МАШИННЕ ФОРМУВАННЯ І ВИГОТОВЛЕННЯ СТРИЖНІВ

МАШИННЕ ФОРМУВАННЯ І ВИГОТОВЛЕННЯ СТРИЖНІВ

Розділ 3.3 ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ВИЛИВКІВ

Однією з важливих передумов отримання високоякісних виливків є добрі ливарні властивості сплавів.

Ливарні властивості сплавів

До ливарних властивостей сплавів належать рідкоплин­ність, усадка, схильність до ліквації та вбирання газів.

Рідкоплинністю називають здатність розплавленого металу добре наповнювати порожнину ливарної форми й точно відтво­рювати виливком конфігурацію цієї порожнини. Рідкоплинність залежить від температури й хімічного складу сплаву виливка.

Зі зростанням температури рідкоплинність підвищується. Фос­фор, кремній і вуглець поліпшують рідкоплинність сталі, а сір­ка й неметалеві вкраплення погіршують її. Залежно від рідко-плинності того чи іншого сплаву вибирають мінімальну товщину стінок виливка.

Усадка — це зменшення розмірів виливка під час охолод­ження від температури заливання аж до кімнатної. На її зна­чення впливають хімічний склад і температура заливання ме­талу в форму. З підвищенням температури заливання усадка зростає. Розрізняють лінійну та об'ємну усадку. Лінійна усадка чавунів з пластинчастим графітом становить 1, 0... 1, 3 % [30], сплавів алюмінію — 1, 0... 1, 4 % [26, с. 37, 38], сплавів магнію — 1, 1...1, 3 %, сталі — - 2 %. Лінійну усадку враховують, призна­чаючи розміри моделей і стрижневих скриньок. Стінки форми, особливо стрижні, певною мірою гальмують усадку, що є при­чиною виникнення у виливках напружень. Ці напруження мо­жна істотно зменшити, застосовуючи податливіші фермові та стрижневі суміші. Нерівномірне охолодження різних частин виливка може спричинити його викривлення. Об'ємна усадка й неодночасна кристалізація металу на поверхні та в глибині ви­ливка зумовлюють, як відомо, утворення внутрішніх порож­нин. Щоб уникнути цього, застосовують раціональну ливнико­ву систему, а в деяких випадках над виливком встановлюють масивні додатки, що заповнюють розплавленим металом усад­кову порожнину, утворювану всередині виливка.

Ліквація спричинює хімічну неоднорідність в різних зонах виливка. Найнебезпечніша зональна ліквація, оскільки вона позначається на неоднорідності структури та властивостях. На ліквацію впливають хімічний склад сплаву та швидкість його охолодження. Найбільше сприяють ліквації у сталях і чаву­нах сірка, фосфор і вуглець. Унаслідок збільшення швидкості охолодження зменшується схильність сплаву до зональної

ліквації.

Розплавлений метал здатний розчиняти гази (азот, водень, кисень) і виділяти їх під час охолодження. Виділені гази, які не вийшли в атмосферу, залишаються в металі у газових поро­жнинах. Для зменшення частки розчинених газів у рідкому металі застосовують його вакуумну дегазацію (див. п. 1.3.4).

Ливарні сплави

Загальний обсяг виробництва виливків у світі зі всіх спла­вів протягом кількох останніх десятиліть перебував у межах 70...80 млн т за рік (табл. 3.3.1 і рис. 3.3.1).

Таблиця 3.3.1

У ливарному виробництві широко використовують чавуни (чавун з пластинчастим графітом, чавун з кулястим графітом, ковкий чавун, чавун з вермикулярним графітом та ін.), сталі (вуглецеві й леговані) та меншою мірою сплави кольорових ме­талів на основі алюмінію, міді, цинку, магнію, титану тощо. З-поміж ливарних сплавів найпоширенішими в світовому мас­штабі (дані за 1970-1995 pp.) є чавуни — 76...80 % за масою. Виробництво виливків зі сталі становило 10... 16 % і мало тен­денцію до зменшення, а частка виливків зі сплавів кольорових металів невпинно зростала від 5 % у 1970 р. до 12 % в 1995 р.

Структура ливарних чавунів складається з металевої основи (матриці) та вкраплень графіту. Механічні властивості чавунів залежать від структури матриці (феритна, феритно-перлітна, перлітна) й форми графіту (пластинчаста, пластівчаста, куляста).

Рис. 3.3.1. Динаміка сумарного виробництва виливків у світі та окремих

країнах за період від 1950 до 1995 pp.:

1-у світі; 2-у Франції; 3 — в КНР; 4 — в Італії; 5 — в Японії; б — у США;

7 — в Англії; 8-у Німеччині; 9 — в Україні

З переходом від пластинчастої до кулястої форми графіту зрос­тає вплив матриці на механічні властивості виливків. Форма графіту зумовлює поділ чавунів на чавуни з пластинчастим гра­фітом, ковкі, чавуни з кулястим графітом та ін.

Чавуни з пластинчастим графітом найпоширеніші і найдешевші серед чавунів, мають добрі ливарні властивості (див. п. 2.7.5).

Ковкі чавуни (див. п. 2.7.6) з вкрапленнями графіту компакт­ної форми з кошлатими краями мають підвищені механічні властивості порівняно з сірими, добре обробляються різанням й мають однорідні властивості в усьому об'ємі виливка. їх недо-

J? 1960             1970             1980             1990

Рік

Рис. 3.3.2. Частка виливків із чавуну з кулястим графітом, вироблених у світі (4), США (3), Японії (2), Франції (1) та Україні (5)

лік — висока вартість, зумовлена надмірними енерговитратами на відпал.

Чавун з кулястим графітом (див. п. 2.7.7) має серед чаву­нів найкращі механічні властивості, добрі ливарні показники й успішно конкурує з ковкими чавунами та сталями. Вперше ви­сокоміцний чавун у виробничих умовах був отриманий у 1949 р. Модифікування перегрітого металу за допомогою магнію, цезію або кальцію виконують у герметизованих ковшах, автоклавах, вагранках і безпосередньо в ливарних формах. Перед модифі­куванням рекомендується зменшити вміст сірки й кисню у рід­кому металі [19]. Залежно від вмісту цих домішок кількість магнію, що використовується для модифікації, становить 0, 15...0, 30 % [20, с. 145] маси чавуну. Доцільно вводити магній не у чистому вигляді, а у складі лігатур.

Особливо інтенсивно збільшується частка виливків у світі із чавуну з кулястим графітом — від 7 % у 1970 р. до 18 % у 1995 р. (рис.3.3.2). Цей показник істотно випереджали Франція, Япо­нія і США. У 1995 р. Франція виробила 38 % виливків із чавуну з кулястим графітом, Японія — ЗО %, США — 28 %, Україна — лише 2...3 %.

Сталь порівняно з сірим чавуном характеризується доброю зварюваністю, підвищеною міцністю (о" _в = 400...700 МПа) та пластичністю (8 = 11...24 %) [33]. Водночас вона має високу температуру плавлення, малу рідкоплинність і дає велику (до 2 %) лінійну усадку, внаслідок чого сталь схильна утворювати усадкові порожнини.

Для виготовлення виливків використовують конструкційні нелеговані сталі марок 15Л, 20Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л, 45Л і 50Л та конструкційні леговані сталі марок 20ГЛ, 35ГЛ, 20ГСЛ, 20ХГНМФЛ, 45ФЛ, 12ХТГЗСЛ, ЗОХЗСЗГМЛ [33] тощо. В разі необхідності застосовують високолеговані сталі зі спеціальни­ми властивостями. Літера Л означає, що сталь лита. З литих сталей виливають станини вальцівних станів, зубчасті колеса, арматуру тощо.

Ливарні сплави алюмінію (див. п. 2.12.2.3) характеризуються низькою густиною, невисокою температурою плавлення, задо­вільною міцністю (с_в = 150...500 МПа) та пластичністю (5 = =0, 5...12 %). Вони найпоширеніші серед ливарних сплавів ко­льорових металів і потреба в них постійно зростає. Особливо широко застосовуються ці сплави у транспорті, де зниження маси дає змогу заощаджувати значну кількість палива. Відпо­відно до стандарту [34] ливарні сплави алюмінію поділяють на п'ять груп: силуміни (сплави першої групи), мідні силуміни (сплави другої групи), сплави третьої групи (на основі А1 і Си), магналії (сплави четвертої групи на основі А1 і Mg) і сплави п'ятої групи (на основі А1 — інші компоненти).

Сплави міді: ливарні латуні (див. п. 2.13.2.1) і ливарні брон­зи (див. п. 2.13.2.2) мають задовільні ливарні властивості, до­волі високу міцність і антифрикційні властивості, значну коро­зійну тривкість і добру оброблюваність різанням. Прості латуні як ливарні сплави не використовуються з огляду на незадовіль­ні ливарні властивості. Міцність ливарних латуней і бронз ко­ливається в межах о" _в =150...170 МПа, відносне видовження б = 2...20 % [35-37].

Сплави магнію [38] характеризуються невеликою густиною (1, 8... 1, 9)-10³ кг/м³, порівняно невисокою міцністю (с_в = =120...260 МПа) і пластичністю (5 = 1...6 %). Вони легко окси­дуються у рідкому та твердому станах. Ливарні властивості спла-

вів магнію гірші, ніж сплавів алюмінію. Однак, зважаючи на значну питому міцність магнієвих сплавів, їх застосовують в авіації, автомобілях і приладах. Сплави магнію легують алюмі­нієм (3...10 %) — марки МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6 — або цинком (0, 1...7, 0 %) і цезієм (0.4..ЛД %) — марки МЛ8, МЛ10, МЛ12, МЛ15.

Ливарні сплави титану (див. п. 2.12.7) характеризуються високою питомою міцністю, корозійною тривкістю та зварюва­ністю. Водночас вони погано обробляються різанням і мають високу реакційну здатність у розплавленому стані. Ці сплави застосовують у літако- й ракетобудуванні, в хімічній та харчо­вій промисловості, в медицині й побуті.

Плавлення титанових сплавів

Зважаючи на високу хімічну активність титану, виливки з його сплавів отримують у вакуумних установках, де послідовно виконуються дві операції — плавлення і розливання.

4_              .___ L ^

Для плавлення використовують електродугову піч з охоло­джуваним тиглем / (рис. 3.3.5). Тигель виготовляють із графі­ту. Щоб не допустити взаємодії титану з графітом тигля, забезпе­чують контакт стінок тигля з холодильником 2, в якому цирку­лює вода. Унаслідок охолодження утворюється захисна оболон­ка З — гарнісаж. Електрод 4 поступово розплавляється і напов­нює тигель. Склад електрода відповідає складові сплаву, який виплавляють. Після наповнення тигля метал заливають у форму.

Заливання форм

Для транспортування рідкого металу від печі до форми ви­користовують розливні поворотні ковші, рідше ковші зі стопор-

Рис. 3.3.6. Розливний поворотний ківш:

 

/ — ківш; 2 — цапфа; З — тяга; 4 — балка; S — пкоба; 6 — носик

 

ними пристроями. Ковші підвішують до каретки, що на монорей­ці, або до гака мостового крана за допомогою скоби 5 (рис. 3.3.6). Поворотний ківш 1 підвозять до ливникової чаші форми й ви­ливають метал неперервним струменем через носик 6, нахиля­ючи ківш завдяки обертанню його разом з цапфами 2 в підшип­никах тяг 3.

 

12   3                                    4

5

Рис. 3.3.8. Схема очисного барабана:

/ — вхідна горловина; 2 — обруч; 3 — середня частина барабана;

4 — вихідна горловина; 5 — ролик

матичними зубилами, очисними барабанами й дробометальни-

ми установками.

В очисному барабані остаточно вибивають стрижень, відла­мують ливникову систему, випор і заливи у виливках із крих­ких металів, а також попередньо очищують виливки унаслідок їх ударів під час обертання барабана. Очисний барабан зваре­ний з листової сталі. Середня його частина 3 (рис. 3.3.8) цилін­дрична, вхідна 1 й вихідна 4 горловини мають форму зрізаного конуса. Внутрішня поверхня має поздовжні ребра, до зовніш­ньої поверхні приварено два обручі (бандажі) 2, що ними бара­бан опирається на чотири ролики 5, два з яких є тяговими й обертають його. Під час обертання барабана виливки, що біля стінки, піднявшись на певну висоту, падають. Щоб надати ви­ливкам руху уздовж осі барабана, його дещо нахиляють.

Високої якості очищення досягають на дробометних устано­вках, в камерах яких на поверхню виливка відцентровою си­лою лопаток обертального колеса викидається металевий дріб.

Лиття в кокіль

Кокіль (coquille — оболонка (фр.)) — це металева форма, яку наповнюють рідким металом під дією сил гравітації. Внут­рішня порожнина виливка створюється пісковим або метале­вим стрижнем. Особливістю кокілю є можливість багаторазово­го використання й висока його теплопровідність, яка істотно впливає на утворення структури виливка. Значна швидкість охолодження залитого металу сприяє формуванню дрібнозер­нистої структури і, окрім цього, для виливків з чавунів і сталей — виникненню відповідно відбіленого або загартованого поверх­невого шару високої твердості.

Для простих за конфігурацією виливків зі зовнішнім нахи­лом використовують суцільні кокілі, а для складних виливків — рознімні з вертикальною, горизонтальною або комбінованою поверхнями розкриття. Рознімні частини кокілю центрують між собою, а перед заливанням їх надійно фіксують у складеному положенні. Під час наповнення порожнини кокілю розплавле­ним металом з неї виходить повітря крізь випори, а гази, розчи­нені в металі, — крізь спеціальні щілини глибиною 0, 3...0, 5 мм (рис. 3.4.1), утворені на площині розкриття кокілю.

Кокілі виготовляють з чавунів, сталей, рідше — зі сплавів алюмінію. Для регулювання швидкості охолодження залитого металу й підвищення теплостійкості кокілю його робочу поверх­ню покривають теплоізоляційним матеріалом різної товщини.

Рис. 3.4.1. Щілини для

виходу газів із порожнини

кокілю

 

Значного поширення набули покриття багаторазового викорис­тання, які наносять на нагріту поверхню кокілю у вигляді суспензій за допомогою пульверизатора або пензля. До складу суспензій входять один або декілька вогнетривких матеріалів у вигляді дрібних порошків (кварц, циркон, оксид хрому, ок­сид цинку, тальк, графіт) і зв'язувальна речовина (рідке скло, зволожена вогнетривка глина та ін.). Покриття багаторазово­го використання (оксид алюмінію, вольфрам, молібден) нано­сять на робочу, поверхню кокілю методом високотемператур­ного напилення. Рідкі покриття одноразового використання на основі олив або мазуту наносять перед кожним заливанням форми. Під час стикання з рідким металом вони вигорають, утворюючи тонку захисну плівку. Щоб підтримувати оптималь­ний температурний режим в межах 200... 400 °С, робочу поверх­ню кокілю спочатку нагрівають газовим полум'ям або електрич­ним струмом, а при експлуатації охолоджують повітрям, водою або оливою.

Кокільним литтям виготовляють виливки з чавунів, сплавів алюмінію, магнію, міді, рідше — зі сталей і сплавів титану.

Нижче зображена схема будови металевої форми для ви­ливання поршня, яка складається з бічних половин 2 і 6 (рис. 3.4.2), нижньої частини 8, двох суцільних стрижнів 1 і 7 та рознімного стрижня, що має центральний 4 й два бічних елементи 3 і 5. Сплав потрапляє в порожнину кокілю через ливниковий канал (на рисунку не зображений). Після крис­талізації металу та його охолодження до заданої температури виймають центральний елемент рознімного стрижня, після чого — бічні його елементи й наостанку — суцільні стрижні. Насамкінець розкривають бічні половини кокілю й виштов­хують виливок.

Рис. 3.4.2. Схема будови кокілю для відливання поршня:

1, 7 — суцільний стрижень; 2, 6 — бічна половина кокілю;

З, 5 — бічні елементи і 4 — центральний елемент рознімного стрижня;

8 — нижня частина кокілю

Порівняно з литтям в одноразові форми кокільне лиття має такі переваги:

— багаторазове використання кокілю — від сотні до десят­ків тисяч разів;

— більші точність розмірів, якість поверхні й механічні вла­стивості отримуваних виливків;

— вища продуктивність праці, бо не потрібно чистити вили­вки та виготовляти ливарну форму кожного разу;

— ліпші санітарні умови праці;

— ширші можливості механізації та автоматизації процесу.
Недоліки лиття в кокіль:

— через високу вартість металевої форми лиття в кокіль вигідне лише в серійному й масовому виробництвах;

— обмежені можливості виготовлення тонкостінних вилив­ків, зумовлені швидким охолодженням залитого металу.

