Виды заготовок, способы их получения. Виды и способы изготовления заготовок Технология получения заготовки детали отливкой

Основное направление технологии машиностроения совершенствование, заготовительных процессов с целью снижения затрат на механическую обработку, ограничения технологических операций окончательной обработки, обспечение малоотходной или безотходной технологии.

Метод получения заготовки определяется, размерами программного задания и технологическими возможностями заготовительных цехов; возможностями получения заготовок от специализированных предприятий; материалом детали, формой ее поверхности, размерами и техническими требованиями на изготовление.Метод получения заготовки, кроме того, определяется от возможностей изготавления технологической оснастки (изготовление штампов, моделей, пресс-форм). Себестоимость изготовления детали состоит из затрат на заготовку и механическую обработку. И в итоге важно обеспечить снижение всей суммы, а не одной составляющей Создание конструкции, позволяющей обработку резаньем заменить штамповкой или высадкой, во многих случаях ведет к уменьшению расхода материала и снижению трудоемкости.Существуют следущие методы получения заготовок:

1. Литьё. При выборе литья в качестве заготовки учитываются следующие факторы: пригодность данного способа для необходимого формообразования с учетом размеров; соответствие материала, из которого возможно выполнить литье, требованиям чертежа детали; технологические возможности способа литья по получению точности размеров и шероховатости поверхностей при конкретных производственных условиях.

К наиболее распространеннымметодам литья относятся литье в оболочковые формы, литьё в песчано-глинястые формы, литьё по выплавляемым моделям, в металлические формы, литьё под давлением, центробежное литьё.

Метод литья в песчано-глинястые формы применяют для всех литейных сплавов, типов производств, заготовок любых масс, конфигураций и габаритов. В общем обьеме производства отливок литьем в песчано-глинястые формы получают 80% всех отливок и лишь 20 % отливок производят специальными методами литья. Он отличается технологической универсальностью и дешевизной. Изменяя способы формовки материалы моделей и составы формованных смесей, заготовки изготавливают с заданной точностью и качеством поверхностного слоя. Метод отличается большим грузопотоком формовочных и вспомогательных материалов, для него характерны большие припуски на механическую обработку, в стружку уходит15-25% металла от массы заготовки.

Литье в оболочковые формы С помощью этого метода получают заготовки сложной конфигурации: коленчатые и кулачковые валы, ребристые цилиндры и крылбчатки. Часть поверхностей заготовок не требуемой механической обработки.Ко времени затвердевания металла формы легко разрушаются, не препятствуя усадке металла, остаточные напряжения в отливке не значительные. Расход формовочных материалов меньше в 10-20 раз, чем при литье в песчано- глинястые формы. В то же время с горячимиметаллическими изделиями представляет определенную сложность.

Литье по выплавленным моделям _ это метод для изготовления сложных и точных заготовок для трудно-формируемых и трудно вырабатываемых сплавов с высокой температурой плавления. Он отличается самым и трудоемким тпом производства среди всех методов литья. Экономичность метода достигается правильно выработанной номенклатурой отливок, особено когда требования шероховатости и точности размеров могут быть обеспечены в литом состоянии и требуется механическая обработка только сопрягаемых поверхностей. Применение заготовок, полученные литьем по выплавляемым моделям, вместо штампованных снижает расход металла на 55-75%, трудоемкость механической обработки до-60% и себестоимость детали на 20%.

2. Горячее пластическое деформирование. Около 90 % выплавляемых сталей обрабатываются давлением, что показывает важность данного метода получение заготовок. В зависимости от серийности выпуска деталей применяются различные методы обработки заготовок давлением. В единичном и мелкосерийном производствах заготовки чаще всего изготавливают свободной ковкой. Этим способом можно получить поковки только простой конфигурации. В средне и мелкосерийном производствах применяют горячую штамповку на молотах, прессах и ГКМ. В массовом производстве применяют специализированные кузнечные машины. К машинам этого типа относят высокоскоростные штамповочные молоты, ковочные вальцы, обжимные, раскатные, накатные, гибочные и т. д

К малоотходным процессам формообразования деталей обработкой давлением - относится точная штамповка, накатка зубьев зубчатых колес, шлиц и резьбы, горячее и холодное выдавливание, радиальная и ротационная ковка. При внедрении малоотходных процессов обработки давлением, необходимо решение проблем, связанных с их спецификой - получение точной по массе и объему исходной заготовки, предварительная подготовка заготовки - нанесение защитно-смазочных покрытий, повышение стойкости инструмента, применение безокислительного нагрева заготовки.

3. Холодная штамповка. При внедрении этого метода производства можно получить окончательные размеры и форму сложных деталей (шестерни, шпиндели, шатуны, клапаны, распределительные валы и др.),причем последующая механическая обработка сводится к минимуму или исключается. Этот способ устраняет потери метала на угар и отходы в окалину, обеспечивает высокое качество поверхностей изделия. В результате холодного деформирования в металле обеспечивается однородность структуры, происходит упрочнение поверхностного слоя. Холодная штамповка - способ получения заготовок из листа или ленты посредствам вырубки, вытяжки, проколки, гибки, фланцовки и т. д. Целесообразность ее применения определяется рядом условий -серийностью выпуска изделий, конфигурацией изделий, механическими свойствами материала, точностью изготовления деталей.

Применение холодной штамповки для получения заготовки выгодно, если деталь имеет сложную форму, размеры при этом не требуется выполнять точно; при наличии у деталей прорезей с острыми углами; при изготовлении деталей, заготовки которых имеют вид целых шайб или шайб с центральным отверстием; для изготовления деталей, если будут оправданы затраты на изготовление и эксплуатацию штампа.

• 4. Прокат. Прокат применяется, когда геометрия изделия соответствует форме сортового материала (круглого, шестигранного и т.д.). Широко используют бесшовные трубы и профильный прокат (уголки, швеллеры, балки). Используя гнутые, открытые и закрытые профили, значительно снижается масса детали.
• 5. Заготовки из пластмасс. Пластмассы широко применяются для изготовления несложных деталей (крыльчатки, насосы, шкивы, втулки). Следует учитывать, что пластмассам свойственны, низкая ударная вязкость, недостаточная прочность, старение, низкая теплостойкость (250 - 300°С).

Метод получения заготовки производится на качественном и количественном уровнях. Решение по выбору технологического процесса получения заготовки принимается на основе сравнительной оценки сопоставимых вариантов. Экономически целесообразным считается тот вариант получения заготовки, который обеспечит минимальные приведенные затраты на заготовительных и механических цехах завода. Расчет приведенных затрат выполняется в соответствии с методиками технико-экономического обоснования варианта технологического процесса. Такие расчеты выполняют технические службы завода, имеющие опыт расчета технологических проработок. Мы производим расчеты на качественном уровне, т.е применяем приближенный метод выбора заготовки. Сущность его в том, что для простых изделий, в учебных целях, задача выбора заготовки решается путем анализа технологических свойств материала изделия, сложности изделия, габаритов и программы выпуска. Анализ выполняется по 4 критериям:

Технологические свойства материала изделия: В соответствии с данными чертежа, материал, из которого изготовлен золотник, - сталь 40Х. Данная сталь обладает высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью, малой чувствительностью к концентрации напряжений. Технологические особенности заготовительного производства определяют следующие способы получения заготовки: литье, ковка, штамповка и прокат

• 2. Конструкция изделия: Т. к. золотник имеет простую конфигурацию, т.е. незначительные перепады диаметров цилиндров, то из возможных способов получения назначаем штамповку и прокат.
• 3. Габариты изделия.: Такой способ заготовительных производств как штамповка имеет ограничения по габаритам заготовки, следовательно из всех возможных способов выбираем прокат.
• 4. Тип производства: назначаем мелкосерийное производство в тысячу деталей.

Таким образом, учитывая программу выпуска, простую конфигурацию детали и основываясь на данных справочника технолога-машиностроителя , наиболее рациональным способом заготовки для золотника является круглый прокат из стали 40Х ГОСТ4543-71.

Длина заготовки:

Lз=Lд+2П+Т,

где Lд = длине детали; П - припуск; Т - ширина резца.

Lз,1 = 205+2*1+6 = 213 мм

Lз,1000 = 1000* Lд+2П*10+9*Т = 1000*205+2*1*10+9*6 = 205074 мм

Принимаем необходимую длину заготовки, равную Lз = 213000 мм

Объем детали:

Vд = Vп1+ Vп2+ Vп3+ Vп4+ Vп5+ Vп6+ Vп7+ Vп8+ Vп9+ Vп10+ Vп11-Vп12-Vп13

Vц1=3,14 *R12*H1 = 3,14*22,52*4 = 6358.5 мм3

Vц2 = 3,14*182*8= 8138.88 мм3

Vп3=3,14*22.52*38= 60405.75 мм3

Vп4=59*1/2*38*35=39235 мм3

Vп5=2*3,14*202*8 = 3925 мм3

Vп6= 1/3*3,14*15*(17.52+242 +17.5*24) =15.70*1302.25=20445.53 мм3

Vп7= 3,14*242*7=12660.48мм3

Vп8=3,14*5*22.52 = 7948.125мм3

Vп9 = 1/3*3,14*242*25 = 45216мм3

Vп10 = 3,14*182*8 = 8138.88 мм3

Vп11 = 3,14*242*30 = 54259.2 мм3

Vп12 = 1/3*3.14*4(122 +162 +12*16)+3.14*144*40+1/3*3.14*144*8=

2478.704+18086.4 +1205.76=21770.864мм3

Vп13 = 3.14*144*20=9043.2м м3

Vд = 235917.281 мм3 =235.917281 см3

Объем заготовки:

Vз = 3,14*(26,5)2*213 =469678.84 мм3 = 469.67884 см3

Масса детали и заготовки:

М = *V; где -плотность стали для стали 40Х =7,85 г/см3

Мд = 7,85* 235.917281 = 1851.951кг

Мз = 7,85*469.67884 = 3686.кг

Коэффициент использования материала:

Ки.м. = Мд/ Мз

Ки.м. =1851.951 /3686=0.5024

Вывод: Выбор заготовки осуществляется на качественном уровне. Заготовка на

1000 изделий - сортовой прокат стали 40Х диаметром 53, длиной 207 мм. Оборудование - фрезерно-отрезной полуавтомат марки 8А641.

