Что изучает технология конструкционных материалов. Выбор режущего инструмента. Физические основы ОМД

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Кафедра «Конструкционные материалы и специальные технологии»

Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Конспект лекций для специальностей 190701 Организация перевозок и управление на транспорте,190702 Организация и безопасность движения

Лекция № 1

Введение

Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

Знание свойств материалов позволяет наиболее успешно их использовать, поэтому это – конечная цель технического материаловедения. Свойства зависят от состава металла и его состояния. В свою очередь состав и состояние металла обуславливают его структуру.

Структура – порядок расположения атомов или молекул, а затем их группировка в более крупные скопления, называемые кристаллическими образованиями. Поэтому различают микро- и макроструктуру.

Типы кристаллических решеток у металлов

Металлы – кристаллические тела (положение атомов в пространстве упорядочено). Наименьшая часть кристаллической решетки называется элементарной ячейкой и представляет собой куб, шестигранную призму или другое геометрическое тело, в вершинах которого располагаются атомы металла. Многократно повторяясь, ячейки образуют кристаллическое зерно. Ориентировка ячеек в пределах одного зерна одинакова, а в соседних зернах различна. Размер зерен может быть от 1 мкм и более (до 10000 мкм).

Существует 7 разновидностей кристаллических решеток, но для металлов наиболее характерны следующие:

1. Кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК).

Это наиболее простой тип. 8 атомов образуют куб, девятый атом находится в центре объема куба на пересечении диагоналей.

п.: Fe  , Cr, V, Mo, W.

В такой решетке атомы упакованы недостаточно плотно. Стремление атомов занять места наиболее близкие друг к другу приводит к образованию решеток других типов.

2. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК).

8 атомов образуют куб, 6 атомов расположены в центре каждой из граней куба.

п .: Fe  , Al, Cu, Ni, Pb.

3. Гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ).

12 атомов образуют шестигранную призму. 2 атома расположены в основаниях призмы, и еще 3 – внутри призмы.

п.: Mg, Zn, Cd (кадмий), Be (бериллий).

Прочность металла зависит от плотности упаковки кристаллической решетки и особенностей строения электронных оболочек атомов.

В свою очередь плотность упаковки определяется числом атомов, приходящихся на одну ячейку решетки и расстоянием между ними.

Всем монокристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств в различных направлениях, поскольку число атомов на разных направлениях различно.

п.: Если медный шар-монокристалл нагреть, то он превратится в эллипсоид (вследствие неодинаковости коэффициентов линейного расширения по различным направлениям).

Однако реальные металлы состоят из множества зерен, поэтому являются телами псевдоизотропными.

Опр . Полиморфизм (аллотропия) – способность некоторых металлов изменять кристаллическую решетку в зависимости от температуры и давления.

п.: железо при t 0 С имеет решетку ОЦК (Fe ), при 910 0 С

Дефекты кристаллических решеток: точечные, дислокации

Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от идеальных вследствие наличия дефектов. Так, фактическая прочность металлов на 2–3 порядка ниже их теоретической прочности, которой обладает совершенно бездефектный металл.

Различают точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. Их образование связано с диффузионным (тепловым) движением атомов и присутствием примесей, искажающих кристаллическую решетку. Под влиянием тепловых колебаний отдельные атомы, кинетическая энергия которых значительно выше среднего, выходят в междоузлия (дислоцированные атомы). Образовавшееся в узле свободное место называется «дыркой» или вакансией. Точечные дефекты искажают решетку на 5–6 периодов. Вакансии непрерывно перемещаются в решетке, до тех пор, пока не выходят на поверхность кристалла. Чем выше температура, тем больше дырок, и меньше времени вакансия находится в узле решетки. Число дислоцированных атомов не равно числу вакансий, так как они образуются независимо друг от друга.

Точечные дефекты образуются также примесными атомами, которые могут располагаться в узлах кристаллической решетки основного элемента (твердый раствор замещения) или в междоузлиях (твердый раствор внедрения). В любом случае чужеродные атомы вызывают искажение кристаллической решетки.

Линейные дефекты, которые имеют протяженность в одном измерении и малы в двух других, называют также дислокациями.

Опр . Дислокации – линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Краевая дислокация – наиболее распространенный вид.

Все атомные плоскости полные, а полуплоскость АВ обрывается внутри решетки. Линию крайних атомов в этой полуплоскости АВ и принято называть дислокацией.

Если нагрузить силой P идеальную решетку без дефектов, то возникающие касательные напряжения  стремятся разорвать одновременно все межатомные связи в плоскости сдвига S – S, что требует большой силы.

При наличии в плоскости сдвига дислокации, достаточно разорвать всего одну межатомную связь (рис.) в результате чего дислокация начнет перемещаться, пока не выйдет на границу зерна в виде ступени. Это потребует небольшого напряжения (на несколько порядков ниже, чем для бездефектного металла). По мере выхода на границу зерна новых дислокаций ступенька растет, превращаясь в зародыш сдвига, а затем и микротрещины. Так происходит пластическая деформация металла и его разрушение.

Вывод: прочность металлов может быть повышена или устранением дислокаций в кристаллах, или повышением сопротивления их движению.

Вторая возможность реализуется введением специальных примесей, препятствующих движению дислокаций (очень мелкие, твердые частицы карбидов, нитридов, интерметаллидов – стопоры) а также термообработкой, холодной деформацией.

График зависимости прочности металла от плотности дислокаций:

А – прочность бездефектного металла (теоретическая прочность); В – прочность т. н. «чистых» металлов. На участке АВ по мере увеличения плотности дислокаций прочность снижается. На участке ВС по мере дальнейшего увеличения плотности дислокаций прочность постепенно растет. Перемещение дислокаций затрудняется в связи с тем, что при большом их количестве они мешают перемещению друг друга.

Увеличения числа дефектов достигают введением легирующих примесей, термообработкой, холодной деформацией.

Поверхностные дефекты возникают вследствие неправильной формы границ отдельных кристаллов, различной ориентации осей в смежных кристаллах. Поэтому границы между зернами – это скопления дислокаций. Чем мельче зерна сплава, тем больше суммарная площадь границ, больше дислокаций и выше прочность сплава.

Лекция № 2

Первичная кристаллизация сплавов

Процесс образования кристаллов из жидкости принято называть первичной кристаллизацией.

Начало образования кристаллов при охлаждении жидкого металла легко заметить, наблюдая так называемые кривые охлаждения (изменение температуры сплава во времени при его охлаждении). Для их построения используется прибор пирометр термоэлектрический, в котором имеется термопара и милливольтметр. Спай термопары погружается в расплав. Температура будет пропорциональна величине термотока.

Температура T, при которой совершается превращение из жидкого состояния в твердое, называется критической точкой.

Подобную же критическую точку можно получить и при нагревании, когда металл будет плавиться. Это пример обратимого превращения, которое при одной и той же температуре может совершаться в ту или другую сторону, в зависимости от того, идет процесс нагрева или охлаждения.

Вопрос : почему при температурах больших T состояние сплава жидкое, при меньших – твердое, и превращение происходит именно при T?

Ответ : В природе все самопроизвольно протекающие превращения, в т. ч. плавления и кристаллизации, вызываются тем, что новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Любая система, будь то жидкость или твердое тело, характеризуется термодинамической функцией F – запасом свободной энергии, которая меняется с изменением температуры, но по разному для жидкого и твердого состояний.

При меньшем значении F система всегда более устойчива, и если есть возможность, стремится перейти в состояние, где F=min. Если при данной температуре F ж

При температуре T s (теоретическая температура кристаллизации) свободные энергии жидкого и твердого состояния равны: F ж = F тв. Однако, если охлаждать жидкость, то при T s еще не происходит процесс кристаллизации. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы жидкость была переохлаждена несколько ниже T s (достаточно очень незначительно), чтобы кристаллизация была термодинамически выгодной (F уменьшалась). То есть существует фактическая температура кристаллизации T пер. По аналогии также обратное превращение в жидкость происходит с перегревом твердого тела несколько выше T s .

Специальность «материаловедение и технология материалов» является одной из важнейших дисциплин практически для всех студентов, изучающих машиностроение. Создание новых разработок, которые смогли бы конкурировать на международном рынке, невозможно представить и осуществить без доскональных знаний данного предмета.

Изучением ассортимента различного сырья и его свойств занимается курс материаловедения. Различные свойства используемых материалов предопределяют спектр их применения в технике. Внутреннее строение металла или композитного сплава напрямую влияет на качество продукции.

Основные свойства

Материаловедение и технология конструкционных материалов отмечают четыре наиболее важных характеристики любого металла или сплава. В первую очередь это физические и механические особенности, позволяющие прогнозировать эксплуатационные и технологические качества будущего изделия. Основным механическим свойством здесь является прочность — она напрямую влияет на неразрушаемость готовой продукции под воздействием рабочих нагрузок. Учение о разрушении и прочности есть одна из важнейших составных частей базового курса «материаловедение и технология материалов». Эта наука составляет для поиска нужных конструкционных сплавов и компонентов, предназначенных для изготовления деталей с нужными прочностными характеристиками. Технологические и эксплуатационные особенности позволяют спрогнозировать поведение готового изделия при рабочих и экстремальных нагрузках, высчитать пределы прочности, дать оценку долговечности всего механизма.

Основные материалы

В течение последних столетий основным материалом для создания машин и механизмов является металл. Поэтому дисциплина «материаловедение» уделяет большое внимание металловедению - науке о металлах и их сплавах. Большой вклад в её развитие сделали советские ученые: Аносов П. П., Курнаков Н. С., Чернов Д. К. и другие.

Цели материаловедения

Основы материаловедения обязательны для изучения будущими инженерами. Ведь основной целью включения этой дисциплин в учебный курс является обучение студентов технических специальностей делать правильный выбор материала для сконструированных изделий, чтобы продлить сроки их эксплуатации.

Достижение поставленной цели поможет будущим инженерам решить следующие задачи:

• Правильно оценивать технические свойства того или иного материала, анализируя условия изготовления изделия и срок его эксплуатации.
• Иметь правильно сформированные научные представления о реальных возможностях улучшения каких-либо свойств металла или сплава путем изменения его структуры.
• Знать обо всех способах упрочнения материалов, которые могут обеспечить долговечность и работоспособность инструментов и изделий.
• Иметь современные знания об основных группах используемых материалов, свойствах этих групп и об области применения.

Необходимые знания

Курс «материаловедение и технология конструкционных материалов» предназначен для тех студентов, которые уже понимают и могут объяснить значение таких характеристик, как напряжение, нагрузка, пластическая и агрегатное состояние вещества, атомо-кристаллическое строение металлов, типы химических связей, основные физические свойства металлов. В процессе изучения студенты проходят базовую подготовку, которая им пригодится для покорения профильных дисциплин. Более старшие курсы рассматривают различные производственные процессы и технологии, в которых весомую роль играет материаловедение и технология материалов.

Кем работать?

Знания конструктивных особенностей и технических характеристик металлов и сплавов пригодятся или конструктору, работающему в области эксплуатации современных машин и механизмов. Специалисты в области технологии новых материалов могут найти свое место работы в машиностроительной, автомобильной, авиационной, энергетической, космической сфере. В последнее время наблюдается дефицит специалистов с дипломом «материаловедение и технология материалов» в оборонной промышленности и в сфере разработки средств связи.

Развитие материаловедения

Как отдельная дисциплина, материаловедение являет собой пример типичной прикладной науки, объясняющей состав, строение и свойства различных металлов и их сплавов при разных условиях.

Умение добывать металл и изготавливать различные сплавы человек приобрел еще в период разложения первобытнообщинного строя. Но как отдельная наука материаловедение и технология материалов начали изучаться чуть более 200 лет назад. Начало 18 века - период открытий французского ученого-энциклопедиста Реомюра, который первый попытался изучить внутреннюю структуру металлов. Аналогичные исследования проводил английский фабрикант Григнон, в 1775 году написавший небольшое сообщение о выявленной им столбчатой структуре, которая образуется при отвердевании железа.

В Российской империи первые научные труды в области металловедения принадлежали М. В. Ломоносову, который в своем руководстве попытался кратко объяснить сущность различных металлургических процессов.

Большой рывок вперед металловедение сделало в начале 19 века, когда были разработаны новые методы исследования различных материалов. В 1831 году труды П. П. Аносова показали возможность исследовать металлы под микроскопом. После этого несколькими учеными из ряда стран были научно доказаны структурные превращения в металлах при их непрерывном охлаждении.

Через сто лет эра оптических микроскопов прекратила свое существование. Технология конструкционных материалов не могла делать новые открытия, пользуясь устаревшими методами. На смену оптике пришло электронное оборудование. Металловедение стало прибегать к электронным методам наблюдения, в частности, нейтронографии и электронографии. С помощью этих новых технологий возможно увеличение срезов металлов и сплавов до 1000 раз, а значит, оснований для научных выводов стало гораздо больше.