Лиття під тиском

Суть лиття під тиском полягає в тому, що наповнення металевої прес-форми й подальша кристалізація сплаву відбу­ваються під великим тиском. Завдяки ретельно виготовленим прес-формам і тиску на рідкий метал виливки мають гладку поверхню й точні розміри, а швидке охолодження сприяє фор-

муванню дрібнозернистої структури. Цим способом отримують виливки складної конфігурації масою від кількох грамів до де­сятків кілограмів зі сплавів алюмінію, цинку, магнію, міді, рід­ше — з чавунів і сталей.

Щоб захистити прес-форму від взаємодії з розплавленим металом й полегшити виймання виливка, перед кожним зали­ванням змащують робочу поверхню прес-форми емульсією, го­ловними складовими якої є олива і вода. Після випаровування води на гарячій поверхні прес-форми залишається тонкий шар мастильного матеріалу. Метал наповнює прес-форму з великою швидкістю, що є перешкодою для повного виходу з її порожни­ни повітря й газу, який утворився під час згорання мастильно­го матеріалу. Ось чому виливки, отримані литтям під тиском, мають газоповітряні пори. Щоб зменшити пористість, вакууму­ють прес-форму, наповнюють її порожнину суцільним (не пере­мішаним з газами) струменем металу або використовують ме­тал у твердо-рідкому стані.

Прес-форми для сплавів кольорових металів виготовляють з легованих сталей, а прес-форми для чавунів і сталей — зі спла­вів на основі молібдену й вольфраму.

Усі сучасні машини для лиття під тиском поділяють на ма­шини з холодною й гарячою камерою пресування. Камерою пресування служить циліндр і поршень.

Розрізняють машини з холодними вертикальною та горизон­тальною камерами пресування. Перевагу віддають машинам з горизонтальною камерою пресування, бо вони продуктивніші. Машина з холодною горизонтальною камерою пресування складається з циліндра 6 (рис. 3.4.3) з вікном для заливання металу, поршня 7, рухомої 2 і нерухомої 4 половин прес-форми та стрижня 3. Порцію металу заливають ковшем 5 у вікно ци­ліндра. Після цього поршень пересувається вліво, витісняє ме­тал із циліндра в порожнину прес-форми (рис. 3.4.3, б), ство­рюючи тиск від 40 до 200 МПа. По охолоджені виливка до зада­ної температури виймають стрижень, відводять рухому полови­ну прес-форми вліво і за допомогою виштовхувача 1 викидають з неї виливок 8 (рис. 3.4.3, в). Згодом робочу поверхню обдува­ють стисненим повітрям, змащують емульсією, опускають стри­жень, закривають прес-форму і цикл повторюють.

-------------------------------------------------------- 327

Рис. 3.4.3- Схема машини

 

для лиття під тиском з холодною горизонтальною камерою пресувапня: 2 — виштовхувач; 2 — рухома і 4 — нерухома половини прес-форми; 3 — стрижень; 5 — ківш; 6 — циліндр; 7 — поршень; 8 — виливок

 

Машина з гарячою камерою пресування складається з тиг­ля 2 (рис. 3.4.4), циліндра /, поршня 5, рухомої 8 і нерухомої 6 половин прес-форми та виштовхувачів 9. Необхідна температу­ра металу в тиглі підтримується газовим пальником 10. Крізь отвори 3 метал затікає в середину циліндра. Рухаючись вниз, поршень витісняє метал з циліндра в порожнину прес-форми крізь канал 4 (рис. 3.4.4, б). Після кристалізації металу пор­шень піднімається і рештки металу стікають в циліндр. Згодом рухома половина прес-форми відходить вліво й виштовхувачі викидають виливок 7 (рис. 3.4.4, в). Машина оснащена гідравліч­ним приводом. Тиск, створюваний в камері пресування, стано­вить 10... 100 МПа. У машинах з гарячою камерою пресування немає операції заливання металу, з огляду на що вони продуктив­ніші порівняно з машинами з холодною камерою пресування. Водночас постійне перебування циліндра й поршня у контакті з

розплавленим металом негативно позначається на тривалості їх

експлуатації.

Машини з гарячою камерою пресування використовують для виробництва виливків зі сплавів цинку та магнію.

Лиття під тиском посіло міцні позиції в масовому виробниц­тві. Цим способом виготовляють блоки циліндрів автомобіля, деталі фотоапаратів, біноклів та ін.

Переваги лиття під тиском перед кокільним литтям:

— підвищена точність розмірів і висока якість поверхні ви­ливків;

— можливість виготовлення виливків з товщиною стінки близько 1 мм;

— висока продуктивність, зумовлена незначною кількістю операцій;

— низька вартість виливків, виготовлених в умовах масово­го виробництва.

Недоліки:

— обмежена маса виливків;

— висока вартість прес-форми;

— наявність у виливках газоповітряних nop.

Відцентрове лиття

Під час відцентрового лиття кристалізація металу відбу­вається тоді, коли діють відцентрові сили у формі, яка оберта­ється. Ці сили, значно перевищуючи сили гравітації, відтиска­ють метал до стінок форми, внаслідок чого в центрі форми вини­кає порожнина й тому зникає необхідність у застосуванні стриж­ня. Шлаки та гази, які мають меншу густину порівняно з рідким металом, витісняються на вільну поверхню, через що виливок стає щільним. Кристалізація починається від стінок металевої форми й закінчується на вільній внутрішній поверхні виливка. Щоб збільшити стійкість металевої форми, її охолоджують і ро­бочу поверхню покривають вогнетривким порошком.

Відцентровим литтям найчастіше виготовляють вироби, що мають вигляд тіл обертання (труби різного призначення, кіль­ця, біметалеві втулки, гільзи двигунів внутрішнього згорання, бандажі коліс трамвайних і залізничних вагонів), матеріалом яких може бути чавун, сталь або сплави кольорових металів. Маса виливків може становити від кількох кілограмів до кіль­кох десятків тонн.

Машини для відцентрового лиття бувають і з горизонталь­ною, і з вертикальною віссю обертання.

Машина з горизонтальною віссю обертання складається з циліндричної металевої форми / (рис. 3.4.5, а), покришки 3 і

жолоба 2. Перед заливанням металу формі надають обертально­го руху. Метал із ковша 4 потрапляє в жолоб, а з нього — у форму. Під час відливання довгих труб жолоб переміщається від одного краю форми до протилежного, що дає змогу рівномірно розподілити метал у формі.

У машині з вертикальною віссю обертання (рис. 3.4.5, б) на залитий метал, крім відцентрової сили, діє ще й сила гравіта­ції, яка спричинює різну товщину стінки виливка по висоті. Щоб не допустити великої різниці, товщини стінки, висота ви­ливка повинна бути меншою за його внутрішній діаметр.

Переваги відцентрового лиття порівняно з литтям в однора­зові пісково-глиняні форми:

— зникає потреба в застосуванні стрижнів для виливків з

циліндричним отвором;

— отримують виливки зі сплавів з низькою рідкоплинністю.

Недоліки:

— складно виготовляти якісні виливки зі сплавів, схильних

до ліквації;

— вільна поверхня характеризується порівняно низькою точ­
ністю розмірів.

ОБРОБКА МЕТАЛІВ ТИСКОМ

Обробка металів тиском — один з найпоширеніших, найпродуктивніших і найдешевших методів виготовлення заго­товок (а іноді й деталей) різної маси та розмірів зі сталі, деформівних сплавів алюмінію, міді, титану та ін. Мета цього виду обробки — якомога більше наблизити форму й розміри заготовки до форми й розмірів майбутньої деталі, внаслідок чого відходи металу в стружку під час подальшого виготовлення де­талі різанням істотно зменшуються. Обробкою тиском отриму­ють прутки круглого, квадратного, шестикутного та інших про­філів, фасонні профілі, труби, листи, дріт, кованки, штампова­ні деталі тощо.

Розділ 4.1

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ОСНОВИ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ ТИСКОМ

4.1.1. Суть обробки металів тиском

Обробка металів тиском можлива завдяки їх пластичності. Пластичністю називають здатність металу необоротно (плас­тично) деформуватись без руйнування під дією прикладених сил. Кількісними характеристиками пластичності є відносне видов­ження 8, відносне звуження \|/ та ін.

Сили, прикладені до металевого тіла під час обробки тис­ком, зумовлюють у ньому пружну й пластичну деформації (див. п.2.3.2). Після зняття цих сил пружна деформація зникає, а пластична залишається. Завдяки останній тіло дістає задану форму та розміри. Сумарна пластична деформація полікриста-

----------------------------------------------- 337

, _Л В. Попович

лічного тіла складається з внутрікристалітної и міжкристалітної деформацій. Основними механізмами внутрікристалітної деформації є ковзання і двійникування. У полікристалічному металі кристаліти (зерна) мають різну орієнтацію. Спочатку зсуви відбуваються в тих кристалітах, площини ковзання яких збігаються з напрямом максимальних дотичних напружень і щільність укладки атомів у яких найбільша. Як відомо (див. п.2.3.1), максимальні дотичні напруження діють у площинах, розташованих під кутом 45° до прикладеної сили. Зі збільшен­ням деформації збільшується густина дислокацій, відбувається їх взаємне блокування, у зв'язку з чим зростає опір ковзанню по цих площинах і зсуви тут припиняються. З подальшим збіль­шенням навантаження зростають дотичні напруження, унаслі­док чого ковзання йде вже в інших зернах й по інших площи­нах, кут яких відносно діючої сили відрізняється від 45°.

Ковзання — найпоширеніший механізм пластичної деформа­ції в межах температур від кімнатної й до початку рекристаліза­ції. Двійникування спостерігається порівняно рідко під статич­ними навантаженнями і частіше під динамічними (ударними) навантаженнями й низьких температурах. А при високих тем­пературах активізуються міжкристалітні зсуви по границях зерен, однак їх частка в сумарній пластичній деформації неве­лика.

Залежно від температури обробки й температури рекриста­лізації розрізняють холодне й гаряче деформування металів.

Холодне деформування відбувається при температурах, ниж­чих від температури рекристалізації, а гаряче деформування — при температурах, вищих від температури рекристалізації. Холодне деформування супроводжується видовженням зерен, збільшенням густини дефектів, що підвищує міцність та твер­дість металу й зменшує його пластичність (явище наклепу). Холодне деформування сприяє підвищенню точності розмірів, якості поверхні та міцності металу.

У нагрітому вище температури рекристалізації металі одночасно зі зміцненням відбувається знеміцнення (рекриста­лізація). Що вищі температура й ступінь деформації, то вища швидкість рекристалізації. Гаряче деформування доцільно за­стосовувати для обробки малопластичних і важкодеформівних

сплавів, а також зливків. Якщо швидкість рекристалізації перевищує швидкість наклепу, то метал повністю відновлює свої властивості, які він мав перед обробкою-тиском.

Нагрівальне устаткування

Найпоширенішим устаткуванням, яке використовують для на­грівання заготовок перед обробкою тиском у ковальських цехах, є:

— камерні полуменеві печі;

— камерні електричні печі опору;

Рис. 4.1.3. Камерна

полуменева піч:

і — під; 2 — бічна стінка;

З — заготовка; 4 — пальник;

5 — склепіння; 6 — засувка;

7 — вікно; 8 — газовідвідний

канал

— напівметодичні полуменеві печі;

— пристрої контактного електронагрівання заготовок стру­мом промислової частоти;

— пристрої для нагрівання струмами високої частоти.

У полуменевих печах теплота до заготовок передається ви­промінюванням від внутрішніх поверхонь камери, а також кон­векцією гарячих газів. Для нагрівання полуменевих печей ви­користовують газоподібне або рідке паливо, а для нагрівання електричних печей і електропристроїв — електричний струм.

Камерна полуменева піч складається з металевого каркаса, викладеного зсередини вогнетривкою цеглою. Камеру печі утво­рюють під 1 (рис. 4.1.3), бічні стінки 2 і склепіння 5. Крізь вікно 7, що закривається засувкою 6, завантажують і виванта­жують заготовки 3. У стінках є отвори для пальників 4 або форсунок. За допомогою пальників у камеру печі подають пальну суміш з повітря і природного газу, а за допомогою форсунок — суміш з повітря й краплинок мазуту. Спалювання суміші ство­рює в камері температуру до 1200... 1300 °С. З метою додатково­го омивання заготовок гарячими газами рекомендують розта­шовувати газовідвідний канал 8 у нижній частині печі.

На шляху виходу з камери гарячих продуктів спалювання встановлюють металеві теплообмінники — рекуператори, в яких холодне повітря, що подається до пальників або форсунок, на­грівають до 200...300 °С і більше, завдяки чому заощаджують паливо.

1 — заготовка; 2 — пальник; 3 — вікно; 4 — водоохолоджувана труба; 5 — штовхач

Піч обладнують термоелектричним пірометром з самописом для контролю і запису температури та приладом автоматичного підтримування заданої температури. У камерних печах нагрі­вають переважно дрібні й середні заготовки.

Камерна електрична піч опору за конструкцією подібна до камерної полуменевої печі. Замість пальників або форсунок у стінках цієї печі вмонтовують металеві або карборундові елемен­ти опору, які живить силова електрична мережа. Ці елементи створюють у печі температуру до 1000 °С і більше, яка легко регулюється. Відсутність в електричних печах полум'я змен­шує втрати заготовок від оксидації заліза й вигоряння вугле­цю. Щоб додатково захистити заготовки від таких втрат, в гер­метизовану камеру печі вводять інертні або відновлювальні гази.

Характерною особливістю камерних печей є практично од­накова температура в усьому об'ємі камери.

Перевагою камерних печей є малі габарити й простота кон­струкції.

Серед недоліків зазначимо:

— значні втрати металу від оксидації внаслідок того, що заготовки потрапляють відразу в камеру з високою темпера­турою;

— низький ККД полуменевих печей (=10 %) внаслідок ви­ходу високонагрітих пічних газів в атмосферу.

Напівметодична полуменева піч складається з видовженої в напрямку руху заготовок нагрівальної камери з бічним вікном З

(рис. 4.1.4), двох водоохолоджуваних труб 4, пальників 2 і пне-нматичного штовхача 5. По трубах періодично пересувають за­готовки 1, а через вікно їх виймають. Нагрівальна камера поді­ляється на низькотемпературну (справа) й високотемпературну (зліва) зони. Завдяки значній довжині печі, вдало вибраній її формі та раціональному розташуванню пальників у зонах під­тримують заданий ріст температури в напрямку пересування заготовок.

Заготовку кладуть на водоохолоджувані труби навпроти штов­хача і рухом поршня вліво її пересувають на один крок. Після цього поршень відходить управо і на труби кладуть наступну заготовку. її у визначений момент часу знову пересувають ра­зом з попередньою заготовкою на один крок. Так заготовки крок за кроком періодично наближаються до кінця печі. На останній позиції заготовка скочується з труб і опиняється навпроти вік­на на поді печі, де вона вирівнює свою температуру. Продукти спалювання рухаються назустріч заготовкам і поступово відда­ють їм свою теплоту. Заготовки потрапляють спочатку в прос­тір з температурою 600...800 °С (низькотемпературна зона). У кінці високотемпературної зони температура доходить до 1250... 1350 °С. Ритмічне пересування заготовок забезпечує їм поступове нагрівання за заданим режимом. Продукти спалю­вання перед виходом в атмосферу подають у рекуператори.

Особливістю режиму нагрівання заготовок в напівметодичній печі є плавне підвищення їх температури.

Переваги напівметодичних печей:

— завдяки поступовому нагріванню заготовок зменшуються їх втрати на оксидацію та зневуглецьовування;

— повніше (порівняно з камерними печами) використову­ється теплота продуктів спалювання (ККД становить 40 % і більше).

До недоліків належать великі габарити й ускладнена конс­трукція.

Пристрій контактного електронагрівання заготовок струмом промислової частоти застосовують для відносно довгих загото­вок діаметром 015...75 мм. Кінці заготовки 2 (рис. 4.1.5) зати­скають мідними контактами 3, до яких від знижувального транс­форматора 1 підводять струм силою до 5 000 А. Затискання

Рис. 4.1.5. Пристрій контактного нагрівання заготовок струмом

промислової частоти:

1 — трансформатор; 2 — заготовка;

З — затискний контакт

заготовок в контактах механізоване. Щоб нагрівати заготовки різної довжини, один з контактів можна пересувати по напрям­них пристрою. Стійкість затискних мідних контактів невисо­ка, вони витримують до 1000 нагрівань. Кількість теплоти, ви­діленої в заготовці під час проходження електричного струму, визначають за законом Джоуля-Ленца. Коефіцієнт корисної дії пристрою становить =75 %.

