Особенности формообразующих операций обработки корпусных деталей из коррозионностойких металлов

М. В. Соколов







ОСОБЕННОСТИ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ МЕТАЛЛОВ


Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.7
ББК 34.5
      С59

Утверждено ученым советом
                     Тамбовского государственного технического университета в качестве учебного пособия для студентов старших курсов и магистрантов, занимающихся проектированием технологий металлообработки на станках с ЧПУ


Рецензенты:
заведующий кафедрой материалов и технологии ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет» доктор технических наук, профессор Мордасов Денис Михайлович;
заместитель начальника производства АО «Тамбовский завод „Революционный труд”» Долотов Виктор Иванович




     Соколов, М. В.
С59 Особенности формообразующих операций обработки корпусных деталей из коррозионностойких металлов : учебное пособие / М. В. Соколов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 112 с.: ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1252-0

           Рассматривается технологический процесс и организация сборки корпусных конструкций из алюминиевых и нержавеющих сплавов. Даны основные технические требования к изготовлению корпусных деталей.
           Для студентов машиностроительных специальностей. Может быть полезно для инженерно-технических работников машиностроительных предприятий.

УДК 621.7
ББК 34.5





ISBN 978-5-9729-1252-0

     © Соколов М. В., 2023
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................5
1 ВЫБОР И ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВКИ.................................8
  1.1 Алюминиевые сплавы......................................8
   1.1.1 Свойства и применение алюминия.......................8
   1.1.2 Деформируемые алюминиевые сплавы.....................9
   1.1.3 Литейные алюминиевые сплавы.........................10
   1.1.4 История развития литья под давлением................13
   1.1.5 Общие вопросы процесса литья под давлением..........15
   1.1.6 Оборудование для литья под давлением................18
   1.1.7 Материалы для литья под давлением...................20
   1.1.8 Литье под давлением из алюминиевых сплавов..........21
  1.2 Выбор получения заготовки из нержавеющих сталей........22
   1.2.1 Виды проката........................................23
   1.2.2 Получение проката...................................25
   1.2.3 Прокатные станки и их устройство работы.............26

2  ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА СТАДИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ.................31
  2.1 Формообразующие операции корпусных деталей из алюминиевых сплавов.....................................31
   2.1.1 Основные виды формообразующих операций..............31
   2.1.2 Фрезерная обработка.................................31
   2.1.3 Токарная обработка..................................38
   2.1.4 Сверление...........................................42
   2.1.5 Литьё заготовок из алюминиевых сплавов..............44
   2.1.6 Повышение качества заготовок........................48
   2.1.7 Оснастка в производстве.............................49
   2.1.8 Виды брака при литье под давлением..................51
  2.2 Особенности и проблемы формообразующих операций обработки деталей из нержавеющих сталей...............................52
   2.2.1 Основные свойства нержавеющих сталей................52
   2.2.2 Проблемы обработки нержавеющих сталей................54
   2.2.3 Повышение обрабатываемости нержавеющих сталей.......57


3

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ ДЕТАЛИ ТИПА «КОРПУС».........................................60
  3.1 Сравнение маршрутов обработки корпусной детали из алюминиевых сплавов.....................................60
   3.1.1 Выбор марки алюминиевого сплава.....................60
   3.1.2 Выбор и экономическое обоснование метода получения заготовки.... 62
   3.1.3 Выбор маршрута обработки детали.....................63
   3.1.4 Выбор режимов резания...............................64
   3.1.5 Расчет времени, затрачиваемого на формообразующие операции.67
   3.1.6 Литье с кристаллизацией под давлением...............69
   3.1.7 Методы и схемы формообразования.....................71
   3.1.8 Область применения. Эффективность обработки.........75
   3.1.9 Преимущества внедрения литья с кристаллизацией под давлением обработки в производство
   на  примере изготовления детали...........................76
  3.2 Основные особенности при обработке корпусных деталей из нержавеющих сталей......................................77
   3.2.1 Составление технологического процессадетали.........79
   3.2.2 Оборудование, используемое при изготовлении детали типа «Корпус».........................................................82
   3.2.3 Преимущество внедрения приспособлений в производство на примере изготовление детали типа «Корпус».....................86

