ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

В.И.БЕЗПАЛЬКО

ТЕХНОЛОГИЯКОНСТРУКЦИОННЫХ

И ТРУБОПРОВОДОСТРОИТЕЛЬНЫХМАТЕРИАЛОВ

К ДопущеноЩ Учебно-методическим объединением

по образованию в области автоматизированного машиностроенияв качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлениям подготовки бакалавров, магистров и специалистов«Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»,

«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительныхпроизводств», «Автоматизированные технологии и производства»

ACADEMA

МоскваИздательский центр «Академия»

2008

УДК 621.643/.644(075.8)ББК 39.7я73

Б402

Р е ц е н з е н т ы :зав. кафедрой «Художественное и промышленное литье» Московского

государственного вечернего металлургического института, лауреат премииПравительства Российской Федерации, канд. техн. наук. проф. Е. Г. Савченко;

зам. генерального директора ОАО «Институт Цветметобработка», д-р техн.наук, проф. Р.Л.Шаталов

Научный редактор д-р техн. наук, проф. А. И. Батышев

Безпалько В.И.Б402 Технология конструкционных и трубопроводостроитель-

ных материалов : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведе-ний / В. И. Безпалько. — М. : Издательский центр «Акаде-мия», 2008. — 416 с.

ISBN 978-5-7695-4246-6Изложены основы производства черных и цветных металлов, обра-

ботки металлов давлением, литейного и сварочного производства, обра-ботки металлов резанием. Рассмотрены классификация и области приме-нения деформируемых и литейных сплавов в машиностроении. Особоевнимание уделено способам производства, применению и методам заши-ты труб, используемых при строительстве газонефтяных комплексов иэксплуатации газонефтепроводов.

Для студентов высших учебных заведений. Может быть полезно специ-алистам, занимающимся проектированием и производством оборудова-ния для машиностроительной, нефтяной и газовой промышленности.

УДК 621.643/.644(075.8)ББК 39.7я73

Оригинал-макет данного издания является собственностьюИздательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом

без согласия правообладателя запрещается

© Безпалько В. И., 2008© Образовательно-издательский центр «Академия», 200S

ISBN 978-5-7695-4246-6 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2008

Посвящается 75-летию Москов-ского государственного открытогоуниверситета и 100-летию откры-того образования в России

ПРЕДИСЛОВИЕ

Производство деталей для различных машин и металлическихконструкций, применяемых в машиностроении, нефтяной, газо-вой промышленности и трубопроводном транспорте, в настоя-щее время является одним из самых металлоемких. Исходя из это-го инженеры-конструкторы и инженеры-технологи, связанные спроектированием, изготовлением и эксплуатацией оборудования,должны обладать необходимыми знаниями о металлах и сплавах,технологических процессах их производства и способах изготовле-ния из них качественных и надежных деталей и механизмов.

Настоящее учебное пособие представляет собой комплексноеиздание, в котором рассматриваются основные сведения о спосо-бах производства машиностроительных металлических материа-лов и методах их обработки в целях изготовления из них деталейопределенной формы и с необходимыми технологическими пара-метрами.

Пособие написано по программе курса «Технология конструк-ционных и трубопроводостроительных материалов» для студентовстарших курсов машиностроительных и горно-металлургическихспециальностей высших учебных заведений и может быть полезностудентам других технических специальностей, а также специали-стам, чья работа связана с изготовлением и обслуживанием обо-рудования для различных отраслей машиностроения.

В первой главе приведена классификация деформируемых илитейных сплавов, используемых в различных отраслях машино-строения. Это позволит студентам и специалистам легче ориенти-роваться в широкой номенклатуре сплавов, производимых метал-лургической промышленностью.

Во второй главе рассмотрены способы производства чугуна,стали и некоторых цветных металлов. Особое внимание уделенофизико-химическим процессам, происходящим при плавке ме-таллов в различных металлургических агрегатах.

В третьей главе, посвященной обработке металлов давлением,даны сведения о процессах горячего и холодного деформирова-ния металлов, методах получения заготовок деталей и применяе-мом с этой целью оборудовании.

В четвертой главе изложены основы современной технологиилитейного производства, плавка литейных сплавов, специальныеспособы литья и методы контроля качества получаемых отливок.

3

В пятой главе раскрыты физические основы сварки металлов,приведены основные способы электрической сварки (в том числес применением давления), газовой сварки и пайки.

В шестой главе, посвященной вопросам обработки металловрезанием, рассмотрены основные процессы, происходящие в за-готовке и инструменте при резании, приведены краткие сведенияо конструкции станков, режущем инструменте и материалах дляего изготовления.

В седьмой главе представлен сортамент труб, рассмотрены спо-собы производства труб и области их применения, приведена клас-сификация и техническая характеристика труб, а также сплавов,применяемых для их изготовления, а также рассмотрены методыи материалы, используемые для защиты труб в процессе их эксп-луатации.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Техно-логия металлов и литейных процессов» Московского государствен-ного открытого университета, д-ру техн. наук, проф. А. И. Баты-шеву за помощь при подготовке рукописи учебного пособия и ре-цензентам — коллективу кафедры «Художественное и промышлен-ное литье» Московского государственного вечернего металлурги-ческого института (МГВМИ), ее руководителю, канд. техн. наук,проф. Е.Г.Савченко и зам. генерального директора ОАО «Инсти-тут Цветметобработка», д-ру техн. наук, проф. Р. Л. Шаталову.

Г Л А В А 1

СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1. Общие сведения

Конструкционные материалы применяются для изготовлениядеталей машин и механизмов, используемых в различных отрас-лях промышленности. Их условно можно подразделить на три груп-пы: металлические, неметаллические и композиционные. Перваягруппа находит наибольшее применение, и ей будет уделено ос-новное внимание в данном учебном пособии.

Металлические материалы можно классифицировать по тем-пературе плавления (легкоплавкие, со средней температурой плав-ления и тугоплавкие), по плотности (легкие и тяжелые), по осно-ве (сплавы на основе железа, сплавы цветных и тугоплавких ме-таллов), по способу получения из них заготовок (деформируе-мые, литейные).

В современном машиностроении для получения деталей меха-низмов и машин применяют как чистые металлы, так и сплавына их основе. Последние находят наибольшее применение, чтообусловлено их более высокими механическими свойствами. Этисвойства зависят от компонентов, входящих в состав сплава, егоструктуры и способа обработки.

В машиностроении в основном применяют сплавы на основежелеза (углеродистые и легированные стали, чугуны) и сплавыцветных металлов на основе алюминия, меди, магния и титана.

От правильности выбора сплава и способа обработки получае-мой из него детали во многом зависят надежность и работоспо-собность продукции машиностроения.

1.2. Д е ф о р м и р у е м ы е с п л а в ы

1.2.1. Деформируемые стали

В машиностроении к деформируемым относятся сплавы, обла-дающие свойством пластической деформации в ходе обработки(прокатка, ковка, штамповка, волочение и др.), при которой ис-

5

ходные заготовки (слитки) приобретают как простую (полоса,лента, проволока и др.), так и сложную форму (поковки, поков-ки штампованные и др.). Получаемые таким образом заготовкиприобретают повышенные механические и эксплуатационныесвойства, превосходящие аналогичные показатели в исходной за-готовке (слитке).

Стали, подвергаемые пластическому деформированию, клас-сифицируются по химическому составу, назначению, качеству испособу производства (выплавке).

По химическому составу стали подразделяют на нелегирован-ные (углеродистые) и легированные.

Нелегированные стали могут быть низкоуглеродистыми (до0,25% С), среднеуглеродистыми (0,25...0,45 % С) и высокоугле-родистыми (0,45...0,85% С).

По содержанию легирующих элементов стали условно делятна низко-, средне- и высоколегированные с суммарным содер-жанием легирующих элементов соответственно 5; 5... 10 и более10%.

По назначению стали подразделяют на конструкционные, ин-струментальные и стали с особыми свойствами (жаропрочные,жаростойкие, кислотостойкие, износостойкие, обладающие маг-нитными свойствами и др.).

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного ка-чества, качественные, высококачественные и особо высококаче-ственные в зависимости от содержания в них вредных примесей(серы и фосфора) и неметаллических включений. Стали обык-новенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качествен-ные — до 0,035 % S и 0,035 % Р, высококачественные — не более0,025 % S и 0,025 % Р, а особо высококачественные — не более0,015% S и 0,025% Р. В маркировке особо высококачественныхсталей указывается способ их выплавки или обработки.

Стали углеродистые обыкновенного качества изготовляют поГОСТ 380 — 94, согласно которому они маркируются буквами «Ст»с последующими условными номерами от 0 до 6, например: СтО,Ст1, ..., Стб. Чем больше условный номер стали, тем выше содер-жание в ней углерода и соответственно выше прочностные и нижепластические характеристики. Массовая доля (содержание) серыв стали этих марок, кроме СтО, должна быть не более 0,05 %,фосфора — не более 0,04 %; в стали марки СтО серы — не более0,06 %, фосфора — не более 0,07 %.

Степень раскисления стали обозначают буквами: сп — спокой-ная, пс — полуспокойная, кп — кипящая. Их ставят в конце обо-значения марки стали. Индекс «сп» в обозначении обычно опус-кается, а другие индексы ставятся: СтЗпс, Ст2кп и т.д. Выплавкаэтих сталей производится в крупных мартеновских печах и кисло-родных конвертерах.

6

Качественные углеродистые стали по ГОСТ 1050 — 88 маркиру-ются двузначными цифрами, указывающими среднее содержаниеуглерода в сотых долях процента: сталь 10 (0,10% С), сталь 30(0,30 % С). Стали этой группы, содержащие свыше 0,20 % С, вы-пускаются только спокойными. Эти стали выплавляются в элект-ропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах. Кромеболее жестких требований по количеству вредных примесей к нимпредъявляются повышенные требования по содержанию неметал-лических включений и газов.

Все углеродистые качественные конструкционные стали условноможно разделить на несколько групп.

Стали марок 05кп, 08, 08кп, 10, Юкп имеют невысокую проч-ность (предел прочности при растяжении = 330...420 МПа,условный предел текучести = 190...250 МПа), хорошую плас-тичность (относительное удлинение = 25...33 %, относительноесужение = 55...60%) и свариваемость. Это определяет их ис-пользование в малонагруженных деталях машин и элементах кон-струкций, изготовленных сваркой, ковкой, штамповкой и др.

Стали 15; 20; 25, составляющие вторую группу низкоуглеродис-тых сталей, имеют более высокую прочность ( = 460...610 МПа,

= 280...360 МПа) и пониженную пластичность ( = 16...23%,= 40...50%), хорошо свариваются и обрабатываются резанием.

Они используются для изготовления деталей машин (без терми-ческой обработки или в нормализованном состоянии), а такжедля деталей с повышенной износостойкостью (после цементациии соответствующей термической обработки), но не подвергаю-щихся в процессе эксплуатации высоким нагрузкам. Примерамицементуемых деталей являются кулачковые валы, кронштейны,пальцы рессор и др.

Самой значительной является группа среднеуглеродистых ста-лей: 30; 35; 40; 45; 50 и 55, подвергающихся термической обра-ботке. Они имеют высокую прочность ( = 640... 730 МПа, == 380...430 МПа) и сравнительно низкую пластичность ( =9... 14 %,

= 40... 50 %). Эти стали после отжига хорошо обрабатываются ре-занием. Благоприятное сочетание прочностных и пластических ха-рактеристик позволяет применять их при изготовлении ответствен-ных деталей машин (распределительные валы, шпиндели и др.).

Высокоуглеродистые стали 60; 65; 70; 75; 80 и 85 подвергаютсяразличным видам термической обработки, в результате чего ониприобретают высокую прочность, износостойкость и упругость. Изних изготовляют пружины, рессоры, прокатные валки и т.п.

Углеродистые стали, содержащие 0,7... 1,3 % С, используют дляизготовления режущего инструмента и называют инструменталь-ными. В марках углеродистых инструментальных сталей (напри-мер, У8; У10) буква У обозначает углеродистую сталь, а цифра —содержание углерода в десятых долях процента.

7

Для деталей ответственного назначения применяют высокока-чественные стали с более низким содержанием серы и фосфора.При обозначении высококачественных сталей в конце марки до-бавляется буква А, например сталь У10А. Низкое содержание вред-ных примесей в высококачественных сталях удорожает и услож-няет их производство. Поэтому высококачественными сталямиобычно бывают не углеродистые, а легированные.

Легированные конструкционные стали в зависимости от содер-жания в них серы и фосфора подразделяются на качественные,высококачественные и особо высококачественные.

Легированные стали маркируют буквами и цифрами, указыва-ющими их химический состав. Первые две цифры показывают со-держание углерода (для конструкционных сталей в сотых доляхпроцента, для инструментальных — в десятых долях), затем ста-вится буква, указывающая легирующий элемент. После буквы сле-дует цифра, соответствующая среднему содержанию этого эле-мента в процентах. Если содержание легирующего элемента со-ставляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится.

Легирующие элементы обозначаются следующими буквами:А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь,К — кобальт, М — молибден, Н — никель, П — фосфор, Р —бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ц —цирконий, Ю — алюминий, Ч — редкоземельные металлы и др.

Например, качественная сталь 18ХГТ содержит 0,18 % С, а хро-ма, марганца и титана в пределах 1 %. Сталь марки 12ХНЗА содер-жит 0,12 % С, до 1,0 % Сг, 3 % Ni. Как уже было сказано, буква Ав конце марки стали обозначает высококачественную сталь. В тоже время если буква А расположена в середине марки стали, тоэто указывает на наличие в ней азота как легирующего элемента.В конце марки особо высококачественных сталей иногда ставятбукву Ш (38ХМЮШ).

В качестве основных легирующих элементов в конструкцион-ных сталях применяют Сг (до 2 %), Ni (1 ...4,5 %), Мп (до 2 %), Si(0,6... 1,2 %). Такие легирующие элементы, как Mo, W, V и Ti,обычно вводят в сталь в сочетании с Сг и Ni с целью дополни-тельного улучшения тех или иных ее физико-механических свойств.В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в сле-дующих количествах, %: Мо (0,2...0,4); W (0,5... 1,2); V (0,1...0,3);Ti (0,1...0,2). В инструментальных сталях содержание указанныхэлементов может быть значительно выше.

В зависимости от входящих в состав сталей легирующих эле-ментов их называют хромистыми, хромоникелевыми, ванадиевы-ми и т.д. В начале марки сталей иногда ставят буквы, указываю-щие на их применение: А — автоматные стали, Р — быстрорежу-щие, Ш — шарикоподшипниковые, Э — электротехнические,Е — магнитно-твердые.

Все высоколегированные стали содержат минимальное количе-ство вредных примесей и являются высококачественными, поэто-му в конце обозначения их марки буква А не ставится (1ОХ18Н9Т).Высокая чистота сплавов достигается дополнительной обработкойих специальными методами, которые отражены буквами в конценаименования марки стали: Ш — электрошлаковый переплав,ВД — вакуумно-дуговой переплав, ВИ — вакуумно-индукционнаявыплавка, СШ — обработка синтетическими шлаками. Примеромобозначения особо высококачественной высоколегированной ста-ли является сталь марки 15Х16К5Н2МВФАБШ.

Л.1.2. Деформируемые сплавы цветных металлов

Цветные металлы и сплавы на их основе, хотя и имеют болеевысокую стоимость по сравнению с черными, обладают рядомценных свойств и находят широкое применение в различных от-раслях техники.

В машиностроении из сплавов цветных металлов наибольшееприменение нашли конструкционные сплавы на основе меди илегких металлов — алюминия, магния и титана.

Сплавы легких металлов характеризуются высокой удельнойпрочностью, измеряемой отношением прочностных характерис-тик к плотности материала.

Алюминий — один из наиболее легких конструкционных ме-таллов с плотностью 2 700 кг/м3 и температурой плавления 659 °С;имеет серебристый цвет, обладает высокими теплопроводностью,электропроводимостью и хорошей коррозионной стойкостью вомногих агрессивных средах. Последнее объясняется способностьюалюминия на воздухе покрываться прочной оксидной пленкойА12О3, защищающей металл от дальнейшего окисления. Алюми-ний характеризуется высокой пластичностью, хорошо обрабаты-вается давлением, сваривается всеми видами сварки.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо поддаются про-катке, ковке, штамповке. По объему производства эти сплавы со-ставляют около 80 % от общего объема производства цветных де-формируемых сплавов.

Состав деформируемых алюминиевых сплавов регламентиро-ван ГОСТ 4784 —97. В промышленности используют девять группсплавов на основе различных систем (табл. 1.1).

Буквы в марке сплава обозначают компоненты (см. ГОСТ 4784—97), входящие в его состав.

Цифры, стоящие в конце каждой марки сплава, указывают наего порядковый номер, кроме сплавов АМг2—АМгб, где цифрауказывает на среднее содержание магния в сплаве.

По прочностным характеристикам деформируемые алюминие-вые сплавы подразделяются:

. на высокопрочные ( =450...500 МПа): Д16, АК8, В93, В95,

ВАД23;• средней прочности ( = 300...450 МПа): Д1, АК2, АК4,

АМгб;• жаропрочные, обладающие высокой длительной прочностью

и низкой ползучестью при повышенных температурах: Д16, АК2,АК4, ВАД23.

Некоторые деформируемые алюминиевые сплавы по прочност-ным характеристикам могут одновременно относиться к разнымгруппам, например АК2, АК4 и др.

Деформируемые алюминиевые сплавы в отличие от литейныхсодержат меньший процент легирующих компонентов и, как пра-вило, имеют структуру твердого раствора на основе алюминия снекоторым количеством избыточных фаз. В этих сплавах по два-три и более легирующих компонента с содержанием 0,2...0,4%каждого. Исключение составляет лишь сплав АМц (1,0... 1,6% Мп),отличающийся высокой прочностью и коррозионной стойкостью,пластичностью, хорошей свариваемостью. Сплав применяют дляизготовления сварных резервуаров для жидкостей и газов, трубо-проводов и других изделий. Для аналогичных, но более ответствен-ных конструкций используют сплавы алюминия с магнием (АМг).Механические свойства их выше, чем у сплава АМц.

Из сплава АВ изготовляют листы, трубы и штампованные по-ковки. Сплав сочетает высокую пластичность, удовлетворитель-ную коррозионную стойкость, умеренную прочность в термооб-работанном состоянии и хорошую свариваемость.

Наибольшее применение в различных отраслях машинострое-ния получили сплавы системы А1— Си — Mg (дуралюмины). Этисплавы по прочностным свойствам превосходят сплавы АМц, АМг

10

и дВ, например, предел прочности сплава Д16 достигает 460 МПа.Недостаток дуралюминов — пониженная коррозионная стойкостьи плохая свариваемость.

Еше более высокими прочностными свойствами обладают спла-вы системы А1 — Zn — Mg —Сu (например, сплав В95), которыеиспользуют для изготовления тяжелонагруженных элементов кон-струкций.

К сплавам специального назначения относят ковочные сплавыАК2, АК4, АК.6 и др. Некоторые из них (например, сплав АК4)используют для изготовления деталей конструкций, работающихпри повышенных температурах (например, поршней).

Деформируемые алюминиевые сплавы делятся на упрочняе-мые и неупрочняемые термической обработкой. Большинство ихподвергаются упрочняющей термической обработке.

К деформируемым алюминиевым сплавам, не упрочняемымтермической обработкой, относятся сплавы системы А1 —Mg —Мn (АМгб и др.), содержащие до 6,8% Mg и до 1,6% Мп. Этисплавы обладают средней прочностью, хорошей пластичностью исвариваемостью. Они применяются в судо- и авиастроении, в про-изводстве сварных емкостей, холодильников и др.

К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым тер-мической обработкой, относятся сплавы системы А1 — Си —Mg:дуралюмины (Д16 и др.), ковочные сплавы (АК6 и др.), а такжевысокопрочные и жаропрочные сплавы сложного химическогосостава. Достоинством дуралюминов является их высокая удель-ная прочность, благодаря чему они относятся к числу наиболеешироко применяемых материалов в авиационной и космическойтехнике. Дуралюмины содержат 3,8...4,9% Си, до 1,8% Mg, aтакже 0,3... 0,9 % Мп, последний из которых повышает корро-зионную стойкость сплавов. После термической обработки этисплавы приобретают высокие прочностные и пластические свой-ства. Ковочные сплавы содержат 1,8...2,6% Си, 0,4...0,8% Mg,0,4...0,8 % Мn, 0,7... 1,2 % Si. Они хорошо деформируются в на-гретом состоянии и обладают высокой прочностью после термо-обработки.

Медь — металл красного цвета с плотностью 8 940 кг/м3 и тем-пературой плавления 1 083 °С. Чистая медь обладает высокой элек-трической проводимостью (на втором месте после серебра), пла-стичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде,а также в ряде химически активных средах. Медь принято считатьэталоном электрической проводимости и теплопроводности поотношению к другим металлам. Характеристики этих свойств уалюминия, магния и железа составляют соответственно 60; 40 и17 % от свойств меди.

Механические свойства меди в горячедеформированном состо-янии: = 250 МПа, = 95 МПа, = 50 %. Из-за низких значе-

11

ний предела текучести и высокой стоимости чистая медь как кон-струкционный материал не применяется. Около половины произ-водимой меди используется в электро- и радиотехнике.

Электрическая проводимость меди зависит от содержания в нейпримесей. При наличии даже небольшого количества примесейпроводимость меди резко падает. Для проводов применяют элект-ротехническую медь марок МО, содержащую 99,97% Си, Ml(99,9% Си), М2 (99,7% Си), МЗ (99,5% Си) и М4 (99,0% Си).

Для повышения прочности электрических проводов, напри-мер трамвайных или троллейбусных, их дополнительно легируюткадмием в количестве около 1 %. При этом электрическая прово- |димость уменьшается на 10 %, но прочность увеличивается почти цв 2 раза. s

Медь имеет удовлетворительную технологичность, хорошо де- •формируется, сваривается и паяется. Ее недостатком является срав-нительно плохая обрабатываемость резанием.

Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, ис-пользуемыми в технике низких температур. Их применение обу-словлено высокими характеристиками механических свойств принизких температурах и высокой теплопроводностью.

Вредными примесями, снижающими механические и техноло-гические свойства меди и ее сплавов, являются висмут, свинец,сера и кислород. Сера повышает хрупкость меди и ее сплавов, ависмут и свинец способствуют росту их красноломкости и ухуд-шению способности к горячему деформированию. Особо вреднойпримесью является кислород, при определенных условиях спо-собствующий образованию трещин.

Сплавы на основе меди устойчивы против коррозии, обладаютхорошими антифрикционными, технологическими и механичес-кими свойствами, широко используются в качестве конструкци-онных материалов.

Для получения деформируемых полуфабрикатов используютразличные медные сплавы, которые по химическому составу можноподразделить на четыре группы сплавов:

I — оловянные бронзы (ГОСТ 5017-74): БрОФб,5-0,4 (6,5%Sn, 0,4% Р) и др.;

II - безоловянные бронзы (ГОСТ 493-79): БрА5 (5% А1);БрАЖ9-4 (9% А1, 4% Fe); БрХ0,5 (0,5% Сг) и др.;

III - латуни (ГОСТ 15527-70): Л96 (96 % Си), Л68 (68 % Си),ЛС59-1 (59% Си, 1% РЬ), ЛА77-2 (77% Си, 2% А1), ЛАН59-3-2(59% Си, 3% А1, 2% Ni, остальное цинк) и др.;

IV — медно-никелевые сплавы (ГОСТ 492 — 73): МН19, в ко-тором 19% (Ni + Co); МНЦ15-20, в котором 15% (Ni + Co), 20%Zn.

Бронзами называют сплавы меди с оловом (4...33 % Sn), свин-цом (27... 31 % РЬ), алюминием (5... 11 % А1), кремнием (4...5 % Si),

12

бериллием, сурьмой и другими элементами. Бронзы называютпо основным легирующим элементам: оловянные, алюминиевые,бериллиевые, кремнистые и др. Широкое применение в промыш-ленности находят оловянные бронзы для изготовления водянойи паровой аппаратуры, подшипников, зубчатых колес, пружини др.

Прибавление к меди олова изменяет цвет бронзы. При содержа-нии в ней олова около 5 % она имеет желтый цвет, при 10... 12 % —оранжевый, а начиная с 28 % — белый. Бронза характеризуетсявысокой стойкостью против истирания, поэтому она считаетсяодним из лучших антифрикционных сплавов.

Самыми распространенными из безоловянных бронз являютсяалюминиевые бронзы, превосходящие оловянные по механичес-ким свойствам. Детали из кремнистых бронз отличаются болеевысокой коррозионной стойкостью, механическими свойствамии плотностью. Бериллиевые бронзы характеризуются высокой проч-ностью и упругостью, химической стойкостью, свариваемостьюи обрабатываемостью резанием. Свинцовые бронзы являются хо-рошими антифрикционными материалами и применяются дляизготовления подшипников скольжения.

Как правило, в марках медных деформируемых сплавов внача-ле (после букв, обозначающих принадлежность к бронзам Бр)указываются буквенные обозначения основных легирующих ком-понентов, а затем их содержание. Например, БрОЦ4-3 — бронза,содержащая 4 % Sn и 3 % Zn.

В качестве примера можно привести механические свойстванекоторых бронз: БрА7 ( = 420 МПа и после отжига около70%); БрАЖН10-4-4 ( - 650 МПа и = 40%). Из этих бронзизготовляют мелкие ответственные детали машин и механизмов.

Латунями называют медные сплавы, в которых основным ле-гирующим элементом является цинк. В марках латуней после бук-вы Л (латунь) указывается буквенное обозначение основных ле-гирующих элементов, затем следуют цифры, первые из которыхуказывает на содержание в сплаве меди. Например, в латуни мар-ки Л90 содержание меди составляет 90 %, остальное — цинк.

Для повышения механических свойств и химической стойко-сти латуней в их состав часто вводят легирующие элементы: алю-миний, марганец, кремний и др. Марганец и алюминий увеличи-вают прочность и коррозионную стойкость, кремний повышаеттвердость и прочность.

Большинство латуней хорошо обрабатываются давлением (по-лучают листы, ленту, проволоку, трубы и т.д.). Однако в интерва-ле температур 300... 700 °С существует зона хрупкости, поэтому притаких температурах латуни не подвергают деформированию.

Латунь, содержащая примерно 15 % Zn, имеет золотистый цвет,достаточно стойка против атмосферной коррозии и используется

13

для изготовления художественных изделий. При добавлении к ла-туни олова (до 1,5%) она приобретает стойкость против корро-зии в морской воде.

При содержании цинка более 20% латунь склонна к коррози-онному растрескиванию, для предотвращения которого она под-вергается отжигу (25О...ЗОО°С).

Механические свойства латуни зависят от содержания в нейцинка: с увеличением процентного содержания предел прочно-сти при растяжении возрастает и становится максимальным при30... 32 % Zn, затем снижается. Твердость латуни по мере увеличе-ния содержания цинка сначала увеличивается незначительно, апри содержании Zn более 40...45 % — резко повышается.

Латуни с повышенным содержанием цинка дешевле, облада-ют высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, ноимеют пониженные коррозионные свойства. Поэтому если усло-вия работы изделия не связаны с коррозионной средой, то следу-ет отдавать предпочтение латуням марок Л62; Л68; ЛС59-1. Еслитребования по коррозионной стойкости жесткие, то необходимовыбирать латуни с повышенным содержанием меди (например,Л96 и др.).

Механические свойства двойных латуней находятся в преде-лах: = 450...600 МПа и = 2...5 % (нагартованное состояние);

= 240...380 МПа и = 5...44% (после отжига). Специальныедеформируемые многокомпонентные латуни обладают почти та-кими же механическими свойствами.

Многие из деформируемых медных сплавов имеют однофаз-ную структуру и обладают высокой пластичностью в горячем ихолодном состоянии. Некоторые из них (алюминиевые бронзы,оловянные бронзы и сложнолегированные латуни) по составублизки к литейным сплавам на основе меди. Области примене-ния их практически те же, что и литейных сплавов (см. подразд.1.3.3).

Особую группу составляют медно-никелевые сплавы, нашед-шие широкое применение для изготовления посуды (мельхиор,нейзильбер), проволоки для термопар (константан, копель) идругих целей. Эти сплавы, наравне с высокими электрическими итермоэлектрическими свойствами, обладают значительной кор-розионной стойкостью при работе в агрессивных средах.

В марках медно-никелевых деформируемых сплавов (как и вбронзах) после буквы М указываются буквенные обозначенияосновных легирующих элементов, а затем их содержание.

Магний — легкий металл серебристо-белого цвета с плотно-стью 1 740 кг/м3 и температурой плавления 651 °С. Магний хими-чески активный металл; на воздухе окисляется с образованиемоксидной пленки MgO, не обладающей защитными свойствами,и при нагреве легко воспламеняется. К достоинствам магниевых

14

сплавов относятся их невысокая плотность, хорошая обрабатыва-емость резанием и свариваемость.

Деформируемые магниевые сплавы используют для полученияполуфабрикатов путем пластической деформации (прокатка, ков-ка, штамповка и т.д.) и маркируют буквами МА. Они содержат до2 % Мп, до 5 % А1, десятые доли процента церия, например спла-вы МА2 и МА8, не упрочняемые термической обработкой. Высо-копрочные магниевые сплавы содержат до 9 % А1 и 0,5 % Мп (сплавМА5). Жаропрочные сплавы содержат добавки циркония, никеляи др.

Согласно ГОСТ 14957 — 76 для изготовления листов, поковок,прутков и полос в промышленности применяют пять групп маг-ниевых сплавов на основе различных систем (табл. 1.2).

Деформируемые магниевые сплавы по химическому и фазово-му составу совпадают с литейными, но отличаются меньшимидопусками по содержанию примесей.

Сплавы I группы имеют хорошую коррозионную стойкость ивысокую пластичность в горячем состоянии, удовлетворительнуюсвариваемость. Их механические свойства: = 240...260 МПа, == 5... 12 %. Они применяются в отожженном или нагартованном со-стоянии для изготовления изделий, не несущих высоких нагрузок.

Основную группу составляют сплавы системы Mg—Al — Zn(II группа) с добавками марганца. В зависимости от содержанияалюминия они имеют различный уровень механических свойств:

= 260...310 МПа, = 8...12%.Сплавы III группы характеризуются высокой прочностью (на-

пример, сплав МА14 имеет = 350 МПа, = 14%), обладаютхорошей пластичностью в горячем состоянии и удовлетворитель-ной коррозионной стойкостью. Эти сплавы применяют для изго-товления средненагруженных деталей.

Сплавы IV группы обладают высокими жаропрочными свой-ствами. Сплавы с церием работают при температуре до 200 "С, а снеодимом — при 200... 300 °С, при этом свойства последнего сплава

15

Т а б л и ц а 1.2

Номер гр. Система сплава Марки сплавас п л а ва

1 Mg—Mn MAI, MA8, МА8пчидр.

II Mg—Al—Zn MA2, МА2-1, МА5 и др.

Ill Mg—Zn—Zr MA14, МА15идр.

IV M g - P 3 M - M n МАП, МА12, МА17идр.

V Mg-Li MA18, MA21 и др.

при комнатной температуре соответствуют = 280 МПа, = 10 %(сплав МА12).

Самыми легкими конструкционными материалами являютсясплавы магния с литием (V группа). Их плотность составляет1 300... 1 500 кг/м3. Некоторые из них могут обрабатываться давле-нием не только в горячем, но и в холодном состоянии. Они хоро-шо свариваются и имеют удовлетворительную коррозионную стой-кость.

По структуре в литом состоянии деформируемые магниевыесплавы близки к соответствующим литейным сплавам. Горячая об-работка магниевых сплавов давлением проводится при 300...400 "С,рекристаллизационный отжиг — при 300...350"С. Большинствосплавов подвергают термической обработке.

Титан — металл серебристо-белого цвета с плотностью 4 500 кг/м3

и температурой плавления (в зависимости от степени чистоты)(1 665 ± 5) "С. Механические свойства чистого титана: = 250 МПа,

= 70 %. Титан — легкий, прочный, тугоплавкий металл; обладаетповышенной коррозионной стойкостью по сравнению с корро-зионно-стойкими сталями благодаря появлению на его поверхно-сти стойкой пассивирующей пленки TiO2. Поэтому титан и его спла-вы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, а такжев кислотах органического происхождения. Удельная прочность ти-тана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей.

Механические свойства титана главным образом определяютсяего составом: чем он чище (меньше примесей), тем ниже его проч-ность и выше пластичность. Воздействие примесей на титан раз-нообразно. Наличие азота, кислорода и водорода снижает плас-тичность, углерода — ковкость и обрабатываемость резанием, уг-лерода и кислорода — коррозионную стойкость.

Титан легко обрабатывается давлением в холодном и горячемсостоянии, хорошо сваривается, но обработка его резанием за-труднена. Это связано с тем, что для титана и его сплавов харак-терно повышенное налипание на режущий инструмент, что в со-четании с низкой теплопроводностью титана затрудняет процессего механической обработки.

Для получения сплавов с заданными свойствами титан наиболеечасто легируют алюминием, молибденом и другими элементами(ГОСТ 19807 — 74). Наибольшее применение нашли сплавы с до-бавками алюминия, который повышает их прочность и жаропроч-ность. Например, сплав ВТ5 (до 5 % А1) имеет = 700... 900 МПаи =10...12%.

Для получения требуемых механических свойств титановыесплавы термически обрабатывают (отжиг, закалка и старение) впечах с защитной атмосферой.

Титан и его сплавы широко используют для изготовления де-талей в авиационной и химической промышленности, в ракето-

16

строении, судостроении и других областях, где требуется сочета-ние небольшой массы с высокой прочностью, коррозионной стой-костью и жаропрочностью до 500...600 "С. Благодаря пластично-сти и вязкости при низких температурах титановые сплавы такжешироко применяются в холодильной и криогенной технике.

1.3. Литейные сплавы

1.3.1. Чугуны

Технологичность литейных сплавов определяется совокупно-стью характеристик, отражающих склонность сплавов к образова-нию тех или иных дефектов в отливках, а также однородностьюсостава сплава и определенным кристаллическим строением от-ливки.

Литейными свойствами сплавов называются технологическиехарактеристики, которые непосредственно влияют на качествоотливок. Эти свойства определяют возможность при регламенти-руемых параметрах получать бездефектные отливки различнымиспособами литья с заданной конфигурацией, необходимыми точ-ностью размеров и шероховатостью поверхности.

Литейные сплавы (в отличие от деформируемых) должны об-ладать комплексом литейных свойств:

• хорошей жидкотекучестью (особенно при изготовлении тон-костенных отливок);

• небольшой объемной усадкой в жидком состоянии (особеннопри изготовлении массивных отливок);

• малой линейной усадкой при затвердевании и в твердом со-стоянии (особенно для отливок с затрудненной усадкой, склон-ных к образованию трещин);

• минимальной ликвацией;• малой склонностью к растворению газов.Отливки изготовляются из сплавов на основе железа (чугуны,

стали), цветных и тугоплавких металлов. Рассмотрим сплавы, на-шедшие наибольшее применение для производства отливок.

Конструкционные чугуны подразделяют на серые (с пластин-чатым графитом), высокопрочные (с шаровидным графитом), с

. вермикулярным графитом и ковкие (с компактным графитом).Особое место занимают чугуны со специальными свойствами:антифрикционные, фрикционные, износостойкие, коррозионно-стойкие и т.п.

Серый чугун (чугун с пластинчатым графитом) является са-мым дешевым из литейных сплавов. Его механические свойствазависят от величины зерна металлической основы, размеров ихарактера распределения включений графита, а также от соотно-

17

шения между общим, связанным и свободным углеродом (графи-том). В обычном сером чугуне графит имеет форму пластинок,которые расчленяют металлическую матрицу и действуют в нейкак внутренние трещины. Поэтому серый чугун с пластинчатымграфитом обладает низкой прочностью и малой пластичностью.Наличие включений графита в чугуне придает ему меньшую чув-ствительность к внешним надрезам. Вследствие этого конструкци-онная прочность чугунной отливки при наличии в ней острыхуглов, резких переходов, неметаллических включений, неболь-ших газовых раковин и пор снижается незначительно.

Серый чугун обладает релаксационными свойствами, харак-теризующими способность материала необратимо рассеивать виб-рационные колебания при переменных нагрузках. Это свойствоназывают демпфирующей способностью (циклическая вязкость). Бла-годаря высокой демпфирующей способности серый чугун явля-ется хорошим конструкционным материалом. Это свойство чугу-нов широко используется в литых станинах станков и других не-сущих конструкциях, гасящих вибрацию. Отдельные марки серо-го чугуна обладают достаточно высокой прочностью и износо-стойкостью.