Теоретические сведения о строении материалов

В процессе изучения дисциплины студенты получают теоретические знания о внутренней структуре металлов и сплавов. По окончании курса слушателями должны быть получены следующие умения и навыки:

• о внутреннем ;
• об анизотропии и изотропии. Чем обусловлены эти свойства, и как на них можно воздействовать;
• о различных дефектах строения металлов и сплавов;
• о методах исследования внутренней структуры материала.

Практические занятия по дисциплине материаловедение

Кафедра материаловедения имеется в каждом техническом вузе. В период прохождения заданного курса студент изучает следующие методы и технологии:

• Основы металлургии - история и современные методы получения сплавов металлов. Производство стали и чугуна в современных доменных печах. Разливка стали и чугуна, методы повышения качества продукции металлургического производства. Классификация и маркировка стали, ее технические и физические характеристики. Выплавка цветных металлов и их сплавов, производство алюминия, меди, титана и других цветных металлов. Применяемое при этом оборудование.

Современное развитие материаловедения

В последнее время материаловедение получило мощный толчок развития. Потребность в новых материалах заставила ученых задуматься о получении чистых и сверхчистых металлов, ведутся работы по созданию различного сырья по изначально просчитанным характеристикам. Современная технология конструкционных материалов предлагает использование новых веществ взамен стандартных металлических. Больше внимания уделяется применению пластмасс, керамики, композиционных материалов, которые имеют параметры прочности, совместимые с металлическими изделиями, но лишены их недостатков.

1.1. Введение

Основной целью дисциплины «Технология конструкционных материалов» является подготовка студентов к проектированию технологичных конструкций машин. Для достижения поставленной цели на основе изучения физико-механических основ технологических методов получения и их обработки обучающийся должен уметь:

выбирать рациональные технологические методы формообразования заготовок и их механической обработки;

разрабатывать чертежи технологичных заготовок с учетом выбранных процессов их изготовления и механической обработки;

вносить изменения в конструкции деталей, обеспечивающие повышение их.

Для изучения курса ТКМ необходимы знания и умения, полученные студентами при изучении дисциплин «Химия», «Сопротивление материалов», «Материаловедение», «Инженерная графика» и при прохождении учебно-технологического практикума. Теоретические знания, полученные на лекциях, опыт решения технологических задач на семинарах и при выполнении домашних заданий в первую очередь потребуются при выполнении курсового проекта «Основы проектирования машин. Часть 2», а также при изучении дисциплины « » и прохождении технологических практик.
Для современной технологии характерно сочетание в едином цикле разнообразных физико-химических процессов. Установление общих закономерностей, используемых при изготовлении деталей машин, является необходимым условием разработки и
оптимизации технологий. При решении задач комплексного использования сырья, энергии, производства новых материалов и создания безотходных технологий возрастает роль естественных наук. Техническое знание составляет неотъемлемую часть современной науки - с одной стороны и производства – с другой. Поэтому именно эти знания являются связующим звеном между естествознанием и практической деятельностью инженера.
Кроме того, теоретической основой технологических дисциплин является естествознание, открывающее основные законы природы, опираясь на которые, инженеры создают новые технологии и передовую технику. При этом естественные науки определяют пределы возможного, а социально-научные – пределы целесообразного, и только техническое знание позволяет разработать конкретную конструкторскую документацию и технологию изготовления требуемых изделий.
Независимо от сферы деятельности инженер должен обладать широкими знаниями в области конструирования и технологии изготовления деталей, машин, приборов, их   и утилизации. При изучении инженерных дисциплин и создании новой техники и технологий следует уделять особое внимание экологическим вопросам, поскольку деятельность инженера связана с расходованием энергии, полезных ископаемых и загрязнением окружающей среды.
В этой связи ответственность инженеров за выживание человечества является ключевой. При создании промышленной продукции приобретают значение вопросы ресурсосбережения и экологической чистоты. С точки зрения расходования ресурсов ясно, что энергоемкие и экологически вредные, связанные с повышенным расходованием кислорода и энергии, не имеют перспективы. Кроме того, необходимо учитывать затраты средств и полезных ископаемых не только на этапе изготовления предметов труда, но и при их функционировании, ремонте и утилизации.
Важным этапом создания изделий является процесс проектирования. Конструктор при создании различного рода изделий закладывает в документацию определенный вариант конструкторско-технологического решения (КТР). При этом необходимо принимать такое КТР, которое удовлетворяет эксплуатационным требованиям, предъявляемым к изделию, и соответствует современному уровню развития технологии. Конструктор должен учитывать как свойства материала изделия, так и технологию изготовления заготовок, их последующую термическую и механическую обработку. Процессам проектирования и изготовления изделий должны предшествовать этапы маркетинга и проведения исследования по определению оптимального варианта получаемой продукции.

1.2. Конструкционные материалы на металлической основе

Из многообразия материалов наиболее широкое применение в машиностроении нашли железоуглеродистые сплавы. Основные свойства этих материалов определяются содержанием главной примеси – углерода. Взаимодействие углерода с α и γ модификацией железа приводит к образованию сплавов различных по структуре и свойствам. Построение диаграммы состояния железо-углерод (цементит) дает представление о температурах и концентрационных границах существования этих сплавов.
Диаграммой состояния железо-цементит называется графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации углерода в условиях равновесия (фильм ). Фазовой называется однородная часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплава изменяются скачкообразно. На рис.1.1 изображена диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов, имеющая большое практическое значение.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов . В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие составляющие:
Аустенит – твердый раствор углерода в γ – железе с предельной концентрацией углерода 2,14% при температуре 1147 0 С, с понижением температуры до 727 0 С концентрация углерода уменьшается до 0,8%С. Сталь со структурой углерода аустенита не магнитна и имеет высокие пластичность и вязкость.
Феррит – твердый раствор углерода в α – железе с предельной концентрацией углерода 0,02% при температуре 727 0 С. Феррит имеет малую твердость и высокую пластичность.
Цементит (6,67%С)- химическое соединение железа с углеродом (Fe 3 C). Цементит имеет высокую твердость и низкую пластичность.
Перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8% С). Сталь, имеющая структуру перлита, обладает повышенными прочностью и твердостью.
Ледебурит(4,3%С) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и перлита. Ниже температуры 727 0 С аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита.
Графит – углерод в свободном состоянии, образующийся в чугунах в результате распада цементита при медленном охлаждении. Графит обладает низкой твердостью и малой прочностью.
На диаграмме состояния железо-цементит (рис.1.1) :

линия ABCD – линия ликвидуса, выше нее все сплавы находятся в жидком состоянии;

линия AECF – линия солидуса, ниже нее сплав находится в твердом состоянии. При этих температурах заканчивается процесс первичной кристаллизации;

в точке С при концентрации углерода 4,3% образуется эвтектика, которая носит название ледебурит;

линия PSK – линия эвтектоидного превращения, на которой заканчивается процесс вторичной кристаллизации;

линия PS – линия нижних критических точек А 1 ;

линия GS – линия верхних критических точек А 3 , она показывает температуру начала выделения феррита из аустенита;

линия SE – линия верхних критических точек А m , она показывает температуру начала выделения вторичного цементита.

Практическое применение диаграммы Fe-Fe 3 С. Диаграмму железо-цементит применяют для определения видов и температурных интервалов термической обработки стали; для назначения температурного нагрева заготовок при обработке давлением; для определения температуры плавления и заливки сплавов в литейную форму. Температуру плавления и заливки расплава в форму определяют по линии ликвидуса. Температурный интервал при горячей деформации стальных заготовок находится ниже линии солидуса на 100…150 0 С (верхний предел) и выше линии критических точек А 3 на 25…50 0 С (нижний предел). Основой процесса термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов на базе a- и g- железа. Полиморфные превращения стали протекают в определенном интервале температур, ограниченном нижней А 1 и верхними А 3 и А m критическими точками. В результате полиморфизма происходит перекристаллизация (изменение кристаллического строения) стали в твердом состоянии. Таким образом, термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур, выдержки их при этих температурах и последующем охлаждении с различной скоростью. При этом изменяются структура сплава, а следовательно, и его свойства (см. Приложение 1 ). Изменяя скорость охлаждения, можно получить различные структуры и физико-механические свойства железоуглеродистых сплавов. Основные виды термической обработки – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг, нормализация и закалка выполняются при нагреве выше точки А 3 или А m с последующим охлаждением: при отжиге вместе с печью, при нормализации – на воздухе, а при закалке – быстрое охлаждение в воде или масле. Регулируя скорость охлаждения стали, из аустенитного состояния можно получить различные структуры: мартенсит, тростит, сорбит, перлит. Отпуск выполняют при нагреве ниже точки А 1 и медленном охлаждении. Этот вид термической обработки применяют как сопутствующую операцию после закалки для получения более устойчивых структур (Приложение 3 ).

1.3. Классификация сталей и чугунов

Классификация сталей . Стали обладают оптимальным сочетанием механических, технологических и эксплуатационных свойств. По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и сплавы с особыми физическими свойствами. Особенности маркировки конструкционных материалов разобраны в Приложении 2 .
Конструкционные стали , применяемые для изготовления деталей машин, приборов, металлоконструкций и сооружений, классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.
По химическому составу конструкционные стали подразделяют на углеродистые и. На долю углеродистых сталей, которые содержат до 0,75% С, приходится 80% от общего объема выплавляемой стали. Это объясняется тем, что углеродистые стали сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей и режущим инструментом. Легированные стали получили широкое применение в строительстве (низколегированные) и в машиностроении (легированные). Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности сталей, что достигается при их использовании в термически упрочненном состоянии – после и. В отожженном состоянии легированные стали по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых. Для легирования обычно используют молибден, марганец, хром, кремний, никель и ванадий. Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов более 10% (высоколегированные), как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.).
По качеству сплавы классифицируют на стали обыкновенного качества (Ст0, Ст1, Ст2, ..., Ст6), качественные стали (08, 10, 15, ..., 60, 30Х, 40ХН, 30ХГС и др.), высококачественные (30ХНЗА, 40ХФА, 40ХН2МА, 12Х18Н10Т и др.), особовысококачественные (ШХ15Ш, 30ХГСА-Ш и др.). Стали обыкновенного качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные – не более 0,04 % S и 0,035% Р, высококачественные – не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные – не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
По степени раскисления стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп, ... Ст6сп; 08, 10, ..., 60 и др.) раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп; 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп) раскисляют только марганцем и производят низкоуглеродистыми (< 0,2% С) с повышенным количеством газообразующих. Полуспокойные стали (Ст1пс, Ст2пс, ..., Ст6пс; 08пс, 10пс, 15пс, 20пс) по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный; эвтектоидные, структура которых состоит из; и. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, – всех классов.
По прочности , оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали разделяют на стали нормальной (средней) прочности (σв < 1000 МПа), повышенной прочности (σв < 1500 МПа) и высокопрочные (σв > 1500 МПа).
По назначению конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные – для металлоконструкций и сооружений.
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущих, штамповых и контрольно-измерительных инструментов. По химическому составу эти стали подразделяют на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали по качеству классифицируют на качественные (У7, У8, У9, ..., У13) и высококачественные (У7А, У8А, У9А, ..., У13А). По структуре стали У10, У11,У12, У13 – заэвтектоидные.
Низколегированные стали по структуре относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса, в которых хром – постоянный элемент (ХВ4, 2ХС, ХВГ, ХВСГ). Высоколегированные стали по назначению подразделяют на быстрорежущие и стали, используемые для изготовления штампов.
В быстрорежущих сталях (Р18, Р9, Р6М5, Р6М5ФЗ и др.) основными легирующими элементами являются вольфрам, молибден и ванадий, процентное содержание которых указывается после соответствующих букв. Для изготовления штампов применяют стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием, кремнием (X12, Х12М, Х6ВФ, 5ХНМ, 5ХНВ, 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС и др.).
Сплавы для контрольно-измерительных инструментов (калибров, шаблонов, скоб, линеек и др.) должны обладать высокой, поэтому обычно применяют высокоуглеродистые хромистые стали X, 12Х, 15Х и др.
К сталям с особыми свойствами относят сплавы, для которых механические свойства, как правило, не имеют первостепенного значения. Основным предъявляемым к этим сталям требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств. Многие из этих сплавов высоколегированные, отличающиеся высокой точностью химического состава.
По назначению сплавы с особыми свойствами могут быть подразделены на магнитные, аморфные (металлические стекла), стали с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов, сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, с эффектом «памяти формы», жаростойкие, коррозионно-стойкие и др.
Классификация чугунов. Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительно низкой себестоимости получили широкое распространение в машиностроении. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают серые, высокопрочные чугуны, чугуны с вермикулярным графитом, белые и ковкие чугуны.
Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита (фильм ). По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. По структуре металлической основы серый чугун может быть ферритным, перлитным или перлитно-ферритным (рис.1.2). Обозначают серые чугуны индексами: СЧ20, СЧ25, СЧ30. Число в марке обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.