4  САПР В ПРОЕКТИРОВАНИИ ОСНАСТКИ И ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ................................................89
  4.1 Общие сведения.........................................89
  4.2 CAD системы............................................91
  4.3 САЕ системы............................................94
  4.4 Анализ выбранной программы и ее применение.............95

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................105
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................107
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................110

4

ВВЕДЕНИЕ


     Алюминий - очень легкий материал, который легко поддается формовке, литью и механической обработке. Хорошо проводит тепло и электричество, очень стоек к коррозии за счет быстрого образования на поверхности оксидных пленок, которые в дальнейшем защищают поверхность от взаимодействия.
     Благодаря своим свойствам алюминий является самым востребованным цветным металлом в машиностроении.
     Технологический процесс и организацию сборки корпусных конструкций из алюминиевых сплавов разрабатывают с учетом их особенностей. Корпусные конструкции из алюминиевых сплавов изготовляют на специализированных участках, оборудованных необходимой технологической оснасткой. При сборке применяют ту же технологическую оснастку, что и при сборке стальных конструкций, а также жесткие и эластичные крепления деталей друг к другу и к сборочной оснастке. Временные крепления удаляют пневматической рубкой, после чего места их приварки обязательно зачищают и при необходимости оксидируют или грунтуют.
     Основные технические требования к изготовлению корпусных деталей:
  -  точность геометрической формы (прямолинейность, плоскостность) плоских поверхностей и точность их относительного положения;
  -  точность диаметральных размеров главных отверстий IT8...IT6;
  -  точность межосевых расстояний главных отверстий и положения положений осей отверстий относительно базовых поверхностей;
  -  требуемая шероховатость плоских поверхностей и отверстий.
     Эти требования, предъявляемые корпусным деталям и физико-механические свойства алюминиевых сплавов, обязательно нужно учитывать при выборе и расчете формообразующих операций корпусных деталей из алюминиевых сплавов.
     Машиностроение - одна из важнейших отраслей промышленности. Развитие машиностроительной промышленности невозможно без использования автоматизации, применения цифрового моделирования и новых технологий, оснащения высокопроизводительным и высокоточным оборудованием. Повышение эффективности машиностроительного производства может быть осуществлено внедрением инновационных технологий и современного оборудования.
     Современная индустрия обладает немалым количеством способов изготовления заготовок. Это способствует повышению качества и эксплуатацион

5

ных характеристик деталей, снижению материальных и трудовых затрат на изготовление деталей. Рациональные выборы заготовок на изготовление деталей -основные критерии, определяющие стоимость изделия, качество изделия и срок изготовления изделия. Ещё одним из главных условий качества детали является выбор правильного оборудования, модели обработки, оснастки, инструмента и охлаждающий жидкостей.
     Технология литья под давлением - это описание научным языком ряда методов, процессов и материалов, используемых для изготовления деталей с помощью литья. Технология как наука изучает сущность самого процесса производства, взаимосвязь этих процессов между собой и закономерности их развития. Задачей изучения технологии литья под давлением является получение знаний, позволяющих вести расчеты технологических операций и процессов, проектировать соответствующий инструмент, управлять процессами изготовления изделий для получения качественных изделий, используя оптимальные технологические процессы, разрабатывать новые прогрессивные методы и процессы.
     Существует два основных вида литья под давлением: с холодной горизонтальной камерой прессования и с горячей вертикальной камерой прессования. Литейные машины с холодной камерой прессования используются для литья под давлением алюминиевых, магниевых, медных сплавов. Литьё в пресс-формы происходит под давлением от 35 до 700 МПа. Литейные машины с горячей камерой прессования используются для литья сплавов на основе цинка. Камера погружена в расплав. Под относительно слабым давлением сжатого воздуха или поршня расплав из камеры вытесняется в пресс-форму.
     При литье под давлением основные показатели качества отливки - точность размеров, шероховатость поверхности, механические свойства, плотность и герметичность - определяются следующими особенностями ее формирования:
     1.      Кратковременность заполнения полости пресс-формы расплавом. Скорость поступления расплава в пресс-форму для разных отливок и сплавов колеблется от 0,3 до 140 м/с, продолжительность ее заполнения 0,02-0,3 с, а конечное давление нарасплав может достигать 500 МПа. Это позволяет, несмотря на высокую скорость охлаждения расплава в форме, изготавливать весьма сложные корпусные отливки с толщиной стенки менее 1 мм из сплавов с низкой и даже близкой к нулю жидкотекучестью (таким свойством обладают, например, сплавы, находящиеся в твердожидком состоянии).
     2.      Газонепроницаемость материала пресс-формы. Вентиляция рабочей полости происходит посредством специальных вентиляционных каналов. При высоких скоростях поступления расплава в полость пресс-формы воздух, а также