В ГОСТ 1412 — 85 «Чугун с пластинчатым графитом для отли-вок» указаны марки, химический состав, физические и механи-ческие свойства серого чугуна. Для изготовления отливок преду-сматриваются следующие марки чугуна: СЧ10*; СЧ15; СЧ20; СЧ25;СЧЗО и СЧ35. По требованию заказчика для изготовления отливокдопускаются марки чугуна СЧ18; СЧ21 и СЧ24. Условное обозна-чение марки включает в себя буквы С — серый Ч — чугун. Послебукв следует число, означающее предел прочности при растяже-нии

Пример условного обозначения одной из марок серого чугуна:СЧ20 ГОСТ 1412-85.

В приложении 1 к ГОСТ 1412 — 85 приведены ориентировоч-ные сведения о временном сопротивлении и твердости в стенкахотливки различного сечения. Следует отметить, что значения ,указанные в марке чугуна, относятся к отливке с толщиной стен-ки 15 мм. Чем меньше толщина стенки отливки, тем больше зна-чение

Литые детали из серого чугуна могут работать только на сжатиеи изгиб, так как серый чугун с пластинчатым графитом имееточень низкую пластичность. Разрушение образца при испытаниина растяжение происходит практически при деформации 0,5... 1 %.В связи с этим приблизительная оценка пластических свойств се-

* Цифра 10 в марке чугуна означает, что = 10 кгс/мм2 или 100 МПа. Ана-логично расшифровываются и другие цифры.

18-

рого чугуна осуществляется по величине стрелы прогиба образца(при испытании на изгиб).

Серые чугуны находят широкое применение в автомобилест-роении, сельскохозяйственном машиностроении, станкостроении,химическом машиностроении и других отраслях.

При производстве чугунов марок СЧ25; СЧЗО и СЧ35 исполь-зуют модифицирование, легирование и термообработку.

Модификаторы серого чугуна делятся на две группы: графити-зирующие и стабилизирующие цементит. Первые способствуютразвитию процесса графитизации при эвтектическом превраще-нии путем образования дополнительных центров кристаллизацииграфита и, как следствие, приводят к измельчению графитовыхвключений и повышению механических свойств. В качестве гра-фитизирующих модификаторов используют ферросилиций ФС75Л,комплексные сплавы на основе кремния, сплавы, содержащиекальций, магний, стронций, цирконий, барий, редкоземельныеметаллы (РЗМ), марганец, а также модифицирующие смеси изсиликокальция, графита, ферросилиция и других компонентов.

Модификаторы, стабилизирующие цементит, как правило, невлияют на процесс графитизации чугуна. Они применяются длясохранения эвтектоидной фазы после эвтектоидного превраще-ния, в результате чего содержание перлита в структуре чугуна уве-личивается, что обеспечивает рост прочностных свойств отливок.В качестве перлитизирующих добавок к серому чугуну наиболеечасто используют олово и сурьму (до 0,1 %).

Высокопрочный чугун (чугун с шаровидным графитом) в ли-том состоянии получают модифицированием расплава магнием,церием или РЗМ.

Наибольшее практическое применение получил магний в ко-личестве 0,03...0,05 % (по массе). В результате модифицирования вчугуне образуется графит шаровидной формы, который повыша-ет его прочность и пластичность. Получение шаровидной формыграфита в высокопрочном чугуне практически не ограничиваетсятолщиной стенки и массой отливки. Из высокопрочного чугунаизготовляют отливки с высокой прочностью и со стенками боль-шой толщины (коленчатые валы, зубчатые колеса, детали турбини др.).

В ГОСТ 7293 — 85 «Чугун с шаровидным графитом для отли-вок» указаны марки чугуна, определяемые на основе его механи-ческих свойств. Матрица, как и в чугунах других типов, можетбыть ферритной, перлитоферритной и перлитной. В последнемслучае достигаются наиболее высокие прочностные свойства чу-гуна за счет некоторого снижения его пластичности.

Для изготовления отливок используется чугун следующих ма-рок: ВЧ 35; ВЧ 40; ВЧ 45; ВЧ 50; ВЧ 60; ВЧ 70; ВЧ 80 и ВЧ 100.Условное обозначение марки чугуна включает в себя буквы ВЧ —

19

высокопрочный чугун и цифровое обозначение минимального зна-чения временного сопротивления

Пример обозначения одной из марок чугуна: ВЧ 50 ГОСТ 7293 —85. Условный предел текучести этого чугуна должен быть неменее 320 МПа, относительное удлинение — не менее 7%, атвердость по Бринеллю — 153... 245 НВ, но эти показатели свойствв марке чугуна не указываются.

По некоторым важнейшим прочностным характеристикам вы-сокопрочный чугун превосходит углеродистую сталь. Ряд высоко-прочных чугунов имеет высокую износостойкость, хорошую со-противляемость окислению, хорошие антифрикционные свойстваи обладает, как это вообще свойственно чугуну, хорошими демп-фирующими свойствами. Наряду с этим следует отметить, чтовысокопрочный чугун унаследовал также лучшие технологичес-кие, в том числе и литейные, свойства серого чугуна. И, что не-маловажно, высокопрочный чугун сохраняет свои механическиесвойства до температуры нагрева 450...500"С. Все это позволяетотнести его к числу материалов, обладающих уникальным комп-лексом физико-механических и служебных свойств, что обеспе-чивает его широкое использование в различных отраслях совре-менной техники.

Наибольшее применение высокопрочный чугун находит в тя-желом и энергетическом машиностроении. Эти отрасли охватыва-ют производство очень сложного, обладающего большой единич-ной мощностью оборудования: прокатного и кузнечно-прессово-го, горно-рудного и дробильно-размольного, а также производ-ство дизелей, паровых, газовых и гидравлических турбин и т.д.Детали прокатных станов испытывают в процессе эксплуатациибольшие статические и динамические нагрузки, поэтому матери-ал, из которого они изготовлены, должен иметь высокие значе-ния предела выносливости, предела прочности при растяжении иизгибе.

Многие детали дробильно-размольного оборудования, изготов-ленные из высокопрочного чугуна, наряду с высокой прочно-стью обладают также значительным сопротивлением абразивномуизносу.

К деталям паро-, газо- и гидротурбин предъявляются повы-шенные требования по длительной прочности, коррозионной стой-кости, сопротивлению ползучести, кавитационной стойкости. Всемэтим требованиям удовлетворяет высокопрочный чугун. Наиболь-шее распространение в указанных отраслях машиностроения по-лучили чугуны марок ВЧ 45 и ВЧ 50.

Чугуны марок ВЧ 35; ВЧ 40 и ВЧ 45 с преобладанием ферритав структуре металлической матрицы получают графитизирующимотжигом для разложения структуры свободного и эвтектоидногоцементита. Высокопрочные чугуны более высоких марок (ВЧ 50,

20

ВЧ 60 и выше) с преобладанием перлита в структуре металличе-ской матрицы получают как в литом состоянии, так и после тер-мической обработки (графитизирующего отжига или нормализа-ции).

Чугун с вермикулярным графитом занимает промежуточное по-ложение между чугунами с пластинчатым и шаровидным графи-том и сочетает в себе хорошие литейные свойства с достаточновысокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Плас-тинки графита в этом чугуне завихрены, укорочены, притупленына кромках и имеют вермикулярный (червеобразный) вид. Обра-зование вермикулярного графита происходит при недостаточномсодержании модификатора для полной сфероидизации включе-ний графита.

В ГОСТ 28394 — 89 «Чугун с вермикулярным графитом для от-ливок» указаны марки чугуна, имеющего в структуре графит вер-микулярной формы с количеством шаровидного графита до 40 %.

Для изготовления отливок применяются чугуны следующихмарок: ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40 и ЧВГ 45. Усло'вное обозначениемарки включает: букву Ч — чугун; буквы ВГ — форма графита(вермикулярный графит) и цифровое обозначение минимально-го значения временного сопротивления

Пример условного обозначения одной из марок чугуна: ЧВГ 30ГОСТ 28394-89.

В ГОСТ 28394 — 89 кроме предела прочности при растяжениипредусмотрены значения условного предела текучести <з02, от-

носительного удлинения и твердости НВ. Детали из чугуна свермикулярным графитом могут работать на сжатие, изгиб и рас-тяжение (но в последнем случае ограниченно).

Чугун с вермикулярным графитом преимущественно исполь-зуют там, где требуется сочетание высоких прочности, удельнойтеплопроводности и хороших характеристик обрабатываемости. Онможет широко применяться взамен серого чугуна для деталей от-ветственного назначения. В этом случае достигается не только су-щественное (на 30...40%) снижение металлоемкости изделий,но одновременно повышается и их эксплуатационная надежность.Зарубежный опыт ориентирует на использование чугуна с вер-микулярным графитом для изготовления крупногабаритных ба-зовых деталей тяжелых станков и кузнечно-прессового оборудо-вания.

Сочетание высоких показателей механических свойств и повы-шенной теплопроводности делает этот материал перспективнымдля применения в деталях, работающих при значительных пере-падах температур и испытывающих большие термоциклическиенагрузки.

В некоторых случаях целесообразнее применять чугун с верми-кулярным графитом взамен высокопрочного чугуна, в особенно-

21

сти при изготовлении сложных малотехнологичных деталей, вкоторых при использовании высокопрочного чугуна невозможнопредотвратить образование усадочных дефектов.

Применение ферритно-перлитного и перлитного чугунов с вер-микулярным графитом позволяет значительно снизить опасностьобразования задиров по сравнению с высокопрочным чугуном,так как шаровидный графит легко выкрашивается из механиче-ски обработанной поверхности, образуя лунки, в которых хотяи собирается дополнительная смазка, но при этом лунки раз-рушаются по кромкам и вызывают заедание трущихся поверхно-стей.

Рационально использовать чугун с вермикулярным графитом вдизелестроении (для изготовления корпусов блоков цилиндров идеталей поршневой группы, которые в процессе эксплуатациииспытывают одновременно воздействие тепловой и динамичес-кой нагрузок), а также в металлургическом машиностроении идругих отраслях промышленности.

В машиностроении зарубежных стран освоена широкая номен-клатура литых деталей из чугуна с вермикулярным графитом: мас-лопроводы для тракторов (масса деталей 0,4...0,6 кг), опорныедетали головки блока цилиндров тяжелых грузовиков (масса де-талей 0,7...2 кг), крепежные детали рам грузовиков (1... 1,5 кг),тормозные рычаги тракторов (1,2 кг), монтажные кронштейныбалластных грузов тракторов (5,7 кг), соединительные фланцы(11,2 кг), разнообразные крышки коробок передач и многие дру-гие детали. Если в 1970-е гг. для литья выпускных коллекторов при-меняли серый чугун марки СЧ20, то с 1990-х гг. в основном при-меняют чугун с вермикулярным графитом и высокопрочный чу-гун, легированные кремнием (3,5... 5 %) и молибденом (0,5... 1,5 %).

Толщина стенок отливок из чугуна с вермикулярным графи-том составляет 4...50 мм. Для гарантированного и стабильного ка-чества они подвергаются термической обработке: отжиг при 900 °Св течение 3 ч, охлаждение с печью до 550 °С, затем охлаждение навоздухе.

Ковкий чугун (с компактным графитом). Ковким чугуном назы-вается чугун, который получают путем длительного отжига отли-вок из белого чугуна. При отжиге чугуна цементит Fe3C разлагает-ся, образуя железо и углерод отжига (графит), имеющий хлопье-видную или компактную форму. При такой форме графита чугунобладает повышенной прочностью, удовлетворительными плас-тичностью и сопротивлением ударным нагрузкам.

В ГОСТ 1215—79 «Чугун ковкий для отливок» указаны маркичугуна. Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и двумя числами,первое из которых обозначает предел прочности при растяжении

, а второе — относительное удлинение в процентах. Напри-мер, КЧ 33-8 ГОСТ 1215-79.

22

По своим свойствам ковкий чугун занимает промежуточноеположение между серым чугуном и сталью, выгодно отличаясь отстали лучшими литейными свойствами, а от серого чугуна — бо-лее высокой вязкостью и пластичностью. Последнее обстоятель-ство послужило причиной появления названия «ковкий», хотяникаким процессам ковки этот чугун не подвергается. По сравне-нию с углеродистой сталью ковкий чугун характеризуется повы-шенной жидкотекучестью, демпфирующей способностью и боль-шей износостойкостью. Ковкий чугун имеет достаточно высокиеантикоррозионные свойства и хорошо работает в среде влажноговоздуха, топочных газов и воды.

Ковкий чугун широко применяется в автомобилестроении, сель-скохозяйственном и тракторном машиностроении преимуществен-но для отливок с толщиной стенки 5... 10 мм, что вызвано необ-ходимостью получения полного отбела по всему сечению отливки.При большей толщине стенки в процессе отжига образуется ипластинчатый графит.

Из ковкого чугуна изготовляют мелкие и средние фасонныеотливки ответственного назначения, работающие в условиях ди-намических знакопеременных нагрузок (детали приводных меха-низмов, коробок передач, детали шасси, коллекторы, фитинги,рычаги и т.п.).

В последние годы ковкий чугун вытесняется высокопрочнымчугуном, так как цикл изготовления отливок из высокопрочногочугуна намного короче, чем из ковкого чугуна (из-за длительно-сти графитизирующего отжига).

Антифрикционный чугун по ГОСТ 1585 — 85 «Чугун антифрик-ционный для отливок» предусматривает следующие марки серыхчугунов:

АЧС-1 — перлитный серый чугун, легированный кремнием имедью;

АЧС-2 — то же, но дополнительно легированный никелем ититаном;

АЧС-3 — перлитно-ферритный серый чугун, легированныйтитаном и медью;

АЧС-4 — перлитный серый чугун, легированный сурьмой;АЧС-5 — аустенитный серый чугун, легированный марганцем

и алюминием;АЧС-6 — пористый серый чугун, легированный свинцом и

фосфором.Первые буквы АЧ обозначают антифрикционный чугун, С — с

пластинчатым графитом (серый чугун), цифры — порядковыйномер чугуна.

Чугуны АЧВ-1 и АЧВ-2 — антифрикционные чугуны с шаровид-ным графитом (высокопрочные чугуны), а чугуны АЧК-1 и АЧК-2 —ковкие чугуны с компактным графитом (с углеродом отжига).

23

Легированные чугуны применяются в промышленности нарядус обычными конструкционными чугунами. В ряде случаев по усло-виям эксплуатации чугунные отливки должны обладать не толькоопределенными механическими, но и специальными свойства-ми — жаропрочностью, жаростойкостью, износостойкостью и т.д.В этом случае для изготовления отливок применяют специальныечугуны. Состав, свойства и назначение легированных чугунов рег-ламентируются ГОСТ 7769 — 82.

1.3.2. Литейные стали

В ГОСТ 977 — 88 «Отливки стальные» предусмотрены следую-щие группы литейных сталей:

I группа — конструкционные нелегированные: 15Л —60Л;II группа — конструкционные легированные: 20ГЛ; 20ГСЛ;

ЗОХГСФЛ; 12ДХН1МФЛ и др.;III группа — легированные со специальными свойствами:

• мартенситного класса: 20Х13Л; 10Х12НДЛ (коррозионно-стойкие); 20Х5МЛ; 40Х9С2Л (жаростойкие); 20Х12ВНМФЛ(жаропрочная); 85Х4М5Ф2В6Л (Р6М5Л) — быстрорежу-щая;

. мартенситно-ферритного класса: 15Х13Л (коррозионно-стойкая);

• ферритного класса: 15Х25ТЛ (коррозионно-стойкая);• аустенитно-мартенситного класса: 08Х15Н4ДМЛ (корро-

зионно-стойкая);• аустенитно-ферритного класса: 10Х18НЗГЗД2Л (коррози-

онно-стойкая); 20Х20Н14С2Л (жаростойкая);• аустенитного класса: 10X18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ (коррозион-

но-стойкие); 110Г13Л (износостойкая).Буква Л в конце марки сталей обозначает способ ее получе-

ния — литейная.Примеры условного обозначения сталей для отливок: 25Л ГОСТ

977-88; 23ХГС2МФЛ ГОСТ 977-88.Примеры условного обозначения сталей для отливок, пред-

назначенных для изделий, подлежащих приемке заказчика: 25ЛК20 ГОСТ 977-88; 23ХГС2МФЛ КТ110 ГОСТ 977-88. ИндексыК и КТ являются условными обозначениями категории прочнос-ти. Следующие за ними числа показывают значение требуемогопредела текучести . Индекс К присваивается материалу в ото-жженном, нормализованном или отпущенном состоянии; индексКТ — после закалки и отпуска.

В ГОСТ 21357 — 87 «Отливки из хладостойкой и износостойкойстали» приведены марки, химический состав, механические свой-ства и области применения хладостойких и износостойких ста-лей, предназначенных для изготовления литых деталей механиз-

24

мов и машин, работающих в условиях низких температур. В ука-занном ГОСТе приведены данные о 15 марках стали: 35МЛ, 20ГЛ,30ХМЛ, 40ХНЛ, 110ПЗМЛ, 10Х18Н9ТЛ и т.д. Маркировка этихсталей, например, следующая: сталь 20ГЛ ГОСТ 21357 — 87.

В отличие от ГОСТ 977 — 88 в ГОСТ 21357 — 87 регламентиро-вано меньшее содержание серы и фосфора во всех сталях: не бо-лее 0,020 % S и 0,020 % Р. Вследствие этого механические свойствауказанных сталей выше. Например, после нормализации и отпус-ка стали 20ГЛ ГОСТ 977 — 88 и стали 20ГЛ ГОСТ 21357 — 87 этисвойства соответственно следующие: не менее 540 и 600 МПа;

не менее 275 и 350 МПа; не менее 18 и 22 %; не менее 25 и30 %; KCU — 0,49 и 0,80 МДж/м2 (при температуре +20 °С). Крометого, хладостойкая сталь 20ГЛ имеет повышенное значение удар-ной вязкости KCU = 0,4 МДж/м2 (при температуре -20 °С).

Литейные свойства хладостойких сталей аналогичны литейнымсвойствам углеродистых и низколегированных сталей. Нет разли-чий и в технологии изготовления отливок. Особенности имеютместо только в технологии выплавки. Они заключаются в глубо-ком раскислении стали комплексными раскислителями (силико-кальцием и др.), модифицировании редкоземельными металламии микролегировании молибденом, а также в применении специ-альной термической обработки. При этом происходит частичнаядесульфурация, дефосфорация и дегазация стали, глобуляриза-ция неметаллических включений и значительное уменьшение ихсодержания. Молибден оказывает гомогенизирующее воздействиена фосфор, углерод и другие элементы, содержащиеся в стали.

1.3.3. Литейные сплавы цветных металлов

Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовлениядеталей машин и механизмов различными способами литья: впесчаные формы, под давлением, в кокиль и др. Выбор способалитья определяется главным образом конструктивными парамет-рами детали и характером производства. Благодаря низкой плот-ности, высокой удельной прочности, электро- и теплопровод-ности алюминиевые сплавы широко применяют в машинострое-нии, приборостроении, электротехнической промышленностии других отраслях для изготовления различных деталей прибо-ров, корпусов турбонасосных агрегатов и других мало- и средне-нагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок слож-ной формы.

В ГОСТ 1583 — 93 «Сплавы алюминиевые литейные» преду-смотрено использование в промышленности пяти групп литей-ных алюминиевых сплавов на основе различных систем (табл. 1.3).

В марках сплавов первая буква А означает, что сплав являетсяалюминиевым; последующие буквы обозначают основные леги-

! 25

Т а б л и ц а 1.3

Номер группы сплава

I

II

III

IV

V

Система сплава

A l - S i - M g

A l — S i - C u

A l - C u

Al—Mg

Al — прочиекомпоненты

Марки сплава

АК12(АЛ2); АК9ч (АЛ4);АК7ч(АЛ9) и др.

АК5М2; АК8МЗч (ВАЛ8);АК8М (АЛ32) и др.

АМ5(АЛ 19) и др.

АМгбл (АЛ23); АМгЮ(АЛ 2 7)

АЦ4Мг (АЛ24); АК7Ц9(АЛИ) и др.

рующие элементы, а цифра — содержание легирующего элемента.При этом буквы обозначают: К — кремний, М — медь, Мг —магний, Ц — цинк и др.

Наибольшее применение в промышленности находят сплавы Iи II групп. Сплавы I группы (силумины) широко используют вавиастроении, автомобилестроении, приборостроении, машино-строительной и электротехнической промышленности. По содер-жанию кремния (6... 13 %) все они, за исключением сплава АК12(АЛ2) в системе Al — Si, являются доэвтектическими. Они имеютузкий интервал кристаллизации и наряду со сплавом АК12 обла-дают хорошими литейными свойствами. При изготовлении тол-стостенных отливок литьем в кокиль и в песчаные формы сплавыI группы применяют только в модифицированном состоянии, таккак немодифицированные сплавы имеют низкие пластическиесвойства.

Сплавы II группы в качестве основных легирующих элементовсодержат кремний (4...22%) и медь (0,5...8%). Их широко при-меняют при изготовлении отливок с повышенной твердостью ипрочностью, сохраняющих постоянство размеров в процессе экс-плуатации и имеющих высокую чистоту обработанной поверхно-сти: корпуса приборов, автомобильные и тракторные поршни,детали авиационных двигателей воздушного охлаждения и др.

Сплавы на основе системы А1—Си (III группа) отличаютсявысокими механическими свойствами и низкой коррозионнойстойкостью. Их применяют для изготовления отливок, работа-ющих при достаточно высоких нагрузках (кронштейны, арматураи т. п.). В отличие от сплавов I группы они хорошо обрабатываютсярезанием.

Сплавы системы Al — Mg (IV группа) отличаются малой плот-ностью, высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Эти

26

сплавы имеют низкие литейные свойства и используются для из-готовления отливок, несущих большие вибрационные нагрузки.

Сплавы V группы относятся к системам Al — Si — Zn (АК7Ц9,АК9Цб) и Al— Zn — Mg (АЦ4Мг) и являются свариваемыми ли-тейными алюминиевыми сплавами.

В зависимости от состава сплава отливки подвергаются терми-ческой обработке по определенным режимам, указанным в ГОСТ1583 — 93. Режим термической обработки указывается буквой ицифрой: Т1 — искусственное старение без предварительной за-калки; Т2 — отжиг; Т4 — закалка; Т5 — закалка и кратковремен-ное (неполное) искусственное старение; Т6 — закалка и полноеискусственное старение; Т7 — закалка и стабилизирующий от-пуск; Т8 — закалка и смягчающий отпуск. В ГОСТ 1583 — 93 при-ведены также температурные и временные параметры термичес-кой обработки отливок.

Литейные медные сплавы. Медь в чистом виде как литейныйсплав применяют редко и для изготовления отливок используютразличные сплавы на ее основе.

Различают три основные группы литейных медных сплавов:бронзы оловянные (ГОСТ 613 — 79), бронзы безоловянные (ГОСТ493-79) и латуни (ГОСТ 17711-93).

Бронзы. Маркировка бронз следующая: буквы Бр — бронза, за-тем после каждой буквы, обозначающей тот или иной элемент,ставится цифра, указывающая на среднее содержание элемента всплаве. В конце марки некоторых безоловянных бронз стоит букваЛ, указывающая на то, что бронза является литейной (чтобы иметьотличие от маркировки деформируемых бронз).

Бронзы оловянные: БрО5Ц5С5 (4...6% Sn; 4...6% Zn; 4...6%Pb); БрОЮФ (9... 11 % Sn; 0,4... 1,1 % Р) и др. хорошо льются иодновременно обладают высокими механическими и эксплуата-ционными (коррозионными, антифрикционными) свойствами.Большое практическое значение имеют сплавы с содержанием Snдо 10%. Они находят применение при изготовлении арматуры,подшипников, шестерен, втулок и других деталей, работающих вусловиях истирания, повышенного давления воды и водяного пара.

Бронзы безоловянные: БрА9Ж4Л (9,5... 10,5 % А1; 3,5...5,5 % Fe);БрА9Мц2Л (8,0...9,5% А1; 1,5...2,0% Мп); БрА10Ж4Н4Л(9,5...11,0% А1; 3,5...5,5% Fe; 3,5...5,5% Ni); БрСЗО (27...31%Pb), БрСу7Н2Л (6,5... 7,5 % Sb; 1,5... 2,5 % Ni) и др. по механичес-ким, коррозионным и антифрикционным свойствам не уступаютоловянным, а некоторые и превосходят их. Наиболее широко при-меняют алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозион-ную стойкость в пресной и морской воде, хорошо противостоятразрушению в условиях кавитации, обладают меньшим, чем оло-вянные бронзы, износом при трении. Алюминиевые бронзы при-меняют при изготовлении гребных винтов крупных судов, тяже-

27

лонагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов идругих литых деталей. Механические, технологические и эксплуа-тационные свойства алюминиевых бронз улучшаются при легиро-вании их железом, марганцем, никелем и другими элементами.

Кроме алюминиевых, применяют свинцовые, сурьмяные, крем-нистые и другие бронзы. Так, свинцовая бронза БрСЗО обладаетнизким коэффициентом трения и высокой износостойкостью притрении в условиях больших удельных нагрузок и скоростей сколь-жения. Сурьмяная бронза БрСу7Н2Л имеет высокие антифрикци-онные свойства и дешевле оловянных бронз.

Латуни. В ГОСТ 17711 —93 «Сплавы медно-цинковые (латуни)литейные» указаны марки латуней, предназначенных для изго-товления отливок. Маркировка латуней: буква Л — латунь, букваЦ — цинк и его среднее содержание в латуни, затем другие эле-менты и их среднее содержание в латуни (после каждой буквы).

В ГОСТ 17711 —93 указаны следующие марки латуней: ЛЦ40С(латунь свинцовая), ЛЦ40Мц1,5 (латунь марганцевая), ЛЦ40МцЗЖ(латунь марганцово-железная), ЛЦ40МцЗА (латунь марганцово-алюминиевая), ЛЦ40Мц2С2 (латунь марганцово-свинцовая),ЛЦЗОАЗ (латунь алюминиевая), ЛЦ16К4 (латунь кремнистая) идр. Наибольшее распространение получили латуни ЛЦ40С — дляфасонного литья арматуры, втулок и сепараторов шариковых ироликовых подшипников и ЛЦ16К4 — для изготовления сложныхпо конфигурации деталей приборов и арматуры, работающих притемпературе до 250 °С и подвергающихся гидровоздушным нагруз-кам, а также для деталей, работающих в морской среде.

Свойства латуней зависят от содержания в них меди. Для лату-ней, содержащих медь на верхнем пределе допуска, характерныповышенные пластические свойства, а на нижнем пределе — вы-сокие прочностные свойства. Легирующие элементы: алюминий,марганец и железо действуют на структуру латуни так же, как ицинк, но со значительно большим эффектом. Варьируя концентра-ции меди и легирующих компонентов латуней в пределах ГОСТа,можно заметно изменять структуру и свойства литых заготовок.

Литейные магниевые сплавы. В ГОСТ 2856 — 79 «Сплавы магни-евые литейные» указаны марки сплавов для изготовления фасон-ных отливок. Для изготовления отливок в промышленности исполь-зуются три группы сплавов на основе различных систем (табл. 1.4).

Таблица 1.4

Номер группы сплава

I

II

III

Система сплава

M g - A l - Z n

Mg—Zn—Zr

Mg + P3M

Марки сплава

МЛЗ; МЛ4; МЛ5; МЛ6

МЛ8;МЛ12; МЛ15

МЛ9; МЛ10; МЛ11;МЛ19

Все сплавы I группы, за исключением сплава МЛЗ, относятсяк числу высокопрочных, предназначены для изготовления высо-конагруженных литых деталей, работающих в тяжелых атмосфер-ах условиях (большая влажность). Для повышения коррозион-ной стойкости в сплавы вводят 0,1-0,5% Мп, а для сниженияокисляемости - 0,001 ...0,002 % Be или 0,05...0,1 % Са. Основнымупрочнителем в них является алюминий, растворимость которогов магнии при эвтектической температуре составляет 17,4 %, а принормальной — 2,8 %. Цинк также упрочняет магний, но менееэффективно, чем алюминий.

Сплавы II группы также относятся к числу высокопрочных( = 200... 265 МПа), отличаются от других групп магниевых спла-вов повышенными механическими свойствами и хорошей обра-батываемостью резанием. Сплавы этой группы используют для из-готовления отливок, работающих при 200...250"С и высоких на-грузках.

Сплавы III группы обладают высокой жаропрочностью и хоро-шей коррозионной стойкостью, предназначены для длительнойработы при 250...350 °С и кратковременной работы при 400 °С. Этисплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметич-ность, малую склонность к образованию микрорыхлот и усадоч-ных трещин, высокие и однородные механические свойства в се-чениях различной толщины. Сплавы с редкоземельными элемен-тами применяют для изготовления отливок, работающих под воз-действием статических и усталостных нагрузок.

Однако для изготовления отливок чаще всего используют сплавыI группы МЛ5 и МЛ6, имеющие достаточно хорошие литейныесвойства.

Магниевые сплавы хорошо поглощают вибрацию, что оченьважно для их применения в авиастроении, автомобилестроении,машиностроении. Удельная вибрационная прочность магниевыхсплавов с учетом демпфирующей способности почти в 100 разбольше, чем у дуралюминов, и в 20 раз выше, чем у легирован-ных сталей. Благодаря малой плотности сплавы на основе магнияпо удельной прочности превосходят некоторые конструкционныестали, чугуны и алюминиевые сплавы. Однако эти сплавы облада-ют невысокой коррозионной стойкостью, для повышения кото-рой получаемые отливки защищают различными способами, в томчисле оксидируют, покрывают лаками и др.

Литейные титановые сплавы. Титан и его сплавы обладают за-мечательной совокупностью свойств, которые выгодно отличаютих от остальных сплавов. Во-первых, это высокая прочность прималой плотности. Во-вторых, титановые сплавы отличаются вы-сокой химической стойкостью при температуре 300...500°С. Вовлажном воздухе, морской воде и азотной кислоте они противо-стоят коррозии не хуже коррозионно-стойких сталей лучших ма-

2928

рок, а в соляной кислоте — во много раз лучше. Указанные свой-ства титановых сплавов определяют их широкое использование вавиационной, судостроительной, химической и других отрасляхпромышленности.

К недостаткам титановых сплавов относятся высокая химичес-кая активность при высоких температурах (особенно в жидкомсостоянии), что серьезно осложняет проведение технологическихопераций, при которых требуется нагрев сплава до высоких тем-ператур (плавка, литье, сварка и т.п.); плохая обрабатываемостьрезанием; более высокая стоимость получения титана по сравне-нию с производством стали, алюминия, магния и меди.

Среди литейных сплавов на основе титана можно выделить сле-дующие: ВТ1Л; ВТЗЛ; ВТ5Л; ВТ14Л; ВТ20Л. По составу они ана-логичны соответствующим деформируемым сплавам. Так, сплавВТЗЛ содержит4,3...6,2 % А1; ВТ14Л - 3,5...6,3 % А1; 0,9... 1,9 % V;2,5...3,8% Мо и т.д.

ГЛАВА 2

ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

2 . 1 . О б щ и е с в е д е н и я

Производство металлов и сплавов на их основе связано с ме-таллургией. Металлургия — наука о промышленных способах по-лучения металлов и сплавов, заключающихся в извлечении ме-таллов из природных соединений (руд) и дальнейшей их обработ-ке с целью придания полученному металлу определенной формыи необходимых свойств.

Производство сплавов на основе железа (чугун, сталь) и ихдальнейшую переработку (литье, прокатка и др.) производят назаводах черной металлургии. Сплавы остальных металлов, называ-емых цветными, получают и обрабатывают на предприятиях цвет-ной металлургии.

2 . 2 . П р о и з в о д с т в о ч у г у н а

2 . 2 . 1 . Исходные материалы для доменного производства

Чугун получают восстановлением из руд железа с последую-щим его насыщением углеродом и другими примесями. Произ-водство чугуна ведут в доменных печах шахтного типа. Поэтомупроцесс получения чугуна из руд называют доменным производ-ством.

Чугун является основным исходным материалом для получе-ния стали, на производство которой расходуется примерно80...85% от общего объема выпускаемого чугуна. Остальные15... 20 % чугуна используются в литейных цехах в качестве шихтыпри получении конструкционных чугунов.

Для выплавки чугуна в доменной печи требуются железная имарганцевая руды, содержащие соединения железа, марганца идругих элементов; топливо (кокс), служащее для получения теп-лоты, проведения восстановительных процессов и насыщения же-леза углеродом; флюсы, необходимые для образования жидкогошлака из пустой породы и золы кокса.

31

Успешное ведение процесса выплавки чугуна может бытьобеспечено при условии, если исходные материалы обладают оп-ределенными параметрами и хорошо подготовлены для плавки.

Руда — природное минеральное вещество, содержащее цен-ные металлы в таком количестве и такого качества, которые до-пускают экономически выгодное извлечение их в промышленноммасштабе. Руда обычно представляет собой механическую смеськакого-либо металла (чаще в виде химического соединения) ссопутствующей ему в природе горной породой, которая в этомслучае называется пустой породой.

Пустая порода может иметь самый различный химический со-став. Обычно она состоит из кремнезема SiO2 или песчаника, гли-нозема А12О3 и реже — из известняка СаСО3 или доломита(CaCO3-MgCO3).

В зависимости от количества пустой породы железные рудыразделяют на богатые, содержащие 45...70% Fe, и бедные. Бога-тые руды после дробления и сортировки направляют в плавиль-ную печь, а бедные подвергают обогащению, в результате кото-рого увеличивается относительное содержание оксидов железа вруде.

В железных рудах всегда содержится некоторое количество вред-ных примесей: серы, фосфора и мышьяка. В первую очередь разра-батывают месторождения, в которых железная руда содержит ми-нимальное количество вредных примесей и небольшое количе-ство пустой породы.

В доменном производстве важную роль играет восстанавливае-мость руды, которая определяется скоростью восстановления изнее железа и которая зависит от природы оксида железа, плотно-сти и пористости руды. Чем плотнее и менее пориста руда, темхуже ее восстанавливаемость.

Для выплавки чугуна используют красный, бурый, магнитныйи шпатовый железняки, а также комплексные железные руды.

Красный железняк (гематит) содержит 55... 70 % Fe в виде без-водного оксида железа Fe2O3. Примесей серы и фосфора в неммало. Пустой породой в железняке обычно является кварцит (SiO2).Плотность и прочность красного железняка весьма различны. Вос-станавливаемость его в доменных печах хорошая.

Бурый железняк (лимонит) содержит 35...55% Fe в виде вод-ных оксидов железа (2Fe2O3 • ЗН2О). В некоторых видах бурого же-лезняка содержится много фосфора. Пустая порода имеет песча-но-глинистое происхождение. Находящаяся в буром железняке гид-ратная влага при высоких температурах удаляется, а руда стано-вится пористой и хорошо восстановимой.

Магнитный железняк (магнетит) обладает магнитными свой-ствами, встречается в виде оксида дижелеза (Ш)-железа (II)(Fe"Fe2") O4. Магнетиты — наиболее богатые железные руды,

32

содержащие до 70 % Fe. Пустую породу в них составляет кремне-зем с некоторым количеством других оксидов. Магнетит — наи-более плотная железная руда, имеющая темно-серый или чер-ный цвет. В некоторых рудах содержится много серы (до 1,5...2 %).Восстанавливается магнитный железняк труднее, чем другиежелезные руды.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит 30...40% Fe в видеуглекислой соли FeCO3. В чистом виде сидерит содержит 48,2 % Fe.Пустая порода состоит из кремнезема, глинозема и небольшогоколичества оксида магния. В некоторых случаях сидерит содержитпесчано-глинистую пустую породу, имеет желтовато-белый илисерый цвет, легко выветривается (окисляется на воздухе), теряядиоксид углерода, и превращается в бурый железняк. Сидеритобладает наиболее высокой восстанавливаемостью из всех желез-ных руд. Перед загрузкой в доменную печь его обычно обжигают.В результате руда становится очень пористой и легко дробится,образуя лишь небольшое количество мелочи и пыли.

Комплексные железные руды, кроме железа, содержат и другиеметаллы, которые во время плавки переходят в чугун и легируютего, т.е. улучшают многие его свойства. Такие руды могут содер-жать Cr, Ni, Ti, V и другие элементы.

Марганцевые руды добавляют в шихту при выплавке чугуна, таккак железные руды обычно содержат незначительное количествомарганца. Марганцевые руды содержат оксиды марганца: МnО2,Мn 2О 3, Мn 3О 4 и их соединения с оксидами других элементов.В доменном производстве применяют марганцевые руды с содер-жанием 25 ...40% Мп.

Отходы металлургического производства используют в каче-стве добавки в шихту при плавке чугуна. Они содержат колошни-ковую пыль (30... 35 % Fe и 3... 12 % С), которую предварительноподвергают окускованию; металлический скрап; шлаки стале-плавильного производства с повышенным содержанием марган-ца (10... 18 % Fe, 6... 10 % Мn); окалину прокатного и кузнечногопроизводства и сварочные шлаки.