Особливістю контактного електронагрівання є виділення теплоти безпосередньо в заготовці.

Переваги пристроїв контактного електронагрівання:

— простота конструкції;

— у 8... 10 разів більша швидкість нагрівання порівняно з полуменевими печами, внаслідок чого знижується втрата мета­лу заготовок на окалину й зневуглецьовування.

їх недоліки:

— висока вартість електричної енергії;

— низька стійкість затискних контактів.

Пристрій для нагрівання заготовок струмами високої час­тоти складається з багатовиткового індуктора 1 (рис.4.1.6), ви­готовленого з мідної трубки прямокутного перерізу, охолод­жуваної водою, тонкостінної напрямної трубки 3 з низькотеплопровідного матеріалу й генератора струму високої частоти (на схемі не зображений). Струм високої частоти збуджує всереди­ні індуктора змінне магнітне поле, яке зумовлює у заготовці 2, розміщеній в індукторі, вихрові поверхневі струми, що її нагрі­вають. Зі збільшенням частоти струму зменшується товщина нагрітого поверхневого шару. Тому для заготовок малих діамет­рів застосовують струм частотою до 8 000 Гц, а для заготовок великих діаметрів — струм частотою 1000 Гц і менше. Час нагрі­вання малих заготовок становить 15...30 с, а великих заготовок —

до 3, 0...3, 5 хв. Наприкінці нагрівання температура в перерізі заготовки майже вирівнюється. ККД пристрою в разі нагріван­ня сталевих заготовок становить 60...65 %. Переваги:

— висока швидкість нагрівання заготовок й мінімальні втра­ти металу на окалину;

— кращі проти полуменевого нагрівання умови праці внаслі­док відсутності газів й інтенсивного теплового випромінювання;

— можливість легко автоматизувати роботу індукційного
пристрою.

Недоліки:

— висока вартість електричної енергії та пристрою;

— необхідність заміни індуктора для заготовок іншої форми й розмірів.

Суть вальцювання

Вальцюванням називають такий вид обробки металів тис­ком, коли заготовка і (рис. 4.2.1) силами тертя втягується у проміжок між обертальними валками 2 і 3, які її пластично деформують, зменшуючи площу поперечного перерізу й збіль­шуючи довжину. Вальцювання належить до найпродуктивні­ших видів обробки завдяки безперервному процесу й великій швидкості руху заготовки між валками. Цим способом оброб­ляють близько 90 % виплавленої на металургійних заводах сталі та понад половину кольорових металів і їх сплавів.

Поздовжнє вальцювання є одним з найпоширеніших видів вальцювання, під час якого заготовка деформується між двома валками, що обертаються в різних напрямках, й рухається пер­пендикулярно до осей валків (рис. 4.2.1). Метал деформується валками на невеликій ділянці — у зоні деформування, яка пе­ребуває між площинами АА, і ЯВ,, валками та бічними граня­ми заготовки (штаби). Центральний кут а, що відповідає дузі контакту АВ валка зі заготовкою, називається кутом захоплю­вання. Фронт заштрихованої на рис.4.2.1 зони деформування поступово переміщається вздовж заготовки справа наліво, вна­слідок чого зменшується її висота від Л₀ до /і,, збільшується довжина від /₀ до /, і дещо зростає ширина від ft₀ до ft,. Оскільки об'єм металу до і після вальцювання не змінюється, то ft₀" ft-o' ^o⁼ ft, -ft, - /,. Звідси

де S₀ — площа поперечного перерізу заготовки до вальцюван­ня; S, — площа поперечного перерізу заготовки після валь­цювання.

Ступінь пластичної деформації під час вальцювання можна виразити коефіцієнтом видовження або відносним обтисненням.

Коефіцієнтом видовження ц називають відношення отрима­ної довжини заготовки після вальцювання /, до її початкової довжини 1₀ (див.також формулу (4.2.1)):

Коефіцієнт видовження свідчить, у скільки разів збільшу­ється довжина заготовки або зменшується площа поперечного перерізу за одноразове її пропускання між валками. Його зна­чення змінюється від 1, 1 до 2, 5 залежно від природи матеріалу, його температури, товщини заготовки та інших факторів.

Відносним обтисненням є називають відносне зменшення висоти заготовки за одне пропускання між валками:

Максимальне значення є для різних типів виробів рекомен­дується витримувати в межах від 20 до 50 %.

Сортамент вальцівок

Сортамент вальцівок — це сукупність їх профілів і розмі­рів. Профілем називають форму поперечного перерізу вальцівки. Профіль може бути сталим по довжині вальцівки або пері­одично змінним. Вальцівки поділяють на чотири групи: сорто­ві, листові, труби, спеціальні види.

Сортові вальцівки (рис. 4.2.3, а-г, е-и) мають і профілі про­стої геометричної форми (квадрат, круг, шестикутник, овал, прямокутник), і профілі складної форми (швелер, двотавр, рей­ка, кутник та ін.).

Листові вальцівки, наприклад зі сталі, розрізняють за призначенням (електротехнічні, суднобудівні, котельні, автомобільні, для харчової промисловості). За товщиною листо­ву сталь поділяють на тонколистову (товщиною від 0, 2 до 4 мм) і груболистову (товщиною понад 4 мм). Листи товщиною менше 0, 2 мм є фольгою.

Труби (рис. 4.2.3, д) зі сталі бувають безшовні діаметром 10...425 мм [12, 13] і зварені діаметром 5...2500 мм, виготовлені з вуглецевих й низьколегованих сталей.

Спеціальні вальцівки — колеса, кільця, кулі, періодично змінні профілі.

Валки та вальцювальні стани

Валки є інструментом для вальцювання. їх виготовляють з чавуну або сталі і поділяють на гладкі, калібровані та спеціальні.

Гладкі валки (рис. 4.2.4, а) призначені для вальцювання листів, стрічок або широких штаб. Елементами валка є робоча частина — бочка 1, дві шийки 2 і два трефи 3. Шийки викори­стовують як опори для підшипників ковзання або кочення. Тре­фи мають переважно хрестовинну форму і служать для з'єднан­ня валка з муфтою або шпинделем.

Калібровані валки (рис. 4.2.4, б) використовують для валь­цювання сортового металу. На бочці валків виточені кільцеві заглибини спеціального профілю — рівчаки. Контур, утворе­ний сукупністю двох рівчаків пари валків, називають каліб­ром. Контур калібру геометрично подібний до поперечного пере­різу вальцьованого металу, що виходить з калібра. Пара валків здебільш має декілька калібрів. Щоб перейти від форми заготов­ки до кінцевої форми вальцівки, необхідно послідовно пропус­тити заготовку через низку спеціально підібраних калібрів, які поступово змінюють форму її поперечного перерізу від квадра­та або прямокутника до форми готової вальцівки.

На рис. 4.2.5 зображено заготовку (а) прямокутного перері­зу, яка внаслідок вальцювання між каліброваними валками поступово перетворюється (6-й) у двотаврову балку (и).

Спеціальні валки застосовують, наприклад, для вальцюван­ня труб. Виготовлення труб ми не розглядаємо.

Вальцювальний стан, на якому деформують метал, склада­ється з однієї або кількох робочих клітей А (рис. 4.2.6), шесте­ренної кліті Б, редуктора В і електродвигуна Д.

Робоча кліть має станину 3, валки 1, 2 з підшипниками та механізм для зміни відстані між валками. її можна регулюва­ти, переміщаючи у вертикальному напрямку верхній валок, а іноді — обидва валки.

Шестеренна кліть має один вхідний вал і стільки вихідних валів, скільки валків у робочій кліті.

Оскільки частота обертання вала електродвигуна звичайно більша за потрібну частоту обертання валків, то між електро­двигуном і шестеренною кліттю ставлять редуктор, вихідний вал якого має меншу частоту обертання, ніж вхідний. У валь­цювальних станах застосовують електродвигуни змінного, а також постійного струму. Останні використовують, коли необ­хідно регулювати частоту обертання валків.

Рис. 4.2.6. Схема будови вальцювального стану:

А — робоча кліть; Б — шестеренна кліть; В — редуктор; Д — електродвигун; 1, 2 —

валок; 3 — станина; 4 — трефова муфта; 5 — трефовий шпиндель

Обертальний рух передається до валків від електродвигуна через редуктор, шестеренну кліть, трефові шпинделі 5 і трефо­ві муфти 4. Трефові шпинделі та трефові муфти застосовують тоді, коли осі робочих валків і відповідних валів шестеренної кліті не співпадають. Шпинделі з'єднують вали шестеренної кліті з робочими валками.

У деяких станах відсутні редуктор і шестеренна кліть, а кожен валок приводиться в рух від окремого електродвигуна постійного струму.

Суть волочіння

Волочіння — спосіб обробки металів тиском, що полягає у протягуванні вальцьованих або пресованих заготовок крізь отвір, поперечний переріз якого менший за поперечний пере­різ заготовки, а конфігурація отвору формує заданий профіль

виробу.

Інструмент для волочіння — волока — має робочий отвір, що складається з чотирьох зон: вхідної або мастильної J (рис. 4.3.1), деформувальної II, калібрувальної III та вихідної IV. Кут між твірними конуса деформувальної зони залежить від властивостей матеріалу та типу заготовки й становить 6...12°. Калібрувальна зона завдовжки 2... 10 мм остаточно формує за­даний профіль, його розміри та забезпечує високу якість оброб­леної поверхні.

Щоб розпочати волочіння, потрібно вставити спеціально стон­шений кінець заготовки 1 в отвір інструмента 2 й протягнути її, приклавши силу F. Ця сила необхідна не лише для деформу­вання металу, але й для подолання сил тертя між інструментом та заготовкою. Унаслідок пластичного деформування в зоні II заготовка поступово наближається до профілю калібрувальної зони, зменшуючи свою площу поперечного перерізу від S₀ до S, і відповідно збільшуючи довжину від 1₀ до І_г. Тут ступінь плас­тичної деформації металу під час волочіння можна охарактери­зувати коефіцієнтом видовження ц (див. формулу (4.2.2)) або величиною обтиснення q:

Зазвичай за одне проходження оброблюваного матеріалу гранично допустимі величини становлять ц < 1, 25...1, 45 або q < ЗО...З5 %. їх не треба перевищувати, інакше зросте тяго­ва сила F й виникнуть небезпечні напруження у тій частині заготовки, що вийшла з інструмента. Щоб не допустити руй­нування заготовки, розтягальні напруження на ділянці після

інструмента не повинні перевищувати 0, 6 • о" _в (де с_в — границя міцності оброблюваного матеріалу). Якщо площу поперечного перерізу вихідної заготовки потрібно істотно змінити, то її про­тягають крізь ряд щоразу менших у діаметрі отворів.

Застосовуючи волоки з полірованими отворами й змащуючи контактні поверхні заготовки та інструмента, можна істотно зменшити сили тертя й підвищити якість обробки. Для змащу­вання використовують мильний порошок, графіт, водяні емульсії на основі мила й оливи тощо.

Волоки виготовляють з інструментальних сталей, твердих сплавів, а для волочіння дуже тонкого дроту — з технічних алмазів.

Вихідними заготовками для волочіння є грубий дріт, сорто­ві вальцівки круглого, квадратного або шестикутного профілю, безшовні й зварені труби зі сталей, кольорових металів та їх сплавів. Оскільки волочіння відбувається майже виключно в холодному стані, то оброблюваний метал зміцнюється. Щоб від­новити втрачену пластичність, застосовують проміжний рекри­сталізаційний відпал.

Волочінням отримують дріт діаметром 0, 002...10 мм, фасон­ні профілі, калібрують (підвищуючи точність розмірів і якість поверхні) вальцьовані прутки діаметром 3...150 мм і труби, ви­готовляють холоднотягнуті труби, зменшуючи їх діаметр або одночасно діаметр і товщину стінки, а також змінюють профіль труби з круглого на квадратний, прямокутний, шестикутний чи фасонний.

Волочильні стани

Волочильним станом називають машину, призначену для волочіння металів. Він складається з тягового пристрою, при­воду й інструменту. Залежно від траєкторії тягового пристрою розрізняють стани: періодичної дії з прямолінійним рухом за­готовки, безперервної дії з намотуванням заготовки.

Волочильні стани з прямолінійним рухом заготовки (лан­цюгові, рейкові та ін.) застосовують для волочіння й калібру­вання прутків, труб і фасонних виробів, які не можна намоту­вати в бунти. На сучасних станах можна одночасно обробляти 4-8 заготовок завдовжки до 8 м. Тягова сила цих станів дохо­дить до 1, 5 МН.

Найпоширенішими серед волочильних є ланцюгові стани, в яких тягова зірка 1 (рис. 4.3.2) рухає замкнутий шарнірно-плас­тинчастий ланцюг 2. Обертального руху зірці надає електро­двигун через редуктор, які на рисунку не зображені. За допомо­гою гака З і кліщів 4 ланцюг протягує заготовку 5 крізь отвір волоки 6. Тут тяговим пристроєм є гак і кліщі, а приводом — електродвигун, дві зірки й ланцюг. Після виходу заготовки з волоки тягова сила раптово зменшується, тому гак під дією противаги зіскакує з ланцюга й автоматично повертається у початкове положення.

Волочильні стани з намотуванням заготовки призначені го­ловно для волочіння дроту, а також труб невеликого діаметра, які намотуються в бунти. Ці стани поділяють на барабанні од­норазового волочіння, що мають одну волоку, і стани багатора­зового волочіння, в яких дріт проходить послідовно крізь ряд волок.

У барабанному стані одноразового волочіння на вертлюг 1 (рис. 4.3.3) насаджують вихідну заготовку 2 у вигляді бунта. Стоншений її кінець проводять крізь отвір волоки З й закріп­люють на барабані 4, який обертається від електродвигуна Д через редуктор 6 і зубчасту передачу 5. Після волоки дріт намо­тується на барабан. Ці стани застосовують переважно для виго­товлення грубого дроту.

Барабанні стани багаторазового волочіння призначені для виробництва тонкого дроту, який проходить крізь значну кіль­кість послідовно розташованих волоків (до 20 і більше). Стонше­ний кінець дроту 1 (рис. 4.3.4) пропускають крізь отвір першої волоки 2, намотують кілька витків на барабан З, потім пропус­кають крізь отвір другої волоки, намотують на другий барабан і т.д. Нарешті кінець дроту закріплюють на приймальному ба­рабані 4, після чого стан готовий до волочіння. Обертального руху барабанові надає електродвигун Д через редуктор 6 і зуб­часті передачі 5. Довжина дроту після кожної наступної волоки

збільшується, пропорційно з ним повинна збільшуватись швид­кість його руху. Відповідно до цього змінюють передавальні відношення зубчастих передач або добирають діаметри бараба­нів. Швидкість дроту в останніх волоках сягає 50...60 м/с.

Щоб зробити волочіння неперервним, кінець дроту наступ­ного бунта приварюють до кінця попереднього електроконтакт­ним способом.

Кування та його операції

Куванням називають спосіб обробки металів тиском з вико­ристанням універсального підкладного інструмента або ударни­ків, якщо деформування нагрітого металу в певних напрямах не обмежується робочою поверхнею інструмента. Завдяки багаторазовій ударній (динамічній) або статичній дії інструмен­та метал пластично деформується й поступово наближується до заданих форми й розмірів. Виріб масою від 0, 1 до 300 т, вигото­влений куванням зі сталі або сплавів кольорових металів і при­значений для подальшої механічної обробки, називають кованкою. Кування доцільно застосовувати в одиничному й серійно­му виробництвах для виготовлення валів потужних гідротурбін і електрогенераторів, дисків для парових і газових турбін, колін­частих валів суднових дизельних двигунів, валків вальцюваль­них станів та ін. Заготовками для кування є зливки, блюми і вальцівки. До основних операцій кування належать: видовжен­ня (протягування), сплющування (осадка), пробивання, гнуття, кручення, рубання тощо. Застосовуючи в певній послідовності окремі операції, можна виготовити кованки складної форми.

Видовження — найпоширеніша ковальська операція, що за­стосовується для збільшення довжини кованки й одночасного зменшення її поперечного перерізу. По заготовці 2 (рис. 4.3.5, а), покладеній на нижній нерухомий ударник /, верхнім удар­ником 3 наносять послідовні удари. Перед кожним ударом її періодично пересувають справа вліво. Так виготовляють кован­ки валів (рис. 4.3.6, а), штоків, шатунів (рис. 4.3.6, є), тяг за допомогою плоских і фасонних ударників.