6

газообразные продукты разложения смазочного материала, образующиеся при его взаимодействии с расплавом, не успевают полностью удалиться из пресс-формы за время заполнения ее расплавом. Они препятствуют заполнению пресс-формы и попадают в расплав, приводя к образованию неслитин, неспаев, раковин и газовоздушной пористости в отливках.
     3.      Высокая интенсивность теплового взаимодействия между материалом отливки и пресс-формой, обусловленная ее высокими теплопроводностью и теплоемкостью, малым термическим сопротивлением слоя смазочного материала и продуктов его разложения, значительным давлением расплава и отливки на стенки пресс-формы, улучшающим контакт между ними. Это способствует получению мелкозернистой структуры, особенно в поверхностных слоях отливки, повышению ее прочности и высокой производительности процесса.
     4.      Передача в момент окончания заполнения металлом пресс-формы давления, развиваемого пресс-поршнем в камере прессования, на расплав в полости формы. Это улучшает питание отливки, способствует уменьшению усадочной пористости, сжатию газовоздушных включений. В результате возрастают плотность, герметичность и механические свойства отливки. Однако эффективность действия подпрессовки ограничена, так как это давление на расплав в пресс-форме действует только до тех пор, пока питатель не затвердеет.
     5.      Использование металлической пресс-формы с точными размерами и низкой шероховатостью рабочих поверхностей. Это способствует получению высокоточных отливок по массе, геометрии и размерам. Высокая точность размеров отливок (классы 1-4 по ГОСТ 26645-85 (изм. № 1,1998)) позволяет уменьшить припуски на обработку до 0,3-0,8 мм, а в некоторых случаях полностью исключить обработку резанием. Остается только зачистка мест удаления питателей, соединительных каналов промывников и облоя. Коэффициент точности отливок по массе (КТМ) при литье под давлением достигает 0,95-0,98. Шероховатость поверхности отливок, полученных под давлением, зависит в основном от шероховатости поверхности пресс-формы и технологических режимов литья. Обычно эти отливки имеют шероховатость от Rz = 160-80 мкм (сплавы на основе меди) ,toRz~ 1,00-0,32 мкм (цинковые сплавы).
     Литье под давлением - один из наиболее производительных способов получения отливок высокой точности и чистоты поверхности. К числу его преимуществ относится возможность изготовления сложных и тонкостенных деталей, малая материалоемкость, улучшение условий труда. Чистота поверхности при литье под давлением достигает - Rа 12,5-3,2 мкм, точность размеров до 11 квалитета.