Основные виды заготовок: отливки, штамповки, поковки, прокат, заготовки из металлопорошков, пластмасс и штампосварные. Качественные характеристики заготовок в зависимости от метода их получения. Технико-экономические условия выбора заготовок. Влияние конструкции и материала детали на выбор метода получения заготовок. Задачи рационального и экономного использования металлов путем совершенствования конструкций автотракторной техники и повышения точности заготовок. Задачи охраны окружающей среды, условия труда. Безотходная технология

В транспортной промышленности применяются следующие основные заготовки:

а) отливки из чугуна, стали и цветных металлов; б) поковки и штамповки из стали и некоторых цветных металлов; в) прокат из стали и цветных металлов; г) штампо-сварные из стального проката и других металлов; д) штамповки и отливки из пластмасс; е) металлокерамические (порошковая металлургия).

Себестоимость детали складывается из себестоимости заготовки и себестоимости ее обработки, поэтому необходимо процесс изготовления детали рассматривать комплексно, включая процесс получения заготовки и ее обработку. Из многих возможных способов получения заготовки надо выбрать оптимальный для заданных условий производства, обеспечивающий минимальную себестоимость изготовления детали. Например, при массовом производстве деталей экономически оправдывается получение заготовок, наиболее приближающихся по форме и размерам к готовой детали.

Для объективной технологической характеристики заготовки (кроме оценки правильности геометрической формы и размеров, а также физических свойств металла) применяется коэффициент съема металла

где - вес заготовки; - вес детали.

Получение заготовок литьем

Заготовки можно отливать в разовые, полупостоянные и постоянные формы.

Литье в разовые формы. Этот способ применяется при изготовлении заготовок из черных и цветных металлов с любыми размерами и весами. Производится литье в разовые сырые или сухие песчаные формы, в оболочковые (скорлупчатые) формы и по выплавляемым моделям (прецизионное).

Песчаные формы выполняются в опоках или без опок (почвенная формовка). Формы без опок изготовляются ручным способом, а в опоках - ручным и машинным способами.

Сухие (стержневые) формы применяют для получения ответственных отливок сложной конфигурации (цилиндр двигателя, рабочие колеса гидротурбин и т. п.). Форму собирают из стержней по шаблонам и кондукторам; она обеспечивает получение высокой точности заготовки. Заготовки, получаемые литьем в оболочковые формы , изготовленные из песчано-смоляных смесей, имеют более высокие точность размеров и формы и чистоту поверхности по сравнению с отливками, получаемыми при литье в обычные песчаные формы. В оболочковых формах изготовляют отливки из серого, ковкого и сверхпрочного чугуна, стали и цветных сплавов. Этим методом изготовляют обычно сложные и ответственные заготовки деталей весом до 100 кг. Оболочковые формы имеют прочные тонкие стенки толщиной 5-8 мм, состоящие из смеси 92-95% кварцевого песка и 8-5% термореактивной смолы (фенолформальдегидные смолы типа бакелита и др.). Также применяются быстротвердеющие смеси с жидким стеклом, бетонные и др.

Способ отливки в оболочковые формы сокращает потребление литейной земли в 10 раз, повышает производительность труда в 10-15 раз, значительно улучшает условия труда в литейном цехе. Этот способ особенно выгоден для крупносерийного и массового выпуска деталей. Он позволяет получать стальные отливки с толщиной стенок 3 мм, а отливки из алюминиевых сплавов с толщиной стенок 1 мм. Точность отливок соответствует 4-5-му классам точности, а чистота поверхности 3-4-му классам.

Литье по выплавляемым моделям позволяет получить заготовки сложной формы, настолько близкой к готовой детали, что в отдельных случаях частично или полностью исключается механическая обработка. По выплавляемым моделям обычно изготовляют отливки небольшого веса (до 3 кг), хотя в отдельных случаях они могут выполняться и значительно большего веса. Минимальная толщина стенок отливок из чугуна составляет 0,15 мм, а из алюминиевых сплавов - 0,8 мм. Можно отливать заготовки зубчатых колес с зубьями, шлицевые валики со шлицами и т. п. Для получения большей плотности металла в отливке применяют центробежный или центробежно-вакуумный способ заливки. Для увеличения производительности процесса литья целесообразно в одной форме отливать группу заготовок по выплавляемым моделям. При этом получаются отливки с точностью по 4-5-му классам и чистотой поверхности по 3-4-му классам.

Литье в полупостоянные формы. При этом способе формы изготовляют из гипса, цемента, кирпича и камня. Гипсовые формы применяют для изготовления отливок из чугуна и цветных сплавов весом до 1 т. Отливки в гипсовые формы могут иметь толщину стенок 1-1,5 мм, а отливки из алюминиевых сплавов с использованием вакуума - толщину стенок 0,2 мм. Этим способом изготовляют отливки зубчатых колес с формообразованием зубьев, шлицевые валы, лопасти турбин и др. Цементные формы и формы из кирпича в автотракторной промышленности не применяются.

Формы из камня обеспечивают получение чугунных и бронзовых отливок с чистотой поверхности по 6-му классу и не требуют отбела поверхностного слоя. Формы из талькоактинолито-хлоритового сланца применяют вместо металлических кокилей при массовом производстве.

Литье в постоянные формы. Широкое применение имеет литье в металлические формы - кокиль. Этот вид литья позволяет получать отливки с точностью по 4-7-му классам и с чистотой поверхности по 3-4-му классам. В металлические формы можно отливать заготовки из стали, чугуна и цветных сплавов с весом от нескольких граммов до нескольких тонн.

Для повышения стойкости металлических форм их охлаждают водой. Этот метод экономически целесообразно применять при серийном и массовом производстве. Он позволяет повысить производительность труда по сравнению с литьем в песчаные формы в 2 раза и более, уменьшить более чем в 4 раза производственные площади и снизить в 2 раза затраты на формовочные материалы.

Литье под давлением производится в основном в постоянные формы и применяется для изготовления сложных тонкостенных отливок с глубокими плоскостями и сложными пересечениями стенок. Отливки имеют мелкозернистую структуру, что повышает прочность металла в 1,5 раза по сравнению с прочностью отливок, получаемых в песчаных формах.

Себестоимость форм для литья под давлением высокая, поэтому такой способ применяется в крупносерийном и массовом производстве.

Для литья втулок, колец, труб и других деталей вращения применяется центробежное литье на центробежных машинах.

Особенностью этого процесса является образование внутренней полости без применения стержней и возможность получения многослойных отливок. Заливка металла в металлическую изложницу обеспечивает более качественную отливку, чем заливка в футерованную изложницу, но срок службы последней больше из-за меньшего нагрева. Точность стальных и чугунных отливок, полученных центробежным литьем, соответствует 6-8-му классам и чистота поверхности - 3-му классу.

Получение заготовок обработкой давлением

Процессы обработки металла давлением отличаются высокой производительностью, относительно малой трудоемкостью, обеспечивают экономное расходование металла и, как правило, способствуют улучшению механических свойств металла.

Заготовки могут быть получены ковкой, горячей штамповкой, холодной объемной штамповкой и холодной листовой штамповкой.

Свободная ковка. Она производится на ковочных молотах. Для получения фасонных заготовок деталей автомобилей и тракторов, изготовляемых из сортового проката, применяют пневматические или паровоздушные молоты. Свободную ковку целесообразно применять только при единичном производстве. Ковку на молотах также производят в подкладных штампах. Применение подкладных штампов позволяет увеличить производительность ковки в 5-6 раз. Применяется этот вид ковки в мелкосерийном производстве. Перед штамповкой в подкладных штампах заготовке придают свободной ковкой форму, близкую к форме заданной поковки. Допуск на размер штамповок, получаемых в подкладных штампах, примерно в 2-3 раза меньше, чем допуск при свободной ковке. В мелкосерийном производстве применяется ковка на радиально-ковочной машине с программным управлением. Эта машина производит периодическое обжатие и вытягивание по уступам прутковой или трубной заготовки при помощи последовательных и быстрых ударов двумя бойками и более, работающими по заданной программе, заложенной в программное устройство машины. На радиально-ковочной машине можно производить горячую и холодную ковку. Точность размеров при холодной ковке колеблется в пределах от ±0,02 до ±0,2 мм и чистота поверхности соответствует 7-9-му классам, при горячей ковке точность колеблется в пределах от ±0,05 до 0,3 мм и чистота поверхности соответствует 1-3-му классам.

