Лекция №5 «Основы технологии машиностроительного производства»

 

 

1. Технологическая структура и особенности машиностроительного ком­плекса.

2. Понятие о металлических материалах и основах технологии их произ­водства.

3. Общая классификация и потребительские свойства черных и цветных металлов.

4. Важнейшие технологические процессы заготовительного производства в машиностроении.

5. Важнейшие технологические процессы обрабатывающего производства в машиностроении.

6. Важнейшие технологические процессы сборочного производства.

 

 

1. Технологическая структура и особенности машиностроительного ком­плекса.

 

Машиностроение среди других хозяйственных комплексов занимает ведущую роль. Это обусловлено тем, что основные производственные процессы во всех отраслях промышленности, строительства и сельском хозяйстве выполняют разнообразные машины. Поэтому первостепенная роль в техническом перевооружении всего общественного производства нашей страны, в повышении его технического уровня, улучшении качественных показателей всех сфер деятельности принадлежит машиностроению.

Таким образом, машиностроение является технической основой функционирования и развития общественного производства. Только в результате насыщения всех отраслей народного хозяйства высокопроизводительными машинами, внедрения комплексной механизации и автоматизации производства можно добиться такого повышения производительности труда и расширения выпуска различной продукции, чтобы были удовлетворены материальные и культурные потребности общества. От степени совершенства деталей машин в определяющей степени зависит качество машины в целом, а именно качество будет определять конкурентоспособность продукции машиностроения в XXI веке.

Главными направлениями научно-технологического прогресса в машиностроении являются:

· техническое совершенствование и обновление конструкций машин в условиях непрерывно возрастающих и усложняющихся требований;

· повышение в экономически оправданных пределах единичных мощностей машин и оборудования;

· уменьшение затрат на производство машин в расчете на единицу производительности;

· снижение удельной металлоемкости и энергопотребления машин и оборудования;

· повышение ресурса и надежности машин, аппаратов, технологических блоков и целых производственных систем;

· применение новейших технологических процессов обработки, основанных на физических и физико-химических явлениях;

· комплексная механизация и автоматизация технологических процессов и оборудования;

· использование прогрессивных конструкционных материалов;

· реализация прогрессивных организационных и технико-экономических решений, повышающих эффективность использования достижений науки и техники.

Производственный процесс изготовления машин представляет собой совокупность технологических и экономических процессов, в результате которых исходные материалы, полуфабрикаты преобразуются в заготовки с последующей их обработкой, с целью получения готовых изделий – деталей машин. Из сборочных единиц и деталей машин путем сборки получают конечную продукцию машиностроения – средства производства.

Процесс изготовления машин на машиностроительном предприятии подразделяется на основное, вспомогательное и обслуживающее производство.

Основное производство составляют технологические процессы преобразования исходных материалов, полуфабрикатов и комплектующих в готовую продукцию – средства производства.

Эти процессы основаны в основном на механических, тепловых и в меньшей степени химических воздействиях на предмет труда. К ним относят процессы получения заготовок методами обработки металлов давлением, литья, сварки, резки, сортового проката, механической и термической обработки деталей машин, сборки машин, их отделки, окраски, нанесения покрытий и т.д.

Вспомогательное производство обеспечивает нормальное функционирование основного производства. Это - изготовление различных видов технологической оснастки, приспособлений, режущего, штампового и измерительного инструментов; ремонт оборудования; эксплуатация подъемно-транспортного оборудования; компрессорных станций, энергетическая и другие службы машиностроительного предприятия.

Обслуживающее производство включает внутризаводское (межцеховое) транспортирование материалов, полуфабрикатов, деталей, сборочных единиц и других изделий; складские операции, технический контроль, учет продукции и другие службы.

В свою очередь, основное производство в машиностроении состоит из трех основных этапов: заготовительного, обрабатывающего и сборочного (рис. 1).

Заготовительное производство в машиностроении включает технологические процессы преобразования исходных материалов в заготовки деталей машин.

