Технология конструкционных материалов
Покупка
Тематика:
Технология машиностроения
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Автор:
Седых Лариса Владимировна
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 170
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-87623-603-6
Артикул: 432032.02.99
Доступ онлайн
В корзину
Курс лекций «Технология конструкционных материалов» составлен в соответствии со структурой технологического процесса изготовления детали: от конструкционных материалов и их свойств к технологии получения заготовок, а затем к методам их обработки. Описаны виды и марки материалов, наиболее широко используемых в машиностроении, в том числе марки современных инструментальных и композиционных материалов. Рассмотрены теоретические основы технологического процесса резания металлов и предложено технологическое оборудование и оснастка. Приведены сравнительные характеристики универсальных станков и современных станков с ЧПУ. В частности, представлена теория базирования, без которой невозможно рассматривать ни один технологический процесс обработки детали резанием. Курс лекций написан в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование»
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» № 525 Кафедра инжиниринга технологического оборудования Л.В. Седых Технология конструкционных материалов Курс лекций Рекомендовано федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Технологические машины и оборудование» Москва 2012
УДК 621 С28 Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. В.А. Трусов Седых, Л.В. С28 Технология конструкционных материалов : курс лекций / Л.В. Седых. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 170 с. ISBN 978-5-87623-603-6 Курс лекций «Технология конструкционных материалов» составлен в соответствии со структурой технологического процесса изготовления детали: от конструкционных материалов и их свойств к технологии получения заготовок, а затем к методам их обработки. Описаны виды и марки материалов, наиболее широко используемых в машиностроении, в том числе марки современных инструментальных и композиционных материалов. Рассмотрены теоретические основы технологического процесса резания металлов и предложено технологическое оборудование и оснастка. Приведены сравнительные характеристики универсальных станков и современных станков с ЧПУ. В частности, представлена теория базирования, без которой невозможно рассматривать ни один технологический процесс обработки детали резанием. Курс лекций написан в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. Предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование». УДК 621 ISBN 978-5-87623-603-6 © Седых Л.В, 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие..............................................................................................7 1. Конструкционные машиностроительные материалы .......................8 1.1. Чугуны............................................................................................8 1.2. Сталь .............................................................................................11 1.2.1. Классификация сталей .........................................................11 1.2.2. Основные виды сталей.........................................................12 1.3. Инструментальные материалы...................................................13 1.4. Цветные металлы и сплавы ........................................................18 1.4.1. Цветные металлы............................................................ 18 1.4.2. Сплавы цветных металлов .............................................. 18 1.5. Композиционные и неметаллические материалы ....................19 1.6. Применение конструкционных материалов в машиностроении..............................................................................21 Контрольные вопросы........................................................................22 2. Технические основы технологии машиностроения ........................24 2.1. Основные понятия и определения технологии машиностроения.............................................................24 2.1.1. Параметры технологического процесса.......................... 27 2.1.2. Основные принципы технологической классификации деталей............................................................ 32 2.2. Характер машиностроительного производства........................32 2.3. Качество продукции....................................................................34 2.3.1. Показатели качества ....................................................... 34 2.3.2. Методы определения показателей качества продукции.. 35 2.3.3. Оценка уровня качества продукции................................ 35 2.3.4. Качество и экономичность машины................................ 36 2.4. Базирование и базы в машиностроении ....................................37 2.4.1. Классификация баз ......................................................... 40 2.4.2. Выбор баз ....................................................................... 43 2.5. Точность обработки.....................................................................44 2.6. Погрешности обработки .............................................................47 2.7. Погрешности основной кинематической схемы обработки – системы СПИД..............................................................47 2.7.1. Жесткость системы СПИД.............................................. 47 2.7.2. Причины недостаточной жесткости станка, приспособления, режущего инструмента и обрабатываемой детали......................................................... 48
2.7.3. Деформации деталей при закреплении ...........................49 2.7.4. Погрешности измерений.................................................51 2.7.5. Размерный износ инструмента........................................52 2.7.6. Причины возникновения вибраций.................................53 2.7.7. Тепловые деформации технологической системы ..........54 2.7.8. Влияние человеческого фактора на точность изготовляемых деталей ............................................................55 2.8. Технологичность конструкции...................................................56 Контрольные вопросы........................................................................57 3. Способы изготовления заготовок .....................................................58 3.1. Описание возможных способов литья.......................................58 3.1.1. Литье в песчаные формы ................................................58 3.1.2. Литье в металлические формы (кокиль)..........................60 3.1.3. Литье по выплавляемым моделям...................................62 3.1.4. Литье под давлением ......................................................64 3.1.5. Изготовление отливок центробежным литьем ................65 3.1.6. Изготовление отливок непрерывным литьем..................67 3.2. Обработка металлов давлением .................................................68 3.2.1. История кузнечно-штамповочного производства ...........68 