Рис 1.2. Микроструктура серого чугуна: а) - ферритного; б) - перлитно-ферритного; в) - перлитного:
1 – феррит; 2 - пластинчатый графит; 3 - перлит.

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму (фильм ). Их получают модифицированием сплавом магния с никелем, который вводят в жидкий чугун. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным, перлитным или перлитно-ферритным (рис.1.3). Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления (ВЧ35…ВЧ100).



Рис 1.3. Микроструктура высокопрочного чугуна: а) - ферритного; б) - перлитно-ферритного; в) - перлитного:
1 – феррит; 2 - шаровой графит; 3 - перлит.

В чугуне с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до 40%) и червеобразную извилистую форму (рис.1.4).



Рис 1.4. Микроструктура чугуна с вермикулярным графитом:
1 – вермикулярный графит; 2 – феррит;

Особенностью структуры этого чугуна является наличие в металлической основе значительного (до 70…90%) количества феррита.
Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40, ЧВГ45. Число в марке чугуна обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму (фильм ). Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов (рис.1.5). По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит в отличие от пластинчатого меньше снижает механические свойства металлической основы, поэтому ковкие чугуны обладают более высокими прочностью и пластичностью по сравнению с серыми.



Рис 1.5. Микроструктура белого чугуна:
1 – перлит; 4 – цементит;

По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными или перлитными (рис.1.6). Ковкие чугуны обозначают индексом КЧ и последующими цифрами, первая из которых - уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления, а вторая – пластичность в % : КЧ30-6, КЧ60-3 и др.



Рис 1.6. Микроструктура ковкого чугуна: а) - ферритного; б) - перлитного:
1 – перлит; 2 – графит отжига; 3 – феррит;

1.4 Факторы, влияющие на свойства металлов и сплавов

Выбор марки материала в процессе проектирования изделий осуществляют на основе рассмотрения комплекса свойств, которые необходимы на этапах изготовления, эксплуатации и восстановления деталей.
К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плавления, плотность, коэффициент линейного расширения, электросопротивление и теплопроводность. Химическими свойствами являются способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. К основным механическим свойствам относят, ударную вязкость, усталостную прочность, твердость и ползучесть. Технологическими свойствами металлов и сплавов являются, и режущим инструментом. К эксплуатационным свойствам в зависимости от условий работы изделия относят, коррозионную стойкость, и др.
Физико-химические и механические свойства материалов зависят от строения атомов, атомно-кристаллической структуры, химического состава, микро- и макроструктуры.
Известно, что все материалы состоят из атомов, которые, в свою очередь, представляют собой композицию протонов, нейтронов и электронов. Атомы в материалах связаны между собой различными типами связей (ионной, ковалентной, металлической). Наиболее важным типом связи в машиностроительных материалах является металлический, который характерен для чистых металлов и их сплавов.
Атомы в кристаллических структурах расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки, которые представляют собой наименьший объем кристалла, дающего полное представление об атомно-кристаллической структуре материала и называемого элементарной ячейкой. Большинство материалов, используемых в технике, и все металлы, как правило, имеют кристаллическую структуру.
Кристаллические решетки, образуемые металлами, называют металлическими. В узлах этих решеток находятся положительные ионы металлов, а валентные электроны могут передвигаться между ними в различных направлениях. Такое строение решетки обусловливает высокую электрическую проводимость, теплопроводность и пластичность металлов. При упругопластическом деформировании не происходит разрыва связи и разрушения кристалла, поскольку составляющие его ионы как бы «плавают» в облаке электронного газа.
Математически доказано, что можно получить 14 различных вариантов кристаллических решеток. Многие металлы имеют сравнительно простые кристаллические решетки, такие как объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП) – рис. 1.7.
Всем кристаллам присуща, т. е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свойства, как, и химическая активность, существенно отличаются у различных граней кристаллов.



а б в
Рис.1.7 Кристаллические решетки металлов:
а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГП

С повышением температуры или давления параметры решетки могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению свойств. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название или. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфным превращением.
Кристаллические решетки могут иметь различные структурные несовершенства, существенно изменяющие свойства материалов. Дефекты внутреннего строения подразделяют на точечные (вакансии), линейные (дислокации) и плоскостные (скопление дислокаций). Двухмерные дефекты характерны для поликристаллических материалов, т. е. для материалов, состоящих из большого количества кристаллитов, различно ориентированных в пространстве.
Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов неоднозначно. Если прочностные характеристики бездефектных кристаллов очень высоки, то увеличение дефектов до определенного количества приводит к резкому снижению механических свойств. Дальнейшее увеличение дефектов, например, при введении в расплав компонентов или применении специальных методов искажения кристаллической решетки, повышает реальную прочность металлов.
Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем чистых металлов, и зависит от взаимодействия его компонентов, которые при кристаллизации образуют фазы (однородные объемы, разграниченные поверхностями раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно). Компоненты в твердом сплаве могут образовывать следующие структуры: твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
На свойства сплавов наряду со строением атомов основного компонента, атомно-кристаллического строения и химического состава существенное влияние оказывает микроструктура . Этот фактор показывает влияние размера, формы кристаллитов (зерен), взаимного расположения фаз, их формы и размеров на свойства материалов. Для определения микроструктуры из исследуемого изделия изготавливают микрошлиф, структуру которого наблюдают с помощью оптического или электронного микроскопа (рис. 1.8).



Рис. 1.8 Микроструктура сплава:
1 – (Аm Bm );
2 – элемент (компонент) в свободном виде;
3 – [А(В)+Аm Bn ];
4 – [А(В)].

Макроструктура заготовки является еще одним фактором, активно влияющим на свойства получаемых изделий, которая исследуется на шлифах при увеличении не более чем в 30–40 раз. При исследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле; деформированные кристаллиты в поковках; дефекты, нарушающие сплошность изделий; химическую неоднородность, вызванную процессом кристаллизации, и т. д.
Вид макроструктуры зависит от условий изготовления заготовок и деталей машин. Например, для строения слитков и отливок характерно наличие кристаллитов различных размеров и форм, пористости, раковин и т. п. Такую макроструктуру принято называть литой . Обработка давлением слитков при нагреве до высоких температур вызывает деформацию кристаллитов и частичную заварку пор и раковин, а последующая рекристаллизация формирует мелкозернистое строение металла. Таким образом формируется макроструктура. Заготовки с этим видом макроструктуры, как правило, обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с отливками.
Материалы с аморфной структурой не имеют упорядоченного строения и, в отличие от кристаллических тел, являются изотропными. Аморфная структура, так же, как и структура жидкости, характеризуется ближним порядком. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Аморфное тело можно представить как жидкость с очень большой вязкостью. Однако в отличие от жидкости в аморфном веществе частицы практически не обмениваются местами. Типичными аморфными веществами являются силикатные стекла, поэтому часто аморфное состояние называют стеклообразным. Аморфную структуру могут образовывать металлы при очень высоких скоростях охлаждения (примерно 10 6 °С/с).

1.5. Технологические свойства материала заготовок

Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам.
Способность объемной заготовки принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке оценивается деформируемостью . Это технологическое свойство определяется сопротивлением деформированию и пластичностью, которые, в свою очередь, зависят от строения атома, атомно-кристаллического строения, макро- и микроструктуры, а также от условий деформирования. Наиболее широкое применение в обработке давлением получили заготовки из стали, алюминиевых, магниевых, медных и титановых сплавов.
К литейным свойствам относят технологические свойства металлов, которые проявляются при заполнении литейной формы, кристаллизации отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства – жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность сплавов к ликвации, образованию трещин, поглощению газов, пористости и др. На литейные свойства влияют химический состав расплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, масса, конструкция отливки и литейной формы. Так, серый чугун обладает высокими литейными свойствами, и отливки из этого сплава могут быть получены как в песчаных, оболочковых, так и в металлических формах. Он имеет высокую жидкотекучесть, которая позволяет изготавливать отливки с минимальной толщиной стенки 3…4 мм, малую усадку (0,9…1,3 %), обеспечивающую получение отливок без усадочных раковин, пористости и трещин.
Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов при установленной технологии сварки образовывать соединения, отвечающие конструктивным требованиям и условиям эксплуатации. Свариваемость зависит, с одной стороны, от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединения, а с другой – от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений удовлетворяются, то свариваемость материала считается достаточно хорошей. Проявлением пониженной свариваемости является образование горячих и холодных трещин в шве и в зоне термического влияния. К таким дефектам склонны высокоуглеродистые и легированные стали, магниевые и алюминиевые сплавы.
Под обрабатываемостью резанием понимают способность материалов подвергаться резанию. Это технологическое свойство можно оценивать одним или несколькими показателями. К ним относятся допустимая скорость резания, стойкость инструмента при стандартных режимах резания, шероховатость обработанной поверхности и т. п. Производительность и себестоимость обработки зависят главным образом от допустимой скорости резания, поэтому она является основным показателем обрабатываемости. Это технологическое свойство материалов определяется их химическим составом, структурным состоянием, механическим и теплофизическим свойствами. Так, из всех конструкционных материалов, применяемых в машиностроении, магний обладает наиболее высокой обрабатываемостью. Однако он склонен к возгоранию в процессе механической обработки, поэтому при его резании требуется соблюдение специальных мер техники безопасности.
Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям. Например, широкому внедрению композиционных материалов препятствуют их низкие технологические свойства.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ


1. Сформулируйте цель изучения дисциплины «Технология конструкционных материалов».
2. Знания каких дисциплин необходимы для изучения курса лекций?
3. Сформулируйте основные факторы, определяющие физико-химические, механические, металла заготовок деталей машин.
4. Какое влияние оказывает микро- и макроструктуры на свойства материала заготовок?
5. Сравните технологические свойства доэвтектоидных и заэвтектоидных углеродистых сталей. Какие стали обладают лучшей деформируемостью?
6. Что называется диаграммой состояний Fe-Fe 3 С ? Каково её практическое значение?
7. По каким признакам классифицируют стали и чугуны? Приведите примеры маркировки углеродистых сталей и чугунов.

Министерство образования Российской Федерации

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра технологии конструкционных материалов

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Пояснительная записка

ТКМ–23–0.00П3

Студент 234 группы____________________Иммель Н.Н.

Руководители курсовой работы

доцент _________________Высоцкий А. Г.

старший преподаватель__________________Миронов В. П.

Воронеж 2003

ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ

УДК 621.78:

Курсовая работа по учебной дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» 55с., 2 рис., 5 чертеж., 5 табл., 15 источников.

ДВИГАТЕЛЬ, КАРТЕР ШЕСТЕРЕН ДВИГАТЕЛЯ, ШКИВ ТОРМОЗНОЙ ЛЕБЕДКИ ТРАКТОРА ТДТ-55, ОТЛИВКА ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА, РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ

Цели курсовой работы:

– закрепление, расширение и углубление теоретических знаний по дис­циплине;

– получение навыков практического применения полученных теорети­-
ческих знаний при самостоятельном творческом решении конкретных
технологических задач;

– обучение самостоятельному пользованию специальной литературой -
каталогами, книгами, справочниками, государственными стандартами,
научно - производственными журналами, реферативной информацией и

– получение навыков составления пояснительной записки и оформления
иллюстративного материала (чертежей, схем, графиков) согласно дей-
ствующим стандартам.

Раздел 1 технического задания на курсовую работу определяет две техно­логических задачи:

1 Обосновать выбор материала для изготовления картера шестерен двигателя трактора ТДТ-55.

2 Обосновать технологию термической обработки первичной заготовки детали.

Раздел 1 курсовой работы выполнен на основе сбора и анализа обширно­го материала, полученного при изучении специальной литературы

На основе анализа условий работы картера шестерен двигателя обоснована целесообразность применения чугуна СЧ 18 для изготовления картера шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55.

Из третьего раздела определена одна задача: рассчитать режимы резания при механической обработке отливок для шкива тормозной лебедки трактора ТДТ-55.

Для обработки заданной цилиндрической поверхности выбран проходной резец из твердого сплава ВК6, принятая подача равна 0,65 мм/об, скорость резания равна 76,61 мм/мин, сила резания равна 14,58 кгс, мощность резания равна 0,18 кВт, машинное время требуемое для всего технологического процесса 3,81 мин.

