами обработки получить трудно или невозможно. Однако по сравнению с поковками, получающимися при ковке и штамповке, отливки обычно более пористы и отличаются неоднородностью химического состава.
Для снижения металлоемкости и трудоемкости изготовления отдельные детали сборочных единиц вагонов производят из литых заготовок — отливок.
Литьем можно получать заготовки сложной конфигурации с минимальными припусками на обработку и детали, не требующие дальнейшей механической обработки (детали автосцепки, боковые рамы тележек грузовых вагонов и др.) [2, 8].
Значительную долю мелких деталей вагонов получают способами точного литья. Мелкие детали из стали отливают в корковые формы, полученные по выплавляемым моделям. Изделия из сплавов алюминия получают литьем под давлением в металлические формы.
Модельный комплект литья представлен на рисунке 1 и включает в себя: опоки, модели или шаблоны, подмодельные плиты, стержневые ящики

Рисунок 1 — Модельный комплект и литейная форма: а — модель; б — литейная форма в разрезе; в — отливка втулки; г — обработанная втулка
Процесс изготовления литейной формы называется формовкой. Для получения отливки модель заформовывается в опоках. Затем опоки разнимают и модель удаляют. В образовавшуюся полость, в то место, где должно быть отверстие в отливке, укладывается стержень. Форму собирают. Через приготовленные в литейной форме каналы литниковой системы заливается расплавленный металл. После затвердевания металла отливка вместе с литниковой системой извлекается из формы. Литниковая система обрубается и отливка очищается [5].
Также различают литье в разовые песчано-глинистые формы, литье в формы, изготавливаемые из ХТС, литье по выплавляемым моделям, литье по газифицируемым моделям, литье черных металлов и сплавов (сталь, чугун).

2 Термомеханическая обработка металла

Пластическое деформирование и термическая обработка меняют свойства металлов. Объединение этих операций, максимальное их сближение и создание единого процесса термомеханической обработки обеспечивают заметное повышение механических характеристик, что позволяет экономить до 15…40% металла и более или увеличить долговечность изделий [1].
Длительное время пластическую обработку рассматривали в основном как операцию формирования, хотя известно, что 10…20% энергии, затрачиваемой на деформацию, идет на увеличение внутренней энергии дефектов кристаллической решетки. Перед окончательной термической обработкой от этой накопленной энергии освобождались и только после этого выполняли термические операции, приводившие металл к метастабильному состоянию с высокой прочностью и вязкостью. Между тем совмещение пластической деформации и фазовых (структурных) превращений или их сочетание в определенной последовательности вызывает повышение плотности дислокации, изменяет наличие вакансий и дефектов упаковки и может быть использовано для создания оптимальной структуры металла и формирования важнейших свойств — прочности и вязкости. Это совмещение пластической деформации и термического воздействия, целью которого является формирование требуемой структуры обрабатываемого тела, называют термомеханической обработкой (ТМО) [3].
ТМО стали выполняется главным образом по трем схемам: высокотемпературная (ВТМО), низкотемпературная (НТМО) и предварительная термомеханическая обработка (ПТМО).

