ДЛЯ ВУЗОВ

ТЕХНОЛОГИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ

Под общей редакцией

д-ра техн, наук проф. А. М. Дальского

ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ

И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР в качестве
учебника для студентов машиностроительных
специальностей вузов

МОСКВА

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1985
ББК 34.5

УДК 621.7+ 621.9 + 669 (078.8)

А. М. Дальский, И. А. Арутюнова, Т. М. Барсукова, Л. Н. Бухаркин,
|Н. П. Дубинин^, В. П. Каширцев, И. Г. Кременский, Э. Л. Макаров,
Е. А. Попов, Ю. А. Степанов, Е. А. Соколов

Рецензент: кафедра «Технология металлов» Челябинского
политехнического института (В. В. Матвеев)

Технология конструкционных материалов; Учебник дл:
Т38 машиностроительных специальностей вузов/А. М. Дальский
И. А. Арутюнова, Т. М. Барсукова и др.; Под общ. рея
А. М. Дальского. — 2-е изд., перераб. и доп. —М.: Машино
строение, 1985. — 448 с., ил.

В пер,: 1 р. 40 к.

Рассмотрены современные и перспективные технологические методы пропзвоД
ства черных н цветных металлов, /изготовление заготовок и детллей машин из металле»
и неметаллических материалов обработкой давлением, литьем, сваркой, резани/'
и другими способами.

Во втором издании (1-е — 1977 г.) существенно обновлен материал, отражен!
новые методические особенности в преподавании курса.

Решением президиума научно-методического совета по технологии конструк
циониых материалов и материаловедению при МВ и ССО СССР учебник признан базо
вым для всех машиностроительных специальностей вузов.

2704010000-077

038 (01)-85

ББК 34.Е
6ПЗ/6П4

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Антон Михайлович Дальский, Ирина Александровна Арутюнова, Тамара
Михайловна Барсукова, Леонид Николаевич Бухаркин, Николай Петро-
вич Дубинин, Валентин Петрович Каширцев, Илья Георгиевич Кремен-
ский, Эдуард Леонидович Макаров, Евгений Александрович Попив,
Юрий Александрович Степанов, Евгений Алексеевым Соколов

Редактор Т. Е. Черешнева _^^^~^^~	_Д

Художественный ,ц&»»неглр'7?7.<1. Ильин ________

Технический ред^ктхш,?;», <7.	1

Корректоры: И.	Л М. Усачева jfLJtl. I

ИБ № 4470 I	’’ ’	.—

Сдано в набор 12.1"дтисаио в печать 31.01,85. Т-01717.

Формат 60X(-'07lfl. Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная.

Печать высокая. Усл. печ. л. 28,0.	Усл. кр.-отт. 28.0.

Уч.-изд. л. 32,55 Тираж 130000 экз. Заказ 251. Цена 1 р. -'.О < .

Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение»,
107076, Москва, Стромынский пер., 4.

Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.

193 144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.

© Издательство «Машиностроение», 1977 г.

© Издательства «Машиностроение», 1985 г., с изменениями
ПРЕДИСЛОВИЕ

В современных условиях развития общества одним
из самых значимых факторов технического прогресса в машинострое-
нии является совершенствование технологии производства. Коренное
преобразование производства возможно в результате создания более
совершенных средств труда, разработки принципиально новых
технологий.

Развитие и совершенствование любого производства в настоящее
время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических
комплексов, широким использованием вычислительной техники,
применением станков с числовым программным управлением. Все
это составляет базу, на которой создаются автоматизированные
системы управления, становятся возможными оптимизация техноло-
гических процессов и режимов обработки, создание гибких автомати-
зированных комплексов.

Важным направлением научно-технического прогресса является
также создание и широкое использование новых конструкционных
материалов. В производстве все шире используют сверхчистые,
сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые, поли-
мерные и другие материалы, позволяющие резко повысить техниче-
ский уровень и надежность оборудования. Обработка этих материа-
лов связана с решением серьезных технологических вопросов.

Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая на прак-
тике их заданные характеристики и надежность работы с учетом
экономических показателей, инженер должен уверенно владеть
методами изготовления деталей машин и их сборки. Для этого он
должен обладать глубокими технологическими знаниями.

Предметом курса «Технология конструкционных материалов»
являются современные рациональные и распространенные в промыш-
ленности прогрессивные методы формообразования заготовок и
деталей машин. Содержание учебника представлено на принципе
единства основных, фундаментальных методов обработки конструк-
ционных материалов: литья, обработки давлением, сварки и обра-
ботки резанием. Эти методы в современной технологии конструкцион-
ных материалов характеризуются многообразием традиционных и
новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и
взаимопроникновении.

Описание технологических процессов основано па их физической
сущности и предваряется сведениями о строении и свойствах конст-
рукционных материалов. Комплекс этих знаний обеспечивает уни-
версальный подход к изучению технологии. В соответствии с про-
граммой курса в учебнике в логической последовательности и связи
изложены сведения о получении металлов из руд и дальнейшей их
переработке до готовых деталей с заданными формами и свойствами,
о технологии изготовления машиностроительных деталей из компо-
зиционных, порошковых и неметаллических материалов. При опи-
сании современных технологических процессов освещены основные
направления их механизации и автоматизации.

При подготовке второго издания (1-е— 1977 г.) авторы учли
замечания, сделанные рядом специалистов, а также постарались
отразить то новое, что появилось в технологии со времени первого
издания книги.

Учебник написан коллективом преподавателей МВТУ имени
Н. Э. Баумана.

Разделы учебника написаны: I — капд. техн, наук И. А. Ару-
тюновой и д-рами техн, паук 10. А. Степановым п Н. П. Дубининым;
II — д-ром техн, наук проф. Ю. А. Степановым; III — д-ром техн,
наук проф. Е. А. Поповым и канд. техн, наук И. Г Кременским;
IV — д-ром техн, паук проф. Н. П Дубининым и канд. техн, наук
Е. А. Соколовым; V — д-ром техн, наук преф. Э. Л. Макаровым
и канд. техн, наук И. А. Арутюновой; VI — д-ром техн, наук
проф. А. М. Дальским, кандидатами техн, наук Л. Н. Бухарки-
ным и Т. М. Барсуковой; VII — канд. техн, наук Л. Н. Бухарки-
ным; VIII — канд. техн, наук В. П. Каширцевым.
РАЗДЕЛ 1

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ,
ПРИМЕНЯЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Технически чистые металлы характеризуются низкими прочност-
ными свойствами, поэтому в машиностроении применяют главным
образом их сплавы. Сплавы на основе железа называют черными,
к ним относят стали и чугуны; на основе алюминия, магния, титана
и бериллия, имеющие малую плотность — легкими цветными;
на основе меди, свинца, олова и др. — тяжелыми цветными;
на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута и других метал-
лов—легкоплавкими цветными; на основе молибдена, ниобия,
циркония, вольфрама, ванадия и других металлов — тугоплавкими
цветными.

1.	КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое
строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно
и образуют кристаллические решетки (рис. 1.1). Расстояния между
атомами называют параметрами решеток и измеряют в нанометрах.
С повышением температуры или давления параметры решеток могут
изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных
температурных интервалах приобретают различную кристалличе-
скую решетку, что всегда приводит к изменению их физико-химиче-
ских свойств.

Существование одного и того же металла в нескольких кристалли-
ческих формах носит название полиморфизма, или аллотропии.
Перестройка кристаллических решеток при критических температу-
рах называется полиморфными превращениями. Полиморфные мо-
дификации обозначаются греческими буквами а, 0, у и другими,
которые в виде индекса добавляют к символу элемента. Полиморф-
ную модификацию при самой низкой температуре обозначают бук-
вой а, при более высокой 0 и т. д.

2.	КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ СПЛАВОВ

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплав-
лением двух элементов или более. Элементами сплава могут быть
металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонен-
тами сплава. В сплаве кроме основных компонентов могут содер-
жаться и примеси. Примеси бывают полезные, улучшающие свой-
ства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси бывают
случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специ-
альные, которые вводят для придания ему требуемых свойств.
Рис. 1.1. Кристаллическая решетка:

а — объемно-цснтрнрованного куба (ОЦК); б — гранецентриропаиного куба (ГЦК); в —«
гексагональная л лот неупакованная (ГПУ)

Кристаллическое строение сплава более сложное, чем чистого
металла, и зависит от взаимодействия его компонентов при кристал-
лизации. Компоненты в твердом сплаве могут образовывать твердый
раствор, химическое соединение и механическую смесь.

Твердые растворы. — компоненты сплава взаимно растворяются
один в другом. В твердом растворе один из входящих в состав сплава
компонентов сохраняет присущую ему кристаллическую решетку,
а второй компонент в виде отдельных атомов распределяется внутри
кристаллической решетки.

Химическое соединение — компоненты сплава вступают в химиче-
ское взаимодействие, при этом образуется новая кристаллически
решетка. Компоненты имеют определенное соотношение по массе.

Механическая смесь — компоненты сплава обладают полной вза-
имной нерастворимостью и имеют различные кристаллические ре-
шетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов
составляющих ее компонентов. Механическая смесь имеет постоян-
ную температуру плавления. Механическая смесь, образовавшаяся
одновременной кристаллизацией из расплава, называется эвтекти-
кой; в процессе превращения в твердом состоянии— эвтектоидом
(например Fe;,C + FevC — ледебурит; Fe3C + FeaC — перлит).

3.	КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЛАВОВ

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое
с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется
первичной кристаллизацией.

Свойства сплавов зависят от образующейся в процессе кристалли-
зации структуры. Подструктурой понимают наблюдаемое кристалли-
ческое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с об-
разования кристаллических зародышей — центров кристаллизации.
Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров
кристаллизации и скорости роста кристаллов: чем больше число обра-
зующихся зародышей и скорость их роста, тем быстрее протекает
процесс кристаллизации. Структура сплава зависит от формы,
ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости
кристаллизации.
Центрами кристаллизации могут быть группы элементарных
кристаллических решеток, неметаллические включения и тугоплав-
кие примеси. Кристаллизация сплава обычно начинается от стенок
формы (изложницы). С наибольшей скоростью кристаллы растут
в направлении, противоположном отводу теплоты, т. е, перпендику-
лярно к стенке формы.

Если при кристаллизации рост решеток не ограничивается, то
получаются кристаллы неограниченного размера древовидной формы
— дендриты (рис. 1.2). Так как процесс кристаллизации происходит
из многих центров кристаллизации, то ветви дендритов при росте
могут ограничивать друг друга и искажаться. Кристаллы неправиль-
ной формы называются зернами, или кристаллитами. Комплекс зе-
рен— это поликристаллическое тело (рис. 1.3).

Зерна отличаются различной ориентацией кристаллических ре-
шеток; размер зерен составляет 1—101 мкм. Зерна повернуты от-
носительно друг друга на десятки градусов. На границах зерен име-
ется поврежденный переходный слой толщиной порядка нескольких
атомных слоев, свойства и химический состав которого могут отли-
чаться от свойств тела зерна.

Кристаллические решетки зерна могут иметь различные струк-
турные несовершенства; точечные, линейные и поверхностные, ко-
торые возникают в результате образования вакансий — мест не
занятых атомами; дислоцированных атомов, вышедших из узла ре-
шетки; дислокаций, возникающих при появлении в кристалле неза-
конченных атомных плоскостей; примесных атомов, внедренных
в кристаллическую решетку.

При наличии таких несовершенств зерно разделяется на блоки
и имеет структуру, которая называется микромозаичной. Отдельные
мозаики повернуты относительно друг друга на небольшой угол
(—1°). Решетки соседних блоков не совпадают по ориентации, что
приводит к нарушению правильности решеток. Гричина возникно-
вения вакансий и дислокаций — нарупвпие правильности порядка

Рис. 1.2. Кристалл дре-
вовидной формы

Рис. 1.3. Схема строения поликристалла
присоединения атомов при росте кристалла или сильное искажение
решетки при пластическом деформировании.

Искажение кристаллической решетки и состояние границ зерен
в металлах влияют на свойства зерен. Например, прочность может
увеличиться вследствие искажения кристаллической решетки вблизи
границ или уменьшится в связи с наличием в них примесей, которые
всегда присутствуют в расплаве.

Примеси, растворенные в жидком металле, могут также измель-
чать зерно и изменять его форму. Примеси при затвердевании в виде
тонкого слоя осаждаются на поверхности растущего кристалла и
ограничивают его рост. Чем больше скорости охлаждения и заро-.
ждения центров кристаллизации,тем больше скорость кристаллиза-
ции и тем мелкозерпистее структура сплава. При мелкозернистой
структуре механические свойства сплава повышаются.

11ри переходе сплава из жидкого состояния в твердое происходит
усадка, сопровождаемая уменьшением удельного объема зериа.
В результате усадки между зернами в местах соприкосновения ра-
стущих дендритов, в междуосных пространствах возникают микро-
пустоты, которые могут заполняться неметаллическими включениями
(сульфидами, фосфидами и т. п.) или оставаться микроскопическими
усадочными раковинами и порами. Такие включения и поры ухуд-
шают механические свойства сплава, так как при его нагреве и при-
ложении к нему нагрузок становятся очагами развития трещин,
надрывов и тому подобных дефектов.

4.	СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

К основным свойствам металлов и сплавов относятся ме-
ханические, физические, химические, технологические и эксплуата-
ционные.

Механические свойства. Основные из них — прочность, пластич-
ность, твердость и ударная вязкость. Внешняя нагрузка вызывает
в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение — это
нагрузка (сила), отнесенная к площади поперечного сечения, МПа:

о = P/F,

где Р — нагрузка, МН; F — площадь поперечного сечения, м2.
Напряжение, возникающее в металле, вызывает деформацию.

Деформация — изменение формы и размеров тела под влиянием воз-
действия внешних сил или в результате физико-механических про-
цессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превраще-
ний, усадки и т. п.). Деформация может быть упругая (исчеза-
ющая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся
после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая дефор-
мация переходит в пластическую; при дальнейшем повышении на-
грузки происходит разрушение тела.

Прочность — это способность твердого тела сопротивляться де-
формации или разрушению под действием статических или динами-
ческих нагрузок. Прочность определяют с помощью специальных ме-
8
Рис. 1.5. Схемы испытания на ударную еяз-

испытания па прочность и пла- кость

стичпость при растяжении:

h — длина головки, закрепляемой ХЗНИЧССКПХ ИСПЫТаНИИ Образцов, ИЗГО-
товленных из исследуемого материала.

длина образца после испытания; Для определения ПРОЧНОСТИ ПрИ
R — радиус скругления	г	2

статических нагрузках образцы пспы-
тывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытания па
растяжение — обязательны. Прочность при статических нагруз-

Рис. 1.4. Плоский образец для

ках оценивается временным сопротивлением щ, и пределом теку-
чести стг; о„ — это условное напряжение, соответствующее наиболь-
шей нагрузке, предшествующей разрушению образца; <гт — напря-
жение, при котором начинается пластическое течение металла. На
рис. 1.4 представлен типовой образец прямоугольного сечения для
испытаний на растяжение.

Прочность при динамических нагрузках оценивают по ударной
вязкости, Дж/м2 (рис, 1.5):

КС = A/F,

где А — работа, затраченная на разрушение образца, Дж; F — пло-
щадь образца в месте надреза, м2.

Пластичность— это способность материала получать остаточное
изменение формы и размера без разрушения. Пластичность характери-
зуется относительным удлинением 6 при разрыве , %:

6 = (I — /0) 100//,

где I — длина образца после разрыва, мм; /0 — первоначальная длина
образца, мм.

Твердость — это способность материала сопротивляться внедре-
нию в него другого, не получающего остаточных деформаций, тела.
Значение твердости и ее размерность для одного и того же материала
зависят от применяемого метода измерения. Значения твердости, оп-
ределенные различными методами, пересчитывают по таблицам и
эмпирическим формулам. Например, твердость по Бринеллю (НВ,
МПа) определяют из отношения нагрузки Р, приложенной к шарику,
к площади поверхности полученного отпечатка шарика Fmn:

НВ = P/Fma.

На рис. 1.6 приведена схема, по которой замеряют твердость.

Физические свойства. К физическим свойствам металлов и спла-
вов относятся температура плавления, плотность, температурный
Рис. 1.6. Схема измерения твердости:

D — диаметр шарика, мм; d — диаметр отпечатка, мм;
h — глубина отпечатка, мм

коэффициент, электросопротивление и теп-
лопроводность. Физические свойства спла-
вов обусловлены их составом и струк-
турой.

Химические свойства. К хими-
ческим свойствам относятся способ-

ность к химическому взаимодействию с агрессивными средами.

Технологические свойства. Способность материала подвергаться
различным методам горячей и холодной обработки определяют по
его технологическим свойствам. К технологическим свойствам ме-
таллов и сплавов относятся литейные свойства, деформируемость,
свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом. Эти
свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и

получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и
склонностью к ликвации.

Деформируемость — это способность принимать необходимую
форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наи-
меньшем сопротивлении нагрузке.

Свариваемость — это способность металлов и сплавов образо-
вывать неразъемные соединения требуемого качества.

Эксплуатационные, или служебные свойства. В зависимости от
условий работы машины или конструкции определяют коррозионную
стойкость; хладостойкость; жаропрочность, жаростойкость; анти-
фрикционность материала.

Коррозионная стойкость — сопротивление сплава действию аг-
рессивных кислотных и щелочных сред.

Хладостойкость — способность сплава сохранять пластические
свойства при температурах ниже О °C.

Жаропрочность — способность сплава сохранять механические
свойства при высоких температурах.

Жаростойкость — способность сплава сопротивляться окислению
в газовой среде при высоких температурах.

Антифрикционность — способность сплава прирабатываться к
другому сплаву.

Эти свойства определяются в зависимости от условий работы
машины или конструкции специальными испытаниями.

5.	ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

В сплавах при охлаждении и нагреве происходят изме-
нения и образуются новые фазы и структуры. Эти изменения можно
определить по диаграмме состояния. Диаграммой состояния назы-
вается графическое изображение, показывающее фазовый состав и
структуру сплавов в зависимости от температуры и химической
концентрации компонентов в условиях равновесия.
Фаза — однородная часть системы, отделенная от других частей
поверхностью раздела, при переходе через которую свойства сплава
изменяются скачкообразно. Большое практическое значение имеет
диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 1.7).

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов. В зави-
симости от температуры и концентрации углерода железоуглероди-
стые сплавы имеют следующие составляющие:

аустенит — твердый раствор углерода в у-железе с предельной
концентрацией углерода 2,14 % при температуре 1145 °C; с пони-
жением температуры до 727 °C концентрация углерода уменьшается
до 0,8 %; сталь со структурой аустенита немагнитна и имеет высокие
пластичность и вязкость;

феррит — твердый раствор углерода в сс-железе с предельной
концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727 СС; феррит
имеет малую твердость и высокую пластичность;

цементит — химическое соединение железа с углеродом Fe3C
(6,67 % С); имеет большие твердость и хрупкость;

перлит — механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита,
образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8 % С);
сталь, имеющая структуру перлита, обладает большими прочностью
и твердостью;

ледебурит (4,3 % С) — механическая смесь (эвтектика) аустенита
или перлита и цементита; ниже 727 °C аустенит превращается в пер-
лит, при этом образуется смесь перлита и цементита;

графит — углерод в свободном состоянии, располагается в ос-
новной массе металла и имеет развитую объемную форму в виде пла-
стинок; кроме пластинчатого графита можно получить графит ком-
пактных форм (шаровидный или хлопьевидный), образующийся

И
в результате распада цементита или выделяющийся из пересыщенных
твердых растворов железа с углеродом. В железоуглеродистом сплаве
графит образуется при содержании Si 2г 1,5 % и при очень мед-
ленном охлаждении. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Основные
свойства сплава определяются содержанием главной примеси —
углерода. Взаимодействие углерода с а- или ^-модификациями железа
приводит к образованию железоуглеродистых сплавов, различных
по строению и свойствам. Построение диаграммы состояния железо—
углерод (цементит) дает представление о температурных и кон-
центрационных границах существования этих сплавов.

На диаграмме состояния железо—цементит (рис. 1.7) линия
ACD — линия ликвидуса, выше нее сплав находится в жидком со-
стоянии; линия AECF — линия солидуса, ниже нее сплав находится
в твердом состоянии. При температурах, соответствующих линии
AECF заканчивается первичная кристаллизация. В точке С при
концентрации углерода 4,3 % образуется эвтектика, которая носит
название ледебурит. Линия PSK — эвтектоидная линия, на которой
заканчивается процесс вторичной кристаллизации. Линия PS—
линия нижних критических точек ,4V Линия GSE — начало процесса
вторичной кристаллизации твердого раствора. Линия GS — линия
верхних критических точек Л/, она показывает температуру выделе-
ния феррита из аустенита. Линия SE — линия верхних критических
точек Ат; она показывает температуру начала выделения вторичного
цементита и является линией предельной растворимости углерода
в аустените. Сплавы, содержащие до 2,14 % С, условно называют
сталями, более 2,14 % С — чугунами. Сталь, содержащая 0,8 % С,
называется эвтектоидной сталью; сталь, содержащая менее 0,8 % С —
доэвтектоидной. Сталь, содержащая более 0,8 % С — заэвтектоидной.

Практическое применение диаграммы Fe- Fe3C. Диаграмму
Fe—Fe;iC используют для определения видов и температурных ин-
тервалов термической обработки стали; для назначения температур-
ного интервала при обработке давлением; для определения темпера-
туры плавления и заливки сплава и его литейных свойств (жидко-
текучести, усадки).

Основой процессов термической обработки является полимор-
физм железа и его твердых растворов на базе а- и у-железа. Поли-
морфные превращения стали данного состава происходят в опреде-
ленном интервале температур, ограниченном нижней Л, и верхними
А3 и Ат критическими точками.

В результате полиморфизма происходит перекристаллизация
в твердом состоянии. Перекристаллизация — это изменение кри-
сталлического строения стали при ее нагреве или при охлаждении
до определенных температур.

Таким образом, термическая обработка заключается в нагреве
сплавов до определенных температур, выдержке их при этих тем-
пературах и последующем охлаждении с различной скоростью. При
этом изменяются структура сплава, а следовательно, и его свойства.
Изменяя режим термической обработки, можно получить различные
12
физико-механические свойства и структуры железоуглеродистых
сплавов.

Основные операции термической обработки— отжиг, нормализа-
ция, закалка и отпуск.

О т ж п г — фазовая перекристаллизация, нагрев доэвтектоид-
ной стали выше точки Ая, заэвтектоидной выше точки Ат с после-
дующим охлаждением вместе с печью. При полном отжиге структура
сплава состоит из феррита и перлита (доэвтектоидные стали) или
из перлита и вторичного цементита (заэвтектоидные стали). Отжиг
снимает внутреннее напряжение, понижает твердость и повышает
пластичность, устраняет химическую неоднородность. Неполный
отжиг— нагрев выше точки AL, но ниже Аа; происходит неполная
фазовая перекристаллизация.

Нормализация — нагрев выше точки Ая, охлаждение
на воздухе; измельчение зерна и повышение прочности.

3 а к а л к а — нагрев выше точки быстрое охлаждение в воде
пли масле; повышение твердости и прочности.

Регулируя скорость охлаждения стали из аустенитного состоя-
ния, можно получать различные структуры: мартенсит, троостит,
сорбит и перлит.

Структура мартенсита образуется при быстром охлаждении
в результате перехода решетки твердого раствора у-железа (аусте-
нита) в решетку твердого раствора a-железа (феррита) без выделения
углерода из раствора. Переход у-железа в a-железо сопровождается
изменением объемов кристаллических решеток, что вызывает появ-
ление внутренних, дополнительных напряжений. Мартенсит пред-
ставляет собой пересыщенный раствор углерода в a-железе с иска-
женной кристаллической решеткой. Сплав со структурой мартен-
сита обладает большой твердостью и прочностью.

Структура троостита образуется при более медленном охлажде-
нии и представляет собой смесь феррита и цементита с высокой дис-
персностью. Троостит имеет меньшие твердость и прочность, чем
мартенсит.

Структура сорбита образуется еще при более медленном охлажде-
нии. Зерна феррита укрупняются, образуется мелкодисперсная
феррито-карбидная смесь.

Структура перлита образуется в результате очень медленного
охлаждения сплава вместе с печью и является у эвтектоидных сталей
конечной структурой распада аустенита; у доэвтектоидных сталей
конечной структурой будет грубая смесь феррита и перлита; у за-
эвтектоидных сталей — смесь перлита и цементита.

Отпуск — нагрев ниже точки Ai и медленное охлаждение;
его применяют как сопутствующую операцию после закалки для по-
лучения более устойчивых структур. Высокий отпуск (нагрев до тем-
пературы 700 °C) применяют для повышения пластичности и обраба-
тываемости при небольшом снижении прочности закаленной стали;
низкий отпуск (нагрев до температуры 250 °C) применяют для
повышения вязкости закаленной стали при сохранении проч-
ности.
Температурный интервал при горячей обработке давлением.
Этт интервал находится ниже линии солидуса на 100—150 °C
(верхний предел) и выше линии критических точек А3 па 25—50 °C
(нижний предел).

Температуру плавления определяют по линии ликвидуса. Тем-
пература заливки должна быть выше линии ликвидуса

6.	ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

На свойства железоуглеродистых сплавов влияет наличие
в них постоянных примесей (вредных — серы, фосфора, кислорода,
азота, водорода; полезных — кремния, марганца и др.). Эти примеси
могут попадать в сплав из природных соединений (руд), например,
сера и фосфор; из металлического лома — хром, никель и др.; в про-
цессе раскисления — кремний и марганец.

Влияние углерода. Углерод в железоуглеродисто,м сплаве нахо-
дится главным образом в связанном состоянии в виде цементита.
В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах.
С увеличением содержания углерода возрастает твердость, прочность
и уменьшается пластичность.

Влияние серы. Сера является вредной примесью. Она образует
легкоплавкую эвтектику FeS -F Fe. При кристаллизации сплава
легкоплавкая эвтектика располагается по границам зерен и при
повторном нагреве расплавляется, в результате чего нарушается
связь между зернами, что приводит к образованию трещин и надры-
вов. Это явление носит название красноломкости. Допускается со-
держание серы до 0,06 %.

Влияние фосфора. Фосфор растворяется в у- и a-железе, иска-
жаем кристаллическую решетку и ухудшает пластические свойства
сплава Фосфор вызывает явление хладноломкости. Фосфор — вред-
ная примесь, и его содержание в сталях не должно превышать 0,08%.
В чугуне допускается до 0,3 % Р.

Влияние азота, кислорода и водорода. Эти элементы присут-
ствуют в сплавах или в составе хрупких неметаллических включений,
например оксидов FeO, SiO2, А12О3, нитридов Fe4N, или в свободном
состоянии, при этом они располагаются в дефектных местах в виде
молекулярного и атомарного газов. Неметаллические включения
служат концентраторами напряжений и могут понизить механические
свойства (прочность, пластичность).

Водород поглощается сталью в атомарном состоянии. При охла-
ждении сплава растворимость водорода уменьшается, и в молеку-
лярной форме он накапливается в микропорах под высоким давле-
нием. Таким образом, водород может стать причиной образования
внутренних надрывов в металле (флокенов).

Влияние кремния и марганца, Кремний и марганец попадают в
железоуглеродистый сплав при его выплавке в процессе раскисления.
Оксиды кремния (SiO2) связывают закись железа (FeO) в силикаты
(FeO SiO2) и удаляются вместе со шлаками.
Кремний, растворяясь в феррите, повышает предел текучести
и уменьшает склонность к хладноломкости. Кремний способствует
графитизации чугуна.

Марганец образует твердый раствор с железом и немного повы-
шает твердость и прочность феррита. В присутствии серы он частично
связывается с серой в сернистый марганец и переходит в шлак.
При содержании марганца более 1,5 % снижаются пластические
свойства стали. В сталях содержится обычно пе более 0,4 % Si
и 0,8 % Мп.

7.	ОСНОВЫ КЛАССИФИКАЦИИ СТАЛЕЙ И ИХ
МАРКИРОВКА

Классификация сталей. Стали классифицируют по хими-
ческому составу, качеству п назначению. По химическому составу
классифицируют главным образом конструкционные стали. Конст-
рукционными называют стали, предназначенные для изготовления
деталей машин и металлических конструкций. Конструкционные
стали делят на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые С < 0,094-
0,25 %; среднеуглеродистые С 0,254-0,45 % и высокоуглероди-
стые С < 0,454-0,75 %. Легированные стали условно подразделяют
на низколегированные с содержанием легирующих элементов в сумме
2,5—5 %; среднелегированные — до 10 % и высоколегированные —
более 10 %.

Другие стали, например инструментальные, с особыми физико-
химическими свойствами по химическому составу обычно не класси-
фицируют.

Качество сталей определяется условиями металлургического
производства и содержанием в них вредных примесей. Стали класси-
фицируют на группы А, Б, В.

К группе А относят стали обыкновенного качества. Они
могут иметь повышенное содержание серы (до 0,06 %) и фосфора (до
0,07 %).

Механические свойства сталей обыкновенного качества ниже
механических свойств сталей других групп. Основным элементом,
определяющим механические свойства этих сталей, является углерод.
Их выплавляют в кислородных конвертерах и мартеновских печах.
Стали обыкновенного качества подразделяют на спокойные (полно-
стью раскисленные), кипящие (не полностью раскисленные) и полу-
спокойные (занимающие промежуточное положение между спокой-
ными и кипящими). Спокойные, полуспокойные и кипящие стали обоз-
начают в конце марки буквами соответственно «сп»; «пс» и «кп».

К группе Б относят качественные стали — углеродистые или
легированные. В этих сталях содержание серы и фосфора не должно
превышать 0,035 % каждого. Выплавляют их в основных мартенов-
ских печах.

К группе В относят высококачественные стали, главным об-
разом легированные, выплавляемые в электропечах. В этих сталях
содержание серы и фосфора не должно превышать 0,025 % каж-
дого.

Особовысококачественные стали выплавляют в электропечах
с последующими электрошлаковым переплавом, вакуумнодуговым
переплавом и т. п. Содержание серы и фосфора — до 0,015 % каж-
дого.

По назначению стали подразделяют на строительные, машино-
строительные (конструкционные, общего назначения), инструмен-
тальные, машиностроительные специализированного назначения,
с особыми физическими свойствами, с особыми химическими свой-
ствами (устойчивые к коррозии).

Строительные стали — это углеродистые и некоторые низколе-
гированные стали с небольшим содержанием углерода; стали обык-
новенного качества.

Для машиностроительных сталей (конструкционных) общего
назначения главной характеристикой являются их механические
свойства, которые зависят от содержания углерода, изменяющегося
в пределах 0,05—0,75 %.

Инструментальные стали имеют высокие твердость, прочность
и износостойкость. Их используют для изготовления режущего и из-
мерительного инструментов, штампов и т. д. Твердость и вязкость
зависят от содержания в инструментальных сталях углерода.

Машиностроительные стали и сплавы специализированного наз-
начения характеризуются их механическими свойствами при низ-
ких н высоких температурах; физическими, химическими и техноло-
гическими свойствами. Они могут быть использованы для эксплуа-
тации в особых условиях (при температурах ниже 0 °C, при нагреве,
динамических нагрузках и т. п.).

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами получают
в результате специального легирования и термической обработки.
Их применяют в основном в приборостроении, электронной, радио-
технической промышленности и г. д.

Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (стойкие
к коррозии) содержат не менее 12,5—13 % Сг. Стали с высоким
содержанием хрома и никеля — стойкие в агрессивных средах.

Маркировка сталей. Стали обыкновенного качества обозначают
СтО— Стб. Чем выше номер, тем выше содержание углерода и проч-
ностные свойства стали.

Качественные, высококачественные и особовысококачественные
стали маркируют следующим образом. Содержание углерода указы-
вают в начале марки цифрой, соответствующей его содержанию:
в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,75 % С (кон-
струкционные стали), и в десятых долях процента для сталей, име-
ющих более 0.75 % С (инструментальные стали). Соответственно
сталь, содержащую до 0,1 % С, обозначают сталь 10, сталь
с 0,5 % С — сталь 50, сталь с 1 % С — сталь У10.

Легирующие элементы обозначают русскими буквами, например
Н (никель); Г (марганец); X (хром); С (кремний) и т. д. Если после
буквы нет цифры, то сталь содержит 1—1,5 % легирующего элемента,
16
кроме молибдена и ванадия, содержание которых в сталях обычно
до 0,2—0,3 %, если стоит цифра, то она указывает содержание ле-
гирующего элемента в процентах.

Различие в обозначении качественной стали по сравнению с вы-
сококачественной сталью состоит в том, что в конце марки высокока-
чественной стали ставят букву «А»: сталь 30ХНМ — качественная,
а стали ЗОХНМА и У10А — высококачественные. В конце марки
особовысококачественной стали электрошлакового переплава стоит
буква «Ш».

Для некоторых высококачественных сталей бывают следующие
отклонения в обозначении. Все легированные стали и сплавы с осо-
быми физическими свойствами всегда высококачественные, поэтому
в марках этих сталей букву «А» не ставят. Шарикоподшипниковые
стали обозначают в начале марки буквами «ШХ», затем стоит содер-
жание хрома в десятых долях процента, например, сталь ШХ15.
Быстрорежущие сложнолегированпые стали обозначают буквой «Р»,
следующая за пей цифра указывает на процентное содержание
в ней вольфрама.

Электротехнические стали обозначают буквой «Э»; следующая
за ней цифра указывает на процентное содержание в ней кремния.

8.	ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Алюминий — легкий металл (плотность 2700 кг/м3), обла-
дает высокими теплопроводностью [200 Вт/(м-К)1 и электропрово-
димостью (10"5 См), стоек к коррозии. Температура плавления алю-
миния 658 °C.

Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные.
Те и другие могут быть неупрочняемые и упрочняемые термической
обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обраба-
тываются прокаткой, ковкой, штамповкой. К деформируемым алю-
миниевым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, от-
носятся сплавы системы А1—Мп (АМц), содержащие до 1,6 % Мп,
и сплавы системы А1—Mg (АМг), содержащие до 5,8 % Mg. Эти
сплавы обладают высокой пластичностью и невысокой прочностью.

К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термиче-
ской обработкой, относятся сплавы системы AI—Си—Mg с добавками
некоторых элементов (дуралюмины, ковочные сплавы), а также
высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного химического со-
става. Дуралюмины (Д16—Д18) содержат 3,8—4,8 % Си, 0,4 —
1,8 % Mg, а также 0,4—0,9 % Мп, который повышает коррозионную
стойкость сплавов. После термической обработки (закалка и ес-
тественное старение) эти сплавы имеют высокую прочность и удли-
нение. Ковочные сплавы (АК6—АК8) содержат 1,8—4,8 % Си,
0,4—0,8 % Mg, 0,4—1 % Мп, 0,6—1,2 % Si, хорошо деформиру-
ются в нагретом состоянии, обладают высокой прочностью после
закалки и старения. Их используют для изготовления крыльчаток,
рам, фитингов обработкой давлением.
Лите й и ы е алюминиевые сплавы применяют для изготов-
ления деталей машин и приборов литьем. Наиболее широко исполь-
зуют сплавы алюминия с содержанием 10—13 % Si (системы А1—Si)i
АЛ2, АЛ4, АЛ9.

Сплавы алюминия с медью (системы А1—Си, содержащие 4,5—
5,3 % Си) и марганцем (до 1 % Мп) обладают повышенной прочно-
стью. Это сплавы АЛ7, АЛ 19 и др. Их применяют для литья деталей,
работающих при достаточно высоких нагрузках (кронштейны,
арматура и др.).

Сплавы алюминия с магнием (системы А1—Mg, содержащие
9,5—11,5% Mg) обладают хорошей коррозионной стойкостью и
применяются для отливок, работающих во влажной атмосфере.
Это сплавы АЛ8, АЛ 13. Часто отливки из алюминиевых литейных
сплавов подвергают термической обработке (закалке и старению)
для повышения прочности, пластичности, снижения остаточных на-
пряжений.

Алюминий применяют для приготовления спеченных алю-
миниевых сплавов (САС) и спекаемых алюми-
ниевых пудр (САП), из которых изготовляют детали ме-
тодами порошковой металлургии, позволяющей получать детали
с особыми свойствами — коррозионной стойкостью, прочностью,
пористостью и т. д.

Магний — легкий металл (плотность 1740 кг/мя), температура
его плавления 651 СС. Промышленный магний марки Мг 96 содержит
99,92 % Mg, марки Мг 95 — 99,82 % Mg. Магниевые сплавы разде-
ляют на деформируемые и литейные, не упрочняемые и упрочняемые
термической обработкой.

Деформируемые магниевые сплавы (МА) содержат
до 2 % Мп, до 5 % А1, десятые доли процента церия, например
сплавы МА2, МА8, не упрочняемые термической обработкой; высо-
копрочные сплавы — до 9 % А1 и 0,5 % Мп (сплав МА5). Жаропроч-
ные магниевые сплавы содержат добавки циркония, никеля
и др.

Лите й н ы е магниевые сплавы (МЛ6, МЛЗ) содержат 2,5—
9 % А1 и 0,5—1,5 % Zn, а также 0,15—0,5 % Мп, имеют невысокий
модуль упругости (£ = 43 000 МПа) и вследствие этого хорошие
демпфирующие свойства (гасят колебания конструкции). Однако
эти сплавы обладают невысокой коррозионной стойкостью, и для
ее повышения отливки оксидируют, покрывают лаками.

Технически чистая медь имеет плотность 8940 кг/м3, температуру
плавления 1083 °C, обладает высокой пластичностью, коррозионной
стойкостью, малым удельным электросопротивлением (7-10-8 Ом'М),
высокой теплопроводностью [385 Вт/(м-К) ], и поэтому ее широко
используют для изготовления электропроводов, деталей электриче-
ских машин и приборов, в химическом машиностроении. Медь по
чистоте подразделяют на марки МО (99,95 % Си), Ml (99,9 % Си),
М2 (99,7 % Си), М3 (99,5 % Си), М4 (99 % Си).

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы —
это сплавы меди с оловом (4—33 % Sn), свинцом (30 % РЬ), алюми-
18
нием (5—11 % Al), кремнием (4—5 % Si), сурьмой и фосфором.
Латуни — это сплавы меди с цинком (до 50 % Zn) с небольшими
добавками алюминия, кремния, никеля, марганца. Медные сплавы
обозначают начальными буквами их названия (Л — латунь, Бр —
бронза), после чего следует первые буквы основных названий эле-
ментов, образующих сплав, и цифры, указывающие количество
легирующего элемента в процентах. Например, ЛЦ40Мц1,5— латунь,
содержащая 40 % Zn, 1,5 % Мп, остальное Си.

Бронзы и латуни разделяют на деформируемые и литейные. Ли-
тейные бронзы и латуни отличаются от деформируемых тем, что
в их состав вводят добавки, улучшающие литейные свойства
сплава — повышающие жидкотекучесть, уменьшающие усадку. Од-
нако эти добавки снижают пластические свойства литейных бронз
и латуней по сравнению с деформируемыми.

Титан — тугоплавкий металл [температура плавления (1665±
± 5) °C], плотность 4500 кг/м3. Временное сопротивление чистого
титана ап = 250 МПа, относительное удлинение 6 =70 %, он об-
ладает высокой коррозионной стойкостью. Удельная прочность
титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей.
Поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной
прочности уменьшить массу детали на 40 %. Однако титан имеет
низкую жаропрочность, так как при температурах выше 550—
600 °C легко окисляется и поглощает водород. Титан хорошо обраба-
тывается давлением, сваривается, из него изготовляют сложные от-
ливки, но обработка его резанием затруднительна.

Для получения сплавов с заданными свойствами титан легируют
алюминием, молибденом и др. Наибольшее применение нашли сплавы,
легированные алюминием, например сплав ВТ5 (до 5 % А1) с ов =
= 700-?900 МПа, б = 10-?-12 %. Из этого сплава получают поковки,
отливки.

Для получения требуемых механических свойств титановые
сплавы подвергают термической обработке (отжигу, закалке и ста-
рению) в печах с защитной атмосферой. Титан и его сплавы исполь-
зуют для изготовления деталей самолетов, в химическом машино-
строении, судостроении и других отраслях машиностроения.
РАЗДЕЛ 2

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ГЛ А В А I. СОВРЕМЕННОЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ

ПРОИЗВОДСТВО

1.	СТРУКТУРА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

И ЕГО ПРОДУКЦИЯ

Металлургическое производство — это сложная система
различных производств, базирующихся на месторождении руд, кок-
сующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает: шахты и
карьеры ио добыче руд и каменных углей; : орно-обогатительные ком-
бинаты, где обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимиче-
ские заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и
извлечение из них полезных химических продуктов; энергетиче-
ские цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей),
кислорода, очистки металлургических газов; доменные цехи для вы-
плавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железо-
рудных металлизовапных окатышей; заводы для производства
ферросплавов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские,
электросталеплавильные) для производства стали; прокатные цехи,
в которых слитки стали перерабатывают в сортовой прокат —
балки, рельсы, прутки, проволоку, лист и т. д.

Основная продукция черной металлургии: чугуны — передель-
ный, используемый для передела на сталь, и литейный — для произ-
водства фасонных чугунных отливок на машиностроительных за-
водах; железорудные металлизованные окатыши для выплавки
стали; ферросплавы (сплавы железа с. повышенным содержанием Мп,
Si, V, Ti и т. д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки
для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков, по-
лосы, проволоки), а также листа, труб и т. д.; стальные слитки для
изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т. д.,
называемые кузнечными слитками.

Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для
производства сортового проката (уголка, полосы, прутков и т. д.);
слитки (чушки) цветных металлов для изготовления отливок на
машиностроительных заводах; лигатуры — сплавы цветных металлов
с легирующими элементами, необходимые для производства сложных
легированных сплавов для отливок; слитки чистых и особо чистых
металлов для приборостроения, электронной техники и других от-
раслей машиностроения.

2.	МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Для производства чугуна, стали и цветных металлов ис-
пользуют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Промышленной рудой называют горную породу, из которой при
данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы
или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно
извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет:
железа на менее 30—60 %, меди 3—5 %, молибдена 0,005—0,02 %.

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соеди-
нения, и пустой породы (т. е. различных примесей). Руды называ-
ют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав.
Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д.

В зависимости от содержания добываемого металла, руды бы-
вают богатые и бедные. Бедные руды (с малым содержанием добывае-
мого металла) обогащают, т. е. удаляют из руды часть пустой по-
роды. В результате получают концентрат с повышенным содержа-
нием добываемого металла. Использование концентрата улучшает
технико-экономические показатели работы металлургических печей.

Флюсы — это материалы, загружаемые в плавильную печь для
образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или
концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шла-
ком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому
он располагается в печи над металлом и может быть удален в про-
цессе плавки. Шлак защищает метали от печных газов и воздуха.
Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные
оксиды (SiO2, Р.,О5), п основным, если в его составе больше основных
оксидов (СаО, MgO, FeO и др.).

Топливом в металлургических печах являются кокс, природный
газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах
сухой перегонкой при температуре 1000 °C (без доступа воздуха)
каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80—88 %
углерода, 8—12 % золы, 2—5 % влаги, 0,5—1,8 % серы, 0,02—
0,2 % фосфора и до 1—2 % летучих продуктов. Для доменной
плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и
золы. Куски кокса должны иметь размеры 25—60 мм. Кокс должен
обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под дей-
ствием шихтовых материалов.

Природный газ содержит 90—98 % углеводородов (СН4 и
С2Н0) и 1 % азота. Мазут содержит 84—88 % углерода, 10—12 %
водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, ис-
пользуют доменный или колошниковый газ, побочный продукт
доменного процесса.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутрен-
него облицовочного слоя (футеровки) .металлургических печей и ков-
шей для расплавленного металла. Огнеупорные материалы способны
выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять
резким изменениям температур, химическому воздействию шлака
и печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой
его размягчения. По химическим свойствам огнеупорные материа-
лы разделяют на кислые, основные, нейтральные.
Материалы, содержащие большое количество кремнезема SiO2,
называют кислыми (динасовые, кварцеглинистые), например, квар-
цевый песок (95 % SiO2), динасовый кирпич, огнеупорность которых
1690—1700 °C; материалы, содержащие основные оксиды (СаО,
MgO) — основными (магнезитовые, кирпич и металлургический по-
рошок, магпезитохромитовый кирпич, огнеупорность которого более
2000 °C); содержащие большое количество А12О3 и Сг,О3 — нейтраль-
ными (хромомагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные, напри-
мер шамотный кирпич, содержащий 50—60 % SiO2 и 30—40 %
А12О3).

При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и шла-
ками. Если в печи, выложенной основным огнеупорным материалом, применять
кислые флюсы, то взаимодействие шлака и футеровки приведет к ее разрушению.
То же произойдет, если в печи, выложенной огнеупорными материалами из кислых
оксидов, применить основные шлаки. Поэтому в печах с кислой футеровкой исполь-
зуют кислые шлаки, а в печах с основной — основные.

Углеродистый кирпич и блоки содержат до 92 % С в виде гра-
фита, обладают высокой огнеупорностью. Применяются для
кладки лещади доменных печей, электролизных ванн для получения
алюминия, тиглей для плавки и разливки медных сплавов.

ГЛАВА II ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

1.	МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ДОМЕННОМ
ПРОИЗВОДСТВЕ, И ИХ ПОДГОТОВКА К ПЛАВКЕ

Для выплавки чугуна в доменных печах используют
железные руды, топливо, флюсы.

Железные руды содержат железо в различных соединениях:
в виде оксидов Fe3O4, Fe2O3; гидроксидов Fe2O3-H2O, карбонатов
FeCO3 и др., а также пустую породу, состоящую в основном из
SiO2, Ai2Oa, СаО, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный
железняк Fe3O4 (55—60 % Fe), красный железняк Fe2O3 (55—
60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа
2Fe2O3-3H2O и Fe,03-H;,0 (37—55 % Fe); шпатовые железняки,
содержащие FeCO3 (30—40 % Fe).

Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа
с марганцем — ферромарганца (10—82 % Мп), а также передельных
чугунов, содержащих до 1 % Мп. Марганец в рудах содержится
в виде оксидов и карбонатов: МпО2, Мп203, Мп3О4, МпСО3 и др.

Хромовые руды используют для производства феррохрома, ме-
таллического хрома и огнеупорных материалов — хромомагнезитов.
Хромовые руды содержат хромит (FeO-Cr2O3), магнохромит (Mg,
Fe)Cr2O4 (до 40 % Сг2О3).

Комплексные руды используют для выплавки природно-легиро-
ванных чугунов. Это железомарганцевые руды (до 20 % Мп), хромо-
никелевые руды (37—47 % Fe, до 2 % Сг, до 1 % Ni), железована-
диевые руды (до 0,17—0,35 % V).
Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий по-
лучать необходимую температуру и создавать условия для восста-
новления железа из руды; в целях экономии часть кокса заменяют
природным газом, мазутом, пылевидным топливом.

Флюсом при выплавке чугуна в доменных исчах является из-
вестняк СаСОг( или доломитизировавный известняк, содержащий
CaCO,., и MgCO3, так как в шлаки должно входить определенное ко-
личество основных оксидов (СаО, MgO). Это необходимо для удале-
ния серы из металла, в который она переходит из кокса и железной
руды при плавке. Рекомендуется, чтобы в шлаке отношение (СаО 4-
+ MgO)/(SiO2 4- Л1,О3) ~ 1.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повыше-
ния производительности доменной печи, снижения расхода кокса
и улучшения качества чугуна. Цель этой подготовки состоит в уве-
личении содержания железа в шихте и уменьшении в ней вредных
примесей — серы, фосфора, повышение ее однородности по кускова-
тостн и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды
зависит от ее качества.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения
кусков оптимальной для плавки величины. Куски руды дробят
и сортируют на дробилках и классификаторах.

Обогащение руды основано на различии физических свойств
минералов, входящих в ее состав: плотностей составляющих, магнит-
ных, физико-химических свойств минералов. Промывка р у -
д ы водой позволяет отделить плотные составляющие руды от пустой
породы (песка, глины). Г равитация (отсадка) — это отделение
руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибри-
рующего сита, па котором лежит руда: пустая порода вытесняется
в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются.
Магнитная сепарация основана на различии магнит-
ных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы.
Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего
Железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы.

Окускование производят для переработки концентратов, получен-
ных после обогащения, в кусковые материалы необходимых размеров.
Применяют два способа окускования: агломерацию и окатывание.

Агломерация. Шихту, состоящую из железной руды (40—
Е0 %) известняка (15—20 %), возврата мелкого агломерата (20—30 %),
коксовой мелочи (4—6 %), влаги (6—9 %), спекают на агломераци-
онных машинах при температуре 1300—1500 °C. При спекании из
руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются кар-
бонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал —
агломерат.

Окатывание. Шихта из измельченных концентратов, флюса,
топлива, увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах,
тарельчатых чашах (грануляторах) приобретает форму шариков-
окатышей диаметром до 30 мм. Окатыши высушивают и обжигают
при температуре 1200—1350 СС на обжиговых мащинах, после чего
ски становятся прочными и пористыми. Использование агломерата
и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в до-
менную печь при плавке, так как флюс в необходимом количестве
входит в их состав.

2.	ВЫПЛАВКА ЧУГУНА

Чугун выплавляют в печах шахтного типа — доменных
печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заклю-
чается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды,
оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся
при сгорании топлива в печи.

Устройство доменной печи и ее работа. Доменная печь (рис. 2.1)
имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным
кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шах-
ту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части
колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь
загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши). Шихту
взвешивают, подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвига-
ются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высы-
пают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При
опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает
в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 — в доменную печь,
что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.
Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый
конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются
на угол, кратный 60°.

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опуска-
ются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции
шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был за-
полнен. Полезный объем печи — это объем, занимаемый шихтой от
лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата
при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный
объем 2000—5000 м3. Полезная высота доменной печи достигает
35 м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14,
через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для
горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения потерь теплоты
и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из
воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания
и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей, так что
между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к
горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сго-
рает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагревают ее и удаляются через
дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через
насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувкой ма-
шиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры
1000—1200 °C и поступает к фурменному устройству 14, а оттуда че-
рез фурмы 2 — в рабочее пространство. Доменная печь имеет не-
24
сколько воздухонагревателей: в то время как в одних насадка на-
гревается, в других насадка отдает теплоту холодному воздуху,
нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели
переключаются.

Горение топлива. Вблизи фурм (см. рис. 2.1) углерод кокса,
взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горе-
ния выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий
СО, СО2, N2, Н2, СН4 и др. При этом в печи несколько выше уровня
фурм развивается температура более 2000 °C. Горячие газы, подни-
маясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, ох-
лаждаясь до температуры 300—400 °C у колошника.
Шихт*. (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов,
и при температуре ~570 °C начинается восстановление оксидов
железа.

Восстановление железа в доменной печи. В результате взаимо-
действия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом
кокса, а также водородом происходит восстановление железа. Вос-
становление газами называют косвенным, а твердым углеродом —
прямым. Реакции косвенного восстановления — экзотермические
(сопровождающиеся выделением теплоты), они происходят главным
образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановле-
ния — эндотермические (сопровождающиеся поглощением теплоты),
они протекают в нижней части доменной печи, где температура
более высокая.

Восстановление железа из руды в доменной печи происходит
по мере продвижения шихты вниз по шахте печи и повышения тем-
пературы в несколько стадий, от высшего оксида к низшему:

Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe.

Опускаясь, шихта достигает зоны в печи, где температура 1000—
1100 °C. При этих температурах восстановленное из руды твердое
железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым
углеродом, интенсивно растворяет углерод, вследствие чего темпе-
ратура плавления железа понижается и на уровне распара и заплечи-
ков оно расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, проте-
кая по кускам кокса, насыщаются углеродом (до 4 % и более), мар-
ганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000—
1200 'С восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся
в коксе.

Марг а п е ц содержится в руде в виде Л\пО2, Мп2О3, Мп3О4.
Эти соединения легко восстанавливаются до МпО; взаимодействуя
с твердым углеродом, МпО образует карбид Мп3С, который растворя-
ется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне.
Другая часть МпО входит в состав шлака.

К р е м и п й, содержащийся в руде в виде SiO2, также частично
восстанавливается твердым углеродом и растворяется в железе.
Другая часть SiO2 переходит в шлак.

Ф о с ф о р содержится в руде в виде соединений (РеО),-Р2О5
и (СаО)3Р2О5. При температурах выше 1000 °C фосфат железа вос-
станавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образова-
нием фосфида железа. При температурах выше 1300 °C фосфор вос-
станавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe3P
полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы
и соединений FeS2, FeS, CaSO4. Сера летуча, и поэтому часть ее уда-
ляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS
растворяется в чугуне. Вследствие реакции

FeS + СаО = CaS Ч- FeO

часть серы в виде CaS удаляется в шлак.
Таким образом, в результате процесса восстановления оксидов
железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых
соединений, растворения в железе С, Мп, Si, Р, S в доменной печи
образуется чугун, а в результате сплавления оксидов А12О3, СаО,
MgO, пустой .породы руды, флюсов и золы топлива образуется
шлак. Шлак стекает в горн и скапливается на поверхности жидкого
чугуна благодаря меньшей плотности.

Чугун выпускают из печи через каждые 3—4 ч, а шлак — через
1 —1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 (см. рис. 2.1) —
отверстие в кладке, расположенное несколько выше лещади, а шлак —
через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают буриль-
ной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупорной
массой. Чугун и шлак сливают в чугуповозные ковши и шлаковозные
чаши. Чугун транспортируют в кислородно-конвертерные пли .мар-
теновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жид-
ком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он зат-
вердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Продукты доменной плавки. Чугун — основной про-
дукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун раз-
личного химического состава в зависимости от его назначения.

Передельный чугун выплавляют для передела его
в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4—
4,4 % С, до 0,6—0,8 % Si, ' до 0,25—1 % Мп, 0.15-0,3 % Р и
0,0.3—0,07 % S.

Л и т е й н ы н чугун используют па машиностроительных
заводах при производстве фасонных отливок. Он содержит 2,75—
3,25 % Si. Кроме чугуна в доменной печи выплавляют ферро-
сплавы доменные — сплавы железа с кремнием, марган-
цем и другими элементами. Их применяют для раскисления и леги-
рования стали. К ним относятся: ферросилиций (9—13 % Si и до
3 % Мп), ферромарганец (70—75 % Мп и до 2% Si), зеркальный
чугун (10—25 % Мп п до 2 % Si).

Побочные продукты доменной плавки — шлак и
доменный газ. Из шлака изготовляют шлаковату, цемент, сита-
лы, а доменный газ после очистки используют как топливо для на-
грева воздуха, вдуваемого в доменную печь.

Важнейшие технике-экономические показатели работы доменных печей: коэф-
фициент использования полезного объема доменной печи (КИПО) и удельный рас-
ход кокса. КИПО (м'/т) — это отношение полезного объема печи К (м1) к ее средне-
суточной производительности Р (т) выплавленного чугун:'.:

КИПО = V/P.

Чем выше производительность доменной печи, тем меньше КИПО. Для боль-
шинства доменных печей КИПО — 0,5л-0,7.

Удельный расход кокса К — отношение расхода А кокса за сутки к количе-
ству Р (т) чугуна, выплавленного за то же время:

К - А/Р.

Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5—0,7; чем ниже этот
показатель, тем лучше работает печь.

Доменный процесс получения чугуна требует значительного расхода кокса,
флюсов, электроэнергии для подготовки сжатого воздуха для дутья. Поэтому наряду
Рис. 2.2. Схема установки для прямого
восстановления железа из руд и полу-
чения металлмзованных окатышей
рой смесь разлагается на водород и
печи В создается температура 1000—11
рода восстанавливаю! железную руду
В результате содержание железа в ок

плавку стали в электропечах.

с выплавкой чугуна в доменных печах все
более широко используют более экономия*
, ные процессы прямого восстановления
железа из руд с последующей его плавкой
в электропечах для получения стали.
Один из таких процессов осуществлен на
Оскольском электрометаллургическом
, комбинате им. Л. И. Брежнева. Добытую
в карьерах руду обогащают и получают
окатыши (см. с. 23). Окатыши (рис. 2.2) из
бункера / по грохоту 2 поступают в ко-
роб 10 шихтозавалочиой машины и оттуда
в шахтную печь 9, работающую по прин-
ципу противотока. Просыпь от окатышей
из грохота 2 попадает в бункер 3 с брике-
тировочпым прессом и в виде окатышей
вновь поступает на грохот 2, подающий их
в загрузочное устройство. Для восстано-
вления железа из окатышей в печь по
трубопроводу 8 подают смесь природного
и доменного газов, подвергнутую в
установке 7 конверсии, в результате кото-
окись углерода. В восстановительной зоне
J0' С, при которой водород и окись угле-
з окатышах до твердого губчатого железа,
гтышах достигает 90—95 %. Для охлажде-

ния железных окатышей по трубопроводу 6 в зону охлаждения О печи подают
воздух. Охлажденные окатыши 5 выдаются па конвейер 4 и поступают на вы-

ГЛАВА III. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

1.	СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Основными материалами для производства стали являются
передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и
примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 2.1).

Поэтому сущностью любого металлургического передела чугуна
в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их
избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам,
поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают

Таблица 2,1

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %

Материал	с	Si	Мп	р	S
Передельный чу- гун	4-4,4	0,76-1,26	До 1,75	0,15-0,3	0,03—0,07
Сталь низкоуглс- роднетая	0,14—0,22	0,12—0,3	0,4—0,65	0,05	0,055
определенные условия, используя основные законы физической хи-
мии.

В соответствии с законом действующих масс скорость химиче-
ских реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ.
Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо,
то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна
с кислородом в сталеплавильной печи

Fe + 1 /2О2 — FeO + 263,68 кДж.	(1)

Одновременно с железом окисляются Si, Р, Мп, С и др.

Образующийся оксид железа при высоких температурах рас-
творяется в железе и отдает свой кислород более активным элемен-
там—примесям в чугуне, окисляя их:

2FeO + Si = SiO2 + 2Fe 330,5 кДж;	(2)

5FeO Д 2P = P2O5 + 5Fe + 225,94 кДж,	(3)

FeO + Mn = MnO + Fe 4- 122,59 кДж,	(4)

FeO + C = CO + Fe — 153,93 кДж.	(5)

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем ак-
тивнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей
в сталеплавильную печь добавляют железную руду, окалину, содер-
жащие много оксидов железа. Таким образом, основное количество
примесей окисляется за счет кислорода оксида железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от их кон-
центрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу
Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделя-
ющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких тем-
пературах или при некотором понижении температуры, а реакции,
поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких темпера-
турах или при некотором повышении температуры. Поэтому в на-
чале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут
процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие
с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только
при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются
две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Металл и шлак
разделяются из-за различных плотностей. В соответствии с законом
распределения (закон Нернста), если какое-либо вещество растворя-
ется в двух соприкасающихся, но несмеишвающихся жидкостях,
то распределение вещества между этими жидкостями происходит
до установления определенного соотношения (константы распреде-
ления) постоянного для данной температуры. Поэтому большинство
компонентов (Mn, Si, Р, S) и их соединения, растворимые в жидком
металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком
в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения, в зависимости от плотности будут
переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака,
можно менять соотношение между количеством примесей в металле
и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла
в шлак. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новый путем
подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси
(серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирование состава шлака
с помощью флюсов является одним из основных путей управления
металлургическими процессами.

Используя изложенные законы, процессы выплавки стали осуще-
ствляют в несколько этапов.

Первый этап — расплавление шихты и нагрев ванны жидкого
металла. На этом этапе температура металла невысока; интенсивно
происходит окисление железа, образование оксида железа и окисле-
ние примесей Si, Р, Мп по реакциям (1)—(4). Наиболее важная
задача этого этана: удаление фосфора — одной из вредных примесей
в стали. Для этого необходимо проведение плавки в основной печи,
в которой можно использовать основной шлак, содержащий СаО.
Выделяющийся ио реакции (3) фосфорный ангидрид образует
с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3-P2O5. Оксид кальция
СаО — более сильное основание, чем оксид железа поэтому при
невысоких температурах связывает ангидрид Р2О5, переводя
его в шлак:

2 [Р ]	5 (FeO) + 4 (СаО) (4СаО-Р2О5) + 5 [Fe],	(6)

Реакция образования фосфорного ангидрида протекает с выделением
теплоты, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье для удале-
ния фосфора из металла необходимы невысокие температуры ванны
металла и шлака. Из реакций (3) и (6) следует также, что для удале-
ния фосфора из металла необходимо достаточное содержание в шлаке
FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке в сталеплавильную
печь в этот период плавки добавляют окалину, железную руду,
наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из метатла
в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии
в законом распределения удаление фосфора из металла замедляется.
Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала
убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими
добавками СаО.

Второй этап — «кипение» металлической ванны •— начинается
по мере ее прогрева до более высоких температур, чем на первом
этапе. При повышении температуры металла в соответствии с прин-
ципом Ле Шателье более интенсивно протекает реакция (5) окисления
углерода, происходящая с поглощением теплоты. Поскольку в металле
содержится больше углерода, чем других примесей (см. табл. 2.1),
то в соответствии с законом действующих масс для окисления
углерода в металл вводят значительное количество руды, окалины или
вдувают кислород. Образующийся в металле оксид железа реаги-
рует с углеродом по реакции (5), а пузырьки оксида углерода СО
выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение» ванны. При
«кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого,
выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются
неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырь-
30
кам СО, а также другие газы, проникающие в пузырьки СО. Все
это способствует повышению качества металла. Поэтому этап «ки-
пения» ванны является основным в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из ме-
талла. Сера в стали находится в виде сульфида [FeS 1, который раст-
воряется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура,
тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т. е. больше серы
переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке
взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке:

(FeS) + (СаО) = (CaS) + (FeO).	(7)

Эта же реакция протекает на границе металл — шлак между
сульфидом железа в стали [FeS] и [СаО] в шлаке:

[FeS ] + (СаО) = (CaS) + (FeO).	(8)

Образующееся соединение CaS растворимо в шлаке, но не растворя-
ется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Как следует из реакций (7) и (8), чем больше в шлаке (СаО) и
меньше (FeO), тем полнее удаляется из стали сера. Поэтому при
плавке в основных печах можно снизить содержание углерода и серы
в стали, выплавлять сталь из шихты любого химического состава.

В сталеплавильных печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения
количества фосфора и серы в стали, так как использовать основной шлак с высо-
ким содержанием (СаО) нельзя из-за разрушения футеровки, а содержание (FeO)
В шлаке недостаточно. Поэтому в кислых печах можно выплавить сталь только из
шихтовых материалов с малым количеством серы и фосфора.

Третий этап (завершающий) — раскисление стали — заключается
в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле.
При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо
для окисления примесей, но в готовой стали кислород — вредная
примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно
при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами:
осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляют введением в жидкую
сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция,
алюминия), содержащих элементы (Мп, Si, Al и др.), которые в дан-
ных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо.
В результате раскисления восстанавливается железо и образуются
оксиды MnO, SiO2, А1,О3 и другие, которые имеют меньшую плот-
ность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть их может оста-
ться в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осуществляют раскислением шлака.
Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители в мелкораз-
мельченвом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители,
восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке.
В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный
в стали, начнет переходить в шлак. Образующиеся при таком спо-
собе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное же-
лезо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметалли-
ческих включений и повышает ее качество.

При пларке в кислой печи процесс плавки протекает при кислом шлаке (55—
58 % SiO2) и условия для раскисления стали более благоприятные: кремнезем,
обладающий сильными кислотными свойствами, связывает FeO в соединение типа
FeO-SiO.., После длительной выдержки под кислым шлаком содержание оксида
железа в стали резко уменьшается и окончательно сталь раскисляют небольшой
добавкой ферромарганца.

В зависимости от степени раскисленпости выплавляют спокой-
ные, кипящие п полуспокойные стали.

Спокойная с т а л ь получается при полном раскислении
в печи и ковше.

К и п я щ а я стал ь раскислена в печи неполностью. Ее
раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка,
благодаря взаимодействию FeO и углерода, содержащихся в металле.
Образующийся при реакции FeO -J- С = Fe + СО оксид углерода
выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода.
Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее «кипение». Кипящая
сталь практически не содержит неметаллических включений — про-
дуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспо к о иная сталь имеет промежуточную рас-
кислениость между спокойной и кипящей. Частично она раскисля-
ется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодей-
ствию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляют введением ферросплавов или
чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие
элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni,
Со, Мо, Си), при плавке н разливке практически не окисляются
и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с
остальной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к
кислороду больше, чем у железа (Si, Мп, Al, Сг, V, Ti и др.),
вводят в металл после или одновременно с раскислением, в конце
плавки, а иногда непосредственно в ковш.

Чугун переделывают в ...таль в различных по принципу действия
металлургических агрегатах- мартеновских печах, кислородных
конвертерах, дуговых электропечах.

2.	ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В МАРТЕНОВСКИХ ПЕЧАХ

Устройство и работа мартеновской нечи. Мартеновская
печь (рис. 2.3) — пламенная отражательная регенеративная печь.
Она имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу
подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стен-
ками Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стен-
кам печи. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если
в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные окислы,
процесс иазываюг основным мартеновским процессом, а если кис-
лые — кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезито-
вым кирпичом, на который набивают магнезитовый порошок. Кис-
лую мартеновскую печь футеруют динасовым кирпичом, а подину
32
набивают из кварцевого песка. Свод мартеновской печи делают из
динасового кирпича или магнезитохромитового кирпича. В передней
стенке печи имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса,
а в задней — отверстие 9 для выпуска готовой стали.

В нашей стране работают мартеновские печи вместимостью 200—
900 т жидкой стали. Характеристикой рабочего пространства
является площадь пода печи, которую условно подсчи-
тывают на уровне порогов загрузочных окон. Например, для печи
вместимостью 900 т площадь пода составляет 115 м2. Головки печи 2
служат для смешения топлива (мазута или газа) с воздухом и подачи
этой смеси в плавильное пространство.

Для подогрева воздуха и газа (при работе на низкокалорийном
газе печь имеет два регенератора 1. Регенератор—это камера, в
которой размещена насадка — огнеупорный кирпич, выложенный

2 А, М, Дальский и др.	33
в клетку. Отходящие из печи газы имеют температуру 1500—1600 °C.
Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1250—1280 °C.
Через один из регенераторов, например, правый, подают воздух,
который, проходя через насадку, нагревается до температуры 1100—
1200 °C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом!
на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.
Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую),
очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа
частиц шлака и пыли, и направляются во второй (левый) регенератор,
нагревая его насадку. Охлажденные газы покидают печь через
дымовую трубу 8. После охлаждения насадки правого регенератора
переключают клапаны и поток газов в печи изменяет направление;
через нагретые левый регенератор и головку в печь поступает воздух,
а правый нагревается теплотой отходящих газов.

Факел имеет температуру 1750—1800 °C и нагревает рабочее
пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей
шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке,
различают разновидности мартеновского процесса: 1) скрап-про-
цесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25—
45 % чушкового передельного чугуна; процесс применяют на заво-
дах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных
центрах, где много металлолома; 2) скрап-рудный процесс, при
котором шихта состоит из жидкого чугуна (55—75 %), скрапа и
железной руды; процесс применяют на металлургических заводах,
имеющих доменные печи. Наибольшее количество стали производят
скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеров-
кой, что позволяет переделывать в сталь различные шихтовые ма-
териалы.

Плавка стали скрап-рудным процессом в основной мартеновской
печи. В печь с помощью завалочной машины загружают же-
лезную руду и известняки после их прогрева подают
скрап. По окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чу-
гун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. В п е -
р и о д плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно
окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор по реакции (6), мар-
ганец и частично углерод. Оксиды SiO2, Р2О5, МпО, а также СаО
и извести образуют шлак с высоким содержанием FeO и МпО (желе-
зистый шлак).

После расплавления шихты, окисления значительной части при-
месей и разогрева металла проводят период «кипения»
ванны: в печь загружают железную руду или продувают ванну
подаваемым по трубам 3 (см. рис. 2.3) кислородом. Углерод в металле
интенсивно окисляется, образуется оксид углерода. В это время от-
ключают подачу топлива и воздуха в печь и удаляют шлак.

Для удаления из металла серы наводят новый шлак, подавая
на зеркало металла известь с добавлением боксита или плавикового
шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание СаО в шлаке
возрастает, a FeO уменьшается. Это создает условия для ин-
34
Тенсивного протекания реакций (7) и (8) и удаления из металла
серы.

В период «кипения» углерод интенсивно окисляется. Поэтому
для «кипения» ванны шихта должна содержать избыток углерода
(на 0,5—0,6 %) сверх заданного в выплавляемой стали. В процессе
«кипения» металл доводится до заданного химического состава, его
температура выравнивается по объему ванны, из него удаляются
газы и неметаллические включения. Процесс «кипения» считают
окончившимся, если содержание углерода в металле соответствует
заданному, а содержание фосфора минимально.

После этого металл раскисляютв два этапа: 1) в период
«кипения» прекращают загрузку руды в печь, вследствие чего рас-
кисление идет путем окисления углерода металла, одновременно
подавая в ванну раскислители —ферромарганец, ферросилиций,
алюминий; 2) окончательно раскисляют алюминием и ферросилицием
в ковше при выпуске стали из печи. После отбора контрольных
проб сталь выпускают в сталеразливочный ковш через отверствие
в задней стенке печи.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые
конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые,
хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые
получают в плавильных электропечах.

Кислый мартеновский процесс. Этим способом выплавляют каче-
ственные стали. Поскольку в печах с кислой футеровкой нельзя
навести основной шлак для удаления фосфора и серы, то применяют
шихту с низким содержанием этих составляющих. Стали, выплав-
ляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше водорода н
кислорода, неметаллических включений, чем выплавленные в основ-
ной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические
свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют
для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двига-
телей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Основные технико-экономические показатели производства стали в мартенов-
ских печах следующие: производительность печи, определяемая съемом стали с 1 м*
площади пода в сутки (т/м2 в сутки) и расход топлива на 1 т выплавляемой стали
(кг/т). Средний съем стали с 1 м2 площади пода в сутки составляет 10 т/м2, а расход
условного топлива — до 80 кг/т.

3.	ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В КИСЛОРОДНЫХ КОНВЕРТЕРАХ

Кислородно-конвертерный процесс — это выплавка стали
из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой
кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Кислородный конвертер —это сосуд грушевидной формы из сталь-
ного листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость кон-
вертера 130—350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер
может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на
360 °C для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса
являются жидкий передельный чугун (см. табл. 2.1), стальной лом

2*	35
Рис. 2.4. Последовательность технологических операций при выплавке стали
в кислородных конвертерах

(не более 30 %), известь для наведения шлака, железная руда, а та-
кже боксит (А12ОЯ), плавиковый шпат (CaF2), которые применяют
для разжижения шлака.

Технология плавки. Перед плавкой конвертер наклоняют, через
горловину с помощью завалочных машин загружают скрап
(рис. 2.4, а), заливают чугун при температуре 1250—1400 °C
(рис. 2.4, б). После этого конвертер поворачивают в вертикальное
рабочее положение (рис. 2.4, в), внутрь его вводят водоохлаждаемую
фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9—1,4 МПа.
Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь,
боксит, железную руду Струи кислорода проникают в металл, вызы-
вают его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком.
Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при взаимодей-
ствии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до
2400 °C.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь
окисляется железо, так как его концентрация во много
раз выше, чем примесей. Образующийся оксид железа растворяется
в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, раство-
ренный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле,
и содержание их понижается. При этом происходит разогрев ванны
металла теплотой, выделяющейся при окислении примесей, под-
держание его в жидком состоянии.

В кислородном конвертере благодаря присутствию шлаков
с большим содержанием СаО и FeO, перемешиванию металла и
шлака создаются условия для удаления из металла фосфора по реак-
ции (6) в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура
36
еще невысока. В чугунах, перерабатываемых в конвертерах, не дол-
жно быть более 0,15 % Р. При повышенном (до 0,3 %) содержании
фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить но-
вый, что снижает производительность конвертера.

Удаление серы из металла в шлак протекает в течение всей плавки
по реакциям (7) и (8). Однако высокое содержание в шлаке FeO
(до 7—20 %) затрудняет удаление серы из металла. Поэтому для
передела в сталь в кислородных конвертерах применяют чугун с со-
держанием до 0,07 % S.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода
в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачи-
вают и выпускают сталь в ковш (рис. 2.4, а).

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше
осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием;
затем из конвертера сливают шлак (рис. 2.4, 5).

В кислородных конвертерах выплавляют конструкционные стали
с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержа-
щие легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них вы-
плавляют низколегированные (до 2—3 % легирующих элементов)
стали. Легирующие элементы вводят в ковш, расплавив их в электро-
печи, или твердые ферросплавы вводят в ковш перед выпуском в него
стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130—300 т заканчива-
ется через 25—50 мин. Кислородно-конвертерный процесс более
производительный, чем плавка стали в мартеновских печах.

4.	ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравне-
нию с другими плавильными агрегатами, так как в них можно полу-
чать высокую температуру металла, создавать окислительную,
восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет
выплавлять сталь любого состава, раскислять металл с образованием
минимального количества неметаллических включений — продуктов
раскисления. Поэтому электропечи используют для выплавки кон-
струкционных, высоколегированных, инструментальных, специаль-
ных сталей и сплавов.

Плавильные электропечи бывают дуговыми и индукционными.

Дуговая плавильная электропечь (рис. 2.5) питается трехфазным
переменным током и имеет три цилиндрических электрода 9 из
графитизированной массы. Электрический ток от трансформатора
кабелями 7 подводится к электрододержателям 8, а через них —
к электродам 9 и ванне металла. Между электродами и металлической
шихтой 3 возникает электрическая дуга, электроэнергия превраща-
ется в теплоту, которая передается металлу и шлаку излучением.
Рабочее напряжение 160—600 В, сила тока 1—10 кА. Во время ра-
боты печи длина дуги регулируется автоматически путем перемеще-
ния электродов. Стальной кожух 4 печи футерован огнеупорным
кирпичом 7, основным (магнезитовый, магнезитохромитовый) или
.7

Рис. 2.5. Схема дуговой плавильной электропечи

кислым (динасовый). Подину 12 печи набивают огнеупорной мас-
сой. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12
и сводом 6 из огнеупорного кирпича. Для управления ходом плавки
имеются рабочее окно 10 и летка для выпуска готовой стали по
желобу 2 в ковш.

Печь загружают при снятом своде. Механизмом 11 печь может
наклоняться в сторону загрузочного окна и летки. Вместимость
этих печей 0,5—400 т. В металлургических цехах используют элект-
ропечи с основной футеровкой, а в литейных с кислой.

В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов;
на шихте из легированных отходов (методом переплава) и на углеро-
дистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отхо-
дов ведут без окисления примесей. Шихта
для такой плавки должна иметь меньше, чем в выплавляемой стали,
марганца и кремния и низкое содержание фосфора По сути это пе-
реплав Однако в процессе плавки примеси (алюминий, титан, крем-
ний, марганец, хром) окисляются. Кроме этого, шихта может содер-
жать оксиды После расплавления шихты из металла удаляют серу,
наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и дово-
дят металл до заданного химического состава. Затем проводят диф-
фузионное раскисление, подавая на шлак мелкораздробленный фер-
росилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные
стали из отходов машиностроительных заводов,

Плавку на углеродистой шихте применяют
для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту;
стальной лом (90 %), чушковый передельный чугун (до 10 %), элект-
родный бой или кокс для науглероживания металла и известь 2—3 %,
з»
Затем электроды опускают и включают ток; шихта под действием
электродов плавится, металл накапливается на подине печи. Во время
плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины
окисляются железо, кремний, фосфор, марганец и частично углерод.
Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной желе-
зистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла.

После нагрева металла и шлака до температуры 1500—1540 °C
в печь загружают руду и известь и проводят период «кипения»
металла; происходит дальнейшее окисление углерода. Когда содер-
жание углерода будет меньше заданного на 0,1 %, кипение пре-
кращают и удаляют из печи шлак. Затем приступают к удалению
серы и раскислению металла, доведению химического состава до за-
данного. Раскисление производят осаждением и диффузионным ме-
тодом. После удаления железистого шлака в печь подают силико-
марганец и силикокальций — раскислители для осаждающего рас-
кисления. Затем в печь загружают известь, плавиковый шпат и ша-
мотный бой. После расплавления флюсов и образования высокооснов-
ного шлака на его поверхность вводят раскислительную смесь для
диффузионного раскисления (известь, плавиковый шпат, молотый
кокс и ферросилиций), углерод кокса и кремний ферросилиция вос-
станавливают оксид железа в шлаке, содержание его в шлаке снижа-
ется, и кислород из металла по закону распределения переходит
в шлак. По мере раскисления и понижения содержания FeO шлак
становится почти белым. Раскисление под белым шлаком длится
30—60 мин.

В этот период создаются условия для удаления из металла серы,
что объясняется высоким ( до 55—60 %) содержанием СаО в шлаке,
низким (менее 0,5 %) содержанием FeO и высокой температурой
металла.

Для определения химического состава металла берут пробы
и при необходимости в печь вводят ферросплавы для получения за-
данного химического состава металла, после чего выполняют конеч-
ное раскисление стали алюминием и силикокальцием и выпускают
металл из печи в ковш.

При выплавке легированных сталей в ду-
говых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферроспла-
вов. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов
к кислороду (см. с. 32). В дуговых печах выплавляют высококаче-
ственные углеродистые стали — конструкционные, инструменталь-
ные, жаропрочные и жаростойкие.

Индукционная тигельная плавильная печь (рис. 2.6) состоит из
водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4
с металлической шихтой. Через индуктор от генератора высокой
частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты
(500—2000 Гц). Ток создает переменный магнитный поток, прони-
зывая куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи
(Фуко), нагревающие металл 1 до расплавления и необходимых тем-
ператур перегрева. Тигель изготовляют из кислых (кварцит) или ос-
новных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Вместимость тигля
1

2

Рис. 2.6. Схема индукционной тигельной плавильной печи

60 кг — 25 т. Для уменьшения потерь теплоты печь имеет съемный
свод 2.

Индукционные печи имеют преимущества перед дуговыми: в них
отсутствует электрическая дуга, что позволяет выплавлять сталь
с низким содержанием углерода, газов и малым угаром элементов;
при плавке в металле возникают электродинамические силы, кото-
рые перемешивают металл в печи и способствуют выравниванию
химического состава, всплыванию неметаллических включений;
небольшие размеры печей позволяют помещать их в камеры, где
можно создавать любую атмосферу или вакуум. Однако эти печи
имеют малую стойкость футеровки, и температура шлака в них
недостаточна для протекания металлургических процессов между
металлом и шлаком. Эти преимущества и недостатки печей обуслов-
ливают возможности плавки в них; в индукционных печах выплав-
ляют сталь и сплавы из легированных отходов методом пере-
плава или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой
ферросплавов методом сплавления.

При загрузке тщательно подбирают химический состав шихты
в соответствии с заданным, а необходимое количество ферросплавов
для получения заданного химического состава металла загружают
на дно тигля вместе с шихтой. После расплавления шихты на поверх-
ность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепло-
вых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов,
защиты его от насыщения газами. При плавке в кислой печи после
расплавления и удаления плавильного шлака наводят шлак из
боя стекла (SiO2). Металл раскисляют ферросилицием, ферромар-
ганцем и алюминием перед выпуском его из печи.

В индукционных печах с основной футеровкой выплавляют вы-
сококачественные легированные стали с высоким содержанием мар-
ганца, никеля, титана, алюминия, а в печах с кислой футеровкой —
конструкционные, легированные другими элементами стали. В этих
печах можно получать стали с низким содержанием углерода и без-
углеродистые сплавы, так как в печах нет науглероживающей среды
и науглероживания не происходит.

При вакуумной индукционной плавке индук-
тор с тиглем, дозатор шихты и изложницы помещают в вакуумные
камеры. Плавка, введение легирующих добавок, раскислителей,
разливка металла в изложницы производятся без нарушения вакуума
в камере. Таким способом получают сплавы высокого качества с ма-
лым содержанием газов, неметаллических включений, сплавы, ле-
гированные любыми элементами.

5.	РАЗЛИВКА СТАЛИ

Выплавленную сталь выпускают из плавильной печи
в разливочный ковш, из которого ее разливают в изложницы или
кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, и полу-
чаются слитки, которые подвергают прокатке, ковке.

Изложницы — чугунные формы для изготовления слитков. Из-
ложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и
многогранным поперечными сечениями. Слитки квадратного сече-
ния переделывают на сортовой прокат (двутавровые балки, швелг
леры, уголки и т. д.). Слитки прямоугольного сечения с отноше-
нием ширины к толщине 1,5—3 переделывают на лист. Из слитков
круглого сечения изготовляют трубы, колеса. Многогранные слитки
используют для поковок.

Для прокатки отливают слитки массой 200 кг — 25 т; для поковок
отливают слитки массой до 300 т и более. Обычно углеродистые
спокойные и кипящие стали разливают в слитки массой до 25 т,
легированные и высококачественные стали — в слитки массой
500 кг — 7 т, а некоторые сорта высоколегированных сталей —
в слитки массой несколько килограммов.

Сталь разливают в изложницы сверху, снизу (сифоном) и на ма-
шинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

В изложницы сверху (рис. 2.7, а) сталь разливают не-
посредственно из ковша 1.

При сифонной разливке (рис. 2.7, б) сталью запол-
няют одновременно несколько изложниц (4—60). Изложницы уста-
навливают на поддоне 6, в центре которого располагается центро-
вой литник 3, футерованный огнеупорными трубками 4, соединенный
каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает
в центровой литник и снизу плавно без разбрызгивания заполняет
изложницы 5. Поверхность слитка получается чистой, можно раз-
ливать большую массу металла одновременно в несколько слит-
ков. Для обычных углеродистых сталей используют разливку
сверху, а для легированных и высококачественных — разливку
сифоном.
2

Рис. 2.7. Разливка стали в изложницы

Непрерывная разливка стали состоит в том, что
жидкую сталь из ковша / через промежуточное разливочное устрой-
ство 2 непрерывно по. ают в водоохлаждаемую изложницу без дна —
кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затверде-
вающий с/иток 4 (рис. 2.8). Перед заливкой металла в кристаллиза-
тор вводят затравку, образующую его дно. Жидкий металл, попа
дая в кристаллизатор и на затравку, охлаждается, затвердевает,
образуя корку, и соединяется с затравкой. Затравка тянущими вал-
ками 5 вытягивается из кристаллизатора вместе с затвердевающим
слитком, сердцевина которого еще жидкая. Скорость вытягивания
слитка из кристаллизатора зааш.ит от его сечения. Например, ско-
рость вытягивания слитков с сечением 1 ГОX500 п 300x2000 мм около
1 м/мин.

На выходе из кристаллизаюра слиток охлаждается водой из фор-
сунки в зоне 6 вторичного охлаждения. Затем затвердевший сли-
ток попадает в зону 7 резки, где он разрезается газовым резаком 8
на куски заданной длины. Таким способом отливают слитки с прямо-
угольным поперечным сечением (150x500—300x2000 мм), с ква-
дратным сечением (150X 150—400X 100 мм), круглые, в виде толсто-
стенных труб. Вследствие направленного затвердевания и непре-
рывного Iитания при усадке слитки непрерывной разливки имеют
плотное строение и мелкозернистую структуру, в них отсутствуют
усадочные раковины. Выход годных заготовок может достигать 96—
98 % массы разливаемой стали.
Рис. 2.8. Схема машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)

Машины непрерывного литья могут иметь несколько кристал-
лизаторов, что позволяет одновременно получать несколько слитков,
которые могут быть прокатаны на сортовых станах, минуя блюмингй
и слябинги.

6.	КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРОЕНИЕ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ

Залитая в изложницу сталь отдает теплоту ее стенкам,
поэтому затвердевание стали начинается у стенок изложницы.
Толщина закристаллизовавшейся корки непрерывно увеличивается,
при этом между жидкой сердцевиной слитка и твердой коркой ме-
талла располагается зона, в которой одновременно имеются расту-
щие кристаллы и жидкий металл между ними. Кристаллизация
слитка заканчивается вблизи его продольной оси.

Сталь затвердевает в виде кристаллов древовидной формы —
дендритов. Размеры и форма дендритов зависят от условий кристал-
лизации. На строение стального слитка большое влияние оказывает
степень раскислснности стали.

Спокойная сталь (рис. 2.9, а, г) затвердевает без выделения га-
зов, в верхней части слитка образуется усадочная раковина /, а
в средней — усадочная осевая рыхлость.

Для устранения усадочных дефектов слитки спокойной стали
отливают с прибылью, которая образуется надставкой . 8 (см.
рис. 2 7, б) со стенками, футерованными огнеупорной массой 9
малой теплопроводности. Поэтому сталь в прибыли долгое время
остается жидкой и питает слиток, а усадочная раковина распола-
гается в прибыли. Слиток спокойной стали (рис. 2.9, а) имеет сле-
дующее строение: тонкую наружную корку А из мелких равноосных
кристаллов; зону Б крупных столбчатых кристаллов (дендритов);
зону В крупных неориентированных кристаллов; конус осажде-
Рис. 2.9. Схема строения стальных слитков

ния Г — мелкокристаллическую зону у донной части слитка. Сталь-
ные слитки неоднородны по химическому составу. Химическая не-
однородность, или ликвация, возникает вследствие уменьше-
ния растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого
состояния в твердое. Ликвация бывает двух видов — дендритная и
зональная.

Дендритная ликвация — неоднородность стали в пре-
делах одного кристалла (дендрита) — центральной осн и ветвей.
Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах
дендрита по сравнению с содержанием в центре увеличивается в 2
раза, фосфора — в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти на
половину.

Зональная ликвация — неоднородность состава стали
в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвек-
ции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увели-
чивается в несколько раз (рис. 2.9, а), а в нижней части — умень-
шается. Зональная ликвация приводит к отбраковке металла вслед-
ствие отклонения его свойств от заданных. Поэтому прибыльную и
подприбыльную части слитка, а также донную его часть при прокат-
ке отрезают

В слитках кипящей стали (рис. 2.9, б, д) не образуется уса-
дочная раковина; усадка стали рассредоточена по полостям газовых
44
пузырей, возникающих при кипении стали в изложнице. При про-
катке слитка газовые пузыри завариваются. Кипение стали влияет
на зональную ликвацию в слитках, которая развита в них больше,
чем в слитках спокойной стали. Углерод, сера и фосфор потоком
металла выносятся в верхнюю часть слитка, от чего свойства стали
в этой части слитка ухудшаются. Поэтому при прокатке отрезают
только верхнюю часть слитка, так как в донной ликвация мала.
Для уменьшения ликвации кипение после заполнения изложницы
прекращают, накрывая слиток металлической крышкой («механиче-
ское закупоривание»), либо раскисляют металл алюминием или фер-
росилицием в верхней части слитка («химическое закупорива-
ние»).

Слиток кипящей стали имеет следующее строение (рис. 2.9, б, б*):
плотную наружную корку А без пузырей, из мелких кристаллитов,
зону сотовых пузырей П, вытянутых к оси слитка и располагаю-
щихся между кристаллитами Б, зону В неориентированных кристал-
лов, промежуточную плотную зону С, зону вторичных круглых
пузырей К и среднюю зону Д с отдельными пузырями, которых
больше в верхней части слитка.

Полуспокойная сталь сохраняет преимущества спокойной и
кипящей стали и не имеет их недостатков.

Полуспокойная сталь (рис. 2.9, в, е) частично раскисляется
в печи и ковше, а частично — в изложнице. Слиток полуспокойной
стали имеет в нижней части структуру спокойной стали, а в верх-
ней — кипящей. Ликвапия в верхней части слитков полуспокойной
стали меньше, чем у кипящей, и близка к ликвации спокойной стали,
но слитки полуспокойной стали не имеют усадочной раковины.

7.	СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА

Развитие машиностроения и приборостроения предъяв-
ляет возрастающие требования к качеству металла: его прочности,
пластичности, газосодержанию. Улучшить эти показатели можно
уменьшением в металле вредных примесей, газов, неметаллических
включений. Для повышения качества металла "спользуют обработку
металла синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла,
плавку в вакуумных печах, электрошлаковый переплав (ЭШП),
вакуумно-дуговой переплав (ВДП), вакуумно-индукционный пере-
плав (ВИП), переплав металла в злектронно-лучевых и плазменных
печах.

Обработка металла синтетическим шлаком заключается в следую-
щем. Синтетический шлак, состоящий из 55 % СаО, 40 % А12О3,
небольшого количества SiO2, MgO и минимума FeO, выплавляют
в электропечи и заливают в ковш. В этот же ковш затем заливают
сталь. При перемешивании стали и шлака поверхность их взаимо-
действия резко возрастает и реакции между ними протекают гораздо
быстрее, чем в плавильной печи Благодаря этому, а также низкому
содержанию оксида железа в шлаке сталь, обработанная таким
способом, содержит меньше серы, кислорода и неметаллических
Рис. 2.10. Схемы электрошлакового пере-
рлава расходуемого электрода:
ф кристаллизатор; б — включение установки

рис. 2.Ц. Схема вакуумно-дугового пере-
плава

включений, улучшается ее пластичность и прочность. Такие
стали применяют для изготовления ответственных деталей
машин.

Вакуумную дегазацию стали проводят для уменьшения содержа-
ния в металле газов и неметаллических включений. Вакуумирование
ртали производят в ковше, при переливе из ковша в ковш, при за-
ливке в изложницу и т. п. Для вакуумирования в ковше ковш с жид-
кой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной крыш-
кой. Вакуумными насосами в камере создается разрежение до оста-
точного давления 0,267—0,667 кПа. При понижений давления из
жидкой стали выделяется водород и азот. Всплывающие пузырьки
газов захватывают неметаллические включения, в результате чего
содержание их в стали снижается. Все это улучшает прочность и
Пластичность стали.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) разработан в Институте
электросварки им. Е. О. Патона. Переплаву подвергают выплавлен-
ный в дуговой печи и прокатанный на круглые прутки металл. Ис-
точником теплоты при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая
при прохождении через нее электрического тока. Электрический ток
подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлако-
рую ванну 2 и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом
Металлическом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8
(рис. 2.10). Выделяющаяся в шлаковой ванне 2 теплота нагревает
ее до температуры 1700 °C и более и вызывает оплавление конца элек-
трода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак, образуя под
шлаковым слоем металлическую ванну 4.
Перенос капель металла через основной шлак способствует
их активному взаимодействию, удалению из металла серы, не-
металлических включений и растворенных газов. Металлическая
ванна непрерывно пополняется путем расплавления электрода, под
воздействием кристаллизатора постепенно формируется в слиток 6.
Последовательная и направленная кристаллизация способствует
удалению из металла неметаллических включений и газа, получе-
нию плотного однородного слитка.

В результате ЭШП содержание кислорода в металле снижается
в 1,5—2 раза, понижается концентрация серы, в 2—3 раза умень-
шается содержание неметаллических включений, они становятся
мельче и равномерно распределяются в объеме слитка. Слиток отли-
чается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверх-
ности благодаря наличию шлаковой корочки 5, высокими механиче-
скими и эксплуатационными свойствами стали и сплавов. Слитки
выплавляют круглого, квадратного, прямоугольного сечения массой
до ПО т. Наиболее широко ЭШП используют при выплавки высоко-
качественных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных сталей
для дисков и лопаток турбин, валов компрессоров, авиационных
конструкций.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления
из металла газов и неметаллических включений. Процесс осуществ-
ляют в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом
(рис. 2.11). В зависимости от требований, предъявляемых к полу-
чаемому металлу, расходуемый электрод изготовляют механической
обработкой слитка, выплавленного в электропечах пли установ-
ках ЭШП. Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом
штоке 2 и помещают в корпус 1 печи и далее в медную водоохлаждае-
мую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточ-
ного давления 0,00133 кПа.

При подаче напряжения между расходуемым электродом-като-
дом 3 и затравкой-анодом 8 возникает дуга. Выделяющаяся теплота
расплавляет конец электрода; капли 4 жидкого металла, проходя
зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и за-
твердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между расходуемым элек-
тродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении
всей плавки. Сильное охлаждение слитка и разогрев дугой ванны
металла создают условия для направленного затвердевания слитка,
вследствие чего неметаллические включения сосредоточиваются
в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке мала. Слитки
ВДП содержат мало газов, неметаллических включений, отличаются
высокой равномерностью химического состава, повышенными ме-
ханическими свойствами. Из слитков изготовляют ответственные де-
тали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слит-
ков достигает 50 т.

Плавку в электронно-лучевых печах применяют для получения чистых и ультра-
чистых тугоплавких металлов (молибдена, ниобия, циркония и др.), для выплавки
специальных сплавов и сталей. Источником теплоты в этих печах является энергия,
выделяющаяся при торможении свободных электронов, пучок которых направлен
на металл. Получение электронов, их разгон, концентрация в луч, направление
луча в зону плавления осуществляются электронной пушкой. Металл плавится
И затвердевает в водоохлаждаемых кристаллизаторах при остаточном давлении
1,33'10‘3 кПа. Вакуум внутри печи, большой перегрев и высокие скорости охлажде-
ния слитка способствуют удалению газов и примесей, получению металла особо
высокого качества. Однако при переплаве шихты, содержащей легкоиспаряющиеся
элементы, изменяется химический состав металла.

Плавку стали в плазменно-дуговых печах применяют для получения высоко-
качественных сталей и сплавов. Источник теплоты в этих печах — низкотемпера-
турная плазма (30 000 °C), получаемая в плазменных горелках. В этих печах можно
создавать нейтральную среду заданного состава (аргон, гелий). Плазменно-дуговые
печи позволяют быстро расплавить шихту, а в нейтральной газовой среде проис-
ходит дегазация выплавляемого металла, легкоиспаряющиеся элементы, входящие
в его состав, не испаряются.

ГЛ А В А IV. ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

1.	ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ

Для производства меди применяют медные руды, содер-
жащие 1—6 % Си, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь
обычно находится в виде сернистых соединений (CuFeS2, Cu2S, CuS),
оксидов (Cu2O, CuO) или гидрокарбонатов (CuCO3 Cu(OH)2,
2 CuCO3-Cu(OH)2). Перед плавкой медные руды обогащают и полу-
чают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концен-
трате его подвергают окислительному обжигу при
температуре 750—800 °C.

При пирометаллургическим способе полученный концентрат пере-
плавляют в отражательных или электрических печах. При темпера-
туре 1250—1300 °C восстанавливаются оксид меди (CuO) и высшие
оксиды железа. Образующийся оксид меди (Си2О), реагируя с FeS,
дает Cu2S. Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн,
а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и
образуют шлак. Затем расплавленный медный штейн заливают в кон-
вертеры и продувают воздухом (конвертируют) для окисле-
ния сульфидов меди и железа, перевода образующихся оксидов же-
леза в шлак, а серы в SO2 и получения черновой меди. Черновая медь
содержит 98,4—99,4 % Си и небольшое количество примесей. Эту
медь разливают в изложницы.

Черновуюмедьрафинируют для удаления вредных
примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в от-
ражательных печах. Примеси S, Fe, Ni, As, Sb и другие окисляются
кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погружен-
ным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего
снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды пере-
мешивают медь и способствуют удалению SO2 и других газов. При
этом медь окисляется и для освобождения ее от Си2О ванну жидкой
меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные
жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, обра-
зуются углеводороды, которые восстанавливают Си2О.

4В
После огневого рафинирования получают медь чистотой 99—
99,5 %. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы
и латуни) или плиты для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят
для получения чистой от примесей меди (99,95 % Си). Электролиз
ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды
делают из меди огневого рафинирования, а катоды — из листов чи-
стой меди. Электролитом служит водный раствор CuSO4 (10—16 %)
и H2SO4 (10—16 %). При пропускании постоянного тока анод рас-
творяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются
ионы меди:

Cu2+ +2е-->Си.

Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны,
их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды
выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

2.	ПРОИЗВОДСТВО АЛЮМИНИЯ

Основное сырье для производства алюминия — алюми-
ниевые руды: бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее
значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде минера-
лов — гидроокисей Al (ОН)3, АЮОН, корунда А12О3 и каолинита
Al2O3-2SiO2-2H2O. Алюминий получают электролизом глинозема —
окиси алюминия (А12О3) в расплавленном криолите (Na3AlFe) с до-
бавлением фтористых алюминия и натрия (A1F3, NaF). Производ-
ство алюминия включает получение безводного, свободного от при-
месей оксида алюминия (глинозема); получение криолита из плави-
кового шпата; электролиз глинозема в расплавленном криолите.

Глинозем получают из бокситов путем их обработки щело-
чью:

А12О3 л Н,0 + 2NaOH = 2NaA102 + (п + 1) Н2О.

Полученный алюминат натрия NaAIO2 подвергают гидролизу:

NaAlOo + 2Н2О = NaOH + Al (ОН)31 .

В результате в осадок выпадают кристаллы гидроксида алюминия
А1 (ОН)3. Гидроксид алюминия обезвоживают во вращающихся ае-
чах при температуре 1150—1200 °C и получают обезвоженный глино-
зем АГО3.

Для производства криолита сначала из плавикового шпата
получают фтористый водород, а затем плавиковую кислоту. В рас-
твор плавиковой кислоты вводят А1 (ОН)3, в результате чего обра-
зуется фторалюминлевая кислота, которую нейтрализуют содой и
получают криолит, выпадающий в осадок:

2H3A1F6 + 3Na2CO3 = 2Na3AlFB 1 + ЗСО2 + ЗН2О.

Его отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.
Электролиз глинозема А12О3 проводят в электроли-
зере, в котором имеется ванна из углеродистого материала. В ванне
слоем 250—300 мм находится расплавленный алюминий, служащий
катодом, и жидкий криолит.

Анодное устройство состоит из угольного анода, погруженного
в электролит. Постоянный ток силой 70—75 кА и напряжением
4—4,5 В подводится для электролиза и разогрева электролита до
температуры 1000 °C.

Электролит состоит из криолита, глинозема, A1F3 и NaF. Крио-
лит и глинозем в электролите диссоциируют; на катоде разряжается
иол А13+ и образуется алюминий, а на аноде — ион О2", который окис-
ляет углерод анода до СО и СО2, удаляющихся из ванны через вен-
тиляционную систему. Алюминий собирается на дне ванны под слоем
электролита. Его периодически извлекают, используя специаль-
ное устройство. Для нормальной работы ванны на ее дне остав-
ляют немного алюминия.

Алюминий, полученный электролизом, называют алюминием-
сырцом. В нем содержатся металлические и неметаллические при-
меси, газы. Примеси удаляют рафинированием, для чего
продувают хлор через расплав алюминия. Образующийся парообраз-
ный хлористый алюминий, проходя через расплавленный металл,
обволакивает частички примесей, которые всплывают на поверхность
металла, и их удаляют. Хлорирование алюминия способствует
также удалению Na, Са, Mg и газов, растворенных в алю-
минии.

Затем жидкий алюминий выдерживают в ковше или электропечи
в течение 30—45 мин при температуре 690—730 °C для всплывания
неметаллических включений и выделения газов из металла. После
рафинирования чистота первичного алюминия составляет 99,5—
99,85 %.

3.	ПРОИЗВОДСТВО МАГНИЯ

Подобно алюминию магний получают электролизом из
его расплавленных солей.

Основным сырьем для получения магния являются карналлит
(MgCi2KCl-6H2O), магнезит (MgCO3), доломит (СаСО3 MgCO3), би-
шофит (MgCl2-6H2O). Наибольшее количество магния получают
из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают.
Безводный карналлит (MgCl2-KCl) используют для приготовления
электролита.

Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамот-
ным кирпичом. Анодами служат графитовые пластины, а катодами —
стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным элек-
тролитом состава: 10 % MgCl2, 45 % СаС12, 30 % NaCl, 15 % К.С1
с небольшими добавками NaF и CaF2. Такой состав электролита не-
обходим для понижения температуры его плавления [(720 ± 10) °C).
Для электролитического разложения хлористого магния через элек-
тролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, ко-
торые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после
60
разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого
чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электро-
лит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически
удаляют вакуумным ковшом.

Черновой магний содержит 5 % примесей, поэтому его р а ф и-
н и р у ю т переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и
флюс, состоящий из MgCl2, КС1, ВаС12, CaF2, NaCl, СаС12, нагревают
₽ электропечи до температуры 700—750 °C и перемешивают. При
этом неметаллические примеси переходят в шлак. После этого печь
охлаждают до температуры 670 °C и магний разливают в излож-
ницы на чушки.

4.	ПРОИЗВОДСТВО ТИТАНА

Сырьем для получения титана являются титано-магнети-
товые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содер-
жащий 40—45 % TiO2, ~30 % FeO, 20 % Fe.,O3 и 5—7 % пустой
Породы. Название этот концентрат получил по наличию в нем ми-
нерала ильменита FeO TiO2.

Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем,
антрацитом в руднотермическнх печах, где оксиды железа и титана
восстанавливаются. Образующееся железо науглероживается, и
получается чугун, а низшие оксиды титана переходят в шлак. Чу-
гун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт
этого процесса — титановый шлак содержит 80—90 % TiO2, 2—5 %
FeO и примеси — SiO2, А12О3, СаО и др. Побочный продукт этого
процесса — чугун — используют в металлургическом производ-
стве .

Полученный титановый шлак подвергают хло-
рированиюв специальных печах. В нижней части печи распо-
лагают угольную насадку, нагревающуюся при пропускании через
нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака,
а через фурмы внутрь печи — хлор. При температуре 800—1250 °C
в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также
хлориды СаС12, MgCl2 и др.:

TiO2 + 2С + 2С12 = TiCl4 + 2СО.

Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хло-
ридов благодаря различию температуры кипения этих хлоридов ме-
тодом ректификации в специальных установках.

Титан из четыреххлористого титана восстанавливают
в реакторах при температуре 950—1000 °C. В реактор загру-
жают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости
реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлори-
стый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым титаном
происходит реакция:

2Mg + TiCl4 = Ti + 2MgCl2.
Твердые частицы титана спекаются в пористую массу — губку,
а жидкий MgCl2 выпускают через летку реактора. Губка титана со-
держит 35—40 % магния и хлористого магния. Для удаления из
титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900—
050 °C в вакууме.

Титановуюгубкуплавят методом вакуумно-дугового
переплава (см. с. 47). Вакуум в печи предохраняет титан от окисле-
ния и способствует очистке его от примесей. Полученные слитки
титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, ис-
пользуя как расходуемые электроды. После этого чистота титана
составляет 99,6—99,7 %. После вторичного переплава слитки ис-
пользуют для обработки давлением.
РАЗДЕЛ 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

ГЛАВА I. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

1.	СУЩНОСТЬ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Обработка металлов давлением основана на их способ-
ности в определенных условиях пластически деформироваться в ре-
зультате воздействия на деформируемое тело (заготовку) внешних
сил.

Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью
восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних
сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров,
вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекраще-
ния действия этих сил. Упругая деформация характеризуется сме-
щением атомов относительно друг друга на величину, меньшую
межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы воз-
вращаются в исходное положение. При пластических деформациях
атомы смещаются относительно друг друга на величины, большие
межатомных расстояний, и после снятия внешних сил не возвра-
щаются в свое исходное положение, а занимают новые положения
равновесия.

Для начала перехода атомов в новые положения равновесия
необходима определенная величина действующих напряжений, за-
висящая от межатомных сил и характера взаимного расположения
атомов (типа кристаллической решетки, наличия и расположения
примесей, формы и размеров зерен поликристалла и т. п.).

Так как сопротивление смещению атомов в новые положения
изменяется не пропорционально смещению, то при пластических
деформациях линейная связь между напряжениями и деформациями
обычно отсутствует.

Напряжения, вызывающие смещение атомов в новые положения
равновесия, могут уравновешиваться только силами межатомных
взаимодействий. Поэтому под нагрузкой при пластическом деформи-
ровании деформация состоит из упругой и пластической составляю-
щих, причем упругая составляющая исчезает при разгрузке (при
снятии деформирующих сил), а пластическая составляющая приводит
к остаточному изменению формы и размеров тела. В новые положе-
ния равновесия атомы могут переходить в результате смещения в оп-
ределенных параллельных плоскостях, без существенного изменения
расстояний между этими плоскостями. При этом атомы не выходят
из зоны силового взаимодействия и деформация происходит без
нарушения сплошности металла, плотность которого практически
не изменяется. Скольжение одной части кристаллической решетки
относительно другой происходит по плоскостям наиболее плотного
размещения атомов (плоскостям скольжения). В реальных металлах
кристаллическая решетка имеет линейные дефекты (дислокации),
перемещение которых облегчает скольжение.

Величина пластической деформации не безгранична, при опреде-
ленных ее значениях может начаться разрушение металла.

На величину пластической деформации, которую можно ДО-
СТИЧЬ без разрушения (предельная деформация), оказывают влияние
многие факторы, основные из которых — механические свойства
металла (сплава), температурно-скоростные условия деформирова-
ния и схема напряженного состояния. Последний фактор оказывает
большое влияние на значение предельной деформации. Наибольшая
предельная деформация достигается при отсутствии растягивающих
напряжений и увеличении сжимающих. В этих условиях (схема
неравномерного всестороннего сжатия) даже хрупкие материалы
типа мрамора могут получать пластические деформации. Схемы
напряженного состояния в различных процессах и операциях обра-
ботки давлением различны, вследствие чего для каждой операции,
металла и температурно-скоростных условий существуют свои оп-
ределенные предельные деформации.

Существенные преимущества обработки металлов давлением по
сравнению с обработкой резанием — возможность значительного
уменьшения отхода металла, а также повышения производительности
труда, поскольку в результате однократного приложения усилия
можно значительно изменить форму и размеры деформируемой за-
готовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается из-
менением физико-механических свойств металла заготовки, что
можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуа-
тационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износо-
стойкостью и т. д.) при наименьшей их массе. Эти и другие преиму-
щества обработки металлов давлением (отмеченные ниже) способст-
вуют неуклонному росту ее удельного веса в металлообработке. Со-
вершенствование технологических процессов обработки металлов
давлением, а также применяемого оборудования позволяет расши-
рять номенклатуру деталей, изготовляемых обработкой давлением,
увеличивать диапазон деталей по массе и размерам, а также повы-
шать точность размеров полуфабрикатов, получаемых обработкой
металлов давлением.

2.	ВИДЫ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Процессы обработки металлов давлением по назначению
подразделяют на два вида:

для получения заготовок постоянного поперечного сечения
по длине (прутков, проволоки, лент, листов), применяемых в строи-
тельных конструкциях или в качестве заготовок для последующего
изготовления из них деталей только обработкой резанием или с
использованием предварительного пластического формоизменения,
64
Рис, 3.1. Схемы основных видов обработки металлов давлением

основными разновидностями таких процессов являются прокатка,
прессование и волочение;

для получения деталей или заготовок (полуфабрикатов), имею-
щих приближенно формы и размеры готовых деталей и требующих
обработки резанием лишь для придания им окончательных размеров
и получения поверхности заданного качества; основными разновид-
ностями таких процессов являются ковка и штамповка.

Прокатка (рис. 3.1, а) заключается в обжатии заготовки 2
между вращающими валками 1. Силами трения заготовка втяги-
вается между валками, а силы Р. нормальные к поверхности валков,
уменьшают поперечные размеры заготовки.

Прессование (рис. 3.1,6) заключается в продавливании заго-
товки 2, находящейся в замкнутой форме 3, через отверстие мат рипы /,
причем форма и размеры поперечного сечения выдавленной части
заготовки соответствуют форме и размерам отверстия матрицы,
а длина ее пропорциональна отношению площадей поперечного се-
чения исходной заготовки и выдавленной части и перемещению
давящего инструмента 4.

Волочение (рис 31, в) заключается в протягивании заготовки 2
через сужающуюся полость матрицы /; площадь поперечного се-
чения заготовки уменьшается и получает форму поперечного сече-
ния отверстия матрицы.

Ковкой (рис. 3.1, г) изменяют форму и размеры заготовки 2
путем последовательного воздействия универсальным инструмен-
том / нс отдельные участки заготовки.

Штамповкой изменяют форму и размеры заготовки с помощью
специализированного инструмента — штампа (для каждой детали
изготовляют свой штамп). Различают объемную и листовую штам-
повку. При объемной штамповке сортового металла (рис, 3.1, д)
на заготовку, являющуюся обычно отрезком прутка, воздействуют
специализированным инструментом — штампом /, причем металл
заполняет полость штампа, приобретая ее форму и размеры.
Листовой штамповкой (рис. 3.1, е) получают плоские и про-
странственные полые детали из заготовок, у которых толщина зна-
чительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса). Обычно
заготовка деформируется с помощью пуансона 7 и матрицы 2.

3.	ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ НА СТРУКТУРУ
И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА

В зависимости от температурно-скоростных условий де-
формирования различают холодную и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зе-
рен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного
течения металла (рис. 3.2, а). При холодной деформации формоизме-
нение сопровождается изменением механических и физико-химиче-
ских свойств металла. Это явление называют упрочнением
(наклепом). Изменение механических свойств состоит в том, что при
холодной пластической деформации по мере ее увеличения возра-
стают характеристики прочности, в то время как характеристики
пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но
менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота пло-
скостей скольжения, увеличения искажений кристаллической ре-
шетки в процессе холодного деформирования (накопления дисло-
каций у границ зерен).

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и
свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, на-
пример, с помощью термической обработки (отжигом). В этом слу-
чае происходит внутренняя перестройка, при которой за счет допол-
нительной тепловой энергии, увеличивающей подвижность атомов,
в твердом металле без фазовых превращений из множества центров
растут новые зерна, заменяющие собой вытянутые, деформирован-
ные зерна. Так как в равномерном температурном поле скорость
роста зерен по всем направлениям одинакова, то новые зерна, поя-
вившиеся взамен деформированных, имеют примерно одинаковые
размеры по всем направлениям.

Явление зарождения и роста новых равноосных зерен взамен
деформированных, вытянутых, происходящее при определенных тем-
пературах, называется рекристаллизацией. Для чистых
металлов рекристаллизация начинается при абсолютной темпера-
туре, равной 0,4 абсолютной температуры плавления металла. Ре-
кристаллизация протекает с определенной скоростью, причем время,
требуемое для рекристаллизации, тем меньше, чем выше температура
нагрева деформированной заготовки.

При температурах ниже температуры начала рекристаллизации,
наблюдается явление, называемое возвратом. При возврате (отдыхе)
форма и размеры деформированных, вытянутых зерен не изменяются,
но частично снимаются остаточные напряжения. Эти напряжения
возникают из-за неоднородного нагрева или охлаждения (при литье
и обработке давлением), неоднородности распределения деформаций
при пластическом деформировании и т. д. Остаточные напряже-
56
ния создают системы взаимно
уравновешивающихся сил и на-
ходятся в заготовке, не нагру-
женной внешними силами. Сня-
тие остаточных напряжений при
возврате почти не изменяет
механических свойств металла,
но влияет на некоторые его
физико-химические свойства.
Так, например, в результате
возврата значительно повы-
шается электрическая проводи-
мость, сопротивление коррозии
холоднодеформированного ме-
талла.

Рис. 3.2. Схемы изменения микрострук-
туры металла при деформации:

а — холодной; 6 — горячей

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры
рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием уп-
рочнения и рекристаллизации.

Горячей деформацией называют деформацию, характеризую-
щуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристал-
лизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем
объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением ока-
зывается равноосной, без следов упрочнения (рис. 3.2, б).

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, при-
ходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева
заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

Если металл по окончании деформации имеет структуру, не
полностью рекристаллизованную, со следами упрочнения, то такая
деформация называется неполной горячей деформацией. Неполная
горячая деформация приводит к получению неоднородной структуры,
снижению механических свойств и пластичности, поэтому обычно
нежелательна.

При горячей деформации сопротивление деформированию при-
мерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутст-
вие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформиро-
ванию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обра-
ботки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном
то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных
деталей, так как при этом требуются меньшие усилия деформиро-
вания (менее мощное оборудование).

Следует учитывать, что при обработке давлением заготовок малых размеров
(малой толщины) трудно выдержать необходимые температурные условия ввиду
быстрого их охлаждения на воздухе и от контакта с более холодным инструмен-
том.

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при
холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно
применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных
металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков).
В то же время при горячей деформации окисление заготовки более
интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухуд-
шает качество поверхности и точность получаемых размеров.

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет полу-
чать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по
сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких темпера-
турах. Отметим, что обработка давлением без специального нагрева
заготовки позволяет сократить продолжительность технологического
цикла, облегчает использование средств механизации и автомати-
зации и повышает производительность труда.

Влияние холодной деформации на свойства металла можно ис-
пользовать для получения наилучших эксплуатационных свойств де-
талей, а управление изменением свойств в требуемом направлении
и на желаемую величину может быть достигнуто выбором рациональ-
ного сочетания холодной и горячей деформации, а также числа
и режимов термических обработок в процессе изготовления детали.

Исходной заготовкой для начальных процессов обработки ме-
таллов давлением (прокатки, прессования) является слиток. Кри-
сталлическое строение слитка неоднородно (кристаллиты различных
размеров и форм). Кроме того, в нем имеется пористость, газовые
пузыри и т. п. Обработка давлением слитка при нагреве его до до-
статочно высоких температур приводит к деформации кристаллитов
и частичной заварке пор и раковин. Таким образом, при обработке
давлением слитка может увеличиться и плотность металла.

В результате деформации кристаллитов и последующей рекри-
сталлизации металл получает мелкозернистое строение, т.е. раз-
меры зерен после рекристаллизации исчисляются в сотых или де-
сятых долях миллиметра, причем эти размеры примерно одинаковы
по всем направлениям (равноосная структура).

Если слиток загрязнен неметаллическими включениями, обычно
располагающимися по границам кристаллитов, то в результате об-
работки давлением неметаллические включения вытягиваются в виде
волокон по направлению наиболее интенсивного течения металла.
Эти волокна выявляются травлением и видны невооруженным гла-
зом в форме так называемой волокнистой макроструктуры (рис. 3.3, а).
Полученная в результате обработки давлением литого металла во-
68
локнистая макроструктура не может быть разрушена ни термиче-
ской обработкой, ни последующей обработкой давлением. Последняя
в зависимости от характера деформирования может изменить лишь
направление и форму волокон макроструктуры.

Металл с явно выраженной волокнистой макроструктурой харак-
теризуется анизотропией (векториальностью) механических свойств.
При этом характеристики прочности (предел текучести, временное
сопротивление и др.) в разных направлениях отличаются незначи-
тельно, а характеристики пластичности (относительное удлинение,
ударная вязкость и др.) вдоль волокон выше, чем поперек их.

Так как направление волокон зависит от характера деформиро-
вания заготовки, то в готовой детали желательно получить такое
расположение волокон, при котором она имела бы наилучшпе свой-
ства. При этом общие рекомендации следующие; необходимо, чтобы
наибольшие растягивающие напряжения, возникающие в деталях
в процессе работы, были направлены вдоль волокон, а если какой-
либо элемент этой детали работает на срез, то желательно, чтобы
перерезывающие силы действовали поперек волокон; необходимо
чтобы волокна подходили к наружным поверхностям детали по ка-
сательной и не перерезались наружными поверхностями детали.

Выполнение этих требований не только повышает надежность
детали (в том числе и при динамическом нагружении), но и улуч-
шает другие эксплуатационные характеристики, например сопротив-
ление истиранию.

Возможность воздействия обработкой давлением на расположе-
ние волокон, а следовательно, и на свойства деталей можно иллю-
стрировать следующим примером. В зубчатом колесе, изготовленном
резанием из прутка (рис. 3.3, б), растягивающие напряжения, воз-
никающие при изгибе зуба 1 действием сопряженного колеса, на-
правлены поперек волокон, что понижает их надежность. При горя-
чей штамповке зубчатого колеса из полосы (рис. 3.3, в) волокна по-
разному ориентированы в различных зубьях относительно наиболь-
ших растягивающих напряжений: в зубе 1 — вдоль волокон, а в зубе
2 -— поперек. Следовательно, зубья оказываются неравнопрочными.

При изготовлении зубчатого колеса осадкой (рис. 3.3, г) из
отрезка прутка круглого сечения волокна получают почти радиаль-
ное направление. В этом случае все зубья равнопрочны, а наиболь-
шие растягивающие напряжения, возникающие при изгибе, направ-
лены почти вдоль волокон.

ГЛАВА II. НАГРЕВ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕД ОБРАБОТКОЙ

ДАВЛЕНИЕМ

1.	ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

При нагреве металла с повышением температуры умень-
шается его временное сопротивление, а относительное удлинение уве-
личивается. Таким образом, при деформировании стали, нагретой,
например, до температуры 1200 °C, можно достичь большего фор мо-
изменения при меньшем приложенном усилии, чем при деформиро-
вании ненагретой стали. Все металлы и сплавы имеют тенденцию
к увеличению пластичности и уменьшению сопротивления деформи-
рованию при повышении температуры в случае выполнения ряда
требований, предъявляемых к процессу нагрева. Так, каждый ме-
талл должен быть нагрет до вполне определенной максимальной тем-
пературы. Если нагреть, например, сталь до температуры, близкой
к температуре плавления, наступает пережог, выражающийся в по-
явлении хрупкой пленки между зернами металла вследствие окис-
ления их границ. При этом происходит полная потеря пластичности.
Пережог исправить нельзя, пережженный металл может быть от-
правлен только на переплавку.

Ниже температуры пережога находится зона перегрева. Явле-
ние перегрева заключается в резком росте размеров зерен. Вслед-
ствие того, что крупнозернистой первичной кристаллизации (аусте-
нит), как правило, соответствует крупнозернистая вторичная кри-
сталлизация (феррит 4- перлит или перлит + цементит), механи-
ческие. свойства изделия, полученного обработкой давлением из
перегретой заготовки, оказываются низкими. Брак по перегреву
в большинстве случаев можно исправить отжигом. Однако для неко-
торых сталей (например, хромоникелевых) исправление перегретого
металла сопряжено со значительными трудностями, и простой от-
жиг оказывается недостаточным.