Топливо в доменной печи выполняет очень важную роль. Егогорение приводит к получению высоких температур, необходи-мых для восстановления железа из руды, плавления шихты и на-грева образовавшихся чугуна и шлака. Кроме того, часть углеродатоплива непосредственно участвует в реакциях восстановленияжелеза из руды.

Основным топливом для доменной плавки служит кокс — про-дукт сухой перегонки каменного угля коксующихся сортов притемпературах 900... 1 100 "С без доступа воздуха. Каменноугольныйкокс в зависимости от месторождения угля содержит 80...90%твердого углерода, 5... 10 % золы и значительное количество серы(0,5... 2 %). Кокс должен обладать высокой теплотой сгорания, до-

2 Безпалько 3 3

статочной прочностью и пористостью, содержать минимальноколичество вредных примесей (серы, фосфора) и золы.

Для получения высококачественного металлургического коксаисходные каменные угли специально подготавливают: дробятпромывают, сортируют и смешивают различные сорта.

Кокс получают путем спекания коксующихся углей при 1 000,1 200 °С без доступа воздуха в специальных коксовых печах —камерах, которые соединяют группами в коксовые батареи. Про-должительность коксования 12... 18 ч. При получении кокса выде-ляется коксовый газ и другие летучие вещества, которые в даль-нейшем используют в качестве химического сырья или топлива.

Флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплав-кой пустой породы руды и золы топлива. При их сплавлении сфлюсом образуется относительно легкоплавкий сплав — домен-ный шлак, который в расплавленном состоянии удаляют черезшлаковую летку в доменной печи. Кроме того, флюс должен обес-печить получение шлака с необходимыми химическими и физи-ческими свойствами, что в значительной мере определяет нор-мальный ход плавки, состав и качество чугуна.

В железных рудах пустая порода обычно кислая, с избыткомSiO2. Поэтому в качестве флюса используют сильноосновные ма-териалы (главным образом известняк СаСО3-MgCO3), которыенейтрализуют кремнезем и выводят его в шлак. Типичный метал-лургический известняк после обжига содержит 50...55% СаО и0,5... 1,5 % MgO. Наличие в шлаке СаО, а также MgO способствуетудалению из чугуна вредной примеси — серы. Напротив, если впустой породе преобладают щелочные соединения (например,оксиды кальция и магния), то добавляют кислые флюсы, в ос-новном на основе кремнезема. Для успешной плавки некоторыхвидов руд в доменные печи вводят глиноземсодержащие минера-лы (например, А12О3), которые относятся к группе нейтральныхфлюсов.

2.2.2. Огнеупорные материалы, их свойства и применение

Современные металлургические процессы протекают при вы-соких температурах. В связи с этим внутренние части металлурги-ческих печей, в том числе и доменных, соприкасающиеся с печ-ными газами, жидкими расплавами металла и шлака, футеруютогнеупорными материалами, способными выдержать длительноевремя без разрушения высокую температуру печного простран-ства. Из огнеупорных материалов изготовляют кирпичи различ-ной формы и размеров, набивные массы, порошки и фасонныеизделия.

Огнеупорные материалы должны обладать следующими свой-ствами: огнеупорностью, т. е. способностью противостоять действию

34

высоких температур, не расплавляясь; тепловой стойкостью —способностью сохранять свое состояние (форму) при чередую-щихся резких колебаниях температур (нагрев и охлаждение); ме-ханической прочностью при высоких температурах, обеспечива-

юшей сохранение конструкции печи и ее размеров; стойкостьюпротив поверхностного истирания при взаимодействии с твердой

пихтой; химической стойкостью, т.е. способностью сопротивлятьсядействию металлов, шлаков и печных газов при высоких темпера-турах; постоянством объема при нагревании и т.д.

Огнеупорные материалы делятся на основные (магнезит, доло-мит), кислые (динас) и нейтральные (шамот).

Магнезитовый кирпич изготовляется из природного магнезитаMgCO3 и содержит свыше 75 % MgO. Огнеупорность магнезитадостигает 2 000 "С. Магнезитовый кирпич обладает серьезным не-достатком — слабо противостоит температурным колебаниям илегко растрескивается. В то же время он хорошо сопротивляетсяразъеданию основными шлаками. Применяется, например, длякладки пода и стен мартеновских печей.

Для повышения термической стойкости основных материаловизготовляют хромомагнезитовые кирпичи из смеси 26...28 % хро-мистого железняка (Сг2О3), 65...67% обожженного магнезита(MgO) и 7 % железной руды. Наряду с высокой огнеупорностью(1 850... 1 950 °С) они переносят резкие температурные колебания;применяются для кладки сводов, арок, пода и стен металлурги-ческих печей.

Доломит используют в металлургической промышленности глав-ным образом в виде порошков для наварки пода в сталеплавиль-ных печах и для их ремонта. Доломитовый порошок получают об-жигом при 1 550... 1 570°С, при этом СаСО3• MgCO3 распадаетсяна CaO, MgO и СО2.

Динасовый кирпич относится к кислым огнеупорным материа-лам и готовится из молотого кварца с небольшим количествомизвести. Динас содержит 92...96% SiO2, размягчается при1 550... 1 590 "С и плавится при 1 630... 1 730 "С. Динасовый кирпичприменяют для кладки плавильных пламенных и электрическихпечей в тех случаях, когда в них при плавке образуется кислыйшлак.

Шамот является наиболее распространенным и дешевым ог-не упорным материалом. Он изготовляется из белой огнеупорнойглины, которую перед измельчением для удаления влаги обжига-ют при 800 °С. Примерный состав шамота: 50...65 % SiO2 и 30...40 %

Al3O3 Огнеупорность колеблется в пределах 1 580... 1 730 °С.Шамот применяется для кладки доменных печей, разливочныхковшей для стали и чугуна и др.

Кладка элементов печей, не подвергающихся воздействию вы-сокихтемператур, выполняется из обычного кирпича.

35

Углеродосодержащие огнеупорные материалы находят в метал-лургии довольно широкое распространение, так как они выдер-живают высокую температуру — более 2 000 °С и на них не дей-ствуют щелочи и кислоты. Эти огнеупоры содержат до 90 % угле-рода. Из них изготовляют угольные и графитовые электроды длядуговых печей, тигли для плавки металла, футеровки электролиз-ных ванн при производстве алюминия, их также применяют длякладки отдельных частей доменных печей, например нижней ча-сти доменной печи — лещади.

2.2.3. Подготовка руды к плавке

Перед плавкой железная руда проходит специальную подго-товку, которая повышает производительность доменных печей иуменьшает расход топлива. Основными операциями подготовкируд к плавке являются дробление, сортировка, обогащение, об-жиг и агломерация.

Дробление. Руда для доменного процесса должна иметь опреде-ленный размер кусков. Слишком большие куски медленно восста-навливаются, опускаются до области высоких температур, гдерасплавляются и переходят в шлак без восстановления. В результа-те ход доменной плавки нарушается. Для этого руду подвергаютизмельчению {дроблению), которое производится на щековых иконусных дробилках. Использовать мелкую, пылевидную руду так-же нежелательно: она уносится с колошниковыми газами, заби-вает пространство между кусками руды и мешает прохождениюгазов, что снижает производительность печи и увеличивает рас-ход топлива.

Сортировку кусков руды по размеру производят на специаль-ных машинах — грохотах, представляющих собой плоские ци-линдрические или конические сита с отверстиями соответствую-щего размера. Практический опыт показал, что наиболее удобныдля доменной плавки куски размером 30...80 мм в поперечнике.Полученные после сортировки такие куски используют непосред-ственно при плавке. Более мелкие фракции размалывают на дро-бильных валках и шаровых мельницах, потом просеивают на си-тах и подвергают агломерации (спеканию).

Целью обогащения руд является удаление части пустой породыи соответственно повышение в них содержания железа. В резуль-тате этого в оставшейся части руды, называемой концентратом,увеличивается содержание рудной массы. Отделенную от рудыпустую породу называют хвостами. Если она не представляет со-бой никакой ценности, то при обогащении ее отбрасывают. Иног-да при обогащении из руды удается выделить несколько полез-ных концентратов с преобладанием в каждом из них разных ме-таллов.

Обогащение получает все большее распространение, что свя-зано с необходимостью использования все более бедных руд. В тех-нике, в зависимости от характера рудных минералов, применяютразличные способы обогащения. Наиболее известны и широкоприменяются промывка, флотация, гравитационный и магнит-ный методы.

Промывка водой позволяет отделить от руды часть рыхлой пес-чано-глинистой пустой породы. Производительность одного агре-гата 500 т/ч, содержание железа в руде возрастает на 2... 9 %.

Метод флотации основан на поверхностных свойствах мине-рального сырья. Флотацию осуществляют в бетонированных ре-зервуарах, в которые подают пульпу — раствор воды с тонко из-мельченной рудой и добавками пенообразователей. Пульпу ак-тивно перемешивают пузырьками воздуха. Под влиянием поверх-ностно-активных веществ частицы оксидов железа прилипают кпузырькам газа и всплывают. Поднявшиеся частицы руды удер-живаются на поверхности ванны пеной. Пустая порода оседаетна дне резервуара, после чего ее периодически убирают. Методфлотации позволяет получать концентрат с содержанием железадо 60%.

Гравитационный метод основан на использовании суспензии,плотность которой больше плотности пустой породы железнойруды, благодаря чему частицы пустой породы всплывают на по-верхность, а частицы, содержащие железо, опускаются на днованны. Производительность одного агрегата достигает 250 т/ч.

Магнитное обогащение применимо к магнитным железнякам,при обогащении достаточно измельченную руду помещают в маг-нитное поле. Магнит притягивает частицы руды, обладающие маг-нитными свойствами. После чего их отделяют от пустой немаг-нитной породы.

Для магнитного обогащения немагнитных бурых и красныхжелезняков их вначале подвергают магнетизирующему отжигу при600...800°С в печи со слабой окислительной атмосферой. Произ-водительность установок достигает 400 т/ч; содержание железа вконцентрате достигает 60 %.

Обжиг руд проводится в рудообжигательных печах при 600...800 °С. Он применяется для руд, содержащих воду в связанномсостоянии (водный оксид железа), углекислоту и серу. Указан-ные вещества, удаляясь при обжиге, делают руду пористой, лег-ко восстановимой и чистой от вредных примесей (серы и мы-шьяка).

Агломерацией называется процесс спекания руд мелких фрак-ций, концентрата, колошниковой пыли и возврата агломерата наспециальной машине. Эти материалы смешиваются с измельчен-ным твердым топливом (коксом, углем), увлажняются и подают-ся в агломерационную машину слоем толщиной 200...300 мм.

36 37

Агломерационная машина ленточного типа состоит из боль-шого числа паллетспекательных тележек с отверстиями в днище,двигающихся по направляющим рельсам. В загруженной из ших-тового бункера паллете после зажигания газовыми горелками на-чинается горение топлива, причем фронт горения распространя-ется сверху вниз. Воздух просасывается сквозь слой шихты благо-даря действию специальных вакуумных устройств, называемыхэксгаустерами. Температура в слое шихты достигает 1 300... 1 600 °С.В результате восстановления магнетита в присутствии кремнеземаобразуется фаялит (Fe2Si04):

2Fe3O4 + 3SiO2+ 2CO = 3Fe,SiO4 + 2CO2

В зоне горения фаялит, имеющий температуру плавления1 209 С, плавится и смачивает зерна шихты, благодаря чему приохлаждении образуется твердая пористая масса — агломерат. В про-цессе спекания почти полностью выжигается сера, которая уда-ляется в виде сернистого газа. Затем агломерат подвергают дроб-лению, как и руду. Производительность крупных агломерацион-ных машин достигает 2,5 тыс. т/сут.

Агломерат обладает достаточной прочностью, высокой порис-тостью и хорошей восстанавливаемостью. Его применение увели-чивает производительность доменной печи и несколько сокраща-ет расход топлива на 1 т чугуна. В металлургии обычно используютофлюсованный агломерат, для чего в шихту дополнительно вво-дят известняк. Офлюсованный агломерат восстанавливается легчеобычного. Он облегчает образование шлака в доменной печи,уменьшает расход известняка и кокса, увеличивает производи-тельность доменной печи на 10...25%.

Окусковывание рудной мелочи производят и другими способа-ми. В металлургии нередки случаи брикетирования — простейшегоспособа окусковывания порошковых материалов путем прессова-ния их смеси с какими-либо связующими материалами (глиной,жидким стеклом, смолой и т.п.). Полученные брикеты (в зависи-мости от характера связующего) сушат на воздухе или обжигаютдля придания им необходимой прочности.

В черной металлургии применяют другой метод окусковывания —производство окатышей. Суть этого способа заключается в пере-мешивании рудной мелочи и пыли с небольшим количествомнедорогого тонко измельченного связующего, обычно глины илиизвести. После небольшого увлажнения (до 8... 10%) эту смесьпомещают в смеситель типа пустотелого барабана или наклоннойнеглубокой чаши. Рудная шихта, вращаясь в барабане (чаше), пе-ресыпается с места на место, слипается, образуя круглые окаты-ши размером 25...30 мм.

Затем окатыши сушат или обжигают, чтобы сделать их доста-точно прочными для применения в крупных доменных печах. Об-

38

жиг окатышей в восстановительной атмосфере позволяет частич-но восстановить окислы железа и тем самым повысить производи-тельность доменных печей. Применение окатышей в доменныхпечах, как и агломерата, ускоряет доменный процесс и снижаетрасход кокса.

2.2.4. Устройство и работа доменной печи

Доменная печь представляет собой вертикальную печь шахтно-го типа. Кладка печи водоохлаждаемая и находится в стальномкожухе толщиной 30...40 мм. Внутри печь выкладывают высоко-качественным шамотным кирпичом, а отдельные ее части изго-товляют из прессованных углеродистых блоков.

Современные доменные печи имеют общую высоту до 80 м иполезный объем (объем рабочего пространства) до 5 600 м3. Про-изводительность доменной печи, например, объемом 3 000 м3 со-ставляет более 6 000 т чугуна в сутки. Доменная печь являетсяметаллургическим агрегатом непрерывного действия и работает втечение 4— 8 лет.

Схема работы доменного цеха современного металлургическо-го завода приведена на рис. 2.1.

Материалы для доменной плавки доставляются в саморазгру-жающихся вагонах на рудный двор, расположенный параллельнолинии печей. Мостовой кран перегружает материалы в приемныебункеры доменных печей, откуда они с помощью вагон-весов 3

поступают через бункер 2 в загрузочные вагонетки (скипы) 1, Аг-ломерат, руду, флюс и кокс, поступающие в печь в определен-ном соотношении, называют шихтой. Скиповый подъемник пред-ставляет собой наклонный рельсовый мост, по которому движут-ся две вагонетки. Скип поднимается стальным канатом до верхнейточки рельсового моста и опрокидывается. Через загрузочное уст-ройство 4 шихта попадает в доменную печь. Печь состоит из ко-лошника 5, шахты 6, распара 7, заплечиков 10 и горна 9.

Доменные печи, как и все шахтные печи, работают по прин-ципу противотока. Сверху опускаются шихтовые материалы, а снизуим навстречу движутся газы, образующиеся в процессе горениятоплива.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке вверхнюю часть доменной печи {колошник) шихтовых материалов,располагающихся в шахте печи слоями. В результате нагрева ших-ты за счет горения кокса во вдуваемом горячем воздухе в печиидут сложные физико-химические процессы, приводящие к по-степенному опусканию шихты навстречу поднимающимся горя-чим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и га-зов в нижней части печи {горне) образуются два несмешиваю-щихся жидких слоя — чугун и шлак.

Колошник имеет цилиндрическую форму и предназначен длязагрузки шихты в печь и отвода газов. Он оборудован литыми сталь-ными сегментами, защищающими огнеупорную футеровку от раз-рушения при ударах загружаемой в печь шихты.

Загрузочное устройство, расположенное над колошником исостоящее из двух поочередно опускающихся конусов, подает вдомну в определенной последовательности составляющие шихты.Из скипа материалы сначала попадают на малый конус, а затемна большой. Для обеспечения более равномерной загрузки шихтыбольшой конус поворачивается вокруг оси. Малый и большой ко-нусы опускаются попеременно, предотвращая тем самым выбросдоменных газов и пыли из печи в атмосферу.

Расширяющаяся книзу шахта обеспечивает опускание мате-риалов и способствует равномерному распределению газов по се-чению печи. В шахте происходят процессы восстановления окси-дов железа.

Ниже шахты расположена самая широкая цилиндрическая частьдоменной печи — распар. Здесь происходит плавление пустой по-роды и флюсов с образованием шлака, которое заканчивается взаплечиках, имеющих форму сужающегося книзу усеченного ко-нуса. Нижнее основание заплечиков имеет меньший диаметр засчет сокращения объема материалов при их плавлении.

Расположенный еще ниже горн имеет цилиндрическую формуВ верхней части горна расположены водоохлаждаемые медныефурмы, через которые в доменную печь поступает нагретый воз-

40

дуx Здесь происходит горение кокса, а в нижней части горна — налещади 8 скапливаются жидкие чугун и шлак, которые периоди-

чески выпускаются через специальные отверстия — летки. Чугун-ная летка расположена на 0,5 м выше лещади, а шлаковая — на1,5 м. Постоянно остающийся на лещади полуметровый слой жид-кого чугуна предохраняет ее от разрушения. Жидкий чугун в отли-чие от шлака выпускают реже — каждые 2...3 ч (в крупных печахежечасно) поочередно через две или три летки, которые для это-го вскрывают с помощью электробура.

Чугун выпускают в чугуновозные ковши, шлак — в шлаковоз-ные чаши. Чугунные и шлаковые летки между выпусками чугуна ишлака забиваются пробкой из огнеупорной глины с помощьюэлектромагнитной пушки.

Доменная печь оснащена несколькими воздухонагревателями —кауперами. Их число обычно не менее трех (чаще четыре), из кото-рых один нагревается отходящими газами, другой нагревает хо-лодный воздух, а третий находится в резерве. На схеме показаныдва воздухонагревателя {13 и 14). Воздуходувная машина подаетхолодный воздух в воздухонагреватель 14, где он проходит черезразогретую насадку, нагревается до 1 200... 1 300 °С и поступает че-рез фурмы в доменную печь. Насадка воздухонагревателя 13 нагре-вается за счет теплоты от горения доменного и природного газов,поступающих к его горелкам после устройства газоочистки //. Про-дукты горения удаляются через дымовую трубу 12. Когда насадкавоздухонагревателя 14 остынет, а воздухонагревателя 13 разогре-ется, происходит их автоматическое переключение. Подогрев дутьяпозволяет существенно интенсифицировать доменный процесс.

Для повышения производительности доменных печей и эко-номии кокса успешно применяются дутье постоянной влажно-сти, повышенное давление под колошником, обогащенное кис-лородом дутье и вдувание через фурмы природного газа, мазута иугольной пыли. Все основные процессы — подготовка и загрузкашихтовых материалов, подогрев и обогащение дутья, обеспече-ние нормального хода работы печи, выпуск и транспортированиечугуна и шлака — механизированы и автоматизированы.

Физико-химические процессы, протекающие в различных зо-нах доменной печи, определяются существующими там темпера-турными условиями.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно раз-делить на следующие этапы: горение углерода топлива и образо-вание восстановителей, разложение компонентов шихты, восста-новление оксидов, науглероживание железа и образование чугу-на, шлакообразование. Эти этапы происходят в печи одновремен-но, но с различной интенсивностью и на разных уровнях печи.

При загрузке в колошник шихтовые материалы попадают вобласть низких температур 200... 300 °С. По мере опускания мате-

41

риалов окружающая температура повышается, достигая максиму-ма 1 900...2 100°С на уровне фурм (через которые подается горя-чий воздух) и снижаясь до 1 450 °С в горне.

На уровне фурм раскаленный кокс сгорает в струе нагретоговоздуха с выделением большого количества теплоты Q:

С + О2 = СО2 + Q

Образующийся углекислый газ, поднимаясь, реагирует с твер-дым углеродом кокса и восстанавливается до оксида углерода. Этареакция идет с поглощением теплоты Q:

СО2 + С = 2СО - Q

В результате образуется восстановитель СО, который в присут-ствии железа диссоциирует по реакции

2СО = С + СО2

с образованием атомарного {сажистого) восстановителя.Главная цель доменного процесса состоит в восстановлении

железа из его оксидов. Этот процесс может осуществляться окси-дом углерода (СО), углеродом и водородом, который образуетсяиз влаги и природного газа, поступающих в печь при дутье. Глав-ную роль в восстановлении оксидов железа играет оксид углеродаи атомарный (сажистый) углерод.

Восстановление оксидов железа идет по следующей схеме:

Fe2O3 -» Fe3O4 -» FeO -> Fe

Встречая руду, оксид углерода восстанавливает оксиды желе-за, превращаясь в углекислый газ:

3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2

Fe3O4 + СО = 3FeO + СО2

FeO + СО = Fe + СО2

Восстановление железа оксидом углерода называют непрямымили косвенным восстановлением. Суммарный тепловой эффект кос-венного восстановления положителен. Этот процесс протекает внижней части шахты доменной печи при сравнительно низкихтемпературах.

Прямым восстановлением называют восстановление железа твер-дым углеродом кокса. Восстановление твердым углеродом в ос-новном происходит по следующим реакциям:

3Fe2O3 + С = 2Fe3O4 + CO

Fe3O4 + С = 3FeO + CO

FeO + С = Fe + CO

Эти реакции эндотермические (идут с поглощением теплоты)и протекают при более высоких температурах в зоне распара иверхней части заплечиков доменной печи.

При температурах выше 900... 1 000 °С оксид железа (FeO) вос-станавливается только прямым путем. Обычно в доменной печигазами, т.е. косвенным путем, восстанавливается примерно60... 70 % Fe, а твердым углеродом (прямым восстановлением) —30...40 %. После завершения процесса восстановления при темпе-ратуре 1 300... 1 400 °С железо находится в твердом состоянии и име-ет вид пористой губчатой массы.

При взаимодействии губчатого железа с оксидом углерода илинепосредственно с углеродом происходит науглероживание желе-за с образованием карбида железа (цементита) Fe3C:

3Fe + 2СО = Fe3C + СО2

3Fe + C = F e 3 C

Цементит хорошо растворяется в железе, в результате чего об-разуется сплав железа с углеродом, имеющий более низкую тем-пературу плавления, чем у чистого железа. В высокотемператур-ных зонах (распаре, заплечиках) такой сплав (чугун) переходит вжидкое состояние и стекает в горн. Одновременно с восстановле-нием и науглероживанием железа происходит восстановление ок-сидов кремния, марганца, фосфора, некоторых других элементови их растворение в металле.

Весь фосфор, попавший в доменную печь с шихтовыми мате-риалами, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Регу-лирование концентрации фосфора в чугуне возможно лишь соот-ветствующим подбором шихты. Основным источником другой вред-ной примеси — серы являются кокс, в меньшей степени — руда иизвесть. Примерно половина серы удаляется с колошниковымигазами в виде SO2 и H2S в верхних горизонтах печи. Необходимы-ми условиями более полного удаления серы (десульфурации) яв-ляются избыточное содержание извести в шлаках, их высокая ос-новность, а также высокая температура в горне доменной печи.Сера находится в металле в виде хорошо растворимого в нем суль-фида железа FeS. Ее удаление происходит в ходе реакции

FeS + СаО = CaS + FeO

Сульфид кальция нерастворим в чугуне и переходит в шлак.Образование шлака начинается в области распара при темпе-

ратуре около 1 200 °С в процессе сплавления пустой породы с из-вестью. Образующийся шлак стекает в горн, скапливается над слоемчугуна и периодически выпускается через шлаковую летку. Шлаксостоит главным образом из основных и кислых оксидов. Важней-шей характеристикой доменного шлака является его основность,

42 43

которая характеризуется отношением суммы кислотных оксидовк сумме основных. Степень основности шлака определяется изсоотношения: (SiO2 + А12О3)/(СаО + MgO).

Степень основности шлаков при выплавке разных чугунов иферросплавов колеблется в пределах от 0,9 до 1,4. Чем выше ос-новность, тем легче происходит десульфурация чугуна.

При выпуске из печи чугун стекает по желобу в специальныечугуновозные ковши вместимостью до 100 т, в которых по желез-нодорожным путям он направляется либо на разливочную маши-ну, либо, в случае передела в сталь, его сливают в специальныеобогреваемые копильники — миксеры. Выдержка в миксере спо-собствует выравниванию химического состава чугуна.

Разливочная машина представляет собой замкнутый конвейериз чугунных форм, в которые заливается чугун. Чугун в них за-твердевает, охлаждается, после чего формы опрокидываются иполученные чугунные чушки массой до 45 кг попадают прямо вжелезнодорожные вагоны для отправки на другие заводы. Все опе-рации при работе разливочной машины механизированы и авто-матизированы.

2.2.5. Продукты доменного производстваи их использование

Продуктами доменного производства являются чугун, шлак и

доменный газ.Чугун выплавляют в зависимости от назначения трех сортов:

передельный, литейный и специальный (ферросплавы).Передельный чугун идет на переработку в сталь, его производ-

ство составляет более 80 %. Как правило, он направляется в жид-ком виде из доменного цеха в расположенный рядом сталепла-вильный цех.

Литейный чугун используется в качестве шихты при плавке чу-гуна в литейных цехах. В основном он используется в виде чушек.Его выпускают около 16% от всего производства чугуна. Литей-ный чугун содержит повышенное количество кремния.

Доменные ферросплавы применяют при производстве стали (какприсадки и для раскисления) в сталеплавильных печах. Их вы-плавляют примерно 4 % от всего производства чугуна. Ферроспла-вы отличаются от передельных и литейных чугунов повышеннымсодержанием марганца и кремния.

Шлак. Образующиеся при плавке чугуна доменные шлаки обыч-но подвергают грануляции водой для получения мелкозернистоймассы. Их широко используют для изготовления цемента, кирпи-чей, шлакоблоков и других строительных материалов.

Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют колошнико-выми. С ними вместе из печей выносится огромное количество пыли44

(50 кг на 1 т чугуна). Газ содержит 26...32% СО, 9... 14% СО2 и54...58% N. Теплотворная способность такого газа 4000 Дж(850...950 кал) на 1 м3, поэтому его широко используют послеочистки от пыли как топливо для подогрева воздуха, идущего вдоменные печи, для нагрева ковшей и т.д.

2.2.6. Технико-экономические показатели работыдоменной печи

Основными показателями работы доменной печи являютсякоэффициент использования полезного объема (КИПО) и рас-ход кокса на 1 т выплавленного чугуна. КИПО представляет собойотношение полезного объема печи К (объема от уровня чугуннойлетки до максимального уровня засыпки сырых материалов) ксуточной выплавке чугуна G, м3/т: КИПО = V/G.

Чем меньше численное значение КИПО, тем лучше работаетдоменная печь и более форсированно ведется плавка. ЗначенияКИПО колеблются в широких пределах (0,5... 1,3 м3/т) и зависятот содержания железа в руде, подготовки шихтовых материалов исорта выплавляемого чугуна. У хорошо работающих печей КИПОнаходится в пределах 0,6...0,75.

Стоимость кокса составляет 40... 50 % от стоимости чугуна. Удель-ный расход кокса зависит от качества шихты, температуры нагре-ва дутья и его обогащения кислородом, а также восстановитель-ной способности газов. Средний удельный расход кокса на 1 тпередельного чугуна составляет 550 кг и при повышении интен-сификации процесса снижается.

Важными мероприятиями для дальнейшей интенсификациипроцесса являются увеличение полезного объема доменных пе-чей, обогащение дутья кислородом, использование природногогаза, улучшение подготовки шихты, замена железной руды агло-мератом и окатышами, автоматизация всех процессов.

2 . 3 . П р о и з в о д с т в о стали

2 . 3 . 1 . Физико-химические процессы получения стали

Сталь по сравнению с чугуном содержит меньшее количествоуглерода и, как правило, имеет пониженное содержание крем-ния, марганца, фосфора и серы. Для получения стали из чугунанеобходимо снизить содержание этих элементов путем окисли-тельной плавки, проводимой в сталеплавильных агрегатах.

Основными способами производства стали являются плавка вкислородных конвертерах, плавка в мартеновских и электричес-ких печах.

45

Для выплавки стали используются следующие исходные ма-териалы: металлошихта (лом), металлодобавки, флюсы и окис-лители.

Основная масса металлошихты — передельный чугун и сталь-ной лом. В состав металлошихты могут входить также продуктыпрямого восстановления железа из руд и ферросплавы.

Металлодобавки в виде ферросплавов вводятся в сталь для еераскисления и легирования.

Флюсами (добавочными материалами) являются известняк, бок-сит и плавиковый шпат. Известняк способствует образованию шла-ка, а боксит и плавиковый шпат делают его жидкоподвижным.

Для окислительных процессов источником кислорода являетсягазовая среда (кислород, печная атмосфера) или твердые окис-лители (железная руда, агломерат, окатыши, окалина).

Выбор материала футеровки сталеплавильных агрегатов опре-деляется составом и свойствами шлаков, образующихся в процес-се плавки. В соответствии с этим различают кислый и основныйсталеплавильные процессы, осуществляемые в основных конвер-терах, кислых и основных мартеновских и электродуговых печах.

Рассмотрим для примера основный сталеплавильный процесс.Железо при взаимодействии с кислородом окисляется по ре-

акции

(2.1)

Газы — окислители печной атмосферы, взаимодействуя с ме-таллом, окисляют и другие элементы, растворенные в металле, в

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Окисление примесей также может происходить раствореннымв металле кислородом:

(2.5)

(2.6)

(2.7)

* Элементы, стоящие в квадратных скобках, входят в состав металла, в круг-лых — шлака.

46

Элементы с большим химическим сродством к кислороду, чемжелезо, окисляются оксидом железа, содержащимся в шлаке:

(2.8)

(2.9)

(2.10)

В сталеплавильном агрегате под шлаком (преимущественно FeOи СаО) и при сравнительно невысокой температуре из расплаваудаляется фосфор (дефосфорация металла):

(2.11)

Убирая шлак с поверхности металла (скачивание шлака) инаводя новый (путем подачи флюса требуемого состава), можноудалить значительную часть вредных примесей (серы и фосфора)из металла.

Регулирование состава шлака с помощью флюсов является од-ним из основных путей управления металлургическим процессом.

Когда окисление примесей почти завершено, начинают обра-зовываться оксиды железа. Растворяясь в стали, они повышают вней содержание кислорода. Кислород ухудшает прочность и в осо-бенности пластичность и вязкость стали, что способствует появ-лению трещин при ее пластическом деформировании. Поэтомуобязательной завершающей операцией при выплавке стали явля-ется ее раскисление, т.е. уменьшение содержания в ней кислородадо допустимых норм. Для этого раскисление проводят путем вводав сталь элементов (раскислителей) с большим сродством к кис-лороду, чем железо. Образующиеся оксиды уходят в шлак. В каче-стве раскислителей используют кремний (в виде ферросилиция),марганец (ферромарганец), алюминий и щелочно-земельные ме-таллы (ЩЗМ).

В сталеплавильных агрегатах применяют осаждающее раскисле-ние по реакциям:

(2.12)

(2.13)

(2.14)

Образующиеся оксиды имеют меньшую плотность по сравне-нию со сталью и удаляются в шлак. Однако часть их остается встали, что снижает ее качество.

В агрегатах с окислительной атмосферой (конвертеры, марте-новские печи) иногда используется диффузионное раскисление:

(2.15)

47

(FeO) + С = СО + [Fe] (2.16)

3(FeO) + 2A1 = (A12O3) + 3[Fe] (2.17)

В этом случае раскислители в мелкоизмельченном виде загружа-ют на поверхность шлака. Восстанавливая оксид железа, раскисли-тели уменьшают его содержание в шлаке и способствуют переходуоксида железа, растворенного в стали, в шлак. Образующиеся притаком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстанов-ленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в нейнеметаллических включений и повышает ее качество.

Для удаления серы наводят шлак с большим содержанием СаО.К этому времени ванна с металлом доводится до высокой темпе-ратуры. Сера в виде сульфидов удаляется в шлак:

[FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO) (2.18)

Образующееся соединение (CaS) растворимо в шлаке, но нерастворяется в железе, в результате чего оно переходит в шлак.

При выплавке стали в печи с кислой футеровкой процесс про-текает при кислом шлаке (55...58 % SiO2). Условия для раскисле-ния стали более благоприятные: кремнезем, обладающий силь-ными кислотными свойствами, связывает FeO в соединение типаFeO • SiO2. После длительной выдержки под кислым шлаком со-держание оксида железа в стали резко уменьшается. Окончательносталь раскисляют небольшой добавкой ферромарганца.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют кипя-щие, спокойные и полуспокойные стали.

Кипящая сталь раскисляется в печи неполностью. Ее раскисле-ние продолжается в изложнице при взаимодействии содержащих-ся в металле оксида железа и углерода. Образующийся в результа-те реакции

FeO + С = Fe + CO

оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из нееазота и водорода. Газы выделяются из стали в виде пузырьков,вызывая ее кипение. Кипящая сталь практически не содержит не-металлических включений — продуктов раскисления и поэтомуобладает хорошей пластичностью. Газовые пузыри, оставшиеся вбольшом количестве в теле слитка, устраняются при последую-щей горячей прокатке.

Спокойная сталь получается при полном раскислении ее в печии ковше при последовательном раскислении металла ферромар-ганцем, ферросилицием и алюминием. После введения раскисли-телей выделение пузырьков оксида углерода прекращается и ме-талл «успокаивается». Эта сталь наиболее качественная, но и наибо-лее дорогая. В верхней части слитка образуется усадочная ракови-на, значительно снижающая выход годного металла за счет того,

чтоо эту часть слитка впоследствии удаляют и отправляют в пере-плав.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленностьмежду спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи иковше, а частично в изложнице в результате взаимодействия ок-сида железа и углерода, содержащихся в стали.

В случае необходимости плавку завершают легированием — вво-дом в сталь легирующих элементов.

Легирование стали осуществляют введением в расплав ферро-сплавов или чистых металлов в необходимом количестве. Легиру-ющие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем ужелеза (Ni, Co, Мо, Си и др.), при плавке и разливке практичес-ки не окисляются, и поэтому их вводят в печь в любое времяплавки (обычно вместе со стальной шихтой). Легирующие эле-менты, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si,Mn, A1, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл при его раскисленииили после него, а иногда непосредственно в ковш.

2.3.2. Основные компоненты в сталях

Постоянными компонентами в углеродистых сталях являютсяуглерод, марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые ком-поненты в виде примесей-газов (кислорода, азота и водорода).Кроме того, в этих сталях присутствуют такие случайные компо-ненты, как Сг, Ni, Си и др., наличие которых обусловлено за-грязненностью шихтовых материалов.

Полезными компонентами являются марганец и кремний, ко-торые, как правило, содержатся в шихте. Их также вводят в стальпри ее раскислении:

FeO + Mn -» Fe + MnO

2FeO + Si -> 2Fe + SiO2

Марганец является необходимой примесью в количестве0,4...0,8 % при производстве различных сталей. В этих пределах онполностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличиваетпрокаливаемость стали. Марганец, устраняя вредное влияние вклю-чений оксида железа (FeO), способствует получению плотных сталь-ных слитков (без газовых пузырей). В отличие от других раскислите-лей (кремния и алюминия) марганец при взаимодействии с серой

FeS + Mn -> MnS + Fe

предотвращает образование сульфидов железа, повышенное со-держание которых является причиной хрупкости стали, особеннопри высоких температурах {красноломкость стали).

Кремний при раскислении стали, как и марганец, устраняетвредное влияние оксида железа и способствует получению плот-

48 49

ных слитков. Кремний повышает предел текучести стали и умень-шает ее склонность к хладоломкости. Содержание кремния в угле-родистых сталях находится в пределах от 0,3 до 0,5 %.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основнымисточником серы в стали является исходное сырье — передельныйчугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, способствует еекрасноломкости при прокатке и ковке. Сера образует хорошо ра-створимое в железе соединение FeS (сульфид железа). Благодарявысокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкаяэвтектика Fe — FeS (tm = 988 °С), которая располагается по грани-цам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячейдеформации включения легкоплавкой эвтектики придают сталихрупкость, а при некоторых условиях могут плавиться и при де-формировании заготовки образовывать в ней трещины и надрывы.Поэтому содержание серы в стали должно быть минимальным.

