Технологические процессы в машиностроении

Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержа­щих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной ме­таллургии при переработке свинцово-цинковых, медных, суль­фидных руд, при производстве алюминия и др.

Тяжелые по­следствия в организме живых существ вызывает и ядовитая смесь дыма, тумана и пыли — смог.

Лондонский тип смога возникает зимой в крупных промыш­ленных городах при неблагоприятных погодных условиях (от­сутствие ветра и температурная инверсия). Температурная ин­версия проявляется в повышении температуры воздуха с высо­той в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300— 400 м от поверхности земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым, и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают туманы. Концентрации оксидов серы, взвешенной пыли, оксида углерода достигают опасных для здоровья человека уровней, приводят к расстрой­ству кровообращения, дыхания, а нередко и к смерти. Рассеять смог может только ветер, а сгладить смогоопасную ситуацию — со­кращение выбросов загрязняющих веществ.

В некоторых наших городах (Кемерово, Ангарск, Новокузнецк, Медногорск и др.), особен­но в тех, которые расположены в низинах, в связи с нахождением в этих городах промышленных предприятий и увеличением выбросов, содержащих оксид азота, вероятность образования фотохими­ческого смога увеличивается.

Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших концентрациях и в течение длительного времени наносят боль­шой вред не только человеку, но отрицательно влияют на жи­вотных, состояние растений и экосистем в целом.

В экологической литературе описаны случаи массового от­равления диких животных, птиц, насекомых при выбросах вред­ных загрязняющих веществ большой концентрации (особенно залповых).

По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение.

Количество загрязняющих веществ в районе машиностроительных предприятий огромно, и число их по мере развития новых технологических процессов по­стоянно растет. В этом отношении приоритет, как локальном, так и в глобальном масштабе, ученые отдают следующим загрязняющим веществам:

- диоксиду серы (с учетом эффектов вымывания диоксида се­ры из атмосферы и попадания, образующихся серной кисло­ты и сульфатов на растительность, почву и в водоемы);

- тяжелым металлам: в первую очередь свинцу, кадмию и особенно ртути (с учетом цепочек ее миграции и превраще­ния в высокотоксичную метилртуть);                                      

- некоторым канцерогенным веществам, в частности бензапирену;

- нефти и нефтепродуктам;

- оксиду углерода и оксидам азота.

Загрязнения вод.

Основные источники загрязнения поверхностных и подземных вод. Процессы загрязнения поверхностных вод обу­словлены различными факторами. К основным из них отно­сятся: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечки нефти и нефтепродуктов. Наибольший вред водоёмам и водотокам причиняет выпуск  в них неочищенных сточных вод—промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусо­ром), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми от­ходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влия­ют на условия обитания рыб, состояние экосистем.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхно­стными или технологическими водами. Так, например, извес­тно, что на площадке Кольской атомной станции, расположен­ной за Полярным кругом, через 7 лет после начала эксплуата­ции температура подземных вод повысилась с 6 до 19 °С вбли­зи главного корпуса. При повышении температуры происхо­дит изменение газового и химического состава в водах, что ве­дет к размножению анаэробных бактерий, росту количества гидробионтов и выделению ядовитых газов — сероводорода, ме­тана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ус­коренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способст­вует развитию других видов загрязнения. По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышать­ся более чем на 3 °С летом и 5 °С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 12—17 кДж/м3.

4. ХОЛОДНАЯ ШТАМПОВКА

Штамповка, процесс обработки металлов давлением, при котором формообразование детали осуществляется в специализированном инструменте — штампе; разновидность кузнечно-штамповочного производства. По виду заготовки различают объёмную штамповку и листовую штамповку, по температуре процесса — холодную штамповку и горячую. По сравнению с ковкой штамповка обеспечивает большую производительность благодаря тому, что пластически деформируется одновременно вся заготовка или значительная её часть.