Максимальную температуру нагрева, т. е. температуру начала
горячей обработки давлением, следует назначать такой, чтобы
не было пережога и перегрева. В процессе обработки нагретый ме-
талл обычно остывает, соприкасаясь с более холодным инструментом
и окружающей средой. Заканчивать горячую обработку давлением
следует также при вполне определенной температуре, ниже которой
пластичность вследствие упрочнения (рекристаллизация не успе-
вает произойти) падает и в изделии возможно образование трещин.
Но при высоких температурах заканчивать деформирование неце-
лесообразно (особенно для сплавов, не имеющих фазовых превраще-
ний). В этом случае после деформирования зерна успевают вырасти
и получается крупнозернистая структура, характеризующаяся низ-
кими механическими свойствами.

Каждый металл и сплав имеет свой строго определенный темпера-
турный интервал горячей обработки давлением. Например, алюми-
ниевый сплав АК4 470—350 °C; медный сплав БрАЖМц 900—750 °C;
титановый сплав ВТ8 1100—900 "С. Для углеродистых сталей тем-
пературный интервал нагрева можно определить по диаграмме
состояния (см. разд. 1) в зависимости от содержания углерода.
Например, для стали 45 температурный интервал 1200—750 °C,
а для стали У10 1100—850 °C.

Заготовка должна быть равномерно нагрета по всему объему до
требуемой температуры. Разность температур по сечению заготовки
приводит к тому, что вследствие теплового расширения между более
нагретыми поверхностными слоями металла и менее нагретыми вну-
тренними слоями возникают напряжения. Последние тем больше,
чем больше разность температур по сечению заготовки, и могут
возрасти настолько, что в центральной зоне с растягивающими
напряжениями при низкой пластичности металла образуются тре-
щины. Разность температур по сечению увеличивается с повышением
скорости нагрева, поэтому существует допустимая скорость нагрева.
Наибольшее время требуется для нагрева крупных заготовок из
высоколегированных сталей из-за их низкой теплопроводности.
Например, время нагрева слитка массой ~40 т из легированной
стали составляет более 24 ч.

Однако с увеличением времени нагрева увеличивается окисление
поверхности металла, так как при высоких температурах металл
активнее химически взаимодействует с кислородом воздуха. В ре-
зультате на поверхности, например, стальной заготовки образуется
окалина—слой, состоящий из оксидов железа’. Fe2O3, FetO}, FeO.
Кроме потерь металла с окалиной, последняя, вдавливаясь в поверх-
ность заготовки при деформировании, вызывает необходимость уве-
личения припусков на механическую обработку. Окалина увеличи-
вает износ деформирующего инструмента, так как ее твердость
значительно больше твердости горячего металла.

При высоких температурах на поверхности стальной заготовки
интенсивно окисляется не только железо, но и углерод: происходит
так называемое обезуглероживание. Толщина обезуглероженного
слоя в отдельных случаях достигает 1,5—2 мм.

Для уменьшения окисления заготовки нагревают в нейтральной
или восстановительной атмосфере.

2.	НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Устройства, в которых нагревают металл перед обработкой
давлением, можно подразделить на нагревательные печи и электро-
нагревательные устройства. В печах теплота к заготовке передается
главным образом конвекцией и излучением из окружающего про-
странства нагревательной камеры, выложенной огнеупорным мате-
риалом. Теплоту получают в основном сжиганием газообразного,
реже жидкого, топлива (мазута).

По конструктивным признакам печи разделяют на ряд разно-
видностей. Например, одним из наиболее распространенных типов
являются камерные печи (рис. 3.4), в которых заготовки 2 уклады-
вают на под 1 печи через окно 4 и после прогрева до заданной темпера-
туры извлекают через то же окно. Рабочее пространство печи нагре-
вают сжиганием газа с помощью горелок 3, служащих для смешения
газа с воздухом и подачи смеси в печь. Продукты сгорания отводят
через дымоход 5 в рекуператор — теплообменник, в котором посту-
пающий к горелкам воздух нагревается теплотой горячих уходя-
щих газов. Подогрев воздуха до температуры 350—500 °C позволяет
экономить до 25 % топлива. Камерные печи периодического дей-
ствия применяют на производстве, где часто меняется типоразмер
нагреваемых заготовок. Для нагрева очень крупных заготовок ис-
пользуют камерные печи с выдвижным подом.
Рис. 3.4. Камерная нагревательная печь Рис. 3.5. Схема индуктивного
электронагревательного устройства

В крупносерийном производстве применяют механизированные проходные печи
методического действия, в которых заготовки загружают с одной стороны печи,
перемещают по поду и выгружают с Другой стороны печи нагретыми.

В электронагревательных устройствах теплота выделяется в са-
мой заготовке либо при пропускании через нее тока большой силы —
в контактных устройствах, либо при возбуждении в ней вихревых
токов — в индукционных устройствах. При индукционном нагреве
(рис. 3.5) заготовку 1 помещают внутрь многовиткового индуктора 2,
выполненного из медной трубки прямоугольного сечения. По ин-
дуктору пропускают переменный ток, и в заготовке, оказываю-
щейся в переменном электромагнитном поле, возникают вихревые
токи. Теплота в нагреваемом металле выделяется в основном вслед-
ствие действия вихревых токов в поверхностном слое, толщина ко-
торого достигает 30—35 % ее радиуса. Толщина этого слоя умень-
шается с ростом частоты тока в индукторе, поэтому для достиже-
ния более равномерного нагрева по сечению заготовки с увеличе-
нием ее диаметра частоту тока уменьшают (от 8000 Гц для заготовок
малых диаметров до 50 Гц для заготовок диаметром до 180 мм).

Преимущества электронагрева: высокая скорость, значительно
превышающая скорость нагрева в печах; почти полное отсутствие
окалины; удобство автоматизации, улучшение условий труда. Од-
нако применяют электронагревательные устройства только при не-
обходимости нагрева достаточно большого количества одинаковых
заготовок диаметром до 75 мм в контактных и до 200 мм в индук-
ционных устройствах.

ГЛАВА III. ПРОКАТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

1.	СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Прокатке подвергают до 90 % всей выплавляемой стали
и большую часть цветных металлов. При прокатке металл пласти-
чески деформируется вращающимися валками. Взаимное расположе-
ние валков и заготовки, форма и число валков могут быть различ-
62
a)

Рис. 3.6. Основные виды прокатки:

1 — валки; 2 — заготовка; 3 — оправка

Рис. 3.7. Схема действия
сил в момент захвата ме-
талла валками

ними. Выделяют три основных вида прокатки: продольную, попе-
речную и поперечно-винтовую.

При продольной прокатке (рис. 3.6, а) заготовка 2 деформируется
между двумя валками 1, вращающимися в разные стороны, и переме-
щается перпендикулярно к осям валков.

При поперечной прокатке (рис. 3.6, б) валки 1, вращаясь в одном
направлении, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 3.6, е) валки 1 располо-
жены под углом и сообщают заготовке 2 при деформировании враща-
тельное и поступательное движения.

В процессе прокатки металл непрерывно втягивается в зазор
между валками под действием сил трения между металлом и вал-
ками. Для осуществления процесса прокатки необходима определен-
ная величина этих сил трения. Так, при наиболее распространенной
продольной прокатке на заготовку со стороны валков действуют
нормальные силы N и сила трения Т (рис. 3.7). Спроектировав эти
силы на горизонтальную ось, можно записать условие захвата
металла валками (по отношению к одному валку, так как система
симметрична):

Л7 sin а Т cos а.

Угол а называется углом захвата. Выразив силу трения как Т ~
[N, где / — коэффициент трения, и подставив это выражение в ус-
ловие захвата, получим

sin а <7 / cos а пли / > tg а.

Таким образом, для осуществления захвата металла валками необ-
ходимо, чтобы коэффициент трения между валками и заготовкой был
больше тангенса угла захвата.

При горячей прокатке стали гладкими валками угол захвата
равен 15—24°, при холодной — 3—8°. При установившемся про-
цессе прокатки коэффициент трения может быть примерно вдвое
меньше.
В процессе прокатки уменьшается толщина заготовки при одно-
временном увеличении ее длины и ширины. Деформацию заготовки
обычно определяют относительным обжатием, %:

= (Дй - /Л) юо/яв,

где и — высота заготовки соответственно до и после прокатки.

Площадь поперечного сечения, заготовки всегда уменьшается.
Поэтому для определения деформации (особенно, когда обжатие
по сечению различно) используют показатель, называемый вытяж-
кой,

р = 1/10 ----- Fa/F,

где /0 и Fo — первоначальные длина и площадь поперечного сече-
ния; I и F — те же величины после прокатки.

Вытяжка при прокатке обычно составляет 1,1—1,6 за проход,
но может быть и больше.

2.	ПРОДУКЦИЯ ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Форму поперечного сечения прокатанной полосы называют
профилем. Совокупность форм и размеров профилей, получаемых
прокаткой, называют сортаментом. В СССР почти весь сортамент
проката изготовляется в соответствии с ГОСТом (Государственным
общесоюзным стандартом). В ГОСТах на сортамент проката приве-
дены площадь поперечного сечения, размеры, масса 1 м длины про-
филя и допустимые отклонения от номинальных размеров. Сорта-
мент прокатываемых профилей разделяется на четыре основные
группы; сортовой прокат, листовой, трубы и специальные виды про-
ката.

Сортовой прокат (рис. 3.8, а) делят на профили простой
геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоуголь-
ник) и фасонные (швеллер, рельс, угловой и тавровый профили и

Рис. 3.8. Примеры профилей проката
т. д.). Круглую и квадратную сталь прокатывают соответственно
с диаметром или стороной квадрата 5—250 мм; шестигранную —
с диаметром вписанного круга 6—100 мм; полосовую — шириной
10—200 мм и толщиной 4—60 мм.

Цветные металлы и их сплавы прокатывают преимущественно на
простые профили — круглый, квадратный, прямоугольный.

Листовой прокат из стали и цветных металлов исполь-
зуют в различных отраслях промышленности. В связи с этим листо-
вую сталь, например, делят на автотракторную, трансформаторную,
кровельную жесть и т. д. Расширяется производство листовой стали
с оловянным, цинковым, алюминиевым и пластмассовым покры-
тиями. Кроме того, листовую сталь разделяют на толстолистовую
(толщиной 4—160 мм) и тонколистовую (толщиной менее 4 мм).
Листы толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы разделяют на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы
прокатывают диаметром 30—650 мм с толщиной стенки 2—160 мм
из углеродистых и легированных сталей, а сварные — диаметром
5—2500 мм с толщиной стенки 0,5—16 мм из углеродистых и низко-
легированных сталей.

К специальным видам проката относят колеса,
кольца, шары, периодические профили с периодически изменяющейся
формой и площадью поперечного сечения вдоль оси заготовки
(рис. 3.8, б).

3.	ИНСТРУМЕНТ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОКАТКИ

Инструментом для прокатки являются валки, которые в за-
висимости от прокатываемого профиля могут быть гладкими
(рис. 3.9, а), применяемыми для прокатки листов, лент и т. п., сту-
пенчатыми, например для прокатки полосовой стали, и ручьевыми
(рис. 3.9, б) для получения сортового проката. Ручьем называют
вырез на боковой поверхности валка, а совокупность двух ручьев
образует калибр (рис. 3.9, в). Каждая пара ручьевых валков обычно
образует несколько калибров.

Валки состоят из рабочей части — бочки /, шеек 2 и трефы 3.
Шейки валков вращаются в подшипниках, которые у одного из вал-
ков могут перемещаться специальным нажимным механизмом для
изменения расстояния между валками и регулирования взаимного
расположения их осей. Комплект прокатных валков со станиной
называют рабочей клетью; последняя вместе со шпинделем для при-
вода валков, шестеренной клетью для передачи вращения с одного
на два вала, редуктором, муфтами и электродвигателем образуют
рабочую линию стана.

Рабочие клети по числу и расположению валков могут быть двух-
валковые (см. рис. 3.6, о); четырехвалковые (рис. 3.9, г), у которых
два валка рабочих и два опорных; многовалковые (рис. 3.9, д),
у которых также два валка рабочих, а остальные — опорные. Ис-
пользование опорных валков позволяет применять рабочие валки
малого диаметра, благодаря чему увеличивается вытяжка и снижается
усилие деформирования.

3 А. М. Дальский и др.

65
Рис. 3.9. Инструмент для прокатки:

а — гладкий валок; 6 — ручьевой валок; в — калибр; г — расположение валков в четырех-
валковой клети; д — то же, в 12-валконой клети

Прокатные станы могут быть одноклетьевымп (с одной рабочей
клетью) и многоклетьевыми.

Наиболее совершенные многоклетьевые станы — непрерывные, у которых
рабочие клети располагают последовательно одну за другой. Прокатываемая полоса
через каждую клеть проходит только один раз, т. е. число рабочих клетей этих
станов равно требуемому числу проходов полосы. Расстояние между клетями обычно
меньше длины прокатываемой полосы, следовательно, опа прокатывается одновре-
менно в нескольких клетях. На непрерывных станах достигается высокая произво-
дительное п. при полном исключении ручного труда. Максимальная скорость про-
катки на современных непрерывных станах составляет 50—60 м/с.

По назначению прокатные ставы подразделяют на станы для
производства полупродукта и станы для выпуска готового про-
ката. К первой группе относят обжимные станы для прокатки слит-
ков в полупродукт крупного сечения (блюминги, дающие заготовку
для сортового проката, и слябинги, дающие заготовку для листо-
вого проката) и заготовочные для получения полупродукта более
мелкого сечения.

К станам для производства готового проката относят сортовые,
листовые, трубные и специальные. Размер блюмингов, слябингов,
заготовочных и сортовых станов характеризуется диаметром бочки
валков (например: блюминг 1500; сортовой стан 350); размер листовых
станов — длиной бочки (например: стан 3600), а размер трубопро-
катных станов — наружным диаметром прокатываемых труб.

4.	ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА основных видов
ПРОКАТА

Исходной заготовкой при прокатке служат слитки: сталь-
ные массой до 60 т, из цветных металлов и их сплавов обычно массой
до 10 т. При производстве сортовых профилей стальной
слиток массой до 15 т в горячем состоянии прокатывают на блюминге,
получая заготовки квадратного (или близкого к нему) сечения (от
140X 140 до 450X450 мм), называемые блюмами. Затем блюмы по-
ступают на заготовочные станы для прокатки заготовок требуемых
размеров или сразу на крупносортные станы для прокатки крупных
профилей сортовой стали. На заготовочных и сортовых станах за-
готовка последовательно проходит через ряд калибров.
Рис. 3.10. Калибры для прокатки рельсов

Разработку системы последовательных калибров, необходимых
для получения того или иного профиля, называют калибровкой.
Калибровка является сложным и ответственным процессом. Непра-
вильная калибровка может привести не только к снижению произ-
водительности, но и к браку изделий. Чем больше разность в разме-
рах поперечных сечений исходной заготовки и конечного изделия и
чем сложнее профиль последнего, тем больше число калибров тре-
буется для его получения. В качестве примера на рис. 3.10 показана
система из девяти калибров для получения рельсов. Число калибров
может быть различным; например, при прокатке проволоки диамет-
ром 6,5 мм их число достигает 21. После прокатки полосы режут на
мерные длины, охлаждают, правят в холодном состоянии, термиче-
ски обрабатывают, удаляют поверхностные дефекты.

При производстве листового проката стальной слиток
массой до 50 т в горячем состоянии прокатывают на слябинге или
блюминге, получая заготовку прямоугольного сечения (наиболь-
шей толщиной — 350 и шириной — 2300 мм), называемую слябом.

В настоящее время вместо прокатанных заготовок широко при-
меняют заготовки в виде слябов, полученные непрерывной разлив-
кой. Слябы прокатывают большей частью на непрерывных станах
горячей прокатки, состоящих из двух групп рабочих клетей — чер-
новой и чистовой, расположенных друг за другом. Перед каждой
группой клетей сбивают окалину в окалиноломателях. После про-
катки полосу толщиной 1,2—16 мм сматывают в рулон. К отделоч-
ным операциям производства горячекатаного листа относятся резка,
травление, термическая обработка и др.

Исходным материалом для холодной прокатки листа толщиной
менее 1,5 мм обычно служат горячекатаные рулоны. На современных
станах холодной прокатки производят листовую сталь с минималь-
ной толщиной 0,15 мм и ленты с минимальной толщиной 0,0015 мм.
Современным способом холодной прокатки является рулонный.
Предварительно горячекатаный лист очищают травлением в кисло-
тах с последующей промывкой. Прокатывают на одноклетьевых и
многоклетьевых непрерывных четырехвалковых станах, а также
на многовалковых станах. После холодной прокатки материал про-
ходит отделочные операции: отжиг в защитных газах, нанесение в
случае необходимости покрытий, разрезку на мерные листы и др.

3 й	67
Все больше совершенствуется бесслитковая прокатка — получение проката
непосредственно из жидкого металла, минуя операции отливки слитков и их горя-
чей прокатки, а также ряд вспомогательных операций. В этом случае расплавлен-
ный в плавильной печи металл заливают в миксер, откуда он по наклонному закры-
тому желобу поступает в охлаждаемую коробку — кристаллизатор, — устано-
вленную перед валками прокатной клети. Кристаллизатор обеспечивает непрерыв-
ное, равномерное поступление металла в валки, где он обжимается и выходит в виде
заданного профиля. Таким способом получают алюминиевую ленту толщиной 8—
12 мм.

При прокатке б есшовны х труб первой операцией является
прошивка — образование отверстия в слитке или круглой заготовке.
Эту операцию выполняют в горячем состоянии на прошивных ста-
нах. Наибольшее применение получили прошивные станы с двумя
бочкообразными валками, оси которых расположены под неболь-
шим углом (5—15°) друг к другу (см. рис. 3.6, в). Оба валка 1 вра-

щаются в одном и том же направлении, т. е. в данном случае исполь-
зуется принцип поперечно-винтовой прокатки. Благодаря такому
расположению валков заготовка 2 получает одновременно вращатель-
ное и поступательное движения. При этом в металле возникают ра-
диальные растягивающие напряжения, которые вызывают течение
металла от центра в радиальном направлении, образуя внутреннюю
полость, и облегчают прошивку отверстия оправкой 3, устанавливае-
мой на пути движения заготовки.

Последующую прокатку прошитой заготовки в трубу требуе-

мых диаметра и толщины стенки производят на раскатных станах.
Например, при наиболее распространенном методе трубу прока-
тывают на короткой оправке 2 в так называемом автоматическом
двухвалковом стане (рис. 3.11). Валки 1 образуют последова-

тельно расположенные круглые калибры, зазор между закреплен-
ной на длинном стержне оправкой 2 и ручьями валков определяет

толщину стенки трубы. Для устранения неравномерности толщины
стенки по сечению и рисок после раскатки производят обкатку труб
в обкатных станах, рабочая клеть которых по конструкции анало-
гична клети прошивного стана. Затем для получения заданного диа-
метра трубы прокатывают в калибровочном многоклетьевом стане

продольной прокатки без оправки; а при необходимости получения

труб диаметром менее 80 мм — еще и в редукционных непрерывных

Рис. 3.11. Схема прокатки
труб на автоматическом
стане

станах с рабочими клетями аналогичной
конструкции.

Сварные трубы изготовляют из
плоской заготовки — ленты (называемой
штрипсом) или из листов, ширина которых
соответствует длине (или половине длины)
окружности трубы. Процесс изготовления
сварной трубы включает следующие основ-
ные операции: формовка плоской заготовки
в трубу, сварка кромок, уменьшение
(редуцирование) диаметра полученной трубы.
Для сварки чаще применяют следующие спо-
собы: печную сварку, сварку сопротивлением
Рис. 3.12. Последовательность процесса свертывания полосы в трубу в шести
клетях непрерывного стана

и дуговую под слоем флюса. При производстве труб печной сваркой
ленту, размотанную с рулона, правят, нагревают в узкой длинной
(до 40 м) газовой печи до температуры 1300—1350 °C и формируют
в трубу в непрерывном прокатном стане (рис. 3.12). Стан состоит из
6—12 рабочих клетей, в которых валки образуют круглые калибры.
При прокатке в калибрах прижимаемые одна к другой кромки, до
полнительно нагретые до высокой температуры обдувкой кислоро-
дом, свариваются Выходящую из стана трубу разрезают специаль-
ной пилой на куски требуемой длины и далее калибруют на калибро-
вочном стане. Этим способом изготовляют трубы самой низкой стои-
мости из низкоуглеродистой стали (Ст2кп) диаметром 10—114 мм.

Электросваркой можно получать трубы большого диаметра (до
2500 мм) с тонкой стенкой (до 0,5 мм) из легированных сталей.

При производстве труб сваркой сопротивлением ленты или по-
лосы свертывают в холодном состоянии в трубу в формовочных не-
прерывных станах (рис. 3.12). При выходе из формовочного стана
трубная заготовка поступает на трубоэлектросварочный стан, где
кромки трубы прижимаются друг к другу двумя парами вертикаль-
ных валков и одновременно свариваются роликовыми электродами.
После сварки трубу калибруют, разрезают на части.

Дуговой сваркой под флюсом изготовляют трубы с прямыми и
спиральными швами. В первом случае подготовленный лист формуют
на листогибочных валковых станах или на прессах, затем свари-
вают, причем швы накладывают снаружи и изнутри трубы. При по-
лучении труб со спиральным швом лента, разматываемая с рулона,
сворачивается по спирали в трубу, а затем сваривается по кромкам.

Трубы с более тонкой стенкой, высокими качеством поверхности
и точностью размеров получают на станах холодной прокатки труб
различных типов, а также волочением. В качестве заготовки в этом
случае применяют горячекатаные трубы.

Процессы получения специальных видов проката
отличаются большим разнообразием. Причем некоторые из них
осуществляют на металлургических предприятиях, а другие — на
машиностроительных. Особенно большое значение имеет прокатка
периодических профилей, которые применяют как фасонную заго-
товку для последующей штамповки и как заготовку под окончатель-
ную механическую обработку. Периодические профили в основном
изготовляют поперечной и поперечно-винтовой прокаткой. На ста-
Рис. 3.13. Схема прокатки шаров в стане поперечно-
винтовой прокатки

нах поперечно-винтовом
прокатки получают не
только периодические
профили, но и заготов-
ки шаров и сферических
роликов подшипников
качения (рис 3 13).
Валки 2 и 4 вращаются
в одну и ту же сторону.
Ручьи валков соответ-
ствующей формы сде-
ланы по винтовой ли-

нии. Заготовка 1 при

прокатке получает вращательное и поступательное движения; от
вылета из валков она предохраняется центрирующими упорами 3.

Производство других специальных видов проката, осуществляе-
мых чаще на машиностроительных предприятиях, рассмотрено
в гл. V, разд. 3.

ГЛАВА IV. КОВКА

1.	СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Ковка — вид горячей обработки металлов давлением,
при котором металл деформируется с помощью универсального ин-
струмента. Нагретую заготовку (см. рис. 3.15, д) укладывают на
нижний боек 3 и верхним бойком 2 последовательно деформируют
отдельные ее участки. Металл свободно течет в стороны, не ограни-
ченные рабочими поверхностями инструмента, в качестве которого
применяют плоские или фигурные (вырезные) бойки, а также различ-
ный подкладной инструмент.

Ковкой получают заготовки для последующей механической об-
работки. Эти заготовки называют коваными поковками, или просто
поковками.

Ковка является единственно возможным способом изготовления
тяжелых поковок (до 250 т) типа валов гидрогенераторов, турбин-
ных дисков, коленчатых валов судовых двигателей, валков прокат-
ных станов и т. д. Поковки меньшей массы (десятки и сотни кило-
граммов) можно изготовлять и ковкой, и штамповкой. Хотя штам-
повка имеет ряд преимуществ перед ковкой, в единичном и мелкосе-
рийном производствах ковка обычно экономически более целесооб-
разна. Объясняется это тем, что при ковке используют универсаль-
ный (годный для изготовления различных поковок) инструмент,
а изготовление специального инструмента (штампа) при небольшой
партии одинаковых поковок экономически невыгодно. Исходными
заготовками для ковки тяжелых крупных поковок служат слитки
массой до 320 т. Поковки средней и малой массы изготовляют из
блюмов и сортового проката квадратного, круглого или прямоуголь-
ного сечений.
2.	ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ КОВКИ И ПРИМЕНЯЕМЫЙ
ИНСТРУМЕНТ

Процесс ковки состоит из чередования в определенной
последовательности основных и вспомогательных операций. Каж-
дая операция определяется характером деформирования и приме-
няемым инструментом. К основным операциям ковки относятся
осадка, протяжка, прошивка, отрубка, гибка.

Осадка — операция уменьшения высоты заготовки при увели-
чении площади ее поперечного сечения (рис. 3.14, а). Осадкой не
рекомендуется деформировать заготовки, у которых отношение вы-
соты Н.,яг к диаметру бзаГ больше 2,5, так как в этом случае может
произойти продольное искривление заготовки. Осаживают заготовки
между бойками или подкладными плитами.

Разновидностью осадки является высадка (рис. 3.14, б), при ко-
торой металл осаживают лишь на части длины заготовки.

Протяжка — операция удлинения заготовки или ее части за
счет уменьшения площади поперечного сечения (рис. 3.15, а). Про-
тяжку производят последовательными ударами или нажатиями на

отдельные участки заготовки, примыкающие один к другому, с по-
дачей заготовки вдоль оси протяжки и поворотами ее на 90° вокруг
этой оси. При каждом нажатии уменьшается высота сечения, уве-
личиваются ширина и длина заготовки. Общее увеличение длины
равно сумме приращений длин за каждое нажатие, а уширение по
всей длине одинаково. Если заготовку повернуть на 90° вокруг го-
ризонтальной оси и повторить протяжку, то уширение, полученное

в предыдущем проходе, устраняется, а длина заготовки снова уве-
личивается. Чем меньше подача при каждом нажатии, тем интенсив-

нее удлинение. Однако при слишком малой подаче могут получиться
зажимы (рис. 3.15, б).

Протягивать можно плоскими (рис. 3.15, а) и вырезными
(рис. 3.15, в) бойками. При протяжке на плоских бойках в центре

изделия могут возникнуть (особенно при протяжке круглого сече-
ния) значительные растягивающие напряжения, которые приводят
к образованию осевых трещин. При протяжке с круга на круг в вы-
резных бойках силы, направленные с четырех сторон к осевой ли-
нии заготовки, способствуют более равномерному течению ме-

талла и устранению возможности образования осевых трещин.

Деформация при протяжке может
быть выражена величиной уковки:

У = Fa!FK,

где F,, — начальная (большая) площадь
поперечного сечения: Fh — конечная
(меньшая) площадь поперечного сечения
после протяжки.

Очевидно, чем больше уковка, тем

Рис. 3.14. Схемы осадки (а)
и высадки (б)

лучше прокован металл, тем выше его
механические свойства. Поэтому протяж-
ку применяют не только для получения
Рис. 3.15. Схема протяжки и ее разновидностей

поковок с удлиненной осью (валы, рычаги, тяги и т. п.), но и в чере-
довании с осадкой — для большей уковки металла заготовки

Протяжка имеет ряд разновидностей.

Разгонка — операция увеличения ширины части заготовки за
счет уменьшения ее толщины (рис. 3.15, г).

Протяжка с оправкой — операция увеличения длины пустотелой
заготовки за счет уменьшения толщины ее стенок (рис. 3.15, д).
Протяжку выполняют в вырезных бойках (или нижнем вырезном 3
и верхнем плоском 2) на слегка конической оправке 1. Протягивают
в одном направлении — к расширяющемуся концу оправки, что об-
легчает ее удаление из поковки.

Раскатка на оправке — операция одновременного увеличения
наружного и внутреннего диаметров кольцевой заготовки за счет
уменьшения толщины ее стенок (рис. 3.15, е). Заготовка 5 опирается
внутренней поверхностью на цилиндрическую оправку 6, устанавли-
ваемую концами на подставках 7, и деформируется меж’ду оправкой
и узким длинным бойком 4. После каждого нажатия заготовку пово-
рачивают относительно оправки.

Протяжку с оправкой и раскатку на оправке часто применяют совместно. Вна-
чале раскаткой уничтожают бочкообразность предварительно осаженной и проши-
той заготовки и доводят ее внутренний диаметр до требуемых размеров. Затем про-
тяжкой с оправкой уменьшают толщину стенок и увеличивают до заданных размеров
длину поковки.
Рис. 3.16. Схемы операций ковки:

о — двусторонняя прошивка; б — сквозная прошивка; в — прошивни; г отрубка; д -
топоры; е — гибка; ж — штамповка в подкладных штампах

Прошивка — операция получения полостей в заготовке за счет
вытеснения металла (рис. 3.16, а). Прошивкой можно получить сквоз-
ное отверстие или углубление (глухая прошивка). Инструментом
для прошивки служат прошивни (рис. 3.16, в) сплошные и пустотелые;
последними прошивают отверстия большого диаметра (400—900 мм).
При сквозной прошивке сравнительно тонких поковок применяют
подкладные кольца (рис. 3.16,6). Более толстые поковки прошивают
с двух сторон без подкладного кольца (рис. 3.16, а). Диаметр про-
шивня выбирают не более 1/2—1/3 наружного диаметра заготовки;
при большем диаметре прошивня заготовка значительно искажается.
Прошивка сопровождается отходом (выдрой).

Отрубка — операция отделения части заготовки по незамкну-
тому контуру путем внедрения в заготовку деформирующего инстру-
мента — топора (рис. 3.16, г). Отрубку применяют для получения из
заготовок большой длины нескольких коротких, для удаления из-
лишков металла на концах поковок, а также прибыльной и донной
частей слитка и т. п. Инструмент для отрубки — топоры различной
формы (рис. 3.16, д).

Гибка — операция придания заготовке изогнутой формы по за-
данному-контуру (рис. 3.16, е). Этой операцией получают угольники,
скобы, крючки, кронштейны и т. п. Гибка сопровождается искаже-
нием первоначальной формы поперечного сечения заготовки и умень-
шением его площади в зоне изгиба, называемым утяжкой. Для ком-
пенсации утяжки в зоне изгиба заготовке придают увеличенные
поперечные размеры. При гибке возможно образование складок по
внутреннему контуру и трещин по наружному. Во избежание этого
явления по заданному углу изгиба подбирают соответствующим ра-
диус скругления.
Перечисленными операциями ковки трудно изготовить поковки
с относительно сложной конфигурацией. Поэтому при изготовлении
небольшой партии таких поковок применяют так называемую
штамповку в подкладных штампах (рис. 3.16, ж).
Подкладной штамп может состоять из одной или двух частей, в ко-
торых имеется полость с конфигурацией поковки или ее отдельного
участка. В подкладных штампах можно изготовлять головки гаеч-
ных ключей, головки болтов, диски со ступицей, втулки с буртом и
другие поковки.

3.	ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОВКИ

Ковку выполняют на ковочных молотах и ковочных ги-
дравлических прессах.

Молоты — машины динамического, ударного действия. Продол-
жительность деформации на них составляет тысячные доли секунды.
Металл деформируется за счет энергии, накопленной подвижными
(падающими) частями молота к моменту их соударения с заготовкой.
Поэтому при выборе молотов руководствуются массой их падающих
частей. Энергия, накопленная падающими частями, не вся расхо-
дуется на деформирование заготовки. Часть ее теряется на упругие
деформации инструмента и колебания шабота — детали молота, на
которую устанавливают нижний боек. Чем больше масса шабота,
тем больше КПД. Практически масса шабота бывает в 15 раз больше
массы падающих частей, что обеспечивает КПД удара г]Уд =
= 0,8ч-0,9.

Одним из основных типов молотов для ковки являются паро-
воздушные молоты. Такие молоты приводятся в действие паром или
сжатым воздухом давлением 0,7—0,9 МПа. В зависимости от кон-

Рис. 3.17. Схема паровоздунг
кого молота арочного типа

струкции станины паровоздушные ко-
вочные молоты бывают арочные, мосто-
вые и одностоечные.

На станине 4 арочного молота
(рис. 3.17) смонтирован рабочий ци-
линдр 1 с парораспределительным ус-
тройством 11. При нажатии педали или
рукоятки управления сжатый пар или
воздух по каналу 12 поступает в верх-
нюю полость цилиндра 1 и давит на
поршень 2, соединенный штоком 3
с бабой 5, к которой прикреплен
верхний боек 6. В результате пада-
ющие части 2, 3, 5 и 6 перемещаются
вниз и наносят удар по заготовку уло-
женной на нижний боек 7, неподвижно
закрепленный на массивном шаботе 8.
При подаче сжатого пара по каналу 10
в нижнюю полость цилиндра 1 пада-
ющие части поднимаются в верхнее
положение. Перемещение бабы 5 происходит в направляющих 9.
В ковочных молотах станина 4 и шабот 8 закреплены на фундаменте
по отдельности, так как для того, чтобы манипулировать заготов-
ками и кузнечным инструментом, необходимо иметь доступ к
бойкам со всех сторон.

Молоты могут совершать удары с разной энергией, зажимать
поковки между бойками и удерживать бабу на весу. Ковочные паро-
воздушные молоты строят с массой падающих частей 1000—8000 кг.
На этих молотах изготовляют поковки средней массы (20—350 кг),
преимущественно из прокатанных заготовок.

Гидравлические прессы — машины статического действия; про-
должительность деформации на них может составлять от единиц
до десятков секунд. Металл деформируется приложением усилия,
создаваемого с помощью жидкости (водной эмульсии или минераль-
ного масла), подаваемой в рабочий цилиндр пресса. В СССР ковочные
гидравлические прессы строят усилием 5—100 МН для изготовле-
ния крупных поковок в основном из слитков.

4.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ разработка ПРОЦЕССА

Чертеж поковки составляют на основании разработанного
конструктором чертежа готовой детали с учетом припусков, допусков
и напусков (рис. 3.18). Припуск 2— поверхностный слой металла
поковки, подлежащий удалению обработкой резанием для получе-
ния требуемых размеров и качества поверхности готовой детали 1.
Размеры детали увеличивают на величину припусков в местах, ко-
торые подлежат обработке резанием. Припуск 2 зависит от размеров
поковки, ее конфигурации, типа оборудования, применяемого для
изготовления поковки и других факторов. Чем больше размеры
поковки, тем больше припуск.

Допуск 4 — допустимое отклонение от номинального размера по-
ковки, проставленного на ее чертеже, т. е. разность между наи-
большим и наименьшим предельными размерами поковки. Допуск
назначают на все размеры поковки.

Конфигурацию поковки иногда упрощают за счет напусков 3 —
объема металла, добавляемого к поковке сверх припуска для упро-
щения ее формы и, следовательно, процесса ковки. Напуски 3 уда-
ляют последующей обработкой резанием. Припуски, допуски и на-
пуски назначают в строгом соответствии с ГОСТом.

Выбор заготовки осуществляют по ее массе, которая может быть
подсчитана по формуле

^заг == ^пок Ч" тпр Ч~ ^дн 4“ Ч- ^от>

где тзаг — масса исходной заготовки; m1I0K — масса поковки, под-
считываемая как произведение объема поковки на плотность металла;
mIIp — масса отхода с прибыльной частью слитка; тял — масса от-
хода с донной частью слитка; туг — масса отхода на угар (окалино-
образование) при нагреве; тот — масса технологических от-
ходов.
Рис. 3.18. Схема размеров поковки с напуском, припуском и допуском

Отходы с прибыльной частью составляют 14—30 %, а с донной
4—7 %; на угар — в среднем 2—2,5 % массы нагреваемого металла
при нагреве холодной заготовки и ~1,5 % при каждом подогреве.
Технологические отходы (обрубки, выдры и т. п.) зависят от формы
поковки и принятой последовательности ковки. При ковке из про-
катанной заготовки /72||р и тдн отсутствуют. Размеры поперечного
сечения заготовки выбирают с учетом обеспечения необходимой
уковки. Достаточной уковкой для слитков считается 2,5—3, а для
проката можно принимать 1,3—1,5.

Выбор оборудования для ковки осуществляют в зависимости от
режима ковки данного металла или сплава, массы поковки и ее кон-
фигурации. Необходимую мощность оборудования обычно опреде-
ляют по приближенным формулам или справочным таблицам.

Последовательность операций ковки устанавливают в зависимо-
сти от конфигурации поковки и технологических требований на нее,
вида заготовки (слиток или прокат). В качестве примера на рис. 3.19
приведена последовательность ковки полого массивного цилиндра
из слитка на гидравлическом прессе. Цилиндр куют из стального
слитка Деталь 40) массой 18 т с пяти нагревов. После первого нагрева
протягивают прибыльную часть под патрон и сам слиток на диа-
метр 1000 мм, отрубают донную и прибыльную части слитка
(рис. 3.19, а). После второго нагрева выполняют осадку, прошивку
отверстия и раскатку на оправке (рис. 3.19, б). После третьего на-
грева— посадку на оправку и протяжку на длину 1100 мм
(рис. 3.19, в). После четвертого — посадку на оправку и протяжку
средней части на диаметр 900 мм (рис. 3.19, г). После пятого нагрева
(нагревают только конец Л) заковывают конец А.

Технологические требования к деталям, получаемым из кованых
поковок, сводятся главным образом к тому, что поковки должны
быть наиболее простыми, очерченными цилиндрическими поверх-
76
Заготовка - слиток

Рис. 3.19. Последовательность операций ков-
ки полого цилиндра из слитка

Рис. 3.20. Правильные и нежелательные
формы поковок

Правильно

Нежелательна

костями и плоскостями (рис. 3.20, 1—4). В поковках следует избе-
гать конических (рис. 3.20, 5) и клиновых (рис. 3.20, 6) форм.
Необходимо учитывать трудность выполнения ковкой участков пере-
сечений цилиндрических поверхностей между собой (рис. 3.20, 7)
и с призматическими поверхностями (рис. 3.20, 8). В поковках
следует избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т. п.,
учитывая, что эти элементы в большинстве случаев изготовить
ковкой невозможно. В местах сложной конфигурации приходится
прибегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки,
что вызывает удорожание детали. Кроме того, следует стремиться,
чтобы конфигурация детали позволяла получать при ковке наиболее
благоприятное расположение волокон (см. с. 59).

Технологические особенности ковки высоколегированных сталей
и цветных металлов обусловлены их технологическими свойствами.
Высоколегированные стали склонны к интенсивному упрочнению,
поэтому для их ковки целесообразнее использовать пресс, а не мо-
лот. Ввиду малой скорости деформирования на прессах разупроч-
няющие процессы, возврат и рекристаллизация, успевают произойти
полнее, и упрочнение снижается.

Для каждой марки сталей необходимо выбирать определенную
суммарную уковку, чтобы получить хорошее качество поковок.
Ввиду того что высоколегированные стали имеют пониженную пла-
стичность, нужно выбирать такие приемы ковки, при которых значи-
тельно снижаются растягивающие напряжения. Например, протяжку
целесообразно выполнять в вырезных бойках. Особенно осторожно
следует ковать литую заготовку, так как литая структура менее
пластична, чем деформированная.

Последнее относится и ко всем алюминиевым сплавам, Например,
предварительно деформированные прутки из сплавов АК5 и АК6
можно подвергать ковке, тогда как слитки этих сплавов при ковке
разрушаются. Алюминиевые сплавы, имеющие хорошую пластич-
ность (АЛ1, Д1, АК2 и др.), куют на молотах и гидравлических
прессах без особых ограничений. Малопластичные алюминиевые
сплавы (АКЗ, В93 и др.) предпочтительней ковать на гидравличе-
ских прессах в вырезных бойках, так же как малопластичные маг-
ниевые сплавы (МАЗ). На гидравлических прессах с невысокой ско-
ростью деформирования можно ковать и магниевые сплавы, обла-
дающие хорошей пластичностью (MAI, МА2).

Медные сплавы (латуни и бронзы) имеют невысокий запас пластич-
ности, поэтому процесс ковки необходимо вести с минимальными
растягивающими напряжениями.

Титан и титановые сплавы имеют достаточно высокую пластич-
ность и обрабатываются всеми применяемыми способами ковки.
Но в случае динамического деформирования под молотом пластич-
ность титановых сплавов снижается. Труднодеформируемые титано-
вые сплавы протягивают в вырезных бойках.

Механизация ковки — важная задача улучшения условий труда
и повышения производительности, так как ковка — трудоемкий и
малопроизводительный процесс. При ковке массивных поковок
многие операции вообще не могут быть осуществлены вручную.

Для посадки заготовок (слитков) в печь и выдачи их из печи
кроме мостовых и консольно-поворотных кранов применяют специаль-
ные посадочные машины напольного или подвесного типов. Ковку
на прессах и молотах можно механизировать с помощью различных
кранов, кантователей и манипуляторов.

Молоты обслуживают обычно консольно-поворотные краны, прессы — мостовые
краны. Кантователь — механизм, подвешиваемый к крюку крана и позволяющий
поворачивать слиток вокруг его продольной оси (дополнительно к тем движениям,
которые обеспечивает сам кран).

Манипулятор представляет собой тележку, либо перемещающуюся по желез-
нодорожным рельсам (рельсовый манипулятор), либо автомобильного типа (без-
рельсовый манипулятор). На тележке устанавливают электрические или гидра-
влические приводы, осуществляющие перемещение самой тележки и движение за-
хвата. Захват зажимает заготовку, производит кантовку — вращение вокруг про-
дольной оси и перемещает ее вверх — вниз. Имеются манипуляторы, у которых,
кроме этого, захват поворачивается вокруг вертикальной оси. Грузоподъемность
манипуляторов достигает 120 т.

Начинают применять автоматизированные процессы ковки, при
которых работа пресса и манипулятора управляется электронными
устройствами по заданной программе. Для повышения точности по-
ковок находят применение устройства (фотоэлементы, датчики с ра-
диоактивными изотопами), регламентирующие положение рабочего
инструмента в заключительный момент ковки.

Г Л А в А V. ГОРЯЧАЯ ОБЪЕМНАЯ ШТАМПОВКА

1.	СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Горячая объемная штамповка — это вид обработки метал-
лов давлением, при котором формообразование поковки из нагретой
заготовки осуществляют с помощью специального инструмента —
штампа (см. рис. 3.1, д). Течение металла ограничивается поверх-
78
Рис. 3.21. Штампованные поковки

ностями полостей (а также выступов), изготовленных в отдельных
частях штампа, так что в конечный момент штамповки они образуют
единую замкнутую полость (ручей) по конфигурации поковки.

В качестве заготовок для горячей штамповки в подавляющем
большинстве случаев применяют прокат круглого, квадратного,
прямоугольного профилей, а также периодический. При этом прутки
разрезают на отдельные (мерные) заготовки, хотя иногда штампуют
из прутка с последующим отделением поковки непосредственно на
штамповочной машине. Мерные заготовки отрезают от прутка раз-
личными способами: на кривошипных пресс-ножницах, механиче-
скими пилами, газовой резкой и т. д.

По сравнению с ковкой штамповка имеет ряд преимуществ.
Горячей объемной штамповкой можно получать поковки сложной
конфигурации без напусков, что при ковке невозможно. Допуски
на штампованную поковку в 3—4 раза меньше, чем на кованую.
Вследствие этого значительно сокращается объем последующей
обработки резанием. Штампованные поковки обрабатывают только
в местах сопряжения с другими деталями, и эта обработка может
сводиться только к шлифованию.

Производительность штамповки значительно выше — десятки
и сотни поковок в час.

В то же время штамп — дорогостоящий инструмент и пригоден
только для изготовления какой-то одной, конкретной поковки.
В связи с этим штамповка экономически целесообразна лишь при
изготовлении достаточно больших партий одинаковых поковок.

Кроме того, для объемной штамповки поковок требуются гораздо
большие усилия деформирования, чем для ковки таких же поковок.
Поковки массой в несколько сот килограммов для штамповки счи-
таются крупными. В основном штампуют поковки массой 20—30 кг
и только в отдельных случаях — массой до 3 т.

Горячей объемной штамповкой изготовляют заготовки для ответ-
ственных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных
машин, самолетов, железнодорожных вагонов, станков и т. д.
Конфигурация поковок чрезвычайно разнообразна, в зависимости
от нее поковки обычно подразделяют на группы. Например, штампо-
ванные поковки, показанные на рис. 3.21, можно разделить на две
группы: удлиненной формы, характеризующиеся большим отноше-
нием длины к ширине (рис. 3.21, а), и короткие круглого или ква-
дратного сечения (рис. 3.21, б).

2.	СПОСОБЫ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

Наличие большого разнообразия форм и размеров штампо-
ванных поковок, а также сплавов, из которых их штампуют, обусло-
вливает существование различных способов штамповки.

Так как характер течения металла в процессе штамповки опре-
деляется типом штампа, то этот признак можно считать основным
для классификации способов штамповки. В зависимости от типа
штампа выделяют штамповку в открытых и закрытых штампах.

Штамповка в открытых штампах (рис. 3.22, а) характеризуется
переменным зазором между подвижной и неподвижной частями
штампа. В этот зазор вытекает заусенец (облой), который закрывает
выход из полости штампа и заставляет металл целиком заполнить
всю полость. В конечный момент деформирования в заусенец вы-
жимаются излишки металла, находящиеся в полости, что позволяет
не предъявлять особо высоких требований к точности заготовок по
массе. Заусенец затем обрезается в специальных штампах. Штампов-
кой в открытых штампах получают поковки всех типов
(см. рис. 3.21, а, б).

Штамповка в закрытых штампах (рис. 3.22, б, в) характери-
зуется тем, что полость штампа в процессе деформирования остается
закрытой. Зазор между подвижной и неподвижной частями штампа
при этом постоянный и небольшой, так что образование заусенца
в нем не предусмотрено. Устройство таких штампов зависит от типа
Машины, на которой штампуют. Например, нижняя половина штампа
может иметь полость, а верхняя — выступ (на прессах), или наоборот
(на молотах). Закрытый штамп может иметь не одну, а две взаимно
перпендикулярные плоскости разъема, т. е. состоять из трех частей
(рис. 3.22, в).

При штамповке в закрытых штампах необходимо строго соблю-
дать равенство объемов заготовки и поковки, иначе при недостатке

Рис. 3.22. Схемы штамповки в открытых и закрытых штампах:

I —• заусеиечвая канавка
металла не заполнятся углы полости штампа, а при избытке размер
поковки по высоте будет больше требуемого. Следовательно, в этом
случае процесс получения заготовки усложняется, поскольку от-
резка заготовок должна обеспечивать высокую точность. Как пра-
вило, штамповкой в закрытых штампах получают поковки, пока-
занные на рис. 3.21, б.

Существенное преимущество штамповки в закрытых штампах —
уменьшение расхода металла, поскольку пет отхода в заусенец.
Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют более благоприят-
ную макроструктуру, так как волокна обтекают контур поковки,
а не перерезаются в месте выхода металла в заусенец. При штамповке
в закрытых штампах металл деформируется в условиях всестороннего
неравномерного сжатия при больших сжимающих напряжениях,
чем в открытых штампах. Это позволяет получать большие степени
деформации и штамповать малопластичные сплавы.

К штамповке в закрытых штампах можно отнести штамповку выдавливанием
и прошивкой, так как штамп в этих случаях выполняют по типу закрытого и отхода
в заусенец не предусматривают. Деформирование металла при горячей штамповке
выдавливанием и прошивкой происходит так же, как при холодном прямом и обрат-
ном выдавливании (см. гл. VI, разд. 3).

3.	ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОКОВКИ

Схема технологического процесса штамповки в основном
определяется конфигурацией и размером детали, которую нужно
получить. По чертежу детали составляют чертеж поковки.

При получении поковки в открытом штампе прежде всего необ-
ходимо правильно выбрать поверхность разъема, т. е. поверхность,
по которой соприкасаются между собой верхняя и нижняя половины
штампа. Обычно эта поверхность является плоскостью или сочета-
нием плоскостей. Плоскость разъема должна быть выбрана такой,
чтобы поковка свободно вынималась из штампа. В целях облегчения
заполнения металлом полости штампа желательно выбрать плоскость
разъема таким образом, чтобы полости штампов имели наименьшую
глубину. При штамповке возможен сдвиг одной половины штампа
относительно другой. Чтобы такой сдвиг можно было легко контро-
лировать, плоскость разъема должна пересекать вертикальную
поверхность поковки (рис. 3.23).

Припуски на механическую обработку назначают главным обра-
зом на сопрягаемые поверхности детали. Припуск зависит от габа-
ритных размеров и массы поковки, от вида оборудования штамповки,
шероховатости обрабатываемой поверхности детали; припуск вы-
бирают по ГОСТу. Допуски на штамповку назначают также по
ГОСТу; допуски учитывают возможные отклонения от номинальных
размеров вследствие недоштамповки по высоте, сдвига штампов, их
износа и т. п.

Для облегчения заполнения полости штампа и извлечения из
нее поковки боковые поверхности последней должны иметь штампо-
вочные уклоны. Штамповочные уклоны назначают сверх припуска;
они повышают отход металла при механической обработке и утяже-
Рис. 3.23. Выбор плоскости разъ-
ема штампа:

а — неправильно; б правильно

Рис. 3.24. Примеры составления
чертежа поковки:

а — деталь; б — поковка при штам-
повке в открытом штампе; в — то же,
в закрытом штампе с одной плоскостью
разъема; г — то же, в закрытом штампе
с двумя плоскостями разъема

ляют поковку. Уклон зависит от глубины и сложности полости,
применяемого для штамповки оборудования и колеблется для сталь,
ных поковок в пределах 3—10°. Для наружных поверхностей по-
ковки (вследствие температурной усадки) штамповочные уклоны а
принимают меньшими, чем для внутренних 0 (рис. 3.24).

Все пересекающиеся поверхности поковки сопрягаются по ра-
диусам. Это необходимо для лучшего заполнения полости штампа
и предохранения его от преждевременного износа и поломок. Радиусы
скругления зависят от глубины полости. Внутренние радиусы /?
скругления в 3—4 раза больше, чем наружные радиусы г
(см. рис. 3.24). Наружные радиусы скругления г составляют обычно
1—6 мм.

При штамповке в штампах с одной плоскостью разъема нельзя
получить сквозное отверстие в поковке, поэтому наносят только
наметку отверстия с перемычкой-пленкой, удаляемой впоследствии
в специальных штампах. Штамповкой не всегда можно получить
«2
полностью требуемую конфигурацию поковки. Поэтому на отдельных
участках поковок могут быть сделаны напуски, упрощающие форму.
В частности, при диаметрах отверстия меньше 30 мм наметки в по-
ковках не делают.

Изменив все размеры спроектированной поковки на величину
усадки, получают чертеж горячей поковки, по которому изгото-
вляют полость штампа.

При штамповке в открытых штампах вдоль внешнего контура
полости выполняют специальную заусенечную канавку (см.
рис. 3.22, 1). Для обеспечения хорошего заполнения металлом по-
лости штампа и повышения его стойкости особенно большое значение
имеет толщина заусенца h3, которую, как и другие размеры заусе-
нечной канавки, подсчитывают по формулам в зависимости от кон-
фигурации поковки.

Чертеж поковки при штамповке в закрытых штампах с одной
плоскостью разъема составляют так же, как при штамповке в от-
крытых. Но плоскость разъема выбирают по торцовой наибольшей
поверхности детали (см. рис. 3.24, в). Составление чертежа поковки
при штамповке в закрытых штампах с двумя взаимно перпендику-
лярными плоскостями разъема имеет свои специфические особен-
ности. Прежде всего наличие двух плоскостей разъема не требует
на поковках напусков там, где они необходимы в штампах с одной
плоскостью разъема (рис. 3.24, г). Штамповочные уклоны назначают
значительно меньшего размера или их можно совсем не предусматри-
вать.

Поскольку штампованные поковки, как правило, обрабатывают
только по сопрягаемым поверхностям, а большинство поверхностей
впоследствии не обрабатываются, то уже при проектировании самой
детали конструктор должен учитывать особенности процесса штам-
повки. Прежде всего необходимо представить, как будет происходить
разъем штампа. Например, деталь, показанную на рис. 3.25, нельзя
штамповать без очень больших напусков, так как невозможно вы-
брать разъем штампа, допускающий извлечение поковки. В таком
случае желательно изменить конструкцию детали. Заранее устано-
вить плоскость разъема необходимо еще и потому, что от этого зависят

Рис. 3.25. Пример
неправильной кон-
струкции поковки
н

Рис. 3.26. Упрощение спо-
соба штамповки путем после-
дующей сварки отдельных
частей поковки

другие элементы кон-
струкции детали (углы
наклона стенок, радиу-
сы скруглений и др.).

При проектирова-

нии детали следует
стремиться к возможно меньшей разности в площадях поперечных
сечений на различных участках длины детали, избегать тонких
стенок, высоких ребер, длинных отростков и тонких приливов,

примыкающих к плоскости разъема.

Необходимо проверять в каждом отдельном случае целесообраз-
ность изготовления деталей из двух или нескольких частей с последу-
ющей сваркой и, наоборот, целесообразность объединения в одной
поковке смежных деталей. Например, при штамповке детали /
(рис. 3.26) как целое приходится предусматривать большие напуски;
отход металла при последующей обработке резанием составляет
более 50 % массы пвковки. Та же деталь // сварной конструкции
значительно проще для штамповки по частям; в этом случае можно
отштамповать наметки отверстий, отход металла снижается.

4.	СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ

Поковки простой конфигурации, не имеющие большой
разности сечений по длине (высоте), обычно штампуют в штампах
с одной полостью, т. е. в одноручьевых штампах. Поковки сложной
конфигурации с резкими изменениями сечений подлине, с изогнутой
осью штамповать в одноручьевом штампе из прокатанных заготовок
постоянного профиля невозможно (или штамповка сопровождается
недопустимо большим отходом в заусенец).

В этом случае форму заготовки следует приблизить к форме
поковки, прежде чем производить окончательное формообразование
в штамповочном ручье, т. е. необходимо получить профилированную
или фасонную заготовку.

При штамповке небольшой партии поковок фасонную заготовку
можно получить ковкой, однако производительность такого способа
низка.

При изготовлении очень большого числа одинаковых поковок
(в автотракторной, авиационной промышленности и др.) значитель.
ного экономического эффекта достигают применением фасонных
заготовок из периодического проката. В этом случае пруток с пери-
одически повторяющимся профилем сечения состоит из элементов
однотипных конфигураций, каждый из которых представляет собой
подготовленную для штамповки заготовку. На рис. 3.8, б показаны
примеры периодического проката для штамповки в автомобильной
промышленности.
Поковка

Рис. 3.27. Многоручьевой штамп

Получить фасонную заготовку из проката круглого или квадрат-
ного профиля можно и вальцовкой на ковочных вальцах непосред-
ственно перед штамповкой (с одного нагрева). Вальцовка яв-
ляется по существу продольной прокаткой, осуществляемой между
двумя валками с закрепленными на них секторными штампами
(см. рис. 3.31, а).

Чаще всего в настоящее время фасонную заготовку получают
в заготовительных ручьях штампов. Этот способ в зависимости от
характера производства осуществляют либо в одном многоручьевом
штампе, либо в нескольких одноручьевых, установленных на отдель-
ных штамповочных машинах. В первом случае в одном блоке рас-
положены полости (ручьи) для получения фасонной заготовки и
окончательного формообразования поковки (рис. 3.27).

Ручьи в многоручьевых штампах подразделяют на заготовитель-
ные и штамповочные. К заготовительным ручьям, служащим для
получения фасонной заготовки, относятся протяжной, подкатной,
гибочный, площадка для осадки и др.

Протяжной ручей 2 (рис. 3.27) служит для увеличения
длины отдельных участков заготовки за счет уменьшения площади
их поперечного сечения. Ручей выполняют в форме бойков, образу-
ющих порог протяжного ручья; деформация заготовок в нем анало-
гична операции протяжки на плоских бойках при ковке. Из про-
тяжного ручья в зависимости от конфигурации поковки заготовка
может поступать в штамповочный ручей или другие заготовительные
ручьи.
Подкатной ручей 1 служит для местного увеличения
течения заготовки (набора металла) за счет уменьшения сечения
рядом лежащих участков, т. е. для распределения объема металла
вдоль оси заготовки в соответствии с распределением его в поковке.
При обработке в подкатном ручье заготовку вращают вокруг оси
после каждого удара.

Гибочный ручей 5 применяют только при штамповке
поковок, имеющих изогнутую ось; он служит для придания заго-
товке формы, соответствующей форме поковки в плоскости разъема.
Из гибочного ручья в следующий ручей заготовку передают с поворо-
том на 90°.

При штамповке поковок, имеющих в плане форму окружности
или близкую к ней, часто применяют осадку исходной заготовки
до требуемых размеров по высоте и диаметру. Для этой цели на пло-
скости штампа предусматривают площадку для осадки.

К штамповочным ручьям относят окончательный (чистовой)
ручей и предварительный (черновой). Чистовой ручей служит
для получения готовой поковки и по конфигурации точно соответ-
ствует горячей поковке. Назначение чернового ручья 4 за-
ключается в основном в снижении износа чистового. При наличии
чернового ручья в нем происходит основное формообразование, в чи-
стовом же ручье получают требуемые размеры поковки. Черновой
ручей применяют при штамповке поковок сложной конфигурации.
За отдельными исключениями форму полости чернового ручья при-
нимают такой же, как у чистового, но радиусы скруглений и уклоны
увеличивают, а поперечные размеры в плоскости разъема устанавли-
вают немного меньше размеров полости чистового ручья. При штам-
повке в открытых штампах черновой ручей заусенечной канавки
не имеет.

Вопрос о применении тех или иных ручьев и различных их ком-
бинаций решают при разработке технологического процесса штам-
повки в зависимости от конфигурации и габаритных размеров по-
ковки, а также от особых требований в отношении направления
волокна макроструктуры.

В многоручьевом штампе (см. рис. 3.27) чистовой ручей 3 рас-
положен в центре штампа, так как при штамповке наибольшее усилие
возникает в нем. По краям штампа располагают ручьи, в которых
усилия штамповки наименьшие, чтобы уменьшить эксцентрично
приложенную на штамповочное оборудование нагрузку.

Размеры исходной заготовки можно определить, предварительно
подсчитав ее объем, который равен сумме объемов поковки, заусенца
(при штамповке в открытых штампах) и отхода в окалину. Объем
поковки определяют по ее чертежу; объем заусенца — по нормалям
в зависимости от размера и конфигурации поковки (объем заусенеч-
ной канавки в 1,4—1,5 больше объема заусенца). Отход в ока-
лину зависит от способа нагрева. При штамповке осадкой заготовки
в торец (поковки, см. на рис. 3.21, б) размеры ее подсчитывают
из условия

1,25 <5 /Заг^заг
где Z3ar — длина заготовки; daar — диаметр заготовки (или сторона
квадрата).

При меньшем отношении длины к диаметру затрудняется отрезка
заготовок, при большем — возможен продольный изгиб при осадке.

б. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ
ШТАМПОВКИ

Для горячей объемной штамповки применяют молоты,
кривошипные горячештамповочные прессы, горизонтально-ковоч-
ные машины, гидравлические прессы, винтовые прессы и машины для
специализированных процессов штамповки. Процессы штамповки
на этих машинах имеют свои особенности, обусловленные устрой-
ством и принципом их действия.

Основным видом штамповочных молотов являются паровоздуш-
ные штамповочные молоты. Принцип их действия тот же, что и у
паровоздушных ковочных молотов, но конструкция другая.

У штамповочных молотов стойки станины устанавливают непосредственно па
шаботе. Эти молоты всегда имеют усиленные регулируемые направляющие для дви-
жения бабы. Масса шабота у штамповочных молотов в 20—30 раз больше массы
падающих частей. Все эти конструктивные особенности обеспечивают необходимую
при штамповке точность соударения штампов.

Паровоздушные штамповочные молоты строят с массой падающих
частей 630—25 000 кг.

На молотах штампуют поковки разнообразных форм преимуще-
ственно в многоручьевых открытых штампах. Поскольку ход молота
нежесткий, штамп конструируют так, чтобы при последнем ударе
его половинки сомкнулись по плоскости соударения. На молоте
обычно штампуют за несколько (3—5) ударов. После каждого удара
баба молота уходит вверх, и в процессе деформирования наступает
перерыв. Это приводит к тому, что часть поковки, деформируемая
в верхнем штампе, охлаждается менее интенсивно, чем нижняя часть
поковки. Поэтому на молотах верхняя полость штампа заполняется
металлом лучше, чем нижняя. Течение металла облегчается также
благодаря тому, что после каждого удара окалина отваливается
от поверхности заготовки и выдувается сжатым воздухом из штампа.

У бесшаботных паровоздушных молотов шабот заменен подвиж-
ной бабой, соединенной с верхней бабой механической или гидравли-
ческой связью. При соударении верхней и нижней баб развивается
значительная энергия (до 1 МДж), что позволяет штамповать на этих
молотах крупные поковки преимущественно в одноручьевых штампах
(ввиду подвижности обоих штампов многоручьевая штамповка на
них затруднена).

Кинематическая схема кривошипного горячештамповочного
пресса приведена на рис. 3.28. Электродвигатель 4 передает движе-
ние клиновыми ремнями на шкив 3, сидящий на приемном (промежу-
точном) валу 5, на другом конце которого закреплено малое зубчатое
колесо 6. Это колесо находится в зацеплении с большим зубчатым
колесом 7, свободно вращающимся на кривошипном валу 9. С по-
Рис. 3.28. Кинематическая схема
кривошипного горячештамповочного
пресса

мощью пневматической фрикцион-
ной дисковой муфты 8 зубчатое
колесо 7 может быть сцеплено с
кривошипным валом 9\ тогда по-
следний придет во вращение.
Посредством шатуна 10 вращение
кривошипного вала преобразуется
в возвратно-поступательное дви-
жение ползуна 1.

Для остановки вращения кри-
вошипного вала после выключе-
ния муфты служит тормоз 2. Стол
пресса И, установленный на на-
клонной поверхности, может пере-
мещаться клином 12 и тем самым
в незначительных пределах регу-
лировать высоту штампового про-
странства. Для облегчения уда-
ления поковки из штампа прессы
имеют выталкиватели в столе и
ползуне. Выталкиватели срабаты-

вают при ходе ползуна вверх.

Кривошипные прессы имеют постоянный ход, равный удвоенному
радиусу кривошипа. Поэтому в каждом ручье штампуют за один ход

пресса, и производительность штамповки на прессах выше, чем на
молотах. Наличие постоянного хода приводит к большей точности

поковок по высоте, а высокая жесткость конструкции пресса, отсут-
ствие ударов и сотрясений делают возможным применение направля-
ющих колонок у штампов, что практически исключает сдвиг. Штам-
повочные уклоны у поковок также меньше, так как на прессах
предусмотрены выталкиватели. При штамповке на кривошипных
прессах имеются большие возможности для механизации и автомати-
зации процесса, чем при штамповке на молотах.

Наряду с перечисленными преимуществами штамповка на криво-
шипных прессах имеет и недостатки. Ввиду жесткого хода ползуна
на прессах при многоручьевой штамповке нельзя применять такие
ручьи, как протяжной, подкатной и отрезной.

Заготовка перед штамповкой на прессе должна быть полностью
очищена от окалины, так как деформация происходит за один ход
пресса; при наличии окалины она заштамповывается в поверхность
поковки. Стоимость кривошипного горячештамповочного пресса
в 3—4 раза выше стоимости эквивалентного по мощности молота.

На кривошипных прессах возможна штамповка всех видов поко-
вок, штампуемых на молотах. Однако при штамповке поковок с удли-
ненной осью и большой разностью площадей поперечных сечений
по длине требуется применение предварительно профилированных
заготовок.

Течение металла при штамповке на прессах отличается от течения в молотовом
штампе, что необходимо иметь в виду при проектировании технологического про-
цесса. Поскольку скорость деформирования на прессах ниже, время контакта металла
с инструментом больше, чем на молотах. Это приводит к переохлаждению поверх-
ности заготовки и худшему заполнению полости штампа. В то же время, если при
штамповке на молоте заусенец между ударами остывает и препятствует течению
металла в стороны, то на прессе при деформировании за один ход в заусенец посту-
пает наиболее нагретый металл. В результате течение его в горизонтальном направ-
лении происходит легче, чем в вертикальном. Поэтому для хорошего заполнения
прессового штампа плоскость разъема выбирают вблизи торца поковки, так что
полость в одной из частей штампа получается значительно глубже другой.

Ввиду худшего заполнения полостей при штамповке сложных
поковок на прессах применяют большее число ручьев, чем в молото-
вых штампах. Штампы на прессах не должны смыкаться на величину,
равную толщине заусенца, поэтому полость для него делается от-
крытой, в отличие от молотовых штампов.

Определение усилия, требуемого для штамповки на кривошипном
горячештамповочном прессе, имеет важное значение, так как при
недостаточном усилии пресса может произойти его поломка. Суще-
ствуют аналитические экспериментально проверенные формулы
для определения усилия штамповки с достаточной степенью точ-
ности.

Благодаря наличию выталкивателей на прессах удобно штампо-
вать в закрытых штампах выдавливанием и прошивкой. Криво-
шипные горячештамповочные прессы строят усилием 6,3—100 МН;
такие прессы успешно заменяют штамповочные молоты с массой
падающих частей 0,63—10 т.

Горизонтально-ковочные машины имеют штампы, состоящие из
трех частей (рис. 3.29): неподвижной матрицы <3, подвижной матрицы
5 и пуансона /, размыкающихся в двух взаимно перпендикулярных
плоскостях. Пруток 4 с нагретым участком на его конце заклады-
вают в неподвижную матрицу 3. Положение конца прутка опре-
деляется упором 2. При включении машины подвижная матрица 5
прижимает пруток к неподвижной матрице, упор 2 автоматически
отходит в сторону, и только после этого пуансон 1 соприкасается
с выступающей частью прутка и деформирует ее. Металл при этом
заполняет формующую полость в матрицах, расположенную впереди
важимной части. Формующая полость может находиться не только
в матрице, но и совместно в матрице и пуансоне, а также только
в одном пуансоне.

После окончания деформирования пуансон движется в обратном
направлении, выходя из полости матриц; матрицы разжимаются,
и деформированную заготовку вынимают или она выпадает из них.
Штамповку на горизонтально-ковочной машине можно выполнять
ва несколько переходов в отдельных ручьях, оси которых располо-
жены одна над другой. Каждый переход осуществляется за один
рабочий ход машины.

Кинематическая схема горизонтально-ковочной машины предста-
влена на рис. 3.30. Главный ползун 7, несущий пуансон, приводится
в движение от кривошипного вала 6 с помощью шатуна 5. Подвижная
щека 1 приводится от бокового ползуна 3 системой рычагов 2\ боко-
вой ползун, в свою очередь, — кулачками 4, сидящими на конце
Рис. 3.30. Кинематическая схема гори-
зонтально-ковочной машины

Рис. 3.29. Схемы основных операций
при штамповке на горизонтально-ко-
вочной машине

кривошипного вала машины. Горизонтально-ковочные машины соз-
дают усилие на главном ползуне до 31,5 МН.

Основные операции при штамповке на горизонтально-ковочных
машинах — высадка (см. рис. 3.29, а, б), прошивка (см. рис. 3.29, в)
и пробивка (см. рис. 3.29, а).

Вне зависимости от конфигурации полости пуансона или матрицы
за один переход можно высадить выступающий из зажимной части мат-
рицы конец прутка только в том случае, если длина его не превышает
трех диаметров. При большей длине возможен изгиб заготовки, по-
этому необходимо предварительно произвести так называемый набор
металла, т. е. постепенно в специальных наборных ручьях увеличить
поперечное сечение заготовки, уменьшая длину высаживаемой части.
Набор металла (см. рис. 3.29, б) предпочтительнее осуществлять
в полости пуансона 1, которой придают коническую форму. При
этом меньший диаметр конуса приблизительно равен диаметру
исходного прутка d; максимальный диаметр D не должен превышать
1,5d, а длина свободного участка — а не должна превышать двух
диаметров исходного прутка.

На горизонтально-ковочных машинах в основном штампуют
поковки типа стержня с фланцем, кольца или стакана. Так как штамп
состоит из трех частей, напуски на поковках и штамповочные уклоны
малы или отсутствуют.

Исходным материалом для штамповки на горизонтально-ковочных
машинах обычно служит прокат круглого сечения. Чаще всего штам-
пуют от прутка, из которого получают несколько поковок. Диаметр
90
исходного прутка зависит от конфигурации поковки. Так как опера-
цию протяжки на горизонтально-ковочной машине не производят,
площадь поперечного сечения прутка должна быть не больше мини-
мальной площади поперечного сечения поковки.

Точность поковок и производительность штамповки не ниже,
чем в случае использования кривошипных горячештамповочных
прессов. Несмотря на указанные преимущества горизонтально-
ковочные машины менее универсальны (по сравнению с молотами
и прессами), имеют более высокую стоимость.

Гидравлические штамповочные прессы по своему устройству
принципиально не отличаются от ковочных. Усилие современных
гидравлических штамповочных прессов достигает 750 МН.

На гидравлических прессах штампуют поковки типа дисков,
коленчатых валов, различного рода рычагов, кронштейнов, сфери-
ческих днищ, цилиндрических стаканов. Особое значение имеет
штамповка на гидравлических прессах крупногабаритных панелей
и рам из легких сплавов в самолетостроении. Исходной заготовкой
является прокат (в том числе листовой) и полуфабрикат ковки.
Перед закладкой в штамп нагретая заготовка должна быть очищена
от окалины.

Штампуют в открытых и закрытых штампах (с одной и двумя
плоскостями разъема), как правило, в одном ручье.

На гидравлических прессах осуществляют изотермическую штамповку. При
этом способе горячее деформирование происходит в изотермических условиях,
когда штампы и окружающее их ограниченное пространство нагреваются до те»
пературы деформации сплава. Чтобы обеспечить наиболее полное протекание раз-
упрочняющих процессов во время деформации, штампуют при низких скоростях
деформирования. Температура нагрева рабочей зоны установки и штампов, изго-
товляемых из жаропрочного сплава, может достигать 900 С. Для нагрева исполь-
зуют индукторы, встроенные в установку.

Изотермическая штамповка значительно повышает пластичность деформируе-
мого сплава и снижает усилия деформирования.

6.	СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ЗАГОТОВОК

Штамповка на ковочных вальцах напоминает продольную
прокатку в одной рабочей клети, на двух валках которой
закрепляют секторные штампы, имеющие соответствующие ручьи
(рис. 3.31, а).

Нагретую заготовку 1 подают до упора 2 в тот момент, когда
секторные штампы 3 расходятся. При повороте валков происходит
захват заготовки и обжатие ее по форме полости; одновременно
с обжатием заготовка выталкивается в сторону подачи.

На вальцах изготовляют поковки сравнительно несложной кон-
фигурации, типа звеньев цепей, рычагов, гаечных ключей и т. и.
Кроме того, на вальцах фасонируют заготовки для последующей
штамповки, чаще всего на кривошипных горячештамповочных прес-
сах. Профилируют и штампуют в одном или нескольких ручьях.
Исходное сечение заготовки принимают равным максимальному
Рис. 3.31. Схемы действия ковочных вальцов (а) и ротационно-ковочной машины (б)
сечению поковки, так как при вальцовке происходит главным обра-
зом протяжка.

Штамповка на ротационно-ковочных машинах подобна операции
протяжки и заключается в местном обжатии заготовки по ее пери-
метру. Заготовку 1 (рис. 3.31, б) в виде прутка или трубы помещают
в отверстие между бойками 7 машины, находящимися в шпинделе 6.
Бойки могут свободно скользить в радиально расположенных пазах
шпинделя. При вращении шпинделя ролики 5, помещенные в обойме
4, толкают бойки 7, которые наносят удары по заготовке. В исходное
положение бойки возвращаются под действием центробежных сил.
В машинах этого типа получают поковки, имеющие форму тел вра-
щения. Существуют машины, у которых вместо шпинделя с бойками
вращается обойма с роликами; в этом случае для возвратного движе-
ния ползунов служат пружины. В таких машинах получают поковки
квадратного, прямоугольного и других сечений.

Типовыми поковками, изготовляемыми радиальным обжатием,
являются различного рода ступенчатые цилиндрические или кони-
ческие валики, трубы с оттянутыми на конус концами и т. п.

Поперечно-клиновой прокаткой (рис. 3.32, а) получают заготовки
валов и осей (рис. 3.32, б) диаметром до 100 мм и длиной до 700 мм.
Деформирование может осуществляться инструментом в виде двух

и раскатки



Рис. 3.32. Схемы поперечно-клиновой прокатки
92
валков, валка и сегмента или двух
плоских плит. Плоскоклиновой
инструмент наиболее прост в изго-
товлении и обеспечивает получение
валов сложной конфигурации с
высокой точностью: допуски на
диаметральные размеры 0,2—
0,4 мм, на линейные 0,3—0,5 мм.
Заготовка 2 из круглого прокатан-
ного прутка, после нагрева авто-
матически перемещается в рабо-
чую зону клиньев 1 в их исходном
положении. Клиновой инструмент,

Рис. 3.33. Схема горячей накатки зубь-
ев зубчатого колеса

закрепленный в подвижной

салазке стана, совершает прямолинейное движение, и заготовка
прокатывается между двумя клиновыми плитами (см. рис. 3.32, а).

Раскатка кольцевых заготовок на раскаточных машинах полу-
чила особенно большое распространение при производстве колец
подшипников. Схема процесса показана на рис. 3.32, в. Заготовка 1
представляет собой кольцо с меньшим диаметром и большей толщи-
ной стенки, чем у поковки. Заготовки под раскатку получают штам-
повкой на горизонтально-ковочных машинах или на молотах.
При подведении к заготовке 1, надетой на валок 2, быстро враща-
ющегося валка 3 заготовка и валок 2 начинают вращаться. При
дальнейшем сближении валков 2 и 3 увеличивается наружный диа-

метр заготовки за счет уменьшения толщины и происходит ее контакт
с направляющим роликом 4, обеспечивающим получение правильной
кольцевой формы поковки. После касания поковкой контрольного
ролика 5 раскатка прекращается.

Раскаткой получают поковки колец с поперечными сечениями
различной формы (зависящими от профиля валков), наружным
диаметром 70—700 мм и шириной 20—180 мм (рис. 3.32, г).

Горячая накатка зубчатых колес находит применение, в частно-
сти, в автомобильной и тракторной промышленности. Сущность
процесса заключается в обкатке нагретой штучной или прутковой
заготовки в зубчатых валках.

Принципиальная схема одного из способов горячей накатки
показана на рис. 3.33. Поверхностный слой цилиндрической заго-
товки 1 нагревается током повышенной частоты с помощью индукто-
ров 2. Зубчатый валок получает принудительное вращение и ра-
диальное перемещение под действием силы со стороны гидравличе-
ского цилиндра. Благодаря радиальному усилию зубчатый валок 4,
постепенно вдавливаясь в заготовку /, формует на ней зубья. Ро-
лик 3, свободно вращаясь на валу, обкатывает зубья по наружной
поверхности. После прокатки прутковой заготовки ее разрезают
на отдельные шестерни. Процесс осуществляют на полуавтоматиче-
ских установках, например на полуавтомате горячего накатывания
зубьев конических колес диаметром 175—350 мм и модулем до 10 мм.

Изготовление зубчатых колес методом горячего накатывания
повышает износостойкость и усталостную прочность зубьев на 30—
50 %. Это объясняется, в частности, благоприятной макроструктур
рой, при которой волокна обтекают контуры зубьев. Расход металла
на 18—40 % меньше, чем при получении зубьев на зубонарезных
станках, а производительность полуавтомата для накатки выше
производительности зубонарезного оборудования.

7.	ОТДЕЛОЧНЫЕ ОПЕРАЦИИ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ
ШТАМПОВКИ

Общий технологический процесс изготовления поковок
горячей объемной штамповкой состоит обычно из следующих этапов:
отрезки проката на мерные заготовки; нагрева; штамповки; обрезки
заусенца и пробивки пленок; правки; термической обработки; очи-
стки поковок от окалины; калибровки; контроля готовых поковок.
Для осуществления всех этих этапов штамповочные цехи имеют
соответствующие отделения, участки и службы.

Операции, которые производят с поковкой после ее штамповки,
называют отделочными. Все поковки, штампуемые в открытых
штампах, имеют заусенец в плоскости разъема, а в поковках с вну-
тренними отверстиями остаются пленки между наметками (исключая
поковки, штампуемые на горизонтально-ковочных машинах).

Обрезку заусенца и пробивку пленок выполняют с помощью штам-
пов, устанавливаемых на кривошипных прессах, по принципу дей-
ствия аналогичных кривошипным штамповочным прессам.

При обрезке заусенца (рис. 3.34, а) поковку 3 укладывают в ма-
трицу 4 так, что она своим заусенцем ложится на режущие кромки
матрицы. При нажатии пуансоном 1 на поковку 3 режущие кромки
матрицы срезают заусенец по всему периметру поковки, которая
после этого проваливается вниз. Заусенец остается на матрице,
а чтобы он не застревал на пуансоне, применяют съемник 2.

При пробивке пленки (рис. 3.34, б) поковку 3 укладывают в ма-
трицу 4 и с помощью пуансона 1 пробивают; отход проваливается
через отверстие матрицы в тару, установленную под столом пресса.

а)

Рис. 3.34. Схемы обрезки заусенца (а) и пробивки пленки (б)
94
Существуют штампы совмещенного действия, в которых обрезают
заусенец и пробивают пленки за один ход пресса.

Обрезку и пробивку поковок можно выполнять в холодном и горячем состояниях:
для мелких поковок из пизкоуглеродистой и низколегированной сталей— в холод-
ном состоянии. В остальных случаях обрезают заусенец и пробивают пленку сразу
же после штамповки на обрезном прессе, установленном непосредственно около
штамповочной машины.

Правку штампованных поковок выполняют для устранения ис-
кривления осей и искажения поперечных сечений, возникающих
при затрудненном извлечении поковок из штампа (вследствие застре-
вания поковки в полости штампа), после обрезки заусенца, а также
после термической обработки. Крупные поковки и поковки из высоко-
углеродистых и высоколегированных сталей правят в горячем
состоянии, либо в чистовом ручье штампа сразу после обрезки за-
усенца, либо на обрезном прессе (обрезной штамп совмещается с пра-
вочным), либо на отдельной машине (установленной рядом со штам-
повочным оборудованием).

Мелкие поковки можно править в холодном состоянии после
термической обработки.

Очистка поковок от окалины облегчает условия работы режущего
инструмента при последующей обработке резанием, а также кон-
троль поверхности поковок. Очистку осуществляют в барабанах,
дробью, травлением.

В барабанах поковки очищают следующим образом. Поковки
загружают в барабан с наклонной осью вращения, в котором нахо-
дятся стальные звездочки. При вращении барабана поковки трутся
и ударяются друг о друга и о звездочки, благодаря чему окалина
сбивается. При очистке тяжелых поковок на их поверхности обра-
зуются забоины, поэтому таким способом их не очищают.

Дробеструйная очистка заключается в том, что металлическая
дробь размером 1—<3 мм с большой скоростью ударяет о поверхность
поковки и сбивает с нее окалину. Скорость дроби сообщает сжатый
воздух в специальных аппаратах. Этим способом очищают мелко-
и среднегабаритные поковки.

Травлением в водных растворах кислот, нагретых до 40—60 °C,
очищают крупногабаритные поковки сложных конфигураций.

Калибровка поковок повышает точность размеров всей поковки
или ее отдельных участков. Таким образом, последующая механи-
ческая обработка устраняется полностью или ограничивается только
шлифованием. Различают плоскостную и объемную калибровку.

Плоскостная калибровка служит для получения точных вер-
тикальных размеров па одном или нескольких участках поковки,
ограниченных горизонтальными плоскостями (рис. 3.35, б). При
плоскостной калибровке поковку правят в холодном состоянии
на кривошипно-коленных прессах (рис. 3.35, а). Механизм криво-
шипно-коленного пресса обеспечивает получение больших усилий
на ползуне 2 при сравнительно малом крутящем моменте на валу 1.

Поскольку калибруют с небольшой степенью деформации (менее
5—10 %), необходимо заранее при штамповке предусматривать
Рис. 3.35. Кинематическая схема кривошипно-коленного пресса (а) и схемы пло-
скостной (б) и объемной (в) калибровок

припуск на калибровку. Причем с увеличением припуска точность
размеров после калибровки уменьшается, а качество поверхности
улучшается. Обычная точность после калибровки составляет ±(0,1-?-
-г—0,25 мм), а допуск при калибровке с повышенной точностью
в 2 раза меньше.

Объемной калибровкой (рис. 3.35, в) повышают точность размеров
поковки в разных направлениях и улучшают качество ее поверх-
ности. Калибруют в штампах с ручьями, соответствующими
конфигурации поковки.

Контроль качества необходим не только для готовых поковок,
но и для условий их изготовления на всех этапах, начиная от полу-
чения исходных заготовок.

При контроле готовых поковок их осматривают, выборочно измеряют геометри-
ческие размеры, твердость. Размеры контролируют универсальными измерительными
инструментами (штангенциркулями, штангенвысотомерами, штапгенглубиномерами
и др.) и специальными инструментами (скобами, шаблонами и контрольными приспо-
соблениями). Несколько поковок из партии иногда подвергают металлографиче-
скому анализу и механическим испытаниям. Внутренние дефекты в поковках опре-
деляют ультразвуковым методом контроля и рентгеновским просвечиванием.

8.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ШТАМПОВКИ
ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

И ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ

Общие особенности деформирования высоколегирован-
ных сталей и труднодеформируемых сплавов рассмотрены в гл. IV,
разд. 3.

Следует иметь в виду, что при штамповке в качестве заготовок,
как правило, применяют уже деформированный металл (прокатанные
или прессованные прутки), имеющий более высокую пластичность,
чем литой.

Во избежание трещин заготовки от прутка из высоколегирован-
ных сталей отрезают с подогревом до 400—700 °C.

Ввиду пониженной технологической пластичности высоколегиро-
ванных сталей и труднодеформируемых сплавов их предпочтительнее
штамповать в закрытых штампах. В этом случае схема неравномер-
ного всестороннего сжатия проявляется полнее и в большей степени
способствует повышению пластичности, чем при штамповке в от-
крытых штампах. По этой же причине наиболее предпочтительна
штамповка выдавливанием. Сплавы, у которых пластичность пони-
жается при высоких скоростях деформирования (титановые, магни-
евые и др,), штампуют на гидравлических и кривошипных прессах.
При этом для уменьшения остывания металла и повышения равномер-
ности деформации штампы подогревают до температуры 200—400 °C.
Поковки из некоторых труднодеформируемых сплавов получают
изотермической штамповкой.

9.	МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ГОРЯЧЕЙ
ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

В цехах горячей объемной штамповки в значительной
степени механизированы и автоматизированы операции подачи и
загрузки заготовок в нагревательные устройства, их нагрева, подачи
нагретых заготовок к кузнечно-прессовым машинам. Широко при-
меняют средства механизации для перемещения заготовок, поковок
и технологических отходов в виде монорельсов, поворотных столов,
различных конвейеров и др.

Наиболее трудные для механизации операции — подача и укладка заготовки
в штамп, перенос ее из ручья в ручей, удаление поковки из штампа. Для некоторых
из этих операций при штамповке на молотах применяют .механические кантователи,
поворачивающие заготовку вокруг оси в подкатных и протяжных ручьях; механи-
ческие укладыватели заготовок в ручей штампа; механические съемники поковок
и заусенца у обрезных прессов.

Такие особенности кривошипных горячештамповочпых прессов, как постоян-
ство хода ползуна, безударный характер нагрузки, наличие боковых окон в ста-
нине пресса, облегчают механизацию и автоматизацию штамповки. Существуют
устройства (перекладчики) для передачи поковки нз чернового в чистовой ручей и уда-
ления ее из штампа и более сложные механизмы (манипуляторы) для подачи заго-
товок на штамп, чх последовательного перемещения из ручья в ручей и удаления
поковок из штампа. Эти устройства могут приводиться в действие от коленчатого
вала пресса или от его ползуна. При штамповке па горизонтально-ковочных маши-
нах применяют различные подъемные столы и противовесы, механизирующие пере-
дачу заготовки из ручья в ручей.

В цехах горячей штамповки работают комплексные автомати-
ческие линии, на которых все этапы изготовления поковки автома-
тизированы (например, автоматические линии по изготовлению
поковок клапанов автомобиля, подшипниковых колец, зубчатых
колес с накатанными зубьями и т. п.). В том числе используют
роботизированные технологические комплексы, в которых захват,
перемещение в пространстве и укладку заготовок в штампы осуще-
ствляют промышленные роботы.

4 А. М. Дальскпй и др.

97
ГЛАВА VI. ХОЛОДНАЯ ШТАМПОВКА

1.	ХОЛОДНОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ

Обычно под холодной штамповкой понимают штамповку
без предварительного нагрева заготовки. Для металлов и сплавов,
применяемых при штамповке, такой процесс деформирования соот-
ветствует условиям холодной деформации.

Холодную штамповку можно подразделить на объемную штам-
повку (сортового металла) и листовую штамповку (листового ме-
талла). Такое подразделение целесообразно потому, что характер
деформирования, применяемые операции и конструкции штампов
для объемной и листовой штамповки значительно различаются между
собой. Основные разновидности холодной объемной штамповки —
холодное выдавливание, холодная высадка и холодная объемная
формовка.

При холодном выдавливании заготовку помещают в полость,
из которой металл выдавливают в отверстия, имеющиеся в рабочем
инструменте. Выдавливание обычно выполняют на кривошипных пли
гидравлических прессах в штампах, рабочими частями которых
являются пуансон и матрица. Различают прямое, обратное, боковое
и комбинированное выдавливание.

При прямом выдавливании (рис. 3.36, а) металл вытекает в отвер-
стие, расположенное в дойной части матрицы 2, в направлении,
совпадающем с направлением движения пуансона 1 относительно
матрицы. Так можно получать детали типа стержней с утолщениями
(болты, тарельчатые клапаны и т. п.). При этом зазор между пуансо-
ном и цилиндрической частью матрицы, в которой размещается исход-
ная заготовка, должен быть небольшой, чтобы металл не вытекал
в зазор.

Если на торце пуансона (рис. 3.36, б) имеется стержень, перекры-
вающий отверстие матрицы до начала выдавливания, то металл
выдавливается в кольцевую щель между стержнем и отверстием
матрицы. В этом случае прямым выдавливанием можно получать
детали типа трубки с фланцем, а если исходная заготовка имела
форму толстостенной чашечки, то и детали в виде стакана с фланцем.

При обратном выдавливании направление течения металла
противоположно направлению движения пуансона относительно
матрицы. Наиболее часто встречающейся схемой обратного выдавли-
вания является схема, при которой металл может вытекать в коль-
цевой зазор между пуансоном и матрицей (рис, 3.36, «). По такой
схеме изготовляют полые детали типа туб (корпуса тюбиков), экранов
радиоламп и т. п.

Реже применяют схему обратного выдавливания, при которой
металл выдавливается в отверстие в пуансоне, для получения деталей
типа стержня с фланцем (рис. 3.36, г).

При боковом выдавливании металл вытекает в отверстие в боковой
части матрицы в направлении, не совпадающем с направлением
движения пуансона (рис. 3.36, д'). Таким образом можно получить
детали типа тройников, крестовин и т. п. В этом случае, чтобы обес-
98
Рис. 3.36. Схемы выдавливания

печить удаление заготовки после штамповки, матрицу выполняют
состоящей из двух половинок с плоскостью разъема, совпадающей
с плоскостью, в которой расположены осевые линии заготовки и по-
лучаемого отростка.

Комбинированное выдавливание характеризуется одновремен-
ным течением металла по нескольким направлениям и может быть
осуществлено по нескольким из рассмотренных ранее схем холодного
выдавливания. На рис. 3.36, е приведена схема комбинированного
выдавливания, совмещающая схемы, показанные на рис. 3.36, а, в
для изготовления обратным выдавливанием полой, чашеобразной
части детали, а прямым выдавливанием стержня, отходящего от ее
донной части.

Основной положительной особенностью выдавливания является
возможность получения без разрушения заготовки весьма больших
степеней деформации, которые можно характеризовать показателем
k — F№/F± (Fo — площадь поперечного сечения исходной заготовки;
Fj — площадь поперечного сечения выдавленной части детали).

Для весьма мягких, пластичных металлов k > 100 (алюминиевые
тубы со стенкой толщиной 0,1—0,2 мм при диаметре тубы 20—
40 мм). Возможность получения столь больших степеней деформации
обеспечивается тем, что пластическое деформирование при выдавли-
вании происходит в условиях всестороннего неравномерного сжатия.
Однако то же всестороннее сжатие приводит и к отрицательным
явлениям. Чем больше степень деформации, тем больше усилие
деформирования, и удельные усилия, действующие на пуансон
и матрицу, могут достичь значений, больших в несколько раз пре-
дела текучести деформируемого металла, и превышающих величины,
допустимые для инструмента по условиям его прочности или стой-
кости.

Высокие удельные усилия выдавливания определяют достижимые
степени деформации и сдерживают широкое применение этого про-
цесса в производстве. Удельные усилия выдавливания изменяются
в ходе деформирования и зависят от высоты подвергающейся дефор-
мированию части заготовки. При выдавливании пластическая де-
формация обычно охватывает не весь объем заготовки, а лишь часть
его (см. рис. 3.36). До тех пор, пока высота очага деформации меньше,
чем высота деформируемой заготовки, удельные усилия по ходу
пуансона изменяются незначительно. Однако, когда высота дефор-
мируемой части заготовки становится меньше высоты естественного
очага деформации, удельные усилия начинают интенсивно возра-
стать. Это обстоятельство ограничивает допустимую (по условиям
достаточной стойкости инструмента) толщину фланца или донышка
штампуемой детали.

Для уменьшения удельных усилий выдавливания при проектиро-
вании штампуемой детали необходимо стремиться к такой ее конфи-
гурации, при которой отсутствовали бы застойные зоны под торцом
пуансона (см. рис. 3.36, а) или у рабочей поверхности матрицы
(см. рис. 3.36, б).

Основные технологические мероприятия, направленные на снижение удельных
усилий выдавливания, — применение различных смазывающих материалов или по-
крытий заготовок для уменьшения сил трения. В обычных условиях выдавливания
силы трения препятствуют пластическому истечению металла и существенно увели-
чивают усилие деформирования.

2.	ХОЛОДНАЯ ВЫСАДКА

Холодную высадку выполняют на специальных холодно-
высадочных автоматах. Штампуют от прутка или проволоки. Пруток
подается до упора, поперечным движением ножа отрезается заготовка
требуемой длины и последовательно переносится с помощью спе-
циального механизма в позиции штамповки, на которых из заготовки
получают деталь.

На холодновысадочных автоматах штампуют заготовки диа-
метром 0,5—40 мм из черных и цветных металлов, а также детали
с местными утолщениями сплошные и с отверстиями (заклепки,
болты, винты, гвозди, шарики, ролики, гайки, звездочки, накидные
гайки и т. п.). На рис. 3.37 показаны последовательные переходы
штамповки двух характерных деталей. Название этих автоматов
связано с тем, что основной выполняемой на них операцией является
высадка (уменьшение длины части заготовки с получением местного
увеличения поперечных размеров). Однако при штамповке на хо-
лодновысадочных автоматах все шире используют другие операции
штамповки сортового металла, в частности операцию холодного
выдавливания, что расширяет номенклатуру изготовляемых де-
талей.
Рис. 3.37. Последовательность переходов изготовления деталей на холодновыса-
дочных автоматах:
а — винта; 6 — колпачка

Штамповкой на холодновысадочных автоматах обеспечиваются
достаточно высокая точность размеров и хорошее качество поверх-
ности, вследствие чего некоторые детали не требуют последующей
обработки резанием. Так, в частности, изготовляют метизные изделия
(винты, болты, шпильки), причем и резьбу получают на автоматах
обработкой давлением — накаткой.

Штамповка на холодновысадочных автоматах высокопроизводи-
тельна: 20—400 деталей в минуту (большая производительность
для деталей меньших размеров). Штамповка на холодновысадочных
автоматах характеризуется высоким коэффициентом использования
металла. Средний коэффициент использования металла ~95 %
(только 5 % металла идет в отход).

3.	ХОЛОДНАЯ ШТАМПОВКА В ОТКРЫТЫХ ШТАМПАХ

Холодная штамповка в открытых штампах заключается
в придании заготовке формы детали путем заполнения полости
штампа металлом заготовки. Схема холодной штамповки аналогична
схеме горячей объемной штамповки, показанной на рис. 3.22, а.

Холодная объемная штамповка требует значительных удельных
усилий вследствие высокого сопротивления металла деформированию
в условиях холодной деформации и упрочнения металла в процессе
деформирования. Упрочнение сопровождается и уменьшением пла-
стичности. Для уменьшения вредного влияния упрочнения
и облегчения процесса деформирования при холодной штамповке
оформление детали обычно расчленяют на переходы, между которыми
заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Отжиг
снижает удельные усилия при штамповке на последующих переходах
и повышает пластичность металла, что уменьшает опасность раз-
рушения заготовки в процессе деформирования и увеличивает до-
пустимую степень деформации.

Каждый последующий переход осуществляют в специальном штампе, хотя ино-
гда несколько переходов выполняют в одном штампе. В последнем случае между
переходами обрезают заусенец для уменьшения усилия деформирования и повыше-
ния точности размеров штампованных деталей. Холодную объемную штамповку
обычно осуществляют в открытых штампах, так как при этом удельные усилия мень-
ше, чем при штамповке в закрытых штампах (возможность вытекания металла в
заусенец облегчает деформирование). В закрытых штампах в условиях холодной
деформации штампуют реже и главным образом детали из цветных металлов.

Холодной объемной штамповкой можно изготовлять простран-
ственные детали сложных форм (сплошные и с отверстиями). Холод-
ная объемная штамповка обеспечивает также получение деталей со
сравнительно высокими точностью размеров и качеством поверх-
ности. Это уменьшает объем обработки резанием или даже исключает
ее. Так как штампуют обычно за один ход ползуна пресса, то холод-
ная штамповка (даже при использовании нескольких переходов
со своими штампами) характеризуется большей производительностью
по сравнению с обработкой резанием. Однако, учитывая, что изго-
товление штампов трудоемко и дороже изготовления инструмента,
используемого при обработке резанием, холодную штамповку сле-
дует применять лишь при достаточно большой серийности произ-
водства.

Рекомендации по конструированию деталей применительно к из-
готовлению их холодной штамповкой сходны с рекомендациями,
приведенными для ранее рассмотренной горячей объемной штам-
повки. Отметим, что допустимые углы наклона и радиусы скруглений
обычно меньше, чем углы наклона и радиусы скруглений при горячей
штамповке.

4.	ХОЛОДНАЯ ЛИСТОВАЯ ШТАМПОВКА

Сущность способа. В качестве заготовки при листовой
штамповке используют полученные прокаткой лист, полосу пли
ленту, свернутую в рулоп. Толщина заготовки при холодной штам-
повке обычно не более 10 мм и лишь в сравнительно редких слу-
чаях — более 20 мм. Детали из заготовок толщиной более 20 мм
штампуют с нагревом до ковочных температур (горячая листовая
штамповка), что позволяет значительно уменьшить усилие деформи-
рования по сравнению с холодной штамповкой. Холодная листо-
вая штамповка получила более широкое применение, чем
горячая.

Листовой штамповкой изготовляют самые разнообразные плоские
и пространственные детали массой от долей грамма и размерами,
исчисляемыми долями миллиметра (например, секундная стрелка
ручных часов), и детали массой в десятки килограммов и размерами,
составляющими несколько метров (облицовка автомобиля, самолета,
ракеты).

Для деталей, получаемых листовой штамповкой, характерно то,
что толщина их стенок незначительно отличается от толщины исход-
ной заготовки. При изготовлении листовой штамповкой простран-
ственных деталей заготовка обычно испытывает значительные пла-
стические деформации. Это обстоятельство вынуждает предъявлять
к материалу заготовки достаточно высокие требования по пластич-
ности.
При листовой штамповке чаще всего используют пизкоуглеродистую сталь,
пластичные легированные стали, медь, латунь, содержащую более 60 % Си, алю-
миний и его сплавы, магниевые сплавы, титан и др. Листовой штамповкой полу-
чают плоские и пространственные детали из листовых неметаллических материалов,
таких, как кожа, целлулоид, органическое стекло, фетр, текстолит, гетниакс
и ДР-

Листовую штамповку широко применяют в различных отраслях
промышленности, особенно в таких, как авто-, тракторо-, самолете-,
ракето- и приборостроение, электротехническая промышленность
и др.

К преимуществам листовой штамповки относятся возможность
получения деталей минимальной массы при заданной их прочности
и жесткости; достаточно высокие точность размеров и качество по-
верхности, позволяющие до минимума сократить отделочные опера-
ции обработки резанием; сравнительная простота механизации и
автоматизации процессов штамповки, обеспечивающая высокую про-
изводительность (30—40 тыс. деталей в смену с одной машины);
хорошая приспособляемость к масштабам производства, при которой
листовая штамповка может быть экономически целесообразной и
в массовом, и в мелкосерийном производстве.

Как правило, при листовой штамповке пластические деформации
получает лишь часть заготовки. Операцией листовой! штамповки
называется процесс пластической деформации, обеспечивающий ха-
рактерное изменение формы определенного участка заготовки. Раз-
личают формоизменяющие операции, в которых заготовка не должна
разрушаться в процессе деформирования, и разделительные опера-
ции, в которых этап пластического деформирования обязательно
завершается разрушением.

При проектировании технологического процесса изготовления
деталей листовой штамповкой основной задачей является выбор
наиболее рациональных операций и последовательности их при-
менения, позволяющих получить детали с заданными служебными
свойствами при минимальной себестоимости и хороших условиях
труда.

Операции листовой штамповки. Рассмотрим основные раздели-
тельные и формоизменяющие операции листовой штамповки.

Отрезка — отделение части заготовки по незамкнутому контуру
на специальных машинах — ножницах и в штампах. Отрезку чаще
применяют как заготовительную операцию для разделения листа
на полосы заданной ширины. Основные типы ножниц — ножницы
с поступательным движением режущих кромок ножа (рис. 3.38, а)
и вращательным движением режущих кромок — дисковые нож-
ницы (рис. 3.38, б). Для уменьшения усилия резания режущие
кромки в ножницах с поступательным движением ножа наклонены
друг к другу под углом 1—5° (гильотинные ножницы). Лист подают
до упора, определяющего ширину отрезаемой полосы В. Дпина
отрезаемой полосы L не должна превышать длины ножей.

При отрезке на дисковых ножницах длина отрезаемой полосы
не ограничивается инструментом, вращение дисковых ножей обеспе-
чивает не только разделение, но и подачу заготовки действием сил
<r)

Рис. 3.38. Схемы действия ножниц:
fl — гильотинных; б — дисковых

трения. Прямолинейность линии отрезки на дисковых ножницах
обеспечивается соприкосновением разделяемых частей заготовки
с плоскими поверхностями ножа и тем, что режущие кромки ножей
заходят одна за другую. Для обеспечения захвата и подачи заготовки
диаметр ножей должен быть больше толщины заготовки в 30—70 раз
(увеличиваясь с уменьшением коэффициента трения).

Качество поверхности среза зависит от зазора г между режущими
кромками [г = (0,03^-0,05) S, где S — толщина листа ] и отсутствия
притупления режущих кромок. Усилие отрезки пропорционально
срезаемой в данный момент площади заготовки.

При вырубке и пробивке характер деформирования заготовки
одинаков. Эти операции отличаются только назначением. Вырубкой
оформляют наружный контур детали (или заготовки для последу-
ющего деформирования), а пробивкой — внутренний контур (изго-
товление отверстий).

Вырубку и пробивку обычно осуществляют металлическими пуан-
соном и матрицей. Пуансон вдавливает часть заготовки в отверстие
матрицы. В начальной стадии деформирования происходит врезание
режущих кромок в заготовку и смещение одной части заготовки
относительно другой без видимого разрушения (рис. 3.39, а).

При определенной глубине внедрения режущих кромок в заго-
товку (возрастающей с увеличением пластичности металла) у режу-
щих кромок зарождаются трещи-

Ри... 3.39 Последовательность дефор-
мирования при вырубке (а) и харак-
тер среза при нормальном (б) и ма-
лом (в) зазорах:

1 — матрица; 2 =• пуансон

ны, быстро проникающие в толщу
заготовки. Эти трещины наклоне-
ны к оси инструмента под углом
4—6°; если эти трещины встречают-
ся, то поверхность среза полу-
чается сравнительно ровной
(рис. 3.39, б), состоящей из бле-
стящего пояска, образующегося
от внедрения режущих кромок до
появления трещин, и наклонной
шероховатой поверхности разруше-
ния в зоне прохождения трещин.

Возможность совпадения тре-
щин, идущих от режущих кромок
Рис. 3.40. Схема гибки (а) и изделия, получаемые при ее использовании (б):
1 — нейтральный слой; 2 — пуансон; <3 — матрица

пуансона и матрицы, зависит от правильного выбора зазора между
пуансоном и матрицей. Зазор г назначают в зависимости от толщины
и механических свойств заготовки, он приближенно составляет
(0,05-4), 1) S. При малом зазоре трещины не встречаются, и на
поверхности среза появляются пояски вторичного среза (рис. 3.39, в),
ухудшающие ее качество и способствующие разрушению заготовки
при последующем деформировании и работе детали.

При вырубке размеры отверстия матрицы равны размерам изделия, а размеры
пуансона на 2г меньше их. При пробивке размеры пуансона равны размерам отвер-
стия, а размеры матрицы на 2г больше их.

В отдельных случаях желательно получить гладкую поверхность среза, перпен-
дикулярную к плоскости заготовки; для этого необходимо увеличить высоту блестя-
щего пояска. Частично этого можно достичь, притупляя одну из режущих кромок
(матрицы при вырубке и пуансона — при пробивке). В этом случае развивается
одна трещина от острой режущей кромки, а инструмент с притупленной кромкой
сглаживает поверхность среза, уменьшая высоту шероховатого пояска.

Более качественную поверхность среза получают вырубкой со сжатием, когда
заготовка со значительным усилием прижимается к торцу пуансона и рабочей пло-
скости матрицы. Увеличение сжимающих напряжений в зове резания повышает
пластичность и уменьшает возможность образования трещин, дающих шероховатую
поверхность среза.

Качество поверхности среза улучшают также зачисткой, которая заключается
в срезании стружки небольшой толщины (0,1—0,3 мм) по контуру детали или от-
верстия (матрицей или пуансоном).

Кроме рассмотренных разделительных операций, в технологии
листовой штамповки применяют и другие, такие, как надрезка
(частичное отделение части заготовки по незамкнутому контуру,
причем разделяемые части не теряют связи между собой) и обрезка
(отделение краевой части полого изделия для обеспечения заданной,
постоянной по периметру высоты детали или отделение краевой
части плоского фланца для получения заданной формы и размеров).

Характер деформирования заготовки для этих операций аналоги-
чен рассмотренному.

Гибка — операция, изменяющая кривизну заготовки практи-
чески без изменения ее линейных размеров (рис. 3.40, а). В процессе
гибки пластическая деформация сосредоточивается на узком участке,
контактирующем с пуансоном, в то время как участки, образующие
полки детали, деформируются упруго. В зоне пластических де-
формаций наружные слои растягиваются, а внутренние (обращенные
к пуансону) сжимаются. У середины заготовки (по толщине) на-
ходятся слои, деформация которых равна нулю. Из сказанного
следует, что с достаточной степенью точности размеры заготовки
для детали, получаемой гибкой, можно определять по условию
равенства длин заготовки и детали по средней линии. Деформация
растяжения наружного слоя и сжатия внутреннего увеличивается
с уменьшением радиуса скругления рабочего торца пуансона. Де-
формация растяжения наружного слоя не беспредельна, и при
определенной ее величине может начаться разрушение заготовки
с образованием трещин, идущих от наружной поверхности в толщу
заготовки. Это обстоятельство ограничивает минимальные радиусы
rmm, исключающие разрушение заготовки. В зависимости от пла-
стичности материала заготовки rmln = (0,1-н2) S.

На минимальный радиус гтщ оказывают влияние расположение линий изгиба
относительно направления прокатки (волокон макроструктуры), наличие и величина
заусенцев. Линию изгиба желательно располагать так, чтобы растяжение при гибке
происходило в направлении волокон макроструктуры и чтобы заусенцы, образу-
ющиеся при вырубке, были минимальными и по возможности располагались в зоне
сжатия, а не в зоне растяжения.

При снятии внешних сил, вызывающих изгиб заготовки, растяну-
тые слои стремятся сжаться, а сжатые слои — удлиниться. Благо-
даря этому при разгрузке изменяются углы между полками (пружи-
нение при гибке). Угол между полками при разгрузке изменяется
в зависимости от механических свойств (отношения предела текучести
к модулю упругости), от r/S и угла а, и увеличивается с увеличе-
нием этих параметров.

Углы пружинения уменьшаются при гибке с подчеканкой (когда
полки заготовки с определенным усилием сжимаются между соот-
ветствующими плоскостями пуансона и матрицы), а также при
приложении сжимающих или растягивающих сил, действующих
вдоль оси заготовки. В последнем случае можно устранить зону
растяжения или сжатия в очаге пластических деформаций. При
разгрузке все слои заготовки будут или растягиваться, или сжи-
маться, что и уменьшит угловые деформации.

При гибке в штампах можно одновременно изменять кривизну
на нескольких участках подлине заготовки, оставляя другие участки
прямолинейными, в некоторых случаях (получение втулок) пласти-
ческие деформации при гибке могут охватывать всю заготовку.

Па рис. 3.40, б показаны примеры деталей, полученных гибкой.
Детали, изогнутые в нескольких плоскостях, обычно изготовляют
последовательным деформированием заготовки в нескольких штам-
пах. В этих случаях гибке может подвергаться пространственная
заготовка, полученная на предыдущих переходах.

При гибке пространственных (не плоских, профильных) заготовок минималь-
ный радиус изгиба определяется не только возможностью разрушения заготовки,
но и образованием складок в отдельных участках изгибаемой заготовки (потеря
устойчивости).
a)

Рис. 3.41. Схемы первого перехода вытяжки (а), последующей вытяжки (б), вы-
тяжки с утонением стенки (в):

1 — заготовка; 2 — изделие; 3 — прижим; 4 — пуансон; 5 — матрица; 6 — изделие со
Складками, образующимися при вытяжке без прижима

Вытяжка без утонения стенки превращает плоскую заготовку
в полое пространственное изделие при уменьшении периметра вы-
тягиваемой заготовки.

Схема первого перехода вытяжки приведена на рис. 3.41, а.
Исходную вырубленную заготовку укладывают на плоскость ма-
трицы. Пуансон надавливает на центральную часть заготовки и сме-
щает ее в отверстие матрицы. Центральная часть заготовки тянет
за собой периферийную часть (фланец) заготовки, и последняя,
смещаясь в матрицу, образует стенки вытянутого изделия.

Во фланце в радиальном направлении действуют растягивающие
напряжения ор, втягивающие фланец в отверстие матрицы, и сжи-
мающие напряжения о0, действующие в тангенциальном направле-
нии и уменьшающие диаметральные размеры заготовки. При опре-
деленных размерах фланец заготовки может потерять устойчивость
под действием сжимающих напряжений <т0, что приведет к образо-
ванию складок 6 (рис. 3.41, а). Складки могут появиться, если
(D — d) > (18-=-20) S.

Для предотвращения появления складок применяют прижим <?,
с определенной силой прижимающий фланец заготовки к плоскости
матрицы.

Растягивающие напряжения на наружной кромке заготовки
равны нулю (0Р = 0) и возрастают до максимального значения на
входе в матрицу. С увеличением ширины фланца растягивающие
напряжения, действующие на входе в матрицу, увеличиваются.
Если растягивающие напряжения ор достигнут временного сопро-
тивления материала заготовки, то заготовка у донышка разрушится
и вытяжка окажется невозможной.

Отсюда следует, что без разрушения можно вытягивать заготовки
с определенной, ограниченной шириной фланца. Формоизменение
при вытяжке оценивают коэффициентом вытяжки kB = Did. В за-
висимости от механических свойств металла и условий вытяжки
максимально допустимые значения коэффициента вытяжки соста-
вляют 1,8—2,1.

Кроме ширины фланца, на растягивающее напряжение ср, дей-
ствующее в опасном сечении заготовки, влияют радиусы скругления
кромок матрицы гм и пуансона ги, а также силы трения, возникающие
при перемещении заготовки относительно матрицы и прижима.

Для уменьшения концентрации напряжений и соответственно
опасности разрушения заготовки кромки пуансона и матрицы скруг-
ляют по радиусу, равному 5—10 толщин заготовки. Для уменьшения
силы трения вытяжку обычно ведут, смазывая заготовку, причем
состав смазочного материала подбирают с учетом характеристик
материала заготовки, коэффициента вытяжки и формы вытягива-
емых деталей.

Толщина фланцевой части заготовки при вытяжке изменяется:
краевая часть (где сжимающие напряжения | ой | > | пр |) утол-
щается, а участки вблизи донышка — утоняются. Это обстоятель-
ство приводит к тому, что поверхность заготовки при вытяжке
изменяется незначительно, и размеры заготовки можно определять
из условия равенства поверхности детали (по средней линии) и пло-
щади плоской заготовки. Для осесимметричных деталей заготовка
обычно имеет форму круга.

При вытяжке без утонения стенки зазор z = (1,1-=-1,3) S вы-
бирают из условия, при котором утолщенный край заготовки не
должен утоняться сжатием между поверхностями пуансона и ма-
трицы (это способствует повышению стойкости инструмента).

Если при допустимом для первого перехода коэффициенте вы-
тяжки невозможно получить деталь с заданным отношением высоты
к диаметру, ее вытягивают за несколько переходов. В последующих
переходах заготовкой служит полый полуфабрикат, полученный на
предыдущем переходе вытяжки. Схема вытяжки на последующем
переходе показана на рис. 3.41, б. На последующем переходе умень-
шается диаметр полой заготовки и (по условию равенства поверх-
ностей) увеличивается ее высота.

Опасное сечение, как и прежде, находится у донышка, и напряжение ар не
должно превышать временного сопротивления металла в этом месте заготовки. При
колодной деформации металл упрочняется и, следовательно, предел текучести ме-
талла стенок заготовки больше, чем у донышка (наиболее упрочнена краевая часть
полой заготовки, у которой в наибольшей степени уменьшился диаметр на первом
переходе вытяжки). Это обстоятельство приводит к тому, что допустимый коэффи-
циент вытяжки па последующих переходах значительно меньше допустимого коэф-
фициента вытяжки на первом переходе <kB = 1,2-41,4). Некоторое увеличение
допустимого коэффициента вытяжки (kB = 1,4ч-1,6) можно получить, если заготовку
108
Рис. 3.42. Схемы формоизменяющих операции:

а — отбортовка; б — обжим; в — формовка ребер жесткости; г — формовка с раздачей;
1 — изделие; 2 — заготовка; 3 — пуансон; 4 — матрица; 5 — резина

перед последующим переходом вытяжки подвергнуть рекристаллизационному
отжигу, устраняющему изменение свойств, вызванное упрочнением.

Вытяжка с утонением стенки увеличивает длину полой заго-
товки в основном за счет уменьшения толщины стенок исходной
заготовки (рис. 3.41, в). При вытяжке с утонением стенки зазор
между пуансоном и матрицей должен быть меньше толщины стенки,
которая, сжимаясь между поверхностями пуансона и матрицы, уто-
няется и одновременно удлиняется. Вытяжку с утонением стенки
применяют для получения деталей, у которых толщина донышка
больше толщины стенок, деталей со стенкой, толщина которой
уменьшается к краю (в этом случае пуансон выполняют коническим),
а также тонкостенных деталей, получение которых вытяжкой без
утонения стенки затруднительно в связи с опасностью складко-
образования.

Удельные усилия па контактных поверхностях при вытяжке с утонением стенки
значительно больше, чем при вытяжке без утонения стенки. Так как при вытяжке
с утонением стенки заготовка скользит по матрице в направлении движения пуан-
сона и по пуансону в обратном направлении (от торца пуансона), то и силы трения
на наружной и внутренней поверхностях заготовки направлены в противополож-
ные стороны. Это обстоятельство увеличивает допустимую степень деформации
(силы трения по матрице увеличивают растягивающие напряжения в стенках про-
тянутой части заготовки, а по пуансону — уменьшают).

При вытяжке с утонением стенки ее толщина за один переход может быть умень-
шена в 1,5—2 раза.

Размеры заготовки для получения деталей вытяжкой с утонением стенки опре-
деляют из условия равенства объемов заготовки и детали, принимая при этом, что
толщина донышка не изменяется.

Отбортовка — получение бортов (горловин) путем вдавливания
центральной части заготовки с предварительно пробитым отверстием
в матрицу (рис. 3.42, а). При отбортовке кольцевые элементы в очаге
деформации растягиваются, причем больше всего увеличивается
диаметр кольцевого элемента, граничащего с отверстием. Допустимое
без разрушения (без образования продольных трещин) увеличение
диаметра отверстия при отбортовке составляет d6/d0 =1,2-ь1,8
в зависимости от механических свойств материала заготовки, а также
от ее относительной толщины S!du. Разрушению заготовки способ-
ствует наклепанный слой у кромки отверстия, образующийся при
пробивке. Большее увеличение диаметра можно получить, если
заготовку отжечь перед отбортовкой или изготовить отверстие обра-
боткой резанием (сверление с развертыванием), создающим меньшее
упрочнение у края отверстия.

Обжим — операция, при которой уменьшается диаметр краевой
части полой заготовки в результате заталкивания ее в сужающуюся
полость матрицы (рис. 3.42, б). Обжимаемая заготовка получает
форму рабочей полости матрицы.

Допустимое уменьшение диаметра при обжиме ограничивается
появлением продольных складок в обжимаемой части заготовки или
поперечных кольцевых складок в ее недеформируемой части. Обычно
за один переход можно получить йизд = (0,7ч-0,8) £)заг. Если диа-
метр краевой части необходимо уменьшить на большую величину,
заготовку обжимают за несколько переходов. Толщина заготовки
в очаге пластических деформаций увеличивается, причем больше
утолщается краевая часть заготовки.

Формовка — операция, при которой изменяется форма заготовки
в результате растяжения отдельных ее участков. Толщина заготовки
в этих участках уменьшается. Формовкой получают местные выступы
па заготовке, ребра жесткости и т. п. Часто вместо металлического
пуансона или матрицы применяют резиновую подушку (рис. 3.42, в).
С помощью резинового вкладыша (или жидкости) можно увеличить
размеры средней части полой заготовки (рис. 3.42, г). При этом
резина или жидкость легко удаляются из штампованной детали,
а матрица должна быть разъемной.

Используя в определенной последовательности отдельные опера-
ции листовой штамповки, можно изготовлять разнообразные плоские
и пространственные детали. При разработке технологического про-
цесса изготовления деталей следует стремиться к уменьшению потерь
металла в процессе листовой штамповки. Основной отход при листо-
вой штамповке составляет так называемая высечка, т. е. часть
листовой заготовки после ее вырубки. Формы и размеры вырубаемой
заготовки определяются формой и размерами детали, а также при-
меняемыми в процессе штамповки формоизменяющими операциями.

При штамповке мало- и среднегабаритных деталей обычно из
одной листовой заготовки вырубают несколько плоских заготовок
для штамповки. Между смежными контурами вырубаемых заготовок
оставляют перемычки шириной, примерно равной толщине заготовки,
хотя в отдельных случаях смежные заготовки вырубают без пере-
мычек (экономия металла при ухудшении качества среза и снижении
стойкости инструмента). Расположение контуров смежных выруба-
емых заготовок на листовом металле называется раскроем. Тип
раскроя следует выбирать из условия уменьшения отхода металла
в высечку (рис. 3.43).

Штампы для листовой штамповки. В крупносерийном производ-
стве (при изготовлении большого числа одинаковых деталей) при-
меняют сравнительно сложные штампы, состоящие из значительного
числа деталей и обеспечивающие хорошее качество изделия при
высокой стойкости инструмента и достаточно высокую производи-
тельность. Существуют штампы для выполнения только одной опе-
110
Рис. 3.43. Примеры раскроя материала
с перемычками (а) и без перемычек (6):

I — перемычка

рации и выполнения нескольких
операций листовой штамповки за
один ход пресса.

На рис. 3.44 приведена схема
штампа последовательного дей-
ствия, в котором операции выпол-
няют в различных позициях по
направлению подачи: в позиции /
происходит пробивка, а после
перемещения полосы на шаг по-
дачи (позиция II) — вырубка,
в результате чего получают из-
делия в виде шайбы. Пуансоны 2
и 3 закрепляют на верхней плите
штампа, а матрицы 4 и 5 — на
нижней. Точное направление пуан-
сонов относительно матриц обе-

спечивается направляющими втулками 7 и колонками 6, запрессо-
ванными в верхнюю и нижнюю плиты штампа. Полоса или лента
подается между направляющими линейками до упора /, ограничи-
вающего шаг подачи. Высечка снимается с пуансонов съемником 8.

Многооперационные штампы обычно дороже однооперационных,
но позволяют повысить производительность труда и уменьшить число
используемого для штамповки оборудования.

При необходимости изготовления небольшого количества одинаковых деталей
(мелкосерийное производство) сложные и дорогостоящие штампы применять нера-
ционально. В этом случае стремятся уменьшить стоимость штампа путем создания
упрощенных конструкций, применения менее дорогих материалов для деталей штам-
пов и т. п. В упрощенных штампах обычно не применяют устройств для направле-
ния верхней плиты относительно нижней (колонок, втулок, направляющих плит
и т. п.), упрощают направление полосы (не делают упоров, направляющих линеек
и т. п.) и широко применяют детали из эластичных материалов (резина, полиуретан)
в качестве съемников, выталкивателей и т. и. Материалом для пуансонов и матриц
иногда служат сплавы цветных металлов. В отдельных случаях рабочий инструмент
изготовляют из дерева, облицовывая его листовым металлом.

Рис. 3.44. Схема штампа последовательного действия для пробивки и вырубки:
/ — упор; 2 — пуансон вырубки; 3 — пуансон пробники; 4 — матрица пробивки; <5 — ма-
трица вырубки; 6 — направляющая колонка*, 7 — направляющая втулка*, 6 — съемник;
S — упор; 10 — перемычка; 11 — отход; 12 — изделие
В мелкосерийном производстве наряду с упрощенными конструкциями штам-
пов применяют универсальные и быстро переналаживаемые штампы, в которых,
ваменяя только пуансон и матрицу, можно изготовлять различные детали.