Сплющування застосовують, щоб зменшити висоту й збільши­ти поперечний переріз кованки. Щоб уникнути поздовжнього

згину, відношення висоти до діаметра заготовки не повинно перевищувати 2, 5. Заготовку 2 (рис. 4.3.5, б) кладуть вертика­льно на плоский нижній ударник 1 й деформують її верхнім ударником 3. Унаслідок впливу тертя на торцеві поверхні заго­товки, а також швидшого охолодження торців вона стає бочкопо­дібною. Так виготовляють кованки зубчастих коліс (рис. 4.3.6, д), дисків (рис. 4.3.6, б), фланців (рис. 4.3.6, є), які мають великі поперечні розміри й малу висоту. Якщо нагріти не всю заготов­ку, а лише її частину, то отримаємо різновид сплющування, тобто місцеве потовщення, що його називають висадкою.

Пробивання використовують, щоб зробити в кованці загли­бину або наскрізний отвір. Заготовку 2 (рис. 4.3.5, в) кладуть на нижній ударник 1 і верхнім ударником З втискають в неї інструмент — прошивень 5 — у вигляді зрізаного конуса. Піс­ля цього на прошивень накладають надставку 4 і продовжують його заглиблювати. Якщо потрібен наскрізний отвір, то надстав­ку знімають, заготовку повертають на 180° і отвір прошивають остаточно іншим прошивнем 6 (рис. 4.6.3, г), який, заглиблю­ючись у заготовку, вирізує надлишок металу у вигляді диска й виштовхує з отвору прошивень 5.

Гнуття — це викривлення заготовки за заданим контуром. Операцію здійснюють ударниками 1 і 3 (рис. 4.3.5, д) з викорис­танням підкладних або спеціальних пристроїв. Гнуття в підклад­них штампах застосовують для виготовлення значної кількості однакових виробів 2. Тут використовують штамп, що складається з верхньої 7 і нижньої 8 половин. Гнуть скоби (рис. 4.3.6, г), кутники, кронштейни, гаки та ін.

Кручення — повертання однієї частини заготовки відносно іншої на заданий кут. Так отримують заготовки колінчастих валів (рис. 4.3.6, ж), свердел великих діаметрів та ін. Одну частину заготовки 2 затискають між ударниками / і 3, а другу її частину повертають за допомогою вилки 9, приклавши силу F.

Рубання — поділ заготовки на дві частини. Його застосову­ють для отримання з довгої заготовки певної кількості корот­ких або для відокремлення зайвого металу. Інструментом для рубання є прямі або фасонні сокири. Заготовку 2 (рис. 4.3.5, є) кладуть на нижній ударник / і ударом верхнього ударника З заглиблюють сокиру 10 в метал. Коли залишається невеликий

перешийок, заготовку повертають на 180° і призматичною від­січкою закінчують операцію.

Ковальським зварюванням (рис. 4.3.5, ж) з'єднують дві за­готовки або два кінці однієї заготовки, попередньо нагрівши місце зварювання під шаром флюсу. Цим способом з'єднують низьковуглецеві сталі при температурі = 1350 °С у випадках, коли відсутні сучасні способи зварювання.

Кувальні молоти та преси

Кування поділяють на ручне і машинне. Машинне кування виконують на кувальних молотах або на кувальних пресах.

Молоти є машинами динамічної (ударної) дії, на них дефор­мування за один удар триває тисячні частки секунди. Тут для деформування використовують кінетичну енергію, нагромаджену рухомими частинами до моменту удару.

Найпоширеніші пневматичні й пароповітряні молоти.

Основна характеристика кувального молота — маса рухо­мих частин, а кувального преса — максимальне зусилля, яке він може розвивати.

Пароповітряний кувальний молот (рис. 4.3.7) приводиться в дію парою (0, 7...0, 9 МПа) або стисненим повітрям (до 0, 7 МПа). Він складається з аркоподібної станини 8, на якій змонтовано робочий циліндр /. У циліндрі переміщається поршень 2 зі штоком 3. До нижнього кінця штока прикріплюється баба 4, в нижній частині якої змонтований верхній ударник 5. Баба пе­ресувається у вертикальних напрямних станини. Нижній удар­ник 6 закріплений на масивному шаботі 7. Станина та шабот встановлені на окремих фундаментах 9 і 10. Кувальна спромож­ність молота визначається масою рухомих частин: баби, верх­нього ударника, штока та поршня. У сучасних пароповітряних молотах маса рухомих частин становить 0, 5...5 т, а маса оброб­люваних на них кованок — 2...2, 5 т.

Рухомі частини переміщаються вгору парою або стисненим повітрям, що подається від золотника в нижню порожнину ци­ліндра під поршень. Ці частини падають вниз під дією власної маси, ударяючи по заготовці. Щоб збільшити енергію удару, пару подають у верхню порожнину циліндра над поршнем.

ТЦо більша маса шабота, то більша частина кінетичної енер­гії рухомих частин переходить в роботу деформування заготов­ки. Маса шабота приблизно в 15 разів перевищує масу рухомих

частин.

Пароповітряний молот простий за будовою, нескладний в управлінні та універсальний.

Гідравлічний прес — це машина, що деформує заготовку статично, використовуючи тиск рідини.

Гідравлічний прес призначений для кування середніх і важ­ких заготовок. Деформування заготовки може тривати від кіль­кох до десятків секунд. Прес складається з робочого циліндра / (рис. 4.3.8), закріпленого на поперечці 3, яка за допомогою чо­тирьох напрямних колон 4 з'єднана з нижньою плитою 9. Пли­та встановлена на фундаменті. Всередині робочого циліндра є плунжер 5, нижній кінець якого з'єднаний з траверсою 6. На траверсі змонтовано верхній ударник 8. Робоча рідина (водяна емульсія або олива) під тиском 20...ЗО МПа надходить у робо­чий циліндр, тисне на плунжер і переміщає його разом з травер­сою по напрямних колонах, внаслідок чого верхній ударник

Рис.4.3.8. Гідравлічний прес:

1 — робочий циліндр; 2 — циліндр; 3 — поперечка; 4 — напрямна колоца;

5 — плунжер; 6 — траверса; 7 — тяга; 8 — верхній ударник; 9 — нижня плита;

10 — нижній ударник; 11 — заготовка; 12 — поршеиь

деформує заготовку 11. Для піднімання траверси у верхнє вихі­дне положення робочу рідину подають під поршні 12, що руха­ються в циліндрах 2. Поршні з'єднані тягами 7 з траверсою.

Гідравлічний прес рівномірно розподіляє пластичні дефор­мації в заготовці. Порівняно з молотом він не вимагає масивно­го фундамента, під час роботи не струшує навколишній ґрунт і не шумить. Зусилля преса може доходити до 150 МН і більше. Тиск робочої рідини створюється переважно насосом. Загаль­ний ККД гідравлічного преса становить 6...8 %.

Об'ємне штампування

Об'ємним штампуванням називають такий спосіб оброб­ки металів тиском, внаслідок якого заготовка, поміщена в ро­бочу порожнину спеціального інструмента — штампа — плас­тично деформується, набуваючи конфігурації та розмірів поро­жнини. Очевидно, що жорсткі стінки робочої порожнини шта­мпа надійно обмежують переміщення оброблюваного матеріалу й забезпечують йому задану геометрію. Об'ємне штампування широко використовують лише у серійному й масовому вироб­ництвах з огляду на високу вартість штампа.

Штамп переважно складається з двох частин: нерухомої нижньої 1 (рис. 4.3.9) і рухомої верхньої 3. Кованку 2 простої конфігурації виготовляють у однорівчакових штампах, що ма­ють одну спільну робочу порожнину — рівчак. Конфігурація робочої порожнини такого штампа геометрично подібна до кон­фігурації кованки, а розміри більші за розміри кованки на ве­личину лінійної усадки оброблюваного матеріалу. Лінійна усадка для сталі в середньому становить 1, 5 %. Щоб виготовити кован­ку, виймають вихідну заготовку з печі, кладуть її в нижню частину штампа й верхньою його частиною створюють тиск, внаслідок чого заготовка набуває конфігурації порожнини штам­па. Після цього штамп розкривають і виймають кованку.

Кованки складної конфігурації виготовляють у багаторівча-кових штампах. У них заготовку послідовно деформують у кож­ному рівчаку, наближаючи її форму й розміри до форми й роз­мірів кованки.

Штампи бувають відкриті й закриті.

У площині рознімання відкритих штампів вздовж зовніш­нього контура робочої порожнини зроблено спеціальний рівчак, куди витісняється надлишковий метал заготовки 4 через вузь­ку щілину, утворюючи облой. Вузька щілина заважає виходові металу в рівчак і сприяє доброму заповненню робочої порожни­ни. Крім цього, облой зм'якшує удар між половинами штампа. Облой відокремлюють у спеціальних штампах. Відходи металу з облоєм в середньому становлять 20...25 % від маси кованки. Щоб полегшити виймання кованки зі штампа, її бічні поверх­ні повинні мати нахили під кутом 3, 7 або 10°. Для кращого заповнення порожнини штампа поверхні, що перетинаються, повинні мати радіуси заокруглень.

Отримати наскрізний отвір у штампі одразу не вдається. Тому спочатку роблять заглибини з обох боків кованки в напрямку удару, а потім в іншому штампі остаточно пробивають отвір. Припуски на подальшу обробку різанням призначають переваж­но в місцях спряження з іншими деталями. Заготовками для об'ємного штампування є порізані вальцівки круглого, квадрат­ного або прямокутного перерізу, а також зі спеціально виготов­леного періодичного профілю.

У закритих штампах відсутні рівчаки для облою. Тут об'єм заготовки повинен дорівнювати об'ємові робочої порожнини штампа, у зв'язку з чим ускладнюється виготовлення загото­вок, проте значно заощаджується метал й відпадає потреба в обрізних пресах і штампах для облою.

Розрізняють холодне й гаряче об'ємне штампування. Холодне штампування виконують не нагріваючи метал. Так виготовляють невеликі кованки, що характеризуються більш точними розмірами, якістю поверхні й деформаційним зміц­ненням.

Під час гарячого штампування завдяки нагріванню загото­вок витрачають менше енергії на деформацію. Отримані кован­ки мають менш точні розміри й гіршу якість поверхні, внаслі­док утворення окалини.

Об'ємним штампуванням виготовляють вироби зі сталей, кольорових металів та їх сплавів у великосерійному й масово­му виробництвах для автомобілів, тракторів, сільгоспмашин, вагонів, верстатів, літаків.

Переваги об'ємного штампування перед куванням:

— можливість виготовлення кованок складної конфігурації;

— значно вища продуктивність праці;

— істотне заощадження металу внаслідок зменшення при­пусків на механічну обробку;

— можлива нижча кваліфікація робітників.
Недоліки:

— обмежена маса кованок до кількохсот кілограмів і рідко до кількох тонн;

— висока вартість штампів.

ЗВАРЮВАЛЬНЕ ВИРОБНИЦТВО

Зварювання є найважливішим методом отримування неро-знімних з'єднань у машинобудуванні, будівництві, споруджен­ні магістральних трубопроводів, кораблебудуванні, мостобуду­ванні, приладобудуванні та багатьох інших галузях промисло­вості. Щоб зварити між собою елементи конструкції, необхідно зблизити їх контактні поверхні до відстаней міжатомної взає­модії (0, 2...0, 5 нм). З цією метою використовують два основні способи такого зближення:

— розплавлення країв з'єднуваних елементів і присадного матеріалу (електродугове, газове, електрошлакове, лазерне, елек­тронно-променеве, плазмове та інші способи зварювання);

— пластичну деформацію у місцях з'єднання (електрокон­тактне, ультразвукове, ковальське зварювання, зварювання тер­тям, вибухом тощо).

Найпоширенішим способом зварювання було і залишаєть­ся зварювання плавленням. Зварювання з використанням пластичної деформації посідає друге місце і має тенденцію до зростання.

Зварюють не лише метали, а й окремі неметалеві матеріали, зокрема пластмаси. Заготовками для різноманітних зварних металевих конструкцій служать вальцівки, кованки, штампов­ки та виливки. Раціонально вибираючи матеріал і профіль заготовки, можна створити полегшену й надійну зварну конс­трукцію з невисокою собівартістю її виготовлення.

Розділ 5.1 ЗВАРЮВАННЯ ПЛАВЛЕННЯМ

Ручне дугове зварювання

Ручне дугове зварювання покритими електродами займає провідну позицію серед способів зварювання плавленням, особ­ливо там, де недоцільно механізувати цей процес (короткі шви, складна їх траєкторія, незручне розташування у просторі тощо). Незважаючи на свою універсальність й низьку вартість зварю­вального устаткування, цей спосіб поступово витісняється ме­ханізованими способами дугового зварювання. Частка ручного дугового зварювання від сумарного обсягу робіт, виконаних ду­говим зварюванням, поступово зменшується і в індустріально розвинених країнах тепер становить 20...30 % (рис. 5.1.1).

а                                      б

Рис. 5.1.2. Схема ручного дугового зварювання постійним (а)

і змінним (б) струмом:

1, 5 — заготовка; 2 — електрична дуга; 3 — електрод; 4 — зварювальна ванна

Суть методу ручного дугового зварювання у тому, що за допомогою теплоти зварювальної дуги 2 (рис. 5.1.2) поступово розплавляється електрод 3 та краї заготовок 2 і 5, а рідкий метал щільно заповнює простір між ними, утворюючи зварюва­льну ванну 4, а після кристалізації рідкого металу — зварний шов. Шов міцно і надійно з'єднує зварені заготовки в одне ціле. Зварник рукою переміщує електродотримач з електродом у на­прямку до заготовок і вздовж майбутнього шва.

51.1.1. ЗВАРЮВАЛЬНА ДУГА

Зварювальною дугою називають потужний і стабільний електричний розряд у середовищі іонізованих газів та випарів металу, який супроводжується інтенсивним виділенням тепло­ти і світла. Повітря у звичайних умовах складається з нейтра­льних молекул, тому воно не є провідником електричного стру­му. Щоб молекули повітря дугового проміжку стали провідни­ком струму, їх необхідно іонізувати. З цією метою електрод на короткий час дотикають до заготовки, після цього віддалять його на відстань довжини дуги. Під час дотику між торцем еле­ктрода й заготовкою відбувається коротке замикання, внаслі­док чого метал контактних поверхонь швидко нагрівається до високої температури. Після відриву електрода з нагрітого катода під дією електричного поля починається електронна емісія. Емі­сія електронів з катода відбувається під впливом двох факторів —

високої температури (термоелектронна емісія) і напруженості електричного поля (автоелектронна емісія). Електрони 2 (рис. 5.1.3), зіштовхуючись з молекулами повітря 4 й випара­ми металу, іонізують їх. Позитивно заряджені іони 7 з великою швидкістю рухаються до катода 6, а електрони й негативно заря­джені іони — до анода 8. Під час зіткнення з електродом і заго­товкою кінетична енергія заряджених частинок перетворюєть­ся у теплову. Температура в центрі стовпа дуги найбільша і становить 6000... 7000 °С. Напруга, необхідна для запалювання дуги, у випадку постійного струму повинна перевищувати ЗО...35 В, а у випадку змінного струму — 50...55 В. У режимі стійкого горіння напруга спадає до 18...ЗО В.

Напруга дуги залежить від складу газів, у яких горить дуга, довжини дуги, сили струму, матеріалу електрода та виробу. Електричні властивості дуги описуються її вольт-амперною ха­рактеристикою, тобто залежністю між напругою та струмом дуги. Ця залежність при незмінній довжині дуги складається із трьох ділянок (рис. 5.1.4):

2               3   і а

10             10              10         •^м

Рис. 5.1.4. Статична вольт-амперна характеристика дуги

(діаметр електрода і довжина дуги постійні): / — спадна, //, III — жорстка і зростальна ділянки відповідно

— спадної І;

— жорсткої (горизонтальної) II;

— крутої (зростальної) III.

На ділянці /, де струм невеликий, дуговий проміжок недо­статньо іонізований і тому для горіння дуги потрібна підвище­на напруга. Тут дуга нестабільна. Зі збільшенням сили струму до 80 А поступово зростає ступінь іонізації, а разом з ним — провідність дугового проміжку, що спричинює різке зменшен­ня напруги. На ділянці // з ростом сили струму збільшується площа перерізу стовпа дуги, через що густина струму й напруга залишаються незмінними. На ділянці /// зростання сили стру­му вже не зумовлює збільшення площі перерізу дуги, внаслі­док чого густина струму зростає і водночас зростає напруга дуги. Ручне електродугове зварювання провадять у межах /і" ділян­ки, рідше / ділянки вольт-амперної характеристики.