7

ВЫБОР И ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВКИ


1.1 Алюминиевые сплавы

        1.1.1 Свойства и применение алюминия

     Алюминий - один из самых легких конструкционных металлов, его плотность 2,7 г/см³. У технически чистого алюминия относительно невысокая температура плавления (= 660 °C), низкая твердость, незначительная прочность, но высокая пластичность. В отожженном состоянии с = 60 МПа, твердость НВ = 250 МПа, 6 = 40 %. Благодаря присутствующей на поверхности алюминия защитной оксидной пленки, у алюминия высокая коррозионная стойкость к воздействию влаги, нефтепродуктов и многих других агрессивных сред.
     Ценными технологическими свойствами алюминия являются его хорошая деформируемость и свариваемость - алюминий легко подвергается горячей, а также холодной обработке давлением и сваривается всеми видами сварки.
     В качестве проводниковых материалов часто применяют алюминий и некоторые его сплавы. Его электропроводность и теплопроводность составляет около 60 % от электропроводности меди. Однако при расчете алюминиевых проводов эквивалентного сечения при заданной силе тока алюминиевый провод получается примерно в два раза легче медного. Так же, как и в меди, в проводниковом алюминии количество примесей должно быть минимальным. В электротехнической промышленности используют алюминий марок А7 (99,7 %), АЗ (99,5 %), АО (99,0 %).
     Из-за низкой прочности и незначительной упрочняемости при пластической деформации в холодном состоянии технически чистый алюминий как конструкционный материал используется сравнительно редко. Однако алюминий получил широкое применение в изготовлении посуды, пищевых емкостей, оберточного материала, что обусловлено высокой коррозионной стойкостью. А нанесенный на ткань тончайший слой алюминия позволяет отражать тепловое излучение.
     Из таких тканей изготавливают защитную одежду пожарных, палатки и т. д.
     Более широкое применение находят сплавы на основе алюминия, в которых легирующими элементами являются марганец, магний, медь, кремний и другие элементы.
     Соответственно, по характеру диаграммы эти сплавы подразделяются на литейные и деформируемые, упрочняемые термообработкой и неупрочняемые.


8

        1.1.2 Деформируемые алюминиевые сплавы


     Алюминиевые деформируемые сплавы разделяют на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Высокопластичные и коррозионностойкие термически не упрочняемые сплавы используются для изготовления листов, полос, труб и других заготовок, которые впоследствии поддаются гибке, штамповке и другим видам обработки давлением. Содержание магния в этих сплавах колеблется от 2 до 7 % (сплавы АМ), марганца - от 1,0 до 1,6 % (сплавы АМц). По структуре эти сплавы представляют однородный твердый раствор марганца, магния и других элементов в алюминии. Упрочнение указанных сплавов достигается пластической деформацией в холодном состоянии (наклеп, нагартовка) [23].
     Сплав марки АМгб в состоянии поставки (АМгбМ) обладает следующими механическими свойствами: с, = 320 МПа, НВ = 800 МПа, 5 = 20 %. Прочность этого сплава почти равна прочности стали марки СтЗ. Сплав высокой прочности АМГАВМ (с, = 280 МПа, 8 = 15 %) применяют для изготовления сварных ответственных конструкций (корпуса небольших судов, надстройки, некоторые палубные конструкции). Листовой сплав используется как отделочный материал в помещениях.
     Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, приобретают высокие механические свойства только в результате термической обработки. Эти сплавы делят на авиали (АВ, АДЗ1, АДЗЗ), дуралюмины (Д1, Д16), сплавы для поковок (АКб, АК8), сплавы высокой прочности (В9б, В95) и специальные сплавы, работающие при повышенных температурах, - жаропрочные (АК4, АК4-1, ВД17). Основным легирующим элементом дуралюминов, как и остальных термоупрочняемых сплавов, является медь (2,5-5,0 %). Кроме того, в сплавы вводятся марганец и магний. Марганец повышает коррозионную стойкость, магний несколько упрочняет сплав. Термическая обработка заключается в закалке и последующем старении. Выбор температуры закалки определяется левой частью этой диаграммы. При обычной температуре содержание Си составляет 0,1 %; с возрастанием температуры растворимость меди в алюминии увеличивается вплоть до эвтектической температуры (548 °С).
     Дуралюмины и сплав В95 выпускаются в виде листов, прутков, труб и применяются в конструкциях некоторых судов (например, судов на воздушной подушке, на подводных крыльях), распределительных электрощитов и других устройств.
     Сплавы типа АК, легированные никелем и титаном, являются основным материалом для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Они 9