Оборудование листовой штамповки. При листовой штамповке
наиболее применимы кривошипные прессы, которые разделяют на
прессы простого и двойного действия.

Кинеметическая схема кривошипного пресса простого действия
аналогична схеме кривошипного пресса для объемной штамповки
(см. рис. 3.28). Пресс двойного действия для штамповки средне-
и крупногабаритных деталей имеет два ползуна, внутренний (к нему
крепят пуансон) и наружный (приводит в действие прижим). Вну-
тренний ползун, как у обычного кривошипного пресса, получает
возвратно-поступательное движение от коленчатого вала через ша-
тун. Наружный ползун получает движение от кулачков, закреплен-
ных на коленчатом валу, или системы рычагов, связанных с колен-
чатым валом. Кинематическая схема пресса такова, что наружный
ползун обгоняет внутренний, прижимает фланец заготовки к ма-
трице и остается неподвижным в процессе деформирования заготовки
пуансоном, перемещающимся с внутренним ползуном. После оконча-
ния штамповки оба ползуна поднимаются.

Кроме кривошипных прессов для листовой штамповки применяют гидравличе-
ские прессы (штамповка резиной, штамповка крупногабаритных толстостенных
деталей).

Для повышения производительности труда прессы для листовой штамповки
оснащают устройствами, механизирующими подачу заготовки к рабочему инстру-
менту и удаление отштампованных деталей из пресса. Устройства механизации
можно подразделить на две группы: механизирующие подачу листового материала
в штамп и мехализирующие подачу штучной заготовки в штамп.

Наиболее просто поддается механизации подача полосы (ленты) в штамп. Для
этого применяют механизмы периодического действия, которые подают полосу при
обратном ходе ползуна и оставляют полосу неподвижной в процессе штамповки.

Механизация подачи листового металла при штамповке крупногабаритных
деталей более сложна. Механизмы подачи штучной заготовки весьма разнообразны
и в общем случае имеют устройства для захвата и ориентации заготовки в простран-
стве и устройства для подачи ориентированной заготовки в штамп.

Подобные устройства резко увеличивают производительность труда, делают труд
рабочего более безопасным, исключая манипулирование заготовкой в опасной зоне
штампа. В штамповочных цехах начинают применять роботы, которые по программе
осуществляют движения, аналогичные движениям руки человека при манипули-
ровании заготовкой в процессе штамповки.

Упрощенные способы обработки листового металла. В мелкосе-
рийном производстве достаточно широко применяют упрощенные
способы обработки давлением листовых заготовок: штамповку эла-
стичными материалами, давильные работы, высокоскоростную штам-
повку и г. п.

При штамповке эластичными материалами только один рабочий
элемент (пуансон или матрицу) изготовляют из металла, роль дру-
гого инструмента (матрицы или пуансона) выполняют резина,
пластмассы (полиуретан) и жидкость.

На рчс. 3.45 приведена схема штамповки резиной. Металлическим
инструментом является шаблон, на который укладывают заготовку.
Резиновая подушка в ползуне пресса прижимает заготовку к ша-
112
Рис. 3.45. Схемы вырубки и
пробивки резиной:

1 — резиновая подуй:на; 2 — шаб-
лон; 3 — стол пресса; 4 — заго-
товка (лист)

Рис. 3.46. Схемы давильных работ:

а — без утонения; б — с утонением; / — форма?

2 — заготовка; 3 — упор; 4 — давильнвк

блону. Если шаблон имеет острые режущие кромки, то давлением
резины вначале отгибают свободные края заготовки, а затем ее
обрывают по режущей кромке. Так выполняют вырубку и пробивку.
Подобным способом можно осуществлять гибку, неглубокую вы-
тяжку, отбортовку и формовку. Обычно штампуют заготовки тол-
щиной не более 3 мм.

Давильные работы предназначены для получения деталей, име-
ющих форму тел вращения.

Различают давильные работы без утонения и с утонением стенки.
Схема давильных работ без утонения стенки показана на рис. 3.46, а.
Предварительно вырубленную заготовку продольным суппортом
прижимают к торцу формы-пуансона (обычно деревянной), укре-
пленной на вращающейся планшайбе токарно-давильного станка.
На наружной поверхности заготовки создают давление торцом
давильника (рычага). Заготовка проскальзывает под давильником,
который вызывает местную деформацию. Постепенное деформирова-
ние заготовки по всей поверхности позволяет придать заготовке
форму пуансона..

При давильных работах без утонения стенки диаметральные размеры заготовки
значительно уменьшаются при незначительном изменении ее толщины. Усилие,
необходимое для давильных работ при небольшой толщине заготовки (до 3 мм),
можно создать вручную. Давильные работы требуют высокой квалификации рабо-
чего. Однако все шире применяют токарно-давильные станки с программным упра-
влением, обеспечивающим заданные усилия и перемещения давильника.

Давильные работы с утонением (рис. 3.46, б) изменяют форму
заготовки главным образом за счет уменьшения ее толщины без
изменения диаметральных размеров. Давильные работы с утонением
используют, в частности, взамен вытяжки с утонением, при этом
исходную полую цилиндрическую заготовку надевают на цилиндри-
ческий вращающийся пуансон. Давильнпк, перемещаясь парал-
лельно оси заготовки, утоняет ее.

Высокоскоростная штамповка характеризуется тем, что кратко-
временное приложение больших усилий разгоняет заготовку до
скоростей, достигающих 150 м/с; последующее ее деформирование
4

Рис. 3.47. Схемы импульсных способов листовой штамповки:

а — штамповка взрывом; б — электромагнитная штамповка: 1 — заряд; 2 — уровень воды*)
3 — заготовка; 4 — прижим; <5 — матрица; 6 — к вакуумному насосу; 7 — соленоид; 8 —»
пуансон

происходит за счет накопленной в период разгона кинетической
энергии. Основные разновидности высокоскоростной листовой штам-
повки — штамповка взрывом, электрогидравлическая и электро-
магнитная.

Взрывом штампуют обычно в бассейне, наполненном водой
(рис. 3.47, а). Заготовку, зажатую между матрицей и прижимом,
опускают в бассейн. Полость матрицы под заготовкой вакуумируется,
чтобы воздух не препятствовал плотному ее прилеганию к матрице.
Заряд с детонатором подвешивают в воде над заготовкой. Взрыв
образует ударную волну высокого давления, которая, достигая
заготовки, вызывает ее разгон. Процесс штамповки длится тысячные
доли секунды, а скорости перемещения заготовки соизмеримы со
скоростями распространения пластических деформаций в металле.

Взрывной штамповкой с успехом получают пространственные
детали, которые при штамповке в металлических штампах изгото-
вляют вытяжкой и формовкой.

При штамповке взрывом не требуется дорогостоящего прессового
оборудования, конструкция штампа крайне проста.

Электрогидравлическую штамповку также осуществляют в бас-
сейне с водой. Ударная волна, разгоняющая заготовку, возникает
при кратковременном электрическом разряде в жидкости. Мощный
искровой разряд подобен взрыву. В результате разряда в жидкости
возникает ударная волна, которая, дойдя до заготовки, оказывает
на нее сильное воздействие и деформирует ее по матрице. Если для
полного деформирования заготовки одного импульса недостаточно,
рабочий цикл может быть повторен.

Электромагнитная штамповка по принципу создания импульсно
воздействующих на заготовку сил отличается от ранее рассмотренных
(рис. 3.47, б). Электрическая энергия преобразуется в механическую
за счет импульсного разряда батареи конденсаторов через соленоид 7,
вокруг которого при этом возникает мгновенное магнитное поле
высокой мощности, наводящее вихревые токи в трубчатой токо-
проводящей заготовке 3. Взаимодействие магнитных полей вихревых
114
токов /в с магнитным полем индуктора создает механические силы q,
деформирующие заготовку. Для электромагнитной штамповки труб-
чатых и плоских заготовок созданы специальные установки, на кото-
рых можно проводить раздачу, обжим, формовку и операции по
получению неразъемных соединений деталей. К сборочным опера-
циям, выполняемым путем пластического деформирования одной
детали по контуру другой, относятся соединение концов труб, за-
прессовка в трубах колец, соединение втулки со стержнем и т. д.

ГЛАВА VII. МЕТОД Ы ПРОИЗВОДСТВА

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ

1.	ПРЕССОВАНИЕ

В машиностроении применяют профили самого разно-
образного сортамента, которые получают не только прокаткой, но
и другими видами обработки металлов давлением: прессованием,
волочением, профилированием листового металла.

При прессовании металл выдавливается из замкнутой полости
через отверстие, соответствующее сечению прессуемого профиля
(см. рис. 3.1, б). Этим процессом изготовляют не только сплошные
профили, но и полые (рис. 3.48, а). В этом случае в заготовке необ-
ходимо предварительно получить сквозное отверстие. Часто отвер-
стие прошивают на том же прессе. В процессе прессования при
движении пуансона / с пресс-шайбой 5 металл заготовки 2 выдавли-
вается в зазор между матрицей 3 и иглой 4. Прессование по рассмо-
тренным схемам называется прямым. Значительно реже применяют
обратное прессование, схема деформирования которого сходна со
схемой обратного выдавливания.

Исходной заготовкой при прессовании служит слиток или прокат.
Состояние поверхности заготовки оказывает значительное влияние
на качество поверхности и точность прессованных профилей. По-
этому во многих случаях заготовку предварительно обтачивают на
станке; после нагрева поверхность заготовки тщательно очищают
от окалины.

Прессованием изготовляют изделия разнообразного сортамента
из цветных металлов и сплавов, в том числе прутки диаметром 3—
250 мм, трубы диамет-	_

ром 20—400 мм со стен- /	2	3 ъ

кой толщиной 1,5—	1	~\	\ • /	гтзтл

12 мм и другие профили I

(рис. 3.48, б). Из угле-	Г

родистых сталей 20, !_»...	- ки

35, 45, 50, конструк-

Рис. 3.48. Схема прессо-	кГ'и

вания полого профиля (а)	а)	.ХЪ

и примеры прессованных про-
филей (6)	g)
ционных ЗОХГСА, 40ХН, коррозионно-стойких 12Х18Н10Т и дру-
гих высоколегированных сталей прессуют трубы с внутренним диа-
метром 30—160 мм со стенкой толщиной 2—10 мм, профили с полкой
толщиной 2—2,5 мм и линейными размерами поперечных сечений
до 200 мм.

При прессовании, так же как и при холодном выдавливании
(схемы деформирования металла в этих процессах аналогичны),
металл подвергается всестороннему неравномерному сжатию и по-
этому имеет весьма высокую пластичность. Коэффициент, характе-
ризующий степень деформации и определяемый как отношение пло-
щади сечения заготовки к площади сечения прессуемого профиля,
при прессовании составляет 10—50.

Прессованием можно обрабатывать такие специальные стали,
цветные металлы и их сплавы, которые ввиду низкой пластичности
(особенно в литом состоянии) другими видами обработки давлением
деформировать невозможно или затруднительно.

Прессованием можно получать профили сложных форм, которые
не могут быть получены другими видами обработки металлов давле-
нием (в частности прокаткой). Точность прессованных профилей
выше, чем прокатанных.

К недостаткам прессования следует отнести большие отходы
металла: весь металл не может быть выдавлен из контейнера
и в нем остается так называемый пресс-остаток, который после
окончания прессования отрезается от полученного профиля. Масса
пресс-остатка может достигать 40 % массы исходной заготовки
(при прессовании труб большого диаметра).

Схема всестороннего сжатия металла при прессовании приводит к значитель-
ным удельным усилиям, действующим на инструмент. Поэтому инструмент для прес-
сования работает в исключительно тяжелых условиях, испытывая кроме действия
больших давлений действие высоких температур. Износ инструмента особенно велик
при прессовании сталей и других труднодеформируемых сплавов из-за высоких
сопротивления деформированию и температуры горячей обработки. Инструмент
для пресования изготовляют из высококачественных инструментальных сталей
и жаропрочных сплавов. Износ инструмента уменьшают применением смазочных
материалов, например, при прессовании труднодеформируемых сталей и сплавов
используют жидкое стекло со специальными свойствами. Основным оборудованием
для прессования являются вертикальные или горизонтальные гидравлические
прессы.

2.	ВОЛОЧЕНИЕ

При волочении заготовку протягивают через постепенно
сужающееся отверстие в инструменте, называемом волокон
(см. рис. 3.1, в). Волочение, как правило, осуществляют в холодном
состоянии. Исходными заготовками служат прокатанные или прессо-
ванные прутки и трубы из стали, цветных металлов и их сплавов.

Волочение труб можно выполнять без оправки (для уменьшения
внешнего диаметра) и с оправкой (для уменьшения внешнего диа-
метра и толщины стенки). На рис. 3.49, а показана схема волочения
трубы 1 на короткой удерживаемой оправке 3. В этом случае профиль
полученной трубы определяется зазором между волокой 2
и оправкой 3.
а)	б)

Рис. 3.49. Схема волочения трубы (а) и примеры профилей, получаемых волоче-
нием (б)

При волочении сплошного и полого профилей площадь попереч-
ного сечения заготовки уменьшается, а следовательно, длина (из
условия постоянства объема при пластической деформации) увеличи-
вается. Количественно деформацию, так же как и при прокатке,
можно характеризовать отношением полученной длины к исходной,
т. е. вытяжкой ц.

Вследствие того что к заготовке при волочении приложено тяну-
щее усилие, в отверстии волоки (очаге деформации) и после выхода
из нее металл испытывает растягивающие напряжения. Но если
в очаге деформации, в котором действуют и сжимающие напряжения
со стороны инструмента, металл пластически деформируется, то
на выходящем из волоки конце прутка пластическая деформация
недопустима. В противном случае пруток искажается или разры-
вается. Поэтому величина деформации за один проход ограничена,
и вытяжка р = 1,25 4-1,45. Поскольку тянущее усилие, приложенное
к заготовке, необходимо не только для деформирования металла,
но и для преодоления сил трения металла об инструмент, эти силы
трения стараются уменьшить применением смазки и полированием
отверстия в волоке.

Обычно для получения необходимых профилей требуется деформация, превы-
шающая допустимую за один проход, поэтому применяют волочение через ряд по-
степенно уменьшающихся по диаметру отверстий. Но поскольку волочение осуще-
ствляют в условиях холодной деформации, металл упрочняется. Для восстановле-
ния пластичности упрочненный волочением металл подвергают промежуточному
отжигу.

Волочением обрабатывают различные сорта стали и цветные ме-
таллы: медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы и др. Сортамент
изделий, изготовляемых волочением, очень разнообразен: проволока
диаметром 0,002—5 мм и фасонные профили, примеры которых
показаны на рис. 3.49, б (призматические н фасонные направляющие;
сегментные, призматические и фасонные шпонки; шлицевые валики;
опорные призмы и ножи и т. д.). Волочением калибруют стальные
трубы диаметрами от капиллярных до 200 мм, стальные прутки диа-
метром 3—150 мм.
Рис. 3.50. Схема барабанного во-
лочильного стана

Волочение обеспечивает точность
размеров (стальная проволока диа-
метром 1—1,6 мм имеет допуск
0,02 мм), высокое качество поверх-
ности, получение очень тонкостен-
ных профилей.

Волоку изготовляют из инструменталь-
ных сталей, металлокерамических спла-
вов и технических алмазов (для волоче-
ния проволоки диаметром менее 0,2 мм).
Волочение производят на барабанных и
цепных волочильных станах. Барабанные
станы (рис. 3.50) служат для волочения
проволоки, труб небольшого диаметра,

наматываемых в бунты. Исходную заготовку в виде бунта укладывают на барабан I.
Предварительно заостренный конец проволоки пропускают через отверстие волоки 2
и закрепляют на барабане 3, который приводится во вращение от электродвигателя
через редуктор и зубчатую передачу 4. Кроме станов для однократного волочения,
один из которых показан на рис. 3.50, существуют станы для многократного воло-
чения. Последние имеют до 20 барабанов с установленными перед каждым из них
волоками. На цепных станах тянущее устройство совершает прямолинейное возврат-
но-поступательное движение. Такие станы применяют для волочения прутков и

труб, которые нельзя наматывать в бунты.

3.	ПРОИЗВОДСТВО ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

При изготовлении горячей прокаткой фасонных про-
филей невозможно получить стенки толщиной менее 2—3 мм. В то же
время по требуемой прочности в конструкциях такая толщина не-
редко завышена. Кроме того, горячекатаные профили имеют техно-
логические напуски (внутренние радиусы скругления, уклоны),
увеличивающие их массу. Фасонные тонкостенные профили, легкие,
но жесткие, весьма сложной конфигурации и большой длины можно
получать методом профилирования листового материала в холодном
состоянии. Процесс профилирования прокаткой на профилегибочных

Н8

Рис. 3.51. Последовательность профилирования на профилегибочном стане (а) и
примеры гнутых профилей (б):

1, 3, 5—3 — номера пар роликов (пары роликов 2 и 4 на рисунке не показаны)
станах заключается в постепенном изменении формы сечения плоской
заготовки до требуемого профиля при последовательном прохожде-
нии полосы или ленты через несколько пар (6—20 и более) враща-
ющихся фигурных роликов. При данном методе площадь поперечного
сечения и толщина исходной полосы пли ленты практически не
изменяется, т. е. происходит только последовательная гибка полосы
или ленты в поперечном сечении.

На рис. 3.51, а показано последовательное изменение плоской
заготовки до требуемого профиля на профилегибочном стане. Число
пар роликов, необходимое для изготовления того или иного профиля,
зависит от сложности его конфигурации. Заготовкой при изготовле-
нии гнутых профилей может быть лента или полоса из стали или
цветных металлов толщиной 0,3—10 мм.

Форма гнутых профилей (рис. 3.51, б) может быть и относительно
простой (профиль открытого типа), и весьма сложной (профили
полузакрытого и закрытого типа, профили с наполнителем).

Указанным способом получают большое количество изделий
для машиностроения, автомобильной и авиационной промышлен-
ности, строительных конструкций.
РАЗДЕЛ 4

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ГЛАВА I. ХАРАКТЕРИСТИКА ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.	СУЩНОСТЬ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Литейное производство — отрасль машиностроения, за-
нимающаяся изготовлением фасонных заготовок или деталей путем
заливки расплавленного металла в специальную форму, полость ко-
торой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении
залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет кон-
фигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продук-
цию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного
металла и последующего охлаждения формируются механические
и эксплуатационные свойства отливок.

Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой
от нескольких граммов до 300 т, длиной от нескольких сантиметров
до 20 м, со стенками толщиной 0,5—500 мм (блоки цилиндров,
поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые
колеса, станины станков, станины прокатных станов, турбинные
лопатки и т. д.).

Для изготовления отливок применяют множество способов литья:
в песчаные формы (рис. 4.1), в оболочковые формы, по выплавля-
емым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и др.
Область применения того или иного способа литья определяется
объемом производства, требованиями к геометрической точности
и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообраз-
ностью и другими факторами.

Рис. 4.1. Схема технологического процесса получения отливок в песчаных
формах
2.	ЭЛЕМЕНТЫ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

Литейная форма — это система элементов, образующих
рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом
формируется отливка. На рис. 4.2, а показана литейная форма для
тройника (рис. 4.2, б). Форма обычно состоит из нижней 2 и верхней 6
полуформ, которые изготовляют по литейным моделям 7 (рис. 4.2, г)
в литейных опоках 3, 5. Литейная опока — приспособление для
удержания формовочной смеси при изготовлении формы. Верхнюю
и нижнюю полуформы взаимно ориентируют с помощью цилиндри-
ческих металлических штырей 4, вставляемых в отверстия приливов
у опок. Для образования полостей, отверстий или иных сложных
контуров в формы устанавливают литейные стержни 1, которые
фиксируют с помощью выступов (стержневых знаков), входящих
в соответствующие впадины в форме. Литейные стержни изготовляют
по стержневым ящикам (рис. 4.2, д). Для подвода расплавленного
металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки
при затвердевании используют литниковую систему 8—11. После
заливки расплавленного металла, его затвердевания и охлаждения
форму разрушают, извлекая отливку (рис. 4.2, е).

3.	ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

Для производства отливок используются сплавы черных
металлов: серые, высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов;
углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов;
медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые
сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые,
вольфрамовые и др.

Рис. 4.2. Литейная форма и ее элементы:

а — литейная форма; 6 — тройник; в — литейный стержень; г — литейная модель; д
стержневой ящик; е — отливка с литниковой системой
Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свой-
ствами (высокой жидкотекучестью, малыми усадкой и склонностью
к образованию трещин и др.); требуемыми физическими и эксплуата-
ционными свойствами. Выбор сплава для тех или иных литых деталей
является сложной задачей, поскольку все требования в реальном
производстве учесть не представляется возможным.

ГЛАВА II ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА

ОТЛИВОК

Возможность получения тонкостенных, сложных по форме
или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется
литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства
сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склон-
ность к образованию трещин, склонность к поглощению газов и об-
разованию газовых раковин и пористости в отливках и др.

1.	ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ

Жидкотекучесть — это способность металлов и сплавов
течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, запол-
нять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного
интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения
расплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы
И т. д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной тем-
пературе (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотеку-
честью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие

Рис. 4.3. Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотеку-
чести сплавов:

1,2— нижняя и верхняя полуформы; 3 — заливочная чаша; 4 — графитовая пробка
в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотеку-
честь. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть
понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме, с по-
вышением температуры заливки расплавленного металла и темпера-
туры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопро-
водности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная
форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл запол-
няет ее лучше, чем металлическую форму, которая интенсивно ох-
лаждает расплав.

Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки
специальных технологических проб (рис. 4.3). Расплавленный ме-
талл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой проб-
кой. После подъема пробки металл сначала сливается в зумпф, а за-
тем плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают
длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах. Наи-
большей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей —
магниевые сплавы.

2.	УСАДКА ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ

Усадка — свойство литейных сплавов уменьшать объем
при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках
протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную
форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают
линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных еди-
ницах.

Линейная усадка — уменьшение линейных размеров
отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется
прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного
металла, до температуры окружающей среды. Линейную усадку опре-
деляют соотношением, %:

^ЛИН == (4|| ^от) Ю0//От,

где /ф и /От — размеры полости формы и отливки при температуре
20 °C.

На линейную усадку влияют химический состав сплава, темпера-
тура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция
отливки и литейной формы. Так, усадка серого чугуна уменьшается
с увеличением содержания углерода и кремния. Усадку алюминие-
вых сплавов уменьшает повышенное содержание кремния, усадку
отливок — снижение температуры заливки. Увеличение скорости
отвода теплоты от залитого в форму сплава приводит к возрастанию
усадки отливки.

При охлаждении отливки происходит механическое и термиче-
ское торможение усадки. Механическое торможение возникает вслед-
ствие трения между отливкой и формой. Термическое торможение
обусловлено различными скоростями охлаждения отдельных частей
отливки. Сложные по конфигурации отливки подвергаются совмест-
ному воздействию механического и термического торможения.
Рис. 4.4. Схема образования усадочной раковины (а) и усадочной пористости (б)

Линейная усадка для серого чугуна составляет 0,9— 1,3 %, для
углеродистых сталей 2—2,4 %, для алюминиевых сплавов 0,9—
1,5 %, для медных 1,4—2,3 %.

Объемная усадка — уменьшение объема сплава при его
охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объем-
ную усадку определяют соотношением, %,

- К„) Ю0/1/от.,

где Уф и V'(JT — объем полости формы и объем отливки при темпера-
туре 20 °C.

Объемная усадка приблизительно равна утроенной линейной
усадке: еоб =- Зе.„,н.

Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пори-
стости, трещин и короблений.

Усадочные раковин ы — сравнительно крупные по-
лости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними
(рис. 4.4, а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка
1 твердого металла. Вследствие того что усадка расплава при пере-
ходе из жидкого состояния в твердое превышает усадку корки, уро-
вень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня
а—а. В следующий момент времени на корке 1 нарастает новый
твердый слой 2, а уровень жидкости опять понижается до уровня
б—б. Так продолжается до тех пор, пока не закончится процесс за-
твердевания. Снижение уровня расплава при затвердевании при-
водит к образованию сосредоточенной усадочной раковины 3. Сосре-
доточенные усадочные раковины образуются при изготовлении отли-
вок из чистых металлов, сплавов эвтектического состава (сплав АЛ2)
и сплавов с узким интервалом кристаллизации (пизкоуглеродистые
стали, безоловянные бронзы и др.).

Усадочная пористость — скопление пустот, обра-
зовавшихся в отливке в обширной зоне в результате усадки в тех
124
местах отливки, которые затвердевали последними без доступа к ним
расплавленного металла (рис. 4.4, б). Вблизи температуры солидуса
кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению
ячеек 2, заключающих в себе остатки жидкой фазы 3. Затвердевание
небольшого объема металла в такой ячейке происходит без доступа
к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки
в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина /.
Множество таких межзеренных микроусадочных раковин образует
пористость, которая располагается по границам зерен металла.

Получить отливки без усадочных раковин и пористости возможно
за счет непрерывного подвода расплавленного металла в процессе
кристаллизации вплоть до полного затвердевания. С этой целью на
отливки устанавливают прибыли-резервуары с расплавленным ме-
таллом, которые обеспечивают доступ расплавленного металла к уча-
сткам отливки, затвердевающим последними. На рис. 4.5, а при-
быль 1 не может обеспечить доступ расплавленного металла к утол-
щенному участку отливки 3. В этом месте образуется усадочная ра-
ковина 2 и пористость. Установка на утолщенный участок прибыли 4
([. с. 4.5, б) предупреждает образование усадочной раковины и по-
ристости.

Предупредить образование усадочных раковин и пористости поз-
воляет установка в литейную форму наружных холодильников 5
(рис. 4.5, в) или внутренних холодильников 6 (рис. 4.5, г).

Наружные холодильники (рис. 4.5, в) устанавли-
вают в форму с внешней стороны массивных частей отливки. Вслед-
ствие высокой теплопроводности и большой теплоемкости холодиль-
ника отвод теплоты от массивной части отливки происходит интен-
сивнее, чем от тонкой. Это способствует выравниванию скоростей за-
твердевания массивной и тонкой частей и устранению усадочных ра-
ковин и пористости.

Внутренние холодильники (рис. 4.5, г) устанав-
ливают внутрь полости формы, образующей массивные части отливки.

Рис. 4.5. Способы предупреждения усадочных раковин и пористости в отливках

125
Эти холодильники изготовляют из того же сплава, что и отливку»
При заполнении формы внутренние холодильники частично расплав-
ляются и свариваются с основным металлом.

3.	ТРЕЩИНЫ В ОТЛИВКАХ

В отливках в результате неравномерного затвердевания
тонких и толстых частей и торможения усадки формой при охлажде-
нии возникают внутренние напряжения. Эти напряжения тем выше,
чем меньше податливость формы и стержней. Если величина внутрен-
них напряжений превзойдет предел прочности литейного сплава
в данном участке отливки, то в теле ее образуются горячие или хо-
лодные трещины. Если литейный сплав имеет достаточную прочность
и пластичность и способен противостоять действию возникающих
напряжений, искажается геометрическая форма отливки.

Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристалли-
зации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в тве; ис
при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины
проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность.
Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается
при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кисло-
рода), серы и других примесей. Кроме того, образование горячих
трещин вызывают резкие переходы от тонкой части отливки к толстой,
острые углы, выступающие части и т. д. Высокая температура за-
ливки способствует увеличению зерна металлической структуры и
увеличению перепада температур в отдельных частях отливки, что
повышает вероятность образования трещин.

Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках
необходимо создавать условия, способствующие формированию мел-
козернистой структуры; обеспечивать одновременное охлаждение
тонких и толстых частей отливок; увеличивать податливость литей-
ных форм; по возможности снижать температуру заливки сплава
и т. д.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций,
когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаж-
даются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке
образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин.
Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках
сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства
сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах
и чем ниже его теплопроводность. Опасность образования холодных
трещин в отливках усиливается наличием в сплаве вредных приме-
сей (например, фосфора в сталях). Для предупреждения образования
в отливках холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное
охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холо-
дильников; применять сплавы для отливок с высокой пластичностью;
проводить отжиг отливок и т. п.

Коробление — изменение формы и размеров отливки под влия-
нием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Ко-
126
робление увеличивается при усложнении конфигурации отливки и
повышении скорости охлаждения, которая вызывает неравномерное
охлаждение между отдельными частями отливки и различную усадку.
Коробление отливки может быть также вызвано сопротивлением
формы усадке отдельных частей отливки. Для предупреждения ко-
роблений в отливках необходимо увеличивать податливость формы;
создавать рациональную конструкцию отливки и т. д.

4.	ГАЗОВЫЕ РАКОВИНЫ И ПОРИСТОСТЬ В ОТЛИВКАХ

В расплавленном состоянии металлы и сплавы способны
активно поглощать значительное количество водорода, кислорода,
азота и других газов из оксидов и влаги исходных шихтовых мате-
риалов при их плавке, сгорании топлива, из окружающей среды, при
заливке металла в форму и т. д.

В жидких металлах и сплавах растворимость газов с увеличе-
нием температуры повышается. При избыточном содержании газов
они выделяются из расплава в виде газовых пузырей, которые могут
всплыть на поверхность или остаться в отливке, образуя газовые
раковины, пористость или неметаллические включения, снижающие
механические свойства и герметичность отливок. При заливке рас-
плавленного металла движущийся расплав может захватывать воз-
дух в литниковой системе, засасывать его через газопроницаемые
стенки каналов литниковой системы. Кроме того, газы могут прони-
кать в металл из формы при испарении влаги, находящейся в (фор-
мовочной смеси, при химических реакциях на поверхности металл—
форма и г. д.

Для уменьшения газовых раковин и пористости в отливках плавку
следует вести под слоем флюса, в среде защитных газов с использо-
ванием хорошо просушенных шихтовых материалов. Кроме того,
перед заливкой расплавленный металл необходимо подвергать дега-
зации вакуумированием, продувкой инертными газами и другими
способами, а также увеличивать газопроницаемость литейных форм
и стержней, снижать влажность формовочной смеси, подсушивать
формы и т. д.

ГЛАВА III. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК В ПЕСЧАНЫХ
ФОРМАХ

1.	МОДЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКТ

Модельный комплект — это совокупность технологиче-
ской оснастки и приспособлений, необходимых для образования
в форме полости, соответствующей контурам отливки. В модельный
комплект включают модели, модельные плиты, стержневые ящики,
модели элементов литниковой системы и другие приспособления.

Литейная модель (рис. 4.6, а) — приспособление, при
помощи которого в литейной форме получают полость с формой и
Рис. 4.6. Литейная модель (а), модельная плита (6) и стержневой ящик (в) для
корпуса вентиля:

/ — центрирующие шины; 2 — стержневые знаки; 3 — центрирующие штыри; 4 — метал-
лическая плита; 5 — модели отливок; 6 — модели элементов литниковой системы

размерами близкими к конфигурации получаемой отливки. Литейные
модели бывают неразъемными, разъемными, с отъемными частями
и др.

Модельная плита (рис. 4.6, б) — металлическая плита
с закрепленными на ней моделями и элементами литниковой системы.
Ее применяют, как правило, при машинной формовке.

Стержневой ящик (рис. 4.6, в) — приспособление, слу-
жащее для изготовления стержней. Стержневые ящики бывают цель-
ными, разъемными, вытряхными и др.

Исходным документом для разработки чертежа модельно-литей-
ных указаний является чертеж детали (рис. 4.7, а), на котором ука-
заны разъем модели и формы, положение отливки в форме при за-
ливке, припуски на механическую обработку, формовочные уклоны,
число стержней, размеры стержневых знаков, границы стержней
и т. п.

Поверхность разъема модели и формы должна обеспечивать сво-
бодное извлечение модели из формы при минимальном числе стержней
и отъемных частей. При этом обрабатываемые поверхности отливки
должны находиться преимущественно в нижней полуформе, что га-
рантирует получение плотной обрабатываемой части отливки. На
чертеже поверхность разъема модели и формы обозначают линией
РМФ и стрелками направления верха (В) и низа (Я) (рис. 4.7, б).

Рис. 4.7. Чертежи детали (а) и литейно-модельных указаний (б) для корпуса вен-
тиля
Припуск на механическую обработку 1 —
слой металла, удаляемый в процессе механической обработки от-
ливки с ее обрабатываемых поверхностей для обеспечения заданной
геометрической точности н качества поверхности детали. Припуск
на механическую обработку зависит от материала отливки, способа
се изготовления, расположения отливки в форме и наибольшего га-
баритного размера литой детали. На чертежах припуск на механи-
ческую обработку показывают тонкой линией и указывают его вели-
чину (рис. 4.7, б).

Ф о р м о в о ч н ы е у к л о п ы 4 служат для удобства извле-
чения модели из формы без ее разрушения и для свободного удале-
ния стержня из стержневого ящика. Уклоны выполняют в направле-
нии извлечения модели из формы. Величина уклона зависит от мате-
риала модели, способа изготовления отливки и высоты боковой по-
верхности и составляет 0,5—3е. Величину уклона указывают на чер-
теже (рис. 4.7, б).

Галтели 5 (рис. 4.7, б) — скругления внутренних углов по-
верхностей модели. Галтели облегчают извлечение модели из формы,
предотвращают появление трещин и усадочных раковин в отливке.
Радиус галтели R принимают от 1/5 до 1/3 средней арифметической
толщины стенок, образующих угол модели.

При разработке литейно-модельных указаний в чертеже обозна-
чают все стержни 3, форму и размеры стержневых знаков 2, границы
стержней, указывают плоскости набивки стержней, каналы для сбора
газов и места их вывода из стержня.

Конфигурация стержневых знаков и их размеры должны обеспе-
чивать легкую установку стержней в форму и их устойчивость. Сэтой
целью предусматривают специальные замки. Припуски на механиче-
скую обработку, формовочные уклоны, галтели, размеры стержне-
вых знаков регламентированы ГОСТами.

Модели и стержневые ящики для единичного и серийного произ-
водств изготовляют деревянными, а для массового производства —
из чугуна, алюминиевых сплавов, пластмассы.

На рис. 4.8 показана последовательность процесса изготовления
разъемной деревянной модели корпуса вентиля, отливаемого из се-
рого чугуна, а на рис. 4.9 — последовательность изготовления стерж-
невого ящика к модели корпуса вентиля, состоящего из двух симме-
тричных половинок.

Металлические модели, модельные плиты и стержневые ящики из-
готовляют нз литых заготовок, полученных литьем в песчаные формы
по деревянным моделям. Заготовки затем обрабатывают на универ-
сальных токарных, фрезерных, шлифовальных, сверлильных и
других станках. После обработки модели монтируют на заранее под-
готовленных плитах.

Металлические модельные плиты и стержневые ящики исполь-
зуют в массовом и крупносерийном производствах. Они более долго-
вечны, точны, имеют малую шероховатость поверхности и не дефор-
мируются при хранении.

5 Л. М. Дальский и др.

129
Рис. 4.8. Последовательность обработки п сборки модели корпуса вентиля:
а — заготовка; б — обточенная заготовка; я — наклеивание планок для гялтслсй; г —*
выточенные фланцы; д — соединение частей патрубка; е — готовая модель; 1 — стержневые
знаки; 2 — шаблон; 3 — углубления под фланцы; 4 — планка для галтелей; 5 — фланцы;
6 — патрубок; 7 — паз для крепления патрубка

Рис. 4.9. Последовательность изготовления стержневого ящика к модели корпуса
вентиля:

а — разметка заготовки стержневого ящика; б — половина ящика с выполненной по-
лостью; в — шаблоны для изготовления полости ящика (/) и вставки (2); г — выточен-
пая вставка; д — разметка вставки для перегородки; е — готовая перегородка; ж
нижняя половина стержневого ящика в готовом виде
Изготовление литейных форм с применением металлических мо-
дельных плит и стержневых ящиков обеспечивает большую точность
и хорошее качество поверхности отливок.

2.	ФОРМОВОЧНЫЕ И СТЕРЖНЕВЫЕ СМЕСИ

Формовочные материалы — это совокупность природных
и искусственных материалов, используемых для приготовления фор-
мовочных и стержневых смесей. В качестве исходных материалов
используют формовочные кварцевые пески и литейные формовочные
глины. Глины обладают связующей способностью и термохимической
устойчивостью, что позволяет получать отливки без пригара. Если
глина не обеспечивает необходимых свойств смесей, применяют раз-
личные связующие материалы. Кроме того, используют противопри-
гарные добавки (каменноугольную пыль, графит), защитные при-
садочные материалы (борную кислоту, серный цвет) и другие
добавьи.

Формовочная смесь — это многокомпонентная смесь фор?,юбочных
материалов, соответствующая условиям технологического процесса
изготовления литейных форм. Формовочные смеси по характеру ис-
пользования разделяют на облицовочные, наполнительные и единые.

Облицовочная смесь — это формовочная смесь, ис-
пользуемая для изготовления рабочего слоя формы. Такие смеси
содержат повышенное количество исходных формовочных материалов
(песка и глины) и имеют высокие физико-механические свойства.

Наполнительная смесь — это формовочная смесь
для наполнения формы после нанесения на модель облицовочной
смеси. Поэтому ее приготовляют путем переработки оборотной смеси
с малым количеством исходных формовочных материалов (песка и
глины). Облицовочные и наполнительные формовочные смеси ис-
пользуют при изготовлении крупных и сложных отливок.

Единая смесь — это формовочная смесь, применяемая
одновременно в качестве облицовочной и наполнительной смеси. Та-
кие смеси применяют при машинной формовке и на автоматических
линиях в серийном и массовом производствах. Единые смеси приго-
товляют из наиболее огнеупорных песков и глин с наибольшей свя-
зующей способностью, чтобы обеспечить их долговечность.

По роду заливаемого металла различают формовочные смеси для
стального, чугунного и цветного литья.

Формовочные смеси должны иметь высокую огнеупорность, доста-
точную прочность и газопроницаемость, пластичность, податли-
вость и т. д.

Огнеупорность — способность смеси и формы сопротивляться
размягчению или расплавлению под воздействием температуры рас-
плавленного металла. Чем крупнее песок, тем меньше в нем примесей
и пыли и чем больше кремнезема, тем более огнеупорна смесь. При
низкой огнеупорности на поверхности отливки образуется пригар —
прочное соединение формовочной или стержневой смеси с поверх-
ностью отливки.

5*

131
Прочность — способность материала формы не разрушаться при
извлечении модели из формы, транспортировании и заливке форм.
Прочность формовочной смеси увеличивается с увеличением содер-
жания глины, с уменьшением размеров зерен песка, плотности.

Г азопроницаемость — способность смеси пропускать через себя
газы. Газопроницаемость тем выше, чем больше песка'в формовочной
смеси и чем он крупнее, а также чем меньше содержание глины в фор-
мовочной смеси.

Пластичность — способность деформироваться без разрушения
и точно воспроизводить отпечаток модели. Пластичность смеси уве-
личивается с повышением в ней (до определенного предела) связую-
щих материалов и воды, а также песка с мелкими зернами.

Податливость — способность формы или стержня сжиматься при
усадке отливки.

Стержневая смесь — это многокомпонентная смесь формовочных
материалов, соответствующая условиям технологического процесса
изготовления литейных стержней. Стержни при заливке расплав-
ленного металла испытывают значительные тепловые и механиче-
ские воздействия по сравнению с формой, поэтому стержневые смеси
должны иметь более высокую огнеупорность, газопроницаемость, по-
датливость, малую газотворную способность, легко выбиваться из
отливок и т. д.

Стержневые смеси в зависимости от способа изготовления стерж-
ней разделяют на смеси с отверждением стержней тепловой сушкой;
с отверждением стержней в нагреваемой оснастке, жидкие самотвер-
деющие смеси; жидкостекольные смеси, отверждаемые углекислым
газом; холоднотвердеющие смеси на синтетических смолах.

Стержневые смеси, отверждающиеся при тепло-
вой сушке, приготовляют из кварцевого песка и связующих
материалов, в качестве которых используют различные органические
и неорганические материалы.

Стержневые смеси, отверждающиеся в нагре-
ваемой оснастке, приготовляют из кварцевого песка с ис-
пользованием синтетических смол и катализаторов.

Жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС), исполь-
зуемые для изготовления как литейных стержней, так и литейных
форм, приготовляют из кварцевого песка, отвердителей (шлаков фер-
рохромистого производства), связующих материалов (жидкое стекло,
сиитетические смолы), поверхностно-активных веществ. При интен-
сивном перемешивании компонентов смеси образуется пена, которая
разделяет зерна песка, уменьшает силы трения между ними, что и
придает смеси свойство текучести. Такие смеси сохраняют текучесть
обычно в течение 9—10 мин. За это время смесь должна быть разлита
по формам или стержневым ящикам. Через 20—30 мин смесь стано-
вится прочной

Ж и д к о с т е к о л ь н ы е смеси, используемые для изготов-
ления литейных стержней и литейных форм, приготовляют из квар-
цевых песков с содержанием не более 3,5 % глины, связующего мате-
риала — жидкого стекла с добавкой 10 %-ного раствора едкого
132
натра. Отверждение смеси осуществляется продувкой углекислым
газом.

Холоднотвердеющие смеси (ХТС), используемые
для стержней, приготовляют из кварцевого песка, связующих ма-
териалов — карбамидофурановых, фенолоформальдегидных смол
и др. В качестве катализаторов применяют ортофосфорпую или азот-
ную кислоту и ее соли. Продолжительность отверждения смесей
составляет 1—20 мин.

Приготовляют формовочные и стержневые смеси перемешива-
нием компонентов смеси в течение 5—12 мин с последующим их вы-
стаиванием в бункерах. В современных литейных цехах приготовле-
ние формовочных и стержневых смесей осуществляется на автомати-
зированных установках. Все операции приготовления смесей — про-
сушка, дробление и просеивание формовочных материалов, отделение
металлических включений, подача в смесители компонентов смеси,
перемешивание их, разрыхление и подача готовой смеси к формовоч-
ным машинам — осуществляются автоматически.

Смеси ЖСС и ХТС приготовляют в специальных шнековых смеси-
телях, размещенных непосредственно в формовочном или стержне-
вом отделениях из-за того, что готовая смесь должна быть немедленно
(не позднее 2 мин) использована для изготовления форм и стержней.

3.	ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Литниковая система — это система каналов, через кото-
рые расплавленный металл подводят в полость формы. Литниковая
система должна обеспечивать заполнение литейной формы с необхо-
димой скоростью, задержание шлака и других неметаллических
включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную
подачу расплавленного металла к затвердевающей отливке.

В зависимости от конфигурации и толщины стенок отливок 5 и
состава заливаемого сплава расплавленный металл в полость литей-
ной формы подводят сбоку (рис. 4.10, а), снизу (рис. 4.10, б) или
сверху (рис. 4.10, в). Литниковая система обычно состоит из литни-
ковой чаши 4, вертикального канала-стояка <3, шлакоуловителя 2,
питателей /, выпора 6. При подводе металла снизу или сверху ис-
пользуют массивные коллекторы 7.

расплавленного металла в полость литейной формы

Рис, 4.10, Способы подвода
4.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ

Основные операции изготовления форм (формовки): уплот-
нение формовочной смеси для получения точного отпечатка модели
в форме и придание форме достаточной прочности; устройство венти-
ляционных каналов для вывода газов из полости формы, образую-
щихся при заливке; извлечение модели из формы; отделка и сборка
форм. По степени механизации различают формовку: ручную и .ма-
шинную.

Ручную формовку применяют для получения одной или несколь-
ких отливок в условиях опытного производства, при изготовлении
крупных отливок (массой до 200 т). На практике используют различ-
ные приемы ручной формовки.

Формовка в п а р н ы х опоках по разъемной м о -
дели наиболее распространена. Литейную форду (рнс. 4.11, е),
состоящую из двух полуформ, изготовляют по разъемной модели
(рис. 4.11, а) в такой последовательности: на модельную плиту 3 уста-
навливают нижнюю половину модели 1, модели питателей 4 и опоку 5
(рис. 4.11, б), в которую засыпают формовочную смесь и уплотняют.
Опоку поворачивают на 180° (рис. 4.11, в), устанавливают верхнюю
половину модели 2, модели шлакоуловителя 9, стояка 8 п выпоров 7,
По центрирующим штырям устанавливают верхнюю опоку 6, засы-
пают формовочную смесь п уплотняют. После извлечения модели
стояка и выпоров форму раскрывают. Из полуформ извлекают мо-
дели (рис. 4.11, г) и модели питателей и шлакоуловителей, в нижнюю
полуформу устанавливают стержень 10 (рис. 4.11, <Э) и накрывают
нижнюю полуформу верхней. На рис. 4.11, е показана литейная

Рис. 4.11. Последовательность операций изгшовления литейной формы для кор-
пуса вентиля
Рис. 4.12. Шаблонная формовка;

а — отливка; б — шаблоны н приспособления; в — изготовление болвана в соответствии
с наружным контуром отливки; г — изготовление верхней лолуформы; д — изготовление
болвана, соответствующего внутреннему контуру отливки; е — форма в сборе

форма для корпуса вентиля. После заливки расплавленного металла
и его затвердевания литейную форму разрушают и извлекают от-
ливку (рис. 4.11, ж).

Формовку шаблонами применяют в единичном производ-
стве для получения отливок, имеющих конфигурацию тел вращения.
Для примера рассмотрим технологический процесс изготовления
форм для шлаковой чаши (рис. 4.12, а). Формовку осуществляют
с помощью двух шаблонов 1, 4 (рис. 4.12, б) в последовательности:
в яме устанавливают подпятник 7 со шпинделем 2 в вертикальном
положении, засыпают формовочную смесь и уплотняют ее вокруг
шпинделя; к серьге 3 прикрепляют шаблон 1, режущая кромка ко-
торого имеет очертания наружной поверхности отливки, и устанав-
ливают его на шпиндель (рис. 4.12, в) до упора 5; вращением шаблона
в ту и другую сторону срезают формовочную смесь в соответствии
с профилем шаблона, удаляя излишки формовочной смеси; по полу-
ченному болвану изготовляют верхнюю полуформу 6 (рис. 4.12, г)
Для этого серьгу с шаблоном снимают со шпинделя, плоскость разъ-
ема формы покрывают разделительным слоем сухого кварцевого пе-
ска или бумагой, устанавливают модели литниковой системы, опоку,
засыпают формовочную смесь и уплотняют ее, удаляют шпиндель и
снимают верхнюю полуформу; в подпятник 7 вновь -устанавливают
шпиндель, на который с помощью серьги устанавливают шаблон 4
(рис. 4.12, д), имеющий очертания внутренней поверхности отливки.
С помощью этого шаблона с болвана удаляется слой формовочной
смеси на толщину стенки отливки (рис. 4.12, д); после этого снимают
шаблон и удаляют шпиндель, отделывают полученный болван и уста-
навливают верхнюю полуформу (рис. 4.12, е), затем в литейную
форму заливают расплавленный металл.

Формовку вкессон а х применяют при изготовлении крупных
отливок массой до 200 т. На рис. 4.13 показана форма станины, со-
бранная в механизированном кессоне, который смонтирован на бе-
тонном основании 7. Дно его выложено чугунными плитами 4. Две
неподвижные стенки 1 и 8 также облицованы металлическими пли-
тами. Противоположные чугунные стенки 3 и 6 передвигаются с по-
мощью червячного редуктора 2, приводимого в действие электродви-
гателем, что позволяет изменять внутренние размеры кессона. Форму
собирают из стержней-блоков 5, изготовленных из жидких самотвер-
деющих смесей. Литниковую систему изготовляют из керамических
огнеупорных трубок. Верхнюю полуформу 10 устанавливают по
центрирующим штырям 9 и прикрепляют к кессону болтами.

Формовку встержнях применяют в массовом и крупносерий-
ном производствах при изготовлении отливок сложной конфигурации.
136
тс. 4.14. Формовка в стержнях
нлипдра двигателя с воздушным
слаждепием

На рис. 4.14 приведен пример фор-
мовки в стержнях цилиндра двига-
теля с воздушным охлаждением.
Форма для отливки цилиндра дви-
гателя с воздушным охлаждением
собрана из шести стержней. Сборку
формы производят в горизонталь-
ном положении. В стержень 1 вкла-
дывают стержень 2, затем стержни 3,
4, 5 и 6. Собранную форму скре-
пляют.

с использова-
нием жидкостекольных
смесей применяют при изго-
товлении отливок массой до 40 т
в серийном и единичном производ-
ствах. При формовке на модель

слоем 50—70 мм наносят слой жидкостекольной формовочной смеси,
остальной объем опоки заполняют наполнительной формовочной
смесью и уплотняют. После изготовления полуформы модели извле-
кают. Полуформы накрывают зонтом, под который под давлением
0,2—0,3 МПа подводится углекислый газ, обеспечивающий быстрое
равномерное отверждение формы (рис. 4.15).

Машинную формовку применяют для производства отливок
в массовом и серийном производствах. При формовке па машинах
формы изготовляют в парных опоках с использованием односторон-
них металлических модельных плит (см. рис. 4.6, б). Машинная фор-
мовка механизирует установку опок на машину, засыпку формовоч-
ной смеси в опоку, уплотнение смеси, удаление моделей из формы,
транспортирование и сборку форм. Машинная формовка обеспечи-
вает высокую геометрическую точность полости формы по сравнению
с ручной формовкой, повышает производительность труда, исклю-
чает трудоемкие ручные операции, сокращает цикл изготовления
отливок. При машинной формовке формовочную смесь уплотняют

Рис. 4.15. Схема продувки формы углекислым газом:

J — баллон с углекислым газом; 2 — редуктор; <3 — резиновый шланг; 4 — зонт; 5 — слой
жидкостекольной смеси; 6 — опока
Рис. 4.16. Схемы способов уплотнения литейных форм при машинной формовке:
а — прессованием; б —* многоплунжерпой колодкой; в — встряхиванием; г — пескометом;
д — пленочно-вакуумной формовкой

прессованием, встряхиванием, пескометом, вакуумной формовкой
и др.

У плотнение формовочной смеси прессованием
(рис. 4.16, а) осуществляют при подаче сжатого воздуха при давле-
нии 0,5—0,8 МПа в нижнюю часть цилиндра /, в результате чего
прессовый поршень 2, стол 3 с прикрепленной к нему модельной
плитой 4 поднимаются. При этом колодка 7, закрепленная на тра-
версе 8, входит внутрь наполнительной рамки 6 и уплотняет формо-
вочную смесь в опоке 5. Плотность формовочной смеси уменьшается
по мере удаления от прессовой колодки из-за трения формовочной
смеси о стенки опоки. Неравномерность плотности формовочной
смеси тем больше, чем выше опока и модели. Прессование исполь-
зуют для уплотнения формовочной смеси в опоках высотой 200—
250 мм.

Для достижения равномерной плотности формовочной смеси вопоке
используют многоплунжерные прессовые колодки (рис. 4.16, 6).
При прессовании стол 4 машины движется в сторону многоплунжер-
138
ной прессовой колодки /. Вследствие различной степени сопротиг-
ления формовочной смеси в форме плунжеры 3 под действием давления
масла на поршень 2 прессуют находящиеся под ним участки формы
независимо от соседних.

Уплотнение формовочной смеси встряхиванием
(рис. 4.16. в) осуществляют при подаче сжатого воздуха при давле-
нии 0,5—0,8 МПа в нижнюю часть цилиндра 1, в результате чего
встряхивающий поршень 2 поднимается на высоту 25—80 мм. При
этом впускное отверстие 10 перекрсется боковой поверхностью
поршня, а нижняя его кромка откроет выхлопные окна 7, в резуль-
тате чего воздух выйдет в атмосферу. Давление под поршнем сни-
зится, и стол 3 с укрепленной на нем модельной плитой 4 упадет на
торец цилиндра 8. Скорость стола, а следовательно, и скорость мо-
дельной плиты падает до нуля, в то время как формовочная смесь
в опоке 5 и наполнительной рамке 6, продолжая двигаться вниз по
инерции, уплотняется. В момент, когда канал 9 встряхивающего
поршня окажется против отверстия 10 встряхивающего цилиндра,
сжатый воздух снова войдет в полость встряхивающего цилиндра.
Это повлечет за собой новый подъем встряхивающего стола и новый
удар его о торец и т. д.

Встряхивающий стол обычно совершает 120—200 ударов в ми-
нуту. В результате повторных ударов происходит уплотнение фор-
мовочной смеси в опоке. При этом слои формовочной смеси, лежащие
у модельной плиты, будут иметь большую плотность, чем слои, ле-
жащие в верхней части формы. Встряхиванием уплотняют формы
высотой до 800 мм. Для уплотнения верхних слоев формы встряхи-
вание совмещают с прессованием. Это обеспечивает высокую и равно-
мерную плотность форм.

Уплотнение формовочной смеси пескометом
(рис. 4.16, г) осуществляют рабочим органом пескомета — метатель-
ной головкой, выбрасывающей пакеты смеси на рабочую поверхность
модельной плиты. В стальном кожухе 4 метательной головки вра-
щается закрепленный на валу 6 электродвигателя ротор 5 с ковшом 2.
Формовочная смесь подается в головку 1 непрерывно ленточным кон-
вейером 3 через окно в задней стенке кожуха. При вращении ковша
(1000—1200 об/мин) формовочная смесь собирается в пакеты 8 и цен-
тробежной силой выбрасывается через выходное отверстие 7 в опоку
9. Попадая на модель 10 и модельную плиту 11, смесь уплотняется за
счет кинетической энергии равномерно по высоте опоки. Метательную
головку равномерно перемещают над опокой. Пескометы применяют
для уплотнения крупных форм.

Пленочно-вакуумную формовку (рис. 4.16, 6)
осуществляют в следующей последовательности: модельную плиту /
с моделью 2 накрывают разогретой полимерной пленкой толщиной
не более 0,1 мм. Вакуумным насосом в воздушной коробке 7 создают
вакуум 2,6—5,2 МПа. Пленка 6 плотно прижимается к модели и мо-
дельной плите. На модельную плиту устанавливают опоку 3, которую
заполняют сухим кварцевым песком 5, уплотняют его с помощью ви-
брации и выравнивают открытую верхнюю поверхность опоки. На
верхнюю поверхность накладывают разогретую полимерную пленку
4, которая за счет разрежения в 4—6 МПа плотно прилегает к опоке,
что способствует уплотнению песка и устойчивости формы. После
этого полуформу снимают с модели.

Изготовляют как верхнюю, так и нижнюю полуформу, затем
форму собирают. Вакуумирование продолжается не только при изго-
товлении полуформ, но и при их сборке, заливке и затвердевании за-
литого металла. При заливке металла в форму пленка сгорает. Про-
дукты сгорания выполняют роль противопригарного покрытия. Этим
способом изготовляют формы для отливок массой 0,1 —10 т на авто-
матических формовочных линиях

5.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕРЖНЕЙ

Процесс изготовления стержней включает следующие
операции: формовку сырого стержня, сушку, отделку и окраску су-
хого стержня. Если стержень состоит из двух или нескольких ча-
стей, то после сушки их склеивают.

При изготовлении стержней вручную в разъемном стержне-
вом ящике (рис. 4.17, а) раздельно набивают половины стержневого
ящика (поз. 1). Поверхности разъема смазывают клеем и обе поло-
вины ящиков соединяют друг с другом и металлической иглой делают
вентиляционный канал (поз. 2). Затем стержень удаляют из стержне-
вого ящика, устанавливают на сушильную плиту (поз. 3) и отправ-
ляют в сушильную печь. На поз. 4 показан стержень, подготовлен-
ный к сборке.

При изготовлении стержней на пескодувных машинах
(рис. 4.17, б) стержневая смесь из бункера 12 периодически поступает
в пескодувный резервуар 1. Сжатый воздух из ресивера 9 через быст-
родействующий клапан 10 заполняет резервуар 1 и через отвер-
стия 2,11 поступает в гильзу 3, в которой резко повышается давле-
ние и стержневая смесь выталкивается через сопло 5 в полость стерж-
невого ящика 6. Для выпуска воздуха в надувной плите 4 и стержне-
вом ящике 6 предусмотрены венты 7, 8 Эти машины обеспечивают
высокое качество стержней и обладают высокой производитель-
ностью.

Изготовление стержней в нагреваемой оснастке
(рис. 4.17, в) состоит в следующем. На позиции 1 нагретые до темпе-
ратуры 200—300 “С половинки стержневого ящика 2 и опустоши-
тель 3 собирают. Из пескодувного резервуара 1 стержневая смесь
с синтетической смолой вдувается в стержневой ящик. Связующее при
нагреве отверждается, обеспечивая прочность стержню 4. После не-
продолжительной выдержки (15—120 с) опустошитель 3 извлекают и
пневматическим цилиндром 5 отводят одну из половин ящика (поз. 2).
После этого вторая половина ящика поворачивается на 90°, и вытал-
кивателями 6 стержень 4 удаляется из стержневого ящика (поз. 3).
Стержни, полученные этим способом, имеют высокую прочность, точ-
ность размеров, газопроницаемость. Этим способом стержни изго-
товляют на высокопроизводительных автоматических машинах.
Рис. 4.17. Схемы процессов изготовления
стержней:

а — ручное; б — на пескодувных машинах-, в —
по нагреваемой оснастке; г — продувкой угле*
кислым газом

41

Изготовление стержней из

жйдкостекольных смесей состоит

в химическом отверждении жидкого стекла путем продувки стержня углекислым
газом. Изготовленный стержень 2 выкладывают па плиту 5 и накрывают колпа-
ком / (рис. 4.17, г). С помощью резиновых уплотнителей 6, штырей 3 н клиньев 4
плита и колпак плотно соединяются. Стержень продувается углекислым газом под
давлением 0,1—0,3 МПа в течение 1 —10 мин. После продувки стержни отделывают
и окрашивают самовысыхающими красками. Этим способом изготовляют средние
и крупные по массе стержни.

6.	МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ

В современных литейных цехах все технологические опе-
рации (формовка, сборка форм, их заливка, выбивка отливок) осу-
ществляются одновременно). При этом литейная форма передается
2	3	4	5	6	7

Рис. 4.18 Схема литейного конвейера

последовательно с одной операции па другую. Переход формы с од-
ной позиции на другую осуществляется различными транспортными
устройствами-конвейерами, кантователями, толкателями н др.

Изготовление форм на литейном конвейере (рис. 4.18'1 — пример полной меха-
низации производственного процесса формовки. Нижняя и верхняя полуформы
изготовляются на формовочных машинах 3 н 4. Формовочная смесь из смесеприго-
товительного отделения доставляется к формовочным машинам. На позиции 5 осу-
ществляется сборка форм, которые затем сталкиваются на платформы 12 горизон-
тального замкнутого конвейера 16. Конвейером формы передаются в заливочное
отделение, где в них заливают расплавленный металл из заливочных ковшей 9,
перемещаемых по монорельсу 8 к подвижной заливочной площадке 10. Запитые
формы проходят через охладительное устройство 14 и толкателями 15 сталкиваются
на выбивную решетку 1. Формовочная смесь, выбитая из опок, передается в смесе-
приготовительное отделение, а отливки — в очистное.

Опоки после выбивки по роликовому конвейеру 7 подаются к формовочным ма-
шинам и устанавливаются на них пневмоподъемниками 6. Подоночные плиты по
ленточному конвейеру 2 поступают на конвейер 7, а затем к формовочным маши-
нам 3 и 4. Литейный конвейер 16 приводится в движение от приводной станции 11.
Литейные стержни к местам сборки литейных форм транспортируются подвесным
конвейером 13.

Автоматическую безопочную формовку используют при изготов-
лении форм для мелких отливок из серого, ковкого и высокопроч-
ного чугунов и стали в серийном и массовом производствах. Изготов-
ление литейных форм осуществляется на высокопроизводительных
пескодувно-прессовых автоматических линиях (рис. 4.19).

Модельная плита 1 закреплена па прессовой машине, плита 3 —
на плите противодавления. Модельные плиты /, 3, боковые стенки и

Рис. 4.19. Схема процесса
изготовления безопочвых
литейных форм на авто-
матических машинах
Рис. 4.20. Схема автоматической формовочной линии

головка 2 образуют формовочную камеру (рис. 4.19, а), которая за-
полняется формовочной смесью под действием сжатого воздуха под
давлением 0,5—1 МПа. После этого формовочная смесь прессуется
плунжером 4 под давлением до 2 МПа. Модельная плита 3 отходит
влево п поворачивается в горизонтальное положение, а уплотненный
ком формовочной смеси плунжером 4 проталкивается до соприкос-
новения с предыдущим комом, образуя полость 5 (рис. 4.19, б). В ре-
зультате получается непрерывный ряд форм, которые заливают
расплавленным металлом из ковша 6'. После затвердевания и охла-
ждения отливок формы подаются на выбивную решетку, где отливки
7 освобождаются от формовочной смеси. Смесь поступает на пере-
работку и повторное использование, а отливки — в обрубное отде-
ление.

Автоматическая формовочная линия (рис. 4.20) — пример пол-
ного автоматизированного производственного процесса формовки.
На позиции 1 специальным механизмом снимается верхняя опока,
которая без формовочной смеси перемещается на позицию 13, ниж-
няя полуформа с формовочной смесью и отливками конвейером 16
с позиции 1 направляется на позицию 2, а затем к механизму 3,
где опока освобождается от смеси и отливок. Отливки направляются
в обрубное отделение, а формовочная смесь — на переработку..
Опоки, очищенные от формовочной смеси, подаются к формовоч-
ным автоматам; верхняя — на автомат 12, нижняя — на авто-
мат 4. Смена модельных плит производится с помощью теле-
жек 11.

Нижняя полуформа, изготовленная на формовочном автомате 4,
кантователем 8 переворачивается на 180° и на позиции 7 устанавли-
вается на предварительно очищенную специальными щетками 5
тележку 6 литейного конвейера 16 и подается к механизму спари-
вания полуформ. Верхняя полуформа, изготовленная на автомате 12,
по роликовому конвейеру 10 перемещается к позиции 9, где спари-
вается с нижней полуформой. Собранная литейная форма 14 по кон-
вейеру транспортируется на участок 15 заливки. Установка стержне й
в литейную форму осуществляется во время продвижения ее по кон-
вейеру от позиции 7 к позиции 9. Для увеличения продолжитель-
ности охлаждения отливок в залитых формах конвейер выполнен с до-
полнительной петлей на двух уровнях.
7.	СБОРКА И ЗАЛИВКА ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ.

ОХЛАЖДЕНИЕ, ВЫБИВКА И ОЧИСТКА ОТЛИВОК

Сборка литейных форм начинается с установки нижней
полуфор.мы 1 на заливочкую площадку или тележку конвейера
(рис. 4.21, а). Затем в последовательности, указанной в технологи-
ческой карте или на сборочном чертеже, устанавливают стержень /
(рис. 4.21, б) и стержень 11, после этого нижнюю полуформу по цен-
трирующим штырям 3 накрывают верхней полуформой 2 (рис. 4.21, в).
Устойчивое положение стержней обеспечивается стержневыми зна-
ками. Верхнюю полуформу с нижней скрепляют болтами, скобами
или накладывают груз.

Заливка литейных форм — процесс заполнения полости литей-
ной формы расплавленным металлом из чайниковых (рис. 4.22, а),
барабанных (рис. 4.22, б) и других ковшей. Ковш с расплавленным
металлом от плавильных печей к месту разливки перевозят мостовым
краном или по монорельсовому пути.

Важное значение при заливке форм имеет выбор температуры
заливки расплавленного металла. При повышенной температуре за-
ливки возрастает жидкотекучесть металла, улучшается питание от-
ливок, ио горячий металл более газонасыщен, сильнее окисляется,
вызывает пригар па поверхности отливки. В то время как низкая
температура заливки увеличивает опасность незаполнения полости
формы, захвата воздуха, ухудшается питание отливки. Температуру
заливки сплавов целесообразно назначать на 100—150 °C выше тем-
пературы ликвидуса.

Автоматизация заливки литейных форм обеспечивает высокую
точность дозировки металла, облегчает труд заливщика, повышает
производительность труда.

На рис. 4.23 приведена схема автоматической заливочной уста-
новки для заливки серого чугуна в формы, в которой раздаточное
устройство 1, имеет кольцевой индуктор 6 для подогрева и переме-
шивания расплавленного металла и герметичную крышку 2. Через
капал 7 в раздаточное устройство периодически заливают чугун из
ковша 8. Для выдачи дозы над зеркалом расплава создают давление,
благодаря которому уровень металла в каналах 7 и 3 поднимается, и
он через отверстие 4 в раздаточном носке поступает в форму 5. Рас-
ходом управляют, изменяя давление газа на зеркало расплавленного
металла.

Рис. 4.21. Последовательность операций сборки литейной формы
Рис. 4.22. Чайниковый fo) и барабан-
ный (б) pavinBO'iiibic копит

Охлаждение отливок в литейных формах после заливки продол-
жается до температуры выбивки. Небольшие тонкостенные отливки
охлаждаются в форме несколько минут, а толстостенные (массой
50—60 т) — в течение нескольких суток и даже недель. Для сокра-
щения продолжительности охлаждения отливок, особенно массивных,
используют различные методы принудительного охлаждения: фермы
обдувают воздухом; в формы при формовке укладывают змеевики или
трубы, по которым пропускают воздух или воду и др. При этом каче-
ство отливок не ухудшается.

Выбивка отливок — процесс удаления затвердевших и охлаж-
денных до определенной температуры отливок из литейной формы,
при этом литейная форма разрушается. Выбивку отливок осущест-
вляют на различных выбивных установках.

На рис. 4.24 показана автоматическая установка для выбивки
отливок. Форма 2 из опоки снизу вверх выталкивается гидравличе-
ским выталкивателем 5, затем сталкивается толкателем 1 на вибро-
желоб 3. Пустая опока остается на заливочном конвейере 4. Выбитая
форма по виброжелобу направляется на выбивную решетку, где от-
ливки освобождаются от
конвейеру на очистку,
а формовочная смесь —
в смесеприготовитель-
ное отделение.

Выбивку стержней
осуществляют вибра-
ционно- пневматически-
ми и гидравлическими
устройствами, выбивку
стержней из крупных
отливок — в гидравли-
ческих камерах струей

формовочной смеси, и направляется по

воды ПОД давлением рис. 4 24. Автоматическая установка для выбивки
5—10 МПа. Одиовре- отливок
Рис. 4.25. Поточная линия для очистки отливок

менно с удалением стержней происходит очистка поверхности
отливки.

Обрубка отливок — процесс удаления с отливки прибылей,
литников, выпоров и заливов (облоев) по месту сопряжения полу-
форм. Обрубку производят пневматическими зубилами, ленточными
и дисковыми пилами, газовой резкой и на прессах. Литники от чу-
гунных отливок отбивают молотками сразу же после выбивки из форм
перед удалением стержней. Литники и прибыли от стальных отливок
отрезают газовой или плазменной резкой. Ленточные и дисковые
пилы используют для обрубки отливок из алюминиевых, магниевых,
медных сплавов. После обрубки отливки зачищают, удаляя мелкие за-
ливы, остатки прибылей, выпоров и литников. Зачистку выполняют
маятниковыми и стационарными шлифовальными кругами, пневмати-
ческими зубилами, газоплазменной обработкой и другими способами.

Очистка отливок—процесс удаления пригара, остатков формовоч-
ной и стержневой смеси с наружных и внутренних поверхностей отли-
вок. Ее осуществляют в галтовочных барабанах периодического или не-
прерывного действия, в гидропескоструйных идробеметных камерах,
химической или электрохимической обработкой и другими способами.

На рис. 4.25 показана схема поточной линии очистки отливок.
Отливки 1 конвейером 2 подаются на решетку 3 для удаления смеси.
Затем они во вращающемся барабане 4 очищаются от песка. Горелая
смесь из барабана удаляется через отверстия. Из барабана отливки
конвейером 5 подаются в дробеметный барабан 6, в котором струей
металлической дроби, подаваемой вращающейся дробеметной голов-
кой 7, осуществляется окончательная очистка. После чего отливки
ленточным конвейером 8 подаются к обдирочным станкам 9 для за-
чистки заливов, мест установки питателен и т. д.

ГЛАВА IV ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК СПЕЦИАЛЬНЫМИ
СПОСОБАМИ ЛИТЬЯ

Точность геометрических размеров, шероховатость по-
верхности отливок, полученных в песчаных формах, во многих слу-
чаях не удовлетворяет требованиям современной техники. Поэтому
быстрыми темпами развиваются специальные способы литья: в обо-
лочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давле-
нием, центробежное и другие, позволяющие получать отливки по-
вышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, мини-
мальными припусками на механическую обработку, а иногда пол-
ностью исключающие ее, обеспечивают высокую производительность
труда и т. д.

1.	ЛИТЬЕ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ

Оболочковые формы (разъемные, тонкостенные), изготов-
ляют следующим образом: металлическую модельную плиту Д на-
гретую до температуры 200—250 СС, закрепляют на опрокидываю-
щем бункере 2 (рис. 4.26, а) с формовочной смесью 3 и поворачивают
его на 180° (рис. 4.26, б). Формовочная смесь, состоящая из мелко-
зернистого кварцевого песка (93—96 %) и термореактивной смолы
ПК-104 (4—7 %), насыпается на модельную плиту и выдерживается
10—30 с. От теплоты модельной плиты термореактивная смола в по-
граничном слое переходит в жидкое состояние, склеивает песчинки
с образованием песчано-смоляной оболочки 4 толщиной 5—20 мм
в зависимости от времени выдержки. Бункер возвращается в исход-
ное положение (рис. 4.26, в), излишки формовочной смеси ссыпаются
на дно бункера, а модельная плита с полутвердой оболочкой 4 сни-
мается с бункера и нагревается в печи при температуре 300—350 °C
в течение 1 —1,5 мин, при этом термореактивная смола переходит
в твердое необратимое состояние. Твердая оболочка снимается с мо-
дели специальными толкателями 5 (рис. 4.26, г). Аналогично изготов-
ляют и вторую полуформу.

Готовые оболочковые полуформы склеивают быстротвердеющим
клеем на специальных прессах, предварительно установив в них ли-
тейные стержни, или скрепляют скобами. Кроме оболочковых форм
этим способом изготовляют оболочковые стержни, используя нагре-
ваемые стержневые ящики. Оболочковые формы и стержни изготов-
ляют на одно- и многопозиционных автоматических машинах и авто-
матических линиях.

Заливка форм производится в вертикальном или горизонтальном
положении. При заливке в вертикальном положении литейные
формы 6 помещают в опоки-контейнеры 7 и засыпают кварцевым пес-
ком или металлической дробью 8 (рис. 4.26, д) для предохранения от
преждевременного разрушения оболочки при заливке расплава.

Выбивку отливок проводят на специальных выбивных или вибра-
ционных установках. При очистке отливок удаляют заусенцы, зачи-
щают на шлифовальных кругах места подвода питателей и затем их
подвергают дробеструйной обработке.

Литье в оболочковые формы обеспечивает высокую геометриче-
скую точность отливок, так как формовочная смесь, обладая высокой
подвижностью, дает возможность получать четкий отпечаток модели.
Точность отпечатка не нарушается потому, что оболочка снимается
с модели без расталкивания. Повышенная точность формы позволяет
в 2 раза снизить припуски на механическую обработку отливок.
Применяя мелкозернистый кварцевый песок для форм, можно сни-
зить шероховатость поверхности отливок. Высокая прочность обо-
лочек позволяет изготовлять формы тонкостенными, что значительно
сокращает расход формовочных материалов и т. д. В оболочковых
формах изготовляют отливки с толщиной стенки 3—15 мм и массой
0,25—100 кг для автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных
машин из чугуна, углеродистых сталей, сплавов цветных металлов.

2.	ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Этим способом отливки получают путем заливки расплав-
ленного металла в формы, изготовленные по выплавляемым моделям
многократным погружением в керамическую суспензию с последую-
щими обсыпкой и отверждением.

Разовые выплавляемые модели изготовляют в пресс-формах из
модельных составов, состоящих из двух или более легкоплавких ком-
понентов (парафина, стеарина, жирных кислот, церезина и др.).

Модельный состав в пастообразном состоянии запрессовывают
в пресс-формы 1 (рис. 4.27, а). После затвердевания модельного со-
става пресс-форма раскрывается и модель 2 (рис. 4.27, б) выталки-
вается в ванну с холодной водой. Затем модели собирают в модель-
ные блоки 3 (рис. 4.27, в) с общей литниковой системой. В один блок
объединяют 2—100 моделей.

Керамическую суспензию приготовляют тщательным перемеши-
ванием огнеупорных материалов (пылевидного кварца, электроко-
рунда и др.) со связующим — гидролизоваиным раствором этил-
силиката.

Формы по выплавляемым моделям изготовляют погружением мо-
дельного блока 3 в керамическую суспензию 5, налитую в емкость 4
(рис. 4.27, г) с последующей обсыпкой кварцевым песком 7 в спе-
циальной установке 6 (рис. 4.27, д). Затем модельные блоки сушат
148
Рис. 4.27. Последовательность операций процесса литья по

выплавляемым моделям

2—2,5 ч на воздухе или 20—40 мин в среде аммиака. На модельный
блок наносят четыре—шесть слоев огнеупорного покрытия с после-
дующей сушкой каждого слоя.

Модели из форм удаляют выплавлением в горячей воде. Для этого
их погружают на несколько минут в бак 8, наполненный водой 9,
которая устройством 10 нагревается до температуры 80—S0 °C
(рис. 4.27, е). При выдержке модельный состав расплавляется, всплы-
вает на поверхность ванны, откуда периодически удаляется для но-
вого использования. После извлечения из ванны оболочки промы-
вают водой и сушат в шкафах в течение 1,5—2 ч при температуре
200 °C. Затем оболочки 12 ставят вертикально в жаростойкой опоке
13 и вокруг засыпают сухой кварцевый песок 14 и уплотняют его,
после чего форму направляют в электрическую печь 11 (рис. 4.27, ж),
в которой ее прокаливают не менее 2 ч при температуре 900—950 С'С.
При прокалке частички связующего спекаются с частичками огне-
упорного материала, испаряется влага, выгорают остатки модельною
состава. Формы сразу же после прокалки (горячими) заливают рас-
плавленным металлом 16 из ковша 15 (рис. 4.27, з).

После охлаждения отливки форма разрушается. Отливки на об-
резных прессах или другими способами отделяются от литников и
для окончательной очистки направляются па химическую очистку
в 45 %-ном водном растворе едкого натра, нагретом до температуры
150 °C. После травления отливки промывают проточной водой, су-
шат, подвергают термической обработке и контролю.

Керамическая суспензия позволяет точно воспроизвести контуры
модели, а образование неразъемной литейной формы с малой шеро-
ховатостью поверхности способствует получению отливок с высокой
точностью геометрических размеров и малой шероховатостью по-
верхности, что значительно снижает объем механической обработки
отливок. Припуск на механическую обработку составляет 0,2—0,7 мм.
Заливка расплавленного металла в горячие формы позволяет полу-
чать сложные по конфигурации отливки с толщиной стенки 1—3 мм
и массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограм-
мов из жаропрочных труднообрабатываемых сплавов (турбинные
лопатки), коррозионно-стойких сталей (колеса для насосов), углеро-
дистых сталей в массовом производстве (в автостроении, приборо-
строении и других отраслях машиностроения).

3.	ЛИТЬЕ в кокиль

При литье в кокиль отливки получают путем заливки рас-
плавленного металла в металлические формы — кокили. По кон-
струкции различают кокили: вытряхные (рис. 4.28, а); с вертикаль-
ным разъемом (рис. 4.28, б); с горизонтальным разъемом (рис. 4.28, в)
и др.

Полости в отливках оформляют песчаными, оболочковыми или
металлическими стержнями. Кокили с песчаными или оболочковыми
стержнями используют для получения отливок сложной конфигура-
ции из чугуна, стали и цветных сплавов, а с металлическими стерж-
нями — для отливок из алюминиевых и магниевых сплавов.

Для получения сложной полости отливки используют разъемные
стержни, состоящие из нескольких частей. Например, внутреннюю
полость автомобильного поршня из алюминиевого сплава получают
металлическим стержнем, состоящим из трех частей: центрового
стержня 2 и двух боковых 1 и 3 (рис. 4.29, а). После заливки кокиля
сплавом и образования достаточно прочной корки в отливке извле-

Рис. 4.28. Конструкции кокилей:

а — неразъемные; б — с вертикальным разъемом; 6 — с горизонтальным разъемом
Рис. 4.29. Кокиль для отливки поршня с разъемным металлическим стержнем

кают центровой — клинообразный — стержень 2 (рис. 4.29, б), затем
боковые 1 и 3, а потом стержни 4 и 5, с помощью которых в поршне
получают отверстия.

Для удаления воздуха и газов из полости формы по плоскости
разъема кокиля выполняют вентиляционные каналы. Отливки из
рабочей полости удаляют выталкивателями. Заданный тепловой ре-
жим литья обеспечивает система подогрева и охлаждения кокиля.

Рабочую поверхность кокиля и металлических стержней очищают
от ржавчины и загрязнений. Затем на рабочую поверхность кокиля
наносят теплозащитные покрытия для предохранения его стенок
от воздействия высоких температур заливаемого металла, для регу-
лирования скорости охлаждения отливки, улучшения заполняемости
кокиля, облегчения извлечения отливки и т. д.

Теплозащитные покрытия приготовляют из огнеупорных материа-
лов (пылевидного кварца, молотого шамота, графита, мела и др.),
связующего (жидкого стекла и др.) и воды. Теплозащитные покрытия
наносят пульверизатором на предварительно подогретый до темпе-
ратуры 140—180 °C кокиль слоем толщиной 0,3—0,8 мм.

Заключительная операция подготовки кокиля: нагрев его до тем-
пературы 150—350 °C. Температуру нагрева кокиля назначают в за-
висимости от сплава и толщины стенок отливки. Например, при из-
готовлении чугунных отливок с толщиной стенок 5—10 мм кокить
нагревают до 300—350 °C, при толщине стенок 10—20 мм — до 150—
250 °C, для алюминиевых и магниевых отливок—до 250— 350 °C.

При сборке кокилей в определенной последовательности устанав-
ливают металлические или песчаные стержни, проверяют точность
их установки и закрепления, соединяют половины кокиля и скреп-
ляют их.

Заливку металла осуществляют разливочными козшаии или ав-
томатическими заливочными устройствами. Затем отливки охлаждают
до температуры выбивки, составляющей 0,6—0,8 температуры соли-
дуса сплава, и выталкивают из кокиля. После этого отливки подвер-
гают обрубке, очистке и в случае необходимости — термической об-
работке.

Разновидностью кокильного литья является литье в облицован-
ные кокили.

Литье в облицованные кокили (рис. 4.30) состоит в том, что мо-
дельную плиту 6 с моделью 5 нагревают электрическими или газо-
выми нагревателями 7 до температуры 200—220 °C. На модельную
плиту устанавливают нагретый до температуры 200—220 °C кокиль 3.
В зазор между кокилем 3 и моделью 5 из пескодувной головки /
через сопла 2 вдувается формовочная смесь с термореактивным свя-
зующим (рис. 4.30, а). Оболочка 4 толщиной 3—5 мм формируется и
упрочняется за счет теплоты кокиля и модели. После отверждения
оболочки на кокиле модель извлекают (рис. 4.30, б). Аналогично из-
готовляют и вторую половину кокиля. После изготовления полу-
форм кокиль собирают, а затем из ковша 8 заливают расплавленным
металлом (рис. 4.30, в).

Все операции технологического процесса литья в кокиль механи-
зированы и автоматизированы. Используют однопозиционные и мнс-
гопозиционные автоматические кокильные машины и автоматические
кокильные линии изготовления отливок. Кокильное литье применяют
в массовом и серийном производствах для изготовления отливок из
чугуна, стали и сплавов цветных металлов с толщиной стенок 3—
100 мм, массой от нескольких десятков граммов до нескольких сотен
килограммов.

При литье в кокиль сокращается расход формовочной и стержне-
вой смесей. Затвердевание отливок происходит в условиях интен-
сивного отвода теплоты от залитого металла, что обеспечивает более
высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок,
152
полученных в песчаные формы. Кокильные отливки имеют высокую
геометрическую точность размеров и малую шероховатость поверх-
ности, что снижает припуски на механическую обработку вдвое по
сравнению с литьем в песчаные формы. Этот способ литья высокопро-
изводителен.

Недостатки кокильного литья: высокая трудоемкость изготовле-
ния кокилей, их ограниченная стойкость, трудность изготовления
сложных по конфигурации отливок.

4.	ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Литьем под давлением получают отливки в металлических
формах (пресс-формах), при этом заливку металла в форму и форми-
рование отливки осуществляют под давлением. Изготовляют отливки
на машинах литья под давлением с холодной или горячей камерой
прессования. В машинах с холодной камерой прессования камеры
прессования располагаются либо горизонтально, либо вертикально.

На машинах с горизонтальной камерой прессования (рис. 4.31)
порцию расплавленного металла заливают в камеру прессования 4
(рис. 4.31, а), который плунжером 5 под давлением 40—100 МПа
подается в полость пресс-формы (рис. 4.31, б), состоящей из неподвиж-
ной 3 и подвижной 1 полуформ. Внутреннюю полость в отливке полу-
чают стержнем 2. После затвердевания отливки пресс-форма рас-
крывается (рис. 4.31, в), извлекается стержень 2 и отливка 7 вытал-
кивателями 6 удаляется из рабочей полости пресс-формы. Перед за-
ливкой пресс-форму нагревают до 120—320 °C. После удаления от-
ливки рабочую поверхность пресс-формы обдувают воздухом и сма-
зывают специальными материалами для предупреждения привари-
вания отливки к пресс-форме. Воздух и газы удаляют через каналы
глубиной 0,05—0,15 мм и шириной 15 мм, расположенные в плоско-
сти разъема пресс-формы, или вакуумированием рабочей полости
перед заливкой расплавленного металла. Такие машины применяют
для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и
цинковых сплавов массой до 45 кг.

На машинах с горячей камерой прессования (рис. 4.32) камера
прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным
металлом. При верхнем положении плунжера 3 расплавленный ме-
талл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении

Рис. 4.31. Схема процесса изготовления отливок на машинах с горизонтальной
холодной камерой прессования
Рис. 4.32. Схема процесса изготовле-
ния отливок на машинах с горячей
камерой прессования

плунжера вниз отверстия пере-
крываются, сплав под давлением
10—30 МПа заполняет полость
пресс-формы 5. После затвердева-
ния отливки плунжер возвра-
щается в исходное положение,
остатки расплавленного металла
из капала сливаются в камеру
прессования, а отливка из пресс-
формы удаляется выталкивателя-
ми 6. Такие машины используют
при изготовлении отливок из цин-
ковых и магниевых сплавов массой

от нескольких граммов до 25 кг.

При литье под давлением температуру заливки сплава выбирают
на 10—20 °C выше температуры ликвидуса.

Литье под давлением используют в массовом и крупносерийном
производствах отливок с минимальной толщиной стенок 0,8 мм, с вы-
сокой точностью размеров и малой шероховатостью поверхности за
счет точной обработки и тщательного полирования рабочей полости
пресс-формы; без механической обработки или с минимальными при-
пусками, что резко сокращает объем механической обработки отли-
вок; с высокой производительностью.

Недостатки литья под давлением — высокая стоимость пресс-
форм и оборудования; ограниченность габаритных размеров и массы
отливок; наличие воздушной пористости в массивных частях отливок,
снижающей прочность деталей, и др.

В настоящее время создаются автоматизированные установки

литья под давлением, в которых автоматически производятся смазы-
вание пресс-форм, регулирование их теплового режима, подача
расплавленного металла в камеру прессования, извлечение отливки
и транспортирование ее к обрезному прессу для удаления литников.

5.	ЛИТЬЕ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Литье под низким давлением (рис. 4.33). В обогреваемую
камеру / помещен тигель 2 с расплавленным металлом, а на верхнюю часть камеры
установлена литейная форма 5. Полость формы сообщается с тиглем с помощью метал-
лоировода 3. Под действием сжатого воздуха или газа, поступающего в камеру из
пневмосмеснтеля 4 под давлением 0,01—0,08 МПа, расплав при температуре на
100—150 С выше температуры ликвидуса из тигеля поднимается по металлоироводу
со скоростью 1,5—1,0 м/с и заполняет полость формы. После заполнения формы
и необходимой выдержки для затвердевания отливки давление в камере сбрасывается,
форма раскрывается и отливка извлекается.

Отливки под низким давлением получают в кокилях, песчаных и оболочковых
формах и формах для литья по выплавляемым моделям. Этот способ литья значи-
тельно сокращает расход металла па литники, улучшает заполняемость форм, повы-
шает плотность и герметичность отливки. Литьем под низким давлением изгото-
вляют тонкостенные отливки корпусного типа из алюминиевых, магниевых, медных
сплавов и реже из стали массой от нескольких десятков граммов до 50 кг.

Литье вакуумным всасыванием (рис. 4.34). Этим способом водо-
охлаждаемая литейная форма 3 заполняется расплавленным металлом из раздаточ-
ной печи 1 за счет разрежения, создаваемого в ней вакуумным насосом. Литейная
Рис. 4.33. Схема литая под низким
давлением

Рис. 4.34. Схема литья вакуумным
всасыванием

форма 3 при заполнении ее металлом опирается на керамический поплавок 2. Вовремя
непродолжительной выдержки ((ормпруется о.тчивка 4 .Затем патт» форми соеди-
няется с атмосферой, и пезттвсрдевшиП метал 1 сливается в раздаточную печь.

Этим способом изготовляют разнообразные втулки, колена, гайки, колеса
компрессоров и другие отливки из медных, алюминиевых и других сплавов. Преиму-
щество литья вакуумным всасыванием состоит в устранении брака по газовым рако-
винам и пористости, так как отливка образуется при последовательной кристалли-
зации.

6.	ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ЛИТЬЕ

При центробежном литье сплав заливают во вращаю-
щиеся формы; формирование отливки осуществляется иод действием
центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность н механи-
ческие свойства отливок.

Центробежным литьем отливки изготовляют в металлических, пес-
чаных, оболочковых формах и в формах для литья по выплавляемым
моделям на центробежных машинах с горизонтальной или верти-
кальной осью вращения.

Металлические формы (изложницы) изготовляют из чугуна и
стали. Толщина изложницы обычно в 1,5—2 раза больше толщины от-
ливки. В процессе литья изложницы снаружи охлаждают водой или
воздухом. На рабочую поверхность изложницы наносят теплозащит-
ные покрытия для увеличения срока их службы. Перед работой из-
ложницы подогревают до температуры 200 СС.

При получении чугунных водопроводных труб на машинах с го-
ризонтальной осью вращения (рис. 4.35, а) изложницу 2 устанавли-
вают на опорные ролики 7 и закрывают кожухом 6. Изложница 2
приводится во вращение электродвигателем 1. Расплавленный чугун
из ковша 4 заливают через желоб 3, который в процессе заливки
чугуна перемещается в направлении, показанном стрелкой, что обес-
печивает получение равностенной отливки 5. Для образования рас-
труба трубы используют либо песчаный, либо оболочковый стер-
Рис. 4.35. Схемы процессов изготовления отливок центробежным литьем

жень 8. После затвердевания залитого чугуна трубу извлекают
из изложницы. На этих машинах изготовляют втулки, кольца
и т. п.

При получении отливок на машинах с вращением формы вокруг
вертикальной оси (рис. 4.35, б) расплавленный металл из разливоч-
ного ковша 4 заливают в литейную форму 2, укрепленную на шпин-
деле /, который вращается от электродвигателя. Расплавленный ме-
талл центробежными силами прижимается к боковой стенке излож-
ницы. Литейная форма вращается до полного затвердевания. После
остановки формы отливка 3 извлекается. На этих машинах изготов-
ляют кольца большого диаметра высотой не более 500 мм.

На рис. 4.35, в показана схема процесса литья сложных тонко-
стенных рабочих колес на машинах с вертикальной осью вращения.
Здесь /, 6 половины кокиля; 2 — стержень, который формирует ка-
нал рабочего колеса и его лопасти; 3 — стол машины; 4 — стержень,
воспринимающий удар струи заливаемого металла; .Г — шпиндель
центробежной машины. Частота вращения изложницы при центро-
бежном литье составляет 150—1200 об/мин. Изложницы перед за-
ливкой нагревают до температуры 150—200 °C. Температуру заливки
сплавов назначают на 100—150 °C выше температуры ликвидуса.

Преимущества центробежного литья — получение внутренних
полостей трубных заготовок без применения стержней; большая эко-
156
помия сплава за счет отсутствия литниковой системы; возможность
получения двухслойных заготовок, что достигается поочередной
заливкой в форму различных сплавов (сталь и чугун, чугун и бронза
и т. д.).

7.	НЕПРЕРЫВНОЕ ЛИТЬЕ

Процесс непрерывного литья осуществляется следующим образом
(рис. 4.36, а). Расплавленный металл из металлоприемника 1 через графитовую на-
садку 2 поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 3 и затвердевает в виде
отливки 4, которая вытягивается специальным устройством 5. Длинные отливки раз-
резают на заготовки требуемой длины. Этим способом получают различные отливки
(рис. 4.36, б) с параллельными образующими из чугуна, медных, алюминиевых и дру-
гих сплавов. Отливки, полученные этим способом, не имеют неметаллических включе-
ний, усадочных раковин и пористости благодаря созданию направленного затвердева-
ния сплава,

Г Л А В А V. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ РАЗЛИЧНЫХ
СПЛАВОВ

1.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА

Серый чугун является наиболее распространенным мате-
риалом для изготовления различных отливок. В сером чугуне угле-
род содержится в виде графита, который имеет пластинчатую форму.
Серый чугун маркируют СЧ10—СЧ25 и т. д. Буквы обозначают при-
надлежность данного сплава к серым чугунам, цифры показывают
временное сопротивление разрыву.

Серый чугун обладает высоким временным сопротивлением (100—
450 МПа), повышенной твердостью (7/S 140—283), малым относи-
тельным удлинением (6 = 0,2-?-0,5 %). Вследствие низкой пластич-
ности этот чугун не используется для деталей машин, работающих
при ударных нагрузках. Однако серый чугун хорошо работает при
Рис. 4.37. Микроструктуры серого чугуна:

о — ферритного; б — 1чрллтпо’феррппюго; в — перлитного; 1 — феррит; 2 — пластин*
чатый 1 рафнт; J — перлит

сжимающих нагрузках, не чувствителен к внешним надрезам, гасит
вибрации, имеет высокие антифрикционные свойства, легко обраба-
тывается резанием.

По составу металлической массы серый чугун может быть фер-
ритным, перлнтно-феррнтным и перлитным.

Ферритный серый чугун (рис. 4.37, а) состоит из вязкой основы —
феррита и крупных пластинок графита, что обусловливает его низ-
кую прочность. Его применяют для отливок неответственного назна-
чения.

Перлитно-ферритный серый чугун (рис. 4.37, б) в своей структуре
содержит перлит, феррит и графит, обладает повышенной прочностью,
его широко используют для машиностроительных отливок из-за низ-
кой стоимости по сравнению с перлитным чугуном.

Перлитный серый чугун (рис. 4.37, в) обладает высокой проч-
ностью, которая обусловлена присутствием в его структуре перлита
и мелких пластинок графита. Этот чугун используют для получения
деталей ответственного назначения.

Влияние графита на механические характеристики серого чу-
гуна проявляется в уменьшении временного сопротивления, пластич-
ности, модуля упругости и тем больше, чем большее количество гра-
фита выделяется при кристаллизации чугуна, чем крупнее его вклю-
чения и чем неравномернее он распределен по сечению стенки от-
ливки.

На структуру п свойства серого чугуна существенное влияние
оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливок
в форме. Углерод, кремний и марганец улучшают механические и
литейные свойства чугуна. Сера вызывает отбел в тонких частях от-
ливок и снижает жидкотекучесть. Фосфор придает чугуну хрупкость.
Поэтому содержание серы и фосфора в сером чугуне должно быть
минимальным. Увеличение скорости охлаждения достигается путем
уменьшения толщины отливки и увеличения теплопроводности ли-
тейной формы. В тонких частях отливки у ее поверхности скорость
кристаллизации будет выше, чем в более массивных частях и в сердце-
вине. Поэтому в тонких частях отливки образуется более мелкая
структура с повышенным содержанием перлита и мелкими включе-
ниями графита, что обеспечивает высокие механические свойства
этих зон. Там, где чугун затвердевает медленнее, образуется крупио-
158
зернистая структура с малым содержанием перлита и крупными вклю-
чениями графита. Механические свойства этих зон низкие.

Механические свойства серого чугуна повышают легированием,
модифицированием, термической обработкой и другими спосо-
бами.

При легировании в расплавленный чугун вводят твердые или
расплавленные легирующие элементы (никель, хром, титан и др.)
в целях получения заданного химического состава и придания ему
требуемых механических и эксплуатационных свойств.

При модифицировании в чугун вводят модификаторы (ферросили-
ций, силикокальций и др.) для измельчения структурных составля-
ющих и равномерного их распределения по всему объему, что повы-
шает механические свойства отливок

Отливки из серого чугуна, как правило, подвергают отжигу для
снятия напряжений и нормализации

Серый чугун имеет хорошие литейные свойства; высокую жидко-
текучесть, позволяющую получать отливки с толщиной стенки 3—
4 мм; малую усадку (0,9—1,3 %), обеспечивающую изготовление от-
ливок без усадочных раковин, пористости и трещин.

В настоящее время до 90 % серого чугуна выплавляют в ваг-
ранках. На рис. 4.38 показана вагранка закрытого типа, представля-
ющая собой шахту 3 доменного профиля с водоохлаждаемым кожу-
хом, в которую через шлюзовое загрузочное устройство 1 опреде-
ленными порциями (колошами) в течение всего периода плавки за-
гружают шихту попеременно с коксом и флюсами (известняком)
В качестве металлической шихты используют литейные и передель-
ные доменные чугуны, отходы собственного производства, чугунный
и стальной лом, ферросплавы.

Для горения топлива (кокса, природного газа) в вагранку через
фурменный пояс 4 и фурмы 7 подается подогретая до температуры
450—550 СС воздушно-кислородная смесь. За счет теплоты, выдз-
ляющейся при горении топлива, металлическая шихта расплавляется.
Расплавленный чугун по желобу 5 с устройством для непрерывного
отбора шлака выпускается в копильник и далее поступает на участок
разливки чугуна в формы. Ваграночные газы через узел отбора 2 от-
сасываются для их дальнейшей очистки, дожигания и использования
в воздухонагревателях. Вагранку устанавливают па опорном уст-
ройстве 6. Процесс плавки в таких вагранках полностью автомати-
зирован.

Для выплавки серого чугуна повышенного качества (марок
СЧ25—СЧ45) применяют дуговые и индукционные печи.

Преобладающее количество отливок из серого чугуна изготовляют
в песчаных формах. Отливки повышенной точности получают литьем
в оболочковые формы, в кокили, в формы, изготовленные по выплав-
ляемым моделям. Отливки типа тел вращения (трубы, гильзы, втулки
и др.) изготовляют центробежным литьем.

Так как серый чугун имеет высокие литейные свойства, это позво-
ляет получать отливки в песчаных формах, как правило, без приме-
нения прибылей. Только в отдельных случаях применяют прибыли.
На рис. 4.39 приведена схема литейной формы тормозной колодки,
изготовляемой из чугуна СЧ15.

При изготовлении отливок из серого чугуна в кокилях в связи
с повышенной скоростью охлаждения отливок при затвердевании
начинает выделяться цементит — появляется отбел. Для предупреж-
дения отбела па рабочую поверхность кокиля наносят малотеплопро-
водные защитные покрытия, кокили перед работой нагревают, а чугун
подвергают модифицированию. Кроме этого, для устранения отбела
отливки подвергают отжигу.

Отливки из серого чугуна нашли широкое применение в станко-
строении: станины станков, стойки, салазки, планшайбы, корпуса
шпиндельных бабок и коробок передач, корпуса насосов, втулки,
вкладыши и др.; в автостроении; блоки цилиндров, гильзы, поршне-
вые кольца, кронштейны, картеры, тормозные барабаны, крышки
и др.; в тяжелом машиностроении; в электротехнической промыш-
ленности и других отраслях машиностроения.

2.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

В высокопрочном чугуне графит имеет шаровидную форму.
Для получения графита шаровидной формы чугун модифицируют
магнием или церием с последующим модифицированием ферросили-
цием.
Рис. 4.40. Микроструктуры высокопрочного чугуна:

а — ферритного; б — перлитно-ферритного; в —• перлитного; 1 — феррит; 2 — шаровидный
графит; 3 — перлит

Высокопрочный чугун обозначает: ВЧ38-17—ВЧ120-4 (всего де-
вять марок). Буквы обозначают принадлежность данного сплава
к высокопрочным чугунам, первые две или три цифры показывают
временное сопротивление, вторые одна или две цифры — относи-
тельное удлинение.

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются
его высокие механические свойства: временное сопротивление 373—
1180 МПа, относительное удлинение 2—17 %, твердость НВ 137—
360, что обусловлено шаровидной формой графита, который в мень-
шей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет
сечение металлической массы и не оказывает на нее надрезающего
действия. Этот чугун имеет высокую износостойкость, хорошую кор-
розионную стойкость, теплостойкость, жаростойкость, хладностой-
кость и т. д. Высокопрочный чугун широко используюз взамен
литых стальных заготовок.

По составу металлической массы высокопрочный чугун может
быть ферритным (рис. 4.40, а), перлитно-ферритным (рис. 4.40, б)
и перлитным (рис. 4.40, в).

Свойства высокопрочного чугуна определяются химическим со-
ставом. Содержание углерода не влияет на механические свойства
этого чугуна. Кремний, марганец и фосфор снижают пластичность,
поэтому их содержание составляет 2,0—2,4 % Si, не более 0,4 % Мп
и не более 0,1 % Р. Сера затрудняет получение шаровидного графита,
поэтому ее содержание не должно превышать 0,02 %.

Жидкотекучесть высокопрочного чугуна такая же, как и у серого
чугуна при одном и том же химическом составе и прочих равных
условиях (температуре заливки, скорости охлаждения и др.), что
позволяет получать отливки с толщиной стенок 3—4 мм сложной кон-
фигурации. Линейная усадка высокопрочного чугуна составляет
1,25—1,7 %. Это затрудняет изготовление отливок без усадочных
дефектов.

Процесс модифицирования чугуна магнием сопровождается пони-
жением температуры металла (на 80—90 °C) вследствие затраты боль-
шого количества теплоты на плавление и испарение магния, поэтому
температура чугуна при выпуске из печи должна быть 1420—1450 °C.
Для плавки чугуна применяют водоохлаждаемые вагранки с основ-

6 А. М. Дальский и др.

161
Рис. 4.41. Литейная форма
для корпуса из высокопрочного
чугуна:

/ — нижняя полуформа; > —*
верхняя полунорма; .3 — литни-
ковая система,' 4— прибыли' 5 —•
Х0Л0ДНЛН1ИК', 6 —стержни

ной футеровкой и с подо-
гревом дутья, что позво-
ляет получать высокую
температуру чугуна при
выпуске; дуговые печи
вместимостью 6—50 т; ин-
дукционные печи вмести-
мостью 1—60 т и др.

В качестве металличе-
ской шихты используют
литейные доменные чугу-
ны, отходы собственного

производства, чугунный и стальной лом, различные ферросплавы,
лигатуры и другие материалы.

Отливки из этого чугуна преимущественно изготовляют в песча-
ных формах, в оболочковых формах, литьем в кокиль, центробежным
литьем и другими способами.

Высокая усадка чугуна вызывает необходимость создания усло-
вий направленного затвердевания отливок для предупреждения обра-
зования усадочных раковин и пористости в массивных частях отливки
путем установки прибылей и использования холодильников.

Для предупреждения трещин в отливках применяют формовочные
смеси повышенной податливости. Расплавленный чугун в полость
формы подводят через сужающуюся литниковую систему и, как пра-
вило, через прибыль (рис 4.41). Температуру заливки чугуна при
изготовлении отливок назначают на 100—150 °C выше температуры
ликвидуса.

Отливки из высокопрочного чугуна применяют в тяжелом и энер-
гетическом машиностроении, в металлургической промышленности
при работе в условиях больших статических и динамических нагруз-
ках. Это детали прокатного, кузнечно-прессового и горнорудного обо-
рудования, а также дизелей, паровых, газовых и гидравлических
турбин (прокатные валки, коленчатые валы, корпуса вентилей, па-
ровых турбин и др.) массой от нескольких килограммов до нескольких
десятков тонн.,

3.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ КОВКОГО ЧУГУНА

Ковкий чугун получают путем длительного отжига отливок
из белого чугуна. При отжиге образующийся графит приобретает ком-
пактную, хлопьевидную форму. На рис. 4.42 показаны схемы микро-
структур белого (а) и ковкого (б, в) чугунов,
Рис. 4.42. Микроструктуры белого (а) и ковкого (б, в) чугунов:

1 — перлит; 2 — графит отжига; <3 — феррит; 4 — цементит

Ковкий чугун маркируют КЧ37-12—КЧ63-2 (всего девять марок).
Буквы обозначают принадлежность данного сплава к ковкому чугуну,
первые две цифры показывают временное сопротивление, вторые две
или одна — относительное удлинение.

Ковкий чугун обладает высоким временным сопротивлением
(300 -630 МПа), относительным удлинением (2—12 %) и твердостью
(НВ 149—269); высокими износостойкостью и сопротивлением удар-
ным нагрузкам, хорошо обрабатывается резанием.

По составу металлической массы ковкий чугун может быть фер-
ритным (рис. 4.42, б) или перлитным (рис. 4.42, в). Последний обла-
дает высоким временным сопротивлением, но меныпей пластич-
ностью

С понижением содержания углерода в чугуне механические свой-
ства отливок повышаются. Повышенное содержание марганца уве-
личивает длительность отжига, понижает пластичность и повышает
временное сопротивление. Сера и фосфор понижают пластичность и
ударную вязкость ковкого чугуна. Поэтому их содержание не должно
превышать 0,12 %.

Белый чугун имеет пониженную жидкотекучесть, что требует по-
вышенной температуры заливки при изготовлении тонкостенных
отливок. Усадка белого чугуна значительно больше, чем серого,
поэтому в отливках из белого чугуна больше образуется усадочных
раковин, пористости и трещин.

При производстве отливок из ковкого чугуна белый чугун плавят,
как правило, дуплекс-процессом. При дуплекс-процессе чугун пла-
вят в вагранке, а затем его переливают либо в дуговую, либо в ин-
дукционную печи, в которых его нагревают до температуры 1500—
1550 °C и доводят химический состав по содержанию углерода, крем-
ния и марганца. Высокий перегрев обеспечивает лучшее отделение
шлака, сокращает процесс отжига в дальнейшем. Для сокращения
отжига белый чугун модифицируют алюминием, бором, висмутом.

Отливки из белого чугуна преимущественно изготовляют в пес-
чаных формах. Кроме этого, отливки изготовляют в оболочковых
формах и кокилях.
A-A

Рис. 4.43. Литейная форма для
кронштейна из ковкого nyiyna:
1 — нижняя полуформа; 2 —верхняя

полуформа; <3— стержень: прибыль;

5 — литниковая система

Для предупреждения об-

разования усадочных рако-
вин расплавленный белый
чугун подводят к толстым
местам отливки через при-
были (рис. 4.43). Прибыли
устанавливают возможно блп -
же к питаемому узлу, соеди-
няют с ним коротким, но
достаточно широким кана-
лом. Часто используются
холодильники. Для удержа-
ния шлака в литниковых си-

стемах устанавливают фильт-
ровальные сетки.

Для предупреждения образования трещин в отливках используют
формовочные и стержневые смеси с высокой податливостью.

Низкая жидкотекучесть белого чугуна требует высокой темпера-
туры заливки (1390—1450 °C), поэтому формовочная смесь должна
обладать повышенной огнеупорностью и газопроницаемостью.

Отливки из белого чугуна после очистки загружают в стальные
контейнеры, которые герметически закрывают и направляют в спе-
циальные печи на отжиг для получения либо ферритного, либо пер-
литного ковкого чугуна.

Для получения ферритной структуры отливки отжигают по ре-
жиму, приведенному на рис. 4.44, а. Отливки медленно нагревают
до температуры 950—1000 °C (зона /) и длительно выдерживают при
этой температуре (зона //), при этом цементит белого чугуна распа-
дается на аустенит и графит. Затем проводят промежуточное охлажде-
ние до температуры 760—740 °C (зона 111), при котором аустенит

т.т
юоо-

800-

600-

600-

200-
0 !

з

1

-з,
-4

Т, X
юоо

800

600
но
200

0

Рис. 4.44. Режимы отжига белого чугуна на ферритную (а) и перлитную (б)
структуры:

1 — цементит; 2 ~ перлит; 3 аустенит; 4 — графит отжига; 5 — феррит
превращается в перлит. При последующей выдержке отливок при
температуре 740—720 °C (зона IV) цементит, входящий в состав пер-
лита, разлагается, образуя феррит и углерод отжига. Отжиг на фер-
ритный ковкий чугун длится 22 —32 ч.

Для получения перлитной структуры отливки из белого чугуна
отжигают по режиму, приведенному на рис. 4.44, б. Длительность
отжига 17—24 ч.

Из ковкого чугуна изготовляют отливки массой от нескольких
граммов до 250 кг с толщиной стенок 3—50 мм для автомобилестрое-
ния (ступицы колес, кронштейны, рычаги, коробки дифференциа-
лов, корпуса сцепления и др.); для сельскохозяйственного машино-
строения (детали шасси, корпусные детали, рычаги, кронштейны)
и для других отраслей машиностроения.

4.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК

Для изготовления отливок используют углеродистые и
легированные стали. Литейные стали обозначают аналогично кон-
струкционным сталям. В марках углеродистых литейных сталей 15Л,
20Л—60Л, легированных — ЗОХГСЛ, 15Х18Н9ТЛ, 110Г13Л и т. п.
буква Л означает принадлежность к литейным сталям.

Углеродистые литейные стали обладают высокими временным
сопротивлением (400—600 МПа), относительным удлинением (10—
24 %), ударной вязкостью, достаточной износостойкостью при удар-
ных нагрузках. Основной элемент, определяющий механические свой-
ства углеродистых литейных сталей — углерод.

Механические свойства легированных литейных сталей опреде-
ляются количеством легирующих элементов. Легирование значи-
тельно повышает механические и эксплуатационные свойства (жаро-
прочность, коррозионную стойкость, износостойкость и т. д.). На-
пример, марганец повышает износостойкость, хром — жаростой-
кость, никель—коррозионную стойкость и т. д.

Литейные стали имеют плохие литейные свойства: пониженную
жидкотекучесть, значительную усадку (до 2,5 %), что приводит к об-
разованию усадочных раковин и пористости в отливках; стали
склонны к образованию трещин.

Для плавки литейных сталей как правило, используют дуговые н
индукционные печи. В последнее время для плавки стали широко на-
чинают использовать плазменно-индукционные печи (рис. 4.45).
Производительность таких печей по сравнению с индукционной на
25—30 % выше, а расход электроэнергии значительно ниже.

В качестве шихтовых материалов применяют стальной лом, от-
ходы собственного производства, передельный чугун, руду, флюсы
и другие материалы. Стальные отливки преимущественно изготов-
ляют в песчаных и оболочковых формах, литьем по выплавляемым
моделям, центробежным литьем, литьем в облицованные кокили и
другими способами.

На рис 4.46 приведена схема литейной формы для изготовления
стального зубчатого колеса. Для предупреждения усадочных рако-
вин и пористости в отливках на массивные части устанавливают при-
были, а в тепловых узлах отливок используют наружные пли внутрен-
ние холодильники.

Для предупреждения трещин, возникающих из-за неравномер-
ной усадки отливки, формы изготовляют из податливых формовоч-
ных смесей. Кроме того, в отливках предусматривают технологиче-
ские ребра, удаляемые при механической обработке.

Высокая температура заливки (1550—1650 СС) требует приме-
нения формовочных и стержневых смесей с высокой огнеупорностью.

Литниковые системы для мелких и средних отливок выполняют
по разъему или сверху, а для массивных — снизу (сифоном). В связи
с низкой жидкотекучестью сталей площадь сечения питателей лит-
никовой системы в 1,5—2 раза больше, чем при литье серого чугуна.

Для получения высоких механических и эксплуатационных ха-
рактеристик стальные отливки подвергают отжигу, нормализации и
другим видам термической обработки.

Стальные отливки из углеродистых сталей используют в метал-
лургии, станкостроении, автотракторной промышленности, транс-
портном машиностроении и других отраслях. Из них изготовляют
станины и валки прокатных станов, цилиндры, зубчатые колеса и т. д.

Легированные стали используют в энергомашиностроении, хи-
мической и нефтегазовой промышленности, металлургии и др. Из
них изготовляют турбинные	А_л

Рис. 4.45. Устройство плаьмепно-ип-
дукционной печи:

1 — плазмотрон; 2 — крышка; 3 — тигель;

4 — индуктор; 5 — подовый электрод

Рис. 4.46. Литейная ферма для зубчатого
колеса из стали'

J — нпжняя полуформа; 2 — верхняя полу-
форма; 3 — закрытые прибыли; 4 — утепля-
ющие вставки; 5 — литниковая система; 6
стержни
и нефтегазовой промышленности, зубья ковшей экскаваторов и дру-
гие отливки.

Стальные отливки получают массой от нескольких граммов до
нескольких десятков тони с толщиной стенки I—300 мм.

5.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ

Для изготовления отливок используют алюминиевые
сплавы АЛ1—АЛ15 и т. д. Буквы обозначают принадлежность дан-
ного сплава к литейным алюминиевым сплавам, цифры — порядко-
вый номер сплава.

Алюминиевые сплавы имеют высокие временное сопротивление
(150—340 МПа), относительное удлинение (1,5—12 %) и твердость
(НВ 50—90). Кроме того, сплавы АЛ1, АЛ21 и другие имеют высокую
теплопрочность, сплавы АЛ8, АЛ13 и другие повышенную коррозион-
ную стойкость в морской воде и хорошо работают при вибрацион-
ных нагрузках. Все алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются
резанием.

Силумины (сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9) имеют высокую жидкотеку-
честь, малую усадку (0,8—1,1 %), не склонны к образованию горя-
чих и холодных трещин, потому что они по химическому составу
близки к эвтектическим сплавам (интервал кристаллизации 10—
30 °C).

Большинство остальных алюминиевых сплавов имеют низкую
жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию тре-
щин, в расплавленном состоянии хорошо поглощают водород.

Для плавки алюминиевых сплавов используют камерные стацио-
нарные или поворотные электрические печи сопротивления
(рис. 4.47), индукционные печи промышленной частоты и др.

В качестве шихтовых материалов используют технически чистый
алюминий, силумины, отходы собственного производства, лигатуры
и другие добавки. Для удаления водорода и неметаллических вклю-
чений алюминиевые сплавы рафинируют, как правило, гексахлор-
этаном, который при температуре 740—750 СС вводят в расплав в ко-
личестве 0,3—0,4 % массы расплава. Пузырьки хлористого алюми-

Рис. 4.47. Устройство камерной поворотной электрической печи сопротивления:
j _ электронагревательные элементы; 2 — металлосборник; 3 — загрузочные окна; 4
механизм наклона лечи для слива металла
Рис. 4.48. Схемы вентиляционных каналов (а), нижней (б) и вертикально-щелевой
(в) литниковых систем:

1 — пробка: 2 — риски; 3 —щель; 4 — отливка; 5 — литник (питатель); 6 — стояк; 7 —•
вертикальный коллектор; 8 — питающая бобышка; 9 — прибыль

ния и тетрахлорэтилена, образующиеся при взаимодействии гекса-
хлорэтана с алюминием, поднимаются на поверхность расплава,
увлекают неметаллические включения. Растворенный водород
диффундирует внутрь пузырьков и также удаляется из рас-
плава.

Для измельчения зерна силумины подвергают модифицированию
натрием или стронцием. Обычно натрий вводят в виде солей натрия
при температуре 730—780 °C. Стронций вводят с помощью лига-
туры.

Отливки из алюминиевых сплавов преимущественно изготовляют
литьем в кокиль, под давлением, в песчаные формы и другими спо-
собами,

Для изготовления отливок из алюминиевых сплавов применяют
кокили с вертикальным разъемом. Получение плотных отливок обес-
печивается направленным затвердеванием установкой массивных
прибылей, применением малотеплопроводных красок для окраски
прибылей. Для снижения усадочных напряжений в отливках кокили
перед заливкой подогревают до температуры 250—350 °C, а при
очень сложной конфигурации отливок — до 400—500 °C. Воздух и
газы выводятся из полости кокиля с помощью щелей 3 и рисок 2, раз-
мещаемых в плоскостях разъема, и пробок 1, устанавливаемых в стен-
ках кокиля вблизи глубоких полостей (рис. 4.48, а). Расплавленный
металл в полость кокиля подводят через расширяющиеся литнико-
вые системы с нижним (рис. 4.48, б) или вертикально-щелевым
(рис. 4.48, в) подводом металла к тонким сечениям отливки. Все
элементы литниковой системы размещают в плоскости разъема ко-
киля.

Отливки из алюминиевых сплавов широко используют в авиа-
ционной и ракетной технике, автомобильной, приборостроительной,
машиностроительной, судостроительной и электротехнической про-
мышленности. Из алюминиевых сплавов изготовляют блоки двига-
телей внутреннего сгорания, головки блоков, корпуса насосов, су-
довые винты, авиационные детали, детали электро- и радиоаппара-
туры и др.

6.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Для изготовления отливок используют магниевые сплавы,
которые обозначают МЛ 1—МЛ 19. Буквы обозначают принадлежность
данного сплава к литейным магниевым сплавам, цифры — порядко-
вый номер сплава.

Магниевые сплавы имеют высокие временное сопротивление
(150—350 МПа), относительное удлинение (3—9 %) и твердость
(НВ 30—70). Магниевые сплавы хорошо работают при динамических
нагрузках, имеют удовлетворительную коррозионную стойкость,
способны работать с высокими нагрузками при температурах 200—
300 °C, хорошо обрабатываются резанием. Механические свойства
магниевых сплавов значительно повышаются после упрочняющей
термической обработки.

Магниевые сплавы имеют низкие литейные свойства (пониженную
жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию тре-
щин) главным образом из-за большого интервала кристаллизации.
Кроме того, магниевые сплавы хорошо растворяют водород (до
24 см3/100 г металла), что затрудняет получение отливок без газовой
пористости. Эти сплавы склонны к самовозгоранию при плавке и за-
ливке форм.

Магниевые сплавы плавят в тигельных электрических печах со-
противления (рис. 4.49, а) и индукционных печах промышленной ча-
стоты (рис. 4.49, б) и др. Для плавки используют стальные тигли.

В качестве шихтовых материалов применяют чушковый магний
и алюминий, отходы собственного производства, лигатуры, флюсы и
и др.

Во избежание загорания плавку магниевых сплавов проводят под
слоем универсальных флюсов из хлористых и фтористых солей ще-
лочных и щелочноземельных металлов или в среде защитных газов.

После расплавления всех составляющих шихты сплав нагревают
до температуры 700—720 °C и проводят рафинирование универсаль-
ным флюсом. Для этого с зеркала металла удаляют шлак, на поверх-
ность жидкого металла засыпают молотый флюс (1 % массы сплава) и
расплавляют, а затем замешивают его на 2/3 высоты тигля. При
перемешивании периодически подсыпают свежий флюс. Рафиниро-
вание считается законченным, когда поверхность расплавленного
металла приобретает зеркально-блестящий вид. При рафинировании
удаляют водород и неметаллические включения.

Для повышения уровня механических и эксплуатационных ха-
рактеристик магниевые сплавы подвергают модифицированию пере-
гревом или введением углеродсодержащих веществ. При модифи-
цировании перегревом расплав после рафинирования нагревают до
температуры 850—925 °C, выдерживают при этой температуре 10—
15 мин и затем быстро охлаждают до температуры заливки (680—
Рис. 4.49. Устройства электрических печей со-
противления (а) и индукционной промышлен-
ной частоты (6) для плавки магниевых сплавов:
/ —кожух; 2 — огнеупорная кладка; 3 — нагрева-
тель; 4 — труба для аварийного выпуска металла;
6 — тигель; 6 — крышка; 7 — поворотный механизм;
8 — индуктор; 9 — магнитопровод; 10 — тепловая
изоляция

Рис. 4.50. Литейная форма для
отливки крышки из магниевого
сплава:

1 — нижняя полуформа; 2 — верх*
няя полуформа; 3 — стержень стоя*
ка; 4 — прибыль; 5 — стержень?

6 — коллектор; 7 — питатели; 8 —•
место установки прибылей; 9
зумпфер

720 °C). Это приводит к измельчению зерна сплава в отливке. При
модифицировании введением углеродсодержащих веществ (мела, мра-
мора, гексахлорэтана и др.) образуются карбиды алюминия, которые
служат центрами кристаллизации при охлаждении сплава.

Отливки из магниевых сплавов изготовляют преимущественно
литьем в песчаные формы и, кроме того, в кокиль, литьем под давле-
нием и другими способами.

При литье в песчаные формы для предупреждения усадочных ра-
ковин и пористости на тепловые узлы отливок устанавливают при-
были и применяют холодильники (рис. 4.50).

Магниевые сплавы, так же как и алюминиевые, при заливке могут
окисляться и интенсивно захватывать оксиды. Поэтому для обеспе-
чения плавного поступления металла в полость формы используют
расширяющиеся литниковые системы с нижним или вертикально-
щелевым подводом металла. Для задержания шлака применяют ме-
таллические фильтровальные сетки.

Для предотвращения загорания магниевого сплава в литейной
форме в состав формовочных смесей вводят защитные ириса,ц и.

Чтобы предотвратить загорание магния при заливке форм,
струю расплавленного металла припиливают порошком серы. Обра-
зующийся при ее горении сернистый газ предотвращает загорание.

При изготовлении магниевых отливок в кокиль основная труд-
ность — это борьба с горячими трещинами. Эффективное средство
борьбы с трещинами при кокильном литье магниевых сплавов —
170
высокая температура кокилей (250—350 °C) и металлических стерж-
ней (300—450 °C). Направленное затвердевание обеспечивается уста-
новкой прибылей и нанесением теплоизоляционных красок.