Введение ...............................................................................................................7

Техническое задание ........................................................................................12

1 Обоснование выбора материала и технологии термической

обработки деталей машин лесного комплекса ..........................................16

1.1 Анализ условий работы детали...................................................................16

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали......................19

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной

заготовки и детали........................................................................................25

1.4Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения

термической обработки......................................................................................29

1.5Охрана труда в термических цехах..............................................................31

2 Разработка технологического процесса изготовления отливки

в разовой форме для деталей машин лесного комплекса ........................34

2.1 Обоснование выбора способа получения отливок...............................34

2.2 Чертеж детали......................... .................................................................34

2.3 Разработка чертежа отливки. ..................................................................34

2.3 Выбор плоскости разъема.........................................................................34

2.3 Определение припуска на механическую обработку......................... ...36

2.3 Определение минимально допустимой толщины стенок отливки......36

2.3 Определение радиусов галтелей и закруглений.....................................38

2.3 Определение формовочных уклонов.......................................................38

2.4 Разработка чертежа модели......................................................................38

2.5 Разработка чертежа стержня.....................................................................39

2.6 Определение массы отливки.....................................................................39

2.3 Выбор размеров опок.................................................................................42

2.3 Расчет элементов литниковой системы....................................................42

2.3 Разработка чертежа литейной формы в разрезе.......................................44

2.7 Определение массы стержня и формовочной смеси...............................46

2.8 Оценка технико-экономической эффективности....................................46

3 Определение режимов резания при механической обработке

отливок для деталей машин лесного комплекса..........................................48

3.1 Выбор режущего инструмента......................................................................48

3.2 Выбор подачи................................................................................................49

3.3 Определение скорости резания.....................................................................49

3.4 Определение силы резания............................................................................50

3.5 Определение мощности резания...................................................................51

3.6 Определение машинного времени................................................................51

Заключение ...........................................................................................................52

Список использованных источников ..............................................................54

ВВЕДЕНИЕ

В дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» изучают закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки, а также современные рациональные и распространенные в промышленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин .

Основная задача «Материаловедения. Технологии конструкционных материалов» состоит в правильности выбора материала, метода его упрочнения и снижения металлоемкости изделия при одновременном достижении наиболее высокой технико–экономической эффективности .

В машиностроении наибольшее применение нашли черные металлы. На основе железа изготавливается не менее 90 – 95% всех деталей машин и оборудования лесного комплекса. Широкое распространение железа и его сплавов связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью, высокими механическими и технологическими свойствами. Стоимость цветных металлов во много раз выше стоимости железа и его сплавов.

Чистые металлы в МОЛК практически не применяются, так как они обладают в структурном состоянии низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств. Наиболее широко используются сплавы. Сплавы получают с плавлением или спеканием порошков из двух или более металлов с неметаллами. Сплав может состоять из двух и более компонентов.

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств: высокой теплопроводностью и электропроводностью, термоэлектронной эмиссией, повышенной способностью и пластическим деформациям, как правило, высокой твердостью, прочностью и другими свойствами .

Для МОЛК конструкционные материалы расположены в следующей пропорциональности по массе:

– сталь – 88 – 96 % массы многих машин;

– чугун – 5 – 13 %;

– цветные металлы и их сплавы – 0,003 – 1,03 %;

– неметаллические материалы (пластмассы, резина, керамика, стекло и др.) – 0,02 – 0,08 %.

В автомобильной промышленности Российской Федерации используются: 26 сплавов алюминия; 22 сплава меди; 7 сплавов цинка и один сплав магния .

Фундаментальные методы в современной технологии конструкционных материалов характеризуется многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении .

Основным технологическим процессом, применяемым в лесном машиностроении является: обработка металлов давлением, которая основана на их способностях в определенных условиях пластически деформироваться в результате воздействия на деформируемое тело внешних сил. Обработка металлов резанием – это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения определённых свойств. Методы отделочной обработки поверхностей – это полирование заготовок, абразивно–жидкая отделка, притирка поверхностей, хонингование.

Существуют различные способы обработки металлов давлением:

– прокатка – заключается в обжатии заготовки между вращающимися валками. В результате уменьшают поперечные размеры заготовки;

– прессование – заключается в продавливании заготовки, находящейся в замкнутой форме;

– волочение – заключается в протягивании заготовки через сужающуюся полость матрицы;

– ковкой изменяют форму, и размеры заготовки путем последовательного воздействия универсальным инструментом на отдельные части заготовки;

– штамповкой изменяют форму и размеры детали с помощью специализированного инструмента – штампа (для каждой детали изготавливают свой штамп);

– листовой штамповкой получают плоские и пространственные полые детали из заготовок, толщина у которых значительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса);

– горячая объемная штамповка – это вид обработки металлов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой заготовки осуществляют с помощью специального инструмента – штампа.

Литейное производство – отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки;

Сварка – технологический процесс получение не разъёмных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическим деформировании, или совместным действием того и другого .

Универсальные автоматы и полуавтоматы обеспечивают высокую производительность труда. Для расширения технологических возможностей станков используют системы с числовым программным управлением (ЧПУ). Высшей формой организации работы станков с ЧПУ является создание комплексных автоматизированных участков с централизованным управлением от ЭВМ. Сильно повышает производительность внедрения автоматических линий – систем автоматически действующих станков, связанных транспортирующими средствами и имеющих единое управляющее устройство. Они разделяются на синхронные и несинхронные. Современные средства автоматизации могут быть рационально использованы, в массовом производстве. Возможность быстрого перенаправления оборудования в условиях серийного производства при изготовлении даже небольших партий заготовок обеспечивают даже небольших гибкие автоматические производства (ГАП). ГАП организуется на базе оборудования, управляемого ЭВМ с помощью программ. ГАП способствует увеличению производительности труда в условиях серийного производства, обеспечивает повышения качества продукции .

Одним из путей экономии металлов является увеличение производства качественных сплавов, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками. Применение таких сплавов, поможет получить экономический эффект как при изготовлении, так и при ремонте быстро изнашивающихся деталей машин путем их замены на более прочные, с увеличенным сроком службы .

Цели курсовой работы:

– закрепление, расширение и углубление теоретических знаний по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»;

– приобретение навыков практического применения полученных теоретических знаний при решении технологических задач, предусмотренных техническим заданием на курсовую работу;

– получение навыков самостоятельного творческого подхода к решению конкретных инженерных задач;

– обучение самостоятельному пользованию специальной и периодической литературой: каталогами, справочниками, стандартами, ТУ, нормами, научно-производственными журналами, реферативной информацией и другой литературой;

– выработка навыков оформления технической документации, составления пояснительной записки и оформления иллюстрированного материала (чертежей, схем, графиков) согласно действующего стандарта;

– овладение навыками использования современной вычислительной техники при решении конкретных инженерных задач;

– подготовка к более сложному этапу процесса обучения – защите дипломного проекта.

В целом техническое задание на курсовую работу определяет четыре технологических задачи, которые должен решить студент при выполнении курсовой работы.

Первый раздел определяет две задачи: обосновать выбор материала для изготовления заданной детали, обосновать технологию термической обработки первичной заготовки и самой детали.

Из второго раздела технического задания вытекает одна задача: разработать технологический процесс изготовления отливок в разовой форме для заданной детали.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине

«Материаловедение. Технология конструкционных материалов »

Студент 234 группы лесомеханического факультета

Иммель Н.Н.

Раздел 1 Обоснование выбора материала и технологии термической

обработки деталей машин лесного комплекса.

Вариант 28.

Исходные данные:

1 Тип машиностроительного производства – массовое.

2 Машина – трелевочный трактор ТДТ – 55.

3 Сборочная единица – двигатель СМД – 14Б.

4 Деталь – картер шестерен.

5 Метод получения первичной заготовки – литье в песчаную форму.

6 Материал детали – СЧ15.

7 Твердость материала после термической обработки – 163…229 НВ.

8 Условия работы детали:

– нагрузки – статические;

– среда – неагрессивная;

– максимальная рабочая температура – до 100°С.

Порядок выполнения раздела 1:

1.1 Анализ условий работы детали.

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали.

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной заготовки и детали.

1.4 Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения термической обработки.

1.5 Охрана труда в термических цехах.

Раздел 2 Разработка технологического процесса изготовления

отливки в разовой форме для деталей машин

лесного комплекса.

Вариант 68.

Исходные данные:

2 Машина – трактор ТДТ–55.

4 Деталь – шкив.

5 Материал детали – СЧ 50.

Порядок выполнения раздела 2:

2.1 Обоснование выбора способа получения отливок.

2.2 Чертеж детали.

2.3 Разработка чертежа отливки.

2.3.1Выбор плоскости разъема.

2.3.2Определение припуска на механическую обработку.

2.3.3Определение минимально допустимой толщины стенок отливки.

2.3.4Определение радиусов галтелей и закруглений.

2.3.5Определение формовочных уклонов.

2.4 Разработка чертежа модели.

2.5 Разработка чертежа стержня.

2.6 Определение массы отливки.

2.6.1 Выбор размеров опок.

2.6.2 Расчет элементов литниковой системы.

2.6.3Разработка чертежа литейной формы в разрезе.

2.7 Определение массы стержня и формовочной смеси.

2.8 Оценка технико-экономической эффективности.

отливок для деталей машин лесного комплекса.

Вариант 68.

Исходные данные:

1 Тип машиностроительного производства – единичное.

2 Машина – трактор ТДТ–55.

3 Сборочная единица – тормозная лебёдка с карданным приводом.

4 Деталь – шкив.

5 Материал детали – СЧ 50.

6 Условия обработки отливки:

– глубина резания – t=1,1 мм;

– твердость 220 НВ;

– диаметр обрабатываемой поверхности d=275 мм;

– длина обрабатываемой поверхности l=80 мм.

Порядок выполнения раздела 3:

3.1 Выбор режущего инструмента.

3.2 Выбор подачи.

3.3 Определение скорости резания.

3.4 Определение силы резания.

3.5 Определение мощности резания.

3.6 Определение машинного времени.

Руководители курсовой работы

доцент Высоцкий А. Г.

ст. преподаватель Миронов В. П.

Техническое задание принял к исполнению

студент Иммель Н.Н.

1 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА И ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАВОТКИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

1.1 Анализ условий работы детали

На передней плоскости блока картера двигателя смонтированы картер распределительных шестерен и его крышка, между которыми расположены шестерни, осуществляющие привод всех механизмов и агрегатов двигателя, кроме электрогенератора, водяного насоса и вентилятора. Ведущей шестерней является шестерня, посаженная с натягом на носок коленчатого вала со шпонкой. Эта шестерня находится в зацеплении с двумя промежуточными шестернями.

Первая промежуточная шестерня является шестерней привода масляного насоса и приводит во вращение шестерню масляного насоса. Вторая промежуточная шестерня вращается на оси, запрессованной в переднюю стенку блока-картера двигателя, и входит в зацепление с двумя ведущими шестернями. Первая шестерня приводит во вращение кулачковый валик топливного насоса высокого давления. Вторая шестерня с помощью специального поводка, соединенного с этой шестерней приводит во вращение счетчик моточасов двигателя. Эта шестерня приводит также во вращение шестерню привода насоса гидросистемы.

Картер распределительных шестерен является корпусной деталью, с помощью которой смонтированы шестерни привода механизмов и агрегатов двигателя, поэтому он испытывает статические нагрузки при изменениях крутящего момента, передаваемого от двигателя.

Так как картер залит маслом, то среда, в которой находится картер распределительных шестерен, - не агрессивная. Температура при перегрузках может достигать значение до 100°С.

Длительная работоспособность трактора зависит от надежности и долговечности деталей и узлов. Надежность работы деталей во многом определяется сопротивлением материала распространению трещин, то есть его вязкостью разрушения. Это значит, что основное требование, предъявляемое к детали при эксплуатации - высокое сопротивление нагрузкам (статическим), чтобы не появились микротрещины, вырывы. Картер распределительных шестерен должен иметь статическую и усталостную прочность.

Прочность детали, и особенно усталостная, в значительной степени зависит от состояния поверхности и наличия в ней концентраторов напряжений. Надежность - свойство детали сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Долговечность - свойство детали сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности ее дальнейшей эксплуатации). Долговечность зависит от усталости, износа, коррозии детали.

Следовательно, существует комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей зависимости с эксплуатационными свойствами картера распределительных шестерен. К таким свойствам, повышающим предел выносливости, сопротивление контактной усталости, сопротивление износу, коррозии. К наиболее важным технологическим свойствам чугунных картеров относятся герметичность картера, износостойкость, работоспособность. Они определяют поведение чугуна при работе картера под давлением валов и шестерен.

Сопряженные поверхности картера с другими деталями должны иметь высокую износостойкость, минимальный коэффициент трения. Кроме того, картер распределительных шестерен должен иметь низкую себестоимость, а это связано с технологическими свойствами - литейные свойства и обрабатываемость резанием.

Износ, который определяет долговечность детали, представляет собой процесс удаления материала в результате многократного нарушения фрикционных связей, и поэтому, как правило, носит усталостный характер, особенно для деталей, находящихся в соприкосновении друг с другом. Эти разрушения происходят, несмотря на статические давления.