жаростойки в продуктах сгорания и имеют небольшой коэффициент теплового расширения.
     Зачастую для изготовления заготовок корпусов методом литья используют алюминиевый литейный сплав АК7пч.
     Данный сплав отличается высокой герметичностью и используется в корпусах, которые должны отвечать данному требованию [1].
     АК7пч - металлический сплав, основу которого составляет алюминий (А1), его содержание в АК7пч может колебаться в диапазоне от 90,37 % до 92 %. Обязательно в сплаве АК7пч присутствуют кремний, магний, титан. Допустимое количество примесей определено в таблице химического состава [2].

        1.1.3 Литейные алюминиевые сплавы

     ГОСТ [3] предусматривает более 35 марок литейных алюминиевых сплавов, которые находят в промышленности широкое применение. По химическому составу их можно разделить на шесть основных групп.
     Вид термической обработки выбирается в зависимости от условий работы деталей и химического состава сплава. Алюминиевые литейные сплавы маркируются буквой «А», а затем буквами русского алфавита с цифрами, указывающими на содержание легирующего элемента. Цифра после букв обозначает процентное содержание элемента в сплаве. Цифра не указывается, если легирующего элемента около 1 %.
     Сплавы на основе системы А181. (силумины) после модифицирования стронцием и другими модификаторами имеют хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть, малую литейную усадку, небольшую склонность к образованию горячих трещин, достаточно высокую прочность с = 200-280 МПа и удовлетворительную пластичность (от 2,5 до 8 %). К ним относятся сплавы АК12 (АЛ2), АК9 (АЛ4), АК12М2МГН (АЛ25) и др. Сплавы АК12 и АК8 используют при изготовлении корпусов приборов, маховиков, щитов, кронштейнов, не соприкасающихся с морской водой.
     Сплавы на основе системы А1-Мg имеют достаточно высокие механические характеристики (о, = 375 МПа и 8 = 22 %), хорошо обрабатываются резанием и обладают отличной коррозионной стойкостью. Высокая удельная прочность Ов/у (т. е. прочность отнесения к единице массы) сплавов на основе А1-Мg позволяет свободно использовать их в качестве конструкционных материалов, работающих в условиях увеличенных статических и ударных нагрузок в разнообразных погодных условиях. К ним относятся сплавы АМг5К (АЛ1З),