  Объёмная штамповка (или штамповка сортового металла) по сравнению с ковкой позволяет получать поковки более сложной конфигурации, требующие значительно меньшей обработки резанием для окончательного оформления детали. При объёмной штамповке течение металла ограничивается стенками полости штампа, что вызывает увеличение сопротивления деформированию тем в большей степени, чем сложнее конфигурация поковки. Нагрев заготовки позволяет примерно в 10—15 раз снизить сопротивление деформированию, а также повысить пластичность металла. Холодная штамповка сортового металла применяется для изготовления небольших деталей — массой менее 1 кг, горячая — для деталей массой 1,5¾2 т; более тяжелые поковки изготовляются ковкой. Границы между этими процессами изменяются по мере совершенствования кузнечно-прессового оборудования и увеличения развиваемого ими усилия деформирования. Поскольку стоимость штампов наряду со стоимостью металла заготовки является основной составляющей себестоимости поковки, применение объёмной штамповки экономически выгодно при серийном производстве.

  Объёмная штамповка сопровождается потерями металла с удаляемым заусенцем (облоем). Меньшие отходы даёт штамповка в закрытых штампах, однако удельные нагрузки в них больше, чем в открытых, что приводит к уменьшению стойкости штампов. Снижение отходов при штамповке в открытых штампах достигается предварительной обработкой заготовки в заготовительных ручьях, ковочных вальцах, использованием заготовок, приближающихся по форме к поковке, а также выбором рациональной формы канавки для заусенца

Упрочнение в технологии металлов, повышение сопротивляемости материала заготовки или изделия разрушению или остаточной деформации. Упрочнение характеризуется степенью упрочнения – показателем относительного повышения значения заданного параметра сопротивляемости материала разрушению или остаточной деформации по сравнению с его исходным значением в результате упрочняющей обработки, а также (в ряде случаев) глубиной упрочнения (толщиной упрочнённого слоя). Упрочнение обычно сопровождается снижением пластичности. Поэтому практически выбор способа и оптимального режима упрочняющей обработки определяется максимальным повышением прочности материала при допустимом снижении пластичности, что обеспечивает наибольшую конструкционную прочность.

  Упрочнение материала в процессе его получения может быть вызвано термическими, радиационными воздействиями, легированием и введением в металлическую или неметаллическую матрицу (основу) упрочнителей – волокон, дисперсных частиц и др.

  У. материала заготовок и изделий достигается механическими, термическими, химическими и др. воздействиями, а также комбинированными способами (химико-термическими, термомеханическими и др.). Наиболее распространённый вид упрочняющей обработки – поверхностное пластическое деформирование (ППД) – простой и эффективный способ повышения несущей способности и долговечности деталей машин и частей сооружений, в особенности работающих в условиях знакопеременных нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные конструкции, инструменты и т.п.). В зависимости от конструкции, свойств материала, размеров и характера эксплуатационных нагрузок деталей применяются различные виды ППД: накатка и раскатка роликами и шариками, обкатка зубчатыми валками, алмазное выглаживание, дорнование, гидроабразивная, вибрационная, дробеструйная и др. способы обработки. Часто ППД, кроме упрочнения, значительно уменьшает шероховатость поверхности, повышает износостойкость деталей, улучшает их внешний вид (упрочняюще-отделочная обработка). Упрочнение при термической обработке металлов обеспечивается, в частности, при закалке с последующим отпуском. Улучшению прочностных свойств значительно способствуют и определённые виды термомеханической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп). Упрочнение химико-термическим воздействием может осуществляться путём азотирования, цианирования, цементации, диффузионной металлизации (насыщением поверхности детали алюминием, хромом и др. металлами).

  Упрочнение обеспечивается также применением электрофизических и электрохимических методов обработки, ультразвуковой, электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической, электроннолучевой, фотоннолучевой, анодно-химической, электроискровой, а также воздействием взрывной волны, лазера и др. Упрочняющая обработка может быть поверхностной (например, пластическое деформирование с возникновением поверхностного наклёпа), объёмной (например, изотермическая закалка) и комбинированной (например, термическая обработка с последующим ППД). Объёмная и поверхностная упрочняющая обработки могут вестись последовательно несколькими методами

4.1 Выдавливание и высадка

Выдавливание — образование заготовки путем пластического тече­ния материала в полости штампа. Материалом для выдавливания слу­жат цветные металлы и сплавы, а также стали в виде заготовок, изго­товленных из сортового и листового проката.

