122565 (Технологические основы машиностроения)

Технологические основы машиностроения

Пластмассы и способы их переработки в изделия

Пластмассы – искусственные материалы, получаемые на основе высокомолекулярных органических веществ – полимеров.

Термопласты – при повышении температуры переходят в вязкотекучее состояние, при охлаждении – затвердевают. Структура: линейная, разветвленная.

Реактопласты – при повышении температуры переходят в вязкотекучее состояние, с увеличением продолжительности действия повыш.температур – в твердое состояние. Структура – пространственная. Свойства: высокая твердость и термостойкость.

Состав пластмасс – простые (только из одного полимера) и сложные (входят наполнители, пластификаторы, отвердители, красители).

Наполнители – необходимы для удешевления и придания пластмассам определенных физико-механических свойств. (Асбест – теплостойкость + фрикционные свойства; графит - износостойкость).

Пластификаторы – для повышения эластичности и пластичности при переработке пластмасс в изделия и увеличения их морозостойкости. Выполняют роль смазывающих веществ.

Связующие вещества – роль таких веществ выполняют полимеры/смесь полимеров, содержание которых в сложных пластмассах – 30-70%. Полимеры: природные (природные смолы, целлюлоза, белки), синтетические (эпоксидные смолы, полиамиды).

Основные способы переработки:

Прямое (компрессионное) прессование – материал загружается в оформляющуюся полость пресс-формы, где происходит его формирование под давлением и отвердение при повышенной температуре.

Литьевое – материал загружается в камеру, доводится до вязкотекучего состояния, затем выдавливается в оформленную полость пресс-формы.

Литьё под давлением – исходный материал в виде гранул, порошка поступает в рабочий цилиндр изделия, там нагревается и выдавливается в пресс-форму.

Центробежное литье – для изготовления изделий, имеющих форму тел вращения. Темп.литьевой формы на 20-30 градусов выше, чем температура плавления. Форму вращают со скоростью 600-1800 оборотов.

Экструзия (выдавливание) – непрерывный процесс получения изделий путём продавливания полимерных материалов через фильеру соответствующего сечения.

Каландрование – процесс изготовления листов или ленты путём пропускания размягченного термопластичного материала через зазор между несколькими параллельными валками.

Термоформирование – изготовление полных объемных изделий из листовых термопластичных материалов.

Свойства конструкционных материалов

Механические свойства материалов – характеристики, определяющие поведение материала под действием приложенных внешних сил. Они являются главными, так как они определяют служебные свойства материалов. Их показатели – прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость.

Деформация – напряжение, приложенное к твёрдому телу; изменение размеров и формы тела под действием внешних в внутренних сил. Деформация, исчезающая после прекращения действия силы – упругая, а остающаяся в теле – остаточная (пластическая). Ползучесть – способность материала непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной силы.

Прочность материала – способность материала сопротивляться деформации и разрушению. Физический предел текучести – наименьшее напряжение, при котором образец пластически деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. Временное сопротивление разрыву – напряжение, отвечающее большей нагрузке, предшествующее разрушению образца.

Твердость материала – сопротивление проникновению в него другого более твердого тела, не испытывающего при этом остаточных деформаций. Методы определения: по Бриннелю (HB – вдавливание стального шарика в металлическую пластину), Роквеллу (HRC, HRB, HRA), Виккерсу (вдавливание алмазного конуса в пластину, измерение диагонали отпечатка).

Пластичность – способность материалов пластически деформироваться под действием внешних сил без разрушения. Хрупкость – отсутствие или малое значение пластичности. Относительное удлинение – отношение в процентах приращения расчётной длины образца после разрыва к его первоначальной длине. Относительное сужение – отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва к его первоначальной площади.

Ударная вязкость – работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза.

Физические свойства материала – характеристики, определяющие поведение материала под действием приложенных внешних сил. Физические испытания могут выполняться в условиях динамического или статистического нагружения, а так же при переменных нагрузках.