Збільшення довжини дуги зумовлює зміщення вольт-ампер­ної характеристики вгору, а зменшення довжини дуги — змі­щення цього графіка вниз.

5.1.1.2. ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ДУГИ

Особливістю електродугового зварювання є короткі замикан­ня і коливання довжини дуги. Короткі замикання відбувають­ся і під час запалювання дуги, і під час перенесення металу із електрода на виріб у вигляді крапель (30...40 крапель/с). На­пруга дуги в момент короткого замикання спадає майже до нуля, а значення струму дуже зростає. Для обмеження струму корот­кого замикання необхідно, щоб джерело живлення мало спадну зовнішню характеристику.

Зовнішньою характеристикою джерела живлення зварю­вальної дуги називають залежність між напругою U і силою струму / на вихідних його затискачах. Рис. 5.1.5 (лінія 2) свід­чить, що зі зниженням напруги величина сили струму зростає, але обмежено. Дуга й джерело її живлення утворюють єдину систему. Тому зовнішня характеристика (лінія 1) і вольтамперна характеристика (лінія 2) мають спільні точки В і С, що є умовою енергетичної рівноваги системи. Точка В відповідає за­палюванню дуги, а точка С — стійкому її горінню. Координати точки С (U_a, I₃) характеризують режим зварювання. Під час короткого замикання напруга дуги спадає майже до нуля (точ­ка D), а сила струму короткого замикання мало перевищує силу робочого струму І₃. Що крутіша зовнішня характеристика, то менші коливання значень зварювального стуму, зумовлені змі­ною довжини дуги під час ручного зварювання.

Для дугового зварювання використовують постійний та змін­ний струм.

Джерелами постійного струму є зварювальні генератори та випрямлячі, а джерелами змінного струму — зварювальні трансформатори. Максимальна напруга джерела живлення ко­ливається в межах 60...80 В і не повинна перевищувати 80 В в

умовах безпечної роботи.

Зварювальні генератори є спеціальними зварювальними машинами постійного струму, якір яких приводиться в обер­тання електродвигуном змінного струму або двигуном внутріш­нього згорання. На рис. 5.1.6 зображена схема генератора з не­залежним збудженням. Він має дві обмотки — намагнічувальну 4, яка створює основний магнітний потік Ф„ і розмагнічува­льну 7, через яку пробігає зварювальний струм. Магнітний по­тік розмагнічувальної обмотки Ф_Р скерований протилежно до основного потоку. Намагнічувальний потік не залежить від зва­рювального струму, а розмагнічувальний потік залежить. Зі збільшенням зварювального струму зростає потік Ф_р і зменшу­ється загальний потік, створюваний магнітною системою гене­ратора. Цим обмежується струм короткого замикання і створю­ється спадна зовнішня характеристика зварювального генера­тора. Зварювальний струм знімається з основних щіток 2 і 6. Його регулюють ступеневим вмиканням відповідної кількості секцій в розмагнічувальній обмотці за допомогою клем 8 або плавно реостатом 5, який ввімкнутий в електричне коло намагнічувальної обмотки. Зі зменшенням опору R реостата струм в намагнічувальній обмотці і потік Ф_н зростають, а разом з ними зростає зварювальний струм. Щоб зменшити зварювальний струм, необхідно збільшити опір реостата. Ввімкнувши в елек­тричне коло всю розмагнічувальну обмотку, збільшують магні­тний потік Ф_р і зменшують зварювальний струм. На рисунку ввімкнута лише частина витків розмагнічувальної обмотки.

Величина зварювального струму, який індукується в обмотці якоря 1 генератора, залежить від сумарного магнітного потоку. Зварювальні випрямлячі належать до джерел постійного, а точніше пульсувального струму. Випрямляч, схема якого зо­бражена на рис. 5.1.7, має знижувальний трифазний трансфор­матор 1, випрямний блок 2 і дросель 3.

----------------------------------------------------------------------------------------------- 385

Випрямний блок живиться від знижувального трансформа­тора. Блок зібраний зі селенових або кремнієвих напівпровід­никових елементів — вентилів, які пропускають струм лише в одному напрямку, а в протилежному напрямку — практично не пропускають. Тут випрямляються обидва півперіоди трифаз­ного змінного струму, у зв'язку з чим його пульсація максима­льно згладжується.

Дросель створює спадну зовнішню характеристику й регу­лює значення зварювального струму. Якщо замість звичайного використати знижувальний трансформатор зі збільшеним маг­нітним розсіюванням та рухомими обмотками, то дросель не потрібен.

Зварювальні випрямлячі забезпечують високу стабільність горіння дуги, особливо на малих струмах, мають високий ККД, а через відсутність обертальних частин вони прості й надійні в роботі. Недоліком випрямлячів є необхідність інтенсивного охо­лодження напівпровідникових елементів за допомогою венти­лятора.

Зварювальні трансформатори прості за конструкцією, де­шеві й надійні джерела живлення зварювальної дуги змінним струмом. Більшість з них однофазні зі спадною зовнішньою характеристикою. Зварювальні трансформатори поділяють на такі основні групи:

— трансформатори з окремим дроселем;

— трансформатори зі збільшеним магнітним розсіюванням і рухомою обмоткою.

Найпростіші за конструкцією є однофазні зварювальні транс­форматори з окремим дроселем. Такий зварювальний апарат складається зі знижувального трансформатора А (рис. 5.1.8) і дро­селя Б. Первинна обмотка 9 трансформатора під'єднується до силової мережі напругою 220 або 380 В. Напруга вторинної об­мотки 8 не повинна перевищувати 80 В.

Дросель служить для створення спадної зовнішньої харак­теристики та регулювання значення зварювального струму. Осердя дроселя має дві частини — нерухому 2 та рухому 4. На нерухомій частині намотані витки обмотки 3, ввімкнуті послідов­но з вторинною обмоткою у зварювальне коло. Коротке замикан­ня зумовлює в обмотці дроселя струм самоіндукції, спрямований

Рис. 5.1.8. Схема однофазного зварювального трансформатора

з окремим дроселем:

А — трансформатор; Б — дросель: 1 — осердя; 2 — нерухома, 4 — рухома

частини дроселя; З — обмотка дроселя; .5 — електрод; 6, 7— заготовка;

8 — вторинна, 9 — первинна обмотки трансформатора;

а — заяор між 2 і 4 рухомою частиною дроселя

протилежно струмові короткого замикання, внаслідок чого остан­ній обмежується. Збільшуючи зазор а між нерухомою й рухо­мою частинами осердя, зменшують індуктивний опір котушки. Від цього збільшується сила зварювального струму і зменшу­ється крутість зовнішньої характеристики. Щоб зменшити силу зварювального струму, необхідно зменшити зазор а між части­нами осердя. В цьому випадку крутість зовнішньої характерис­тики зростає.

Однофазний трансформатор з окремим дроселем застосову­ють у ручному зварюванні покритим електродом, аргоннодуговому зварюванні та механізованому зварюванні під флюсом.

Зварювальний трансформатор зі збільшеним магнітним розсіюванням і рухомою обмоткою складається з феромагніт­ного осердя / (магнітопроводу) та двох обмоток — первинної 2 (рис. 5.1.9) нерухомої і вторинної 3 рухомої. Ці обмотки розсу­нуті, їх індуктивний опір підвищений, внаслідок наявності маг­нітних потоків розсіювання, що замикаються через повітря. Змінюючи відстань І між обмотками, регулюють індуктивний опір, а разом з ним — зварювальний струм. Зі збільшенням відстані І збільшуються потоки розсіювання, що приводить до підвищення індуктивного опору і зменшення зварювального струму. Зближуючи обмотки, підсилюють взаємодію протиле-

Рис. 5.1.9. Схема зварювального трансформатора зі збільшеним магнітним розсіюванням і рухомою обмоткою:

/ — осердя; 2 — первинна, З — вторинна обмотки; 4 — електрод; 5, в — заготовка; / — відстапь між обмотками

жно спрямованих потоків розсіювання, від чого зменшується індуктивний опір вторинної обмотки і зварювальний струм зро­стає.

Потоки розсіювання індукують ЕРС самоіндукції, скерова­ну протилежно до основної напруги. Раптове збільшення зва­рювального струму зумовлює зростання потоків розсіювання, внаслідок чого зростає індуктивний опір, який обмежує струм короткого замикання. Так створюється спадна зовнішня харак­теристика цього трансформатора.

ЕЛЕКТРОДИ

Для ручного електродугового зварювання застосовують два типи електродів: неплавкі, плавкі.

Неплавкі електроди виготовляють у вигляді стрижнів з во­льфраму, електротехнічного вугілля або синтетичного графіту. Переважно використовують плавкі електроди.

Плавкий електрод для ручного зварювання — це дротяний електропровідний стрижень з нанесеним на нього покриттям завтовшки 0, 5...З мм. Один кінець стрижня завдовжки 20...30 мм залишають непокритим і використовують, щоб закріпити електрод у спеціальному тримачі. Через електродотримач до електрода

підводять струм. Речовини покриття, а також стрижня, підсилю­ють іонізацію дугового проміжку, захищають рідкий метал від шкідливої дії середовища, дезоксидують і обмежено легують рід­кий метал. Стрижні електродів діаметром 1, 6... 12 мм і довжи­ною 150...450 мм виготовляють зі спеціального зварювального дроту, який поділяють за хімічним складом на три групи:

— низьковуглецевий дріт марок Зв-08, Зв-05ГА, Зв-10Г2 та ін.;

— легований дріт марок Зв-08ГС, Зв-08Г2С, Зв-12ГС та ін.;

— високолегований дріт марок 3B-12X13, Зв-10Х20Н15 та ін.

У позначенні марки дроту літери Зв означають зварюваль­ний, а цифри після них — вміст вуглецю у сотих частках відсот­ка. Наступні літери й цифри після цих літер показують легувальні елементи та їх відсотковий вміст. Наприклад, зварювальний дріт марки Зв-10Х20Н15 містить 0, 10 % вуглецю, 20 % хрому, 15 % нікелю, решта — залізо. Літера А в кінці марки низько­вуглецевого й легованого дроту свідчить про знижений вміст шкідливих домішок. Бажано, щоб хімічний склад електродно­го дроту був близький до хімічного складу зварюваного матері­алу. Якщо цього досягти важко, то речовини, яких в електроді не вистачає, необхідно внести в покриття.

До складу покрить входять іонізувальні, шлакоутворюваль­ні, газоутворювальні, дезоксидувальні, легувальні та зв'язува­льні речовини.

Іонізувальні речовини (мармур СаС0₃, поташ К₂С0₃, вугле­кислий барій ВаС0₃), які містять у собі лужні й лужноземельні метали, підсилюють іонізацію дугового проміжку.

Шлакоутворювальні речовини (польовий шпат, мармур, мар­ганцева руда, рутил Ті0₂, кремнезем та ін.) під час горіння дуги розплавляються, утворюючи шлак, який захищає краплі мета­лу електрода й поверхню зварювальної ванни від взаємодії з киснем і азотом повітря. Після зварювання поверхню шва ме­ханічно очищують від затверділого шлаку.

Газоутворювальні речовини (деревне борошно, електродна целюлоза, мармур, магнезит) розкладаючись, утворюють гази, які активно витісняють повітря зі зони горіння дуги.

Дезоксидувальні речовини (феромарганець, феросиліцій, фе­ротитан, алюміній) переходять з покриття у зварювальну ван­ну, відновлюють там оксиди заліза, утворюючи нерозчинні в

рідкому металі оксиди марганцю, кремнію, титану або алюмі­нію, які випливають на поверхню металу, переходячи в шлак.

Легувальні елементи (хром, молібден, ванадій, титан та ін. або їх феросплави) компенсують втрати електродного дроту і основного металу від вигорання, а нерідко змінюють хімічний склад, структуру та властивості зварного шва в потрібному на­прямку.

Зв'язувальна речовина (переважно рідке натрієве скло) з'єд­нує між собою крупинки покрить і міцно утримує їх на поверх­ні електродного дроту.

Часто речовини, що входять до складу покрить, виконують кілька функцій. Зокрема мармур є водночас шлакоутворюваль­ною, газоутворювальною та іонізувальною речовиною; феромар­ганець і феросиліцій — дезоксидувальною та легувальною ре­човинами; рідке скло — зв'язувальною, шлакоутворювальною та іонізувальною речовинами.

Залежно від механічних характеристик металу шва елек­троди поділяють на типи. Для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей використовують дев'ять типів елект­родів — Е38, Е42, Е42А, Е46, Е46А, Е50, Е50А, Е55 і Е60; для зварювання легованих конструкційних сталей підвищеної міц­ності — п'ять типів (Е70, Е85, Е100, Е125 і Е150). Як бачимо з наведеного переліку тип електрода позначають літерою Е (еле­ктрод) і цифрою, що відповідає гарантованій границі міцності в МПа х 10^і. Літера А означає, що наплавлений метал має під­вищені пластичні властивості (відносне видовження й ударну

в'язкість).

За видом покриття розрізняють:

— електроди з рутиловим покриттям (Р);

— електроди з целюлозним покриттям (Ц);

— електроди з основним покриттям (О);

— електроди з кислим покриттям (К).

Рутилові покриття найпоширеніші [16] завдяки низькій токсичності, здатності забезпечувати стабільне горіння дуги та міцні шви. Вони містять Ті0₂ як основну шлакоутворювальну речовину, а також в обмеженій кількості залізну й марганцеву руду, феромарганець, кремнезем, карбонати й органічні ре­човини.

---------------------------------------------- 391

Целюлозні покриття складаються головно з газоутворювальних речовин (целюлоза, деревне борошно), а також з дезоксидаторів — феромарганцю, феросиліцію й невеликої кількості шла­коутворювальних речовин. Утворені гази внаслідок розкладу органічних речовин витісняють повітря зі зони рідкого металу. Кількість шлаку тут обмежена, тому втрати металу від розбриз­кування істотні, що зумовлює обмежене застосування цих елек­тродів. Якість шва погіршується підвищеним вмістом водню, який спричинює утворення тріщин.

Основні покриття складаються переважно з карбонатів лу­жноземельних металів і флюориду кальцію. До складу покрить можуть входити дезоксидатори (феромарганець, феросиліцій, феротитан) і легувальні елементи. Місце зварювання необхідно очищати від іржі, бо в протилежному випадку якість шва буде низькою. Електроди з основними покриттями застосовують для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей з підвище­ним вмістом вуглецю. Вони забезпечують стійке горіння дуги, а також низький вміст кисню та водню в металі шва.

Кислі покриття як шлакоутворювальну основу містять окси­ди кремнію, заліза й марганцю, а також польовий шпат. Електро­дами з кислими покриттями можна зварювати метал з іржави­ми краями в усіх просторових положеннях змінним і постій­ним струмом й отримувати якісні шви. Не зважаючи на це, їх використовують обмежено з огляду на токсичні випари під час зварювання.

Окрім сталевих електродів, використовують також електро­ди зі сплавів алюмінію (для зварювання матеріалів на його осно­ві), зі сплавів міді (для зварювання бронз і латуней), зі сплавів титану (для зварювання титанових сплавів).

5.1.1.4. ТИПИ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ

Типи зварних з'єднань залежать від конструкції виробу й товщини зварюваного металу. Головними типами зварних з'єд­нань є стикові, внакладку, таврові та кутові.

Стикове з'єднання (рис. 5.1.10, а) — зварне з'єднання двох заготовок торцевими поверхнями. Якщо товщина заготовок від 1 до 5 мм, то шов виконують переважно з одного боку і рідше з

 

Рис. 5.1.10. Головні типи зварних з'єднань (а-г) і форма

поперечних перерізів країв заготовок (дж):

а — стикові; б — внакладку; в — таврові; г — кутові з'єднання;

д — V-ііодібна; є — U-подібна; є. — Х-подібна форма країв заготовок

двох боків, попередньо не обробляючи скісні краї й залишаючи між заготовками невеликий зазор. Якщо товщина заготовок від З до 60 мм, то краям надають V-подібної форми (рис. 5.1.10, д), якщо товщина заготовок від 15 до 100 мм — U-подібної форми (рис. 5.1.10, є), якщо їх товщина від 8 до 120 мм — Х-подібної форми (рис. 5.1.10, є). Форма оброблених країв повинна забезпе­чити вільне маніпулювання електродом і якнайменший об'єм шва. Якщо краї Х-подібні, то шов накладають почергово з обох боків з метою зменшити деформації зварюваних елементів. Притуплені краї запобігають пропалюванню й витіканню мета­лу з ванни.