Отливки из магниевых сплавов широко используют в автомобиль-
ной промышленности, текстильном машиностроении, приборострое-
нии, авиационной и ракетной технике и др. Из этих сплавов изготов-
ляют корпуса насосов, детали арматуры, бензомасляную аппаратуру,
корпуса приборов и инструментов, корпуса тормозных барабанов,
колес и т. п.

7.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ МЕДНЫХ СПЛАВОВ

Для изготовления отливок используют медные сплавы,
которые делят на бронзы (оловянные и безоловяпные) и латуни.
Бронзы обозначают, например, БрО5Ц5С5, БрАЭЖЗЛ, где первые
две буквы означают принадлежность данного сплава к бронзам,
остальные буквы показывают, какие элементы входят в состав бронзы
(олово, цинк, свинец, алюминий, железо), а цифры, состоящие после
букв — процентное содержание элементов в данном сплаве. Буква
«Л» показывает, что эта бронза литейная.

Латуни обозначают, например, ЛЦ40МцЗА, ЛЦ23А6ЖЗМц2, где
буква «Л» показывает принадлежность данного сплава к латуням,
остальные буквы означают элементы, входящие в состав латуни (цинк,
алюминий, железо, марганец), а цифры — их процентное содержание.

Медные сплавы (бронзы и латуни) имеют высокие временное со-
противление (196—705 МПа), относительное удлинение (3—20 %),
коррозионные и антифрикционные свойства. Многие медные оплаты
хорошо противостоят разрушению в условиях кавитации.

Оловянные бронзы имеют хорошую жидкотекучесть, достаточно
высокую усадку (1,4—1,6 %). Эти бронзы затвердевают в большом
интервале кристаллизации (150—200 'С), что обусловливает обра-
зование в отливках рассеянной пористости. Безоловянпые бронзы
обладают высокой жидкотекучестью и усадкой (1 6—2,4 %), затвер-
девают в малом интервале кристаллизации, что приводит к образо-
ванию в отливках сосредоточенных усадочных раковин.

Латуни имеют удовлетворительную жидкотекучесть, высокую
усадку (1,6—2,2 %), затвердевают в интервале кристаллизации
30—70 °C, что обусловливает образование усадочных раковин и по-
ристости. Все медные сплавы склонны к образованию трещин.

Медные сплавы плавят в индукционных канальных низкочастот-
ных печах (рис. 4.51) и других на воздухе, в среде защитных газов
или в вакууме.

В качестве шихтовых материалов применяют чистую медь, отходы
собственного производства, цинк, олово, свинец, железо, никель
и другие материалы.

При плавке на воздухе медь окисляется с образованием оксида
меди. Для предохранения от окисления и поглощения водорода
плавку ведут под слоем древесного угля. Нагретый до температуры
1200 °C расплав раскисляют фосфористой бронзой, затем вводят
Рис. 4.51. Устройство индукционной
низкочастотной печи:

1 — металлический сердечник; 2 — пла-
вильный канал; 3 — первичная обмотка?
4 — огнеупорная футеровка

Рис. 4.52. Литейная форма для отлив-
ки корпуса из медных сплавов:

/ — нижняя полуформа; 2 — верхняя по-
луформа; 3— стержень; 4 — открытая
прибыль; 5 — воронка; 6 — холодильник;
7 — закрытая прибыль

лигатуры или чистые металлы для получения требуемого химического
состава. При необходимости расплав вторично расплавляют фосфо-
ристой бронзой.

Отливки из медных сплавов преимущественно (~80 %) изгото-
вляют литьем в песчаные формы (рис. 4.52) и в оболочковые. Осталь-
ное количество отливок — литьем в кокиль, под давлением, центро-
бежным литьем и др.

Для предупреждения образования усадочных раковин и пори-
стости в массивных узлах отливок устанавливают прибыли и холо-
дильники. Для предупреждения появления трещин в отливках
используют литейную форму с высокой податливостью. Для
увеличения податливости формы в формовочную смесь вводят
опилки.

Для обеспечения плавного поступления металла применяют
расширяющие литниковые системы с верхним, боковым, нижним
и щелевым подводом металла. Для отделения оксидных пле-
нок в литниковые системы устанавливают фильтры из стекло-
ткани.

Из оловянных бронз изготовляют арматуру, шестерни, подшип-
ники, втулки и др. Безоловянные бронзы используют как заменители
оловянных. Их применяют для изготовления гребных винтов круп-
ных судов, тяжелонагруженных шестерен и зубчатых колес, корпу-
сов насосов, арматуру для морской воды, детали химической и пище-
вой промышленности.

Латуни используют для изготовления различной арматуры для
морского судостроения, работающей при температуре 300 °C, втулки
и сепараторы подшипников, нажимные
винты и гайки прокатных станов, чер-
вячные винты и другие детали.

8.	ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ
ТУГОПЛАВКИХ СПЛАВОВ

Тугоплавкие металлы (титан, ванадий, хром
и др.) имеют высокую химическую активность
в расплавленном состоянии. Они активно взаимо-
действуют с кислородом,азотом, водородом и угле-
родом. Поэтому плавку этих металлов и их спла-
вов ведут в вакууме или в среде защитных газов.
Для изготовления отливок наибольшее распро-
странение получили титановые сплавы.

Основной способ производства титановых отли-
вок — литье в графитовые формы, литье в оболоч-
ковые формы, изготовленные из нейтральных
оксидов магния, циркония или из графитового
порошка, в качестве связующего используют
фенолформальдегидные смолы. При изготовлении
мелких сложных тонкостенных отливок применяют
формы, полученные по выплавляемым мо-

Рис. 4.53. Поворотная дуго-
вая печь с расходуемым элек-
тродом

делям.

Для плавки титановых сплавов широко используют специальные вакуумные
дуговые печи с расходуемым электродом (рис. 4.53). Перед плавкой в электродо-
держателе 2 печи устанавливают электрод 5, а перед сливным носком тигля 4 укре-
пляют литейную форму 7. После этого кожух 5 печи герметизируют и вакуумируют.
Через токоподвод 1 на электрод подают напряжение, и между ними и тиглем заго-
рается электрическая дуга. По мере наполнения тигля жидким металлом плавиль-
ную печь поворотным механизмом 6 поворачивают на 90°. Титановый сплав при этом
переливается в литейную форму 7. После затвердевания отливки форму удаляют,
и цикл повторяется.

Отливки из титановых сплавов применяют в судостроении (гребные винты,
насосы), в турбиностроении (лопатки турбин, диски), в авиации (диски и лопатки
компрессоров), в электронной и вакуумной технике и других отраслях.

9.	РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ВОПРОСОВ

Используемые при изготовлении отливок разнообразные
материалы при взаимодействии с расплавленным металлом выделяют
большое количество различных газов (оксид углерода, сернистый
газ, аммиак, хлор, дымовые газы, продукты деструкции связующих,
пары воды); паров (металлов, фторидов, хлоридов) и пыли (кремне-
зема, оксидов цинка и магния, частиц кокса, извести и др.). Некото-
рые из перечисленных веществ токсичны.

В целях осуществления комплекса мероприятий по улучшению
санитарно-гигиенических условий труда и оздоровлению окружа-
ющей среды для плавки чугуна широко внедряются современные
вагранки закрытого типа, в которых отходящие газы полностью
отбираются, подвергаются эффективной очистке, дожигаются, а те-
плота утилизируется. Эффективно работают установки для очистки
дымовых газов от хлоридов, внедряются новые нетоксичные связу-
ющие материалы и технологические процессы изготовления стержней,
более широкое применение получает литье в металлические формы.
Реконструкция, техническое перевооружение, внедрение совре-
менных высокопроизводительных технологических процессов,
эффективных очистных систем, разработка и внедрение безотходных
и малоотходных технологических процессов обеспечит выполнение
требований законов об охране и защите окружающей среды.

Г Л Л В А VI. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ЛИТЫХ

ДЕТАЛЕЙ

Конструкция литой детали должна обеспечивать высокий
уровень механических и служебных характеристик при заданной
массе, конфигурации, точности размеров и шероховатости поверх-
ности. При разработке конструкции литой детали конструктор дол-
жен учитывать как литейные свойства сплавов, так и технологию
изготовления модельного комплекта, литейной формы и стержней,
очистку и обрубку отливок и их дальнейшую обработку. Кроме того,
необходимо стремиться к уменьшению массы отливок и упрощению
конфигурации.

1.	КОНСТРУИРОВАНИЕ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ С УЧЕТОМ
ЛИТЕЙНЫХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ

Минимальную толщину х необрабатываемых стенок отли-
вок, обеспечивающую заполнение песчаной формы расплавленным
металлом, определяют по диаграмме (рис. 4.54) в зависимости от
габаритного размера N-

N =(2l + b + h)/3,

где I, b, h — длина, ширина, высота отливки, мм.

Толщину внутренних стенок и ребер принимают на 10—•
20 % меньше толщины наружных стенок.

Рис. 4.54. Диаграмма для
определения минималь-
ной толщины стенок от-
ливок из различных ме-
таллов:

1 —стали; 2— серели чу-
гуна; <3 — бронзы; 4 — алю-
миниевых сплавов
Рис. 4.55. Устранение местного скопления металла в стенках от-
ливки

Получение отливок без усадочных дефектов достигается созда-
нием конструкции отливок с равномерной толщиной стенок без
большого скопления металла в отдельных местах. Равномерность
толщины стенки и скопление металла определяют диаметром вписан-
ной окружности (рис. 4.55, а, б). Желательно, чтобы соотношение
диаметров вписанных окружностей в близко расположенных сече-
ниях не превышало 1,5.

Это достигается уменьшением радиуса галтели с помощью
углублений в стенках отливки (рис. 4.55, в); смещением одной
стенки (рис. 4.55, г); если это невозможно, то следует преду-
смотреть отверстие (рис. 4.55, д).

Отливки, затвердевающие одновременно, должны иметь равно-
мерную толщину стенок с плавными переходами (рис. 4.56, а).
Принцип одновременного затвердевания применяют при констру-
ировании мелких и средних тонкостенных отливок из чугуна и других
сплавов.

При направленном затвердевании (рис. 4.56, б) верхние
сечения отливок питаются от прибылей. Принцип направленного
затвердевания применяют при конструировании литых деталей
с повышенными требованиями по плотности и герметичности отливок,
работающих под давлением.

Для снижения литейных напряжений необходимо обеспечить
свободную усадку элементов отливки. На рис. 4.57, а показана
конструкция корпусной детали с перегородками, которые затрудняют
процесс усадки, что вызывает большие литейные напряжения. Изме-
нение конструкции (рис. 4.57, б) обеспечивает свободную усадку.
Придание перегородкам конической формы (рис. 4.57, в) также сни-
жает усадочные напряжения.

В конструкции литой детали (рис. 4.57, г) из-за недостаточной
жесткости появляются коробления, которые могут быть устранены
Рис. 4.56. Конструкции литых де-
талей, обеспечивающих одновремен-
ное (а) и направленное затверде-
вание (б) отливок:

1 — прибыль

Рис. 4.57. Конструкция литых деталей,
снижающих усадочные напряжения в отлив-
ках

путем установки ребер жесткости (рис. 4.57, <Э). Кроме того, кромки
стенок большой протяженности усиливают буртиком (рис. 4.57, е)
толщиной Ь — (0,5-г-0,8) а и шириной h = 2а.

2.	КОНСТРУИРОВАНИЕ ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛИТОЙ
ДЕТАЛИ

Внешние контуры отливки обычно представляют собой
сочетание простых геометрических тел с преобладанием плоских
прямолинейных поверхностей, сочленяемых плавными переходами
(рис. 4.58). Кроме того, необходимо стремиться к уменьшению
габаритных размеров и особенно высоты литой детали. Это облегчает
изготовление модельного комплекта, а также процессы формовки,
сборки форм и очистки отливок. При этом отливка имеет один пло-
ский разъем и располагается по возможности в одной полуформе.
Например, при изготовлении отливки, показанной на рис. 4.59, а,
требуется сложный разъем. Разъем формы упростится, если кон-
струкцию литой детали изменить, как показано на рис. 4.59, б.

Контуры литых деталей должны обеспечивать формовку без
дополнительных стержней. На рис. 4.59, в показана конструкция
отливки, при формовке которой требуются стержни. После изменения
конструкции детали (рис. 4.59, г) отпала необходимость применения
стержней, упростилась формовка.

Необрабатываемые поверхности отливок, перпендикулярные
к плоскости разъема, должны иметь конструктивные уклоны. При
изготовлении отливок (рис. 4.60, а, в) необходимо предусматривать
формовочные уклоны, а отверстия получать с помощью стержня.
Изменение конструкции отливки (рис. 4.60, б, г) позволило облег-
чить формовку и одновременно получить отверстия с помощью
песчаного болвана.
н>б(с-а)

г .Al 4

г' 5

h>^(C-a)

r _.L\1

г' 4

а)	5)

Рис. 4.58. Рекомендуемые переходы от стенки к стенке в литых деталях:
а— A/а <4 1,75; б — Ala 1,75

Рис. 4.59. Конструкции литых деталей:
at в — нетехнологичные; б, г — технологичные

4 Рис. 4.60. Влияние конструктивных уклонов на упрощение технологического
з процесса производства отливок
2

Рис. 4.61. Конструкции бобышек, ребер, ф.ынцев и отверстий в отливках:

1 — летехноленлчлыс; 2 — технологичные

Бобышки, приливы и другие выступающие части необходимо
конструировать так, чтобы не затруднять извлечение модели из
формы. На рис. 4.61 показаны варианты технологичных 2 и нетехно-
логичных 1 конструкций отливок. При изготовлении нетехнологич-
ных отливок требуется применение в моделях отъемных частей или
стержней, что усложняет процесс формовки.

Базовую и обрабатываемые поверхности располагают в одной
полуформе или стержне, не допуская пересечения их плоскостью
разъема формы.

3.	КОНСТРУИРОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЕЙ ОТЛИВОК

Внутренние полости сложных отливок необходимо
изготовлять с минимальным числом стержней. На рис. 4.62, а пока-
зан пример конструкции литой детали, для изготовления которой
требуется применение двух стержней, а на рис. 4.62, б — одного
стержня (более технологичная конструкция).

В конструкции литой детали должно быть достаточное число
окон для прочного крепления стержней в форме, для удаления
газов из стержня и удобства выбивки стержней из отливок. При
178
Рис. 4.63. Устранение пазов и узких полостей в конструкциях литых деталей
изготовлении отливки (рис. 4.62, в) стержень 2 в форме крепится
с помощью жеребеек /, из этого стержня затруднен выход газов, что
может привести к образованию газовых раковин в отливках. Кроме
того, затруднена выбивка его из отливки. Изменение конструкции
литой детали (на рис. 4.62, г стержень 2 в форме крепится без жере-
беек) обеспечивает беспрепятственное удаление газов из стержней
и облегчает выбивку стержней из отливки.

В конструкциях литых деталей следует избегать пазов и узких
полостей (рис. 4.63, а, в), при выполнении которых возможно обра-
зование песчаных раковин из-за разрушения стержней потоком
расплавленного металла при заливке его в форму. Устранить такие
пазы и узкие полости можно изменением конструкции литой детали
(рис. 4.63, б, г).

Минимальные диаметры отверстий в отливках при их изготовле-
нии в песчаных формах выбирают в зависимости от материала литой
детали и толщины стенки. Так, например, для чугунных отливок при
толщине стенки 10 мм, минимальный диаметр отверстия, получаемого
стержнем, составляет 8 мм, а при толщине стенки более 10 мм —20 мм.

Г Л Л В А VII. ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ В ЛИТЕЙНОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ

1.	ЗАДАЧИ ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Основные задачи технического контроля: выявление причин отклонения
качества отливок от заданного и нарушений технологического процесса, разработка
мероприятий по повышению качества продукции; установление соответствия режи-
мов и последовательности выполнения технологических операций, предусмотренных
технической документацией; установление соответствия качества материалов, тре-
буемых для производства отливок и т. д.
Контроль отливок прежде всего осуществляют визуально для выявления брака
или отливок, подлежащих исправлению. Правильность конфигурации и размеров
проверяют разметкой, плотность металла отливки — гидравлическими испытаниями
под давлением воды до 200 МПа. Внутренние дефекты выявляют в специализиро-
ванных лабораториях. Технический контроль возложен на отдел технического кон-
троля завода.

Тщательному контролю подвергают литейную оснастку (модели, модельные
плиты и др.) и весь технологический процесс на всех этапах производства отливок
(контроль свойств формовочных и стержневых смесей, уплотнения в форме, каче-
ства стержней и правильности их установки, химического состава и технологиче-
ских свойств сплава, температуры заливки и т. д.).

2.	ДЕФЕКТЫ ОТЛИВОК И ПРИЧИНЫ ИХ
ВОЗНИКНОВЕНИЯ

Дефекты отливок по внешним признакам подразделяют на наружные
(песчаные раковины, перекос, недолив и др.); внутренние (усадочные и газовые рако-
вины, трещины горячие и холодные и др.).

Песчаные раковины — открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые
возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы,
недостаточного крепления выступающих частей формы и прочих причин.

Перекос — смещение одной части отливки относительно другой, возникающий
в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответ-
ствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной
установки стержня в форму и других причин.

Недолив — некоторые части отливки остаются незаполненными в связи с низ-
кой температурой заливки, недостаточной жидкотекучестью, недостаточным сече-
нием элементов литниковой системы, неправильной конструкцией отливки (напри-
мер. малая толщина стенки отливки) и др.

Усадочные раковины — открытые или закрытые пустоты в теле отливки с шеро-
ховатой поверхностью и грубокристаллическим строением. Эти дефекты возникают
при недостаточном питании массивных узлов, нетехнологичной конструкции отливки,
неправильной установке прибылей, заливке перегретым металлом.

Газовые раковины — открытые или закрытые пустоты в теле отливки с чистой
и гладкой поверхностью, которые возникают из-за недостаточной газопроницаемо-
сти формы и стержней, повышенной влажности формовочных смесей и стержней,
насыщенности расплавленного металла газами и др.

Трещины горячие и холодные — разрывы в теле отливки, возникающие при за-
ливке чрезмерно перегретым металлом, из-за неправильной конструкции литнико-
вой системы и прибылей, неправильной конструкции отливки, повышенной нерав-
номерной усадки, низкой податливости форм и стержней и др.

3.	МЕТОДЫ ДЕФЕКТОСКОПИИ ОТЛИВОК

Наружные дефекты отливок обнаруживаются внешним осмотром не-
посредственно после извлечения отливок из формы или после их очистки.

Внутренние дефекты отливок выявляются радиографическими или ультразву-
ковыми методами дефектоскопии.

При использовании радиографических методов (рентгеноскопии, гамма-дефек-
тоскопии) на отливки воздействуют рентгеновским или гамма-излучением, С по-
мощью этих методов выявляют наличие дефекта, размеры и глубину его зале-
гания.

При ультразвуковом контроле ультразвуковая волна, проходящая через стенку
отливки, при встрече с границей дефекта (трещиной, раковиной и др.) частично
отражается. По интенсивности отражения волны судят о наличии, размерах и глу-
бине залегания дефектов.

Трещины в отливках выявляют люминесцентным контролем, магнитной или
цветной дефектоскопией.
4.	МЕТОДЫ ИСПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ОТЛИВКАХ

Незначительные дефекты в ответственных местах отливок исправляют
заделкой замазками или мастиками, пропиткой различными составами, газовой или
электрической сваркой

Заделка дефектов замазками или мастиками — декоративное исправление мел-
ких поверхностных раковин на отливках. Перед заполнением мастикой дефектные
места очищают от грязи и обезжиривают. После заполнения раковин мастикой
исправленное место заглаживают, подсушивают и затирают пемзой или графитом.

Пропитывание составами применяют для устранения пористости отливок.
С этой целью их погружают па 8—12 ч в водный раствор хлористого аммония. Про-
никая в промежутки между кристаллами металла, раствор образует оксиды, запол-
няющие поры отливок. Для устранения течи отливки из цветных сплавов пропиты-
вают бакелитовым лаком.

Газовую и электрическую сварку применяют для исправления дефектов на
необрабатываемых поверхностях (раковины, сквозные отверстия, трещины). Де-
фекты в чугунных отливках заваривают с использованием чугунных электродов
и присадочных прутков, в стальных отливках — электродами соответствующего
состава. Чугунные отливки перед заваркой нагревают до температуры 350—600 ‘С,
а после заварки их медленно охлаждают до температуры окружающей среды. Для
лучшей обрабатываемости отливки подвергают отжигу.
РАЗДЕЛ 5

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ГЛ А В А I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ
СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Сварка — технологический процесс получения не-
разъемных соединений материалов посредством установления меж-
атомных связей между свариваемыми частями при их местном или
общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместным
действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разно-
родные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметалличе-
скими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также
пластмассы.

Сварка — экономически выгодный, высокопроизводительный
и в значительной степени механизированный технологический про-
цесс, широко применяемый практически во всех отраслях машино-
строения.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образова-
нии прочных связей между атомами или молекулами на соединяемых
поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо
выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверх-
ностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инород-
ных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облег-
чающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых
поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным рассто-
янием в свариваемых заготовках.

Указанные условия реализуются различными способами сварки
путем энергетического воздействия на материал в зоне сварки.
Энергия вводится в виде теплоты, упругопластической деформации,
электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздей-
ствия. В результате поверхностные атомы металлов и кристал-
лических неметаллических материалов образуют общие для сое-
диняемых заготовок кристаллические решетки, а на поверх-
ности пластмасс происходит объединение частей молекулярных
цепей.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования
сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса:
термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относятся виды сварки, осуще-
ствляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая,
плазменная, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная,
газовая и др.).
к термомеханическому классу относятся виды
сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давле-
ния (контактная, диффузионная и др.).

К механическому классу относятся виды сварки, осу-
ществляемые с использованием механической энергии и давления
(ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

Свариваемость — свойство металла или сочетания металлов обра-
зовывать при установленной технологии сварки соединение, отвеча-
ющее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией
изделия.

Свариваемость материалов оценивают степенью соответствия за-
данных свойств сварного соединения одноименным свойствам
основного металла и их склонностью к образованию таких сварочных
дефектов, как трещины, поры, шлаковые включения и др. По этим
признакам материалы разделяют на хорошо, удовлетворительно
и плохо сваривающиеся. Многие разнородные материалы, особенно
металлы с неметаллами, не вступают во взаимодействие друг с дру-
гом. Такие материалы относятся к числу практически несварива-
ющихся.

Свариваемость материалов в основном определяется типом и свой-
ствами структуры, возникающей в сварном соединении при сварке.
При сварке однородных металлов и сплавов в месте соединения,
как правило, образуется структура, идентичная или близкая струк-
туре соединяемых заготовок. Этому случаю соответствует хорошая
свариваемость материалов. При сварке разнородных материалов
в зависимости от различия их физико-химических свойств в месте
соединения образуется твердый раствор с решеткой одного из мате-
риалов либо химическое или интерметаллидное соединение с решет-
кой, резко отличающейся от решеток исходных материалов. Меха-
нические и физические свойства твердых растворов, особенно хими-
ческих или интерметаллидных соединений, могут значительно отли-
чаться от свойств соединяемых материалов. Такие материалы
относятся к удовлетворительно сваривающимся. Если образуются
хрупкие и твердые структурные составляющие в сварном соединении,
то в условиях действия сварочных напряжений возможно возник-
новение трещин в шве или околошовной зоне. В последнем случае
материалы относятся к категории плохо сваривающихся.

ГЛАВА II. ТЕРМИЧЕСКАЯ СВАРКА

1.	ДУГОВАЯ СВАРКА. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА

Источником теплоты при дуговой сварке служит электри-
ческая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зави-
симости от материала и числа электродов, а также способа включе-
ния электродов и заготовки в цепь электрического тока различают
следующие способы дуговой сварки: сварка неплавящимся (графит-
ным или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2
Рис. 5.1. Схемы дуговой сварки

(рис. 5.1, а), при которой соединение выполняется путем расплавле-
ния только основного металла 3 либо с применением присадочного
металла 4\ сварка плавящимся (металлическим) электродом 1 дугой
прямого действия 2 (рис. 5.1, б) с одновременным расплавлением
основного металла 3 и электрода, который пополняет сварочную
ванну жидким металлом; сварка косвенной дугой 5 (рис. 5.1, в),
горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами /;
при этом основной металл 3 нагревается и расплавляется теплотой
столба дуги; сварка трехфазной дугой 6 (рис. 5.1, г), при которой
дуга горит между электродами 1, а также между каждым электродом
и основным металлом 3. Питание дуги осуществляется постоянным
или переменным током. При применении постоянного тока разли-
чают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом
случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод),
во втором — к положительному (анод).

Кроме того, различные способы дуговой сварки классифицируют
также по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени
механизации процесса.

2.	ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ И ЕЕ СВОЙСТВА

Дуга — мощный стабильный разряд электричества в иони-
зированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового
промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно
поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги
в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание
электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3—6 мм
и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание
Рис. 5.2. Схема процесса зажигания дуги

(рис. 5.2, а) выполняется для разогрева торца электрода 1 и заго-
товки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода
(рис. 5.2, б) с его разогретого торца (катода) под действием электри-
ческого поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов 3.
Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электро-
нов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации 4.
По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии
атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их
соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате
поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц.
В результате дуговой промежуток становится электропроводным
и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания
дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда
(рис. 5.2, в).

Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода
электрода с помощью высокочастотного электрического разряда
через дуговой промежуток, обеспечивающего его первоначальную
ионизацию. Для этого в сварочную цепь на короткое время подклю-
чают источник высокочастотного переменного тока высокого напря-
жения (осциллятор). Этот способ применяют для зажигания дуги
при сварке неплавящимся электродом.

Температура столба дуги 6 зависит от материала электрода
и состава газов в дуге, а температура катодного 5 и анодного 7 пятен
приближается к температуре кипения металла электродов. Эти тем-
пературы для дуги покрытого стального электрода составляют
соответственно ~6000 и ~3000 К. При этом в анодной области дуги,
как правило, выделяется значительно больше тепловой энергии, чем
в катодной.

Полная тепловая мощность дуги, Дж/с

<2 = Л7СВ(/Д,

где К — коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (для
постоянного тока равен единице, для переменного тока 0,7—0,97);
/св — сварочный ток, A; Ua — напряжение дуги, В.

Однако не вся мощность дуги полностью расходуется на нагрев
и расплавление электрода и основного металла, часть ее теряется
Рис. 5.3. Статическая вольт-амперная характеристика дуги (а) и зависимость
напряжения дуги Ua от ее длины La (б)

в результате теплоотдачи в окружающую среду. Часть мощности
дуги, расходуемая на нагрев заготовки, называется эффективной
тепловой мощностью сварочной дуги, Дж/с:

q = r]Q,

где т] — КПД дуги, представляющий собой отношение эффективной
мощности дуги к полной; величина р зависит от способа сварки,
вида и состава сварочных материалов (для автоматической сварки
под флюсом, электрошлаковой, ручной дуговой покрытым электро-
дом и сварки в защитных газах среднее значение соответственно
равно 0,9; 0,7; 0,8 и 0,6).

Для оценки затрат тепловой энергии на образование единицы
длины шва или единицы площади соединения при однопроходной
сварке используют величины погонной q!vCB и удельной погонной
энергии q/vCB8 (пС|) — скорость сварки, см/с; 6 — толщина заготовки,
см).

Электрические свойства дуги описываются статической вольт-
амперной характеристикой, представляющей собой зависимость
между напряжением и током дуги в состоянии устойчивого горения
(рис. 5.3, а). Характеристика состоит из трех участков: I— характе-
ристика падающая, II — жесткая, III — возрастающая. Самое ши-
рокое применение нашла дуга с жесткой и возрастающей характери-
стиками. Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет
ограниченное применение. В последнем случае для поддержания
горения дуги необходимо постоянное включение в сварочную цепь
осциллятора. Каждому участку характеристики дуги соответствует
определенный характер переноса расплавленного электродного ме-
талла в сварочную ванну: I и II — крупнокапельный, III — мелко-
капельный или струйный.

Для дуги с жесткой характеристикой напряжение Uд пропорци-
онально ее длине:

Кд = 7. 4- РКД,

где -- длина дуги (0 < Кд <i 8 мм); а и — опытные коэффи-
циенты, зависящие от рода металла и газа в дуговом промежутке
и других факторов (для стальных электродов а = 10 В; 0 = 2 В/мм).
Из приведенной зависимости следует, что для сохранения напря-
жения дуги неизменным необходимо длину дуги поддерживать
постоянной (рис. 5.3, б).

В дальнейшем рассмотрена главным образом дуга с жесткой
характеристикой как наиболее распространенная при сварке.

3.	источники СВАРОЧНОГО ТОКА

Источники тока для питания сварочной дуги должны
иметь специальную внешнюю характеристику. Внешней характери-
стикой источника называется зависимость напряжения на его вы-
ходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характе-
ристики могут быть следующих основных видов: падающая 1, полого-
падающая 2, жесткая .3 и возрастающая 4 (рис. 5.4, о). Источник
тока выбирают в зависимости от вольт-амперной характеристики
дуги, соответствующей принятому способу сварки.

Для питания дуги с жесткой характеристикой применяют источ-
ники с падающей или пологопадающей внешней характеристикой
(ручная дуговая сварка, автоматическая под флюсом, сварка в за-
щитных газах неплавящимся электродом). Режим горения дуги
определяется точкой пересечения характеристик дуги 6 и источника
тока 7 (рис. 5.4, б). Точка С соответствует режиму устойчивого горе-
ния дуги, точка А — режиму холостого хода в работе источника
тока в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута.
Режим холостого хода характеризуется повышенным напряжением
(60—80 В). Точка D соответствует режиму короткого замыкания
при зажигании дуги и ее замыкании каплями жидкого электродного
металла. Короткое замыкание характеризуется малым напряжением,
стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током.

Источники сварочного тока с падающей характеристикой необ-
ходимы для облегчения зажигания дуги за счет повышенного напря-
жения холостого хода, обеспечения устойчивого горения дуги и
практически постоянной проплавляющей способности дуги, так как
колебания ее длины и напряжения (особенно значительные при руч-
ной сварке) не приводят к значительным изменениям сварочного

Рис. 5.4, Внешние характеристики источников сварочного тока (а) и соотношение
характеристик дуги и падающей характеристики источника тока при сварке (6)
тока, а также для ограничения тока короткого замыкания, чтобы не
допустить перегрева токоподводящих проводов и источников тока.
Наилучшим образом приведенным требованиям удовлетворяет источ-
ник тока с идеализированной внешней характеристикой 5
(рис. 5.4).

Для обеспечения устойчивости горения дуги с возрастающей
характеристикой применяют источники сварочного тока с жесткой
или возрастающей характеристикой (сварка в защитных газах
плавящимся электродом и автоматическая под флюсом током повы-
шенной плотности).

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного
тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока
(сварочные выпрямители и генераторы). Источники переменного
тока более распространены, так как обладают рядом технико-эконо-
мических преимуществ. Сварочные трансформаторы проще в экс-
плуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД,
чем выпрямители и генераторы постоянного тока. Однако в некото-
рых случаях (сварка на малых токах покрытыми электродами и под
флюсом) при питании переменным током дуга горит неустойчиво,
так как через каждые 0,01 с напряжение и ток дуги проходят через
нулевые значения, что приводит к временной деионизации дугового
промежутка. Постоянный ток предпочтителен в технологическом
отношении: при его применении повышается устойчивость горения
дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных
положениях, появляется возможность вести сварку на прямой
и обратной полярностях и т. д. Последнее вследствие большего
тепловыделения в анодной области дуги позволяет проводить сварку
сварочными материалами с тугоплавкими покрытиями и флю-
сами

Сварочные трансформаторы, как правило, имеют падающую внешнюю харак-
теристику, их используют для дуговой ручной сварки и автоматической сварки под
флюсом. Широко применяют трансформаторы с увеличенным магнитным рассея-
нием и подвижной вторичной обмоткой (типов ТС и ТД). В этих трансформаторах
(рис. 5.5, а) первичная 1 и вторичная 2 обмотки раздвинуты относительно друг друга,
что обусловливает их повышенное индуктивное сопротивление вследствие появления
магнитных потоков рассеяния.

Рис. 5.5. Схема сварочных трансформа юров типов ТС и ТД:

а — положение обмоток при малом токе; 6 — то же, при большом токе; в — внешние ха-
рактеристики трансформаторов
При работе трансформатора основной магнитный поток Фо, создаваемый пер-
вичной и вторичной обмотками, замыкается через магннтопровод 3. Часть магнит-
ного потока ответвляется и замыкается вокруг обмоток через воздушное простран-
ство, образуя потоки рассеяния <DS1 и Ф52 Потоки рассеяния индуктируют в обмот-
ках электродвижущую силу, противоположную основному напряжению. С увели-
чением сварочного тока увеличиваются потоки рассеяния и, следовательно, воз-
растает индуктивное сопротивление вторичной обмотки, что и создает внешнюю
падающую характеристику трансформатора.

Для плавного регулирования сварочного тока изменяют рассто-
яние между обмотками трансформатора. При сближении обмоток
(рис. 5.5, б) происходит частичное взаимное уничтожение противо-
положно направленных потоков рассеяния Ф$1 и Фа2, что уменьшает
индуктивное сопротивление вторичной обмотки и увеличивает сва-
рочный ток. Минимальный сварочный ток соответствует наиболь-
шему расстоянию между обмотками и максимальным потоком рас-
сеяния (рис. 5.5, в).

Для сварки трехфазной дугой применяют специальные транс-
форматоры с падающей внешней характеристикой, собранные на
основе двух однофазных (типов ТТС и ТТСД); для электрошлаковой
сварки — однофазные и трехфазные трансформаторы с жесткой
характеристикой (типов ТШП и ТШС).

Сварочные выпрямители состоят из трехфазного понижающего
трансформатора /, выпрямительного блока 2, собранного из кремни-
евых полупроводниковых вентилей по трехфазной мостовой схеме
(рис. 5.6). Падающая внешняя характеристика выпрямителя обеспе-
чивается повышенным индуктивным сопротивлением понижающего
трансформатора, у которого первичная и вторичная обмотки раз-
двинуты и размещены на разных концах магнитопровода (тип ВД).
Плавное регулирование тока достигается перемещением подвижной
первичной обмотки.

Сварочные выпрямители с трансформатором с нормальным магнит-
ным рассеянием имеют пологопадающие или жесткие внешние харак-
теристики (типов ВС и ВДГ). Их применяют для сварки плавящимся
электродом в среде защитных газов.

Выпрямители бесшумны, имеют высокий КПД, удобны в эксплу-
атации. Они обеспечивают высокую стабильность горения дуги,
особенно на малых токах. Для нормальной работы выпрямителей
требуется интенсивное охлаждение, так как полупроводники нагре-
ваются при работе Поэтому выпрямители снабжены вентиляторами.
Нагрев полупроводников иногда
ограничивает мощность выпрями- °"
телей

Сварочные преобразователи со-
стоят из электродвигателя перемен-
ного тока и сварочного генератора
постоянного тока. Генераторы в за- о-
висимости от конструкции могут
иметь различные внешние характери- ______,

стики. Падающая внешняя характе- рис gg Схема трехфазного вы-
ристика обеспечивается специальной прямителя
схемой включения обмоток возбуждения либо особой конструк-
цией полюсов статора и якоря. По сравнению с выпрямите-
лями сварочные преобразователи имеют более низкий КПД и менее
удобны в эксплуатации ввиду наличия вращающихся частей. Пре-
образователи применяют только для ручной и полуавтоматической
сварки. Преобразователи эффективны при сварке в монтажных
условиях и на открытом воздухе.

Сварочные агрегаты состоят из двигателя внутреннего сгорания
и сварочного генератора постоянного тока. Агрегаты монтируют на
подвижных платформах и используют в монтажных и полевых
условиях для ручной сварки.

4.	РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электро-
дами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки.
В процессе сварки металлическим покрытым электродом
(рис. 5.7) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным
металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл
каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем пла-
вится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5
вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности распла-
вленного металла. Металлическая и шлаковая ванны вместе обра-
зуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна
затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак после
остывания образует твердую шлаковую корку 2.

В перегретой сварочной ванне протекает ряд металлургических
процессов: испарение или окисление (выгорание) некоторых легиру-
ющих элементов, например углерода, марганца, кремния, хрома
и др., и насыщение расплавленного металла кислородом, азотом
и водородом из окружающего воздуха. В результате возможно
изменение состава сварного шва по сравнению с электродным и
основным металлом, а также понижение его механических свойств,
особенно вследствие насыщения шва кислородом. Для обеспечения
заданных состава и свойств шва в покрытие вводят легирующие
элементы и элементы-раскислители.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавлен-
ного основного металла и протекает путем роста столбчатых кристал-
литов к центру шва. При этом оси кристаллита, как правило,
остаются перпендикулярными к поверхности движущейся сварочной
ванны, в результате чего кристаллиты изгибаются и вытягиваются
в направлении сварки (рис. 5.5'). Вследствие дендритной ликвации
примеси располагаются по границам кристаллитов, где они могут
образовать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения.
Это снижает механические свойства шва и в отдельных случаях
может быть причиной образования горячих трещин.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни
с нанесенными па них покрытиями. Стержень изготовляют из сва-
рочной проволоки повышенного качества. Стандарт на стальную
190
Рис. 5.7. Схема процесса сварки ме-
таллическим покрытым электродом

Рис. 5.8. Столбчатые кристаллиты
в сварном шве:

/ — сварочная ванна; 2 — изотерма кри-
сталлизации шва; 3 — столбчатый кри-
сталлит

сварочную проволоку предусматривает 77 марок проволоки диа-
метром 0,2—12 мм. Сварочную проволоку всех марок в зависимости
от состава разделяют на три группы: низкоуглеоодистую (Св-08А,
Св-08ГС и др.), легированную (Св-18ХМА; Св-10Х5М и др.) и высоко-
легированную (Св-ОбХ 19Н10МЗТ; Св-07Х25Н13 и др.). В марках
проволоки «Св» означает слово «сварочная», буквы и цифры — ее
марочный состав.

Сварочную проволоку используют также, при автоматической
дуговой сварке под флюсом, сварке плавящимся электродом в среде
защитных газов и как присадочный материал при дуговой сварке
неплавящимся электродом и газовой сварке. Покрытия электродов
предназначены для обеспечения стабильного горения дуги, защиты
расплавленного металла от воздействия воздуха и получения металла
шва заданного состава и свойств. В состав покрытия электродов
входят стабилизирующие, газообразующие, шлакообразующие, рас-
кисляющие, легирующие и связующие составляющие.

Электроды классифицируют по назначению и виду покрытия.
По назначению стальные электроды подразделяют на пять классов:
для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных
сталей с ов с 600 МПа, легированных конструкционных сталей
с сг„ у,?- 600 МПа, легированных жаропрочных сталей, высоколегиро-
ванных сталей с особыми свойствами и для наплавки поверхностных
слоев с особыми свойствами. Электроды для сварки конструкционных
сталей делят на типы Э38, Э42, ..., Э150. Цифры в обозначении типа
электрода означают о„ наплавленного металла в Ю-1 МПа. В обозна-
чение типов электродов для сварки жаропрочных и высоколегиро-
ванных сталей и наплавочных входит марочный состав наплавленного
металла (Э-09МХ, Э-10Х5МФ, Э-08Х20Н9Г2Б, Э- 10Х20Н70Г2М2В,
Э-120Х12Г2СФ, Э-350Х26Г2Р2СТ и др.).

По виду покрытия электроды делят на электроды с кислым,
рутиловым, основным и целлюлозным покрытием.
Кислые покрытия имеют шлаковую основу, состоящую из руд железа и
марганца (Fe2O3, МпО), полевого шпата (SiO2), ферромарганца (FeMn) и других
компонентов. Электроды обладают хорошими сварочно-технологическими свойст-
вами: позволяют вести сварку во всех пространственных положениях на перемен-
ном и постоянном токе. Возможна сварка металла с ржавыми кромками и окалиной.
Применяют для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Металл
шва по составу соответствует кипящей стали Однако электроды токсичны в связи
с выделением соединений марганца, поэтому применение их сокращается.

Рутиловые покрытия состоят из рутилового концентрата (ТЮ2), поле-
вого шпата, мрамора (СаСО3), ферромарганца и других компонентов. Обладают
высокими сварочно-технологическими свойствами. Их применяют для сварки от-
ветственных конструкций из пизкоуглеродистых и низколегированных сталей.
Наплавленный металл по составу соответствует полуспокойной стали.

Основные покрытия содержат мрамор, магнезит (MgCO3), плавиковый
шпат (CaF2), ферросилиций (FeSi), ферромарганец, ферротитан (FeTi) и другие ком-
поненты. Сварочно-технологические свойства ограничены. Сварку выполняют,
как правило, на постоянном токе обратной полярности, металл шва склонен к обра-
зованию пор при наличии ржавчины на свариваемых кромках, требуется высоко-
температурная ирокалка (400—450 °C) перед сваркой и т. д. Наплавленный металл
хорошо раскислен и по составу соответствует спокойной стали. Возможно дополни-
тельное легирование шва через покрытие. Электроды с основным покрытием при-
меняют для сварки ответственных конструкцией из сталей всех классов.

Целлюлозное покрытие содержит целлюлозу и другие органические
вещества с небольшим количеством шлакообразующих компонентов. Они создают
хорошую газовую защиту и образуют малое количество шлака. Особенно пригодны
для сварки на монтаже в любых пространственных положениях на переменном и
постоянном токе. Их применяют для сварки низкоуглеродистых и низколегирован-
ных сталей. Наплавленный металл по составу соответствует полуспокойной или спо-
койной стали.

Режим ручной дуговой сварки. Основным параметром режима
ручной дуговой сварки является сварочный ток (А), который вы-
бирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода:

св — kd3,

где k — опытный коэффициент, равный 40—60 для электродов со
стержнем из низкоуглеродистой стали и 35—40 для электродов со
стержнем из высоколегированной стали, А/мм; d.t — диаметр стержня
электрода, мм.

Диаметр электродов выбирают, исходя из толщины стали 6:

б, мм...	1 — 2	3 — 5	4—10	12	— 24 и более.

da, мм . . . 2 — 3	3 — 4	4 — 5	5	— 6

При	толщине стали до	6	мм сваривают	по	зазору без	разделки

кромок	заготовки.	При больших	толщинах	металла выполняют

одностороннюю или двустороннюю разделку кромок под углом 60°.
Разделка необходима для обеспечения полного провара по толщине.
Металл толщиной свыше 10 мм сваривают многослойным швом.
Ручная сварка удобна при выполнении коротких и криволинейных
швов в любых пространственных положениях — нижнем, вертикаль-
ном, горизонтальном, потолочном (рис. 5.9), при наложении швов
в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке
конструкций сложной формы Ручная сварка обеспечивает хорошее
качество сварных швов, но обладает более низкой производитель-
ностью, например, по сравнению с автоматической дуговой сваркой
под флюсом.
Рис. 5.9. Возможные пространственные положения при ручной сварке:-
а нижнее; б — вертикальное; о — горизонтальное; г потолочное

Производительность процесса в основном определяется сварочным
током. Однако ток при ручной сварке покрытыми электродами
ограничен, так как повышение тока сверх рекомендованного значе-
ния приводит к разогреву стержня электрода, отслаиванию по-
крытия, сильному разбрызгиванию и угару расплавленного металла.
Ручную сварку постепенно заменяют полуавтоматической в атмо-
сфере защитных газов.

5.	автоматическая дуговая сварка под флюсом

Для автоматической дуговой сварки под флюсом исполь-
зуют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги
и сварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной
проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания
дуги и заварки кратера в конце шва.

В процессе автоматической сварки под флюсом (рис. 5.10) дуга 10
горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и
металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно за-
крыты слоем флюса 5 толщиной 30—50 мм. Часть флюса распла-
вляется, в результате чего вокруг дуги образуется газовая полость,
а на поверхности расплавленного металла — ванна жидкого шлака 4,

Для сварки под флюсом ха-
рактерно глубокое пропла-
вление основного металла.
Действие мощной дуги и
весьма быстрое движение
электрода вдоль заготовки
обусловливают оттеснение
расплавленного металла в
сторону, противоположную
направлению сварки. По
мере поступательного движе-
ния электрода происходит
затвердевание металлической
и шлаковой ванн с обра-
зованием сварного шва 7,

7 А. М. Дальский и др.

10 9

Рис. 5.10. Схема процесса автоматической
дуговой сварки под флюсом

193
покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу
и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи 2 и пере-
мещения. Ток к электроду поступает через токопровод 1.

Основные преимущества автоматической сварки под флюсом
по сравнению с ручной дуговой сваркой состоят в повышении произ-
водительности процесса сварки в 5—20 раз, качества сварных соеди-
нений и уменьшении себестоимости 1 м сварного шва. Повышение
производительности достигается за счет использования больших
сварочных токов (до 2000 А) и непрерывности процесса сварки.
Применение непокрытой проволоки позволяет приблизить токопро-
вод на расстояние 30—50 мм от дуги и тем самым устранить опасный
разогрев электрода при большой силе тока. Плотная флюсовая
защита сварочной ванны предотвращает разбрызгивание и угар
расплавленного металла. Увеличение силы тока позволяет сваривать
металл большой толщины (до 20 мм) за один проход без разделки
кромок.

Повышенное качество сварных швов обусловлено получением
более высоких механических свойств наплавленного металла благо-
даря надежной защите сварочной ванны флюсом, интенсивному
раскислению и легированию вследствие увеличения объема жидкого
шлака, сравнительно медленного охлаждения шва под флюсом
и твердой шлаковой коркой; улучшением формы и поверхности свар-
ного шва и постоянством его размеров по всей длине вследствие
регулирования режима сварки, механизированной подачи и пере-
мещения электродной проволоки.

Флюсы служат для изоляции сварочной ванны от атмосферы
воздуха, обеспечения устойчивого горения дуги, формирования
поверхности шва и получения заданных состава и свойств напла-
вленного металла. Флюсы классифицируют по назначению, хими-
ческому составу и способу изготовления. По назначению они раз-
деляются на флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегиро-
ванных сталей, легированных и высоколегированных сталей.

Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей предна-
значены для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием. Для этого
применяют плавленые высококремнистые марганцевые флюсы. Их шлаки имеют
высокое содержание SiO2 и МпО. Флюсы изготовляют путем сплавления марганце-
вой руды, кремнезема, плавикового шпата в электропечах.

Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обес-
печивать минимальное окисление легирующих элементов в шве. Для этого приме-
няют плавленые и керамические иизкокремнистые, бескремнистые и фторидные
флюсы. Их шлаки имеют высокое содержание СаО, CaF2 и А1,ОЧ. Плавленые флюсы
изготовляют из плавикового шпата, алюмосиликатов, алюминатов, путем сплавления
в электропечах. Их шлаки имеют основной характер. Керамические флюсы приго-
товляют из порошкообразных компонентов путем замеса их на жидком стекле, гра-
нулирования и последующего прокаливания. Основу керамических флюсов соста-
вляет мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочноземельных металлов. В них
также входят ферросплавы сильных раскислителей (кремния, титана, алюминия)
и легирующих элементов и чистые металла. Шлаки керамических флюсов имеют
основной или пассивный характер и обеспечивают получение в металле шва заданное
содержание легирующих элементов.

Дуговую сварку под флюсом выполняют сварочными автоматами:
сварочными головками или самоходными тракторами, перемеща-
194
ющимися непосредственно по изделию. Назначение сварочных ав-
томатов — подача электродной проволоки в дугу и поддержание
постоянного режима сварки в течение всего процесса. Автоматиче-
скую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом произ-
водствах для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых
швов в нижнем положении па металле толщиной 2—100 мм. Под
флюсом сваривают стали различных классов. Автоматическую сварку
широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хра-
нения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок п других
изделий. Она является одним из основных звеньев автоматических
линий для изготовления сварных автомобильных колес и станов
для производства сварных прямошовных и спиральных труб.

6.	ДУГОВАЯ СВАРКА В ЗАЩИТНОМ ГАЗЕ

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и свароч-
ная ванна защищены струей защитного газа.

В качестве защитных газов применяют инертные газы (аргон
и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.),
иногда — смеси двух газов или более. В нашей стране наиболее
распространено применение аргона Аг и углекислого газа СО2.

Аргон — бесцветный газ, в 1,38 раза тяжелее воздуха, нерастворим в жидких
и твердых металлах. Аргон выпускают высшего и первого сортов, имеющих соот-
ветственно чистоту 99,992 и 99,987 %. Поставляют и храпят аргон в стальных бал-
лонах в сжатом газообразном состоянии под давлением 15 МПа.

Углекислый газ бесцветный, со слабым запахом, в 1,52 раза тяжелее воздуха,
нерастворим в твердых и жидких металлах. Выпускают углекислый газ сварочный,
пищевой и технический, имеющие соответственно чистоту 99,5, 98,5 и 98,0 %. Для
сварки газ поставляют и хранят в стальных баллонах в сжиженном состоянии под
давлением 7 МПа.

Аргонодуговой сваркой можно сваривать неплавящимся и плавя-
щимся электродами. Сварку неплавящимся электродом применяют,
как правило, при соединении металла толщиной 0,5—6 мм; плавя-
щимся электродом — от 1,5 мм и более. В аргоне неплавящимся
вольфрамовым электродом (Г1!л = 3370 СС) можно сваривать с рас-
плавлением только основного металла (толщиной до 3 мм), а при
необходимости получения усиления шва или заполнения разделки
кромок (толщина более 3 мм) — и присадочного материала (прутка
или проволоки). Последний подают в дугу вручную (рис. 5.11, а)
или механизмом подачи (рис. 5.11,6).

Сварку неплавящимся электродом ведут на постоянном токе
прямой полярности. В этом случае дуга легко зажигается и горит
устойчиво при напряжении 10—15 В. При обратной полярности
возрастает напряжение дуги, уменьшается устойчивость ее горения
и снижается стойкость электрода. Эти' особенности дуги обратной
полярности делают ее непригодной для непосредственного примене-
ния в сварочном процессе. Однако дуга обратной полярности обладает
одним важным технологическим свойством: при ее действии с поверх-
ности свариваемого металла удаляются оксиды. Одно из объяснений
этого явления заключается в том, что поверхность металла бомбарди-

7*	195
Рис. 5.11. Виды сварки в защитных газах:

1 — присадочный пруток или проволока; 2 — сопло; 3 — токоподводящий мундштук;

4 — корпус горелки; 5 —> неплавящийся вольфрамовый электрод; 6 — рукоять горелки;

7 — атмосфера защитного газа; 8.— сварочная дуга; 9 — ванна расплавленного металла;
10 — кассета с проволокой; 11 — механизм подачи; 12 — плавящийся металлический элек-
трод (сварочная проволока)

руется тяжелыми положительными ионами аргона, которые меха-
нически разрушают пленки оксидов. Процесс удаления оксидов
также известен как катодное распыление. Указанные свойства дуги
обратной полярности используют при сварке алюминия, магния
и их сплавов, применяя для питания дуги переменный ток.

При сварке неплавящимся электродом на переменном токе соче-
таются преимущества дуги на прямой и обратной полярностях.
Однако асимметрия электрических свойств дуги, обусловленная ее
меньшей электрической проводимостью при обратной полярности
по сравнению с прямой, приводит к ряду нежелательных явлений.
В результате выпрямляющей способности дуги появляется постоян-
ная составляющая тока прямой полярности. В этих условиях дуга
горит неустойчиво, ухудшается очистка поверхности сварочной
ванны от тугоплавких оксидов и нарушается процесс формирования
шва. Поэтому для питания дуги в аргоне переменным током при-
196
меняют специальные источники тока. В их схему включают стабили-
затор горения дуги — электронное устройство, подающее импульа
дополнительного напряжения на дугу в полупериод обратной по-
лярности. Таким образом, обеспечивается устойчивость дуги, по-
стоянство тока и процесса формирования шва на обеих полярностях
тока.

Сварку в аргоне плавящимся электродом выполняют по схеме,
приведенной на рис. 5.11, в, г. Нормальное протекание процесса
сварки и хорошее качество шва обеспечиваются при высокой плот-
ности тока (100 А/мм2 и более). При невысокой плотности тока имеет
место крупнокапельный перенос расплавленного металла с элек-
трода в сварочную ванну, приводящий к пористости шва, сильному
разбрызгиванию расплавленного металла и малому проплавлению
основного металла. При высоких плотностях тока перенос рас-
плавленного металла с электрода становится мелкокапельным или
струйным. В условиях действия значительных электромагнитных
сил быстродвижущиеся мелкие капли сливаются в сплошную струю.
Такой перенос электродного металла обеспечивает глубокое про-
плавление основного металла, формирование плотного шва с ровной
и чистой поверхностью и разбрызгивание в допустимых пределах.

В соответствии с необходимостью применения высоких плотностей
тока для сварки плавящимся электродом используют проволоку
малого диаметра (0,6—3 мм) и большую скорость ее подачи. Такой
режим сварки обеспечивается только механизированной подачей
проволоки в зону сварки. Сварку выполняют на постоянном токе
обратной полярности. В данном случае электрические свойства дуги
в значительной степени определяются наличием ионизированных
атомов металла электрода в столбе дуги. Поэтому дуга обратной
полярности горит устойчиво и обеспечивает нормальное формирова-
ние шва, в то же время ей соответствуют повышенная скорость рас-
плавления проволоки и производительность процесса сварки.

Сварку сталей часто выполняют в смеси Аг + 5 % О2. Кислород
уменьшает поверхностное натяжение расплавленного металла, что
способствует снижению критической плотности тока, при которой
капельный перенос металла переходит в струйный. Одновременно
повышается устойчивость горения дуги при относительно небольших
токах, что облегчает сварку металла малой толщины.

Сварку в углекислом газе выполняют только плавящимся элек-
тродом на повышенных плотностях постоянного тока обратной по-
лярности (см. рис. 5.11, в, г). Такой режим обусловлен теми же
особенностями переноса электродного металла и формирования шва,
которые рассмотрены для сварки плавящимся электродом в аргоне.

При применении СО2 в качестве защитного газа необходимо
учитывать некоторые металлургические особенности процесса сварки,
связанные с окислительным действием СО2. При высоких темпера-
турах сварочной дуги СО2 диссоциирует на оксид углерода СО
и кислород О, который, если не принять специальных мер, приводит
к окислению свариваемого металла и легирующих элементов. Окисли-
тельное действие О нейтрализуется введением в проволоку дополни-
тельного количества раскислителей марганца и кремния. Поэтому
для сварки в СО2 углеродистых и низколегированных сталей при-
меняют сварочную проволоку с повышенным содержанием этих
элементов (Св-08ГС, Св-10Г2С н т. д.). На поверхности шва образуется
тонкая шлаковая корка из оксидов раскислителей. Часто применяют
смесь СО2 + 10 % О2. Кислород играет ту же роль, что и при до-
бавке в аргон.

Сварка в атмосфере защитных газов в зависимости от степени
механизации процессов подачи присадочной или сварочной прово-
локи и перемещения сварочной горелки может быть ручной, полу-
автоматической и автоматической.

По сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами и авто-
матической под флюсом сварка в защитных газах имеет следующие
преимущества: высокую степень защиты расплавленного металла
от воздействия воздуха; отсутствие на поверхности шва при приме-
нении аргона оксидов и шлаковых включений; возможность ведения
процесса во всех пространственных положениях; возможность визу-
ального наблюдения за процессом формирования шва и его регули-
рования; более высокую производительность процесса, чем при руч-
ной дуговой сварке; относительно низкую стоимость сварки в угле-
кислом газе.

Области применения сварки в защитных газах охватывают широ-
кий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, эле-
менты атомных установок, корпуса и трубопроводы химических
аппаратов и т. п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных
(алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия,
циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоко-
легированных сталей.

В углекислом газе сваривают конструкции из углеродистой
и низколегированной сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов
и т. д.). Преимущество полуавтоматической сварки в СО2 с точки
зрения ее стоимости и производительности часто приводит к замене
ею ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

7.	ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет
собой направленный поток частично или полностью ионизированного
газа, имеющего температуру 10 000—20 000 °C. Плазму получают
в плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги.
Дуга горит в узком канале сопла горелки, через который продувают
газ. При этом столб дуги сжимается, что приводит к повышению
в нем плотности энергии и температуры. Газ, проходящий через
столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла в виде
высокотемпературной плазменной струи. В качестве плазмообразу-
ющих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их
смеси. Газ выбирают в зависимости от процесса обработки и вида
обрабатываемого материала.

Применяют два основных плазменных источника нагрева: плаз~
менную струю, выделенную из столба косвенной дуги, и плазменную
198
Рис. 5.12. Схемы процесса получения плазменных источников нагрева:

0 — плазменной струн, выделенной из дуги; 6 плазменной дуги, совмещенной с плазмен»
ной струей

дугу, в которой дуга прямого действия совмещена с плазменной
струей. Соответственно применяют две схемы плазменных горелок.
В горелках для получения плазменной струи дуга 1 горит между
вольфрамовым электродом 2 и соплом 4, к которому подключен
положительный полюс источника тока (рис. 5.12,0). Электрод
изолирован от корпуса горелки керамической прокладкой 3. Сопло
интенсивно охлаждается водой. Из сопла выходит ярко светящаяся
плазменная струя 5. Горелка питается постоянным током прямой
полярности от источников с падающей характеристикой. Дугу
зажигают с помощью осциллятора.

Плазменная струя представляет собой независимый источник
теплоты, позволяющий в широких пределах пз.менять степень нагрева
п глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность
плазменной струп ограничена и ее применяют для сварки и резки
тонких металлических листов и пеэлектропроводпых материалов,
а также напыления тугоплавких материалов па поверхность загото-
вок. Горелки, предназначенные для сварки, снабжены вторым
концентрическим соплом 6, через который подастся защитный газ.

Устройство горелок дня получения плазменной дуги
(рис. 5.12, б) принципиально не отличается от устройства горелок
первого типа. Только дуга горит между электродом и заготовкой 7.
Для облегчения зажигания дуги вначале возбуждается маломощная
вспомогательная дуга между электродом и соплом. Для этого к соплу
подключен токоподвод от положительного полюса источника тока.
Как только возникшая плазменная струя коснется заготовки, за-
жигается основная дуга, а вспомогательная выключается. Плазмен-
ная дуга, обладающая большей тепловой мощностью по сравнению
с плазменной струей, имеет более широкое применение при обработке
материалов. Ее используют для сварки высоколегированной стали,
сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама и других матери-
алов. Плазменную дугу применяют для резки материалов, особенно
тех, резка которых другими способами затруднена, например меди,
алюминия и др. С помощью плазменной дуги наплавляют тугоплав-
кие материалы на поверхность заготовок.

По сравнению с аргонодуговой сваркой вольфрамовым электро-
дом плазменная дуга имеет ряд преимуществ. Во-первых, она яв-
ляется более концентрированным источником теплоты и вследствие
этого обладает большей проплавляющей способностью. Плазменной
дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без разделки
кромок и применения присадочного металла. При этом снижается
тепловое влияние дуги на свариваемый металл и уменьшаются сва-
рочные деформации. Во-вторых, плазменная дуга обладает более
высокой стабильностью горения, что обеспечивает повышенное каче-
ство сварных швов. Это позволяет выполнять так называемую микро-
плазменную сварку металла толщиной 0,025—0,8 мм на токах 0,5—
10 А. В-третьих, увеличивая ток и расход газа, можно получить
так называемую проникающую плазменную дугу. В этом случае
резко возрастет тепловая мощность дуги, скорость истечения и давле-
ние плазмы. Такая дуга дает сквозное проплавление и выдувает
расплавленный металл (процесс резки). Недостаток плазменной
сварки — недолговечность горелок вследствие частого выхода из
строя сопел и электродов.

8.	ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

При электрошлаковой сварке основной и электродный
металлы расплавляются теплотой, выделяющейся при прохождении
электрического тока через шлаковую ванну. Процесс электрошлако-
вой сварки (рис. 5.13) начинается с образования шлаковой ванны 3
в пространстве между кромками основного металла 6 и формиру-
ющими устройствами (ползунами) 7, охлаждаемыми водой, подава-
емой по трубам 1, путем расплавления флюса электрической дугой,
возбуждаемой между сварочной проволокой 4 и вводной планкой 9.
После накопления определенного количества жидкого шлака дуга
шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока
продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак,
являющийся электропроводящим электролитом, в нем выделяется
теплота, достаточная для поддержания высокой температуру шлака
(до 2000 °C) и расплавления кромок основного металла и электродной
проволоки. Проволока вводится в зазор и подается в шлаковую ванну
с помощью мундштука 5. Проволока служит для подвода тока
и пополнения сварочной ванны 2 расплавленным металлом. Как
200
Рис. 5.13. Схема процесса электрошлаковой сварки

правило, электрошлаковую сварку выполняют при вертикальном
положении свариваемых заготовок. По мере заполнения зазора
между ними мундштук для подачи проволоки и формирующие пол-
зуны передвигаются в вертикальном направлении, оставляя после
себя затвердевший сварной шов 8.

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты.
В начале шва — непровар кромок, в конце шва — усадочная рако-
вина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают на
вводной 9, а заканчивают на выходной 10 планках, которые затем
удаляют газовой резкой.

Шлаковая ванна — более распределенный источник теплоты,
чем электрическая дуга. Основной металл расплавляется одновре-
менно по всему периметру шлаковой ванны, что позволяет вести
сварку металла большой толщины за один проход.

Заготовки толщиной до 150 мм можно сваривать одним электро-
дом, совершающим поперечные колебания в зазоре для обеспечения
равномерного разогрева шлаковой ванны по всей толщине. Металл
толщиной более 150 мм сваривают тремя проволоками, а иногда
и большим числом проволок, исходя из использования одного элек-
трода на 45—60 мм толщины металла. Специальные автоматы обес-
печивают подачу электродных проволок и их поперечное перемещение
в зазоре.

Автоматы перемещаются непосредственно по свариваемому изде-
лию (безрельсовые) или по рельсовой колонне, устанавливаемой
параллельно свариваемым
кромкам. Скорость движения
регулируется автоматически
в зависимости от скорости
заполнения зазора распла-
вленным металлом. Для свар-
ки используют проволоку
диаметром 2—3 мм. Свароч-
ный ток составляет 750—
1000 А. В качестве источпп-

Рис. 5.14. Примеры применения электро- ков питания применяют спе-
шлаковой сварки:	циальные трансформаторы

а — архитрав пресса; 6 — баба бссшаботного дЛЯ элеКТрОШЛЭКОВОЙ Сварки
молота	„г

с жесткой внешней характе-
ристикой.

Элсктрошлаковая сварка имеет ряд преимуществ по сравнению
с автоматической сваркой под флюсом: повышенную производитель-
ность, лучшую макроструктуру шва и меньшие затраты на выпол-
нение 1 м сварного шва. Повышение производительности обусло-
влено непрерывностью процесса сварки, выполнением шва за один
проход при любой толщине металла и увеличением сварочного тока
в 1,5—2 раза. Макроструктура шва улучшается в результате отсут-
ствия миогослойиости и получения более однородного по строению
однопроходного шва. Затраты снижаются вследствие повышения
производительности, упрощения подготовки кромок заготовок,
уменьшения сечения шва, а также расхода проволоки, флюса и
электроэнергии.

К недостаткам электрошлаковой сварки следует отнести образо-
вание крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замед-
ленного нагрева и охлаждения. После сварки необходима термиче-
ская обработка (отжиг или нормализация) для измельчения зерна
в металле сварного соединения.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом ма-
шиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных
конструкций, таких, как станины и детали мощных прессов п стан-
ков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин,
котлы высокого давления и т. п. (рис. 5.14). Толщина свариваемого
металла составляет 50—2000 мм.

9.	ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

Электронный луч представляет собой сжатый поток элек-
тронов, перемещающийся с большой скоростью от катода к аноду
в сильном электрическом поле. При соударении электронного потока
с твердым телом более 99 % кинетической энергии электронов пере-
ходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Температура
в месте соударения может достигать 5000—6000 °C. Электронный
луч образуется за счет эмиссии электронов с нагретого в вакууме
133 (10'4-гЮ“5) Па катода 1 и с помощью электростатических и элек-
202
Рис. 5.15. Схема установки для -элек-
троино-л ученой сварки

Рис. 5.16. Кинжальное проплавление
при электронно-лучевой сварке; Л’2 и
Р, — сечения швов при дуговой и элек-
тронно-лучевой сварке

тромагпнтных линз 4 фокусируется на поверхности свариваемых
материалов (рис. 5.15).

В установках для электронно-лучевой сварки электроны эмит-
тируются на катоде / электронной пушки; формируются в пучок
электродом 2, расположенным непосредственно за катодом; уско-
ряются под действием разности потенциалов между катодом и ано-
дом 3, составляющей 20—150 кВ и выше, затем фокусируются в виде
луча и направляются специальной отклоняющей магнитной систе-
мой 5 па обрабатываемое изделие (>. На формирующий электрод 2
подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду по-
тенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность
(до 5-Ю5 кВт/м2 и выше). Ток электронного луча невелик (от не-
скольких миллиампер до единиц ампер).

При перемещении заготовки под неподвижным лучом образуется
сварной шов. Иногда при сварке перемещают сам луч вдоль не-
подвижных кромок с помощью отклоняющих систем. Отклоняющие
системы используют также и для колебаний электронного луча
поперек и вдоль шва, что позволяет сваривать с присадочным метал-
лом и регулировать тепловое воздействие на металл.

В современных установках для сварки, сверления, резки или фре-
зерования электронный луч фокусируется на площади диаметром
менее 0,001 см, что позволяет получить большую удельную мощность.
При использовании обычных сварочных источников теплоты (дуги,
газового пламени) металл нагревают и плавят за счет распростране-
ния теплоты от поверхности в глубину, при этом форма зоны рас-
плавления в сечении приближается к полукругу F2. При сварке
электронным лучом теплота выделяется непосредственно в самом
металле Flt причем наиболее интенсивно на некоторой глубине под
его поверхностью. Отношение глубины проплавления к ширине
может достигать 20 : 1; такое проплавление называется кинжальным
(рис. 5.16).

Высокая концентрация теплоты в пятне нагрева позволяет свер-
лить такие материалы, как сапфир, рубин, алмаз, стекло. Незначи-
тельная ширина зоны теплового воздействия дает возможность резко
уменьшить деформацию заготовок. Кроме того, за счет вакуума
в камере обеспечиваются зеркальная поверхноть соединения и дега-
зация расплавленного металла.

Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких
химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танта-
ловых, ниобиевых, циркониевых, молибденовых и т. п.), а также
из алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей.
Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и разнородных
сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плавле-
ния и других теплофизических свойств. Минимальная толщина
свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная — до
100 мм.

Электронно-лучевой сваркой можно соединять малогабаритные
изделия, применяемые в электронике и приборостроении, и крупно-
габаритные изделия длиной и диаметром несколько метров.

10.	ГАЗОВАЯ СВАРКА

При сварке место соединения нагревают до расплавления
высокотемпературным газовым пламенем (рис. 5.17). При нагреве
газосварочным пламенем 4 кромки свариваемых заготовок 1 рас-
плавляются, а зазор между ними заполняется присадочным метал-
лом 2, который вводят в пламя горелки 3 извне. Газовое пламя
получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого
кислорода.

Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к ме-
сту потребления в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Бал-
лоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью «Кислород».

Кислородный баллон (рис. 5.18) представляет собой стальной
цилиндр со сферическим днищем би горловиной 4 для крепления
запорного вентиля 2. На нижнюю часть баллона насаживают баш-
мак 5, позволяющий ставить баллон вертикально. На горловине
имеется кольцо 3 с резьбой для навертывания защитного колпака 1.
Средняя жидкостная вместимость баллона 40 дм3. При давлении
15 МПа он вмещает ~6000 дм3 кислорода.

Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержа-
ния постоянной величины рабочего давления применяют газовые
редукторы. Кислородные редукторы понижают давление от 15 до
0,1 МПа, а ацетиленовые — от 1,6 до 0,02 МПа. Редукторы, применя-
емые в сварочной технике, обычно имеют два манометра, один из
которых измеряет давление газа до входа в редуктор, второй —
на выходе из него.

Редукторы для различных газов отличаются лишь устройством
присоединительной части, которая соответствует устройству вентиля
соответствующего баллона. Корпус редуктора окрашивают в опре-
деленный цвет, например в голубой для кислорода, в белый для
ацетилена и т. д. К сварочной горелке кислород от редуктора подают
через специальные резиновые шланги.
Рис. 5.17. Схема газовой сварки

Рис. 5.18. Схема газового баллона

В качестве горючих газов можно также применять природные
газы, водород, пары бензина и кепосина, нефтяные газы и др. Пере-
численные горючие газы могут быть использованы главным образом
для кислородной резки, не требующей высокой температуры пла-
мени. Для газовой сварки применяют ацетилен, так как он имеет
большую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими га-
зами и высокую температуру пламени (3200 °C). Ацетилен (С2Н2) —
горючий газ с низшей теплотой сгорания 54 кДж/м3. Его получают
в специальных аппаратах — газогенераторах — при взаимодействии
воды с карбидом кальция:

СаС3 + 2Н2О Са(ОН)2 + С2Н2 + Q.

При разложении 1 кг карбида кальция образуется 250—300 дм3
ацетилена. Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше
0,175 МПа, хорошо растворяется в ацетоне (в одном объеме ацетона
при давлении 0,15 МПа растворяется 23 объема ацетилена). Пос-
леднее свойство используют для его безопасного хранения в бал-
лонах .

Ацетиленовые генераторы могут быть различных систем и разме-
ров, их различают по способу взаимодействия воды и карбида каль-
ция, по давлению выходящего газа, по производительности.

Наиболее простая конструкция у генератора системы вода на
карбид, при которой воду периодически подают на карбид, насы-
панный в открытую сверху корзинку (рис. 5.19). Корзинку помещают
в горизонтальную цилиндрическую реторту, герметически закрыва-
ющуюся снаружи.
7

Б

5

Рис. 5.19. Схема газогенератора системы вода на карбид-.

1 — загрузочная корзинки; 2 — реторта; 3 — трубка дал подучи води в р>'.горгу

Рис. 5.20. Схема газосварочной инжекторной горелки

На пути следования газа от генератора к сварочной горелке
устанавливают предохранительные водяные затворы, предотвра-
щающие проникание кислородно-ацетилеиового пламени в ацетиле-
новый генератор при его обратном ударе. Обратный удар возникает,
когда скорость истечения газов становится меньше скорости их
горения. Практически обратный удар происходит при перегреве
горелки и засорении сопла или центрального отверстия инжек-
тора.

Ацетиленовые генераторы взрывоопасны и нуждаются в специ-
альном обслуживании. При работе одного-двух сварочных постов
и в полевых условиях целесообразно использовать баллонный ацети-
лен. Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на
них красной краской надпись «Ацетилен». Их конструкция анало-
гична конструкции кислородных баллонов. Давление ацетилена
в баллоне 1,5 МПа. В баллоне находятся пористая масса (активиро-
ванный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет
поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Раство-
ренный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и стано-
вится безопасным.

Газосварочные горелки используют для образования газосва-
рочного пламени. В промышленности наиболее распространена
инжекторная горелка, так как она более безопасна и работает па
низком и среднем давлениях (рис. 5.20). В инжекторной горелке
кислород под давлением 0,1—0,4 МПа через регулировочный вен-,
тиль 6 и трубку 7 подается к инжектору 5, Выходя с большой ско-
ростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает
значительное разрежение в камере 4 и засасывает горючий газ,
поступающий через вентиль 8 в ацетиленовые каналы горелки 9
и камеру смешения 3, где образуется горючая смесь. Затем горючая
смесь поступает по наконечнику 2 к мундштуку 1, на выходе из кото-
рого при сгорании образуется сварочное пламя.

Горелки этого типа имеют сменные наконечники с различными
диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука, что
позволяет регулировать мощность ацетилено-кислородного пламени.
Обычно горелки имеют семь номеров сменных наконечников.

206
Газосварочное пламя образуется в ре-
зультате сгорания ацетилена, смешивающего-
ся в определенных пропорциях с кислоро-
дом в сварочных горелках. Ацетилено-кисло-
родное пламя состоит из трех зон (рис. 5.21):
ядра пламени 1, средней зоны 2 (сварочной),
факела пламени 3(1 — длина). На рисунке
показано строение газосварочного пламени
и распределение температуры по его оси.
В зоне 1 происходит постепенный нагрев до
температуры воспламенения газовой смеси,
поступающей из мундштука; в зоне 2 —

первая стадия горения ацетилена за счет
кислорода, поступающего из баллона:

С2Н2 + О2 2СО + Н2.

Рис. 5.21 Газосварочное

пламя

Зона 2, имеющая самую высокую температуру и обладающая
восстановительными свойствами, называется сварочной, или рабочей,
зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена
за счет атмосферного кислорода:

2СО + Н2 + (3/2)О2 = 2СО2 + НаО.

Углекислый газ и пары воды при высоких температурах окисляют металл,
поэтому эту зону называют окислительной. Газосварочное пламя называется нор-
мальным, когда соотношение газов О2/С2Н2 « 1. Нормальным пламенем сваривают
большинство сталей. При увеличении содержания кислорода (О2/С2Н2 > 1) пламя
приобретает голубоватый оттенок и имеет заостренную форму ядра. Такое пламя об-
ладает окислительными свойствами и может быть использовано только при сварке
латуни. В этом случае избыточный кислород образует с цинком, содержащимся
в латуни, тугоплавкие оксиды, пленка которых препятствует дальнейшему испаре-
нию цинка.

При увеличении содержания ацетилена (О2/С2Н»<; 1) пламя становится коп-
тящим, удлиняется и имеет красноватый оттенок. Такое пламя называют науглеро-
живающим и применяют для сварки чугуна н цветных металлов, так как в этом слу-
чае компенсируется выгорание углерода и восстанавливаются оксиды цветных
металлов.

Для газовой сварки сталей присадочную проволоку выбирают
в зависимости от состава сплава свариваемого металла. Для сварки
чугуна применяют специальные литые чугунные стержни; для на-
плавки износостойких покрытий — литые стержни из твердых спла-
вов. Для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов
используют флюсы, которые могут быть в виде порошков и паст;
для сварки меди и ее сплавов — кислые флюсы (буру, буру с борной
кислотой); для сварки алюминиевых сплавов — бескислородные
флюсы на основе фтористых, хлористых солей лития, калия, натрия
и кальция. Роль флюса состоит в растворении оксидов и образования
шлаков, легко всплывающих на поверхность сварочной ванны. Во
флюсы можно вводить элементы, раскисляющие и легирующие на-
плавленный металл.

Для сварки латуни применяют газофлюсовую сварку с дозиро-
ванной подачей в сварочную ванну газового флюса. Флюс, предста-
вляющий собой эфир борной кислоты (ВОСНз), подают в ацетилено-
вый канал сварочной горелки, где он сгорает в пламени и образует
борный ангидрид, связывающий оксиды цинка. В результате обра-
зуется слой шлака, препятствующий дальнейшему выгоранию цинка.

При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем
при дуговой; это и определяет основные области ее применения:
для сварки металлов малой толщины (0,2—3 мм); легкоплавких
цветных металлов и сплавов; для металлов и сплавов, требующих
постепенного нагрева и охлаждения, например инструментальных
сталей, чугуна, латуней; для пайки и наплавочных работ; для под-
варки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении
толщины металла производительность газовой сварки резко сни-
жается. При этом за счет медленного нагрева свариваемые изделия
значительно деформируются. Это ограничивает применение газовой
сварки.

11.	ТЕРМИЧЕСКАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Газокислородная резка заключается в сжигании металла
в струе кислорода и удалении этой струей образующихся оксидов.
При горении железа в кислороде выделяется значительное количе-
ство теплоты по реакции

3Fe + 2Оа = Fe3O4 + Q.

Для начала горения металл подогревают до температуры его воспла-
менения в кислороде (например, сталь—до 1000—1200 °C). На
рис. 5.22 показан процесс газокислородной резки. Металл 3 нагре-
вается в начальной точке реза подогревающим ацетилено-кислород-
ным пламенем 2, затем направляется струя режущего кислорода 1,
и нагретый металл начинает гореть. Горение металла сопровождается
выделением теплоты, которая вместе с подогревающим пламенем
разогревает лежащие ниже слои на всю толщину металла. Образу-
ющиеся оксиды 5 расплавляются и выдуваются струей режущего
кислорода из зоны реза 4. Конфигурация пере-
мещения струи соответствует заданной форме
реза.

Для обеспечения нормального процесса рез-
ки металл должен отвечать следующим требо-
ваниям: температура его плавления должна
быть выше температуры горения в кислороде;
температура плавления оксидов металла должна
быть ниже температуры его плавления; коли-
чество теплоты, выделяющейся при сгорании
j металла в кислородный струе, должно быть
достаточным для поддержания непрерывного
процесса резки; теплопроводность металла не
должна быть слишком высокой, в противном
случае теплота слишком интенсивно отводится

Рис. 5,22, Схема газокислородной резки
и процесс резки прерывается; образующиеся оксиды должны быть
достаточно жидкотекучими и легко выдуваться вниз струей режу-
щего кислорода.

Практически указанным требованиям отвечают железо, низко-
углеродистые и низколегированные стали.

По характеру и направленности кислородной струи различают
следующие способы резки.

Разделительная резка — режущая струя направлена
нормально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину.
Разделительной резкой раскраивают листовую сталь, разрезают
профильный материал, вырезают косынки, круги, фланцы и т. п.
Поверхностная резка — режущая струя направлена под
очень малым углом к поверхности металла (почти параллельно ей)
и обеспечивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют по-
верхностные дефекты отливок.

Резка кислородным копьем — копье образуется
тонкостенной стальной трубкой, присоединенной к рукоятке и сво-
бодным концом прижатой к прожигаемому металлу. Резка начи-
нается с подогрева конца заготовки сварочной дугой или горелкой.
При пропускании кислорода через трубку (копье) ее конец быстро
загорается и дальнейший подогрев не нужен. Копье прижимают
к металлу и углубляют в него. Таким образом, выжигают отверстия
круглого сечения. Кислородным копьем отрезают прибыли крупных
отливок, прожигают летки в металлургических печах, отверстия
в бетоне и т. п.

Резка может быть ручной и машинной. Для ручной резки
применяют универсальный резак типа УР со сменными мундшту-
ками (рис. 5.23). В резаке конструктивно объединены подогревающая
часть и режущая. Подогревающая часть аналогична таковой у сва-
рочных горелок. Режущая часть состоит из дополнительной трубки 4
для подачи режущего кислорода. В мундштуке находятся два кон-
центрически расположенных отверстия для выхода подогревающего
пламени 1 и режущей струи 2. Мундштук резака 3 образует прямой
угол со стволом. При замене ацетилена другими горючими газами в ре-
заке увеличивают сечения каналов инжектора и смесительной камеры.

Рис. 5.23. Схема газокислородного резака
Ручная резка вследствие неравномерности перемещения резака
И вибрации режущей струп не обеспечивает высокого качества
поверхности реза, поэтому полость реза механически обрабатывают,
Для получения реза высокого качества применяют м а ш и н-
Н у ю резку, которая обеспечивает равномерное перемещение резака
по линии реза, строгую перпендикулярность режущей струп к раз-
резаемой поверхности и постоянное расстояние мундштука от по-
верхности металла. Машинную резку выполняют специальными
автоматами и полуавтоматами с одним или несколькими резаками,
при вырезке прямолинейных и криволинейных фасонных загото-
вок — по металлическому копиру.

Обычной кислородной резкой разрезают металлы толщиной
5—300 мм. При резке металла толщиной более 300 мм применяют
специальные резаки.

При кислородно-флюсовой резке в зону резки вместе с режущим кислородом
вдувают порошкобразный флюс, с железной основой. При сгорании флюса в кисло-
родной струе выделяется дополнительное количество теплоты. В то же время ча-
стицы флюса, выходя из сопла резака с большой скоростью, механически удаляют
тугоплавкие оксиды. Для получения флюса к -железному порошку примешивают
флюсующие добавки, поэтому кроме термического и механического удаления окси-
дов происходит флюсование, т. е. перевод их в более легкоплавкие соединения.
Кислородно-флюсовую резку используют для высокохромистых и хромоникелевых
сталей, чугунов, медных сплавов. Кислородно-флюсовую резку выполняют с по-
мощью специальной аппаратуры-, фаюсопитэтеня и кислоро-дюго резака с пр к по-
соблсниями для подачи флюса

При воздушно-дуговой резке металл расплавляется дугой непла-
вящимся графитовым электродом, а расплавленный металл выду-
вается из полости реза потоком сжатого воздуха, подаваемого парал-
лельно электроду. Воздушно-дуговую резку можно выполнять во
всех пространственных положениях. Основная область ее примене-
ния — поверхностная обработка металла (различные углубления
в виде канавок, снятие лишнего или дефектного металла и т,- п.).
Применяют разделительную воздушно-дуговую резку. Для воздуш-
но-дуговой резки используют специальные резаки, представляющие
собой держатель электродов, головка которого имеет сопла для
подачи воздуха.

Плазменно-дуговую резку выполняют плазменной дугой и плаз-
менной струей. При резке плазменной дугой металл выплавляется
из полости реза направленным потоком плазмы, совпадающим
с токоведущим столбом создающей его дуги прямого действия.
Этим способом разрезают толстые листы алюминия и его сплавов
(до 80—120 мм), высоколегированную сталь и медные сплавы.

Плазменной струей, полученной в столбе дугового разряда не-
зависимой дуги, разрезают неэлектропроводные материалы (напри-
мер, керамику), тонкие стальные листы, алюминиевые и медные
сплавы, жаропрочные сплавы и т. д. При плазменной резке исполь-
зуют аргон, его смесь с водородом, воздух и другие газы. Скорость
резки плазменной дугой при прочих равных условиях выше ско-
рости резки плазменной струей. Плазменную резку выполняют
специальным резаком, называемым плазмотроном.
ГЛАВА ш ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ И МЕХАНИЧЕСКАЯ
СВАРКА

1.	КОНТАКТНАЯ СВАРКА

Контактная сварка относится к видам сварки с кратко-
временным нагревом места соединения без оплавления или с опла-
влением и осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность
этих процессов — пластическая деформация, в ходе которой фор-
мируется сварное соединение.

Место соединения разогревается проходящим по металлу элек-
трическим током, причем максимальное количество теплоты вы-
деляется в месте сварочного контакта (рис. 5.24). Количество выде-
ляемой теплоты определяется законом Джоуля — Ленца:

Q « PRt,

где Q — количество теплоты, выделяемое в сварочном контуре, Дж;
R — полное электросопротивление сварочного контура, Ом; / —
сварочный ток, А; I — время протекания тока, с.

Полное электросопротивление сварочного контура R состоит из
электросопротивлений выступающих концов L свариваемых загото-
вок Д’3.1Г, сварочного контакта Rti и электросопротивления между
электродами и заготовками /?эл, т. е.

R & ^заг + Кк + ^а.т

Электросопротивление /?1( имеет наибольшее значение, так как
из-за неровностей поверхности стыка даже после тщательной обра-
ботки заготовки соприкасаются только в отдельных точках
(рис. 5.25). В связи с этим действительное сечение металла, через
которое проходит ток, резко уменьшается. Кроме того, на поверх-
ности свариваемого металла имеются пленки оксидов и загрязнения
с малой электропроводимостью, которые также увеличивают электро-
сопротивление контакта. В результате в точках контакта металл
нагревается до термопластического состояния пли до оплавления.
При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются
новые точки соприкосновения, пока не произойдет полное сближение
до межатомных расстояний, т. е. сварка поверхностей.

Рис. 5,24. Схема контактной сварки

Рис. 5.25. Физический контакт
Контактную сварку классифицируют по типу сварного соедине-
ния, определяющего вид сварочной машины, и по роду тока, пита-
ющего сварочный трансформатор. По типу сварного соединения
различают сварку стыковую, точечную и шовную.

По роду тока различают сварку переменным током, главным образом однофаз-
ным частотой 50 Гц; импульсом постоянного тока, когда первичная: обмотка свароч-
ного трансформатора подключается к выпрямительной установке, вследствие индук-
тивности трансформатора ток в первичной обмотке постепенно возрастает и во вто-
ричной обмотке индуктируется нарастающий импульс сварочного тока; аккумули-
рованной энергией.

2.	СТЫКОВАЯ СВАРКА

Стыковая сварка — разновидность контактной сварки,
при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкос-
новения. Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах стыковой
машины (рис. 5.26). Зажим 3 установлен на подвижной плите 4,
перемещающейся в направляющих, зажим 2 укреплен на неподвиж-
ной плите 1. Сварочный трансформатор соединен с плитами гибкими
шинами и питается от сети через включающее устройство. Плиты
перемещаются, и заготовки сжимаются под действием усилия Р,
развиваемого механизмом осадки.

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния
и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при
разогреве торцов заготовок до оплавления и последующей осад-
кой — сваркой оплавлением. Для правильного формирования свар-
ного соединения необходимо, чтобы процесс протекал в определенной
последовательности. Совместное графическое изображение тока и
давления, изменяющихся в процессе сварки, называют цикл о-
граммой сварки.

Циклограмма контактной стыковой сварки сопротивлением пред-
ставлена на рис. 5.27. Перед сваркой заготовки должны быть очи-
щены от оксидных пленок и торцы их плотно пригнаны друг к другу.
Для подгонки необходима механическая обработка торцов. Заго-
товки сдавливаются усилием Р, затем включается ток, металл разо-

рив. 5.26. Схема контактной
стыковой сварки

Рис. 5.27. Циклограмма кон-
тактной стыковой сварки со-
противлением
Рис. 5.28. Типы сварных соединений, выполняемых стыковой сваркой сопроти-
влением

гревается до пластического состояния, затем заготовки снова сдавли-
вают (осаживают). В месте сварки образуется усиление металла.

Параметрами режима контактной стыковой сварки сопротивле-
нием являются плотность тока /, А/мм2, удельное усилие сжатия
торцов заготовки р, Па, и время протекания тока /, с, которое

определяют косвенно через величину осадки, зависящую от устано-
вочной длины L. Установочной длиной L называют расстояние от
торца заготовки до внутреннего края электрода стыковой машины,
измеренное до начала сварки. Длина L зависит от теплофизических
свойств металла, конфигурации стыка и размеров заготовки.

Типы сварных соединений, выполняемых стыковой сваркой со-
противлением, представлены на рис. 5.28. Этим способом соединяют
заготовки малого сечения (до 100 мм2), так как при больших сечениях
нагрев будет неравномерным. Сечения соединяемых заготовок
должны быть одинаковыми по форме с простым периметром (круг,
квадрат, прямоугольник с малым отношением сторон). Сваркой

сопротивлением можно сваривать низкоуглеродистые, низколегиро-

ванные конструкционные стали, алюминиевые и медные сплавы.

Стыковая сварка оплавлением имеет две разновидности: непре-
рывным и прерывистым оплавлением. При непрерывном

оплавлении между заготовками, установленными в электродах ма-
шины, оставляют зазор, подключают ток и равномерно сближают
заготовки. Соприкосновение происходит вначале по отдельным
небольшим площадкам, через которые протекает ток высокой плот-
ности. При этом под действием магнитного поля расплавленный
и кипящий металл выбрасывается наружу. После достижения равно-

мерного оплавления всей поверхности стыка заготовки осаживают.

Циклограмма сварки
непрерывным оплавле-
нием показана на
рис. 5.29.

Рис. 5.29. Цикл контактной
стыковой сварки оплавле-
нием:

S — перемещение плиты, мм;

Р — усилие сжатия заготовок;
Z сварочный ток
Рис. 5.30. Типы сварных соединений стыковой сварки оплавлением

При прерывисто м оплавлении зажатые заготовки сбли-
жают под током, приводят их в кратковременное соприкосновение
и вновь разъединяют на небольшое, расстояние. Быстро повторяя
одно за другим сближения и разъединения, выполняют оплавление
всего сечения. Затем выключают ток и сдавливают заготовку. Под
давлением часть расплавленного металла вместе с оксидами выдавли-
вается из зоны сварки.

Сварка оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопро-
тивлением. В процессе оплавления выравниваются все неровности
стыка, а оксиды и загрязнения удаляются, поэтому не требуется
особой подготовки места соединения. Можно сваривать заготовки
с сечением сложной формы, а также заготовки с различными сече-
ниями, разнородные металлы (быстрорежущую и углеродистую
стали, медь и алюминий и т. д.).

Типы сварных соединений, выполняемых стыковой сваркой
оплавлением, приведены на рис. 5.30.

Наиболее распространенными изделиями, изготовляемыми стыко-
вой сваркой, служат элементы трубчатых конструкций, колеса
и кольца, инструмент, рельсы, железобетонная арматура.

3.	ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА

Точечная сварка — разновидность контактной сварки,
при которой заготовки соединяются в отдельных точках. При точеч-
ной сварке заготовки собирают внахлестку и зажимают с усилием Р
между двумя электродами, подводящими ток к месту сварки
(рис. 5.31). Соприкасающиеся с медными электродами поверхности
свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев.
Нагрев продолжают до пластического состояния внешних слоев
и до расплавления внутренних слоев. Затем выключают ток и сни-
мают давление. В результате образуется литая сварная точка.

Точечная сварка в зависимости от расположения электродов
по отношению к свариваемым заготовкам может быть двусторонней
и односторонней. При двусторонней сварке (рис. 5.31, а) две (или
больше) заготовки 1 сжимают между электродами 2 точечной ма-
214
Рис. 5.31. Схема контактной точечной
сварки:
а — двусторонней; б — односторонней

Рис. 5.32, Циклограмма кон-
тактной точечной сварки

шины. При односторонней сварке (рис. 5.31, б) ток распределяется
между верхним и нижним листами 3 и 4, причем нагрев осущест-
вляется частью тока, протекающего через нижний лист. Для увели-
чения тока, проходящего через нижний лист, предусмотрена медная
подкладка 5. Односторонней сваркой можно соединять заготовки
одновременно двумя точками. Параметры режима точечной сварки:
удельное усилие сжатия, МПа; плотность тока /, А/мм2; время про-
текания тока /, с.

На рис. 5.32 показана одна из применяемых циклограмм точечной
сварки. Весь цикл сварки состоит из четырех стадий: сжатие свари-
ваемых заготовок между электродами; включение тока и разогрев
места контакта до температуры плавления, сопровождающийся
образованием литого ядра точки; выключение тока и увеличение
сжатия для улучшения структуры сварной точки; снятие усилия
с электродов. Перед сваркой место соединения очищают от оксидных
пленок (наждачным кругом или травлением).

Типы сварных соединений, выполняемых точечной сваркой,
показаны на рис. 5.33. Точечной сваркой изготовляют штампо-
сварные заготовки при соединении отдельных штампованных эле-
ментов сварными точками. В этом случае, упрощается технология
изготовления сварных узлов и повышается производительность.
Точечную сварку применяют для изготовления изделий из низко-
углеродистых, углеродистых, низколегированных и высоколегиро-
ванных сталей, алюминиевых и медных сплавов. Толщина сварива-
емых металлов составляет 0.5—5 мм.

Рис. 5.33. Типы сварных соединений точечной сварки
Рис. 5.34. Схемы односторонней многоточечной сварки

Многоточечная контактная сварка — разновидность контактной
сварки, когда за один цикл свариваются несколько точек. Много-
точечную сварку выполняют по принципу односторонней точечной
сварки. Многоточечные машины могут иметь от одной пары до
100 пар электродов, соответственно можно сваривать 2—200 точек
одновременно. Многоточечной сваркой сваривают одновременно и
последовательно. В первом случае все электроды сразу прижимают
к изделию, что обеспечивает меньшее коробление и большую точность
сборки. Ток распределяется между прижатыми электродами спе-
циальным токораспределителем, включающим электроды попарно
(рнс. 5.34, а). Во втором случае пары электродов опускают пооче-
редно или одновременно, а ток подключают поочередно к каждой
паре электродов от сварочного трансформатора (рис. 5.34, б и в).
Многоточечную сварку применяют в основном в массовом произ-
водстве, где требуется большое число сварных точек на заготовке.

4.	ШОВНАЯ СВАРКА

Шовная сварка — разновидность контактной сварки, при
которой между свариваемыми заготовками образуется прочное и
плотное соединение. Электроды выполняют в виде плоских роликов,
между которыми пропускают свариваемые заготовки.

В процессе шовной сварки листовые заготовки 1 соединяют вна-
хлестку, зажимают между электродами 2 (рис. 5.35) и пропускают
Рис. 5.36. Циклы шовной сварки при включении тока:

а — непрерывном; б — прерывистом; Р — усилие сжатия; S перемещение роликов}
1 сварочный ток; t — время

ток. При движении роликов по заготовкам образуются перекрываю-
щие друг друга сварные точки, в результате чего получается сплош-
ной герметичный шов. Шовную сварку, так же как и точечную, можно
выполнить при двустороннем а и одностороннем б расположениях
электродов.

Циклограммы процесса шовной сварки бывают с непрерывным
включением тока (рис. 5.36, а) и с прерывистым (рис. 5.36, б).
Последовательность этапов технологических операций в начале и
при завершении сварки шва такая же, как и при точечной. Цикло-
грамму с непрерывным включением тока при-
меняют для сварки коротких швов и металлов и сплавов, не склонных
к росту зерна и не претерпевающих заметных структурных пре-
вращений при перегреве околошовной зоны (низкоуглеродистые и
низколегированные стали). Циклограмма с прерывистым
включением тока обеспечивает стабильность процесса
и высокое качество сварного соединения при малой зоне термического
влияния. Ее используют при сварке длинных швов на заготовках из
высоколегированных сталей и алюминиевых сплавов.

Шовную сварку применяют в массовом производстве при изго-
товлении различных сосудов. Толщина свариваемых листов сос-
тавляет 0,3—3 мм. Шовной сваркой выполняют те же типы свар-
ных соединений, что и точечной, но используют для получения гер-
метичного шва.

5.	СВАРКА АККУМУЛИРОВАННОЙ ЭНЕРГИЕЙ

Сущность сварки аккумулированной энергией заключа-
ется в том, что кратковременные сварочные операции осуществля-
ются за счет энергии, запасенной в соответствующем приемнике,
непрерывно заряжающемся и периодически разряжающемся на
сварку.

Существуют четыре разновидности сварки аккумулированной
энергией: конденсаторная; электромагнитная; инерционная и акку-
муляторная. Накопление энергии соответственно происходит в ба-
о

Рис. 5.37. Схемы конденсаторной сварки:

о — бестрапсформаторная; б — трансформаторная; Т\ — повышающий трансформатор;
Т'2 — сварочный трансформатор; С конденсаторная батарея; В — выпрямитель' П —
переключатель

тарее конденсаторов, в магнитном поле специального сварочного
трансформатора, во вращающихся частях генератора или в акку-
муляторной батарее.

Наибольшее промышленное применение получила конденса-
торная сварка. Энергия в конденсаторах накапливается при их за-
рядке от источника постоянного тока (генератора или выпрямителя),
а затем в процессе их разрядки преобразуется в теплоту, использу-
емую для сварки. Накопленную в конденсаторах энергию можно
регулировать изменением емкости и напряжения зарядки:

А = CU2/‘2,

где С — емкость конденсаторов, Ф; U — напряжение зарядки кон-
денсаторов, В.

При конденсаторной сварке возможны точная дозировка коли-
чества энергии, не зависящая от внешних условий, в частности от
напряжения сети; малое время протекания тока (тысячные и десяти-
тысячные доли секунды) при высокой плотности тока, обеспечиваю-
щие небольшую зону термического влияния, что позволяет сваривать
материалы малых толщин (до нескольких микрометров): невысокая
потребляемая мощность (0,2—2 кВ-А).

Существуют два способа конденсаторной сварки: бестрансфор-
маторная, когда конденсаторы разряжаются непосредственно на
свариваемые детали, и трансформаторная, когда конденсатор раз-
ряжается на первичную обмотку сварочного трансформатора,
во вторичной цепи которого находятся предварительно сжатые сва-
риваемые заготовки.

Примером бестрансформаторной сварки служит ударная кон-
денсаторная сварка (рис. 5.37, а), когда концы обкладок конденса-
тора подключены непосредственно к свариваемым заготовкам 2 и 3;
один из концов жестко закреплен, а другой .может перемещаться в на-
правляющих 5. Если освободить защелку 4, удерживающую заго-
ловку 2, то под действием пружины 1 она быстро переместится по
£18
направлению к неподвижной заготовке .3 и ударится о нее. Перед
соударением возникает мощный разряд за счет энергии, накопленной
в конденсаторе. Этот разряд оплавляет торцы обеих заготовок, кото-
рые после соударения свариваются между собой под действием
усилия осадки. Бестрансформаторной сваркой можно сваривать встык
проволоки и тонкие стержни разной толщины из разнородных ме-
таллов (вольфрам—никель, молибден—никель, медь—константан).

Трансформаторная конденсаторная сварка предназначена в ос-
новном для точечной и шовной сварки, но может быть использована
и для стыковой. При этом способе разряд конденсатора преобразу-
ется с помощью сварочного трансформатора (рис. 5.37, б). В левом
положении переключателя П конденсатор С заряжается от источ-
ника постоянного тока. В правом положении переключателя проис-
ходит разряд конденсатора на первичную обмотку сварочного транс-
форматора Т2. При этом во вторичной обмотке индуктируется ток
большой силы, обеспечивающий сварку предварительно зажатыХ
между электродами заготовок.

Конденсаторную сварку применяют в производстве электроизме-
рительных п авиационных приборов, часовых механизмов, фото-
аппаратов, радиоламп и т. п.

6.	ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

Контактную сварку выполняют с помощью специальных
контактных машин. Контактные машины в зависимости от типа вы-

полняемого на них соединения подразделяют на стыковые, точечные
и шовные. Контактная машина состоит из трех основных частей:

источника тока, прерывателя тока и механизма давления.

Электрическая схема контактных машин состоит из трех элемен-

тов: трансформатора, прерывателя тока
мощности (рис. 5.38). Первичную об-
мотку трансформатора подключают
к сети с напряжением 220—380 В; ее
изготовляют секционной для изменения
числа рабочих витков при переключе-
нии ступени мощности. Вторичная об-
мотка трансформатора состоит из одного
или двух витков (вторичное напряже-
ние I —12 В). Сила вторичного тока со-
ставляет 1000—100 000 А.

При изменении числа витков первич-
ной обмотки изменяется коэффициент
трансформации 1г:

/г =	= UJU.,

где и — число витков первич-
ной и вторичной обмоток; Ui и U2—
соответственно первичное и вторичное
напряжения обмотки.

и переключателя степеней

Рис. з.Зл. Электрическая схема
контактной машины:

1 — спариваемое изделие; > — кон-
тактная колодка; 3 — сварочный
трансформатор; -/ — регулятор та-
ка; 5 — электромагнитный прерыва-
тель тока; 6 — включающая кнопка
Вторичное напряжение

U2	UiWz/wl,

где w2 = 1; U\ — величина постоянная.

Следовательно, для изменения U2 необходимо изменить число
включенных витков первичной обмотки соответственно будет
изменяться и ток.

В процессе сварки приходится периодически, а часто с весьма
большой частотой включать и выключать ток. Для этой цели приме-
няют прерыватели тока нескольких типов: простые механические
контакторы, электромагнитные, электронные приборы (тиратронные
и игнитронные), полупроводниковые приборы (тиристоры). Меха-
нические контакторы применяют главным образом на стыковых и то-
чечных машинах неавтоматического действия небольшой мощности.
Электромагнитные контакторы применяют для стыковой, точечной и
шовной сварки на машинах малой и средней мощности.

Электронные и полупроводниковые приборы (тиристоры) обеспе-
чивают включение и выключение тока со строго определенной про-
должительностью импульсов тока и пауз. Их применяют для всех
типов контактных машин автоматического действия.

Механизмы давления служат для сжатия заготовок между элект-
родами машины, они могут иметь рычажно-педальный, электроме-
ханический или пневматический привод давления.

Машины для стыковой сварки выпускают мощностью 5—
500 кВ'А. Стыковые машины мощностью до 25 кВ-А применяют для
сварки сопротивлением черных И цветных металлов; мощностью
25—250 кВ-А — для сварки сопротивлением и оплавлением черных
металлов; мощностью 150—500 кВ-А — для автоматической сварки
оплавлением с подогревом.

Машины для точечной сварки выпускают мощностью 0,1 —
250 кВ-А. Точечные машины мощностью 0,1—25 кВ-A применяют
для сварки заготовок толщиной 0,1—2 мм из черных и цветных ме-
таллов; мощностью 50—100 кВ-А с пневматическим или электроме-
ханическим приводом давления — для автоматической сварки в мас-
совом производстве; мощностью 75—250 кВ-А с пневматическим
приводом давления и электронными прерывателями тока — для
сварки заготовок толщиной от 2 мм и выше. Эти машины могут быть
использованы также для рельефной сварки.

Машины для шовной сварки по конструктивному оформлению
близки к машинам для точечной сварки и отличаются от них формой
электродов, выполненных в виде роликов. Шовные машины выпу-
скают мощностью 25—200 кВ-А. В зависимости от способа шовной
сварки (непрерывное или прерывистое включение тока) их снаб-
жают механическими или электронными прерывателями тока.

7.	ХОЛОДНАЯ СВАРКА

Холодную сварку выполняют без нагрева при нормальных
и пониженных температурах. Физическая сущность процесса заклю-
чается в сближении свариваемых поверхностей до образования
£20
fp	a)

Рис. 5.39. Схема холодной сварки

металлических связей между ними. Такое сближение достигается
приложением больших удельных усилий в месте соединения. В ре-
зультате происходит совместная пластическая деформация. Большое
усилие сжатия обеспечивает разрушение пленки оксидов на свари-
ваемых поверхностях и образование чистых поверхностей металла.
При холодной сварке свариваемые поверхности очищают от адсорби-
рованных жировых пленок.

Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые
соединения. На рис. 5.39, а представлена схема холодной точечной
сварки. Свариваемые заготовки 1 с тщательно зачищенной поверх-
ностью 2 в месте соединения помещают между пуансонами 4, имею-
щими выступы 5. При сжатии пуансонов усилием Р выступы 5 вдав-
ливаются в металл до тех пор, пока поверхности 3 пуансонов не уп-
рутся в наружную поверхность свариваемых заготовок. Форма сва-
ренной точки зависит от формы выступа в пуансоне (рис. 5.39, б).

Для холодной шовной сварки применяют специальные ролики.
Непрерывное соединение может быть получено путем сдавливания
одновременно по всей длине соединения или путем прокатывания
ролика. Швы, образующие замкнутый контур небольшой длины
в виде кольца, прямоугольника и т. п., получают контурной
сваркой. На рис. 5.39, в дана схема сварки полых деталей по
контуру. Пуансоны 6 и 7 строго центрируют с помощью кор-
пуса 8.

Холодной сваркой сваривают металлы и сплавы толщиной 0,2—
15 мм. Удельные усилия, зависящие от состава и толщины сварива-
емого материала, в среднем составляют 150—1000 МПа.

Холодной сваркой в основном сваривают однородные или не-
однородные металлы и сплавы, обладающие высокой пластичностью
при нормальной температуре. В недостаточно пластичных металлах
при больших деформациях могут образоваться трещины. Высоко-
прочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают, так
как для этого требуются очень большие удельные усилия, которые
практически трудно осуществить.

Хорошо свариваются сплавы алюминия, кадмия, свинца, меди,
никеля, золота, серебра, цинка и тому подобные металлы и сплавы.
К преимуществом этого способа относятся малый расход энергии,
незначительное изменение свойства металла, высокая производи-
тельность, возможность автоматизации.
Для соединения Холодной точечной сваркой могут быть исполь-
зованы любые прессы (винтовые, гидравлические, рычажные, эксцен-
триковые), кроме того, специализированные установки для стыковой
холодной сварки.

8.	СВАРКА ТРЕНИЕМ

Сварка трением относится к процессам, в которых исполь-
зуются взаимное перемещение свариваемых поверхностей, давление
и кратковременный нагрев. Сварка трением происходит в твердом
состоянии при взаимном скольжении двух заготовок, сжатых силой Р.
Работа, совершаемая силами трения при скольжении, превращается
в теплоту, что приводит к интенсивному нагреву трущихся поверх-
ностей. Трение поверхностей осуществляется вращением или воз-
вратно-поступательным перемещением сжатых заготовок (рис. 5.40).
В результате нагрева и сжатия происходит совместная пластическая
деформация. Сварное соединение образуется вследствие возникнове-
ния металлических связей между чистыми (ювенильными) контакти-
рующими поверхностями свариваемых заготовок. Оксидные пленки
на соединяемых поверхностях разрушаются в результате трения и
удаляются за счет пластической деформации в радиальных направ-
лениях.

Основные параметры сварки трением: скорость относительного
перемещения свариваемых поверхностей, продолжительность на-
ррева, удельное усилие, пластическая деформация, т. е. осадка.
Требуемый для сварки нагрев обусловлен скоростью вращения и осе-
вым усилием. Для получения качественного соединения в конце
процесса необходимо быстрое прекращение движения и приложение
повышенного давления. Параметры режима сварки трением зависят
от свойств свариваемого металла, площади сечения и конфигурации
изделия. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные
металлы и сплавы с различными свойствами, например медь со
сталью, алюминий с титаном и др. На рис. 5.41 показаны основ-
ные типы соединений, выполняемых сваркой трением. Соединение
получают с достаточно высокими механическими свойствами. В про-

Рис. 5.40. Схемы сварки трением:

а — с вращением одной детали; б — с вращением обеих деталей; в с вращающейся встав*

кой; г — с возвратно-поступательным движением одной детали
Рис. 5.41. Типы сварных соединений сварки трением:

а — сварка стержней встык; б — сварка труб встык; п — евлрка встык стержня с трх;бой;-
г — приварка стержня к листу; д приварка трубы к листу; а — приварка стержня к мас-
сивной детали

мышленностп сварку трением применяют при изготовлении режу-
щего инструмента, различных валов, штоков с поршнями, пуансо-
нов и т. п. При сварке трением по сравнению с контактной стыковой
сваркой снижаются затраты энергии (в 5—10 раз) и требуемые мощ-
ности.

Для сварки трением выпускают серийные машины МСТ-23,
МСТ-35 и МСТ-41 мощностью 10, 20 и 40 кВт; в виде исключения
после соответствующей реконструкции используют обычные метал-
лорежущие станки (токарные, фрезерные, сверлильные).

9.	УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА

Ультразвуковая сварка относится к процессам, в которых
используют давление, нагрев и взаимное трение свариваемых по-
верхностей. Силы трения возникают в результате действия на за-
готовки, сжатые осевой силой Р, механических колебаний с ультра-
звуковой частотой. Для получения механических колебаний высокой
частоты используют магнитострикционный эффект, основанный на
изменении размеров некоторых материалов под действием перемен-
ного магнитного поля. Изменения размеров магнитострикционных
материалов очень незначительны, поэтому для увеличения ампли-
туды и концентрации энергии колебаний и для передачи механиче-
ских колебаний к месту сварки используют волноводы, в боль-
шинстве случаев сужающейся формы.

При ультразвуковой сварке (рис. 5.42) свариваемые заготовки 5
размещают на опоре 6. Наконечник 4 рабочего инструмента 3 соеди-
нен с магнитострикционным преобразователем 1 через трансформа-
тор 2 продольных упругих колебаний, представляющих собой вместе
с рабочим инструментом волновод. Нормальная сжимающая сила Р
Рис. 5.42. Схема ультразвуковой сварки

создается моментом М в узле колеба-
ний. В результате ультразвуковых
колебаний в тонких слоях контакти-

Рис. 5.43. Ультразвуковая
сварка ио контуру:

1 — волновод; 2 — сменный по-
лый штифт; 3 — сменный при-
жимной штифт; 4 — прижимная
опора; 5—свариваемое изделие

рующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разруша-
ющие поверхностные пленки.

Тонкие поверхностные слон металла нагреваются, металл в этих
слоях немного размягчается и иод действием сжимающего усилия
пластически деформируется. При сближении поверхностей на рас-
стояние действия межатомных сил между ними возникает прочная
связь. Сравнительно небольшое тепловое воздействие на сваривае-
мые материалы обеспечивает минимальное изменение их структуры,
механических и других свойств. Например, при сварке меди темпе-
ратура в зоне контакта не превышает 600 °C, а при сварке алюминия
200—300 °C. Это особенно важно при сварке химически активных
металлов.

Ультразвуковой сваркой можно получать точечные и шовные
соединения внахлестку, а также соединения по замкнутому контуру.
При сварке по контуру, например, по кольцу, в волновод вставляют
конический штифт, имеющий форму трубки. При равномерном под-
жатии заготовок к свариваемому штифту получают герметичное со-
единение по всему контуру (рис. 5.43). Ультразвуковой сваркой мо-
жно сваривать заготовки толщиной до 1 мм и ультратопкие заготовки
толщиной до 0,001 мм, а также приваривать тонкие листы и фольгу
к заготовкам неограниченной толщины. Снижение требований к ка-
честву свариваемыхЪоверхностей позволяет сваривать плакированные
и оксидированные поверхности и металлические изделия, покрытые
различными изоляционными пленками. Этим способом можно сва-
ривать металлы в однородных и разнородных сочетаниях, например
алюминий с медью, медь со сталью и т. п. Ультразвуковым способом
сваривают и пластмассы, однако в отличие от сварки металлов
к заготовкам подводятся поперечные ультразвуковые колеба-
ния.
В нашей стоане выпускают ультразвуковые машины типа
УЗСМ-1 и УЗСМ-2.

Ультразвуковую сварку применяют в приборостроении, радио-
электронике, авиационной промышленности и других отраслях.

10.	СВАРКА ВЗРЫВОМ

Сварку взрывом можно отнести к видам сварки с оплав-
лением при кратковременном нагреве на воздухе, так как на отдель-
ных участках наблюдаются зоны металла, нагретые до оплавления.
Однако на других участках температура может быть невысока, и
здесь процесс приближается к холодной сварке.

Большинство технологических схем сварки основано на исполь-
зовании направленного (кумулятивного) взрыва (рис. 5.44). Соеди-
няемые поверхности двух заготовок 4 и 3, в частности пластин,

одна из которых неподвижна и служит основанием, располагают
под углом а друг к другу на расстоянии п().На заготовку 3 уклады-
вают взрывчатое вещество 2 толщиной И, а со стороны, находящейся
над вершиной угла, устанавливают детонатор / .Сваривают на жесткой
опоре. Давление, возникающее при взрыве, сообщает импульс рас-
положенной под зарядом пластине. Детонация взрывчатого вещества
с выделением газов и теплоты происходит с большой скоростью
(несколько тысяч метров в секунду).

В месте соударения метаемой пластины с основанием образуется
угол у, который перемещается вдоль соединяемых поверхностей.
При соударении из вершины угла выдуваются тонкие поверхностные
слои, оксидные пленки и другие загрязнения. Соударение пластин
вызывает течение металла в их поверхностных слоях. Поверхности
сближаются до расстояния действия межатомных сил взаимодей-
ствия, и происходит схватывание по всей площади соединения. Про-
должительность сварки взрывом не превышает нескольких микро-
секунд. Зтого времени недостаточно для протекания диффузионных

процессов, сварные соединения
нений между разнородными
металлами и сплавами.

Прочность соединений, вы-
полненных сваркой взрывом,
выше прочности соединяемых
материалов. Разрушение при
испытании происходит на не-
котором расстоянии от плоско-
сти соединения по наименее
прочному металлу. Это объясня-
ется упрочнением топких слоев
металла, прилегающих к соеди-
ненным поверхностям, при их
пластической деформации.

Параметры сварки взрывом:
скорость детонации D, нормаль-

но образуют промежуточных соеди-

Рис. 5.44. Схема сварки взрывом

225

8 А. М. Дальский и др.
ная скорость vn метаемой пластины при соударении с основанием и
угол у их встречи при соударении. Скорость детонации, определяемая
типом взрывчатого вещества и толщиной его слоя, должна обеспечи-
вать образование направленной (кумулятивной) струи без возникно-
вения опасных для металла ударных волн.

Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для про-
ката биметалла, плакирования поверхностен конструкционных ста-
лей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими
свойствами, при сварке заготовок из разнородных материалов. Це-
лесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой»

11.	ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА

При диффузионной сварке соединение образуется в ре-
зультате взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контак*
тирующих материалов, находящихся в твердом состоянии. Темпе-
ратура нагрева при сварке несколько выше или ниже температурь)!
рекристаллизации более легкоплавкового материала. Диффузион-
ную сварку в большинстве случаев выполняют в вакууме, однако она
возможна в атмосфере инертных защитных газов. Свариваемые за-
готовки 3 (рис. 5.45) устанавливают внутри охлаждаемой металли-
ческой камеры 2, в которой создается вакуум 133( 1()-3ч-10-5) Па,
и нагревают с помощью вольфрамового или молибденового нагрева-
теля или индуктора ТВЧ 4 (5 — к вакуумному насосу; 6 — к высо-
кочастотному генератору).Можетбытьиспользовантакже и электрон-
ный луч, позволяющий нагревать заготовки с еще более высокими
скоростями, чем при использовании ТВЧ. Электронный луч при-
меняют для нагрева тугоплавких металлов и сплавов. После тогй
как достигнута требуемая температура, к заготовкам прикладывают
с помощью механического //гидравлического или пневматического
устройства небольшое сжимающее давление (1—20 iMHa) в течение
5—20 мин. Такая длительная выдержка увеличивает площадь кон-

Рис. 5.45. Схема диффузионной сварки
в вакууме

такта между предварительно
очищенными свариваемыми по-
верхностями заготовок. Время
нагрева определяется родом
свариваемого металла, разме-
рами и конфигурациями заго-
товок.

Для получения качествен-
ного соединения нагрев заго-
товок по всему сечению должен
быть равномерным, а их по-
верхности очищены от оксидов
и загрязнений. При нагреве
в вакууме тончайшие адсорби-
рованные и масляные пленки
испаряются и не препятствуют
образованию соединения.
Преимуществом диффузионной сварки в вакууме является от-
сутствие припоев, электродов и флюсов. Металлы и сплавы можно
Соединять в однородных и разнородных сочетаниях, независимо
0т их твердости и взаимного смачивания, и получать прочные со-
единения без изменения физико-механических свойств. После сварки
не требуется механической обработки для удаления шлака, грата или
окалины.

Диффузионную сварку применяют в космической технике и ра-
диоэлектронике, в самолетостроении, в приборостроении, в пище-
вой промышленности и других отраслях. Этот способ используют
для сварки деталей и узлов вакуумных приборов, высокотемпера-
турных нагревателей, при производстве инструмента и т. д.

Установки для диффузионной сварки выпускают для единичного
производства с обычным ручным управлением и для серийного по-
точно-массового производства с полуавтоматическим или автомати-
ческим программным управлением.

ГЛАВ А IV. НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ

И ЖАРОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ

1.	НАПЛАВКА

Наплавка — процесс, при котором на поверхность детали
наносится слой металла требуемого состава. Наплавку применяют
при ремонте изношенных деталей для восстановления их исходных
размеров и для изготовления новых изделий. Масса наплавленного
Металла обычно не превышает нескольких процентов от общей массы
изделия. Проплавление основного металла и перемешивание основ-
ного и наплавленного металлов должно быть минимальным для сох-
ранения механических свойств наплавляемого слоя

Для наплавочных работ создано большое количество различных сплавов, ко-
торые можно разделить па следующие основные группы: стали (углеродистые, ле-
гированные); сплавы па основе железа (высокохромистые чугуны, сплавы с бором
и хромом, сплавы с кобальтом, молибденом или вольфрамом); сплавы на основе
никеля и кобальта; сплавы на основе меди; карбидные сплавы (с карбидом вольфрама
или хрома). Разработано --70 марок наплавочных электродов, кроме того, можно
применять электрода: общего назначения.

Ручная дуговая наплавка металлическими электродами — са-
мый простой способ. Наплавку выполняют короткой дугой на ми-
нимальном токе. Для повышения производительности применяют
наплавку пучком электродов и трехфазной дугой.

Автоматическая наплавка под флюсом обеспечивает довольно
большой объем ванны жидкого флюса и металла. Крупные детали
наплавляют многодуговой наплавкой, при этом один рабочий упра-
вляет одновременно несколькими аппаратами, каждый из которых
обрабатывает определенный участок изделия.

Применяют миогоэлектродную наплавку, когда плавятся одно-
временно несколько электродных проволок, подключенных к одному
полюсу источника тока и расположенных поперек осн наплавленного
валика. Под флюсом создается одна общая сварочная ванна, и
электроды плавятся поочередно. Вместо электродной проволоки в ка-
честве присадочного материала можно использовать ленту небольшой
толщины и большой ширины. Дуга, перебегая от одного края ленты
к другому, равномерно оплавляет ее торец. Коэффициент наплавки
получается больше, а глубина проплавления и доля основного ме-
талла меньше.

Электрошлаковую наплавку применяют, когда необходимо на-
плавить большое количество металла. Преимущество электрошла-
ковой наплавки — высокая производительность, малая склонность
наплавленного слоя к порам и трещинам, высокое качество поверх-
ности наплавки. Толщина наплавляемого слоя не менее 20 мм.

Наплавку ТВЧ выполняют с помощью индукционного нагрева
с присадочным металлом, который предварительно наносят на по-
верхность изделия в виде смеси порошков, литого кольца или прес-
сованного брикета, либо расплавляют в огнеупорной воронке,
расположенной над наплавляемой деталью.

Дуговую наплавку неплавящимся электродом применяют в ос-
новном для твердых зернистых и порошковых сплавов. Дуговую
наплавку вольфрамовым электродом в защитных газах (аргоне)
выполняют, используя литые присадочные прутки (обычно из спла-
вов никеля и кобальта). Указанным способом получают очень малую
глубину проплавления и тонкие слои.

Существует много разновидностей наплавки с использованием
плазменной дуги, газового пламени, плавящегося электрода в за-
щитном газе, порошковой проволоки и пластинчатого электрода.

2.	МЕТАЛЛИЗАЦИЯ

Металлизация заключается в нанесении металлического
покрытия на поверхность методом осаждения на ней жидкого ме-
талла, распыляемого газовой струей. Процесс металлизации состоит
в подаче металлической проволоки к источнику нагрева. Проволока
нагревается до расплавления, и жидкий металл под давлением га-
зовой струи вылетает с большой скоростью из сопла металлизатора
в виде распыленных капель, которые ударяются о поверхность

Рис. 5.46. Схема дугового металли-
ватора

детали и, соединяясь с ней, об-
разуют слои .покрытия.