Горячая объемная штамповка. Горячая объемная штамповка может производиться на молотах, горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), штамповочных прессах и ковочных вальцах. Штамповка на молотах применяется в серийном и массовом производстве. Заготовка требуемой конфигурации большей частью получается путем последовательной обработки в нескольких ручьях, выполненных в одном штампе.

Штамповкой на ГКМ изготовляют заготовки весом 0,1-100 кг. На ГКМ можно обеспечить высокое качество поковок за счет расположения волокон материала в наиболее выгодном направлении. Простые по форме заготовки при изготовлении на ГКМ можно получать без облоя, а сложные по форме заготовки - с небольшим облоем, не превышающим 1% веса заготовки. На ГКМ можно получать штампованные заготовки со сквозным отверстием и с глубокими глухими отверстиями. Штампованные заготовки можно получить из прутков и труб повышенной точности.

Штамповка на гидравлических, фрикционных и кривошипных прессах в автотракторной промышленности получила широкое применение. Штамповку на гидравлических прессах применяют для получения заготовок из легких и малопластичных сплавов, требующих небольших скоростей деформирования. Малая производительность гидравлических прессов вследствие их тихоходности повышает себестоимость штампованных заготовок по сравнению с себестоимостью штампованных заготовок, получаемых на прессах других типов.

Штамповка на фрикционных прессах применяется в мелкосерийном и серийном производстве для получения заготовок из стали преимущественно в одноручьевых штампах и для резки в двух ручьях и более, а также для точной штамповки сложных заготовок из цветных сплавов.

Наибольшее распространение в транспортной промышленности получила штамповка на кривошипных прессах. На этих прессах производятся почти все виды горячей штамповки заготовок весом до 100 кг. Постоянство режимов деформирования обеспечивает стабильность размеров и механических свойств штампованных заготовок. Производительность фрикционных и кривошипных прессов в 2-3 раза выше производительности молотов. На прессах можно штамповать заготовки выдавливанием (экструдирование), при котором обеспечиваются точная форма, размеры и повышаются механические свойства металла.

Заготовки также можно получать методом вальцовки. Вальцовкой называется процесс обработки металлов давлением, при котором деформирование заготовки происходит во вращающихся секторах-штампах, расположенных на рядках.

Холодная объемная штамповка. Одним из наиболее экономичных технологических процессов получения заготовок крепежных и других видов мелких деталей (винты, болты, ролики, шарики, толкатели клапанов и т. д.) в больших количествах является холодная объемная штамповка (высадка) на специальных холодно-высадочных прессах-автоматах. Производительность автомата - до 400 шт./мин. Исходным полуфабрикатом для изготовления болтов является бунт проволоки диаметром от десятых долей миллиметра до 10-15 мм или калиброванный пруток диаметром более 8 мм.

Холодная листовая штамповка Исходным материалом служат тонкие листы металла и ленты.

Операции холодной штамповки можно разделить на две группы.

• 1. Разделительные операции, посредством которых одна часть материала полностью или частично отделяется от другой: отрезка, вырубка, пробивка, надрезка, подрезка, обрезка, зачистка и калибровка.
• 2. Формоизменяющие операции, посредством которых плоская или пространственная заготовка превращается в пространственную деталь заданной формы и размеров: гибка, отбортовка, вытяжка.

Холодное профильное волочение. Холодным волочением получают заготовки с малым поперечным сечением, обычно со сторонами или диаметром не более 25-30 мм. Этим методом получают мелкомодульные зубчатые колеса, храповые колеса, винты и детали любого сложного профиля.

Отклонения размеров поперечного сечения заготовки соответствуют 4-му классу точности, чистота поверхности 6-му классу. При многократном волочении достигается точность формы и размеров в поперечном сечении до 2-го класса и чистота поверхности у 8-го классов. Применение этого метода обеспечивает получение заготовки, механическая обработка которой производится только по ее торцам.

Контрольные вопросы:

• 1. Какие способы литья существуют?
• 2. Какие виды заготовок, полученные обработкой давлением, бывают?
• 3. Для чего необходим коэффициент съема металла?

Заготовки, полученные методами литья. Литьем получают заготовки практически любых размеров от простой до очень сложной конфигурации из всех металлов и сплавов. Качество отливки зависит от условий кристаллизации металла в форме, определяемых способом литья.

Метод литья в песчано-глинистые формы применяют для всех литейных сплавов, типов производств, заготовок любых масс, конфигураций и габаритов. В общем объеме производства отливок литьем в песчано-глинистые формы получают 80 % всех отливок и лишь 20 % отливок производят специальными методами литья. Он отличается технологической универсальностью и дешевизной. Изменяя способы формовки, материалы моделей и составы формовочных смесей, заготовки изготавливают с заданной точностью и качеством поверхностного слоя. Для метода характерны большие припуски на механическую обработку, в стружку уходит 15…25 % металла от массы заготовки.

Литьем в оболочковые формы получают заготовки сложной конфигурации: коленчатые и кулачковые валы, ребристые цилиндры, крыльчатки. Часть поверхностей заготовок не требует механической обработки. Ко времени затвердевания металла формы легко разрушается, не препятствуя усадке металла, остаточные напряжения в отливке незначительны. Расход формовочные материалов меньше в 10…20 раз, чем при литье в песчано-глинистые формы.

Оболочковые формы изготовляются по горячей модельной оснастке 1 (рис. 2, а ), нагретой до 200…250 °С, из специальной формовочной смеси 3, состоящей из мелкозернистого кварцевого песка, термореактивных связующих материалов, увлажнителей (керосин, глицерин), растворителей (ацетон, этиловый спирт) и других веществ, находящихся в опрокидывающем бункере 2. Модельная плита поворачивается на 180 °, формовочная смесь насыпается на нее.

Рис. 2. Схемы операции формовки при литье в оболочковые

литейные формы

Формовочная смесь на нагретой модельной плите выдерживается до образования оболочки толщиной 5…15 мм (рис. 2, б ). После возвращения плиты в исходное положение (рис. 2, в ) смесь прокаливается в печи при температуре 300…350 °С. Полученная таким образом твердая оболочка 4 снимается с модели специальным выталкивателем 5 (рис. 2, г ). Заливка расплавленного металла в такие формы может производится как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. При заливке в вертикальном положении формы для предохранения от преждевременного разрушения помещают в опоку 6 и засыпают чугунной дробью 7 (рис. 2, б ). Выбивка отливок из формы производится на вибрационных решетках или на специальных выбивных установках. При литье в оболочковые формы объем механической обработки сокращается на 30…50 %, металлоемкость заготовок – на 10…15% по сравнению с литьем в песчаные формы. При этом обеспечиваются точность заготовки, соответствующая 13…14 квалитетам, параметр шероховатости поверхности Ra = 25…10 мкм.

В то же время работы с горячими металлическими моделями представляет определенную сложность и является дорогостоящей.

Литье по выплавляемым моделям – метод для изготовления сложных и точных тонкостенных (толщиной до 0,5 мм) заготовок из труднодеформируемых и труднообрабатываемых сплавов с высокой температурой плавления. Он отличается самым длительным и трудоемким ТП среди всех методов литья.

Выплавляемые модели 1 формируют в разъемных пресс-формах 2 (рис. 3, а ) из двух и более частей с вертикальным или горизонтальным разъемом. Формовочная смесь, состоящая из воска, стеарина, модельного состава РЗ, содержащего парафин, синтетический церезин, буроугольный воск и кубовый остаток, а также другие материалы с температурой плавления 50…70 °С, подается под давлением в пресс-форму. После затвердевания модельного состава и извлечения модели из пресс-формы модели собирают в блоки 3 (рис. 3, б ). Блок моделей покрывают жаропрочным слоем 4 при многократном окунании в специальную сметанообразную смесь, состоящую из маршаллита и связующего состава (этилсиликата или жидкого стекла) (рис. 3, в ), с последующими обсыпкой в три-десять слоев мелким кварцевым песком 5 (рис. 3, г ) и отвердением на воздухе или в парах аммиака 6 (рис. 3, д ). Затем производят выплавление модельного состава из полученной многослойной оболочковой формы и заформовывание последней в опокепутем засыпки кварцевым песком 5 (рис. 3, е ) с последующим прокаливанием в печи 7 при температуре 850…950 °С (рис. 3, ж ). Прокаленную форму 8 заливают жидким металлом (рис. 3, з ). После охлаждения формы отливки выбивают, очищают и отделяют от них элементы литниковой системы.

Точность размеров отливки соответствует 11…12 квалитетам, значения шероховатости их поверхности Ra = 25…10 мкм.

Экономичность метода достигается правильно выбранной номенклатурой отливок, особенно когда требования шероховатости поверхности и точности размеров могут быть обеспечены в литом состоянии и требуется механическая обработка только сопрягаемых поверхностей. Применение заготовок, полученных литьем по выплавляемым моделям, вместо штампованных снижает расход металла до 55…75 %, трудоемкость механической обработки до 60 % и себестоимость детали на 20 %.

Рис. 3. Схемы операции формовки при литье

по выплавляемым моделям

Литье в металлические формы (кокиль). Кокилем называют металлическую форму, заполняемую расплавом под действием гравитационных сил. Сущность процесса заключается в многократном применении металлической формы. Стойкость кокилей зависит от технологических факторов: температуры заливки металла, материала кокиля, размеров, массы и конфигурации отливки. Особенностью формирования отливок в кокиль является большая интенсивность теплообмена между отливкой и формой. Быстрое охлаждение расплава снижает жидкотекучесть, поэтому стенки при литье в кокиль значительно толще. Для алюминиевых и магниевых сплавов она составляет 3…4 мм, для чугуна и стали 8…10 мм. Метод полностью устраняет пригар, увеличивает выход годных заготовок до 75…95 %.