Основной источник фосфора в стали — руды, из которых вы-плавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью,способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Раство-ряясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфоррезко отличается от железа типом кристаллической решетки, ди-аметром атомов и их строением, тем самым сильно искажает ре-шетку феррита, делая его хрупким. Обычно включения фосфорарасполагаются вблизи границ зерен и способствуют их охрупчи-ванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси — кислород, азот и водород находятся в ста-ли в виде твердого раствора в феррите, или образуют химическиесоединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободномсостоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы вферрите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими вклю-чениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали.Водород находится в стали в виде твердого раствора и особенносильно увеличивает ее хрупкость. Повышенное содержание водо-рода, особенно в хромистых и хромоникелевых сталях, приводитк образованию внутренних трещин — флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрица-тельное влияние на свойства стали, ухудшая ее пластические ха-рактеристики. Поэтому важной операцией для улучшения свойствстали является вакуумирование, т.е. проведение плавки и разливкистали при пониженном давлении, в результате чего происходитчастичное удаление газов из жидкой стали (см. подразд. 2.3.8).

2.3.3. Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легирующими элементами называют специальные добавки,вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств. Стали,содержащие легирующие элементы, называются легированными.

50

Появление и широкое распространение легированных сталейобусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых кматериалам по мере развития и совершенствования техники. Ле-гирование стали изменяет ее механические свойства (прочность,пластичность, вязкость), физические (электропроводность, маг-нитные характеристики, радиационная стойкость) и химическиесвойства (коррозионная стойкость в разных средах).

Концентрация некоторых легирующих элементов может бытьочень малой. Легирование стали, когда концентрация вводимо-го элемента составляет 0,1 % и менее, называют .микролегирова-нием.

Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Cr,Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др. Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глу-бину прокаливаемости стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структу-ры, положительно сказывается на упругих характеристиках ста-ли, способствует повышению магнитных свойств стали, а присодержании его в стали в количестве 15... 20 % придает ей кисло-тоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической об-работке увеличивает глубину прокаливаемое™ стали, оказываетположительное влияние на жаропрочность и жаростойкость, по-вышает коррозионную стойкость стали.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повы-шает электросопротивление стали и снижает значение коэффи-циента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость ипрочность, улучшает режущие свойства стали при повышеннойтемпературе.

Молибден действует, как и вольфрам, а также повышает корро-зионную стойкость стали.

2.3.4. Кислородно-конвертерный процесс

В основе конвертерного процесса лежит обработка жидкогочугуна газообразными окислителями без подвода извне дополни-тельной теплоты. Процесс выплавки стали в конвертере осуще-ствляется только за счет химической теплоты экзотермическихреакций окисления примесей с учетом физической теплоты жид-кого чугуна. Продувка чугуна производится сверху или через дни-ще в специальных агрегатах — конвертерах. Конвертерную плавкухарактеризует высокая производительность за счет большой реак-ционной поверхности металл — окислитель и высокой скоростиокисления примесей.

51

Современные кислородные кон-вертеры имеют корпус грушевиднойформы, выполненный из стальноголиста. Внутри конвертер футерованосновными огнеупорными материа-лами (магнезитовый или хромомаг-незитовый кирпич, магнезитовыйпорошок или доломит). Футеровкавыдерживает без дополнительной об-работки до 2 000 плавок.

Кислородные конвертеры (рис.2.2) имеют горловину 3 в виде усе-ченного конуса с леткой 1 для вы-пуска стали, цилиндрический кор-пус 4 и полусферическое днище 6.Нижний усеченный конус конвер-тера служит ванной для металла. Ра-бочее пространство имеет цилинд-рическую форму, заполняется ме-таллом, шлаком и при продувке —газом. Объем рабочего пространствав 7—10 раз больше объема, зани-маемого спокойным металлом. Верх-ний усеченный конус сокращаетпотери металла и теплоты. Черезгорловину загружают шихтовые ма-териалы, отводят образующиесягазы, сливают шлак и при необхо-димости ремонтируют футеровку.Раздельный слив стали и шлака не-

обходим, так как при этом исключается переход серы и фосфораиз шлака в сталь.

Конвертер поворачивается вокруг своей горизонтальной осина цапфах 5 при помощи приводных механизмов. Рабочее поло-жение конвертера вертикальное. По оси конвертера сверху опус-кается охлаждаемая водой фурма 2, по которой под давлением1,6... 1,8 МПа подается технически чистый кислород. Вместимостькислородных конвертеров 50... 500 т.

В конвертерном производстве стали 70...85 % металлошихты со-ставляет жидкий чугун, остальное — лом.

Рассмотрим технологию плавки и физико-химические процес-сы, происходящие в кислородном конвертере.

В свободный наклоненный конвертер загружают лом, затем за-ливают необходимое количество жидкого чугуна с температуройболее 1 320 °С. Загрузка и заливка конвертера вместимостью 300 тпродолжается около 5 мин.

52

В поставленный вертикально конвертер вводится фурма и на-чинается продувка металла кислородом. Подвод кислорода интен-сивен, поэтому реакции окисления примесей в конвертере про-текают с высокой скоростью. Начало продувки совмещается с за-грузкой в конвертер флюсов и металлодобавок. При окислениипримесей температура под фурмой поднимается до 2 500 °С, чтоспособствует более быстрому протеканию процессов окисления ишлакообразования.

Более прогрессивной является комбинированная продувка: че-рез днище, верхнюю и боковые фурмы, что позволяет перераба-тывать больший процент лома.

При воздействии струи кислорода в основном окисляется же-лезо (в ванне его 95 %, остальное — примеси) по реакции (2.1).Образующийся оксид железа, растворяясь в шлаке, постоянноперемешивается с металлом. Вследствие этого примеси чугуна награнице металл — шлак интенсивно окисляются оксидом железапо реакциям (2.8) — (2.10). Часть оксида железа растворяется в ме-талле, обогащая его кислородом:

[FeO] = [Fe] + [О]

Поэтому окисление примесей может проводиться также кис-лородом, вдуваемым в конвертер через фурму, по реакциям (2.2) —(2.4) и кислородом, растворенным в металле, по реакциям (2.5) —(2.7).

В кислородном конвертере благодаря наличию основных шла-ков, в которых наряду с СаО имеется оксид железа FeO, и пере-мешиванию металла и шлака достаточно легко протекает реакциядефосфорации (2.11), образующийся при этом фосфат кальцияудаляется в шлак.

Продукты реакции десульфурации (2.18) — сульфиды такжеудаляются в шлак. Основный шлак в конвертере вследствие содер-жания в нем значительных количеств оксида железа FeO затруд-няет процесс десульфурации. Дополнительно около 10... 20 % серыв процессе плавки удаляется в газовую среду.

Продувка конвертера прекращается по достижении заданногохимического состава и требуемой температуры металла. Время про-дувки конвертера вместимостью 130...300 т составляет 12...20 мин.Для отбора проб конвертер наклоняют, на это отводится около 6 мин.Общая длительность плавки в конвертерах составляет 25...50 мин.Производительность конвертера вместимостью 300 т достигает400...500 т/ч.

Одновременно с выпуском стали производится ее раскислениеи легирование. Эти операции проводятся либо в конвертере, либов ковше.

Последними операциями плавки являются слив стали и шла-ка, после которых производят осмотр футеровки печи.

53

Конвертерный процесс является самым высокопроизводитель-ным способом производства стали. В конвертерах выплавляют ста-ли обыкновенного качества и качественные, низкоуглеродистыеи низколегированные.

Недостатком кислородно-конвертерного производства являет-ся большое пылеобразование, связанное с сильным окислениеми испарением железа, что приводит к значительному угару метал-ла (6...9 %). Величина угара значительно больше, чем при другихспособах получения стали. Это требует обязательного сооруженияпри конвертерах сложных и дорогостоящих пылеочистительныхустановок.

2.3.5. Производство стали в мартеновских печах

Устройство печи. Мартеновская печь является пламенной реге-неративной печью (рис. 2.3). В рабочем пространстве печи сжигает-ся газообразное или жидкое топливо. Необходимая высокая тем-пература для выплавки стали обеспечивается за счет регенерациитеплоты отходящих газов. Мартеновская печь имеет верхнее и ниж-нее строение.

Верхнее строение мартеновской печи состоит из рабочего про-странства 6, в котором симметрично расположены головки 5 для

подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Головкисоединены с нижним строением печи вертикальными газовыми 3и воздушными 4 каналами.

Плавильное пространство печи ограничено передней стенкойс рабочими (завалочными) окнами 9, задней стенкой с выпуск-ным отверстием, снизу — подиной 7 и откосами, сверху — сво-дом 8, с торцов — головками 5. Через рабочие окна в печь загру-жают шихту и по ходу плавки дополнительные материалы, удаля-ют и наводят шлак, берут пробы металла и шлака. Через отверстиев задней стенке, находящееся на уровне подины, производят вы-пуск стали и шлака. На время плавки отверстие забивают магнези-товым порошком.

Нижнее строение мартеновской печи расположено под рабо-чей площадкой. Оно состоит из шлаковиков (на рис. 2.3 не показа-ны), в которых происходит отделение частиц шлака и пыли отдымовых газов, выходящих из рабочего пространства печи, газо-вых 1 и воздушных 2 регенераторов с насадками 10 и боровов 11 сперекидными устройствами 12.

В рассматриваемом рисунке показана работа мартеновской печипри поступлении топлива и воздуха с правой стороны; стрелкамипоказано движение газов. В рабочем пространстве печи топливосмешивается с воздухом и сгорает с образованием факела пламе-ни, имеющего температуру 1 800... 1 900 "С. Газообразные продук-ты горения поступают в каналы противоположной левой голов-ки, затем в вертикальные каналы, шлаковики и регенераторы. Тем-пература дымовых газов, поступающих в регенераторы, составля-ет 1 500... 1 550°С.

Регенераторы представляют собой камеры с выложенными ввиде ячеек насадками из шамотного кирпича. При прохождениидымовых газов насадки одной пары регенераторов, в нашем слу-чае левых, нагреваются до 1 300... 1 400 °С. После поворота пере-кидных устройств движение топлива, воздуха и газов меняется напротивоположное. Через один из нагретых регенераторов в рабо-чее пространство направится газообразное топливо, через дру-гой — воздух. Проходя через насадки, они нагреваются до1 100... 1 200 "С. В это время другая пара регенераторов нагревает-ся, аккумулируя теплоту отходящих газов. После охлаждения на-садок первой пары регенераторов до определенной температурыпроисходит очередной поворот перекидных устройств и процессповторяется в обратном направлении. Из регенераторов дымовыегазы идут по боровам в дымовую трубу, по пути проходят черезкотел-утилизатор и газоочиститель.

Мартеновские печи, работающие на жидком топливе (мазуте),с каждой стороны имеют только по одному регенератору для по-догрева воздуха, что значительно упрощает конструкцию и эксп-луатацию печей.

55

В качестве газообразного топлива обычно используют смесьдоменного и коксового газов. В последнее время широко применя-ют природный газ, который добавляют к коксово-доменной газо-вой смеси. Воздух для сжигания топлива дополнительно обогаща-ют кислородом (до 25...30 %). Форсунки и устройства для подачимазута, природного газа и кислорода в факел расположены в го-ловках мартеновской печи.

Обычно применяют стационарные мартеновские печи, нодля выплавки стали из фосфористых чугунов и облегчения ска-чивания шлака используют качающиеся печи. Рабочее простран-ство качающихся печей заключено в прочный стальной кожух,рама которого опирается на катки и имеет возможность повора-чиваться.

Рабочее пространство печи футеровано огнеупорным кирпи-чом. В зависимости от вида футеровки различают основные и кис-лые мартеновские печи.

В основных печах подину и откосы выкладывают основным маг-незитовым кирпичом, а сверху наваривают слой магнезитовогоили доломитового порошка. Подвесной свод выполняют из хро-момагнезитового кирпича. Использование основной футеровкипозволяет загружать в печь известь, получать основный шлак иудалять вредные примеси — серу и фосфор.

В кислых печах подину и откосы футеруют динасовым кирпи-чом, а верхний слой наваривают кварцевым песком. Свод печитакже выполняют из динаса. Из-за невозможности удаления серыи фосфора кислый процесс применяют значительно реже основ-ного. В кислых печах в качестве шихты используют либо чистые посере и фосфору чугун и стальной лом, либо переливают расплав-ленный металл из основной печи после удаления из нее вредныхпримесей в кислую {дуплекс-процесс: основная — кислая марте-новская печь). Сталь, выплавленная в кислых мартеновских пе-чах, содержит меньшее количество растворенных газов, лучшераскислена, характеризуется меньшим содержанием неметалли-ческих включений, оптимальной формой и равномерным распре-делением в объеме металла.

Плавка стали. Обычно основную мартеновскую плавку ведутскрап-процессом или скрап-рудным процессом.

Скрап-процесс. Плавку стали в основных мартеновских печахскрап-процессом в отличие от скрап-рудного процесса ведут на техзаводах, где нет доменных печей и жидкий чугун не производится.Основный скрап-процесс обычно применяют в печах малой вме-стимости (до 100 т) на машиностроительных заводах.

Процесс плавки стали в мартеновской печи состоит из несколь-ких последовательных периодов: заправки печи, завалки шихто-вых материалов, их плавления, периода кипения или доводки,раскисления и выпуска металла.

56

В процессе эксплуатации печи ее под, стенки и откосы изна-циваются. Для поддержания в рабочем состоянии их поверхность

периодически обновляют, осуществляя заправку печи. Для за-давки печи применяют обожженный, молотый и просеянныйдоломит или металлургический магнезит, а иногда дробленый до-

ломит. На заправку печи затрачивают минимальное время, чтобыисключить окисление пода. Обычно эта операция занимает не бо-лее 15 мин. Заправку заканчивают заделкой выпускного отверстиямагнезитовым порошком.

Чем быстрее производят завалку, тем меньше продолжитель-ность плавки. На под загружают мелкий чистый лом (10... 20 % отобщего количества стального лома в шихте); на лом — известняк(6...7 % массы металлической шихты). Иногда вместо известнякаприменяют известь, что сокращает плавку стали и уменьшает рас-ход чугуна в шихте. Поверх известняка загружают боксит, послечего в течение 10... 15 мин прогревают известняк. На прогретыйизвестняк заваливают передельный чугун (10... 15 % от массы ме-таллической шихты), затем стальную стружку, на которую пода-ют крупный лом. После хорошего прогрева металлической частишихты загружают остальной чугун.

Период плавления в печах, работающих скрап-процессом, длитсяусловно от конца завалки до полного расплавления шихты и яв-ляется самым длительным периодом работы мартеновской плав-ки. Во время плавления чугуна и лома происходит образованиешлака и удаление фосфора. При плавлении полностью окисляют-ся кремний и частично углерод, марганец, фосфор. Из оксидов(SiO2, MnO, FeO, CaO) образуется жидкий шлак, покрывающийметалл, в результате чего прекращается непосредственный кон-такт металла с кислородом печных газов. Дальнейшее окислениепримесей металла происходит через слой шлака за счет раство-ренного в нем FeO. Фосфор удаляется в результате протеканияследующих экзотермических реакций:

2Р + 5FeO = Р2О5 + 5Fe + Q

P2O5 + 3FeO = P2O5-3FeO + Q

Р2О5 • 3FeO + ЗСаО = Р2О5 • ЗСаО + 3FeO + Q

Период плавления для дефосфорации наиболее благоприятен:в это время температура металла низкая и активный железистыйшлак имеет достаточную основность. Во избежание восстановле-ния фосфора из шлака в металл большую часть шлака после егорасплавления скачивают и наводят новый шлак с введением до-полнительных порций извести.

В период кипения тепловой режим печи форсируют, вводя не-большими порциями железную руду для окисления углерода ме-талла:

57

С + FeO = Fe + CO - Q

Пузырьки оксида углерода проходят сквозь толщу металла ивызывают его кипение. При кипении происходит энергичное пе-ремешивание металла, что облегчает удаление газов, всплытие вшлак взвешенных неметаллических включений и равномерныйпрогрев металла по глубине ванны. Оптимальная длительностькипения обеспечивается при выгорании 0,4...0,6% углерода.

Эффективная десульфурация стали с удалением серы в шлакпроисходит в конце периода кипения:

FeS + СаО = CaS + FeO

Этому способствует высокая температура металла и шлака,высокая основность шлака и снижение в нем содержания FeO.

После удаления вредных примесей и получения заданной кон-центрации углерода производят раскисление стали. Этот процесспроводят в два этапа: предварительное раскисление в печи и окон-чательное — в ковше. Ферромарганец и доменный ферросилиций(12% Si) вводят в печь, ферросилиций (45% Si) и алюминий —в ковш во время выпуска стали. Основным скрап-процессом вы-плавляют только спокойную сталь.

Если выплавляется легированная сталь, то неокисляющиеся встальной ванне легирующие элементы (никель, медь, молибден)вводят в завалку или по ходу плавки. Слабоокисляющиеся эле-менты (хром, марганец) вводят в печь в виде ферросплавов послепредварительного раскисления, сильно окисляющиеся элементы(кремний, титан, ванадий, алюминий, бор) вводят в ковш привыпуске стали.

Скрап-рудный процесс применяют на больших металлургичес-ких заводах, имеющих жидкий чугун. Плавку обычно ведут как всредних, вместимостью 150...400 т, так и в крупных мартеновс-ких печах вместимостью 600 т и более. В качестве шихты в печьзагружают стальной лом (20...40%) и заливают жидкий чугун(60...80%). Содержание чугуна в шихте увеличено по сравнениюсо скрап-процессом. Из-за повышенного содержания примесейокислительные процессы форсируют, вводя в завалку твердыеокислители — железную руду или агломерат, что и определяетназвание процесса. Основные периоды и протекающие при этомреакции те же, что и при скрап-процессе.

Для интенсификации процесса в период плавления и кипенияметалла применяют кислород, который обогащает воздух при сжи-гании топлива в процессе продувки ванны через специальныефурмы, расположенные в своде печи. При использовании кисло-рода производительность мартеновских печей повышается на20...25% при одновременном снижении расхода топлива на10...20%.

58

Скрап-рудным процессом выплавляют углеродистые стали мас-сового применения, скрап-процессом — углеродистые и легиро-ванные стали. Вместе с тем скрап-рудный процесс экономичнеескрап-процесса.

Вместимость современных мартеновских печей достигает 900 т,а продолжительность плавки — 1... 12 ч в зависимости от вмести-мости печи и условий производства. Производительность марте-новских печей зависит от массы плавки, процесса работы печи,вида топлива и т.д.

Наибольшая производительность достигает 80 т/ч в печах боль-шой вместимости. Кислые печи имеют, как правило, меньшуювместимость, чем основные, продолжительность плавки в нихзначительно больше, что ведет к снижению их производительно-сти.

2.3.6. Производство стали в электрических печах

Электроплавка — наиболее совершенный способ получениястали, имеющий ряд преимуществ по сравнению с производствомстали в конвертерах и мартеновских печах. Простота регулировкитеплового режима и высокие температуры процесса позволяютиспользовать шлаки высокой основности, что облегчает болееполное удаление из металла вредных примесей. Восстановитель-ная атмосфера печи способствует глубокому раскислению стали.В электрических печах выплавляют высококачественные конструк-ционные, инструментальные, жаростойкие и другие специальныестали и сплавы. Для выплавки стали применяют дуговые и индук-ционные электрические печи.

Дуговые электрические печи. Вместимость наиболее широкоприменяемых дуговых печей колеблется в широких пределах от 0,5до 360 т. Печи средней и большой вместимости обычно использу-ют на металлургических заводах для получения слитков, а печималой вместимости — на машиностроительных предприятиях припроизводстве стальных отливок. Источником теплоты в печах яв-ляется электрическая дуга, которая возникает между графитовы-ми электродами и металлической шихтой.

Схема устройства дуговой электропечи с тремя электродамиприведена на рис. 2.4. Печь имеет цилиндрический сварной кожухс плоским или сферическим дном. Изнутри печь футерована огне-упорным кирпичом. Сверху печи расположен съемный свод 8 стремя отверстиями для электродов, снизу — подина 6. Электроды 9удерживаются электрододержателями и автоматически перемеща-ются в вертикальной плоскости с помощью механизма подъема иопускания электродов 10. Механизм наклона печи 3 позволяет ус-танавливать печь под углом к ее вертикальной оси, при этом сек-тор наклона печи 5 перемещается по ее опоре 4. При выпуске

59

стали печь наклоняют в сторону выпускного отверстия, имеюще-го желоб для выпуска металла 7, при скачивании шлака — в сто-рону загрузочного окна.

К первичной обмотке трансформатора 1 печи подводится пе-ременный ток высокого напряжения 6...30 кВ, который на вто-ричной обмотке преобразуется в ток низкого напряжения несколь-ких ступеней от 90 до 280 В. К электрододержателям ток подво-дится по гибким токопроводящим кабелям 2 и медным шинам.

Шихта состоит из стального и чугунного лома, легированныхотходов, чушкового чугуна, флюсов, железной руды, легирую-щих добавок. Загрузку шихты в печь производят сверху с помо-щью бадьи с открывающимся дном или грейфером. Лишь печималой вместимости загружают шихтой через загрузочное окно.

Плавка в электродуговых печах ведется основным и кислымпроцессами. Чаше применяют основный процесс. При этом про-цессе футеровка подины и стен печи выполняется из основныхогнеупоров (магнезит, доломит), при кислом процессе — из кис-лых (динас).

Применение кислорода позволяет значительно интенсифици-ровать процесс плавки, ускорить окисление углерода и другихпримесей. Вдувание кислорода в ванну сокращает время расплав-ления шихты и нагрева металла, что уменьшает длительность окис-лительного периода. При этом уменьшается опасность дополни-тельного загрязнения металла неметаллическими включениями игазами. Особенно целесообразно применение кислорода при вы-плавке коррозионно-стойких и других сталей с низким содержа-нием углерода. Применение кислорода сокращает продолжитель-

60

ность электроплавки на 30...35%, снижает расход электроэнер-гии на 20... 25 % с одновременным улучшением качества стали.

После окончания окислительного периода начинается восста-новительный период плавки. Основными задачами восстановитель-ного периода являются раскисление стали, удаление серы, кор-ректировка химического состава и температуры металла.

Сразу после скачивания окислительного шлака сталь раскис-ляют, присаживая на зеркало металла раскислители в виде моло-тых ферромарганца, ферросилиция и др. Затем наводят новый из-вестковый шлак в количестве 2...3,5 % от массы металла. Для бо-лее глубокого раскисления металла шлак дополнительно обраба-тывают смесью раскислителей с порошком кокса. Раскислениешлака способствует восстановлению FeO.

В ходе восстановительного периода в печи образуется белыйшлак с малым содержанием FeO и высокой основностью.

Белый шлак обеспечивает глубокую десульфурацию стали:

FeS + С + СаО = CaS + Fe + CO

MnS + С + СаО = CaS + Mn + CO

Более глубокая десульфурация металла в электропечах по срав-нению с мартеновскими печами обусловлена повышенной темпе-ратурой процесса, высокой основностью шлака и низким содер-жанием в нем оксидов железа.

Плавка завершается введением в печь небольших количествраскислителя (ферросилиция), а затем легирующих элементов.После этого перед выпуском стали в ковш делают небольшуювыдержку до их полного усвоения.

После каждой плавки и выпуска стали осматривают поверх-ность футеровки печи и при необходимости производят ее заправкупорошкообразным огнеупором.

Технико-экономические показатели электродуговых печей за-висят от их вместимости и технологии ведения плавки. С увеличе-нием вместимости расход электроэнергии на 1 т стали уменьша-ется. Для печей вместимостью 100 т расход электроэнергии со-ставляет в среднем 575 кВт/ч; расход графитовых электродов —6...9 кг/т стали.

Плавку в кислых электродуговых печах обычно применяют влитейных цехах при производстве фасонных стальных отливок. Печиимеют кислую футеровку, и плавка ведется под кислым шлаком,содержащим до 65 % SiO2. Из-за невозможности удаления вредныхпримесей в шихте используют только чистые исходные материа-лы (стальной лом и отходы собственного производства). В окисли-тельный период вводят небольшие порции железной руды, чис-той по сере и фосфору. Кипение ванны при кислом процессе так-же важно для качества стали, как и при основном, так как в этот

61

период металл перемешивается и из него удаляются газы и неме-таллические включения. После окислительного периода шлак ча-стично обновляют, вводя свежие шлакообразующие добавки -.кварцевый песок, шамотный бой и др. Шлак раскисляют моло-тым ферросилицием и коксом. После получения заданного содер-жания углерода проводят раскисление стали силикомарганцем иалюминием.

Плавка в кислой электродуговой печи является одношлаковымпроцессом и имеет меньшую продолжительность, чем при основ-ном процессе. Кислая футеровка дешевле основной и более стой-кая, чем основная. Полученный металл имеет меньшую газонасы-щенность и повышенную жидкотекучесть, что особенно важно дляпроизводства фасонных отливок. Вместимость таких печей 1... 5 т.

В индукционных электрических печах источником теплоты явля-ются индукционные вихревые токи, возникающие в проводнике поддействием переменного электромагнитного поля. Вместимость ин-дукционных печей колеблется от нескольких килограммов до 90 т.

Наиболее распространенный тип индукционных печей — ти-гельные бессердечниковые печи (рис. 2.5). В немагнитном кожухе 3помещается многовитковый спиральный индуктор 1 (из меднойтрубки с водным охлаждением) и огнеупорный плавильный ти-гель 2. Печь устанавливают на фундаменте 6, она имеет поворот-ное устройство 5 для слива металла по желобу 4.

Индукционные печи могут иметь основную и кислую футеров-ку. В зависимости от этого тигли изготавливают набивкой из по-рошков основных или кислых огнеупорных материалов — кварци-та, плавленого магнезита, алунда, двуокиси циркония, а такжеиз графита.

Через индуктор пропускается электрический ток, возбуждаю-щий вокруг переменное магнитное поле. Ток подается к индукто-ру помощью гибкого кабеля или медных шин. В металле, находя-щемся в тигле индуцируются мощные вихревые токи, обеспечи-

вающие его нагрев и плавление.В качестве кислых флюсов в печах с кислой футеровкой приме-

няют битое стекло, в печах с основной футеровкой — флюс, со-стоящий из извести и плавикового шпата (CaF3).

Шихту составляют из чистых от вредных примесей материалови загружают в тигель сверху. Расчет шихты ведут так, чтобы порасплавлении получить металл заданного состава с учетом воз-можного угара. Во время плавления в тигель вводят шлаковую смесьна основе извести или кремнезема (в зависимости от вида футе-ровки печи). Шлаковый покров уменьшает тепловые потери, сни-жает угар легирующих элементов и предохраняет расплавленныйметалл от интенсивного поглощения им газов из атмосферы.

После полного расплавления подводимую мощность снижаютдо 30...40% от максимальной и берут пробу на химический ана-лиз. При достижении необходимой температуры металла и полу-чении результатов анализа проводят раскисление.

В индукционных печах сталь выплавляют методом переплава.Преимуществом индукционной печи является возможность дос-тижения весьма высоких температур металла, что позволяет вы-плавлять различные высоколегированные стали и сплавы специ-ального назначения. Под действием электромагнитного поля ин-дуктора в тигле происходит интенсивная циркуляция жидкогометалла, что способствует перемешиванию и получению одно-родного химического состава сплава, облегчает его дегазацию ивсплывание неметаллических включений. Вместе с тем в индук-ционных тигельных печах мала интенсивность взаимодействияшлаков с ванной металла, что ограничивает возможности управ-ления процессом плавки путем изменения состава шлаков.

Индукционные печи позволяют вести плавку в любой конт-ролируемой атмосфере или в вакууме в специальных установ-ках. Вакуум в рабочем пространстве таких установок достигает

1,4 Па.Выплавка в вакуумных индукционных печах позволяет полу-

чить плотный металл с минимальным содержанием газов и неме-таллических включений.

2.3.7. Разливка стали и строение слитка

Разливка в изложницы. После выпуска из печи жидкую стальразливают в изложницы, в которых получают слитки различнойформы. В дальнейшем слитки служат заготовками для прокатных икузнечных цехов.

63

Сталь выпускают в стопорные ковши, соответствующие емкости печи. Ковш имеет сварной кожух 7 (см. рис. 4.16, г), которыеизнутри выкладывается футеровкой 8 из шамотного кирпича. Спе-циальный стопор 1, представляющий собой металлическую штан-гу с нанизанными на нее кольцами из шамота, закрывает отвер-стие огнеупорной пробкой 3 в стопорном стакане 4, находящемсяв днище ковша. С помощью рычажной системы 2 стопор имеет воз-можность перемешаться в вертикальном направлении, что позволя-ет регулировать скорость истечения жидкого металла 5через стопор-ный стакан 4 при заполнении чугунной изложницы. В конце заливкишлак 6, закрывавший поверхность стали, остается на дне ковша.

При затвердевании стали ее объем уменьшается примерно на4...6% что приводит к образованию усадочной раковины и уса-дочной пористости. При разливке спокойной стали все пустотыдолжны быть выведены из тела слитка в его верхнюю (прибыль-ную) часть, которая при дальнейшем переделе отрезается и идетв переплав. Выведение пустот достигается применением утеплен-ных прибыльных надставок, футерованных изнутри огнеупорнымматериалом. Надставка на изложнице замедляет процесс охлажде-ния верхней части слитка, что обеспечивает благоприятные усло-вия питания его расплавом в процессе затвердевания и увеличи-вает плотность нижней части слитка.

Объем прибыльной части слитка спокойной стали составляет12...20 %, что существенно снижает выход годного, т.е. доли ос-тавшейся качественной части слитка (%) от его первоначальноймассы.

При разливке кипящей стали утепленные прибыли не нужны,так как выделяющиеся в металле пузырьки оксида углерода полно-стью компенсируют усадку и усадочная раковина не образуется.

Расплав, выпущенный в предварительно подогретый ковш,выдерживают 10... 15 мин для выравнивания состава и всплытиянеметаллических включений и газов. После этого ковш направля-ют на разливку или в изложницы, либо на установку для непре-рывной разливки стали.

Разливка стали в изложницы 4 (рис. 2.6) из ковша 1 произво-дится двумя способами: либо сверху (рис. 2.6, а) непосредственноиз донного отверстия ковша через промежуточную воронку 2 илибез нее, либо снизу (рис. 2.6, б) — путем заливки стали сифон-ным методом через центровую воронку 8 с вертикальным сто-яком 5, установленным на поддоне 7. В обоих случаях изложницы 4имеют прибыльные надставки 3.

Сифонный способ заливки обеспечивает спокойное заполне-ние изложниц сталью через систему каналов сифонных прово-док 7, способствует задержанию шлака на пути к изложнице ипозволяет одновременно через центральный стояк заливать не-сколько изложниц.

64

Чаще всего отливают слитки массой 1...20 т, иногда 100 т иболее. Для изготовления крупных слитков применяют заливкусверху, мелких — сифонный способ.

Сифонная заливка предпочтительнее, так как при ней поверх-ность слитка гораздо чище и ровнее. Это связано с тем, что брыз-ги металла, неизбежные при заливке расплава сверху, попадая нахолодные стенки изложницы, застывают и не всегда в дальней-шем сплавляются с основным металлом. Однако разливка сифон-ным способом требует более высокой температуры заливаемойстали, увеличивает ее потери на литники и усложняет подготовкук разливке. При сифонной разливке в стали реже встречаются не-металлические шлаковые включения, но существует опасность еезагрязнения неметаллическими включениями из-за размываниякирпича сифонных проводок.

Для разливки применяют два вида изложниц: для спокойной икипящей стали. С учетом условий кристаллизации металла излож-ницы для разливки спокойной стали имеют расширение кверху,Кипящей стали — расширение книзу.

Строение слитка спокойной стали, разрезанного вдоль верти-кальной оси, показано на рис. 2.7.

J Безпалько 65

Залитая в изложницу сталь уповерхности и внутри слитка за-.твердевает с разной скоростьюПоверхностный слой образует зонумелких равноосных кристаллов зкоторая формируется в моментконтакта расплава стали с холод-ной стенкой изложницы. После об-разования на поверхности слиткатвердой корки происходит усадкаметалла, и слиток отходит от по-верхности изложницы. В результа-те скорость охлаждения замедля-ется, что способствует росту кри-сталлов, направленных к центруслитка перпендикулярно охлажда-ющей поверхности изложницы(зона столбчатых кристаллов 4).Внутренняя часть слитка охлажда-ется медленнее, чем наружная,поэтому в ней кристаллы ориен-тированы в разные стороны (зонакрупных равноосных кристаллов 5).В верхней части слитка выше ли-нии сечения Л—А образуются пу-стота — усадочная раковина / иусадочная пористость 2 Эта частьслитка настолько засорена неме-таллическими включениями, что

ее нельзя использовать. Поэтому верхнюю (прибыльную часть)слитка вместе с усадочной раковиной перед прокаткой или ков-кой удаляют.

Часть первичных кристаллов, образующихся в центре, можетопускаться вниз, на дно слитка, и увлекать за собой неметалли-ческие включения. Поэтому у слитков, предназначенных для от-ветственных поковок, удаляют донную часть 6, лежащую нижелинии сечения Б—Б. Для изделий используют только здоровую(качественную) часть слитка, составляющую 68...75 % массы слит-ка. В крупных слитках неоднородность наблюдается ближе к цент-ру и к верхней части слитка, особенно в зоне 2.

Изменяя скорость охлаждения слитка и вводя специальныедобавки — модификаторы, можно регулировать величину указан-ных зон.

Непрерывная разливка является более совершенной по сравне-нию с разливкой стали в изложницы. Такая разливка позволяетуменьшить отходы и повысить качество слитка. Это обусловлено

тем, что вся жидкая сталь затвердевает в виде одного непрерыв-ного слитка нужного профиля и неограниченной длины. Такойслиток, разрезанный на мерные длины, используется затем в про-катных цехах при производстве листа или сортового проката.

Схема установки непрерывной разливки стали (УНРС) приве-дена на рис. 2.8. Сталь из разливочного ковша / поступает в пред-варительно подогретый промежуточный ковш 2, а оттуда в по-лость интенсивно охлаждаемого медного кристаллизатора 3. Пе-ред началом разливки в кристаллизатор вводят специальную за-травку, имеющую то же сечение и размер, что и полость кристал-лизатора. Верхний торец затравки в первые моменты литья служитДном кристаллизатора, а нижний находится между тянущими вал-ками 5. Частично затвердевший слиток протягивают сквозь крис-таллизатор, после которого слиток поступает в зону вторичногоохлаждения 4. Режим вторичного охлаждения должен обеспечитьбыстрое затвердевание слитка. Вода из форсунок поступает на по-верхность слитка, который в результате интенсивного охлажде-ния успевает затвердеть раньше, чем достигнет валков 5 тянущейклети, продвигающих слиток через установку. По мере продвиже-ния по роликам горизонтального рольганга 7 затвердевший сли-ток разрезают на заготовки заданной длины с помощью специ-альных (летающих) ножниц 6 или газокислородных резаков и за-тем передают в прокатный цех или на склад.

67

Слитки, получаемые на УНРС, не имеют усадочных раковин \пор, однако на их поверхности часто образуются трещины, выз„ванные перепадом температур по сечению и большими усилиямипри вытягивании слитка из кристаллизатора. Эти слитки по срав-нению со слитками, полученными в изложницах, отличаютсяравномерностью структуры, свойств и химического состава по все-му сечению.

2.3.8. Контроль плавки и способы повышения качествастали

Контроль плавки при производстве стали ведут по пробам ме-талла, которые берут специальной металлической ложкой. Преждечем опустить ложку в металл, ее покрывают слоем шлака длятого, чтобы она не расплавилась. После этого зачерпывают ме-талл и выливают его в маленькую форму или на металлическуюплиту. При сливе жидкой стали на плиту можно сделать заключе-ние о температуре разогрева металла. Горячий металл легко рас-текается по плите и приваривается к ней. Более точные данные отемпературе металла получают при измерении температуры припомощи термопар или оптических пирометров.

Пробу, залитую в форму, подвергают химическому или спект-ральному анализу в экспресс-лаборатории. В течение плавки про-бы берут до тех пор, пока не получат металл заданного состава.

Для проверки степени раскисленности металла берут техноло-гическую пробу, для чего отливают образец и куют его в горячемсостоянии. Нераскисленный металл содержит FeO и при ковкеобразец дает трещины. Раскисленный металл при ковке не разру-шается и не имеет трещин.

Механические испытания проводят на стандартных образцахЕсли необходимо, определяют макро- и микроструктуру стали

Кроме проб металла, берут пробы шлака. Пробы необходимыдля определения его жидкотекучести, цвета и в отдельных слу-чаях — химического состава.

Присутствующие в стали неметаллические включения (окси-ды, нитриды, сульфиды) и газы (водород, азот) резко снижаютее прочностные и эксплуатационные характеристики. В связи сэтим разработано большое количество способов очистки стали,которые можно разделить на две группы.

К первой группе относятся способы, которые предусматриваютрафинирующую обработку стали после ее выпуска из печи передзаливкой в изложницы, обработка расплава стали синтетически-ми шлаками в ковше, продувка стали инертными газами и вакуУ'мирование.