Износостойкость является одной из важнейших характеристик чугуна. При трении наряду с упругими деформациями происходят пластические и разрушаемые деформации - смятие и срез, а иногда и вырывание частиц. При трении подшипников о поверхность вала соприкасающиеся точки проходят серийно повторяющийся цикл, что вызывает контактную усталость и соответствующий износ.

Картер распределительных шестерен имеет износ при трении со смазкой (нижняя часть картера). Большое значение для износостойкости при трении со смазкой имеют количество, форма и расположение графита в структуре. Наилучшими формами являются среднепластинчатая, компактная и шаровидная. С размельчением графита износ увеличивается. Очень мелкие шаровидные включения уступают по своему влиянию на износостойкость среднему по величине пластинчатому графиту в сером чугуне.

При статическом нагружении чугун испытывает упругие деформации матрицы и обратимые деформации полостей, занятых графитом, причем интенсивность этих деформаций возрастает с увеличением нагрузки. Кроме упругих деформаций происходят остаточные деформации, которые обязаны своим происхождением пластичной матрице и полости графита. Эта деформация особенно резко проявляется на поверхности образцов, где она приводит к образованию трещин. Серый чугун имеет вязкий излом, происходящий по зернам (темный излом) и хрупкий. Но чаще комбинированный (частично вязкий, частично хрупкий).

Характерным дефектом картера распределительных шестерен являются трещины, обломы, срывы резьб в резьбовых отверстиях и износ посадочных поверхностей в отверстиях под подшипники. Иногда наблюдаются случаи износа поверхности картера торцом блока шестерен заднего хода.

Очаг разрушений обычно возникает вблизи поверхности, которая как наиболее нагруженная часть детали претерпевает микродеформацию, я затем образуется микротрещина. В чугунах включения графита, сульфида, фосфата не разрушаются, а служат препятствием для дальнейшего распространения трещины, выполняя функцию ингибирования, и требуют дополнительной энергии для своего разрушения или вырывания. Форма графита и его распределение в чугуне определяют отличие в поведении чугуна от стали при разрушении.

Самый большой износ картера шестерен - это деформация поверхностей. Несоосность осей посадочных отверстий подшипников в картере можно объяснить деформацией картера, происходящей вследствие действия реакций в опорах, возникающих при передаче окружных усилий шестернями.

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали

Отливка картера шестерен двигателя СМД-14Б получается методом литья в земляную форму. Для получения качественной отливки необходимо применять материал с высокими литейными свойствами. Кроме того, материал отливки должен необходимые эксплуатационные требования. Для картера шестерен, испытывающего при работе статические нагрузки, наиболее подходящим является серый чугун.

Серый ферритный чугун СЧ 15 применяется в двигателе СМД-14Б,

СЧ 18 в двигателе СМД-60 и СЧ 20 в двигателе трактора ТТ-4.

За рубежом в тракторостроении применяется серый чугун G 20 (США).

При выборе оптимальной марки чугуна необходимо исходить из требований, которым должен удовлетворять серый чугун: достаточная механическая прочность, способная противостоять статическим нагрузкам; хорошие литейные свойства, позволяющие получить отливку сложной формы; хорошая обрабатываемость резанием, допускающая механическую обработку на автоматических линиях в массовом производстве; невысокая стоимость чугуна и входящих в него компонентов. В соответствии с перечисленными требованиями необходимо при выборе оптимального чугуна провести сравнительный анализ СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20 и G 20 по химическому составу, механическим и технологическим свойствам.

В таблице 1.1 показан химический состав серых чугунов, применяемых для изготовления картера шестерен.

Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими Fe, C, Si, Mn и небольшие примеси серы и фосфора.

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды Cr, Ni, и Cu. Так в СЧ 15 на ХТЗ находится 0,058% Cr, в СЧ 15 отлитом на ЛТЗ – 0,17% Cr и 0,2% Ni.

Надежность и долговечность картера шестерен зависит от механических и технологических свойств материала, из которого он изготовлен. В таблице 1.2 показаны механические свойства чугунов при сжатии, растяжении, изгибе и кручении.

Прочностные свойства чугуна (σв, σс, τв, σu) определяются характером его структуры, которая в свою очередь, зависит от химического состава и ус-

ловий охлаждения чугуна в литейной форме.

Таблица 1.2 – Механические свойства чугунов

Марка чугуна

При растяжении

При сжатии

При кручении

При изгибе

φ, % при вибрации под нагрузкой

Прочность серого чугуна определяется, прежде всего, его металлической основой. Такие свойства как σв, ударная вязкость (КСU), длительная прочность зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитных включений.

Прочность серого чугуна зависит от вида нагружения: при растяжении σв имеет наименьшее значение; наибольшее значение прочности серые чугуны имеют при сжатии. При кручении τв и изгибе σu ниже, сжатии, но выше чем при растяжении. Усталостная прочность характеризуется по пределам выносливости (σ-1, τ-1, σ-1С и σ-1u), значения которых почти равны при различных видах нагружения (таблица 1.2). От предела выносливости зависит долговечность картера шестерен.

Пластические свойства ферритных чугунов СЧ 15 и СЧ 18 зависят от вида нагруженного состояния: при сжатии φ наиболее высокое, при кручении и изгибе пластичность меньше и при растяжении еще меньше (δ = 0,2...1,0).

Ударная вязкость выявляет склонность к хрупкому разрушению и определяется работой распространения трещины, чем больше KCU, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. Ударная вязкость серого чугуна зависит от пластичности.

Твердость чугуна почти полностью зависит от структуры металлической основы, а модуль упругости зависит от графита.

Физические свойства серого чугуна (плотность, тепловые свойства) зависят от состава и структуры, а именно от марки чугуна (таблица1.3). Наименьшая плотность у СЧ 15 и большая и СЧ 20. Это объясняется тем, что у СЧ 20 уменьшается содержание углерода и графита. В жидком состоянии плотность можно принять для серого чугуна γ = 6,7..7,1 г/.

Коэффициент линейного расширения (α), теплоемкость (с) и теплопроводность (λ) зависят также от состава и структуры чугуна, но главным влияющим фактором является температура, с повышением которой с и α увеличиваются, а λ понижается.

Таблица 1.3 – Физические свойства серых чугунов, применяемых для изготовления картера шестерен

Коррозионная стойкость серого чугуна повышается по мерее измельчения графита и уменьшения его количества, при однофазной структуре матрицы, а также при уменьшении Si, S и P. В чистой атмосфере металла составляют 0,025 мм/год, в городской атмосфере – 0,125 мм/год, в воде – < 0,125 мм/год, в почве – 0,13...0,60 мм/год. Термостойкость серого чугуна определяется механическими свойствами, теплопроводностью и коэффициентом расширения. Чем больше α, δ и σв, меньше Е, тем выше термостойкость.

Технологические свойства – обрабатываемость чугуна определяются его составом и структурой. Обрабатываемость серого чугуна связана с его твердостью НВ обратной зависимостью. Присутствие графита при механической обработке делает структуру ломкой и давление на инструмент уменьшается. Обрабатываемость оценивается стойкостью инструмента или по эквивалентной скорости резания. При 150 НВ – Vэкв = 1,0; при 180 НВ – Vэкв = 0,65 и при 200 НВ – Vэкв = 0,55.

Литейные свойства характеризуются по жидкотекучести, которая определяется по спиральной пробе, отливаемой в песчаной форме. Жидкотекучесть (λж) повышается с увеличением углеродного потенциала и температуры заливки. Чем ниже марка чугуна и выше содержание P, тем больше λж. При высоком значении λж уменьшается вероятность образования спаев, газовых раковин, усадочной пористости.

На механические свойства влияют графитные включения. Наличие пластинчатого графита в сером чугуне делает его практически не чувствительным к надрезам, что позволяет ему конкурировать с более прочной сталью по сопротивлению усталости и пределу выносливости.

Графитные включения оказывают сильное влияние на прочность при изгибе. Благодаря большому количеству надрезов металлической основы графитными включениями серый чугун имеет хорошую демпфирующую способность, возрастающую с повышением числа включений графита. Углерод в виде графита оказывает большое влияние на поведение картера шестерен при трении и на величину износа.

Необходимая прочность и твердость серого чугуна достигается изменением содержания углерода и кремния. Структура серого чугуна в первую очередь зависит от суммарного содержания углерода и кремния. Углерод и кремний способствуют графитизации чугуна. Чем меньше содержание углерода, тем меньше графита и выше прочность чугуна. При увеличении содержания связанного углерода увеличивается σв, НВ, Е. При увеличении содержания Si общая твердость чугуна уменьшается.

Марганец положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию.

Сера – вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугуна и повышает склонность к образованию трещин.

Учитывая химический состав, механические, технологические и физические свойства можно отметить, что СЧ 15 содержит большее количество углерода и кремния, следовательно, прочность СЧ 15 меньше, чем СЧ 18 и СЧ 20, но жидкотекучесть СЧ 15 выше, чем СЧ 18 и СЧ20. Кроме того, СЧ 15 имеет выше пластичность при сжатии и ударную вязкость. Однако, при более низкой твердости серый ферритный чугун СЧ 15 обладает более низкой износостойкостью, чем СЧ 18 и СЧ 20.

Серый чугун СЧ 18 и СЧ 20 имеют одинаковую твердость, предел прочности при кручении и пластичность при вибрации. Но СЧ 18 имеет хорошие механические свойства при высокой пластичности при сжатии (φ = 35%) и достаточно высокой усталостной прочности (σ-1 = 70 МПа, σ-1С = 90 МПа, τ-1 = 80 МПа и σ-1u = 66МПа). Серые чугуны СЧ 18 и СЧ 20 имеют одинаковую износостойкость, но СЧ 20 более хрупкий, чем СЧ 18 и СЧ 15, его ударная вязкость KCU = 40 Дж/.

Демпфирующая способность у СЧ 15 и СЧ 18 одинаковая и выше чем у СЧ 20.

Для картера распределительных шестерен, испытывающего при работе статические нагрузки, целесообразно рекомендовать серый чугун СЧ 18, который обладает хорошим комплексом прочностных и технологических свойств, обеспечивающих надежность и долговечность детали. Отливка из СЧ 18 имеет низкую стоимость, способна выдерживать значительные статические нагрузки. Серый чугун СЧ 18 имеет хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием. Отливка картера шестерен из СЧ 18 не склонна к короблению и трещинообразованию. Наличие в структуре этого чугуна свободного углерода в виде пластинчатого графита придает ему хорошие эксплуатационные качества.

1.3 Обоснование технологии термической обработки первичной заготовки и детали

Первичная заготовка картера шестерен получается методом литья в песчаную форму. После охлаждения отливку выбивают из опок, осуществляют очистку, обрубку и зачистку отливок.

Очистка отливок дробью основана на абразивном и скалывающем действии потока дроби на поверхностный слой отливки, покрытой коркой пригара и окислов.

Обрубка отливки проводится воздушно-дуговой резкой (наиболее широко применяется чугунных отливок).

Зачистка отливок производится шлифовальными кругами (абразивная обработка), металлическими (зачистка трением) и металлическими с подводом электрического тока (электроконтактная зачистка).

В отливке в процессе затвердевания и последующего охлаждения возникают напряжения, которые классифицируются как механические, температурные, фазовые. Причем некоторые из них являются временными, другие остаточные. Возникающие напряжения являются причиной образования горячих и холодных трещин и искривления отливок.

Механические напряжения возникают в отливках вследствие препятствий ее усадке со стороны формы или стержня.

Термические напряжения возникают при неравномерном распределении температур в отливке, что определяется геометрической формой отливки.

Фазовые напряжения и деформации образуются в отливке, если сплав претерпевает структурные или фазовые превращения. В чугуне - при перлитном превращении, при котором объем остывающего сплава увеличивается. Кроме того, в сером чугуне из-за разного коэффициента термического расширения графита и металлической основы при охлаждении возникают структурные напряжения.

Величина остаточных напряжений зависит от конфигурации отливки, технологии ее заливки и условий охлаждения. С увеличением прочности увеличивается величина остаточных напряжений.

Значительно снизить остаточные напряжения, стабилизировать размеры и повысить прочность отливок можно только отжигом при 500...600°С. Остальные методы стабилизации размеров (силовое нагружение, вылеживание, отжиг при 200°С) на прочность практически не влияют.

Отжиг при 500...600°С производится в печах и состоит в нагреве отливок до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с печью. Стабилизация размеров достигается в основном за счет резкого снижения остаточных напряжений, имеющихся в отливке.

Скорость нагрева выбирается максимально возможной и ограничивается только опасностью разрушения отливок σт, складывающихся из имеющихся в отливках σост. Обычно нагрев происходит со скоростью от 50 до 150 °С/час.

Температура отжига назначается максимально допустимой из условия, чтобы после отжига отсутствовало снижение твердости металла.