Основными технологическими процессами заготовительного производства являются: обработка металлов давлением, литье, сварка и т.д.

В результате осуществления технологических процессов заготовительного производства из исходного сырья получают заготовки деталей машин.

Подробнее технологические основы заготовительного производства в машиностроении будут изложены в четвертом вопросе.

Обрабатывающее производство в машиностроении включает главным образом технологические процессы обработки материалов резанием, термическую и химико-термическую обработку деталей машин, а также специальную обработку и нанесение защитных покрытий (гальваническое производство).

В результате осуществления технологических процессов обрабатывающего производства из заготовок получают готовые детали машин с требуемой формой, точностью размеров, шероховатостью и другими физико-механическими характеристиками и показателями качества.

Подробнее технологические основы обрабатывающего производства в машиностроении будут изложены в пятом вопросе.

Сборочное производство в машиностроении является заключительным этапом изготовления машин. Технологический процесс сборки связан с образованием разъемных и неразъемных соединений составных частей машины. При этом из готовых деталей собираются узлы, из которых в свою очередь по заранее определенной схеме получают готовое сложно-техническое изделие - машину.

Подробнее технологические основы сборочного производства в машиностроении будут изложены в шестом вопросе.

Организационно производственный процесс на предприятии машиностроения осуществляется в специализированных цехах: кузнечно-прессовых, литейных, сварочных, обрабатывающих, термических, сборочных и др. с помощью соответствующего технологического оборудования.

 

 

Рис.1. Технологическая структура производственного процесса на предприятии машиностроения

2. Понятие о металлических материалах и основах технологии их произ­водства

 

Все химические элементы делятся на металлы и неметаллы. В настоящее время известно 106 химических элементов. Большин­ство из них (76 элементов) составляют металлы.

Характерными свойствами металлов являются: специфический блеск, непрозрачность, ковкость, высокая тепло- и электропро­водность, а также возрастание электросопротивления с повышени­ем температуры.

Кроме того, металлы обладают термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью излучать электроны при нагреве.

Самым распространенными в природе металлами являются алюминий, железо, медь, кальции, натрий, калий, магний и титан.

Характерные свойства металлов обусловлены строением их атомов. В металлах всегда имеются электроны, подвергающиеся воздействию положительно заряженных ядер близлежащих атомов. Такие электроны называются свободными. Свободные электроны принадлежат не одному какому-либо ядру, а блуждают до всему металлу, вращаясь вокруг ядра то одного, то другого иона.

Наличием свободных электронов и объясняются указанные выше характерные признаки металлов.

В отличие от металлов неметаллы, как правило, хрупки, ли­шены металлического блеска, имеют низкую тепло- и электропро­водность. Электросопротивление неметаллов с повышением температуры понижается.

Все твердые тела делятся на аморфные и кристаллические.

В аморфных телах атомы расположены хаотично, т.е. в беспоряд­ке, без всякой системы. Примерами аморфных тел могут служить стекло, клей, воск, канифоль и др.

В кристаллических телах атомы расположены в строго опре­деленном порядке, с определенной геометрической закономерностью.

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. К кристаллическим телам относятся также поваренная соль, кварц, сахарный песок и др.

Основным признаком металлов как кристаллических тел яв­ляется их правильное внутреннее строение. Если атомы металла мысленно соединить прямыми линиями, то получится правильная геометрическая система, называемая пространственной кристал­лической решеткой.

Из кристаллической решетки можно выделить элементарную кристаллическую ячейку, представляющую наименьший комплекс атомов, повторением которого в трех измерениях можно постро­ить всю решетку.

Порядок расположения атомов в кристаллических решетках может быть различным. Наиболее распространены три типа элемен­тарных кристаллических ячеек металлов: кубическая объемноцентрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. Типы кристаллических решеток металлов, наиболее употребляемых в технике, приведены на рис.