Ко второй группе относятся способы, предполагающие повтор-ный переплав стали после ее затвердевания в изложницах. Шире

68

ко применяются электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электрон-но-лучевой, плазменно-дуговой переплавы и их сочетания.

Обработка жидкой стали синтетическими шлаками проводитсяс целью ее раскисления, дополнительной очистки от вредныхпримесей и неметаллических включений. Для рафинирования обыч-но применяют двухкомпонентный известково-глиноземистыйшлак, содержащий 55 % СаО и 45 % А12О3. Шлак выплавляют вотдельной электродуговой печи с футеровкой из графита. Благо-даря сравнительно невысокой температуре плавления (1450°С)такой шлак жидкоподвижен, активен и обладает хорошей десуль-фирующей способностью.

Для обработки стали порцию шлака с температурой примерно1 650 °С в количестве 5... 6 % от массы стали заливают на дно ста-леразливочного ковша. Ковш подают к желобу сталеплавильногоагрегата и выпускают сталь. Струя жидкой стали падает с большойвысоты на слой шлака в ковше, разбрызгивается на множествокапель и энергично перемешивается со шлаком. Поверхность вза-имодействия металла и шлака резко увеличивается, что способ-ствует интенсивному удалению вредных примесей. Металл рас-кисляется, неметаллические включения в значительной мере пе-реходят в шлак. В результате возрастают прочностные характерис-тики получаемой стали.

Синтетическими шлаками обрабатывают сталь, полученную вконвертерах, мартеновских печах и крупных электропечах.

При продувке инертными газами из стали удаляют растворен-ные газы и неметаллические включения, а также выравниваюттемпературу и химический состав в ковше перед разливкой. Обычнодля продувки используют аргон под давлением 0,2... 0,5 МПа. Про-дувку ведут либо через пористые огнеупорные вставки в днищековша, либо через футерованную фурму, опускаемую сверху вковш с металлом. При всплытии пузырьков аргона в них перехо-дят водород и азот, растворенные в стали, и таким образом оничастично удаляются из металла.

Вакуумную дегазацию (вакуумирование) жидкой стали прово-дят с целью удаления растворенных в ней газов и уменьшениясодержания неметаллических включений. Вакуумирование произ-водят в ковше, помещенном в вакуумную камеру. Обработка ста-ли проводится под давлением 0,05...0,1 Па и длится 10... 12 мин.

Выделение газов при вакуумировании стали вызывает бурноекипение, перемешивание металла и удаление вместе с газаминеметаллических включений. Азот и водород переходят в газовуюфазу, и их концентрация в металле снижается. После этого давле-ние в камере выравнивают с атмосферным, и сталь из ковша раз-ливают обычным способом.

Получение слитков в вакууме применяется в основном при про-изводстве высококачественных и некоторых высоколегированных

69

марок стали. При разливке в вакууме из стали удаляются примерно60 % растворенного в ней водорода и других газов, уменьшаетсяколичество неметаллических включений, повышаются механичес-кие и технологические свойства стали. Однако стоимость слитков,полученных после такой обработки расплава, значительно выше.

Способ электрошлакового переплава (ЭШП) расходуемых элек-тродов в водоохлаждаемом кристаллизаторе нашел широкое при-менение для получения коррозионно-стойких, подшипниковых,инструментальных и других сталей специального назначения. Пе-реплаву подвергают ранее выплавленный в дуговой печи и прока-танный на круглые прутки металл. Электрошлаковый переплавсчитается наиболее эффективным методом рафинирования, таккак после него содержание серы в металле снижается почти в2 раза, уменьшается количество оксидов, неметаллических вклю-чений и растворенных газов.

Схема установки электрошлакового переплава приведена нарис. 2.9. Между электродом 1 из переплавляемой стали и наплав-ляемым слитком 6 находится слой электропроводящего шлака 3.который предварительно плавят в дуговой электропечи и залива-ют в кристаллизатор 2. В состав шлака входят А12О3, СаО и CaF2.

При прохождении электричес-кого тока через шлак выделяетсятеплота, нагревающая его до тем-пературы 1 700 °С. Металл расхо-дуемого электрода плавится, кап-лями стекает сквозь слой шлака иобразует металлическую ванну 5.расположенную на поддоне 7. Спо-соб обеспечивает большую пло-щадь соприкосновения металла сошлаком и усиливает протеканиепроцессов рафинирования стали.

Под слоем шлака в кристалли-заторе постепенно наплавляетсяслиток. Направленная кристалли-зация металла способствует полу-чению плотного однородногослитка. Слитки выплавляют круг-лого, квадратного и прямоуголь-ного сечения с массой до несколь-ких десятков тонн.

Вакуумно-дуговой переплан(ВДП) применяется для улучше-ния свойств стали в процессе об-работки ее вакуумом. Вакуумнаядуговая печь имеет вакуумную ка-

70

меру, в которой располагается расходуемый электрод, изготов-ленный из слитка переплавляемой стали. Давление в рабочейкамере поддерживается на уровне 12... 13 Па. Электрическая дугав печи горит между переплавляемым электродом и ванной жид-кого металла. В кристаллизаторе накапливается расплав и форми-руется слиток. Подвергаемый воздействию высоких температуркристаллизатор имеет систему водоохлаждения, что позволяетпроводить переплав тугоплавких металлов (Mo, Nb, Та, Zr, TiИ ДР-)-

Вакуумно-дуговой переплав хорошо очищает расплав от газови неметаллических включений. Повышение свойств металла дос-тигается благодаря вакуумной обработке и направленной снизувверх последовательной кристаллизации слитка. Методом ВДПможно выплавлять слитки большой массы (60 т и более).

Для глубокого рафинирования стали и сплавов используют ус-тановки электронно-лучевого переплава (ЭЛП). Для нагревания иплавления металла в них используется кинетическая энергия по-тока электронов, излучаемых высоковольтной катодной пушкой,в которой фокусируется конусообразный электронный луч. Прибомбардировке находящегося в вакуумной камере расходуемогоэлектрода пучком электронов большой мощности кинетическаяэнергия электронов переходит в тепловую, металл расплавляетсяи заполняет кристаллизатор. Формирующийся слиток по мере на-плавления вытягивается в нижнюю часть установки. Глубокий ва-куум в сочетании с благоприятными условиями затвердевания вводоохлаждаемом кристаллизаторе позволяет получать особо чис-тый металл с высокими механическими свойствами.

В настоящее время применяются электронно-лучевые плавиль-ные установки с мощностью катодных пушек до 7 500 кВт и мас-сой получаемого слитка в несколько десятков тонн.

Экономичным и перспективным способом получения сталивысокого качества является ее плавка на установках плазменно-дугового переплава. Нагрев и плавление металла в плазменно-ду-говых печах происходит под действием теплоты сжатой (плазмен-ной) дуги, которую получают в плазмотронах.

Установки плазменно-дугового переплава имеют мощностьплазмотронов до 1 800 кВт, а масса получаемого слитка можетдостигать 5 т и более.

2.4. Производство некоторых цветных металлов

2.4.1. Производство алюминия

Руды цветных металлов значительно беднее железных. Медные 'РУДЫ, например, уже экономически выгодно перерабатывать при

71

содержании в них 0,5...2,0% Си. Если для получения 1 т чугунатребуется добыть 3...4 т руды, то для получения 1 т меди необхо-димо переработать 120... 150 т сырья.

Руды цветных металлов, как правило, полиметаллические, т.е.содержат одновременно несколько металлов. Технология перера-ботки таких руд требует извлечения всех содержащихся в них цвет-ных металлов.

Алюминий относится к группе легких цветных металлов и яв-ляется самым распространенным металлом в земной коре. Он встре-чается преимущественно в виде соединений с кислородом и крем-нием — алюмосиликатов. Добывают алюминий из горных пород свысоким содержанием глинозема (боксита, каолина, нефелина,алунита).

Качество руд определяется содержанием в них глинозема А12О3.Основным сырьем для получения алюминия являются бокситы, вкоторых алюминий содержится в виде гидроксидов алюминияА12О3 * НчО и А12О3 • ЗН->0. Химический состав бокситов весьма

сложный: 30Г..60% А12О3; 3... 13 % SiO2; 15...30% Fe,O3; 2 . . . 4 % Т i O 2и 10... 15 % гидратной влаги. Доля глинозема в бокситах достигает

60%.Экономически эффективной является также переработка не-

фелинов (Na, К)2О • А12О3-2SiO2, несмотря на меньшее содержа-ние в них А12О3 (27,3...29,3 %). Из нефелинов помимо алюминияполучают кальцинированную соду, поташ и цемент.

Технологический процесс производства алюминия состоит изтрех этапов: извлечение глинозема из алюминиевых руд, электро-лиз расплавленного глинозема с получением первичного алюми-ния и его рафинирование.

Промышленным способом получения металлического алюми-ния является электролитическое разложение оксида А12О3, раство-ренного в расплавленном криолите Na3AlF6.

Извлечение глинозема. Глинозем из бокситов получают главнымобразом щелочным способом. Вначале производят подготовку бокси-тов, для чего их дробят на молотковых дробилках до кусков разме-ром 20... 30 мм. Затем куски измельчают на трубных мельницах (мок-рый помол). В мельницы добавляют едкую щелочь и 3... 4 % извести.Добавка извести создает лучшие условия для извлечения А12О3.

Полученную в мельницах сырую пульпу направляют в автокла-вы для выщелачивания боксита. В автоклавах во время перемеши-вания пульпы при температурах 100... 240 °С происходит химичес-кое разложение боксита при его взаимодействии с водным ра-створом щелочи:

Al2O3-3H2O + 2NaOH -> Na2O • А12О3 + 4Н2О (2.19)

Таким образом, гидроксиды алюминия образуют раствор алю-

мината натрия; реакция протекает вправо.

72

Кремнезем в автоклавах образует силикат натрия по реакции

SiO2 + 2NaOH = Na2Si03 + H2O

Силикат взаимодействует с алюминатом натрия, что приводитк образованию нерастворимого сложного соединения:

2(Na2Si03) + Na2O-Al,O3 + 4H2O == Na2O • Al 2O3 • 2SiO2 • 2Н2О + 4NaOH

Полученный в результате реакции натриевый алюмосиликат(пермутит) Na2O • А12О3-2SiO2-2Н2О выпадает в осадок.

Оксиды железа и титана также переходят в осадок, придаваяему красный цвет. Поэтому осадок называют красным шламом.

Пульпа поступает для разбавления в специальные мешалки, азатем для отделения алюминатного раствора от красного шлама всгустители. Слитый из сгустителей алюминатный раствор фильт-руется (осветляется) и отправляется на разложение (декомпози-цию). Процесс декомпозиции основан на обратимой реакции (2.19),идущей в данном случае влево. Раствор разбавляют, охлаждают до5О...55°С, вводят в качестве затравки порцию А1(ОН)3 и полу-ченную пульпу перемешивают. Декомпозицию проводят в деком-позерах с воздушным перемешиванием. Далее полученный растворотправляют на выпаривание, которое ведется в многокорпусныхбатареях с выпарными аппаратами пленочного типа.

Завершающим этапом получения глинозема является обезво-живание гидроксида алюминия по реакции

А12О3- ЗН2О = А12О3 + ЗН2О

Эту реакцию проводят в трубчатых печах при температурах200... 1 200 "С. При получении глинозема данным способом удает-ся извлечь до 90 % А12О3.

Переработка бокситов спеканием применяется при содержаниив них 6... 20 % SiO2. Способ дает возможность извлечь около 82 %А12О3. Иногда используют комбинированные схемы — щелочнойспособ и спекание. Благодаря этому достигается более полное из-влечение глинозема.

Для извлечения алюминия из глинозема необходимо предва-рительно получить криолит. При производстве криолита исполь-зуют исходные материалы: обогащенный плавиковый шпат, сер-ную кислоту, гидроксид алюминия и кальцинированную соду.Прежде всего из плавикового шпата получают фтористый водо-род, а затем и плавиковую кислоту. При введении в раствор пла-виковой кислоты гидроксида алюминия протекает реакция

12HF + А12О3- ЗН2О = 2H3A1F6 + 6Н2О

Полученную фторалюминиевую кислоту нейтрализуют содой,в результате чего получается криолит:

73

2H3A1F6 + 3Na2CO3 = 2Na3AlF6 + 3CO2 + 3H2O

Выпавший в осадок криолит фильтруют и просушивают в спе-циальных барабанах. Расплавленный криолит служит средой длярастворения и электролиза глинозема.

Электролиз осуществляют в ванне (электролизере), имеющейстальной кожух прямоугольной формы. Стены и подина ванныизготовлены из угольных (графитовых) блоков, теплоизолирован-ных шамотным кирпичом. В футеровку подины вмонтированы сталь-ные катодные шины, благодаря чему угольный корпус ванны яв-ляется катодом электролизера. Анодами служат вертикально рас-положенные графитовые электроды, погруженные в расплав. Приэлектролизе аноды постепенно сгорают и перемещаются вниз.На дне ванны находится расплавленный алюминий, сверху —электролит. Подводимый к электролизеру постоянный ток равен70...75 кА, напряжение составляет 4,0...4,5 В. Прогрев ванны до1 000 °С происходит из-за теплоты, выделяющейся при прохожде-нии тока через электролит. Глинозем, расходуемый в процессеэлектролиза, периодически загружается в ванну сверху.

При высокой температуре глинозем А12О3, растворенный в элек-тролите, диссоциирует на ионы: А12О3 <-» 2А13 + + ЗО2~. На поверх-ности угольной подины, являющейся катодом, ионы восстанав-ливаются до металла: 2AI3 + + бе = 2А1, образуя металлическийалюминий, собирающийся на дне ванны под слоем электролита.

Жидкий алюминий скапливается на подине электролизера ипериодически удаляется с помощью вакуумных ковшей. На анодеразряжаются ионы О2", окисляющие углерод анода, до удаляемыхиз ванны СО и СО2.

Очистка. Первичный алюминий, полученный в электролизнойванне, загрязнен примесями Si, Fe, неметаллическими включе-ниями (А12О3, С), а также газами, преимущественно водородом.Для очистки алюминия его рафинируют или хлорируют, либоприменяют электролитический способ.

Более чистый алюминий получают электролитическим рафи-нированием, где электролитом являются безводные хлористые ифтористые соли. В расплавленном электролите алюминий подвер-гают анодному растворению и электролизу. Электролитическимрафинированием получают алюминий чистотой до 99,996 %, ис-пользуемый в основном в электротехнической, химической ипищевой промышленности.

2.4.2. Производство меди

Содержание меди в земной коре составляет 0,01 %. Сырьем дляпроизводства меди служат сульфидные, оксидные или смешан-ные руды, а также отходы меди и ее сплавов.

74

Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды,на которые приходится примерно 80 % всех мировых запасов мед-ных РУД- К сульфидным рудам относятся медный колчедан илихалькопирит CuS • FeS, халькозин Cu2S и др. Среднее содержаниемеди в рудах составляет 1 ...2 %. Пустая порода обычно состоит изпесчаников, глины и известняка. Многие руды являются полиме-таллическими и, кроме меди, содержат другие ценные металлы:серебро, золото, никель, свинец и т.д.

Извлечение меди из руд производится двумя способами: гидро-металлургическим и пирометаллургическим. Более широкое распро-странение получил пирометаллургический способ, включающийоперации обогащения руд с получением концентрата, его обжиг,плавку на медный штейн, получение черновой меди и ее рафини-рование.

Для обогащения медных руд применяют метод флотации, ос-нованный на разной смачиваемости водой, имеющей поверхно-стно-активные добавки, металлосодержащих частиц и частиц пу-стой породы. При флотации удаляют большую часть пустой поро-ды и получают медный концентрат, содержащий до 30 % Си.

Обжиг. После обогащения рудные концентраты обжигают длячастичного удаления (до 50 %) серы. Руда, прошедшая обжиг иназываемая огарком, направляется на дальнейшую переработку, аобразовавшийся сернистый газ SO2 используется для производ-ства серной кислоты.

Плавка на штейн проводится в отражательных, пламенных иэлектрических печах. В рабочем пространстве печей температурадостигает 1 600 °С. На подине печи постепенно скапливаются жид-кие продукты плавки: шлак и штейн — сплав, состоящий в ос-новном из сульфидов CuS и FeS и небольшого количества приме-сей. Штейн по мере накопления выпускают в ковш. Затем в рас-плавленном состоянии штейн, имеющий температуру плавления900... 1 150 °С, поступает в конвертер для переработки в черновуюмедь.

Медеплавильный конвертер имеет горизонтальный цилиндри-ческий сварной кожух, футерованный изнутри магнезитовым кир-пичом. Расплавленный штейн заливают сверху через горловину, афлюс загружают через специальное боковое окно. Конвертер ус-тановлен на опорных роликах. С помощью привода от зубчатойпередачи он может поворачиваться в заданное положение. Черезфурмы, расположенные в огнеупорной кладке по образующейконвертера, под давлением подается воздух. Для шлакования об-разующихся при продувке оксидов железа на поверхность штейназагружают флюс, содержащий кремнезем. Процесс продувки воз-Духом, длящийся в общей сложности до 30 ч, делится на два пе-риода. Первый период состоит в окислении сульфидов железа кис-лородом воздушного дутья:

75

2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + Q

Образующийся оксид железа FeO взаимодействует с кремнезе-мом флюса и переходит в шлак:

2FeO + SiO2 = SiO2-2FeO+ Q

Сернистый газ направляется на производство серной кислоты.Конвертерный шлак в конце первого периода сливают в ковш инаправляют на повторную переработку в отражательные печи дляизвлечения меди. Оставшийся штейн приобретает белый цвет исостоит в основном из сульфидов меди Cu2S. В белом штейне со-держится примерно 80 % Си. Обе реакции проходят с выделениемтеплоты, а сама ванна разогревается до 1 250... 1 300°С.

После скачивания шлака наступает второй период, во времякоторого расплавленный белый штейн продувают воздухом и по-лучают черновую медь:

2Cu2S + ЗО2 = 2Cu2O + 2SO2

Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2

Черновая медь содержит до 2 % примесей железа, серы, цин-ка, никеля, свинца и др. Ее разливают в слитки на ленточныхразливочных машинах и отправляют на рафинирование.

Рафинирование черновой меди проводят огневым и электроли-

тическим способами.При огневом рафинировании черновую медь загружают в пла-

менные печи вместимостью до 400 т и после расплавления проду-вают воздухом через футерованные стальные трубы с целью окис-ления меди и растворенных в ней примесей:

4Си + О2 = 2Си2О

Благодаря хорошему растворению в меди Си2О быстро распро-страняется по всему объему ванны. Учитывая, что большинствопримесей (Al, Si, Mn, Zn, Fe, Ni и др.) имеют более высокоесродство к кислороду, чем медь, оксид меди производит их окис-ление:

Me + Cu2O = MeO + 2CuИз примесей не окисляются только благородные металлы: зо-

лото и серебро. Они остаются растворенными в меди.Образовавшиеся оксиды примесей нерастворимы в меди и уда-

ляются в шлак. Оксиды некоторых примесей (SbO2, ZnO) легковозгоняются и улетучиваются с печными газами.

После скачивания шлака металл раскисляют и перемешиваютс природным газом для удаления растворенных в нем газов. Рас-кисление меди происходит по реакции

4Си,0 + СН4 = 8Си + СО, + 2Н2О

76

После огневого рафинирования расплав содержит 99,5... 99,7 %Си. Полученную медь разливают в слитки или анодные пластиныдля электролитического рафинирования.

Электролиз проводят в ваннах, футерованных кислотостойки-ми материалами, например листовым свинцом, асфальтом, кера-мическими плитами. Электролитом служит 15%-ный раствор мед-ного купороса в серной кислоте. Попеременно в электролит наравном друг от друга расстоянии погружают анодные пластинычерновой меди и катоды. Катоды представляют собой тонкие пла-стины из чистой электролитической меди. Аноды и катоды подве-шивают на анодной и катодной шинах. При включении постоян-ного тока происходит растворение металла анодов, катионы Си2+

переходят в раствор, а на катодах происходит разрядка катионовCu2++ 2e = Си с выделением металлической меди.

Электролитическая медь имеет высокую чистоту и содержит до99,98 % Си. За 10— 12 дней на катоде оседает до 200 кг меди. Ка-тодную медь выгружают из ванны, промывают, переплавляют,разливают в слитки и отправляют на обработку давлением дляполучения листа, трубы, проволоки и др., а также для выплавкисплавов на основе меди — латуней и бронз.

Г Л А В А 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

3 . 1 . Физико-механические основы обработкиметаллов давлением

3.1.1. Пластическая деформация при обработке металловдавлением

Обработка металлов давлением (ОМД) — это технологическиепроцессы, в результате которых под влиянием внешних сил проис-ходит изменение формы, размеров и физико-механических свойствзаготовок без нарушения их сплошности.

Основной задачей ОМД является придание металлу заготовкизаданной формы в процессе ее пластической деформации. Спо-собность большинства металлов и их сплавов подвергаться плас-тической деформации дает возможность широко примененять ОМД.Процесс позволяет изменять структуру металла, а при правильноприменяемой технологии — повышать механические свойствполучаемых изделий.

Изучение процессов, происходящих в металле при его подго-товке (нагреве) перед деформированием, во время пластическидеформации и после нее, позволяет в значительной степени по-высить качество получаемых изделий и снизить потери при ихпроизводстве.

В современном производстве применяют следующие основныеспособы обработки металлов давлением (рис. 3.1): прокатку, прес-сование, волочение, ковку, объемную и листовую штамповку.

Прокатка (рис. 3.1, а) используется для обжатия заготовки 1между вращающимися валками 2 прокатного стана в целях умень-шения поперечных размеров заготовки и придания ей заданнойформы. Силы трения Е^, затягивают заготовку в валки, а силы Fдеформируют ее.

Прессование (рис. 3.1, б) представляет собой процесс вытесне-ния металла исходной заготовки / через отверстие матрицы 3.при котором сечение получаемой заготовки соответствует конту-ру отверстия на выходе из матрицы. Перед прессованием заготов-ка помещается в контейнер 4, после чего на нее с силой F воздей-ствует рабочий инструмент (пуансон) 5.

При волочении (рис. 3.1, в) под воздействием силы F заготовки1 протягивают через отверстие в волоке 6. Площадь выходнойсечения волоки меньше площади сечения исходной заготовки.

78

Ковка (рис. 3.1, г) применяется для изменения формы и разме-ров заготовки 1 за счет последовательного воздействия на нее силыF ударного инструмента 7.

Штамповка применяется для изменения формы и размеров за-готовки в специально изготовленном штампе. Штампом называ-ется деформирующий инструмент, под воздействием которогозаготовка приобретает форму и размеры, соответствующие кон-туру этого инструмента. Штамповку разделяют на листовую (рис.3.1, д), при которой заготовка /, расположенная в матрице 3,Деформируется силой F пуансоном 5, и объемную (рис. 3.1, е), впроцессе которой заготовка 1 деформируется силой F в штампе,состоящем из двух половин (верхней 8 и нижней 9).

При обработке металлов давлением в заготовке под действиемвнешних сил возникают напряжения. Если они невелики, проис-ходит упругая деформация, при которой атомы металла смещают-ся от положения устойчивого равновесия на очень малые рассто-яния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки ато-мы возвращаются в исходное положение устойчивого равновесия.Форма тела полностью восстанавливается, и практически ника-ких изменений в металле не наблюдается.

С увеличением внешней нагрузки напряжения в заготовке рас-тут, что ведет к смещению атомов от положения устойчивого рав-

79

новесия на расстояния, значительно превышающие межатомные.После снятия нагрузки атомы занимают новые места устойчивогоравновесия, поэтому форма тела не восстанавливается. Такое не-обратимое изменение формы тела называется пластической дефор-мацией. Способность металла подвергаться пластической дефор-мации называется пластичностью. Количественно пластичностхарактеризуется значением максимальной остаточной деформа-ции, которую можно сообщить металлу до его разрушения. Плас-тичность не является постоянной характеристикой металла, таккак в значительной степени зависит от условий деформирования.

Общая пластическая деформация поликристаллического теласкладывается из деформации двух видов — внутрикристаллитнойи межкристаллитной. Схемы механизма пластической деформа-ции показаны на рис. 3.2.

При внутрикристаллитной деформации пластическая деформа-ция в отдельно взятом зерне происходит за счет скольжения од-них тонких атомных слоев кристаллита относительно других по. iдействием касательных напряжений (рис. 3.2, а). Смещения происходят по плоскостям I — I , наиболее плотно упакованным атомами и называемым плоскостями скольжения.

Скольжение атомных слоев происходит в первую очередь п<тем плоскостям, которые наклонены по отношению к направлению действия усилия сжатия F на 45°, так как по этим направле-ниям действуют максимальные касательные напряжения Схе-мы деформации в металле показаны на рис. 3.3. Из полученногообразца (рис. 3.3, а) видно, что деформация за счет скольженияпроисходит прежде всего в зернах / и 2, плоскости скольжениякоторых расположены под углом 45° к действию приложенной

80

нагрузки (усилия сжатия F). В результате такой пластической де-формации зерна вытягиваются в направлении наибольшего тече-ния металла и приобретают вытянутую форму (рис. 3.3, в). Такаяструктура называется строчечной или полосчатой.

При деформировании металла его пластическая деформацияможет развиваться не только за счет скольжения, но и за счетдвойникования. Это происходит при действии на металл ударныхнагрузок. Процесс двойникования (рис. 3.2, б) состоит в смеще-нии группы атомов под углом относительно плоскости II —II,называемой плоскостью двойникования. В результате этого частькристаллита занимает положение, зеркально отражающее поло-жение его недеформированной части.

В процессе деформирования зерна поликристалла поворачива-ются и перемещаются относительно друг друга — происходит меж-кристаллитная деформация (рис. 3.3, б). В этом случае все большеечисло зерен ориентируется таким образом, что в них интенсивноразвивается пластическая деформация за счет скольжения, при-водящая в конечном итоге к пластической деформации всего объе-ма тела. На практике установлено, что для одновременного сдвигаодной части кристаллита относительно другой требуются напря-жения, в сотни раз меньшие теоретически рассчитанных. Это свя-зано с тем, что в реальных металлах имеются дефекты кристалли-ческой структуры. Поэтому скольжение в зернах происходит неодновременно по всей плоскости скольжения, а последователь-но, путем перемещения этих дефектов, для чего требуются зна-чительно меньшие сдвиговые напряжения.

Несовершенства в строении реальных кристаллитов, напримеротсутствие атомов или их избыток в решетке, называются дисло-кациями. При пластической деформации в металле возникают до-полнительные дислокации, происходит их пересечение и накоп-ление на границах зерен, в результате чего образуются осколки

кристаллитов. Это затрудняет дальнейшую деформацию, вызыва-ет повышение прочности и твердости металла, снижение его пла-стичности и изменение физико-химических свойств. Совокупностьизменений свойств металла в результате пластической деформа-ции называется наклепом или упрочнением. Наклеп наблюдается впроцессе холодной пластической деформации металлов и спла-вов.

При больших ориентированных в определенном направлениидеформациях кристаллиты вытягиваются в направлении дефор-маций и металл приобретает строчечную структуру, в результатечего образуется новая текстура. Это вызывает анизотропию (нера-венство) механических свойств металла в различных направлени-ях. Одновременно металл приобретает волокнистое строение, внем образуются тонкие полосы, представляющие собой вытяну-тые в направлении наибольшего течения металла границы зеренс неметаллическими включениями или зоны металла, содержа-щие повышенное количество примесей.

Волокнистое строение металла можно заметить невооружен-ным глазом, а строчечную структуру обнаружить только под мик-роскопом.

В каждом металле при вполне определенной максимальнойпластической деформации возникают микротрещины и микропо-ры, которые развиваются, растут и приводят к его разрушению.Эта деформация характеризует пластичность металла и определя-ется путем проведения испытаний образцов металла при различ-ных условиях деформации.

Пластическое деформирование сопровождается упрочнением,повышающим сопротивление металлов пластической деформации.Характеристикой сопротивления деформированию является пре-дел текучести ( ).

Температура металла определяет характер пластического дефор-мирования металла. При нагреве пластичность металла увеличива-ется, а сопротивление деформированию уменьшается. Это объяс-няется тем, что в процессе пластической деформации наряду супрочнением (наклепом) наблюдается разупрочнение, т.е. вос-становление пластичности. В зависимости от соотношения скоро-стей этих двух процессов различают холодную, неполную горя-чую и горячую деформацию.

Холодная деформация сопровождается упрочнением металла вполном объеме, так как процессы разупрочнения (рекристалли-зация, возврат) протекать не успевают. Зерна металлов вытягива-ются в направлении деформации растяжения, что приводит куменьшению их размеров в направлении деформации сжатия.Металл приобретает волокнистую структуру, становится анизо-тропным. Так, с помощью обработки давлением можно управлятьрасположением волокон в детали в соответствии с условиями ее

82

эксплуатации. Металлы и сплавы при холодном деформированиипомимо упрочнения изменяют электропроводность, коррозион-ную стойкость и другие свойства.

При неполной горячей деформации происходит частичное вос-становление искаженной кристаллической структуры и уменьша-ются остаточные напряжения в металле, что наблюдается при тем-пературе (0,25...0,3)tпл, где tпл — температура плавления металла.При неполной горячей пластической деформации металл упроч-няется в меньшей степени, чем при холодной, и приобретает стро-чечную и волокнистую структуру.

Горячая деформация характеризуется таким соотношением ско-ростей деформирования и рекристаллизации, т.е. зарождения ироста новых равноосных зерен с неискаженной кристаллическойструктурой, при котором рекристаллизация успевает произойти вовсем объеме металла. Рекристаллизация полностью ликвидируетстрочечную структуру и упрочнение деформированного металла.Для чистых металлов она протекает при температуре tрек > 0,4 /пл.

При горячей деформации волокнистое строение металла со-храняется, так как вытянутые деформацией неметаллические вклю-чения при рекристаллизации не изменяются. Механические свой-ства у горячедеформированного металла вдоль волокон выше, чемпоперек, поэтому обработку давлением следует вести таким обра-зом, чтобы волокнистость микроструктуры располагалась в на-правлениях наибольших нормальных напряжений, возникающихв детали во время ее работы.

Свойства металла при горячей обработке изменяются в поло-жительную сторону: разрушается литая структура заготовки (слит-ка), рекристаллизация приводит к образованию равноосных зе-рен малых размеров, металл вследствие заварки пустот уплотня-ется. Все это ведет к росту прочностных и пластических свойствзаготовки.

Различные металлы и сплавы обладают неодинаковой природ-ной пластичностью и, следовательно, по-разному ведут себя приобработке давлением. Пластичность металлов и сплавов зависит отих химического состава, структуры, температуры нагрева, скоро-сти и степени деформации, а также схем напряженного состоя-ния и деформации. Чистые металлы имеют более высокую плас-тичность, чем их сплавы. В последних часто образуются новые струк-турные составляющие, в том числе химические соединения, при-сутствие которых может существенно изменить пластичность ос-новного металла. Например, сталь с малым содержанием углеродаобладает более высокой пластичностью, чем сталь с большим со-держанием углерода; чистая медь гораздо пластичнее ее сплава соловом (бронзы) и т.д.

С повышением температуры пластичность металла, как прави-ло, увеличивается, а сопротивление деформации уменьшается.

83

Скорость деформации при обработке давлением по-разномувлияет на пластичность металла. До известного предела увеличе-ние скорости деформации сопровождается понижением пластич-ности. При дальнейшем увеличении этой скорости пластичностьметалла возрастает.

Степень деформации металла, особенно при холодной обработ-ке давлением, определяет возможность осуществления процессадеформирования. Превышение предельной для каждого конкрет-ного случая степени деформации сопровождается нарушениемцелостности (сплошности) металла, что вызывает появление тре-щин, надрывов и других дефектов. С повышением температурыметалла степень его деформации возрастает.

Схемы главных напряжений ( ) и механических дефор-маций ( ) в деформируемом теле показаны на рис. 3.4.

Напряженное состояние деформируемого тела характеризуютсхемой главных {нормальных) напряжений, действующих по гра-ням элементарного куба в трех взаимно-перпендикулярных на-правлениях. В зависимости от способа приложения внешних сил Fк деформируемому телу напряженное состояние его может бытьразличным. Всего имеется девять схем главных напряжений: четы-ре объемных, три плоских и две линейных. При различных про-цессах обработки давлением напряженное состояние металла ха-рактеризуется обычно двумя объемными схемами главных напря-жений (рис. 3.4, а): когда по трем главным осям действуют напря-

жения сжатия; когда по двум осям действуют напряжения сжа-тия, а по третьей — напряжение растяжения. При первой схеменапряженного состояния металл более пластичен, чем при вто-рой. Растягивающие напряжения снижают пластичность металла.

деформированное состояние металла характеризуется тремясхемами главных деформаций (рис. 3.4, б):

* по одной оси металл сжимается, по двум другим растягивается;* по одной оси металл сжимается, по второй — растягивается,

по третьей деформация отсутствует;* по двум осям металл сжимается, по третьей — растягивается.Чем меньшую роль в схеме деформации играет растяжение,

тем большую способность к пластической деформации проявляетметалл. Один и тот же металл может иметь хорошую пластичностьпри третьей схеме деформации и плохую — при первой.

Следует иметь в виду, что если металл деформировать в усло-виях трехосного равномерного сжатия ( ), то как бы нибыли велики эти напряжения, металл пластически деформиро-ваться не будет, а будут наблюдаться в нем только упругие дефор-мации и уменьшение объема.

Влияние механической схемы деформации на пластичность темзаметнее, чем менее пластичен металл по природе. Поэтому приОМД малопластичных металлов не следует применять схемы на-пряженного состояния с растягивающими напряжениями. Наи-лучшей с точки зрения пластичности является схема всесторон-него сжатия с одной деформацией удлинения и двумя деформа-циями сжатия, характерная для процесса прессования (рис. 3.4, в).В то же время механическая схема деформации при волочении(рис. 3.4, г) отличается от схемы прессования одним лишь растя-гивающим напряжением, что значительно снижает пластичностьдеформируемого тела.

Чтобы правильно выбрать режим обработки металла давлени-ем, важно знать совместное влияние перечисленных факторов наего пластичность. Для этого разработаны диаграммы зависимостипластичности того или иного металла от температуры, скорости исхемы деформации. По этим диаграммам можно выбрать условиядеформации, обеспечивающие максимальную пластичность ме-талла.

3.1.2. Нагрев металла и нагревательные устройства

Нагрев заготовок позволяет проводить обработку давлением сменьшими усилиями и большими степенями деформации за счетповышения пластичности металла, в результате чего величинасопротивления деформации материала заготовок значительноуменьшается (в 10—15 раз) по сравнению с их обычным (холод-ным) состоянием.

Нагрев металла является ответственной операцией, от которойво многом зависит не только качество получаемых деталей, но истойкость инструмента, надежность работы производственногооборудования и его производительность, что в конечном итогесказывается на себестоимости продукции. Нагрев должен обесгпе-чить равномерную температуру по сечению заготовки, минималь-ное окисление и обезуглероживание стальной заготовки.

Правильно выбранная технология нагрева в сочетании с опти-мальным режимом пластической деформации и охлаждения ме-талла в значительной степени улучшает все характеристики гото-вого металлопродукта.

При нагреве на поверхности заготовок образуется слой окси-дов, называемый окалиной, толщина которого зависит от темпе-ратуры и продолжительности нагрева, состава печной атмосфе-ры, химического состава сплава и расположения заготовок в печи.Наиболее интенсивно сплавы окисляются при температуре9ОО...12ОО°С.

Нагрев углеродистых сталей приводит также к выгоранию уг-лерода поверхностного слоя заготовки на глубину до 2 мм. Умень-шение содержания углерода, называемое обезуглероживанием, ве-дет к снижению прочности и твердости стали. Особенно вреднообезуглероживание для заготовок небольших размеров, имеющихмалые припуски на механическую обработку и подвергаемых по-следующей закалке.

Для уменьшения окалинообразования и обезуглероживанияприменяют нагрев в защитной атмосфере или вакууме, скорост-ной нагрев, защитные засыпки и обмазки, наносимые на поверх-ность заготовки перед нагревом.

Высокоуглеродистые и высоколегированные стали и многиесложные сплавы, имеющие низкие теплопроводность и пластич-ность, во избежание образования трещин требуют медленного на-грева. Заготовки из них загружают в печь с невысокой температу-рой, выдерживают при этой температуре для равномерного про-грева заготовок по всему объему и затем повышают температурупечи. Крупные слитки из легированных сталей при нагреве под-вергают нескольким выдержкам при различных температурах.

Выбор режима нагрева металла перед обработкой давлениемзаключается в определении рационального температурного ин-тервала (температур начала и конца обработки) и продолжитель-ности нагрева. Нижняя грань температурного интервала обработ-ки давлением стальных заготовок превышает 727 °С, а верхняядолжна быть на 100... 150 °С ниже температуры начала плавления.При нагреве до более высоких температур в металле появляютсядва вида дефектов — перегрев и пережог.