3.2.2. Классификация процессов обработки давлением............69 3.2.3. Прокат и его производство .............................................71 3.2.4. Ковка ..............................................................................80 3.2.5. Штамповка......................................................................81 3.2.6. Прессование....................................................................85 3.2.7. Волочение.......................................................................88 3.2.8. Формообразование заготовок из порошковых материалов......................................................91 Контрольные вопросы........................................................................93 4. Сварка и пайка металлов....................................................................94 4.1. Дуговая сварка .............................................................................94 4.2. Плазменная сварка.......................................................................97 4.3. Электрошлаковая сварка.............................................................97 4.4. Электронно-лучевая сварка........................................................98 4.5. Лазерная сварка .........................................................................100 4.6. Газовая сварка............................................................................100 4.7. Контактная сварка .....................................................................101 4.8. Наплавка.....................................................................................102 4.9. Напыление..................................................................................102
4.10. Пайка.........................................................................................103 Контрольные вопросы......................................................................103 5. Основы обработки металлов резанием...........................................104 5.1. Основные понятия процесса резания.......................................104 5.2. Движения рабочих органов металлорежущих станков..........105 5.3. Основные виды обработки металлов резанием ......................107 5.4. Поверхности и плоскости процесса резания...........................109 5.5. Режимы резания.........................................................................110 5.6. Процесс образования стружки .................................................112 Контрольные вопросы......................................................................114 6. Металлорежущие станки .................................................................115 6.1. История металлорежущих станков..........................................115 6.2. Классификация металлорежущих станков..............................120 6.3. Методика наладки металлорежущего станка на примере токарного станка...........................................................125 6.4. Токарные станки........................................................................129 6.4.1. Компоновка токарного станка ...................................... 130 6.4.2. Приспособления для закрепления заготовок на токарных станках .............................................................. 137 6.4.3. Инструменты для токарной обработки ......................... 140 6.4.4. Токарные автоматы и полуавтоматы ............................ 141 6.4.5. Токарно-револьверные станки...................................... 142 6.4.6. Карусельные станки...................................................... 143 6.4.7. Токарные станки с ЧПУ................................................ 146 6.5. Сверлильные и расточные станки............................................151 6.5.1. Вертикально-сверлильные станки................................. 152 6.5.2. Радиально-сверлильный станок .................................... 153 6.5.3. Расточные станки ......................................................... 154 6.5.4. Конструктивные особенности сверлильно-расточных станков с ЧПУ................................... 155 6.6. Фрезерные станки......................................................................157 6.7. Шлифовальные станки..............................................................159 6.7.1. Круглошлифовальные станки ....................................... 160 6.7.2. Плоскошлифовальные станки....................................... 161 6.8. Зубообрабатывающие станки...................................................161 6.8.1. Методы обработки зубчатых колес............................... 162 6.8.2. Зубодолбежные станки ................................................. 163 6.8.3. Зубофрезерные станки.................................................. 164
6.8.4. Зубообрабатывающие станки с ЧПУ.............................164 6.9. Электрофизические методы обработки...................................165 6.9.1. Электроискровые станки ..............................................166 6.9.2. Электроимпульсные станки..........................................166 6.9.3. Электрохимические станки...........................................167 6.9.4. Лучевая обработка........................................................167 6.9.5. Ультразвуковые станки.................................................167 Контрольные вопросы......................................................................168 Библиографический список.................................................................169
ПРЕДИСЛОВИЕ Курс «Технология конструкционных материалов» – дисциплина, рассматривающая различные способы переработки конструкционных материалов начиная с получения заготовки различными способами, такими как литье и обработка давлением, и заканчивая готовой деталью. В курсе лекций рассматриваются наиболее широко используемые в промышленности методы получения заготовок и механической обработки деталей. В разд. 1 подробно рассмотрены виды и марки материалов, наиболее часто используемых в машиностроении, в том числе марки современных инструментальных и композиционных материалов. В разд. 2 приведены основные понятия и определения технологии машиностроения. В частности, рассмотрена теория базирования, без которой невозможно рассматривать ни один технологический процесс обработки детали резанием. Разд. 3 посвящен основным, наиболее широко распространенным методам получения заготовок, таких как литье в песчаные формы, литье в кокиль, литье под давлением, прокатка, штамповка, прессование. В разд. 4 предложены различные варианты сварки и пайки. Рассмотрены технологические основы этих методов и предложены их основные схемы. В разд. 5 и 6 рассмотрены теоретические основы технологического процесса резания металлов и предложено технологическое оборудование и оснастка. Приведены сравнительные характеристики универсальных станков и современных станков с ЧПУ. Курс лекций написан в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям подготовки бакалавриата для студентов по направлению подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование» (квалификация (степень) «бакалавр»), введенных в действие с 16 декабря 2009 г.