Зварювані заготовки у з'єднанні внакладку (рис. 5.1.10, б) розташовані паралельно. Вони частково перекриваються. Ши­рина перекриття становить 3...5 від товщини заготовки. Для цього типу з'єднання обробка країв не потрібна.

Таврові з'єднання (рис. 5.1.10, в) найпоширеніші. Для них у випадку товщини вертикальної стінки в межах 2...40 мм під­готовляти краї не обов'язково. Якщо товщина вертикальної стін­ки від 3 до 60 мм, то можна робити скоси з одного боку, а якщо її товщина від 8 до 100 мм — з обох боків.

Кутові з'єднання (рис. 5.1.10, г) для листів завтовшки 2... ЗО мм не вимагають підготовки країв, їх широко застосовують у металоконструкціях.

ню крапель металу з електрода на виріб сприяють електромаг­нітні сили й скероване газове дуття. Рідкий метал у зварюваль­ній ванні утримується силами поверхневого натягу й тиском дуги. Вертикальні шви зварюють переважно знизу вгору.

5.1.1.5. РЕЖИМ РУЧНОГО ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ

Режимом ручного дугового зварювання називають сукуп­ність параметрів, які забезпечують необхідну якість зварного з'єднання, максимальну продуктивність і низьку собівартість. Найважливішими параметрами режиму є діаметр електрода d і сила зварювального струму /,.

Діаметр електрода d вибирають залежно від товщини зва­рюваних елементів t, користуючись емпіричними формулами або орієнтовними співвідношеннями між товщиною зварюва­них елементів і рекомендованим діаметром електрода:

Залежно від положення швів у просторі (рис. 5.1.11) під час зварювання їх поділяють на:

— нижні 1, 2, 3;

— горизонтальні 4;

— вертикальні 7;

— стельові 5, 6, 8.

Найпоширеніші нижні шви. Нижній стиковий шов 2 най­зручніше виконувати, оскільки тут рідкий метал легко запов­нює проміжок між зварюваними елементами, а з ванни він не витікає. Якщо нижній шов 1, 3 — кутовий, то метал частково може стікати зі стінки вертикального елемента конструкції. Щоб обмежити стікання металу, зменшують переріз валика, що на­плавляється за один перехід. У заводських умовах часто повер­тають конструкцію спеціальними механізмами з тим, щоб до­сягти нижнього положення шва.

Складно накладати вертикальні шви 7, ще складніше — горизонтальні 4 на вертикальній стінці і найскладніше — сте­льові 5, 6, 8, бо з ванни вертикальних, горизонтальних і стельо­вих швів рідкий метал може витікати під дією сил гравітації. Витіканню можна запобігти, застосовуючи малопотужну коротку дугу, від чого зменшується об'єм зварювальної ванни. Перенесен-

Силу зварювального струму І₃ (А) можна визначити за емпі­ричною формулою

де ft — коефіцієнт, який змінюється від 25 до 60 А/мм.

Напівавтоматичне

В атмосфері захисних газів

Напівавтоматичне й автоматичне дугове зварювання у захис­них газах поступово витісняє ручне дугове зварювання. Частка металу (%), наплавленого в атмосфері захисних газів, порівня­но з іншими способами дугового зварювання невпинно зростає і за станом на 2000 рік в країнах Європейської співдружності становила 70 % (рис. 5.1.12). За 100 % прийнято сумарну кіль­кість наплавленого металу всіма способами дугового зварюван­ня. В Україні спостерігається помітне відставання від індустрі­ально розвинених країн.

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Рік

Рис. 5.1.12. Розвиток механізованих способів дугового зварювання

в атмосфері захисних газів:

в Япоиії (І); у Франції (2); у ФРН (3); в Італії (4); у СШЛ (5); в ЄС (Є); в Україні (7)

5.1.2.1. НАПІВАВТОМАТИЧНЕ ДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ В АТМОСФЕРІ ЗАХИСНИХ ГАЗІВ

Напівавтоматичне дугове зварювання в атмосфері за­хисних газів відрізняється від ручного тим, що тут автоматич­но подається електродний дріт на виріб, автоматично запалю­ється та підтримується дуга і лише вручну зварник переміщає електродний дріт уздовж майбутнього шва. Як захисні викори­стовують інертні (аргон, гелій) та активні гази (вуглекислий газ, азот, водень), а також суміші двох і більше газів. Найефе­ктивнішим з-поміж захисних газів є вуглекислий газ і аргон. Гелій використовують рідше з огляду на його високу ціну. Зва­рюють постійним струмом зворотної (плюс на електроді) та пря­мої полярності, застосовуючи плавкі й неплавкі електроди.

5.1.2.1.1. НАПІВАВТОМАТИЧНЕ ДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ В АТМОСФЕРІ ВУГЛЕКИСЛОГО ГАЗУ

Напівавтоматичне дугове зварювання в атмосфері вуг­лекислого газу провадять лише плавким електродом у вигляді голого дроту великої довжини діаметром 0, 8...2 мм.

Вуглекислий газ С0₂ при високій температурі дуги частково дисоціює на оксид вуглецю CO і кисень О. Виділений кисень взаємодіє із залізом і легувальними елементами, утворюючи відповідні оксиди. Газоподібний CO сприяє утворенню nop у шві й розбризкуванню металу. Оксидаціину дію вуглекислого газу нейтралізують, ввівши до складу електродного дроту надлиш­кову кількість дезоксидаторів у вигляді кремнію і марганцю.

У напівавтоматі електродний дріт 10 (рис. 5.1.13) розмоту­ється з касети // і подається двома роликами — тяговим 9 і притискним 8 в зону дуги 13. Ролик 9 обертається регульова­ним електродвигуном Д постійного струму через механічний

редуктор 12. Струм значної густини від джерела живлення під­водиться до голого дроту за допомогою контакту 6, який розта­шований недалеко від дуги, щоб не перегрівати електрод. Дугу і зварювальну ванну 2 захищає від взаємодії з повітрям стру­мінь вуглекислого газу 4, що надходить з металевого балона в корпус пальника 7 і виходить через сопло 5. Тиск газу в балоні не перевищує 7, 5 МПа, знижується до робочого й автоматично підтримується в заданих межах газовим редуктором.

Умовою автоматичного підтримування дуги є стала її дов­жина, тобто рівність швидкості подачі в дугу електродного дро­ту v„ і швидкості його розплавлення v_p:

o„ = v_p.                                   (5.1.2)

Якщо ця рівність порушується, то її необхідно швидко від­новити одним з двох способів:

— змінюючи швидкість подачі и_л електродного дроту при сталому значенні и_р;

— використовуючи явище саморегулювання довжини дуги при сталій швидкості подачі і> „ електродного дроту.

Згідно з принципом регулювання довжини дуги розрізня­ють напівавтомати з регульованою швидкістю подачі електрод­ного дроту і напівавтомати з саморегулюванням довжини дуги.

Напівавтомати з регульованою швидкістю подачі електрод­ного дроту відновлюють порушену довжину дуги до нормаль­ної, змінюючи частоту обертання вала електродвигуна Д доти, поки не відновиться рівняння (5.1.2). Задана нормальна довжи­на дуги може бути порушена різними випадковими чинниками, серед яких — коливання напруги у силовій мережі, нерівності на поверхні зварюваного металу, пробуксовування електродно­го дроту між роликами тощо. В основі такого регулювання ле­жить пропорційна залежність між довжиною дуги та її напру­гою. Тут сила зварювального струму, а отже, й величина и_р за­лишаються практично незмінними. Електрична схема двигуна Д виконана таким чином, що зі зростанням напруги дуги частота обертання його вала збільшується, а зі зниженням напруги — зменшується аж до відновлення заданої довжини дуги.

У напівавтоматах з саморегулюванням довжини дуги будь-яке її відхилення від нормальної довжини зумовлює зміну сили

струму, а отже, і швидкості розплавлення електрода, внаслідок чого довжина дуги відновлюється. Швидкість подачі v„ елек­тродного дроту залишається незмінною.

Зі збільшенням довжини дуги від нормальної І (рис. 5.1.14) до /, її вольт-амперна характеристика (пунктирна лінія) зсу­неться угору, а точка перетину зі зовнішньою характеристикою засвідчить про зменшення сили зварювального струму від І₃ до /]₃. При сталій швидкості подачі v„ електродного дроту це спри­чинить зменшення швидкості розплавлення електрода v_p, вна­слідок чого рівняння (5.1.2) відновиться. Скорочення довжини дуги до 1₂ збільшує зварювальний струм до /_2з, що сприяє збіль­шенню значення v_v і відновленню довжини дуги до нормальної. Номінальну величину і> „ регулюють, змінюючи передавальне відношення редуктора.

Напівавтомати зі сталою швидкістю подачі електродного дроту прості за конструкцією і тому надійніші в роботі порівня­но з напівавтоматами з регульованою швидкістю подачі елек­тродного дроту. Водночас варто зазначити, що саморегулювання довжини дуги ефективне лише тоді, коли густина зварювально­го струму електрода достатньо велика.

У вуглекислому газі зварюють у всіх просторових положен­нях шва газо- і нафтопроводи, корпуси суден та інші конструк­ції, виконані з конструкційних вуглецевих і низьковуглецевих сталей.

Переваги напівавтоматичного дугового зварювання в атмос­фері С0₂:

— низька вартість зварювальних робіт;

— продуктивність праці у 2...З рази вища порівняно з руч­ним дуговим зварюванням;

— є можливість спостерігати за прокладенням шва.
Недоліки:

— надмірне розбризкування металу, значне виділення диму й аерозолів;

— не завжди естетичний зовнішній вигляд шва.

5.1.2.1.2. НАПІВАВТОМАТИЧНЕ ДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ В АТМОСФЕРІ АРГОНУ

Розрізняють напівавтоматичне дугове зварювання в атмос­фері аргону плавким й неплавким електродом.

Схема напівавтоматичного дугового зварювання плавким електродом в атмосфері аргону подібна до схеми зварювання в атмосфері вуглекислого газу (див. рис. 5.1.13) з тією лише відмінністю, що замість вуглекислого газу в пальник подають аргон. Аргон не розчиняється у рідкому й твердому металі, не утворює хімічних сполук з більшістю елементів, що входять до складу цього металу, й забезпечує високоефективний за­хист рідкого металу.

В атмосфері аргону зварюють легкооксидівні сплави на ос­нові алюмінію, титану, магнію, леговані та високолеговані ста­лі постійним струмом зворотної полярності та великої густини. Струм зворотної полярності руйнує оксидну плівку зварюваних країв заготовок за допомогою важких позитивно заряджених іонів. Велика густина струму забезпечує добру якість шва через перехід від дрібнокрапельного до струменевого переносу мета­лу з електрода на виріб. Завдяки цьому підвищується якість шва й продуктивність зварювання.

Зварювання плавким електродом застосовують, щоб з'єдна­ти елементи конструкцій товщиною понад 2 мм в усіх просторо-

Рис. 5.1.15. Схема напівавтоматичного дугового зварювання неплавким

електродом в атмосфері аргону:

1, 3 — зварювана заготовка; 2 — зварювальна ванна; 4 — струмінь аргону; 5 — сопло;

6 — присадний матеріал; 7 — притискний ролик; 8 — касета; 9 — тяговий ролик; 10 — механічний редуктор; 11 — вольфрамовий неплавкий електрод; 12 — електродо­тримач; IS — корпус пальника; 14 — зварювальна дуга; Д — електродвигун

вих положеннях шва. Електрична дуга живиться від зварюваль­них випрямлячів з жорсткою зовнішньою характеристикою. Переваги аргонно-дугового зварювання:

— висока продуктивність зварювання;

— добра якість зварного шва;

— не потрібно застосовувати флюси;

— можна візуально спостерігати за процесом. Недолік — висока вартість аргону.

Схема напівавтоматичного дугового зварювання неплавким електродом зображена на рис. 5.1.15. Тут вольфрамовий елект­род 11 закріплений в електродотримачі 12 пальника. Неплав­кий електрод тільки підтримує горіння дуги. Присадний мате­ріал 6 подається зі сталою швидкістю и„ у дугу 14, де він і краї заготовок 1, З розплавляються і утворюють зварювальну ванну 2. Присадний матеріал вибирають близький за складом до ос­новного металу. Зварювальну дугу живлять постійним і змін­ним струмом.

Переважно використовують постійний струм прямої поляр­ності (плюс на виробі), що забезпечує стійке горіння дуги при напрузі 10... 15 В без значного нагрівання електрода. Тонкі за­готовки з відбортованими краями можна зварювати і без присад­ного матеріалу. Струмом прямої полярності зварюють високолеговані сталі, сплави міді, титану та ін.

Алюміній і його сплави рекомендується зварювати струмом зворотної полярності, під час чого напруга дуги зростає порів­няно з відповідною напругою прямої полярності, вольфрамовий електрод перегрівається, а його втрати збільшуються.

Продуктивність зварювання неплавким електродом менша порівняно зі зварюванням плавким електродом. Проте цьому способу віддають перевагу, коли недопустиме розбризкування електродного металу й коли зварюють метал товщиною від кіль­кох десятих міліметра.

5.1.2.2. АВТОМАТИЧНЕ ДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ В АТМОСФЕРІ ЗАХИСНИХ ГАЗІВ

Автоматичне дугове зварювання в атмосфері захисних газів характеризується автоматичним запалюванням та підтри­муванням дуги, автоматичною подачею електрода на виріб і ав­томатичним переміщенням електрода уздовж шва.

У більшості автоматів використовують плавкий електрод у вигляді мотків, придатних для безпосереднього застосування на зварювальних автоматах і напівавтоматах. Його хімічний склад повинен бути близький до складу основного матеріалу. Марки сталевого зварювального дроту описані в п. 5.1.1.3. Такі автомати окрім механізмів, зображених на схемі (див. рис. 5.1.13) мають каретку з механізмом переміщення уздовж шва. Каретка складається з чотирьох коліс, редуктора і регульовано­го електродвигуна. Якщо колеса переміщують автомат безпосе­редньо по виробі, то такий автомат називають зварювальним трактором. Якщо котки автомата встановлені на окремому на­прямному пристрої (рейках), то автомат називають зварюваль­ною самохідною головкою.

404

І

10, механічного редуктора 12 та регульованого електродвигуна Д неперервно подається в зону зварювання, а шар флюсу 4 за­втовшки ЗО...60 мм з лійки насипається безпосередньо перед дугою 5 на краї зварюваних заготовок 1 і 3. Струм до електро­дного дроту підводиться через контакт 7. Дуга горить між кін­цем електродного дроту й заготовками, розплавляючи їх краї та дріт, внаслідок чого утворюється зварювальна ванна 2. Час­тина флюсу, що оточує дугу, теж розплавляється, утворюючи шлакову захисну еластичну плівку 6, під якою перебувають випари металу й випари дисоціації компонентів флюсу. Втрати від розбризкування й вигорання металу під час зварювання під флюсом мінімальні й не перевищують 2 %. Шар флюсу також захищає рідкий метал від теплових втрат, завдяки цьому збіль­шується час дегазації зварювальної ванни, внаслідок чого вона позбавляється від розчинних у металі газів. Нерозплавлену ча­стину флюсу повторно використовують для зварювання.

Цим способом зварюють заготовки з вуглецевих і легованих сталей, міді, алюмінію, титану та їх сплавів завтовшки 2... 100 мм. Велика густина струму сприяє глибокому розплавлен-ню країв заготовок, завдяки чому можна зварювати за один перехід заготовки завтовшки до 12 мм без скісних країв. Щоб запобігти витіканню металу зі зварювальної ванни, використо­вують металеві підкладки або флюсову подушку. За зварюваль­ною дугою метал ванни кристалізується, а згодом твердне й шлакова плівка, яку по закінченні зварювання відокремлюють від шва.

Напівавтоматами можна зварювати короткі та криволінійні шви, використовуючи як джерела живлення дуги зварювальні трансформатори й випрямлячі. З напівавтоматичним дуговим зварюванням під флюсом успішно конкурує напівавтоматичне дугове зварювання у вуглекислому газі.

5.1.3.2. АВТОМАТИЧНЕ ДУГОВЕ ЗВАРЮВАННЯ ПІД ФЛЮСОМ

Автоматичне дугове зварювання під флюсом відрізняєть­ся від відповідного напівавтоматичного наявністю механізму для переміщення зварювальної дуги вздовж шва й досконалішою апа­ратурою для подачі флюсу та його відсмоктування зі шва.