Последовательность изготовления отливки в кокиле, состоящая из небольшого числа основных операций, показана на рис. 4.

Подготовка кокиля к работе включает очистку поверхностей полуформ 1 и 3 (рис. 4, а ), плиты 4 и разъемов от следов загрязнений и масла; проверку возможных смещений, центрирования и крепления подвижных частей кокиля. Затем кокиль предварительно нагревают до 150…200 °С газовыми горелками или электронагревателями, что необходимо для лучшего сцепления облицовки и краски с рабочими поверхностями кокиля и металлического стержня 5. Эти огнеупорные покрытия наносятся в виде водной суспензии. Покрытия наносят пульверизатором 2 или кистью, кокиль при этом раскрыт. Облицовка может состоять из нескольких слоев, сверху облицовку покрывают краской для меньшей шероховатости поверхности. Краски имеют такой же состав, что и облицовки, но более жидкие.

Рис. 4. Схема изготовления отливки в металлической форме (кокиле):

а – очистка полуформ; б – установка стержней; в – заливка расплава;

г – частичное удаление металлического стержня; д – извлечение отливки

Облицовки и краска защищают кокиль от резкого нагрева и схватывания с отливкой, а также регулируют скорость охлаждения отливки, что предопределяет свойства металла отливки. После нанесения огнеупорного покрытия кокиль нагревают до рабочей температуры, значение которой (обычно 150…350 °С) определяется толщиной стенок и размерами, а также задаваемыми свойствами металла отливки.

При сборке кокилей (рис. 4, б ) устанавливается, если он необходим, песчаный стержень 6. После этого полуформы соединяются и скрепляются специальными зажимами или с помощью механизма запирания кокильной машины.

При помощи разливочных ковшей или автоматических заливочных устройств производится заливка кокиля расплавом 7 (рис. 4, в ).

После достижения достаточной прочности отливки при ее затвердевании металлический стержень частично извлекается из отливки (рис. 4, г ), чтобы избежать чрезмерного обжатия его усаживающейся отливкой.

Из открытого кокиля (рис. 4, д ) извлекается затвердевшая и охлажденная отливка; перед этим окончательно удаляется металлический стержень.

Из отливки выбивают песчаный стержень, обрезают литники, прибыли и выпоры; при необходимости проводят термообработку отливок. Отливки проходят контроль.

Технологический процесс литья в кокиль дает возможность создавать высокоэффективные автоматические литейные комплексы.

Этот вид литья применяется в условиях крупносерийного и массового производств. Отливки получают из чугуна, стали и цветных сплавов с толщиной стенок 3…100 мм и массой от десятков граммов до сотен килограммов. В соответствии с ГОСТами точность отливок достигает 12…15 квалитетов, а шероховатость поверхности Ra = 25…2,5 мкм. Отливки характеризуются стабильностью по механическим свойствам и плотности.

Однако, для метода характерно наличие дефектов в отливках: деформаций, трещин, газовой пористости.

Литье под давлением является наиболее высокопроизводительным способом получения литых заготовок.

Заливка расплавленного металла производится в металлическую форму (обычно стальную) под давлением (около 100 МПа) при помощи специальной машины компрессорного или поршневого типа с холодной или горячей прессовальной камерой.

Схемы процесса изготовления заготовок на машине с холодной камерой прессования приведены на рис. 5. Порция расплавленного металла подается в прессовальную камеру 1 (рис. 5, а ), где под действием поршня 2 через литниковые каналы заполняет полость металлической пресс-формы (рис. 5, б ). После охлаждения и затвердевания металла извлекается стержень 3 (рис. 5, в ) и вскрывается пресс-форма, одновременно из нее выталкивателем 4 удаляется отливка (рис. 5, г ).

Литьем под давлением получают отливки, в основном из цветных сплавов, по форме, массе и размерам наиболее соответствующие готовым деталям (например, корпуса смесительной камеры, карбюратора и другие детали корпусного и коробчатого типа). Этим способом можно изготовлять сложные тонкостенные отливки с толщиной стенок до 0,5 мм и отверстиями диаметром до 1 мм с приливами, выступами, резьбой и т.д. При литье под давлением точность размеров заготовки соответствует 8…12 квалитетам точности и значения параметров шероховатости поверхности Ra = 5,0…0,63 мкм.

Основными преимуществами метода являются получение отливок с толщиной стенок менее 1 мм и возможность автоматизации процесса.

Рис. 5. Схемы литья под давлением на машине с холодной

камерой прессования

Центробежное литье. Характерной особенностью метода является утяжеление частиц под действием центробежных сил при заливке и затвердевании. Это улучшает питание отливок, однако химическая неоднородность (ликвация) у таких заготовок выражена более ярко, чем у других. Этим методом получают заготовки типа тел вращения: втулки, гильзы цилиндров, диски, трубы из чугуна, сталей, твердых сплавов и цветных металлов.

Последовательность изготовления отливок на центробежных машинах с горизонтальной и вертикальной осями вращения форм показана на рис. 6. После подготовки изложницу 1 закрывают крышкой 2 и заливают расплавом через желоб 4 из ковша 3. Позиция I соответствует этапу заливки расплавом вращающихся форм, II – формирования и затвердевания отливок, III - извлечения готовых отливок из форм с помощью захватов или толкателей. Машины с горизонтальной осью вращения применяют для производства отливок – труб диаметром от 50 до 1500 мм и длиной 4…5 м, можно также отливать различные втулки, кольца и т.п. Отливки фасонные (втулки, кольца и др.) с размерами по диаметру, превышающими высоту, получают на машинах с вертикальной осью вращения.

Рис. 6. Схемы процесса получения отливок центробежным литьем:

а – на машинах с горизонтальной осью вращения; б – с вертикальной

осью вращения

Центробежное литье является производительным способом, хорошо поддающимся механизации и автоматизации. Этот вид литья обеспечивает изготовление отливок массой от нескольких граммов до нескольких тонн.

Преимуществами центробежного литья являются хорошее заполнение формы расплавом, повышенная плотность отливок за счет уменьшения пор, раковин и других дефектов, высокие механические свойства отливок, возможность получения отливок из двух и более металлов, располагающихся слоями.

Данный способ имеет следующие недостатки: загрязнение внутренней поверхности отливок неметаллическими включениями, получение неровной внутренней поверхности отливок, введение для внутренних размеров сравнительно больших припусков на механическую обработку. Точность отливок достигает 12…14 квалитетов, шероховатость поверхности Rа = 12,5…1,25 мкм.

Заготовки, полученные обработкой давлением.

Ковка является универсальным методом производства поковок на молоте или прессе. Ковкой получают заготовки для самых разнообразных деталей массой от 10 г до 350 т с припуском от 5 до 34 мм (ковка на молотах) и от 10 до 80 мм (ковка на прессах).

Ковка позволяет получать крупногабаритные заготовки последовательным деформированием отдельных ее участков. В процессе ковки улучшаются физико-механические свойства материала, особенно ударная вязкость.

Горячая объемная штамповка – основной способ получения заготовок для ответственных деталей массой от 0,5 до 20…30 кг. В зависимости от типа применяемого штампа различают штамповку в открытых или закрытых штампах, а также в штампах для выдавливания. В зависимости от применяемого оборудования штамповку подразделяют на штамповку на молотах, прессах, ГКМ, гидравлических прессах, а также на специальных машинах.

Прогрессивными технологическими процессами горячей объемной штамповки являются штамповка на радиально-ковочных машинах, а также жидкая и объемная изотермическая штамповки (рис. 7).

Одновременное обжатие заготовки четырьмя бойками на радиально-ковочных машинах (РКМ) (рис. 7, а ) создает в очаге деформации схему всестороннего неравномерного сжатия. Бойки 1, расположенные радиально и симметрично относительно заготовки 2, совершают кратковременные удары-обжатия (160…1800 ударов в мин). Процесс высокопроизводительный: одна РКМ усилием 10 МН заменяет, например, шесть 2,5 –тонных молотов и один гидравлический пресс усилием 6,3 МН. Радиальное обжатие обеспечивает производство поковок диаметрами 18…600 мм и значительную экономию металла, увеличивает производительность оборудования и повышает износостойкость деталей машин.

Жидкую штамповку проводят в штампах (рис. 7, б ), снабженных полостями для заливки жидкого металла и хранения его излишков Штамп состоит из верхней плиты 1, в которой крепится блок пуансонов 2, состоящий из прошивного 3 и подпрессовочного 4 пуансонов. Матрица 7, укрепленная на нижней плите 9 штампа обоймой матрицы 8, охлаждается водой, подаваемой по шлангу 5 в каналы 6. Поковка 11 массой от 3 до 30 кг удаляется из матрицы выталкивателем 10.

Объемная изотермическая штамповка совершается в закрытых или открытых штампах, в рабочей зоне которых поддерживается температура 800…1100 °С. В штампе (рис. 7, в ) выдавливается заготовка 1 в матрице 12 пуансоном 7. Готовая поковка выталкивателем 14 удаляется из штампа; для этого крепежная плита 4, пуансонодержатель 5 и пуансон, закрепленный кольцом 2 и втулкой 3 на опоре 6, поднимается вверх. Нагревателями являются медные стержни 9, они соединены планками 13, от корпуса штампа 11 изолированы (позиции 15, 16 и 17). Ток подводится устройствами 8, температура фиксируется термопарой 10.