1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Конструкционными называют материалы, которые применяются для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и обладают определенными механическими, физическими и химическими свойствами (рис. 1.1). Рис. 1.1. Классификация конструкционных материалов Черные металлы (стали и чугуны) в машинах занимают по весу более 90 %; они сравнительно дешевы, обладают высокой прочностью и жесткостью. Основные недостатки черных металлов – высокая плотность и подверженность многих из них коррозии. 1.1. Чугуны Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 2 до 4 %. Достоинства чугуна: 1. Высокие литейные качества (жидкотекучесть в расплавленном состоянии). 2. Удовлетворительная прочность (хорошо работает на сжатие). Недостатком чугуна является его низкая пластичность. Чугун – хрупкий материал, поэтому плохо выдерживает ударные нагрузки. Из-за низкой пластичности его не подвергают обработке давлением. Из чугуна изготавливают несущие детали – станины, корпусные детали, зубчатые колеса и т.п.
Виды чугунов Серый чугун – чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, распределенного в металлической массе перлита и феррита. Излом такого чугуна имеет серый цвет. В структуре присутствует графит, количество, форма и размеры которого изменяются в широких пределах. Серый чугун является основным литейным материалом в машиностроении. Он также хорошо обрабатывается резанием, обладает повышенной износостойкостью. Серый чугун – основной конструкционный материал для изготовления корпусных деталей (корпус редуктора). Хорошие литейные свойства позволяют получать отливки сложной конфигурации. Обозначение марок серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ21, СЧ24. Например, цифра 10 обозначает предел прочности при растяжении: σв = 10 кгс/мм2 (100 МПа). Корпусные детали металлорежущих станков изготавливают из чугуна марок СЧ15, СЧ20, СЧ21. Для малонагруженных деталей, не работающих на износ, – марок от СЧ10 до СЧ20. Отливки повышенной прочности, работающие на износ, рекомендуется изготавливать из серого чугуна марок СЧ21–СЧ40 (станины станков). Для малонагруженных деталей, не работающих на износ, – от СЧ10 до СЧ20. Высокопрочный чугун – серый чугун, обрабатываемый в расплавленном состоянии присадками магния или церия, что придает графиту шаровидную форму, в результате чего резко уменьшается внутренняя концентрация напряжений. Отличается высокими механическими свойствами. Из высокопрочного чугуна изготавливают детали, работающие в условиях значительных переменных напряжений, например коленчатые валы автомобильных двигателей, арматуру тоннелей метро, канализационные трубы и др. Обозначение марки: ВЧ 35-17, где 35 – предел прочности при растяжении: σв = 35 кгс/мм2 (350 МПа), 17 – относительное удлинение: δ = 17 %. Модифицированный чугун – чугун с добавлением молибдена (Мо), никеля (Ni) и др., которые повышают литейные свойства и од