Время выдержки при t отжига должно составить 2...4 часа. Как меньшее, так и большее время выдержки ухудшает процесс стабилизации размеров отливок. Время выдержки отсчитывается от момента прогрева наиболее массивных участков отливки до заданной температуры. Продолжительность прогрева зависит от многих факторов (типа печи, конфигурации отливок, их расположения в печи) и определяется экспериментально.

Охлаждение до 350°С должно производится медленно, чтобы в отливках не возникали новые напряжения. Скорость охлаждения в интервале 600...350°С рекомендуется 30...60°С/час. В интервале 350...200°С охлаждение должно быть 30°С/час, чтобы уменьшить коробление отливок. Ниже 200°С охлаждение любое.

На рисунке 1.1 показан график отжига картера шестерен из СЧ 18; на рисунке 1.2 – схема микроструктуры СЧ 18 после отжига.

Ф + П + Гпл Ф + П + Гпл Ф + П + Гпл

В отливках из СЧ 18 могут быть различные дефекты: усадочные, поверхностные, включения, разрывы сплошности металла, приливы, искажение формы и размеров, несоответствие свойств, структуры и состава.

Усадочные дефекты - концентрированные раковины, макро- и микропористость, утяжины - являются следствием изменения размеров,

Рисунок 1.2 – Схема микроструктуры Ф + П + Гпл

а значит и объема, то есть так называемая усадка металла в процессе затвердевания.

К поверхностным дефектам относятся нагар (слой формовочного материала на поверхности), складчатость, сетевидная пористость (вытянутые раковины с гладкими стенками).

К включениям относятся шлаковые включения - неметаллические включения, наличие в отливках частиц чугуна, отличающихся от основного металла, черные пятна - неметаллические включения, преимущественно на горизонтальных плоскостях и верхних частях отливки.

К разрывам сплошности металла относятся, горячие, холодные, термические трещины из-за разницы в температурах различных частей отливки при быстром охлаждении после выбивки.

К приливам относятся залив, подутость, обвал, подрыв, обжим, задир.

Искажение формы и размеров происходит при недоливе. Коробление (искажение) из-за возникновения в отливке значительных напряжений при охлаждении.

Перекос из-за неточной сборки модельного комплекса.

Отбел - образование структуры белого чугуна из-за повышенного содержания C и Si.

1.4 Выбор оборудования и технологической оснастки для проведения термической обработки.

Для выбивки отливки из опок и стержней из отливок применяется установка, состоящая из четырех или шести решеток модели 428С, устанавливаемых на общей фундаментной раме.

Очистка отливок дробью основана на абразивном и скалывающем действии потока дроби на поверхностный слой отливки, покрытой корочкой пригара и окалины. Применяют дробеструйную очистку. Для дробеструйной очистки применяются дробеструйные аппараты модели 234М, в которых дробь с помощью сжатого воздуха направляется на очищенную отливку со скоростью до 20...80 м/с.

При дробеструйной очистке дробь на очищенную отливку подается с помощью дробеметного аппарата (модели 2М 392), имеющего вращающееся рабочее колесо с лопатками, на которые дробь попадает с помощью распределительного колеса.

Обрубка отливок производится с помощью воздушно-дуговой резки или пневматическими рубильными молотками.

Зачистка отливок проводится на шлифовальных кругах.

После зачистки отливка поступает в печь толкательного типа ст 3. – 6.48.4/7 - электропечь сопротивления непрерывного действия с максимальной температурой 750°С.

Картеры загружаются на поддоны, которые передвигаются внутри печи посредством толкателя, действующего от электродвигателя, гидравлического или пневматического механизма. Толкатели печей приводятся в действие кнопочным управлением у загрузочного конца печи через определенный интервал времени, который рассчитывается из общего времени пребывания деталей в печи.

Для загрузки и выгрузки печей и для перемещения обрабатываемых деталей по технологическому циклу применяется в термических цехах различные подъемно-транспортные средства - ручные и электрические тали и поворотные консольные краны.

Температуру в печах (свыше 500°С) измеряют термоэлектрическим способом. Этот способ основан на явлении возникновения электродвижущей силы в месте соединения двух проводников из различных металлов или сплавов, составляющих термопару. Величина электродвижущей силы зависит от материала термоэлектродов, от температуры горячего спая термопары (рабочий конец) и холодного спая - свободных концов термопары, которые присоединяются к милливольтметру. Термопара и милливольтметр составляют прибор - пирометр. В печи для отжига - термопара хромель-копелевая ТХК-040Т (до 600°С).

Обеспечение высокого качества отливок требует строгой системы контроля как исходных материалов и всего технологического процесса, так и получаемых отливок. Контроль качества термически обработанных деталей осуществляется как во время изготовления детали, так и после окончания всех операций. Контролируется качество структур, твердость, механические свойства по образцам или по выборочным деталям. Твердость определяется сопротивлением испытуемого образца вдавливанию в него закаленного стального шарика на приборе Бринелля. Металлографический контроль проводят методом макро- (анализ структуры излома невооруженным глазом: трещины, газовые пузыри, ликвацию и т. п.) или микроанализа (анализ структуры с помощью оптического или электронного микроскопа).

Разработаны косвенные методы определения механических свойств и микроструктуры, основанные на применении ультразвука и электромагнитных колебаний.

Поверхностные дефекты на чугунных отливках наиболее удобно выявлять капиллярными методами. Сущность метода заключается в заполнении мелких невидимых невооруженным глазом дефектов, окрашенными или люминесцирующими жидкостями с последующим удалением этих жидкостей с поверхности детали и нанесением проявительного слоя специальной краски или порошка, который экстрагирует оставшуюся в полости дефекта жидкость и вызывает контрастное выкрашивание поверхности.

Внутренние дефекты в отливке выявляются либо методами проникающей радиации, либо акустическими методами.

1.5 Охрана труда в термических цехах

Оборудование термических цехов должно располагаться в соответствии с общим направлением основного грузопотока. Расстояние между оборудованием и стенами цеха должно быть не менее 1 м.

В таблице 1.4 приводятся допустимые расстояния между различными видами оборудования. Такие виды оборудования, при работе с которыми происходят вредные выделения (дробеструйные аппараты, травильные установки, установки для приготовления твердого карбюризатора, а также опасные в пожарном отношении установки), должны быть установлены в помещениях, изолированных от печных пролетов .

Системы отопления и вентиляции должны обеспечивать в производственных помещениях температуру согласно данным таблицы 1.5.

Вентиляция в термических цехах и отделениях должна обеспечиваться: естественным проветриванием помещений, устройством общих приточно-вытяжных систем; устройством отсосов непосредственно в местах установки оборудования и на местах, где выделяются вредные пары, газы и пыль .

Таблица 1.5 – Допустимая температура в производственных помещениях

Основными вредными и опасными производственными факторами литейного производства являются запыленность и загазованность литейных цехов, особенно в производстве отливок в песчаные формы. Длительное воздействие пыли и газов может привести может привести к ухудшению здоровья работающих.

При организации работ необходимо полностью исключить опасность поражения электрическим током. Основные меры защиты от поражения электрическим током при проведении работ в литейном или термическом цехе следующие: тоководящие части оборудования должны быть недоступны для случайного прикосновения, устранения возможности поражения при появлении напряжения на корпусе оборудования.

Источники пыли, вредного газа и пара изолируются и снабжаются местной вентиляцией.

Рабочий в термическом цехе должен работать в спецодежде и в рукавицах, чтобы не получить ожог от горячего материала. Работать обязательно в темных очках.

Чтобы свести до минимума возможность производственного травматизма и профессиональных заболеваний, необходимо проводить обучение рабочих основам гигиены и техники безопасности. Поступающий на предприятие рабочий, независимо от того на каком участке он будет работать, получает вводный инструктаж. Его знакомят с основными мерами по охране труда. В цехе на рабочем месте вновь принятый рабочий получает основной инструктаж, подробно знакомящий его с условиями труда и обучающий технике безопасности с показом безопасных приемов труда на рабочем месте.

2 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВКИ В РАЗОВОЙ ФОРМЕ ДЛЯ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

2.1 Обоснование выбора способа получения отливок

Сложные и фасонные заготовки можно получить путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки. При охлаждении металл затверде­вает и образует отливку.

2.2 Чертеж детали

Конструкция и размеры детали показаны на чертеже 2.1.

Заданная деталь – шкив тормозной лебедки трактора ТДТ-55.

2.3 Разработка чертежа отливки

Основой для разработки чертежа отливки служит чертеж детали. Разработку начинают с анализа технологичности отливки, требований к наиболее ответственным ее частям, свойств используемого сплава и т. д. Поверхности, предназначенные для механической обработки должны иметь знак обработки (Ö).

2.3.1 Выбор плоскости разъема

Технологичность получения отливки определяется правильности выбора плоскости разъема. Разъем литейной формы целесообразно совместить с разъемом модели. Шкив тормозной лебедки отливается в двух опоках. Линия разъема показана на чертеже и делит его на две неравные части. Большая по габаритам часть размещается в нижней опоке. На чертеже отливки (чертеж 2.2), показан штрих пунктирной линией, заканчивающий знаками «х-----х», а направление разъема – сплошной основной линией (со стрелками), перпендикулярной линии разъема.

Положение отливки в форме при заливке обозначают буквами В (верх) Н (низ). Наиболее ответственные поверхности отливки располагают в нижней части формы или вертикально, т.к. в верхней части формы скапливаются газы, неметаллические включения, что способствуют появлению газовых раковин.

2.3.2 Определение припусков на механическую обработку

Припуски на механическую обработку наносят на чертеж там, где стоят знаки механической обработки (Ö).

Припуски назначаются на посадочные внутренние цилиндрические поверхности, а также на торцевые поверхности. На чертеже 2.2 припуски указаны сплошными тонкими линиями.

Величина припусков зависит от габаритных размеров обрабатываемой поверхности, и от положения ее при заливке. Величину припуска определяем по таблице. Припуски на нижние и боковые поверхности – 3мм, на верхние – 3,5мм. Припуски на верхние поверхности увеличены из-за неметаллических включений, пузырьков газа, всплывающих на поверхность жидкого металла.

2.3.3 Определение минимально допустимой толщины стенок отливки

где L – наибольший размер отливки; b и h – соответственно ширина и высота отливки, м.

N= = 0,541 (м).

Зная параметр N =1, по таблице определяем минимальную допустимую толщину стенки отливки Smin =8мм, по чертежу конструктивная минимальная величина Smin =12,5мм; 12,5>8, следовательно, заливка металла в форму будет хорошая.

2.3.4 Определение радиусов галтелей и закруглений

S 1 + S 2

Сопряжение стенок отливки, так же как и модели, должны быть плавными, т.е. скругленными. Скругления внутренних углов называют галтелями, наружных – закруглениями. Галтели и закругления облегчают удаление модули из формы, уменьшают возможность появления трещин и усадочных раковин в отливках. Величину радиуса галтели (закругления) определяют по формуле: r =(1/3…1/5)× , мм, где S1 и S2 – толщины сопрягаемых стенок отливки, мм.

2.3.5 Определение формовочных уклонов

Формовочные уклоны назначают в тех случаях, когда деталь не имеет конструктивных уклонов, обеспечивающих свободное извлечение модели из формы. Существует три возможных варианта выполнение уклонов: путем увеличение размеров отливки («в плюс») на обрабатываемую поверхность сверх припусков на механическую обработку; путем одновременного увеличения и уменьшения размеров отливки («в плюс–минус») на не обрабатываемых поверхностях, которые не сопрягаются с другими деталями, или при толщинах стенок не более 12мм; путем уменьшения размеров отливки («в минус») на необрабатываемых поверхностях, сопрягаемых с другими деталями, или при толщинах более 12мм.

2.4 Разработка чертежа модели

Модель – это приспособление, с помощью которой получают полость в форме с размерами, близкими к размерам отливки.

При разработке чертежа модели за основу принимают форму и размеры отливки и увеличивают на величину литейной усадки (ВЧ– 50–1%).

В единичном производстве модели изготавливают из древесины.

Модель имеет стержневые знаки, которые служат для получения в формовочной смеси полости, в которые укладываются и центрируются стержни. Конструкция и размеры модели показана на чертеже 2.3.

2.5 Разработка чертежа стержня

Стержни служат для образования в отливках отверстий и внутренних полостей. В единичном мелкосерийном производстве литейные стержни изготавливают в стержневых ящиках ручным способом.

К основным элементам конструкции стержня относят знаковые части, которые служат для установки стержня в форме и обеспечивают его фиксацию. Величина стержневых знаков определяется по таблице 4.7а. Формовочные уклоны на знаковых частях стержня принимают в пределах от 6 до 10°. Числовые значения размеров стержня показаны на чертеже 2.4 .

2.6 Определение массы отливки

Масса отливки определяется по формуле: Q =V×r, где V – объем, м 3 ; r –плотность металла, кг/м 3 .