Рис. 7. Прогрессивные способы горячей объемной штамповки:

а – на радиально-ковочных машинах; б – жидкая штамповка;

в - изотермическая штамповка

Горячая объемная штамповка широко применяется для получения заготовок деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин и др. так как создает благоприятные условия для расширения номенклатуры деталей, поставляемых на сборку после минимальной механической обработки.

Холодной объемной штамповкой получают заготовки с высокими физико-механическими свойствами благодаря холодному течению металла в штампе. Этим способом получают заготовки деталей, работающих в тяжелых условиях абразивного износа, при ударных и знакопеременных нагрузках, тепловых и других вредных факторах, например, шаровые пальцы рулевой тяги, поршневые пальцы, седла клапанов и др.

Прокаткой получают заготовки, применяемые непосредственно для изготовления деталей на МРС.

Товарные заготовки, сортовые и фасонные профили общего, отраслевого и специального назначения, трубный и листовой прокат, гнутые и периодические профили представляют собой широкий выбор исходных заготовок, обеспечивая экономию металлов и энергии на этапе заготовительных процессов.

Заготовки, полученные методом порошковой металлургии . Заготовки изготовляют различных составов со специальными свойствами. Применение метода для производства заготовок конструкционного назначения оправдано лишь значительным эффектом. Технология получения заготовок методом порошковой металлургии включает следующие основные этапы: подготовку порошков исходных материалов, прессование заготовки из подготовленной шихты в специальных пресс-формах; термическую обработку, обеспечивающую окончательные физико-механические свойства материала.

Достоинством порошковой металлургии является возможность изготовления заготовок из тугоплавких материалов, псевдосплавов (медь-вольфрам-железо-графит), пористых материалов для подшипников скольжения.

Метод порошковой металлургии позволяет изготавливать заготовки, требующие только отделочной механической обработки. Так, зубчатое колесо, полученное порошковой металлургией, обеспечивает зубчатое зацепление по 7-й степени точности и посадочный внутренний диаметр по 7-му квалитету. Это позволяет использовать его без последующей механической обработки. Типовыми деталями из порошков являются зубчатые колеса, кулачки, звездочки, храповики, втулки и др.

Экономичность метода порошковой металлургии проявляется при достаточно больших объемах производства из-за высокой стоимости технологической оснастки и исходных материалов.

Вопросы для самопроверки:

ПРИПУСКИ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ

1. Основные положения для расчета припусков.

2. Методы определения припусков.

3. Расчет размеров заготовки.

Под заготовкой понимается изделие, из которого изменением формы, размеров, свойств поверхности и (или) материала изготавливают деталь. Для получения детали из заготовки ее подвергают механической обработке, в результате которой удалением слоя материала с отдельных (или всех) ее поверхностей получают заданные конструктором на чертеже геометрическую форму, размер и свойства поверхностей детали. Удаляемый слой материала называется припуском. Он необходим для надежного обеспечения геометрических характеристик и чистоты рабочих поверхностей детали. Величина припуска зависит от глубины дефектов поверхности и определяется видом и способом получения заготовки, ее массой и габаритами.

Кроме припусков при механической обработке удаляются напуски, которые составляют часть объема заготовки, добавляемую иногда для упрощения технологического процесса ее получения.

Заготовки простой конфигурации (с напусками) дешевле, так как не требуют при изготовлении сложной и дорогой технологической оснастки. Однако такие заготовки требуют последующей трудоемкой обработки и повышенного расхода материала. Очевидно, что для каждого конкретного метода изготовления заготовки существует оптимальная точность и оптимальный объем выпуска.

Заготовительное производство является составной частью любого автотракторного завода, образуя первый технологический передел.

Заготовки принято различать по виду, отражающему характерные особенности базового технологического метода их изготовления.

Выделяют следующие виды заготовок:

получаемые литьем (отливки);

получаемые обработкой давлением (кованые и штампованные заготовки);

заготовки из проката (получаемые отрезкой);

сварные и комбинированные заготовки;

получаемые методами порошковой металлургии.

Заготовка может быть штучной (мерной) или непрерывной, например пруток горячекатаного проката, из которого разрезкой могут быть получены отдельные штучные заготовки.

Развитие машиностроения привело к появлению заготовок, получаемых из конструкционной керамики.

Заготовка каждого вида может быть изготовлена одним или несколькими способами, родственными базовому. Так, например, отливка может быть получена литьем в песчаные или оболочковые формы, в кокиль и т.д.

Литьем получают заготовки фактически любых размеров простой и очень сложной конфигурации почти из всех металлов и сплавов, а также и из других материалов (пластмассы, керамики и т.д.). Качество отливки зависит от условий кристаллизации металла в форме, определяемых способом литья. В некоторых случаях внутри стенок отливок возможно образование дефектов (усадочные рыхлоты, пористость, трещины, получающиеся в горячем или холодном состоянии), которые часто обнаруживаются только после черновой механической обработки.

Обработкой металлов давлением получают кованые и штампованные заготовки, а также машиностроительные профили. Ковка применяется в единичном и мелкосерийном производстве, а также при изготовлении крупных, уникальных заготовок и заготовок с особо высокими требованиями к объемным свойствам материала. Штамповка позволяет получить заготовки близкие по конфигурации к готовой детали. Механические свойства заготовок, полученных обработкой давлением, выше, чем литых. Машиностроительные профили изготовляют прокаткой, прессованием, волочением.

Заготовки из проката применяют в единичном и серийном производствах. Прокат выбранного профиля резкой превращают в штучные заготовки, из которых последующей механической обработкой изготовляют детали. Совершенство заготовки определяется близостью выбранного профиля проката к поперечному сечению детали (с учетом припусков на обработку).

Сварные и комбинированные заготовки изготовляют из отдельных составных элементов, соединяемых между собой с помощью различных способов сварки. В комбинированной заготовке, кроме того, каждый составной элемент представляет собой самостоятельную заготовку соответствующего вида (отливка, штамповка и т.д.), изготовленную выбранным способом по самостоятельному технологическому процессу. Сварные и комбинированные заготовки значительно упрощают создание конструкций сложной конфигурации. Неправильная конструкция заготовки или неверная технология сварки могут привести к дефектам (коробление, пористость, внутренние напряжения), которые трудно исправить механической обработкой.

Заготовки, получаемые методами порошковой металлургии, по форме и размерам могут соответствовать готовым деталям и требуют незначительной, часто только отделочной обработки.

Заготовки из конструкционной керамики применяют для теп-лонапряженных и (или) работающих в агрессивных средах деталей.

Заготовку перед первой технологической операцией процесса изготовления детали называют исходной.

Поступающие на обработку заготовки должны соответствовать утвержденным техническим условиям. Поэтому их подвергают техническому контролю по соответствующей инструкции, устанавливающей метод контроля, периодичность, количество проверяемых заготовок в процентах к выпуску и т.д. Обычно проверяют химический состав, механические свойства материала, структуру, наличие внутренних дефектов, размеры, массу заготовки.

У заготовок сложной конфигурации с отверстиями и внутренними полостями (типа корпусных деталей) в заготовительном цехе проверяют размеры и расположение поверхностей. Для этого заготовку устанавливают на станке, используя ее технологические базы, имитируя схему установки, принятую для первой операции обработки. Отклонения размеров и формы поверхностей должны соответствовать требованиям чертежа заготовки. Заготовки должны быть выполнены из материала, указанного на чертеже, обладать соответствующими ему механическими свойствами, не должны иметь внутренних дефектов (для отливок - рыхлоты, раковины, посторонние включения; для поковок - пористость и расслоения, трещины по шлаковым включениям, «шиферный» излом, крупнозернистость, шлаковые включения; для сварных конструкций - непровар, пористость металла шва, шлаковые включения).

Дефекты, влияющие на прочность и внешний вид заготовки, подлежат исправлению. В технических условиях должны быть указаны вид дефекта, его количественная характеристика и способы исправления (вырубка, заварка, пропитка различными химическими составами, правка).

Поверхности отливок должны быть чистыми и не должны иметь пригаров, спаев, ужимин, плен, намывов и механических повреждений. Заготовка должна быть очищена или обрублена, места подвода литниковой системы, заливы, заусенцы и другие дефекты должны быть зачищены, удалена окалина. Особенно тщательно должны быть очищены полости отливок. Необрабатываемые наружные поверхности заготовок при проверке по линейке не должны иметь отклонений от прямолинейности более заданных. Заготовки, у которых отклонение от прямолинейности оси (кривизна) влияет на качество и точность работы машины, подлежат обязательному естественному или искусственному старению согласно технологическому процессу, обеспечивающему снятие внутренних напряжений, и правке.

Отмеченные на чертеже заготовки базы для механической обработки должны служить исходными базами при изготовлении и проверке технологической оснастки (моделей и приспособлений), должны быть чистыми и гладкими, без заусенцев, остатков литников, прибылей, выпоров, литейных и штамповочных уклонов.

В современном производстве одним из основных направлений развития технологии механической обработки является использование черновых заготовок с экономичными конструктивными формами, обеспечивающими возможность применения наиболее оптимальных способов их обработки, т. е. обработки с наибольшей производительностью и наименьшими отходами. Это направление требует непрерывного повышения точности заготовок и приближения их конструктивных форм и размеров к готовым деталям, что позволяет соответственно сократить объем обработки резанием, ограничивая ее в ряде случаев чистовыми, отделочными операциями.