нородность. Обладает особыми свойствами – жаропрочностью, коррозионной стойкостью, возможностью термической обработки. Обозначение марки: СМЧ 38-60. Здесь 38 – предел прочности при растяжении: σв = 38 кгс/мм2 (380 МПа); 60 – предел прочности при изгибе: σв.и = 60 кгс/мм2 (600 МПа). Менее прочные модифицированные чугуны применяют для получения сложных относительно тонкостенных деталей, более прочные СМЧ – для толстостенных деталей, работающих под нагрузкой. Серый антифрикционный чугун обладает замечательным свойством – так называемой антифрикционностью, или «антитрением». Используется серый антифрикционный чугун для изготовления вкладышей в подшипниках. К сожалению, при этом увеличиваются зазоры в подшипниковом узле на 15...40 % по сравнению с бронзовыми вкладышами. Кроме этого, необходима обкатка на холостом ходу. Обозначение марок: АЧС-1, АЧВ-1. Буква А – антифрикционный, Ч – чугун, С – серый, В – высокопрочный, цифра – порядковый номер. Жаростойкий чугун – отливки из этого чугуна эксплуатируются при температурах до 1100 °C. Например, ЖЧХ-0,8 содержит 0,8 % хрома (Cr); ЖЧЮ-22 содержит 22 % алюминия (Al). Белый, или отбеленный, чугун – чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида (Fe3C + перлит). Белый чугун получил свое название по матово-белому цвету излома. Белый чугун закаливают при отливке. Он характеризуется повышенной твердостью (330...400 НВ), высокой износостойкостью, теплостойкостью и высоким сопротивлением коррозии. Практически не поддается обработке режущим инструментом. На основе белого чугуна изготавливают другие виды чугунов, в частности износостойкие хромистые чугуны марок ИЧХ3, ИЧХ5, ИЧХ15 (с содержанием хрома 3, 5, 15 % соответственно). Они используются для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного износа без ударных нагрузок, например направляющих станков, деталей шаровых мельниц, тормозных колодок. Ковкий чугун – чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита, что обеспечивает более высокие механические свойства по сравнению с серым чугуном. Его получают при длительном отжиге (томлении) отливок из белого чугуна. Название «ковкий чугун» условно. Ковкий чугун обладает повышенной прочностью, некоторой пластичность и сопротивлением ударным нагрузкам. Однако он не подвергается обработке давлением.
Ковкий чугун хорошо работает в среде сырого воздуха и воды. Его химическая стойкость выше стойкости углеродистой стали. Обозначение марки ковкого чугуна: КЧ 30-6, где 30 – предел прочности при растяжении: σв = 30 кгс/мм2 (300 МПа), 6 – относительное удлинение: δ = 6 %. Ковкий чугун в зависимости от способа производства делится на две группы: графитизированный (отливки, подвергнутые отжигу в нейтральной среде) и обезуглероженный (отливки, подвергнутые отжигу в окислительной среде). 1.2. Сталь Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2 %) и другими элементами (которые называются легирующими). Положительные свойства сталей: 1. Высокая прочность. 2. Пластичность. 3. Деформируемость (ковкость). 4. Достаточно хорошие литейные свойства. 5. Теплостойкость. 6. Хорошо воспринимают термическую и химико-термическую обработку 7. Хорошо обрабатываются резанием. Все это говорит о высокой технологичности стали. 1.2.1. Классификация сталей По назначению: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструкционные стали предназначены для изготовления элементов конструкций, деталей машин. По качеству: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Основным показателем для разделения стали по качеству служит содержание в них вредных примесей. По химическому составу: углеродистые и легированные стали. В зависимости от содержания углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (С < 0,25 %), среднеуглеродистые (С = 0,25…0,6 %) и высокоуглеродистые (С > 0,6 %). С увеличением содержания углерода возрастает прочность и снижается пластичность.