Химические свойства. Химическая стойкость – способность материала сопротивляться действию внешних агрессивных сред. Химическая активность – способность материала взаимодействовать с внешними средами.

Технологические свойства – способность материала поддаваться тем или иным видам обработки. Деформируемость – способность материала деформироваться без разрушения. Свариваемость - способность материала обрабатывать различными материалами резания.

Эксплуатационные – определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы машины (жаростойкость, хладостойкость).

Порошковая металлургия

Порошковая металлургия: характеристика и возможности метода.

ПМ – область техники, охватывающая производство металлических порошков и изделий из них. ПМ изготавливает алмазно-металлические материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами.

Изделия, получаемые методом ПМ

Типовая технологическая схема получения изделий методом порошковой металлургии

получение порошков исходных материалов

приготовление смеси заданного состава и формообразование заготовки

спекание заготовки

окончательная обработка спеченного изделия

Способы получения металлических порошков

Основные способы формообразования изделий: прокатка (пропускание через валки материал; получаем полосы и ленты), выдавливание (формование металлического порошка с пластификатором путём продавливания через отверстие материала; получаем трубы, профили), прессование (наиболее распространённый способ: горячее, изостатическое, гидростатическое, газостатическое).

Спекание - для придания изделиям необходимой прочности и твердости. Его производят в инертной среде для уменьшения окисления металлических порошков.

Металлургия

Исходные материалы доменного производства

К ним относятся – железные и марганцевые руды, топливо и флюсы. Железные руды – красный, бурый, магнитный, шпатовый железняк. Марганцевые руды – содержат марганец в виде различных оксидов, применяются при выплавке чугуна, ферромарганца. Флюсы – необходимы для удаления из печи тугоплавкой пустой породы и золы топлива (в качестве флюсов используют доломитизированный известняк). Топливо служит не только для получения необходимых температур, но так же участвует в химических процессах восстановления металлов при плавке. Основное топливо – КОКС – получают путём спекания коксующихся сортов угля без доступа воздуха в спец.коксовых батареях.

Продукты доменного производства и их применение

Основные и побочные. Основные: а) доменные чугуны (передельные 80-85% – для передела в сталь, литейные – для производства отливок на машиностроительных заводах), б) ферросплавы (зеркальный чугун 20-25%Mn, ферромарганцы - до 75%Mn, ферросилиций). Побочные: а) Шлаки, б) доменный газ (используется в качестве топлива в воздухонагревателях).

Устройство доменной печи

- вертикальная печь шахтного типа, имеющая наружный металлический кожух, выложенный внутри (футурованный) огнеупорными материалами. Состоит из: верхней части – колошника (в нём устройство для загрузки шихты и трубы для отвода доменного газа), шахты (в ней начинаются процессы восстановления железа и его науглероживание), распара (плавление пустой породы с образованием шлаков), заплечика (заканчивается процесс восстановления железа). Основной характеристикой домны является её объем – от оси чугунной лётки до верхнего уровня засыпки материалов. Домна работает по принципу противотока. Каждая печь имеет 3-4 воздухонагревателя, работающих попеременно (состоит из: камеры сгорания и насадки)

Основные технико-экономические показатели работы доменной печи

Коэффициент использования полезного объема печи КИПО = полезный объём/суточная производит чугуна (кубометр/тонна).

Удельный расход кокса К=А/Р = кг/т

Чугун – сплав железа с углеродом. Содержание углерода: С>2,14%. В чёрной металлургии является первичным продуктом металлургического производства, получаемым из железных руд.

Сталь - сплав железа с углеродом. Содержание углерода: С<2,14%. Кроме углерода: марганец<0,8%, сера<0,06%, кремний<0,4%, фосфор<0,07%.