Снижение трудоемкости механической обработки заготовок, достигаемое рациональным выбором способа их изготовления, обеспечивает рост производства на тех же производственных площадях без существенного увеличения оборудования и технологической оснастки. Наряду с этим рациональный выбор способов изготовления заготовок применительно к различным производственным условиям определяет степень механизации и автоматизации производства.

Машиностроение является крупнейшим потребителем металла. Так, в прошедшей пятилетке в машиностроении было использовано 40% от общего выпуска металлопроката и свыше 77% от общего выпуска чугуна, стали и цветных металлов, при этом около 53% массы металла отошло в отходы, в том числе и безвозвратные.

Учитывая существенное значение в технологии производства повышения качественных показателей изготовления заготовок, в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года», утвержденных на XXVI съезде КПСС, указано на необходимость ускоренного развития специализированных мощностей по производству отливок и штамповок путем реконструкции на новой технической основе действующих и строительства новых литейных и кузнечно-штамповочных заводов и цехов, повышения качества и точности отливок и штамповок за счет внедрения в производство металлосберегающих (безотходных и малоотходных) технологических процессов.

Последовательное использование передовых технологических процессов изготовления заготовок обеспечит необходимую материальную базу для опережающего развития машиностроения, создаст предпосылки для коренного улучшения использования материалов при резком сокращении их потерь и отходов и доведении среднего коэффициента использования металлопередела до 0,59…0,6.

Выбор вида заготовки для дальнейшей механической обработки во многих случаях является одним из весьма важных вопросов разработки процесса изготовления детали. Правильный выбор заготовки - установление ее формы, размеров припусков на обработку, точности размеров (допусков) и твердости материала, т. е. параметров, зависящих от способа ее изготовления, - обычно весьма сильно влияет на число операций или переходов, трудоемкость и в итоге на себестоимость процесса изготовления детали. Вид заготовки в большинстве случаев в значительной степени определяет дальнейший процесс обработки.

Таким образом, разработка процесса изготовления детали может идти по двум принципиальным направлениям:

• получение заготовки, приближающейся по форме и размерам к готовой детали, когда на заготовительные цехи приходится как бы значительная доля трудоемкости изготовления детали и относительно меньшая доля приходится на механические цехи,
• получение грубой заготовки с большими припусками, когда на механические цехи приходится основная доля трудоемкости и себестоимости изготовления детали.

В зависимости от типа производства оказывается рациональным то или иное из указанных направлений или какое-либо промежуточное между ними. Первое направление соответствует, как правило, массовому и крупносерийному производству, так как дорогостоящее современное оборудование заготовительных цехов, обеспечивающее высокопроизводительные процессы получения точных заготовок, экономически оправдано лишь при большом объеме выпуска изделий. Второе направление типично для единичного или мелкосерийного производства, когда применение указанного дорогого оборудования в заготовительных цехах неэкономично. Не следует, однако, изложенное понимать так, что в пределах единичного и серийного производства не могут быть достигнуты целесообразные решения об удовлетворительном качестве заготовок. Наоборот, экономически целесообразное для всякого производства качество заготовок может быть всегда заранее предопределено при правильном подходе к их выбору, а, следовательно, и к установлению способа их изготовления.

Основными видами заготовок в зависимости от назначения деталей являются:

• отливки из черных и цветных металлов;
• заготовки из металлокерамики;
• кованые и штампованные заготовки;
• заготовки, штампованные из листового металла;
• заготовки из проката; сварные заготовки;

Отливки из черных и цветных металлов (рис. 36) выполняют различными способами. Для заготовок простых форм с плоской поверхностью в условиях единичного и мелкосерийного производства применяют литье в открытые земляные формы, для крупных заготовок - литье в закрытые формы. Ручную формовку в опоках по моделям или шаблонам применяют для мелких и средних отливок деталей, имеющих форму тел вращения. В настоящее время получает распространение литье в жидкие быстротвердеющие смеси. Этот способ исключает необходимость сушки форм в печах. В серийном н массовом производстве применяют машинную формовку по деревянным или металлическим моделям. Отливки сложной конфигурации изготовляют в формах, которые собирают из стержней по шаблонам и кондукторам.

Отливки сложных форм из труднообрабатываемых резанием сплавов изготовляют по выплавляемым моделям , при этом обеспечивается точность размеров по 12…11-му квалитетам и шероховатости поверхности R а =6,3…1,6 мкм. По выплавляемым моделям изготовляют отливки как из черных, так и из цветных сплавов, причем в производстве отливок из сплавов, заливка которых должна производиться в холодные формы, применяют сочетание литья по выплавляемым моделям и способа гипсовой формовки.

Точные отливки с небольшими припусками на механическую обработку получают при литье в оболочковые формы . Этот способ, широко распространенный в настоящее время, основан на свойстве термореактивной смолопесчаной смеси принимать форму подогретой металлической модели и образовывать плотную и быстротвердеющую оболочку. Этот способ литья расширяет возможности автоматизации. Отливки имеют точность размеров по 14…12-му квалитетам и шероховатость R а =0,4 мкм.

К прогрессивным способам изготовления литых заготовок относится способ литья в металлические формы (кокили), который исключает процесс формовки, обеспечивает благоприятные условия охлаждения, а также простоту удаления отливок из формы. Перспективно применение податливых металлических форм, изготовляемых из пакетов чистовой, стали, а также тонкостенных водоохлаждаемых форм, в которых рабочая полость изготовляется в виде сменной штамповки. Применение вакуумного отсасывания при кокильном литье расширяет область его использования для изготовления тонкостенных корпусных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов, а заливка в открытую форму с последующим выжиманием при смыкании полуформ (метод книжной» формовки) позволяет получать крупногабаритные тонкостенные отливки.

Для изготовления отливок с мелкозернистой структурой металла и повышенными механическими свойствами применяют способ центробежного литья , который получил наибольшее распространение при изготовлении отливок деталей, имеющих форму тел вращения (втулок, груб и т. д.), с точностью по 12-му квалитету.

Для изготовления заготовок деталей сложной конфигурации успешно применяют способ литья под давлением . Прочность отливок, изготовленных этим способом, на 30% выше прочности отливок, изготовленных литьем в земляные формы. Этот способ широко применяют в серийном и массовом производстве при изготовлении небольших деталей сложной формы. Современные автоматы для литья под давлением отливок массой до 300 г обеспечивают производительность до 6000…8000 отливок в час. Шероховатость поверхности заготовок R а =2,5…0,32 мкм.

Заготовки из металлокерамики изготовляют из порошков, различных металлов или из смеси их с порошками, например, графита, кремнезема, асбеста и др. Этот вид заготовок применяют для производства деталей, которые не могут быть изготовлены другими методами - из тугоплавких элементов (вольфрама, молибдена, магнитных материалов и пр.), из металлов, не образующих сплавов, из материалов, состоящих из смеси металла с неметаллами (медь - графит), и из пористых материалов.

Способ получения металлокерамических материалов основан на прессовании тонких металлических порошков в требуемой смеси в пресс-формах под давлением 100…600 МПа и последующем спекании при температуре немного ниже температуры плавления основного компонента. Этот способ носит название порошковой металлургии, и с его помощью изготовляют подшипники скольжения (с антифрикционными свойствами ), тормозные диски (с фрикционными свойствами ), самосмазывающиеся втулки, в которых поры на 20…30% объема под давлением заполняются смазкой (пористые), а также детали для электро- и радиотехнической промышленности (магниты). Достоинством порошковой металлургии также является возможность изготовления деталей, не требующих последующей механической обработки.

Кованые и штампованные заготовки (рис. 37) изготовляют различными способами, технологические характеристики которых приведены в табл. 5.

Так, для получения заготовок деталей в единичном и мелкосерийном производстве применяют ковочные молоты и гидравлические ковочные прессы. Заготовки характеризуются сравнительно грубым приближением к форме готовой детали и требуют больших затрат на последующую механическую обработку.

Для большего приближения формы заготовки к форме готовой детали в мелкосерийном производстве применяют подкладные штампы . Заготовку, предварительно выполненную свободной ковкой с помощью универсального кузнечного инструмента, помещают в подкладной штамп, где она принимает форму, более близкую к форме готовой детали.

В серийном и массовом производстве заготовки изготовляют на штамповочных молотах и прессах в открытых и закрытых штампах. В первом случае образуется облой, т. е. отход лишнего металла в результате истечения; облой компенсирует неточность в массе исходной заготовки. Во втором случае облой отсутствует, следовательно, расход металла на заготовку меньше. Технологическими процессами, интенсифицирующими технологию штамповки, являются: штамповка заготовок из центробежных отливок и отливок в кокиль, штамповка методом выдавливания в обычных закрытых и разъемных штампах, безоблойная штамповка, штамповка из периодического проката, объемная штамповка из заготовок, полученных непрерывной разливкой стали.

Штамповка заготовок, отлитых методами центробежного и кокильного литья , предназначается для изготовления заготовок типа пустотелых цилиндров, минуя процессы разливки стали в слитки и последующую их прокатку и расковку. При этом процессе заготовки для последующей штамповки или раскатки отливаются на центробежной машине, а затем в горячем виде (при t=1250…1300°С) извлекаются из кокиля или центробежной машины.