Легированные стали, в зависимости от количества введенных элементов, делят на: низколегированные (количество легирующих элементов менее 5 %), среднелегированные (от 5 до 10 %) и высоколегированные (свыше 10 % легирующих элементов). 1.2.2. Основные виды сталей Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества. Их марки обозначают так: Ст.0–Ст.7 (цифра определяет порядковый номер). Чем выше номер, тем больше углерода содержит сплав и лучше его прочностные свойства (рис. 1.2). Рис. 1.2. Схема увеличения прочности углеродистой стали обыкновенного качества Из углеродистой стали обыкновенного качества изготавливают сварные детали типа кронштейнов, рам, стоек. Ст.4 – стали с гарантированными механическими свойствами. БСт.3 – стали, выплавленные с гарантированным химическим составом. ВСт.2 – стали с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Если после номера стоят буквы, то они означают различные способы раскисления (с целью удаления кислорода): кп (кипящие, с низким качеством), пс (полуспокойные), сп (спокойные, наиболее высокого качества). Конструкционные углеродистые качественные стали. Их марки обозначают так: 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 70. Цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,75 % углерода (конструкционные стали); в десятых долях процента для сталей, содержащих более 0,75 % углерода (инструментальные стали). Эти стали обладают высокой прочностью, малой чувствительностью к концентрации напряжений, повышенной износостойкостью. Они используются для изготовления зубчатых колес, валов, рессор, кованных и штампованных деталей и т.п. Конструкционные легированные стали. Обозначения их марок состоят из цифр и букв, указывающих на примерный состав сплава:
• Каждый легирующий элемент обозначается буквой (табл. 1.1). • Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталей – в десятых долях процента). • Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента в процентах (при содержании элемента менее 1 % цифры отсутствуют). • Буква Л в конце марки стали обозначает литейную сталь. • Для высококачественных сталей ставят буквы А в конце обозначения марки стали, а для особо высококачественных сталей – букву Ш. Таблица 1.1 Условные обозначения основных легирующих элементов Обозначение в марках сплавов Обозначение в марках сплавов Химический элемент Обозначение химического элемента черных цветных Химический элемент Обозначение химического элемента черных цветных Алюминий Al Ю А Олово Sn – О Барий Ba – Бр Палладий Pd – Па Бериллий Be Л Б Платина Pt – Рл Бор B Р В Рений Re – Ре Ванадий V Ф Вам Свинец Pb – С Висмут Bi Ви Ви Селен Se Е Ст Вольфрам W В – Сера S – – Железо Fe – Ж Серебро Ag – Ср Золото Au – Зл Скандий So – Скм Иридий Ir – И Сурьма Sb – Су Иттрий Y – Им Тантал Ta – ТТ Кадмий Cd Кд Кд Ртуть Hg – Р Кобальт Co К К Теллур Te – Т Кремний Si С Кр (К) Титан Ti Т ТПД Литий Li – Лэ Углерод C У – Магний Mg Ш Мг Фосфор P П Ф Марганец Mn Г Мц (Мр) Хром Cr Х Х Медь Cu Д М Церий Ce – Се Молибден Mo М – Цинк Zn – Ц Никель Ni Н Н Цирконий Zr Ц ЦЭВ Ниобий Nb Б Ни 1.3. Инструментальные материалы Углеродистые инструментальные стали – стали с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Инструментальные углеродистые стали
обозначаются буквой У, за которой следуют цифры, означающие содержание углерода в десятых долях процента; например, сталь У10 содержит 1 % углерода. Марка высококачественной стали с пониженным содержанием примесей содержит в своем обозначении букву А, например У10А. Твердость углеродистых инструментальных сталей резко уменьшается при нагреве выше 200 °C. Поэтому из них изготавливают: – инструмент, который работает в условиях, не вызывающих разогрев рабочей кромки (зубила, молотки, ножницы по металлу), – из стали марки У7; – фрезы, пилы продольные и дисковые, отвертки, стамески – У8; – слесарно-монтажный инструмент – У9; – метчики ручные, матрицы для холодной штамповки – У10; – метчики машинные, измерительный инструмент простой формы – У12. Инструментальные быстрорежущие стали – это высоколегированные стали, применяемые, главным образом, для изготовления режущего инструмента, работающего на скоростях в 3–5 раз больших, чем инструмент из углеродистой инструментальной стали. Такая скорость обусловлена большей износостойкостью стали. Быстрорежущие стали наиболее широко применяются при изготовлении осевого инструмента: сверл, зенкеров, разверток, метчиков, для фасонного инструмента и резцов сложного профиля. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующими карбидообразующим и легирующим элементам: Р – вольфрам; М – молибден; Ф – ванадий; А – азот; К – кобальт; Т – титан; Ц – цирконий. За буквой следуют цифры, указывающие среднее содержание элемента в процентах (содержание хрома до 4 % в обозначениях не указывается). Цифра, стоящая в начале обозначения марки стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь марки Р6М5 содержит 6 % вольфрама и 5 % молибдена. Быстрорежущие стали бывают нормальной, повышенной и высокой производительности. Стали нормальной производительности (пониженной теплостойкости 615...620 °C): вольфрамовые – марок Р9, Р12, Р18; вольфрамомолибденовые – Р6М5, Р6М3; безвольфрамовые – 9Х6М3Ф3АГСТ. Скорость резания для этих сталей υ = 35...40 м/мин. Стали повышенной производительности (дополнительно легированы кобальтом и ванадием, их теплостойкость составляет 625...640 °C): вольфрамокобальтовые – марок Р9К5, Р9К10, вольф
Доступ онлайн
В корзину