Сущность передела чугуна в сталь: сталь содержит углерод и имеет меньше посторооних примесей, чем чугун. Следовательно, сущностью любого металлургического передела чугун а в сталь является снижение содержания этих примесей путём из избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Для ускорения окисления примесей в печь добавляют окалину или ведут продувку кислородом. В начале плавки окисляется кремний, марганец, фосфор, а углерод окисляется с поглощением тепла в середине и конце плавки.

Производство стали в конвертерах

- процесс выплавки стали из жидкого передельного чугуна с добавлением скрапа в конвертере с продувкой кислородом сверху. Конвертер наклоняют, заливают жидкий чугун при t1300-1400 градусов.

Устройство и принцип действия конвертера Конвертер имеет металлический кожух, выложенный внутри огнеупорными материалами. Емкость конвертера – от 10 до 400 тонн. Имеет лётку (выпуск стали) и горловину (для заливки чугуна, загрузки скрапа, ввода фурмы и слива шлака), поворачивается вокруг своей оси. Конвертер наклоняют и через горловину загружают скрап. Затем из ковшей заливают жидкий чугун. После конвертер поворачивают в рабочее положение ,вводят фурму и продувают кислородом. Одновременно загружают шлакообразующие (плавиковый шпат, известь, железную руду, бокситы). Струи кислорода перемешивают металл со шлаком. Подачу кислорода прекращают, когда содержание углерода в стали достигнет заданного. Фурму выводят из конвертера, его наклоняют и через лётку выпускают сталь. Затем конвертер направляют в противоположную сторону и через горловину сливают шлак. Плюс: высокая производительность (400-500 тонн стали в час). Минус: выплавляет только углеродистые и низколегированные стали.

Производство стали в Мортыновских печах Состоит из пода, свода, передней стенки с рабочими окнами для загрузки шихты, задней стенки с лёткой для выпуска стали. К устройству с обеих сторон примыкают головки с каналами для подачи топлива (мазут, смесь природного, доменного, коксового газов) и нагретого воздуха. Каждая головка сообщается с одним/двумя регенераторами. В этих печах меньший угар элементов, что позволяет выплавить углеродистые конструкционные и инструментальные стали. Плавка в печах ведётся двумя способами: 1) Скрап-процесс - шихта содержит до 75% скрапа – остальное твёрдый передельный чугун, применяется при отсутствии доменного производства; 2) Скрап-рудный процесс – до 75% жидкого передельного чугуна, остальное – скрап + железная руда.

Производство стали в электродуговых печах Способы плавки – с полным окислением примесей (шихта-до 90% скрап, остальное – твердый чугун), без окисления (сводится к переплаву близких по составу сталей).

Устройство и принцип действия дуговой электропечи Емкость – от 5 до 400 тонн. Состоит из пода, свода, передней стенки (желоб для выпуска готовой стали), и задней стенки. Расплав и нагрев металла осуществляется тремя мощными электродугами, горящими между тремя графитированными электродугами и шихтой. Электроды установлены в своде и могут перемещаться вверх-вниз для поддержания постоянной длины дуги. Напряжение – 600-800вольт, сила тока – 1-10килоампер, расход энергии – 500-800кВт/тонна, длительность плавки – 3-6 часов.

Производство стали в индукционных печах Ток, проходящий по индуктору, вызывает в металле в тигле токи Фуко, приводящие к расплавлению шихты. Электромагнитное поле индуктора вызывает интенсивное перемешивание металла. Длительность плавки: 30мин-2 часа. Плюсы: отсутствие высокотемпературных дуг уменьшает угар металла. Малые габариты печей позволяют помещать их в вакуумные камеры (где улучшается качество стали).

Устройство и принцип работы индукционной печи Емкость – 60кг – 60 тонн. Предназначен для выплавки особо высококачественной и специальной стали. Состоит из тигля (выполнен из огнеупорных материалов, вокруг которого размещён спиральный многовитковый индуктор). Индуктор подключается к генератору. Индукционный печи бывают: высокочастотные, повышенной частоты, промышленной частоты.