Метод выдавливания особенно эффективен при совмещении его с индукционным нагревом для изготовления таких крупных заготовок, как валы, валки, роторы и т. п.

Значительно большую экономию металла можно получить при внедрении прогрессивных технологических процессов штамповки на кривошипных горячештамповочных прессах, штамповки (горячего выдавливания) в цельных и разъемных матрицах, малоотходной штамповки (безоблойной и с противодавлением). Горячее выдавливание является эффективным процессом получения штамповок разнообразной конфигурации, чаще всего в виде стержней с фланцами различной формы, деталей с отростками и т. п., причем выдавливание как операция горячей штамповки часто применяется в качестве заготовительной операции для распределения металла в соответствии с формой детали, благодаря чему сокращаются отходы в облой. Еще более эффективна разновидность технологической схемы выдавливания - штамповка выдавливанием в разъемных матрицах . Наличие второй линии разъема позволяет получать поковки с отростками и поднутрениями, близкими к конфигурации детали. Сущность процесса малоотходной штамповки заключается в получении точных заготовок (преимущественно тел вращения) без облоя в закрытых штампах. Избыток металла (неизбежный при существующих способах резки заготовок) отводится в специальные полости штампа. Одной из разновидностей процесса является штамповка шестерен в штампах с клиновой облойной канавкой.

Существенным фактором экономии проката является применение для ковки и объемной штамповки заготовок, полученных непрерывной разливкой стали, не требующих высокой степени укова; причем эти заготовки без предварительной прокатки можно штамповать.

Из других прогрессивных технологических процессов, внедрение которых обеспечивает более эффективное использование металла, относится вальцовка заготовок на ковочных вальцах , в том числе многоклетьевых и автоматизированных, на которых заготовка требуемого переменного сечения может быть получена за один проход; радиальное обжатие (редуцирование), осуществляемое как в горячем, так и в холодном состоянии; раскатка, применение периодического проката для предварительного формообразования заготовок под штамповку.

Одним из способов производства заготовок из отливок является метод виброштамповки . Преимуществом метода является создание лучших условий деформирования в связи с уменьшением внешнего трения и скорости деформации. Штамповка может осуществляться в одно- и многоручьевых штампах; мелкие заготовки штампуют в многоштучных штампах.

Для получения заготовок из пруткового материала высадкой используют горизонтально-ковочные машины. Этот способ производителен и экономичен. Фасонные, а также пустотелые заготовки цилиндрической формы штампуют на гидравлических прессах. Пустотелые заготовки изготовляют прошивкой отверстия с последующей протяжкой через кольцо или высадкой, а болты, заклепки и подобные детали – на фрикционных винтовых прессах в специальных сборных штампах с разъемными матрицами. При штамповке на фрикционных прессах достигаются высокая точность изготовленных заготовок, уменьшение расхода материала и высокая производительность. Так, при изготовлении заклепок производительность прессов составляет до 1000 шт. в час.

Для изготовления заклепок и других подобных деталей в массовом производстве применяют также холодновысадочные пресс-автоматы. Производительность этих прессов составляет 400 шт. в минуту и более. Опали, полученные холодной высадкой из калиброванного проката, сличаются большой точностью (8-й квалитет). Для получения заготово к периодического профиля или для вытяжки металла в продольном и поперечном сечениях используют ковочные вальцы . Профиль переменного сечения получают, пропуская заготовку через ручей вальцов, сложный профиль - пропуская заготовку через несколько профилированных ручьев.

Точность размеров и шероховатость поверхностей штампованных заготовок повышают холодной калибровкой и плоскостным или объемным проглаживанием (чеканкой). Плоскостную чеканку применяют для небольших участков заготовок, а объемную - для заготовок небольшого размера. Заготовки можно чеканить и в горячем состоянии, однако точность горячей чеканки ниже, чем холодной. Горячую чеканку применяют преимущественно для крупных штампованных готовок.

Штамповкой заготовок из листового металла можно получать изделия простой и сложной конфигурации: шайбы, втулки, сепараторы подшипников качения, баки, кабины автомобилей и т. д. Для этих изделий характерна почти одинаковая толщина стенок, мало отличающаяся от толщины исходного материала (рис. 38).

Холодной листовой штамповкой могут быть получены заготовки на низкоуглеродистой стали, пластичной легированной стали, меди, латуни (с содержанием меди более 60% ), алюминия и некоторых его сплавов, а также из других пластичных листовых материалов толщиной от десятых долей миллиметра до 6…8 мм. Заготовки, получаемые из листа холодной штамповкой, отличаются высокой точностью размеров, во многих случаях не нуждаются в последующей механической обработке и поступают непосредственно на сборку.

Горячей листовой штамповкой могут быть получены заготовки из материала толщиной свыше 8…10 мм, а при низкой пластичности - из материала меньших толщин для изготовления деталей корпусов кораблей, цистерн, котлов, химических машин, аппаратов и др.

Совершенствование технологических процессов листоштамповочного производства в целях более эффективного использования листового проката осуществляется в трех направлениях: замена листа широким рулоном, применение листа без припусков и положительных допусков на габариты и всемерная замена штампованных деталей деталями, изготовленными из гнутых профилей.

Дальнейшее развитие процессов холодной листовой штамповки основывается на применении целевого, комбинированного и универсального оборудования с использованием специальной оснастки, а именно: универсальных блоков для пакетных штампов, электромагнитных блоков для пластинчатых штампов, универсальных штампов для геометрически подобных деталей и для штамповки по элементам, пинцетных штампов для вырубки крупногабаритных деталей и для групповой штамповки, штампов с использованием резины, жидкости и другой эластичной среды и упрощенных штампов (ленточных, литых, пластмассовых, с использованием бетона, дерева и т. д.).

При изготовлении крупногабаритных листовых деталей в настоящее время широко применяют беспрессовую штамповку, называемую гидравлической вытяжкой и основанную на использовании статического гидравлического давления, электрогидравлического эффекта и энергии подводного взрыва взрывчатых веществ. Гидравлическая вытяжка может быть использована для формообразования деталей из алюминиевых сплавов толщиной до 5 мм и стали толщиной до 3 мм. Высокое давление порядка 20…25 МПа передается либо непосредственно жидкостью, либо посредством резиновой диафрагмы или мешка. Гидравлическая вытяжка отличается более равномерным распределением напряжений в металле, чем при вытяжке пуансонами, и создает более благоприятные условия для формообразования с меньшими утонениями в процессе вытяжки.

К процессам холодной обработки давлением относятся холодная высадка и объемная штамповка выдавливанием . Высадку применяют для образования местных утолщений требуемой формы путем перераспределения и перемещения объема металла. Выдавливание применяют для изготовления полых деталей, деталей меньшей площадью поперечного сечения из толстой заготовки за счет истечения металла в зазор между матрицей и инструментом. В зависимости от направления перемещения металла по отношению к инструменту различают три шин выдавливания: прямое - металл течет в направлении рабочего движения инструмента, обратное - обратно рабочему движению и комбинированное - сочетание прямого и обратного видов. Прямое выдавливание применяют для изготовления сплошных деталей, а иноке пустотелых деталей типа гильз и труб. Обратное выдавливание применяют исключительно для получения пустотелых деталей. Комбинированное-для изготовления деталей сложной формы: с фигурным дном, с дном, имеющим отростки, с дном, расположенным внутри полой детали, и т. п.

Для формообразования, калибровки, отделки поверхности деталей машин и их упрочнения при обработке давлением в холодном состоянии применяют процессы бесштамповочной обработки, основанные на пластической деформации металлов. К ним относятся накатка шестерен, шлиц и резьб, накатка и раскатка поверхностей шариками п роликами. Эти способы позволяют осуществить размерно-чистовую обработку , улучшить микрогеометрию поверхностей, в ряде случаев упразднив отделочную обработку.

Находит применение также метод обкатки роликами (гидроспининг), успешно заменяющий не только обработку резанием и давильные работы, но и вытяжку. Этот способ заключается в постепенном обжатии роликами листовой, штампованной или литой заготовки, полученной на принудительно вращающейся оправке. Большие давления на ролики, достигающие 25 МПа, создаваемые гидравлическим приводом, позволяют весьма производительно обжимать полые детали цилиндрической, конической н параболической форм, получать летали сложной конфигурации с большим перепадом сечений с точностью в пределах 11-го квалитета и шероховатостью поверхности R а = 0,8…0,4 мкм.

Все операции листовой штамповки можно разделить на разделительные (отрезка, вырубка, пробивка, зачистка), в ходе которых одну часть заготовки отделяют от другой, и формоизменяющие (гибка, вытяжка, обжим, отбортовка, рельефная формовка, формовка), в которых одна часть заготовки перемещается относительно другой без разрушения заготовки (в пределах пластических деформаций).

Исходный толстый лист разделяют на мерные заготовки преимущественно газовой резкой.

Тонкие листы разделяют на заготовки обычно отрезкой на гильотинных и дисковых ножницах.

Горячую листовую штамповку производят преимущественно на гидравлических листоштамповочных и фрикционных винтовых прессах, реже - на кривошипных листоштамповочных прессах. Из специального оборудования для обработки листов в горячем состоянии следует отметить трех- и четырехвалковые гибочные вальцы, предназначенные для гибки листа в обечайку реверсивным прокатыванием листа между постепенно сближающимися валками.