При перегреве размеры зерен металла увеличиваются, пластич-ность снижается и ухудшаются механические свойства. Этот вид

86

брака для некоторых сталей можно устранить дополнительнойобработкой давлением и нормализацией.

Пережог — окисление металла по границам зерен при нагреведо температур, близких к температуре плавления. В результате связьмежду зернами нарушается и металл при обработке давлениемразрушается. Пережог является неисправимым браком. Пережжен-ные заготовки переплавляют.

Температурные интервалы обработки давлением зависят глав-ным образом от химического состава сплавов. Каждой стали соот-ветствует определенная температура нагрева. Начальную темпера-туру обработки tH определяют по формуле

t — аtпл

где tn!i - температура плавления сплава (берется из диаграммысостояния); а — коэффициент понижения температуры (а == 0,85...0,95).

Температура конца ковки /к или прокатки углеродистых сталейв зависимости от содержания в них углерода определяется по фор-муле: tK = 0,7 tпл.

Температурные зоны горячей обработки давлением заготовокиз сталей можно определить по левой части диаграммы состояниясплавов Fe — С (рис. 3.5). Из диаграммы видно, что низкоуглеро-дистые стали имеют широкий (до 550 °С) температурный интер-вал обработки (зона 2). Зона 1 соответствует области пережога, азона 3 — области перегрева металла.

Окончание обработки давлением при температурах ниже допу-стимых (зона 4) приводит к наклепу металла — браку, исправи-мому путем рекристаллизационного отжига. Например, наклепан-ные детали из углеродистых сталей нагревают до температуры винтервале 600...650 °С, длительно выдерживают при данной тем-пературе и охлаждают на воздухе. Время нагрева определяют, ис-ходя из двух противоречивых требований. С одной стороны, с це-лью уменьшения образования окалины и повышения производи-тельности необходимо сократить время нагрева, увеличив его ско-

рость, с другой (во избежание образования трещин) — умень-шить скорость нагрева и увеличить его продолжительность. Послед-нее особенно важно для заготовок большого сечения из высоко-легированных сплавов. Для заготовок из углеродистых сталей се-чением до 100 мм2 допускается высокая скорость нагрева, их можнозагружать холодными в печь, имеющую температуру до 1 300 °С.

Продолжительность нагрева Т(ч) в этом случае можно опреде-лить по формуле Н.Н.Доброхотова:

где — коэффициент, учитывающий способ укладки заготовок впечи (чем плотнее уложены заготовки в печи, тем больше коэф-фициент а и длительнее нагрев заготовок); к — коэффициент, за-висящий от марки стали (для углеродистых и низколегированныхсталей к = 10, для высокоуглеродистых и высоколегированных ста-лей к = 20); D — диаметр или сторона квадрата заготовки, м.

Заготовки из высоколегированных сталей для предотвращенияих возможного разрушения в результате возникновения терми-ческих напряжений при большой скорости нагрева нагревают вдва этапа. Сначала их нагревают медленно до 650 °С, а затем, ког-да пластичность сплава возрастает, нагревают окончательно с боль-шой скоростью до температуры горячей пластической деформа-ции. Общая продолжительность нагрева составляет Т= Т1 + Т2 гдеТ\ и Т2 — продолжительность соответственно первого и второгоэтапов нагрева:

Охлаждение. Для повышения качества заготовок, получаемыхгорячей обработкой давлением, имеет существенное значение нетолько режим нагрева, но и режим охлаждения. Слишком быст-рое и неравномерное охлаждение заготовки может привести кобразованию в ней трещин или ее короблению вследствие терми-ческих напряжений. Чем меньше теплопроводность металла, чеммассивнее и сложнее конфигурация детали, тем медленнее долж-но быть ее охлаждение.

Процесс охлаждения (особенно заготовок из легированных ста-лей) является ответственной технологической операцией, кото-рая при неправильном выполнении может привести к браку потрещинам, которые образуются чаще при охлаждении заготовок,чем при их нагреве. Скорость охлаждения не должна превышатьдопустимых значений. Заготовки из низко- и среднеуглеродистыхсталей можно охлаждать на воздухе поштучно или группами настеллажах. Крупные поковки из легированных сталей охлаждают

88

медленно вместе с печью, давая выдержку по несколько часовпри определенных температурах. Цикл охлаждения заготовок за-висит от их химического состава и размеров. Так, для крупных

поковок он может длиться несколько суток.Нагревательные устройства. На заводах применяют различные

по принципу действия и конструкции нагревательные устройства.Они классифицируются по рабочей температуре, способу нагреваи конструктивным признакам.

По способу нагрева устройства делятся на пламенные и элект-рические. В пламенных печах требуемой температуры достигаютсжиганием в специальных горелках мазута или газа.

Электрические нагревательные устройства подразделяются наэлектропечи сопротивления косвенного нагрева, в которых на-грев осуществляется энергией, выделяемой элементами сопротив-ления, через которые пропускают электрический ток; электри-ческие установки прямого контактного нагрева, в которых элект-рический ток проходит непосредственно через заготовку, нагре-вая ее; установки индукционного нагрева, в которых заготовкупомещают в электромагнитное поле, создаваемое токами высо-кой частоты.

Деление нагревательных устройств на печи и установки услов-ное и означает, что в печах заготовки нагреваются излучением иконвекцией за счет теплоты рабочего пространства печи, а в уста-новках, например, индукционного нагрева, теплота возникаетвнутри самой заготовки.

По принципу работы нагревательные устройства подразделя-ются на периодические и непрерывного действия (методические).В нагревательных устройствах периодического действия (камерных)заготовки загружают и выгружают через одно и то же окно, а впроцессе нагрева они остаются неподвижными. В методических (про-ходных) нагревательных устройствах заготовки загружают череззагрузочное окно, перемещают в процессе нагрева через рабочеепространство и выгружают через окно выгрузки.

На рис. 3.6 приведена схема камерной нагревательной печи,широко применяемой в кузнечно-штамповочных цехах. Печь со-стоит из металлического каркаса 2, стен 3, выложенных из огне-упорного кирпича (шамота). Стены 3, под 1 и свод 4 образуютрабочее пространство 5 печи. В боковой стенке расположено окно 7для загрузки и выгрузки заготовок. Оно закрывается массивнойчугунной заслонкой 9, подвешенной к противовесу 10 с помо-щью троса, перекинутого через блок 6. Сжигание топлива проис-ходит при помощи горелок или форсунок. Раскаленные газы, от-давшие свою теплоту металлическим заготовкам, расположеннымна поду, уходят через газовый канал 8 в атмосферу.

В кузнечных цехах крупносерийного и массового производствадля нагрева заготовок под горячую объемную штамповку приме-

89

няют печи непрерывного действия — методические и полумето-дические. Методические печи (рис. 3.7) являются высокопроизво-дительными печами непрерывного действия. Они отличаются откамерных значительно большей длиной (до 30 м и более) и раз-личными температурными зонами (А, Б я В) рабочего простран-ства, находящимися под общим сводом /. Заготовки 4 в таких пе-чах нагреваются постепенно. Их передвигают обычно толкателем 5навстречу движению продуктов горения от загрузочного окна вдольпода к месту выдачи нагретых заготовок. Скорость передвижениязаготовок такова, что каждая из них находится в печи одинаковоевремя, необходимое для нагрева до требуемой температуры. Заго-товки в печи перемещаются по водоохлаждаемым трубам 2. Пер-вая зона печи (А) является подогревательной и имеет температу-

ру 600... 800 "С. Вторая зона (Б) — зона высоких температур(1250.--1 350 °С), третья зона (В) — зона выдержки (температурана 50...100°С выше верхнего предела температурного интервалаковки для данного металла). В этой зоне происходит выравнивание

температуры по сечению заготовки. Передвижение заготовок пе-ред загрузкой и после выгрузки из печи осуществляют рольганга-

В качестве топлива в нагревательных печах используют газ имазут. Для смешивания топлива с воздухом и регулирования про-цесса горения применяют горелки 10. Для циркуляции газов в печипредусмотрены газовые каналы 3. Вывод газов из печи осуществ-ляется через дымоход 8. Для повышения экономичности печейиспользуют теплоту отходящих газов при предварительном подо-греве заготовок, для чего применяют рекуператоры 7.

Удельный расход топлива в методических печах ниже, а произ-водительность выше, чем в камерных печах, поэтому они нашлиширокое применение в массовом производстве заготовок.

В последнее время чаще стали применять полуметодические пла-менные печи. Они принципиально не отличаются от методичес-ких, но имеют меньшую длину и более высокую скорость нагрева.

В нагревательных печах открытого типа угар металла при мно-гократном нагреве составляет 5 % и более. Этот угар происходитглавным образом за счет окалинообразования металла. Поэтомустараются обеспечить безокислительный нагрев, который дости-гается при неполном сгорании топлива (газа), т.е. при расходевоздуха около 50 % от количества, необходимого для полного сжи-гания топлива. При этом применяется воздух, подогретый до тем-пературы в пределах 800... 1 000 °С. В результате этого в атмосферепечи появляются газы СО и Н2, которые препятствуют окисле-нию нагреваемых стальных заготовок.

Электронагрев по расходу энергии на 1 т заготовок менее эко-номичен, чем нагрев в пламенных печах. Однако его широко при-меняют, так как он позволяет повысить производительность тру-да, автоматизировать процесс и обеспечить его высокую стабиль-ность, улучшить условия труда и сократить потери металла на ока-линообразование (угар).

Электрические печи сопротивления по конструкции похожина пламенные печи, но вместо горелок внутри рабочего простран-ства устанавливают нагревательные элементы, через которые про-пускают электрический ток.

В камерной электропечи с выдвижным подом с помощью спе-циального привода под печи может выезжать вместе с переднейстенкой и заготовками за пределы печи. При этом нагревательныеэлементы и корпус печи остаются неподвижными, что позволяетсвободно загружать крупные заготовки цеховым подъемно-транс-портным оборудованием.

Q1

Электрические печи легко могут быть механизированы и авто-матизированы, что позволяет встраивать их в автоматические по-точные линии.

При ОМД для нагрева заготовок, кроме пламенных и электри-ческих печей, применяют электронагревательные установки (уст-ройства). В этих устройствах скорость нагрева заготовок в 10 - 20

раз больше, чем в нагревательных печах, а угар металла снижаетсядо 0,5 %. Наиболее распространены устройства индукционного на-

грева.При индукционном нагреве заготовка с помощью загрузочно-

го устройства помещается в индуктор, представляющий собойкатушку из витков медной водоохлаждаемой трубки. Переменныйток, проходя через индуктор, возбуждает магнитное поле, в ре-зультате чего в заготовке возникают вихревые токи, нагревающиеее до высокой температуры. Частоту тока выбирают в зависимостиот диаметра заготовок: чем больше диаметр заготовки, тем мень-ше частота тока. Во избежание окалинообразования нагрев прово-дится в атмосфере нейтральных газов.

3 . 2 . П р о к а т к а

3 . 2 . 1 . Общие положения

Прокатка — процесс, при котором слиток или заготовка поддействием сил трения втягивается в зазор между вращающимисявалками прокатного стана и пластически деформируется ими суменьшением сечения. Основные виды прокатки следующие: про-дольная, поперечная и поперечно-винтовая (рис. 3.8).

При продольной прокатке (рис. 3.8, а) валки 2, имеющие парал-лельные оси и вращающиеся в разные стороны, обжимают заго-товку /, перемещаемую перпендикулярно осям валков. В результа-

те у заготовки уменьшается площадь поперечного сечения и уве-личивается длина.

При поперечной прокатке (рис. 3.8, б) валки 2 с параллельнымиосями вращаются в одну сторону, приводя во вращательное дви-жение заготовку 1, которая пластически деформируется вдольповерхности валков под действием силы Q.

При поперечно-винтовой прокатке (рис. 3.8, в) валки 2 располо-жены под углом друг к другу и, вращаясь в одну сторону, прида-ют заготовке 1 одновременно вращательное и поступательное дви-жения, вследствие чего заготовка втягивается в зазор между вал-ками. Эта схема применяется при производстве труб, колес и др.Отверстие в заготовке выполняет прошивень 3, укрепляемый нанеподвижной оправке.

Схема продольной прокатки полосы показана на рис. 3.9.Продольная прокатка заключается в пластическом деформиро-

вании металла заготовки 1 при пропускании ее между валками 2,вращающимися с одинаковой скоростью в разных направлениях.При этом зазор между валками должен быть меньше, чем толщи-на обрабатываемой заготовки. При продольной прокатке толщиназаготовки (полосы) уменьшается, а ширина и длина увеличива-ются, т.е. происходит ее обжатие, уширение и вытяжка.

Процесс прокатки заготовки характеризуется:абсолютным обжатием , т.е. разностью между исходной /г0 и

конечной hi ее толщиной:

относительным обжатием е — отношением абсолютного обжа-тия к исходной толщине полосы:

абсолютным уширением — разностью между конечной b] иисходной bа шириной полосы:

коэффициентом вытяжки — отношением длины полосы пос-ле прокатки /] к исходной длине /0:

Так как объем металла в процессе прокатки не изменяется:

Отсюда следует

где и — площади поперечных сечений заготовки перед про-каткой и после нее.

Таким образом, длина полосы при прокатке увеличиваетсяпропорционально уменьшению ее поперечного сечения. Величи-на ц обычно находится в переделах от 1,1 до 1,6.

При обжатии полосы в валках несколько увеличивается ееширина. При заданном коэффициенте обжатия вытяжкаи коэффициент уширения полосы b\/b0 взаимосвязаны:

Отсюда следует, что при постоянной величине обжатия метал-ла его уширение тем больше, чем меньше вытяжка, и наоборот.

Деформируемый при прокатке металл давит на валки. В резуль-тате этого на обрабатываемую заготовку воздействуют не толькосилы трения, возникающие между валками и металлом, но и ра-диально направленные силы со стороны поверхностей каждоговалка. На схеме сил, действующих на заготовку (рис. 3.9), показа-ны равнодействующая реакций этих сил (радиальная сила N) иравнодействующая сил трения Fтр, приложенные к точке на дугезахвата верхнего валка. Обжатие заготовки осуществляется за счетвертикальных составляющих Qx и Q2 внешних сил (сил давленияна заготовку). Горизонтальные составляющие сил трения, являю-щиеся силой прокатки F, направлены на то, чтобы затянуть обра-батываемый металл в зазор между валками, а горизонтальные со-ставляющие (сила сопротивления прокатке) 5 радиально направ-ленных реакций препятствуют этому. Практика показывает, чтопрокатка возможна, если происходит захват металла валками. Приэтом должно соблюдаться условие: F> S.

94

На рис. 3.9 показана также схема очага деформации при про-катке, из которой видно, что металл соприкасается с каждым извалков по дуге, соответствующей углу , называемому углом за-хвата.

Объем металла, ограниченный дугами захвата АВ и АХВЬ боко-выми гранями полосы, плоскостями входа АА1 металла в валки ивыхода ВВХ металла из них, называют очагом деформации металла,длина / которого

где R — радиус валка.Угол захвата определяют по формуле

Эта формула выражает зависимость между углом захвата ,обжатием и диаметром валков D. При горячей прокатке угол

= 15...24°, при холодной — =2.. . 10°.

3.2.2. Сортамент прокатной продукции

Форму поперечного сечения проката называют профилем, ко-торый может быть по длине изделия либо постоянным, либо пе-ременным (периодическим). Совокупность различных профилей иих размеров называют сортаментом. Сортамент проката (рис. 3.10)делится на следующие основные группы: сортовой прокат, лис-товой прокат, трубы и профили специального назначения. Сорто-вой прокат подразделяют на простой геометрической формы (круг,квадрат, шестигранник, овал и др.) и фасонный (уголки, швел-леры, двутавры, рельсы и др.).

В зависимости от толщины различают толстолистовую стальтолщиной 4... 160 мм; тонколистовую сталь — 0,2...4 мм и фоль-гу — менее 0,2 мм. Броневые листы имеют толщину до 500 мм.

По назначению листовую сталь делят на электротехническуюсудостроительную, котельную, автолист и жесть.

В зависимости от чистоты поверхности различают черновыелисты (с окисленной после прокатки поверхностью), чистовыелисты и листы покрытые (луженые, окрашенные и т.д.).

Стальные трубы разделяют на бесшовные и сварные и изготов-ляют соответственно двумя основными способами: прокаткой бес-шовных труб на прошивных станах из монолитных заготовок круг-лого сечения и сваркой из листа или ленты.

К специальным видам проката относят бандажи, цельноката-ные колеса и заготовки из периодического профиля. Периодичес-кие профили в виде прутков из арматурной стали используют,например, для изготовления железобетонных конструкций в стро-ительстве.

Разновидностью специальных видов проката являются гнутыепрофили, позволяющие упростить технологию производства де-талей непосредственно у потребителей. Гнутые профили получа-ют из листа или ленты толщиной 0,2...20 мм. Их широко приме-няют в строительстве (в элементах строительных конструкций,оконных переплетах и др.).

Наибольшее количество проката изготовляют из низкоуглероди-стой стали, меньшее — из легированной. Прокат цветных металловпроизводят преимущественно в виде листов, ленты и проволоки.

3.2.3. Технология прокатного производства и калибровкавалков

На современных металлургических предприятиях технологичес-кий процесс прокатки состоит из прокатки слитка в полупродукти полупродукта в готовый прокат.

Основными технологическими операциями прокатного произ-водства являются подготовка исходного металла к прокатке, на-грев металла перед прокаткой, прокатка, отделка и контроль ка-чества проката.

Подготовка исходного металла (слитков и заготовок) к прокат-ке заключается в удалении с их поверхности различных дефектов(неглубоких трещин, плен, закатов, царапин, шлаковых включе-ний и др.), что ведет к повышению качества поверхности продук-ции, росту производительности и улучшению технико-экономи-ческих показателей стана. Эта операция особенно важна при про-катке качественных углеродистой и легированной сталей.

Нагрев слитков и заготовок перед прокаткой должен обеспе-чить их высокую пластичность и получение требуемой структуры

металла. Для этого необходимо строго соблюдать установленныережимы нагрева металла перед прокаткой, индивидуальные длякаждой марки или группы марок стали.

При прокатке контролируют начальную и конечную температуруметалла, заданный режим обжатия, проверяют настройку

валков, наблюдают за размерами и формой получаемого проката,а также измеряют энергосиловые параметры процесса про-

катки.Для контроля за состоянием поверхности проката регулярно

отбирают пробы. Основной контроль поверхности проводят передзачисткой проката.

После прокатки контроль продолжают во время отделочныхопераций (резки на мерные длины, правки, удаления поверхност-ных дефектов и т.д.). Готовый прокат подвергают конечному тех-ническому контролю и упаковывают.

Исходным материалом при прокатке являются слитки или за-готовки большей частью квадратного (блюмы) пли прямоуголь-ного (слябы) сечения. Заготовку с необходимым сечением и раз-мерами никогда не удается получить сразу в один проход междувалками. Поэтому прокатку проводят в несколько проходов. В каж-дом проходе площадь сечения прокатываемого металла уменьша-ется, при этом форма и размеры заготовки постепенно прибли-жаются к требуемому профилю.

Прокатку листов и полос проводят в так называемых гладкихвалках. В этом случае уменьшение толщины прокатываемого ме-талла в каждом проходе достигается соответствующим сближени-ем валков.

Прокатку сортового и фасонного металла, например с сечени-ем в виде квадрата, круга, рельса или швеллера, осуществляют вкалиброванных или ручьевых валках, на рабочей поверхности ко-торых сделаны углубления, называемые ручьями, соответствую-щими требуемой форме прокатываемого изделия. Просвет, обра-зованный двумя ручьями, сделанными на обоих валках, совмест-но с зазором между валками называется калибром.

Калибровкой профиля называется система последовательно рас-положенных калибров, обеспечивающих получение готового про-филя заданных размеров. Определение размеров калибров для раз-личных профилей является основной задачей калибровки прокат-ных валков.

Калибровка валков для прокатки сортовых профилей включаетв себя расчет режима обжатия металла по проходам, конструиро-вание формы с определением размеров калибров и их расположе-ния на валках. В результате получают последовательный ряд ка-либров, который должен привести к уменьшению поперечногосечения прокатываемого металла и максимальной вытяжке с по-лучением полосы металла заданных размеров и формы, а также

^ Еезпалько 9796

обеспечить высокую производительность стана и возможность ав-томатизации процесса прокатки.

Прокатываемый металл при проходе через калибр будет при-нимать его форму только при выполнении основных правил ка-либровки, иначе он или не заполнит весь калибр, тогда размерыпрофиля не будут соответствовать требуемым, или, наоборот,переполнит калибр, и тогда неизбежно на краях профиля появятсязаусенцы. Кроме того, при несоблюдении условий калибровки ипрокатываемом металле могут возникать значительные напряже-ния, которые вызовут образование трещин или других дефектов.

Все виды калибров, применяемые при прокатке, можно разде-лить на следующие основные типы:

• обжимные, или вытяжные, калибры, предназначенные дляуменьшения площади сечения прокатываемого металла;

• черновые, или подготовительные, калибры, в которых нарядус дальнейшим уменьшением площади сечения заготовки осуще-ствляется грубая обработка профиля с постепенным приближе-нием его размеров и формы к конечному сечению;

• предотделочные, или предчистовые, калибры, предшествую-щие чистовым;

• чистовые калибры, придающие профилю окончательный вил.Форма и размеры последних почти полностью совпадают

формой и размерами конечного продукта.Калибры подразделяют на закрытые и открытые. Для получе-

ния одного и того же профиля можно применять как закрытые,так и открытые калибры. В тех случаях, когда линии разъема вал-ков находятся вне пределов калибра, он называется закрытым, впротивоположном случае калибр называется открытым. Следуетотметить, что по форме обжимные калибры бывают прямоуголь-ные, стрельчатые, ромбические, овальные, квадратные и др.

Промежутки между ручьями в теле валка называются буртами.Глубину вреза ручьев в валки делают с таким расчетом, чтобы междуих буртами оставался некоторый зазор. При плотно соприкасаю-щихся валках до прокатки расширение их от нагрева вызвало быизнос буртов, а также чрезмерное давление в подшипниках валкови лишний расход энергии на преодоление трения между валками ив подшипниках. С другой стороны, вследствие давления прокаты-ваемого металла на валки все детали рабочей клети упруго дефор-мируются и зазор между валками увеличивается. Общая величинаэтих деформаций называется отдачей или «игрой валков». В зависи-мости от типа стана «игра валков» колеблется от 1 до 10 мм.

3.2.4. Прокатное оборудование

Оборудование, на котором производится прокатка металла,называется прокатным станом (рис. 3.11). Прокатный стан — это

98

технологический комплекс последовательно расположенных ма-шин и агрегатов, предназначенных для пластической деформа-ции металла в валках (собственно прокатки), дальнейшей его об-работки и отделки (правки, обрезки кромок, резки на мерныеизделия и др.) и транспортировки.

Основной частью прокатного стана является одна или несколькорабочих клетей. Вращательное движение от электродвигателя 8передается через муфту 7 и понижающий редуктор 6 в шестерен-ную (распределительную) клеть 5 и далее через шпиндели 4 навалки / рабочей клети 2. Рабочая клеть состоит из двух симметрич-ных станин, соединенных между собой стальной поперечиной 3.Вся установка монтируется на общем фундаменте. В рабочей клетистана располагается от двух до шести валков, а иногда и более.

Рабочей частью прокатного валка у листопрокатных станов слу-жит гладкая бочка 1 (рис. 3.12, а), а у сортопрокатных станов —бочка 1 с ручьями 4 (рис. 3.12, б). Торцовые части бочек имеют

шейки 2, опирающиеся на подшипники, расположенные в ста-нинах клети. Шейки переходят в так называемые трефы 3, имею-щие форму крестовин. Трефы служат для соединения валков сошпинделем, приводящим их во вращение. Одновременно трефыпозволяют перемещаться валкам в вертикальном направлении длярегулирования расстояния между ними и образования калибра. Нарис. 3.12, в показан открытый калибр, состоящий из двух ручь-ев 4, полученный при смыкании валков.

По количеству валков в клети прокатные станы подразделяют-ся на несколько видов: двухвалковые {дуб), трехвалковые (трио),четырехвалковые (кварто) и многовалковые. Двухвалковые станыразделяются на нереверсивные, имеющие постоянное направлениевращения валков и реверсивные, у которых направление вращениявалков после каждого пропуска заготовки меняется, т.е. заготовкипрокатываются в обе стороны.

Примерами реверсивных станов являются блюминг и слябингЭто обжимные станы, перерабатывающие слитки в блюмы (заготовки квадратного сечения) и слябы (заготовки прямоугольногосечения). Основной характеристикой блюминга и слябинга явля-ется диаметр валков. В зависимости от диаметра валков станы де-лятся на малые и большие. Основным параметром листовых ста-нов является длина бочки валка, которая определяет максималь-ную ширину прокатываемых листов.

В блюмингах и слябингах все операции прокатки механизиро-ваны и автоматизированы, в том числе подача слитка к стану иобратно (рольгангом), перевертывание слитка (кантователем),контроль режимов прокатки и др. Нереверсивные станы дуо при-меняются для прокатки в одну сторону (непрерывная прокатка)и для прокатки тонких листов.

В трехвалковых станах (трио) прокатка заготовки в одном на-правлении производится между нижним и средним валками, а вобратном направлении — между средним и верхним валками. Та-ким образом, направление вращения валков менять не приходит-ся. Это устраняет основной недостаток нереверсивных станов. Дляподачи заготовки в верхнюю пару валков станы трио оборудованыс обеих сторон подъемно-качающимися столами.

Станы кварто имеют четыре валка, расположенные один налдругим: два средних меньшего диаметра являются рабочими (приводными) и два крайних — опорными. Назначение опорных вал-ков — воспринимать давление рабочих валков при прокатке и темсамым препятствовать их прогибу. Станы кварто применяют дляпрокатки как тонких, так и толстых листов и полос.

Многовалковые станы вследствие еще большей кинематиче-ской жесткости всей рабочей клети применяют для холоднойпрокатки очень тонких полос и лент с небольшими допускамипо толщине.

Для прокатки с обжатием и по боковым поверхностям заго-товки (прокатка широких полос, двутавровых балок с широки-ми полками и др.) применяют универсальные станы. Эти станы,кроме горизонтальных валков, имеют еще пару вертикальных,установленных в непосредственной близости к горизонтальнымвалкам или в отдельной клети. Примером такого стана служитслябинг.

Скорость прокатки на непрерывных станах при производствесортового материала и листов достигает 7... 15 м/с, проволоки —25... 50 м/с, а при холодной прокатке жести — до 35 м/с. На другихстанах скорость прокатки не превышает 7 м/с.

По состоянию обрабатываемого металла станы можно подраз-делить на станы горячей и холодной прокатки. По характеру вы-пускаемой продукции станы подразделяются на обжимные — блю-минг и слябинг; заготовочные — для прокатки блюмов в сорто-вую заготовку квадратного сечения; крупно-, средне- и мелко-сортовые; станы для различного сортового проката — рельсоба-лочные, листовые, проволочные; трубопрокатные и станы спе-циального назначения.

Разделение прокатных станов по расположению рабочих кле-тей определяется назначением стана, требуемым числом пропус-ков металла при прокатке определенного профиля заготовки изаданной производительностью.

В зависимости от расположения рабочих клетей прокатные ста-ны подразделяются на одноклетьевые, линейные, последователь-ные, полунепрерывные и непрерывные.

Одноклетьевые станы имеют одну рабочую клеть и линию при-вода валков. К станам этой группы относятся блюминги, слябин-ги, толстолистовые станы дуо, трио и кварто, трубопрокатныестаны.

В тех случаях, когда в одной клети не размещается нужноечисло калибров или требуется высокая производительность, при-меняются многоклетьевые станы с различным расположениемклетей.

Рабочие клети линейных станов расположены в одну, две, трии более линий, причем каждая линия имеет отдельный приводили несколько линий имеют привод от одного двигателя. Эти ста-ны нереверсивные и применяются как проволочные, сортовые,Рельсобалочные и тонколистовые.

Прокатываемая полоса в каждой клети последовательного ста-на проходит только один раз, поэтому число клетей такого станаДолжно быть равно максимальному числу проходов, необходимыхДля прокатки готового профиля. Так как после прокатки в каждойклети длина полосы возрастает, то, очевидно, расстояние междуКлетями и скорость прокатки должны увеличиваться от первой кПоследней клети. Станы этой группы широко применяются для

100 101

прокатки сортовых профилей и обладают большой производитель

ностью.Непрерывные станы являются наиболее совершенными. Прока-

тываемая полоса находится одновременно в нескольких клетяхпоэтому скорость валков должна регулироваться и подбиратьсятак, чтобы количество металла, проходящего в единицу временив любой клети, было постоянным, что требует сложного и точно-го регулирования скоростей. Непрерывные станы имеют оченьбольшую производительность и применяются как заготовочныеширокополосные, мелкосортовые, проволочные, трубосварочныеи станы холодной рулонной прокатки листов и жести.

Полунепрерывные станы состоят из двух групп клетей: непре-рывной и линейной (или последовательной). В первой группе кле-тей полоса прокатывается непрерывно, т.е. она может находитьсяодновременно в нескольких клетях. Во второй группе клетей про-катка происходит по принципу, описанному для линейных и по-следовательных станов. Полунепрерывные станы применяются длямелкосортового проката и проволоки (черновая группа — непре-рывная, чистовая — линейная) и для прокатки полос (чистоваягруппа — непрерывная).

3.3. Прессование

3 . 3 . 1 . Общие положения

Прессование — способ обработки металлов давлением, при ко-тором металл выдавливают из замкнутой полости (контейнера)через отверстие в инструменте, называемом матрицей, в резуль-тате чего получают длинномерное изделие с сечением (профи-лем), по форме соответствующим отверстию матрицы. Прессова-ние позволяет получать изделия с очень сложным профилем, ко-торые невозможно изготовить другими способами пластическойдеформации. Прессованием можно получать прутки диаметром5...200 мм и трубы диаметром до 800 мм при толщине стенок

1,5 ...8 мм.При прессовании имеет место самая благоприятная схема на-

пряженного состояния обрабатываемого металла по сравнению сдругими процессами ОМД (см. рис. 3.4, в). Эта схема позволяетобрабатывать малопластичные и даже хрупкие металлы без опас-ности их разрушения.

При прессовании металл подвергается всестороннему нерав-номерному сжатию, вследствие чего он приобретает высокую пла-стичность. В этих условиях для прессования металла требуются боль-шие по величине усилия. Процесс протекает при температурахгорячей обработки давлением. Прессование чаще всего применя-

102

ют для обработки цветных металлов и сплавов вследствие того,что для них требуются более низкие усилия прессования и темпе-

ратуры обработки и реже для обработки сталей. Для прессованиястальных изделий заготовкой, как правило, служит прокат.

Прессованные изделия из цветных металлов и сплавов (меди иее сплавов, цинковых и титановых сплавов и др.), а также из ста-лей в основном являются заготовками для получения изделий во-лочением, холодной прокаткой и другими способами обработки.Прессованные профили из алюминия, магния и их сплавов явля-ются, как правило, готовыми изделиями.

К недостаткам прессования следует отнести значительные от-ходы, так как весь металл заготовки не может быть выдавлен иззакрытой полости через отверстие в матрице. В полости остаетсятак называемый пресс-остаток, который после окончания прес-сования отрезается от полученного профиля. При прессованиивыход годной продукции составляет 70...80 %.

3.3.2. Схемы и технология прессования

Существуют два метода прессования — прямой и обратный(рис. 3.13).

При прямом прессовании (рис. 3.13, а) заготовку 3 помещают вконтейнер 4, укрепленный на раме 5 пресса, в отверстие которой

устанавливают матрицу 6. При давлении пуансона / совместно спресс-шайбой 2 металл заготовки выдавливается через отверстиев матрице. При прямом прессовании направление течения прессу-емого металла совпадает с направлением движения пуансона.

При обратном прессовании (рис. 3.13, в) заготовка 3 помещает-ся в глухой контейнер 4, опирающийся на раму пресса 5 и пресс-шайбу 2. Далее в контейнер входит полый пуансон 1 с матрицей6, которые давят на заготовку, в результате чего металл выдавли-вается через отверстие в матрице в направлении, обратном дви-жению пуансона, при этом формируется заданное изделие (пру-ток).

При прямом прессовании трение металла заготовки о стенкиконтейнера увеличивает сопротивление деформированию и по-вышает степень деформации всего металла. Металл наружных слоевпрессованного прутка оказывается деформированным в большейстепени, чем металл внутренних слоев. Эта неравномерность де-формации приводит к образованию трещин в материале малопла-стичных сплавов.

При обратном прессовании, когда основная часть металла за-готовки неподвижна относительно стенок контейнера, очаг де-формации не распространяется далеко в глубину заготовки и ма-териал деформируется в меньшей степени. В этом случае деформа-ция в прессованном прутке получается более равномерной. Дляобратного прессования требуется приложение меньших усилий посравнению с прямым. Кроме того, при обратном прессованииполучается меньшее количество отходов металла (пресс-остаток).Однако низкая степень деформации в отдельных случаях приво-дит к тому, что прессованный металл сохраняет следы структурыисходной заготовки, например литую структуру. В этих случаяхзаготовки перед штамповкой дополнительно подвергают ковке,чего не требуется для заготовок, полученных прямым прессова-нием. Техническое выполнение процесса получения длинномер-ных заготовок также проще при прямом прессовании.

Основными причинами образования пресс-остатка являютсяускоренное охлаждение поверхности заготовки при прессованиив результате ее контакта с контейнером и наклеп поверхностныхслоев металла в процессе его трения о стенки контейнера.

Обратный метод прессования по сравнению с прямым болееэкономичен, так как при нем уменьшаются отходы металла на(5...6%) и снижаются усилия прессования металла примерно на25 % за счет отсутствия трения металла о стенки контейнера. Од-нако из-за сложности конструкции установки для прессованияэтот метод имеет ограниченное применение.

Для изготовления труб и полых профилей (рис. 3.13, б, г) висходной заготовке необходимо предварительно получить сквоз-ное отверстие. Для этого заготовка 3, помещенная в контейнер 4,

104

сначала прошивается иглой 7, которая выходит на некоторое рас-стояние из отверстия матрицы. При этом образуется кольцевойзазор между отверстием матрицы 6 и иглой 7. В процессе прессова-ния металл заготовки 3 выдавливается пуансоном 1 в зазор междуматрицей и иглой.

Коэффициент вытяжки металла при прессовании равен от-ношению площади сечения контейнера SK к площади сечения от-верстия матрицы Su:

Обычно коэффициент вытяжки находится в пределах 8... 50,а иногда и более.

Степень обжатия металла при прессовании определяется от-ношением разности площадей поперечного сечения контейнера иотверстия матрицы к площади поперечного сечения контейнера:

Степень обжатия может достигать 90 %.Процесс прессования металла характеризуется также скоро-

стью прессования и скоростью истечения металла.Скорость прессования представляет собой скорость переме-

щения пуансона в контейнере (м/с), а скорость истечения —скорость (м/с), с которой металл вытекает через отверстие в мат-рице:

Технологический процесс прессования металла включает в себяследующие стадии: подготовку слитка или заготовки к прессова-нию (удаление наружных дефектов, разрезка заготовки на мер-ные длины и т.д.); нагрев слитка или заготовки до заданной тем-пературы; подачу нагретого металла в контейнер; выдавливаниеметалла из контейнера через отверстие в матрице; отделку полу-ченного изделия — резка прутка на мерные длины, правка направильных машинах, а также разбраковка и устранение дефек-тов.

Прессование производится на горизонтальных и, реже, верти-кальных гидравлических прессах специальной конструкции с уси-лием до 10 МН, отличающихся высокой производительностью.Современные прессы оборудованы специальным автоматическимустройством, обеспечивающим постоянную скорость прессования,что очень важно при получении изделий из разных сплавов. В этомслучае обеспечивается стабильность механических свойств по длинеизделия и повышается производительность процесса.

' К основным инструментам для прессования относятся матри-ца, пресс-шайба, пуансон, контейнер, а также игла и иглодержа-тель (при прессовании труб). К инструменту предъявляются повы-

105

шенные требования по жаростойкости при работе в условиях вы-соких температур (800... 1 200°С) и значительных нагрузок.

Инструмент при прессовании работает в тяжелых условиях привысоких давлении и температуре. Для уменьшения износа инстру-мента и снижения коэффициента трения на поверхности контак-та матрицы и деформируемого металла, достижения более равно-мерного истечения металла из матрицы применяют смазку из смесимашинного масла с графитом, дисульфид молибдена, жидкое стек-ло и другие смазочные материалы.