В зависимости от использу-
емого источника теплоты разли-
чают металлизацию дуговую, га-
зовую, плазменную и ТВЧ, При
дуговой металлизации используют
специальные металлизационные
аппараты (рис. 5.46). Через два
направляющих мундштука 2, по
которым протекает сварочный ток,
подают проволоки 4. При сопри-
косновении проволок в точке I
в результате короткого замыкания появляется дуговой разряд и об-
разуются капли металла, увлекаемые струей сжатого воздуха, по-
ступающего в корпус 3 через рукоятку 5.

Для металлизации применяют проволоки медные, алюминиевые,
стальные и цинковые, а также неметаллические материалы в виде
йорошков (стекла, эмали, пластмасс). Металлизационный слой со-
стоит из мелких поверхностно-окисленных частичек металла и имеет
меньшую прочность и плотность по сравнению с наплавленным
слоем. Металлизацию применяют для защиты от изнашивания,
коррозии, а также в декоративных целях для таких изделий, как
Цистерны, бензобаки, мосты, изнашивающиеся части валов, деталей
машин и т. п.

Г Л А В А V. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.	СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Ряд сталей, цветных и тугоплавких металлов обладает
пониженной свариваемостью, которая проявляется в изменении
механических или физико-химических свойств металла в зоне свар-
ного соединения по сравнению с основным металлом и в образовании
сварочных дефектов в виде трещин, пор и т. п.

Прочность и твердость шва, как правило, ниже, чем у основного
металла. Это объясняется тем, что для предотвращения дефектов
в сварном шве сварку многих сталей и сплавов выполняют менее ле-
гированными сварочными материалами, чем основной металл. Круп-
нозернистая литая структура обусловливает пониженную пластич-
ность шва. Пониженная пластичность может быть также связана
с повышенным содержанием газов.

Зона термического влияния (з. т. в.) представляет собой участок
сварного соединения, прилегающий к шву, в котором под действием
нагрева происходят структурные изменения: укрупняется зерно,
оплавляются границы зерен, в сплавах с полиморфными превраще-
ниями возможно образование микроструктуры закалочного типа.
В результате этих изменений возможно резкое повышение твердости
и снижение пластичности (рис. 5.47).

Для металлов с пониженной свариваемостью характерно об-
разование горячих или холодных трещин в шве и з. т. в. (рис. 5.48).
Причины возникновения трещин: снижение прочности и пластично-
сти как в процессе формирования сварного соединения, так и в по-
слесварочный период вследствие особенностей агрегатного состоя-
ния, полиморфных превращений и насыщения газами; развитие
сварочных деформаций и напряжений, вызывающих разрушение
металла, если они превышают его пластичность и прочность.

Возникновение собственных сварочных напряжений (т. е. без
приложения внешних сил) происходит следующим образом. Вслед-
ствие неравномерного разогрева изделия при сварке (рис. 5.49, а)
Рис. 5.47. Неоднородность механиче-
ских свойств различных зон сварного
соединения легированной стали:
/ — основной' металл; 2— шов; 3— зона
термического влияния; /7 V — твердость;
й — пластичность (относительное удлине-
ние)

Рис. 5.48. Вид трещин в сварных со-
единениях:

а — горячих; б — холодных: / — столб-
чатые кристаллиты; 2 — расположений
жидких прослоек при завершении пристал1*
лизании шпа; 3 —трещины

температурные деформации шва и з. т. в. ограничиваются реакцией
менее нагретых зон основного металла. Вместо удлинения отдельных
слоев свариваемого металла в соответствии с зависимостью + а/Т
(ат —температурный коэффициент металла; Т —максимальная тем-
пература нагрева слоя) происходит равномерное удлинение всей
свариваемой пластины, в результате чего грань пластины 1 в момент
максимального разогрева занимает положение 2. Поэтому шов и при-
легающая к нему зона металла при нагреве претерпевают местную
пластическую деформацию сжатия.пропорциональную заштрихован-
ной площади 3. Таким образом, к началу охлаждения эти зоны ка-
жутся укороченными (рис. 5.49, б). После охлаждения и обратной
температурной деформации они должны были бы занять положение
в соответствии с зависимостью —атТ. Однако их температурная де-
формация снова ограничивается реакцией основного металла. В ре-

Рис. 5.49. Процесс возникновения сварочных напряжений при сварке пластин
встык, Т = j (у) — распределение температуры по оси оу; <JX — f (х) и оу =
= / (у) — распределение остаточных продольных напряжений по осям Ох и Оу
соответственно
зультате произойдет равномерное укорочение всей пластины и грань
пластины 1 займет положение 4. Поскольку шов и зона термического
влияния связаны с основным металлом, то они претерпевают внутрен-
нюю уиругопластическую деформацию растяжения, пропорцио-
нальную заштрихованной площади 5. Соответствующие упругой де-
формации растягивающие напряжения (-(-) в шве и зоне термиче-
ского влияния уравновешиваются сжимающими напряжениями ( —)
В основном металле (рис, .5,49, в).

Внешние наблюдаемые деформации сварных заготовок (например,
укорочение пластины после сварки, соответствующее смещение ее
грани 1 в положение 4) не совпадают с внутренними упругопласти-
ческими деформациями, а их величины противоположны: чем больше
внешние деформации, тем меньше внутренние деформации. Величина
И знак собственных сварочных напряжений определяются внутрен-
Йимп деформациями.

Снижение внутренних деформаций и напряжений — один из
Путей предупреждения трещин. Для этого необходимо уменьшить
реакцию основного металла на разогреваемые до высоких температур
Цюв и зону термического влияния. Следует уменьшить геометри-
ческую жесткость свариваемых заготовок, исключить пх закрепле-
ние при сварке, а также применить предварительный подогрев для
выравнивания температур по объему заготовки. Сварочные напря-
жения снимаются также немедленным после сварки высоким отпу-
ском. В то же время методы снижения внутренних деформаций и
напряжений (кроме отпуска) приводят к увеличению внешних дефор-
маций сварной заготовки. Для устранения последних, наоборот,
необходимо увеличение жесткости заготовок (постановка ребер,
мембран и т. п.) или закрепление их при сварке. Выбор условий
сварки определяется тем, что в данном случае опасней/ —трещины
или коробление заготовки.

Горячие трещины образуются в период кристаллизации свар-
ного шва, когда металл находится в двухфазном твердо-жидком
состоянии. В этом состоянии металл имеет очень малые прочность
и пластичность. В результате развития внутренних сварочных
деформаций растяжения возможно разрушен не по незатвердевшим
жидким прослойкам между кристаллитами. Как правило, горячие
трещины образуются вдоль оси сварных швов в зоне стыка стол-
бчатых кристаллитов, где завершается кристаллизация шва
(рис. 5.49, а). Склонность к горячим трещинам повышается при
наличии в металле шва вредных примесей, которые обладают по-
вышенной способностью к ликвации и образованию легкоплавких
соединений. Последнее равносильно увеличению интервала кристал-
лизации, т. е. времени пребывания металла в двухфазном состоянии.

Холодные трещины чаще всего возникают в з. т. в. после пол-
ного затвердевания сварного шва в период окончания охлаждения
или последующего вылеживания сварной конструкции в течение
нескольких суток (рис. 5.49, б). Холодные трещины характерны для
сплавов, претерпевающих при сварке закалку, усиленный рост зерна,
повышенное насыщение газами, особенно водородом. Эти процессы
проводят к понижению прочности и пластичности металла, т. е.
к его охрупчиванию. Если сварочные напряжения превышают
прочность металла в указанном состоянии, то образуются холодные
трещины.

Поры в сварных швах образуются в процессе кристаллизации
сварного шва в результате выделения газов из пересыщенного га-
зами затвердевающего металла. Причины появления пор: насыще-
ние жидкого металла сварочной ванны газами вследствие повышенной
влажности электродных покрытий, флюсов, защитных газов (водо-
родом), нарушения защиты (азотом) и интенсивных окислительных
процессов в шве (оксидом углерода); охлаждение сварных швов при
кристаллизации с большой скоростью, вследствие чего затрудняется
выход пузырьков газа из кристаллизующегося шва в атмосферу.

2.	СВАРКА УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Низкоуглеродистые и низколегированные стали обладают
хорошей свариваемостью и соединяются большинством способов
сварки без особых трудностей.

Углеродистые и легированные стали с содержанием углерода
более 0,3 % (стали 45, ЗОХГСА, 40ХНМА и др.) при типовых режимах
сварки претерпевают закалку в з. т. в.

Соответствующие этим режимам скорости охлаждения для ука-
занных сталей достаточно высоки и приводят к образованию мартен-
ситной микроструктуры. Поэтому для сварных соединений этих
сталей характерны повышенная твердость и пониженная пластич-
ность в з. т. в.

В жестких сварных узлах, в которых образуются высокие сва-
рочные напряжения, в закаленной з. т. в. возможно образование
холодных трещин. Склонность к холодным трещинам повышается
при насыщении металла водородом, который снижает пластичность
закаленного металла. Источником водорода служит влага в покры-
тиях электродов, флюсах и защитных газах, которая разлагается
в дуге, и атомарный водород насыщает жидкий металл сварочной
ванны. В результате диффузии водорода им насыщается также
з. т. в.

Для обеспечения хорошей свариваемости при дуговой сварке
этих сталей рекомендуют следующие технологические мероприятия:
предварительный и последующий подогрев заготовок до темпера-
туры 100 —300 °C в целях замедленного охлаждения и исключе-
ния закалки з. т. в.; прокалка электродов, флюсов при темпера-
туре 400 —450 °C в течение 3 ч и осушение защитных газов для
предупреждения попадания водорода в металл сварного соединения;
низкий (300—400 °C) или высокий (600—700 °C) отпуск сварных
соединений сразу после окончания сварки в целях повышения пла-
стичности закалочных структур и удаления водорода.

Контактную точечную сварку углеродистых и легированных
сталей выполняют на мягких режимах, т. е. длительным нагревом
током и быстрым удалением заготовок из машины для избежания
232
отвода теплоты электродами. В результате обеспечивается замедлен-
ное охлаждение заготовок. Контактную стыковую сварку этих ста-
лей выполняют с прерывистым оплавлением, при котором обеспечи-
ваются подогрев заготовок перед сваркой и замедленное охлаждение.

3.	СВАРКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ КОРРОЗИОННО-
СТОЙКИХ СТАЛЕЙ

Коррозионная стойкость стали обеспечивается содержа-
нием более 12 % Сг, а содержание 8 % Ni стабилизирует аустенит-
ную структуру и сохраняет ее при нормальных температурах(сталь
10Х18Н9Т и др.). При сварке этих сталей на режимах, обусловлива-
ющих продолжительное пребывание металла в области температур
500—800 °C, возможна потеря коррозионной стойкости металлом
шва и з. т. в. Причиной этого является образование карбидов хрома
на границах зерен и обеднение приграничных участков зерен хро-
мом. В результате металл сварного соединения становится склонным
к так называемой межкристаллитной коррозии.

При дуговой сварке для предупреждения межкристаллитной
коррозии сварных соединений рекомендуются сварка на малых
погонных энергиях (q/v, Дж/см) с применением теплоотводящих
медных подкладок в целях получения жестких термических циклов
и уменьшения времени пребывания металла при высоких температу-
рах; термическая обработка после сварки: нагрев до температуры
1100 °C и закалка в воду. При нагреве происходит растворение кар-
бидов, а закалка фиксирует чисто аустенитную структуру.

При дуговой сварке аустенитных сталей возможно образование
в сварных швах горячих трещин. Они обусловлены широким интер-
валом кристаллизации вследствие повышенного содержания легиру-
ющих элементов и наличия вредных примесей (S). Образованию тре-
щин способствует также крупнозернистая столбчатая макрострук-
тура шва, при которой его кристаллизация завершается при
наличии жидких прослоек большой протяженности.

Для предупреждения возникновения горячих трещин в сварных
швах рекомендуется вводить в сварочные материалы (электроды, про-
волоку) легирующие элементы Si, Al, Mo, Мп и другие способству-
ющие измельчению зерна, и снижать содержание вредных примесей.

Аустенитные стали хорошо свариваются контактной сваркой.
Сварку ведут на пониженных плотностях тока. Эти стали имеют вы-
сокое удельное электросопротивление и низкую теплопроводность,
что обусловливает выделение большого количества теплоты при
сварке и ограниченный его отвод из зоны сварного соединения. При
этом применяют повышенное давление, поскольку аустенитные стали
имеют значительную прочность при высоких температурах.

4.	СВАРКА ЧУГУНА

Чугун относится к категории плохо сваривающихся спла-
вов. Его сваривают при исправлении дефектов в отливках и ремонте
деталей. Дуговая сварка чугуна чугунными электродами и с покры-
тиями не обеспечивает хорошего качества сварных соединений. Ме-
талл шва получает структуру белого чугуна, а зона термического
влияния закаливается.

Горячую сварку чугуна выполняют с предварительным
подогревом свариваемых деталей до температуры 400—700 °C. Де-
тали подогревают в печах. Перед сваркой в деталях вырубают дефект-
ные места и разделывают кромки, которые затем заформовывают
с помощью графитных пластин и кварцевого песка, замешанного на
жидком стекле. Сваривают чугунными электродами (диаметром 8 —
25 мм) со стабилизирующей или специальной обмазкой. Сваренные
детали охлаждают вместе с печью. При горячей сварке чугуна полу-
чают сварное соединение без твердых отбеленных и закаленных
участков. Однако горячая сварка — дорогой и трудоемкий процесс;
ее применяют для ремонта уникальных деталей. Горячую сварку
также выполняют науглероживающим газовым пламенем с флюсом
на основе буры (Na2B4O7).

При холодной сварке чугун сваривают без подогрева сталь-
ными, медножелезными, медноникелевыми электродами и электро-
дами из аустенитного чугуна. В случае применения стальных элект-
родов валики наплавляют низкоуглеродистыми электродами неболь-
шого диаметра со стабилизирующей или качественной обмазкой,
Применяют также стальные электроды со специальным покрытием,
содержащим большое количество карбидообразующих элементов,
дающим наплавленный металл с мягкой основой и вкраплениями
карбидов. Эти способы не исключают образования отбеленных
и закалочных структур в з. т. в., но они просты и обеспечивают
мягкий хорошо обрабатываемый шов.

Медно-железпые электроды состоят из медного прутка с оплет-
кой из жести или пучка из медных и стальных стержней, Электроды
имеют специальное или стабилизирующее покрытие. Медно-никеле-
вые электроды состоят из стержней монель-металла (70 % Ni,
28 % Си и остальное Fe) или мельхиора (80 % Си, 20 % Ni) со
стабилизирующей обмазкой. Применение медно-железных и медно-
никелевых электродов позволяет получить сварное соединение, у ко-
торого отбеливание в з. т. в. наблюдается только на отдельных
участках. Наибольшее применение имеют медно-железные электроды,
как более дешевые и обеспечивающие достаточную прочность металла
шва.

5.	СВАРКА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

На свариваемость меди большое влияние оказывают
содержащиеся в ней вредные примеси (О2, Н2, Bi, Pb и др.).
Кислород, находящийся в меди в виде оксида Си2О, является одной
из причин образования горячих трещин в сварных швах. Двуоксид
меди образует с медью легкоплавкую эвтектику (Си2О—Си), которая
располагается по границам кристаллитов и снижает температуру
их затвердевания. Такое же действие оказывают Bi и РЬ. Наличие
сетки эвтектики по границам кристаллитов делает шов более хруп-
ким при нормальных температурах.
В расплавленной меди водород имеет высокую растворимость,
которая резко понижается при кристаллизации. Выделение водо-
рода при затвердевании сварочной ванны может привести к образо-
ванию газовой пористости. Водород, оставшийся в растворенном
состоянии в твердом металле, вступает в реакцию с двуоксидо?л меди,
в результате чего выделяются водяные пары (Н2О). Последние не
растворяются в меди и скапливаются под высоким давлением в мик-
ропустотах, что приводит к так называемой водородной хрупкости.
Водородная хрупкость может привести к образованию трещин в твер-
дом металле в процессе охлаждения.

Для предотвращения указанных дефектов при дуговой сварке
меди рекомендуются сварка в атмосфере защитных газов (аргона,
гелия, азота и их смесей); применение сварочной и присадочной про-
волок, содержащих сильные раскислители (титан, цирконий, бор,
фосфор, кремний и др.).

Поскольку медь обладает высокой теплопроводностью сварку
ее выполняют на повышенной погонной энергии q'v, а при толщине
более 4 мм — с предварительным подогревом до температуры 300 СС.
Медь большой толщины (свыше 30 мм) сваривают плазменной свар-
кой. В единичном производстве и для ремонтных работ применяют
газовую сварку мощным пламенем. При этом обеспечивается необ-
ходимый подогрев заготовок. Сварку выполняют с флюсом на
основе буры, который наносят на кромки заготовок и па при-
садочный пруток. Флюс растворяет Си2О и выводит его в шлак.
Медь толщиной более 50 мм сваривают электрошлаковой свар-
кой.

Основная трудность при сварке латуней — испарение цинка.
В результате снижается прочность и коррозионная стойкость латун-
ных швов. Пары цинка ядовиты, поэтому необходима интенсивная
вентиляция или сварщики должны работать в специальных масках.
При сварке в защитных газах преимущественно применяют сварку
неплавящимся вольфрамовым электродом, так как при этом проис-
ходит меньшее испарение цинка, чем при использовании плавяще-
гося электрода. При газовой сварке лучшие результаты получают
при применении газового флюса. Образующийся на поверхности
сварочной ванны борный ангидрид (В2О3) связывает пары цинка
в шлак. Сплошной слой шлака препятствует выходу паров цинка
из сварочной ванны. Латунь обладает меньшей теплопроводностью,
чем медь, поэтому для металла толщиной свыше 12 мм необходим
подогрев до температуры 150 °C.

Для сварки бронзы применяют те же способы и технологию,
что и для сварки меди, за исключением оловянных бронз. Их сва-
ривают с большой скоростью и без подогрева, так как в противном
случае возможно выплавление легкоплавкой составляющей —
олова.

Латуни и бронзы имеют более высокое удельное электросопротив-
ление, чем медь, и они достаточно хорошо свариваются контактной
сваркой. Медь контактной сваркой не сваривается.
6.	СВАРКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Трудности при сварке алюминия и его сплавов обуслов-
лены образованием тонкой прочной и тугоплавкой поверхностной
пленки оксида А12О3, плавящегося при температуре 2050 °C; склон-
ностью к образованию газовой пористости; склонностью к образова-
нию горячих трещин.

Пленка оксида покрывает капли расплавленного металла и пре-
пятствует сплавлению их между собой и основным металлом. Для
разрушения и удаления пленки и защиты металла от повторного окис-
ления при сварке используют специальные флюсы или ведут сварку
в атмосфере инертных газов. Флюсы состоят из смеси хлористых
и фтористых солей щелочноземельных металлов (NaCl, КО, ВаС12,
LiF, CaF2 и др.). Действие флюсов основано на растворении пленки
оксидов. При сварке в защитных газах пленка разрушается в резуль-
тате электрических процессов в том случае, если она оказывается
в катодной области дуги. Это реализуется при сварке плавящимся
электродом на постоянном токе обратной полярности и сварке не-
плавящимся электродов на переменном токе с использованием специ-
альных источников тока (см. разд. 5, гл. II, п. 6).

Причиной газовой пористости в сварных швах алюминия явля-
ется водород. Источник водорода — влага воздуха, которая сильно
адсорбируется пленкой оксида на поверхности заготовки и сварочной
проволоке. Газовая пористость обусловлена с одной стороны насы-
щением расплавленного металла большим количеством водорода,
с другой — малой его растворимостью в твердом состоянии. Для пре-
дупреждения пористости необходима тщательная механическая очи-
стка свариваемой поверхности заготовок и сварочной проволоки
или химическая очистка (например, раствором NaOH). При этом
с пленкой оксида удаляется скопившаяся на ней влага.

Образование горячих трещин в алюминии и некоторых его спла-
вах связано с крупнокристаллитной макроструктурой сварных
швов. Склонность к трещинам увеличивается при наличии небольшого
количества Si (до 0,5 %), который приводит к образованию легко-
плавкой эвтектики по границам кристаллитов. Борьба с горячими
трещинами ведется металлургическим путем. В шов через проволоку
вводят Fe, нейтрализующий вредное влияние Si, и модификаторы
Zr, Ti и В, способствующие измельчению кристаллитов в шве.

Наиболее трудно свариваются термически упрочняемые сплавы
системы А1—Си—Mg (дуралюмины). При нагреве свыше 500 °C
происходит оплавление границ зерен с образованием на расплавлен-
ных участках эвтектических выделений. После затвердевания эвтек-
тика имеет пониженные механические свойства, что приводит к ох-
рупчиванию з. т. в. и снижению ее прочности по сравнению с проч-
ностью основного металла. Свойства з. т, в. не восстанавливаются
термической обработкой.

Относительно хорошо свариваются термически не упрочняемые
сплавы системы А1—Мп (сплав АМц) и системы Al—Mg (сплавы
АМг).
Наиболее широко применяют сварку алюминия и его сплавов
в атмосфере защитных газов неплавящимся (толщины 0,5—10 мм)
и плавящимся (толщины более 10 мм) электродом. В этом случае
получают более высокое качество сварных швов по сравнению с дру-
гими видами дуговой сварки. Применяют также автоматическую
сварку плавящимся электродом полуоткрытой дугой по слою флюса,
при которой для формирования корня шва используют медные или
стальные подкладки. Возможна газовая (ацетилено-кислородная)
сварка алюминия и его сплавов. Флюс наносят на свариваемые кро-
мки в виде пасты или вводят в сварочную ванну на разогретом конце
присадочного прутка. Алюминий и его сплавы также сваривают плаз-
менной и электрошлаковой сваркой; они достаточно хорошо сварива-
ются контактной сваркой. Учитывая высокую теплопроводность и
электропроводимость алюминия, для его сварки необходимо приме-
нять большие силы тока.

7.	СВАРКА ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Трудности при сварке тугоплавких металлов Ti, Zr,
Mo, Nb и других связаны с тем, что они при нагреве интенсивно
поглощают газы — кислород, водород и азот. При этом даже незна-
чительное содержание газов приводит к резкому снижению пласти-
ческих свойств этих металлов.

Титан и его сплавы сваривают в защитной атмосфере аргона
высшего сорта. При этом дополнительно защищают струями 1 и 2
аргона корень шва и еще не остывший до температуры 350 °C участок
шва 3 (рис. 5.50). Перед сваркой проволоку и основной металл дега-
зируют путем отжига в вакууме. Допустимое количество газов
в швах составляет Н2 < 0,01 %, О.2 < 0,1 % и N2 < 0,05 %. При
большем содержании газов снижается пластичность металла сварных
соединений, кроме того, титановые сплавы становятся склонными
к образованию холодных трещин. Ответственные узлы сваривают
в камерах с контролируемой аргонной атмосферой, в том числе
и обитаемых, в которых сварщики работают в скафандрах.

Для сварки титана и его сплавов также применяют плазменную
и электронно-лучевую сварку.

Цирконий весьма близок по свариваемости к ти-
тану. Поэтому его сваривают по аналогичной технологии.

Молибден и ниобий
и их сплавы более чувствительны
к насыщению газами, чем титан,
особенно кислородом. При содержа-
нии кислорода более 0,01 % их пла-
стические свойства резко снижа-
ются. Молибден и ниобий и их
сплавы сваривают дуговой сваркой
в камерах с контролируемой аргон-
ной атмосферой или электронно-
лучевой сваркой в вакууме.

I

Рис. 5.50. Горелка с удлиненной
насадкой для аргонодуговой свар-
ки титана
ГЛАВ A VI. ПАЙКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.	СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПАЙКИ

Пайкой называется процесс получения неразъемного сое-
динения заготовок с нагревом ниже температуры их автономного
расплавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора
между ними расплавленным припоем и сцепления их при кристалли-
зации шва. Образование соединения без расплавления основного
металла обеспечивает возможность распая изделия.

По прочности паяные соединения уступают сварным. Паять
можно углеродистые и легированные стали всех марок, твердые
сплавы, цветные металлы, серые и ковкие чугуны. При пайке ме-
таллы соединяются в результате смачивания и растекания жидкого
припоя по нагретым поверхностям и затвердевания его после охла-
ждения. Прочность сцепления припоя с соединяемыми поверхностями
зависит от физико-химических и диффузионных процессов, протека-
ющих между припоем и основным металлом.

По условию заполнения зазора пайку можно разделить на ка-
пиллярную и некапиллярную. По механизму образования шва
капиллярная пайка подразделяется на пайку с готовым припоем,
когда затвердевание шва происходит при охлаждении; контактно-
реактивную пайку; реактивно-флюсовую; диффузионную. К не-
капиллярным способам относятся пайка-сварка и сварка-пайка.

При капиллярной пайке припой заполняет зазор между
соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капил-
лярных сил (рис. 5.51) Соединение образуется за счет растворения
основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора.
Капиллярную пайку используют при соединении внахлестку.

При диффуз ионной пайке соединение образуется за счет вза-
имной диффузии компонентов припоя и паяемых материалов, причем
возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких
хрупких иитерметаллидов. Для диффузионной пайки необходима
продолжительная выдержка при температуре образования паяного

Рис. 5.51. Схема капиллярной пайки:

а — перед пайкой; б — после пайки; 1 =• припой
2

Рис. 5.52. Схема контактно-реактивной пайки:

а — перед пайкой: б — после пайки; 1 — меда; 2 — серебро; 3 — эвтектический сплав
меди с серебром

шва и после завершения процесса —при температуре ниже солидуса
припоя.

При контактно-реактивной пайке между соединяе-
мыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой' проме-
жуточного металла в результате контактного плавления образуется
сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует пая-
ное соединение (рис. 5.52).

При реактив и о-флюсовой пайке припой образу-
ется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом.
Например, при пайке алюминия с флюсом 3ZnCI2 + 2AI 2А1С1Я ф-
+ 37п восстановленный цинк служит припоем. Реактивно-флюсо-
вую пайку можно вести без припоя и с припоем.

При пайке-сварке соединение образуется так же, как при
сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяют
припод (рис. 5.53).

При сварке-пайке соединяют разнородные материалы
с применением местного нагрева, при котором более легкоплавкий
материал нагревается до температуры плавления и выполняет роль
припоя.

Наибольшее применение получили капиллярная пайка и пайка-
сварка. Диффузионная и контактно-реактивная пайки более трудо-
емки, но обеспечивают высокое качество соединения.

Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надеж-
ность и др.) зависят от правильного выбора основного металла, при-
поя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.

Припой —должен хорошо растворять основной металл, обла-
дать смачивающей способностью, быть дешевым н недефицитным.



°)

Рис. 5.53. Схема пайки-сварки:

а _ без оплавления кромок деталей; 6— й оплавлением кромок одной детали] J - до пайки}

2 после лайки

ЮЖ—
Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного
состава. Все припои по температуре плавления подразделяют на
особо легкоплавкие (температура плавления <145 °C), легкоплавкие
(температура плавления 145< 450 °С), среднеилавкие (температура
плавления 450 <1100 °C) и тугоплавкие (температура плавления
>1050 °C). К особолегкоплавким и легкоплавким припоям относят-
ся оловянно-свинцовые, на основе висмута, индия, кадмия, цинка,
олова, свинца. К среднеплавким и высокоплавким припоям отно-
сятся медные, медно-цинковые, медно-никелевые, с благородными
металлами (серебром, золотом, платиной). Припои изготовляют
в виде прутков, проволок, листов, полос, спиралей, дисков, колец,
зерен и т. д., укладываемых в место соединения.

Изделия из алюминия и его сплавов паяют с припоями на алюми-
ниевой основе с кремнием, медью, оловом и другими металлами. Маг-
ний и его сплавы паяют припоями на основе магния с добавками
алюминия, меди, марганца и цинка. Изделия из коррозионно-стой-
ких сталей и жаропрочных сплавов, работающих при высоких тем-
пературах (выше 500 °C), паяют тугоплавкими припоями на основе
железа, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония, гафния,
ниобия и палладия.

Флюсы паяльные применяют для очистки поверхности паяемого
металла, а также для снижения поверхностного натяжения и улуч-
шения растекания и смачиваемости жидкого припоя. Флюс (кроме
реактивно-флюсовой пайки) не должен химически взаимодейство-
вать с припоем. Температура плавления флюса должна быть ниже
температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и газооб-
разном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности
основного металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть
твердые, пастообразные и жидкие. Для пайки наиболее применимы
флюсы: бура NaJ^Oy и борная кислота Н.2ВО3, хлористый цинк
ZnCl2, фтористый калий KF и др.

2.	СПОСОБЫ ПАЙКИ

Способы пайки классифицируют в зависимости от исполь-
зуемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышлен-
ности пайка в печах, индукционная, погружением, газопламенная и
и паяльниками.

При пайке в п е ч а х соединяемые заготовки нагревают в специ-
альных печах: электросопротивления, с индукционным нагревом,
газопламенных и газовых. Припой заранее закладывают в шов
собранного узла, на место пайки наносят флюс и затем изделие по-
мещают в печь, где его нагревают до температуры пайки. Припой
расплавляется и заполняет зазоры между соединяемыми заготов-
ками. Процесс пайки продолжается несколько часов. Этот способ
обеспечивает равномерный нагрев соединяемых деталей без заметной
их деформации.

При индукционной пайке паяемый участок нагревают
в индукторе. Через индуктор пропускают ТВЧ, в результате чего
240
место пайки нагревается до необходимой температуры. Для предо-
хранения от окисления изделие нагревают в вакууме или в защитной
среде с применением флюсов. Индуктор выполнен в виде петли или
спирали из красной меди. Формы и размеры индуктора зависят от
конструкции паяемого изделия.

Пайку погружением выполняют в ваннах с расплавлен-
ными солями или припоями. Соляная смесь обычно состоит из 55 %
КС1 и 45 % НС1. Температура ванны 700—800 °C. На паяемую по-
верхность, предварительно очищенную от грязи и жира, наносят
флюс, между кромками или около места соединения размещают при-
пой, затем детали скрепляют и погружают в ванну. Соляная ванна
предохраняет место пайки от окисления. Перед погружением в ванну
с расплавленным припоем покрытые флюсом детали нагревают до
температуры 550 °C. Поверхности, не подлежащие пайке, предох-
раняют от контакта с припоем специальной обмазкой из графита
с добавками небольшого количества извести. Пайку погружением
в расплавленный припой используют для стальных, медных и алюми-
ниевых сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот
процесс расходуется большое количество припоя.

При газопламенной пайке заготовки нагревают и при-
пой расплавляют газосварочными, плазменными горелками и па-
яльными лампами. При пайке газосварочными горелками в качестве
горючих газов используют ацетилен, природные газы, водород,
пары керосина и т. и. При использовании газового пламени припой
можно заранее помещать у места пайки или вводить в процессе
пайки вручную. На место пайки предварительно наносят флюс
в виде жидкой пасты, разведенной водой или спиртом; конец прутка
припоя также покрывают флюсом.

Плазменной горелкой, обеспечивающей более высокую
температуру нагрева, паяют тугоплавкие металлы — вольфрам, тан-
тал, молибден, ниобий и т. п.

При пайке паяльниками основной металл нагревают и
припой расплавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе
металла паяльника, который перед пайкой или в процессе ее подо-
гревают. Для низкотемпературной пайки применяют паяльники
с периодическим нагревом, с непрерывным нагревом и ультра-
звуковые. Рабочую часть паяльника выполняют из красной меди.
Паяльник с периодическим нагревом в процессе работы периодиче-
ски подогревают от постороннего источника теплоты. Паяльники
с постоянным нагревом делают электрическими. Паяльники с пери-
одическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсовой
пайки черных и цветных металлов легкоплавкими припоями с тем-
пературой плавления ниже 300—350 °C.

Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой пайки
на воздухе и для пайки алюминия. Окисные пленки разрушаются
за счет колебаний ультразвуковой частоты.

На рис. 5.54 показаны основные типы соединений при пайке:
внахлестку (а), встык (б), вскос (е), втавр (а), в угол (б), соприкаса-
ющееся (е). Зазор между соединяемыми кромками должен быть ма-
Рис. 5.54. Типы паяных соединений

лым для того, чтобы улучшить затекание припоя под действием ка-
пиллярных сил и увеличить прочность соединения. Так, например,
для серебряных припоев устанавливают зазор до 0,05 мм, а для меди
до 0,012 мм. Для хорошего смачивания поверхности необходимы
механическая очистка, обезжиривание горячей щелочью, трихлор-
этиленом, четыреххлористым углеродом.

Г Л А В Л VII КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ

1.	ДЕФЕКТЫ В СВАРНЫХ И ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Дефекты в соединениях бывают двух типов: внешние и
внутренние. В сварных соединениях к внешним дефектам относят
наплывы, подрезы, наружные непровары и несплавления, поверх-
ностные трещины и поры (рис. 5.55, а—а); к внутренним— скрытые
трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые
включения н др. (рис. 5.55, д—ею). В паяных соединениях внешними
дефектами являются наплывы и натеки припоя, неполное заполнение
шва припоем; внутренними — поры, включения флюса, трещины и др.
Качество сварных и паяных соединений обеспечивают предвари-
тельным контролем материалов и заготовок, текущим контролем
за процессом сварки и пайки и приемочным контролем готовых

Рис. 5.55. Виды дефектов в сварных соединениях
242
сварных или паяных соединений. В зависимости от нарушения це-
лостности сварного соединения при контроле различают разруша-
ющие и неразрушающие методы контроля.

2.	виды контроля

При предварительном контроле основного и сварочных
материалов устанавливают, удовлетворяют ли сертификатные данные
в документах заводов-поставщиков требованиям, предъявляемым
к материалам в соответствии с назначением и ответственностью
сварных узлов и конструкций. Осматривают поверхности основного
материала, сварочной проволоки и покрытий электродов в целях
обнаружения внешних дефектов. Перед сборкой и сваркой заготовок
проверяют, соответствуют ли их форма и габаритные размеры уста-
новленным, а также контролируют качество подготовки кромок и
свариваемых поверхностей. При изготовлении ответственных кон-
струкций сваривают контрольные образцы. Из них вырезают образцы
для механических испытаний. По результатам испытаний оценивают
качество основного и сварочных материалов, а также квалификацию
сварщиков, допущенных к сварке данных конструкций.

При текущем контроле проверяют соблюдение сварщиками ус-
тановленных параметров режима сварки и исправность работы сва-
рочного оборудования. Осматривают сварные швы для выявления
внешних дефектов и замеряют их геометрические размеры. Замечен-
ные отклонения устраняют непосредственно в процессе изготовления
конструкций

Готовые сварные и паяные соединения в зависимости от назначения
и ответственности конструкции подвергают приемочному контролю:
внешнему осмотру для выявления поверхностных дефектов и обмеру
сварных швов; испытаниям на плотность, магнитному контролю,
просвечиванию рентгеновским и гамма-излучением, ультразвуком
для выявлений внутренних дефектов.

На плотность испытывают емкости для хранения жидкостей,
сосуды и трубопроводы, работающие при избыточном давлении, пу-
тем гидравлического и пневматического нагружения, с помощью
течеискателей и керосином.

При гидравлическом испытании емкости наполняют водой, а
в сосудах и трубопроводах создают избыточное давление жидкости,
превышающее в 1,5—2 раза рабочее давление. В таком состоянии
изделие выдерживают в течение 5—10 мин. Швы осматривают в целях
обнаружения течи, капель и отпотеваний.

При пневматическом испытании в сосуды нагнетают сжатый
воздух под давлением, которое на 0,01—0,02 МПа превышает ат-
мосферное. Соединение смачивают мыльным раствором или опускают
в воду, Наличие неплотности в швах определяют по мыльным или
воздушным пузырькам.

При испытании с помощью течеискателей внутри сосуда создают
вакуум, а снаружи швы обдувают смесью воздуха с гелием. При
наличии неплотностей гелий проникает в сосуд, откуда отсасывается
Рис. 5.56. Методы контроля сварных соединений:
а — рентгеновский; б —гамма-излучением; в — ультразвуковой

в течеискатель со специальной аппаратурой для его обнару-
жения.

При испытании керосином швы емкости с одной стороны смазы-
вают керосином, а с другой — мелом. При наличии неплотности на
поверхности шва, окрашенного мелом, появляются темные пятна
керосина. Благодаря высокой проникающей способности керосина
можно обнаружить поры диаметром в несколько микрометров.

Магнитный контроль основан на намагничивании сварных или
паяных соединений и обнаружении полей магнитного рассеяния на
дефектных участках. Изделие намагничивают, замыкая им магнито-
провод электромагнита или помещая его внутрь соленоида. На
поверхность соединения наносят порошок железной окалины или
его масляную суспензию. Изделие слегка обстукивают для облегче-
ния подвижности частиц порошка. По скоплению порошка обнару-
живают дефекты, залегающие на глубине до 6 мм.

Рентгеновское просвечивание основано на различном поглоще-
нии рентгеновского излучения участками металла с дефектами и
без них. Сварные соединения просвечивают с помощью специальных
рентгеновских аппаратов. С одной стороны шва 3 на некотором рас-
стоянии от него помещают рентгеновскую трубку /, с другой (проти-
воположной) стороны к нему плотно прижимают кассету 4 с рентге-
новской пленкой (рис. 5.56, а). При просвечивании рентгеновские
лучи 2 проходят через сварное соединение и облучают пленку.
Для сокращения экспозиции просвечивания в кассету с пленкой
закладывают усиливающие экраны. После проявления пленки
на ней фиксируют участки повышенного потемнения, которые соот-
ветствуют дефектным местам в сварном соединении. Вид и размер
дефектов определяют сравнением пленки с эталонными снимками.

Применяемые в промышленности рентгеновские аппараты позво-
ляют просвечивать сварные соединения из стали толщиной 10—
200 мм, алюминия до 300 мм, меди до 25 мм. При этом фиксируют
дефекты, размеры которых составляют 2 % толщины металла.

При просвечивании сварных соединений гамма-лучами источни-
ком излучения служат радиоактивные изотопы кобальт-60, тулий-170,
иридий-192 и др. Ампулу с радиоактивным изотопом 5 помещают
в свинцовый контейнер 6 (рис. 5.56, б). Техника просвечивания
сварных соединений 8 гамма-лучами 7 подобна технике рентгенов-
ского просвечивания. Этим способом выявляют аналогичные внутрен-
ние дефекты по потемнению участков пленки 9, помещенной в кас-
сете 10. Просвечивание гамма-лучами по сравнению с рентгеновским
имеет ряд преимуществ. Благодаря портативности аппаратуры его
можно применять в любых условиях (в цехах, полевых условиях,
на монтаже и т. п.). Кроме того, просвечивание гамма-лучами —
менее дорогостоящий способ. Недостатком его является низкая чув-
ствительность при просвечивании малых толщин (до 50 мм). На
больших толщинах чувствительность такая же, как у рентгеновского
метода.

Ультразвуковой контроль основан на способности ультразвуко-
вых волн отражаться от поверхности раздела двух сред. С помощью
пьезометрического щупа 12 ультразвукового дефектоскопа 13, по-
мещаемого на поверхность сварного или паяного соединения, в ме-
талл 11 посылают ультразвуковые колебания (рис. 5,56, в). Ультра-
звук вводят в изделие отдельными импульсами под углом к поверх-
ности металла. При встрече с поверхностью дефекта возникает от-
раженная ультразвуковая волна. В перерывах между импульсами
щуп служит приемником отраженного от дефекта ультразвука. Де-
фект в соединении в виде пика 14 фиксируется на экране осцилло-
графа.

Промышленные ультразвуковые дефектоскопы позволяют обна-
руживать дефекты на глубине 1—250 мм. При этом можно выяв-
лять дефекты с минимальной площадью (I—2 мм2). С помощью
ультразвукового метода можно выявить наличие дефекта и даже место
его расположения, но нельзя установить его вид.

ГЛ АВ А VIII. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

1.	ПОНЯТИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ

При проектировании сварных заготовок следует учитывать
требования к технологичности их изготовления. Под технологич-
ностью понимают выбор такого конструктивного оформления заго-
товок, которое обеспечивает удобство и простоту изготовления лю-
быми видами сварки и при различных режимах; применение высоко-
производильных видов сварки: автоматизацию и механизацию мак-
симального числа операций технологического процесса; низкую
себестоимость процесса сварки за счет экономии сварочных матери-
алов, повышения производительности и высокого уровня механи-
зации; сведения к минимуму искажений формы, вызываемых тепло-
вым и механическим воздействиями при сварке.

Технологичность обеспечивается выбором металла, формы свари-
ваемых элементов и типа соединения, видов сварки и мероприятий
по уменьшению сварочных деформаций и напряжений.
2.	ВЫБОР МЕТАЛЛА

При выборе металла для сварочных заготовок необходимо
учитывать не только его эксплуатационные свойства, но и его сва-
риваемость или возможность применения технологических меропри-
ятий, обеспечивающих хорошую свариваемость. В процессе сварки
металл подвергается термическим, химическим и механическим воз-
действиям. В связи с этим в различных зонах основного металла,
расположенного вблизи шва, изменяются его состав, структура
и свойства. Следовательно, механические и эксплуатационные свой-
ства металла в зоне сварного соединения могут быть неравноценны
таким же свойствам основного металла.

Для получения сварных соединений, равноценных по работоспо-
собности основному металлу, при конструировании сварных загото-
вок следует по возможности выбирать хорошо свариваемые металлы.
К таким металлам относятся спокойные низкоуглеродистые стали
и многие низколегированные стали, ряд сплавов цветных металлов,
применение которых не ограничивается какими-либо требованиями
к виду и режимам сварки.

При применении в связи с эксплуатационной необходимостью
металлов с пониженной свариваемостью конструировать необходимо
с учетом этого свойства. Для сведения к минимуму неблагоприятных
изменений свойств металла сварного соединения и исключения в нем
дефектов необходимо применять виды и режимы сварки, оказывающие
минимальное термическое и другие воздействия на металл, и прово-
дить технологические мероприятия (подогрев, искусственное охла-
ждение и др.), снижающие влияние на него сварочных воздействий.
Термическая обработка после сварки (нормализация, закалка с от-
пуском и др.) может в значительной степени устранять неоднород-
ность свойств в сварных заготовках. Прочность зоны сварного со-
единения может быть повышена механической обработкой после
сварки: прокаткой, проковкой и др.

Проведение этих мероприятий во многом зависит от габаритных
размеров и конструктивного оформления сварных заготовок. Для
сложных заготовок с элементами больших толщин и размеров при
наличии криволинейных швов в различных пространственных положе-
ниях можно применять только хорошо свариваемые металлы. Послед-
ние сваривают универсальными видами сварки, например ручной
дуговой покрытыми электродами или полуавтоматической в защит-
ных газах в широком диапазоне режимов. При сварке не нужны, на-
пример, подогрев, затрудненный вследствие больших толщин и раз-
меров элементов, а также высокотемпературная термическая обра-
ботка, часто невозможная ввиду отсутствия печей и закалочных ванн
соответствующего размера. Для простых малогабаритных узлов воз-
можно применение металлов с пониженной свариваемостью, посколь-
ку при их изготовлении используют самые оптимальные с точки
зрения свариваемости виды сварки, например электронно-лучевую
или диффузионную в вакууме. При этом легко осуществить все необ-
ходимые технологические мероприятия и требуемую термическую
или механическую обработку после сварки.
3.	ВЫБОР ТИПА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Тип сварного соединения определяют взаимным располо-
жением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их
кромок под сварку (рис. 5.57). По первому признаку различают че-
тыре основных типа сварных соединений: стыковые, тавровые, на-
хлесточные и угловые. Кромки разделывают в целях полного провара
заготовок по сечению, что является одним из условий равнопрочности
сварного соединения с основным металлом. Форму и размеры элемен-
тов разделки (угол, притупление и зазоры) назначают, исходя из
условий проплавления, обеспечения формирования корня шва
(без непроваров и прожогов) и минимального объема наплавленного
металла.

Тип сварного соединения наряду с общими конструктивными
соображениями выбирают с учетом обеспечения равнопрочности
соединения с основным металлом и технологичности. Выбор разделки
кромок зависит от толщины металла, его теплофизических свойств
и вида сварки.

Стыковые соединения элементов плоских и пространственных
заготовок наиболее распространены. Соединения имеют высокую
прочность при статических и динамических нагрузках. Их выпол-
няют практически всеми видами термической и многими видами тер-
момеханической сварки. Некоторая сложность применения сварки
с повышенной тепловой мощностью (автоматической под флюсом,
плазменной струей) связана с формированием корня шва. В этом
случае для устранения сквозного прожога при конструировании
соединений необходимо предусматривать съемные и остающиеся
подкладки. Другой путь — применение двусторонней сварки, од-
нако при этом необходимы кантовка заготовки и свободный подход
к корневой части сварного соединения. При сварке элементов раз-
личных толщин кромку более толстого элемента выполняют со ско-
сом для уравнивания толщин, что обеспечивает одинаковый нагрев
кромок п исключает прожоги в более тонком элементе. Кроме того,
такая форма соединения работоспособнее вследствие равномерного
распределения деформаций и напряжений.

Тавровые соединения широко применяют при изготовлении про-
странственных заготовок. Соединения с односторонней и двусторон-
ней разделками кромок, выполненные с полным проваром, имеют
высокую прочность при любых нагрузках. Тавровые соединения вы-
полняют всеми видами термической сварки, Виды термомеханической
сварки для тавровых соединений применяют редко (приварка стержня
к пластине стыковой контактной сваркой оплавлением и сваркой
трением и т. п.).

Нахлесточные соединения часто применяют для сварки листо-
вых заготовок при необходимости простой подготовки и сборки под
сварку. Эти соединения, выполненные термической сваркой, менее
прочны по сравнению со стыковыми соединениями. Они не эконо-
мичны вследствие перерасхода основного металла, обусловленного
наличием перекрытия свариваемых элементов и наплавленного
металла в связи с выполнением двух угловых швов. В то же время
Рис. 5.57. Типы сварных соединений, применяемых при основных способах сварки плавлением и давлением
нахлесточное соединение — основное соединение тонколистовых эле-
ментов при термомеханической сварке, особенно при точечной и шов-
ной контактной сварке. В данном случае оно наиболее технологично,
так как удобно для двустороннего и одностороннего подвода электро-
дов перпендикулярно к поверхности металла. Точечные соединения
часто играют роль связующих соединений и рабочих усилий не пере-
дают (точечные соединения сварных профилей при нагружении
продольным усилием, соединения обшивок с каркасами и т. д.).
Шовные соединения, как правило, несут рабочие нагрузки, но их
прочность меньше, чем стыковых, выполненных термической свар-
кой. Это обусловлено дополнительным изгибом при осевом нагру-
жении и концентрацией напряжений вследствие зазора между эле-
ментами.

Угловые соединения, как правило, выполняют в качестве связу-
ющих. Они не предназначены для передачи рабочих усилий. Их
выполняют всеми видами термической сварки.

4.	ВЫБОР ФОРМЫ СВАРИВАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Сварные заготовки изготовляют из проката: листа, труб,
профилей, а также из литых, кованых и штампованных элементов.
При конструировании размеры и форму свариваемых элементов сточ-
ки зрения их технологичности следует выбирать, исходя из приме-
нения высокопроизводительных автоматических способов сварки;
выполнения сварки в нижнем положении; свободного доступа к ли-
цевой и корневой частям шва; проведения при необходимости подо-
грева (или охлаждения) и последующей термической или механиче-
ской обработки; сведения к минимуму длины сварных швов и массы
основного и наплавленного металлов и т. д.

Указанным рекомендациям соответствуют элементы простой гео-
метрической формы: прямолинейные, цилиндрические, конические
и полусферические с длинными прямыми и замкнутыми кольцевыми
стыковыми и тавровыми соединениями. При выборе сортамента ма-
териалов для изготовления элементов предпочтительнее прокатные,
гнутые или штамповочные профили и оболочки, тонкий лист и тонко-
стенные трубы и их сочетания.

5.	ВЫБОР ВИДА СВАРКИ

Вид сварки выбирают, исходя из размера и формы соеди-
няемых заготовок; расположения швов в сварном соединении;
физико-химических свойств, соединяемых материалов; возможности
механизации и автоматизации процесса сварки. Так, например,
для сварки листовых конструкций из всех марок сталей и некоторых
цветных сплавов широко применяют дуговую и электрошлаковую
сварку. Для получения стыковых соединений заготовок компактных,
полых и развитых сечений из сталей и цветных металлов применяют
контактную стыковую сварку. В производстве тонколистовых кон-
струкций из сталей и цветных металлов для нахлесточных соединений
наиболее распространены точечная и шовная контактная сварка.
В том случае, когда желательно ограничить температуру нагрева
материала в зоне соединения, применяют холодную и ультразвуко-
вую сварку.

6.	ВЫБОР СПОСОБА УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ
ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

При проектировании сварных заготовок необходимо пре-
дусматривать конструктивные и технологические мероприятия по
устранению или уменьшению сварочных деформаций и напряжений.
Внешние сварочные деформации приводят к снижению точности раз-
меров заготовок и требуют назначения больших припусков на меха-
ническую обработку.

Сварочные деформации и напряжения возникают вследствие
локальной пластической деформации отдельных зон сварного соеди-
нения из-за неравномерного разогрева при сварке. Металл в зоне
максимального нагрева (шов и зона термического влияния), претер-
певший пластическую деформацию сжатия при нагреве, после пол-
ного охлаждения получает остаточное укорочение. Это укорочение
приводит к изменению формы и размеров всей сварной заготовки.
Абсолютное укорочение (ЛАВ и ACT)) линейных элементов (/13
и CD) пропорционально их длине в зоне пластической деформации
(ABCD) (рис. 5.58, а, б). В соответствии с этим основные закономер-
ности процесса развития внешних сварочных деформаций сводятся
к следующему: 1) абсолютное укорочение возрастает с увеличением
зоны пластической деформации, т. е. с увеличением объема наплав-
ленного металла и зоны разогрева заготовки; 2) при симметричном
размещении наплавленного металла относительно центра тяжести
сечения (ц. т.) свариваемых элементов изменяются только размеры
последних, т. е. происходит деформация поперечной Ап и продоль-
ной А|ф усадок (рис. 5.58, в; 5.59, а); 3) при несимметричном рас-
положении наплавленного металла относительно центра тяжести
сечения также изменяется форма сварных заготовок, т. е. пронсхо-

Рис. 5.58. Схема образования внешних сварочных деформаций
Рис. 5.59. Усадка и угловая деформа-
ция сварных заготовок и способы их
устранения:

а, 6 — продольная и поперечная усадка;
е— к — у'лсвая деформация

Рис. 5.60. Деформация из: ибо свар-
ных заготовок и способы се устране-
ния

дит деформация угловая а и изгиба / (рис. 5.59, «; 5.60, л); 4) вели-
чина деформации определяется, с одной стороны, величиной остаточ-
ного укорочения, с другой — сопротивлением сварной заготовки
деформации растяжения (сжатия), изгиба или кручения, т. е. соот-
ветствующей ее жесткостью.

Эффект укорочения металла в зоне пластических деформаций
в ряде случаев может быть представлен как сжимающее действие
некоторой фиктивной усадочной силы Рус. Это позволяет рассчиты-
вать сварочные деформации методами сопротивления материалов.
Усадочную силу определяют количественно как произведение пло-
щади зоны пластической деформации в поперечном сечении соедине-
ния на предел текучести металла этой зоны.

Мероприятия, уменьшающие внешние сварочные деформации,
направлены на снижение остаточного укорочения и устранение не-
симметричности его распределения, а также на повышение сопро-
тивления свариваемых элементов деформированию. Они могут быть
реализованы на этапе конструирования или изготовления сварного
узла. Часто полностью устранить сварочные деформации не удается.
Поэтому при необходимости возможно применение правки уже гото-
вых сварных заготовок.

Поперечную и продольную усадки сварных заготовок (рис. 5.59, а)
можно скомпенсировать увеличением размеров заготовки под сварку
на величину предполагаемой деформации; уменьшить сваркой об-
ратно-ступенчатым способом (рис. 5.59, б; 1—6 — последователь-
ность сварки). Угловая деформация (рис. 5.59, в, и) может быть
устранена или снижена предварительным угловым изгибом заготовок
перед сваркой (рис. 5.59, г); уменьшением сечения шва заменой
V-образной разделки на U-образную (рис. 5.59, д, е); симметричным
размещением наплавленного металла относительно центра тяжести
сечения шва заменой V-образной разделки на Х-образную
(рис. 5.59, ж); жестким закреплением свариваемых элементов при
сварке (рис. 5.59, з) или применением ребер жесткости (рис. 5.59, к).

Деформацию изгиба (рис. 5.60, а) можно исключить предвари-
тельным обратным прогибом балки перед сваркой (рис. 5.60, б);
рациональной последовательностью укладки швов относительно
центра тяжести сечения сварной балки (рис. 5.60, в, в случае несим-
метричной двутавровой балки вначале сваривают швы 1 и 2, рас-
положенные ближе к центру тяжести); термической (горячей) прав-
кой путем нагрева зон, сокращение которых необходимо для исправ-
ления деформации заготовки, до температур термопластического
состояния (рис. 5.60, г; штриховкой показаны зоны нагрева). При
правке заготовки нагревают газовым пламенем или дугой с приме-
нением неплавящегося электрода. Разогретые зоны претерпевают
пластическую деформацию сжатия, а после охлаждения — остаточное
укорочение. Последнее обусловливает дополнительную деформацию
сварной заготовки, противоположную по знаку первоначальной внеш-
ней сварочной деформации. Подобную деформацию можно также по-
лучить, если наложить в указанных зонах холостые сварные швы.

Остаточные сварочные напряжения представляют собой систему
внутренних сил, находящихся в равновесии. При нарушении этого
равновесия напряжения перераспределяются, что сопровождается
упругими и пластическими деформациями в дополнение к сварочным
деформациям, полученным ранее в процессе сварки. Поэтому при
механической обработке сварных заготовок часто невозможно до?
биться высокой точности их размеров.

Для предупреждения возникновения высоких сварочных напря-
жений не следует допускать скопления сварных швов и пересечений
их друг с другом, рекомендуется использовать способы сварки,
обеспечивающие минимальный разогрев заготовок. Для снятия на-
пряжений применяют высокий отпуск сварных заготовок, а также
прокатку или проковку сварных швов. Другие способы умень-
шения напряжений рассмотрены в разд. 5, гл. V, п. 1.
РАЗДЕЛ 6

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
ДЕТАЛЕЙ МАШИН РЕЗАНИЕМ

ГЛАВА I. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

1.	КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ В МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ
СТАНКАХ. СХЕМЫ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ

Одна из главных задач машиностроения — дальнейшее
развитие, совершенствование и разработка новых технологических
методов обработки заготовок деталей машин, применение новых
конструкционных материалов и повышение качества обработки
деталей. Особенно большое внимание уделяется чистовым и отделоч-
ным технологическим методам обработки, объем которых в общей
трудоемкости обработки деталей постоянно возрастает. Наряду
с механической обработкой резанием применяют методы обработки
пластическим деформированием, с использованием химической, элек-
трической, световой, лучевой и других видов энергий. Весьма про-
грессивны комбинированные методы обработки (рис. 6.1).

Обработка металлов резанием — это процесс срезания режущим
инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки
для получения необходимой геометрической формы, точности раз-
меров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей детали.
Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему
инструменту и заготовке сообщить относительные движения. Ин-
струмент и заготовку устанавливают и закрепляют в рабочих органах
станков, обеспечивающих эти относительные движения: в шпинделе,
на столе, в револьверной головке. Движения рабочих органов стан-
ков подразделяют на движения резания, установочные и вспомога-
тельные. Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки
слоя металла или вызывают изменение состояния обработанной
поверхности заготовки, называют движениями резания. К ним отно-
сят главное движение и движение подачи.

За главное принимают движение, определяющее скорость де-
формирования и отделения стружки, за движение подачи — движе-
ние, обеспечивающее врезание режущей кромки инструмента в ма-
териал заготовки. Эти движения могут быть непрерывными или
прерывистыми, а по своему характеру вращательными, поступатель-
ными, возвратно-поступательными. Скорость главного движения
обозначают v, величину подачи — s.

Движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента
и заготовки для срезания с нее определенного слоя материала,
называют установочными. К вспомогательным движениям относят
транспортирование заготовки, закрепление заготовок и инструмента,
быстрые перемещения рабочих органов станка и др.


Точение

Сверление

Строгание

Фрезерование

Протягивание

Шлифование

Отделочная

-|	Обтачивание	|

-|	Растачивание	|

Поврезание	|

Разрезание	|

—| Рассверливание

—| Зенкерование	|

Долбление

t—| Прошивание

Рис. 6.1, Условная

—| Зенкование	|

—| Развертывание |
Ч (екование	|

классификация технологических методов обработки заготовок деталей машин

Полирование	—
Доводка	-
Притирка	-
Иенингаванае	h
Суперфиниширование,	
Мрашйяо- жидкостная	-
Шевингование	
Рис. 6.2. Схемы обработки заготовок:

а — точением; б— р а ста ч п г. а и нем; а — сверлением; г— фр Н'пованлем: д — шлнфова»

нисм на круглсшлифогальиом станке*, е

— ш'лн’рьзпп-ем им i j ocko гл и|м сольном станке

Для любого процесса резания можно составить схему обработки.
На схеме условно изображают обрабатываемую заготовку, се уста-
новку и закрепление на станке, закрепление и положение инстру-
мента относительно заготовки, а также движения резания
(рис. 6.2). Инструмент показывают в положении, соответствующем
окончанию обработки поверхности заготовки. Обработанную поверх-
ность на схеме выделяют другим цветом или утолщенными линиями.
На схемах обработки показывают характер движений резания и их
технологическое назначение, используя условные обозначения. Су-
ществуют подачи: продольная $„р, поперечная s,„ вертикальная s„,
круговая slip, окружная s„ и др. В процессе резания на заготовке
различают обрабатываемую поверхность /, обработанную поверх-
ность 3 и поверхность резания 2 (рис. 6.2, й).

2,	МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Пространственную форму детали определяет сочетание
различных поверхностей. Для облегчения обработки конструктор
стремится использовать простые геометрические поверхности: пло-
ские, круговые цилиндрические и конические, шаровые, торовые,
геликоидные. Геометрическая поверхность представляет собой сово-
купность последовательных положений (следов) одной производящей
линии, называемой образующей, движущейся по другой производящей
линии, называемой направляющей. Например, для образования
круговой цилиндрической поверхности прямую линию (образу-
ющую) перемещают по окружности (направляющей). При обработке
поверхностей на металлорежущих станках образующие и направля-
1

кмцие линии в большинстве случаев отсутствуют. Они воспроиз-
водятся комбинацией движений заготовки и инструмента, скорости
которых согласованы между собой. Движения резания являются
формообразующими. Механическая обработка заготовок деталей
машин реализует четыре метода формообразования поверхностей.

Образование поверхностей по методу копирования со-
стоит в том, что режущая кромка инструмента соответствует форме
образующей обрабатываемой поверхности детали (рис. 6.3, а). На-
правляющая линия 2 воспроизводится вращением заготовки. Главное
движение здесь является формообразующим. Движение подачи не-
обходимо для того, чтобы получить геометрическую поверхность
определенного размера. Метод копирования широко используют при
обработке фасонных поверхностей деталей на различных металло-
режущих станках.

Образование поверхностей по методу следов состоит в том,
что образующая линия 1 является траекторией движения точки
(вершины) режущей кромки инструмента, а направляющая линия
2 — траекторией движения точки заготовки (рис. 6.3, б). Движения
резания формообразующие.

Образование поверхностей по методу касания состоит
в том, что образующей линией I служит режущая кромка инстру-
мента (рис. 6.3, в), а направляющая линия 2 поверхности касатель-
ная к ряду геометрических вспомогательных линий — траекториям
точек режущей кромки инструмента. Здесь формообразующим яв-
ляется только движение подачи.

Образование поверхностей по методу обкатки (огибания)
состоит в том, что направляющая линия 2 воспроизводится враще-
нием заготовки. Образующая линия 1 получается как огибающая
кривая к ряду последовательных положений режущей кромки ин-
струмента относительно заготовки (рис. 6.3, г) благодаря согласова-
нию двух движений подачи. Скорости движений согласуют так,
что за время прохождения круглым резцом расстояния /он делает
один полный оборот относительно своей оси вращения (рис. 6.3, г).
256
3.	РЕЖИМ РЕЗАНИЯ И ГЕОМЕТРИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ

При назначении режимов резания определяют скорость
резания, подачу и глубину резания.

Скоростью резания v называют расстояние, пройденное точкой
режущей кромки инструмента относительно заготовки в единицу
времени. Скорость резания имеет размерность м/мин или м/с. Если
главное движение вращательное (точение), то скорость резания,
м/мин:

и = л.£)загп/1000,

где Озаг — наибольший диаметр обрабатываемой поверхности за-
готовки, мм; п — частота вращения заготовки в минуту.

Если главное движение возвратно-поступательное, а скорости
рабочего и холостого ходов различны, то скорость резания, м/мин!

v = Lm(k+ 1)/1000,

где L — расчетная длина хода инструмента, мм; т — число двойных
ходов инструмента в минуту; k — коэффициент, показывающий
отношение скоростей рабочего и холостого ходов.

Подачей s называют путь точки режущей кромки инструмента

относительно заготовки в направлении движения подачи за один

оборот (рис. 6.4) либо один ход заготовки или инструмента. Подача
в зависимости от технологического метода обработки имеет размер-
ность: мм/об — для точения и сверления; мм/дв. ход — для строга-

ния и шлифования.

Глубиной резания t называют расстояние между обрабатываемой

и обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендику-
лярно к последней. Глубину резания задают на каждый рабочий
ход инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Глу-

бина резания имеет размерность мм.

При точении цилиндрической поверхности глубину резания

определяют как полуразность
(рис. 6.4):

t = (D3ar - d)/2,
где d — диаметр обработан-
ной поверхности заготов-
ки, мм.

Форму срезаемого слоя
материала рассмотрим на
примере обтачивания цилинд-
рической поверхности на
токарном станке. На рис. 6.4
показаны два последователь-
ных положения резца отно-
сительно заготовки за время
одного полного ее оборота.
Резец срезает с заготовки

диаметров до и после обработки

Рис. 6.4. Элементы резания и геометрия
срезаемого слоя

9 А. М. Дальскнй и др.

257
материал площадью поперечного сечения /ЛВСЛ, называемой
номинальной площадью поперечного сечения срезаемого слоя /„ мм2.
Для резцов с прямолинейной режущей кромкой /„ =[abcd ~ мм2.

Форма и размеры номинального сечения срезаемого слоя мате-
риала зависят от s,, и I, углов <р и cpj и формы режущей кромки.
В процессе резания участвуют одновременно два движения, поэтому
траекторией движения вершины резца относительно заготовки будет
винтовая линия. Начав резание в точке А, резец вновь встретится
о этой образующей цилиндрической поверхности только в точке В
Следовательно, не вся площадь поперечного сечения материала
fABCn будет срезана с заготовки, а только часть ее, и па обработан-
ной поверхности останутся микронеровности. Остаточное сечение
срезаемого слоя = fABi;. Действительное сечение срезаемого
слоя материала fa = fBcr.~F. будет меньше номинального /„ на вели-
чину площади осевого сечения микронеровностей.

Шероховатость — один из показателей качества поверхности —
оценивается высотой, формой, направлением неровностей и другими
параметрами. На шероховатость влияют режим резания, геометрия
инструмента, вибрации, физико-механические свойства материала
заготовки

К параметрам процесса резания относят основное (технологиче-
ское) время обработки, время, затрачиваемое непосредственно на
процесс изменения формы, размеров и шероховатости обрабатыва-
емой поверхности заготовки. При токарной обработке цилиндриче-
ской поверхности основное время То, мин, равно:

То = Li/(ns^,

где L — I + /, 4- /, — путь режущего инструмента относительно
заготовки в направлении подачи; I — длина обработанной поверх-
ности, мм; /, — t etg <р — величина врезания резца, мм; <р — глав-
ный угол в плане токарного резца; /2 = 1-4-3 — выход резца (пере-
бег), мм; / — число рабочих ходов резца, необходимое для снятия
материала, оставленного на обработку.

4.	ЭЛЕМЕНТЫ ТОКАРНОГО ПРОХОДНОГО РЕЗЦА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВ РЕЗЦА

Токарный прямой проходной резец (рис. 6.5) имеет го-
ловку — рабочую часть / и тело — стержень //, который служит для
закрепления резца в резцедержателе. Головка резца образуется
при заточке и имеет следующие элементы: переднюю поверхность 1,
по которой сходит стружка; главную заднюю поверхность 2, обра-
щенную к поверхности резания заготовки; вспомогательную заднюю
поверхность 5, обращенную к обработанной поверхности заготовки;
главную режущую кромку 3 и вспомогательную 6; вершину 4. Ин-
струмент затачивают по передней и задним поверхностям. Для опре-
деления углов, под которыми расположены поверхности рабочей
части инструмента относительно друг друга, вводят координатные
плоскости (рис. 6.6). Основная плоскость (ОП) — плоскость, парал-
258
Рис. 6.5. Элементы токарного

прямого проходного резни

дельная направлениям продольной н поперечной подач. Плоскость
резания (ПР) проходит через главную режущую кромку резца,
касательно к поверхности резания. Главная секущая плоскость
(У — А’) — плоскость, перпендикулярная к проекции главной режу-
щей кромки на основную плоскость. Вспомогательная секущая
плоскость (Л/\ — Л',) — плоскость, перпендикулярная к проекции
вспомогательной режущей кромки на основную плоскость.

Перечисленные элементы имеют и другие режущие инструменты. Кроме этих
элементен, инструмент ы могут иметь переходную (дополнительную) режущую
кромку, располагающуюся между главной и вспомогательной режущими кром-
ками. В этом случае ргиючгя часть инструмента имеет переходную заднюю поверх-
ность

5.	ГЕОМЕТРИЯ ИНСТРУМЕНТА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА
ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ
ПОВЕРХНОСТИ

Углы резца (см. рис. 6.6) определяют положение элемен-
тов рабочей части относительно координатных плоскостей и друг
друга. Эти углы называют углами резца в статике. Углы инструмента
оказывают существенное влияние на процесс резания и качество
обработки.

У токарного резца различают главные и вспомогательные углы,
которые рассматривают, исходя из следующих условий: ось резца
перпендикулярна к линии центров станка; вершина резца находится
на линии центров ставка; совершается главное движение резания.

Г л а в н ы й п е р е д н и й у гол у измеряют в главной секу-
щей плоскости между следом передней поверхности и следом пло-
скости, перпендикулярной к следу плоскости резания. Передний
угол у оказывает большое влияние на провесе резания С увеличе-
нием угла у уменьшается деформация срезаемого слоя, так как
инструмент легче врезается в материал, снижаются сила резания
и расход мощности Одновременно улучшаются условия схода
стружки, а качество обработанной поверхности заготовки повы-
шается Чрезмерное увеличение утла у приводит к снижению проч-
ности главной режущей кромки, увеличению износа вследствие

9*	259
выкрашивания, ухудшению условий теплоотвода от режущей
кромки.

При обработке деталей из хрупких и твердых материалов для
повышения стойкости резца следует назначать меньшие значения
угла у, иногда даже отрицательные. При обработке деталей из мяг-
ких и вязких материалов передний угол увеличивают.

Главный задний угол а измеряют в главной секущей
плоскости между следом плоскости резания и следом главной задней
поверхности. Наличие угла а уменьшает трение между главной
задней поверхностью инструмента и поверхностью резания заго-
товки, что уменьшает износ инструмента по главной задней поверх-
ности.

Вспомогательный задний угол измеряют
во вспомогательной секущей плоскости между следом вспомогатель-
ной задней поверхности и следом плоскости, проходящей через
вспомогательную режущую кромку перпендикулярно к основной
плоскости. Наличие угла а, уменьшает трение между вспомогатель-
ной задней поверхностью инструмента и обработанной поверхностью
заготовки.

Главны йугол вплане <р — угол между проекцией главной
режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи —
оказывает значительное влияние на шероховатость обработанной
поверхности. С уменьшением угла <р шероховатость обработанной
поверхности снижается. Одновременно увеличивается активная ра-
бочая длина главной режущей кромки. Сила и температура резания,
приходящиеся на единицу длины кромки, уменьшаются, что снижает
износ инструмента. С уменьшением угла <р возрастает сила резания,
направленная перпендикулярно к оси заготовки и вызывающая ее
повышенную деформацию. С уменьшением угла <р возможно возник-
новение вибраций в процессе резания, снижающих качество обра-
ботанной поверхности.

Вспомогательный угол в плане <Р| — угол между
проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость
и направлением, обратным движению подачи. С уменьшением угла q>j
шероховатость обработанной поверхности снижается, увеличивается
прочность вершины резца и снижается его износ.

Угол наклона главной режущей кромки К
измеряют в плоскости, проходящей через главную режущую кромку
резца перпендикулярно к основной плоскости, между главной
режущей кромкой и линией, проведенной через вершину резца
параллельно основной плоскости. С увеличением угла Z качество
обработанной поверхности ухудшается.

Углы -у, а, <р и гр, могут изменяться вследствие погрешности установки резца
Если при обтачивании цилиндрической поверхности вершину резца установить
выше линии центров, то угол у увеличится, а угол а уменьшится, а при установке
вершины резца ниже линии центров станка — наоборот. Если ось резца будет не-
верпепдикулярна к линии центров станка, то это вызовет изменение углов <р и (р1е

В процессе резания углы у и а резца меняются. Это можно объяс-
нить тем, что меняется положение плоскости резания в пространстве
260
вследствие вращения заготовки и поступательного движения резца,
так как фактической поверхностью резания, к которой касательна
плоскость резания, будет винтовая поверхность. При работе с боль-
шими подачами, а также при нарезании резьбы изменение углов у
и а будет существенным, что необходимо учитывать при изготовлении
резцов. Углы у и а в процессе резания могут оказаться переменными,
что имеет место при обработке сложных поверхностей типа кулачков,
лопаток турбин и т. п.

6.	ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Резание металлов — сложный процесс взаимодействия
режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся рядом
физических явлений, например, деформированием срезаемого слоя
металла. Упрощенно процесс резания можно представить следующей
схемой. В начальный момент процесса резания, когда движущийся
резец под действием силы Р (рис. 6.7) вдавливается в металл, в сре-
заемом слое возникают упругие деформации. При движении резца
упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, пере-
ходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала
заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние. В пло-
скости, перпендикулярной к траектории движения резца, возникают
нормальные напряжения ау, а в плоскости, совпадающей с траекто-
рией движения резца, — касательные напряжения тх. В точке при-
ложения действующей силы значение тг наибольшее. По мере уда-
ления от точки А тх уменьшается. Нормальные напряжения е>у
вначале действуют как растягивающие, а затем быстро уменьшаются
и, переходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия. Сре-
заемый слой металла находится под действием давления резца,
касательных и нормальных напряжений.

Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пла-
стической деформации, а рост ее — к сдвиговым деформациям,
т. е. к смещению частей кристаллов относительно друг друга. Сдви-
говые деформации происходят в зоне стружкообразования АВС,
причем деформации начинаются по плоскости АВ и заканчиваются
по плоскости АС, в которой завершается разрушение кристаллов,
т. е. скалывается элементарный объем металла и образуется стружка.
Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент
стружки.

Условно считают, что сдвиговые деформации происходят по
плоскости 00, которую называют плоскостью сдвига. Она распо-
лагается примерно под углом 0 = 30° к направлению движения
резца. Угол 0 называют углом сдвига. Наличие поверхности сдвига
в процессе стружкообразования и положение ее в пространстве
было установлено русскими учеными И. А. Тиме и К. А. Зворыки-
ным. Срезанный слой металла дополнительно деформируется вслед-
ствие трения стружди о переднюю поверхность инструмента. Струк-
туры металла зоны АВС и стружки резко отличаются от структуры
основного металла. В зоне АВС расположены деформированные
Рис. 6.7. Упругогапряжснпое состояние
металла при обработке резанием

Рис. 6.8. Схема процесса обра-
зопанпя стружки

и разрушенные кристаллы, сильно измельченные и вытянутые в це-
почки в одном, вполне определенном направлении, совпадающем
в направлением плоскости 0,0,. которая с плоскостью сдвига соста-
вляет угол (3 (рис. 6.8).

Характер деформирования срезаемого слоя зависит от фи .икс-
механических свойств материала обрабатываемой заготовки, гео-
метрии инструмента, режима резания, условий обработки В процессе
резания заготовок из пластичных металлов и сталей средней 1вер-
дости превалирует пластическая деформация. У хрупких металлов
пластическая деформация практически отсутствует. Поэюму при
резании деталей из хрупких металлов угол (5 близок к нулю, а при
резании деталей из пластичных металлов р доходит до 3(Г, что сви-
детельствует о сложном внутреннем процессе деформирования кри-
сталлов и формировании новой структуры. Знание законов пласти-
ческого деформирования и явлений, сопровождающих процесс реза-
ния, позволяет повысить качество обработанных поверхностей
деталей машин и их надежность.

При резании металлов образуется стружка сливная, скалывания
или надлома. Сливная стружка, появляющаяся при резании пла-
стичных металлов, представляет собой сплошную ленту с гладкой
прирезцовой стороной. На внешней стороне ее видны слабые пило-
образные зазубрины. Стружка скалывания, образующаяся при
резании металлов средней твердости, представляет собой ленту
с гладкой прирезцовой стороной, на внешней стороне — ярко вы-
раженные зазубрины. Стружка надлома образуется при резании
хрупких металлов и состоит из отдельных, не связанных между
собой элементов. Вид образующейся стружки зависит от физико-
механических свойств металла обрабатывая.мой детали, режима
резания, геометрии режущего инструмента, применяемых в процессе
резания смазочно-охлаждающих веществ

Стружка, образующаяся п процессе резания, подвергается значительному
пластическому деформированию, одним из проявления которого является ее усадка.
Усадка стружки состоит в том, что длина стружки оказывается меньше длины обра-
ботанной поверхности, а толщина — больше толщины срезанного слоя металла.
Ширина стружки практически остается без изменений. Усадка стружки характе-
ризуется коэффициентом усадки. Чем пластичнее металл заготовки, тем больше ве-
262
личина коэффициента К усадки стружки. Величина усадки стружки зависит от фи-
зико-механических свойств обрабатываемого металла, режима и условий резания,
геометрии инструмента.

7.	СИЛЫ РЕЗАНИЯ

Деформирование и срезание с заготовки слоя металла
происходит под действием внешней силы Р, приложенной со стороны
инструмента к обрабатываемой заготовке. Направление вектора
силы совпадает с вектором скорости резания V. Работа, затрачива-
емая на деформацию и разрушение материала заготовки (Pv), рас-
ходуется на упругое и пластическое деформирование металла, его
разрушение, преодоление сил трения задних поверхностей инстру-
мента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмента.

В результате сопротивления металла деформированию возникают
реактивные силы, действующие на режущий инструмент. Это силы
упругого (Ру1 и Р1/2) и пластического (Ри1 и Рг,2) деформирования,
векторы которых направлены перпендикулярно к передней и главной
задней поверхностям резца (рис. 6.9, а). Наличие нормальных сил
обусловливает возникновение сил трения (Тл и Т2), направленных
по передней и главной задней поверхностям инструмента. Указанную
систему сил приводят к равнодействующей силе резания:

р = ру1 + ру2 Н- p,r] + pII2 + Т, + т2.

Считают, что точка приложения силы R находится на рабочей
части главной режущей кромки инструмента (рис. 6.9, б). Абсолют-
ная величина, точка приложения и направление равнодействующей
силы резания R в процессе обработки переменны. Это можно объяс-
нить неоднородностью структуры металла заготовки, переменной
поверхностной твердостью материала заготовки, непостоянством
срезаемого слоя металла (наличие штамповочных и литейных уклонов
и др.), изменением углов у и а в процессе резания. Для расчетов
используют не равнодействующую силу резания, а ее составляющие,
действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям —

Рис. 6.9. Силы, действующие на резец щ), и разложение силы резания на соста-
вляющие (б)
Рис. 6.10 Силы, действу-
ющие на заготовку (а)
и резец (б)

координатным осям металлорежущего станка. Для токарно-винто-
резного станка: ось х — линия центров станка, ось у — горизон-
тальная линия, перпендикулярная к линии центров станка, ось 2 —
линия, перпендикулярная к плоскости хоу (рис. 6.9, б).

Вертикальная составляющая силы резания Р, действует в пло-
скости резания в направлении главного движения (по оси г). По силе
Рг определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную
мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости хог
(рис. 6.10, а), изгибающий момент, действующий на стержень резца
(рис. 6.10, б), а также ведут динамический расчет механизмов ко-
робки скоростей станка. Радиальная составляющая силы резания Ри
действует в плоскости хоу перпендикулярно к оси заготовки. По
силе Рв определяют величину упругого отжатия резца от заготовки
и величину деформации изгиба заготовки в плоскости хоу
(рис. 6.10, а). Осевая составляющая силы резания Рх действует
в плоскости хоу, вдоль оси заготовки. По силе Рх рассчитывают
механизм подачи станка, изгибающий момент, действующий на
стержень резца (рис. 6.10, б).

По величине деформации заготовки от сил Рг и Ру рассчитывают
ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность
ее геометрической формы. По величине суммарного изгибающего
момента от сил Рг и Р, рассчитывают стержень резца на прочность.
Равнодействующая сила резания, Н:

Силу Рг, Н, определяют по эмпирической формуле;

P, = CPiX^sp^np-’kUD,
2	Pz

где Срг — коэффициент, учитывающий физико-механические свой-
ства материала обрабатываемой заготовки; kMp^ — коэффициент,
учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (углы резца, мате'
риал резца и т. д.).
Значения коэффициентов СР , йм и показателей степеней хр ,
Ур и пРг даны в справочниках для конкретных условий обработки.

Аналогичные формулы существуют для определения сил Ри и Рх.
Условно считают, что для острого резца с у = 15°, <р == 45°, X = О
при точении стали без охлаждения Р, : Ри: Р, = 1 : 0,45 i 0,35.
Отношения Рц ! Р2 и Р, : Р. растут с увеличением износа резца,
уменьшение угла <р увеличивает отношение Ру : Рг, а повышение
подачи приводит к росту отношения Рл : Pz. Знание величин и на-
правлений сил Р., Ри и Р, необходимо для расчета элементов станка,
приспособлений и режущего инструмента.

Крутящий момент на шпинделе станка, Н-м:

Л41(. ш = Л^за,/(2- ЮОО)..

Изгибающий момент, действующий на стержень резца, Н-м
(рис. 6.10, б):

М = V Mi + Mi = I VPi + Pi.

Упругое перемещение стержня резца и заготовки под действием
силы Ру, мм:

У = Py/Jзат “Ь ^уМинс»

где J3ar — жесткость системы заготовка — приспособление — эле-
мент станка, на котором закреплена заготовка; <7ИНС — жесткость
системы инструмент — приспособление — элемент станка, на кото-
ром закреплен инструмент.

Аналогичный расчет делают для определения горизонтального уа
и вертикального гп упругих перемещений инструмента.

Эффективной мощностью Ne называют мощность, расходуемую
на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя металла.
При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном
станке эффективная мощность, кВт:

/V, = Pzv/(6Q- 103) + />зпр/(60 • 10е),
где п — частота вращения заготовки, об/мин.

Мощность электродвигателя станка N.3, кВт:

= Л/е/ц,
где л — КПД механизмов и передач станка.

8.	НАРОСТООБРАЗОВАНИЕ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ

При обработке пластичных металлов резанием на перед-
ней поверхности инструмента образуется слой металла, который
называют наростом. Это сильно деформированный металл, структура
которого отличается от структур обрабатываемого металла
и стружки.

Образование нароста объясняется тем, что геометрическая форма
инструмента не идеальна с точки зрения обтекания ее металлом.
При некоторых условиях обработки силы трения между передней
Рис. G. II. Схемы образования и разрушения нароста (а) и силе..!, действующие
на нарост (б)

поверхностью инструмента и частицами срезанного слоя металла
становятся больше сил внутреннего сцепления, и при наличии
определенных температурных условий металл прочно оседает па
передней поверхности инструмента.

В процессе обработки резанием размеры и форма нароста непре-
рывно меняются в результате действия сил трения между отходящей
стружкой и внешней поверхностью нароста. Частицы нароста по-
стоянно уносятся стружкой, увлекаются обработанной поверхностью
заготовки, иногда нарост целиком срывается с передней поверх-
ности инструмента и тут же вновь появляется (рис. 6.11, а). Объяс-
няется это тем, что нарост находится под действием силы трепня Т,
сил сжатия Р, и Р, и силы растяжения Q (рис. 6.11, б). С изменением
размеров нароста меняется соотношение действующих сил. Когда
сумма сил Pt, Р2 и Q становится больше силы трения Т, то проис-
ходят разрушение и срыв нароста. Частота срывов нароста зависит
от скорости резания и достигает нескольких сотен в секунду.

Нарост сущее гневно влияет па процесс резания и качество обра-
ботанной поверхности заготовки, так как при его наличии меняются
условия стружкообразования.

Положительное влияние нароста заключается в том, что при
наличии его меняется форма передней поверхности инструмента,
что приводит к увеличению переднего угла, следовательно, к умень-
шению силы резания. Вследствие высокой твердости нарост способен
резать металл Нарост удаляет центр давления стружки от режущей
кромки, в результате чего уменьшается износ режущего инструмента
по передней поверхности. Нарост улучшает теплоотвод от режущего
инструмента

Отрицательное влияние нароста заключается в том, что он уве-
личивает шероховатость обработанной поверхности. Частицы на-
роста, внедрившиеся в обработанную поверхность, при работе
детали с сопрягаемой деталью вызывают повышенный износ нары.
Вследствие изменения наростом геометрии режущего инструмента
меняются размеры обрабатываемой поверхности в поперечных (диа-
метральных) сечениях по длине заготовки и обработанная поверх-
ность получается волнистой. Вследствие изменения переднего угла
инструмента изменяется сила резания, что вызывает вибрацию
узлов станка и инструмента, а это, в свою очередь, ухудшае! ка-
чество обработанной поверхности.
Следовательно, при грубой черновой обработке, когда возникают
большие силы резания, снимается толстый слой металла и выделяется
значительное количество теплоты, нарост положителен и, наоборот,
при чистовой окончательной обработке нарост отрицателен, так как
снижает качество обработанной поверхности.

Наростообразованне. зависит от физико-механических свойств
обрабатываемого металла, скорости резания, геометрии режущего
инструмента и других факторов. Наиболее интенсивно нарост обра-
зуется при обработке пластичных металлов. Считают, что наиболь-
шее наростообразование при обработке пластичных металлов проис-
ходит при скоростях резания 18—30 м/мин, а при скоростях резания
до 12 м/мин и более 50 м/мин нарост на режущем инструменте не
образуется.

Исследование процесса наростообразования позволяет дать реко-
мендации по борьбе с ним в условиях чистовой обработки. Это изме-
нение геометрии режущего инструмента и скорости резания, при
менение смазочно-охлаждающих жидкостей, тщательная доводка
передней поверхности инструмента для снижения коэффициента
трепня между ней и отходящей стружкой.

9.	УПРОЧНЕНИЕ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ

Результатом упругой и пластической деформации мате-

риала обрабатываемой заготовки является упрочнение (наклеп)
поверхностного слоя. При рассмотрении процесса стружкообразова-
ния считают инструмент острым. Однако инструмент всегда имеет
радиус скругления режущей кромки р (рис. 6.12, а), равный при
обычных методах заточки примерно 0,02 мм. Такой инструмент
срезает с заготовки стружку при условии, что глубина резания t
больше радиуса р. Тогда в стружку переходит часть срезаемого слоя
металла, лежащая выше линии CD. Слой металла, соизмеримый
с радиусом р и лежащий между линиями АВ и CD упругопластически
деформируется. При работе инструмента значение радиуса р быстро
растет вследствие затупления режущей кромки, и расстояние между
линиями АВ и CD увеличивается.

D.
В

Рис. 6.12. Схема образования поверхностного слоя заготовки (а) и эпюра раелро*
странения упрочнения по толщине заготовки (б)
Упрочнение металла обработанной поверхности заготовки про-
является в повышении ее поверхностной твердости. Твердость ме-
талла обработанной поверхности после обработки резанием может
увеличиться в ~2 раза. Значение твердости может колебаться,
так как значение пластической деформации и глубина ее зависят
от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки,
геометрии режущего инструмента и режима резания.

После перемещения резца относительно обработанной поверх-
ности происходит упругое восстановление поверхностного дефор-
мированного слоя на величину (рис. 6.12, а) — упругое после-
действие. В результате образуется контактная площадка шириной Н
между обработанной поверхностью и вспомогательной задней по-
верхностью резца. Со стороны обработанной поверхности возникают
силы нормального давления N и трения F. Чем больше значение
упругощдеформации, тем больше сила трения. Для уменьшения сил
трения у режущего инструмента делают задние углы (а и aj, значения
которых зависят от степени упругой деформации металла заготовки.

Упругопластическое деформирование металла приводит к воз-
никновению в поверхностном слое заготовки остаточных напряже-
ний, растяжения или сжатия. Напряжения растяжения снижают
сопротивление усталости металла заготовки, так как приводят к по*
явлению микротрещин в поверхностном слое, развитие которых
ускоряется действием корродирующей среды. Напряжения сжатия,
напротив, повышают сопротивление усталости деталей. Неравномер-
ная релаксация остаточных напряжений искажает геометрическую
форму обработанных поверхностей, снижает точность их взаимного
расположения и размеров. Релаксация напряжений, продолжа-
ющаяся в процессе эксплуатации машин, снижает их качество
и надежность.

Следовательно, окончательную обработку поверхностей заготовок
следует вести такими методами и в таких условиях, чтобы остаточные
напряжения отсутствовали или были минимальными. Целесообразно,
чтобы в поверхностном слое возникали напряжения сжатия. Напря-
жения можно снизить, применяя, например, электрохимическую
обработку. Для получения в поверхностном слое напряжений сжа-
тия можно рекомендовать обработку тонким пластическим деформи-
рованием, например, обкатку поверхностей заготовок стальным
закаленным роликом или шариком.

Условно поверхностный слой обработанной заготовки можно
разделить на три зоны (рис. 6.12, б): I — зона разрушенной струк-
туры с измельченными зернами, резкими искажениями кристал-
лической решетки и большим количеством микротрещин; ее следует
обязательно удалять при каждой последующей обработке поверх-
ности заготовки; II—зона наклепанного металла; Ill—основной
металл. В зависимости от физико-механических свойств металла
обрабатываемой заготовки и режима резания глубина наклепанного
слоя составляет несколько миллиметров при черновой обработке
и сотые и тысячные доли миллиметра при чистовой обработке. Пла-
стичные металлы подвергаются большему упрочнению, чем твердые.
268
Наклеп обработанной поверхности можно рассматривать как
полезное явление, если возникают остаточные напряжения сжатия.
Однако наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательно
влияет на процесс резания при чистовой обработке, когда срезаются
тонкие стружки. В этом случае инструмент работает по поверхности
с повышенной твердостью, что приводит к его быстрому затуплению,
шероховатость поверхности увеличивается.

10.	ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Процесс резания сопровождается образованием теплоты.
Количество теплоты Q, выделяющейся в единицу времени, Дж/мин:

Q == P.v.

Теплота образуется в результате упругопластического деформи-
рования в зоне стружкообразования, трения стружки о переднюю по-
верхность инструмента, трения задних поверхностей инструмента о по-
верхность резания и обработанную поверхность заготовки (рис. 6.13).

Тепловой баланс процесса резания можно представить следующим
тождеством:

Q = Сд 4" Qn. п + Фз. п = Qi: “И Qaar 4“ Qn 4"

где Qn — количество теплоты, выделяемой при упругопластической
деформации обрабатываемого материала, Дж; Q„. „ — количество
теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю поверхность
инструмента, Дж; Q3. „ — количество теплоты, выделяемой при
трении задних поверхностей инструмента о заготовку, Дж; Qc —
количество теплоты, отводимой стружкой, Дж; Qaar — количество
теплоты, отводимой заготовкой, Дж; Q,, — количество теплоты,
отводимой режущим инструментом, Дж; Q-, — количество теплоты,
отводимой в окружающую среду (теплота лучеиспускания), Дж.

В зависимости от технологического метода и условий обработки
стружкой отводится 25—85 % всей выделившейся теплоты; заготов-
кой 10—50 %; инструментом 2—8 %. Количественное распределение
теплоты главным образом зависит от скорости резания (рис. 6.14).

О 100 200 300 400У,н]нин

Рис. 6.14. Распределение теп-
лоты резания в зависимости от
скорости резания

Рис. 6.13. Источники образования и
распределения теплоты резания
Рис. 6.15. Влияние нагрева на заготовку:

а — температурное поле заготовки; 6 — форма заготовки
после обработки

Теплообразование отрицательно влияет
на процесс резания. Нагрев инструмента
до высоких температур (800—1000 иС) вы-
зывает структурные превращения в ме-
талле, из которого он изготовлен, сни-
жение твердости инструмента и потерю
режущих свойств. Нагрев инструмента
вызывает изменение его геометрических
размеров, что влияет на точность разме-
ров и геометрическую форму обработанных
поверхностей. Например, при обтачивании цилиндрической поверх-
ности на гокарном станке удлинение резца при повышении его
температуры изменяет глубину резания, и обработанная поверхность
получается конусообразной. Нагрев заготовки вызывает изменение
ее геометрических размеров. Вследствие жесткого закрепления на
станке заготовка деформируется. Температурные деформации ин-
струмента, приспособления, заготовки и станка снижают качество
обработки.

Погрешность фюрмы обработанных поверхностей возрастает из-за
непостоянства температурного поля по объему заготовки в процессе
обработки (рис. 6.15, а), и после охлаждения обработанной заго-
товки возникают дополнительные погрешности обработанной поверх-
ности (рис. 6.15, б). Температурные погрешности следует учитывать
при наладке станков. Для определения погрешностей необходимо
знать температуру инструмента и заготовки или количество теплоты,
переходящей в них (см. рис. 6.14).

Для уменьшения отрицательного влияния теплоты на процесс
резания обработку ведут в условиях применения смазочно-охлажда-
ющих сред. В зависимости от технологического метода обработки,
физико-механических свойств материалов обрабатываемой заго-
товки и режущего инструмента, а также режима резания применяют
различные смазочно-охлаждающие среды.

Жидка:и: водные растворы минеральных электрол1'.тов, эмульсии, растворы
мыл; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавле-
нием фосфора, серы, хлора (сульфофрезолы), керосин и растворы поверхностно-
активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавлением смазывающих ве-
ществ (графита, парафина, воска).

Газы и газообразные вещества: газы СО2, СС14, N2; пары поверхностно-актив-
ных веществ; распыленные жидкости (туман) и пены.

Твердые вещества: порошки воска, парафина, петролатума, битума; мыльные
порошки.

Чаще всего при обработке резанием применяют смазочно-охла-
ждающие жидкости. Обладая смазывающими свойствами, жидкости
снижают трение стружки о переднюю поверхность инструмента
и задних поверхностей инструмента о заготовку. Одновременно
снижается работа деформирования. Общее количество теплоты, вы-
деляющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие
среды отводят теплоту во внешнюю среду от мест ее образования,
охлаждая режущий инструмент, деформируемый слой и обработан-
ную поверхность заготовки. Смазывающее действие сред препят-
ствует образованию налипов металла на поверхностях инструмента,
в результате чего снижается шероховатость обработанных поверх-
ностей заготовки. Применение смазочно-охлаждающих сред приводит
к тому, что эффективная мощность резания уменьшается па 10—
15 %; стойкость режущего инструмента возрастает, обработанные
поверхности заготовок имеют меньшую шероховатость и большую
точность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих
сред.

При черновой и получистовой обработке, когда требуется сильное
охлаждающее действие среды, применяют водные эмульсии. Коли-
чество эмульсии, используемой в процессе резания, зависит от
технологического метода обработки и режима резания и колеблется
от 5 до 150 л/мин. Увеличивать количество подаваемой жидкости
рекомендуют при работе инструментов, армированных пластинками
твердого сплава, что способствует их равномерному охлаждению
и предохраняет от растрескивания. При чистовой обработке, когда
требуется получить высокое качество обработанной поверхности,
используют масла. Для активизации смазочных материалов к ним
добавляют активные вещества — фосфор, серу, хлор. Под влиянием
высоких температур и давлений эти вещества образуют с металлом
контактирующих поверхностей соединения, снижающие трение —
фосфиды, хлориды, сульфиды. При обработке заготовок из хрупких
металлов, когда образуется стружка надлома, в качестве охлажда-
ющей среды применяют сжатый воздух, углекислоту.

Смазочно-охлаждающие среды по-разному подаются в зону резания. Наиболее
распространена подача жидкости в зону резания через узкое сопло па переднюю
поверхность инструмента под давлением 0,05—0,2 МПа. Более эффективно высоко-
напорное охлаждение. В этом случае жидкость подают топкой струей под давлением
1,5—2 МПа со стороны задних поверхностей инструмента. Весьма эффективным
является охлаждение распыленными жидкостями — туманом, который подают
со стороны задних поверхностей инструмента. В тех случаях, когда охтзждение
режущего инструмента затруднено, используют подрод жидкости непосредственно
в зону резания через полый режущий инструмент.

11.	ТРЕНИЕ, ИЗНОС И СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА

Трение между стружкой и передней поверхностью инстру-
мента и между его главной задней поверхностью и поверхностью
резания заготовки вызывает износ режущего инструмента. В усло-
виях сухого и полусухого трения преобладает абразивное изнашива-
ние инструмента. Высокие температуры и контактные давления
вызывают следующие виды изнашивания: окислительное — разруше-
ние поверхностных оксидных пленок; адгезионное — вырывания
частиц материала инструмента стружкой или материалом заготовки
вследствие их молекулярного сцепления; термическое — структур-
ные превращения в материале инструмента.
Рис. 6.16. Износ резца [а] и изменение размеров резца и заготовки в результате
износа Сб)

Рассмотрим общий характер износа режущего инструмента на
примере токарного резца (рис. 6.16, а). При износе резца на передней
поверхности образуется лунка шириной Ь, а на главной задней
поверхности — ленточка шириной h. У инструментов из разных
материалов и при разных режимах резания преобладает износ перед-
ней или главной задней поверхности. При одновременном износе
по этим поверхностям образуется перемычка /.

Износ резца по главной задней поверхности в процессе обработки
изменяет глубину резания, так как уменьшается вылет резца на
величину и = I — 1п (рис. 6.16, б). Значение износа резца пропор-
ционально времени обработки, поэтому по мере роста значения и
глубина резания t уменьшается. Обработанная поверхность полу-
чается конусообразной с наибольшим диаметром Da и наимень-
шим D.

Количественное выражение допустимого значения износа назы-
вают критерием износа. За критерий износа принимают в большин-
стве случаев износ инструмента по главной задней поверхности h.
Для токарных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ
h — 1,5-г-2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава h =
= 0,8-И мм; с минералокерамическими пластинками h = 0,5
0,8 мм. Допустимому износу инструмента соответствует опреде*
ленная его стойкость.

Под стойкостью инструмента Т понимают суммарное
время (мин) его работы между переточками на определенном режиме
резания. Стойкость токарных резцов, режущая часть которых изго-
товлена из разных инструментальных материалов, составляет 30—
90 мин. Стойкость инструмента зависит от физико-механических
свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, гео-
метрии инструмента и условий обработки. Наибольшее влияние на
стойкость оказывает скорость резания.

Между величинами v и Т существует зависимость:

V\T"‘ = wT™ = vtlT™ — const или v — CiTm,
где С — постоянная величина; ш — показатель относительной стой-
кости (для резцов m =0,1 -^-0,3).

Так как величина m мала, то стойкость резцов резко падает
даже при незначительном повышении скорости резания. Поэтому
272
обработку следует вести на расчетной скорости. Это условие легко
выполнимо па станках с бесступенчатым регулированием частоты
вращения шпинделя. На станках со ступенчатым регулированием
частоты вращения шпинделя обработку ведут на ближайшей меньшей
к расчетной частоте вращения заготовки. В данном случае при
небольшом уменьшении скорости резания стойкость инструмента
будет больше принятой. Это уменьшит время на смену затупившегося
инструмента, но, как правило, не снизит производительность.

Износ инструмента приводит не только к снижению точности
размеров и геометрической формы обработанных поверхностей.
Работа затупившимся инструментом вызывает рост силы резания.
Соответственно увеличиваются составляющие силы резания, что
вызывает повышенную деформацию заготовки и инструмента и еще
более снижает точность и изменяет форму обработанных поверх-
ностей заготовок. Увеличиваются глубина наклепанного поверхно-
стного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой
и инструментом, что, в свою очередь, увеличивает теплообразование
в процессе резания.

При обработке на настроенных станках износ инструмента при-
водит к рассеянию размеров обработанных поверхностей заготовок,
что снижает качество сборки деталей в условиях взаимозаменяемости.
Уменьшить влияние износа на точность обработки можно периоди-
ческой подналадкой станка.

12.	ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ НА КАЧЕСТВО ОБРАБОТКИ

При обработке заготовок на станках иногда возникают
периодические колебательные движения (вибрации) элементов си-
стемы СПИД: станок — приспособление — инструмент — деталь.
В этих условиях процесс резания теряет устойчивость.

Колебания инструмента снижают качество обработанной поверх-
ности (шероховатость возрастает; появляется волнистость); уси-
ливается динамический характер силы резания, а нагрузки на
движущиеся детали станка возрастают в десятки раз особенно в усло-
виях резонанса, когда частота собственных колебаний системы
СПИД совпадает с частотой колебаний при обработке резанием.
Стойкость инструмента, особенно с пластинками из твердых сплавов,
при колебаниях резко падает. При наличии вибраций возникает
шум, утомляюще действующий на людей.

При резании вынужденные колебания возникают под действием
внешних периодических возмущающих сил вследствие прерывистости
процесса резания, неуравновешенности вращающихся масс, погреш-
ностей изготовления и сборки передач и ритмичности работы близко
расположенных машин. Вынужденные колебания устраняют, умень-
шая величину возмущающих сил и повышая жесткость станка.

Автоколебания (незатухающие самоподдерживающиеся) си-
стемы СПИД создаются силами, возникающими в процессе резания.
Возмущающая сила создается и управляется процессом резания
и после прекращения его исчезает. Причинами автоколебаний яв-
ляиггся изменения сил резания, трение на рабочих поверхностях
инструмента, площади поперечного сечения срезаемого слоя металла;
образование наростов; упругие деформации заготовки и инстру-
мента. Автоколебания могут быть низкочастотными (f — 504-500 Гц)
и высокочастотными (/= 800 н-6000 Гц). Первые вызывают на об-
работанной поверхности заготовки волнистость, вторые — мелкую
рябь. Возникновение автоколебаний можно предупредить, изменяя
режим резани я и геометрию инструмента, правильно устанавливая
заготовку и инструмент на станке, а также обрабатывая заготовки
на больших скоростях резания.

Для уменьшения автоколебаний повышают жесткость техноло-
гической системы СПИД, главным образом станков и режущего
инструмента; уменьшают массы колебательных систем, особенно
массу обрабатываемой заготовки; применяют вибрегасители. Для
гашения автоколебаний используют динамические, упругие, гидра-
влические и другие вибросистемы.

Однако вибрации при обработке можно использовать так, чтобы
они положительно влияли на процесс резания и качество обрабо-
танных поверхностей, в частности применять вибрационное резание
особенно труднообрабатываемых материалов. Сущность вибра-
ционного резания состоит в том, что в процессе обработки создаются
искусственные колебания инструмента с регулируемой частотой
и заданной амплитудой в определенном направлении. Источниками
искусственных колебаний служат механические вибраторы или
высокочастотные генераторы. Частота колебаний 200—20 000 Гц,
амплитуда колебаний 0,02—0,002 мм. Выбор оптимальных амплитуд
и частоты колебаний зависит от технологического метода обработки
и режима резания. Колебания задают по направлению подачи или
скорости резания.

Вибрационное резание по сравнению с обычным имеет следующие
преимущества: обеспечивает устойчивое дробление стружки на от-
дельные элементы, снижает сопротивление металла деформированию
и эффективную мощность резания. При вибрационном резании не
образуются нарост на режущем инструменте и заусенцы на обрабо-
танной поверхности, однако в некоторых случаях стойкость ин-
струмента несколько снижается.

13.	ТОЧНОСТЬ, КАЧЕСТВО И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
ОБРАБОТКИ

Надежность машин во многом зависит от точности обра-
ботки деталей, качества обработанных поверхностей и точности
сборки. Под точностью обработки понимают точность выполнения
размеров, формы и взаиморасположения поверхностей. Точность
выполнения размеров определяется отклонением фактических раз-
меров обработанной поверхности детали от ее конструктивных
размеров, указываемых в рабочем чертеже.

Под точностью формы поверхностей понимают степень их соответ-
ствия геометрически правильным поверхностям. Предельные от-
274
клонения формы обработанных поверхностей регламентируются
государственными стандартами, так же как и точность их взаимного
расположения. Предельные отклонения формы и расположения
поверхностен на рабочих чертежах деталей обозначают условно
в соответствии с государственными стандартами или их указывают
в технических требованиях на изготовление детали.

Одним из показателей качества обработанной поверхности служит
шероховатость.

Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей,
образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах
определенного ее участка. Шероховатость характеризует среднее
арифметическое отклонение профиля от среднего значения высоты
неровностей и другие параметры. Шероховатость поверхностей
условно можно разделить на четыре группы. К первой группе отно-
сят грубые поверхности, получаемые при черновом точении, фрезе-
ровании, сверлении. Ко второй группе относят поверхности, по-
лученные получистовой обработкой разными технологическими ме-
тодами. Третью группу составляют поверхности, обработанные
абразивными инструментами, а также отделочными методами (тон-
кое точение, развертывание, протягивание), электрофизическими и
методами пластического деформирования. К четвертой группе от-
носят поверхности, обработанные притиркой, хонингованием, су-
перфинишированием, алмазным выглаживанием и другими техноло-
гическими методами. Чем выше требования, предъявляемые к точно-
сти и качеству поверхностей, тем длительнее процесс обработки за-
готовки и сложнее технологический процесс изготовления.

Производительность обработки определяет число деталей, изго-
товляемых в единицу времени

Q = 1/Т.

Время Т складывается из времен: основного (технологического),
подготовительно-заключительного, вспомогательного и оргтех-
обслужнвания.

Основное (технологическое) время затрачивается непосредственно
на процесс изменения формы, размеров и шероховатости обрабаты-
ваемой поверхности заготовки. Формулы для определения основного
времени в зависимости от технологического метода обработки при-
ведены в справочной литературе.

Элементы режима резания назначают в определенной последова-
тельности. Сначала назначают глубину резания. При этом стремятся
весь припуск на обработку срезать за один рабочий ход инструмента.
Если по технологическим причинам необходимо делать два рабочих
хода, то при первом ходе снимают —80 % припуска, при втором
(чистовом) —20 % припуска. Затем выбирают величину подачи.
Рекомендуют назначать наибольшую допустимую величину подачи,
учитывая требования точности и допустимой шероховатости обра-
ботанной поверхности, а также мощность станка, режущие свойства
материала инструмента, жесткость и динамическую характеристику
системы СПИД. Наконец, определяют скорость резания, исходя
из выбранных глубины резания, подачи и стойкости режущего
инструмента.

Скорость резания, м/мин, например, при точении, определяют
по следующей эмпирической формуле:

v =

где С, — коэффициент, учитывающий физико-механические свойства
материала заготовки и инструмента и условия обработки (указан
в справочниках, так же как и показатели степени хц, yv).

После вычисления скорости резания определяют частоту вра-
щения шпинделя станка, соответствующую этой скорости резания,
об/мин:

п — 100(Ы(л0заГ).

Так как на станке точно такой частоты вращения шпинделя
может не быть вследствие ступенчатого регулирования, то назначают
ближайшую меньшую частоту вращения.

Зная величины v, s и t, определяют силы резания Рг, Ру, Рх\
эффективную мощность резания Л/,, и мощность электродвигателя
станка Исходя из размеров обрабатываемой заготовки и мощности
электродвигателя станка, выбирают модель станка, на котором
будет производиться обработка заготовки, после чего окончательно
уточняют режим резания в соответствии с паспортными техниче-
скими характеристиками выбранной модели станка.

ГЛАВА II ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.	ХАРАКТЕРИСТИКА СВОЙСТВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ

Режущие инструменты работают в условиях больших
силовых нагрузок, высоких температур и трения. Поэтому инстру-
ментальные материалы должны удовлетворять ряду особых эксплу-
атационных требований. Материал рабочей части инструмента дол-
жен иметь большую твердость и высокие допустимые напряжения
на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала ра-
бочей части инструмента должна значительно превышать твердость
материала заготовки.

Высокие прочностные свойства необходимы, чтобы инструмент
обладал сопротивляемостью соответствующим деформациям в про-
цессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента поз-
воляла воспринимать ударную динамическую нагрузку, возника-
ющую при обработке заготовок из хрупких материалов и заготовок
с прерывистой поверхностью. Инструментальные материалы должны
иметь высокую красностойкость, т. е. сохранять большую твердость
при высоких температурах нагрева. Важнейшей характеристикой
материала рабочей части инструмента является износостойкость.
Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент.
Это значит, что разброс размеров деталей, последовательно обрабо-
танных одним и тем же инструментом, будет минимальным.
2.	ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,9—
1,3 % С. Для изготовления инструментов применяют качественные
стали У10А, У11А, У12А. После термической обработки стали
(HRC 60—62) имеют красностойкость 200—250 °C. Выше этой тем-
пературы твердость стали резко уменьшается, и инструменты не
могут выполнять работу резания. Стали имеют ограниченное при-
менение, так как допустимые скорости резания не превышают 15—
18 м/мин. Из них изготовляют метчики, плашки, ножовочные по-
лотна.

Легированные инструментальные стали — это углеродистые ин-
струментальные стали, легированные хромом (X), вольфрамом (В),
марганцем (Г), кремнием (С) и другими элементами. После термо-
обработки легированные стали (HRC 62—64) имеют красностойкость
250—300 °C. Легированные стали по сравнению с углеродистыми
имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую
прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям и появлению
трещин при закалке. Допустимые скорости резания 15—25 м/мин.
Для изготовления протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток
используют стали 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС п др.

Быстрорежущие стали содержат 8,5—19 % W, 3,8—4,4 % Сг,
2—10 % Со и V. Для изготовления режущих инструментов исполь-
зуют стали Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5,
Р9КЮ, Р10К5Ф2, Р10К5Ф5. Режущий инструмент из быстрорежу-
щей стали после термической обработки (HRC 62—65) имеет красно-
стойкость 600—630 “С и обладает повышенной износостойкостью,
может работать со скоростями резания до 80 м/мин.

Сталь Р9 рекомендуют для изготовления инструментов простой
формы (резцов, фрез, зенкеров). Для фасонных и сложных инстру-
ментов (для нарезания резьб и зубьев), для которых основным тре-
бованием является высокая износостойкость, рекомендуют исполь-
зовать сталь Р18. Кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9К10)
применяют для обработки деталей из труднообрабатываемых корро-
зионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в условиях
прерывистого резания, вибраций, недостаточного охлаждения.

Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуют
для изготовления инструментов для чистовой обработки (протяжки,
развертки, шеверы). Их можно применять для обработки трудно-
обрабатываемых материалов при срезании стружек небольшого
поперечного сечения.

Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6МЗ) используют для
инструментов, работающих в условиях черновой обработки, а также
для изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез.

Для экономии быстрорежущих сталей режущий инструмент изготовляют сбор-
ным или сварным. Рабочую часть инструмента делают из быстрорежущей стали,
которую сваривают с хвостовиком из конструкционных сталей 45, 50, 40Х и др.
Часто используют пластинки из быстрорежущей стали, которые приваривают к дер-
жавкам или корпусам инструментов.
3.	ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Твердые сплавы —это твердый раствор карбидов воль-
фрама (WC), карбидов гитана (TiC) и карбидов тантала (ТаС) в ко-
бальте (Со), Твердые сплавы применяют в виде пластинок опреде-
ленной формы и размеров, изготовляемых методом порошковой
металлургии. Пластинки предварительно прессуют, а затем спекают
при температуре 1500—1900 “С.

Различают твердые сплавы: вольфрамовые — ВК2, ВКЗ, ВКЗМ,
ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВКЮ, ВК15, ВК20, ВК25;
титапо-вольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В;
титапо-тантало-вольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б. Пластинки
твердого сплава (HRA 86—92) обладают высокой износостойкостью
и красностойкостью (800—1000 °C), что позволяет вести обработку
со скоростями резания до 800 м/мин. Пластинки припаивают к дер-
жавкам или корпусам инструментов медными (латунными) припоями
или крепят механическим способом.

В промышленности применяют многогранные неперетачпваемые
твердосплавные пластинки (трех-, четырех-, пяти-, шестигранные
и др.), которые крепят механическим способом. После износа одной
из режущих кромок пластинки в работу вводят следующую. Не-
достатком твердых сплавов является пониженная пластичность.

Твердые сплавы группы ВК. используют для обработки деталей
из хрупких металлов, пластмасс, неметаллических материалов,
а сплавы группы ТВК — для обработки деталей из пластических
и вязких металлов и сплавов. Мелкозернистые твердые с плавы
(ВК6М и др.) применяют для обработки деталей из труднообрабаты-
ваемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов,
твердых чугунов, бронз, закаленных сталей, сплавов легких метал-
лов, сплавов титана, фарфора, керамики, стекла, ферритов. Трех-
карбидные сплавы ТТК отличаются от сплавов групп ВК, ТВК
повышенной износостойкостью, прочностью и вязкостью, их при-
меняют для обработки труднообрабатываемых сталей аустенитного
класса.

Инструменты сложных форм (сверла, зенкеры, развертки, эле-
менты протяжек), а также небольших размеров изготовляют из
пластифицированных твердых сплавов. Пластифицированный твер-
дый сплав представляет собой спрессованный порошок, погруженный
в кипящий парафин при температуре 400 °C и после остывания со-
ставляющий с ним однородную массу. Пластифицированные брикеты
легко обрабатывать на металлорежущих станках, прессовать, вы-
давливать через фасонные фильеры.

Инструмент, изготовленный одним из этих методов, спекают
при температуре 1300 °C. После спекания он приобретает необходи-
мую твердость и подвергается чистовой обработке и затачиванию.

4.	МИНЕРАЛОКЕРАМИКА

Минералокерамика — синтетический материал, основой
которого служит глинозем (А12О3), подвергнутый спеканию при
температуре 1720—1750 °C. Минералокерамика марки В0К60
278
(HRA 91—93) имеет красностойкость 1200 °C и высокую износо-
стойкость. Ее применяют для изготовления инструментов, к которым
предъявляют повышенные требования по размерной стойкости. Ее
малое родство с металлами исключае! слипание с металлом обра-
батываемой детали. Недостатками минералокерамнки являются низ-
кая прочность и хрупкость.

Пластинки из минералокерамнки крепят к державкам резцов
или корпусам инструментов механическим способом либо пайкой,
сделав металлизацию пластинок. Инструменты, оснащенные пластин-
ками из минералокерамнки, можно эффективно использовать при по-
лучистовой обработке деталей из сталей и цветных металлов
в условиях безударной нагрузки. Для повышения эксплуатационных
характеристик инструментов с пластинками из минералокерамнки
в нее добавляют W, Мо, В, Ti, Ni. Такие материалы называют керме-
тами. Особое значение керметы приобретают при обработке деталей
из труднообрабатываемых материалов.

5.	АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Абразивные материалы — мелкозернистые или порошко-
вые вещества (химические соединения элементов), используемые
для изготовления абразивных инструментов: шлифовальных кругов,
головок, сегментов, брусков и т. д.

Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок,
корунд) находят ограниченное применение в связи с неоднород-
ностью их свойств. В промышленности применяют в основном искус-
ственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния,
карбиды бора, окись хрома, синтетические алмазы, борсилокарбид,
славутич, эльбор, гексагонит и др.

Абразивные материалы имеют очень высокую твердость. Так,
если микротвердость алмаза принять за 100 %, то микротвердость
карбидов бора составляет 43 %, карбидов кремния 35 %, электро-
корунда 25 % микротвердости алмаза.

Абразивные материалы имеют высокие красностойкость и износо-
стойкость. Инструменты из абразивных материалов позволяют об-
рабатывать детали со скоростью резания 15—100 м/с. Абразивные
материалы используют главным образом для изготовления инстру-
ментов для окончательной обработки деталей, когда к ним предъ-
являют повышенные требования по точности и шероховатости
обработанных поверхностей.

Шлифовальные электрокорундовые круги применяют для обра-
ботки различных сталей и сплавов. Инструменты из карбидов крем-
ния применяют для обработки вязких металлов и сплавов, для обра-
ботки и заточки твердосплавных н минералокерамических режущих
инструментов. Порошок карбида бора используют для притирочных
и доводочных работ, а также для шлифования деталей из очень
твердых материалов (рубина, кварца). Для изготовления шлифоваль-
ных п полировальных паст применяют окись хрома, венскую извей ь,
трепел.
Борсилокарбид используют для обработки деталей из твердых
сплавов, рубина и других высокотвердых материалов. Эльбор (кубо-
нит) применяют для обработки высокотвердых материалов и кон-
струкционных сталей.

6.	АЛМАЗНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

В промышленности используют природные (А) и синтети-
ческие алмазы марок АСО, АСР, АСВ, АСК, ACC, АСМ, АСН. Ал-
маз — самый твердый материал, имеет высокую красностойкость
и износостойкость, у него практически отсутствует адгезия со мно-
гими материалами. Недостаток алмазов — их хрупкость. Алмазы
используют для изготовления алмазных инструментов (круги, пилы,
бруски, ленты) и доводочных порошков. Кристаллы алмазов при-
меняют для оснащения режущих инструментов (резцов, сверл).
Масса кристаллов, идущих на оснащение режущих инструментов,
составляет 0,2—0,8 карат (1 карат = 0,2 г).

Наиболее широко используют алмазные резцы для тонкого точе-
ния и растачивания деталей из сплавов алюминия, бронз, латуней
и неметаллических материалов. Алмазный инструмент применяют
для обработки твердых материалов, германия, кремния, полу-
проводниковых материалов, керамики, жаропрочных сталей и спла-
вов. При использовании алмазных инструментов повышается каче-
ство обработанных поверхностей деталей. Обработку ведут со ско-
ростями резания более 100 м/мин. Поверхности деталей,
обработанные в этих условиях, имеют низкую шероховатость и вы-
сокую точность размеров.

ГЛАВА III. МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ

К современным машинам и приборам предъявляются
высокие требования по технико-эксплуатационным характеристикам,
точности и надежности работы. Эти показатели обеспечиваются
высокой точностью размеров и качеством обработанных поверхно-
стей деталей машин и приборов. Поэтому, несмотря на большие
достижения технологии производства высококачественных заготовок,
роль обработки резанием и значение металлорежущих станков
в машиностроении непрерывно повышаются.

Современные металлорежущие станки — это разнообразные
и совершенные рабочие машины, использующие механические, элек-
трические и гидравлические методы осуществления движений
и управления рабочим циклом, решающие самые сложные техноло-
гические задачи.

Станкостроение развивается как в количественном, так и каче-
ственном отношении. Непрерывно повышаются точность, произ-
водительность, мощность, быстроходность и надежность работы
станков. Улучшаются эксплуатационные характеристики, расши-
ряются технологические возможности, совершенствуются архитек-
280
турные формы станков. Успешное развитие станкостроения обеспе-
чивает перевооружение всех отраслей нашей промышленности вы-
сокопроизводительными и высококачественными станками, многие
из которых отвечают требованиям мировых стандартов.

1.	КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

В основу классификации металлорежущих станков, при-
нятой в нашей стране, положен технологический метод обработки
заготовок. Классификацию по технологическому методу обработки
проводят в соответствии с такими признаками, как вид режущего
инструмента, характер обрабатываемых поверхностей и схема обра-
ботки. Станки делят на токарные, сверлильные, шлифовальные,
полировальные и доводочные, зубообрабатывающие, фрезерные,
строгальные, разрезные, протяжные, резьбообрабатывающие
и т. д.

Классификация по комплексу признаков наиболее полно отра-
жается в общегосударственной Единой системе условных обозначе-
ний станков (табл. .6.1). Она построена по десятичной системе; все
металлорежущие станки разделены на десять групп, группа —
на десять типов, а тип — на десять типоразмеров. В группу объеди-
нены станки по общности технологического метода обработки или
близкие по назначению (например, сверлильные и расточные). Типы
станков характеризуют такие признаки, как назначение, степень
универсальности, число главных рабочих органов, конструктивные
особенности. Внутри типа станки различают по техническим харак-
теристикам.

В соответствии с этой классификацией каждому станку при-
сваивают определенный шифр. Первая цифра шифра определяет
группу станков, вторая тип, третья (иногда третья и четвертая)
показывает условный размер станка. Буква на втором или третьем
месте позволяет различать станки одного типоразмера, но с разными
техническими характеристиками. Буква в конце шифра указывает
на различные модификации станков одной базовой модели. Напри-
мер, шифром 2Н135 обозначают вертикально-сверлильный станок
(группа 2, тип 1), модернизированный (Н), с наибольшим условным
диаметром сверления 35 мм (35).

