Лекция 1-2 (Лекции 1-4)

Лекция № 1

1.1. Цели, задачи и основные разделы курса технологии

конструкционных материалов (ТКМ)

Уровень жизни современного человеческого общества прежде всего определяется эффективностью производства, характеризуемой повышением производительности труда и качества выпускаемой продукции, снижением финансовых и энергетических затрат, а также уменьшением сырьевых расходов и загрязнения окружающей среды. Для повышения эффективности необходимо постоянное совершенствование технологии в различных отраслях производства требуемых изделий.

Технология – это совокупность методов изготовления изделий, а также научное описание способов производства.

Основными целями курса технологии конструкционных материалов являются, во-первых, изучение на обобщённом уровне современных способов получения технических изделий с заданными параметрами; во-вторых, усвоение основ проектирования технологичных конструкций различных деталей технических объектов в зависимости от выбранного способа их изготовления; в-третьих, уяснение, каких специалистов в узких технологических областях следует привлекать к разработке технологического процесса изготовления той или иной детали.

Поясним третью цель немного подробнее. В результате многолетней научной и производственной деятельности к настоящему времени в каждой конкретной области технологической обработки (например, в области литья, обработки давлением, сварки или резания) накоплен огромный объём специфических знаний по вопросам разработки и оптимизации соответствующих технологических операций, по особенностям конструкции необходимого оборудования и приспособлений, а также по автоматизации, методам контроля и экологии производственных процессов. Но в силу того, что учебный курс ТКМ является общеобразовательным и затрагивает все основные области технологической обработки, вопросы формообразования изделий из различных материалов и связанные с этим понятия излагаются в нём в достаточно сокращённом обобщённом виде, имеющем лишь упрощённую поверхностную связь со специфическими особенностями тех или иных конкретных специализированных операций. Поэтому выпускники вузов, получившие, скажем, специальности разработчиков приборных устройств, криогенной техники или летательных аппаратов и, соответственно, изучившие лишь общий курс ТКМ, в узких технологических вопросах не обладают той же глубиной знаний, как соответствующие специалисты типа технологов по литью, обработке давлением или резанием. Отсюда с очевидностью вытекает целесообразность, чтобы специалист по разработке самолётов, спроектировав, например, элемент крыла более или менее технологичной формы, знал бы как минимум, что для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств этого элемента и создания эффективной технологии его изготовления необходимо привлечь к участию в совместной разработке специалистов по обработке давлением и резанию, а специалисты по литью и сварке в данном случае не нужны. В результате такой совместной работы и будет окончательно определена наиболее технологичная конструкция получаемого изделия, а также спроектирован рациональный технологический процесс его получения.

Для достижения вышеуказанных целей студенты в процессе своей подготовки должны решить следующие задачи:

1) изучить физико-механические особенности основных методов получения исходных заготовок и их последующей обработки;

2) усвоить технологические возможности современных методов изготовления необходимых технических изделий (технологические возможности характеризуются формой, размерами и материалом изделий, а также основными свойствами материала, производственными преимуществами и недостатками, которые можно получить в результате применения рассматриваемого метода обработки);

3) выяснить основные параметры конструкций и материалов деталей, оказывающие наибольшее влияние на их технологичность, т.е. простоту и удобство изготовления изделий требуемого качества с помощью имеющегося оборудования.

Основные разделы курса ТКМ можно представить в последовательности, соответствующей пути, который проходит материал с момента своего выбора конструктором на основе требуемых свойств до конечного момента превращения в необходимый элемент инженерной конструкции:

1) основные конструкционные материалы и их свойства;

2) металлургическое производство исходных заготовок;

3) предварительная обработка, т.е. заготовительное производство промежуточных заготовок (литьё, обработка давлением, сварка);

4) окончательная обработка с получением готовых деталей (механическая обработка резанием, отделочная обработка без снятия стружки, электрофизическая или электрохимическая обработка).

1.2. Общие понятия курса ТКМ

Сырьё – материалы, подвергшиеся ранее воздействию труда и подлежащие дальнейшей переработке (например, добытая руда, металлолом, выплавленный металл).

Продукт – предмет, являющийся результатом человеческого труда.

Производство – процесс создания людьми необходимых продуктов на основе использования веществ и сил природы.

Продукция – совокупность продуктов производства.

Изделие – производимый на данном предприятии предмет производства.

Заготовка – объект производственного воздействия для изготовления изделия.

Полуфабрикат – продукт труда, который должен пройти ещё одну или несколько стадий обработки, прежде чем стать готовым изделием, годным для употребления. До момента окончательной обработки полуфабрикатом является заготовка, уже прошедшая какую-либо обработку (иногда такие заготовки называют промежуточными заготовками). Готовое изделие одного предприятия может служить полуфабрикатом для другого предприятия.

Деталь – изделие, являющееся частью более крупного составного изделия и изготовленное без применения сборки за исключением неразъёмного соединения сваркой, пайкой или склеиванием.

Единичное (штучное) производство – изготовление в единичных количествах изделий широкой номенклатуры.

Серийное производство – изготовление партиями (сериями) изделий ограниченной номенклатуры на предприятиях расширенной специализации (например, на машиностроительном заводе). Делится на крупно-, средне- и мелкосерийное производство. Это деление достаточно условно, поскольку зависит от вида выпускаемой продукции. Например, производство в день 15 лопат является мелкосерийным, а 15 самолётов – крупносерийным.

Массовое производство – постоянное изготовление в течение длительного времени одинаковой продукции на узкоспециализированных предприятиях (например, на подшипниковом заводе).

Производственный процесс – совокупность всех действий, необходимых для создания требуемых изделий. Помимо непосредственных обрабатывающих операций в этот процесс могут входить, например, подвоз исходных заготовок, транспортировка полуфабрикатов из одного цеха в другой, уборка мусора, вентиляция производственных помещений и т.п.

Технологический процесс – часть производственного процесса, включающая все непосредственные действия на рабочих местах по целенаправленному изменению предмета обработки.

Технологическая операция – законченное действие, выполняемое на одном рабочем месте и направленное на решение определенной технологической задачи (например, операция отрезки, операция осадки, операция расточки, операция термообработки).

Технологический переход – законченная часть технологического процесса, представляющая одну операцию или несколько совмещённых операций, выполняемых с одной установки заготовки.

Технологический инструмент – орудие для непосредственного воздействия на заготовку (например, литейная форма, штамп, пуансон, сверло, резец).

Рабочий ход – однократное перемещение инструмента в процессе воздействия на заготовку.

Технологическое оборудование – орудия производства, подводящие энергию, необходимую для обработки заготовки (например, печи, станки, прессы, сварочные аппараты).

Технологическая оснастка – приспособления для перемещения, извлечения, установки и закрепления заготовки и инструмента (например, тиски, патроны, оправки, центрирующие элементы, инструментальные блоки, штамповые блоки, пуансонодержатели, съёмники, выталкиватели).

Качество – степень соответствия характеристик изделия требованиям потребителей. Качество обычно оценивают по точности геометрических параметров (т.е. размеров и формы, отклонение которых от эталонных требований называют погрешностью) и соответствию основных свойств (например, прочности), а также по качеству поверхностного слоя (волнистости, шероховатости, химическому составу, структуре и т.д.).

Припуск – поверхностный слой заготовки, подлежащий удалению при последующей обработке с целью получения требуемых геометрических размеров и качества поверхности детали. Припуск, удаляемый при выполнении одной операции называется операционным. Сумма операционных припусков называется общим припуском и представляет собой слой металла, необходимый для выполнения всех операций, совершаемых над данной поверхностью.

Напуск – дополнительный объём металла на поверхности заготовки, упрощающий её конфигурацию с целью облегчения её получения.

1.3. Основные свойства конструкционных материалов

В процессе проектирования изделия выбор материала осуществляют с учётом его комплекса свойств, которые, прежде всего, должны удовлетворять необходимым требованиям к эксплуатации изделия. Если назначение изделия и условия его эксплуатации не предъявляют очень жёстких требований к материалу, т.е. имеется возможность более или менее широкого выбора, то материал следует выбирать с учётом упрощения и удешевления производства изделия. При возможности следует также учитывать упрощение восстановления изделия. Например, при изготовлении детали наружной обшивки корпуса космического корабля с учётом ответственности назначения требования могут быть исключительно жёсткими и диктовать однозначный выбор материала и очень сложную и дорогостоящую технологию изготовления этой детали. Здесь попытка сэкономить на материале и процессе изготовления детали может привести к колоссальным людским, материальным и финансовым потерям в результате крушения космического корабля. Если же разрабатываются технологии изготовления гвоздей для тарных ящиков или колпачков для шариковых ручек, то тут возможность выбора разнообразных материалов будет несравненно более широкой.