3.4. Волочение

3.4.1. Общие положения

Волочение — процесс ОМД, при котором пластическая де-формация заготовки в холодном состоянии осуществляется з;счет протягивания ее через отверстие в специальном инструменте — волоке, размеры отверстия в которой меньше размеров исходной заготовки. В результате волочения получаются изделия iпостоянным сечением по всей длине, имеющие точные размеры, заданную геометрическую форму, чистую и гладкую поверхность. При волочении поперечное сечение заготовки уменьшается, а ее длина соответственно увеличивается. Исходным материалом для волочения в основном является горячекатаный сорто-вой прокат.

В процессе деформации металла при волочении выделяется теп-лота, нагревающая заготовку, для чего ее охлаждают. Металл за-готовки упрочняется за счет образования наклепа, который сни-мают с помощью отжига.

При волочении возникает трение между заготовкой и инстру-ментом, что приводит к увеличению тягового усилия и соответ-ственно мощности оборудования. Силу трения можно уменьшить,выбирая оптимальную шероховатость рабочей поверхности филь-ер, подавая смазку в зону деформации или создавая зону ульт-развуковых колебаний.

3.4.2. Волоки и волочильные станы

Волока — основной инструмент волочильных станов. В про-цессе волочения волока испытывает значительные нагрузки, таккак в ее канале под действием усилия волочения происходитпластическая деформация. Волока (см. рис. 3.14, а) закрепляет-ся в специальной обойме и имеет, как правило, пять зон: вход-ную 6 (распушка), смазочную (на рисунке не показана), дефор-мирующую 5, калибрующую 4 и выходную 3. Калибрующую зонуобычно делают цилиндрической формы, а остальные — кони-ческой (деформирующая зона иногда имеет радиальную фор-му). Угол рабочего конуса деформирующей зоны (угол суженияволоки) 2а при волочении прутков выбирают в пределах 6... 18в зависимости от вида изделия и свойств металла, а при воло-чении труб — 10... 24°. Чем больше твердость металла, тем мень-ше угол рабочего конуса.

Волоки изготовляют из твердых сплавов, металлокерамичес-ких материалов, технических алмазов (для волочения очень тон-кой проволоки), а также из инструментальной стали (для волочения крупных прутков и труб).

Процесс волочения осуществляют на волочильных станах (рис3.15): с прямолинейным движением заготовки — цепные и рееч-ные; с наматыванием заготовки на барабаны — барабанные. Пер-вые применяются для волочения и калибровки прутков, труб; вто-рые — для волочения проволоки, специальных профилей и трубнебольших диаметров.

Цепной волочильный стан (рис. 3.15, а) состоит из станины 1,двух цепных барабанов 8 (приводной) и 10. На барабаны надеташарнирно-пластинчатая цепь 9, передвигающая тележку 6 припомощи крюка 7. На тележке закреплены клещи 4, зажимающиепруток 2, протягиваемый через волоку 3. По окончании протя-гивания крюк выталкивается из цепи и удерживается противове-сом 5 в приподнятом состоянии, а тележка возвращается в исход-ное положение. Одновременно могут протягиваться до десятка прут-ков длиной 25...50 м при скорости волочения 0,5... 10 м/с.

108

В производстве наиболее распространены барабанные волочиль-ные станы (рис. 3.15, б). Бунт (моток) проволоки 11 надевают нахолостой барабан 12, а саму проволоку протягивают через волоки13, 15, 17 к 19 с постепенно уменьшающимися отверстиями. Натяговые барабаны 14, 16 и 18 наматывают два-три витка проволо-ки для создания тягового усилия. Барабаны вращаются от электро-двигателя 22 через редуктор 21 и конические зубчатые передачи 23.Окончательно проволока наматывается на приемный барабан 20.

В барабанных станах однократного волочения скорость волоче-ния составляет около 1 м/с при диаметре исходной проволоки0,4... 20 мм. В станах многократного волочения скорость волочениядостигает 0,3... 50 м/с и более при диаметре проволоки 0,6... 2 мм.

При разработке технологического процесса волочения преждевсего назначают основные параметры: степень обжатия, скоростьволочения и смазку (минеральное масло, графит, мыло или эмуль-сии). Затем создают маршрутную технологию волочения: отжиг сЦелью получения мелкозернистой структуры и повышения плас-тичности металла; травление для удаления окалины; промывка;заострение концов заготовок для пропуска их через волоку; воло-чение; отжиг для устранения наклепа; отделка.

109

костям боковая поверхность заготовки приобретает бочкообраз-ную форму.

Осаживание части заготовки называют высадкой (рис. 3.16, б )Высадку используют для получения поковки с утолщением кконце или в середине. Ее можно осуществить при нагревании со-ответствующей части заготовки (конца или середины) или огра-ничивая деформацию заготовки на некоторой ее части кольцевыминструментом К. Таким образом получают поковки болтов, дета-лей с буртиками, фланцами и др.

Протяжка — наиболее распространенная операция свободнойковки, совершаемая последовательными ударами по отдельнымсмежным участкам заготовки, т.е. между бойками во время ударанаходится только часть заготовки (рис. 3.16, в). При протяжке дли-на заготовки увеличивается за счет уменьшения площади ее попе-речного сечения. Протяжку можно вести с края заготовки и с се-редины. Для интенсификации процесса протяжки необходимоуменьшать уширение. Это достигается путем уменьшения величи-ны подачи а. Практически подача составляет (0,4...0,75)6, гдеb — ширина бойка. Коэффициент уковки при протяжке определя-ют отношением конечной длины поковки к исходной длине заго-товки или отношением площадей поперечного сечения заготовкии поковки. Протяжкой изготовляют удлиненные поковки, из ко-торых получают валы, рычаги, шатуны, тяги и др.

Разгонка (рис. 3.16, г) направлена на увеличение ширины 1 ча-сти заготовки за счет уменьшения ее толщины и достигается пу-тем обработки ее отдельных участков; при этом ось заготовки рас-полагают перпендикулярно к ширине бойка b.

Рубка — операция разделения заготовки на несколько частей(рис. 3.16, д). Рубка заготовки производится инструментом И (то-пором), после чего заготовка кантуется на 180° и разделяется окон-чательно.

Для получения сплошных и глухих отверстий в заготовке при-меняют прошивку (рис. 3.16, е) прошивнем П.

Прошитые заготовки можно повергать раскатке бойком сшириной b на оправке по диаметру D (рис. 3.16, ж) с примене-нием оправки О, что приводит к уменьшению толщины стенкикольца и увеличению его наружного и внутреннего диаметров(продольная ось бойка параллельна оси кольца). Метод исполь-зуется в производстве поковок для колец, бандажей, барабанови др.

При протяжке на оправке (рис. 3.16, з) заранее прошитая заго-товка увеличивается по длине и уменьшается в диаметре за счетуменьшения толщины (утонения) ее стенки s (продольная осьбойка перпендикулярна оси кольца). Эта операция применяетсяпри изготовлении пустотелых поковок котельных барабанов, ро-торов турбин и др.

112

Операция передачи металла (рис. 3.16, и) состоит из смещенияодной части заготовки относительно другой. Передача применяет-ся для изготовления коленчатых валов и других изделий.

Кроме описанных основных способов свободной ковки такжеприменяют: гибку, кузнечную сварку и скручивание.

Гибка — применяется для получения поковок с изогнутой осью.Ее осуществляют с помощью различных опор, приспособлений ив подкладных штампах. Гибкой изготовляются уголки, скобы, крю-ки и др.

Кузнечная сварка — создание неразъемного соединения междупредварительно нафетыми заготовками путем их совместного пла-стического деформирования.

Скручивание — поворот одной части заготовки относительнодругой на заданный угол вокруг ее оси, для чего применяют спе-циальные приспособления. Скручивание применяют для разворо-та колен коленчатых валов, при изготовлении сверл и др.

3.5.2. Оборудование и инструмент для свободной ковки

Машинная ковка проводится на ковочных молотах и ковочныхгидравлических прессах.

На ковочных молотах пластическая деформация металла заго-товки совершается за тысячные доли секунды, так как молотыявляются машинами динамического действия. Металл заготовкидеформируется за счет энергии, накопленной падающими частя-ми молота. Молоты подразделяются на пневматические и паро-воздушные.

На пневматических ковочных молотах изготовляют мелкие по-ковки (до 20 кг). Молот имеет два цилиндра: рабочий и компрес-сорный. Привод поршня компрессорного цилиндра осуществля-ется от электродвигателя с помощью кривошипно-шатунногомеханизма. Поршень сжимает воздух в верхней или в нижней по-лости цилиндра до величины 0,2...0,3 МПа. Сжатый воздух на-правляется в рабочий цилиндр, где он перемещает рабочий пор-шень вверх-вниз. Поршень рабочего цилиндра и соединенный сним массивный шток являются падающими частями молота. Верх-ний и нижний бойки молота крепятся соответственно к штокурабочего цилиндра и стальной подушке, установленной на мас-сивном шаботе. Молот может наносить единичные удары по заго-товке, уложенной на нижний боек, или работать в автоматиче-ском режиме. Пневматические молоты имеют массу падающих ча-стей от 50 до 1 000 кг.

Паровоздушные ковочные молоты предназначены для изготов-ления поковок средней массы (20...350 кг) из прокатанных заго-товок. В качестве энергоносителя используют сжатый пар или воз-дух под давлением 0,7...0,9 МПа.

113

Паровоздушные ковочные молоты подразделяют на молотыпростого и двойного действия. У молотов простого действия парили воздух служат только для подъема падающих частей. Молотыэтого типа применяются редко. У ковочных молотов двойного дей-ствия пар или воздух служат не только для подъема падающихчастей, но и для дополнительного давления на поршень при па-дении падающей части молота (бабы), что позволяет значительноувеличить энергию удара молота. Паровоздушные молоты имеютмассу падающих частей от 1 000 до 8 000 кг.

Ковочные гидравлические прессы — машины статического дей-ствия, на которых деформирование заготовки может продолжать-ся от единиц до десятков секунд. На них обрабатывают крупныезаготовки, в основном слитки. Прессы развивают усилие от 5 до100 МН.

Основной кузнечный инструмент, применяемый для свобод-ной ковки, представляет собой бойки различной формы. Кромерабочего инструмента используют также мерительный (крон-циркули, угольники) и вспомогательный (клещи, вилки, пат-роны и др.) инструменты.

3 . 6 . Объемная ш т а м п о в к а

3 . 6 . 1 . Горячая объемная штамповка

Штамповкой называют процесс обработки металлов давлени-ем в специальном инструменте — штампе. При штамповке заго-товка приобретает заданные форму и размеры путем заполненияметаллом рабочей полости штампа. Она обеспечивает достаточновысокую точность размеров и качество поверхности полученнойзаготовки. Штамповку целесообразно применять при крупносе-рийном и массовом производстве, когда могут быть оправданызатраты на изготовление дорогостоящей штамповой оснастки.

Различают горячую и холодную объемные, листовую и специ-альные виды штамповки.

При горячей объемной штамповке деформируется весь объемметалла заготовки и его истечение ограничивается полостью штам-па. Штамп обычно состоит их двух разъемных частей, которые всобранном виде создают одну или несколько внутренних полос-тей, называемых ручьями.

Горячая объемная штамповка имеет ряд преимуществ по срав-нению со свободной ковкой: достигается более высокая произво-дительность труда, уменьшается количество отходов металла, обес-печивается более высокая точность изделия при лучшем состоя-нии его поверхности. Горячей объемной штамповкой можно по-лучать заготовки сложной конфигурации без напусков, с неболь-

114

шими припусками, что снижает объем металла, идущего в струж-ку, при последующей обработке резанием. Усилие деформирова-ния металла при горячей штамповке выше, чем при ковке одно-типных поковок. Поэтому горячей объемной штамповкой получа-ют в основном небольшие изделия (поковки) массой 20...30 кг итолько в отдельных случаях массой до 300 кг. Заготовкой при горя-чей объемной штамповке обычно служит прокат различных про-филей из стали, цветных металлов и других материалов.

Горячей объемной штамповкой получают заготовки для дета-лей различных узлов автомобилей, сельскохозяйственных машин,станков, железнодорожного транспорта, самолетов и т.д.

Горячую объемную штамповку осуществляют двумя способа-м и — в открытых и закрытых штампах (рис. 3.17).

При штамповке в открытых штампах (рис. 3.17, а) полость штам-па 4 в процессе деформирования заготовки остается открытой иштамповка сопровождается образованием облоя (заусенца) вок-руг поковки. Облой — избыток металла, вытесненный в облойнуюканавку, находящуюся по месту разъема верхней 2 и нижней 3половин штампа и состоящую из узкого зазора — «мостика» 5 ирасширенной части — «магазина» 1.

При штамповке в открытом штампе облой выполняет двойнуютехнологическую функцию: во-первых, на определенном этапе онблокирует течение металла из полости штампа, заставляя металлплотно заполнять все элементы формы, обеспечивая хорошееформообразование поковки штампованой; во-вторых, компенси-рует погрешность отрезки исходной заготовки по массе, что по-зволяет применять дешевые, высокопроизводительные способыразделения заготовок.

При штамповке в закрытых, или безоблойных, штампах (рис.3.17, б) металл деформируется в замкнутом пространстве. В отли-чие от открытого штампа, имеющего поверхность разъема в видеплоскости, закрытый штамп имеет разъем в виде сложной поверх-ности с направляющими, обеспечивающими точное смыкание по-ловин штампа в конце штамповки. При безоблойной штамповкерасход металла уменьшается на 20 % и исключаются затраты наобрезку облоя (из-за его отсутствия). Однако закрытые штампыдля деталей сложной формы конструктивно трудновыполнимы,дороги и быстро выходят из строя. Кроме того, практически труд-но рассчитать массу исходной заготовки, объем которой долженточно совпадать с объемом замкнутой полости штампа. При из-бытке металла штамп полностью не закроется и поковка будетиметь увеличенные припуски на механическую обработку, а принедостатке металла поковка сформируется не полностью и можетбыть забракована.

К штамповке в закрытых штампах можно отнести штамповкувыдавливанием (рис. 3.17, в), штамп в этих случаях выполняется потипу закрытого, и отхода в облой не предусматривается.

В настоящее время наиболее распространенной остается штам-повка в открытых штампах, несмотря на значительные потериметалла на облой.

Открытые и закрытые штампы могут быть одно- или многоручь-евыми. Одноручьевые штампы применяют для получения поковокпростой формы. Поковки сложной формы изготовляют методоммногоручьевой штамповки. Заготовку вначале обрабатывают в под-готовительных ручьях, а затем в чистовом ручье. Подготовитель-ные и чистовые ручьи размещают в одном общем или в несколь-ких отдельных штампах. При проектировании технологическогопроцесса штамповки выгоднее применять одноручьевые штампыс использованием заготовок фасонной формы.

Технологический процесс горячей объемной штамповки вклю-чает в себя резку проката на мерные заготовки, нагрев заготовокв электрических или пламенных печах, осадку заготовки, штам-повку заготовки с дальнейшей обрезкой облоя (заусенца) и про-шивкой отверстия, термическую обработку полученных поковоки их очистку от окалины. В соответствии с этими операциями вцехах горячей штамповки имеются заготовительное, штамповоч-ное, термическое и отделочное отделения.

При проектировании технологического процесса необходимоучитывать ряд факторов: форму и размеры готового изделия, тре-буемую точность его изготовления, пластические свойства метал-ла, программу выпуска. С учетом этих факторов выбирают типмашины для горячей штамповки. Далее по чертежу изделия вы-полняют чертеж поковки с учетом припусков на механическуюобработку и допусков на штамповку. По чертежу поковки опреде-

116

ляют форму и размеры исходной заготовки. Затем проектируютштамп с учетом расположения в нем заготовки и характера про-

межуточных переходов при штамповке.Штамповку осуществляют на молотах, кривошипных, гидрав-

лических и фрикционных прессах, горизонтально-ковочных идругих машинах.

3.6.2. Штамповка на молотах

При штамповке на молотах применяют открытые и закрытые,одноручьевые и многоручьевые штампы. Для повышения произ-водительности молота при одноручьевой штамповке используютштампы с двумя или тремя чистовыми ручьями. Наиболее про-грессивным способом является одно- и двухручьевая штамповкана молотах с предварительной подготовкой фасонных заготовокпутем их вальцовки или с использованием периодического про-ката.

При штамповке в многоручьевом штампе в нем могут быть одинили несколько заготовительных ручьев. На рис. 3.18 изображенмногоручьевой штамп (рис. 3.18, а) для изготовления поковки(рис. 3.18, в) и переходы штамповки (рис. 3.18, б) получаемойдетали. Нагретая заготовка подается сначала в протяжной ручей 1,служащий для уменьшения площади поперечного сечения на оп-

1 i l l

ределенном участке заготовки и увеличения ее длины. Протяну-тую заготовку перекладывают в подкатной ручей 2, который слу-жит для увеличения размеров сечения на определенных участкахи перераспределения объема металла вдоль оси заготовки. В этомручье после каждого удара заготовку кантуют на 90°. Затем заго-товка поступает в гибочный ручей 3, где за один удар ей придаютформу, соответствующую форме поковки в плоскости разъема.После гибки заготовку деформируют в предварительном {черно-вом) ручье 4 для максимального приближения ее формы к фор-ме поковки. В этом ручье отсутствует облойная канавка, но не-большой облой может образоваться в полости разъема между по-верхностями верхней и нижней половин штампов. Черновой ру-чей, предварительно формируя поковку, уменьшает износ чисто-вого ручья. Штамповку заканчивают в окончательном {чистовом)ручье 5, в котором поковке придают окончательную форму и раз-меры, а излишек металла выдавливается в облойную канавку, рас-положенную по периметру полости штампа.

В рассмотренном примере все ручьи расположены в одном штам-пе, но они могут быть размещены и в разных штампах, установ-ленных на рядом стоящем оборудовании.

Штамповка в заготовительных и чистовых ручьях производитсяза один (редко) или несколько ударов молота. При изготовлениипоковок применяют также пережимные и формовочные заготови-тельные ручьи, площадки для осаживания и расплющивания. Еслипоковка штампуется из прутка или одновременно штампуетсянесколько поковок, то на штампе предусматривают отрубной ру-чей или нож.

Для получения поковок в штампах обычно используют паро-воздушные молоты с падающими частями массой 0,5...30 т. Посравнению с молотами для свободной ковки они имеют увели-ченную длину направляющих, в которых перемещается баба мо-лота. Кроме того, у них больше масса шабота и более жесткаястанина. Эти отличия обеспечивают высокую точность штамповки.

3.6.3. Штамповка на кривошипных и горячештамповочныхпрессах

В кузнечно-штамповочном производстве широко применяютпрогрессивные методы изготовления поковок на различном обо-рудовании: кривошипных горячештамповочных прессах, гидрав-лических, винтовых фрикционных прессах и прессах с дугоста-торным приводом.

Кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП) выполняютштамповку усилием 5... 100 МН, совершая 35 —90 ходов в минуту.Они успешно заменяют и во многих случаях по технологическимвозможностям превосходят паровоздушные штамповочные моло-

118

ты. Поковки с повышенной точностью размеров можно получатьна КГШП благодаря постоянству хода ползуна пресса. Штампов-ка на КГШП ведет к повышению коэффициента использованияметалла за счет имеющихся в штампах верхнего и нижнего вытал-кивателей, позволяющих уменьшить штамповочные уклоны, на-пуски и припуски. Кроме того, штамповка на КГШП в 1,5 —2 раза производительнее штамповки на молотах за счет того, чтодеформация заготовки на прессе в каждом ручье происходит заодин рабочий ход, в то время как на молоте — за несколькоударов. КГШП не требуют громоздких фундаментов и в сочета-нии с индукционным нагревом заготовки улучшают условия трудав цехе.

При штамповке на прессе деформация металла существенноотличается от деформации при штамповке на молоте. При ударахмолота деформируются в основном поверхностные слои поков-ки, а при штамповке на прессе нагрузка на поковку возрастаетпостепенно и деформация распространяется на весь объем метал-ла. Это необходимо учитывать при конструировании штампов дляпрессов.

При штамповке на прессах, как и на молотах, формированиепоковки происходит в предварительных ручьях за несколько пе-реходов. Однако число ручьев должно быть минимальным. Поэто-му для штамповки на прессах рекомендуется применять фасон-ные заготовки, изготовленные из периодических профилей, по-лученных продольной или поперечной прокаткой.

Перед штамповкой с поверхности нагретой заготовки необхо-димо удалить окалину, иначе она может вдавиться в тело поковкии в дальнейшем привести к нежелательным последствиям — сни-жению механических свойств детали, ее внутренней коррозии идр. Обычно окалину удаляют гидравлическим способом.

Для конструкции КГШП характерно то, что усилие, возника-ющее при штамповке, воспринимается массивной станиной ипрактически не передается на фундамент. На прессе можно штам-повать поковки в открытых и закрытых штампах.

Кинематическая схема КГШП показана на рис. 3.19.От электродвигателя / через клиноременную передачу 11 пере-

дается вращательное движение на маховик 10, установленный напромежуточном валу 2. При помощи зубчатой передачи 3 враще-ние передается на кривошипный вал 5. Ползун 8, скрепленный спомощью шатуна 6 с кривошипным валом, получает возвратно-поступательное движение. Верхняя (подвижная) часть штампа за-креплена на ползуне 8, а нижняя (неподвижная) — на столепресса 7. Стол пресса имеет специальное клиновидное устройстводля регулирования расстояния между штампами в крайнем ниж-нем положении ползуна. В ползуне и столе пресса расположенывыталкиватели, служащие для удаления поковки из штампа.

119

Включение и выключение кривошипно-шатунного механизмаосуществляется пневматической муфтой 4, а остановка — припомощи ленточного тормоза 9. Управление прессом кнопочное ипедальное.

Горячую объемную штамповку или ее отдельные операции (гиб-ку, протяжку, прошивку и др.) можно осуществлять также нагидравлических и фрикционным прессах.

На гидравлических прессах штампуют крупногабаритные поков-ки массой 100...350 кг и более, которые невозможно получить надругом кузнечном оборудовании из-за недостаточной мощности.На гидравлических прессах получают также поковки, для штам-повки которых необходим большой рабочий ход (при глубокойпрошивке). Тихоходность гидравлических прессов создает тяже-лые условия работы штампового инструмента из-за более продол-жительного контакта с поковкой.

Штамповочные гидравлические прессы могут создавать усилиедо 750 МН. Принцип их действия не отличается от принципа дей-ствия ковочных гидропрессов, но они имеют более жесткую кон-струкцию, несколько большую скорость перемещения ползуна,увеличенную площадь стола, снабжены выталкивателями, меха-низмами для установки и смены штампов и др. Прессы применя-ют для штамповки поковок из легких сплавов и стали в условияхмассового производства (например, колес подвижного железно-дорожного состава).

При работе на винтовых фрикционных прессах деформация по-ковки происходит в основном за счет энергии вращательного дви-жения, накопленной маховиком при движении вниз всей систе-мы: маховик — шпиндель — ползун. Фрикционные прессы приме-няют для штамповки мелких поковок.

120

Штамповка на винтовых прессах с дугостаторным приводом ос-нована на использовании вращающегося электромагнитного поля,создаваемого не круговыми, как в обычных электродвигателях, адуговыми статорами, которые приводят во вращение короткозам-кнутый ротор-маховик и связанный с ним винт. Последний пере-мешает вверх или вниз ползун пресса. Преимущество конструк-ций винтовых прессов состоит в том, что они допускают пере-грузку. Скорость движения ползуна в этих прессах 0,5...0,9 м/с.Вследствие этого производительность штамповки на них низкая.Однако этот недостаток становится преимуществом при штам-повке поковок из сплавов, чувствительных к высоким скоростямдеформации. Винтовые прессы с дугостаторным приводом вслед-ствие высокой надежности и долговечности в работе постепенновытесняют винтовые фрикционные прессы.

3.6.4. Штамповка на горизонтально-ковочныхи специальных машинах

На горизонтально-ковочных машинах (ГКМ) выполняют штам-повку поковок в разъемных матрицах практически без облоя и сминимальными штамповочными уклонами. Поковки, как прави-ло, имеют вид стержня с головкой или утолщением (болты, за-клепки и др.). При штамповке прутка отпадает необходимость вего предварительной разделке на мерные заготовки, так как штам-пы ГКМ имеют отрезной ручей. Машина имеет жесткую конст-рукцию, что увеличивает точность поковок.

Типичным для ГКМ является процесс многоручьевой штам-повки прутковой заготовки в закрытом штампе, состоящем изпуансона и разъемных матриц. В зависимости от сложности поко-вок матрицы могут иметь до шести ручьев. Каждому ручью соот-ветствует свой пуансон.

На рис. 3.20 представлена схема штамповки поковки на ГКМ.Штампы для ГКМ состоят из неподвижной 3 и подвижной 5 по-

луматриц, а также пуансона 1. Нагретую в торцевой части заготов-ку (пруток) 4 подают до упора 2 (рис. 3.20, а), который впослед-ствии при рабочем ходе машины отводится в сторону, а заготовказажимается между полуматрицами (рис. 3.20, б). Затем пуансондеформирует выступающую часть заготовки и отходит назад (рис.3.20, в). После этого полуматрицы раскрываются и освобождаютзаготовку (рис. 3.20, г). В соседнем отрезном ручье штампа поковкаотделяется от заготовки при следующем ходе машины.

Штамповка на ГКМ осуществляется обычно за несколько пе-реходов в ручьях, оси которых расположены одна над другой. Каж-дому переходу соответствует один рабочий ход машины.

Производительность ГКМ высокая — 400 — 600 поковок в час.ГКМ выпускают с усилием при штамповке 0,1... 30 МН. На нихможно штамповать поковки из круглых прутков диаметром до27 мм.

Усилие штамповки /"приближенно определяют по формуле

где к — поправочный коэффициент, равный в среднем 4; —предел прочности металла при температуре конца штамповки,Н/м2; Sn — площадь проекции поковки на плоскость, перпенди-кулярную направлению движения пуансона, м2.

Кроме рассмотренных применяются специализированные про-цессы штамповки на машинах узкого технологического назначе-ния. Основные из них — вальцовка (штамповка на ковочных валь-цах) и штамповка на ротационно-ковочных машинах (рис. 3.21).

Для предварительного обжатия заготовок, предназначенныхдля дальнейшей штамповки, а также для получения некоторыхпоковок, например гаечных ключей, турбинных лопаток и др.,

рименяют ковочные вальцы. В основном на них получают фасон-ные заготовки для дальнейшей их штамповки на молотах и прес-сах.

Ковочные вальцы. Штамповка поковок на ковочных вальцах (рис.3.21, а) напоминает обычную продольную прокатку в одной ра-бочей клети с той лишь разницей, что на вальцах 3 ручьи пред-ставляют собой не кольцевые пазы, а полости, выполненные поконфигурации поковки. Процесс изготовления поковки состоит вследующем: нагретая заготовка / с помощью клещей 6 подаетсядо упора 2 в тот момент, когда вальцы (штампы) 3 в виде секто-ров, закрепленных на вращающихся валках 4, развернуты на оп-ределенный угол и не зажимают заготовку. При вращении валковпроисходит захват заготовки и обжатие ее в полости штампа 5. Таккак при штамповке на вальцах практически неизбежны смещенияштампов относительно друг друга, то желательно, чтобы полость(ручей) штампа была расположена только в секторе одного валь-ца, а другая часть вальца была бы гладкой.

С целью экономии штамповой стали штампы ковочных валь-цов изготовляют в виде отдельных сменных секторов, закреплен-ных на валках.

Ротационно-ковочные машины предназначены для протяжкипутем обжатия в холодном или горячем состоянии сплошных круг-лых и квадратных заготовок и труб периодически сходящимисябойками. По длине изделия можно получить переменные форму иразмеры. На этих машинах изготовляют главным образом различ-ного рода ступенчатые поковки с круглым, квадратным и другимсечениями, конические валики, трубы с оттянутыми на конусконцами и др. Высокие точность (0,1 ...0,3 мм) и качество поверх-ности во многих случаях исключают необходимость в последующейобработке изделий резанием.

Ротационно-ковочные машины изготовляются двух типов —с вращающимися и невращающимися бойками. Схема ротацион-но-ковочной машины с вращающимися бойками показана на рис.3.21, б. Исходная заготовка / в виде прутка с круглым сечениемподается между бойками 5, помещенными в шпинделе 4. В про-цессе вращения шпинделя с помощью роликов 3, находящихся вобойме 2, бойки 5 наносят удары по заготовке и деформируют ее.После каждого удара бойки отбрасываются от заготовки центро-бежной силой. При этом количество и сила ударов зависят от ско-рости вращения шпинделя, количества роликов в обойме и числабойков.

В машинах другого типа бойки не вращаются, а воздействуютна заготовку в результате вращения обоймы с роликами. Бойкивозвращаются в исходное положение под действием возвратныхпружин. Эти машины используют для протяжки прутков с квад-ратным сечением.

123

Современные ротационно-ковочные машины работают авто-матически по заданной программе и совершают до несколькихтысяч ударов в минуту.

После изготовления поковок с ними проводятся отделочныеоперации: обрезка облоя (заусенца), пробивка отверстий, терми-ческая обработка, очистка от окалины, правка, калибровка и кон-троль качества.

Обрезку облоя после штамповки в открытых штампах и пробивкуотверстий производят в штампах на кривошипных прессах, ана-логичных по принципу действия кривошипным штамповочнымпрессам.

Схемы обрезки облоя и пробивки отверстия показаны на рис.3.22. Для удаления облоя (рис. 3.22, а) поковку 4 укладывают наобрезную матрицу 5 и продавливают пуансоном 2, закрепленнымна ползуне / пресса. Облой при движении поковки вниз срезаетсярежущими кромками матрицы, поковка падает в паз нижней пли-ты 6 и выталкивается в металлический контейнер или на конвей-ер. Съемник 3 служит для сброса оставшегося на пуансоне облоя.Обычно облой обрезают сразу после штамповки, пока поковкаимеет достаточно высокую температуру (700... 950 °С). В этом слу-чае обрезной пресс входит в состав штамповочного комплекса.Мелкие поковки с тонким облоем обрезают в холодном состоя-нии на прессах, расположенных на отдельном участке.

Объемной штамповкой в поковке нельзя получить сквозныеотверстия. Вместо них штампуют наметки под отверстия и то приусловии, что диаметр отверстий превышает 30 мм. Перемычку,образующуюся в поковке при формировании наметок под отвер-стия, прорезают в пробивном штампе (рис. 3.22, б), состоящем изнижней плиты 6 с закрепленной на ней матрицей 5, съемника 3 ипуансона 2. Поковку 4 укладывают в матрицу 5. При движении

ползуна / пресса вниз пуансон 2 пробивает в поковке отверстие иотход {выдра) проваливается на склиз. После прошивки поковкаостается на пуансоне и при его движении вверх снимается съем-ником 3. Пробивка отверстий может производиться одновремен-но с обрезкой облоя в комбинированных штампах совмещенногодействия.

Термическую обработку поковок проводят после обрезки облояи пробивки отверстий.

Очистку поковок от окалины производят для улучшения усло-вий работы режущего инструмента при последующей обработкерезанием и для облегчения контроля состояния их поверхности.Очистку проводят в галтовочных барабанах, дробеструйных и дро-беметных установках, травлением в растворах кислот и другимиспособами. Очистка необходима перед холодной правкой и калиб-ровкой во избежание вмятия окалины в поковку.

Правку штампованных заготовок выполняют для устраненияискривлений осей и искажения поперечного сечения поковок,которые могут образоваться при извлечении их из ручья, обрезкеоблоя, прошивке или транспортировке. Править крупные и сред-ние поковки можно в том случае, если они находятся в горячемсостоянии; мелкие заготовки можно править в холодном состоя-нии. Правку осуществляют на штамповочных молотах, в специ-альном правочном штампе или в окончательном ручье штампа.

Калибровка в большинстве случаев является отделочной опера-цией обработки металлов давлением. Калибровку выполняют вштампе с полостями, соответствующими размерам поковки и ееконфигурации. Калибровку осуществляют для повышения точно-сти массы и размеров, уменьшения шероховатости поверхностипоковок. Она выполняется после термической обработки поковоки очистки их от окалины. В результате калибровки может отпастьнеобходимость в механической обработке калиброванных поверх-ностей либо будет применяться только шлифование. Калиброватьпоковку можно в холодном и горячем состоянии (холодная и го-рячая калибровка).

Х о л о д н а я к а л и б р о в к а (чеканка) обеспечивает макси-мальную точность размеров и высокое качество поверхности. Г о-р я ч а я к а л и б р о в к а дает меньшую точность, но может бытьприменена для обработки поковок больших размеров.

Различают плоскостную и объемную калибровку поковок.П л о с к о с т н у ю к а л и б р о в к у применяют для получения точ-ных размеров между отдельными, преимущественно параллель-ными, плоскостями поковки и придания им надлежащего каче-ства. О б ъ е м н а я к а л и б р о в к а служит для отделки поверхно-

. сти поковки при одновременном повышении точности всех ее раз-меров и уменьшении колебания по массе. При калибровке воз-можно образование заусенца, который впоследствии удаляют на

125

наждачном станке. Объемную калибровку выполняют как в горя-чем, так и в холодном состоянии.

Контроль качества поковок осуществляют на всех этапах ихпроизводства. Окончательный контроль предусматривает внешнийосмотр поковок, проверку их геометрической формы и размероввыявление поверхностных и внутренних дефектов, а также изуче-ние структуры и механических свойств металла.

3.6.5. Холодная объемная штамповка

Для массового производства небольших поковок без последу-ющей механической обработки применяют объемную штамповкуметалла в холодном состоянии. Разновидностями холодной объем-ной штамповки являются холодная высадка и холодное выдавли-вание.

Холодная высадка применяется для формирования местных утол-щений на заготовках (например, при массовом производстве за-клепок, болтов, винтов, гаек и др.). В качестве заготовок для этихдеталей используют проволоку или калиброванные прутки диа-метром 0,6...40 мм из низкоуглеродистой стали, цветных метал-лов и сплавов.

Холодную высадку выполняют на холодновысадочных автома-тах (рис. 3.23). В первом переходе ролики 2 подают пруток / доупора 4, после чего матрица 3 перемещается на позицию высад-ки, отрезая от прутка мерную заготовку. Во втором переходе уда-ром высадочного пуансона 5 производится высадка головки. Пос-ле возвращения пуансона в исходное положение изделие вытал-кивается толкателем б, который также возвращается в исходноеположение, а матрица вновь уходит на позицию подачи заготовки.Высадку осуществляют на одно-, двух- и трехударных автоматах,производительность которых достигает 400 дет./мин.

Получение изделий холодной высадкой на кузнечных автома-тах обеспечивает экономию металла 40... 70 % по сравнению с по-лучением таких же изделий на токарных станках, при этом точ-ность холодной высадки приближается к точности обработки ре-занием.

Холодное выдавливание (рис. 3.24) выполняется в штампах намеханических и гидравлических прессах прямым, обратным икомбинированным способами. При прямом выдавливании (рис.3.24, а) направление течения металла заготовки (на рисунке по-казано стрелками) совпадает с направлением движения пуансо-на с усилием выдавливания F, а при обратном — противопо-ложно направлению движения пуансона (рис. 3.24, б). При ком-бинированном способе (рис. 3.24, в) часть металла заготовки те-чет по направлению движения пуансона, а другая часть — на-встречу ему.

Выдавливание обеспечивает высокую производительность иточность изготовления разнообразных деталей. Однако из-за вы-сокой стоимости штампов выдавливание целесообразно приме-нять в крупносерийном и массовом производстве.

3 . 7 . Л и с т о в а я ш т а м п о в к а

3 . 7 . 1 . Назначение и основные операции листовойштамповки

Листовая штамповка — один из самых распространенных спо-собов получения деталей сложной конфигурации с тонкими стен-ками. Листовая штамповка характеризуется высокой производи-тельностью, обеспечивает точность и стабильность размеров дета-лей при высоком качестве их поверхности. Она позволяет полу-чать значительную экономию металла за счет возможности изго-товления достаточно простых и жестких, но в то же время легких

127

деталей. Характерным для этих деталей является то, что толщинастенок у каждой из них почти одинаковая и мало отличается оттолщины исходного материала. Операции листовой штамповкиможно полностью механизировать и автоматизировать.

Листовая штамповка является одним из прогрессивных мето-дов формообразования заготовок на прессах при помощи штам-пов и широко применяется в машиностроении, приборостроениии электротехнической промышленности. Листовой штамповкойизготовляют изделия для автомобилей, тракторов, самолетов, сель-скохозяйственных машин. Особенно велик объем применения ли-стовой штамповки в судостроении.

В качестве исходного материала в листовой штамповке исполь-зуют катаные ленты, полосы и листы толщиной от несколькихсотых долей миллиметра до 6 мм и более из цветных металлов исплавов, малоуглеродистых и пластичных легированных сталей.Заготовки толщиной более 6 мм штампуют в горячем состоянии.При листовой штамповке используют также биметаллические имногослойные листы.