Различают станки универсальные, широкого применения, спе-
циализированные и специальные. На универсальных станках вы-
полняют самые разнообразные работы, используя заготовки многих
наименований. Примерами таких станков могут быть токарно-
винторезные, горизонтально-фрезерные консольные и др. Станки
широкого назначения предназначены для выполнения определенных
работ на заготовках многих наименований (многорезцовые, токарно-
отрезные станки). Специализированные станки предназначены для
обработки заготовок одного наименования, но разных размеров
(например, станки для обработки коленчатых валов). Специальные
станки выполняют определенный вид работ на одной определенной
заготовке.
Таблица 6.1

Классификация металлорежущих станков

Грулпа станков	Шифр группы	Шифр				
		0	1	2	3	
Резервные	0	—	—	—	—	
Токарные	1	Автоматы и полуавтоматы			Револь- верные	
		Специали- зированные	Одношпин- дельные	Много- шпиндель- ные		
Сверлильные и рас- точные	2	—	Вертикаль- но-свер- лильные	Полуавтоматы		
				Одношпин- дельные	Много- шпн ндель- ные	
Шлифовальные и до- водочные	3	—	Кругло- шлифо- вальные	Внутри- шлифо- вальные	Обдироч- ные шли- фовальные	
Комбинированные	4	—	—	—	—	
Зубо- и резьбообра- батывающие	5	Резьбо- нарезные	Зубостро- гальные для цилин- дрических колес	Зуборезные для кони- ческих колес	Зубофре- зерные	
Фрезер ные	6	—	Вертикаль- ные кон- сольные	Непрерыв- ного дей- ствия	—	
Строгальные, дол- бежные п протяж- ные	7	—	Продольные		Поперечно- строгаль- ные	
			Одностоеч- ные	Двухстоеч- пые		
Разрезные	8	—	Разрезные, работающие			
			резцом	абразив- ным кру- гом	гладким диском	
Разные	9	—	Опиловоч- ные	Пилонасе- кательные	Правильно- и бесцен- тровооб- дирочные	
типа						
	4			-	« 1	
-	—	-		-	-	-
	Свсрлнльно- отрезиые	Карусельные	Токарные н лобовые	Mhoi срез- новые	Специали- зированны;'.	Разные токарные
	Координатно- расточные	Радпал ыю-  сверлильн ые	I'opH.jOli- тально- расточные	’Алм азно- расточные	Горизон- та..! ьно- сьср л иль- ные	1’ЯШЫ'1  С1:<' рЛНЛЬ- ные
	Специализи- рованные шлифовальные		Заточные	Плоско- шлпфо- вальине	Притироч- ные и гю-  I'.lipOBOquun	Разные, ра- бо гаюшне абр лзнвом
	—	—		—		।
	Для нареза- ния червяч- ных пар	Для обработ- ки торцов зубьен	Резьбофре- зерные	Зубоотде- лочные п провероч- ные	Зубо- и резьбошли- фовальные	р	1  Разные зу- бе- и резь- бообраба- гызающис
	Копироваль- ные и грави- ровальные	Вертикальные бесконсольные	Продоль- ные	Консоль- ные шире- коунпвер- сальпые	Горизон- тальные консолиные	Разные фрезерные
	Долбежные	Протяжные горизонталь- ные	—	Протяжные верти- кальные		Разные строгальныс
	Правильно отрезные	Пи.п,1			—	—
		Ленточные	Дисковые	Ножовоч- ные		
	Балансиро- вочные	Для испыта- ния сверл н шлифовальных кругов	Делптел ь- пые	—	—	—
По степени автоматизации различают станки с ручным управле-
нием, полуавтоматы, автоматы и станки с программным управлением.
По числу главных рабочих органов станки делят на одношпиндель-
ные, многошпиндельные, односуппортные, многосуппортные.
При классификации по конструктивным признакам выделяются
существенные конструктивные особенности (например, вертикальные
и горизонтальные токарные полуавтоматы). В классификации по
точности установлены пять классов станков: Н — нормальной,
П — повышенной, В — высокой, А — особо высокой точности и С —
особо точные станки.

2.	КИНЕМАТИКА СТАНКОВ

Приводом станка называют совокупность механиз-
мов, передающих движение от источника движения (электродвига-
теля) к рабочим органам станка (шпинделю, суппорту, столу).
В металлорежущих станках применяют индивидуальный привод,
т. е. каждый станок приводится в движение от одного элек-
тродвигателя либо от нескольких. В последнем случае разли-
чают приводы главного движения, подачи и вспомогательных дви-
жений.

Для передачи движения от электродвигателя к ведущему валу
рабочего узла используют ременную, цепную или зубчатую передачи.
Часто электродвигатель крепят непосредственно к станине или
корпусу узла станка к заранее предусмотренному конструкцией
месту — фланцевый электродвигатель. Движение от электро-
двигателя передается в этом случае через зубчатую или червячную
передачу. Иногда в станках применяют встроенные электродвига-
тели. В этом случае ротор электродвигателя одновременно служит
шпинделем станка.

Приводы станков бывают со ступенчатым и бесступенчатым регу-
лированием частоты вращения шпинделя и величины подач. При-
воды со ступенчатым регулированием выполняют в виде зубчатых
коробок передач, обеспечивающих получение определенного ряда
значений частоты вращения или подач. Системы бесступенчатого
регулирования позволяют получать частоту вращения шпинделя
и величины подач в определенных пределах, что обеспечивает возмож-
ность работы на расчетном режиме резания.

Передачей называют механизм, передающий движение от
одного элемента к другому (с вала на вал) или преобразующий
одно движение в другое (вращательное в поступательное). В передаче
элемент, передающий движение, называют ведущим, а элемент,
получающий движение, — ведомым. Каждая передача характери-
зуется передаточным отношением.

Передаточным отношением называют число, показывающее, во
сколько раз частота вращения ведомого элемента меньше или больше
частоты вращения ведущего элемента:

i Лвм/ЯВщ — fl-lltlh
где i — передаточное отношение передачи; /г|)М (/?.,) — частота вра-
щения ведомого вала, об/мин; /1ШЦ (щ) — частота вращения ведущего
вала, об/мин.

Ременная передача (рис. 6.17, о) осуществляется пло-
скими, клиновыми или круглыми ремнями через шкивы, закреплен-
ные на ведомом и ведущем валах. Передаточное отношение передачи

i = n2\],J/nl = d^id.^

где dr и d2 — диаметры шкивов ведущего и ведомого валов, мм;
г),, — коэффициент, учитывающий проскальзывание ремня относи-
тельно поверхностей шкивов (цр = 0,96-4-0,99).

Цепная передача (рис. 6.17, б) осуществляется ролико-
вой или бесшумной цепью, соединяющей звездочки, закрепленные
на ведомом и ведущем валах. Передаточное отношение передачи

i — njnt — zjz2,

где Zi и z2 — числа зубьев ведущей и ведомой звездочек.

Зубчатая передача (рис. 6.17, в, г) состоит из цилин-
дрических или конических зубчатых колес. Передаточное отношение
зубчатой передачи

i = п2/пу — zjz2,

где 2j и z2 — числа зубьев ведущего и ведомого зубчатых колес.

Червячная передача (рис. 6.17, б) состоит из червяка
(винта) и червячного зубчатого колеса и предназначена для резкого
снижения частоты вращения ведомого вала, если ведущим является
червяк. Если резьба червяка имеет k заходов, а число зубьев червяч-
ного колеса равно z, то передаточное отношение передачи

I — п2/п1 = klz.

Реечная передача (рис. 6.17, ё) преобразует вращатель-
ное движение реечного зубчатого колеса или червяка в поступатель-
ное движение зубчатой рейки. Если реечное зубчатое колесо имеет z
зубьев, а модуль реечного колеса и рейки равен т, мм, то за п оборо-
тов реечного колеса рейка перемещается на величину S, мм:

S =-- плтг.

Винтовая передача (рис. 6.17, ж) состоит из винта
и гайки и служит для преобразования вращательного движения
винта в поступательное движение гайки. Если шаг резьбы винта
равен i, мм, число заходов резьбы равно k, то за п оборотов ходового
винта гайка переместится в осевом направлении па величину S, мм:

S — ntk.

В табл. 6.2 даны условные обозначения основных передач и меха-
низмов, предусмотренные ГОСТом.

Для ступенчатого изменения скорости движения используют
двух-, трех- и четырехскоростные асинхронные электродвигатели
или различные механизмы на основе зубчатых передач. Движение
Рис. 6.17. Передачи н механизмы

с вала / (рис. 6.17, з), который вращается с постоянной частотой,
передается на вал // с помощью двух пар зубчатых колес 2j/z2 и z^z^.
Включают одну из этих передач с помощью электромагнитных
фрикционных односторонних муфт А и Б. Передаточные отношения
передач различны, поэтому вал // имеет две частоты вращения.
Такие механизмы используют в станках с программным управле-
нием. «Конус» зубчатых колес с накидным зубчатым колесом
(рис. 6.17, и) применяют в универсальных станках. Зубчатые колеса
гх, z2, z.j, z4, 2г, жестко закреплены на валу /. Движение на вал //
передается зубчатым колесом ги, свободно сидящим на промежуточ-
ном валу, и зубчатым колесом г,., которое перемещается на валу //
на шпонке. Механизм обеспечивает пять передач с разными переда-
точными отношениями zjz^, z^z^, za/zc, 24/гс, гъ/гс. Вал // имеет пять
значений частоты вращения.
Табл и и а 6.2

Условные обоэг.ачения сснолкых передач в механизмом
металлорежущих chuikoi

Наименование	Обозначенне	Наименование	Обозначение	
Вал, ось, стержень  шпинделя Д-1- центровых работ  Конец шпинделя для патронных работ  Ходовой винт для пере- дачи движения  Радиальный подшип- ник без уточнения тина  Радиальный подшипник скольжения  Радиальный подшипник качения  Глухое жесткое соеди- нение двух соосных ва- лов  Эластичное соединение двух соосных валов		Телескопическое соеди- нение валов  Кулачковая односто- ронняя .муфта сцепле- II ЗЯ  Фрикционная односто- ронняя дисковая муфта  Фрикционная односто- ронняя электромагнит- ная муфта  Глухое, неподвижное соединение детали с ва- лом  Свободное для враще- ния соединение детали с валом  Подвижное вдоль оси соединение детали о ва- лом  Соединение детали с ва- лом посредством вы- тяжной шпонки  Общее обозначение	—= ।—	
			н	
				
				
	1—1  и а			
			4 -	т/К.
		электродвигателя	ц		РФ

Механизмы для бесступенчатого изменения скорости бывают
электрические, гидравлические и механические. В станках широко
используют системы электромашинного усиления, системы генера-
тор — двигатель, гидравлические двигатели и различные механи-
ческие устройства, например вариаторы. В вариаторе
(рис. 6.17, к) шкивы 1 и 2, имеющие криволинейную образующую,
закреплены соответственно на ведущем / и ведомом // валах. Оси
роликов 3, прижатых к поверхностям шкивов, устанавливают под
различными углами к оси валов. Этим обеспечивают плавное изме-
нение частоты вращения ведомого вала.
Реверсирование — изменение направления вращения
всего привода — производят переключением фаз асинхронного
электродвигателя или полярности электродвигателя постоянного
тока. Реверсирование гидравлических механизмов осуществляется
гидрораспределителями. В механизмах с зубчатыми колесами
(рис. 6.17, л, м) для реверсирования переключают кулачковую
муфту А вправо или влево.

Для получения прерывистого движения в многошпиндельных
станках-автоматах применяют мальтийский крест (рис. 6.17, н).
Непрерывное вращательное движение водила 1, закрепленного на
ведущем валу, через палец 2 преобразуется в прерывистое враща-
тельное движение мальтийского креста 3. Поворот осуществляется
дотех пор, пока палец не выйдет из зацепления с пазом мальтийского
креста. Если мальтийский крест имеет г пазов, то передаточное
отношение механизма i = 1/ .

3.	КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ
СТАНКОВ

Под кинематической схемой металлорежущего станка
понимают условное изображение всех механизмов и передач, которые
передают движение от привода к исполнительным органам станка.

Кинематическая цепь главного движения. Привод главного дви-
жения станка модели 1А616 (рис. 6.18) состоит из коробки скоростей,
смонтированной в передней тумбе, и механизма перебора, смон-
тированного вместе со шпинделем в передней бабке.

Движение с вала I электродвигателя (N = 4,5 кВт; п —
— 1440 об/мин) передается на вал II через клиноременную передачу
с диаметрами шкивов 135—168 мм; на вал III— через зубчатые
передачи 41—26, 39—31, 14—55. Вал /// имеет три частоты вра-
щения.

С вала III на вал IV движение передается через зубчатые пере-
дачи 14—44, 19—38, 26—32, 31—25. Вал IV имеет 12 частот вра-
щения. Скорости переключаются блоками Б±, Бг, Б3 и зубчатым
колесом z = 55, сидящими на валах на скользящих шпонках.

С вала IV движение клиноременной передачей с диаметрами шки-
вов 174—174 мм передается полому валу V, а далее через зубчатые
передачи 34—68 и 20—80 — на шпиндель VII. Переключением
муфты М, влево вращение вала V передается шпинделю VII. Шпин-
дель станка имеет 24 частоты вращения (11—2240 об/мин).

Частота вращения шпинделя, об/мин,

= Ид^ргПр^. сДаЛр'п,

где пд — частота вращения электродвигателя, об/мин; ipl, ip2 —
передаточные отношения клиноременных передач; iK.c — передаточ-
ное отношение передач коробки скоростей ia — передаточное отно-
шение механизма перебора; г]р — коэффициент проскальзывания
ремня относительно поверхности шкивов ременной передачи.

Например, наименьшая частота вращения шпинделя

, л л Л I Зб „ по 14	14 1 74 п по 34 23

= 1440 Ш8 °’98 IT 7Г 17Т °’98 -6F 8(Г = 11 00/МИН'

Кинематическая цепь подачи. Цепь движения подачи суппортов
станка начинается с вала VII (шпинделя). Движение с вала 1-7/
на вал X передается через реверсивный механизм зубчатыми пере-
дачами 34—44—22—34 или 34—44—44—34. Переключение колеса
z = 34 на скользящей шпонке реверсирует направление движения
подач суппортов. С вала X движение передается на ведущий вал XII
коробки подач через передачи 30—66—36.

Включением муфт М2 и М3 и переключением блоков БГ|, Б(1, Б,
и Б„ коробки подач движение с вала XII передается через соответ-
ствующие зубчатые передачи па ходовой валик XXI станка. Меха-
низм коробки подач обеспечивает 48 частот вращения ходового
валика Однако вследствие близкого совпадения ряда частот враще-
ния практически коробка uoian обеспечивает только 22 частоты
вращения ходового валика и, следовательно, 22 продольные пли
поперечные подачи

С ходового валика XXI движение передается на вал XXII фар-
тука станка червячной передачей 2—35. Включением муфты Мл
движение передается е вала XXII через зубчатые передачи 31—53
и 27—53 на вал XXIV, на котором жестко закреплено реечное зуб-
чатое колесо? = 14. Реечное колесо, вращаясь, катится по зубчатой
рейке, привернутой к станине станка, обеспечивая продольную
подачу суппорта. Включением муфты .Wf, движение передается с вала
XXII через передачи 50—35 и 47—13 на ходовой винт XXVII попе-
речной подачи.

Кинематическая цепь нарезания резьбы. При нарезании резьб
с шагом до 6 мм движение в коробку подач передается от шпинделя.
Резьбы с более крупным шагом нарезают при включенном переборе
с использованием звена увеличения шага. Для этого блок />., смещают
вправо, пока зубчатое колесо г 44 не войдет в зацепление
с колесом z — 34, закрепленным на валу V. В этом случае дви-
жение в коробку подач передается от вал?; V; с вала X на
вал XII коробки подач — через блоки С, и С., сменных зубчатых
колес.

При нарезании дюймовых резьб кулачковую муфту М2 выклю-
чают. Колесо? — 51 зацеплено с колесом г = 30 вала XII, а колесо
г — 39 вала XV введено в зацепление с колесом г = 39 блока 22—39,
свободно сидящим на валу XIV. При нарезании метрических и мо-
дульных резьб включают муфту М2, колесо г — 51 выводят из за-
цепления, а колесо г = 39 перемещают по валу XV вправо до за-
цепления с колесом г — 39, жестко закрепленным на валу XIV.
Суппорт станка при нарезании резьб получает движение от коробки
подач через кулачковую муфту /И4, промежуточный валик XVIII
и ходовой винт XX.
4.	АВТОМАТЫ И ПОЛУАВТОМАТЫ

Автоматами называют станки, на которых после
их наладки и включения все основные и вспомогательные движения
осуществляются без участия оператора. Автоматы работают по пери-
одически повторяющемуся циклу. В цикл входит установка и за-
крепление обрабатываемой заготовки на станке, обработка ее поверх-
ностей, съем обработанной детали, подача и закрепление следующей
заготовки

Полуавтоматы отличаются от автоматов тем, что снятие
детали и установку заготовки на станке, а также включение станка
осуществляет оператор. Цикл обработки заготовки — автомати-
ческий. Автоматы и полуавтоматы целесообразно применять в серий-
ном и массовом производствах.

В работу автоматов заложены определенные принципы обработки
заготовок: одинарный — в обработке каждой заготовки участвует
только один режущий инструмент; параллельный — в обработке
каждой заготовки участвуют несколько инструментов, работающих
одновременно; последовательный — в обработке каждой заготовки
участвуют несколько инструментов, вступающих в работу последова-
тельно один за другим; параллельно-последовательный — в обра-
ботке каждой заготовки участвуют несколько групп инструментов,
причем инструменты одной группы работают параллельно, а инстру-
менты нескольких групп — последовательно; ротационный — в об-
работке каждой заготовки участвует один инструмент или группа
инструментов при одновременном ротационном (вращательном) дви-
жении заготовок и инструментов; непрерывный — в обработке каж-
дой заготовки участвует один инструмент или несколько инструмен-
тов при непрерывной подаче заготовок.

По виду обрабатываемых заготовок различают автоматы для
изготовления деталей из бунта проволоки, из пруткового материала
(прутковые) и из штучных заготовок (магазинные).

По числу шпинделей различают одношпиндельные и много-
шпиндельные автоматы и полуавтоматы; по расположению осей вра-
щения — горизонтально- и вертикально-шпиндельные.

Циклом работы автоматов и полуавтоматов управляют распре-
делительные валы, на которых установлены дисковые или барабанные
кулачки, управляющие работой механизмов

Совершенствование органов управления станков, автоматов и
полуавтоматов привело к созданию станков с программным управле-
нием.

Металлорежущие станки с системами ЧПУ (числового программ-
ного управления) применяют как для выполнения простых операций
(сверление отверстий, обтачивание валов), так и для обработки
сложных фасонных деталей. Системы ЧПУ обеспечивают высокий
уровень автоматизации станков, включая автоматическую смену
режущих инструментов и заготовок, изменение режимов резания,
получение размеров поверхностей деталей. Станки с ЧПУ имеют
большую производительность, чем универсальные станки. Станки
Рис. G.19. Кинематическая схема фрезерного станка модели 6Р13ФЗ

с ЧПУ, изготовляемые на базе серийных, имеют коробку скоростей
с передвижными зубчатыми блоками или оснащены бесступенчатым
приводом главного движения.

На рис. 6.19 показана кинематическая схема вертикально-фрезер-
ного станка с ЧПУ модели 6Р13ФЗ. Механизм главного движения
станка представляет собой обычную коробку скоростей, в которой
18 частот вращений шпинделя получают переключением двух трой-
ных и одного двойного блока (19—22—16\ 37—46—26 и 82—19).
Источником движения служит электродвигатель /VI j (N = 7,5 кВт,
п = 1450 об/мин). Диапазон частот вращения шпинделя 40—
2000 об/мин.
Механизм подачи станка обеспечивает перемещение заготовки,
установленной на столе, в двух взаимно перпендикулярных напра-
влениях — продольном и поперечном. Шпиндель станка вместе
с ползуном перемещается в вертикальной плоскости. Эти три движе-
ния осуществляются от трех исполнительных механизмов. Каждый
из них состоит из электродвигателя (Л12, Л43, Мц), который управляет
гидродвигателем (Г2, Г3, Г4). Гидродвигатели приводят в движение
рабочие органы станка (стол и ползун) через зубчатые колеса и шари-
ковые винтовые пары (2, 3, 4). Каждому импульсу, поступающему
от системы ЧПУ, соответствует перемещение ползуна со шпинделем
или стола на 0,01 мм. Скорость подачи 20—600 мм/мин.

Консоль станка со столом и салазками имеет установочное вер-
тикальное перемещение от гидродвигателя через пару конических
колес 18/72 и винтовую пару 1.

Программа работы станка задается с помощью чисел в закодиро-
ванном виде на программоносителе — перфорированной бумажной
ленте.

ГЛАВА IV. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СТАНКАХ
ТОКАРНОЙ ГРУППЫ

I.	ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ТОЧЕНИЯ

Технологический метод формообразования поверхностей
заготовок точением характеризуется двумя движениями: вращатель-
ным движением заготовки (скорость резания) и поступательным дви-
жением режущего инструмента — резца (движение подачи). Движе-
ние подачи осуществляется параллельно оси вращения заготовки
(продольная подача), перпендикулярно к оси вращения заготовки
(поперечная подача), под углом к оси вращения заготовки (наклон-
ная подача).

Разновидности точения: обтачивание — обработка наружных
поверхностей; растачивание — обработка внутренних поверхно-
стей; подрезание — обработка плоских (торцовых) поверхностей;
резка — разделение заготовки на части или отрезка готовой детали
от заготовки — пруткового проката.

На вертикальных полуавтоматах, автоматах и токарно-кару-
сельных станках заготовки имеют вертикальную ось вращения, на
токарных станках других типов — горизонтальную. На токарных
станках выполняют черновую, получистовую и чистовую обработку
поверхностей заготовок.

2.	ТОКАРНЫЕ РЕЗЦЫ

По технологическому назначению различают резцы
(рис. 6.20, а): проходные 1—3 для обтачивания наружных цилиндри-
ческих и конических поверхностей; подрезные 4 для обтачивания
плоских торцовых поверхностей; расточные 5 и 6 для растачивания
сквозных и глухих отверстий; отрезные 7 для разрезания заготовок;
Рис. 6.20. Токарные резцы

резьбовые для нарезания наружных 8 и внутренних резьб; фасонные
круглые 9 и призматические 10 для обтачивания фасонных поверхно-
стей; прорезные для обтачивания кольцевых канавок и др.

По характеру обработки различают резцы черновые, получисто-
вые и чистовые. По форме рабочей части резцы (рис. 6.20, а) делят на
прямые /, отогнутые 2, оттянутые/. По направлению подачи резцы
подразделяют на правые и левые (рис. 6.20, 6). Правые работают с по-
дачей справа налево, левые — слева направо. По способу изготовле-
ния различают резцы целые, с приваренной встык рабочей частью,
с приваренной или припаянной пластинкой инструментального ма-
териала, со сменными пластинками режущего материала.

Для высокопроизводительного точения с большими подачами ис-
пользуют резцы с дополнительной режущей кромкой (рис. 6.20, в).
Длина В дополнительной! режущей кромки составляет 1,1$пр. Резец
устанавливают на станке так, чтобы режущая кромка была парал-
лельна линии центров станка.

В промышленности применяют резцы с многогранными неперета-
чиваемыми твердосплавными пластинками (рис. 6.20, г). Когда одна
из режущих кромок выходит из строя вследствие затупления, от-
крепляют механический прижим пластинки и устанавливают в рабо-
чее положение следующую кромку.

3.	ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
ЗАГОТОВОК НА ТОКАРНЫХ СТАНКАХ

Характер установки и закрепления заготовки, обрабаты-
ваемой на токарном станке, зависит от типа станка, вида обрабаты-
ваемой поверхности, характеристики заготовки (отношение длины
заготовки к диметру), требуемой точности обработки.

На токарно-винторезных станках для закрепления наготове к
используют трехкулачковые самоцентрирующие патроны (рис. 6.21,
а). На корпусе 1 патрона расположены три радиальных паза, по
которым перемещаются кулачки 2. Патроны применяют для закреп-
ления заготовок при отношении их длины к диаметру I'd < 4.

При отношении lid = 4-S-10 заготовку устанавливают в центрах.
Для установки заготовки в центрах ее необходимо зацентровать, г. е.

294
Рис. 6.21. Приспособления для закрепления заготовок на токарных станках

сделать центровые отверстия с торцов вала. Центровые отверстия де-
лают специальными центровочными сверлами. Центры бывают упор-
ные (рис. 6.21, б), срезанные (рис. 6.21, в), шариковые (рис. 6.21, г).
Срезанные центры применяют при подрезании торцов заготовки, ког-
да подрезной резецдолжен дойти до оси вращения заготовки. Шарико-
вые центры используют при обтачивании конических поверхностей
заготовки способом сдвига задней бабки в поперечном направлении,
а обратные центры (рис. 6.21, д) — при обработке заготовок неболь-
ших диаметров. Вращающиеся центры (рис. .6.21, е) применяют при
резании с большими сечениями срезаемого слоя металла, когда воз-
никают большие силы резания, или при обработке на больших скоро-
стях резания.

При установке заготовки в центрах для передачи на нее крутя-
щего момента от шпинделя станка используют поводковый патрон
(рис. 6.21, ий) и хомутик (рис. 6.21, з). Поводковый патрон представ-
ляет собой корпус, навинчиваемый на шпиндель станка. На торце
патрона запрессован цилиндрический палец, передающий момент
на хомутик, который закрепляют на заготовке болтом.

При отношении lid. > 10 для уменьшения деформации заготовки
от сил резания применяют люнеты. Подвижный открытый люнет
(рис. 6.21, и) устанавливают на продольном суппорте станка, не-
подвижный закрытый люнет (рис. 6.21, к) закрепляют на станине.
Силы резания воспринимают опоры люнетов, что повышает точность
обработки.

Для установки заготовок типа втулок, колец и стаканов приме-
няют конические оправки (рис. 6.21, л), когда заготовка удержи-
вается на оправке силой трения на сопряженных поверхностях; цан-
говые оправки (рис. 6.21, м) с разжимными упругими элементами —
цангами; упругие оправки с гидропластмассой, гофрированными
втулками (рис. 6.21, н). На токарно-револьверных станках, полуавто-
матах и автоматах для закрепления заготовок — прутков исполь-
зуют цанговые патроны.

4.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ТОКАРНО-ВИНТОРЕЗНЫХ
СТАНКАХ

Токарно-винторезный станок состоит из следующих узлов
(рис. 6.22). Станина 2 с призматическими направляющими служит
для монтажа узлов станка и закреплена на тумбах. В передней
тумбе 1 смонтирован электродвигатель главного привода станка,
в задней тумбе 12 — бак для смазочно-охлаждающей жидкости и
насосная станция.

В передней бабке 6 смонтированы коробка скоростей станка и
шпиндель. Механизмы и передачи коробки скоростей позволяют
получать разные частоты вращения шпинделя. На шпинделе закреп-
ляют зажимные приспособления для передачи крутящего момента
обрабатываемой заготовке. На лицевой стороне передней бабки уста-
новлена панель управления 5 механизмами коробки скоростей.

Коробку подач 3 крепят к лицевой стороне станины. В коробке
смонтированы механизмы и передачи, позволяющие получать разные
скорости движения суппортов. С левой торцовой стороны станины
установлена коробка 4 сменных зубчатых колес, необходимых для
наладки станка на нарезание резьбы.

Продольный суппорт 7 перемещается по направляющим станины
и обеспечивает продольную подачу резцу. По направляющим про-
дольного суппорта перпендикулярно к оси вращения заготовки пере-
мещается поперечная каретка, на которой смонтирован верхний суп-
порт 9. Поперечная каретка обеспечивает поперечную подачу резцу.
Верхний поворотный суппорт можно устанавливать под любым углом
к оси вращения заготовки, что необходимо при обработке конических
поверхностей заготовок.
На верхнем суппорте смонтирован четырехпозиционный пово-
ротный резцедержатель 8, в котором можно одновременно закреплять
четыре резца. К продольному суппорту крепят фартук 10. В фартуке
смонтированы механизмы и передачи, преобразующие вращательное
движение ходового валика или ходового винта в поступательные
движения суппортов. Задняя бабка 11 установлена с правой стороны
станины и перемещается по ее направляющим. В пиноли задней бабки
устанавливают задний центр или инструмент для обработки отвер-
стий (сверла, зенкеры, развертки).

Корпус задней бабки смещается относительно основания в попе-
речном направлении, что необходимо при обтачивании наружных
конических поверхностей. Для предохранения работающего от травм
сходящей стружкой на станке устанавливают специальный защит-
ный экран.

Обтачивание наружных цилиндрических поверхностей выпол-
няют прямыми, отогнутыми или упорными проходными резцами с про-
дольной подачей (рис. 6.23, а); гладкие валы, — при установке заго-

Рис. 6.23. Схемы обработки заготовок на токарно-винторезном станке
тонки ня центрах. Вначале обтачивают один конец заготовки, а затем
ее поворачивают на 180° и обтачивают остальную часть

Ступенчатые валы обтачивают по схемам деления припуска на
части (рис. 6.23, б) или деления длины заготовки на части (рис. 6.23,в).
В первом случае обрабатывают заготовки с меньшей глубиной реза-
ния, однако общий путь резца получается большим и резко возрас-
тает То. Во втором случае припуск с каждой ступени срезается сразу
за счет обработки заготовки с большой глубиной резания. При этом
То уменьшается, по требуется большая мощность привода станка.

Нежесткие валы рекомендуется обрабатывать упорными, про-
ходными резцами, с главным углом в плане <р — 90°. При обработке
заготовок валов такими резцами радиальная составляющая силы
резания Ри = 0, что снижает деформацию заготовок

Подрезание торцов заготовки выполняют перед обтачиванием
наружных поверхностей. Торцы подрезают подрезными резцами
с поперечной подачей к центру (рис. 6.23, а) или от центра заготовки.
При подрезании от центра к периферии поверхность торца получается
менее шероховатой.

Обтачивание скруглений между ступенями валов (рис. 6.23, д)
выполняют проходными резцами с закруглением между режущими
кромками по соответствующему радиусу с продольной подачей или
специальными резцами с поперечной подачей.

Протачивание канавок (рис. 6.23, е) выполняют с поперечной
подачей прорезными резцами, у которых длина главной режущей
кромки равна ширине протачиваемой канавки. Широкие канавки
протачивают теми же резцами сначала с поперечной, а затем с про-
дольной подачей.

Сверление, зенкерование и развертывание отверстий выполняют
соответствующими инструментами, закрепляемыми в пиноли задней
бабки. На рис. 6.23, ою показана схема сверления в заготовке цилин-
дрического отверстия.

Растачивание внутренних цилиндрических поверхностей выпол-
няют расточными резцами, закрепленными в резцедержателе станка,
с продольной подачей. Гладкие сквозные отверстия растачивают
проходными резцами (рис. 6.23, з); ступенчатые и глухие — упор-
ными расточными резцами (рис. 6.23, и).

Отрезку обработанных деталей выполняют отрезными резцами
с поперечной подачей. При отрезке детали резцом с прямой главной
режущей кромкой (рис. 6.23, к) разрушается образующаяся шейка и
приходится дополнительно подрезать торец готовой детали. При
отрезке детали резцом с наклонной режущей кромкой (рис. 6.23, л)
торец получается чистым.

Обтачивание наружных конических поверхностей заготовок осу-
ществляют на токарно-винторезных станках одним из следующих
способов.

1.	Широкими токарными резцами (рис. 6.24, а). Обтачивают ко-
роткие конические поверхности с длиной образующей до 30 мм
токарными проходными резцами, у которых главный угол в плане
равен половине угла при вершине обтачиваемой конической поверх-
298
Рис. 6.24. Схемы обтачивания наружных конических поверхностей на токарно-
винторезном станке

ности. Обтачивают с поперечной или продольной подачей. Способ
используют при снятии фасок с обработанных цилиндрических по-
верх н остей.

2.	Поворотом каретки верхнего суппорта (рис. 6.24, б). При об-
работке конических поверхностей каретку верхнего суппорта повер-
тывают на угол, равный половине угла при вершине обрабатываемого
конуса. Обрабатывают с ручной подачей верхнего суппорта под уг-
лом к линии центров станка (s„). Обтачивают конические поверх-
ности, длина образующей которых не превышает величины хода
каретки верхнего суппорта. Угол конуса обтачиваемой поверхности
любой.

3.	Смещением корпуса задней бабки в поперечном направлении
(рис. 6.24, в). При обтачивании конических поверхностей этим спо-
собом корпус задней бабки смещают относительно ее основания в на-
правлении, перпендикулярном к линии центров станка Обрабаты-
ваемую заготовку устанавливают на шариковые центры. При этом
ось вращения заготовки располагается под углом к линии центров
станка, а образующая конической поверхности — параллельно ли-
нии центров станка Обтачивают с продольной подачей резца длин-
ные конические поверхности с небольшим углом конуса при вершине
(2 а с 8й)

4.	С помощью конусной линейки (рис. 6.24, г). Корпус 3 конусной
линейки закрепляют на кронштейнах на станине станка. На корпусе 3
имеется призматическая направляющая линейка 2, которую по
шкале устанавливают под углом к линии центров станка. По направ-
ляющей перемещается ползун /, связанный через рычаг с кареткой
поперечного суппорта 4. Гайку ходового винта поперечной подачи
отсоединяют от каретки суппорта Коническую поверхность обтачи-
вают с продольной подачей. Скорость продольной подачи склады-
вания фасонных поверх-
ностей:

1 — продольный	суппорт*

2 — поперечный	суппорт;

3 — копир

Рис. 6.25. Схемы обтачи-

вается со скоростью поперечной подачи, получаемой кареткой по-
перечного суппорта от ползуна, скользящего по направляющей
линейке. Сложение двух движений обеспечивает перемещение резца
под углом к линии центров станка. Обтачивают длинные конические
поверхности с углом при вершине конуса до 30—40°.

Обтачивание внутренних конических поверхностей выполняют
широким резцом, поворотом каретки верхнего суппорта, с конусной
линейкой. Часто внутренние конические поверхности обрабатывают
специальными коническими зенкерами.

Обтачивание фасонных поверхностей заготовок с длиной обра-
зующей до 40 мм выполняют токарными фасонными резцами. По кон-
струкции фасонные резцы делят на стержневые, круглые, призмати-
ческие и тангенциальные. Фасонные поверхности этими резцами об-
тачивают только с поперечной подачей sn.

Фасонные поверхности на токарно-винторезных станках, как
правило, обтачивают стержневыми резцами; резцами остальных ви-
дов обтачивают фасонные поверхности на токарных полуавтоматах
и автоматах.

Стержневые резцы закрепляют в резцедержателе токарного станка
(рис. 6.25, а), а круглые (рис. 6.25, б), призматические (рис. 6.25, о)
и тангенциальные (рис. 6.25, г), — в специальных державках . В от-
личие от стержневых, круглых и призматических тангенциальные
резцы устанавливают ниже линии центров станка так, чтобы каждая
точка режущей кромки резца при поперечной подаче проходила
касательно к соответствующей точке фасонной поверхности обраба-
тываемой заготовки. Резец, проходя под заготовкой, обрабатывает
фасонную поверхность до требуемого размера, г. е. напроход.

Круглые, призматические и тангенциальные резцы выдержи-
вают значительно большее число переточек, чем стержневые, при
сохранении формы и размеров режущей кромки.

Длинные фасонные поверхности обрабатывают проходными рез-
цами с продольной подачей с помощью фасонного копира, устанав-
ливаемого вместо конусной линейки (рис. 6.25, д).

В серийном производстве для обработки фасонных поверхностей
на токарных станках используют специальный гидрокопировальный
Рис. 6.26. Схемы нарезания однозаходной и миогозаходной резьбы па токарно-
винторезном станке

суппорт вместо поперечного суппорта. Проходной резец имеет snp от
продольного суппорта станка и src от подвижной каретки гидросуп-
порта. Наклонную подачу суппорт получает от копира и следящего
устройства гидросуппорта. Сумма sp движений обеспечивает движе-
ние резца по сложной траектории (рис. 6.25, е).

Нарезание резьбы на токарно-винторезных станках выполняют
резцами, метчиками и плашками. Форма режущих кромок резцов
определяется профилем и размерами поперечного сечения нарезаемых
резьб. Резец устанавливают на станке по шаблону. Резьбу
(рис. 6.26, а) нарезают с продольной подачей резца srip. При нареза-
нии резьбы продольный суппорт получает поступательное движение
от ходового винта и раздвижной маточной гайки, смонтированной
в фартуке станка. Это необходимо для того, чтобы резец получал рав-
номерное поступательное движение, что обеспечивает постоянство
шага нарезаемой резьбы.

При наладке токарно-винторезного станка на нарезание резьбы
заданного шага sH. р необходимо рассчитать числа зубьев сменных
зубчатых колес гитары. За каждый оборот заготовки резец должен
перемещаться вдоль ее оси на величину шага нарезаемой резьбы.
Уравнение кинематического баланса движений имеет вид:

1 Об. mtl6l^C">l6i. п^х. в =: «и. р>

где ip — передаточное отношение реверсивной передачи коробки
подач; iCM — передаточное отношение сменных зубчатых колес ги-
тары; iI!t п — передаточное отношение передач коробки подач;

D — шаг резьбы ходового винта.

На токарно-винторезных станках нарезают метрические, дюй-
мовые, модульные и специальные резьбы. Нарезание многозаходных
резьб на токарно-винторезном станке требует точного углового деле-
ния обрабатываемой заготовки при переходе от одной нитки нарезае-
мой резьбы к другой.

Многозаходные резьбы нарезают следующими способами: пово-
ротом заготовки на угол при использовании поводкового патрона
с прорезями, в которые входит отогнутый конец хомутика, при пово-
роте заготовки на угол винторезную цепь разрывают (выключают
маточную гайку); с использованием градуированного патрона, кото-
рый позволяет одну часть патрона вместе с заготовкой повернуть от-
носительно другой части на требуемый угол (рис. 6.26, б); смещением
резца на шаг резьбы с помощью ходового винта верхнего суппорта;
с использованием нескольких резцов со смещением их относительно
друг друга в осевом направлении на величину шага нарезаемой
резьбы.

5.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ТОКАРНО-РЕВОЛЬВЕРНЫХ
СТАНКАХ

Обработка сложных деталей требует применения большого
числа режущих инструментов. Обработку таких деталей производят
на револьверных станках, имеющих специальное устройство для
закрепления инструментов — револьверную головку.

На прутковых револьверных станках детали изготовляют из
прутков круглого, квадратного, шестигранного и других попереч-
ных сечений. Пруток -заготовку пропускают сквозь полый шпиндель
станка и зажимают в цанговом патроне. После изготовления деталь
отрезают от прутка. Патронные револьверные станки служат для
обработки штучных заготовок (отливок, поковок), закрепляемых
в трехкулачковых патронах. По конструкции револьверной головки
различают станки: с многогранной головкой, вращающейся относи-
тельно вертикальной оси; с круглой головкой, вращающейся относи-
тельно горизонтальной оси; с наклонной осью головки.

Револьверные станки с многогранной головкой (рис. 6.27) имеют
кроме револьверной головки один или два (передний и задний) попе-
речных суппорта. Инструменты, работающие с продольной подачей
(проходные и расточные резцы, сверла, зенкеры, развертки, мет-
чики), закрепляют в револьверной головке; инструменты, работаю-
щие с поперечной подачей (отрезные, подрезные, фасонные, прорез-
ные резцы), — в резцедержателях поперечных суппортов.

Револьверные станки с круглой головкой поперечных суппортов
не имеют. Все инструменты закрепляют в гнездах револьверной го-
ловки. Поперечная подача инструментов заменяется на этих станках
круговой подачей револьверной головки за счет ее медленного вра-
щения относительно горизонтальной оси.

На токарно-револьверных станках обтачивают наружные цилин-
дрические поверхности, подрезают торцы, сверлят, зенкеруют и
развертывают отверстия, растачивают внутренние цилиндрические

Рис. 6.27. Схема токарно-револьверного станка

302
Рис. 6.28. Схемы обработки поверхностей заготовки на токарно-револьверном станке:
1 — подача прутка до упора; 2 —подрезание правого торца; 3 — обтачивание двух цилин-
дрических поверхностей, снятие фаски и сверление отверстия; 4 — зенкеровапие отверстия
и протачивание кольцевой канавки; 5 — зенкование; 6 — взрезание рез!<бы; 7 — отрезание
детали

поверхности, обтачивают фасонные поверхности, протачивают ка-
навки, фаски, накатывают рифления, нарезают наружные (плашками)
и внутренние (метчиками) резьбы. Если станок имеет ходовой винт,
можно нарезать резьбы резцами. Конические поверхности обтачи-
вают широкими резцами или с помощью специальных копироваль-
ных приспособлений.

Во время наладки на станке устанавливают все необходимые для
обработки заготовки инструменты в резцедержателях суппортов
и револьверной! головки. В процессе обработки инструменты вводят
в работу последовательно или параллельно.

Параллельная работа инструментов — многоинструментальная
обработка — сокращает основное время обработки. Предваритель
пая наладка станка сокращает вспомогательное время. Ито и другое
повышает производительность работы станков, используемых для
изготовления партии одинаковых деталей. Производительность по-
вышается и потому, что заготовку обрабатывают по налаженным на
станке упорам, что позволяет оператору автоматически выдерживать
диаметры и длины обрабатываемых поверхностей.

На рис. 6.28 показана наладка револьверного станка на изготов-
ление резьбовой пробки. Обработку всех поверхностей выполняют
за семь переходов. Поверхности заготовки, в поз. 2, 4 (протачивание
кольцевой канавки) и 7 обрабатывают с подачей поперечного суп-
порта, а в поз. 3, 4 (зепкерование отверстия), 5 и 6 — с продольной
подачей револьверной головки.

6.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ТОКАРНО-КАРУСЕЛЬНЫХ
СТАНКАХ

На токарно-карусельных станках обрабатывают тяжелые
заготовки больших размеров, у которых отношение длины (высоты)
к диаметру составляет 0,3—0,5. Это роторы водяных и газовых тур-
Рис. 6.29. Схема токарно-каруселыюго Рис. 6.30. Схема обработки заготовки
станка	на токарно-карусельном станке

бин, зубчатые колеса, маховики. Особенностью станков является
наличие круглого горизонтального стола — карусели с вертикаль-
ной осью вращения. Наличие карусели облегчает установку, выверку
и закрепление заготовок на станке. Карусельные станки бывают
одно- и двухстоечными. Диаметр карусели равен 0,5—21 м.

На рис. 6.29 показан двухстоечный токарно-карусельный станок,
состоящий из карусели 12, смонтированной на станине 1, и стоек 2,
соединенных поперечиной 6. По вертикальным направляющим стоек
перемещается подвижная траверса 3. В зависимости от высоты обра-
батываемой заготовки траверсу устанавливают на определенном
уровне от плоскости карусели. На подвижной траверсе установлены
верхний суппорт 5 с коробкой подач 4 и револьверный суппорт 7
с револьверной головкой 8 и коробкой подач 9. На правой стойке
установлен боковой суппорт 10 с коробкой подач 11.

Режущие инструменты закрепляют в резцедержателях суппортов
и гнездах револьверной головки. Каждый из суппортов имеет гори-
зонтальную и вертикальную подачи.

На токарно-карусельных станках обтачивают наружные и раста-
чивают внутренние цилиндрические и конические поверхности, об-
тачивают фасонные поверхности, сверлят, зенкеруют и разверты-
вают отверстия, обтачивают плоские торцовые поверхности. Исполь-
зование специальных приспособлений позволяет нарезать резьбы
резцами, обрабатывать сложные фасонные поверхности по электро-
копиру, а также фрезеровать и шлифовать плоские поверхности.
На станках ведут многоннструмептную обработку.

Маховик большого диаметра обрабатывают одновременно несколь-
кими инструментами (рис. 6.30). Наружную цилиндрическую по-
верхность обтачивают проходным резцом, закрепленным в резцедер-
жателе бокового суппорта; подача резца вертикальная. Торец обода
обтачивают подрезным резцом, закрепленным в резцедержателе
верхнего суппорта; подача резца горизонтальная. Отверстие раста-
чивают двумя проходными расточными резцами, ‘.закрепленными
в державке, установленной в гнезде револьверной головки, с верти-
кальной подачей.
7.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА МНОГОРЕЗЦОВЫХ
ТОКАРНЫХ ПОЛУАВТОМАТАХ

На многорезцовых токарных полуавтоматах обрабатывают
заготовки деталей типа ступенчатых валов.

Общий вид полуавтомата показан на рис. 6.31. Заготовку устанав-
ливают на станке в центрах: переднем — в шпинделе коробки ско-
ростей 2 передней бабки 3 и заднем — в пиноли задней бабки 5.
Крутящий момент на заготовку передается кулачками зажим-
ного патрона. На направляющих станины 1 смонтированы ниж-
ний 8 и верхний 4 суппорты. Суппорты служат для закрепления
резцов.

Особенность обработки заготовок на многорезцовых полуавто-
матах состоит в том, что нижний суппорт имеет только продольную
подачу, а верхний — только поперечную. На нижнем суппорте за-
крепляют резцы, работающие с продольной подачей, — проходные;
на верхнем суппорте — резцы, работающие с поперечной подачей, —
подрезные, прорезные, фасонные, для обтачивания фасок. При на-
ладке многорезцового полуавтомата резцы устанавливают и закреп-
ляют относительно заготовки так, чтобы одновременно обрабатыва-
лось несколько поверхностей.

На многорезцовых токарных полуавтоматах обтачивают только
наружные поверхности заготовок: цилиндрические, конические,
фасонные, плоские торцовые, кольцевые канавки, фаски.

На рис. 6.32, а показана обработка заготовки ступенчатого вала
одновременно четырьмя проходными резцами, четырьмя прорезными
резцами и одним подрезным.

На рис. 6.32, б показана обработка заготовки конического зубча-
того колеса. На верхнем суппорте установлены резцы, работающие
с поперечной подачей. На нижнем суппорте установлены два резца:
правый обтачивает цилиндрическую шейку вала, левый — кониче-
скую поверхность заготовки. Резец, обтачивающий коническую
поверхность, работает по копиру, установленному на суппорте.

Рис. 6.31. Схема токарного многорез-
цового полуавтомата

Рис. 6.32. Схемы обработки заготовок
на токарном многорезцовом полуав-
томате
8.	обработка заготовок на токарных автоматах

Одношпиндельные автоматы. Фасонно-отрезные
автоматы предназначены для обработки деталей простой формы,
небольшого диаметра и малой длины. Заготовками для изготовления
деталей служат прутки. Пруток закрепляют в цанговом патроне,
пропуская его сквозь полый шпиндель автомата.

Автоматы имеют от двух до четырех поперечных суппортов (перед-
ний, задний, один вертикальный или два наклонных). На суппортах
закрепляют фасонные резцы. В одном из суппортов закрепляют
отрезной резец. На фасонно-отрезных автоматах обрабатывают
только наружные поверхности заготовок (рис. 6.33). Обработку по-
верхностей ведут только с поперечной подачей резцов. Некоторые
автоматы имеют сверлильный суппорт, в котором закрепляют сверло.
Сверление отверстия выполняют с продольной подачей сверлильного
суппорта. После окончания обработки поверхностей фасонными рез-
цами отрезной резец отрезает готовую деталь от прутка, и цикл работы
автомата повторяется.

Продольно-фасонные автоматы предназначены для
обработки деталей сложной формы диаметром d до 22 мм и длиной до
20d. Заготовками служат точные калиброванные прутки. Пруток
закрепляют в цанговом патроне автомата и пропускают сквозь лю-
нетную втулку 2 стойки 3 (рис. 6.34). Шпиндельная бабка 1 автомата
или шпиндель имеет продольную подачу. Поэтому пруток, закреп-
ленный в патроне автомата, одновременно с вращением получает
продольную подачу. Суппорты автомата, число которых доходит
до шести, имеют только поперечную подачу. В зажимных устрой-
ствах суппортов закрепляют проходные резцы и одни отрезной
резец.

Скоростями движений передней бабки (прутка) и поперечных
суппортов, а также моментами включения и выключения подач управ-
ляют кулачки распределительного вала автомата. Сочетание про-
дольной подачи прутка с поперечной подачей резцов позволяет обта-
чивать наружные цилиндрические, конические и фасонные поверх-
ности, подрезать торцы, протачивать канавки, обтачивать фаски.
Дополнительный продольный суппорт позволяет выполнять свер-
лильные или резьбонарезные работы. Обработка поверхностей заго-

Рис. 6.33. Схема обработки заго-
товки на токарном одиошпиндель-
нэм фасонно-отрезном автомате

Рис. 6.34. Схема обработки заготовки
на токарном одношпнндельном про-
дол ьно-фасопном автомате
Рис. 6.35. Схемы токарных автоматов:

а— одношпиндельный токарно-револьверный; б — многошпиндельный параллельной об-
работки в — многошпиндельный последовательной обработки; г — многошпиндельныЛ
полуавтомат роторной обработки

товки ведется в непосредственной близости от торца люнетной втулки,
что значительно уменьшает деформацию заготовки.

Т окарно-револьверные автоматы (рис. 6.35,' а)
имеют револьверный суппорт с револьверной головкой, работающей
с продольной подачей, и от двух до четырех поперечных суппортов.
Инструменты, работающие с продольной подачей, закрепляют
в гнездах револьверной головки, а инструменты, работающие с по-
перечной подачей — в зажимных устройствах поперечных суппортов.

На токарно-револьверных автоматах обрабатывают наружные
цилиндрические, конические и фасонные поверхности, подрезают
торцы, протачивают канавки, фаски, обрабатывают отверстия свер-
лением, зенкерованием, развертыванием и растачиванием, нарезают
наружную (плашками) и внутреннюю (метчиками) резьбу, накаты-
вают рифления. Использование дополнительных устройств расши-
ряет технологические возможности автомата.

Многошпиндельные автоматы. Заготовками для изготовления
деталей на автоматах служат прутки (прутковые автоматы) или
штучные заготовки — поковки, отливки, которые закладывают в спе-
циальные емкости — магазины (магазинные автоматы).

Автомат параллельной обработки (рис. 6.35, б) предназ-
начен для одновременного изготовления нескольких одинаковых де-
талей. Заготовки пропускают сквозь полые шпиндели на длину, рав-
ную длине изготовляемых деталей. Вылет прутков из шпинделей огра-
ничен упорами задней стойки. Затем прутки закрепляются цанго-
выми патронами шпинделей, и они получают вращательное дви-
жение.

Обработка заготовок ведется фасонными резцами, каждый из
которых установлен в переднем поперечном суппорте против соот-
ветствующего шпинделя станка. Все резцы получают одновременную
поперечную подачу. После обработки поверхностей заготовок отрез-
ные резцы, установленные в заднем поперечном суппорте, отрезают
готовые детали от прутков.

На автоматах обрабатывают только наружные поверхности заго-
товок и только с поперечной подачей резцов.

Автомат последовательной обработки (рис. 6.35, в)
имеет в передней стойке шпиндельный барабан, в котором располо-
жены шпиндели. На торцовой стороне передней стойки у каждого
шпинделя установлены поперечные суппорты. Между стойками рас-
положен осевой суппорт с каретками, имеющими продольное пере-
мещение. Каретки осевого суппорта расположены на одной оси со
шпинделями, против которых они установлены. При обработке за-
готовок инструменты, работающие с поперечной подачей, устанав-
ливают в зажимных устройствах поперечных суппортов. Инстру-
менты, работающие с продольной подачей закрепляют в зажимных
устройствах каретки.

После того как все одновременно работающие инструменты отой-
дут от заготовок в исходное положение, шпиндельный барабан
вместе с закрепленными прутками повернутся на одну позицию.
После того как каждая заготовка последовательно пройдет через
все позиции автомата, каждый режущий инструмент обработает на
ней соответствующую поверхность. В каждой позиции автомата заго-
товка находится на определенной стадии обработки. В предпослед-
ней позиции отрезной резец отрезает готовую деталь от прутка.
После очередного поворота шпиндельного барабана на 1/п часть,
где п — число шпинделей автомата, пруток подается на длину, рав-
ную длине обрабатываемой детали. При очередном повороте бара-
бана на 1/п часть начинается новый цикл изготовления следующей
детали.

Вертикальный многошпиндельный полуавтомат роторной
обработки показан на рис. 6.35, г. На станине установлена карусель,
в которой смонтированы шпиндели. На центральной колонне закреп-
лены вертикальные суппорты. Обрабатываемую заготовку закреп-
ляют в патроне шпинделя, от которого она получает вращательное
движение v. Карусель вместе со шпинделями имеет медленное враща-
тельное движение s. С такой же скоростью и в том же направлении
вращается колонна с суппортами. При вращении карусели и колонны
заготовки обрабатываются инструментами, закрепленными в суп-
портах, с вертикальной подачей. За один оборот карусели и колонны
обработка заканчивается.
9.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Под технологичностью конструкции детали понимается
совокупность свойств, проявляемых в возможности оптимальных за-
трат труда, средств, материалоЕ! и времени при технической подготов-
ке ее производства, изготовления, эксплуатации и ремонте и обеспече-
нии технологичности сборочной единицы, в состав которой она входит.

При конструировании деталей машин, обрабатываемых на стан-
ках токарной группы, необходимо учитывать следующие технологи-
ческие требования.

Детали, обрабатываемые па станках токарной группы, должны со-
держать наибольшее число поверхностей, имеющих форму тел вра-
щения.

Конструкция детали должна быть такой, чтобы ее масса была
уравновешена относительно оси вращения. Обработка уравно-
вешенных заготовок исключает влияние.' дисбаланса масс на точ-
ность изготовления поверхностен деталей. При конструировании
деталей необходимо использовать нормальный ряд диаметров и длин,
что позволяет применять стандартный! режущий инструмент. В кон-
струкциях следует избегать применения нежестких валов и втулок
(длинных тонких валов и тонкостенных втулок). Жесткая конструк-
ция вала позволяет вести токарную обработку без применения люне-
тов. Жесткая конструкция втулок (стаканов, цилиндров) позволяет
обрабатывать их в кулачковых патронах, не прибегая к специальным
приспособлениям. При обработке нежестких деталей погрешность
геометрической формы обработанной поверхности всегда больше,
чем при обработке жестких деталей.

Рис. 6.36. Примеры конструкций деталей машин, обрабатываемых на станках
токарной группы
При выполнении токарных работ большое значение имеет стан-
дартизация и унификация размеров и форм обрабатываемых поверх-
ностей. У ступенчатых валов и отверстий следует делать одинаковые
радиусы скруглений г (рис. 6.36, а). Это позволяет все радиусы скруг-
лений выполнять одним резцом. Радиусы скруглений следует выби-
рать из нормального ряда. Конические переходы между ступенями
валов и фаски (рис. 6.36, б) необходимо обрабатывать стандартным
режущим инструментом — резцами, у которых главный угол в плане
<р = 45; 60; 75; 90е. Вследствие постоянства ширины Ь канавок
(рис. 6.36, в) их обрабатывают одним прорезным резцом.

Режущий инструмент должен иметь свободный вход и выход
(рис. 6.36, г). В начале обработки поверхности режущий инструмент
постепенно набирает полную глубину резания, а по окончании обра-
ботки может выйти из материала заготовки. Например, при нареза-
нии резьбы на детали следует предусматривать фаску и канавку для
входа и выхода резьбонарезного инструмента. Если поверхность за-
готовки шлифуют, то должны быть фаски и канавки, обеспечивающие
вход и выход шлифовального круга. В отдельных случаях поверх-
ность детали, не сопрягающуюся с поверхностью другой детали,
можно не обрабатывать, что сокращает трудоемкость, время и стои-
мость обработки (рис. 6.36, д).

В конструкциях ступенчатых валов желательно избегать боль-
ших перепадов диаметров ступеней (рис. 6.36, е). В таких случаях
целесообразно расчленять конструкцию: отдельно изготовить вал
с шейкой и кольцо. Затем кольцо можно напрессовать на шейку вала,
приварить или сделать механическое крепление.

Желательно избегать сложных фасонных поверхностей. При обта-
чивании сферической поверхности (рис. 6.36, ж) фасонным резцом
целесообразно торец детали делать плоским, а между цилиндриче-
ской и сферической поверхностями предусматривать переходную
шейку. Это упростит фасонный режущий инструмент и повысит точ-
ность изготовления поверхностей детали.

Если требуется обеспечить соосность цилиндрических поверх-
ностей ступенчатого отверстия (рис. 6.36, з), то втулку целесообразно
выполнять с внутренней выточкой. Это позволяет обе ступени обра-
батывать с одной установки заготовки на станке и одним расточным
резцом. Поверхность выточки не обрабатывают. Такая конструкция
втулки повышает точность расположения обрабатываемых поверх-
ностей и сокращает время обработки.

Обработка глухих отверстий, к которым предъявляют высокие
требования по точности и шероховатости поверхности, затрудни-
тельна. Такие отверстия целесообразно выполнять сквозными. Кон-
струкция детали должна обеспечивать свободный доступ режущего
инструмента ко всем обрабатываемым поверхностям (рис. 6.36, и).

Значительные трудности вызывает обработка внутренних торцо-
вых фасонных поверхностей (дно отверстия). Применение вставного
дна исключает этот недостаток конструкции (рис. 6.36, к). Конструк-
цию втулки со ступенчатым отверстием целесообразно заменить кон-
струкцией, состоящей из двух втулок, одна из которых запрессовы-
310
вается в другую. При ступенчатом отверстии необходимо, чтобы диа-
метры ступеней постепенно уменьшались по длине отверстия
(рис. 6.36, л). В этом случае отверстие наименьшего диаметра сверлят
сверлом, а остальные растачивают или зенкеруют.

При обработке деталей на многорезцовых полуавтоматах необхо-
димо диаметры ступеней вала располагать по возрастающей степени
по его длине (рис. 6.36, м), что упрощает наладку полуавтомата.
Длины ступеней вала должны быть равными или кратными длине
самой короткой ступени. Это дает возможность вести многорезцовую
обработку, что значительно сокращает основное (технологическое)
время. Ступенчатые валы целесообразно выполнять симметричными
относительно середины длины. Это позволяет обрабатывать левую
и правую половины вала при одной и той же наладке полуав-
томата.

В торцах валов, обрабатываемых в центрах, необходимо пре-
дусматривать центровые технологические отверстия.

В конструкциях деталей следует избегать ребристых поверхно-
стей, так как при их обработке возникает ударная динамическая
нагрузка, что снижает качество обработанных поверхностей и мо-
жет быть причиной возникновения вибраций.

Участки вала, имеющие один и тот же размер, но разные посадки
(допуски), необходимо разграничивать канавками. Острые кромки
обрабатываемых поверхностей должны быть притуплены, скруглены
или с них должны быть сняты фаски.

ГЛ А В А V. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СВЕРЛИЛЬНЫХ
СТАНКАХ

1.	ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА СВЕРЛЕНИЯ

Сверление — распространенный метод получения отвер-
стий в сплошном материале. Сверлением получают сквозные и не-
сквозные (глухие) отверстия и обрабатывают предварительно полу-
ченные отверстия в целях увеличения их размеров, повышения точ-
ности и снижения шероховатости поверхности.

Сверление осуществляют при сочетании вращательного движения
инструмента вокруг оси — главного движения и поступательного его
движения вдоль осн — движения подачи. Оба движения на сверлиль-
ном ста' ке сообщают инструменту.

Процесс резания при сверлении протекает в более сложных усло-
виях, чем при точении. В процессе резания затруднены отвод стружки
и подвод охлаждающей жидкости к режущим кромкам инструмента.
При отводе стружки происходит трение ее о поверхность канавок
сверла и сверла о поверхность отверстия. В результате повышаются
деформация стружки и тепловыделение. На увеличение деформации
стружки влияет изменение скорости резания вдоль режущей кромки
от максимального значения на периферии сверла до нулевого значе-
ния у центра.
2.	РЕЖИМ РЕЗАНИЯ. СИЛЫ РЕЗАНИЯ

Режим резания (рис. 6.37). За скорость резания (м/мин)
при сверлении принимают окружную скорость точки режущей
кромки, наиболее удаленной от оси сверла:

v = л£)«/1000,
где D — наружный диаметр сверла, мм; п — частота вращения
сверла, об/мин.

Подача sn (мм/об) равна осевому перемещению сверла за один
оборот.

За глубину резания t (мм) при сверлении отверстий в сплошном
материале принимают половину диаметра сверла:

t = 0/2,

а при рассверливании t = (D — d)/2, где d — диаметр обрабатывае-
мого отверстия, мм.

Силы резания. В процессе резания сверло испытывает сопро-
тивление со стороны обрабатываемого материала. Равнодействующую
сил сопротивления, приложенную в некоторой точке А режущей
кромки, можно разложить на три составляющие силы Рх, Ру и Р2
(рис. 6.38).

Составляющая Рх направлена вдоль оси сверла. В этом же на-
правлении действует сила Рп на поперечную режущую кромку.
Суммарная всех указанных сил, действующих на сверло вдоль оси
х, называется осевой силой. Радиальные силы Ру, равные по вели-
чине, но направленные противоположно, взаимно уравновешиваются.

В расчетах для определения осевой силы Ро (Н) и крутящего
момента Мк (Н-м) используют эмпирические формулы:

P^c^ps^Kp,

Mk = CmDWMm,
где Ср и См — постоянные коэффициенты,
батываемый материал и условия резания;

6)

Рис. 6.37. Схемы сверления (а) и рас-
сверливания (б)

Рис. 6.38. Силы, действующие на сверло

характеризующие обра-

ти, Ур; Хм, уы — пока-
затели степеней; и Км — поправочные коэффициенты на изме-
ненные условия резания. Коэффициенты и показатели степеней
приведены в справочниках.

Осевая сила и крутящий момент являются исходными для рас-
чета сверла и узлов станка на прочность, а также для определения
эффективной мощности. Эффективная мощность (кВт), затрачивае-
мая на резание при сверлении,

Ме = Мнп/(60-103).

3.	РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Отверстия на сверлильных станках обрабатывают свер-
лами, зенкерами, развертками и метчиками.

Сверла по конструкции и назначению подразделяют на спираль-
ные, центровочные и специальные. Наиболее распространенный для
сверления и рассверливания инструмент — спиральное
сверло (рис. 6.39, а), состоящее из рабочей части 6, шейки 2, хвосто-
вика 4 и лапки 3.

В рабочей части 6 различают режущую 1 и направляющую 5 ча-
сти с винтовыми канавками. Шейка 2 соединяет рабочую! часть свер-
ла с хвостовиком. Хвостовик 4 необходим для установки сверла
в.шпинделе станка. Лапка 3 служит упором при выбивании сверла
из отверстия шпинделя.

Элементы рабочей части и геометрические параметры спирального
сверла показаны на рис. 6.39, б. Сверло имеет две главные режущие
кромки И, образованные пересечением передних 10 и задних 7 по-
верхностей и выполняющие основную работу резания; поперечную
режущую кромку 12 (перемычку) и две вспомогательные режущие
кромки 9. На цилиндриче-
ской части сверла вдоль
винтовой канавки распо-
ложены две узкие ленточ-
ки 8, обеспечивающие на-
правление сверла при
резании.

Геометрические пара-
метры сверла определяют
условия его работы. Перед-
ний угол у измеряют
в главной секущей плоско-
сти //—//, перпендику-
лярной к главной режу-
щей кромке. Задний угол а
измеряют в плоскости I—
1, параллельной оси свер-
ла. Передний и задний

Рис. 6.39. Части, элементы
и углы спирального сверла
Рис. 6.40. Инструменты для обработки отверстий на сверлильных станках:
а — в —зенкеры; г—е — развертки; х — метчик

углы в различных точках главной режущей кромки различны.
У наружной поверхности сверла угол у наибольший, а угол а наи-
меньший; ближе к оси — наоборот. Угол при вершине сверла 2<р из-
меряют между главными режущими кромками; его значение различно
в зависимости от обрабатываемого материала. Угол наклона попереч-
ной режущей кромки измеряют между проекциями главной и попе-
речной режущих кромок на плоскость, перпендикулярную к оси
сверла. Угол наклона винтовой канавки <о измеряют по наружному
диаметру. С увеличением угла со увеличивается передний угол у;
при этом облегчается процесс резания и улучшается выход стружки.
Рекомендуемые геометрические параметры сверла приведены в спра-
вочной литературе.

Зенкерами (рис. 6.40) обрабатывают отверстия в литых или штам-
пованных заготовках, а также предварительно просверленные от-
верстия. В отличие от сверл зенкеры снабжены тремя или четырьмя
главными режущими кромками и не имеют поперечной кромки.
Режущая часть 1 выполняет основную работу резания. Калибрующая
часть 5 служит для направления зенкера в отверстии и обеспечивает
необходимую точность и шероховатость поверхности (2 — шейка,
3 — лапка, 4 — хвостовик, 6 — рабочая часть).

По виду обрабатываемых отверстий зенкеры делят на цилиндри-
ческие (рис. 6.40, а), конические (рис. 6.40, б) и торцовые
(рис. 6.40, в). Зенкеры бывают цельные с коническим хвостовиком
(рис. 6.40, а, б) и насадные (рис. 6.40, в).

Развертками окончательно обрабатывают отверстия. По форме
обрабатываемого отверстия различают цилиндрические (рис. 6.40, а)
и конические (рис. 6.40, д) развертки. Развертки имеют 6—12 глав-
ных режущих кромок, расположенных на режущей части 7 с направ-
ляющим конусом. Калибрующая часть 8 направляет развертку в от-
верстки и обеспечивает необходимую точность и шероховатость по-
верхности.

По конструкции крепления развертки делят на хвостовые и на-
садные. На рис. 6.40, е показана машинная насадная развертка с ме-
ханическим креплением режущих пластинок в ее корпусе.

Метчики применяют для нарезания внутренних резьб. Метчик
(рис. 6.40, ж) представляет собой винт с прорезанными прямыми или
винтовыми канавками, образующими режущие кромки. Рабочая
часть метчика имеет режущую 9 и калибрующую 10 части. Профиль
резьбы метчика должен соответствовать профилю нарезае мой резьб д.
Метчик закрепляют в специальном патроне.

4.	ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
НА СВЕРЛИЛЬНЫХ СТАНКАХ

При обработке на сверлильных станках применяют раз-
личные приспособления для установки и закрепления заготовок на
столах станков (рис. 6.41).

Заготовки закрепляют прижимными планками (рис. 6.41, а) или
в машинных тисках. При обработке отверстий, оси которых парал-
лельны или расположены под углом к установочной плоскости, ис-
пользуют угольники (рис. 6.41, б).

Заготовки, имеющие цилиндрические части, закрепляют в трех-
или четырехкулачковых патронах, которые крепят на столе станка.
При сверлении отверстий в цилиндрических заготовках их устанав-
ливают на призме п закрепляют струбциной (рис. 6.41, в). Для свер-
ления нескольких точно расположенных отверстий в заготовках,
обрабатываемых большими партиями, широко используют специаль-
ные приспособления — кондукторы (рис. 6.41, г). Они имеют на-
правляющие втулки 2, обеспечивающие определенное положение
режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки 1,
закрепляемой в кондукторе. Необходимость в разметке при псполь-

Рис. 6.41. Приспо-
собления для за-
крепления загото-
вок па сверлиль-
ных станках
Рис. 6.42. Схемы закрепления ин-
струмента в шпинделе станка

зовании кондукторов отпадает. Ре-
жущий инструмент в шгинделе свер-
лильного станка закрепляют с по-
мощью вспомогательного инструмен-
та: переходных втулок, сверлильных
патронов и оправок.

Режущие инструменты с кони-
ческим хвостовиком закрепляют не-
посредственно в шпинделе сверлиль-
ного станка (рис. 6.42, а). Если раз-
мер конуса хвостовика инструмента
меньше размера конического отверс-
тия шпинделя, то применяют пере-
ходные конические втулки (рис.
6.42, б). Инструменты с цилиндриче-

ским хвостовиком закрепляют в
двух-, трехкулачковых или цанго-
вых патронах. Закрепление режу-

щего инструмента в цанговом патроне показано на рис. 6.42, в.
На резьбовую часть корпуса патрона 1 навинчена втулка 2, в
которой находится разрезная цанга 3. Цилиндрический хвосто-
вик инструмента 4 вставляют в отверстие цанги и закрепляют вра-
щением втулки 2.

5.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ВЕРТИКАЛЬНО-
СВЕРЛИЛЬНЫХ СТАНКАХ

На рис. 6.43 дан общий вид вертикально-сверлильного
станка. На фундаментной плите 1 смонтирована колонна 2. В верхней
части колонны расположена коробка скоростей 6, через которую
шпинделю с режущим инструментом сообщают главное вращатель-
ное движение. Движение подачи (поступательное вертикальное) ин-
струмент получает через коробку подач 5, расположенную в крон-
штейне 4. Заготовку устанавливают на столе 3. Стол и кронштейн

имеют установочные перемещения по вертикаль-
ным направляющим колонны 2. Совмещение
оси вращения инструмента с заданной осью
отверстия достигается перемещением заго-
товки.

На сверлильных станках выполняют свер-
ление, рассверливание, зенкерование, развер-
тывание, цекование, зенкование, нареза-
ние резьбы и обработку сложных отвер-
стий.

Для одновременной обработки нескольких
отверстий применяют многошпиндельные вер-
тикально-сверлильные станки. Шпиндели на
этих станках устанавливают в сверлильной
головке в зависимости от расположения от-
верстий в заготовке.

Рис. 6.43. Вертикаль-
но-сверлильный станок


Рис. 6.44. Схемы обработки заготовок на вертикально-сверлильных станках

Сверление сквозного отверстия показано на рис. 6.44, <7. Режущим
инструментом служит спиральное сверло. В зависимости от требуе-
мой точности и величины партии обрабатываемых заготовок отвер-
стия сверлят в кондукторе или но разметке.

Рассверливание — процесс увеличения диаметра ранее просвер-
ленного отверстия сверлом большего диаметра (рис. 6.44, б). Диаметр
отверстия под рассверливание выбирают так, чтобы поперечная
режущая кромка в работе не участвовала. В этом случае осевая сила
уменьшается.

Зенкерование — обработка предварительно полученных отвер-
стий для придания им более правильной геометрической формы, по-
вышения точности и снижения шероховатости многолезвийным ре-
жущим инструментом — зенкером (рис. 6.44, в).

Развертывание — окончательная обработка цилиндрического или
конического отверстия разверткой (обычно после зенкерования)
в целях получения высокой точности и малой шероховатости обра-
ботанной поверхности (рис. 6.44, г, <Э).

Цекование — обработка торцовой поверхности отверстия тор-
цовым зенкером для достижения перпендикулярности плоской тор-
цовой поверхности к его оси (рис. 6.44. с).

Зенкованием получают в имеющихся отверстиях цилиндриче-
ские или конические углубления под головки винтов, болтов, за-
клепок и других деталей. На рис. 6.44, ж, з показано зенкование ци-
линдрического углубления цилиндрическим зенкером (зенковкой)
и конического углубления коническим зенкером.

Нарезание резьбы — получение на внутренней цилиндри-
ческой поверхности с помощью метчика винтовой канавки
(рис. 6.44, и).

Отверстия сложного профиля обрабатывают с помощью комби-
нированного режущего инструмента. На рис. 6.44, к показан комби-
нированный зенкер для обработки двух поверхностей: цилиндриче-
ской и конической.

Сверление глубоких отверстий (длина отверстия больше пяти
диаметров) производят на специальных горизонтально-сверлильных
станках. При обработке глубоких отверстий спиральными сверлами
происходит увод сверла и «разбивание» отверстия: затрудняются
подвод смазочно-охлаждающей жидкости и отвод стружки. Поэтому
для сверления глубоких отверстий применяют сверла специальной
конструкции. Смазочно-охлаждающая жидкость подается в зону
резания и вымывает стружку через внутренний канал сверла.

6.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА РАДИАЛЬНО-
СВЕРЛИЛЬНЫХ СТАНКАХ

На радиально-сверлильных станках обрабатывают от-

верстия, расположенные на значительном расстоянии друг от друга,
в крупногабаритных и большой массы заготовках.

Эти станки в отличие от вертикально-сверлильных обеспечивают
(без изменения положения заготовки) совмещение осей режущего
инструмента и обрабатываемых отверстий перемещением шпиндель-
ной головки.

На рис. 6.45 показан радиально-сверлильный станок. К фунда-
ментной плите 1 прикреплена неподвижная колонна 2 с поворотной
гильзой 3, по которой перемещается в вертикальном направлении и
устанавливается в нужном положении с помощью механизма 5 тра-
верса 4. По горизонтальным направляющим траверсы перемещается
шпиндельная головка 6, в которой расположены коробка скоростей 7
и коробка подач 8. Шпиндель 9 с инструментом получает главное
вращательное движение и вертикальную подачу. Заготовку закреп-
ляют на столе 10 или непосредственно на фундаментной плите 1.
Инструмент устанавливают в рабочее положение поворотом траверсы
вместе с гильзой 3 и перемещением шпиндельной головки по направ-

Рнс. 6.45. Радиально-сверлиль-
ный станок

ляющим траверсы.

Для обработки заготовок с боль-
шим числом отверстий целесообразно
использовать сверлильные станки
с ЧПУ. Эти станки автоматизированы
с помощью дополнительных коорди-
натных столов, позволяющих авто-
матически перемещать и точно уста-
навливать заготовку относительно
инструмента без предварительной раз-
метки и кондукторов. Кроме пере-
мещений стола автоматизирована по-
дача инструмента Вертикально-свер-
лильные станки с ЧПУ часто
оснащают револьверными головками
для автоматической смены инстру-
мента.
7.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК
НА АГРЕГАТНЫХ СТАНКАХ

На агрегатных станках
ваготовки одновременно обрабаты-
вают несколькими инструментами.
Агрегатные станки изготовляют
из стандартных и нормализованных
деталей и узлов (агрегатов). Ком-
поновка станков весьма разнооб-
разна. Она зависит от формы и раз-
меров заготовок, характера выпол-
няемых работ и т. д. На рис. 6.46 при-
ведена одна из разновидностей ком-

Рис. 6.46. Агрегатно-сверлиль-
ный станок

поновки агрегатного станка.

Основными нормализованными узлами станка являются станина /,
силовая головка 2 и стол 3. Заготовку закрепляют в приспособлении,
установленном на столе станка, и обрабатывают с трех сторон одно-
временно многими инструментами, закрепленными в шпинделях
силовых головок. Инструментальные шпиндели вращаются от при-
водного вала силовой головки — главное движение, а подачу вдоль
оси отверстия получают перемещением корпуса силовой головки по
направляющим станины.

На агрегатных станках наряду со сверлением растачивают отвер-
стия, фрезеруют поверхности и т. д. Агрегатные станки — это преи-
мущественно станки-полуавтоматы, и их часто встраивают в автома-
тические линии. Они обеспечивают высокую производительность,
стабильную точность обработки и допускают многократное исполь-
зование нормализованных деталей и узлов при перекомпоновке
станка на выпуск нового изделия.

8.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Отверстия, к которым предъявляют высокие требования
по точности изготовления, необходимо выполнять сквозными
(рис. 6.47, а), а не глухими. Форма и размеры дна глухих отверстий
должны соответствовать форме и размерам стандартного инструмента
(рис. 6.47, б, в).

Поверхность, на которой нужно сверлить отверстие, должна быть
перпендикулярна к его оси, иначе (рис. 6.47, а) может произойти
поломка сверла. С этой целью па цилиндрических поверхностях
литых деталей необходимо предусматривать плоскости, перпенди-
кулярные к оси отверстия (рис. 6.47, д), а на заготовках из проката
фрезеровать уступы (рис. 6.47, е).

Смазочные отверстия лучше располагать перпендикулярно к по-
верхности, на которой они должны находиться (рис. 6.47, ж). На-
клонное их расположение (рис. 6.47, з) затрудняет обработку.

Глубокие отверстия (рис. 6.47, и) рекомендуется заменять двумя
неглубокими (рис. 6.47, к), что обеспечивает одновременную обра-
ботку с двух сторон на агрегатном станке.
Рис. 6.47. Примеры конструкций деталей машин, обрабатываемых на сверлиль-

ных станках

Рекомендуется использовать ступенчатые отверстия (рис. 6.47, м)
вместо двух глухих соосных отверстий (рис. 6.47, л), что исключает
необходимость обработки их за две установки и устраняет погреш-
ности, связанные с взаимным расположением отверстий.

ГЛАВА VI. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА РАСТОЧНЫХ СТАНКАХ

1.	ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА РАСТАЧИВАНИЯ

Поверхности на расточных станках формообразуются за
счет сочетания главного вращательного движения резца или другого
режущего инструмента и движения подачи, сообщаемого инструменту
или заготовке. Направление подачи может быть продольным, по-
перечным, радиальным и вертикальным в зависимости от характера
обрабатываемой поверхности.

На расточных станках выполняют сверление, зенкерование, раз-
вертывание и растачивание отверстий, обтачивание наружных ци-
линдрических поверхностей резцом, подрезание торцов, нареза-
ние резьбы и фрезерование плоскостей.

Расточные станки применяют в основном для обработки отвер-
стий с точно координированными осями в крупно- и среднегабарит-
ных заготовках корпусных деталей.

Обработка поверхностей заготовок резцами наиболее характерна
для расточных станков.

Расточные резцы работают в менее благоприятных условиях, чем
токарные. Опп имеют мепыпие размеры, зависящие от размера опра-
вок, в которых нх закрепляют, и диаметра обрабатываемого отвер-
стия. Оправка с резцом под действием силы резания может изги-
баться. Нсжесткость инструмента является причиной вибраций
в процессе резапня н снижения качества обработанной поверхности.
Поэтому для обеспечения высокой точности обрабатываемых поверх-
ностей расточные стачки имеют повышенную жесткость.

2.	РЕЖИМ РЕЗАНИЯ

При работе на расточных станках (рис. 6.48) главное вра-
щательное движение инструмента характеризуется скоростью реза-
ния.
За скорость резания (м/мин) прини-
мают окружную скорость вращающего-
ся режущего инструмента

v = лО/г/ЮОО,

где D — диаметр обработанной по-
верхности, мм; п — частота вращения
режущего инструмента, об/мин.

Подача s — перемещение режущего
инструмента (или заготовки) относи-
тельно обрабатываемой поверхности
(измеряется в мм/мин или за один
оборот шпинделя в мм/об).

Рис. G.48. Схема раскачивания
отвергши

Глубина резания i (мм) при растачивании отверстий

/=(£)- d)/2,

где D — диаметр отверстия после обработки, мм; d — диаметр от-
верстия до обработки, мм.

3.	РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

На расточных станках для обработки поверхностей ис-
пользуют различные инструменты: резцы, сверла, зенкеры, раз-
вертки, метчики, фрезы.

Расточные резцы по форме поперечного сечения стержня подраз-
деляют на квадратные, прямоугольные (рис. 6.49, а) и круглые
(рис. 6.49, б).

В зависимости от вида обработки используют различные типы
расточных резцов: проходные, подрезные, канавочные и резьбовые.
Широко применяют пластинчатые резцы — основной инструмент
для растачивания отверстий диаметром более 20 мм. Пластинчатые
резцы делят на одно- и двухлезвийные (рис. 6.49, в). Двухлезвийные
пластинчатые резцы выполняют по размеру растачиваемого отвер-
стия.

Расточные блоки (рис. 6.49, г) представляют собой сборную
конструкцию, состоящую из корпуса 1 и вставных регулируемых
резцов 2, закрепленных винтами 3 и 4. Резцы регулируют по диаме-
тру растачиваемого отверстия.

Расточные головки применяют для обработки отверстий
большого диаметра. На рис. 6.49, д показана разъемная расточная
головка для обработки отверстий диаметром 130—225 мм. Подрез-
ные резцы головки предварительно устанавливают по диаметру и
торцу на заданный размер, что позволяет обрабатывать ряд соосных
отверстий как по диаметру, так и по торцам.

Специальные развертки с нерегулируемыми и регулируемыми
ножами применяют для окончательной обработки отверстий после
предварительного растачивания их резцами. Регулируемая плаваю-
щая развертка (рис. 6.49, е) имеет два ножа 5, взаимно перемещаю-
щихся по шпонке 7 и скрепленных винтами 6 при упоре в винт 8,
Рис. 6.49. Режущий ин трумент для растачивания отверстий

положение которого регулируется в зависимости от заданного раз-
мера обрабатываемого отверстия. Развертка оснащена пластинками
из твердого сплава.

4.	ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
НА РАСТОЧНЫХ СТАНКАХ

Заготовки на столе расточного станка закрепляют с по-
мощью различных универсальных приспособлений: прижимных пла-
нок, станочных болтов, угольников, призм (см. рис. 6.41).

При обработке отверстий и плоскостей, расположенных под
углом к основанию заготовки или друг к другу, применяют уголь-
ники. Заготовки с опорными поверхностями цилиндрической формы
устанавливают на призмы.

Корпусные детали отличаются большим многообразием форм и
размеров обрабатываемых поверхностей и точностью их обработки.
В зависимости от этого используют различные конструкции расточ-
ных кондукторов для закрепления корпусных заготовок и обеспе-
чения правильного положения инструмента относительно обрабаты-
ваемой поверхности.

Режущий инструмент на расточных станках закрепляют с по-
мощью вспомогательного инструмента; консольных оправок, двух-
опорных оправок и патронов. Использование вспомогательного ин-
322


Рис. 6.50. Оправки для закрепления режущего инструмента на расточных станках

струмента обусловлено тем, что резец нельзя непосредственно за-
креплять в расточном шпинделе или радиальном суппорте. Расточ-
ные оправки имеют прямоугольные, квадратные или круглые окна
для установки резцов, расположенные под углом 45 пли 90° к оси
оправки. Короткие консольные оправки предназначены для закреп-
ления одного или двух резцов при растачивании глухих и сквозных
стверстий небольшой длины.

Для растачивания отверстий, находящихся на большом расстоя-
нии от торца планшайбы станка, или нескольких соосных отверстий
используют удлиненные консольные оправки (рис. 6.50, а). Приме-
няют консольные оправки также для пластинчатых плавающих
разверток (рис. 6.50, б). Пластинку 3 вставляют в гнездо оправки
и винтом 1 удерживают от выпадения. В то же время благодаря на-
личию небольшого зазора (0,1 —0,15 мм) между пазом 2 пластинки 3
и винтом 1 развертка может самоустанавливаться («плавать»).

Двухопорная расточная оправка (рис. 6.50, в) представляет
ссбой длинный вал с коническим хвостовиком на одном конце для
установки его в шпинделе станка. Другой конец оправки закрепляют
в люнете задней стойки станка. По длине оправки расположены окна
для установки стержневых и пластинчатых резцов.

Для закрепления стандартных многолезвийных режущих инстру-
ментов (сверл, зенкеров, разверток, фрез и т. и.) на расточных стан-
ках применяют специальные оправки, переходные втулки и патроны.

5.	обработка заготовок на горизонтально расточных
СТАНКАХ

Горизонтально-расточные станки относятся к числу наи-
более распространенных, на их базе выполнены конструкции других
универсальных и специальных расточных станков.
На рис. 6.51 пока-
зан горизонтально-рас-
точной станок. На ста-
нине 1 установлена
стойка 2, на вертикаль-
ных направляющих ко-
торой смонтирована
шпиндельная бабка 3.
В шпиндельной бабке
расположены коробка
скоростей и коробка по-
дач. Шпиндель коробки
скоростей полый, па

нем закреплена илап-
Рис. 6.51, Горизонтально-расточной станок	шайба 4 с радиальным

суппортом 5. Внутри
полого шпинделя смонтирован расточной шпиндель 6. Задняя стой-
ка 7 с люнетом 8 предназначена для поддержания длинных расто-
чных оправок. Люнет 8 перемещается по задней стойке 7 синхронно
со шпиндельной бабкой 3, сохраняя соосность со шпинделем.

Заготовку устанавливают на поворотном столе И, состоящем
из двух частей: салазок 9, перемещающихся вдоль станины, и ка-
ретки 10, имеющей поперечное перемещение. Главным движением
является вращение расточного шпинделя или планшайбы. Движение
подачи в зависимости от характера обрабатываемых поверхностей
получает стол (заготовка) или инструмент за счет осевого перемеще-
ния расточного шпинделя 6, радиального перемещения суппорта
5 или вертикального перемещения шпиндельной бабки 3 по направ-
ляющим стойки 2.

На расточных станках обрабатывают отверстия, наружные ци-

линдрические и плоские поверхности, уступы, канавки, реже кони-
ческие отверстия и нарезают внутреннюю и наружную резьбы рез-
цами. Наиболее распространенный вид обработки на расточных
станках — растачивание отверстий.

Растачивание цилиндрических отверстий выполняют резцами,
установленными иа консольной или двухопорной оправке. Исполь-
зование консольной оправки целесообразно в тех случаях, когда
длина обрабатываемого отверстия I < bd, так как с увеличением
длины оправки снижается ее жесткость.

На рис.. 6.52, а показана схема растачивания отверстия небольшой
длины двухлезвийным пластинчатым резцом, закрепленным в кон-
сольной оправке. Заготовке сообщают продольную подачу. При не-
большой длине отверстия, когда возможна работа с короткой 'жест-
кой оправкой, растачивают при осевой подаче расточного шпинделя.
Растачиванием с продольной подачей заготовки получают более
правильное отверстие вследствие постоянного вылета шпин-

деля.

Отверстия с отношением Ud > 5 и соосные отверстия растачивают
резцами, закрепленными в двухопорной оправке.
Рис. 6.52. Схемы обработки заготовок на горизонтально-расточных станках

На рис. 6.52, б показано одновременное растачивание двух соос-
ных отверстий Оправка с резцами получает главное вращательное
движение, а заготовка — продольную подачу в направлении от зад-
ней стойки к шпиндельной бабке.

Отверстия большого диаметра, но малой длины, растачивают
резцом, закрепленным в радиальном суппорте планшайбы
(рис 6.52, в). Планшайбе с резцом сообщают главное вращательное
движение, а столу с заготовкой — продольную подачу. Отверстия
диаметром более 130 мм обрабатывают расточными блоками и голов-
ками.

Растачивание параллельных и взаимно перпендикулярных отвер-
стий выполняют с одной установки заготовки. После растачивания
первого отверстия перемещают стол в поперечном направлении или
шпиндельную бабку в вертикальном направлении на величину, рав-
ную межцентровому расстоянию, затем растачивают второе и другие
отверстия Если требуется расточить взаимно перпендикулярные
отверстия, то после растачивания первого отверстия стол поворачи-
вают на 90° и растачивают второе отверстие.

Растачивание конических отверстий осуществляют расточными
головками, закрепленными в расточном шпинделе, которому сооб-
щают осевую подачу. Конические отверстия диаметром более 80 мм
растачивают резцом с использованием универсального приспособле-
ния, смонтированного на радиальном суппорте планшайбы
(рис. 6.52, г).

Сверление, зенкерование, развертывание, цекование, зенкование
и нарезание резьбы метчиками выполняют на расточных станках
так же, как и на вертикально-сверлильных. Инструмент закрепляют
в расточном шпинделе и сообщают ему главное вращательное движе-
ние и осевую подачу. Заготовка, установленная на столе станка,
остается неподвижной.
Подрезание торцов выполняют двумя способами: с подачей резца
в направлении, перпендикулярном или параллельном оси шпинделя.

На рис. 6.52, д показано подрезание торца проходным резцом,
закрепленным на радиальном суппорте планшайбы. Резцу, вращаю-
щемуся вместе с планшайбой, сообщают радиальную подачу переме-
щением суппорта по направляющим планшайбы. Небольшие пло-
скости подрезают пластинчатым резцом (рис. 6.52, е), которому сооб-
щают осевую подачу перемещением расточного шпинделя. Обработка
торцовых поверхностей с радиальной подачей обеспечивает большую
их точность.

Фрезерование поверхностей показано на рис. 6.52, ж. При фре-
зеровании вертикальной плоскости торцовой фрезерной головкой,
закрепленной в расточном шпинделе, фрезе сообщают главное вра-
щательное движение и вертикальную подачу перемещением шпин-
дельной бабки.

При использовании специальных приспособлений на горизон-
тально-расточных станках можно обрабатывать фасонные поверх-
ности и нарезать резьбу резцами.

6.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА КООРДИНАТНО-
РАСТОЧНЫХ СТАНКАХ

На координатно-расточных станках обрабатывают с вы-
сокой точностью отверстия, при этом обеспечивается большая точ-
ность расположения их осей.

На рис. 6.53 показан одностоечный координатно-расточной ста-
нок. На станине 1 смонтирована стойка 2. В верхней части стойки
расположена коробка скоростей 3 и расточная головка 4 со шпинде-
лем 5. Шпинделю с инструментом сообщают главное вращательное
движение через коробку скоростей 3. Шпиндель станка имеет также
вертикальное перемещение (движение подачи).

Заготовку относительно инструмента устанавливают на за-
данные координаты перемещением стола 6 в двух взаимно пер-

пендикулярных направлениях: продольном по направляющим
салазок 7 и поперечном по направляющим станины 1.

Для точного отсчета перемещений (коор-

Рис. 6.53. Ксордипатно-
растсчной станок

динат) на станке имеются специальные опти-
ческие устройства. Точность установки ко-
ординатных размеров достигает 0,001 мм.

Для обеспечения высокой точности обра-
ботки эти станки изолируют от воздействия
колебаний соседнего оборудования и уста-
навливают в помещении с постоянной тем-
пературой -[ 20 °C (±1°).

Координатно-расточные станки исполь-
зуют также для точных измерений и раз-
метки. Наибольшее применение эти станки
получили в инструментальном производ-
стве для изготовления штампов, пресс)
форм, шаблонов, копиров и т. п.
На базе горизонтально- и коордипаию-
расточных станков создают расточные станки
с ЧПУ. На этих станках весь цикл обработки
заготовки производится в автоматическом или
полуавтоматическом режиме. В последнем слу-
чае программируется установка заготовки от-
носительно инструмента на заданные коорди-
наты и фиксация подвижных узлов станка.

7.	обработка заготовок на
АЛМАЗНО-РАСТОЧНЫХ СТАНКАХ

На алмазно-расточных станках
окончательно обрабатывают отверстия алмаз-

I

I =	—

1

Рис. 6.54. Алмазно-рас-
точной станок

ными и твердосплавными резцами.

На рис. 6.54 показан одношпиндельный алмазно-расточной ста-
нок с горизонтальным расположением шпинделя. На станине 1 уста-
новлена расточная головка 2. В головке расположен шпиндель, в ко-
тором закреплена оправка с резцом. Заготовку закрепляют на столе 3,
имеющем перемещение по направляющим станины — продольную
подачу, величина которой регулируется механизмом подач 4. Два
соосных отверстия обрабатывают на алмазно-расточных стайках дву-
стороннего действия, имеющих две расточные головки

Высокая точность и малая шероховатость обработанной поверх-
ности обеспечиваются применением высоких скоростей" резания
(200—1000 м/мин), малых подач (0,01—0,1 мм/об) и глубин резания
(о,05—0,2 мм). Обработка на этих станках ведется по полуавтомати-

ческому циклу.

Алмазно-расточные станки широко применяют для растачивания
отверстий в блоках цилиндров и гильзах тракторных, автомгтбильных
и мотоциклетных двигателей.

8.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

В корпусных деталях отверстия следует предусматривать
простой формы (рис. 6.55, а) Отверстия глухие глубокие, а также
конические и с выточками (рис. 6.55, б) обрабатывать трудно.

Детали с несколькими соосными отверстиями целесообразно кон-
струировать так, чтобы их диаметры последовательно уменьшались
в одном направлении (рис. 6.55, в). При этом отверстия можно одно-
временно растачивать за один проход резцами, установленными на
двухопорной оправке.

Если в корпусной заготовке имеются внутренняя стенка или от-
верстия небольшого диаметра, не позволяющие ввести оправку, то
такая конструкция нетехнологична (рис. 6.55, г). Расположение
торцов следует предусматривать в одной плоскости (рис. 6.55, д),
чтобы обрабатывать их за один проход. Наличие уступов в отверстиях
и расположение торцовых поверхностей на разных высотах
(рис. 6.55, е) затрудняют обработку.
Рис. 6.55. Примеры конструкций деталей машин, обрабатываемых на расточных
станках

Большое значение имеет свободный доступ ко всем элементам де-
тали при обработке и измерении. В рекомендуемой на рис. 6.55, ж
конструкции за счет увеличения диаметра отверстия Б облегчается
доступ режущего инструмента для подрезания торца отверстия /1.
Конструкция, приведенная на рис. 6.55, э, менее технологична.

Обрабатываемые поверхности рекомендуется располагать парал-
лельно или взаимно перпендикулярно (рис. 6.55, и) Применение на-
клонных обрабатываемых поверхностей затрудняет изготовление
деталей из-за сложности установки их на станке (рис. 6.55, к).

ГЛ АВ А VII. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ФРЕЗЕРНЫХ
СТАНКАХ

1.	ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Фрезерование — один из высокопроизводительных и рас-
пространенных методов обработки поверхностей заготовок многолез-
вийным режущим инструментом — фрезой.

Технологический метод формообразования поверхностей фрезе-
рованием характеризуется главным вращательным движением ин-
струмента и обычно поступательным движением подачи. Подачей
может быть н вращательное движение’заготовки вокруг осн вращаю-
щегося стола или барабана (карусельно-фрезерные и барабанно-фре-
зерные станки).

На фрезерных станках обрабатывают горизонтальные, верти-
кальные и наклонные плоскости, фасонные поверхности, уступы и
пазы различного профиля. Особенность процесса фрезерования —
прерывистость резания каждым зубом фрезы. Зуб фрезы находится
в контакте с заготовкой и выполняет работу резания только на неко-
торой части оборота, а затем продолжает движение, не касаясь заго-
товки, до следующего врезания.
Рис. 6.56. Схемы фрезерования цилиндрической (а) и торцовой (б) фрезами, против
подачи (в) и по подаче (г):

1 — заготовка; 2 — фреза

На рис. 6.56 показаны схемы фрезерования плоскости цилиндри-
ческой (а) и торцовой (б) фрезами. При цилиндрическом фрезерова-
нии плоскостей работу выполняют зубья, расположенные на цилин-
дрической поверхности фрезы. При торцовом фрезеровании плоско-
стей в работе участвуют зубья, расположенные на цилиндрической
и торцовой поверхностях фрезы.

Цилиндрическое и торцовое фрезерование в зависимости от на-
правления вращения фрезы и направления подачи заготовки можно
осуществлять двумя способами: 1) против подачи (встречное фрезе-
рование), когда направление подачи противоположно направлению
вращения фрезы (рис. 6.56, в); 2) по подаче (попутное фрезеро-
вание), когда направления подачи и вращения фрезы совпадают
(рис. 6.56, г).

При фрезеровании против подачи нагрузка на зуб фрезы возрас-
тает от пуля до максимума, при этом сила, действующая на заго-
товку, стремится оторвать ее от стола, что приводит к вибрациям
и увеличению шероховатости обработанной поверхности. Преимуще-
ством фрезерования против подачи является работа зубьев фрезы
«из-под корки», т. е. фреза подходит к т вердому поверхностному слою
снизу и отрывает стружку при подходе к точке В. Недостатком яв-
ляется наличие начального скольжения зуба по наклепанной по-
верхности, образованной предыдущим зубом, что вызывает повы-
шенный износ фрезы.

При фрезеровании по подаче зуб фрезы сразу начинает среза:ь
слой максимальной толщины и подвергается максимальной нагрузке.
Это исключает начальное проскальзывание зуба, уменьшает износ
фрезы и шероховатость обработанной поверхности. Сила, действую-
щая на заготовку, прижимает ее к столу станка, что уменьшает ви-
брации.

2.	РЕЖИМ РЕЗАНИЯ. СИЛЫ РЕЗАНИЯ

Режим резания. К режиму резания при фрезеровании
относят скорость резания v, подачу s, глубину резания I, ширину
фрезерования В.

Скорость резания, т. е. окружная скорость вращения фрезы,
м/мин,

v — л D/1/1 000,

где D — диаметр фрезы, мм; п — частота вращения фрезы, об/мин.

Подача — величина перемещения обрабатываемой заготовки в ми-
нуту мм/мин) за время углового поворота фрезы на один зуб
(s,, мм/зуб) или за время одного оборота фрезы (s0, мм/об).

Эти подачи связаны между собой зависимостями;

S„ = Sntl = вг2П,

где z — число зубьев фрезы.

Глубина резания t (мм) и ширина фрезерования В (мм) показаны
на рис. 6.56.

Силы резания. В процессе фрезерования каждый зуб фрезы
преодолевает силу сопротивления металла резанию. Фреза должна
преодолеть суммарные силы резания, которые складываются из сил,
действующих на зубья, находящиеся в контакте с заготовкой. При
фрезеровании цилиндрической фрезой с прямыми зубьями равнодей-
ствующую сил резания /?, приложенную к фрезе в некоторой точке
А, можно разложить на окружную составляющую силу Р, касатель-
ную к траектории движения точки режущей кромки, и радиальную
составляющую силу Ру, направленную по радиусу. Силу R можно
также разложить на горизонтальную Рн и вертикальную Pv состав-
ляющие (рис. 6.57, а). У фрез с винтовыми зубьями в осевом направ-
лении действует еще осевая сила (рис. 6.57, б). Чем больше угол
наклона винтовых канавок ы, тем больше сила Рп. При больших
значениях силы Р„ применяют две фрезы с разными направлениями

Рис. 6.57. Силы резания при работе цилиндрической фрезой
330
наклона зубьев. В этом случае осевые силы направлены в разные
стороны и взаимно уравновешиваются.

По окружной составляющей силе Р определяю! эффективную
мощность N,, и производят расчет механизма коробки скоростей на
прочность. Радиальная составляющая сила Pf/ действует на опоры
шпинделя стайка и изгибает оправку, на которой крепят фрезу.
Горизонтальная составляющая сила Р„ действует на механизм по-
дачи станка и элементы крепления заготовки; осевая сила Ро — на
подшипники шпинделя станка и механизм поперечной подачи стола;
вертикальная составляющая сила Pv — на механизм вертикальной
подачи стола. В зависимости от способа фрезерования (против подачи
или по подаче) направление и величина сил изменяются.

Сила резания, Н

Р = Cps*i’l!,r>zBD~\

где Ср — коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал
и условия обработки.

Коэффициент Ср и показатели степеней хр, ур, qp приведены
в справочниках.

Эффективная мощность, кВт

- Рс-/(60-102).

3.	ТИПЫ ФРЕЗ

В зависимости от назначения и вида обрабатываемых по-
верхностен различают следующие типы фрез: цилиндрические
(рис. 6.58, й), торцовые (рис. 6.58, б, з), дисковые (рис. 6.58, в), кон-
цевые (рис. 6.58, г), угловые (рис. 6.58, д), шпоночные (рис. 6.58, в),
фасонные (рис. 6.58, ж).

Фрезы изготовляют цельными (рис. 6.58, б—ж) или сборными
(рис. 6.58, а, з). Режущие кромки могут быть прямыми (рис. 6.58, о)
или винтовыми (рис. 6.58, а). Фрезы имеют остроконечную
(рис. 6.58, и) или затылованную (рис. 6.58, к) форму зуба. У фрез
с остроконечными зубьями передняя и задняя поверхности плоские.
У фрез с затылованными зубьями передняя поверхность плоская,
а задняя выполнена по спирали Архимеда; при переточке по перед-
ней поверхности профиль зуба фрезы сохраняется.

Цельные фрезы изготовляют из инструментальных сталей.
У сборных фрез зубья (ножи) выполняют из быстрорежущих сталей
или оснащают пластинками из твердых сплавов и закрепляют в кор-
пусе фрезы папкой или механически.

На рис. 6.59, а показана цилиндрическая фреза с винтовыми
зубьями. Она состоит из корпуса 1 и режущих зубьев 2. Зуб фрезы
имеет следующие элементы: переднюю поверхность 3, заднюю г.о-
верхность 6, спинку зуба 7, ленточку 5 и режущую кромку 4.

У цилиндрических фрез различают передний угол у, измеренный
в плоскости А—А, перпендикулярной к главной режущей кромке;
главный задний угол а, измеренный в плоскости, перпендикулярной
Рис. 6.58. Типы фрез

к оси фрезы; угол наклона зубьев со. Передний угол у облегчает обра-
зование и сход стружки. Главный задний угол а обеспечивает благо-
приятные условия перемещения задней поверхности зуба относитель-
но поверхности резания и уменьшает трение на этих поверхностях.
Угол наклона зубьев со обеспечивает более спокойные условия реза-
ния по сравнению с прямым зубом и придает направление сходящей
стружке.

У зуба торцовой фрезы (рис. 6.59, б) режущая кромка имеет более
сложную форму. Она состоит из главной режущей кромки 8, пере-
ходной кромки 9 и вспомогательной кромки 10 Зуб торцовой фрезы
имеет главный угол в плане <[ и вспомогательный угол в плане фр



Рис. 6.59. Элементы и геометрия фрезы:
D — диаметр фрезы; L — ширина фрезы
Чем меньше угол <р|э тем меньше шероховатость обработанной
поверхности. Рекомендуемые значения углов приведены в спра-
вочниках.

4.	ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
НА ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ

Для закрепления заготовок на фрезерных станках при-
меняют универсальные и специальные приспособления. К универ-
сальным приспособлениям относятся прихваты, угольники, призмы,
машинные тиски (см. разд. 6, гл. V).

При обработке большого числа одинаковых заготовок изготов-
ляют специальные приспособления, пригодные только для уста-
новки и закрепления этих заготовок на данном станке. Важной при-
надлежностью фрезерных станков являются делительные головки,
которые служат для периодического поворота заготовок на требуемый
угол и для непрерывного их вращения при (фрезеровании винтовых
канавок.

Наиболее распространены универсальные лимбовые делительные
головки.

Делительная головка (рис. 6.60, а, б) состоит из корпуса 1, делительного лимба 5,
поворотного барабана 2 и шпинделя 4 с центром. В корпусе на шпинделе жестко
закреплено червячное зубчатое колесо (обычно с числом зубьев 40), находящееся
в зацеплении с однозаходным червяком. Вращение шпинделю сообщают рукоят-
кой 6. Поворот рукоятки 6 и соответственно заготовки на требуемый угол осуще-
ствляется с помощью лимба 5. Для удобства отсчета используют раздвижной сек-
тор 7. На шпинделе 4 закреплен лимб 3 для непосредственного деления заготовки на
части.

Универсальные делительные головки позволяют осуществлять деление непо-
средственным, простым и дифференциальным способами.

При непосредственном способе деления червяк выводят из зацепления с чер-
вячным колесом и поворачивают заготовку вращением лимба 3.

При простом способе деление производят при закрепленном лимбе 5. Шпиндель
с заготовкой поворачивают вращением рукоятки через включенную червячную
передачу.

Рис. 6.60. Универсальная делительная головка, настроенная на дифференциаль-
ное деление
Число оборотов рукоятки п, необходимое для поворота заготовки на 1/г часть
оборота,

п = N/z = 40/г,

где N — характеристика делительной головки — число, обратное передаточному
отношению червячной пары; г—число частей, иа которое необходимо разделить
заготовку.

Если г — 40, то 40/г > 1; тогда

40/г = А + alb = А + ma/(mb),

где А — число целых оборотов рукоятки; а я b — числитель и знаменатель пра-
вильной простой дроби; т — общий множитель при а и Ь, который выбирают ис-
ходя из того, чтобы произведение mb представляло собой число отверстий, имею-
щихся иа одной из окружностей лимба 5; тогда та — число делений на окружности
лимба, соответствующее части поворота рукоятки.

Дифференциальное деление применяют в тех случаях, когда нельзя подобрать
па лимбе окружность с требуемым числом отверстий для простого деления. При этом
способе деления заготовку поворачивают на требуемый угол вращением рукоятки
относительно вращающегося делительного лимба 5, который получает вращение
от шпинделя 4 через сменные зубчатые колеса (рис. 6.60, б).

При этом справедливо равенство

п -- 40/г = nL + л2,

где iii — частота вращения рукоятки относительно делительного лимба; л2 —
i  1/г — частота вращения лимба, соответствующая повороту заготовки па
1/г оборота (г — заданное число делений’, i — передаточное отношение сменных
зубчатых колес).

Число оборотов рукоятки

п = /V/гпр,

где г!1р — приближенное число делений, близкое к заданному и позволяющее ис-
пользован. способ простого деления.

Подставляя значения п, п, и пг в формулу, приведенную выше, получим

40/г = 40/гцр < 1/г,
или

i = 40 (гпр — г)/гпр.

Если г,,р > г, передаточное отношение i будет положительным; если г1)р<< г —
отрицательным. При положительном i направления вращения рукоятки и делител, >•
ного лимба совпадают, при отрицательном i они вращаются в противоположных
направлениях.

Винтовые канавки фрезеруют при непрерывном вращении шпинделя делитель-
ной головки, которое он получает от винта продольной подачи стола универсально-
фрезерного станка через сменные колеса a, b, с, d (рис. 6.61). Заготовку устанавли-
вают в центрах делительной головки и задней бабки. В процессе обработки заготовка
получает два движения — вращательное и поступательное вдоль оси. Оба движения
согласованы так, что при перемещении на шаг нарезаемой винтовой канавки заго-
товка делает один оборот.

Уравнение кинематического баланса цепи имеет вид

40 I d b

o6’Mr’ 1 1с а в~ “•

Откуда передаточное отношение сменных колес

а с 40/п

<см- ——+

где — шаг ходового винта продольной подачи стола станка; Тн — шаг нарезае-
мой винтовой канавки.

Стол станка с заготовкой поворачивают на угол наклона винтовой канавки Р
для получения винтовой канавки требуемого профиля,
Схема универсальной делительной

Рис. 6.61.

головки, настроенной на фрезерование винто-
вых канавок

В качестве вспомога-
тельного инструмента при-
меняют фрезерные оправ-
ки для закрепления фрез

крутящего
шпинделя

и передачи

момента от

станка на фрезу. Базой
для закрепления фрезы на
оправке может быть ее
центровое отверстие или
хвостовик (конический или
цилиндрический). По спо-
собу закрепления в пер-
вом случае фрезы назы-
вают насадными, во вто-
ром — хвостовыми.

На рис. 6.62, а пока-
зана оправка 2 для за-
крепления цилиндриче-

ских и дисковых фрез 3.

Фрезу насаживают на оправку и соединяют с ней посредством
шпонки 4. Требуемое положение фрезы на оправке обеспечивается
установочными кольцами 7. Коническим хвостовиком оправку
вставляют в коническое отверстие шпинделя 1 и закрепляют затяж-
ным болтом 9. От проворачивания оправку удерживают сухари 8.
Другой конец оправки входит в подшипник 6 серьги 5.

Короткие концевые оправки (рис. 6.62, б) используют для за-
крепления торцовых и дисковых фрез. Коническим хвостовиком 10
оправку закрепляют в шпинделе 1, а на другом конце оправки кре-
нят насадную фрезу 11 с помощью шпонки 12 и винта 13. Фрезы с кс-

Рис, 6.62, Схемы установки и закрепления фрез на станке
ническим хвостовиком 15 закрепляют в коническом отверстии шпин-
деля 1 непосредственно или через переходные втулки 14 (рис. 6.62, о).
'Фрезы с цилиндрическим хвостовиком закрепляют в цанговом пат-
роне. Конический хвостовик патрона вставляют в шпиндель станка
и закрепляют болтом.

5.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ГОРИЗОНТАЛЬНО-
И ВЕРТИКАЛЬНО-ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ

Горизонтально-фрезерные станки (рис. 6.63). В станине 1
станка размещена коробка скоростей 2. По вертикальным направля-
ющим станины перемещается консоль 7. Заготовка, устанавливаемая
на столе 4 в тисках или приспособлении, получает подачу в трех
направлениях: продольном (перемещение стола по направляющим
салазок 6), поперечном (перемещение салазок по направляющим
консоли) и вертикальном (перемещение консоли по направляющим
станины). Главным движением является вращение шпинделя. Ко-
робка подач 8 размещена в консоли. Хобот 3 служит для закрепле-
ния подвески 5, поддерживающей конец фрезерной оправки.

Горизонтально-фрезерные станки, имеющие поворотную плиту,
которая позволяет поворачивать рабочий стол в горизонтальной
плоскости и устанавливать его на требуемый угол, называют уни-
версальными.

Вертикально-фрезерные станки (рис. 6.64). Основные узлы станка:
станина /, поворотная шпиндельная головка <3 со шпинделем 4,
стол 5, салазки 6, консоль 7, коробка скоростей 2 и коробка подач 8.
Главным является вращательное движение шпинделя. Заготовка,
установленная на столе, может получать подачу в трех направле-
ниях: продольном, поперечном и вертикальном.

На рис. 6.65 показаны схемы фрезерования поверхностей на гори-
зонтально- и вертикально-фрезерных станках. Движения, участву-
ющие в формообразовании поверхностей в процессе резания, на схе-
мах указаны стрелками.

Горизонтальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезер-
ных станках цилиндрическими фрезами (рис. 6.65, а) и на вертикаль-

Рис. 6.64. Вертикально-фрезер-
ный станок

Рис. 6.63. Горизонтально-фре-
зерный станок
Гис. 6.65. Схемы обработки заготовок на горизонтально- и вертикально-фрезер-
ных станках

но-фрезерных станках торцовыми фрезами (рис. 6.65, б). Цилиндри-
ческими фрезами целесообразно обрабатывать горизонтальные пло-
скости шириной до 120 мм. В большинстве случаев плоскости удоб-
нее обрабатывать торцовыми фрезами вследствие большей жесткости
их крепления в шпинделе и более плавной работы, так как число
одновременно работающих зубьев торцовой фрезы больше числа
зубьев цилиндрической фрезы.

Вертикальные плоскости фрезеруют на горизонтально-фрезерных
станках торцовыми фрезами (рис. 6.65, в) и торцовыми фрезерными
головками, а на вертикально-фрезерных станках концевыми фре-
зами (рис. 6.65, а).

Наклонные плоскости и скосы фрезеруют торцовыми (рис. 6.65, д)
и концевыми фрезами на вертикально-фрезерных станках, у которых
фрезерная головка со шпинделем поворачивается в вертикальной
плоскости. Скосы фрезеруют на горизонтально-фрезерном станке
одноугловой фрезой (рис. 6.65, е).

Комбинированные поверхности фрезеруют набором фрез
(рис. 6.65, ж) на горизонтально-фрезерных станках. Точность взаимо-
расположения обработанных поверхностей зависит от жесткости
крепления фрез по длине оправки. С этой целью применяют допол-
нительные опоры (подвески), избегают использования несоразмер-
ных по диаметру фрез (рекомендуемое отношение диаметра фрез
не более 1,5).

Уступы и прямоугольные пазы фрезеруют концевыми (рис. 6.65, ,э)
и дисковыми (рис. 6.65, ц) фрезами на вертикально- и горизонтально-
фрезерных станках.
Уступы и пазы целесообразнее фрезеровать дисковыми фрезами,
так как они имеют большее число зубьев и допускают работу с боль-
шими скоростями резания.

Фасонные пазы фрезеруют фасонной дисковой фрезой (рис. 6.65, к),
угловые пазы — одноугловой и двухугловой (рис. 6.65, л) фрезами на
горизонтально-фрезерных станках.

Паз клиновой фрезеруют на вертикально-фрезерном станке за два
прохода: прямоугольный паз — концевой фрезой, затем скосы паза —
концевой одноугловой фрезой (рис. 6.65, м). Т-образные пазы
(рис. 6.65, н), которые широко применяют в машиностроении как ста-
ночные пазы, например на столах фрезерных станков, фрезеруют
обычно за два прохода: вначале паз прямоугольного профиля конце-
вой фрезой, затем нижнюю часть паза — фрезой для Т-образных
пазов.

Шпоночные пазы фрезеруют концевыми или шпоночными
(рис. 6.65, о) фрезами на вертикально-фрезерных станках. Точность
получения шпоночного паза — важное условие при фрезеровании,
так как от нее зависит характер посадки на шпонку сопрягаемых
с валом деталей. Фрезерование шпоночной фрезой обеспечивает
получение более точного паза; при переточке по торцовым зубьям
диаметр шпоночной фрезы практически не изменяется.

Фасонные поверхности незамкнутого контура с криволинейной
образующей и прямолинейной направляющей фрезеруют на горизон-
тально- и вертикально-фрезерных станках фасонными фрезами соот-
ветствующего профиля (рис. 6.65, «).

Применение фасонных фрез эффективно при обработке узких и
длинных фасонных поверхностей. Широкие профили обрабатывают
набором фасонных фрез.

Фрезерование цилиндрических зубчатых колес на горизонтально-
и вертикально-фрезерных станках рассмотрено в гл. IX этого раздела.

6.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ПРОДОЛЬНО-ФРЕЗЕРНЫХ
СТАНКАХ

На продольно-фрезерных станках фрезеруют поверхности
заготовок большой массы и размеров (типа станин, корпусов, коро-
бок передач, рамных конструкций и т. п.) торцовыми и конце-
выми фрезами. Продольно-фрезерные станки строят одностоеч-
ными и двухстоечными с длиной стола 1250—12 000 мм и шири-
ной 400—5000 мм.

На рис. 6.66 показан продольно-фрезерный двухстоечный станок.
Стол 2 станка, па котором устанавливают заготовку, имеет только
одно продольное перемещение по направляющим станины 1. На
каждой стойке 4 расположены фрезерные голоски 3, которые могут
перемещаться по их направляющим вверх и вниз. В верхней части
стойки соединены поперечиной 6, что повышает общую жесткость
станка. По вертикальным направляющим стоек перемещается тра-
верса 5. Две верхние фрезерные головки 3 для их установки переме-
щаются по направляющим траверсы и могут поворачиваться на
Рис. 6.66 Продольно-фрезерный ста-
нок

Рис. 6.67. Схема обработки заготовки
на продольно-фрезерном станке

угол до ±30°. Шпиндель каждой фрезерной головки при наладке
станка может выдвигаться в осевом направлении на 100—200 мм.

Вследствие отсутствия консоли станки этого типа имеют большую
жесткость, что позволяет работать на повышенных режимах резания.

На рис. 6.67 показан пример одновременного фрезерования не-
скольких плоскостей концевой и торцовыми фрезами на двухстоеч-
ном продольно-фрезерном станке.

7.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКАХ
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

На фрезерных станках непрерывного действия фрезеруют

плоские поверхности при обработке больших партий заготовок по
методу непрерывного торцового фрезерования. Их подразделяют на

карусельно-фрезерные и барабанно-фрезерные.

Карусельно-фрезерный станок показан на рис. 6.68. На станине 1
смонтирована стойка 2, по вертикальным направляющим которой

перемещается фрезерная головка 3 с двумя шпинделями, один из
которых предназначен для чистовой обработки. На круглом столе 4
(карусели) с вертикальной осью вращения в приспособлениях уста-

навливают заготовки. Круглый стол имеет
салазки 5 для установки его на направляющих
станины. Заготовки устанавливают и снимают
со стола без остановки станка; фрезерование
ведется непрерывно при медленно вращающем-
ся столе (круговая подача s1!p).

Особенностью барабанно-фрезерных стан-
ков является наличие барабана с горизон-
тальной осью вращения. На гранях барабана
и приспособлениях устанавливают заготовки,

Рис. 6.68. Двухшпиидельный карусельно-фрезерный
станок
которым медленным вращением барабана сообщают круговую
подачу. Станки имеют одну или несколько фрезерных го-
ловок.

8.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА КОПИРОВАЛЬНО-ФРЕЗЕРНЫХ
СТАНКАХ

На копировально-фрезерных станках обрабатывают фа-
сонные поверхности сложного профиля. Различают контурное и
объемное копировальное фрезерование.

Контурное фрезерование применяют для получения плоских
фасонных поверхностей замкнутого криволинейного контура с пря-
молинейной образующей (например, плоских кулачков, шаблонов
и т. п.). Объемное фрезерование применяют для получения объемных
фасонных поверхностей (например, лопаток турбин, пресс-форм
и т. п.).

На рис. 6.69 показан копировально-фрезерный станок для объем-
ного фрезерования. По направляющим станины 1 в продольном на-
правлении перемещается вертикальный стол 6. На столе устанавли-
вают приспособления для закрепления заготовки и копира На
стойке 2 смонтирована фрезерная головка 3, перемещающаяся по
вертикальным направляющим стойки. Фрезерная головка и жестко
скрепленное с ней следящее устройство 4 со щупом 5 могут переме-
щаться вдоль оси шпинделя. Во время работы станка щуп 5 с усилием
1,5—2 Н прижимается к копиру. При изменении усилия в следящем
устройстве 4 возникают электрические сигналы, которые управляют
движением фрезерной головки и обеспечивают поперечную (следя-
щую) подачу фрезы в соответствии с профилем копира.

Заготовки обрабатываются специальными концевыми фрезами.
Щуп и концевая фреза должны иметь одинаковые радиусы скругле-
ния. При контурном фрезеровании фрезе одновременно сообщают
движение в двух координатных направлениях у и z (вертикальную
su и поперечную зп подачи) по заданной программе — кривой копира
(рис. 6.70). Вертикальная подача является задающей, в процессе

Рис. 6.69. Копировально-фре-
зерный станок

Рис. 6.70. Схема объемного фре-
зерования
фрезерования контура она остается постоянной по величине и на-
правлению в пределах заданного участка профиля Поперечная по-
дача является следящей, ее величина определяется командными им-
пульсами, поступающими от следящего устройства. Профиль обра-
батываемой поверхности зависит от соотношения задающей и
следящей подач. Результирующая подача .$ фрезы относитель-
но заготовки направлена по касательной к обработанной поверх-
ности.

Обработку пространственно сложных поверхностей (объемное
фрезерование) производят параллельными строчками. После фрезеро-
вания каждой вертикальной строчки (контурное фрезерование) стол
с заготовкой перемещается относительно фрезы в. продольном на-
правлении (координата х) па ширину строчки.

Объемное фрезерование наиболее успешно осуществляется на
фрезерных станках с ЧПУ. В отличие от копировально-фрезерных
полуавтоматов, где необходимые относительные перемещения фрезы
и заготовки задаются в параметрическом виде путем установки на
станок копира соответствующего профиля, на станках с ЧПУ инфор-
мация о требуемой траектории инструмента записана па программо-
носителе (обычно в виде перфоленты).

9.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Детали с выступами одинаковой высоты (рис. 6.71, а)
можно обрабатывать одной фрезой за один рабочий ход. При фрезе-
ровании деталей с выступами разной высоты (рис. 6.71, б) приходится
опускать и поднимать стол.

Пазы и прорези целесообразнее обрабатывать дисковыми фре-
зами (рис. 6.71, в), так как обработка ими производительнее, чем
концевыми фрезами (рис. 6.71, г). Радиус паза R должен соответство-
вать стандартным размерам фрезы. Следует предусматривать откры-
тые пазы (рис. 6.71, д); их проще изготовить и можно фрезеровать на
повышенных режимах резания. При обработке закрытых пазов
(рис. 6.71, е) нужно предварительно засверливать отверстия для входа
фрезы.

При конструировании выступов у деталей необходимо устанав-
ливать их высоту с учетом допусков на литье и механическую обра-
ботку (рис. 6.71, ж). Недостаточная высота выступа может привести
к врезанию фрезы в поверхность, не подлежащую обработке
(рис. 6.71, з).