Выдавливание осуществляют в штампах на механических и гидрав­лических прессах прямым, обратным и комбинированным способами (рис.4.1). При прямом способе течение металла выдавливаемой заго­товки совпадаете направлением движения пуансона, а при обратном — противоположно направлению движения пуансона. При комбиниро­ванном способе часть металла заготовки течет по направлению движе­ния пуансона, а другая часть — навстречу движению пуансона.

Усилие пресса для выдавливания определяют по формуле Р = рF, где р — удельное усилие выдавливания и F — проекция площади пуансона на плоскость, перпендикулярную направлению выдавлива­ния. При прямом выдавливании алюминия р = 4÷7 МПа (40-70 кгс/мм2), стали 10—18 МПа (100—180 кгс/мм2), а при обратном — соответственно 8—12 МПа (80—120 кгс/мм2) и 20—30 МПа (200— 300 кгс/мм2). В качестве смазок при выдавливании применяют: для алюминия — животные жиры, жировую эмульсию; для стали — дисульфид молибдена с омыливанием и т. д.

Из-за высокой стоимости штампов выдавливание целесообразно применять в условиях крупносерийного и массового производств. Оно обеспечивает высокую производительность и точность изготов­ления разнообразных деталей.

Холодная высадка — образование местных утолщений на заготов­ках, например головок заклепок (рис.4.2). Ее выполняют на холодно-высадочных автоматах.

В первом переходе ролики 2 подают пруток 1 до упора 4,после чего матрица 3 перемещается на позицию высадки, отрезая от прутка мерную заготовку.

Во втором переходе ударом высадочного пуансона 5 производится высадка головки. После воз­вращения пуансона в исходное положение заклепка выталкивается толкателем 6, который также возвращается в исходное положение, а матрица вновь уходит на линию подачи. Высадку выполняют на одно-, двух - и трехударных автоматах, производительность которых дости­гает 400 изделий в минуту. По сравнению с изготовлением резанием высадка обеспечивает до 30—40 % экономии металла.

4.2 Холодная листовая штамповка

Листовая штамповка — способ изготовления плоских и объемных тонкостенных изделии из листов, полос или лент с помощью штампов на прессах пли без их применения (беспрессовая штамповка). Она характеризуется высокой производительностью, стабильностью ка­чества и точности, большой экономией металла, низкой себестои­мостью изготовляемых изделий и возможностью полной автоматизации.

Все операции листовой штамповки делят на две группы: раздели­тельные, в результате которых происходит отделение одной части заготовки от другой по заданному контуру, и формоизменяющие, пред­назначенные для получения изделия пространственной формы путем пластической деформации.

Разделительные операции. Отрезка — полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру путем сдвига. Отрезку осуще­ствляют на ножницах различных типов и в штампах на прессах. Вы­рубка (рис.3) — полное отделение заготовки или детали от листовой заготовки по замкнутому контуру путем сдвига. Пробивка — образо­вание в заготовке сквозных отверстий и пазов с удалением материала в отход путем сдвига.

При вырубке и пробивке пуансон 2 вдавливает отделяемую часть материала в отверстие матрицы 4. Оптимальная величина зазора между инструментом зависит от 5 — толщины заготовки 3, пластических свойств материала и составляет при­мерно 6—10 % 5. Зазор при выруб­ке назначают за счет уменьшения размеров поперечного сечения пуан­сона, при пробивке — за счет увели­чения отверстия в матрице.

Из условия экономии металла ве­личина технологических перемычек между вырубаемыми изделиями соот­ветствует примерно толщине метал­ла. Величину усилия разделитель­ных операций при использовании ин­струмента с параллельными режущи­ми кромками определяют по формуле

P=LSσB,

где L — длина   линии   реза;   S — толщина   металла;     σB —предел прочности металла.

4.3 Формоизменяющие операции. Гибка (рис.4.4, а) — образование или изменения углов между частями заготовки или придание ей кри­волинейной формы. В местах изгиба наружные слон заготовки растя­гиваются, а внутренние — сжимаются. Между ними расположен ней­тральный слой, не испытывающий ни сжатия, ни растяжения. По раз­вернутой длине нейтрального слоя, определяют длину заготовки до гибки. Гибка, осуществляется в результате упругопластической дефор­мации, при которой наряду с пластической происходит значительная упругая деформация металла. Поэтому после гибки растянутые и сжа­тые слои стремятся возвратиться в исходное положение под действием упругих сил. Вследствие этого форма детали после гибки, не будет соответствовать форме штампа на величину угла пружинения, который необходимо учитывать при изготовлении инструмента. При свободной V-образной гибке     усилие определяют по формуле (см. рис.4.4, а)

где В — ширина заготовки.