Автомати для дугового зварювання під флюсом можуть бути двох видів:

— у вигляді нерухомої зварювальної головки, під якою пе­реміщається виріб механізмами зварювального автомата;

— у вигляді зварювального трактора, каретка якого перемі­щається по поверхні виробу.

Технологічний режим автоматичного дугового зварювання під флюсом характеризується такими параметрами: діаметр електродного дроту, величина зварювального струму, швидкість подачі електродного дроту й швидкість переміщення дуги. До­бираючи марку електродного дроту, марку флюсу та інші пара­метри режиму зварювання, можна регулювати хімічний склад шва і його експлуатаційні властивості.

Автоматичне дугове зварювання під флюсом використову­ють у серійному й масовому виробництві під час виконання до­вгих прямолінійних і кільцевих швів у нижньому положенні на резервуарах для рідин і газів, на котлах, на корпусах суден, на металоконструкціях та інших виробах.

Переваги автоматичного дугового зварювання під флюсом:

— істотне підвищення продуктивності праці порівняно з руч­ним дуговим зварюванням;

— висока якість зварних з'єднань;

— економія електродного дроту через зменшення витрат на розбризкування металу і відсутність недогарків;

— економія електричної енергії;

— полегшення роботи зварника.
Недоліки:

— місце зварювання покрите флюсом, тому неможливо ві­зуально контролювати процес;

— метод не придатний для зварювання стельових, вертикаль­них і горизонтальних швів внаслідок витікання рідкого металу і шлаку.

Розглянувши найпоширеніші способи дугового зварювання, звернемо увагу на порошковий електродний дріт. Частка мета­лу, наплавленого цим дротом, від сумарної маси металу, наплав­леного дуговим зварюванням, постійно зростає. У 2000 р. вона, становила в країнах Європейського економічного союзу 8 %, натомість в Україні — до 2 % [16]. Голий порошковий електро-

дний дріт діаметром від 1, 2 до 2, 0 мм використовують перева­жно для напівавтоматичного дугового зварювання без додатко­вого захисту або з додатковим захистом у середовищі вуглекис­лого газу, в суміші вуглекислого газу з аргоном або під флю­сом. Такий дріт складається з тонкостінної металевої трубки, наповненої сумішшю порошків із газоутворювальних, шлако­утворювальних, дезоксидувальних і легувальних речовин, які забезпечують захист зони зварювання, потрібний хімічний склад та властивості зварного шва. Самозахисний порошковий дріт має підвищений вміст речовин, які захищають зону зварюван­ня від шкідливої дії атмосфери, порівняно з порошковим дро­том, який вимагає додаткового газового захисту.

Найчастіше порошковим дротом зварюють низьковуглецеві, низьколеговані й високолеговані сталі в суднобудуванні, маши­нобудуванні, енергетиці, будівництві тощо.

Електрошлакове зварювання

Електрошлакове зварювання — спосіб стикового нерознімного з'єднання металів, у яких краї заготовок і електродний дріт розплавляються теплотою, виділеною під час проходження електричного струму крізь шлакову ванну. Внаслідок тверднення розплавленого металу утворюється зварний шов.

У зону, утворену вертикально розташованими краями загото­вок 2, 8 (рис. 5.1.17), пластиною 12 й пересувними водоохолод-жуваними повзунами 1, 4, насипають флюс і подають роликами 7 електродний дріт 6 діаметром 2...3 мм. До дроту й заготовок під'еднують джерело живлення. Спочатку між пластиною 12 і електродним дротом, який проходить через струмопідвідний зігнутий мундштук 9, запалюють дугу. Дуга горить доти, поки електропровідна шлакова ванна 5, утворена з гранульованого флюсу, не погасить її. З цього моменту починається електро­шлакове зварювання. Струм, проходячи крізь шлакову ванну, нагріває її до високої температури, достатньої, щоб розплави­ти електродний дріт і краї заготовок. Метал електродного дро­ту, розплавляючись у шлаковій ванні й очищаючись у ній від шкідливих домішок, поступово наповнює проміжок між края­ми заготовок і повзунами. Повзуни й мундштук з електродним

Рис. 5.1.17. Схема електрошлакового зварювання:

1, 4 — повзун; 2, S — заготовка; 3 — зварювальна ванна;

5 — шлакова ванна; 6 — електродний дріт; 7 — ролик;

9 — струмопідвідний мундштук; 10 — вода;

11 — зварний шов; 12 — пластина

дротом переміщаються вгору, залишаючи після себе зварний шов 11. Шлакова ванна, що перебуває на поверхні зварюваль­ної ванни З, надійно захищає останню від шкідливої взаємодії з атмосферою.

Як присадний матеріал використовують не лише електрод­ний дріт (один або кілька одночасно), а й пластинчасті електроди.

Електрошлаковим способом зварюють метали великої тов­щини (40 мм і більше) за один перехід у барабанах парових котлів високого тиску, корпусах пресів, станинах вальцівних станів тощо.

Переваги електрошлакового автоматичного зварювання по­рівняно з автоматичним дуговим зварюванням під флюсом:

— вища продуктивність;

 

— менші витрати присадного матеріалу, оскільки зварюють заготовки будь-якої товщини і без скошених країв;

— зменшені витрати електроенергії та флюсу.

Недолік: значний перегрів металу шва і зони термічного впли­ву, через що утворюються структури, схильні до крихкого руй­нування.

Лазерне зварювання

(наприклад, метал-кераміка) завтовшки від часток мілімет­ра до 250 мм [17]. Спосіб широко застосовують для зварюван­ня малогабаритних виробів у радіоелектроніці й приладобу­дуванні, а також великогабаритних виробів у машино­будуванні. Переваги:

— надійний захист від зовнішнього середовища у вакуумній камері;

— мінімальна деформація виробу, зумовлена вузьким звар­ним швом.

Недоліки:

— складність й висока вартість установки;

— невисока продуктивність;

— обмежені габарити виробу, пов'язані з розмірами вакуум­ної камери.

У лазерному зварюванні використовують світловий (лазер­ний промінь) як один з найконцентрованіших носіїв енергії. Лазерний промінь, скерований на стик з'єднуваних заготовок, миттєво розплавляє в зоні з'єднання обмежений об'єм металу, після кристалізації якого утворюється вузький і глибокий шов високої якості. Джерелом випромінювання лазерних променів є оптичний квантовий генератор, що називається лазером. Ла­зер складається з робочої речовини (або з робочої суміші), сис­теми збудження, фокусування й охолодження. Цим способом зварюють багато металевих й неметалевих матеріалів завтов­шки від декількох мікрометрів до 10 мм і більше. На відміну від електронно-променевого способу лазерне зварювання не ви­магає вакууму.

Зварюють переважно газовими й твердотілими лазерами. Найпоширенішими серед них є газові С0₂-лазери, в яких робо­ча суміш складається з вуглекислого газу, азоту й гелію. Активним середовищем суміші є вуглекислий газ. Незбуджені молекули С0₂ перебувають на стабільному, або нормально­му, енергетичному рівні і мають мінімальну енергію. їхні більш високі, але стабільні енергетичні рівні називають збу­дженими. Для збудження молекул С0₂ потрібна зовнішня енергія. Зі збуджених рівнів молекули активного середови­ща переходять на нормальний рівень самовільно (спонтанно) у непередбачуваний момент часу або вимушено в прогнозова­ний момент часу під дією спеціального чинника, наприклад, світлового променя. Вимушений перехід молекули С0₂ на нормальний рівень супроводжується випромінюванням коге­рентного світла.

Для лавиноподібного генерування когерентного світла з дов­жиною хвилі А. = 10, 6 мкм необхідно, щоб кількість збуджених молекул перевищувала їх кількість на нормальному рівні і час­тина генерованого світла залишалась всередині робочої суміші газів й стимулювала подальше вимушене випромінювання реш­тою оптично активних молекул С0₂. Цього досягають за допомо­гою двох паралельних дзеркал, одне з яких непрозоре й відбиває усі світлові промені, а друге, напівпрозоре, теж їх відбиває, але

Рис. 5.1.19. Схема установки для лазерного зварювання:

1 — непрозоре, 6 — напівпрозоре дзеркала; 2 — місткість для робочої суміші;

З, 11 — електрод; 4 — вода; 5 — робоча газова суміш; 7 — дзеркало; 8 — лінза;

9, 10 — зварювана заготовка

частково пропускає назовні. Таке багаторазове проходження світлових променів крізь робочу суміш зумовлює переважно ви­мушене потужне випромінювання, що йде від оптично актив­них молекул С0₂.

Для збудження молекул С0₂ в газовому лазері використову­ють електричний тліючий розряд або струм високої частоти.

На рис. 5.1.19 зображена схема С0₂-лазера неперервної дії з дифузійним охолодженням робочої газової суміші. Лазер скла­дається з герметичної місткості 2 для робочої суміші, непрозо­рого 1 і напівпрозорого 6 паралельних дзеркал, вмонтованих у місткість 2, водоохолоджуваних електродів 3, 11, до яких під­ведений струм високої частоти, дзеркала 7 та лінзи 8. Від­стань між електродами невелика. Вони виконують водночас роль збуджувачів молекул С0₂ і охолодників робочої суміші безпосередньо в місткості. Лазерний промінь після виходу з напівпрозорого дзеркала потрапляє на дзеркало 7, а далі — в лінзу і на стик зварюваних заготовок 9, 10. Переміщення за­готовок в напрямку майбутнього шва відбувається за допомо­гою окремого механізму, який на рисунку не зображений.

ККД газових лазерів становить близько 10 %.

A                                     6                                     в

Рис. 5.1.22. Схема ацетиленового генератора „карбід у воду" (а),

„вода на карбід" (б) і „контактного" (в):

1 — зливна трубка: 2 — вода; З — резервуар; 4, 15, 24 — трубка для виходу

ацетилену; 5 — вентиль; 6, 20, 23 — покритка; 7 — бункер;

8, 26 — карбід кальцію; 9 — клапан; 10, 27 — Грати;

11, 13 — нижня і верхня частини резервуара; 12, 16 — трубка;

14 — резервуар; 17 — перегородка; 18 — патрубок; 19 — кошик;

21 — реторта; 22, 25 — відкрита і закрита посудини

Генератор системи „карбід у воду" (рис. 5.1.22, а) подає порціями карбід кальцію 8 у резервуар 3 з водою 2. Карбід кальцію перебуває у бункері 7, щільно закритому покришкою 6. Механізм закривання і відкривання клапана 9 приводиться в дію тиском ацетилену, який нагромаджується в резервуарі над поверхнею води. Ацетилен надходить до зварювального па­льника трубкою 4, а далі шлангом. Як тільки тиск ацетилену знизиться до нижньої межі, клапан знову відкриється і чергова порція карбіду потрапить у воду.

Генератор системи „вода на карбід" (рис. 5.1.22, б) склада­ється з резервуара 14, розділеного перегородкою 17 на нижню 11 та верхню 13 частини, сполучені трубкою 12. У нижній час­тині є реторта 21, куди вставляють кошик 19 з карбідом каль­цію і щільно закривають покришкою 20. Реторта з'єднана з нижньою частиною резервуара патрубком 18, який у разі по­треби перекривається вентилем. Якщо вентиль відкритий, то вода стікає у реторту, де реагує з карбідом. Утворений ацети­лен через трубку 16 потрапляє у воду нижньої частини реторти, там охолоджується й очищається від домішок, після чого на­громаджується під перегородкою. Збільшення об'єму ацетиле­ну сприяє витісненню води з нижньої у верхню частину через

трубку 12. Після зниження рівня води нижче горловини патруб­ка 18 її перетікання в реторту припиняється. Із генератора аце­тилен надходить до зварювального поста через трубку 15, за­вдяки чому рівень води в нижній частині резервуара підій­мається і вода знову потрапляє в реторту.

Генератор контактної системи (рис. 5.1.22, в) працює за принципом сполучених посудин. Він складається із відкритої 22 і закритої 25 посудин. У закритій посудині міститься кар­бід кальцію 26. Утворений ацетилен створює додатковий тиск, внаслідок чого вода витісняється у відкриту посудину доти, поки не припиниться контакт карбіду з водою. В міру спожи­вання ацетилену його тиск поступово знижується і вода знову починає контактувати з карбідом. Генератори цієї системи прості за конструкцією й не вимагають спеціальних засобів автоматизації.

Контактні генератори нерідко поєднують з системою „вода на карбід".

Зварювальний пальник призначений для змішування кисню з пальним газом у заданій пропорції й підведення утвореної суміші до місця зварювання. За принципом дії пальники поді­ляють на інжекторні та безінжекторні. Найпоширеніші інжек­торні пальники.

Інжекторний пальник (рис. 5.1.23) має корпус 5, кисневий ніпель 7, ніпель пального газу 8, вентилі 6, 9 для незалежного регулювання подачі газів, інжектор 4, камеру змішування З, трубку наконечника 2 і мундштук 1. Між корпусом та інжекто­ром є кільцевий канал 10 для пального газу. На вході у пальник тиск кисню перевищує тиск ацетилену. Кисень під тиском 0, 1...0, 4 МПа з великою швидкістю виходить з каналу інжектора й по­трапляє у змішувальну камеру, куди через кільцевий канал за­смоктується пальний газ. Отримана в змішувальній камері паль­на суміш виштовхується назовні й на виході з мундштука зго­ряє, утворюючи високотемпературне концентроване полум'я.

Ацетиленокисневе полум'я складається з трьох зон, які легко розрізнити візуально:

— ядра 11 яскравого кольору із суміші кисню й ацетилену;

— зварювальної зони 12 блакитного кольору;

— факела 13.

У зварювальній зоні відбувається неповне згорання ацетилену в кисні за реакцією:

Температура зварювальної зони найвища, тут з основного й непокритого присадного металу утворюється зварювальна ван­на, добре захищена оксидом вуглецю CO і воднем.

У факелі догоряють оксид вуглецю та водень у кисні повітря:

Залежно від співвідношення об'ємів кисню й ацетилену в суміші ацетиленокисневе полум'я може бути:

— нормальне (0₂: С₂Н₂ - 1);

— оксидаційне (0₂: С₂Н₂ > 1);

— навуглецьовувальне (0₂: С₂Н₂ < 1).

Найчастіше використовують нормальне полум'я під час зварювання вуглецевих сталей і більшості сплавів кольоро­вих металів.

Оксидаційне полум'я застосовують під час зварювання латуней. Тут надлишковий кисень утворює з цинком латуні оксид­ну плівку, яка запобігає випаровуванню цинку.

Навуглецьовувальне полум'я під час зварювання чавуну ком­пенсує втрати вуглецю від вигорання.

Хімічний склад і діаметр присадного дроту вибирають залеж­но від складу й товщини зварювального матеріалу. Зварник у правій руці тримає пальник, у лівій — присадний матеріал, відповідно їх переміщуючи.

Газове зварювання порівняно з дуговим характеризується плавнішим нагріванням й повільнішим охолодженням місця з'єднання, більшою зоною термічного впливу й нижчою продук­тивністю праці.

5.1.7.2. ТЕРМІЧНЕ РІЗАННЯ МЕТАЛІВ

Одним з поширених способів термічного різання металів є газове різання.

Суть цього способу в тому, що метал 2 (рис. 5.1.24) у зоні різання попередньо нагрівають газокисневим полум'ям 3 до тем­ператури займання, після чого подають струмінь технічно чис­того кисню 4, в якому згоряє метал і видуваються утворені оксиди 1, а виділену теплоту використовують, щоб підтриму­вати горіння. Як бачимо, газокиснева суміш виходить з кіль­цевого каналу 7 різака 5, а струмінь кисню — з центрального каналу 6.

Різак переміщають у напрямку різання рукою або відповід­ними механізмами. Механізоване переміщення (напівавтомати­чне або автоматичне) забезпечує рівномірне переміщення різа­ка, внаслідок чого отримуємо гладку поверхню зрізу й більш високу точність розмірів.

Для нагрівання зони різання окрім ацетилену використову­ють природний газ, пропан-бутан, гас або бензин.

Газове різання можливе, якщо:

— температура плавлення металу вища за температуру його горіння;

— температура утворення оксидів не перевищує температу­ру плавлення металу;

— виділеної теплоти достатньо (або майже достатньо), щоб підтримувати горіння металу в кисні;

— теплопровідність металу не повинна бути надто великою, бо в протилежному випадку важко підтримувати в зоні різання необхідну температуру.