Основные свойства конструкционных материалов делят на пять групп: механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Рассмотрим механические свойства материалов, к которым относят прочность, жёсткость и пластичность.

Напомним базовые механические понятия.

Напряжение – сила, отнесённая к площади, на которую эта сила действует.

Остаточное напряжение – напряжение, которое остаётся в теле или его части после полного снятия воздействия. Остаточные напряжения возникают в результате неоднородной пластической деформации при обработке давлением или резанием, а также из-за неравномерного охлаждения и затвердевания при литье и сварке. Иногда эти напряжения называют внутренними или дополнительными напряжениями.

Концентрация напряжений – значительное увеличение напряжений в местах резкого изменения формы тела, называемых концентраторами напряжений (отверстий, надрезов, выточек, пазов, уступов, углов, дефектов поверхности, прессовых посадок).

Деформация – изменение размеров или формы тела. Различают силовую деформацию, температурную деформацию и деформацию в результате фазовых превращений.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после снятия нагрузки.

Пластическая (или остаточная) деформация – деформация, остающаяся после снятия нагрузки.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению. Прочность зависит не только от самого материала, но и от вида напряжённого состояния (например, растяжение или сжатие), а также условий нагружения (например, температуры, скорости нагружения, переменности во времени).

Жёсткость – способность материала сопротивляться деформациям.

Пластичность – способность материала получать остаточные деформации, не разрушаясь.

Хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Это свойство является противоположным свойству пластичности.

Теперь укажем механические характеристики материалов, которые получают из различных видов испытаний. Основным и наиболее распространённым стандартным испытанием является испытание на растяжение, цилиндрический образец для которого показан на рис. 1.1-а. Для испытания листовых материалов используют плоские образцы (рис. 1.1-б). Последнее время всё большее распространение получает испытание цилиндрических образцов на сжатие, которое позволяет исследовать поведение материала при значительно бόльших деформациях, чем растяжение, и значительно ближе по своему характеру к напряжённому состоянию многих формоизменяющих операций, например, операций резания или большинства операций ковки и объёмной штамповки. Образцы для испытания на сжатие имеют более простую форму и обычно значительно меньше по размерам, чем те, которые требуются для испытания на растяжение.

Основной сложностью испытания на сжатие является устранение трения, возникающего на поверхностях контакта торцов образца со сжимающими плитами. Трение искажает цилиндрическую форму образца, делая её бочкообразной, а также вносит добавку в измеряемую по ходу испытания силу, которая уже не характеризует только прочностные свойства самого материала. Для устранения трения применяют специальные образцы с выточками на торцах (рис. 1.2), заполняемыми смазочным материалом – стеарином или парафином, капающим внутрь выточки с зажжённой свечи. Испытание проводят после застывания стеарина и удаления его излишков, выступающих выше буртиков, типовые размеры которых для образцов диаметром до 20 мм показаны на рис. 1.2. Эксперименты показывают, что таким способом трение полностью устраняется в пределах сжатия до высоты, втрое меньшей первоначальной, т.е. до относительной деформации порядка 70% (при растяжении в момент разрушения образца обычно достигается значительно меньшая относительная деформация 10-30%).

По результатам испытаний на растяжение или сжатие, которые, при необходимости, следует проводить для разных температур и скоростей деформации, можно получить два вида диаграмм зависимости напряжений  от деформаций : условную диаграмму, напряжения которой определяются делением силы на начальную площадь поперечного сечения образца, и истинную диаграмму, построенную путём деления значений силы не на начальную площадь, а на площадь поперечного сечения, которую имел образец в момент измерения силы. Истинные диаграммы (рис. 1.3) уже не имеют горизонтальной площадки текучести и характерного максимума при значениях деформаций, соответствующих пределу прочности на условных диаграммах.

Напряжение текучести _s – напряжение, вызывающее в условиях линейного напряжённого состояния пластическую деформацию при данной величине деформации. Напряжение текучести является характеристикой истинной диаграммы и у большинства материалов изменяется при увеличении деформации материала, то есть является переменной величиной, которую следует отличать от постоянной величины, называемой пределом текучести.