Вытяжка—образование полой заготовки или детали из плоской или полой листовой заготовки. При вытяжке без утонения стенки вырубленную заготовку давлением пуансона втягивают в отверстие матрицы (рис.4.4, 6). По ширине фланца, равном D —d, возникают радиальные растягивающие и тангенциальные сжимающие напряже­ния. Последние уменьшают диаметральные размеры заготовки, при­водят иногда к некоторому утолщению материала у верхнего, торцового

Рис.4.5. Схемы операций:

а: — отбортовки;   б — обжима;  в — формовки;

/ — изделие;   2 — заготовка;  3 — пуансон;  4 — матрица;  5 — подставка-упор;   6 — резино­вая  подушка

края изделия, а при D — d > (18÷20) S — к образованию складок, т. е. появлению брака. Чтобы утолщенный край изделия не утонялся между поверхностями пуансона и матрицы, предусматривают зазор z = (1,1÷1,3) S. Для предотвращения образования складок приме­няют прижим фланца заготовки к плоскости матрицы.

Возможность вытяжки за один переход без обрыва дна определяется коэффициентом вытяжки в — D/d, который в зависимости от механи­ческих свойств металла составляет 1,8 — 2,1. Если kв по расчету ока­жется больше допустимой величины, вытяжку выполняют за два перехода и более.

Размеры заготовки при вытяжке осесимметричных деталей опреде­ляют из условия равенства площадей детали по средней линии и за­готовки, а усилие вытяжки приблизительно равно произведению площади поперечного сечения изделия на предел прочности металла.

При вытяжке с утонением стенки (рис.4.в) зазор между матри­цей и пуансоном меньше толщины стенки исходной заготовки, которая, сжимаясь между поверхностями пуансона и матрицы, утоняется и одновременно удлиняется. Толщина дна остается при этом неизменной. За один переход толщина стенки может быть уменьшена в 1,5—2 раза. Размер заготовки определяют из условия равенства объемов металла заготовки и изделия.

Отбортовка (рис.5, а) — образование борта по внутреннему или наружному контуру листовой заготовки. При отбортовке отверстия металл в зоне деформации растягивается и утоняется. Во избежание образования продольных трещин необходимо, чтобы коэффициент отбортовки k0 = db/d0 = 1,2÷1,8. Величина k0 зависит от механических свойств металла, и относительной толщины заготовки Диаметр отверстия под отбортовку определяют по формуле

D0=D1-∏ (rM+S/2)-2h

Обжим (рис.5, б) — уменьшение периметра поперечного сече­ния полой заготовки. В очаге деформации толщина стенки изделия несколько увеличивается. Во избежание образования продольных складок в обжимаемой части необходимо соблюдать коэффициент обжима k0 = Dзаг/dизд. =1,2-1,4.

Рельефная формовка (рис.4.5,в)— образование рельефа в листо­вой заготовке с ее местным деформированием.

4.4 Инструмент и оборудование для листовой штамповки

В качестве инструмента при холодной листовой штамповке исполь­зуют штампы. Они состоят из блоков деталей и рабочих частей — матриц и пуансонов. Рабочие части непосредственно деформируют заготовку. Детали блока (верхняя и нижняя плиты, направляющие колонки и втулки) служат для опоры, направления и крепления рабо­чих частей штампа. По технологическому признаку различают штампы простого, последовательного и совмещенного действия.

В штампе простого действия (рис.4.6) за один ход ползуна выпол­няется одна операция, и поэтому его называют однооперационным. Нижней плитой штамп устанавливают на стол пресса и крепят к нему болтами или скобами. Верхнюю плиту небольших штампов крепят к ползуну с помощью хвостовика, а верхнюю плиту крупных штампов крепят к ползуну так же, как и нижнюю плиту к столу пресса. Полосу или ленту подают в штамп между направляющими линейками до упора, который ограничивает шаг подачи полосы или ленты. Для снятия высечки с пуансона служит съемник.