Желательно практиковать фрезерование нескольких заготовок
одновременно. В этом случае, например, при вынесении уступа на
край детали можно фрезеровать паз в двух деталях одновременно
(рис. 6.71, и). Менее технологична конструкция, показанная па
рис. 6.71, к.

Следует предусматривать посадочные места под присоединяемые
детали с наружной стороны корпуса, что значительно упро-
Рис. 6.71. Примеры конструкций деталей машин, обрабатываемых на фрезерных
станках

щает фрезерование поверхностей (рис. 6.71, л); фрезеровать
внутренние площадки под подшипники крайне неудобно
(рис. 6.71, м)

Г Л Л В Л VIII ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ПРОТЯЖНЫХ
СТАНКАХ

1.	ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ПРОТЯГИВАНИЯ

Протягивание — высокопроизводительный метод обра-
ботки внутренних и наружных поверхностей, обеспечивающий высо-
кую точность формы и размеров обрабатываемой поверхности. Про-
тягивают многолезвийным режущим инструментом — протяжкой —
при его поступательном движении относительно неподвижной за-
готовки (главное движение).

Метод протягивания заключается в том, что каждый зуб про-
тяжки срезает с обрабатываемой поверхности стружку небольшой
толщины. Это возможно потому, что размер каждого последующего
зуба протяжки больше предыдущего. Обработанная поверхность
характеризуется малой шероховатостью.

2.	РЕЖИМ РЕЗАНИЯ

Скорость резания при протягивании — это скорость посту-
пательного движения v протяжки относительно заготовки
(рис. 6.72). Скорость резания лимитируется условиями получения
обработанной поверхности высокого качества и ограничивается
технологическими возможностями протяжных станков. Обычно
v — 8 -М5 м/мин.

Подача при протягивании как самостоятельное движение инстру-
мента или заготовки отсутствует. За величину подачи s4., определя-
ющую толщину срезаемого слоя отдельным зубом протяжки, при-
нимают подъем на зуб, т. е. разность размеров по высоте двух сосед-
них зубьев протяжки; s; является одновременно и глубиной резания.
Подача в основном зависит от обрабатываемого материала, кон-
струкции протяжки и жесткости заготовки и составляет 0,01 —
0,2 мм/зуб. Оптимальные параметры режима резания выбирают
из справочников.

3.	ПРОТЯЖКИ

По характеру обрабатываемых поверхностей протяжки
делят на две основные группы: внутренние и наружные. Внутренними
протяжками обрабатывают различные замкнутые поверхности, а на-
ружными — полузамкнутые и открытые поверхности различного
профиля.

По форме различают круглые, шлицевые, шпоночные, мною-
гранные и плоские протяжки. По конструкции зубьев протяжки
бывают режущими, выглаживающими и деформирующими. В первом
случае зубья имеют режущие кромки, в двух последних — скруг-
ленные, работающие по методу пластического деЦюрмированпя.
Различают также сборные протяжки со вставными ножами, осна-
щенными пластинками из твердого сплава.

Элементы круглой протяжки (рис. 6.73, а). Замковая часть (хво-
стовик) lt служит для закрепления протяжки в патроне тянущего
устройства станка; шейка 12 — для соединения замковой части
с передней направляющей частью; передняя направляющая часть /_,
вместе с направляющим конусом — для центрирования обрабатыва-

ние. G.72. Схема протя-
гивания отверстия:

1 — кронштейн станка; 2 —
заготовка; 3 — протяжка
Рис. 6.73. Элементы и геометрия зуба круглой протяжки

емой заготовки в начале резания. Режущая часть /4 состоит из режу-
щих зубьев, высота которых последовательно увеличивается на тол-
щину срезаемого слоя, и предназначена для срезания припуска.
Калибрующая часть 1Ъ состоит из калибрующих зубьев, форма и раз-
меры которых соответствуют форме и размерам последнего режущего
зуба, и предназначена для придания обработанной поверхности
окончательных размеров, необходимой точности и шероховатости.
Задняя направляющая часть /6 служит для направления и поддержа-
ния протяжки от' провисания в момент выхода последних зубьев
калибрующей части из отверстия. Для облегчения образования
стружки на режущих зубьях выполняют стружкоделительные ка-
навки.

Геометрия зуба протяжки (рис. 6.73, б). Передние и задние углы
протяжки измеряют в плоскости, перпендикулярной к главной
режущей кромке. Передний угол у выбирают в зависимости от свойст в
обрабатываемого материала, задний угол а — в зависимости от тре-
буемой точности обработки.

На задних поверхностях калибрующих зубьев в ряде случаев
шлифуют фаску (ленточку) шириной /--О,2 -г-1,2 мм, у которой
задний угол а,;	0.

Шаг режущих зубьев /р протяжки определяют в зависимости
от длины L протягиваемой поверхности, при этом исходят из того,
чтобы в резании участвовало не менее трех зубьев.

Разновидность протяжки — прошивка — отличается отсут-
ствием хвостовика и шейки и при обработке проталкивается
через отверстие. Прошивка работает на сжатие, протяжка — па
растяжение.

4.	СИЛЫ РЕЗАНИЯ И МОЩНОСТЬ ПРИ ПРОТЯГИВАНИИ

Сила резания ири протягивании складывается из сил,
приложенных ко всем одновременно участвующим в резании зубьям.
Сила, действующая на каждый зуб протяжки, может быть разложена
на две составляющие: Р,, направленную вдоль оси, и PfJ, направлен-
ную перпендикулярно к оси протяжки.
Практическое значение имеет лишь осевая составляющая Р.,
направленная в сторону, противоположную движению протяжки.
Она создает напряжения в протяжке. Для круглых протяжек сила
резания,'Н,

Р> = СР sp2DzKyKaKtlK0,

2

где Ср — коэффициент, характеризующий материал заготовки и
условия обработки; — подача па зуб, мм; х,^ — показатель
степени при подаче; D — диаметр отверстия, мм; z — число одно-
временно работающих зубьев протяжки; Ку, Ка, К,„ Кп — соответ-
ственно коэффициенты, характеризующие влияние переднего и зад-
него углов, износа и смазочно-охлаждающей жидкости.

Значения СР , хР_, Ку, Ка, Ко приведены в справочниках.
По силе резания Рг рассчитывают прочность протяжки на растяже-
ние и эффективную мощность.

Эффективная мощность, кВт,

= Рга/(60-103).

5.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ПРОТЯЖНЫХ СТАНКАХ

Протяжные станки отличаются простотой конструкции
п эксплуатации. Это обусловлено тем, что формообразование поверх-
ности на протяжном станке осуществляется копированием формы
режущих кромок зубьев инструмента. Основные характеристики
протяжного станка — тяговое усилие и длина хода протяжки.
Протяжные станки имеют гидравлический привод и часто работают
по полуавтоматическому циклу. В зависимости от вида обрабатыва-
емых поверхностей их делят на станки для внутреннего и наружного
протягивания; по направлению главного движения — па горизон-
тальные и вертикальные.

Горизонтально-протяжной станок для внутреннего протягива-
ния (рис. 6.74) состоит из станины /, насосной станции 2, гидро-
цилиндра 3, каретки 4, опорного кронштейна 5 и корыта 6. Протяжку
хвостовой частью вставляют в предварительно обработанное отвер-
стие заготовки и закрепляют в патроне каретки 4. Карелка с протяж-
кой получает поступательное движение от штока поршня гидю-
цнлиндра — главное движение ор. Заготовка при протягивании
опирается горцом па опорную поверхность кронштейна 5. Поыу-

Рис. 6.74. Горизонтально-
протяжной станок
Рис. 6.75. Вертикально-протяжной
ста пок

Рис. 6.7G. Схема обработки заготовок

на протяжном станке непрерывной
обработки

пательное движение протяжке сообщают до тех пор, пока она ие
выйдет из отверстия заготовки. После окончания протягивания
заготовка падает в корыто 6, протяжка извлекается из каретки 4,
последняя возвращается в исходное положение (холостой ход vj
и цикл обработки повторяется

Протяжные станки для внутреннего протягивания оснащаются
механизмами автоматического подвода и отвода протяжек, что поз-
воляет исключить тяжелые ручные вспомогательные движения,
связанные с переустановкой протяжек после окончания каждого
цикла (рабочего хода).

Вертикально-протяжной станок для наружного протягивания
(рис. 6.75) состоит из основания 7, станины 5, насосной станции 4,
каретки 3, стола 2. Заготовку устанавливают в приспособлении i1
столе станка. Протяжку закрепляют в каретке и от гидропривода
сообщают ей вертикальное поступательное перемещение — главное
движение. Протяжка, опускаясь (рабочий ход ир), обрабатывает
заготовку. Обработанную заготовку снимают, и подвижная каретка
быстро возвращается в исходное положение (холостой ход цЛ).

Протяжные станки непрерывной обработки (рис. 6.76) являются
станками высокой производительности. Заготовки 2 устанавливают
в приспособлениях непрерывно вращающейся тяговой цепи 1 и сооб-
щают им главное поступательное движение со скоростью v относи-
тельно неподвижной протяжки 3.

На протяжных станках непрерывной обработки карусельного
типа заготовки устанавливают на вращающемся круглом столе.

При оснащении протяжных станков загрузочно-разгрузочными
устройствами цикл обработки полностью автоматизируется.

Отверстия различной геометрической формы протягивают на
горизонтально-протяжных станках для внутреннего протягивания.
Размеры протягиваемых отверстий составляют 5—250 мм.

Цилиндрические отверстия протягивают круглыми протяжками
после сверления, растачивания или зенкерования. Применяют также
протягивание отверстий, полученных при литье и штамповке, без
предварительной их обработки. Обычно длина отверстий не превы-
шает трех диаметров.
Рис. 6.77. Схемы обработки заготовок

па протяжных станках:

/ — заготопка; 2 — протяжка; 3 — направляющая втулка

Если торец отверстия в заготовке не обработай, то для ее уста-
новки применяют приспособления со сферической опорной поверх-
ностью (рис. 6.77, а). Заготовка в этом случае может самоустанавлч-
ваться (центрироваться) по оси протяжки. В тех случаях, когда посте
предыдущей обработки получен торец детали, перпендикулярный
к оси протягиваемого отверстия, заготовка опирается на жесткую
(неподвижную) поверхность.

Многогранные отверстия (треугольные, квадратные и т. и )
протягивают многогранными протяжками. Исходной поверхностью
для протягивания служит круглое отверстие. На рис. 6.77, б при-
ведена схема протягивания квадратного отверстия.

Шлицевые отверстия с различным профилем шлицев протягивают
многошлицевымн протяжками, формирующими одновременно весь
профиль отверстия. На рис. 6.77, в приведена схема протягивания
прямых шлицев. Винтовые шлицы протягивают протяжкой, режущие
зубья которой расположены по винтовой линии, с приспособлением,
обеспечивающим дополнительное вращение протяжки (рис. 6.77, г)
или заготовки.

Шпоночные и другие пазы протягивают протяжками, форма зубьез
которых в поперечном сечении соответствуют профилю протягива-
емого паза. Шпоночные пазы протягивают плоской шпоночной про-
тяжкой (рис. 6.77, д) с применением специального приспособления —
направляющей втулки 3. Вдоль всей втулки прорезают прямоуголь-
ный паз, который является направляющим для протяжки.

Наружные поверхности различной геометрической формы с прямо-
линейной образующей протягивают на вертикально-протяжных стан-
ках для наружного протягивания, а также на станках непрерывной
обработки конвейерного типа.

Протягивание наружных поверхностей успешно применяют вме-
сто других методов обработки в целях снижения ее трудоемкости
и стоимости. Наружным протягиванием можно заменить строгание,
фрезерование, а в некоторых случаях и шлифование. При протяги-
вании сложных фасонных контуров взамен фрезерования (например,
плоских кулачков) не только снижается трудоемкость обработки,
по и обеспечивается высокое качество обработанной поверхности.
На рис. 6.77, е приведена схема протягивания вертикальной пло-
скости.

На специальных протяжных станках можно обрабатывать на-
ружные поверхности заготовок формы тел вращения плоскими
(рис. 6.77, ж) и дисковыми (рис. 6-77, з) протяжками. В обоих слу-
чаях заготовке сообщают круговую подачу. Плоская протяжка имеет
главное движение — поступательное, а дисковая протяжка — вра-
щательное вокруг своей оси.

Цилиндрические и конические зубчатые колеса наружного зацепле-
ния протягивают следующим образом. Цилиндрические зубчатые
колеса с прямыми зубьями и другие детали, имеющие наружные
пазы, изготовляют последовательным протягиванием впадины между
зубьями за один или несколько проходов на горизонтальных и вер-
тикальных протяжных станках с делительными автоматическими
устройствами. На специальных протяжных автоматах с непрерывно
вращающейся круглой протяжкой специальной конструкции на-
резают цилиндрические и конические зубчатые колеса с прямыми
зубьями.

6.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Обрабатывать протягиванием можно лишь отверстия с до-
статочно толстыми стенками равномерной толщины. При протягива-
нии отверстий в тонкостенных втулках с буртиками (рис. 6.78, а)
возникают значительное радиальное давление и неравномерная
деформация по длине обрабатываемой поверхности, приводящие
к искажению формы отверстия.

Торец протягиваемой заготовки должен быть перпендикулярен
к оси отверстия со стороны входа и выхода протяжки (рис. 6.78, б).
Протягивание отверстия в заготовке с наклонным торцом
(рис. 6.78, в) вызывает неравномерную нагрузку на зубья протяжки
и ее перекос.

Отверстия с фасонным сечением следует максимально упрощать
и делать их форму симметричной. Такие отверстия (рис. 6.78. г)
более технологичны для протягивания. Для обработки несимметрич-
348
Рис. 6.78. Примеры конструкций деталей машин, обрабатываемых на протяж-

ных станках

ного отверстия (рис. 6.78, д) требуется протяжка сложной конфи-
гурации.

Наиболее технологично квадратное (или восьмигранное) фасон-
ное отверстие с неполной поверхностью боковых сторон. При этом
отверстие сверлят или растачивают до требуемого диаметра, после
чего протягивают углы (рис. 6.78, ё). Конструкция, показанная на
рис. 6.78, ж менее технологична.

Шлицевые отверстия не должны иметь выточек в средней части
(рис. 6.78, з). Наличие в отверстии выточки (рис. 6.78, и) может
привести к поломке зубьев протяжки вследствие неравномерного
съема металла по длине отверстия. При подрезании торцов после
протягивания шлицев необходимо на торцах отверстия предусматри-
вать выточки (рис. 6.78, к), обеспечивающие безударную работу
резца.

ГЛАВА IX. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК

НА ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКАХ

На зубообрабатывающих станках выполняют обработку
фасонных поверхностей различного профиля, равномерно располо-
женных по окружности, однако преимущественно обрабатывают
фасонные поверхности эвольветиого профиля, используемые лая
профилирования боковых поверхностей зубьев зубчатых колес.
Зубчатые колеса широко применяют в передачах современных машин
и приборов, поэтому в данной главе основное внимание уделено
обработке эвольвентных зубчатых колес различными технологиче-
скими методами.

1.	ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ФАСОННЫХ ПРОФИЛЕЙ,
РАВНОМЕРНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ПО ОКРУЖНОСТИ

Различают два метода получения фасонных профилей,
равномерно расположенных по окружности: копирование и обк;пку
(огибание).
Рис. 6.79. Схемы фрезерования зубьев по методу копирования:
/ — 4’Р^за; 2 — нарезаемое колесо

Копирование — метод, основанный на профилировании, например,
зубьев фасонным инструментом, профиль режущей части которого
соответствует профилю впадины нарезаемого зубчатого колеса. По
методу копирования зубчатые колеса нарезают дисковой модульной
фрезой на горизонтально- пли универсально-фрезерных стан-
ках (рис. 6.79, а) и концевой модульной фрезой на вертикально-
фрезерных станках (рис. 6.79, б) последовательно по одной впадине
с использованием делительной головки.

В процессе фрезерования впадины между зубьями колеса сооб-
щают фрезе главное вращательное движение, а заготовке — продоль-
ную подачу. По окончании фрезерования одной впадины стол от-
водят в исходное положение и заготовку поворачивают на 1/г часть
оборота (z — число зубьев нарезаемого зубчатого колеса). Конце-
выми фрезами нарезают зубчатые колеса больших модулей и шеврон-
ные колеса.

При использовании инструмента с различным профилем режущей
части можно получать детали любого фасонного профиля, равномерно
расположенного по окружности

Метод копирования не обеспечивает высокой точности и имеет
сравнительно низкую производительность.

Обкатка — метод, основанный на зацеплении зубчатой пары:
режущего инструмента и заготовки. Режущие кромки инструмента
имеют профиль зуба сопряженной рейки (рис. 6.80, а) или сопря-
женного колеса (рис. 6.81, а). Боковая поверхность зуба на заготовке
образуется как огибающая последовательных положений режущих

Рис. 6.80. Схема формообра-
зования зубьев цилиндриче-
ского колеса червячной фре-
зой:

1 — червячная модульная фре-
за; 2 — нарезаемое колесо
s«p.d

•$кр. заг
а)

Рис. G.81. Схема формообразования зубьев цилиндрического колеса долбяком!
I— долбя к: 2 —нарезаемое колесо

кромок инструмента в их относительном движении (рис. 6.80, б
и 6.81, б).

Различные положения режущих кромок относительно формиру-
емого профиля зубьев на заготовке получают в результате кинема-
тически согласованных вращательных движений инструмента и за-
готовки на зуборезном станке.

Метод обкатки обеспечивает непрерывное формообразование
зубьев колеса. Нарезание зубчатых колес этим методом получило
преимущественное распространение вследствие высокой производи-
тельности и значительной точности обработки. Наиболее широко
применяют нарезание зубчатых колес методом обкатки на зубофре-
зерных, зубодолбежных и зубострогальных станках.

2.	РЕЖУЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ПО МЕТОДУ ОБКАТКИ

Червячная модульная фреза (рис. 6.82, а) представляет

собой винт с прорезанными перпендикулярно к виткам канавками.
В результате этого на червяке образуются режущие зубья, рас-
положенные по винтовой линии. Профиль зуба фрезы в нормальном
сечении имеет трапецеидальную форму и представляет собой зуб
рейки с задним а и передним у углами заточки. Червячные фрезы

Рис. 6.82. Инструмент для нарезания
вубчатых колес по методу обкатки
изготовляют однозаходными и многозаходными. Чем больше чшло
заходов, гем выше производительность фрезы, но ниже точность.
Червячными модульными фрезами нарезают цилиндрические колеса
6 прямыми и косыми зубьями и червячные колеса

Зуборезный долбяк (рис. 6 82, б) представляет собой зубчатое
колесо, зубья которого имеют эвольвентный профиль с задним а
и передним у углами заточки. Различают два типа долбяков: прямо-
зубые для нарезания цилиндрических колес с прямыми зубьями
и косозубые для нарезания цилиндрических колес с косыми зубьями.

Зубострогальный резец (рис. 6.82, в) имеет призматическую
форму с соответствующими углами заточки и прямолинейной режу-
щей кромкой. Передний у и задний а углы образуются при установке
резца в резцедержателе станка. Эти резцы применяют попарно для
нарезания конических зубчатых колес с прямыми зубьями.

3.	НАРЕЗАНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС НА ЗУБОФРЕЗЕРНЫХ
СТАНКАХ

На зубофрезерных станках нарезают цилиндрические ко-
леса внешнего зацепления с прямыми и косыми зубьями и червячные
колеса червячной модульной фрезой по методу обкатки.

На рис. 6.83 показан зубофрезерный станок. На станине 1 уста-
новлена неподвижная стойка 2. Фрезу, закрепленную на оправке,
устанавливают в шпинделе фрезерного суппорта 3, который пере-
мещается по вертикальным направляющим стойки. Заготовку за-
крепляют на оправке вращающегося стола 7. Верхний конец оправки
поддерживается подвижным кронштейном 5. Салазки 8 обеспечивают
горизонтальное перемещение стойки 6 и стола 7 по направляющим
станины. Поперечина 4 связывает обе стойки и тем самым повышает

жесткость станка.

С помощью гитары скоростей 9 устанавливают частоту вращения
шпинделя в минуту. Гитара деления (обкатки) 11 служит для сооб-

Рис. 6.83 Зубофрезерный ста-
нок

щения заготовке окружной скорости,
необходимой для автоматического деле-
ния заготовки на заданное число
зубьев. С помощью гитары подач 10
устанавливают вертикальную подачу
фрезы или горизонтальную подачу за-
готовки. Гитара дифференциала (нахо-
дится в одной коробке с гитарой подач)
сообщает заготовке дополнительное вра-
щательное движение при нарезании
колес с косым зубом. Она позволяет
увеличить или уменьшить скорость
вращения заготовки, которая опреде-
ляется настройкой делительной гитары,
и получить левый или правый наклон
зубьев колеса. На зуборезных стан-
ках с программным управлением
производят зубонарезание зубчатых колео в автоматическом
режиме.

При нарезании цилиндрических колес с прямыми зубьями
(рис. 6.84, а) червячная фреза вращается и перемещается вдоль оси
заготовки. Скоростью резания при зубофрезеровании является ско-
рость вращения фрезы, а подачей — перемещение фрезы вдоль оси
вращения заготовки.

Скорость резания, м/мин,

v = лОфЯф/ЮОО,

где Оф — диаметр фрезы, мм; — частота вращения фрезы, об/мин.

Подачу измеряют в миллиметрах на один оборот заготовки
и выбирают из нормативов по режимам резания в зависимости от
числа зубьев, требуемой шероховатости и точности обработки.

При обработке однозаходной модульной червячной фрезой необ-
ходимо, чтобы за время одного оборота фрезы заготовка, на которой
требуется получить г зубьев, повернулась на 1/z часто окружности.
Согласованное и непрерывное вращение заготовки и фрезы являются
обкаточным движением. Таким образом, для нарезания цилиндри-
ческих колес с прямыми зубьями необходимы три движения: главное
вращательное червячной фрезы п, вращение заготовки (делительное
движение) sf,p, 3иГ и вертикальное перемещение фрезы sB. Для согласо-
вания этих движений на станке настраивают кинематические цепи:
скоростную, делительную и вертикальной подачи.

Кинематическая скоростная цепь связывает вращение червячной
фрезы с вращением вала электродвигателя; кинематическая цепь
деления (обкатки) — вращение червячной фрезы с вращением за-
готовки; кинематическая цепь вертикальной подачи — перемещение
фрезы в вертикальной плоскости е вращением заготовки.

12 А<м. Дальский и др.	353
Чтобы нарезаемые зубья имели симметричный профиль, ось
вращения червячной модульной фрезы устанавливают под углом Л,
к торцу заготовки колеса.

При нарезании цилиндрических колес с прямыми зубьями
(рис, 6.84, б) ось червячной фрезы устанавливают относительно
плоскости, перпендикулярной к оси заготовки, под углом X, равным
углу подъема витков червячной фрезы <о.

При нарезании цилиндрических колес с косыми зубьями
(рис. 6.84, в) ось фрезы устанавливают под углом X, при определении
которого учитывают угол подъема витков червячной фрезы <в и угол
наклона нарезаемых зубьев 0:

X = Р ± <о;

знак «плюс» принимают при разноименном наклоне зубьев фрезы
и колеса, «минус» — при одноименном наклоне.

Для формообразования косого зуба необходимы три движения!
вращение фрезы и, вертикальное перемещение фрезы s„ и ускоренное
(или замедленное) вращение заготовки s,,p.заг, которое складывается
из основного и дополнительного ее вращений!. Первые два движения
и основное вращение заготовки осуществляются настройкой тех же
кинематических цепей, что и при нарезании колес с прямыми
зубьями.

При вертикальном перемещении фрезы на величину подачи sn
зубья фрезы образуют винтовые зубья колеса. Для обеспечения
этого условия необходимо, чтобы за один оборот однозаходиой чер-
вячной фрезы заготовка повернулась не только на 1/z часть окруж-
ности, но и совершила еще дополнительную часть оборота, что
достигается настройкой дифференциальной кинематической цепи.

Суммирование основного и дополнительного вращательных дви-
жений заготовки осуществляется дифференциалом. Основное враще-
ние заготовки зависит от отношения числа заходов червячной фрезы
к числу зубьев нарезаемого колеса, а дополнительное вращение —
от угла наклона нарезаемых зубьев.

Направление дополнительного вращения заготовки AsKp.3ar со-
впадает с направлением ее основного движения (ускоренное вращение
заготовки), если направления винтовых линий зубьев нарезаемого
колеса и фрезы одинаковы. Если же направления винтовых линии
различны, го дополнительное 'вращение будет направлено в сто-
рону, обратную основному движению (замедленное вращение заго-
товки).

При нарезании червячных колес (рис. 6.84, г) ось фрезы уста-
навливают горизонтально (К = 0) на высоте середины заготовки.

Для нарезания червячных колес необходимы три движения!
вращение червячной фрезы v, вращение заготовки sKp. заР и радиаль-
ная подача заготовки sp. Первые два движения осуществляют на-
стройкой тех же кинематических цепей, что и при нарезании колес
с прямыми и косыми зубьями. Для нарезания зуба заготовке сооб-
щают радиальную подачу sp, настраивая кинематическую цепь
364
горизонтальной подачи. Цепь горизонтальной подачи связывает
перемещение заготовки в горизонтальной плоскости с ее вращением
(sp, мм/об. заг.)

4.	НАРЕЗАНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС НА ЗУБОДОЛБЕЖНЫХ

СТАНКАХ

На зубодолбежных станках нарезают цилиндрические
зубчатые колеса внешнего и внутреннего зацепления с прямыми
и косыми зубьями. На этих же станках можно нарезать блоки зуб-
чатых колес с малым расстоянием между венцами колее, а также
шевронные колеса. Зубчатые колеса на зубодолбежных станках на-
резают долбяками по методу обкатки, в основу которого положено
зацепление двух цилиндрических зубчатых колес (см. рис. 6.81).

На рис. 6.85 показан вертикальный зубодолбежный станок. Ста-
нина станка состоит из двух частей — нижней 1 и верхней 2. Долбя к,
закрепленный в шпинделе 6, получает вращение и одновременно
возвратно-поступательное движение. Суппорт 4 перемещается по
направляющим станины 2 в поперечном направлении. Заготовку
закрепляют на шпинделе стола 7 и сообщают ей вращательное дви-
жение. Кроме того, заготовка имеет возвратно-поступательное дви-
жение в горизонтальной плоскости для отвода заготовки от
долбяка перед каждым его холостым ходом. Гитара скоростей <?
предназначена для изменения числа двойных ходов в минуту долбяка.
Гитара деления 3 сообщает долбяку окружную скорость для автома-
тического деления заготовки на заданное число зубьев. С помощью
механизма подачи 5 устанавливают радиальную подачу долбяка.

Зубодолбежные станки работают по полуавтоматическому циклу.

При нарезании цилиндрических колес с прямы и зубьями
(рис. 6.86, а) используют прямозубые долбяки. Главнее движение,
определяющее скорость резания, — возвратно-поступательное дви-

Рис. 6.86. Схемы нарезания цилиндрических колес
с прямыми зубьями внешнего (а) и внутреннего (б)
зацеплений на зубодолбежном станке;

1 — долбяк; 2 нарезаемое колесо

Рис. 6.85. Зубодолбежный
станок
жение долбяка; движение долбяка вниз — рабочий ход ор, движение
его вверх — холостой ход ох. Оба движения — рабочее и холостое —
составляют двойной ход долбяка.

Скорость резания при вубодолбле.нии, м/мин,

v = 2Lnl 10(10,

где L — длина хода долбяка, мм; п — число двойных ходов долбяка
в минуту.

Долбяк и заготовка, находясь в зацеплении, вращаются со ско-
ростью, обратно пропорциональной числу их зубьев:

зат >

где пзаг — частота вращения заготовки, об/мин; /?д — частота вра-
щения долбяка, об/мин; ад — число зубьев долбяка; гзаг — число
вубьев нарезаемого колеса.

Вращение долбяка (круговая подача долбяка sI<p. д) и вращение
заготовки (круговая подача заготовки sl!pi3.„) являются движением
обкатки.

Круговая подача выражается длиной дуги делительной окруж-
ности долбяка, на которую он поворачивается за один двойной ход
(мм/дв. ход). Поперечным перемещением суппорта дол бяку сообщают
радиальную подачу — движение врезания долбяка в заготовку
(sp, мм/об. заг). Радиальная подача сообщается до достижения полной
глубины впадины между зубьями. В дальнейшем процесс нарезания
происходит при постоянном межцентровом расстоянии в течение
одного оборота заготовки. Для устранения трения зубьев долбяка
о заготовку перед каждым холостым ходом v„ заготовка вместе со
столом отводится от долбяка, а в начале рабочего хода ир подводится
к долбяку (на схеме — движение As).

При нарезании цилиндрических колес с прямыми зубьями вну-
треннего зацепления (рис. 6.86, б) долбяку и заготовке сообщают те
же движения, что и при нарезании колес внешнего зацепления.
Различие заключается лишь в том, что при нарезании зубчатых колес
внутреннего зацепления направления вращения долбяка и заготовки
одинаковы, тогда как при нарезании

Зкр.заг

колес внешнего зацепления они противо-
положны.

При нарезании цилиндрических ко-
лес с косыми зубьями (рис. 6.87) ис-
пользуют косозубые долбяки. Для наре-
зания колес с косыми зубьями требуется
комплект косозубых долбяков с таким же
углом наклона зубьев, как и у наре-

Рис. 6.87. Схема нарезания цилиндрического ко-
леса с косыми зубьями внешнего зацепления на
зубодолбежном станке:

1 — копир; 2 долбяк; 3 нарезаемое колесо
заемых колес. Этот комплект состоит из двух долбяков: левого —
для нарезания правого колеса и правого—для нарезания левого
колеса.

Долбяку и заготовке сообщают те же движения, что и при на-
резании колес с прямыми зубьями. Дополнительно долбяку сооб-
щают возвратно-вращательное движение (дополнительную круговую
подачу Asr:p. д), обусловленное углом наклона зубьев и согласованное
с его возвратно-поступательным движением. Дополнительное вра-
щение долбяка обеспечивается установкой на шпинделе станка
винтовых направляющих (копиров). Угол наклона винтовой линии
копира должен соответствовать углу наклона зубьев нарезаемого
колеса.

Цилиндрические колеса с косыми зубьями внутреннего зацепле-
ния нарезают долбяками с одноименным направлением зубьев.

Преимущество метода зубодолбления помимо возможности на-
резания колес внутреннего зацепления и блочных колес — более
высокая точность и меньшая шероховатость^боковых поверхностей
зубьев по сравнению с поверхностями, получаемыми при зубо-
фрезеровании.

5.	НАРЕЗАНИЕ КОНИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
НА ЗУБОСТРОГАЛЬНЫХ СТАНКАХ

Конические зубчатые колеса на зубострогальных станках

нарезают методом обкатки. В основу этого метода положено за-
цепление двух конических колес, одно из которых плоское
(рис. 6.88, а).

Нарезаемое коническое колесо (заготовка) находится в зацепле-
нии с производящим плоским коническим колесом, у которого угол

Рис. G.88. Схема нарезания конического колеса с прямыми зубьями на зубостро-
галыюм станке:

1 — производящее колесо; 2 — нарезаемое колесо; .3 — люлька; 4 — зубострогальн ufl
резец
Рис. 6.89. Зубострогальный станок

при вершине конуса <р„ —
— 90°, а зубья ограничены
плоскостями, сходящимися
в общей вершине, и имеют
форму зуба рейки, г. е.
плоское коническое колесо
представляет собой кольце-
вую рейку. Роль производя-
щего колеса выполняют два
зубострогальных резца, обра-
зуя впадину между зубьями.

На рис. 6.89 показан
зубострогальный станок. На
станине 1 слева располо-

жена стойка 3 с люлькой 4. По направляющим люльки переме-
щаются два резцовых суппорта 5, несущих зубострогальные
резцы. Резцы попеременно совершают возвратно-поступательное
движение в направлении к вершине конусов конических колес —
плоского и заготовки. Число двойных ходов резцов в минуту уста-
навливают настройкой гитары скоростей 2. Люлька смонтирована
на планшайбе и при обкатке вращается вокруг горизонтальной оси,
имитируя вращение плоского конического колеса.

В шпинделе делительной бабки 6 на оправке закрепляют заго-
товку. Салазки 8 делительной бабки, перемещаясь по продольным
направляющим станины, подводят заготовку к резцам и отводят ее
от них. Величина подвода и отвода заготовки регулируется с по-
мощью механизма 9. Настройкой гитары деления 7 заготовке при
отводе ее от резцов сообщают поворот на один угловой шаг, т. е.
на 1/г оборота. Делительная бабка 6 может поворачиваться вокруг
вертикальной оси для установки оси шпинделя (заготовки) под
углом ср (угол при вершине конуса нарезаемого колеса) к оси люльки.

В процессе зубострогания конических колес с прямыми зубьями
(см рис. 6.88, б) главным движением является возвратно-поступа-
тельное движенце резцов: в направлении к вершине конуса заго-
товки — рабочий ход ир, а в обратном направлении — холостой
ход щ. Оба движения — рабочее и холостое — составляют двойной
ход резца.

Вращение заготовки (круговая подача заготовки si!p, заг) и люльки
с резцами (круговая подача люльки sKp, л) является движение?.! об-
катки и должно соответствовать передаточному отношению

i = zjz,

где zn — фиктивное число зубьев производящего колеса; г — число
зубьев нарезаемого колеса.

В результате главного и обкаточного движений на заготовке
образуются две неполные впадины и один полностью обработанный
зуб. После нарезания одного зуба заготовка отводится от резцов,
направление вращения люльки с резцами и заготовки изменяется,
затем они возвращаются в исходное положение (холостой ход).
Во время отвода заготовки от резцов шпиндель бабки вместе с заго-
товкой поворачивается на угловой шаг (l/z оборота), обеспечивая
деление. Затем заготовке сообщают подачу на глубину впадины,
и начинается нарезание второго зуба.

Конические колеса с круговыми зубьями имеют значительные
эксплуатационные преимущества: плавность, бесшумность работы,
большую прочность зубьев, высокий КПД и др. Эти колеса нарезают
по методу обкатки па зуборезных станках специальной конструкции.
Схема нарезания конических колес с круговыми зубьями аналогична
нарезанию колес с. прямыми зубьями. Отличие состоит в том, что
роль зубьев производящего колеса выполняют резцы резцовой
головки, которые вместо поступательного движения получают вра-
щательное движение.

6.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Конфигурацию зубчатого колеса следует предусматри-
вать симметричной (рис. 6.90, а). Несимметричное расположение
элементов колеса и резкие переходы в конструкции приводят к повы-
шенной деформации зубьев при термической обработке (рис. 6.90, б).
Конструкция зубчатого колеса без ступицы дает возможность раци-
онально нарезать зубчатые колеса «пакетами» (рис. 6.90, в). Наличие
у зубчатых колес двусторонних ступиц в этом случае приводит к уве-
личению хода инструмента (рис. 6.90, г).

При конструировании многовенцовых колес, а также колес с бур-
тиками расстояние между венцами необходимо увязывать с диаметром
фрезы, обеспечивая ей при нарезании колеса свободный выход
(рис. 6.90, д'). В конструкции колеса, приведенной на рис. 6.90, е,
расстояние для выхода фрезы недостаточно.

Блочные колеса предпочтительнее нарезать на зубодолбежных
станках, так как расстояние между зубчатыми венцами для выхода
долбяка может быть значительно уменьшено (рис. 6.90, ею). При
нарезании блочных колес на зубофрезерных станках расстояние для
выхода фрезы пришлось бы значительно увеличить (рис. 6.90, з).

Рис. 6.90. Примеры конструктивных форм зубчатых колес
ГЛАВАХ. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ШЛИФОВАЛЬНЫХ
СТАНКАХ

1.	ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДА ШЛИФОВАНИЯ

Шлифованием называют процесс обработки заготовок
резанием с помощью абразивных кругов. Абразивные зерна рас-
положены в круге беспорядочно и удерживаются связующим мате-
риалом. При вращательном движении круга в зоне его контакта
с заготовкой часть зерен срезает материал в виде очень большого
числа тонких стружек (до 100 000 000 в минуту). Шлифовальные
круги срезают стружки на очень больших скоростях — от 30 м/с
и выше. Процесс резания каждым зерном осуществляется почти
мгновенно. Обработанная поверхность представляет собой совокуп-
ность мнкроследов абразивных зерен и имеет малую шероховатость.
Часть зерен ориентирована так, что резать не может. Такие зерна
производят работу трения по поверхности резания.

Абразивные зерна могут также оказывать на заготовку суще-
ственное силовое воздействие. Происходит поверхностное пластиче-
ское деформирование материала, искажение его кристаллической
решетки. Деформирующая сила вызывает сдвиги одного слоя атомов
относительно другого. Вследствие упругопластического деформиро-
вания материала обработанная поверхность упрочняется. Но этот
эффект оказывается менее ощутимым, чем при обработке металличе-
ским инструментом.

Тепловое и силовое воздействие на обработанную поверхность
приводит к структурным превращениям, изменениям физико-механи-
ческих свойств поверхностных слоев обрабатываемого материала.
Так, образуется дефектный поверхностный слой детали. Для умень-
шения теплового воздействия процесс шлифования производят при
обильной подаче смазочно-охлаждающих жидкостей.

Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки де-
талей с высокой точностью. Для заготовок из закаленных сталей
шлифование является одним из наиболее распространенных методов
формообразования. С развитием малоотходной технологии доля обра-
ботки металлическим инструментом будет уменьшаться, а абразив-
ным — увеличиваться.

2.	РЕЖИМ РЕЗАНИЯ. СИЛЫ РЕЗАНИЯ

Для формообразования любой поверхности методом шли-
фования необходимо вращательное движение круга и относительное
перемещение по одной из координатных осей (рис. 6.91). Перемеще-
ния вдоль осей могут быть заменены вращательным движением
вокруг оси.

Основные элементы режима резания — скорость резания,
подача и глубина резания. Для рационального ведения про-
цесса шлифования необходимо выбирать их оптимальные зна-
чения.
Рис. 6.91. Элементы резания при
шлифовании

Рис. 6.92. Сила резания при шли-
фовании

Скорость резания (м/с) равна окружной скорости точки на пери-
ферии шлифовального круга:

vlt = л£)кпк/(1000-60),

где пк — частота вращения круга, об/мин; DK — наружный диа-
метр шлифовального круга, мм.

Подачами являются перемещения заготовки или инструмента
вдоль или вокруг координатных осей. Выражения и размерности
подач определяются схемами шлифования. Глубина резания I (мм)
определяется толщиной слоя материала, срезаемого за один проход.

Оптимальные режимы резания выбирают по справочным данным.

Для расчета элементов шлифовальных станков, конструирования
приспособлений для работы на них и оценки точности обработки
необходимо знать силы резания. Силу резания Р, возникающую
при шлифовании в зоне контакта круга и заготовки, для удобства
расчетов разлагают по координатным осям на три составляющие
(рис. 6.92): тангенциальную Рг, радиальную Ру и осевую 7\. Со-
ставляющую Ру используют в расчетах точности обработки, Рх —
необходима для проектирования механизмов подач шлифовальных
станков, Р; используют для определения мощности электродвига-
теля шлифовального круга.

Силы находят по справочным данным в зависимости от конкрет-
ных условий шлифования или по эмпирическим формулам. Для
составляющей силы резания Рг (Н) используют формулы вида

Р2 = СР Vе-'sbtc-

Л *2 заг пр

Коэффициент СРг и показатели степени а, b и с также обусловлены
условиями шлифования; узаг = sKp.

Радиальная составляющая силы резания

Ри = kP2,

где k — коэффициент (k > I).
Мощность электродвигателя, приводят,его во вращение шлифо-
вальный круг, кВт,

nk = />К/(ЮЧ);

мощность электродвигателя, приводящего во вращение заго-
товку, кВт,

Мзаг = ^заг/(60- .'ЛЛ

где i]j и г)2 — соответственно КПД кинематических цепей передачи
вращения кругу и заготовке.

3.	ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ШЛИФОВАНИЯ

Формы деталей современных машин представляют собой
сочетание наружных и внутренних плоских, круговых цилиндри-
ческих и круговых конических поверхностей. Другие поверхности
встречаются реже. В соответствии с формами деталей машин наиболее
распространены схемы шлифования, приведенные на рис. 6.93.

Для всех технологических способов шлифовальной обработки
главным движением резания (м/с) является вращение круга.
При плоском шлифовании возвратно-поступательное перемещение
заготовки является продольной подачей .slip (м/мин) (рис. 6.93, а).
Для обработки поверхности на всю ширину b заготовка или круг
должны перемещаться с поперечной подачей sn (мм/дв. ход). Это
движение происходит прерывисто (периодически) при крайних поло-
жениях заготовки в конце продольного хода. Периодически проис-
ходит и подача s„ па глубину резания. Это перемещение осущест-

Рис. G.93. Основные схемы шлифования
вляется также в крайних положениях заготовки, но в конце попе-
речного хода.

При круглом шлифовании (рис. 6.93, б) продольная подача проис-
ходит за счет возвратно-поступательного перемещения заготовки.
Подача зИ1, (мм/об. заг) соответствует осевому перемещению заготовки
за один ее оборот. Вращение заготовки является круговой подачей
slip (м/мин).

Подача s., (мм/дв. ход пли мм ход) на глубину резания для при-
веденной схемы обработки происходит при крайних положениях
заготовки. Движения, осуществляемые при внутреннем шлифовании,
показаны на рис. 6.93, в.

В автоматизированных шлифовальных станках цикл работы
станка включает периодический вывод круга из зоны шлифования,
его автоматическую правку и перемещение круга к изделию на
величину снятого прп правке слоя абразива. Предусматривают
также автоматическую установку заготовок в зажимные устройства
и удаление готовых деталей.

4.	АБРАЗИВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Абразивные инструменты различают по геометрической
форме и размерам, роду и сорту абразивного материала, зернистости
или размерам абразивных зерен, связке или виду связующего ве-
щества, твердости, структуре или строению круга.

Зерна абразивных инструментов представляют собой искусствен-
ные или природные минералы и кристаллы. Абразивные материалы
отличаются высокой твердостью, которая определяется по минерало-
гической шкале. Зерна абразивов разделяют по крупности на группы
и номера. Основная характеристика номера зернистости — количе-
ство и крупность его основной фракции. При изготовлении инстру-
мента зерна скрепляются друг с другом с помощью цементирующего
вещества — связки. Наиболее широко применяют инструменты, из-
готовленные на керамической, бакелитовой или вулканитовой связке.

Керамическую связку приготовляют из глины, полевого шпата,
кварца и других веществ путем их тонкого измельчения и смешения
в определенных пропорциях. Бакелитовая связка состоит в основном
из искусственной смолы — бакелита. Вулканитовая связка пред-
ставляет собой искусственный каучук, подвергнутый вулканизации
для превращения его в прочный, твердый эбонит. Под твердостью
абразивного инструмента понимается способность связки сопроти-
вляться вырыванию абразивных зерен с рабочей поверхности инстру-
мента под действием внешних сил.

Для шлифования заготовок из твердых сплавов и высокотвердых
материалов успешно применяют алмазные круги. Алмазный круг
состоиг из корпуса и алмазоносного слоя. Корпус изготовляют
из алюминия, пластмасс или стали. Толщина алмазоносного слоя
у большинства кругов составляет 1,5—3 мм.

На шлифовальные круги наносят условные обозначения, называ-
емые маркировкой. Маркировка необходима для правильного вы-
бора инструмента при проведении конкретной работы. Условные
обозначения располагают в определенной последовательности:
абразивный материал и его марка, номер зернистости, степень
твердости, номер структуры, вид связки.

5.	ИЗНОС И ПРАВКА ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

В процессе шлифования режущие свойства кругов изменяются: абра-
зивные зерна изнашиваются, затупляются, частично раскалываются, поры между
зернами заполняются шлифовальными отходами. Возрастает сила резания. Поверх-
ность круга вследствие неравномерного износа теряет свою первоначальную форму,
и точность обработки снижается.

Правильному выбору связки придается весьма большое значение. Если связка
слабо удерживает зерна, то они будут удаляться с круга раньше, чем затупятся.
Произойдет «осыпание» круга. При чрезмерно прочном удержании зерна сильно
затупляются, а на рабочей поверхности круга появляется характерный блеск.
Произойдет «засаливание» круга. В том и другом случаях качество шлифуемой по-
верхности снижается.

Для восстановления режущих свойств абразивные инструменты подвергают
правке. Чаще всего правку производят алмазом пни обильном охлаждении. Алмаз,
укрепленный в специальной державке, перемещается вручную или автоматически
с подачей Snp относительно вращающегося круга. Толщина удаляемого слоя шли-
фовального круга обычно не превышает 0,01—0,03 мм. Время непрерывной работы
инструмента между двумя правками характеризует период его стойкости. В зави-
симости от требований к качеству обработки и режимов резания стойкость инстру-
мента ориентировочно составляет 5—40 мин.

6.	ИСПЫТАНИЯ И БАЛАНСИРОВКА ШЛИФОВАЛЬНЫХ
КРУГОВ

Перед установкой на шпиндель станка круги подвергают контролю.
На кругах диаметром более 150 мм должна быть обозначена максимально допусти-
мая окружная скорость. Каждый круг предварительно испытывают на специальных
станках при вращении со скоростью, в 1,5 раза превышающей указанную в марки-
ровке.

Если в процессе шлифования по ряду причин масса круга распределена нерав-
номерно относительно оси вращения, возникает вибрация частей станка, на офа-
ботанной поверхности появляется характерная волнистость Шлифование на станке
становится опасным,так как круг начинает работать с ударами и может разорваться.

Круги должны быть отбалансированы. Процесс балансировки предусматривает
устранение неуравновешенности массы круга относительно оси шпинделя станка.

Круг вместе с закрепляющими его фланцами монтируют на балансировочной
оправке и устанавливают на опорах так, чтобы он мог свободно поворачиваться
относительно оси вращения. При статической неуравновешенности круг, поворачи-
ваясь, устанавливается тяжелой частью вниз. В процессе балансировки неуравнове-
шенность устраняется перемещением специальных грузиков, расположенных на
фланцах либо в специальных устройствах.

Наилучшие результаты дает балансировка в динамическом режиме при враще-
нии шпинделя станка с установленным кругом.

7.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА КРУ ГЛОШЛ ИФОВАЛЬНЫХ
СТАНКАХ

Конструкции круглошлифовальных станков и их компо-
новка подчиняются основным схемам шлифования. Круглошлифо-
вальный станок состоит из следующих основных узлов (рис. 6.94):
станины 1, стола 2, передней бабки 3 с коробкой скоростей, шлифо-
364
вальной бабки 4, задней бабки 5,
привода стола 6. Эти станки раз-
деляют на простые, универсаль-
ные и врезные. На универсальных
станках каждую из бабок можно
повернуть на определенный угол
вокруг вертикальной оси и за-
крепить для последующей работы.
Простые станки снабжены непо-
воротными бабками. У врезных
станков отсутствует продольная
подача стола, а процесс шлифо-
вания ведется по всей длине за-
готовки широким абразивным кру-
гом с поперечной подачей.

Возвратно-поступательное перемещение стола для продольной
подачи производится с помощью гидроцилиндра и поршня. Круговую
подачу sKp заготовки обеспечивает специальный электродвигатель.
Шлифовальный круг вращается с помощью клиноременной передачи.
Когда круг износится и диаметр его уменьшится, используют другую
пару шкивов и скорость резания увеличится.

Наибольшее распространение получили методы шлифования
на центрах. Для повышения точности обработки центры устанавли-
вают неподвижно. Круговая подача заготовки обеспечивается за
счет поводкового устройства. Возможно консольное закрепление
заготовок в кулачковых патронах.

Круглое шлифование цилиндрических поверхностей может быть
выполнено по одной из четырех схем (рис. 6.95).

При шлифовании с продольной подачей (рис. 6.95, а)
заготовка вращается равномерно (sKp) и совершает возвратно-посту-
пательные движения (sDp). В конце каждого хода заготовки шлифо-

Рис. 6.95. Схемы

обработки заготовок на круглошлифовальных станках
вальный круг автоматически перемещается на sn и при следующем
ходе срезается новый слой металла определенной глубины, пока
не будет достигнут необходимый размер детали.

Скорость и1( вращательного движения круга обеспечивает ско-
рость резания.

Производительный способ обработки — врезное шлифо-
вание (рис. 6.95, б) применяют при обработке жестких заготовок
в тех случаях, когда ширина шлифуемого участка может быть пере-
крыта шириной шлифовального круга. Круг перемещается с по-
стоянной подачей ,sfI (м/об. заг) до достижения необходимого размера
детали. Этот же метод используют при шлифовании фасонных по-
верхностей и кольцевых канавок. Шлифовальный круг заправляют
в соответствии с формой поверхности или канавки.

Глубинным шлифованием (рис. 6.95, в) за один проход
снимают слой материала на всю необходимую глубину. На шлифо-
вальном круге формируют конический участок длиной 8—12 мм.
В ходе шлифования конический участок удаляет основную часть
срезаемого слоя, а цилиндрический участок зачищает обработанную
поверхность. Поперечная подача отсутствует.

Шлифование уступами (рис. 6.95, г) — это сочетание мето-
дов, представленных на рис. 6.95, а, б. Процесс шлифования состоит
из двух этапов. На первом этапе шлифуют врезанием с подачей sn,
передвигая периодически стол на 0,8—0,9 ширины круга (показано
штриховой линией). На втором этапе делают несколько ходов с про-
дольной подачей snp для зачистки поверхности при выключенной
подаче s„.

Во многих случаях на деталях необходимо обеспечить правильное
взаимное расположение цилиндрических и плоских (торцовых)
поверхностей. Для выполнения этого условия шлифовальный круг
заправляют по схеме на рис. 6.95, д и поворачивают на определенный
угол. Шлифуют коническими участками круга. Цилиндрическую
поверхность шлифуют аналогично схеме на рис. 6.95, а, с периоди-
ческой подачей sn на глубину резания. Обработка торцовой поверх-
ности детали заканчивается чаще всего с подачей вручную при
плавном подводе заготовки к кругу.

Наружные конические поверхности шлифуют по двум основным
схемам. При обработке заготовок на центрах (рис. 6.96, а) верхнюю
часть стола поворачивают вместе с центрами на угол а так, что

Рис. G.96. Схемы шлифования конических поверхностей
положение образующей конической поверхности совпадает с напра-
влением продольной подачи 5пр. Далее шлифуют по аналогии с обра-
боткой! цилиндрических поверхностей.

При консольном закреплении заготовок (рис. 6.96, б) на угол а
(половина угла конуса) поворачивается передняя бабка.

8.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА ВНУТРИШЛИФОВАЛЬНЫХ
СТАНКАХ

Внутреннее шлифование применяют для получения
высокой точности отверстий па заготовках, как правило, прошедших
термическую обработку. Возможно шлифование сквозных, несквоз-
ных (глухих), конических и фасонных отверстий. Диаметр шлифо-
вального круга составляет 0,7—0,9 диаметра шлифуемого отверстия.
Кругу сообщают высокую частоту вращения: она тем выше, чем
меньше диаметр круга.

На рис. 6.97, а приведена схема шлифования с закреплением
заготовки в кулачковом патроне. На впутришлифовальпых станках
также обрабатывают и внутренние торцовые поверхности. Внутрен-
ние фасонные поверхности шлифуют специально заправленным
кругом методом врезания.

Внутренние конические поверхности шлифуют с поворотом перед-
ней бабки так, чтобы образующая конуса расположилась вдоль
направления продольной подачи.

Заготовки больших размеров и массы шлифовать описанными
выше методами нерационально. В этих случаях применяют и л а-
п е тарное шлифование (рис. 6.97, б). Заготовку закрепляют
на столе станка неподвижно. Шлифовальный круг вращается вокруг
своей осп, а также вокруг оси отверстия (s„ ,), что аналогично круго-
вой подаче (положение круга, совершившего в планетарном движении
пол-оборота, показано штриховой линией). Планетарным шлифова-
нием можно обрабатывать внутренние фасонные и торцовые поверх-

Рис. 6.97. Схемы обработки па впутришлифовальпых станках
ности, а также отверстия, положения которых определенным
образом связаны друг с другом (например, на деталях типа кор-
пусов).

9.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА БЕСЦЕНТРОВО-
ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКАХ

Процесс шлифования на этих станках характеризуется
высокой производительностью. Заготовки обрабатывают в неза-
крепленном состоянии, и для них не требуется центровых отверстий.
На станине 1 бесцентрово-шлифовального станка (рис. 6.98)
установлены два круга: шлифующий на бабке 2 и ведущий на бабке 4.
Каждый из кругов подвергается периодической правке с помощью
механизмов 3 и 5. Заготовка вращается на ноже 6 и одновременно
контактирует с обоими кругами. Чтобы заготовка перемещалась по
ножу с продольной подачей, бабку ведущего круга поворачивают
на небольшой угол. Если шлифуют заготовки с уступами, то бабку
ведущего круга не поворачивают, а вся она перемещается по напра-
вляющим станины с подачей до определенного положения.

Заготовку 3 (рис. 6.99, а) устанавливают на нож 2 между двумя
кругами — рабочим 1 и ведущим 4. Эти круги вращаются в одном
направлении, но с разными скоростями. Трение между ведущим кру-

а)
гом и заготовкой больше, чем между ней и рабочим кругом. Вслед-
ствие этого заготовка увлекается во вращение со скоростью, близкой
к окружной скорости ведущего круга.

Перед шлифованием ведущий круг устанавливают наклонно
под углом 0 (I—7°) к оси вращения заготовки. Вектор скорости этого
круга разлагается на составляющие и возникает продольная подача
snp. Поэтому заготовка перемещается по ножу вдоль своей осн и может
быть прошлифована на всю длину. Чем больше угол 0, тем больше
подача. Такие станки легко автоматизировать, установив наклонный
лоток, по которому заготовки будут сползать на нож, проходить
процесс шлифования и падать в тару.

Заготовки ступенчатой формы или с фасонными поверхностями
шлифуют методом врезания (рис. 6.99, б). Перед шлифованием веду-
щий круг отводят в сторону, заготовку кладут на нож и затем под-
жимают ее ведущим кругом. Обрабатывают с поперечной подачей sa
до получения необходимого размера детали. После шлифования об-
работанная деталь удаляется из зоны резания выталкивателем.

Для шлифования поверхностей методом вразания абразивный
инструмент заправляют в соответствии с профилем детали.

10.	обработка заготовок на плоскошлифовальных
СТАНКАХ

Плоскошлифовальный станок с прямоугольным столом
(рис. 6.100) состоит из станины 4, стола 3, стойки 2, шлифовальной
бабки 1 и привода стола 5.

Движения подачи осуществляют вручную или автоматическим
приводом станка. Продольное перемещение стола s„p обеспечивается
чаще всего с помощью гидравлического устройства — поршня,
цилиндров и органов управления.

У другого типа станков вместо возвратно-поступательного стол
совершает вращательное движение. В этом случае его выполняют
круглым с вертикальной осью вращения. Компоновка такого станка

предусматривает также вертикаль-
ное расположение осн шлифоваль-
ного круга. Плоскости обрабаты-
вают его торцовой поверхностью.

На практике наиболее распро-
странены четыре схемы плоского
шлифования (рис. 6.101). Шлифуют
периферией и торцовой поверх-
ностью круга. Заготовки 2 закре-
пляют на прямоугольных пли круг-
лых столах 1 с помощью магнит-
ных плит, а также в зажимных
приспособлениях. Возможно закре-
пление одной или одновременно мно-
гих заготовок. Заготовки размещают

Рис. 6.100. Плоскошлифовальпый
станок
Рис. 6.101. Схема обработки заготовок

па плоскошлифовальпых станках

на столах, затем включают ток и они притягиваются к магнитной
плите.

Прямоугольные столы совершают возвратно-поступательные
движения, обеспечивая продольную подачу. Подача на глубину
резания дается в крайних положениях столов. Поперечная подача
необходима в тех случаях, когда ширина круга меньше ширины
заготовки (рис. 6.101, а).

Круглые столы (рис. 6.101, в) совершают вращательные движе-
ния, обеспечивая круговую подачу. Остальные движения совер-
шаются по аналогии с движениями при шлифовании на прямоуголь-
ных столах.

Более производительно шлифование торцом круга, так как одно-
временно в работе участвует большое число абразивных зерен
(рис. 6.101, б, г). Но шлифование периферией круга с использованием
прямоугольных столов позволяет выполнить большее число разно-
образных видов работ. Способом шлифования периферией круга
обрабатывают, например, дно паза, производят профильное шлифо-
вание, предварительно заправив по соответствующей форме шлифо-
вальный круг, и выполняют другие работы.

11.	ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК НА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ
И ЗАТОЧНЫХ СТАНКАХ

Специализированные шлифовальные станки предназначены для вы-

полнения ограниченного числа работ.

На резьбо шлифовальных станках шлифовальный круг заправ-
ляют по форме одной или нескольких впадин резьбы. Заготовка, установленная

в центрах резьбошлифовалыюго станка, за один свой оборот перемещается в осевом

направлении на шаг резьбы. Прошлифованная
резьба получает высокую точность и малую
шероховатость поверхности.

Некруговые цилиндрические поверхности
(кулачки) (рис. 6.102) шлифуют на специа-
лизированных станках-полуавтоматах
(например, в автотракторостроеиии). Такие
поверхности, расположенные на валах .шлифуют

Рис. 6.102. Схема шлифования кулачков
по копиру так, что расстояние А между центрами вала и шлифовального круга
постоянно изменяется. Обработка производится методом врезания.

Профиль некоторых деталей, как, например, турбинных лопаток, оказывается
весьма сложным. Их шлифуют на л е п т о ш л и ф о в а л ь н ы х станках инстру-
ментом в виде бесконечной абразивной ленты, которая огибает сложную форму
обрабатываемой поверхности. Абразивный слой наносят на бумажную или ткане-
вую основу ленты.

Широко используют заточные станки для обработки разнообразного
режущего инструмента. Для заточки некоторых видов инструментов применяют
специализированные заточные станки. На таких станках можно, например, выпол-
нять заточку зубьев плоских, круглых и шлицевых протяжек.

12.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ
ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Для шлифования ступенчатых валов (рис. 6.103, а) пред-
усматривают центровые отверстия /, а для шлифования пустотелых
валов — установочные фаски 6. Между шейками вала и торцами
из-за непрерывного осыпания зерен круга получается переходная
поверхность 5. В тех случаях, когда этого нельзя допустить по
условиям работы детали, предусматривают технологические ка-
навки 2 для выхода шлифовального круга. Если необходимо оста-
вить переходную поверхность, то указывают на чертеже детали
ее максимально возможный радиус. Следует избегать конструиро-
вания валов с большой разностью диаметров отдельных участков.
Точно обработанные, например, цилиндрические поверхности 3
необходимо разделять введением проточек 4, поверхности которых
не требуется шлифовать.

На деталях, обрабатываемых в патроне (рис. 6.103, б), следует
предусматривать такие поверхности 7, которые обеспечивают пра-
вильную установку и надежное закрепление при обработке. Наи-
более надежно закрепление по поверхностям в виде круговых ци-
линдров. Поверхности точно обрабатываемых отверстий также сле-
дует разделять введением выточек. Предпочтительнее жесткие детали.
Закрепление в патронах тонкостенных (нежестких) деталей может
вызвать большие деформации и снизить точность. Шлифование
отверстий малых диаметров связано с трудностями и должно назна-
чаться в исключительных случаях.

Плоские поверхности деталей должны быть расположены пер-
пендикулярно или параллельно (рис. 6.103, в поверхность 9) основа-
нию 8, па котором закрепляют заготовку. Шлифуемые поверхности
желательно располагать в одной плоскости.

7 2 J Ч 3	5	6  а)  Рис. G.103. Рациональные формы вальной группы			У  / /  7	8  6)	8)  деталей, обрабатываемых па станках шлифо-
ГЛАВА XI. МЕТОДЫ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ
ПОВЕРХНОСТЕЙ

1.	ОТДЕЛОЧНАЯ ОБРАБОТКА СО СНЯТИЕМ СТРУЖКИ

Дальнейшее развитие машиностроения связано с уве-
личением нагрузок на детали машин, увеличением скоростей дви-
жения, уменьшением массы конструкций. Выполнить эти требования
можно при достижении особых качеств поверхностных слоев деталей.
Однако это не всегда может быть обеспечено описанными методами.
Поэтому требуется дополнительная отделочная обработка для по-
вышения точности, уменьшения шероховатости поверхностей или
для придания им особого вида, что важно для эстетических или
санитарно-гигиенических целей.

Велика роль отделочной обработки в повышении надежности
работы деталей машин. Для отдельных методов обработки харак-
терны малые силы резания, небольшие толщины срезаемых слоев
материала, незначительное тепловыделение. Поэтому заготовки де-
формируются незначительно. Все эти технологические особенности
способствуют дальнейшему развитию и широкому применению мето-
дов отделочной обработки. В дальнейшем будет снижаться доля
обработки резанием со снятием большого количества стружки и
повышаться доля отделочных методов обработки.

2.	ОТДЕЛКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ЧИСТОВЫМИ РЕЗЦАМИ

И ШЛИФОВАЛЬНЫМИ КРУГАМИ

Тонким обтачиванием иногда заменяют шли-
фование. Процесс осуществляется при высоких скоростях резания,
малых глубинах и подачах. Находят применение токарные резцы
с широкими режущими лезвиями, которые располагают строго
параллельно оси обрабатываемой заготовки. Подача на оборот
заготовки составляет не более 0,8 ширины лезвия, а глубина реза-
ния — не более 0,5 мм. Это приводит к уменьшению шероховатости
обрабатываемой поверхности.

Обтачивание алмазными резцами применяют для заготовок из цветных метал-
лов и сплавов, пластмасс и других неметаллических материалов. Обладая очень
высокой стойкостью, алмазные резцы способны долгое время работать без под-
наладки, обеспечивать высокую точность. Тонкое обтачивание требует применения
быстроходных станков высокой жесткости и точности, а также качественной пред-
варительной обработки заготовок. По аналогии с тонким обтачиванием используют
тонкое строгание. Находит применение тонкое фрезерование.

Тонким растачиванием заменяют шлифование
особенно в тех случаях, когда заготовки из вязких цветных сплавов
либо стали, выполнены тонкостенными. Тонкое растачивание целесо-
образно при точной обработке глухих отверстий или тогда, когда
по условиям работы детали не допускается внедрение абразивных
зерен в поры обработанной поверхности.

Тонкое шлифование производят мягким, мелкозер-
нистым кругом при больших скоростях резания (цн >40 м/с) и весьма
372
малой глубине резания. Шлифование сопровождается обильной по-
дачей охлаждающей жидкости. Особую роль играет жесткость стан-
ков, способных обеспечить безвибрационную работу.

Для тонкого шлифования характерен процесс «высаживания», По окончании
обработки, например, вала подача на глубину резания выключается, а продольная
подача не выключается. Процесс обработки тем не менее продолжается за счет упру-
гих сил, возникших в станке и заготовке.

3.	ПОЛИРОВАНИЕ ЗАГОТОВОК

Полированием уменьшают шероховатость поверхности.
Этим методом получают зеркальный блеск на ответственных частях
деталей (дорожки качения подшипников), либо на деталях, применя-
емых для декоративных целей (облицовочные части автомобилей).
Для этого используют полировальные пасты или абразивные зерна,
смешанные со смазочным материалом. Эти материалы наносят на
быстровращающиеся эластичные (например, фетровые' круги или
колеблющиеся щетки. Хорошие результаты дает полирование быстро-
движущимися бесконечными абразивными лентами (шкурками).

В зоне полирования одновременно протекают следующие основные процессы:
топкое резание, пластическое деформирование поверхностного слоя, химические
реакции — воздействие на металл химически активных веществ, находящихся в по-
лировальном материале. При полировании абразивной шкуркой положительную
роль играет подвижность ее режущих зерен. Эта особенность шкурок приводит к тому
что зернами в процессе обработки не могут наноситься мнкроследы, существенно
различные по глубине.

В качестве абразивного материала применяют порошки из элек-
трокорунда и оксиды железа при полировании стали, карбида крем-
ния и оксиды железа при полировании чугуна, оксиды хрома
и наждака при полировании алюминия и сплавов меди. Порошок
смешивают со смазочным материалом, который состоит из смеси
воска, сала, парафина и керосина. Полировальные круги изгото-
вляют из войлока, фетра, кожи, капрона, спрессованной ткани
и других материалов.

Процесс полирования проводят на больших скоростях (до 50 м/с).
Заготовка поджимается к кругу усилием Р (рис. 6.104, а) и совер-

а)	6)	в)

Рис. 6.104. Схемы полирования
шает движения подачи slip и sltp в соответствии с профилем обрабаты-
ваемой поверхности. Полирование лентами (рис. 6.104, б) имеет ряд
преимуществ. Эластичная лента может огибать. всю шлифуемую
поверхность. Поэтому движения подачи могут отсутствовать.

Главное движение при полировании иногда совершает и заго-
товка 3 (рис. 6.104, в), имеющая, например, форму кольца с фасон-
ной внутренней поверхностью. Абразивная лента 1 поджимается
полировальником 2 к обрабатываемой поверхности и периодически
перемещается (движение $|1р).

Полирование возможно в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Заготовки, закрепленные на конвейере, непрерывно перемещаются относительно
круга или ленты. Съем деталей происходит на ходу i сенвейера.

В процессе полирования не удается исправлять и< жрешкостн формы а также
местные де(|екты предыдущей обработки.

4.	АБРАЗИВНО-ЖИДКОСТНАЯ ОТДЕЛКА

Отделка объемно-криволинейных, фасонных поверх-
ностей обычными методами вызывает большие технологические труд-
ности. Метод абразивно-жидкостной отделки позволяет решить
задачу сравнительно просто.

На обрабатываемую поверхность, имеющую следы предшеству-
ющей обработки, подают струи антикоррозионной жидкости со взве-
шенными частицами абразивного порошка (рис. 6.105, а). Водно-
абразивная суспензия перемещается под давлением с большой ско-
ростью. Частицы абразива ударяются о поверхность заготовки
и сглаживают микронеровности.

Интенсивность съема обрабатываемого материала регулируют зернистостью
порошка, давлением струи и углом fl. Изменяя скорость полета и размер свободных
абразивных зерен, можно увеличить или уменьшить степень пластической деформа-
ции и шероховатость иоверх-

Рис. 6.105. Схема сглаживания микронеровно-
стей при абразивно-жидкостной отделке (а)
и установка (б)

иости.

Жидкостная пленка, покры-
вающая обрабатываемую по-
верхность, играет очень важную
роль. Абразивные зерна, попа-
дающие па микровыступы,легко
преодолевают ее сопротивление
и удаляют металл. Те же зерна,
которые попадают на впадины,
встречают большее сопротивле-
ние жидкости и съем материала
замедляется, поэтому шерохова-
тость поверхности уменьшается.

В качестве абразива
часто применяют электро-
корунд. В суспензии со-
держится 30—35 % абра-
зива (по массе).

На рис. 6.105, б по-
казана схема жидкост-
ного полирования. Обра-
батываемая заготовка 3 сложного профиля перемещается (yn s„p)
в камере 4 так, что все ее участки подвергаются полированию. Абра-
зивная суспензия 1, помещенная в баке 2, подается насосом 6 в рабо-
чую камеру через твердосплавное сопло 5. Отработанная суспензия
падает обратно в бак 2 и может быть использована многократно.
Наибольший съем металла получается при угле р = 45'.

Метод жидкостного полирования особенно успешно применяют
при обработке фасонных внутренних поверхностей. В этом случае
сопло вводится в полость заготовки, которая совершает вращатель-
ные и поступательные перемещения в зависимости от профиля поли-
руемой! поверхности.

5.	ПРИТИРКА ПОВЕРХНОСТЕЙ

Поверхности деталей машин, обработанные на металло-
режущих станках, всегда имеют отклонения от правильных геометри-
ческих форм и заданных размеров. Эти отклонения могут быть устра-
нены притиркой (доводкой). Этим методом достигаются наивысшая
точность, и наименьшая шероховатость поверхности.

Процесс осуществляется с помощью притиров соответствующей
геометрической формы. На притир наносят притирочную пасту
пли мелкий абразивный порошок со связующей жидкостью. Мате-
риал притиров должен быть, как правило, мягче обрабатываемого
материала. Паста или порошок внедряются в поверхность притира
и удерживаются ею, но так, что при относительном движении каждое
абразивное зерно может снимать весьма малую стружку. Поэтому
притир можно рассматривать как очень точный абразивный инстру-
мент.

Притир или заготовка должна совершать разнонаправленные
движения. Наилучшие результаты дает процесс, в ходе которого
траектории движения каждого зерна не повторяются. Микронеров-
ностп сглаживаются за счет совокупного химико-механического
воздействия на поверхность заготовки.

Толщина жидкостного слоя между притиром и заготовкой должна быть меньше
высоты выступающих из притира режущих зерен и определяется вязкостью свя-
зующей жидкости. Если эта толщина оказывается больше высоты выступающих
зерен, то процесс притирки прекратится, так как зерна не будут сопри касаться с об-
рабатываемой поверхностью.

В качестве абразива для притирочной смеси используют порошок электроко-
рунда, карбидов кремния и бора, оксиды хрома и железа и др. Притирочные пасты
состоят из абразивных порошков и химически активных веществ, например олеино-
вой и стеариновой кислот, играющих одновременно роль связующего материала.

Материалами притиров являются серый чугун, бронза, красная медь, дерево.
В качестве связующей жидкости используют машинное масло, керосин, стеарин,
вазелин.

Схема притирки наружной цилиндрической поверхности при-
ведена па рис. 6.106, а. Притир / представляет собой втулку с про-
резями. которые необходимы для полного его прилегания под дей-
ствием сил Р к обрабатываемой заготовке 2 по мере ее обработки.
Притиру сообщают возвратно-поступательное движение р2 и одно-


Рис. 6.106. Схемы притирки поверхностей

временно возвратно-вращательное движение vt. Возможно также
равномерное вращательное движение заготовок 2 с наложением
движения v2. Аналогичные движения осуществляются при притирке
отверстий (рис. 6.106, б), однако притир должен равномерно раз-
жиматься действием сил Р. Приведенные схемы осуществляюстя
вручную и на металлорежущих станках.

Плоские поверхности притирают также вручную или на спе-
циальных доводочных станках (рис. 6.101, в). Заготовки 4 распо-
лагаются между двумя чугунными дисками 3 в окнах сепаратора 5.
Диски-притиры имеют плоские торцовые поверхности и вращаются
в противоположных направлениях с разными частотами вращения.
Сепаратор относительно дисков расположен эксцентрично на вели-
чину е. Поэтому при вращении дисков притираемые детали совер-
шают сложные движения со скольжением, и металл снимается одно-
временно с их параллельных торцов.

(>. ХОНИНГОВАНИЕ

Хонингование применяют для получения поверхностей
высокой точности и малой шероховатости, а также для создания спе-
цифического микропрофиля обработанной поверхности в виде сетки.
Такой профиль необходим для удержания смазочного материала
при работе машины (например, двигателя внутреннего сгорания)
на поверхности ее деталей.

Поверхность неподвижной заготовки обрабатывают мелкозерни-
стыми абразивными брусками, которые закрепляют в хонинговаль-
ной головке (хоне). Бруски вращаются и одновременно переме-
Рис. 6.107. Схема хонингования отверстии

щаются возвратно-поступательно вдоль оси обрабатываемого ци-
линдрического отверстия высотой h (рнс. 6.107, а). Соотношение
скоростей и1 : щ указанных движений составляет 1,5— 10 и опреде-
ляет условия резания.

Схема обработки по сравнению с внутренним шлифованием имеет
преимущества: отсутствует упругий отжим инструмента, реже наблю-
дается вибрация, резание происходит более плавно.

При сочетании движений на обрабатываемой поверхности по-
является сетка микроскопических винтовых царапин — следов
перемещения абразивных зерен. Угол 0 пересечения этих следов
зависит от соотношения скоростей. На рис. 6.107,6 приведена
развертка внутренней цилиндрической поверхности заготовки и
схема образования сетки.

Крайние нижнее 1 и верхнее 2 положения абразивных брусков
устанавливают так, что создается перебег п. Он необходим для того,
чтобы образующие отверстия получались прямолинейными даже при
неравномерном износе брусков. Совершая вращательное движение,
абразивные бруски при каждом двойном ходе начинают резание
с новых положений ,3 хона с учетом смещения t по углу. Поэтому
исключается наложение траекторий абразивных зерен.

Абразивные бруски всегда контактируют с обрабатываемой по-
верхностью, так как могут раздвигаться в радиальных направле-
ниях механическими, гидравлическими или пневматическими
устройствами. Давление брусков должно контролироваться.

Хонингованием исправляют погрешности формы от предыдущей
обработки в виде отклонений от круглости, цилиндричности и т. п.,
если общая толщина снимаемого слоя не превышает 0,01—0,2 мм.
Погрешности расположения оси отверстия (например, отклонение
от прямолинейности) этим методом не исправляются, так как режу-
щий инструмент самоустанавливается по отверстию.

Различают предвари-юльное и чистовое хонингование. Г1редв.'1|>и1е.’и.ис.е хо-
нингование используют для исправления погрешностей предыдущей обработки,
а чистовое — для получения малой шероховатости поверхности.

Хонинговальные бруски изготовляют из электро.коруида ил.ч карбида кремния,
как правило, па керамической связке. Для чистового хонингования хорошие резуль-
таты дают бруски на бакелитовой связке. Все шире применяют алмазное хонинго-
вание, преимущества которого состоят в эффективном исправлении погрешностей
геометрической формы обрабатываемых отверстии и увеличении ст о i го( ти брусков

Бруски закрепляются в державках хона приклеиванием ацетоцо-целлулоидным
клеем или жидким стеклом. Конструкции гозовок предусматривают, расположение
в них механизма радиального перемещения державок с брусками.

Число брусков в хонинговальной головке должно быть кратно трем, поэтому
в головке всегда найдутся три бруска, которые будут обрабатывать, реальную по-
верхность отверстия, имеющего погрешности формы от предыдущей обработки и
превращать ее в поверхность, близкую к круговому цилиндру.

Хонингование проводят при обильном охлаждении зоны резания
смазочно-охлаждающими жидкостями — керосином, смесью керо-
сина (80—90 %) п веретенного масла (10—20 %), а также водно-
мыльными эмульсиями.

Наибольшее распространение хонингование получило в авто-
тракторной и авиационной промышленности.

7.	СУПЕРФИНИШ

Суперфипишем в основном уменьшают шероховатость
поверхности, оставшуюся от предыдущей обработки. При этом изме-
няются глубина и вид микронеровностей, обрабатываемые поверх-
ности получают сетчатый рельеф. Поверхность становится чрезвы-
чайно гладкой, что обеспечивает более благоприятные условия
взаимодействия трущихся поверхностей.

Поверхности обрабатывают абразивными брусками, устанавлива-
емыми в специальной головке. Для суперфиниша характерно коле-
бательное движение брусков наряду с движением заготовки. Процесс,
резания происходит при давлении брусков (0,5-?~3) 105 Па и в при-
сутствии смазочного материала малой вязкости.

Схема обработки наружной цилиндрической поверхности при-
ведена на рис. 6.108, а. Плотная сетка микронеровностей создается
сочетанием трех движений: вращательного sKI, заготовки, возвратно-
поступательного s,.,p и колебательного брусков со скоростью v. Ам-
плитуда колебаний брусков составляет 1,5—6 мм, а частота 400—
1200 колебаний в минуту. Движение v ускоряет процесс съема ме-
талла и улучшает однородность поверхности. Бруски, будучи под-
пружиненными, самоустанавливаются по обрабатываемой поверх-
ности. Соотношение скоростей slip : v в начале обработки должно
составлять 2—4, а в конце 8—16. Процесс характеризуется сравни-
тельно малыми скоростями резания (5—7 м/мин).

Важную роль играет смазочно-охлаждающая жидкость. Масля-
ная пленка покрывает обрабатываемую поверхность, но наиболее
крупные микровыступы (рис. 6.108, б) прорывают ее и в первую оче-
378
Рис. 0.108. Схемы отделки суперфинишированием

редь срезаются абразивом. Давление брусков на выступы оказывается
большим. По мере дальнейшей обработки давление; снижается,
так как все большее число выступов прорывает' масляную пленку.
Наконец, наступает такой момент (рис. 6.108,6'), когда давление
бруска не может разорвать пленку, она становится сплошной. Соз-
даются условия для жидкостного трения. Процесс отделки автомати-
чески прекращается. В качестве жидкости используют смесь керо-
сина (80—90 %) с веретенным или турбинным маслом (20—10 %).

При обработке сталей лучших результатов достигают при применении брусков
из электрокорупда, при обработке чугуна и цветных металлов — из карбида крем-
ния. В большинстве случаев применяют бруски на керамической и бакелитовых
связках. Большое влияние па ход процесса оказывает твердость брусков.

Алмазные бруски увеличивают не только производительность обработки , чо и
стойкость инструмента в 80—100 раз. Алмазные бруски работают на тех же режи-
мах, что и абразивные, но с давлением, большим на 30—50 %.

Размеры и форма абразивных брусков определяются размерами
и конфигурацией обрабатываемой заготовки. Чаще всего для супер-
финиша используют два бруска, а при обработке крупных деталей —
три пли четыре.

Обычно суперфиниширование не устраняет погрешности формы,
полученные на предшествующей обработке (волнистость, конусность,
овальность и др.), но усовершенствование процесса позволяет сни-
мать увеличенные слои металла, использовать особые режимы обра-
ботки. В этом случае погрешности предыдущей обработки значи-
тельно уменьшаются

8.	ОТДЕЛОЧНО-ЗАЧИСТНАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ

Обработку применяют для снятия заусенцев, очистки,
размерной и декоративной отделки поверхностей. Заусенцы всегда
сопутствуют процессу резания и представляют собой излишки мате-
риала, располагающиеся на кромках и углах деталей. Они имеют вид
гребенок малой толщины. Как правило, заусенцы образуются в ре-
зультате сдвига металла при выходе режущего инструмента из кон-
такта с заготовкой. Также удаляют шаржированные частицы —
внедрения в поверхность детали абразивных или алмазных осколков
зерен в результате шлифования. На многих деталях подлежат уда-
Рис. 6.109. Методы снятия заусенцев на металлорежущих станках

лению жировые и масляные пленки, образующиеся после обра-
ботки резанием с применением смазочно-охлаждающих жидко-
стей.

Полное удаление указанных пороков возможно только при обра-
ботке электроискровым, лучевым, ультразвуковым и некоторыми
другими методами.

Различные методы удаления заусенцев применяют и в конце
технологического процесса. Большое распространение получили
механические методы, особенно с использованием ручного механи-
зированного инструмента: фрезерных или абразивных головок,
металлических щеток, шлифовальных кругов, ленточных шлифо-
вальных установок. Для удаления заусенцев, получения фасок
и переходных поверхностей используют также металлорежущие
станки (рис. 6.109). Фаски на деталях типа тел вращения протачи-
вают на станках токарной группы (рис. 6.109, а), а на дезалях в виде
корпусов, плат, планок — на фрезерных станках (рис. 6.109,6).
Целесообразно использование специального режущего инстру-
мента — фасонных фрез. Широко используют станки сверлильно-
расточной группы (рис. 6.109, в). Фаски на выходе отверстий
получают специальными зенковками или обычными сверлами. Произ-
водительную обработку кромок деталей проводят на протяжных
станках (рис. 6.109, г). Протяжки выполняют по форме обрабатыва-
емых граней, расположенных на наружных или внутренних поверх-
ностях. Используют зуборезные станки (рис. 6.109, д) для снятия
заусенцев и получения фасок методом огибания (например, на шли-
цевых валах).

Важную роль играет отделочная обработка торцовых поверхностей зубьев зуб-
чатых колес. Многие колеса должны перемещаться вдоль валов, па которых они
размещены, для того чтобы сцепляться с другими колесами (например, в коробках
скоростей). Такие сцепления возможны, если торцовые поверхности имеют специ-
фическую форму — скругление, благодаря которому облегчается ввод зубьев во
впадины парного колеса. Удары при переключениях колес устраняются, а зубья не
подвергаются поломкам.

Зубоскругление прямозубых я косозубых колес выполняют па специальных
станках различными методами. Наиболее рациональная форма торца зуба — бочко-
образная (рис. 6.110, а). Ее получают, например, обработкой специальной пальце-
вой фрезой за счет сочетания движений (рис. 6.110, б). Обрабатываемое колесо вра-
Рис. 6.110. Схема зубоскругления

В)

щается с постоянной скоростью, вращающаяся фреза совершает возвратно-поступа-
тельные перемещения с переменной скоростью вдоль оси колеса при скруглении
каждого зуба. Вертикальными перемещениями инструмента управляет копир.

Наряду с лезвийным инструментом применяют абразивный.
Форму такого инструмента обеспечивают в соответствии с профилем
снимаемых фасок. Их получают на наружных или внутренних по-
верхностях. Для обработки зубчатых поверхностей методом огиба-
ния применяют абразивный зубчатый инструмент, имеющий форму
зубчатых колес или червяков. При этом обеспечивают настройкой
строго согласованные движения заготовки и инструмента. Произ-
водительность обработки возрастает при использовании в качестве
инструмента бесконечной абразивной ленты.

Использование эластичных абразивных инструментов позволяет
в определенной степени огибать обрабатываемую поверхность и пол-
нее удалять пороки предшествующей обработки. Эластичные инстру-
менты изготовляют из фетра, войлока, текстиля, на которые при-
клеивают абразивные зерна или порошки. Специальные эластичные
инструменты делают из текстиля, гладкой или гофрированной бу-
маги, дерева, обитого кожей, или наборными кожаными пластин-
ками.

Для очистки, зачистки, а также упрочнения крупногабаритных деталей перспек-
тивны ударные методы. Деталь помещают в камеру и подают на нее из сопла с по-
мощью сжатого воздуха металлический песок, дробь, металлические или пластмас-
совые шарики. Может быть использовано несколько сопел

С помощью ударных методов выполняют полирование, деко-
ративное шлифование, упрочнение, очистку и зачистку. При гал-
товке детали загружают в барабан навалом. Круглые
или граненые барабаны вращаются вокруг горизонтальной, вер-
тикальной или наклонной оси. Режущим инструментом служит
абразивный бой, гранулированный абразив. Для операций полиро-
вания применяют абразивные зерна, абразивные порошки, деревян-
ные шары, обрезки кожи, войлока, мелкие стальные полировальные
шарики.

В процессе галтовки абразив и детали взаимодействуют, проис-
ходят многочисленные соударения, скольжение и микрорезание
поверхностей. Для интенсификации процесса обработки детали
(Д на рис. 6.111) иногда закрепляют на осях и дополнительно вра-
щают (скорости щ и v2). При галтовке обрабатываются только наруж-
ные поверхности. Галтовка существенно снижает стоимость отделоч-
ной обработки.

9.	ОТДЕЛОЧНАЯ ОБРАБОТКА ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

В процессе нарезания зубчатых колес на поверхностях
зубьев возникают погрешности профиля, появляется неточность
шага зубьев и др. Для уменьшения или ликвидации погрешностей
зубья дополнительно обрабатывают. Отделочную обработку для
зубьев незакаленных колес называют шевингованием.
Предварительно нарезанное прямозубое или косозубое колесо 2
плотно зацепляется с инструментом / (рис. 6.112, а). Скрещивание
их осей обязательно. При таком характере зацепления в точке А
можно разложить скорость на составляющие. Составляющая у
направлена вдоль зубьев и является скоростью резания, возника-
ющей в результате скольжения профилей. Обработка состоит в сре-
зании (соскабливании) с поверхности зубьев очень тонких волосо-
образных стружек, благодаря чему погрешности исправляются,
зубчатые колеса становятся более точными, значительно сокращается
шум при их работе. Отделку проводят специальным металлическим
инструментом — шевером (рис. 6.112,6). Угол скрещивания осей
чаще всего составляет 10—15°. При шевинговании инструмент
и заготовка воспроизводят зацепление винтовой пары. Кроме этого,
зубчатое колесо перемещается возвратно-поступательно (snj)) и после
каждого двойного хода подается в радиальном направлении (s().
Направления вращения шевера (уш) и, следовательно, заготовки
(изаг) периодически изменяются. Шевер режет боковыми сторонами
зубьев, которые имеют специальные канавки (рис. 6.112, в) и, сле-
довательно, представляют собой режущее зубчатое колесо.

На закаленных зубчатых колесах погрешности боковых поверх-
ностей зубьев удаляют хонингованием (если припуск на
382
обработку не превышает 0,01—0,03 мм на толщину зуба). Процесс
хонингования заключается в совместной обкатке заготовки и абра-
вивного инструмента, имеющего форму зубчатого колеса. Оси заго-
товки и инструмента скрещиваются под углом 15—18°. При враще-
нии зубчатой пары (рис. 6.112, г) возникает составляющая скорости
скольжения. Абразивные зерна хона обрабатывают боковые стороны
зубьев заготовки (рис. 6.112, д). Скорости vx и иза1 вращения; пары,
находящейся в зацеплении при хонинговании, во много раз больше,
чем скорости вращения при шевинговании.

Хонингуемые прямозубые или косозубые цилиндрические колеса
вращаются в плотном зацеплении с хоном. Зубчатое колесо кроме
вращения совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси
(snp). Направление вращения пары изменяется при каждом двойном
ходе.

При изготовлении хонов в качестве абразива используют карбид кремния или
электрокоруид. Число зубьев как хона, так и шевера ие должно быть кратным числу
зубьев обрабатываемого колеса. Вершина зуба колеса постоянно контактирует с впа-
диной зуба хона. Благодаря этому уменьшается скорость изнашивания хона, а
вследствие постоянного внедрения головки зуба колеса во впадину хона происходит
автоматическое восстановление его зубьев. Необходима лишь периодическая правка
хона по его наружной поверхности, чтобы поддерживать требуемый зазор Д
(рис. 6.112, д)

Значительные погрешности зубчатых колес, возникшие после
термической обработки, исправляют методом з у б о ш л и ф о-
в а и и я. Этот метод отделки обеспечивает получение высокой точ-
ности g малой шероховатостью поверхности зубьев н может быть
использован при обработке цилиндрических и конических зубчатых
колее.

Шлифование зубьев цилиндрических колес возможно копирова-
нием и обкаткой. Метод копирования по своей сущности соответствует
эубонарезанию дисковой модульной фрезой. Эвольвентный профиль
зуба воспроизводится абразивными кругами, имеющими профиль
впадин обрабатываемого колеса.

Шлифование зубьев методом обкатки основано на принципе
зацепления обрабатываемого колеса с зубчатой рейкой. При этом
элементы воображаемой зубчатой рейки образованы абразивными
инструментами. Так, рейку могут представить два абразивных
круга, шлифующие торцы которых расположены вдоль сторон зубьев
рейки. Элемент рейки может быть образован и одним абразивным
кругом, заправленным по форме ее зуба. Для выполнения процесса
шлифования методом обкатки осуществляют не только все движения
указанной пары, находящейся в зацеплении, но и движения, необ-
ходимые для процесса резания. После; обработки двух боковых
поверхностей зубьев колесо поворачивается на величину углового
шага (1/г). Движения резания и деления обеспечивает специальное
устройство зубошлпфовальных станков.

Результаты, получаемые при обработке зубчатых колес зубошлифованием,
могут быть улучшены з у б о п р и т и р к о й. С ее помощью можно получать
поверхности высокого качества, увеличивать плавность хода и долговечность работы
зубчатой пары. Такой метод отделки применяют для закаленных зубчатых колес.

Притиры выполняют в виде зубчатых колес. В зацеплении в результате давле-
ния между зубьями притира и обрабатываемого колеса мелкозернистый абразив
в смеси с маслом внедряется в более мягкую поверхность притира. Благодаря сколь-
жению, возникающему между зубьями при вращении пары, зерна абразива снимают
мельчайшие стружки с обрабатываемого колеса. При зубопрширке происходит
искусственный износ материала колеса в соответствии с профилем зуба притира

В ходе обработки притир и колесо, находящиеся в зацеплении,
совершают возвратно-поступательное движение. Кроме того,
притир совершает возвратно-поступательное перемещение вдоль
своей оси, что обеспечивает равномерность обработки по всей ширине
зуба. Наибольшее распространение получили схемы обработки тремя
притирами. Такой метод увеличивает производительность обработки.

Зубопритирка может обеспечить более высокое качество обра-
ботки, чем зубошлифование, лишь в случае точного изготовления
зубчатого колеса. Максимальный припуск, удаляемый притиркой,
не должен превышать 0,05 мм.

ГЛАВА XII. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК
БЕЗ СНЯТИЯ СТРУЖКИ

1.	ЧИСТОВАЯ обработка пластическим
ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

Методы обработки без снятия стружки все больше при-
меняют при изготовлении деталей машин в связи с их высокой произ-
водительностью, способностью создавать поверхность с малой шеро-
ховатостью и необходимые физико-механические свойства
поверхностного слоя.

Формы заготовок в современном производстве должны прибли-
жаться к формам готовых деталей. Методами обработки без снятия
384
стружки получают только те поверхности, которые будут сопря-
гаться с поверхностями других деталей. Представляется возмож-
ность отказаться от традиционных методов обработки резанием.
Производство деталей упрощается, отходы практически отсут-
ствуют.

Методы обработки основаны на использовании пластических
свойств металлов, т. е. способности металлических заготовок при-
нимать остаточные деформации без нарушения целостности металла.
Отделочная обработка методами пластического деформирования со-
провождается упрочнением поверхностного слоя, что очень важно
для повышения надежности работы деталей. Детали становятся
менее чувствительными к усталостному разрушению, повышаются
их коррозионная стойкость и износостойкость сопряжений, уда-
ляются риски и микротрещины, оставшиеся от предшествующей
обработки. В ходе обработки шаровидная форма кристаллов поверх-
ности металла может измениться, кристаллы сплющиваются в на-
правлении деформации, образуется упорядоченная структура во-
локнистого характера. Поверхность заготовки принимает требуемые
форму и размеры в результате перераспределения элементарных
объемов под воздействием инструмента. Исходный объем заготовки
остается постоянным.

В зоне обработки не возникает высокая температура. Поэтому
в поверхностных слоях фазовые превращения не происходят.

Обработку без снятия стружки выполняют на многих металло-
режущих станках, используя специальные инструменты. Созданы
также особые станки, на которых наряду с резанием заготовки
обрабатывают пластическим деформированием. Методы чистовой
обработки используют для всех металлов, способных пластически
деформироваться, но наиболее эффективны они для металлов с твер-
достью до НВ 280.

2.	ОБКАТЫВАНИЕ И РАСКАТЫВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Обкатыванием и раскатыванием отделывают и упрочняют
цилиндрические, конические, плоские и фасонные наружные и вну-
тренние поверхности.

Сущность этих методов состоит в том, что в результате давления
поверхностные слои металла, контактируя с инструментом высокой
твердости, оказываются в состоянии всестороннего сжатия и пласти-
чески деформируются. Инструментом являются ролики и шарики,
перемещающиеся относительно заготовки. Микронеровности обра-
батываемой поверхности сглаживаются путем смятия микро-
выступов и заполнения микровпадин.

Обкатывают, как правило, наружные поверхности, а раскаты-
вают внутренние цилиндрические и фасонные поверхности. При
обкатывании роликами основными параметрами режима упрочнения
являются давление в зоне контакта с роликом, число его проходов,
подача и скорость обкатывания. Глубину деформированного слоя
определяет давление.
Рис. 6.113. Схемы обкатывания и раскатывания поверхностей

На рис. 6.113 показаны распространенные схемы обкатывания
и раскатывания поверхностей. К вращающейся цилиндрической
заготовке подводят закаленный гладкий ролик — обкатку
(рис. 6.113, а), который под действием рабочего давления деформи-
рует поверхность. Продольная подача позволяет обрабатывать всю
заготовку. Аналогичным инструментом обрабатывают элементы за-
готовок, но с поперечной подачей (рис. 6.113, б). При раскатывании
ролик-раскатку закрепляют на консольной оправке (рис. 6.113, в).
Более совершенна конструкция инструмента с несколькими ро-
ликами (рис. 6.113, г).

Для обеспечения значительной однородности форм микронеровпостей исполь-
зуют разнообразные конструкции инструментов, различающихся числом и формой
деформирующих частей (роликов, шариков). Наилучшие результаты обеспечивают
инструменты, на которые усилие передается через упругие элементы. Этим дости-
гается постоянное усилие обработки в любой точке обрабатываемой поверхности.
Усилие может регулироваться.

Для обработки поверхностей обкатыванием и раскатыванием
чаще всего используют токарные или карусельные станки, приме-
няя вместо режущего инструмента обкатки и раскатки. Суппорты
обеспечивают необходимую подачу. Раскатки можно устанавливать
в пиноли задних бабок. Глубокие отверстия раскатывают на станках
для глубокого сверления.

Так как нагрев заготовок в местах контакта с инструментом не-
значителен, охлаждения не требуется. Для уменьшения трения ис-
пользуют смазывание веретенным маслом или керосином.

Обкатыванием и раскатыванием лишь в незначительной степени
исправляют погрешности предшествующей обработки. Поэтому пред-
варительная обработка заготовок должна быть точной с учетом смя-
тия микронеровностей и изменения окончательного размера детали.
Решающее значение в достижении необходимого качества поверх-
386
костного слоя имеет давление на поверхность Чрезмерно большое
давление так же, как и большое число проходов инструмента, разру-
шает поверхность и может привести к отслаиванию ее отдельных
участков.

3.	АЛМАЗНОЕ ВЫГЛАЖИВАНИЕ

Малой шероховатости поверхности и ее упрочнения можно
достичь алмазным выглаживанием. Сущность этого метода состоит
в том, что оставшиеся после обработки резанием неровности поверх-
ности выглаживаются перемещающимся по ней прижатым алмазным
инструментом. Алмаз, закрепленный в державке, не вращается,
а скользит с весьма малым коэффициентом трения. Рабочая часть
инструмента выполнена в виде полусферы, цилиндра или конуса.
Чем тверже обрабатываемый металл, тем меньше радиус скругле-
ния рабочей части алмаза.

Преимущества алмазного выглаживания состоят в повышении
эксплуатационных свойств обработанных поверхностен, снижении
шероховатости поверхности, отсутствии переноса на обрабатываемую
поверхность посторонних частиц, возможности обработки тонко-
стенных деталей и деталей сложной конфигурации, простоте кон-
струкции выглаживателей.

Заготовки обрабатывают на токарных станках. Державку с под-
пружиненным наконечником с алмазом устанавливают в резце-
держателе вместо резца. Движения заготовки и инструмента
аналогичны движениям заготовки и инструмента при обтачи-
вании.

Силы прижатия алмаза к обрабатываемой поверхности сравни-
тельно малы и колеблются в интервале 50—300 Н. Процесс выглажи-
вания ведут со смазыванием веретенным маслом, что примерно
в 5 раз уменьшает износ алмаза по сравнению с износом при выгла-
живании всухую. Применение керосина или эмульсии приводит
к интенсивному износу алмаза. Число проходов инструмента не
должно быть более двух.

4.	калибровка отверстий

Калибровкой повышают точность отверстий и получают
поверхности высокого качества. Метод характеризуется высокой
произ водител ь и ость ю.

Сущность калибровки сводится к перемещению в отверстии с на-
тягом жесткого инструмента. Размеры поперечного сечения инстру-
мента несколько больше размеров поперечного сечения отверстия.
При этом инструмент сглаживает неровности, исправляет погреш-
ности, упрочняет поверхность.

Простейшим инструментом служит шарик, который проталки-
вается штоком (рис. 6.114, а). Роль инструмента может выполнять
также оправка — дорн (рис. 6.114, б), к которому прикладывается
сжимающая или растягивающая (рис. 6.114, в) сила. Заготовки обра-
батывают за один или несколько ходов инструмента.
Рис. 6.114. Схемы калибровки отверстий

Заготовки обрабатывают с малыми или большими натягами.
В первом случае зона пластической деформации не распространяется
на всю толщину детали. Так обрабатывают толстостенные заготовки.
Во втором случае зона пластической деформации охватывает всю
деталь. Этот вариант обработки используют для тонкостенных
деталей, что существенно повышает их точность.

Шарики, как инструмент, не обеспечивают оптимальных усло-
вий деформирования и имеют малую стойкость. Калибрующие оп-
равки выполняют одноэлементными, многоэлементными или сбор-
ными. Каждый из элементов — поясков имеет свой размер. Дефор-
мирующие элементы изготовляют из твердого сплава или стали,
закаленных до высокой твердости.

В качестве смазочного материала для сталей и бронз применяют сульфофрезол.
для чугунов — керосин. Разработаны специальные смазочные материалы, обес-'
печивающие жидкостное трение. Они снижают рабочее усилие, способствуют повы-
шению качества поверхности, увеличивают точность обработки и стойкость ин-
струмента.

Отверстия калибруют на прессах (рис. 6.114, а, б) или горизон-
тально-протяжных станках (рис. 6.114, в). Для правильного взаим-
ного расположения инструмента и заготовки обычно применяют
самоустанавливающиеся приспособления с шаровой опорой. Заго-
товку не закрепляют.

5.	ВИБРОНАКАТЫВАНИЕ

Для повышения износостойкости деталей машин на поверхностях
трения целесообразно выдавливать слабозаметные, прилегающие друг к другу
канавки. В канавках скапливаются смазочный материал и мелкие частицы, образо-
вавшиеся в процессе изнашивания. Канавки образуются впбронакатывапием.

Упрочняющему элементу — шару или алмазу, установленному в резцедержа-
теле токарного станка, помимо обычного движения зпр (рис. 6.115) специальным
устройством сообщают дополнительные движения As с относительно малой ампли-
тудой. Изменяя v, зПр, амплитуду и частоту колебаний, можно на обрабатываемой
388
Рис. 6.115. Схема вибронакатывания

поверхности получить требуемый рисунок. Распро-
странение получили рисунки непересекающимися
канавками, с неполностью пересекающимися и со
сливающимися канавками. Возможно также вибро-
накатывание внутренних и плоских поверхностей.

Канавки одновременно упрочняют поверхность.

Важнейшей характеристикой такой поверхности
является общая площадь канавок (в процентах от номинальной площади обраба-

тывающей поверхности). Такие отклонения для каждого типа рисунка опреде-

ляют аналитически.

6.	ОБКАТЫВАНИЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Пластическое деформирование поверхностных слоев по-
вышает работоспособность зубчатых колес. Микронеровности, остав-
шиеся от предшествующей обработки, сглаживаются путем смятия
специальным инструментом.

Обрабатываемое зубчатое колесо вводят в плотное зацепление
с тремя стальными, закаленными эталонными колесами. Последние
имеют полированные зубья и располагаются вокруг обкатываемого
колеса. Эталонные колеса прижимаются к обкатываемому с помощью
пружинных устройств. Сила прижима регламентируется. Одно из
эталонных колес является ведущим и приводит во вращение обра-
батываемое колесо, а через него — два остальных эталонных колеса.
Движение колес реверсируется. Колеса обкатывают со смазочными
материалами на специальных зубообкатных станках.

Обкатыванием лишь частично исправляют профиль зуба и его
размеры путем сглаживания шероховатостей.

7.	НАКАТЫВАНИЕ РЕЗЬБ, ШЛИЦЕВЫХ ВАЛОВ
И ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Формообразование фасонных поверхностей в холодном
состоянии методом накатывания имеет ряд преимуществ. Главное
из них — очень высокая производительность, низкая стоимость об-
работки, высокое качество обработанных деталей. Накатанные
детали имеют более высокое сопротивление усталости. Это объяс-
няется тем, что при формообразовании накатыванием волокна исход-
ной заготовки не перерезаются, как при обработке резанием. Профиль
накатываемых деталей образуется за счет вдавливания инструмента
в материал заготовки и выдавливания части его во впадины инстру-
мента. Такие методы сочетают в себе функции черновой, чистовой
и отделочной обработок. Их используют для получения резьб, валов
с мелкими шлицами и зубчатых мелкомодульных колес.

Резьбы накатывают обычно до термической обработки, хотя
точные резьбы можно накатывать и после нее.

При формировании резьбы плашками (рис. 6.116, а) заготовку 2
помещают между неподвижной 1 и подвижной 3 плашками, име-
Рис. 6.116. Схемы накатывания

ющими на рабочих поверхностях рифления, профиль и расположение
которых соответствует профилю и шагу накатываемой резьбы.
При перемещении подвижной плашки заготовка катится между
инструментами, а на ее поверхности образуется резьба.

При формировании резьбы роликами (рис. 6.116, б) ролики 4
и 5 получают принудительное вращение, заготовка 2 свободно обка-
тывается между ними. Ролику 5 придается радиальное движение
для вдаливания в металл заготовки на необходимую глубину. Об-
работка роликами требует меньших усилий, с их помощью накаты-
вают резьбы с более крупными шагами.

При накатывании мелких шлицев на валах (рис. 6.116, в) накат-
ной ролик имеет профиль шлицев. Он внедряется в поверхность
заготовки при вращении и поступательном продольном переме-
щении вдоль вала.

Накатывание цилиндрических (рис. 6.116, г) и конических мелко-
модульных колес в 15—20 раз производительнее зубонарезания.
Процесс можно осуществлять иа токарных станках накатниками 6
и 7, которые закреплены на суппорте и перемещаются с подачей sIip.
Каждый накатник имеет заборную часть для постепенного образова-
ния накатываемых зубьев на заготовке 2.

Для накатывания применяют универсальное специальное обо-
рудование. Для образования резьб служат резьбонакатные станки,
развивающие усилие до 2-Ю5 Н. Эти станки автоматизированы и
имеют горизонтальное, наклонное или вертикальное движение пол-
вуна с плашкой. Резьбы роликами накатывают на автоматах.

На автоматизированном оборудовании — прессах — накатывают
и шлицы. Шлиценакатный пресс может заменить 10—15 шлицефре-
390
зерных станков. Рабочие усилия создаются мощными гидравличе-
скими устройствами.

Зубчатые колеса накатывают на специальных станках. Получает
распространение комбинированное накатывание (горячее накаты-
вание с последующей холодной калибровкой).

8.	НАКАТЫВАНИЕ РИФЛЕНИЙ И КЛЕЙМ

Методом холодного накатывания на отдельных элементах детален" на-
носят рифления, маркировочные клейма, знаки. Произгодителыюеть метода весьма
велика. В основе накатывания лежит способность металла получать местные дефор-
мации под действием накатных роликов или накатников.

На рис. 6.117,о приведена схема накатывания рифленой поверхности. Заго-
товку закрепляют па токарном станке, на суппорте которого установлена державка
с одним или двумя накатными роликами. Ролики внедряются в поверхность заго-
товки (sp и перемещаются вдоль заготовки с рабочей подачей snp. Вид рифлений
(рис. 6.117, б) определяется характером зубчиков па роликах. Крестовое рифление
производят двумя роликами, один из которых имеет правое направление отпеча-
тывающих зубчиков, а другой — левое. Оба ролика вращаются па осях самоустана-
вливающейся державки. Для накатывания клейм (рис 6 117, в) па ттчтутпике 1
располагают негативно выступающие знаки. Заготовку 2 устанавливают на ролики
для более легкого перемещения в момент накатывания.

9.	УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

Упрочняющую обработку предпринимают для увеличения
сопротивления усталости деталей. Методы упрочнения основаны на
локальном воздействии инструмента на обрабатываемый материал.
При этом возникают многочисленные зоны воздействия на весьма
малых участках поверхности, в результате чего создаются очень
большие местные давления. Многочисленные контакты с инстру-
ментом приводят к упрочнению поверхности. В поверхностных слоях
возникают существенные напряжения сжатия.

Прочность конструкционных материалов повышается благодаря
воздействию нагрузок, создающих эффективные препятствия для
движения несовершенств кристаллической решетки. При этом соз-
даются структуры с повышенной плотностью закрепленных и рав-
номерно распределенных по всему объему дислокаций.

Распространено упрочнение нанесением ударов по поверхности
заготовки шариками, роликами, различными бойками. При дина-
мическом упрочнении в качестве инструмента используют диск,

Рис, 6.117, Схемы накатывания рифлений и клейм
в котором по окружности в несколько рядов расположены ролики,
свободно сидящие на осях. Диск закрепляют на шпинделе металло-
режущего станка. При вращении диска ролики наносят по упрочняе-
мой поверхности очень большое количество ударов.

При статическом упрочнении на поверхность заготовки воздей-
ствуют вращающимися роликами в процессе обкатывания или рас-
катывания.

Процесс упрочнения можно выполнять на специальных уста-
новках. При ультразвуковом деформационном упрочнении заготовки
закрепляют в камерах, содержащих большое количество стальных
шариков диаметром 1—3 мм, смачиваемых эмульсией. Камера
получает колебания от ультразвукового генератора, и колеб-
лющиеся шарики наносят удары по поверхности заготовки. Шеро-
ховатость поверхности после деформационного упрочнения увели-
чивается.

Распространено дробеструйное динамическое упрочнение. Го-
товые детали машин подвергают ударному действию потока дроби
в специальных камерах, где дробинки с большой скоростью пере-
мещаются под действием потока воздушной струи. Их изготовляют
из отбеленного чугуна, стали, алюминия, стекла и других материа-
лов. Исходная шероховатость обрабатываемой поверхности уве-
личивается.

Этот метод применяют для таких изделий, как рессорные листы,
пружины, лопатки турбин, штоки, штампы.

Эффект деформационного упрочнения повышается при исполь-
зовании импульсных нагрузок, в частности взрывной волны. При
упрочнении взрывом необходимы энергоноситель и среда, переда-
ющая давление на упрочняемую деталь. В качестве энергоносителя
используют бризантные взрывчатые вещества, обеспечивающие как
поверхностные, так и сквозные упрочнения деталей.

ГЛАВА XIII, АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА В ЦЕХАХ

С МЕТАЛЛОРЕЖУЩИМ ОБОРУДОВАНИЕМ

1.	АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Автоматизация представляет собой совокупность меро-
приятий по разработке, созданию и внедрению автоматически дей-
ствующих средств производства. Она позволяет существенно повы-
сить производительность труда, облегчить условия работы на стан-
ках, повысить качество выпускаемой продукции.

Работа автоматического устройства характеризуется циклич-
ностью. Время каждого цикла слагается из рабочего и вспомога-
тельного времени. Основное условие работы автоматической ма-
шины — выполнение элементов цикла без вмешательства человека.
В металлорежущих станках автоматизируют включение и выключение
подач, быстрые подводы и отводы частей станков, загрузку загото-
вок и т. д. Универсальные автоматы и полуавтоматы обеспечивают
392
высокую производительность труда путем максимального совмеще-
ния всех вспомогательных и рабочих движений.

Совершенствование органов управления рабочих машин способ-
ствует созданию и дальнейшему развитию станков, осуществляющих
все движения по специальной программе — станков спрограмм-
н ы м управлением (ПУ). Эти станки отличаются быстрой
переналадкой на изготовление другой детали, большим числом ко-
манд управляющего органа станка. Станки е ПУ служат базой для
создания многооперационных етанков, имеющих набор
большого числа инструментов, расположенных в специальном уст-
ройстве — магазине. Автоматическая рука поочередно устанавли-
вает их в рабочий шпиндель для выполнения последующей работы.

Технологическое оборудование можно компоновать в автомати-
ческие линии, т, е. создавать систему автоматов, объединенных
средствами транспортирования и управления. Большое развитие
получают автоматические линии, состоящие из агрегатных станков.
Такие линии создают для обработки вполне определенных деталей,
например, корпусов для механизмов автомобилей, тракторов и др.
Автоматические линии могут быть далее объединены в более слож-
ные системы (например, цехи), которые образуют автоматические
заводы. Станки с ПУ также могут быть объединены в автоматические
линии, которые могут обслуживаться ЭВМ.

Создание станков-автоматов непрерывного действия позволяет
в наибольшей степени повысить производительность труда. Это
достигается совмещением времен рабочих и вспомогательных дви-
жений при одновременной обработке нескольких заготовок. Такие
станки могут быть скомпонованы в автоматические линии непрерыв-
ного действия. При автоматизации производства процесс изготовле-
ния детали можно расчленить на отдельные операции, каждую из
которых поручают автоматическому устройству в виде механизма или
станка (принцип дифференциации). Все механизмы или станки
работают одновременно. Вместе с тем эти устройства можно объеди-
нить в автоматически действующие комплексы (принцип концен-
трации), представляющие собой станки, линии, цехи или заводы.

2.	УНИВЕРСАЛЬНЫЕ АВТОМАТЫ

Процесс изготовления деталей на универсальных автома-
тах полностью определяется профилем и взаимным расположением
кулачков, представляющих собой программоносители и закреплен-
ных на распределительном валу в ориентированном по отношению
друг к другу положении. Все действия рабочих органов автоматов
происходят в полном соответствии с циклом его работы. Универ-
сальность автоматов состоит в возможности изготовления очень боль-
шого числа различных деталей в определенных диапазонах размеров.

Рабочий цикл автомата соответствует одному обороту распре-
делительного вала. Частота вращения распределительного вала
изменяется с помощью органов настройки, например гитары смен-
ных зубчатых колес.
По описанной схеме могут работать автоматы различного техно-
логического назначения, в частности большинство металлорежущих
автоматов. Они сравнительно просты и надежны в работе. Вместе
с тем такие автоматы не реагируют на изменение качества деталей
в ходе обработки.

Для увеличения производительности применяют многошпиндель-
ные автоматы. При этом обработка заготовок происходит одновре-
менно в нескольких позициях.

3.	АВТОМАТИЗАЦИЯ НА БАЗЕ СТАНКОВ С ПРОГРАММНЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ

Основное преимущество станков с программным управле-
нием состоит в сокращении времени обработки, простоте переналадки
и возможности использования в цехах, где наблюдается быстрая
смена объектов производства. Металлорежущие станки оснащают
цикловым (ЦПУ) и числовым (ЧПУ) программным управлением.
Станки с ЦПУ имеют позиционную систему управления с панелями
упоров, отключающих подачу суппорта или ползуна. Такую систему
используют, например, для обработки заготовок типа ступенчатых
валов. Программа задается расстановкой специальных стержней-
штекеров в гнездах панели, расположенной в отдельном пульте
системы ПУ, что дает возможность запрограммировать несколько
различных этапов обработки.

Рассмотрим принципиальную схему ЦПУ (рис. 6.118). Станок
включается нажатием кнопки 1. При этом срабатывает реле 3 и
устройство 4, получив импульс, переводит переключатель 5 из
положения 0 в положение а. Ток проходит через коммутаторное
устройство. Все правые полукольца 6 устройства связаны с соответ-
ствующими контактами шагового переключателя 5, а левые полу-
кольца 7 — с реле 8, управляющими механизмами станка. Ша-
говый переключатель поочередно включает контакты горизонталь-
ного ряда, но ток пойдет только в то реле 8, в гнездо которого вста-
влен штекер. Величина перемещения механизма станка устанавли-
вается с помощью упоров 2, закрепленных на движущихся частях
станка, и конечного переключателя 9. Каждый раз при срабатыва-
нии выключателя 9 реле 3 получает импульс на перевод шагового
переключателя в соответствующее положение. Если, например,
необходимо просверлить несколько отверстий, то система ЦПУ
обеспечит автоматическое включение подач SB, 5У1, Sy„ 5Уа и т. д.
При этом на детали будут получены закоординированные отверстия.

Станки с ЦПУ достаточно просты и относительно дешевы. Однако
переналадка их трудоемка. Изменение программы требует переста-
новки большого числа упоров и штекеров в новые положения. Для
расширения технологических возможностей станков используют
системы с ЧПУ. Программа задается о помощью чисел в закодиро-
ванном виде на программоносителе — перфорированной или ма-
гнитной ленте. Система может производить перемещения рабочих
органов станка по одной или трем координатам. При ЧПУ на пер-
394
<)]

121

i2]2i_~ (
i2]2i2ir^'K.

<>i2i2i2i_™

7	6	5

Рис. 6.118. Схема циклового программ-
ного управления

Рис. 6.119. Схема станка с шаговыми

двигателями

форированной ленте может быть зафиксировано практически не-
ограниченное число команд.

У станка с шаговыми двигателями (рис. 6.119) для перемещения
стола по двум координатам перфорированная лента (с отверстиями) 1
перемещается специальным механизмом. Лента выполнена из плот-
ной бумаги или пластмассы. Расположение отверстий на дорожках
ленты соответствует импульсам, передаваемым органам станка
(столу, шпинделю и т. д.). Информацию программоносителя воспри-
нимает считывающее устройство 2. Нижний и верхний (шарик)
контакты могут замкнуться и дать импульс только тогда, когда
между ними окажется отверстие ленты. Информация считывается
с каждой ее дорожки. Распределители импульсов 3 передают их
в усилители 4. Импульсы тока необходимой величины поступают
в шаговые электродвигатели 5. При этом каждому импульсу соответ-
ствует определенный угол поворота вала электродвигателя. Если
подавать на электродвигатель энергию в дискретной форме (в соот-
ветствии с расположением отверстий на ленте), то в итоге его вал по-
вернется на заданную величину. Связанные с электродвигателями
ходовые винты 6 и 7 обеспечивают подачу стола 8 вдоль координат-
ных осей х и у. Величины перемещений зависят от числа переданных
импульсов, а скорость — от частоты импульсов.

Предположим, что необходимо обработать криволинейный про-
филь 9 фрезой 10. Траектория движения фрезы показана штриховой
линией. Сложное движение по кривой заменяют прямолинейными
движениями вдоль осей координат на величины Дд. и Д^, что выпол-
нить сравнительно просто. Для этого на ходовые винты стола пооче-
редно подают необходимые импульсы. Криволинейный профиль
заменяется ломаной линией с большим числом опорных точек а,
b и т. д.
Рис. 6.120. Многооперациоппын станок

Следующее звено автоматизации — оснащение станков с ЧПУ
устройствами для размещения (магазинами) и автоматической за-
мены инструмента. Это позволяет последовательно выполнять боль-
шое число разных этапов обработки, осуществляемых различными
режущими инструментами без снятия заготовки со станка. В ма-
газинах можно разместить до 150 инструментов. Режущий инстру-
мент по команде от программы подается в рабочее положение в лю-
бой последовательности с помощью специальной автоматической
руки. Все это позволяет обрабатывать, например, сложные корпус-
ные детали е четырех-пяти сторон.

Рассмотрим общую компоновку одного из таких многооперациои-
ных станков (рис. 6.120). Заготовка в виде корпусной детали уста-
навливается и закрепляется на столе 8, после чего перемещается по
стрелке А (в направлении х) в рабочую позицию 6. Шпиндельная
бабка 2 станка перемещается по направляющим станины в направ-
лении г. Автоматическая рука 4, делая сложные пространственные
движения, переносит из цепного магазина 3 соответствующий ре-
жущий инструмент и устанавливает его в шпиндель 1. В ходе обра-
396
ботки корпусной детали устройство программного управления 5
обеспечивает координатное перемещение элементов станка по осям х,
у, z; поворот вокруг вертикальной оси стола в позиции 6 на необхо-
димый угол; выбор и смену режущего инструмента. Обработанная
с четырех сторон заготовка передвигается по стрелке В по направ-
ляющим 7 на позицию 9.

В то время, пока в позиции 6 производилась обработка, в пози-
ции 8 закрепляли вторую заготовку, которая по стрелке А также
передается в позицию обработки. Готовая деталь с позиции 9 пере-
дается но стрелке С в позицию 8, ее снимают со стола, а на ее место
устанавливают следующую заготовку. Вспомогательные движения
максимально совмещены. Во время обработки заготовки магазин 3
перемещается, и в районе действия руки 4 оказывается нужный
инструмент. На его смену расходуется несколько секунд.

Обработка на многооперационных станках обеспечивает повы-
шенную точность. Инструмент настраивается на размер вне станка,
положение его очень точно фиксируется в рабочем шпинделе. Эффек-
тивность использования таких станков возрастает с увеличением
сложности обрабатываемых заготовок.

Высшей формой организации работы станков с ЧПУ является
создание комплексных автоматизированных участков с централи-
зованным управлением от ЭВМ.

4.	АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ

Автоматическая линия — это система автоматически дей-
ствующих станков, связанных транспортирующими средствами и
имеющая единое управляющее устройство. Часто линии изготовляют
для обработки вполне определенных деталей (например, картеров
коробок скоростей автомобиля). Однако, если конструкция детали
изменится, данная линия окажется непригодной для дальней-
шего использования. Чтобы этого не случилось, используют
принцип агрегатирования. При этом линию компонуют из стан-
дартизованных элементов. Новая конструкция обрабатываемой де-
тали приведет к новой компоновке линии из элементов, использо-
ванных ранее.

Автоматические линии можно разделить на синхронные и несин-
хронные. В синхронных линиях (рис. 6.121, а) заготовки 1 пере-
даются непосредственно от одного станка 2 к другому с помощью
транспортного устройства. Это устройство перемещает одновременно
все заготовки на шаг I. Станки в линии устанавливают так, чтобы
можно было одновременно обрабатывать заготовки с двух сторон.
Поворотный стол 3 позволяет последовательно поворачивать заго-
товки на 90° для того, чтобы на втором участке линии обрабатывать
другие стороны.

В несинхронных линиях (рис. 6.121, б) используют магазины-
накопители 4. Их устанавливают между отдельными участками стан-
ков. Если, например, участок II вышел из строя, то участок III
продолжает работать, потребляя заготовки из накопителя. В свою
< 2 i

*".□ □ □ □ □ □,

'	Ш	5)

Рис. 6.121. Схемы автоматических линий

очередь, продолжает работать и участок /. Заготовки 2, обработан-
ные на станках 1, поступают в позицию 3 и оттуда в накопитель по
штриховой стрелке А. Такие линии более производительны, так как
простои их значительно сокращены.

Чтобы можно было расширить технологические возможности
линии и производить обработку на них деталей, схожих по форме
и размерам, линия должна быть переналаживаемой. Управление
работой линии может производиться с помощью системы ЧПУ.
Автоматические линии могут управляться непосредственно ЭВМ,
которые обеспечивают более широкий круг выполняемых работ,
нежели в линиях, описанных выше.

Автоматические линии обладают высокой производительностью.
Появились комплексы, на которых обработка заготовок произво-
дится при их непрерывном движении от начала до конца линии.
По своей сущности такие автоматические системы наиболее совер-
шенны.