 

Рис. 2. Элементарные ячейки основных типов

кристалли­ческих решеток металлов:

о — кубическая объемноцентрированная; б — кубическая гра-нецентрированная; в — гексагональная плотноупакованная

 

Атомы металлов образуют кристаллические решетки благода­ря наличию особой металлической связи. В узлах кристалли­ческих решеток металлов расположены положительно заряженные ионы, удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга свободными электронами. Такое внутреннее строение, как уже из­вестно, обусловливает характерные признаки металлов, такие, как электро - и теплопроводность, пластичность и т.д.

Свойства металлов зависят не только от типа кристаллической решетки, но и от расстояния между атомами. Характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением, т.е. структурой. Геометрическая правильность рас­положения атомов в кристаллических решетках придает металлам особенности, которых нет у аморфных тел.

Особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т.о. различие свойств кристаллов в разных направ­лениях. Анизотропия объясняется неодинаковой плотностью ато­мов в разных плоскостях кристаллической решетки, так как расстояния между атомами в решетках в разных направлениях неодинаковы.

В отличие от кристаллических тел аморфные тала изотропны, т.е. их свойства не зависят от направления.

Особенностью металлов как тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твердого сос­тояния в жидкое и наоборот происходил при определенной температуре, называемой температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно и не имеют определенной температуры плавления.

 

В технике металлами называют все металлические материалы. К ним относятся простые металлы и сложные металлы (сплавы).

Простые металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. Напри­мер, технически чистая медь содержит от 0,1 до 1% примесей свинца, висмута, сурьмы, железа и других элементов.

Сплавы - эго сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь.

Химический элемент, входящий в состав металла или спла­ва, называется компонентом.

Кроме основного компонента, пре­обладающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты, вводимые в состав сплава для получения требуемых свойств.

Так, для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости латуни в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, свинец и другие легирующие компоненты.

По числу компонентов сплавы делятся на:

- двухкомпонентные (двойные),

- многокомпонентные (тройные) и т.д.

Кроме основных» легирующих компонентов, в сплаве содержатся примеси других элементов.

Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, спеченные твердые сплавы получаются путем спекания.

Способность металлов к взаимному растворению создает хо­рошие условия для получения большого числа сплавов, обладаю­щих самими разнообразными сочетаниями полезных свойств, кото­рых нет у простых металлов.

Сплавы превосходят простые металлов по прочности, твердости, обрабатываемости и т.д. Вот почему они применяются в тех­нике значительно шире простых металлов. Например, железо - мягкий металл, почти не применяющийся в чистом виде. Зато са­мое широкое применение в технике имеют сплавы железа о углеро­дом - стали и чугуны.

В жидком металле при высоких температурах атомы находят­ся в беспорядочном движении. Правильное кристаллическое стро­ение металлы приобретают в процессе затвердевания, т.е. при переходе из жидкого состояния в твердое.

Процесс образования кристаллов при переходе вещества м жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Если же кристаллическое строение вещества изменяется в твердом состоянии, то такой процесс называется вторичной кристаллизацией.

Процесс первичной кристаллизации оказывает большое влия­ние на свойства металла, на его структуру. Впервые этот процесс исследовал русский ученый Д.К.Чернов.

Для изучения процесса кристаллизации строят кривые охлаждения, которые показывают изменение температуры с течением вре­мени до мере охлаждения расплавленного металла. Чтобы построить их, необходимо иметь прибор для измерения температуры и счетчик времени.

Переход металлов из жидкого состояния в твердое происхо­дит при определенной температуре Ткр, называемой критической точкой или температурой кристаллизации. Выше этой температуры металл находится в жидком состоянии, ниже – в твердом. Кривая кристаллизации чистых металлов изображена на рис. 3.

Температура

 

 

Т кр

 

 

Время

Рис.3. Кривая кристаллизации чистого металла

 

Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, олово и др.) в твердом состоянии могут изменять свое кристаллическое строение. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах в зависимости от температуры нагревается аллотропией или полиморфизмом.