Для расчета объема отливки, разобьем ее на несколько частей цилиндрической формы. Затем по формуле Vц =pR 2 h найдем объем каждой цилиндрической части и сложим все полученные объемы: Vотл = Vа+Vв+Vс = ((V1 –V2)+ (V3 –V4) + (V5 –V6)) =((pR 2 1h1 – pR 2 2h2)+ (pR 2 3h3 – pR 2 4h4)+ (pR 2 5h5 – pR 2 6h6)) =((3,14×0,1435 2 ×0,0905 – 3,14×0,125 2 ×0,0905)+(3,14×0,125 2 ×0,026 – 3,14×0,0975 2 ×0,026)+(3,14×0,0975 2 ×0,052–3,14×0,068 2 ×0,052))=0,0014+0,0005 +0,00079 = 0,00269 (м 3); Q = 0,00269×7300 = 19,64 (кг).

2.6.1 Выбор размеров опок

Применяемые в литейных цехах опоки изготавливают из стали, чугуна, алюминиевых сплавов и в некоторых случаях в условиях индивидуального производства из древесины.

Прежде чем выбрать размеры опок, следует определить место расположения литниковой системы и по таблице принять расстояния между элементами модели, литниковой системы и стенками опок. Полученные размеры опок округляют и из таблицы 4.9 выбирают внутренние размеры опок l=450мм; b=450мм; h=250мм, где l;b;h – длина, ширина и высота .

2.6.2 Расчет элементов литниковой системы

Литниковая система – это система каналов, предназначенная для подвода расплавленного металла и полость литейной формы и пита­ния отливки при затвердевании.

Основными элементам и литниковой системы являются литниковая чаша или воронка, стояк, шлакоуловитель, питатель, выпор.

Литниковая чаша предназначена для приема жидкого металла из ковша и удержания шлака, попавшего вместе с металлом в чашу. Стенки чаши выполняются под углом 45º, а дно перед входом в стояк имеет возвышение (порожек).

Литниковая воронка представляет собой расширение верхней части стояка и предназначена для приема жидкого металла.

Литниковый стояк – вертикальный канал для подачи жидкого металла из чаши к другим элементам системы. Стояк выполняют в верхней полуформе с конусностью до 5º.

Шлакоуловитель служит для распределения металла из стояка по питателям и улавливания шлаков, движущихся вместе с жидким металлом. Он имеет трапецеидальную форму и расположен в верх­ней полуформе. Питатель – это литниковый канал предназначен для подвода жидкого металла в полость формы. Питатель выполняют по разъему в нижней полуформе.

Выпор предназначен для выхода газов из полости формы, пита­ния отливки при затвердевании и облегчения контроля заполнения формы. Количество выпоров зависит от размеров и конфигурации отливки, а устанавливают их в самых высоких точках верхней полуформы. Выпор имеет конусность до 5º с сечением у основания ½ ­– ¼ сечения стенки отливки.

Припыль является добавочной частью отливки, служащей для ее питания в процессе затвердевания и для предотвращения появления в отливке усадочных раковин. Остальные функции припыли те же, что и выпора.

Литниковая система оказывает существенное влияние на каче­ство отливки и расход металла.

Вначале рассчитывается наиболее узкое сечение литниковой системы. Для сужающей системы, наиболее часто используемой при литье в песчаные формы, узким сечением является питатель, сум­марная площадь которого определяется по эмпирической формуле:

SFmin = , мм 2 ;

где t - продолжительность заливки, с; m - коэффициент расхода металла: для чугунного литья 0,27 – 0,55; g – ускорение свободного падения, м/c 2 (g=9,83 м/c 2); H р – расчетный напор, м.

Так как продолжительность заливки и расчетный статический напор нам известны, то найдем сначала две величины: продолжительность заливки формы t, с для отливки массой до 450 кг определяют по формуле: t= кÖQ , с где к – коэффициент, учитывающий толщину стенки отливки S, мм:

t = 2,2Ö19,64 =9,7 (с).

Расчетный напор зависит от размеров отливки, верхней опоки расположения питателей и должен быть минимальным, но достаточным для предупреждения брака отливок по недоливу:

Н р =(Н ст – h b /2h o)×10 3 ,м;

где Н ст – максимальный напор, мм (высота верхней опоки);

h b – высота над уровнем питателей, мм;

h o – полная высота отливки, мм.

Н р =(119,3 – 59,3/2×91,4)×0,001 =0,118 (м).

Теперь находим суммарную площадь питателя:

SFmin = 19,64×10 6 /7,3×10 3 ×9,7∙ 0,4Ö2×9,83×0,118 = 455,95 (мм 2).

Площадь каждого питателя равна:

F пит = SF min /2; F пит =455,95/2 =227,975 (мм 3).

Площади остальных элементов литниковой системы определяются из следующих соотношений для чугунных отливок: F ст: F шл: F пит = 1,15:1,1:1,0

F ст = F пит ×1,15; F ст = 227,975×1,15 =262,17 (мм 2);

F шл = F пит ×1,1; F шл =227,975×1,1 =250,77 (мм 2).

После размеров элементов литниковой системы необходимо выбрать их конструкции. Литниковая чаша правильной формы тормозит металл по пути в форму, успокаивает потоки, улавливает шлаки и содействует выделению газов из металла в момент заливки. Внутренние размеры чаши устанавливаются из следующих соотношений: B =3d ст; h = 0,7b; l =1,6b, где l,B,h – длина, ширина и высота чаши; d ст – диаметр стояка в нижней части.

Диаметр стояка определяется по формуле:

d ст =Ö4×F ст /p ; d ст = Ö4×262,17/3,14 = 18,27 (мм).

B =3×18,27 =54,81 (мм); h =0,7×54,81 =38,367 (мм); l =1,6×54,81 = 87,696 (мм).

Сечения питателей и шлакоуловителей имеют форму равнобедренной трапеции. Определим их размеры по таблице: h =4мм; А =29мм; B =33мм .

2.6.3 Разработка чертежа литейной формы в разрезе

Чертеж литейной формы в разрезе показан на чертеже 2.5.

2.7 Определение массы стержня и формовочной смеси

Массу стержня определяют по формуле: Q =V 1 ×r 1 ,кг, где V – объем стержня, м 3 ; r –плотность металла, кг/м 3 (r =1700 кг/м 3).

Для расчета объема стержня разобьем его на три части: одну цилиндрическую и две конических. Объем цилиндрической части находим по формуле V ц =pR 2 h, а объем конической части находим из разности объемов по формуле V к = = ph/3 (R 2 + R∙r + r 2).После того как найдем объемы всех частей, сложим и получим объем стержня: V ст = V а +V в +V с = (V1 +V2+Vс) = 3,14×0,02/3∙(0,134 2 + + 0,134∙0,063 + 0,063 2) + 3,14×0,035/3∙(0,134 2 + 0,134∙0,06 + 0,06 2) + + 3,14×0,134 2 ×0,052 = 0,0046 (м 3);

Q = 0,0046×1700 = 7,82 (кг).

Массу формовочной смеси определяют как произведение плотности формовочной смеси на разность объемов опок и объема, занимающего отливкой, стержнем и литниковой системой: Q 4 =(V 3 – (V+V 1 +V 2))×r 2 , кг;

где – V,V 1 ,V 2 ,V 3 – объемы отливки стержня, литниковой системы и опок, м 3 ;

r 1 – плотность уплотненной формовочной смеси; r 2 =1700 кг/м 3 .

Объем литниковой системы состоит из объемов питателя, шлакоуловителя, стояка, литниковой чаши и выпоров. V 2 =0,00078 (м 3).

Q 4 =(0,05 –(0,00269+0,0046+0,00078))×1700 = 70,9 (кг).

2.8 Оценка технико-экономической эффективности

Одним из наиболее важных показателей технико–экономической эффективности технологического процесса, позво­ляющих оценить его совершенство, является удельный расход жид­кого металла на получение отливки с учетом потерь на литниковую систему.

Удельный расход жидкого металла определяется по формуле:

К = (Q/Q+Q 2)×100%;

где Q 2 –масса литниковой системы, определяющая из выражения Q 2 =V 2 ×r, кг

Q 2 =0,00078×7300 =5,694 (кг); К =(19,64/19,64+5,694)×100% =77,5%

Вывод: среднее значение удельного расхода чугуна в машиностроении составляет 75%. В данной работе, при расчетах удельный расход чугуна составил 77,5%, что чуть больше 75%, это показывает, что процесс достаточно эффективен .

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ОТЛИВОК ДЛЯ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

3.1 Выбор режущего инструмента

Из анализа чертежа определено, что обрабатываемая поверхность внешняя цилиндрическая. Длина обработки поверхности 80мм. Для обработки этой поверхности выбирается проходной резец. Геометрические параметры заточки режущей части и материал режущей части выбирается в зависимости от условий резания по таблице 6,7,8. Материал режущей части - твердый сплав ВК 6. Геометрические параметры режущей части резца: g = 8º ; a =10°;l =0°; j =60…75°; j 1 =5…10°.

g –главный передний угол, оказывающий большое влияние на процесс режима резания - с увеличением этого угла, уменьшается деформация срезанного слоя, снижается усилие резания и расход мощности.

a – главный задний угол, уменьшает трение между задней поверхностью инструмента и поверхностью резания заготовки, уменьшает износ инструмента, увеличение угла снижает прочность режущего лезвия.

l – угол наклона режущего лезвия влияет на направление схода стружки, с увеличением его качество обработанной поверхности ухудшается, усилие резания увеличивается.

r - радиус при вершине резца уменьшает шероховатость обработанной поверхности.

j – главный угол в плане, влияющий на чистоту обработанной поверхности и на износ инструмента.

j 1 – вспомогательный угол в плане, влияющий на шероховатость поверхности – с уменьшением угла шероховатость поверхности уменьшается, одновременно увеличивается прочность вершины резца и снижается его износ.

3.2 Выбор подачи

Подача S – величина, перемещения режущей кромки резца в направлении движения подачи в единицу времени или за один оборот заготовки.

При черновой обработке величина подачи выбирается, возможно, большей с учетом допускаемой прочности режущего инструмента и механизма подачи станка, технологических условий обработки.

При чистовой обработке выбор подачи согласовывается классом точности и чистотой обработанной поверхности. Подача выбирается по таблицам и равна S =0,65…0,70мм/об, при радиусе в вершине резца r=1,5мм.

Выбранная подача проверяется по паспортным данным станка 1А62 (таблица 13) s =0,65мм/об.

3.3 Определение скорости резания

Скорость резания расчетным путем определяется по формуле: V p =C v ×K v /T m ×t xv ×S yv ; где C v – коэффициент влияющий на скорость резания; m, x v ,y v –степенные показатели выбираются по таблице,

C v =243, x v =0,15, y v =0,4, m =0,20;

Т – стойкость инструмента, Т =60мин;

K v – поправочный коэффициент, который определяется, как произведение частных коэффициентов, определяемых по таблице .

K v = К m ×К j ×К r ×К g ×К l ;

где К m – поправочный коэффициент, учитывающий влияние свойств обрабатываемого материала на скорость резания, К m =(190/HB) 1,25 =(190/220) 1,25 =0,83;

К j –поправочный коэффициент, учитывающий угол на скорость резания, К j =0,86;

К r – поправочный коэффициент, учитывающий радиус при вершине r=2мм на скорость резания К r =1,0;

K g – поправочный коэффициент, учитывающий влияние сечения резца на скорость резания при сечения 16x25 К g =0,97;

К l – поправочный коэффициент, учитывающий влияние материала режущей части на скорость резания.

К v =0,83×0,86×1,0×0,97×1,0 =0,692;

V p =(243/60 0,2 ×1,1 0,15 ×0,65 0,2)×0,692 =79,66 (мм/мин).

Определяем частоту вращения шпинделя:

n p =1000×V p /p×d, об/мин;

где d – диаметр обрабатываемой поверхности мм, d =80мм.

n p =1000×79,66/3,14×80 = 317,1 об/мин.

Полученная расчетная частота вращения шпинделя, корректируется по паспортным данным станка с условием n g £ n p по таблице, n g =305 об/мин.

Тогда действительная скорость резания равна:

V = pdn g /1000; V =3,14×80×305/1000 = 76,61 мм/мин.

3.4 Определение силы резания

Сила резания подсчитывается по формуле:

P z =C pz ×t x ×S y ×V z ×K p , кгс ;

где C pz , x, y, z – коэффициенты определяемые по таблице;

C pz =92, x =1,0, y =0,75, z =0;

К р – общий коэффициент; K р = К m р ×К j р ×К r р ×К g р;

где К mp – поправочный коэффициент, учитывающий влияние свойств обрабатываемого материала на силу резания, К mp =(HB/150) 0,4 = (220/150) 0,4 =1,16;

К j р – поправочный коэффициент, учитывающий влияние угла j на силу резания, К j =0,92;

К g р – поправочный коэффициент, учитывающий влияние угла g на силу резания, К g =1,0;

К rp – поправочный коэффициент, учитывающий влияние радиуса r при вершине на силу резания, К r =1,0;

К р = 1,16×0,92×1,0×1,0 =1,06;

P 2 =92×0,5 1 ×0,2 0,75 ×76,61 0 ×1,06 =14,58 (кгс).