3 Прокатка металлов

Прокатка металлов является таким видом пластической обработки, когда исходная заготовка обжимается вращающимися валками прокатного стана в целях уменьшения поперечного сечения заготовки и придания ей заданной формы. Существует три основных способа прокатки: продольная, поперечная, поперечно-винтовая (или косая).
Хотя сортамент прокатных изделий весьма обширен, все же представляется возможным весь прокат разбить на следующие основные четыре группы: сортовой, листовой, трубы, специальные виды проката (бандажи, колеса, периодические профили и пр.). Наиболее разнообразной является группа сортового проката, который подразделяется на простые и фасонные профили. Прокат в виде круга, квадрата, полос плоского сечения относится к простым профилям. Прокат сложного поперечного сечения относится к фасонным профилям [4]. В зависимости от назначения фасонные профили подразделяются на профили общего или массового потребления (угловой профиль, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные профили и др.) и профили специального назначения (рельсы железнодорожные широкой и узкой колеи, рельсы трамвайные, профили сельскохозяйственного машиностроения, электропромышленности, нефтяной промышленности и др.). В прокатных цехах производят более 1600 размеров простых профилей, более 1100 фасонных профилей общего потребления и примерно 1350 размеров профилей специального назначения.
Прокатка-способ обработки давлением, при котором металл деформируется путем обжатия его между двумя вращающимся валками (прокатного стана).
Прокатке подвергают до 80 – 90 % всей выплавляемой стали и до 50 – 60 % выплавляемого цветного металла. Широкое применение прокатки объясняется рядом преимуществ ее по сравнению с другими видами ОМД (прессованием, волочением), а также высокой производительностью и меньшей стоимостью изготовления изделий [6].
Различают три основных вида прокатки:
1) Продольную прокатку. Валки вращаются в этом способе в разные стороны. Это наиболее распространенный способ. Применяется для изготовления профильного и листового проката.
2) Поперечную прокатку. Валки вращаются в одну сторону и придают вращение заготовке, которая формируется вдоль оси валков. Используется для изготовления круглых профилей.
3) Поперечно-винтовую. Валки располагаются под углом друг к другу, вращаясь в разные стороны. Заготовка получает вращательное и поступательное движение. Применяется для получения бесшовных труб и проката с периодическим профилем.

4 Волочение металла

Волочение металла — это протягивание изделия круглого или фасонного профиля через отверстие волочильного очка (волоку), площадь выходного сечения которого меньше площади сечения исходного изделия. Волочение выполняется тяговым усилием, приложенным к переднему концу обрабатываемой заготовки. Данным способом получают проволоку всех видов, прутки с высокой точностью поперечных размеров и трубы разнообразных сечений.
Обработка металла волочением находит широкое применение в металлургической, кабельной и машиностроительной промышленности. Волочением получают проволоку с минимальным диаметром 0,002 мм, прутки диаметром до 100 мм, причем не только круглого сечения, трубы главным образом небольшого диаметра и с тонкой стенкой. Волочением обрабатывают стали разнообразного химического состава, прецизионные сплавы, а также практически все цветные металлы (золото, серебро, медь, алюминий, и др.) и их сплавы. Изделия, полученные волочением, обладают высоким качеством поверхности и высокой точностью размеров поперечного сечения. Если изделию требуется придать в основном эти характеристики, то такой вид обработки называют калибровкой [8].
Волочение чаще всего выполняют при комнатной температуре, когда пластическую деформацию большинства металлов сопровождает наклеп. Это свойство в совокупности с термической обработкой, используют для повышения некоторых механических характеристик металла. Так, например, арматурная проволока диаметром 3…12 мм из углеродистой конструкционной, стали (0,70…0,90%С) при производстве ее волочением обеспечивает предел прочности 1400… 1900 МПа и предел текучести 1200… 1500 МПа.
Волочение выгодно отличается от механической обработки металла резанием (строганием), фрезерованием, обточкой и пр., так как при этом отсутствуют отходы металла в виде стружки, а сам процесс заметно производительнее и менее трудоемок.
Волочением можно изготовлять полые и сплошные изделия часто сложного поперечного сечения, производство которых другими способами не всегда представляется возможным (например, тонкие изделия, прутки значительной длины).
При волочении ряда профилей (квадратный, треугольный, шестиугольный и др.) используют составные волоки, которые отличаются высокой универсальностью, так как в одной и той же волоке, меняя профиль отверстия соответствующей перестановкой отдельных пластин, можно получать различные размеры профиля. Кроме составных волок при производстве прутков и главным образом труб применяют шариковые и роликовые волоки. При получении профилей сложной формы применяют дисковые волоки, в которых рабочие поверхности волочильного канала образуются поверхностями свободно вращающихся дисков (неприводных валков-роликов) [5].