Способы разливки стали Выбор способа разливки стали зависит от массы, марки стали и др. Из печи сталь выпускают в хорошо прогретый сталеразливочный ковш, который в днище имеет отверстие, закрываемое стопорным механизмом. Емкость ковшей – 5-480 тонн. Из ковша сталь разливают в изложницы или установки непрерывной разливки стали.

Способы разливки стали в изложницы Сверху – возможность получения слитков любой массы, простое оборудование, низкая себестоимость разливки. Низкая производительность. Поверхность слитка неровная из-за разбрызгивания металла. Снизу – сифонная – Из ковша металл поступает в центральный летник, а из него по каналам – в изложницы. Одновременно можно заливать от 2 до 60 изложниц, но массой до 20 тонн.

Непрерывная разливка стали Сталь из ковша заливают в промежуточное устройство, а из него в охлаждаемый водой кристаллизатор. Перед началом заливки в кристаллизатор вводят стальное дно – затравку – со штангой. Первые порции стали кристаллизуются на стенках изложницы и на затравке, которая с помощью штанги и валков вытягивается из кристаллизатора, извлекая за собой слиток. Окончательное затвердевание стали в сердцевине слитка происходит за счёт охлаждения водой из брызгал. В нижней части установки непрерывный слиток разрезается газовым резаком на заготовки мерной длины.

Способы улучшения качества стального слитка

Разливка стали под слоем синтетического шлака. В электропечах из плавикового шпата, извести выплавляют шлак, который перед заливкой стали заливают в изложницу.

Разливка в инертной атмосфере. Между ковшом и изложницей создают уплотнение и перед заливкой стали пропускают инертный газ.

Вакуумная разливка (дегазация) – ковш со сталью помещают в вакуумную камеру, откачивают воздух, за счёт разности давлений в металле он очищается от газов и включений.

Спокойная сталь: строение слитка, преимущества Стали раскислены в печи, ковше полностью. Структура слитка имеет 3 зоны кристаллизации: наружная (состоит из мелких различно ориентированных кристаллов, образуется за счёт большой скорости охлаждения при соприкосновении металла с холодными стенками изложницы), зона столбчатых кристаллов (растут перпендикулярно стенкам изложницы, которые являются наименьшим путём для отвода тепла), зона крупных равноосных кристаллов. У этого типа стали образуется усадочная раковина, которую перед прокаткой срезают.

Кипящая сталь: её преимущества и недостатки Сталь раскислена в печи не полностью. Её раскисление продолжается в изложнице. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывают кипение стали. При прокатке эти пузырьки завариваются. Из этой стали изготавливают слитки малоуглеродистой стали с низким содержанием магния и кремния, хорошо штампуется и сваривается.

Литейное производство

Сущность литейного производства, его преимущества

Технологический процесс получения заготовок или деталей путём заливки расплавленного металла в литейную форму. Литьём получают детали как простой, так и сложной формы, которые другим способом получить невозможно. Масса – от нескольких грамм до сотен тонн из разнообразных металлов. Это относительно простой и экономичный способ, но есть относительно высокий брак, свойства литого металла ниже, чем у деформированного.

Изготовление отливок в песчано-глинистых формах

ПГФ является универсальным и экономичным производством, применяется в единичном, серийном, массовом производстве отливок из разнообразных металлов. Минусы: невысокие размерные точности, минимальная чистота поверхности, экологически вредный процесс.

Модельный комплект

В его состав входят модель, стержневые ящики, модельные плиты (для закрепления модели, элементов литниковой системы и установки на формовочные машины), элементы литниковой системы и опоки (прочные металлические рамы, нужны для контроля формы во время её изготовления и транспортировки).

Назначение литейной модели

Модель предназначена для получения полости литейных форм, соответствующих внешним очертаниям отливки.

Назначение стержней