Рис.4. Кривая кристаллизация чистого железа (полиморфизм железа)

 

Сущность вторичной кристаллизации состоит в том, что в твердом металле при определении температурах происходит пере­группировка атомов (перекристаллизация), образуются новые центры кристаллизации, в процессе роста которых возникает новая кристаллическая решетка. Это приводит к изменению свойств металлов.

Железо имеет три аллотропные формы: , и (следовательно, и три критические точки). Однако, на кривой охлаждения чистого железа имеется четыре горизонтальных участка (рис. 4). При температуре 1539 ⁰С (первая критическая точка) начинается первичная кристаллизация:

- железо затвердевает в форме Fe образуется объемно-центрированная решетка с параметром =2,93 Å; 1Å = 1×10^{-8 см – рентген. анализ}

- при t = 1392⁰С происходит полиморфное превращение Fe в Fe и образуется гранецентрированная решетка с параметром =3,63 Å.

- при t = 911⁰С происходит превращение Fe в Fe и образуется снова объемно-центрированная решетка с =2,88 Å, которая существует до комнатной температуры и ниже.

На кривой охлаждения чистого железа имеется 4-ый горизонтальный участок при t = 768⁰С (точка Кюри). Этот горизонтальный участок связан не с изменением решетки, а с изменением магнитных свойств.

До t = 768⁰С железо – немагнитно.

Потеря магнитных свойства Fе при нагревании происходит постепенно и лишь при t = 768⁰С полностью утрачиваются магнитные свойства (называют точкой Кюри – франц. ученый).

Иногда модификацию железа с полной потерей магнитных свойств при 768⁰С называют железом β - Fe_β.

Магнитное превращение не связано с изменением кристаллической решетки (существует Feα→ Feγ→ Feσ), перекристаллизацией и переохлаждением (тепловым гистерезисом превращения).

Происходят изменения не в кристаллической структуре Ме, а во взаимодействии внешних и внутренних электронных оболочках атомов.

Таким образом, полиморфизм железа дает возможность получать на его основе большое количество различных сплавов.

Процесс кристаллизации сплавов

Сплавы имеют более сложную структуру, чем простые металлы. Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии. При затвердевании жидкого раствора в процессе первичной кристаллизации могут образовываться (получаться) сплавы с различным строением и свойствами.

Компоненты, из которых состоят сплавы, в твердом состоянии могут по-разному взаимодействовать друг с другом, образуя:

- механические смеси,

- твердые растворы,

- химические соединения.

Если компоненты в твердом состоянии не растворимы друг в друге, то при кристаллизации образуются механические смеси.

В этом случае в твердом сплаве будут присутствовать зерна одного чистого металла и рядом с ними зерна другого чистого металла. Механические смеси двух или нескольких фаз, одновременно кристаллизующихся из жидкости называются эвтектикой.

Если компоненты в твердом состоянии частично или полностью растворимы друг в друге, то образуются твердые растворы.

В твердом растворе один компонент сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второй, утратив свое кристаллическое строение, в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого.

Если при сплавлении атомы одного элемента в разных количе­ствах входят в кристаллическую решетку другого элемента, не из­меняя в значительной мере ее формы, то получающиеся сплавы называют твердыми растворами. Элемент, сохранивший форму своей решетки, называют растворителем, а элемент, атомы которого вошли в эту решетку — растворенным. В отличие от хими­ческого соединения атомы растворенного в решетке растворителя располагаются не закономерно, а случайно.

Твердые растворы являются гомогенными сплавами: их микро­структура представляет собой одинаковые по составу и свойствам зерна. Различают два основных типа твердых растворов: замеще­ния и внедрения.

В твердом растворе замещения атомы рас­творенного элемента занимают места атомов растворителя (а), вытесняя и замещая их в узлах его решетки (б и в).