5 Прессование металла

Прессование металла — это вытеснение с помощью пуансона металла исходной заготовки (чаще всего цилиндрической формы), помещенной в контейнер, через отверстие матрицы. Этот способ пластической обработки находит широкое применение при деформировании, как в горячем, так и в холодном состоянии металлов, имеющих не только высокую податливость, но и обладающих значительной природной жесткостью, а также в одинаковой мере применим для обработки металлических порошков и неметаллических материалов (пластмасс и др.).
Прессованием изготовляют прутки диаметром 3…250 мм, трубы диаметром 20…400 мм при толщине стенки 1,5…12 мм, полые профили с несколькими каналами сложного сечения, с наружными и внутренними ребрами, разнообразные профили с постоянным и изменяющимся (плавно или ступенчато) сечением по длине. Профили для изготовления деталей машин, несущих конструкций и других изделий, получаемые прессованием, часто оказываются более экономичными, чем изготовляемые прокаткой, штамповкой или отливкой с последующей механической обработкой. Кроме того, прессованием получают изделия весьма сложной конфигурации, что исключается при других способах пластической обработки [1, 9].
К основным преимуществам прессования металла относятся: возможность успешной пластической обработки с высокими вытяжками, в том числе малопластичных металлов и сплавов; возможность получения практически любого поперечного сечения изделия, что при обработке металла другими способами не всегда удается; получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матрицы; производство изделий с высокими качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения, что во многих случаях превышает принятую точность при пластической обработке металла другими способами (например, при прокатке). К недостаткам получения изделий прессованием следует отнести: повышенный расход металла на единицу, изделия из-за существенных потерь в виде пресс-остатка; появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических и других свойств по длине и поперечному сечению изделия; сравнительно высокую стоимость прессового инструмента [3].

6 Ковка и штамповка металла

Ковка и штамповка металла включает такие процессы получения изделий, как ковка, объемная горячая штамповка и штамповка листового и пруткового материала в холодном состоянии.
При ковке деформирование заготовки осуществляется с помощью универсального подкладного инструмента или бойков. Бойки чаще всего бывают плоскими, однако применяют вырезные и закругленные бойки. Нижний боек обычно неподвижен, верхний совершает возвратно-поступательное движение. В результате многократного и непрерывного воздействия инструмента заготовка постепенно приобретает необходимую форму и размеры.
При объемной штамповке придание заготовке заданной формы и размеров осуществляется путем заполнения металлом рабочей плоскости штампа.
Листовая штамповка является таким видом пластической обработки металла, когда для получения деталей типа колпачков, втулок и других в качестве исходного материала используют лист или ленту. При этом обработка выполняется без значительного изменения толщины заготовки [4].
Данными способами получают весьма разнообразные по форме и размерам изделия из металла, пластмасс и других материалов с различными степенями точности размеров, механическими и другими характеристиками и качеством поверхности. Поэтому ковочно-штамповочное производство находит широкое применение в машиностроении и приборостроении, в производстве предметов народного потребления и других отраслях народного хозяйства. Получение изделий ковкой и штамповкой позволяет максимально приблизить исходную форму заготовки к форме и размерам готовой детали и тем самым уменьшить или полностью исключить дорогостоящие операции с потерей металла в стружку.

7 Обработка металлов давлением

Обработка металлов давлением основана на их способности в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних сил.
Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил. Упругая деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение. При пластических деформациях атомы смещаются относительно друг друга на величины, большие межатомных расстояний, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия [8].
Холодная штамповка как технология известна достаточно давно. Ещё в конце первого тысячелетия древнерусские мастера стали применять метод холодной штамповки для производства металлической посуды. Саму холодную штамповку отличает достаточно высокое качество получаемых изделий, высокая скорость их изготовления, а также низкая цена на само изделие — разумеется, как уже было отмечено, при массовом их производстве. Холодная штамповка заключается в механическом воздействии штампа в процессе прессования листов металла, итогом которого получаются готовые изделия. Таким образом, сам штамп выступает в роли технологической насадки для прессовального механизма, его можно использовать только для одной операции. Кроме того, операции холодной штамповки легко поддаются автоматизации, в том числе могут проводиться с помощью промышленных роботов, что способно сделать производство методом холодной штамповки ещё более выгодным.
Холодная штамповка технологически подразделяется на два основных вида. Первый — это операции разъединительные, в ходе которых над листом металла проводятся операции рубки, резки, изготовления отверстий различной формы. Второй тип операций — формование, или пластическое воздействие, в ходе которых форма самой заготовки — вытяжка, выдавливание, гибка, формовка, чеканка. Иногда операции двух типов объединяют — например, производят одновременно вытяжку и рубку или гибку и обрезку. В таком случае применяются так называемые комбинированные штампы. Для операций холодной штамповки необходимо использовать металлы и сплавы, которые обладают гибкостью, пластичностью, а также дешевизной (так как в процессе рубки образуется значительное количество отходов) [10].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Высокая производительность процессов обработки металлов давлением, сравнительно низкая их энергоемкость, а также незначительные потери металла при производстве изделий выгодно отличают их по сравнению, например, с обработкой металла резанием, когда требуемую форму изделия получают удалением значительной части заготовки в стружку. Существенным достоинством пластической обработки является значительное улучшение свойств металла в процессе деформирования.
Динамичный и пропорциональный рост черной и цветной металлургии, производство изделий из металлов и сплавов пластической обработкой основываются на дальнейшем развитии теории обработки металлов давлением, являющейся научной базой разработки технологических операций получения изделий из металлов и сплавов. Теория пластической обработки металлов позволяет оценить экономическую целесообразность принятого способа деформации, выявить влияние условий обработки на свойства получаемых изделий, определить силовые и энергетические параметры процесса и указать пути их рационального изменения, дает возможность управлять процессом обработки с точки зрения улучшения способности металлов пластически деформироваться. Знание закономерностей обработки металлов давлением помогает выбирать наиболее оптимальные режимы технологических процессов, требуемое основное и вспомогательное оборудование и технически грамотно его эксплуатировать [9].
Значительно возрастает производство изделий листовой штамповкой, особенно в сочетании со сваркой, клепкой, закаткой, что при сокращении трудоемкости сборочных работ снижает массу машин без уменьшения их прочности. Получают дальнейшее развитие холодная высадка, холодная объемная штамповка, калибровка, выдавливание и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Базров, Б.М. Основы технологии машиностроения: Уч. / Б.М. Базров. — М.: Инфра-М, 2019. — 492 c.
2. Зубарев, Ю.М. Динамические процессы в технологии машиностроения. Основы конструирования машин: Учебное пособие / Ю.М. Зубарев. — СПб.: Лань, 2018. — 212 c.
3. Иванов К.М., Звонцов И.Ф., Серебреницкий П.П. Разработка технологических процессов изготовления деталей общего и специального машиностроения. — М.: Лань, 2018 — 696 с.
4. Ильянков, А.И. Основные термины, понятия и определения в технологии машиностроения: Справочник / А.И. Ильянков. — М.: Academia, 2019. — 32 c.
5. Клепиков, В.В. Основы технологии машиностроения: Учебник / В.В. Клепиков, А.Г. Схиртладзе, В.Ф. Солдатов. — М.: Инфра-М, 2018. — 224 c.
6. Кондаков А.И. Курсовое проектирование по технологии машиностроения: учебное пособие/ А.И. Кондаков — М.: КНОРУС, 2021. — 400 с.
7. Косилова А.Г. Справочник технолога машиностроителя. В 2-х томах. М.: Машиностроение, 2003.
8. Основы технологии машиностроительного производства/В.У. Мнацаканян [и др].; под. ред. Тимирязева В.А. В двух книгах. Владимир: Издательство Владимирского гос. универ-та. Владимир, 2019 г.
9. Суслов, А.Г. Основы технологии машиностроения (для бакалавров) / А.Г. Суслов. — М.: КноРус, 2018. — 384 c.
10. Технология машиностроения: учебник /В.У. Мнацаканян [и др].; под ред. В.А. Тимирязева; Владим. Гос. ун-т имени Александра и Николая Григорьевича Столетовых. – Владимир: Изд-во ВлГУ, 2013. – 524 с.