Нагрев перед штамповкой ведут обычно в пламенных камерных печах периодического действия или в методических печах непрерывного действия. Прогрессивен индукционный электронагрев, при котором продолжительность процесса сокращается в 5…6 раз, а толщина слоя окалины уменьшается в 2…3 раза по сравнению со слоем окалины, полученным в пламенных печах. Резко повышается точность штамповки, создаются возможности автоматизации процесса, значительно улучшаются условия труда в прессовых (кузнечно-штамповочных) цехах.

Заготовки из круглого проката для валов в большинстве случаев более целесообразны, чем кованые или штампованные заготовки. Однако если масса заготовки из проката превышает массу штамповки более чем на 15%, лучше применять штампованные заготовки.

Изготовление заготовок из труб также является одним из рациональных способов. Несмотря на то, что тонна горячего проката стоит в среднем в 1,5 раза меньше, чем тонна труб, тем не менее экономия металла при производстве деталей из труб по сравнению с изготовлением из круглого проката может покрыть разницу в стоимости. Исключение может быть сделано только для деталей, которые подвергают дальнейшей неоднократной обработке (сверлению, фрезерованию и др.), и, если коэффициент использования материала ниже 0,5.

Максимального подобия конструктивных форм и размеров заготовок готовым деталям можно достигнуть применением специальных профилей металла. Применение периодического проката , т. е. проката с максимальным подобием заготовки и детали, обеспечивает повышение коэффициента использования металла при штамповке в среднем на 10…15% благодаря сокращению потерь на облой, содействуя одновременно повышению производительности труда как в заготовительных, так и в механообрабатывающих цехах. На рис. 39 приведены схемы периодической прокатки различных заготовок: распределительного вала (α); шаров, изготовленных методом поперечной раскатки (б). В приведенном примере масса заготовок из обычных профилей: распределительного вала - 7,95 кг и шаров 300 мм - 0,164 кг, а при использовании периодического проката - соответственно 6,32 и 0,125 кг, что составляет экономию металла 13 и 24%.

Из готового профильного проката заготовки изготовляют преимущественно в массовом производстве. Во многих случаях этот способ не требует применения механической обработки или ограничивает ее отделочными операциями.

Сварные заготовки позволяют получать изделия такой конфигурации, которая обычно получается в результате литья или обработки резанием. В современном машиностроении часто применяют штампосварные заготовки (рис. 40). Замена деталей, полученных из отливок и изготовленных обработкой резанием, штампосварными значительно снижает себестоимость.

Наряду со штампосварными применяют также и сварно-литые заготовки , например, при изготовлении заготовок для корпусных деталей, отличающихся большим разнообразием конструктивных форм, размеров, массы и материалов. Заготовку делят на ряд простейших частей, получаемых литьем, а затем соединяют их сваркой. Так изготовляют траверсы прессов, статоры турбин, станины станков и др. Этот вид заготовок резко снижает трудоемкость изготовления и металлоемкость изделия.

Применяют также заготовки из штампованных и литых частей, соединенных сваркой.

Заготовки из неметаллических материалов . К неметаллическим материалам, широко применяемым в машиностроении, относятся: пластические массы, древесина, резина, бумага, асбест, текстиль, кожа и др. Неметаллические материалы, обеспечивая необходимую прочность при небольшой массе изготовляемых из них деталей, придают деталям необходимые свойства: химическую устойчивость (к воздействию растворителей), водо-, газо- и паронепроницаемость, высокие изоляционные свойства и др.

Пластическими массами называют материалы, которые на определенной стадии их производства приобретают пластичность, т. е. способность под воздействием давления принимать соответствующую форму и в дальнейшем сохранять ее. В зависимости от химических свойств исходных смолообразных веществ пластические массы, получаемые на их основе, делят на две основные группы:

• термореактивные пластические массы на основе термореактивных смол, отличающиеся тем, что при действии повышенных температур они претерпевают ряд химических изменений и превращаются в неплавкие и практически нерастворимые продукты;
• термопластичные массы (термопласты), получаемые на основе термопластичных смол и отличающиеся тем, что при нагревании они размягчаются, сохраняя плавкость, растворимость и способность к повторному формованию.

Разнообразие физико-химических и механических свойств и простота переработки в изделия обусловливают широкое применение различных видов пластических масс в машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Сравнительно небольшая плотность (1000…2000 кг/м3), значительная механическая прочность и высокие фрикционные свойства позволяют в ряде случаев применять пластические массы в качестве заменителей, например, цветных металлов и их сплавов - бронзы, свинца, олова, баббита и т. п., а при наличии некоторых специальных свойств (например, коррозионная стойкость) пластмассы можно использовать и в качестве заменителей черных металлов. Высокие электроизоляционные свойства способствуют применению пластических масс в электро- и радиопромышленности в качестве заменителей таких материалов, как фарфор, эбонит, шеллак, слюда, натуральный каучук и многие другие. Хорошая химическая стойкость при воздействии растворителей и некоторых окислителей, водостойкость, газо- и паронепроницаемость позволяют применять пластические массы как технически важные материалы в автотракторной, судостроительной и других отраслях промышленности.

Детали из пластических масс получают прессованием, литьем под давлением и литьем в формы. Наиболее распространенным способом получения деталей из пластических масс является способ горячего прессования при необходимом давлении и температуре. В качестве основного оборудования для прессования пластмасс обычно применяют гидравлические прессы. Однако в некоторых случаях можно применять и другие типы прессов, например фрикционные, винтовые. Прессование производят в металлических пресс-формах, устанавливаемых на прессах. Пресс-формы являются основным видом оснастки в производстве изделий из пластических масс. Во время прессования пресс-формы находятся в очень неблагоприятных эксплуатационных условиях. Они воспринимают многократные силовые нагрузки (давление пресса достигает 20…30 МПа, а иногда 60…80 МПа), систематическое воздействие высоких температур (до 190°С) и агрессивное коррозионное воздействие выделяющихся в процессе прессования продуктов химических превращений.

Важным промышленным способом производства деталей из пластмасс является способ литья под давлением . Он во многом сходен со способом литья под давлением металлов. Сущность его заключается в следующем: в загрузочные приспособления специальных машин помещают пластическую массу, затем подают их в обогревающее устройство, где пластмасса расплавляется и под действием поршня (плунжера), передающего давление, впрыскивается в пресс-форму. Машины для литья под давлением пластмасс высокопроизводительны: до 12…16 тыс. шт. за смену. Этим способом можно изготовлять различные детали со сложными резьбами и профилями, тонкостенные детали и т. п. Литье в формы применяют в тех случаях, когда детали изготовляют из связующего без наполнителя. Этот способ применяют также для получения различных литых деталей из термореактивных пластмасс, например, литого карболита, неолейкорита, литого резита, а также из термопластичных материалов - органического стекла, полистирола и др.

Детали из слоистых пластиков широко распространены в машиностроении. Например, текстолитовые зубчатые колеса отличаются от металлических бесшумностью работы и устойчивостью против влияния различных агрессивных сред. В ряде случаев текстолитовые зубчатые колеса почти совсем вытеснили зубчатые колеса из цветных металлов. Их применяют для передачи вращения от электродвигателей в быстроходных металлообрабатывающих станках, устанавливают на распределительных валах двигателей внутреннего сгорания. В химической промышленности текстолитовые зубчатые колеса применяют в различных аппаратах и приборах, где они гораздо лучше, чем зубчатые колеса из бронзы и латуни, сопротивляются различным агрессивным воздействиям. Помимо зубчатых колес из текстолита изготовляют ролики, кольца и т. п.

Древесина различных пород, являющаяся сравнительно дешевым материалом, применяется во многих отраслях современного машиностроения. Например, в сельскохозяйственном машиностроении и автотракторостроении используется древесина сосны, ели, кавказской пихты, лиственницы, дуба, бука, ясеня, березы, клена, граба, ильмы, вяза. Из древесины твердых лиственных пород и лиственницы изготовляют ответственные детали сельскохозяйственных машин, подвергающиеся большим нагрузкам.

Древесные материалы применяют в машиностроении как конструкционные материалы, главным образом в виде шпона, клееной фанеры, пельнопрессованной древесины и древесных пластиков.

Для повышения устойчивости древесины против гниения ее специально обрабатывают: сушат на воздухе и в специальных сушильных камерах, а также пропитывают медным купоросом, хлористым цинком или креозотом и окрашивают.

Из древесных материалов методами холодного и горячего гнутья можно получать изделия сложной криволинейной формы. Метод холодного гнутья заключается в том, что на шаблоне выгибают и запрессовывают заготовку в виде набора тонких деревянных пластинок, покрытых клеем, без подогрева. При горячем гнутье заготовку предварительно проваривают или пропаривают, вследствие чего она приобретает пластичность, затем выгибают на шаблоне и в таком положении зажимают и помещают в сушильную камеру.

Наряду с обычной древесиной (так называемым массивом) в машиностроении применяют фанеру и слоистые древесные материалы. Фанера представляет собой листовой материал, изготовленный путем склеивания между собой нескольких тонких деревянных листов (шпона). Для изготовления нагруженных деталей применяют многослойную, или плиточную, фанеру толщиной 25…30 мм.

Тонкие листы (шпон), пропитанные специальными смолами и подвергнутые горячему прессованию, образуют так называемые древесно-слоистые пластики , широко применяемые в текстильном и электротехническом машиностроении, а также в качестве заменителя подшипников из цветных металлов в гидравлических машинах, механизмах, работающих в абразивной среде.

Механическую обработку изделий из древесины производят на металлорежущих и деревообрабатывающих станках.