5.	ГИБКИЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВА

Современные средства автоматизации, которыми оснащены
автоматические линии, цехи и заводы, имеют существенный недо-
статок — они могут быть рационально использованы в массовом
производстве. Однако наиболее распространенным типом производ-
ства является серийный. Возможность быстрого переналаживания
оборудования в условиях серийного производства при изготовлении
даже небольших партий заготовок обеспечивают гибкие автоматиче-
ские производства (ГАП). ГАП организуется на базе оборудования,
управляемого ЭВМ с помощью программ. Смена программ произво-
дится достаточно просто и быстро, при этом оборудование быстро
398
переналаживается на изготовление другой детали. Использование
ЭВМ позволяет осуществлять очень сложные способы управления.
Кроме изменения движения рабочих органов, машина может обу-
чаться, поднастраиваться в процессе работы, определенным обра-
зом реагировать на различные внешние возмущения.

Гибкими могут быть линия, участок, цех, завод. Все элементы
производства управляются единой системой. Согласованно, в авто-
матическом режиме работают транспортные устройства, склады за-
готовок и деталей, система смены и установки инструментов, устрой-
ства контроля продукции и т. д. В производственном процессе ГАП
человек непосредственно участия не принимает. ГАП функционирует
на основе так называемой безлюдной технологии.

Рассмотрим в общем виде этапы работы ГАП. Склад автоматиче-
ски выдает транспортному устройству заготовку или партию заго-
товок, установленных в ячейках специальной тары. Заготовки, до-
ставленные к станку, поочередно передаются с помощью робота,
управляемого от единой ЭВМ, на рабочую позицию станка и закреп-
ляются в определенном положении. Программное управление стан-
ком обеспечивает все его движения, смену инструмента и гаранти-
рует качество детали. Если необходимо выполнить на той же заго-
товке другие технологические операции на другом станке, то тот же
или другой робот осуществляет дальнейшую перестановку заго-
товки. Второй станок также управляется соответствующей про-
граммой. В работе могут участвовать несколько станков, образую-
щих участок или цех с гибким производством. Готовая продукция
с помощью роботов передается к измерительным устройствам, кото-
рые также работают по определенной программе и оценивают ре-
зультаты действий всего комплекса технологического оборудования.
Информация, получаемая по данным измерений, может быть исполь-
зована для автоматической подналадки этого оборудования. Детали,
прошедшие контроль, автоматически направляются на склад гото-
вой продукции.

ГАП способствует резкому увеличению производительности труда
в условиях серийного производства, позволяет очень быстро пере-
ходить на изготовление сходной, но другой продукции, обеспечивает
повышение качества продукции за счет стабильных режимов обра-
ботки, автоматического устранения возможных ошибок, позволяет
сократить цикл обработки, улучшает условия труда рабочих, обслу-
живающих весь комплекс.

Система использования ГАП позволяет отказаться от значитель-
ной части технологической документации, которая ранее охватывала
многочисленные данные по заготовкам, оборудованию, инструменту,
контролю и др. С использованием ГАП такую документацию заменяет
информация, заложенная в программах. Современные вычислитель-
ные комплексы позволяют передавать данные о конструкции деталей
непосредственно тем ЭВМ, которые управляют металлорежущими
станками для обеспечения технологических процессов изготовления
этих деталей. Такой подход к автоматизации является стратегиче-
ской линией развития машиностроительного производства.
РАЗДЕЛ 7

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

В машиностроении часто возникают технологические проб-
лемы, связанные е обработкой материалов и деталей, форму и состоя-
ние поверхностного слоя которых трудно получить механическими
методами. К таким проблемам относится обработка весьма прочных,
очень вязких, хрупких и неметаллических материалов, тонкостен-
ных нежестких деталей, пазов и отверстий, имеющих размеры в не-
сколько микрометров, поверхностей деталей с малой шероховатостью
или малой толщиной дефектного поверхностного слоя. Подобные
проблемы решаются применением электрофизических и электро-
химических (ЭФЭХ) методов обработки, условная классификация
которых дана на рис. 6.1. Для осуществления размерной обработки
заготовок ЭФЭХ методами используют электрическую, химическую,
звуковую, световую, лучевую и другие виды энергии.

ЭФЭХ методы обработки успешно дополняют обработку резанием,
а в отдельных случаях имеют преимущества перед ней. При ЭФЭХ
методах обработки силовые нагрузки либо отсутствуют, либо на-
столько малы, что практически не влияют на суммарную погреш-
ность точности обработки. Методы позволяют не только изменять
форму обрабатываемой поверхности заготовки, но и влиять на со-
стояние поверхностного слоя. Так, например, обработанная поверх-
ность не упрочняется, дефектный слой незначителен, удаляются
прижоги поверхности, полученные при шлифовании и т. п. При этом
повышаются износостойкие, коррозионные, прочностные и другие
эксплуатационные характеристики деталей.

Кинематика формообразования поверхностей деталей ЭФЭХ
методами обработки, как правило, проста, что обеспечивает точное
регулирование процессов и их автоматизацию.

ЭФЭХ методы обработки универсальны и непрерывны, позволяют
выполнять одновременное формообразование всех обрабатываемых
поверхностей. На обрабатываемость заготовок ЭФЭХ методами (за
исключением ультразвукового и некоторых других) твердость и
вязкость обрабатываемого материала практически не влияют. В про-
мышленности широко применяют комбинированные методы обра-
ботки, которые дают значительно больший эффект, чем каждый из
методов отдельно.

Отметим, что некоторые ЭФЭХ методы обработки еще не доста-
точно полно изучены и требуют дальнейших исследований.
1.	ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Электроэрозионные методы обработки основаны на законах
эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов
при пропускании между ними импульсного электрического тока.
К этим методам относят электроискровую, электроимпульсную,
высокочастотные электроискровую и электроимпульсную и электро-
контактную обработку.

При разности потенциалов на электродах происходит ионизация
межэлектродного промежутка. Когда напряжение достигнет опре-
деленного значения, в среде между электродами образуется канал
проводимости, по которому устремляется электрическая энергия
в виде импульсного искрового или дугового разряда. При высокой
концентрации энергии, расходуемой за 10-5—10~8 с, мгновенная
плотность тока в канале проводимости достигает 8000—ЮОООА/мм2,
в результате чего температура на поверхности обрабатываемой за-
готовки-электрода возрастает до 10 000—12 000 °C. При этой тем-
пературе мгновенно оплавляется и испаряется элементарный объем
металла и на обрабатываемой поверхности заготовки образуется
лунка. Удаленный металл застывает в диэлектрической жидкости
в виде гранул диаметром 0,01—0,005 мм.

Следующий импульс тока пробивает межэлектродный промежу-
ток там, где расстояние между электродами наименьшее. При не-
прерывном подведении к электродам импульсного тока процесс
эрозии продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл,
находящийся между электродами на расстоянии, при котором воз-
можен электрический пробой (0,01—0,05 мм) при заданном напря-
жении. Для продолжения процесса необходимо сблизить электроды
до указанного расстояния. Электроды сближаются автоматически
с помощью следящих систем.

Кроме теплового воздействия при электроэрозионной обработке
на материал заготовки-электрода действуют электродинамические и
электростатические силы, а также давление жидкости вследствие
кавитации, сопровождающей процессы импульсных разрядов. Со-
вокупность тепловых и силовых факторов приводит к разрушению
металла и формообразованию поверхности обрабатываемой заго-
товки-электрода.

Электрический разряд между двумя электродами происходит
в газовой среде или при заполнении межэлектродного промежутка
диэлектрической жидкостью (керосином, минеральным маслом).
В жидкой среде процесс электроэрозии происходит интенсивнее.

При электроискровой обработке используют импульсные искро-
вые разряды между электродами, один из которых обрабатываемая
заготовка (анод), а другой — инструмент (катод).

Схема электроискрового станка с генератором импульсов RC
показана на рис. 7.1. Конденсатор С, включенный в зарядный кон-
тур, заряжается через резистор R от источника постоянного тока
напряжением 100—200 В. Когда напряжение иа электродах 1 и 3,
образующих разрядный контур, достигнет пробойного, образуется
сатором. Продолжительность импульса

Рис. 7.1. Схема электроискро-
вого станка;

1 — электрод-инструмент; 2 — вл и-
на; 3 — заготовка-электрод; 4 -
диэлектрическая жидкость; 5 —
изолятор

канал проводимости, через
который осуществляется
искровой разряд энер-
гии, накопленной конден-
составляет 20—200 мкс.

При увеличении емкости конденсатора накапливаемый в нем

запас энергии увеличивается и, следовательно, повышается произ-
водительность процесса. В зависимости от количества энергии,
расходуемой в импульсе, режим обработки делят на жесткий или
средний —для предварительной обработки и мягкий или особо
мягкий —для отделочной обработки. Мягкий режим обработки
позволяет получать размеры с точностью до 0,002 мм при шерохо-
ватости поверхности 0,63—0,16 мкм.

Обработку ведут в ваннах, заполненных диэлектрической жид-
костью. Жидкость исключает нагрев электродов (инструмента и за-
готовки), охлаждает продукты разрушения, уменьшает величину
боковых разрядов между инструментом и заготовкой, что повышает
точность обработки.

Для обеспечения непрерывности процесса обработки необходимо,
чтобы зазор между инструментом-электродом и заготовкой был по-
стоянным. Для этого электроискровые станки снабжают следящей
системой и механизмом автоматической подачи инструмента. Ин-
струменты-электроды изготовляют из медно-графитовых и других

материалов.

В эрозионных станках используют различные генераторы им-
пульсов электрических разрядов: RC (резистор-емкость); RLC (L ~
индуктивность); LC; ламповые генераторы. В промышленности при-
меняют широкодиапазонные транзисторные генераторы импульсов.
Эти генераторы потребляют мощность 4—18 кВт при силе тока 16—
125 А. Производительность обработки составляет 75—1900 мм3/мин
при шероховатости обработанной поверхности 4—0,2 мкм.

Электроискровым методом обрабатывают практически все токо-
проводящие материалы, но эффект эрозии при одних и тех же пара-
метрах электрических импульсов различен. Зависимость интенсив-
ности эрозии от свойств металлов называют электроэрозионной обра-
батываемостью. Если принять электроэрозионную обрабатываемость
стали за единицу, то для других металлов ее можно представить
в следующих относительных единицах: твердые сплавы—0,6;
титан —0,6; никель —0,8; медь — 1,1; латунь — 1,6; алюминий —
4; магний — 6.

Электроискровым методом целесообразно обрабатывать твердые
сплавы, труднообрабатываемые металлы и сплавы, тантал, молибден
и другие материалы,
Рис. 7.2. Схемы электроискровой обработки:

а — прошивание отверстия; б — обработка фасонной полости штампа; в — прошивание
отверстия по способу трепанации; г — прошивание отверстия с криволинейной осью; д —•
вырезание заготовки из листа; е — шлифование внутренней поверхности фильеры

Электроискровым методом (рис. 7.2) получают сквозные отверстия
любой формы поперечного сечения (а), глухие отверстия и полости (б),
фасонные отверстия и полости по способу трепанации (в), отверстия
с криволинейными осями (г); вырезают заготовки из листа при ис-
пользовании проволочного или ленточного инструмента-электрода (д),
выполняют плоское, круглое и внутреннее (е) шлифование, разре-
зают заготовки, клеймят детали.

Электроискровую обработку применяют для изготовления штам-
пов, пресс-форм, фильер, режущего инструмента, деталей топливной
аппаратуры двигателей внутреннего сгорания, сеток и сит.

Электроискровую обработку применяют для упрочнения поверх-
ностного слоя металлов деталей машин, пресс-форм, режущего
инструмента. Упрочнение состоит в том, что на поверхность изделий
наносят тонкий слой какого-либо металла, сплава или композицион-
ного материала. Подобные покрытия повышают твердость, износо-
стойкость, жаростойкость, эрозионную стойкость и другие харак-
теристики изделий.

На ограниченных участках особо нагруженной поверхности де-
тали можно проводить сложнейшие микрометаллургические про-
цессы.

При электроимпульсной обработке используют электрические
импульсы большой длительности (500—10 000 мкс), в результате
чего происходит дуговой разряд. Большие мощности импульсов, по-
Рис. 7.3. Схема электроим-
пульсиой обработки;

/ — .электродвигатель; 2 — им-
пульсный генератор постоян-
ного тока-, i — инструмент*
электрод; 4 — заготовка-элек-
трод; 5 — ванна

лучаемых от электронных или машинных генераторов, обеспечивают
высокую производительность процесса обработки. Применение гене-
раторов и графитовых электродов, а также обработки при обратной
полярности позволило уменьшить разрушение электродов (рис. 7.3).

Электроимпульсную обработку целесообразно применять при
предварительной обработке штампов, турбинных лопаток, фасонных
отверстий в деталях из жаропрочных сплавов. Точность размеров и
шероховатость обработанных поверхностей зависят от режима об-
работки. При электроимпульсной обработке съем металла в единицу
времени в 8—10 раз больше, чем при электроискровой обработке.

Высокочастотную электроискровую обработку применяют для
повышения точности и уменьшения шероховатости поверхностей
обработанных электроэрозионным методом. Метод основан на ис-
пользовании электрических импульсов малой мощности при частоте
100—150 кГц.

При высокочастотной электроискровой обработке (рис. 7.4)
конденсатор С разряжается при замыкании первичной цепи импульс-
ного трансформатора прерывателем, вакуумной лампой или тира-
троном. Инструмент-электрод и заготовка включены во вторичную
цепь трансформатора, что исключает возникновение дугового раз-
ряда.

Производительность метода в 30—50 раз выше, чем при электро-
искровом методе при значительном увеличении точности и умень-
шении шероховатости. Износ инструмента незначителен.

Высокочастотный электроискровой метод применяют при обра-
ботке деталей из твердых сплавов, так как он исключает структур-
ные изменения и образование микротрещин в поверхностном слое
материала обрабатываемой заготовки.

В станках для электроэрозионной обработки используют различ-
ные системы программного управления, когда для обработки за-
готовки необходимы две (или более) подачи (см. рис. 7.2, д). В стан-
ках для проволочной резки используют непрерывно разматыва-
ющийся проволочный электрод-инструмент, который приводится

Рис. 7.4. Схема высокоча-
стотной электроискровой
обработки:

1 — инструмент-электрод; 2 —
заготовка-электрод; 3 — им-
пульсный трансформатор; 4 —
прерыватель тока; 5 — выпря-
митель
Высокоточная конструкция станков с чувствительными сервосистемами позво-
ляет изготовлять детали сложной геометрической формы. Приборы автоматического
переключения на разные подачу и глубину резания, управляемые системой ПУ,
обеспечивают оптимальное использование электроэрозионных станков, так как в за-
висимости от хода процесса обработки режим работы согласуется с технологиче-
скими требованиями к деталям. Применяемые адаптивные системы ПУ позволяют
своевременно определять отклонения в ходе обработки и устранять их. Изменения
параметров процесса обработки вносятся в устройства, формирующие сигнал кор-
рекции. Использование программного управления перемещениями заготовки отно-
сительно инструмента (snp, sn, sB) позволяет с помощью простых электродов-инстру-
ментов изготовлять поверхности деталей сложных геометрических форм.

Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве
заготовки в месте контакта с электродом-инструментом и удалении
размягченного или даже расплавленного металла из зоны обработки
механическим способом: относительным движением заготовки и
инструмента. Источником теплоты в зоне обработки служат импульс-
ные дуговые разряды. Электроконтактную обработку (ЭКО) оплав-
лением рекомендуют для обработки крупных деталей из углероди-
стых и легированных сталей, чугуна, цветных сплавов, тугоплав-
ких и специальных сплавов.

ЭКО применяют при зачистке отливок от заливов, отрезке лит-
никовых систем и прибылей, зачистке проката из спецсплавов, чер-
новом круглом наружном, внутреннем и плоском шлифовании корпус-
ных деталей машин из труднообрабатываемых сплавов (рис. 7.5),
шлифовании с одновременной поверхностной закалкой деталей из
углеродистых сталей. Метод обработки не обеспечивает высокой
точности и качества поверхности, но дает высокую производитель-
ность съема металла.

2.	ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Электрохимические методы обработки (ЭХО) основаны
на законах анодного растворения при электролизе. При прохожде-
нии постоянного электрического тока через электролит па поверх-
ности заготовки, включенной в электрическую цеиь и являющейся
анодом, происходят химические реакции и поверхностный слой ме-
талла превращается в химическое соединение. Продукты электро-
лиза переходят в раствор или удаляются механическим способом.

Производительность процессов ЭХО зависит в основном от элек-
трохимических свойств электролита, обрабатываемого токопрово-
дящего материала и плотности тока.

Электрохимическое полирование (рис. 7.6) выполняют в ванне,
ааполненной электролитом. В зависимости от обрабатываемого ма-
Рис. 7.6. Схема электрохими-
ческого полирования:

1 — ванна: 2 — обрабатываемая
заготовка; 3 — пластина-электрод;

4 — электролит; 5 — микровыступ;

6 — продукты анодного растворе-
ния

териала электролитом служат растворы кислот или щелочей. Обра-
батываемую заготовку подключают к аноду; электродом-катодом
служит металлическая пластина из свинца, меди, стали. Для боль-
шей интенсивности процесса электролит подогревают до темпера-
туры 40—80 °C.

При подаче напряжения на электроды начинается процесс раство-
рения материала заготовки-анода. Растворение происходит главным
образом на выступах микронеровностей поверхности вследствие
более высокой плотности тока на их вершинах. Кроме того, впадины
между микровыступами заполняются продуктами растворения: окси-
дами или солями, имеющими пониженную проводимость. В резуль-
тате избирательного растворения, т. е. большей скорости растворе-
ния выступов, микронеровности сглаживаются и обрабатываемая
поверхность приобретает металлический блеск. Электрополирование
улучшает электрофизические характеристики деталей, так как
уменьшается глубина микротрещин, поверхностный слой обрабаты-
ваемых поверхностей не деформируется, исключаются упрочнение
и термические изменения структуры, повышается коррозионная
стойкость.

Электрополирование позволяет одновременно обрабатывать пар-
тию заготовок по всей их поверхности. Этим методом получают по-
верхности деталей под гальванические покрытия, доводят рабочие
поверхности режущего инструмента, изготовляют тонкие ленты
и фольгу, очищают и декоративно отделывают детали.

Электрохимическую размерную обработку выполняют в струе
электролита, прокачиваемого под давлением через межэлектродный
промежуток, образуемый обрабатываемой заготовкой-анодом и ин-
струментом-катодом.

Струя электролита, непрерывно подаваемого в межэлектродный
промежуток, растворяет образующиеся на заготовке-аноде соли и
удаляет их из зоны обработки. При этом способе одновременно
обрабатывается вся поверхность заготовки, находящаяся под актив-
ным воздействием катода, что обеспечивает высокую производитель-
ность процесса. Участки заготовки, не требующие обработки, изо-
лируют. Инструменту придают форму, обратную форме обрабатывае-
мой поверхности. Формообразование поверхности происходит по
методу отражения (копирования), при котором отсутствует износ
инструмента, так как таковым является струя электролита.

Импульсное рабочее напряжение способствует повышению точ-
ности обработанной поверхности заготовки. Точность обработки зна*
Рис. 7.7. Схема электрохимической размерной обработки:

J в- инструмент-электрод; 2 « заготовка; 3 изолятор

чительно повышается при уменьшении рабочего зазора между заго-
товкой и инструментом. Для контроля зазора в станках ЭХО ив-
пользуют высокочувствительные элементы, встраиваемые в следя-
щую систему. Способ рекомендуют для обработки заготовок из
высокопрочных сплавов, карбидных и труднообрабатываемых мате-
риалов. Отсутствие давления инструмента на заготовку позволяет
обрабатывать нежесткие тонкостенные детали о высокой точностью
и качеством обработанной поверхности.

Для размерной электрохимической обработки используют ней-
тральные электролиты. Наиболее широко применяют растворы
солей NaCl, NaNO3 и Na2SO4.

На рис. 7.7 показаны схемы обработки заготовок в струе проточ-
ного электролита: турбинной лопатки (а), штампа (б) и схема про-
шивания сквозного цилиндрического отверстия (в).

При электроабразивной и электроалмазной обработке инстру-
ментом-электродом служит шлифовальный круг, выполненный из
абразивного материала на электропроводящей связке (бакелитовая
связка с графитовым наполнителем). Между анодом-заготовкой и
катодом-шлифовальным кругом имеется межэлектродный зазор,
образованный зернами, выступающими из связки. В зазор подается
электролит. Продукты анодного растворения материала заготовки
удаляются абразивными зернами; шлифовальный круг имеет враща-
тельное движение, а заготовки —движения подачи, т. е. движения,
соответствующие процессу механического шлифования.

Введение в зону резания ультразвуковых колебаний повышает
производительность электроабразивного и электроалмазного шли-
фования в 2—2,5 раза при значительном улучшении качества обра-
ботанной поверхности. Электроабразивные и электроалмазные ме-
тоды применяют для отделочной обработки заготовок из труднооб-
рабатываемых материалов, а также нежестких заготовок, так как
силы резания здесь незначительны. При этих методах обработки
прижоги обрабатываемой поверхности практически полностью исклю-
чены.

При электроабразивной обработке (рис. 7.8) 85—90 % припуска
удаляется за счет анодного растворения и 15—10 % за счет меха-
нического воздействия. При электроалмазной обработке ~75 %
Рис. 7.8. Схема элсктроабразивного шлифо-
вания:

1 — заготовка; 2 — абразивные зерна; 3 — связка
шлифовального круга

Рис. 7.9. Схема электрохимиче-
ского хонингования цилиндра:
1 — хонинговальная головка; 2 —•
заготовка цилиндра; 3 — изоля-
тор; 4 — ванна; 5 —* стол хонинго-
вального станка

припуска удаляется за счет анодного растворения и ~25 % — за
счет механического воздействия алмазных зерен.

Отделочную обработку поверхностей заготовок можно проводить
электрохимическим хонингованием (рис. 7.9). Кинематика процесса
соответствует хонингованию абразивными головками. Отличие со-
стоит в том, что заготовку устанавливают в ванне, заполненной
электролитом, и подключают к аноду. Хонинговальную головку под-
ключают к катоду. Вместо абразивных брусков в головке установ-
лены деревянные или пластмассовые. Продукты анодного растворе-
ния удаляются с обрабатываемой поверхности брусками при враща-
тельном и возвратно-поступательном движениях хонинговальной
головки. Чтобы продукты анодного растворения удалялись более
активно, в электролит добавляют абразивные материалы. После
того как удаление припуска с обрабатываемой поверхности закон-
чено, осуществляют процесс «выхаживания» поверхности при выклю-
ченном электрическом токе для полного удаления анодной пленки
с обработанной поверхности. Электрохимическое хонингование обес-
печивает более низкую шероховатость поверхности, чем хонингова-
ние абразивными брусками. Поверхность получает зеркальный блеск.
Производительность электрохимического хонингования в 4—5 раз
выше производительности механического хонингования.

3.	АНОДНО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Анодно-механическая обработка основана на сочетании
электротермических и электромеханических процессов и занимает
промежуточное место между электроэрозионными и электрохими-
ческими методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду,
а инструмент — к катоду. В зависимости от характера обработки и
вида обрабатываемой поверхности в качестве инструмента исполь-
зуют металлические диски, цилиндры, ленты, проволоку. Обработку
ведут в среде электролита, которым чаще всего служит водный
408
Рис. 7.10. Схема анодно-меха-
нической обработки плоской по-
верхности

Рис. 7.11. Примеры анодно-ме-
ханической обработки

раствор жидкого натриевого стекла. Заготовке и инструменту задают
такие же движения, как при обычных методах механической
обработки резанием. Электролит подают в зону обработки через
сопло (рис. 7.10).

При пропускании через раствор электролита постоянного элек-
трического тока происходит процесс анодного растворения, как
при электрохимической обработке. При соприкосновении инстру-
мента-катода с микронеровностями обрабатываемой поверхности
заготовки-анода происходит процесс электроэрозии, присущий элек-
троискровой обработке. Кроме того, при пропускании электриче-
ского тока металл заготовки в точке контакта с инструментом разо-
гревается так же, как при электроконтактной обработке, и материал
заготовки размягчается. Продукты электроэрозии и анодного раство-
рения удаляются из зоны обработки при относительных движениях
инструмента и заготовки.

Анодно-механическим способом обрабатывают заготовки из всех
токопроводящих материалов, высокопрочных и труднообрабатывае-
мых металлов и сплавов, вязких материалов.

В станках для анодно-механической обработки используют си-
стемы ЧПУ. От программы осуществляется управление скоростями
движений заготовки и инструмента, поддерживается постоянство
зазора в рабочем пространстве между ними, задаются параметры
электрического режима при переходе с черновой обработки на чи-
стовую.

Анодно-механическим методом (рис. 7.11) разрезают заго-
товки на части (а), прорезают пазы и щели, обтачивают поверхности
тел вращения (б), шлифуют плоские поверхности и поверхности,
имеющие форму тел вращения (в), полируют поверхности, затачи-
вают режущий инструмент.
4.	ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

Сущность химической обработки заключается в направ-
ленном разрушении металлов и сплавов травлением их в растворах
кислот и щелочей.

Перед травлением обрабатываемые поверхности заготовки тща-
тельно очищают. Поверхности, не подлежащие обработке, защищают
химически стойкими покрытиями (окрашивают лаками и красками,
применяют химические и гальванические покрытия, светочувстви-
тельные эмульсии).

Подготовленные заготовки опускают в ванну с раствором кис-
лоты или щелочи в зависимости от материала, из которого они из-
готовлены. Незащищенные металлические поверхности заготовок
подвергаются травлению. Чтобы скорость травления была постоян-
ной, концентрацию раствора поддерживают неизменной, а для
большей интенсивности процесса травления раствор подогревают до
температуры 40—80 °C. После обработки заготовки промывают,
нейтрализуют, еще раз промывают горячим содовым раствором,
сушат и снимают защитные покрытия.

Химическим травлением получают местные утонения на неже-
стких заготовках, ребра жесткости, извилистые канавки и щели,
«вафельные» поверхности, обрабатывают поверхности, труднодоступ-
ные для режущего инструмента.

Химико-механическим методом обрабатывают заготовки из твер-
дых сплавов. Заготовки приклеивают специальными клеями к пла-
стинам и опускают в ванну, заполненную суспензией, состоящей
из раствора сернокислой меди и абразивного порошка. В результате
обменной химической реакции на поверхности заготовок выделяется
рыхлая металлическая медь, а кобальтовая связка твердого сплава
переходит в раствор в виде соли, освобождая тем самым зерна кар-
бидов титана, вольфрама и тантала.

Медь вместе с карбидами сошлифовывается присутствующим
в растворе абразивным порошком. В качестве инструмента исполь-
зуют чугунные диски или пластины. Карбиды удаляются в резуль-
тате относительных движений инструмента и заготовок.

Химико-механическую обработку применяют для разрезания
и шлифования пластинок из твердого сплава, доводки твердосплав-
ного инструмента.

5.	УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА

Ультразвуковая обработка (УЗО) материалов — разно-
видность механической обработки —основана на разрушении об-
рабатываемого материала абразивными зернами под ударами ин-
струмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источником
энергии служат ультразвуковые генератора тока с частотой 16—
30 кГц. Инструмент получает колебания от ультразвукового преоб-
разователя с сердечником из магнитострикционного материала.
Эффектом магнитострикции обладают никель, железоникелевые
410
сплавы (пермендюр), железоалюминие-
вые сплавы (альфер), ферриты.

В сердечнике из магнитострикцион-
ного материала при наличии электро-
магнитного поля домены разворачи-
ваются в направлении магнитных
силовых линий, что вызывает изменение
размера поперечного сечения сердеч-
ника и его длины. В переменном маг-
нитном поле частота изменения длины
сердечника равна частоте колебаний
тока. При совпадении частоты колеба-
ний тока с собственной частотой колеба-
ний сердечника наступает резонанс
и амплитуда колебаний торца сердеч-
ника достигает 2—10 мкм. Для увели-
чения амплитуды колебаний на сердеч-

нике закрепляют резонансный волновод переменного попереч-
ного сечения, что увеличивает амплитуду колебаний до 10—
60 мкм. На волноводе закрепляют рабочий инструмент — пуансон.
Под пуансоном-инструментом устанавливают заготовку и в зону
обработки поливом или под давлением подают абразивную суспензию,
состоящую из воды и абразивного материала. Из абразивных ма-
териалов используют карбиды бора или кремния и электрокорунд.
Наибольшую производительность получают при использова-
нии карбидов бора. Инструмент поджимают к заготовке силой 1 —
60 Н.

Процесс обработки заключается в том, что инструмент, колеблю-
щийся с ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абразива, ле-
жащим на обрабатываемой поверхности, которые скалывают частицы
материала заготовки (рис. 7.12). Заготовку 3 помещают в ванну /
под инструментом-пуансоном 4. Инструмент установлен на еолно-
воде 5, который закреплен в магнитострикционном сердечнике 7,
смонтированном в кожухе б, сквозь который прокачивают воду для
охлаждения сердечника. Для возбуждения колебаний сердечника
магнитострикционного преобразователя служит генератор 8 ультра-
звуковой частоты и источника постоянного тока !). Абразивную
суспензию 2 подают под давлением по патрубку 10 насосом 11,
забирающим суспензию из резервуара 12. Прокачивание суспензии
насосом исключает оседание абразивного порошка на дне ванны и
обеспечивает подачу в зону обработки абразивного материала.

Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному
перемешиванию абразивных зерен под инструментом, замене изно-
шенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого ма-
териала.

Ультразвуковым методом обрабатывают хрупкие твердые ма-
териалы: стекло, керамику, ферриты, кремний, кварц, драгоценные
минералы, в том числе алмазы, твердые сплавы, титановые сплавы,
вольфрам.
Рис. 7.13. Схемы ультразвуковой обработки поверхностей заготовок:

а и б — прошивание цилиндрического и фасонного отверстий; в *— обработка внутренней
полости; г — разрезание

Ультразвуковым методом обрабатывают (рис. 7.13) сквозные и
глухие отверстия любой формы поперечного сечения (а, б), фасон-
ные полости (в), разрезают заготовки на части (г), профилируют на-
ружные поверхности, гравируют, прошивают отверстия с криволи-
нейными осями, нарезают резьбы.

Рабочие движения для указанных видов обработки: скорость
резания и (движение абразивных зерен в направлении обрабаты-
ваемой поверхности) и движение подачи s„ при обработке отверстий,
полостей; snp при разрезании заготовок; sn и snp при разрезании
заготовок по сложной траектории.

Рабочие инструменты для обработки отверстий диаметром 0,5—
20 мм выполняют сплошными; диаметром 20—100 мм — полыми
(обработка по способу трепанации). Пазы долбят, а заготовки раз-
резают ножевидными пуансонами; внутренние полости обрабаты-
вают пуансонами, форма торцов которых обратна форме обрабаты-
ваемой поверхности. Инструменты изготовляют из закаленных
(HRC 35—40), но вязких материалов.

Точность размеров и шероховатость поверхностей, обработанных
ультразвуковым методом, зависят от зернистости используемых
абразивных материалов и соответствуют точности и шероховатости
поверхностей, обработанных шлифованием.

6.	ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

К лучевым методам формообразования поверхностей дета-
лей машин относят электронно-лучевую и светолучевую (лазерную)
обработку.

Электронно-лучевая обработка основана на превращении кине-
тической энергии направленного пучка электронов в тепловую.
Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча
позволяет обрабатывать заготовки за счет нагрева, расплавления и
испарения материала с узколокального участка.
Рис, 7.14, Схема электронно-лучевой установки

Схема установки для электронно-лучевой
обработки (электронная пушка) показана на
рис. 7.14. В вакуумной камере 1 установки
вольфрамовый катод 11, питаемый от источника
тока, обеспечивает эмиссию свободных элек-
тронов. Электроны формируются в пучок
специальным электродом и под действием элек-
трического поля, создаваемого высокой раз-
ностью потенциалов между катодом Пи ано-
дом 10, ускоряются в осевом направлении. Луч
электронов проходит систему юстировки 9,

диафрагму в, корректор изображения 7 и си- .	с—Ч-----1—

стему магнитных линз 6, которые окончательно
формируют поток электронов в луч малого диаметра и фокусируют
его на поверхности заготовки 4, закрепленной в приспособлении 3
на столе 2. Луч по поверхности заготовки перемещается откло-
няющей системой 5, которая может управляться системой ПУ.

Система ПУ также управляет продольными и поперечными пере-
мещениями стола, на котором закреплена заготовка, продолжитель-
ностью импульсов и интервалов между ними.

При размерной обработке заготовок установка работает в им-
пульсном режиме, что обеспечивает локальный нагрев заготовки.
В зоне обработки температура достигает 6000 °C, а на расстоянии
1 мкм от кромки луча не превышает 300 °C. Продолжительность
импульсов и интервалы между ними подбирают так, чтобы за один
цикл успел нагреться и испариться металл только под лучом. Дли-
тельность импульсов составляет 10'4—10"° с, а частота 50—6000 Гц.
Диаметр сфокусированного электронного луча — несколько микро-
метров.

Электронно-лучевой метод перспективен при обработке отверстий
диаметром 1 мм—10 мкм, прорезании пазов, резке заготовок, изго-
товлении тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки
из труднообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметал-
лических материалов: рубина, керамики, кварца, полупроводнико-
вых материалов.

Электронно-лучевая обработка имеет преимущества, обусловли-
вающие целесообразность ее применения: создание локальной кон-
центрации высокой энергии, широкое регулирование и управление
тепловыми процессами. Вакуумные среды позволяют обрабатывать
заготовки из легкоокисляющихся активных материалов. С помощью
электронного луча можно наносить покрытия на поверхности за-
готовок в виде пленок, толщиной от нескольких микрометров до
десятых долей миллиметра. Недостатком обработки является то,
что она возможна только в вакууме.

Светолучевая (лазерная) обработка основана на тепловом воз-
действии светового луча высокой энергии иа поверхность обрабаты-
ваемой заготовки. Источником светового излучения служит лазер —
Рис. 7.15. Схема оптического квантового генера-
тора:

1 — источник тока; 2 — батарея конденсаторов; 3 —
корпус; 4 — импульсная лампа; 5 —пусковое устрой*
ство; 6 — рубин; 7 — линзы; 8 — заготовка

оптический квантовый генератор (ОКГ).
Созданы конструкции твердотелых, газо-
вых и полупроводниковых ОКГ. Их ра-
бота основана на принципе стимулирован-

ного генерирования светового излучения.

Атом вещества, имея определенный запас энергии, находится
в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на опре-
деленном энергетическом уровне. Для выведения атома из устой-
чивого энергетического состояния его необходимо возбудить. Воз-
буждение («накачку») активного вещества осуществляют световой
импульсной лампой. Возбужденный атом, получив дополнительный
фотон от системы накачки, излучает сразу два фотона, в результате

чего происходит своеобразная цепная реакция генерации лазерного

излучения,

Для механической обработки используют твердотелые ОКГ,
рабочим элементом которых является рубиновый стержень, состоя-
щий из оксидов алюминия, активированных 0,05 % хрома. Рубино-
вый ОКГ работает в импульсном режиме, генерируя импульсы ко-
герентного монохроматического красного цвета. При включении
пускового устройства ОКГ электрическая энергия, запасенная
в батарее конденсаторов, преобразуется в световую энергию импульс-
ной лампы. Свет лампы фокусируется отражателем на рубиновый
стержень, и атомы хрома приходят в возбужденное состояние. Из
этого состояния они могут возвратиться .в нормальное, излу-
чая фотоны с длиной волны 0,69 мкм (красная флюоресценция
рубина).

Взаимодействие фотонов с возбужденными атомами дает лавино-
образные потоки фотонов в различных направлениях. Наличие тор-
цовых зеркальных поверхностей рубинового стержня приводит к тому
что при многократном отражении усиливаются свободные световые
колебания в направлении оси стержня рубина вследствие стимули-
рования возбужденными атомами. Спустя 0,5 мс более половины
атомов хрома приходит в возбужденное состояние, и система ста-
новится неустойчивой. Вся запасенная энергия в стержне рубина
одновременно высвобождается, и кристалл испускает ослепительный
яркий красный свет. Лучи света имеют высокую направленность.
Расходимость луча обычно не превышает 0,1°. Системой оптических
линз луч фокусируется на поверхности обрабатываемой заготовки
(рис. 7.15).

Энергия светового импульса ОКГ обычно невелика и составляет
20—100 Дж, но она выделяется в миллионные доли секунды и со-
средоточивается в луче диаметром ~0,01 мм. В фокусе диаметр
светового луча составляет всего несколько микрометров, что обеспе-
чивает температуру 6000—8000 °C. В результате этого поверхност-
ный слой материала заготовки, находящийся в фокусе луча, мгно-
венно расплавляется и испаряется.

Лазерную обработку применяют для прошивания сквозных и
глухих отверстий, разрезки заготовок на части, вырезания загото-
вок из листовых материалов, прорезания пазов. Этим методом можно
обрабатывать заготовки из любых материалов, включая самые
твердые и прочные. Например, лазерную обработку отверстий при-
меняют при изготовлении диафрагм для электронно-лучевых уста-
новок, дюз для дозирования воздуха пли газов, деталей топливной
аппаратуры дизелей, сит. Диафрагмы изготовляют из вольфра-
мовой, танталовой, молибденовой или медной фольги, толщиной
~50 мкм при диаметре отверстия 20—30 мкм. С помощью лазерного
луча можно выполнять контурную обработку по аналогии с фрезе-
рованием, т. е. обработку поверхностей по сложному периметру.
Перемещениями заготовки относительно светового луча управляют
системы ЧПУ, что позволяет прорезать в заготовках сложные криво-
линейный пазы или вырезать из заготовок детали сложной геоме-
трической формы.

7.	ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА

Сущность обработки состоит в том, что плазму (полностью
ионизированный газ), имеющую температуру 10 000—30 000 ГС, на-
правляют на обрабатываемую поверхность заготовки.

Плазму получают в плазмотронах (рис. 7.16). Дуговой разряд 3
возбуждается между вольфрамовым электродом 5 и медным электро-
дом 4, выполненным в виде трубы и охлаждаемым проточной водой.
В трубу подают газ (аргон, азот) или смесь газов. Обжимая дуговой

разряд, газ при соединении с электронами ионизируется и выходит
из сопла плазмотрона в виде ярко светящейся струи 2, которая
направляется на обрабатываемую заготовку 1.

Плазменным методом обрабатывают заготовки из любых мате-
риалов, выполняя прошивание отверстий, вырезку заготовок из
листового материала, строгание, точение. При прошивании отвер-
стий, разрезке и вырезке заготовок головку устанавливают перпен-

дикулярно к поверхности заготовки,
при строгании и точении — под углом
40—60°.

Принципиально новым методом изго-
товления деталей является плазменное
напыление. В камеру плазмотрона по-
дается порошкообразный конструкцион-
ный материал и одновременно инертный
газ под высоким давлением. Под дей-
ствием дугового разряда конструкцион-
ный материал плавится и переходит

Рис. 7,16, Схема плазменной головки
в состояние плазмы. Струя плазмы сжимается в плазмотроне
плазмообразующим газом. Выходя из сопла, струя плазмы
направляется на экран. Системы вертикальной и горизонталь-
ной разверток обеспечивают перемещение струи по площади
экрана.

Детали получаются в результате наращивания микрочастиц
конструкционного материала в определенных местах экрана. Иногда
вместо экрана используют тонкостенную заготовку, на которую
направляется плазма, и происходит наращивание металла до задан-
ной толщины стенок. Специальные контрольные устройства следят
за наращиванием металла и автоматически отключают систему,
когда деталь готова.
РАЗДЕЛ 8

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Развитие машиностроения, а также задача повышения надежности
и качества выпускаемых изделий потребовали создания новых
конструкционных материалов. Композиционные материалы приме-
няют во всех отраслях промышленности. В широком смысле прак-
тически всякий современный материал представляет собой компо-
зицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде.
На современном этапе понятие композиционного материала должно
удовлетворять следующим критериям: композиция должна представ-
лять собой сочетание хотя бы двух химически разнородных материа-
лов с четкой границей раздела между этими компонентами (фазами);
композиция должна характеризоваться свойствами, которых не
имеет никакой из ее компонентов в отдельности.

Композиционный материал получают путем введения в основной
материал определенного количества другого материала, который
добавляется в целях получения специальных свойств. Композицион-
ный материал может состоять из двух, трех и более компонентов.
Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких
пределах —от сотых долей микрометров (для порошковых напол-
нителей) до нескольких миллиметров (при использовании волокни-
стых наполнителей). Например, автомобильную шину изготовляют
из композиционного материала, основой которого является резина.
Для повышения механических свойств в нее добавляют порошко-
вые и волокнистые наполнители (в том числе металлическую про-
волоку), а также вещества для повышения морозостойкости, изно-
состойкости и т. д.

Широкое применение конструкционных композиционных мате-
риалов обусловлено их важными физико-механическими и эксплуа-
тационными свойствами.

Порошковая металлургия позволяет получать композиционные
материалы и детали, характеризующиеся высокой жаропрочностью,
износостойкостью, стабильными магнитными и другими специаль-
ными свойствами. Возможность получения псевдосплавов из таких
несплавляющихся металлов, как медь—вольфрам, серебро—воль-
фрам и др., обладающих высокими электропроводимостью и стойко-
стью к электроэрозионному изнашиванию, делает их незаменимыми
для изготовления электроконтактных деталей. Пористые материалы
в отдельных случаях становятся единственно приемлемыми для изго-
товления фильтров, подшипников скольжения и др. Композицион-
ные материалы на основе пластмасс характеризуются относительно
высокой механической прочностью, высокой химической и корро-
зионной стойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами. При-
менением их достигается экономия дорогостоящих цветных материа-
лов, повышение стойкости деталей, работающих па трение и в агрес-
сивных средах, снижение массы, уменьшение трудоемкости изготов-
ления деталей.

Конструкционные материалы на основе резины по своим свой-
ствам существенно отличаются от металлов и других материалов.
Они характеризуются способностью выдержать значительные дефор-
мации без разрушения, высокой сопротивляемостью к изнашиванию,
газо-, водонепроницаемостью и диэлектрическими свойствами.

Стекло, керамика, древесные и другие неметаллические мате-
риалы также имеют свои специфические физико-механические и
эксплуатационные свойства.

Выбор конструкционного материала зависит от физико-механи-
ческих и эксплуатационных свойств, па которые влияет техпологи-
ский процесс получения самих конструкционных материалов и де-
талей из них. Процесс изготовления деталей из этих материалов
характеризуется высоким коэффициентом использования материала
(0,85—0,95), малой трудоемкостью, высокой механизацией и автома-
тизацией.

ГЛАВА I. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ
ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.	СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА ПОРОШКОВ

Порошковая металлургия — отрасль технологии, зани-
мающаяся производством металлических порошков и деталей из
них. Из металлического порошка или смеси порошков прессуют за-
готовки, которые подвергают термической обработке—спеканию.
Промышленность выпускает различные металлические порошки:
железный, медный, никелевый, хромовый, кобальтовый, вольфрамо-
вый, молибденовый, титановый и др. Способы получения порошков
условно разделяют па две основные группы: механические и физико-
химические.

Наибольшее практическое применение имеют способы механиче-
ского измельчения исходного сырья (стружки, обрезков, скрапа
и т. д.). Измельчение проводят в механических мельницах. Размо-
лом получают порошки из легированных сплавов строго заданного
химического состава и из хрупких материалов, таких, как крем-
ний, бериллий и др.

При применении механических способов исходный продукт из-
мельчается без изменения химического состава. К недостаткам
механического измельчения следует отнести высокую стоимость
418
порошков, включающую стоимость изготовления исходных литых
металлов и сплавов, и относительно низкую производительность
процесса.

К физико-химическим способам получения порошков относят
восстановление оксидов, осаждение металлического порошка из
водного раствора соли и др. Получение порошка связано с измене-
нием химического состава исходного сырья или его состояния в ре-
зультате химического или физического (но не механического) воз-
действия па исходный продукт. Физико-химические способы полу-
чения порошков в целом более универсальны, чем механические.
Возможность использования дешевого сырья (отходы производства
в виде окалины, оксидов и т. д.) делает многие физико-химические
способы экономичными. Порошки ряда тугоплавких металлов,
а также порошки сплавов и соединений на их основе могут быть
получены только физико-химическими способами.

Поведение металлических порошков при прессовании и спекании
зависит от свойств порошков, которые, в свою очередь, определяются
способами их получения. Металлические порошки характеризуются
их химическим составом, а также физическими и технологическими
свойствами. Химический состав порошков определяется содержанием
основного металла пли компонента, и примесей. Физические свойства
порошков определяются размером и формой частиц, микротвердостью,
плотностью, состоянием кристаллической решетки. Технологические
свойства характеризуются текучестью, ирессуемостью и спекае-
мостью порошка.

Текучесть — способность порошка заполнять форму. Текучесть
ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением
влажности. Текучесть оценивают количеством порошка, вытекае-
мого через отверстие диаметром 1,5—4 мм в секунду. Текучесть
порошка имеет большое значение, особенно при автоматическом
прессовании, где производительность пресса зависит от скорости
заполнения формы. Низкая текучесть способствует также получе-
нию неоднородных по плотности заготовок.

П рессуемость характеризуется способностью порошка уплот-
няться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления
частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пла-
стичности материала частиц, их размеров и формы и повышается
с введением в его состав поверхностно-активных веществ.

Нод спекаемостыо понимают прочность сцепления частиц в ре-
зультате термической обработки прессованных заготовок.

2.	КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ
ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Порошковой металлургией получают различные конструк-
ционные материалы для изготовления заготовок и готовых деталей.
Большое применение находят композиционные материалы со спе-
циальными физико-механическими и эксплуатационными свой-
ствами.
Из антифрикционных металлокерамических материалов изготов-
ляют подшипники скольжения для различных отраслей промыш-
ленности. В антифрикционных материалах с пористостью 10—35 %
металлическая основа является твердой составляющей, а поры,
заполняемые маслом, графитом или пластмассой, выполняют роль
мягкой составляющей. Пропитанные маслом пористые подшипники
способны работать без дополнительного смазочного материала в те-
чение нескольких месяцев, а подшипники со специальными «карма-
нами» для запаса масла — в течение 2—3 лет.

Для пористых антифрикционных материалов используют железо-
графитовые, железо-медно-графитовые, бронзографитовые, алюми-
ниево-медно-графитовые и другие композиции. Процентный состав
этих композиций зависит от эксплуатационных требований, предъ-
являемых к конструкциям деталей.

Фрикционные композиционные материалы представляют собой
сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент
трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких
металлов и различных оксидов. Для уменьшения износа в компози-
ции вводят графит или свинец. Фрикционные материалы обычно
применяют в виде биметаллических элементов, состоящих из фрик-
ционного слоя, спеченного под давлением с основой (лентой или
диском). Коэффициент трения по чугуну для фрикционных материа-
лов на железной основе 0,4—0,6. Они способны выдерживать тем-
пературу в зоне трения до 500—600 °C. Применяют фрикционные
материалы в тормозных узлах и узлах сцепления (в самолетострое-
нии, автомобилестроении и т. д.).

Из высокопористых материалов изготовляют фильтры и другие
детали. В зависимости от назначения фильтры выполняют из по-
рошков коррозионно-стойкой стали, алюминия, титана, бронзы и
других материалов с пористостью до 50 %. Металлические высоко-
пористые материалы получают спеканием порошков без предвари-
тельного прессования или прокаткой их между вращающимися
валками при производстве пористых лент. В порошки добавляют ве-
щества, выделяющие газы при спекании.

Металлокерамические твердые сплавы характеризуются высокой
твердостью, теплостойкостью и износостойкостью Поэтому из них
изготовляют режущий и буровой инструменты, их наносят на по-
верхность быстроизнашивающихся деталей и т. п. Твердые сплавы
изготовляют на основе порошков карбидов тугоплавких металлов
(WC, TiC, ТаС). В качестве связующего материала применяют ко-
бальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают
в зависимости от их назначения.

Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические
материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами.
В качестве связующего для алмазных порошков применяют металли-
ческие порошки (медные, никелевые и др.) или сплавы.

Из жаропрочных и жаростойких материалов изготовляют детали,
работающие при высоких температурах. Эти материалы должны
иметь высокую жаропрочность и стойкость против окисления. Ме-
420
таллические сплавы на основе никеля, титана, тантала, вольфрама
и других элементов удовлетворяют этим требованиям при работе до
температур 850—900 °C. При более высоких температурах (до 3000°С)
можно использовать тугоплавкие и твердые соединения типа оксидов,
карбидов, боридов и др.

Порошковую металлургию широко применяют для получения материалов со
специальными электромагнитными свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлек-
трики, ферриты и т. д.).

В последнее время значительно возрос объем применения так называемых
компактных конструкционных материалов, получаемых из порошков самых различ-
ных металлов и сплавов. В связи с высокой плотностью механические свойства их
практически не снижаются, а отдельные эксплуатационные свойства значительно
увеличиваются. Например, спеченный алюминиевый порошок (САП) в своем составе
содержит до 15% оксидов алюминия, которые в виде тонкой пленки покрывают
зерна алюминия п образуют в спеченном материале непрерывный каркас. Такая
структура придает материалу высокую теплостойкость. Этот материал может дли-
тельное время работать при температурах до 600 °C. САП по сравнению с обычным
алюминием имеет более низкий температурный коэффициент. Применяют САП для
изготовления компрессорных лопаток, поршней, колец для газовых турбин и т. д.
Перспективно применение компактных конструкционных материалов в условиях
крупносерийного и массового производствах деталей сложной конфигурации не-
больших размеров.

В современной технологии композиционных материалов все большее место
занимают волокнистые материалы, представляющие собой композицию из мягкой
матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу. Материалы,
упрочненные волокнами, характеризуются высокой удельной прочностью, а также
могут иметь малую теплопроводность , высокую химическую и термическую стой-
кость и т. п. Для получения композиционных материалов используют различные
волокна: проволоки из вольфрама, молибдена, волокна оксидов алюминия, бора,
карбида кремния, графита и т. п. —в зависимости от требуемых свойств создава-
емого материала. Вопросами исследования и создания волокнистых материалов
занимается новая, быстроразвивающаяся отрасль порошковой металлургии —
металлургия волокна.

3.	ПРИГОТОВЛЕНИЕ СМЕСИ И ФОРМООБРАЗОВАНИЕ
ЗАГОТОВОК

Процесс приготовления смеси включает предварительный
отжиг, сортировку порошка по размерам частиц (рассев) и смешение.

Предварительный отжиг порошка способствует восстановлению
оксидов и снимает наклеп, возникающий при механическом измель-
чении исходного материала. Отжиг проводят при температуре, рав-
ной 0,5—0,6 температуры плавления, в защитной или восстанови-
тельной атмосфере.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по груп-
пам просеиванием на ситах, а более мелкие порошки — воздушной
сепарацией. В металлические порошки вводят технологические при-
садочные материалы различного назначения: пластификаторы (па-
рафин, стеарин, одеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс
прессования и получения заготовок высокого качества; легкоплавкие
материалы, улучшающие процесс спекания; различные летучие
вещества для получения деталей с заданной пористостью. Подготов-
ленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах и
других смешивающих устройствах.
Рис. 8.1. Схемы холодного прес-
сования:

а —	пего;

б — дпусто-

Рис. 8.2. Схема гидро-
статического прессования

Заготовки из металлических порошков формообразуют прессо-
ванием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

При холодном прессовании в пресс-форму 2 (рис. 8.1, а) засы-
пают определенное количество подготовленного порошка 3 и прес-
суют пуансоном 1. В процессе прессования увеличивается контакт
между частицами, уменьшается пористость, деформируются или
разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки
обеспечивается в основном силами механического сцепления частиц
порошка. С увеличением давления прессования прочность заготовки
возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прес-
суемой заготовки вследствие влияния трения порошка о стенки
пресс-формы, в результате чего заготовки получаются с различной
прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от размеров
и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее
прессование.

Односторонним прессованием получают заготовки простой формы
с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа
втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки меньше
трех. Двустороннее прессование (рис. 8.1, 6) применяют для формо-
образования заготовок сложной формы. В этом случае требуемое дав-
ление для получения равномерной плотности снижается на 30—40%.
Давление прессования зависит от требуемой плотности, формы прес-
суемой заготовки, вида прессуемого порошка и других факторов.
Использование вибрационного прессования позволяес в десятки
раз уменьшить необходимое давление.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим
и пластическим деформациям, в результате чего в заготовке накап-
ливаются значительные напряжения. После извлечения из пресс-
формы заготовки размеры ее изменяются за счет упругого последей-
ствия .

При горячем прессовании технологически совмещаются процессы
формообразования и спекания заготовки. Температура горячего
прессования составляет обычно 0,6—0,8 температуры плавления
порошка. Благодаря нагреву процесс уплотнения протекает гораздо
интенсивнее, чем при обычном прессовании. Это позволяет значи-
тельно уменьшить необходимое давление прессования. Горячим
прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой
прочностью, плотностью и однородностью структуры. Этот метод
применяют для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых компо-
зиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бо-
риды, силициды и т. д.). Для изготовления пресс-форм используют,
как правило, графит. Низкая производительность, малая стойкость
пресс-форм (10—12 прессовок), необходимость проведения процесса
в среде защитных газов — все это ограничивает применение горя-
чего прессования и обусловливает его использование только в тех
случаях, когда другие методы порошковой металлургии не обеспе-
чивают заданных эксплуатационных свойств.

Гидростатическое прессование применяют для получения метал-
локерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких тре-
бований по точности. Сущность процесса (рис. 8.2) заключается
в том, что порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, под-
вергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных
герметизированных камерах 1. Отсутствие внешнего трения способ-
ствует получению заготовок равномерной плотности и снижению
требуемого давления. В качестве рабочей жидкости используют мае до,
воду, глицерин и др. Гидростатическим прессованием получают са-
мые разнообразные по форме и размерам заготовки.

При газостатическом прессовании а качестве рабочей среды, создающей давле-
ние прессования, используют газ, нагретый до температуры спекания порошков.
В этом случае процессы формообразования и спекания заготовок технологически
совмсшаются.

Выдавливанием изготовляют прутки, трубы и профили различ-
ного сечения. Сущность процесса получения заготовки заключается
в выдавливании порошка через калиброванное отверстие пресс-
формы. В порошок добавляют пластификатор в количестве до 12 %
массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и умень-
шающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготов-
ляемой детали зависит от формы калиброванного отверстия пресс-
формы. Полые профили получают с применением рассекателя. В ка-
честве оборудования используют механические и гидравлические
прессы.

Прокатка — один из наиболее производительных и перспектив-
ных способов переработки порошковых материалов. Порошок
(рис. 8.3, а) непрерывно поступает из бункера / в зазор между вал-
ками. При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка по-
рошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс про-
катки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой
получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для
спекания, а затем снова подвергается прокатке с целью придания
ей заданных размеров. Ленты, идущие для приготовления фильтров
и антифрикционных изделий не подвергают дополнительной про-
катке. Число обжатий, необходимое для получения беспористой
.1

различного
от 0,25 до

Рис. 8.3. Схема прокатки порошков

ленты, зависит от пластичности композиции
и параметров прокатки.

Прокаткой получают ленты из различных
материалов (пористых, твердосплавных, фрик-
ционных и др.). Применяя бункеры с пере-
городкой (рис. 8.3, б), изготовляют ленты из
различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических порошков из-

готовляют ленты толщиной 0,02—3 мм

И

шириной до 300 мм. Применение валков опре-
деленной формы позволяет получить прутки

профиля, в
нескольких

том числе и проволоку диаметром
миллиметров.

4.	СПЕКАНИЕ И ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА
ЗАГОТОВОК

Спекание проводят для повышения прочности предвари-
тельно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В спрес-
сованных заготовках доля контакта, между отдельными частицами
очень мала и спекание сопровождается ростом контактов между
отдельными частицами порошка. Это является следствием протека-
ния в спекаемом теле при нагреве следующих процессов: восстанов-
ления поверхностных оксидов, диффузии, рекристаллизации и др.
Протекание этих процессов зависит от температуры и времени спе-
кания, среды, в которой осуществляется спекание и других факторов.
При спекании изменяются линейные размеры заготовки (большей
частью наблюдается усадка — уменьшение размеров) и физико-
механические свойства спеченных материалов. Температура спека-
ния обычно составляет 0,6—0,9 температуры плавления порошка
однокомпонентной системы или ниже температуры плавления основ-
ного материала для композиций, в состав которых входят несколько
компонентов. Время выдержки после достижения температуры спе-
кания по всему сечению составляет 30—90 мин. Увеличение времени
и температуры спекания до определенных значений способствует
увеличению прочности и плотности в результате активизации про-
цесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных
технологических параметров может привести к снижению прочности
в результате роста зерен кристаллизации.

Проведение спекания в условиях, когда входящий в композицию
легкоплавкий компонент образует при спекании жидкую фазу, акти-
визирует усадку и обеспечивает получение заготовок с малой или
даже нулевой пористостью, с высокими физико-механическими
свойствами. С этой же целью, например, применяют пропитку туго-
плавких материалов серебром или медью при производстве электро-
контактных деталей.
К атмосфере спекания предъявляются требования — безокисли-
тельные условия нагрева заготовок. В большинстве случаев спека-
ние проводят в восстановительной атмосфере, способствующей уда-
лению оксидов, или в вакууме. Для спекания используют электро-
печи сопротивления или печи с индукционным нагревом.

После спекания заготовки в ряде случаев подвергают дополни-
тельной обработке в целях повышения физико-механических свойств,
получения окончательных размеров и формы, нанесения декора-
тивных покрытий и защиты поверхности детали от коррозии.

Для повышения физико-механических свойств спеченных заго-
товок применяют следующие виды обработки: повторное прессование
и спекание, пропитку смазочными материалами (антифрикционных
деталей), термическую или химико-термическую обработку.

Повторное прессование и спекание позволяет получать детали
с более высокой плотностью. Промежуточные отжиги, снимая наклеп
в зернах заготовки, способствуют дальнейшему их уплотнению при
относительно небольшом давлении. Процесс повторного прессования
осуществляют в тех же пресс-формах или в пресс-формах с повышен-
ной точностью изготовления формообразующих деталей. В производ-
ственных условиях, как правило, ограничиваются двукратным
прессованием и спеканием.

Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штам-
повке при повышенных температурах. Обработка давлением позво-
ляет снизить пористость материалов И повысить их пластичность.
Например, у спеченных заготовок вольфрама с исходной пористостью
38—40 % после ковки пористость снижается до 2—5 %, и металл
приобретает пластичность, необходимую для протяжки через
фильеры или прокатки. Перед прокаткой для снятия напряжений
заготовки из вольфрама подвергают промежуточному отжигу при
температурах выше 1200 °C. После протяжки вольфрама в проволоку
диаметром 0,05 мм пористость его снижается до 1 %.

Пропитку заготовок обычно выполняют погружением их в мас-
ляную ванну с температурой 70—140 °C. Длительность пропитки
колеблется от 15 мин до 2 ч. Степень заполнения пор при этом со-
ставляет 90—95 %. Более высокое заполнение пор маслом дости-
гается при применении вакуумной пропитки.

Основными видами термической обработки являются отжиг и закалка. Опера-
цию отжига используют для повышения технологических свойств при производстве
деталей из тугоплавких металлов. Отжиг снижает прочностные характеристики
и в несколько раз повышает пластичность материала, что облегчает дальнейшую
обработку давлением (ковка, протяжка, прокатка и т. д.). Наличие пор в материалах
делает их чувствительными к окислению при нагреве и к коррозии при попадании
закалочной жидкости в поры при закалке. В качестве охлаждающих сред необхо-
димо выбирать жидкости, не представляющие опасности с точки зрения коррозии
в процессе хранения и эксплуатации закаленных деталей. В некоторых случаях
детали из железного порошка подвергают науглероживанию методами химико-
термической обработки — нагреву в ящиках с карбюризатором или в газовой на-
углероживающей атмосфере. Процесс насыщения углеродом протекает значительно
быстрее вследствие проникания газов внутрь пористого тела.

Для повышения износостойкости деталей применяют операцию сульфидирова-
ния; для придания спеченным заготовкам необходимых размеров и формы кали-
бровку, протягивание, штамповку и обработку резанием.
Рис. 8.4. Схема калибровки подшипников скольжения

Калибровка позволяет получать детали высокой точности. Эту операцию про-
водят в специальных пресс-формах или приспособлениях. Перед калибровкой заго-
товки должны иметь размеры на 0,5—1 % больше (меньше для внутренних поверх-
ностей) окончательных. Большая степень деформации при калибровке может зна-
чительно повысить прочность и снизить пластичность деталей. Поэтому после ка-
либровки применяют дополнительное спекание или отжиг.

Рассмотрим схему последовательных операций калибровки подшипников сколь-
жения на автоматическом прессе (рис. 8.4), Специальный захват устанавливает
подшипник 3 над отверстием калибрующей матрицы 4 (положение /). Затем напра-
вляющая часть центрального стержня 2 входит во внутреннюю часть подшипника
(положение 11) и верхний пуансон 1 вдавливает подшипник в матрицу 4 (положе-
ние /7/). После этого центральный стержень продвигается вниз и его калибрующая
часть проходит через подшипник (положение IV). Этим осуществляется калибровка
внутреннего и наружного диаметров. Для обеспечения калибровки по высоте ниж-
ний 5 и верхний 1 пуансоны продолжают движение навстречу друг другу до задан-
ного предела (положение V). Затем нижний пуансон отводится вниз, а центральный
стержень вверх, и верхний пуансон 7 при дальнейшем своем ходе проталкивает под-
шипник из матрицы вниз (положение VI), после этого цикл повторяется. Такое по-
следовательное расчленение деформаций на ряд операций позволяет снизить усилие
калибровки в 2—3 раза, в сравнении с калибровкой, при которой деформация про-
изводится почти одновременно. Предварительная пропитка заготовок маслом зна-
чительно облегчает процесс.

ГЛАВА II. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.	КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПЛАСТМАСС

Пластическими массами (пластмассами) называют мате-
риалы, основу которых составляют природные или синтетические
высокомолекулярные соединения. Высокомолекулярные соединения
состоят из большого числа низкомолекулярных соединений (моно-
меров), связанных между собой силами главных валентных связей.
Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят
из одинаковых структурных звеньев, называют полимерами. Макро-
молекулы полимеров могут иметь линейную форму, разветвленную
и пространственную (сшитую).
Рис. 8.5. Схемы строения молекул полимеров:
д _ линейная; б — разпетвлениая; о — пространственная

Линейные макромолекулы (рис. 8.5, а) имеют форму цепей, в ко-
торых атомы соединены между собой ковалентными связями. Отдель-
ные цепи связаны межмолекулярными силами, в значительной сте-
пени определяющими свойства полимера. Наличие в цепях разветв-
лений (рис. 8.5, б) приводит к ослаблению межмолекулярных сил
и тем самым к снижению температуры размягчения полимера. Про-
странственные структуры (рис. 8.5, в) получаются в результате
химической связи (сшивки) отдельных цепей полимеров либо в ре-
зультате поликонденсации или полимеризации. Большое значение
для свойств «сшитого» полимера имеет частота поперечных связей.
Если эти связи располагаются сравнительно редко, то образуется
полимер с сетчатой структурой.

Полимеры с линейной структурой молекул хорошо растворяются,
так как молекулы растворителя могут внедряться в промежутки
между макромолекулами и ослаблять межмолекулярные силы.
Полимеры с сетчатой структурой нерастворимы, они лишь набухают.
При частом расположении связей полимер становится практически
нерастворимым и неплавким.

Полимеры в зависимости от расположения и взаимосвязи макро-
молекул могут находиться в аморфном (с неупорядоченным располо-
жением молекул) или кристаллическом (с упорядоченным располо-
жением молекул) состоянии. При переходе полимеров из аморфного
состояния в кристаллическое повышается их прочность и теплостой-
кость. Значительное влияние на полимеры оказывает воздействие
на них теплоты. В зависимости от поведения при повышенных тем-
пературах полимеры подразделяют на термопластичные (термопласты)
и термореактивные (реактопласты).

Термопласты при нагреве размягчаются и расплавляются, затем
вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного
физического состояния в другое может осуществляться неоднократно
без изменения химического состава. Термопласты имеют линейную
или разветвленную структуру молекул.

Реактопласты при нагреве превращаются в вязкотекучее состоя-
ние и в результате химической реакции переходят в твердое, необра-
тимое состояние. Отвержденные реактопласты нельзя повторным
нагревом вновь перевести в вязкотекучее состояние. В процессе
полимеризации под действием указанных факторов линейная струк-
тура полимера превращается в пространственную. Отдельные виды
термореактивных смол (эпоксидные, полиэфирные) при введении
в них отвердителя отверждаются при нормальной температуре.

Поведение термопластов и реактопластов под действием теплоты
имеет решающее значение при технологическом процессе переработки
пластмасс.

В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразде-
ляются на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, поли-
стирол и т. д.) состоят из одного компонента — синтетической
смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) — нз
нескольких составляющих, каждая из которых выполняет опреде-
ленную функциональную роль. В композиционных пластмассах
смола является связующим для других составляющих. Свойства
связующего во многом определяют физико-механические и техноло-
гические свойства пластмассы. Содержание связующего в пласт-
массах достигает 30—70 %.

Помимо связующего в состав композиционных пластмасс входят
следующие составляющие: 1) наполнители различного происхож-
дения для повышения механической прочности, теплостойкости,
уменьшения усадки и снижения стоимости композиции; органиче-
ские наполнители — древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза,
хлопчатобумажная ткань, бумага, древесный шпон и др.; неоргани-
ческие — графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань и др.;
2) пластификаторы (дибутилфталат, кастровое масло и др.), увели-
чивающие эластичность, текучесть, гибкость и уменьшающие хруп-
кость пластмасс; 3) смазочные вещества (стеарин, олеиновая кислота
и др.), увеличивающие текучесть, уменьшающие трение между ча-
стицами композиций, устраняющие прилипание к формообразу-
ющим поверхностям пресс-форм, 4) катализаторы (известь, магнезия
и др.), ускоряющие процесс отверждения материала; 5) красители
(сурик, нигрозин и др.), придающие нужный цвет изготовляемым
деталям.

При изготовлении газонаполненных пластмасс (поро- и пено-
пластов) в полимеры вводят газообразователи — вещества, ко-
торые различаются при нагреве с выделением газообразных
продуктов.

Конструкционные пластмассы в зависимости от показателей
механической прочности подразделяют на три основные группы:
низкой, средней и высокой прочности.

Основными технологическими свойствами пластмасс являются
текучесть, усадка, скорость отверждения (реактопластов) и термо-
стабильность (термопластов).

Текучесть — способность материалов заполнять форму при опре-
деленных температуре и давлении — зависит от вида и содержания
в материале смолы, наполнителя, пластификатора, смазочного
материала, а также от конструктивных особенностей пресс-формы.
Для ненаполиепных термопластов за показатель текучести прини-
мают «индекс расплава» — количество материала, выдавливаемого
через сопло диаметром 2,095 мм при определенных температуре и
давлении в единицу времени.
Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьше-
ние размеров детали по сравнению с размером полости пресс-формы.
В абсолютной величине усадки наибольшую долю составляет раз-
ность между температурными коэффициентами материала пресс-
формы и материала детали. Величина усадки зависит от физико-
химических свойств связующей смолы, количества и природы на-
полнителя, содержания в нем влаги и летучих веществ, температур-
ного режима переработки и других факторов. Усадку необходимо
учитывать при проектировании пресс-формы.

Продолжительность процесса перехода реактопластов из высо-
коэластичного или вязкотекучего состояния в состояние полной
полимеризации определяет скорость отвероюдения. Скорость отверж-
дения (полимеризации) зависит от свойств связующего (термореак-
тивной смолы) и температуры переработки. Низкая скорость отверж-
дения увеличивает время выдержки материала в пресс-форме под
давлением и снижает производительность процесса. Повышенная
скорость отверждения может вызвать преждевременную полимери-
зацию материала в пресс-форме, в результате чего отдельные уча-
стки формующей полости не будут заполнены пресс-материалом.

Под термостабильностью понимают время, в течение которого
термопласт выдерживает определенную температуру без разложе-
ния. Высокую термостабильность имеют полиэтилен, полипропилен,
полистирол и др. Переработка их в детали сравнительно проста.
Для материалов с низкой термостабильностью (полиформальдегид,
поливинилхлорид и др.) необходимо предусматривать меры, пре-
дотвращающие возможность разложения их в процессе переработки:
например, увеличение сечения литников, диаметра цилиндра и т. д.

В зависимости от физического состояния, технологических свойств
и других факторов все способы переработки пластмасс в детали наи-
более целесообразно разбить на следующие основные группы: пере-
работка в вязкотекучем состоянии (прессованием, литьем под дав-
лением, выдавливанием и др.); переработка в высокоэластичном
состоянии (пневмо- и вакуум-формовкой, штамповкой и др.); полу-
чение деталей из жидких пластмасс различными способами формо-
образования; переработка в твердом состоянии разделительной
штамповкой и обработкой резанием; получение неразъемных соеди-
нений сваркой, склеиванием и др.; различные способы переработки
(спекание, напыление и др.).

2.	СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ
В ВЯЗКОТЕКУЧЕМ СОСТОЯНИИ

Большинство пластмасс перерабатывают в детали в вязко-
текучем состоянии способами прессования, литья, выдавливания.

Прямое (компрессионное) прессование — один из основных спо-
собов переработки реактопластов в детали. В полость матрицы
пресс-формы 3 (рис. 8.6, а) загружают предварительно таблетизи-
рованный или порошкообразный материал 2. При замыкании пресс-
формы под действием усилия пресса пуансон 1 создает давление на
Рис. 8.С. Схема прямого прессования

Рис. 8.7. Схема литье-
вого прессования

прессуемый материал (рис. 8.6, б). Под действием этого давления
и теплоты от нагретой пресс-формы материал размягчается и запол-
няет формообразующую полость пресс-формы. После определенной
выдержки, необходимой для отверждения материала, пресс-форма
раскрывается и с помощью выталкивателя 5 из нее извлекается
готовая деталь 4 (рис. 8.6, в).

Процесс отверждения сопровождается выделением летучих со-
ставляющих композиционного материала и паров влаги. Для уда-
ления газов в процессе прессования выполняют так называемую
подпрессовку, заключающуюся в переключении гидропресса после
определенной выдержки на обратный ход, в подъеме пуансона на
5—10 мм и выдержке его в таком положении в течение 2—3 с. После
этого пресс-форма снова смыкается. При прессовании крупных
толстостенных деталей из материалов с повышенной влажностью
подпрессовку проводят дважды.

Температура и давление прессования зависят от вида перера-
батываемого материала, формы и размеров изготовляемой детали.
Время выдержки под прессом зависит от скорости отверждения
и толщины прессуемой детали. Для большинства реактопластов
время выдержки выбирают из расчета 0,5—2 мин на 1 мм толщины
стенки. Технологическое время может быть сокращено вследствие
предварительного подогрева материала в специальных шкафах.
Давление зависит от текучести пресс-материала, скорости отвержде-
ния, толщины прессуемых деталей и других факторов.

Нагрев пресс-формы осуществляют обычно электронагревателем.
Рабочую температуру в процессе прессования поддерживают постоян-
ной с помощью автоматически действующих приборов. Для загрузки
в полость пресс-формы определенного количества пресс-материала
используют объемную дозировку или дозировку по массе. При-
меняют также поштучную дозировку (загружают определенное
число таблеток). Прессуют на гидравлических прессах. При вы-
пуске большого числа деталей используют прессы, работающие по
автоматическому циклу.

Прямым прессованием получают детали средней сложности и
небольших размеров из термореактивных композиционных материа-
лов с порошкообразным и волокнистым наполнителями.
Литьевое прессование отличается от прямого тем, что прессуе-
мый материал загружают не в полость пресс-формы, а в специаль-
ную загрузочную камеру 2 (рис. 8.7). Под действием теплоты от
пресс-формы прессуемый материал переходит в вязкотекучее со-
стояние и под давлением со стороны пуансона 1 выжимается из
загрузочной камеры 2 в полости матрицы пресс-формы через спе-
циальное отверстие в литниковой плите 3. После отверждения ма-
териала пресс-форму разъединяют и готовые детали 4 извлекают
из матрицы 5.

Литьевое прессование позволяет получать детали сложной формы,
с глубокими отверстиями, в том числе резьбовыми. Возможна уста-
новка сложной и тонкой арматуры. В процессе перетекания через
литниковое отверстие пресс-материал прогревается одинаково, что
обеспечивает более равномерную структуру прессуемой детали. При
литьевом прессовании отпадает необходимость в подпрессовках, так
как образующиеся газы могут выходить в зазор между литниковой
плитой и матрицей.

Недостатком личьевого прессования является повышенный расход
пресс-материала, так как в загрузочной камере и литниковых ка-
налах остается часть отвержденного и неиспользуемого в дальней-
шем пресс-материала. Кроме того, пресс-формы для литьевого прес-
сования сложнее по конструкции и дороже пресс-форм для прямого
прессования.

Для прессования деталей применяют одно- и многогпездные
пресс-формы. Многогнездные пресс-формы используют для полу-
чения деталей простой формы и небольших размеров.

Форма и размеры прессуемых деталей зависят от формообразу-
ющих элементов пресс-формы, к которым предъявляют высокие тре-
бования по точности и качеству поверхности. Формообразующие
детали пресс-форм изготовляют из высоколегированных или инстру-
ментальных сталей с последующей закалкой до высокой твердости.
Для повышения износостойкости и улучшения внешнего вида прес-
суемых деталей формообразующие элементы пресс-форм полируют
и хромируют.

Листы и плиты из термореактивных композиционных материалов
прессуют пакетами на прессах. Заготовки материала (из хлопчато-
бумажной ткани, стеклоткани и т. д.) пропитывают смолой и укла-
дывают между горячими плитами прессов. Число уложенных слоев
ткани определяет толщину листов и плит. Размеры прессуемых
деталей ограничиваются мощностью гидравлического пресса. Трубы,
прутки круглого и фасонного сечения получают прессованием реакто-
пластов через калиброванное отверстие пресс-формы. Процесс прес-
сования характеризуется низкой производительностью и сложно-
стями технологического характера.

Литье под давлением — высокопроизводительный и эффектив-
ный способ массового производства деталей из термопластов. Пере-
рабатываемый материал из загрузочного бункера 8 (рио. 8.8) подается
дозатором 9 в рабочий цилиндр 6 е электронагревателем 4. При дви-
жении поршня 7 определенная доза материала поступает в зону
Рис. 8.8. Схема литья под
давлением

обогрева, а уже расплавленный материал через сопло 3 и литниковый
канал — в полость пресс-формы 1, в которой формируется изготов-
ляемая деталь 2. В рабочем (нагревательном) цилиндре на пути
потока расплава установлен рассекатель 5, который заставляет
расплав протекать тонким слоем у стенок цилиндра. Это ускоряет
прогрев и обеспечивает более равномерную температуру расплава.
При движении поршня в исходное положение с помощью дозатора 9
очередная порция материала попадает в рабочий цилиндр. Для
предотвращения перегрева выше 50—70 °C в процессе литья пресс-
форма охлаждается проточной водой. После охлаждения материала
пресс-форма размыкается, и готовая деталь с помощью выталкива-
телей извлекается из нее.

Литьем под давлением получают детали сложной конфигурации
с различными толщинами стенок, ребрами жесткости, с резьбами
и т. д Применяют литейные машины, позволяющие механизировать
и автоматизировать процесс получения деталей. Производительность
процесса литья в 20—40 раз выше производительности прессования,
поэтому литье под давлением является одним из основных способов
переработки пластических масс в детали. Качество отливаемых
деталей зависит от температур пресс-формы и расплава, давления
прессования, продолжительности выдержки под давлением и т. д.

Центробежное литье применяют для получения крупногабарит-
ных и толстостенных деталей из термопластов (кольца, шкивы,
зубчатые колеса и т. п.). Центробежные силы плотно прижимают
залитый материал к внутренней поверхности формы. После охлажде-
ния готовую деталь извлекают из формы и заливают новую порцию
расплавленного материала.

Выдавливание (или экструзия) отличается от других способов
переработки термопластов непрерывностью, высокой производитель-
ностью процесса и возможностью получения на одном и том же
оборудовании большого многообразия деталей. Выдавливание осу-
ществляют на специальных червячных машинах. Перерабатываемый
материал в виде порошка или гранул из бункера 1 (рис. 8.9, а)
попадает в рабочий цилиндр 3, где захватывается вращающимся
червяком 2. Червяк продвигает материал, перемешивает и уплот-
няет его. В результате передачи теплоты от нагревательного эле-
мента 4 и выделения теплоты при трении частиц материала друг
о друга и о стенки цилиндра перерабатываемый материал переходит
в вязкотекучее состояние и непрерывно выдавливается через кали-
432
a)

Рис. 8.9. Непрерывное выдавливание:

а — схема установки; б — профили получаемых деталей

S)

брованное отверстие головки 6. Расплавленный материал проходит
через радиальные канавки оправки 5. Оправку применяют для
получения отверстия при выдавливании труб.

Непрерывным выдавливанием можно получить детали различ-
ного профиля (рис. 8.9, б). При получении пленок из термопластов
(полиэтилена, полипропилена и др.) используют метод раздува.
Расплавленный материал продавливают через кольцевую щель
насадной головки и получают заготовку в виде труб, которую сжа-
тым воздухом раздувают до требуемого диаметра. После охлажде-
ния пленку подают на намоточное приспособление и сматывают
в рулон. Способ раздува позволяет получить пленку толщиной до
40 мкм. Для получения листового материала используют щелевые
головки шириной до 1600 мм. Выходящее из щелевого отверстия
полотно проходит через валки гладильного и тянущего устройств.
Здесь же происходит предварительное охлаждение листа, а на ро-
ликовых конвейерах — окончательное охлаждение. Готовую про-
дукцию сматывают в рулоны или разрезают на листы определенных
размеров с помощью специальных ножниц.

3.	ПОЛУЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ
ПЛАСТИКОВ

С технологической точки зрения удобно использовать
отдельные пластмассы, находящиеся в жидком состоянии при нор-
мальной температуре. В первую очередь это относится к производ-
ству крупногабаритных деталей из композиционных пластиков.
Пластики состоят из связующей смолы, наполнителя и в некоторых
случаях отвердителя и ускорителя отверждения. В качестве связу-
ющего предпочтительнее использовать полиэфирные и эпоксидные
смолы. Эти смолы характеризуются высокой адгезией к наполни-
телю и способностью отверждаться при нормальной температуре
за счет добавления к ним отвердителей и ускорителей отверждения
(перекиси бензола, нафтената, кобальта, полиэтиленполиамина и др.).

Высокая прочность композиционных пластиков зависит от при-
меняемых наполнителей (стеклоткани и стекловолокна, хлопчато-
бумажные ткани и волокна, металлическая сетка и проволока,
углеродные и борные волокна и т. п.). Тип наполнителя зависит
от требуемых свойств создаваемого материала. В отдельных слу-
чаях в состав пластиков вводят пластификаторы и красители.

К основным способам изготовления деталей из композиционных
пластиков относятся контактная формовка, автоклавная формовка,
стирометод, вихревое напыление, центробежная формовка, намотка
и др:

Контактной формовкой изготовляют крупногабаритные детали
с наполнителями из стеклотканей, стекломатов и т. д. Применяют
формы из дерева, гипса и легких сплавов. Форма должна точно
воспроизводить наружный или внутренний контур детали.

Перед формовкой на рабочие поверхности формы наносят разде-
лительный слой ('поливиниловый спирт, нитролаки, целлофановую
пленку и др.), предотвращающий прилипание связующего к поверх-
ности формы. По разделительному слою наносят слой связующего,
затем слой предварительно раскроенной ткани, которую тщательно
прикатывают резиновым роликом к поверхности формы. Этим до-
стигаются плотное прилегание ткани к поверхности формы, удаление
пузырьков воздуха и равномерное пропитывание ткани связующим.
Затем снова наносят связующее, ткань и т. д. до получения задан-
ной толщины. Отверждение происходит при нормальной темпера-
туре в течение 5—50 ч, в зависимости от вида связующего. Время
отверждения сокращают увеличением температуры до 60—120 °C.
После отверждения готовую деталь извлекают из формы и в слу-
чае необходимости подвергают дальнейшей обработке (обрезке
кромок, окраске и т. д.).

Особенность контактной формовки — простота оснастки и воз-
можность получения деталей любых размеров и форм. Однако этот
метод малопроизводителен, качество получаемых деталей не доста-
точно высокое из-за неравномерной укладки наполнителя и связу-
ющего. К нему предъявляют определенные требования по технике
безопасности. Поэтому контактную формовку применяют в опытном
и мелкосерийном производствах.

Автоклавную формовку применяют при выпуске деталей боль-
шими сериями. Форму с деталью накрывают резиновым чехлом
и помещают в герметический резервуар (автоклав). С помощью пара
или воды в автоклаве создают определенное давление.

Стирометодом изготовляют крупногабаритные детали из компо-
зиционных пластиков с замкнутым полым профилем (полые рамы,
диски, кронштейны и т. д.). На тонкостенный поливинилхлоридный
чехол, размеры которого соответствуют размерам изготовляемой
детали, наматывают волокно. Заготовку укладывают в разогретую
до температуры 100—120 °C пресс-форму. Под действием давления
воздуха, разогретого внутри шланга, заготовка растягивается до
размеров полости пресс-формы. В пространство между чехлом и
пресс-формой за счет создания вакуума засасывается связующее.

Приведенные способы формовки используют в основном для
изготовления деталей из пластиков с длинноволокнистыми напол-
нителями. При применении измельченных наполнителей процесо
изготовления деталей удается механизировать. Наполнитель и свя-
зующее подают под давлением сжатого воздуха.

Вихревым напылением изготовляют крупногабаритные детали
из стеклопластиков (кузова легковых и грузовых автомобилей, кор-
пуса лодок, емкости и др.). Стекловолокно и смолу с отвердителем
и ускорителем отверждения наносят на форму специальным пульвери-
затором. Смола смачивает стекловолокно в вихревом потоке, обра-
зованном сжатым воздухом. Стекловолокно со связующим, нане-
сенные на форму, вручную уплотняют роликом.

Высокой степенью механизации отличается напыление с помощью
передвижной установки, в которой смонтированы режущее устрой-
ство для стекловолокна, вентилятор для подачи сжатого воздуха,
распылитель и емкости для связующего, отвердителя и ускорителя.
Стекловолокно разрезают на отдельные куски длиной 10—90 мм.
Распылитель имеет три сопла: центральное для подачи стекловолокна
и два боковых (одно служит для подачи связующего и отвердителя,
другое — связующего и ускорителя отверждения). Смешение ком-
понентов происходит на поверхности формы или перед нею в потоке
сжатого воздуха.

Центробежной формовкой получают детали больших габаритных
размеров, имеющие форму тел вращения, толщиной 2—15 мм, диа-
метром до 1 м и высотой до 3 м.

Стекловолокно и связующее равномерно подают во вращающуюся
форму. После формовки в форму помещают резиновый мешок, с по-
мощью которого создается давление на заготовку. В таком состоянии
происходит отверждение композиции при определенной температуре.

Намоткой получают трубы и сложные по форме оболочки из
композиционных пластиков. Основным элементом технологической
оснастки является металлическая оправка, на которую перед на-
моткой укладывают пленку, облегчающую снятие изделия. При
намотке оправка совершает вращательное и возвратно-поступатель-
ное движение. Волокно или тканевую ленту смачивают связующим.
Отформованную заготовку покрывают защитной целлофановой плен-
кой и отправляют в камеру для отверждения.

Основной недостаток производства крупногабаритных деталей
из пластиков — невысокая производительность труда, повышение
которой возможно за счет механизации технологического процесса.

Г Л А 13 А III. ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕЗИНОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ

ДЕТАЛЕЙ

1.	СОСТАВ, СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
РЕЗИНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

В производстве резиновых технических деталей основным
видом сырья являются натуральные и синтетические каучуки. На-
туральные каучуки не нашли широкого применения, так как сырьем
для их получения служит каучукосодержащий сок отдельных сортов
растений. Сырьем для получения синтетических каучуков является
нефть, нефтепродукты, природный газ, древесина и т. д. Каучук
в натуральном виде в промышленности не применяют, его превра-
щают в резину вулканизацией. В качестве вулканизирующего ве-
щества обычно используют серу. Количество серы определяет эла-
стичность резиновых деталей. Например, мягкие резины содержат
1—3 % серы, твердые (эбонит) —до 30 % серы. Процесс вулкани-
зации происходит под температурным воздействием (горячая вулка-
низация) или без температурного воздействия (холодная вулкани-
зация). Для улучшения физико-механических и эксплуатационных
свойств резиновых технических деталей и снижения расхода каучука
в состав резиновых смесей вводят различные компоненты.

Наполнители уменьшают расход каучука, улучшают эксплуата-
ционные свойства деталей. Наполнители подразделяют на порошко-
образные и тканевые. В качестве порошкообразных наполнителей
применяют сажу, тальк, мел и др. К тканевым наполнителям относят
хлопчатобумажные, шелковые и другие ткани. В некоторых случаях
для повышения прочности деталей их армируют стальной прово-
локой или сеткой, стеклянной или капроновой тканью. Количество
наполнителя зависит от вида выпускаемых деталей.

Мягчители (парафин, стеариновая кислота, канифоль и др.)
служат для облегчения процесса смешивания резиновой смеси и
обеспечения мягкости и морозоустойчивости. Для замедления про-
цесса окисления в резиновые смеси добавляют противостарители
(вазелин, ароматические амины и др.). Процесс вулканизации уско-
ряют введением в смесь оксида цинка и др.

Красители (охра, пятисернистая сурьма, ультрамарин и др.)
вводят в смесь в количестве до 10 % массы каучука.

Высокая эластичность, способность к большим обратимым де-
формациям, стойкость к действию активных химических веществ,
малая водо- и газопроницаемость, хорошие диэлектрические и дру-
гие свойства резины обусловили ее применение во всех отраслях
народного хозяйства. В машиностроении применяют разнообразные
резиновые технические детали: ремни — для передачи вращатель-
ного движения с одного вала на другой; шланги и напорные рукава—
для передачи жидкостей и газов под давлением; сальники манжеты,
прокладочные кольца и уплотнители — для уплотнения подвижных
и неподвижных соединений; муфты, амортизаторы — для гашения
динамических нагрузок; конвейерные ленты — для оснащения по-
грузочно-разгрузочных устройств и т. д.

2.	СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ РЕЗИНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Технологический процесс изготовления резиновых техниче-
ских деталей состоит из отдельных последовательных операций:
приготовления резиновой смеси, формования и вулканизации. Процесс
подготовки резиновой смеси заключается в смешении входящих
в нее компонентов. Перед смешением каучук переводят в пластич-
ное состояние многократным пропусканием его через специальные
вальцы, предварительно подогретые до температуры 40—50 °C. На-
436
Рис. 8.10. Схема получения прорезиненных тканей

ходясь в пластичном состоянии, каучук об-
ладает способностью хорошо смешиваться
с другими компонентами. Смешение проводят
в червячных или валковых смесителях. Необ-
ходимо иметь в виду, что первым из компо-
нентов при приготовлении смеси вводят проти-
востарптель, последним — вулканизатор или
ускоритель вулканизации.

Резиновые технические детали в зависимо-
сти от предъявляемых к ним требований фор-

мообразуют каландрованпем, непрерывным выдавливанием, прес-
сованием, литьем под давлением, намоткой и т. д. Многие тех-
нологические процессы переработки резиновых композиций в де-
тали подобны тем, которые были рассмотрены при формообразо-
вании деталей из пластмасс.

Каландрование применяют для получения резиновых деталей
в виде листов и прорезиненных лент, а также для соединения листов
резины и прорезиненных лент (дублирование). Операцию выполняют
на многовалковых машинах — каландрах. Валки каландров снаб-
жают системой внутреннего обогрева или охлаждения, что позво-
ляет регулировать температурный режим. Листы резины, получен-
ные прокаткой на каландрах, сматывают в рулоны и используют
затем в качестве полуфабриката для других пронессов формообра-
зования резиновых деталей. Во избежание слипания резины в ру-
лонах ее посыпают тальком или мелом при выходе из каландра.

В процессе получения прорезиненной ткани в зазор между вал-
ками каландров ,3 (рис. 8.10) одновременно пропускают пластифи-
цированную струю резиновую смесь 4 и ткань 2. Резиновая смесь
поступает в зазор между верхним и средним валками, обволакивает
средний валок и поступает в зазор между средним и нижним вал-
ками, через который проходит ткань. Средний валок вращается
с большей скоростью, чем нижний. Разность скоростей обеспечивает
втирание резиновой смеси в ткань Толщину резиновой пленки на
ткани регулируют, изменяя зазор между валками каландра. Много-
слойную прорезиненную ткань получают при пропускании опре-
деленного числа листов однослойной прорезиненной ткани через
валки каландра. Полученную ткань наматывают на барабан 1 и
затем вулканизируют.

Непрерывное выдавливание используют для получения профили-
рованных, резиновых деталей (труб, прутков, профилей для остекле-
ния н т. д.). Детали непрерывным выдавливанием изготовляют на
машинах червячного типа. Таким способом покрывают резиной
металлическую проволоку.

Прессование — одни из основных способов получения фасонных
деталей (манжет, уплотнительных колец, клиновых ремней и т. д.).
Прессуют их в металлических формах. Применяют горячее и холод-
ное прессование. При горячем прессовании резиновую смесь
закладывают в горячую пресс-форму и прессуют на гидравлических
прессах с обогреваемыми плитами. Температура прессования 140—
155 °C. При прессовании одновременно происходят формообразова-
ние и вулканизация деталей. Высокопрочные детали (например,
клиновые ремни) после формования подвергают дополнительной
вулканизации в специальных приспособлениях — пакетах. X о-
л о д н ы м прессованием получают детали из эбонитовых смесей
(корпуса аккумуляторных батарей, детали для химической промыш-
ленности и т. д.). После прессования заготовки отправляют на вул-
канизацию. В состав эбонитовой смеси входят каучук и значительное
количество серы (до 30 % массы каучука). В качестве наполнителей
применяют размельченные отходы эбонитового производства.

Литьем под давлением получают детали сложной формы. Рези-
новая смесь поступает под давлением при температуре 80—120 °C
через литниковое отверстие в литейную форму, что значительно
сокращает цикл вулканизации.

Вулканизацию — завершающую операцию при изготовлении ре-
зиновых деталей — проводят в специальных камерах (вулканиза-
торах) при температуре 120—150 °C в атмосфере насыщенного водя-
ного пара при небольшом давлении. В процессе вулканизации про-
исходит химическая реакция серы и каучука, в результате которой
линейная структура молекул каучука превращается в сетчатую, что
уменьшает пластичность, повышает стойкость к действию органиче-
ских растворителей, увеличивает механическую прочность.

При массовом производстве резиновых технических деталей все
технологические операции выполняют с помощью высокопроизводи-
тельного и автоматизированного оборудования.

ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ

1.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

К КОНСТРУКЦИЯМ ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Конструктивные особенности деталей из композиционных
материалов обусловлены физико-механическими и технологическим
свойствами, способами их получения. Прочностные и точностные
характеристики деталей во многом зависят от их конструктивного
оформления. Следует всегда стремиться к упрощению конструкции
детали как по технологическим и эксплуатационным, так и по эко-
номическим соображениям. Чем проще конструкция детали, тем
дешевле технологическая оснастка, ниже себестоимость, выше про-
изводительность труда, точность и качество получаемых деталей.
Габаритные размеры деталей определяют мощность оборудования
(пресса, литьевой машины и т. д.). При проектировании деталей
438
Рис. 8.11. Пример конструктивного оформления деталей (вверху — нетехноло-
гнчпые конструкции, внизу — технологичные конструкции)

д)	е)

с высокими требованиями точности размеров необходимо предусмо-
треть припуск на их дальнейшую механическую обработку.

В конструкциях деталей следует избегать выступов, пазов и от-
верстий, расположенных перпендикулярно к оси прессования
(рис. 8.11, а). Их следует заменять соответствующими элементами,
расположенными в направлении прессования. Процесс формообра-
зования деталей из композиционных материалов сопровождается зна-
чительной усадкой, поэтому в их конструкциях нельзя допускать
значительной разпостенности, которая вызывает коробление и обра-
зование трещин (рис. 8.11,6—а). Разностенность не должна пре-
вышать 1 > 3. В зависимости от габаритных размеров детали, исполь-
зуемого материала и других факторов оптимальной толщиной стенок
считается 0,5—5 мм, а минимальными радиусами сопряжений —
0,5—2 мм.

Отверстия в деталях получают при формообразовании (литьем,
прессованием и т. д.) соответствующими стержнями, устанавливае-
мыми в технологической оснастке (пресс-формах). Наличие стержней
вызывает появление напряжений в деталях, так как они затрудняют
свободную усадку материала. Отверстия лучше располагать не
в сплошных массивах, а в специальных бобышках с топкими стен-
ками (рис. 8.11, г, е), что снижает усадку и усилие обхвата стержней,

В деталях из композиций на основе пластмасс литьем под давле-
нием и прессованием получают наружные и внутренние резьбы, не
требующие дальнейшей обработки. Минимально допустимый диа-
метр резьбы для деталей из термопластов и пресс-порошков равен
2,5 мм, для волокнистых материалов — 4 мм. Резьбу па деталях из
спеченных порошковых материалов получают обработкой резанием.

В конструкциях деталей необходимо предусматривать ребра
жесткости, которые позволяют уменьшить сечения отдельных эле-
ментов детали, снизить напряжения в местах сопряжения стенок
различного сечения, повысить устойчивость и прочность конструк-
ций (рис. 8.11, б, е). Толщина ребер жесткости у их основания
должна быть равной толщине основной стенки детали. Для малога-
баритных деталей роль ребер жесткости могут выполнять выступы
Рис. 8.12. Пример армирования деталей

или впадины (рис. 8.11, г, е). Правильная конструкция опорной
поверхности повышает жесткость всей конструкции, особенно у круп-
ных корпусных деталей. Для этого сплошные опорные поверхности
следует заменять поверхностями с выступающими буртиками
(рис. 8.11, д). Общее конструктивное оформление детали необходимо
выполнять с учетом удобства сборки этой детали с другими деталями
изделия. Для свободного извлечения детали из пресс-формы на на-
ружных и внутренних поверхностях ее необходимо предусматривать
технологические уклоны. При проектировании конических поверх-
ностей необходимо исходить из удобства извлечения детали, обратная
конусность недопустима.

Использование металлической арматуры значительно расширяет
область применения деталей из композиционных материалов (осо-
бенно на основе пластмасс и резины). Например, в электро- и радио-
промышленности прессованием и литьем под давлением получают
электрические разъемники, колодки, панели и т. д. Это позволяет
резко (в 10—100 раз) сократить трудоемкость получения таких изде-
лий по сравнению с аналогичными конструкциями, собранными
из отдельных элементов.

Армирование позволяет также повысить точность и прочность
получаемых изделий. Арматуру в виде винтов, гаек, штырей и т. п.
(рис. 8.12, а, б) закрепляют с помощью кольцевых выточек, бурти-
ков или канавок. Для предотвращения проворачивания на наруж-
ных поверхностях этих деталей делают рифления, насечку или пло-
ские грани. Мелкую арматуру в виде пластинок (клеммы электриче-
ских разъемников) закрепляют с помощью боковых вырезов или
отверстий (рис. 8.12, в, г). Проволочную арматуру закрепляют путем
расплющивания или загибания второго конца (рис. 8.12, д, е).
Конструкция пресс-формы должна надежно фиксировать арматуру
и предотвращать возможность затекания материала в гнезда для
установки арматуры.

2.	ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК

Формообразование заготовок из композиционных мате-
риалов в большинстве случаев осуществляют методом копирования,
т. е. форма и размеры оснастки (пресс-формы) переносятся (копи-
руются) изготовляемой деталью. Получаемые детали, как правило,
не требуют дальнейшей механической обработки.
В отдельных случаях экономически целесообразнее изготовлять
детали механической обработкой. В качестве заготовок при этом
используют листы, трубы, прутки, профили различного сечения.
Иногда возникает необходимость в дополнительной обработке заго-
товок, полученных литьем, прессованием и другими методами формо-
образования. В зависимости от способа воздействия на заготовку,
используемых оборудования и инструмента применяют два основных
метода механической обработки: разделительную штамповку и об-
работку резанием.

Основные операции разделительной штамповки при изготовле-
нии деталей из листовых материалов — вырубка, пробивка, от-
резка, разрезка, обрезка и зачистка. Наибольшее практическое при-
менение имеют операции вырубки, пробивки и разрезки.

Операции разделительной штамповки выполняют с подогревом
заготовки или без подогрева. В качестве оборудования используют
механические или гидравлические прессы.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, нареза-
ние резьбы и т. д.) применяют в тех случаях, когда при формообра-
зовании нельзя получить деталь заданных размеров и формы.

Обработка спеченных материалов с пористостью менее 5 %
ничем существенно не отличается от обработки обычных беспори-
стых материалов. С повышением пористости материала характер
процесса стружкообразования меняется. Стружка дробится на
отдельные элементы, появляются ударные нагрузки, вибрации, сни-
жается стойкость режущего инструмента.

При обработке резанием пористых материалов необходимо при-
менять острозаточенный режущий инструмент, большие скорости
резания и малые подачи. Не рекомендуется применять обычные
охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают
коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок перед обработкой
также нежелательна, так как в процессе резания масло вытекает
из пор и, нагреваясь, дымит. Нарезать резьбу рекомендуется твердо-
сплавным инструментом. Для улучшения качества резьбы задний
угол следует увеличивать примерно в 2 раза по сравнению с инстру-
ментом, предназначенным для нарезания резьбы на заготовках из
обычной конструкционной стали.

При обработке заготовок из пористых антикоррозионных мате-
риалов нужно обращать внимание на состояние поверхностного
слоя. В целях предотвращения возможности закрывания пор необ-
ходимо использовать хорошо заточенный и доведенный режущий
инструмент. Допустимый износ инструмента по заданной поверх-
ности должен быть уменьшен в 1,5—2 раза по сравнению с общепри-
нятыми нормами при обработке конструкционной стали. Не допу-
скается шлифование абразивными материалами во избежание по-
падания абразивных частиц в поры.

Для обработки тугоплавких и жаропрочных материалов приме-
нимы электрофизические и электрохимические методы обработки
аналогичных литых материалов.
При обработке резанием композиционных материалов на основе
полимеров происходит разрушение поверхностной смоляной пленки.
Это приводит к снижению химической стойкости и повышению влаго-
поглощения обработанных деталей. Поэтому обработку резанием
следует применять только в необходимых случаях.

Особенности строения и физико-механические свойства пласт-
масс существенно влияют на технологию их обработки, конструк-
цию режущего инструмента и приспособлений. Пластмассы имеют
более низкие механические свойства по сравнению с металлом.
Эту особенность можно было бы использовать для повышения ско-
рости резания. Однако низкая теплопроводность пластмасс приводит
к концентрации теплоты, образующейся в зоне резания. В резуль-
тате этого происходит интенсивный нагрев режущего инструмента,
размягчение или оплавление термопластов, обугливание или прижог
реактопластов в зоне резания. При обработке деталей из термопла-
стов максимальная температура процесса не должна превышать
60—1203С, а деталей из реактопластов 120—160 °C. Образующаяся
теплота при обработке пластмасс отводится в основном через инстру-
мент.

Стойкость режущего инструмента различная в зависимости от
типа обрабатываемого материала и материала инструмента. Незна-
чительный износ наблюдается при обработке термопластов без на-
полнителя. При обработке реактопластов особенно со стеклянными
и другими подобными наполнителями, стойкость режущего инстру-
мента значительно снижается. Заготовки из термопластов (органи-
ческого стекла, полистирола, фторопласта и т. д.) можно обрабаты-
вать режущими инструментами из углеродистых и быстрорежущих
сталей. Материалы, оказывающие абразивное действие, обрабаты-
вают инструментами, оснащенными твердым сплавом, алмазом,
эльбором.

При обработке реактопластов со слоистыми и волокнистыми на-
полнителями охлаждающие жидкости не применяют из-за возмож-
ности набухания поверхностей материала. Для получения качествен-
ного поверхностного слоя обработку следует вести острозаточепным
режущим инструментом при высоких скоростях резания, с малыми
глубиной резания и подачей. В процессе обработки реактопластов
образуется пылевидная и элементная стружка, которая плохо сходит
с передней поверхности инструмента. Поэтому канавки для отвода
стружки делают более емкими и полируют во избежание ее прили-
пания. Геометрия режущего инструмента характеризуется боль-
шими величинами переднего и заднего углов. Для обработки пласт-
массовых заготовок используют специальное или универсальное
металлорежущее оборудование.

Резиновые технические детали практически не требуют дальней-
шей механической обработки. В отдельных случаях из листового
материала вырубают шайбы, прокладки и т. п.
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ............................................................ 3

Раздел 1. Свойства металлов и сплавов, применяемых в машиностроении 5

1.	Кристаллическое строение металлов........................ 5

2.	Кристаллическое строение сплавов......................... 5

3.	Кристаллизация сплавов .................................. 6

4.	Свойства металлов и сплавов ............................. 8

5.	Диаграмма состояния....................................  10

6.	Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов	14

7,	Основы классификации сталей и их	маркировка ............ 13

3, Цветные металлы и их сплавы ................< > < < .	17

Раздел 2. Производство черных и цветных металлов............. . , ( .	20

Глава I. Современное металлургическое производство....................  20

1.	Структура металлургического производства и сто про-
дукция ..................................................... 20

2.	А1атериалы для производства металлов и сплавов,	20

Глава	И. Производство чугуна....................................... 22

1.	Материалы, применяемые в доменном производстве, и их
подготовка к плавке........................................ 22

2.	Выплавка чугуна......................................... 24

Глава	III. Производство стали...................................... 28

1.	Сущность процесса...............................  .	.	28

2.	Производство стали	в мартеновских печах................. 32

3.	Производство стали	в кислородных конвертерах .....	35

4.	Производство стали	в электропечах....................... 37

5.	Разливка стали.......................................... 41

6.	Кристаллизация и строение стальных слитков.............. 43

7.	Способы повышения	качества металла..................... 45

Глава IV. Производство цветных металлов................................ 48

1.	Производство	меди....................................... 48

2.	Производство	алюминия................................... 49

3.	Производство	магния..................................... 50

4.	Производство	титана .................................... 51

Раздел 3. Обработка металлов давлением................................  53

Глава I. Физико-механические основы обработки металлов давлением 53

1.	Сущность обработки металлов давлением................... 53

2.	Виды обработки металлов давлением ...................... 54

3.	Влияние обработки давлением на структуру и свойства
металла .................................................... 56

Глава II. Нагрев металлов перед обработкой давлением................... 59

1.	Термический режим....................................... 59

2.	Нагревательные устройства............................... 61

Глава III.	Прокатное производство................................... 62

1.	Сущность процесса....................................... 62

2.	Продукция прокатного производства....................... 64

3,	Инструмент и оборудование для прокатки.................. 65

4.	Технология производства основных видов проката ....	66

Глава IV.	Ковка ................................................... 70

1.	Сущность процесса....................................... 70

2.	Основные операции ковки и применяемый инструмент . .	71

3.	Оборудование для ковки.................................. 74

4.	Технологическая разработка процесса..................... 75
Глава V. Горячая объемная штамповка .................................  78

1.	Сущность процесса.....................................  78

2.	Способы горячей объемной штамповки...................   80

3.	Проектирование поковки  ............................... 81

4.	Способы получения заготовки ........................... 84

5	Оборудование для горячей объемной штамповки............ 87

G. Специализированные процессы получения заготовок ...	91

7.	Отделочные операции горячей объемной штамповки ....	94

8.	Технологические особенности штамповки высоколегирован-
ных сталей и труднодеформируемых сплавов................... 96

9.	Механизация и автоматизация горячей объемной штамповки 97

Глава VI. Холодная штамповка.......................................... 98

1.	Холодное выдавливание...............................    98

2.	Холодная высадка.................................  .	Ю0

3.	Холодная штамповка в. открытых	штампах.............. 101

4.	Холодная листовая штамповка	.................  102

Глав VII. Методы производства машиностроительных профилей. . .	115

1.	Прессование........................................... 115

2.	Волочение.............................................. Н6

3.	Производство гнутых профилей.......................... 118

Раздел 4. Литейное производство ..................................... 120

Глава I. Характеристика литейного производства....................... 120

1.	Сущность литейного производства....................... 120

2.	Элементы литейной формы .............................. 121

3.	Литейные сплавы....................................... 121

Глава II. Теоретические основы производства отливок.................. 122

1.	Жидкотекучесть литейных сплавов....................... 122

2.	Усадка литейных сплавов............................... 123

3.	Трещины в отливках.................................... 126

4.	Газовые раковины и пористость в	отливках ............. 127

Глава III. Изготовление отливок в песчаных	формах............... 127

1.	Модельный комплект.................................... 127

2.	Формовочные и стержневые смеси........................ 131

3.	Литниковые системы.................................... 133

4.	Изготовление литейных форм ........................... 134

5.	Изготовление стержней.................................. И0

6.	Механизация и автоматизация изготовления литейных форм 141

7.	Сборка и заливка литейных форм. Охлаждение, выбивка и
очистка отливок .......................................... 144

Глава IV. Изготовление отливок специальными способами литья ...	146

1.	Литье в оболочковые формы .......................  .	147

2.	Литье по выплавляемым моделям ........................ 148

3.	Литье в кокиль .....................................   150

4.	Литье под давлением..............................  .	153

5.	Литье под регулируемым давлением...................... 154

6.	Центробежное литье.............. . ...........	?Л5

7.	Непрерывное литье....................................  157

Глава V. Изготовление отливок из различных сплздоп......	157

1.	Изготовление	отливок	из	серого чугуна ................ 157

2.	Изготовление	отливок	из	высокопрочного чугуна........	160

3.	Изготовление	отливок	из	копкего чугуна . ............. 162

4.	Изготовление стальных	отлзеок......................... 165

5.	Изготовление	отливок	из	алюинипсвых спладся .......... 167

6.	Изготовление	отливок	из	магниевых сплавов............. 169

7.	Изготовление	отливок	из	медных сплавов................ 171

8.	Изготовление	отливок	из	тугоплавких спланов........... 173

9.	Решение экологических	вопросов ....................... 173
Глава VI. Технологичность конструкций литых деталей .................. 174

1.	Конструирование литых детален с учетом литейных свойств
сплавов ................................................... 174

2.	Конструирование внешней поверхности литой детали . . .	176

3.	Конструирование внутренних полостей отливок............ 178

Глава VII. Технический контроль в литейном производстве.............	179

1.	Задачи технического контроля .......................... 179

2.	Дефекты отливок и причины нх возникновения............. 180

3.	Методы дефектоскопии отливок........................... 180

4.	Методы исправления дефектов в отливках................. 181

Раздел 5- Сварочное производство ..................................... 182

Глава 1. Физические основы получения сварного соединения ....	182

Г л а в а II. Термическая сварка...................................... 183

1.	Дуговая сварка. Сущность процесса	............... 183

2.	Понятие об электрической дуге и ее	свойства........... 184

3.	Источники сварочного тока............................. 187

4.	Ручная дуговая сварка ................................ 190

5.	Автоматическая дуговая сварка под флюсом.............. 193

6.	Дуговая сварка в защитном газе........................ 195

7,	Плазменная сварка .................................... 198

8.	Электрошлаковая сварка................................ 200

9.	Электронно-лучевая сварка............................. 202

10.	Газовая сварка.............. . . .'................... 204

11.	Термическая резка металлов............................ 208

Глава III. Термомеханическая и механическая сварка.................... 211

1.	Контактная сварка ..................................... 211

2.	Стыковая сварка....................................... 212

3.	Точечная сварка....................................... 214

4.	Шовная сварка......................................... 216

5.	Сварка аккумулированной энергией.................  .	217

6.	Оборудование для контактной сварки ..........	219

7.	Холодная сварка ...................................... 220

8.	Сварка трением........................................ 222

9.	Ультразвуковая сварка ................................ 223

10.	Сварка взрывом....................................... 225

11.	Диффузионная сварка................................... 226

Глава IV. Нанесение износостойких и жаростойких покрытий ....	227

1.	Наплавка ................;............................ 227

2.	Металлизация .......................................... 228

Глава V. Технология сварки различных металлов и сплавов............... 229

1.	Свариваемость металлов и сплавов ..... ................ 229

2.	Сварка углеродистых и легированных сталей ...........  232

3.	Сварка высоколегированных коррозионно-стойких сталей 233

4.	Сварка чугуна......................................... 233

5.	Сварка меди и ее сплавов.............................. 234

6.	Сварка алюминия и его сплавов......................... 236

7.	Сварка тугоплавких металлов и сплавов ................ 237

Глава VI. Пайка металлов и сплавов.................................... 238

1.	Сущность процесса и материалы для пайки .............. 238

2.	Способы пайки......................................... 240

Глава VII. Контроль качества сварных и паяных соединений ....	242

1.	Дефекты в сварных и паяных соединениях................ 242

2.	Виды контроля......................................... 243

Глава VIII Технологичность сварных соединений......................... 245

1.	Понятие технологичности .............................  245

2.	Выбор металла......................................... 246
8.	Выбор типа сварного соединения ...................  *	247

4.	Выбор формы свариваемых	элементов ............................... 249

5.	Выбор вида сварки.................................................. 249

6.	Выбор способа уменьшения сварочных деформаций и на-
пряжений .............................................................. 250

РаоЯсл 6. Технология обработки заготовок деталей машин резанием . . ,	253

I л а в а I, Физико-механические основы обработки металлов резанием . .	253

1.	Классификация движений в металлорежущих станках.
Схемы обработки резанием ................................ 253

2.	Методы формообразования поверхностей деталей машин 255

3.	Режим резания и геометрия срезаемого слоя ........................ 257

4.	Элементы токарного проходного резца. Определение углов
резца................................................................. 258

б.	Геометрия инструмента и ее влияние на процесс резания
и качество обработанной поверхности .................................. 259

6.	Физическая сущность процесса резания............................. 2С>1

7.	Силы резания...................................................... 263

8.	Наросгообразованпе при резании металлов........................... 265

9.	Упрочнение при обработке резанием ................................ 267

10.	Тепловые явления процесса резания................................. 269

11.	Трение, износ и стойкость инструмента............................. 271

12.	Влияние вибраций на качество обработки............................ 273

13.	Точность, качество и производительность обработки . , .	274

Глава II. Инструментальные материалы.............................  .	276

1.	Характеристика свойств инструментальных материалов. .	276

2.	Инструментальные стали ............................................ 277

3.	Твердые сплавы .................................................... 278

4.	Минералокерамика . ................................................ 278

5.	Абразивные материалы , ............................................ 279

6.	Алмазные инструменты .............................................. 280

Глава Ill. Металлорежущие станки.................................................. 280

1.	Классификация металлорежущих станков .............................. 281

2.	Кинематика станков .................................................284

3.	Кинематические схемы металлорежущих	станков........................ 288

4.	Автоматы и полуавтоматы.............................. 291

Глава IV, Обработка заготовок на станках токарной группы.......................... 293

1.	Характеристика метода точения...................................... 293

2.	Токарные резцы .................................................... 293

3.	Приспособления для закрепления заготовок на токарных
станках ............................................................... 294

4.	Обработка	заготовок	на токарно-винторезных	станках .	.	.	296

5.	Обработка	заготовок	на токарно-револьверных	станках .	.	.	302

6.	Обработка	заготовок	на токарно-карусельных	станках .	.	.	303

7.	Обработка	заготовок	на многорезцовых токарных полуав-
томатах 	 305

8.	Обработка заготовок на токарных	автоматах.......................... 306

9.	Технологические требования к конструкциям обрабатывае-
мых деталей...........................................................  309

Глава V. Обработка заготовок па сверлильных станках .............................. 311

1.	Характеристика метода сверления.................. 311

2.	Режим резания. Силы резания ....................................... 312

3.	Режущий инструмент............................... 313

4.	Приспособления для обработки заготовок на сверлильных
станках ............................................................... 315

5.	Обработка заготовок на вертикально-сверлильных	станках	316

6.	Обработка заготовок на радиально-сверлильных	станках	318

7.	Обработка заготовок на агрегатных станках........ 319
8.	Технологические требования к конструкциям обрабаты-
ваемых деталей..........................................................   .319

Глава VI. Обработка заготовок на расточных станках	.320

I.	Характеристика метода	растачивания . .... . ...	,	.320

2.	Режим резания...............................	32()

3.	Режущий инструмент................................................ 321

4.	Приспособления для обработки заготовок па расточных
станках ..................................................................  322

5.	Обработка заготовок па	горизоптально-расто'и.чх станках	323

6.	Обработка заготовок на	координатно-расточщ ix станках .	.	326

7.	Обработка заготовок на	алмазно-расточных станках . .	.	327

8.	Технологические требования к конструкт-,<м обрабаты-
ваемых деталей.................................... 327

Глава VII. Обработка заготовок на фрезерных станках	328

1.	Характеристика	метода	фрезерования.	..........	328

2.	Режим резания.	Силы	резания	.............	330

3.	Типы фрез.......................................... 331

4.	Приспособления для обработки заготовок па фрезерных
станках ................................................ 333

5.	Обработка заготовок на горизонтально- и вертикально-фре-
зерных станках...................................... 336

6.	Обработка заготовок	на	продольно-фрезерных станках	.	.	.	338

7.	Обработка заготовок па фрезерных станках непрерывного
действия................................................ 33!)

8.	Обработка заготовок	на копировально-фрезерных станках	.	.	340

9.	Технологические требования к конструкциям обрабатывае-
мых деталей......................................... 341

Глава VIII. Обработка заготовок	иа	протяжных станках	342

1.	Характеристика метода протягивания .........	342

2.	Режим резания................................... 343

3.	Протяжки .............................................................  343

4.	Силы резания и мощность при протягивании	.......	344

5.	Обработка заготовок	на	протяжных станках...... 345

6.	Технологические требования к конструкциям обрабатывае-
мых деталей ............................................ 348

Глава IX. Обработка заготовок на зубообрабатывающих станках. . .	349

1.	Формообразование фасонных профилей, равномерно рас-
положенных по окружности............'................... 349

2.	Режущие инструменты для нарезания зубчатых колес по
методу обкатки ......................................... 351

3.	Нарезание	зубчатых	колес	на	зубофрезерных	станках	.	.	.	352

4.	Нарезание	зубчатых	колес	на	зубодолбежных	станках	.	.	.	355

5.	Нарезание конических зубчатых колес на эубострогальпых
станках	................................... 357

6.	Технологические требования к конструкциям зубчатых колес	359

Глава X. Обработка заготовок на шлифовальных станках ................................. 360

1.	Характеристика метода шлифования ...................................... 360

2.	Режим резания. Силы резания...........................................  360

3.	Основные схемы шлифования.............................................  362

4.	Абразивные инструменты................................................  363

5.	Износ и правка шлифовальных кругов................. .	364

6.	Испытания и балансировка шлифовальных кругов ....	364

7.	Обработка заготовок на круглошлифовальиых станках .	.	.	364

8.	Обработка заготовок на внутришлифовальных станках	.	.	367

9.	Обработка заготовок на бесцентрово-шлифовальных станках	368

10.	Обработка заготовок на плоскошлифовальных станках .	.	.	369

11.	Обработка заготовок на специализированных и заточных
станках.................................................................... 370

12.	Технологические требования к конструкциям обрабаты-
ваемых деталей............................................................. 371
Глава XI. Методы отделочной обработки поверхностей..................... 372

1.	Отделочная обработка со снятием стружки................. 372

2.	Отделка поверхностей чистовыми резцами и шлифовальными
кругами ................................................   372

3.	Полирование заготовок .................................. 373

4.	Абразивно-жидкостная отделка ........................... 374

5.	Притирка поверхностей.................................   375

6.	Хонингование ..........................................  376

7.	Суперфиниш ............................................. 378

8.	Огделочно-зачистная обработка деталей ................. .379

9.	Отделочная обработка зубьев зубчатых колес ............  382

Глава XII. Методы обработки заготовок без снятия стружки............	384

1.	Чистовая обработка пластическим деформированием . . .	384

2.	Обкатывание и раскатывание поверхностей................. 385

3.	Алмазное выглаживание................................... 387

4.	Калибровка отверстий ..................................  387

5.	Виброиакатывание ....................................... 388

б.	Обкатывание зубчатых колес ............................. 389

7.	Накатывание резьб, шлицевых валов и зубчатых колее . . .	389

8.	Накатывание рифлений и клейм............................ 391

9.	Упрочняющая обработка поверхностей деталей.............. 391

Глава XIII. Автоматизация производства в цехах с металлорежущим
оборудованием ........................................................ 392

1.	Автоматизация металлорежущих станков.................... 392

2.	Универсальные	автоматы	. ............................  393

3.	Автоматизация на базе станков с программным управлением 394
4,	Автолитические	линии .................................. 397

5, Гибкие автоматические производства............... ...	398

Раздел 7. Электрофизические и электрохимические методы обработки . . .	400

1.	Электроэрозионные методы обработки...................... 401

2.	Электрохимические методы обработки...................... 405

3.	Анодно-механическая обработка........................... 408

4.	Химические методы обработки............................. 410

5.	Ультразвуковая обработка ............................... 410

6.	Лучевые методы обработки................................ 412

7.	Плазменная обработка ................................... 415

Раздел 8. Изготовление деталей из композиционных материалов. . . .	417

Глава I. Изготовление деталей из композиционных порошковых материалов 418

I. Способы получения и технологические свойства порошков 418
2. Краткая характеристика композиционных порошковых ма-
териалов .................................................   419

3.	Приготовление смеси и формообразование заготовок. ...	421

4.	Спекание и окончательная обработка заготовок............ 424

Глава П. Изготовление детален из неметаллических материалов . .	426

1.	Классификация и технологические свойства пластмасс . . .	426

2.	Способы формообразования деталей в вязкотекучем со-
стоянии .................................................. 429

3.	Получение деталей из композиционных пластиков....	433

Глава III. Изготовление резиновых технических детелей. .....	435

1.	Состав, свойства и области применения резиновых деталей 435
2. Способы формообразования резиновых деталей............ 4Кэ

Глава IV. Технологические особенности проектирования и изготовления,
деталей из композиционных материалов.................................. 438

1.	Технологические требования к конструкциям изготовляе-
мых деталей ............................................   438

2.	Технологические особенности дополнительной механической
обработки заготовок ............................... .....	440