Переліченим умовам відповідають низьковуглецеві й низько-леговані сталі з невисоким вмістом вуглецю і не відповідають високолеговані та хромисті сталі, чавуни, мідь, сплави алюмі­нію й магнію. Тугокоплавкі оксиди можна перевести у легкоплав­кі сполуки, ввівши в зону різання разом зі струменем кисню відповідні порошкоподібні флюси (киснево-флюсове різання).

Суть контактного електричного зварювання полягає в тому, що заготовки 3 і 6 (рис. 5.2.1) нагрівають у зоні з'єднан­ня електричним струмом до пластичного стану або до частково­го розплавлення й пластично деформують, щоб зблизити з'єд­нувані поверхні до відстаней міжатомної взаємодії. Під дією двох рівних і протилежно спрямованих сил F мікровиступи на цих поверхнях зминаються, руйнуються оксиди й частково ви­тісняються назовні.

Кількість теплоти (Дж), що виділяється в зоні з'єднання під час проходження електричного струму, визначають за законом Джоуля-Ленца

де / — сила зварювального струму, A; R — сумарний опір у контактах і металі заготовок, Ом; т — час проходження струму, с.

Із формули (5.2.1) випливає, що необхідна для зварювання кількість теплоти виділяється лише у випадку проходження через заготовки значної сили струму (іноді десятки тисяч і на­віть сотні тисяч ампер), а також достатньо великого сумарного опору зварюваного металу. Оскільки опір в контакті заготовок найвищий (що зумовлено неповним приляганням з'єднуваних поверхонь, їх забрудненням і наявністю оксидів), то контакт заготовок нагрівається найбільше.

Розрізняють три основні види електроконтактного зварюван­ня: стикове, точкове і шовне.

Зварювання тертям

Зварювання тертям відбувається у твердому стані під дією стискальних напружень і теплоти, що виникає від тертя на ко­нтактних поверхнях заготовок.

Заготовки /, 2 (рис. 5.2.6) у вигляді стрижнів або труб тор­цями складають устик, одну з них (рис. 5.2.6, а) або обидві (рис. 5.2.6, б) обертають, прикладаючи осьові сили F. Від тертя метал у зоні контакту нагрівається в тонких поверхневих ша­рах до температури 950...1300 °С, пластично деформується, під

час чого з'єднувані поверхні максимально зближуються. Після надійного з'єднання обертання раптово припиняють, а стискальні напруження на деякий час підвищують.

Цим способом зварюють вироби з однорідних й різнорідних металів, а також з металів і кераміки. Серед них свердла, міт­чики, кінцеві фрези, клапани двигунів внутрішнього згоряння та ін. Одну частину виробу виготовляють з дорогої високолегованої сталі, а іншу — з дешевої вуглецевої або легованої.

Зварюють переважно на спеціальних машинах, рідше — на переобладнаних металорізальних верстатах (токарних або сверд­лильних). На зварювання тертям порівняно з електричним кон­тактним витрачається значно менше енергії; якість зварюван­ня і продуктивність високі.

Ультразвукове зварювання

Ультразвукове зварювання виконують під дією невеликих стискальних напружень і високочастотних механічних коли­вань, які спричинюють тертя на контактних поверхнях загото­вок, внаслідок чого ці поверхні нагріваються, пластично дефор­муються і зближуються до відстані міжатомної взаємодії. Товщи­на зварюваних заготовок невелика і становить від 0, 1 до 1 мм. Порівняно невисока температура в зоні з'єднання забезпечує мінімальну зміну структури і властивостей матеріалу з'єднува­них заготовок.

Під час ультразвукового зварювання використовують магніто­стрикційний ефект, що ґрунтується на здатності деяких феро­магнітних матеріалів змінювати свої розміри під дією змінного магнітного поля.

Ультразвуковим зварюванням можна отримувати точкові й шовні з'єднання. Установка для точкового зварювання зобра­жена на рис. 5.2.7. Заготовки 4 затискають механізмом 5 між опорами 6 і 7. До витків котушки 2 від спеціального генератора підводять струм частотою понад 20 кГц, який спричинює в ко­тушці змінне магнітне поле. Під його дією магнітострикційний вібратор / звужується і розширюється з частотою зміни магнітно­го поля. Щоб збільшити амплітуду механічних коливань вібрато­ра, до нього під'єднують хвилевід 3, який підтримує опора 8.

Рис. 5.2.7. Схема установки для точкового зварювання ультразвуком:

/ — магнітострикційний вібратор; 2 — котушка; 3 — хвилевід; 4 — заготовка;

5 — механізм затиску заготовок; 6, 7, 8 — опора; F — сила

Ультразвукові коливання активно руйнують поверхневі ок­сидні плівки. Цим методом надійно з'єднують між собою заго­товки з міді, алюмінію та їх сплавів, а також з нікелю, титану, танталу, цирконію та ін. у приладобудівній і електронній про­мисловості.

Зварювання вибухом

Зварювання вибухом відбувається в момент удару однієї заготовки об іншу під час вибуху. Внаслідок цього в контакт­них поверхневих шарах підвищується температура, виникають значні пластичні деформації й зближення до відстаней міжато­мної взаємодії.

Нижню заготовку 3 (рис. 5.2.8) кладуть на жорстку основу 5, а верхню заготовку 4 виставляють на відстані h > 2...3 мм і під кутом а = З...Ю⁰. Верхню заготовку рівномірно покривають шаром вибухової речовини 2, а на краю встановлюють електродетонатор /. Вибухова хвиля надає верхній заготовці швидкості понад 1000 м/с. Зварювання триває мікросекунди. Перед зварю­ванням поверхні заготовки знежирюють. Залишкові поверхневі забруднення подрібнюються й частково виносяться зі зони зва­рювання у вигляді порошку.

Рис. 5.2.8. Схема зварювання вибухом — вихідне положення (а)

і процес (б): 1 — детонатор; 2 — вибухова речовина; 3, 4 — заготовки; 5 — основа

Вибухом можна зварювати заготовки практично необмеже­них розмірів з однорідних й різнорідних металів, зокрема й таких, що не зварюються іншими способами. Так можна прива­рювати до листа з вуглецевої сталі лист з нержавкої сталі або до лопаток турбіни оболонку з корозійнотривкої сталі. Міцність з'єднання дуже висока.

ОБРОБКА РІЗАННЯМ

Обробкою різанням виготовляють більшість деталей, особ­ливо тоді, коли від них вимагається велика точність розмірів і висока якість поверхні. Цей процес доволі трудомісткий, а отже, й дорогий. Достатньо сказати, що вартість обробки різанням перевищує ЗО % вартості готової машини. Окрім цього, оброб­ка різанням — це значні відходи у вигляді стружки, які в умо­вах масового виробництва сягають 10 % маси заготовок, а в умовах дрібносерійного й одиничного виробництва зростають у 2...З рази.

Важливими критеріями оцінки ефективності обробки мета­лів різанням є продуктивність верстата, його точність, надій­ність і гнучкість. Продуктивність оцінюється здатністю верс­тата забезпечити обробку певної кількості деталей за одиницю часу. З метою скорочення часу обробки застосовують різальні інструменти підвищеної стійкості, запроваджують активний контроль розмірів оброблених поверхонь, автоматизацію замі­ни інструментів, транспортування та закріплювання заготовок й зняття оброблених виробів. Гнучкість характеризується мож­ливістю верстата до швидкого переналагоджування з перехо­дом на виготовлення іншої деталі.

Водночас з різанням розширюється обробка методами холод­ного пластичного деформування без зняття стружки (накочу­вання різей і зубчастих коліс, обкочування й розкочування ци­ліндричних, конічних і фасонних поверхонь роликами або куль­ками, калібрування отворів жорсткими інструментами). Отже, технології виготовлення деталей різанням і холодною обробкою тиском часто конкурують між собою.

Для обробки сучасних високоміцних матеріалів успішно застосовують електрофізичні й електрохімічні методи (електро-ерозійні, анодного розчинення, ультразвукові, променеві тощо).

Розділ 6.1

Рухи у верстатах

У металорізальних верстатах розрізняють рухи різання (ро­бочі) та допоміжні рухи.

Завдяки рухам різання з поверхні заготовки відокремлю­ють шар металу у вигляді стружки. Рухи різання складаються з головного руху різання й руху подачі. Вони можуть бути обер­тальними й прямолінійними, неперервними й перервними.

Головний рух різання Д [7] відбувається з найбільшою швид­кістю і забезпечує лише одинарне відокремлювання стружки, наприклад, за один оберт або за один подвійний хід заготовки чи інструмента.

Рух подачі Д [7] у поєднанні з головним рухом різання за­безпечує неперервне (іноді перервне) відокремлення стружки на всій оброблюваній поверхні. Залежно від напрямку руху ін­струмента (або заготовки) розрізняють поздовжню подачу Д _пд вздовж осі обертання заготовки, поперечну подачу Д „ перпен­дикулярно до осі обертання заготовки, колову подачу Д _к.

Допоміжні рухи забезпечують підготовку процесу різання, хоч самі в ньому участі не беруть. До них належать: закріплен­ня заготовки й зняття готової (чи частково обробленої) деталі, зміна інструмента, вмикання заданої частоти обертання голов­ного руху різання та величини подачі, переміщення інструмен­та в задану позицію, вимірювання діаметра обробленої поверх­ні, пуск і зупинка верстата тощо. Щоб полегшити ручну працю верстатника й скоротити час на виконання допоміжних рухів, їх механізують і автоматизують.

Кінематичні схеми верстатів

Кінематична схема верстата є спрощеним графічним зо­браженням лише тих його елементів і механізмів, що беруть участь у передачі рухів. Крім графічного зображення, кінематич­на схема повинна мати мінімальну кількість числових даних, необхідних для кінематичних розрахунків, які завершуються визначенням значень головного руху різання, обчисленням зна­чень подачі, а також числових значень допоміжних рухів. На кінематичних схемах розрізняють елементи (деталі й прості вузли) та механізми верстата.

До елементів кінематичних схем належать такі деталі вер­статів, як вал (рис. 6.1.8, а), шків, зірочка, зубчасте колесо, черв'ячне колесо, черв'як, гвинт, гайка, рейка, а також такі прості вузли, як підшипник (рис. 6.1.8, 6-е), муфта (рис. 6.1.8, є, ж), гальмо (рис. 6.1.8, з), електродвигун (рис. 6.1.8, и). На кінематичній схемі вал зображують у вигляді прямої потовще­ної лінії (рис. 6.1.8, а); шків (рис. 6.1.9, а), циліндричне зубча-

• --- 1 * --- £ '

Рис. 6.1.8. Елементи кінематичних схем:

вал (а); вал з підшипником ковзання радіальним (б), з підшипником кочення

радіальним (в), з підшипником кочення радіальпо-упорним (г), з підшипником

кочення упорпим (д), з підшипником без уточнення типу (є); вали тяговий /

і ведений // разом з кулачковою муфтою (є); вали /, // разом з фрикційною

муфтою (ж); гальмо (j); електродвигун (ц)

сте колесо (рис. 6.1.9, в) і черв'як (рис. 6.1.9, д) — у вигляді прямокутника (кола); зірочку (рис. 6.1.9, б) — у вигляді ромба (кола); конічне зубчасте колесо (рис. 6.1.9, г) — у вигляді тра­пеції (кола); гвинт (рис. 6.1.9, є) — у вигляді хвилястої лінії; гайку (рис. 6.1.9, є) — у вигляді двох хвилястих ліній.

Знак х означає, що відповідний елемент (шків, зубчасте ко­лесо, зірочка, черв'ячне колесо, черв'як) закріплений на валі

нерухомо, знаками — (-, =) позначають, що елемент може пересуватись уздовж вала, але завжди обертається разом з ним. Радіальні підшипники здатні сприймати силу, спрямовану по радіусу вала, упорні — силу, що діє вздовж вала, а радіально-упорні — одночасно обидві ці сили (рис. 6.1.8).

Муфта призначена для з'єднання або роз'єднання двох ва­лів, а також для закріплювання на валі вільнопосаджених де­талей (зубчасте та черв'ячне колесо, шків, черв'як тощо). Вал І, який передає рух, називається тяговим, а вал //, що прий­має рух, — веденим.

Найпоширенішими механізмами металорізальних верстатів є передачі, елементарні механізми коробок швидкостей, елемен­тарні механізми коробок подач, механізми реверсу.

Передачею називається механізм, що служить для пере­давання обертального руху від тягового вала / до веденого вала /7 або для перетворення одного виду руху в інший, наприклад обертального в прямолінійний поступальний чи навпаки.

Найбільш властиві для верстатів пасові, ланцюгові, зубчас­ті, черв'ячні, гвинтові та рейкові передачі.

Важливою характеристикою передач обертального руху є передавальне число (або обернена до нього величина — переда­вальне відношення).

Передавальним числом и називається відношення частот

обертання тягового гц і веденого п.₂ валів:

Величина, обернена до передавального числа и, називається передавальним відношенням і:

Плоскопасова передача складається з тягового вала / (рис. 6.1.9, а), веденого вала II, підшипників, шківів діаметрами D_x і D₂ та паса. Рух від вала / до вала II передається завдяки силам тертя, які виникають між шківами та пасом. У реальних умовах експлуатації існує певна втрата швидкості через ковзання паса і шківів, яку враховують коефіцієнтом ковзання Г|(п = 0, 985).

Ланцюгова передача складається із зірочки з кількістю зуб­ців г, (рис. 6.1.9, б), закріпленої на валі /, зірочки з кількістю зубців г_а, закріпленої на валі II, ланцюга й підшипників. Пере­давальне відношення ланцюгової передачі

Зубчасту передачу циліндричними колесами використову­ють для передачі обертального руху між паралельними валами. Вона складається із вала / (рис. 6.1.9, в), вала II, зубчастих коліс 2, і 2₂ й підшипників. її передавальне відношення визна­чається за формулою (6.1.4).

Зубчасту передачу конічними колесами застосовують для передачі обертального руху між валами, розташованими перпен­дикулярно.

Черв'ячна передача складається з черв'яка з кількістю захо­дів а (рис. 6.1.9, д), закріпленого на валі /, черв'ячного колеса з кількістю зубців z, закріпленого на валі //, й підшипників. її передавальне відношення

Гвинтова передача служить для перетворення обертального руху гвинта в поступальний рух гайки або навпаки. Якщо t (рис. 6.1.9, є) — крок різі, то за один оберт гвинта гайка пере­міститься на величину t, а за п обертів — на величину (мм/хв)

Рейкова передача призначена для перетворення обертально­го руху шестерні в поступальний рух рейки або навпаки. Якщо t (рис. 6.1.9, є) — крок рейки і 2 — кількість зубців рейкової шестерні, то за один оберт шестерні рейка переміститься на величину t • z, а за п обертів шестерні — на величину S (мм/хв)

Оскільки t = it • т, то

де т — модуль зубця, мм.

Елементарний механізм, коробки швидкостей надає ве­деному валові кілька різних частот обертання, якщо тяговий вал має одну частоту обертання.

До елементарних механізмів коробок швидкостей належать: механізм з переставними зубчастими колесами, механізм з пе­ресувним блоком зубчастих коліс, механізм із зубчастих коліс і муфти та деякі інші.

Механізм з переставними зубчастими колесами має вал / (рис. 6.1.10, а), вал //, підшипники, зубчасті колеса г_х і 2₂, які можна переставляти на валах. Внаслідок цього вал II отримує дві частоти обертання:

Механізм з пересувним блоком зубчастих коліс складаєть­ся з валів І і II (рис. 6.1.10, б), підшипників, трьох закріпле­них на валі / зубчастих коліс 2,, 2₂, 2₃ і потрійного пересувного блока 2₄ — 2₅ — 2_в, колеса якого почергово можуть входити в зачеплення з колесами вала /. Тому на вал II передається три частоти обертання:

Механізм із зубчастих коліс і муфти передає на вал // (рис.6.1.10, в) дві частоти обертання (п₂ і п₂¹) за допомогою ко­ліс 2, і 2₃ та Zo і z₄. Кулачкова муфта М почергово закріплює на валі II одне з вільнопосаджених коліс г₂ або г₄. Тут

Елементарні механізми коробок подач мають те саме при­значення, що й елементарні механізми коробок швидкостей.

У коробках подач широко використовують описані вище ме­ханізми коробок швидкостей, а окрім них — механізм Нортона та механізм з висувною шпонкою.

Механізм Нортона складається із зубчастих коліс г„ г₂, ..., г₇ (рис. 6.1.11, а), закріплених на валі 7, пересувного колеса 2_П,

МАШИННЕ ФОРМУВАННЯ І ВИГОТОВЛЕННЯ СТРИЖНІВ

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: