Виды обробки металів

Виды обробки металів

7

ЗМІСТ

1. Загальні відомості про виробництво і традиційні методи обробки металічних сплавів. Нові види обробки матеріалів (електрофізичні, електрохімічні, ультразвукові)………………………………………..………….3

1.1 Ливарне виробництво…………………………………………………………3

1.2 Обробка металів тиском……………………………………………...………6

1.3 Зварювання. Ознайомлення з технологією зварювання металів. Основні види електроерозійного та дифузійного зварювання, сутність і галузі застосування……………………………………………………………………….8

1.4 Нові види обробки матеріалів (електрофізичні, електрохімічні)………..12

1.5 Ультразвуковий метод обробки. Застосування його у промисловому виробництві……………………………………………………………………..16

2. Тест…………………………………………………………………………….19

Список використаної літератури………………………………………………20

1. Загальні відомості про виробництво і традиційні методи обробки металічних сплавів. Нові види обробки матеріалів (електрофізичні, електрохімічні, ультразвукові)

1.1 Ливарне виробництво

За допомогою ливарного виробництва отримують відливки та зливки - первинний продукт ланки обробки металічних сплавів. Його сутність полягає у формуванні фасонних відливок або зливків в процесі плавлення так званої шихти (чистих металів, металобрухту тощо) із додаванням вогнетривів або плавлення у спеціальних печах - тиглях (для тугоплавких металів).

Весь метал, який закладають у печі для плавлення, називають шихтою. Перед проведенням плавлення проводять розрахунок шихти для того, щоб визначити кількість шихтових матеріалів, яке необхідне для отримання сплаву заданого складу, з урахуванням втрат при плавленні. У простих випадках розрахунок шихти зводиться до вирішення одного чи кількох рівнянь. При складному складі сплаву, великій кількості шихтових матеріалів та необхідності знайти їх оптимальний набір із умови найменшої вартості проводяться розрахунки із застосуванням обчислювальної техніки.

У процесі плавлення оксиди металів, що утворюються, сплавляються з кремнеземом, і виникає природній шлак, який утримує метал у зв'язаному вигляді. Крім того, у шлаку є каплини вільного металу, що були механічно прихоплені при перемішуванні. Таким чином, частина металу втрачається разом зі шлаком. Інша частина втрат пов'язана з випаровуванням металу і взаємодією розплаву з огнетривкою футерівкою. Тому ці втрати називають „втратами на угар”.

У першу чергу до печі закладають ту шихту, доля якої є найбільшою, а також більш тугоплавкі шихтові матеріали. Легколетючі і малі добавки, а також ті, що сильно окислюються, бажано вводити за допомогою лігатур. За необхідності, на першу порцію шихти треба відразу ж вводити спеціальний шлак або флюс. Для надійного розчинення усіх добавок, потрібно обов'язково ретельно перемішати розплав. За необхідності, по закінченню плавлення проводять рафінування розплаву, а також його розкислення. Заключною операцією є модифікування розплаву шляхом введення добавки чи температурно-часовою обробкою.

Часто проводять попередню переплавку шихти, яка є вологою, забрудненою маслом, і вже отриманий розплав заливають у чушки.

Для ливарного виробництва специфічним є рафінування розплавів, тобто їх очищення від неметалічних включень і розчинених газів. Для видалення неметалічних включень використовують декілька прийомів. Найпростішим з них є відстоювання. Більш дієвий спосіб видалення неметалевих включень заключається у обробці розплаву рафінуючими шлаками або флюсами. Неметалеві включення добре відділяються при продувці розплавів газами. Універсальним, і більш дієвим засобом видалення неметалевих включень є фільтрування розплаву через зернисті або спечені пористі фільтри. Рафінування розплавів від розчинених газів, крім кисню, здійснюється вакуумуванням, продуванням розплавів і іншими газами, які не розчиняються у них та виморожуванням.

Розкисленням називають видалення із розплаву розчиненого кисню. Розкислення може бути проведене кількома способами, але найбільш універсальним є внутрішнє (осадове) розкислення. Цю операцію проводять тільки стосовно металів, які утримують розчинений кисень. Тому розкисляють вуглецеві і низьколеговані сталі, сплави залізо-нікель, нікель-мідь, чисту мідь. Розкислення сплавів заліза з великим вмістом вуглецю, кремнію, титану, хрому сплавів нікелю з алюмінієм, титаном, сплавів міді з оловом, алюмінієм, цинком, усіх сплавів на основі алюмінію, магнію, цинку, свинцю та олова ніколи не проводять.

Як вже зазначалося вище, заключною операцією при плавленні є модифікуюча обробка розплаву. Сам процес модифікації відбувається при затвердінні відливок і виражається в утворенні мілкокристалічної структури. Оскільки модифікуючи добавки швидко угорають, а дія перегріву зникає, модифікуючу обробку проводять в останню чергу, щоб ефект зберігся до кінця розливу.

Ковшова обробка розплавів проводиться за межами печі, тобто не у плавильному агрегаті, а безпосередньо у ковші. Це дозволяє здешевіти та прискорити процес виготовлення сплавів. У ковші часто проводять рафінування і модифікацію розплаву, нерідко завершують його розкислення. Така практика отримала широке застосування при виробництві литих заготівок, наприклад: при виробництві чавунних ізложниць із рідкого доменного чавуну на підприємствах чорної металургії та при виробництві зливків із алюмінієвих сплавів на підприємствах кольорової металургії.

Із ковша рідкий метал поміщують до порожнини ливарної форми, де він приймає її форму і продовжує охолоджуватися. Швидкість затвердіння визначається швидкістю тепловідводу і характеризує наростання твердої фази з часом. Затвердіння відливок відбувається в результаті кристалізації сплавів.

Після затвердіння відливка повинна мати задану щільність і однорідність, мінімальні внутрішні напруження, гладку і чисту поверхню.

1.2 Обробка металів тиском

Формоутворення за допомогою обробки металів тиском, засновано на здатності металевих заготівок змінювати свою форму без руйнування під дією зовнішніх сил. Обробка тиском - один із прогресивних, економічних та високопродуктивних способів виробництва заготівок у машино- і приладобудуванні. Майже 90% відсотків усієї сталі, що виплавляється, і 60% кольорових металів та сплавів піддають тим. Чи іншим видам обробки тиском: прокату, пресуванню, волочінню, штампуванню тощо. Обробкою тиском можуть бути отримані заготовки чи деталі з сплавів, які володіють пластичними якостями, тобто можуть деформуватися без руйнування під дією зовнішніх сил. Порушення суцільності складу заготівки, що деформується, є недопустимим і призводить до браку.

Сутність процесу обробки тиском заключається у тому, що при пластичному деформуванні сплавів потрібна форма заготівок досягається шляхом переміщення часструм металу у нове положення за умови їх стійкої рівноваги. При цьому початкова маса металу, який піддівався формозміненню, залишається постійною. Так як процес деформування відбувається з неодмінним застосуванням сил, які мають розтягуючу або стискуючу дію, то щільність сплаву при цьому дещо змінюється (як правило збільшується). При деформації усуваються нещільності, які виникли у сплаві в процесі затвердіння із рідкої фази. За необхідності отримати більшу величину деформації її проводять за кілька операцій. При подальшому деформуванні, а також при деформуванні металу після прокату зміна щільності є незначною.

При всьому різноманітті умов обробки тиском на різних дільницях тіла, що деформують можуть виникати такі схеми головних напружень:

– чотири об'ємних;

– три пласких;

– два лінійних.

При кожному виді обробки тиском одна із вищезазначених схем є переважною.

У простій, монокристалічній структурі заготівок пластична деформація відбувається під дією дотичних напружень, які викликають ковзання атомарних площин відносно друг друга, тобто відбувається явище зсуву. Іншим процесом, який відбувається при пластичній деформації таких заготівок є, так зване, „двійникування” або двійниковий зсув. Це явище найчастіше зустрічається у металах та сплавах, які мають гексагональну чи об'ємно центровану кубічну решітку. На відміну від звичайного, двійників зсув відбувається тільки один раз і не призводить до значних пластичних деформацій.

Процеси, які відбуваються при деформуванні заготівок із полікристалічною структурою, в яких кристаліти розділені межами і мають площини ковзання, нарізно орієнтовані у просторі, значно більш складні, так як у полікристалічному тілі деформація одного узятого зерна практично неможлива. В результаті цього, структура металічного сплаву із полікристалічною структурою, який піддавали значним пластичним деформаціям, характеризується зернами витягнутої форми, орієнтованими за напрямком інтенсивного руху металу.

1.3 Зварювання. Ознайомлення з технологією зварювання металів. Основні види електроерозійного та дифузійного зварювання, сутність і галузі застосування

Зварюванням називають процес отримання невід'ємних поєднань за допомогою створення міжатомних зв'язків між частинами, що поєднуються, при їх місцевому нагріванні та (або) сумісному пластичному деформуванні. Поєднання металів при зварюванні досягається за рахунок виникнення атомно-молекулярних зв'язків між елементарними частками поверхонь деталей, які поєднуються. Зближенню поверхонь заважають мікро нерівності, забруднення у вигляді оксидів, органічних плівок та адсорбованих газів. Тому для встановлення безперервного структурного зв'язку між елементарними частками деталей, які поєднуються, необхідним є вплив нагріву і тиску або тільки тиску.

Процес зварювання - це комплекс кількох теплових та металургійних процесів, що відбуваються одночасно, основними з яких є: тепловий вплив на метал на порядшовних дільницях, плавлення шву і кристалізація металу у зоні сплавлення. Тепловий вплив на сплав на порядшовних дільницях і процес плавлення визначаються способами зварювання, його режимами.

Зварюваність - це технологічна характеристика металу, яка визначає його придатність до утворення зварного поєднання. Вона буває двох видів: технологічна зварюваність (визначається для окремого сплаву способами і режимами зварювання) і фізична зварюваність (визначається процесами, що відбуваються у зоні сплавлення металів). Сплави, що зварюються, можуть мати однакові і різні хімічні склади і властивості. У першому випадку це однорідні за хімічним складом і властивостями сплави, а у другому - різнорідні. Взаємне розчинення і утворення зварного шву відбуваються при розплавленні однорідних металів та їх сплавів (сталі, міді тощо). Усі однорідні метали мають фізичну зварюваність.

Більш складним є поєднання різнорідних металів. Це пояснюється різністю їх фізичних та хімічних властивостей, а також атомної будови. Властивості різнорідних сплавів інколи не забезпечують протікання необхідних для зварювання фізико-хімічних процесів, тому ці метали не мають фізичної зварюваності.

В залежності від способів, що застосовуються для усунення причин, як і заважають отриманню тривкого поєднання, усі види зварювання (їх близько 70) підрозділяють натри основні групи:

1. Зварювання плавленням (зварювання у рідкому стані).

2. Зварювання плавленням і тиском (зварювання у рідко-твердому стані).

3. Зварювання тиском (зварювання у твердому стані).

У основі класифікації зварювання металів та їх сплавів лежать наступні ознаки:

1. Фізичні ознаки - виділяють три основні фізичні ознаки: вид енергії, яка вводиться, наявність тиску та вид носія енергії. В залежності від виду енергії, яка вводиться, зварювальні процеси поділяються на такі класи:

а) термічний - види зварювання, які здійснюються плавленням із застосуванням теплової енергії: дугове, плазмове, електронно-променеве, лазерне, електрошлакове, газове, високочастотне, термітне та ін.;

б) термомеханічний - види зварювання, які здійснюються із застосуванням теплової енергії і тиску: контактне, дифузійне, газопресове та ін.;

в) механічний - види зварювання, які здійснюються із застосуванням механічної енергії і тиску: ультразвукове, тертям, холодне, вибухом та ін.

2. Технічні ознаки - до них відносять такі види зварювання:

а) за способом захисту зони зварювання: зварювання на повітрі, у вакуумі, захисних газах, під флюсом, по флюсу, у піні і з комбінованим захистом;

б) за безперервністю процесу: безперервні та перервні види зварювання;

в) за ступенем механізації зварювання: ручні, механізовані, автоматизовані та автоматичні види зварювання.

3. Технологічні ознаки - класифікація зварювання за цими ознаками проводиться в залежності від форми зварного поєднання, роду і полярності струму, виду електроду, що плавиться чи не плавиться і т.д. Розрізняють газове, електрошлакове, електронно-променеве, дифузійне, ультразвукове, холодне та ін. види зварювання.

Електроерозійне зварювання (ЕЕЗ). Його сутність заключається у зміні форми, розмірів і властивостей заготівок шляхом їх поєднання і зняття при цьому припуску металів за рахунок керованого процесу електричної ерозії - тобто руйнування матеріалу електродів при електричному пробої міжелектродного проміжку. Процеси обробки заготівок за допомогою ЕЕЗ можна умовно поділити на три групи:

1. Задана форма деталі забезпечується тільки переміщенням електроінструменту. Так проводять ЕЕЗ із застосуванням зварювального дроту.

2. Отримання заданої форми забезпечується взаємним переміщенням електроінструменту і заготівки. Ці операції отримали менше розповсюдження.

Обробку за допомогою ЕЕЗ застосовують:

1) при заготівельних операціях - ЕЕЗ використовують для отримання заготівок із молібдену, вольфраму, нікелевих і титанових сплавів та інших ме6талів, що важко обробляються. Виготовлення заготовок із прокату виконують за допомогою електроінструментів, а виготовлення точних малогабаритних заготівок виконують за допомогою зварювального обладнання;

2) для формування робочих порожнин штампів, прес-форм. Штампи після обробки ЕЕЗ мають підвищену зносостійкість;

3) також ЕЕЗ застосовують при виготовленні деталей у електронній та авіаційній галузях.

Дифузійне зварювання відбувається у твердому стані внаслідок виникнення зв'язків на атомарному рівні, що з'являються у результаті максимального зближення контактних поверхонь за рахунок локальної пластичної деформації при підвищеній температурі, яка забезпечує взаємну дифузію у при поверхневих шарах матеріалів, що поєднуються. Деталі, які зварюються, здавлюють з невеликим зусиллям і нагрівають. Процес зварювання послідовно включає у себе виникнення і розвиструм фізичного контакту. Активацію контактних поверхонь, взаємодію атомів, у результаті чого між ними встановлюються зв'язки, що призводять до утворення монолітного поєднання.

До режимів дифузійного зварювання відносять:

1. Температуру нагрівання. Температуру зварювання зазвичай обирають підвищену, що сприяє збільшенню поверхні стикання деталей, а також прискоренню процесів очищення поверхонь від оксидів. Але якщо деталі тонкі, то температуру знижують, щоб уникнути їх деформації. А отримання необхідної тривкості досягається збільшенням тривалості нагрівання.

2. Питомий тиск при зварюванні - при дифузійному зварюванні він не повинен викликати помітних пластичних деформацій деталей.

3. Час витримки.

4. Середовище, в якому відбувається дифузійне зварювання - воно у значній мірі впливає на зварне поєднання, тому частіше всього воно відбувається у вакуумі, який має гарні захисні якості (в такому разі виключається окислення при зварюванні).

Переваги дифузійного зварювання визначаються відсутністю плавлення металу при зварюванні, незначними змінами властивостей основного металу, мінімальними остаточними напруженнями і деформаціями, більшим ступенем точності виготовлення вузлів і невеликою вірогідністю виникнення тріщин, можливістю зварювання різнорідних металів.

1.4 Нові види обробки матеріалів (електрофізичні, електрохімічні)

До фізико-хімічних методів обробки матеріалів (ФХО) відносять методи, які забезпечують знімання матеріалу, що обробляється в результаті фізико-хімічних процесів. За механізмом руйнування і знімання матеріалу всі фізико-хімічні процеси обробки розділять на три групи:

1. Електрофізичні методи обробки (ЕФО) засновані на принципі впливу теплового потоку на матеріали. Тобто при обробці використовуються теплові ефекти, які супроводжують протікання електричного струму, із створенням у зоні обробки високих щільностей теплової потужності. Основними видами ЕФО є:

1) Лазерна обробка - заснована на впливі на матеріал заготівки сфокусованого поліхроматичного (монохроматичного) випромінювання, яке викликає нагрівання, плавлення та (або) випарування матеріалу, який обробляється. Для цього виду ЕФО використовуються спеціальні установки, в якості робочого інструменту, такі як: газові або гелійнеонові лазери.

Лазерну обробку використовують для таких операцій:

– вирізання заготівок;

– нанесення маркування;

– локальне легування;

– пайка тощо.

2) Плазмова обробка - при її використанні відбуваються фізичні процеси, завдяки яким в результаті впливу низькотемпературної плазми виникають зміни складу, структури або фізичного стану матеріалу, який обробляється, що в свою чергу призводить до зміни форми чи геометричних розмірів заготівки. Для плазмової ЕФО в якості робочого інструменту також використовують спеціальні установки - плазмотрони (генератори низькотемпературної плазми).

Плазмову обробку застосовують для наступних операцій:

– закалювання;

– карбідізація;

– випал та модифікація поверхні матеріалу;

– плазмове напилення та наплавлення;

– глазурування тощо.

2. Електрохімічні методи обробки (ЕХО) - це один із сучасних методів виготовлення деталей із металів та сплавів з заданими формою, розмірами і якістю поверхні. Розрізняють такі види ЕХО:

1) Анодна ЕХО - відбувається в результаті анодного розчинення металу. Її доцільно застосовувати для важко оброблювальних механічними методами матеріалів. Цей процес відбувається за відсутністю контакту між заготовкою та інструментом, що робить його придатним і для обробки тонкостінних деталей, які легко деформуються при механічній обробці; а також деталей з крихкого матеріалу, що схильні до утворення тріщин і, внаслідок цього, погіршення експлуатаційних якостей деталей.

Перевагами анодної ЕХО можна вважати:

– практичну відсутність зносу інструменту;

– поліпшення якості поверхні деталі;

– підвищену точність обробки.

Суттєвим недоліком методу є те, що висока електропровідність розчинів електролітів призводить до низької локалізації процесу знімання металу і розчинення металу не тільки в призначеній зоні, а й у прилеглих до неї дільницях поверхні деталі.

2) Катодна ЕХО - характеризується процесом протікання електричного струму у електрохімічній системі, при цьому іони металу із розчину виділяються на катоді (катодом є форма). Після утворення на формі шару металу необхідної товщини копію відділяють від форми і отримують деталь.

Переваги катодної ЕХО:

– вона має високу точність відтворення геометричної форми моделі і точним копіюванням рельєфу поверхні;

– цей вид ЕХО дозволяє знизити трудомісткість виготовлення деталей в порівнянні з традиційними механічними методами обробки, скоротити чисельність робітників.

Суттєвим недоліком можна вважати те, що при проведенні процесу у стаціонарних гальванічних ваннах цей процес є вельми тривалим, до того ж за таких умов великою є можливість виникнення шорсткостей.

3. Комбіновані методи обробки.

Кожен з методів ФХО володіє унікальними технологічними можливостями, але всі вони більш енергомісткі і менш продуктивні в порівнянні з механічними методами обробки, до того ж установки для ФХО більш дорогі і складні, вони потребують наявності великих виробничих площин. Тому використання ФХО доцільно тільки в наступних випадках:

– для обробки конструкційних матеріалів, що мають низьку оброблюваність лезовими та абразивними інструментами (високолегованих сталей, твердих сплавів, напівпровідників і ін.);

– для обробки деталей складної геометричної форми із важко-оброблюваних матеріалів (прес-форми, деталі лопаті турбін тощо);

– для обробки мініатюрних тонкостінних нежорстких деталей і деталей складної форми з пазами та отворами.

Ефективність застосування методів ФХО проявляється тим більше, чим складнішою є форма деталі, яка обробляється і вищими є фізико-механічні властивості матеріалу, чим більші труднощі виникають при її виготовленні методами механообробки.

Методи ФХО застосовують при наступних операціях:

1) заготівельні операції: методи ФХО використовують для різання заготовок із важкооброблюваних жаростійких і високотривких сталей, сплавів на основі титану (перевагою тут є практична відсутність на деталях заусенець);

2) формоутворюючі операції: методи ФХО застосовують при виготовленні деталей методами копіювання, прошивання і електрохімічного точіння;

3) калібрування (електрохімічне і електрофізичне): виконують після механічної обробки шнеків, при цьому точність деталей збільшується, а шорсткість - зменшується;

4) оздоблювальні операції: видалення заусенець (ФХО дозволяє видаляти їх у важкодоступних місцях) і полірування поверхонь;

5) полірування (електрохімічне і електрофізичне): поліпшує мікро геометрію деталей, знижує її шорсткість (в середньому на 2-3 класи), надає їй дзеркального блиску.

1.5 Ультразвуковий метод обробки. Застосування його у промисловому виробництві

Широке застосування у промисловості набула ультразвукова абразивна обробка (УАО). Її сутність полягає у зміні форми, розмірів, шорсткості і властивостей поверхонь заготівок і деталей, які обробляються, за рахунок знімання матеріалу припуску крихким сколюванням мікро обсягів при імпульсному силовому впливі абразивного інструменту з ультразвуковою частотою, тобто при обробці використовується енергія ультразвукових коливань.

УАО є ефективною при обробці заготівок із конструкційних матеріалів, які мають низьку оброблюваність різанням, електрофізичним і електрохімічним методами обробки (заготівки з крихких, твердих і хімічно нестійких матеріалів, таких як: скло, алмаз, кварц, напівпровідники тощо).

Особливістю УАО є те, що перед обробкою заготівки із твердих чи крихких матеріалів приклеюють до підкладки з віконного скла, що попереджує появу на них сколювань.

УАО використовують у наступних технологічних операціях:

1. Ультразвукова вирізка використовують для формоутворення заготівок по зовнішньому контуру (наприклад при виготовленні годинників та електронної апаратури).

2. Ультразвукова прошивка є найбільш поширеною операцією при отриманні наскрізних отворів різної форми з прямими та криволінійними осями, пазів та щілин.

3. Ультразвукова шліфовка використовується переважно для чистої обробки пласких зовнішніх поверхонь замість шліфування алмазним інструментом, при цьому виключаються такі дефекти, як тріщини, знижується шорсткість поверхонь і підвищується продуктивність (приблизно у два рази), а також досягається висока точність оброблюваної поверхні.

4. Ультразвукове видалення заусенців засновано на абразивному руйнуванні заусенців. При цьому способі УАО обробка проводиться у робочій рідині, де заготівки обробляються ультразвуком. Такий вид обробки заусенців успішно використовується при їх усуненні на металічних деталях, які отримані при штампуванні методами вирубки, на литих деталях із пластмас.

Суттєвим недоліком УАО є швидке зношення абразивного інструменту, особливо його торця. Для усунення цього недоліку інструмент виготовляють із пластичних, але при цьому достатньо твердих відпечених сталей чи із латуні (для інструменту складної форми робочої частини).

Одним із способів ультразвукової обробки є ультразвукове зварювання деталей та заготівок. Поєднання деталей при цьому способі обробки відбувається під впливом ультразвукових коливань: у зварювальному обладнанні високочастотні електричні коливання перетворюються на механічні такої ж частоти під дією перемінного магнітного поля.

Найбільш раціональним і поширеним є використання зварювання ультразвуком в таких областях:

1. Обробка деталей невеликих товщин. При цьому ультразвукове зварювання має переваги, які обумовлені тим, що за умови однакової товщини деталей діаметр крапки при зварюванні ультразвуком можна отримати більший, ніж при інших видах зварювання, які застосовуються для таких деталей.

2. Зварювання деталей різних товщин і різнорідних металів, які не зварюються або важко зварюються іншими методами. Суттєві успіхи досягнуто при зварюванні ультразвуком металів з неметалами, що обумовлює широке застосування цього виду зварювання у електронній, радіотехнічній, апаратній галузях.

3. Зварювання деталей із термооброблених матеріалів. Відсутність значного нагрівання не призводить до помітного зниження міцності металу порядшовної зони.

4. Зварювання без попереднього зачищення поверхонь деталей, які є захищеними покриттям.

5. Зварювання ультразвуком більш економічна з точки зору витрат електроенергії.

Проте у зварювання ультразвуком є і ряд недоліків, які суттєво знижують області його застосування, а саме:

– товщина деталей, які зварюються обмежена 1,5-2 мм;

– існує нестійкість параметрів режимів зварювання, і, як наслідок, нестабільність міцності зварних поєднань, усунути які і надійно проконтролювати методами неруйнівного контролю доволі важко.