10

AMrlO (АЛ27) и др. Они применяются для изготовления корпусов приборов и других деталей.
     Промышленные сплавы на основе системы Al-Си отличаются повышенными физико-механическими свойствами, высокой жаропрочностью и хорошей обрабатываемостью резанием. Литейные свойства и герметичность (т. е. проницаемость для газов и жидкостей, часто в условиях повышенных давлений) данных сплавов немного хуже, чем у силуминов (это обусловлено широким температурным интервалом кристаллизации); коррозионная стойкость невысокая. Они содержат от 4 до 6,2 % Си и причисляются к типичным термически упрочняемым сплавам. Сплав АМ5 (АЛ19) в основном применяют для высоко-нагруженных деталей, работающих при комнатной и повышенных температурах (25O-3OO °С).
     Классическим представителем сплавов на базе системы Al-Zn является сплав АЦ4Мг (АЛ24). Согласно диаграмме состояния этих сплавов, цинк имеет высокую растворимость в алюминии. Образующийся твердый раствор очень неустойчив при повышенных температурах. Из-за низких технологических и физико-механических свойств применение двойных сплавов Al-Zn сейчас неактуально; используются сплавы систем Al-Zn-Si и Al-Zn-Mg (АЛ24), предрасположенные к естественному старению и обладающие повышенными механическими свойствами. Сплавы на основе Al-Zn легко обрабатываются резанием и обладают удовлетворительной герметичностью, а также их просто сваривать.
     Используют эти сплавы для изготовления сложных по конструкции сред-ненатруженных деталей, работающих при температуре до 15O °С. Но эти сплавы имеют сравнительно высокую плотность (до 3 г/см³).
     Деформируемые и литейные алюминиевые сплавы имеют ряд основных достоинств: значительную удельную прочность, высокую технологичность, сохранение высокой ударной вязкости при отрицательных температурах, повышенную жаростойкость, значительную стойкость против коррозии.
     Крайне часто алюминиевые сплавы применяются в судостроении, где у них существенное преимущество перед сталями. Корпуса из алюминия не обрастают ракушками, резко ухудшающими обтекаемость корабля и снижающими скорость его движения. На очистку корпуса из стали от этих ракушек тратится очень много времени и средств. Поэтому дешевизна эксплуатации алюминиевого корпуса окупает первоначальные затраты на дорогостоящее производство относительно стального корпуса. Все чаще применяются алюминиевые сплавы в атомных реакторах. Ведь большинство атомных реакторов работают на тепловых нейтронах. Для конструктивных элементов таких реакторов необходимы сплавы, слабо поглощающие нейтроны. Это свойственно сплавам алю-11

миния, обладающим хорошей коррозионной стойкостью в горячей воде, перегретом паре и СОг, т. е. в тех средах, которые применяют в качестве теплоносителя в реакторах.
     Часто для изготовления корпусных деталей используется сплав Д16. Д16 - это сплав алюминия с медью и магнием. Такие сплавы называют дюралями, они применяются в качестве конструкционных сплавов в авиации и космической промышленности. Эти сплавы достаточно прочные и лёгкие. Алюминиевый сплав Д16 - дюралюминий высокой прочности системы A1-Cu-Mg. По твердости и долговечности он гораздо лучше стали, обладает гораздо меньшим весом. Дюралюминий Д16 обладает одним недостатком - низкой устойчивостью к коррозии, поэтому он нуждается в определённой обработке средством защиты от коррозии. Довольно часто сплав плакируют или анодируют, что значительно повышает его антикоррозийность [3].
     Механические свойства Д16 сильно зависят от термообработки. Таким образом, предел прочности при растяжении 8в для листов из Д16т и Д16м различаются в два раза, порядка 20 кгс/мм² для листов Д16АМ и 40 кгс/мм² для листа Д16АТ [3].
     Чтобы увеличить прочность, дюралюминий Д16 подвергают закалке высокой температурой. Сначала совершают нагрев до 500 градусов, а затем охлаждают до 250-350 градусов. Закалку проводят в подогретой воде, так как в холодной могут появиться трещины. Закалка значительно увеличивает стойкость дюралюминия Д16 к кристаллизационной коррозии. Далее он подвергается естественному старению в течение 5 суток при комнатной температур. Это позволяет добиться самых высоких показателей антикоррозийных свойств. Чтобы сэкономить время на производстве, прокат из сплава Д16 подвергают искусственному старению вместо естественного, повышая температуру примерно до 100 градусов. Для искусственного старения требуется всего несколько часов, а материал будет обладать такими же характеристиками, как после естественного старения [4].
     Предел прочности и твердость, которыми обладает сплав, даёт сопротивление макропластическим деформациям при непродолжительных нагрузках. После начальных стадий старения (естественного старения или искусственного старения дюралюминия) прочность и твёрдость сплава имеют самые высокие значения. После последующих стадий старения сплава происходят такие процессы как:
  -  уменьшение неоднородности выделений по объему, появляются выделения и в приграничной зоне;
  -  уменьшение скорости диффузионных процессов в сплаве;

12