В штампе последовательного действия (рис.4.7) за один ход ползуна выполняются одновременно две или большее число операций в различных позициях, а заготовка после каждого хода пресса переме­щается на шаг подачи. В штампе совмещенного действия  за один ход ползуна пресса две и большее число операций выполняются в одной позиции без перемещения заготовки в направлении подачи. Штампы последовательного и совмещенного действий называют много­операционными. Они производительнее однооперационных, но сложнее и дороже в изготовлении. Их используют в крупносе­рийном и массовом произ­водствах.

 Холодную листовую штамповку осуществляют в основном на кривошипных прессах. По технологиче­скому признаку механиче­ские прессы разделяют на прессы простого, двойного и тройного действия (соот­ветственно одно-, двух -, трехползунные). Кинема­тическая схема кривошип­ного листоштамповочного пресса простого действия во многом аналогична схе­ме кривошипного горячештамповочного пресса.

Пресс двойного действия (рис. 26.9) предназначен для глубокой вытяжки крупных деталей. Он имеет два ползуна — внутренний с при­водом от кривошипа и наружный с приводом от кулачков, закреп­ленных на валу. Вначале наружный ползун обгоняет внутрен­ний и прижимает фланец заготовки к матрице. Во время вытяжки пуансоном, закрепленным на внутреннем ползуне, наружный ползун неподвижен. По окончании вытяжки ползуны поднимаются.

Гидравлические прессы используют для холодной и горячей штам­повки крупногабаритных изделий из толстых листов. Такие прессы успешно используют также для глубокой вытяжки и других операций при изготовлении изделий из толстого листа.

Современные листоштамповочные прессы оснащены устройствами для автоматической подачи полосы или ленты в штамп, а в случае штамповки из штучных заготовок — устройствами для захвата, ориентации и подачи в штамп.

В условиях единичного и мелкосерийного производства, когда неэкономично применять сложные штампы, листовую штамповку выпол­няют не на прессах, а на специальных уста­новках. В установках для штамповки жид­костью листовой металл укладывают на жесткую матрицу; он деформируется дав­лением жидкости до 20 МПа (200 ат), по­даваемой от насоса в резиновый мешок, выполняющий роль пуансона. При этом верхнюю часть мешка прочно прижимают сверху массивной крышкой. Этот способ применяют для вытяжки полых изделий.

В установках для штамповки взрывом заготовка принимает форму штампа под действием энергии взрыва, создающего высокое давление. Взрывная волна с большой скоростью может переда­ваться на деформируемый металл либо через газовую среду, либо через воду. Этим способом осуществляют как формоизменяющие, так и разделительные операции. При штамповке взрывом труднодефор­мируемых и малопластичных в обычных условиях сплавов значи­тельно повышается их пластичность.

В электрогидравлических установках энергоносителем является высоковольтный электрический разряд в жидкости, который вызывает появление ударной волны, используемой для штамповки. В промыш­ленности используют и другие прогрессивные способы беспрессовой листовой штамповки, например магнитно-импульсный.

В цехах холодней обработки металлов давлением, в частности при листовой штамповке, во избежание травматизма рук в опасной зоне штампа устанавливают рукоотстранители, срабатывающие в момент рабочего хода ползуна пресса. Чаще используют принцип занятости рук, состоящий в одновременном нажатии обеими руками двух пуско­вых кнопок. Иногда применяют фотоэлементы, лучи которых проходят по опасной зоне; при пересечении их руками ползун пресса останав­ливается. В последнее время в таких цехах устанавливают машины-автоматы и с успехом используют промышленные роботы.

Список используемой литературы.

1.       Технология металлов и конструкционные материалы.

Б.А. Кузьмин, Ю.Е. Абраменко, В.К. Ефремов, и др. М.: Машиностроение,1981.

2.  Литейное производство.

Бауман Б. В., Благов Б. Н. М.: Машиностроение,1971.

3.       Технология кузнечно-штампового производства.

Охрименко Я. М.  М.: Машиностроение,1976.

4.       Литьё в оболочковые формы.

 Соколов Н.А. М.: Машиностроение,1969.

5. Тугарин В.Т., Манько О.Н.

Основы природопользования. Учебник. М.: Высшая школа,2000.

6. ГОСТ 3.1125-88

7. ГОСТ 26645-85

Страницы: 1, 2, 3