3.5 Определение мощности резания

Мощность резания определяется по формуле:

N p =P 2 ×V a /60×75×1,36 (кВт);

N p =14,58×76,61/60×75×1,36 =0,18 (кВт).

Проверяем по мощности станка на шпинделе:

N =N c т ×h, кВт;

где N ст – мощность привода станка, N ст =7,8 кВт;

h -КПД станка, h =0,75

N =7,8 ×0,75 =5,87 (кВт); 5,85>0,18 кВт.

3.6 Определение машинного времени

Т м =L×i/n×S

где L – расчетная длинна; L = l + а + b;

а –величина резания; y =t×ctgj =0,18;

b – перебег резца; d =1…3мм;

n – число оборотов шпинделя;

S – принятая величина подачи;

i – число проходов; i =9,2.

L =80 + 0,18 + 2 = 82,18 (мм)

Т м =82,18×9,2/305×0,65 = 3,81 (мин) .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая курсовая работа по учебной дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» посвящается решению технологических задач по трем разделам:

Раздел 1 Обоснование выбора материала и технологии термической

обработки деталей машин лесного комплекса.

Раздел 2 Разработка технологического процесса изготовления отливки в

разовой форме для деталей машин лесного комплекса.

Раздел 3 Определение режимов резания при механической обработке

отливок для деталей машин лесного комплекса .

Из технического задания по разделу «Материаловедение» определено две задачи:

1 Обосновать выбор материала для изготовления картера шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55

2 Разработка технологии получения отливки картера шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55

На основе анализа условий работы картера шестерен трактора ТДТ-55, обоснована целесообразность, применение чугуна СЧ 18 для изготовления картера распределительных шестерен двигателя СМД-14Б трактора ТДТ-55.

Первичная заготовка должна быть получена методом литья в песчаную форму. Отливки необходимо подвергнуть отжигу по режиму: нагрев до температуры 500...600°С, выдержка, охлаждение с печью. Контроль температуры в печи следует осуществлять с помощью термоэлектрического пирометра с использованием термопар ТХК–040Т. Контроль твердости после ТО проводится по методу Бринелля.

Из второго раздела технического задания определена одна задача: разработать технологический процесс изготовления отливок в разовой форме для шкива тормозной лебедки трактора ТДТ-55.

Технико – экономическая эффективность составила 77,5%, при этом масса отливки 19,64кг, масса стержня равна 7,82кг, масса формовочной смеси равна 70,9кг.

Из третьего раздела определена одна задача: рассчитать режимы резания при механической обработке отливок для тормозного шкива редуктора автогрейдера.

Для обработки заданной цилиндрической поверхности выбран проходной резец из твердого сплава ВК6, принятая подача равна 0,65 мм/об, скорость резания равна 76,61 мм/мин, сила резания равна 14,58 кгс, мощность резания равна 0,18 кВт, машинное время, требуемое для всего технологического процесса 3,81 мин.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Дальский А.М. Технология конструкционных материалов / А.М. Дальский, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1985 – 448 с.

2 Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990 –528 с.

3 Роговцев В.А. Устройство и эксплуатация транспортных средств / В.А. Роговцев, А.Г. Пузанков, В.Д. Олдфилд – М.: Транспорт, 1990 – 432 с.

4 Станчев Д. И. Конструкционные материалы для лесных машин / Д.И. Станчев – Воронеж: Изд-во воронеж. ун-та, 1982 – 172 с.

5 Аблонский Е.И Трелевочные тракторы / Е.И. Аблонский, А.В. Муравьев – М.: Лесная промышленность, 1972 – 224 с.

6 Гиршович Н.Г. Справочник по чугунному литью / Н.Г. Гиршович – Л.: Машиностроение, 1978 – 758 с.

7 Лакедемонский А.В. Материалы для карбюраторных двигателей: Справочник / А.В. Лакедемонский – М.: Машиностроение, 1969 – 269 с.

8 Щебатинов М.П Высокопрочный чугун в автомобилестроении / М.П. Щебатинов – М.: Машиностроение, 1988 – 352 с.

9 Федосеев О.В. Устройство двигателей трелевочных тракторов / О.В. Федосеев – М.: Машиностроение, 1979 – 201 с.

10 Арзамасцев Б.Н. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасцев – М.: Машиностроение, 1990 – 687 с.

11 Фиргер И.В. Термическая обработка сплавов / И.В. Фиргер – Л.: Машиностроение, 1982 – 304 с.

12 Рустем С.Л. Оборудование и проектирование термических цехов / С.Л. Рустем – М.: Машгиз, 1962 – 588 с.

13 Филинов С.А. Справочник термиста / С.А. Фиргер, И.В. Филинов – М.: Машиностроение, 1969 – 320 с.

14 Кроха В. А. «Технология конструкционных материалов». Методические указания к выполнению лабораторных работ раздела «Литейное производство» / В. П. Миронов – Воронеж: ВГЛТА, 2002 – 40 с.

15 Кроха В. А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Методические указания к выполнению лабораторных работ по разделу «Основы механической обработки резанием материалов» / В.А. Кроха, В. П. Миронов, О. М. Костиков – Воронеж: ВГЛТА, 2002 – 64 с.

Д. М. Дубинкин

Г. М. Дубов Л. В. Рыжикова

Кемерово 2010

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

šКузбасский государственный технический университетŸ

Д. М. Дубинкин

Г. М. Дубов Л. В. Рыжикова

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Кемерово 2010

УДК 620.22(075.8)

Рецензенты:

Начальник отдела системы менеджмента качества ГОУ ВПО šКемеровский технологический институт пищевой промышленностиŸ, доктор технических наук, профессор Л. М. Захарова

Заведующий кафедрой технологии металлов и ремонта машин ФГОУ ВПО šКемеровский государственный сельскохозяйственный институтŸ, кандидат технических наук, доцент А. П. Черныш

Дубинкин, Д. М. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие / Д. М. Дубинкин, Г. М. Дубов, Л. В. Рыжикова; Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2010. – 206 с.

ISBN 978-5-89070-748-2

Учебное пособие подготовлено по дисциплине šТехнология конструкционных материаловŸ. Написано с учетом современного состояния машиностроительного производства. Даны общие понятия и определения по технологии машиностроения. Рассмотрены вопросы производства металлов и сплавов, методы изготовления заготовок и обработки их резанием. Приводятся методы получения неразъемных соединений, применяемые для изготовления металлических конструкций, заготовок и деталей машин. Рассмотрены основные способы физико-химической обработки, применяемые для изготовления изделий из труднообрабатываемых материалов.

Предназначено для студентов специальностей 151001, 151002, 190601, 150402, 140604, 150202, 130402, 130403, 130404, 130405, 280102, магистрантов направления 150900, 130400, а также для специалистов машиностроительных предприятий.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Кузбасского государственного технического университета.

	УДК 620.22(075.8)
Дубинкин Д. М., Дубов Г. М.,
	Рыжикова Л. В., 2010
	Кузбасский государственный
ISBN 978-5-89070-748-2	технический университет, 2010

Н АСТАВНИКУ И УЧИТЕЛЮ

З АВ. КАФЕДРОЙ’Т ЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ- (1975–1982)

Д ОЦЕНТУ

ЛЮДВИГУ ОТТОВИЧУ ГЕРИКЕ

ПОСВЯЩАЕТСЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решение технических проблем, возникающих в области машиностроения и связанных с ресурсосбережением материалов, уменьшением массы, надежностью и работоспособностью деталей машин и механизмов, во многом зависит от рационального выбора технологического процесса изготовления заготовок и изделий.

В данном учебном пособии рассмотрены вопросы курсов šТехнология конструкционных материаловŸ, šТехнологические процессы машиностроительного производстваŸ и раздела šТехнология конструкционных материаловŸ учебного курса šМатериаловедение и технология конструкционных материаловŸ для студентов технических специальностей. Цель этих курсов – получение знаний о современных методах получения конструкционных материалов и изготовления из них деталей машин с помощью литья, обработки давлением, сварки и обработки резанием, которые необходимы для формирования технического кругозора инженера, конструктора, технолога. К основным задачам курсов относится ознакомление с основами рационального выбора конструкционных материалов и изучение методов их получения и обработки. Это объясняется тем, что проблема рационального выбора технологии изготовления машиностроительных изделий – одна из основных в современном промышленном производстве. Без знаний в области технологии материалов решить ее невозможно.

Учебное пособие состоит из пяти глав. Первая глава посвящена металлургическому производству конструкционных материалов. Приведены исходные материалы для плавки и основные этапы получения металлов и сплавов. Во второй главе отражены методы изготовления заготовок в литейном производстве. В третьей главе рассмотрены методы обработки металлов давлением и формообразования машиностроительных профилей и заготовок деталей машин. В четвертой главе приведены методы получения неразъемных соединений. В пятой главе рассмотрены основные методы формообразования поверхности деталей машин и способы физико-химической обработки материалов, применяемые для получения изделий, изготовленных из труднообрабатываемых материалов. Описаны дефекты, возникающие в процессе изготовления различных полуфабрикатов и готовых изделий.

Учебное пособие может оказаться полезным при написании контрольной и курсовой работы, при подготовке к экзамену, а также при выполнении дипломного проекта и успешной работы на производстве.

1. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Современное металлургическое производство

и его продукция

Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств (рис. 1), базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах и т.д.

Рис. 1. Схема металлургического производства

Металлургическое производство включает:

– шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

– горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготавливая их к плавке;

– коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование

и извлечение из них полезных химических продуктов);

– энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов;

– доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей;

– заводы для производства ферросплавов;

– сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);

– прокатные цехи (слиток в сортовой прокат).

Основная продукция черной металлургии:

– чугуны: передельный, используемый для передела на сталь,

и литейный, для производства фасонных отливок;

– железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали;

– ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей;

– стальные слитки для производства проката;

– слитки, полученные непрерывной разливкой, для изготовления заготовок на машиностроительных заводах;

– кузнечные слитки для изготовления крупных кованых валов, дисков.

Основная продукция цветной металлургии:

– слитки цветных металлов для производства проката;

– лигатуры – сплавы цветных металлов с легирующими элементами для производства сложных легированных сплавов;

– слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения и электротехники.

1.2. Материалы для производства металлов и сплавов

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо, огнеупорные материалы.

Промышленная руда – горная порода, из которой целесообразно извлекать металлы и их соединения (содержание металла в руде должно быть не менее 30¶60 % для железа, 3¶5 % для меди, 0,005¶0,02 % для молибдена). Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы. Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.

В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают путем удаления части пустой породы. При производстве чугуна руду вводят в виде агломерата и окатышей.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называется шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO 2 ,P 2 O 5 ), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO ,MgO ,FeO ).

Топливо – в металлургических печах используется кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) и генераторный газ.

Кокс получают сухой перегонкой при температуре 1000 ¸С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80¶88 % углерода, 8¶12 % золы, 2¶5 % влаги. Куски кокса должны иметь размеры 25¶60 мм. Это прочное неспекающееся топливо, служит не только горючим для нагрева, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей

и ковшей для расплавленного металла. Они способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температуры, химическому воздействию шлака и печных газов.

По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на группы: кислые (кварцевый песок, динасовый кирпич), основные (магнезитовый кирпич, магнезитохромитовый кирпич), нейтральные (шамотный кирпич). Взаимодействие основных огнеупорных материалов

и кислых шлаков, и наоборот, может привести к разрушению печи.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % углерода в виде графита, обладают повышенной огнеупорностью. Применяются для кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

1.3. Производство чугуна

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %).

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.

К железным рудам относятся:

– магнитный железняк (Fe 3 O 4 ) с содержанием железа 55¶60 %, месторождения: Соколовское, Курская магнитная аномалия (КМА);

– красный железняк (Fe 2 O 3 ) с содержанием железа 55¶60 %, месторождения: Кривой Рог, КМА;

– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe 2 O 3 »3H 2 O иFe 2 O 3 »H 2 O ) c содержанием железа 37¶55 %, месторождение Керчь.

Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца (10¶82 %), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % марганца. Mарганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: MnO 2 ,Mn 2 O 3 ,Mn 3 O 4 ,MnCO 3 и др.

Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

Флюсом является известнякCaCO 3 или доломитизированный известняк, содержащийCaCO 3 иMgCO 3 , так как в шлак должны входить основные оксиды (CaC ,MgO ), которые необходимы для удаления серы из металла.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:

а) промывка – отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы;

б) гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются;

в) магнитная сепарация – измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.