Рис 5. Кристаллическая решетка растворителя (а) и твердых растворов замещения (б) и внедрения (в)

 

Размеры решетки при этом могут или уменьшаться, или уве­личиваться в зависимости от того, меньше или больше размер новых атомов по сравнению с собственными атомами. Происходит и некоторое искажение форм решетки за счет несимметричного расположения замещенных атомов.

Число замещенных атомов в твердом растворе может быть раз­ным. Если входящие в его состав элементы имеют близкое строение решеток и атомов, то такие элементы могут образовать непрерывный ряд твердых растворов. Это значит, что количество замещен­ных атомов может изменяться от 0 до 100%. При этом условно считается, что растворителем является тот элемент, содержание которого в сплаве больше 50%. Непрерывный ряд твердых раство­ров образуют, например, медь и никель.

В твердом растворе внедрения атомы раство­ренного элемента находятся между атомами растворителя, в междоузлиях его решетки. Они внедряются, не вытесняя атомов раство­рителя (рис. 1.3 в). Размеры решетки при этом всегда увеличи­ваются, так как ее «раздвигают» внедренные атомы.

В случаях твердых растворов внедрения непрерывного ряда быть не может, так как число внедренных атомов растворенного элемента ограничивается числом межатомных пор в решетке рас­творителя. Растворы внедрения образуются элементами, сильно отличающимися друг от друга строением решетки и размером атомов. Маленькие атомы внедряются между большими, напри­мер, углерод в решетку железа.

Свойства твердых растворов могут отличаться от свойств вхо­дящих в него элементов значительно сильнее, чем в случае меха­нических смесей. В механических смесях свойства являются промежуточными между свойствами компонентов, так как там сохра­няются неизменными их решетки, а следовательно, и все свойства. В твердых растворах растворенный элемент теряет свою решетку, а решетка растворителя изменяет размеры и искажается, что при­водит к изменению многих свойств, в частности к повышению проч­ности, твердости и электросопротивления.

Химические соединения образуются между элементами, расположенными далеко друг от друга в таблице Д.И. Менделеева. Химические соединения имеют ряд особенностей, отличающих их от твердых растворов:

а) соотношение чисел атомов элементов, образующих соединения, имеют строго определенное соотношение, соответствующее стехнометрической пропорции, выражаемой формулой АnВm;

б) они имеют свою кристаллическую решетку, отличную от решеток элементов, образующих это соединение;

в) свойства соединения заметно отличаются от свойств исходных элементов.

Процессы кристаллизации сплавов протекают значительно сложнее, чем металлов. Особенность процессов кристаллизации сплавов можно проследить по кривым охлаждения. Как видно из кривой охлаждения (рис. 6), кристаллизация сплавов протекает в интервале от температуры начала кристаллизации (Тн.кр) до температуры конца кристаллизации (Тк.кр). Следовательно, сплавы в отличие от чистых металлов при затвердевании или плавлении имеют не одну, а две критических точки.

Выше температуры начала кристаллизации сплав находится в жидком состоянии ниже температура конца кристаллизации, сплав будет находится в твердом состоянии. В интервале температур между критическими точками сплав состоит из жидкого раствора и твердых кристаллов.

Т, температура Т, температура Т, температура

 

1 2 3

 

Тн а Тн а Тн а в

 

в в в′

Ткр Ткр Ткр

 

Время Время Время

Рис. 6. Кривые охлаждения сплавов – механическая смесь

Для облегчения изучения сплавов их объединяют в системе. К данной системе относят все сплавы, состоящие из одних и тех же компонентов и отличающиеся друг от друга, лишь концентраций компонентов.

Количество сплавов одной системы, по разной концентрации настолько велико, что изучать по кривым охлаждения или нагревания все превращения, происходящие в каждом из них, практически невозможно, да и не рационально. Для изучения состояния сплавов выбранной системы в зависимости от температуры концентрации строят диаграммы состояния.