Детали, изготовляемые листовой штамповкой, отличаются хоро-шей взаимозаменяемостью, достаточной точностью (12-й и 11-йквалитеты), а при проведении операций дополнительной зачи-стки и калибровки могут достигать точности 8-го и 7-го квалите-тов. Штампованные детали из листового металла изготовляют заодну или несколько последовательно выполняемых операций.В большинстве случаев их не подвергают механической обработ-ке, и они сразу поступают в сборочное производство.

Операции листовой штамповки подразделяют на разъедини-тельные, формоизменяющие, прессовочные, комбинированныеи штампосборочные.

К разъединительным {разделительным) операциям, связаннымс отделением одной части материала от другой по замкнутомуили незамкнутому контуру, относятся отрезка, вырубка (вырез-ка), разрезка, обрезка, пробивка отверстий и просечка.

К формоизменяющим операциям, связанным с превращениемплоской заготовки в пространственную деталь заданной формыбез изменения толщины листового материала, относятся гибка,вытяжка, отбортовка, правка, рельефная штамповка, формовка,раздача и обжим. К этим же операциям относится вытяжка с умень-шением (утонением) толщины материала стенок.

К прессовочным операциям, изменяющим толщину исходнойлистовой заготовки, относятся холодное выдавливание, чеканка,клеймение (маркировка) и кернение (разметка).

Комбинированная листовая штамповка заключается в совмеще-нии двух и более технологически различных отдельных операцийв одну. Такими операциями могут быть вырубка и вытяжка, отрез-ка и гибка и другие комбинации.

128

Штампосборочные операции применяются для соединения не-скольких деталей в одно изделие (узел). При этом используютсяпроцессы запрессовки, клепки, гибки, закатки, холодной илигорячей пластической (диффузионной) сварки и др.

Наиболее часто применяемыми разделительными операциямиявляются отрезка и вырубка.

Отрезка — полное отделение части материала от заготовки понезамкнутому контуру. Процесс отрезки листового материала намерные заготовки производится в заготовительных отделенияхштамповочных цехов. Резку производят на ножницах или на прес-сах при помощи отрезных штампов. В основном применяются нож-ницы трех типов: с параллельными ножами, наклонными ножа-ми (гильотинные) и дисковые. При резке ножницами нельзя по-лучить заготовки любой формы. Кроме того, кромки заготовокполучаются низкого качества. Поэтому для фасонных листовыхзаготовок применяют вырубку в штампах.

Вырубка — полное отделение заготовки или детали от листо-вой заготовки по замкнутому контуру. При резке (вырубке) лис-тового материала в штампах роль верхнего ножа выполняет пуан-сон, а нижнего (неподвижного) — матрица. При этом пуансонимеет меньшие размеры, чем отверстие в матрице. При помощиштампов можно производить следующие основные операции рез-ки: отрезку, вырубку, пробивку, обрезку, зачистку.

При вырубке деталей скос режущих кромок делается на матри-це, а пуансон должен быть плоским. Тогда полученная деталь так-же будет плоской, а отход (полоса) — изогнутым.

При пробивке отверстия скос делается на пуансоне, а матрицадолжна быть плоской. В этом случае деталь (полоса) получаетсяплоской, а отход, удаляемый из матрицы, будет изогнутым.

Большое значение в процессе вырубки имеют зазоры междупуансоном и матрицей. Они устанавливаются в зависимости отсвойств обрабатываемого материала и его толщины. При обычномрежиме работы пресса для листа толщиной 0,5... 10 мм из низко-углеродистой стали минимальные зазоры составляют 4... 10% оттолщины материала.

Усилие разделительных операций F при использовании инст-румента с параллельными режущими кромками определяют поформуле

где L — длина линии реза, м; s — толщина металла, м; —предел прочности металла, Н/м2.

При вырубке в штампах для уменьшения отходов и повыше-ния выхода годных заготовок применяют шахматное или наклон-ное их расположение на площади полосы. Из условия экономииМеталла величина технологических перемычек между вырубае-

129

мыми изделиями примерно соответствует толщине металла. Вы-ход годных изделий при разделительных операциях составляет70...80%.

К наиболее часто применяемым формоизменяющим операци-ям относятся гибка, вытяжка и отбортовка.

Гибка — образование или изменение углов между частями за-готовки или придание ей криволинейной формы. В местах изгибанаружные слои заготовки растягиваются, а внутренние — сжима-ются. Между ними расположен нейтральный слой, не испытыва-ющий ни сжатия, ни растяжения. По развернутой длине нейт-рального слоя определяют длину заготовки до гибки. Гибка осу-ществляется в результате упругопластической деформации, в свя-зи с чем после гибки растянутые и сжатые слои стремятся возвра-титься в исходное положение под действием упругих сил. Вслед-ствие этого форма детали после гибки не соответствует формештампа и отличается на величину угла пружинения, который не-обходимо учитывать при изготовлении инструмента. При свобод-ной V-образной гибке усилие F определяют по формуле

где В — ширина заготовки, м; R — радиус пуансона, м; s — тол-щина заготовки, м.

Вытяжка — образование полой заготовки или детали из плос-кой или полой листовой заготовки (рис. 3.25).

При вытяжке без утонения стенки (рис. 3.25, а) предваритель-но вырубленную исходную заготовку 2 толщиной s протягиваютпуансоном 4 через отверстие матрицы. В месте вытяжки матрица /

и пуансон 4 имеют радиусы закруглений rм и rп. По ширине флан-ца равной D — d (где d — диаметр отверстия в матрице, D —диаметр исходной заготовки), возникают радиальные растягива-ющие и тангенциальные сжимающие напряжения. После-дние уменьшают диаметральные размеры деформируемой за-готовки 3, приводят иногда к некоторому утолщению матери-ала верхнего торцевого края изделия, а при ~ —к образованию складок. Для того чтобы утолщенный край изделияне утонялся, между поверхностями пуансона и матрицы преду-сматривают зазор = (1,1... 1,3)5. Для предотвращения образова-ния складок в полученном изделии 5 применяют прижим 6 дляфиксирования фланца заготовки на плоскости матрицы.

При вытяжке с утонением стенки (рис. 3.25, б) зазор междуматрицей / и пуансоном 4 меньше толщины стенки деформируе-мой заготовки 3, которая, сжимаясь между поверхностями пуан-сона и матрицы, утоняется и одновременно удлиняется. Толщинадна в полученном изделии 5 остается при этом неизменной. Длялучшего течения металла на скосе матрицы предусмотрен уклон

= 10... 24°. За один переход толщина стенки может быть уменьше-на в 1,5 — 2 раза. Размер заготовки определяют из условия равен-ства объемов металла заготовки и изделия.

Некоторые схемы формообразующих операций показаны нарис. 3.26.

Отбортовка — образование борта по внутреннему или наруж-ному контуру листовой заготовки 2 (рис. 3.26, а). При отбортовкеотверстия металл в зоне деформации растягивается и утоняется.Во избежание образования продольных трещин в изделии / необ-ходимо, чтобы коэффициент отбортовки , зависящий от меха-

нических свойств металла и толщины заготовки, имел следующеезначение:

где do, di — диаметры отверстия до и после отбортовки.Диаметр отверстия под отбортовку dn определяется по формуле

где D — наружный диаметр борта, м; — радиус закругленияматрицы, м; s — толщина заготовки, м; — высота борта, м.

Обжимка (рис. 3.26, б) — уменьшение периметра поперечногосечения полой заготовки 2. В очаге деформации толщина стенкиизделия несколько увеличивается. Во избежание образования про-дольных складок в обжимной части коэффициент обжима к дол-жен находиться в определенном интервале:

где — диаметр заготовки и детали соответственно.Рельефная формовка (рис. 3.26, в) — образование рельефа в

листовой заготовке путем ее местного деформирования резино-вой подушкой 6.

3.7.2. Инструмент и оборудование для листовойштамповки

Штампы. В качестве инструмента при холодной листовой штам-повке используют штампы, рабочими частями которых являютсяматрица и пуансон. Детали блока (верхняя и нижняя плиты, на-правляющие колонки и держатели) служат для опоры, направле-ния движения и крепления рабочих частей штампа. По технологи-ческому признаку различают штампы простого, последователь-ного и совмещенного действия.

В штампе простого действия для листовой вырубки за один ходползуна пресса выполняется одна операция, поэтому его называ-ют однооперационным. Штамп с матрицей вырубки устанавливаютна столе пресса и закрепляют на нем болтами или скобами. Верх-нюю часть штампа с пуансоном вырубки крепят к ползуну пресса.Полосу или ленту подают в штамп между специальными направ-ляющими линейками до упора, который ограничивает шаг пода-чи полосы или ленты. Для снятия высечки с пуансона служит спе-циальный съемник.

В штампе последовательного действия для пробивки и вырубкиза один ход ползуна выполняются две или большее количестве

132

операций на разных позициях (пробивка и вырубка), а заготовкапосле каждого хода пресса перемещается на шаг подачи.

В штампе совмещенного действия для вырубки и вытяжки (рис.3.27) за один ход ползуна пресса две и большее число операцийвыполняются в одной позиции без перемещения заготовки в на-правлении подачи. При движении ползуна вниз пуансон выруб-ки 5 (наружные кромки) и матрица вырубки 8 производят вы-рубку заготовки б из полосы, а пуансон вытяжки 7— одновре-менно вытяжку изделия в матрице вытяжки 5 (внутренняя по-лость).

В результате каждой операции получаются заготовки (изделие),обозначенные на рисунке позициями 10, 11 и 12. Образовавшаясяпосле вырубки листовая полоса 9 (отход) идет в переплавку.

Штампы последовательного и совмещенного действий называ-ют многооперационными. Они производительнее однооперацион-ных, но сложнее и дороже в изготовлении. Их используют в круп-носерийном и массовом производстве.

Прессы. При листовой штамповке применяются различные прес-сы: кривошипные, гидравлические и др. Холодную листовую штам-повку осуществляют в основном на кривошипных прессах. По тех-нологическому признаку механические прессы разделяют на прессыпростого, двойного и тройного действия (соответственно одно-,Двух- и трехползунные).

Кривошипные прессы простого действия используются для штам-повки мелких и средних деталей, имеют один движущийся пол-

зун и могут быть одно- и двухстоечными. Кинематическая схемакривошипного листоштамповочного пресса простого действия вомногом аналогична схеме кривошипного горячештамповочногопресса.

Кривошипный пресс двойного действия (рис. 3.28) предназначендля вытяжки глубоких и сложных деталей. Он имеет два ползуна —наружный 1 и внутренний 2. В начале работы оба ползуна находят-ся в верхнем (исходном) положении (рис. 3.28, а); заготовка 5укладывается на матрице 6. Первым движение вниз начинает на-ружный ползун, зажимающий прижимом 4 заготовку 5. К этом\времени к заготовке подходит внутренний ползун с закреплен-ным на нем пуансоном 3 (рис. 3.28, б — начало вытяжки). Наруж-ный ползун остается на месте, а внутренний, продолжая движе-ние, производит вытяжку (рис. 3.28, в — конец вытяжки). Первымдвижение вверх начинает внутренний ползун. Запаздывающее дви-жение наружного ползуна способствует съему изделия с пуансонаВнутренний ползун приводится в движение от главного коленча-того вала 8, а наружный — от кулачкового 7 или коленно-рычаж-ного механизма, связанного с главным коленчатым валом.

Для массового производства деталей способом холодной листовой штамповки широко применяют прессы-автоматы, выполняющие за один проход несколько операций — вырубку, вытяж-ку, гибку, чеканку и др. Современные листоштамповочные прес-сы оснащены устройствами для автоматической подачи полосыили ленты в штамп, а в случае штамповки штучных заготовок —устройствами для их захвата, ориентации и подачи в штамп.

Гидравлические прессы для листовой штамповки выпускаютсятакже простого и двойного действия. Их используют для холоднойи горячей штамповки толстых и крупногабаритных листов. Раз-делку исходного листа на мерные заготовки производят обычно

134

газовой резкой. Нагрев листа перед горячей листовой штамповкойведут в пламенных камерных печах. Полученные заготовки исполь-зуют, например, для производства котлов, цистерн, корпусовкораблей и многих других изделий.

Гидравлические прессы успешно используют также для глубо-кой вытяжки и других операций при изготовлении деталей из тол-стого листа.

Упрощенные способы. Большую группу составляют специаль-ные упрощенные способы получения листовых заготовок обра-боткой давлением: штамповку эластичными материалами, высо-коскоростную штамповку, ротационную вытяжку и др.

При штамповке эластичными материалами заготовку из листапомещают на металлический шаблон, расположенный на столепресса. Ползуном пресса к заготовке из листа прижимают резино-вую подушку и придают листу рельеф шаблона. Если шаблон име-ет острые режущие кромки, то давлением резины вначале отгиба-ют свободные края заготовки, а затем ее обрывают по режущейкромке. Таким образом выполняют вырубку и пробивку. Подоб-ным способом можно осуществлять гибку, неглубокую вытяжку,отбортовку и формовку.

Высокоскоростная штамповка характеризуется тем, что крат-ковременное приложение больших усилий разгоняет заготовку доскоростей, достигающих 150 м/с. Последующее ее деформирова-ние происходит после удара о матрицу за счет накопленной впериод разгона кинетической энергии. Одной из ее разновиднос-тей является штамповка взрывом, которой характерны высокиедавления (примерно 3 000 МПа), прилагаемые к заготовке в тече-ние тысячных долей секунды. Штамповка взрывом применяетсядля вытяжки, отбортовки, раздачи и обжима труб, формовки ре-бер жесткости, калибровки, правки, вырубки и других операций.

Ротационная вытяжка предназначена для получения деталей,имеющих форму тел вращения. При ротационной вытяжке заго-товка из листа, вращаясь, прижимается к оправке специальнымдавильным роликом, который движется от центра заготовки к еепериферии. При этом заготовка оформляется, копируя форму оп-равки. Затем ролик движется в обратном направлении, оконча-тельно обжимает заготовку, после чего она приобретает формуоправки.

ГЛАВА 4

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

4 . 1 . О б щ и е с в е д е н и я

4 . 1 . 1 . Способы литья и литейные формы

Литейное производство — способ получения фасонных загото-вок из различных сплавов, заключающийся в заливке расплава влитейную форму, имеющую внутреннюю полость, максимальноприближенную по конфигурации и размерам к детали, дальней-шем охлаждении металла в форме, затвердевании формирующей-ся отливки, охлаждении ее до заданной температуры и выбивки

из формы.Из всех известных способов получения заготовок литейная тех-

нология наиболее эффективна, так как позволяет получать изде-лия непосредственно из расплава с минимальными припускамина обработку резанием, хорошими механическими и эксплуата-ционными свойствами. Во многих случаях литье — единственныйвозможный способ получения заготовок деталей сложной конфи-гурации и массой от нескольких граммов до сотен тонн.

Эффективность литейного производства объясняется его уни-версальностью, позволяющей получать сравнительно недорогиеизделия из сплавов практически любого состава (в том числе измалопластичных) с высокими механическими и эксплуатацион-ными свойствами.

Литые детали составляют примерно половину массы машин имеханизмов, поэтому литейное производство по праву считаетсяосновной заготовительной базой машиностроения.

При литье металлический расплав заливают в заранее приго-товленные литейные формы, которые бывают разовыми или мно-горазовыми (долговременными). Разовую литейную форму послеполучения в ней отливки разрушают, а многоразовая форма при-годна для производства большого количества отливок.

Выбор способа литья определяется служебным назначениемдетали, производственной программой, экономической целесо-образностью, а также требуемой точностью и качеством поверх-ности отливок.

Большая часть отливок изготовляется в разовых формах — ли-тьем в песчаные формы. В некоторых случаях эти отливки не удов-

летворяют предъявляемым требованиям. Поэтому применяют спе-циальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляе-мым моделям, в металлические формы (кокили), под давлением,под регулируемым давлением, центробежное литье и др.

Основные операции технологического процесса изготовленияотливок в песчаных формах могут быть объединены в три группы:формовка (изготовление литейной формы), плавка метала и за-ливка его в форму, выбивка и очистка отливок.

Процесс формовки включает в себя ряд операций по изготов-лению формы (засыпку формовочной смеси в форму, уплотнениеее, саму формовку, установку стержней, сборку формы и др.).

Процесс плавки и заливки включает в себя операции по за-грузке печи металлом, его плавление, доводку и заливку в литей-ную форму.

После затвердевания и охлаждения полученные отливки выби-вают из формы, очищают от остатков формовочной и стержневойсмеси и отделяют от литников и прибылей.

Для снятия внутренних напряжений, получения заданных струк-туры и механических свойств металла отливки подвергают соот-ветствующей термической обработке.

Любая литейная форма представляет собой совокупность эле-ментов, которые образуют рабочую полость, имеющую форму иразмеры, близкие по параметрам получаемой отливки. В эту по-лость заливают расплав, который, затвердевая в ней, превраща-ется в отливку.

Как было отмечено, литейные формы подразделяют на два вида:разовые и многоразовые.

Разовые литейные формы выдерживают только одну заливку,служат для получения одной или одновременно нескольких от-ливок. Для изготовления разовых форм используют песчано-гли-нистые, песчано-смоляные и другие формовочные смеси. Разо-вые формы могут быть сырыми, сухими, подсушенными, химиче-ски твердеющими и др. По толщине стенок их подразделяют натолстостенные (20...250 мм и более), тонкостенные (10...20 мм)и оболочковые (5... 10 мм). К разовым относят также неразъем-ные формы, получаемые по выплавляемым и выжигаемым мо-делям.

Многоразовые литейные формы в основном изготовляют из чу-гуна и стали. Они обладают высокой стойкостью против действиярасплава и выдерживают большое количество заливок. К этой груп-пе относятся кокили (металлические формы), пресс-формы длялитья под давлением, кристаллизаторы для непрерывного литья,изложницы для центробежного литья и др., выдерживающие отнескольких десятков до сотен тысяч заливок.

Разовая литейная форма (рис. 4.1), используемая при литье впесчаные формы, как правило, состоит из двух полуформ (нижней

136 137

/ и верхней 2, рис. 4.1, а), изготовляемых из песчано-глинистойсмеси. Перед формовкой смесь засыпают в металлические рамки —опоки 7и 9, после чего ее уплотняют. Полость формы 3, имеющуюочертание будущей отливки (в нашем случае в виде кольца), по-лучают с помощью модели (рис. 4.1, в). Чтобы получить в отливкеотверстие, в форму при ее сборке устанавливают стержень 5 (рис.4.1, а, б). Стержень изготовляют из стержневой смеси в стержне-вом ящике (рис. 4.1, г), состоящем из двух половин //, и затемсушат (или упрочняют). Для обеспечения правильной установки инадежной фиксации стержня в форме предусматривают гнезда,образующиеся в форме при ее изготовлении с помощью знаков10, расположенных на модели. Полость формы заполняют распла-вом через каналы литниковой системы 6. Перед заливкой ниж-нюю и верхнюю полуформы фиксируют в строго определенномположении с помощью цилиндрических стальных штырей 8, ко-торые перед заливкой снимают. Для предупреждения подъема верх-ней полуформы относительно нижней под гидростатическим дав-лением поступающего в литейную полость расплава обе полуфор-мы скрепляют скобами или нагружают сверху грузом 4.

Таким образом, литейная форма состоит из собственно формыс полостью, служащей для образования наружной поверхностиотливки, и стержней, с помощью которых в отливке получаютотверстия и внутренние полости. Иногда стержни применяют идля образования наружной поверхности отливки. Это делают в техслучаях, когда на поверхности формы имеются выступы или под-нутрения, препятствующие извлечению модели из формы.

4.1.2. Технологическая оснастка

К технологической оснастке при литье в песчано-глинистыеформы относят инструмент и приспособления, предназначенныедля получения определенной отливки.

138

Модельным комплектом (рис. 4.2) называют набор инструмен-тов, состоящий из модели отливки, моделей элементов литнико-вой системы, одного или нескольких стержневых ящиков, мо-дельных плит, шаблонов, кондукторов и др.

Основной оснасткой для получения отливки в песчано-гли-нистой форме является модель отливки, стержневой ящик иопока.

Моделью является часть литейной оснастки, служащая дляобразования в литейной форме полости в виде отпечатка, соот-ветствующего по конфигурации и близкого по размерам полу-чаемой отливке. Модель может быть неразъемной, разъёмной(рис. 4.2, а), располагаться на односторонней модельной плите

(рис. 4.2, б). Модель воспроизводит в форме также элементылитниковой системы 4 и знаки / стержней. По наружной кон-фигурации модель является копией отливки и отличается от по-следней, как правило, несколько большими размерами, учи-тывающими линейную усадку сплава. Если отливки подвергаютмеханической обработке, то в соответствующих местах моделиучитывают припуски — слой металла, удаляемый в процессемеханической обработки. Припуск зависит от размеров отливкии вида сплава. Для получения в форме отпечатков знаковых ча-стей стержней, которыми стержень крепится в форме, модельимеет знаки 1 — выступающие части. Как правило, модели со-стоят из двух симметричных половин — полумоделей, скрепля-емых шипами 2.

Модели элементов литниковой системы служат для образова-ния в форме каналов, по которым жидкий металл подводится кполости формы и питает отливку в процессе ее затвердевания.

Важными признаками классификации моделей являются видприменяемого литейного сплава; серийность производства; спо-собы получения литейных форм; материал, размер, конструкцияи прочность модели; сложность модели, точность ее изготовленияи т.д.

По виду применяемого литейного сплава для получения отливокразличают модели для стального, чугунного и цветного литья.

По способу получения литейных форм различают модели для руч-ной и машинной формовки.

По материалу для изготовления моделей они подразделяютсяна деревянные, металлические, гипсовые, пластмассовые, цемент-ные, комбинированные (дерево и металл или пластмасса) и др.

По конструкции модели бывают разъемные и неразъемные (см.рис. 4.2, а), с отъемными частями и специальные (шаблонные искелетные).

Деревянные модели делятся на три класса прочности. Моделипервого класса изготовляют из прочных пород дерева (бук, орех)и применяют в серийном производстве при ручной и машиннойформовке. Модели второго класса выполняют из березы или липыи применяют в мелкосерийном производстве. Модели третьегокласса изготовляют из сосны или ели и применяют в индивиду-альном и реже в мелкосерийном производстве. После изготовле-ния, отделки и проверки размеров модели шпаклюют специаль-ной замазкой, маркируют в соответствии с изготовляемыми псним отливкам и окрашивают влагонепроницаемой краской опре-деленного цвета. Модели для чугунных отливок окрашивают в крас-ный цвет, для отливок из стали — в синий, а для отливок изсплавов цветных металлов — в желтый. Стержневые знаки на мо-делях окрашивают в черный цвет, а отъемные части модели окан-товывают черной полосой.

140

В связи с усадкой металлов и сплавов при затвердевании ли-лейные размеры моделей при их изготовлении увеличивают. Так,при производстве отливок из серого чугуна размеры модели боль-ше размеров отливки на 0,5... 1,2%, из стали углеродистой(0,1...0,8 % С) — на 2...2,5%, из стали легированной (25% Сr,20% Ni) — на 1,8...2,2%, из цветных сплавов — на 1...2%.

Для облегчения выемки (извлечения) модели из полости фор-мы на ее вертикальных стенках предусматривают формовочныеуклоны.

Преимуществом деревянных моделей является их дешевизна,простота изготовления, а при больших размерах — небольшаямасса; основной недостаток — недолговечность. При машиннойформовке широко применяют металлические модели.

Металлические модели по сравнению с деревянными имеютболее высокую точность и чистоту рабочей поверхности. Такиемодели чаще всего изготовляют из алюминиевых сплавов. Эти спла-вы имеют малую плотность, практически не подвергаются корро-зии, хорошо обрабатываются резанием.

Шаблоны. Иногда вместо модели для получения полости в формеиспользуют формовочные шаблоны (шаблоны вращения и протя-женные шаблоны). Шаблоны с вертикальной осью вращения ис-пользуют при изготовлении форм для получения отливок типател вращения.

Протяженные шаблоны применяют для изготовления форм,имеющих прямолинейные и реже криволинейные очертания.

Контрольные шаблоны применяют для проверки размеров форми стержней, а также для контроля их сборки.

Модельная плита — тщательно обработанная металлическая плита(чаще всего чугунная), на которой прочно закреплены модели от-ливок, элементов литниковой системы и центрирующие штыри.Она применяется преимущественно при машинной формовке.

Для машинной формовки иногда применяют сборные модель-ные комплекты: металлические модельные плиты со сменнымивкладышами и координатные модельные плиты. На рабочей сто-роне координатных плит нанесена сетка прямых линий, в точкахпересечения которых сделаны отверстия для штифтов. У каждогоштифта полумодели проставлен шифр отверстия, в которое онДолжен быть вставлен. Это позволяет быстро произвести на плитезамену одних полумоделей другими.

Стержневой ящик служит для изготовления стержней, размерыкоторых выполняют с учетом усадки сплава и припусков на ме-ханическую обработку отливки. Стержневые ящики должны обес-печивать равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение изНих стержней.

Стержневые ящики изготовляют из тех же материалов, что иМодели. По конструкции стержневые ящики могут быть неразъем-

141

ными (рис. 4.2, в), разъемными (рис. 4.2, г) и вытряхными (см.рис. 4.2, в). Ящики для изготовления стержней из смесей горячеготвердения имеют устройства для их подогрева.

Модель и стержневой ящик выполняют так, чтобы не былорезких переходов по толщине от одной части отливки к другой.Сопряжения стенок в отливках должны быть плавными, без ост-рых углов. Скругление внутренних углов отливки называют галте-лью, наружных — закруглением.

Опоки — прочные металлические рамки различной конфи-гурации, предназначенные для удержания формовочной смесикак при изготовлении формы, так и при ее транспортировке,заливке металлом и охлаждении. Опоки изготовляют из серогочугуна, стали и алюминиевых сплавов. Опоки могут быть цель-нолитыми, сварными или сборными из отдельных литых час-тей. Иногда стальные опоки изготовляют сваркой из проката.Стенки опок часто выполняют с отверстиями для снижения ихмассы, облегчения удаления газов из формы при заливке и улуч-шения сцепления формовочной смеси с опокой. Для удержанияуплотненной смеси в опоке применяют также внутренние ребра.Центрируют опоки с помощью штырей, устанавливаемых в спе-циальные отверстия. Для скрепления опок применяют скобы идругие приспособления.

Для изготовления песчано-глинистых и некоторых других форм,а также стержней применяют формовочный инструмент, которыйусловно подразделяется на две группы: инструмент для наполне-ния опок и стержневых ящиков формовочной или стержневойсмесью и последующего ее уплотнения (лопаты, ручные и пнев-матические трамбовки, линейки и др.); инструмент для извлече-ния модели из полости формы, отделки поверхности формы истержней (крючки, подъемники, гладилки, ложечки, ланцеты,пульверизаторы и т.д.).

4.1.3. Формовочные и стержневые материалы

Для изготовления разовых песчано-глинистых и некоторыхдругих форм и стержней используют смеси, приготовленные изформовочных материалов. Основными исходными материаламидля этих смесей являются песок и глина. Вместе с ними исполь-зуются вспомогательные вещества (связующие и добавки). Кро-ме исходных материалов, для приготовления формовочных сме-сей широко используют оборотные (бывшие в употреблении)смеси.

Песок — основной исходный материал для формовочных истержневых смесей. Наиболее часто применяют кварцевый песок,состоящий из кремнезема SiO2, обладающего высокой огнеупор-ностью (tпл = 1713°С), прочностью, твердостью и термической

142

устойчивостью. В качестве примесей он может содержать глину,слюду, полевой шпат, оксиды железа, магнезит и т.д.

формовочные пески в основном состоят из зерен кварца иПримеси глины, их условно называют зерновой и глинистой со-ставляющими.

Зерновой составляющей, независимо от химического состава,называют ту часть песка, величина зерен которого более 22 мкм,а глинистой составляющей — часть песка, расчетный диаметр зе-рен которой менее 22 мкм.

К формовочным пескам условно относят материалы с содержани-ем глинистой составляющей до 50 %, а к формовочным глинам —материалы с содержанием глинистой составляющей свыше 50%.

Глина — второй исходный материал в песчано-глинистых фор-мовочных смесях, является связующим веществом, обеспечиваю-щим их прочность и пластичность. Глины представляют собой из-мельченные горные породы, имеющие после увлажнения высо-кую пластичность. В большинстве формовочных глин основнымматериалом является каолинит А12О3- 2SiO2 • 2Н2О.

Формовочные глины классифицируют по минералогическомусоставу, прочности, огнеупорности и пластичности. По минера-логическому составу глины подразделяют на бентонитовые, као-линовые и полиминеральные. Бентонитовые глины обладают болеевысокой способностью к набуханию и более высокой прочностьюпо сравнению с другими. Как связующий материал, глина облада-ет рядом недостатков. Высокая прочность смеси может быть полу-чена только в том случае, когда она содержит большое количе-ство глины, что, однако, ведет к снижению газопроницаемостиформовочной смеси и способствует образованию пригара на по-верхности отливок. В связи с этим содержание глины в смесях ог-раничивается, а для обеспечения требуемых свойств в них вводятспециальные добавки.

Смеси. Качество отливок непосредственно связано со свойства-ми смесей. Существует большое количество различных критериевоценки смесей, основными среди них считают прочность, газо-проницаемость, огнеупорность, пластичность, податливость, те-кучесть и долговечность.

Прочность — способность смеси обеспечивать сохранность фор-мы (стержня) без разрушения при ее изготовлении и использова-нии. При низкой прочности смеси форма и стержни не выдержи-вают динамического удара струи заливаемого в форму расплаваили статического давления столба расплавленного металла, в ре-зультате чего происходит их разрушение, что приводит к появле-нию брака в отливках, в основном в виде засоров.

Различают два способа оценки прочности смесей: на сжатие —в сыром и сухом состояниях, на разрыв — в сухом состоянии.Прочность на сжатие определяется в килопаскалях. После сушки

143

она повышается на порядок, что связано с упрочнением пленкисвязующих веществ, обволакивающих песчинки смеси.

Прочность смесей зависит от содержания в них влаги, количе-ства и типа связующего вещества, степени их уплотнения, от зер-новой структуры смеси, качества ее перемешивания и т.д.

Газопроницаемость характеризует способность формы (вслед-ствие пористости) пропускать газы, которые вытесняются из неепри заливке расплавом, а также выделяются из самой формы ирасплава. При низкой газопроницаемости формы газы, образую-щиеся при испарении влаги или в результате выгорания связую-щих материалов, поступают в заливаемый металл и вызывают об-разование в отливках газовых раковин. Газопроницаемость зави-сит от влажности смеси, размеров и однородности зерен песка,степени уплотнения смеси и содержания в ней глины.

Огнеупорность — способность смеси не плавиться и не спекатьсяпод воздействием залитого в форму металла, не образовывать с егооксидами химические соединения, которые способствуют образо-ванию на поверхности отливок пригара — трудноудаляемого метал-локерамического слоя. Пригар ухудшает качество поверхности изатрудняет последующую обработку отливки. При оплавлении фор-мовочной смеси резко снижается ее газопроницаемость. Для борь-бы с пригаром необходимо создавать в полости формы восстанови-тельную атмосферу, для чего в состав смесей вводят различныедобавки. Для исключения механического проникновения расплавав поры смеси поверхность стержней окрашивают, а рабочую по-верхность формы припыливают огнеупорными материалами.

Пластичность — способность формовочной смеси четко вос-производить отпечаток модели (стержневого ящика) и сохранятьопределенное время полученную форму. При хорошей пластично-сти смесь в процессе заплотнения перемещается не только в на-правлении приложения силы, но и перпендикулярно ей, что обес-печивает качественное заполнение углов формы. На пластичностьтакже влияет процентный состав влаги и глины в формовочнойсмеси и ее зерновая структура.

Податливость — способность смеси сокращаться в объеме поддействием сжимающих усилий отливки при ее усадке в процессеохлаждения. Низкая податливость приводит к возникновению вотливке напряжений и, как следствие, трещин. Податливость свя-зана с потерей смесью некоторой прочности при прогреве ее от-ливкой, что связано с наличием в ней специально вводимых до-бавок, например древесных опилок.

Текучесть — способность смеси обтекать модели при формов-ке, заполнять полость стержневого ящика. Перемещение частицсмеси должно происходить при возможно минимальном усилии впроцессе формовки и обеспечивать одинаковое уплотнение во всехчастях формы (стержня) без рыхлых мест и пустот.

144

Долговечность — сохранение формовочной смесью своих рабо-чих свойств в случае повторного ее использования при изготовле-нии форм и заливке их расплавом.

В литейном производстве применяют большое количество раз-нообразных формовочных и стержневых смесей. Выбор составасмеси обусловлен ее назначением. Наиболее распространенныепесчано-глинистые смеси классифицируют по применению приформовке (облицовочные, наполнительные и единые); в зависи-мости от состояния формы перед заливкой (для сырых, сухих,подсушенных и самотвердеющих форм); по роду сплава (для чугу-на, стали и сплавов цветных металлов).

Разновидности смеси. Облицовочной называют формовочную смесьповышенного качества, из которой выполняют рабочую поверх-ность формы толщиной 10...40 мм, соприкасающуюся с распла-вом. Эта смесь должна иметь высокую пластичность, газопрони-цаемость, прочность и огнеупорность. Она содержит 50...90 % све-жих формовочных материалов (остальное — регенерированнаяотработанная смесь). От общего количества формовочной смесипри изготовлении формы на долю облицовочной приходится10... 20 %, остальное — на долю наполнительной формовочнойсмеси.

Наполнительную формовочную смесь используют для заполне-ния объема формы, оставшегося после нанесения облицовочногослоя. В состав такой смеси обычно входит 95... 98 % оборотной ре-генерированной смеси и 2...5% свежих формовочных материа-лов.

Единую формовочную смесь, занимающую по качеству среднееположение между облицовочной и наполнительной, применяютпри машинном производстве небольших по массе форм, предназ-наченных для получения тонкостенных отливок. В состав единыхсмесей входит 85...95% оборотной регенерированной смеси и5... 15 % свежих формовочных материалов.

Все эти смеси имеют влажность 3,5...4,5 %. В состав облицовоч-ных и единых смесей наравне с глиной часто вводят противопри-гарные добавки.

Смеси для сырых форм в основном состоят из большого количе-ства оборотной смеси с добавкой свежих материалов в виде гли-нистых песков или смеси глины с песком.

Смеси для сухих форм отличаются от смесей для сырых формболее высокой прочностью, газопроницаемостью и податливос-тью. Последние два свойства обеспечиваются введением в смесьдревесных опилок, торфа и других веществ, которые выгорают,образуя дополнительные поры.

Смеси для подсушиваемых форм широко применяют при изго-товлении средних и крупных форм для ответственных отливок.Такие смеси используют как облицовочные. В их состав входит

145

жидкое стекло и другие связующие. При взаимодействии смеси сокружающим воздухом на поверхности формы образуется проч-ный поверхностный слой.

Смеси для химически твердеющих форм применяют как облицо-вочные. Они состоят из кварцевого песка, в который вводят4,5...6% жидкого стекла. Прочность таких смесей обеспечиваютпродувкой углекислым газом. При химическом затвердевании водавступает в прочное соединение с кремнеземом, входящим в со-став жидкого стекла. Образующийся при этом гель кремниевойкислоты, располагаясь между зернами песка, связывает их в проч-ный монолит.

В последние годы все больше применяются смеси со связую-щими синтетическими смолами, способными к отвердеванию вхолодной или нагреваемой оснастке. Для холоднотвердеющих сме-сей широко применяются смолы на карбомидофурановой (БС-40),карбомидоформальдегидной (КФ-Ж), фенолформальдегидной(ОФ-1) и фенолфурановой (ФФ-1Ф) основах. Содержание смо-лы в смеси не превышает 2 %.

Горянетвердеющие смеси не нуждаются в катализаторе, но тре-буют применения нагреваемой оснастки. Типичным представите-лем термореактивной смолы является пульвербакелит, который ввиде пудры или раствора вводится в состав стержневой смеси.

К стержневым смесям предъявляют более высокие требования,чем к формовочным, так как во время заливки форм и охлажде-ния металла стержни со всех сторон окружены расплавом и испы-тывают большие статические, динамические и тепловые нагрузки.Стержневые смеси должны обладать большой прочностью, газо-проницаемостью и огнеупорностью.

В стержневые смеси для изготовления простых крупных стерж-ней вводят глину. Смеси для сложных стержней готовят из кварце-вого песка с добавлением различных связующих. В смеси вводятповышенное количество противопригарных добавок (уголь, фа-фит, мазут) и добавок, обеспечивающих податливость стержня(древесные опилки, торф и т.д.).

В мелкосерийном производстве крупных отливок широко при-меняют жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) различных соста-вов. В состав наиболее применяемой смеси входят кварцевый пе-сок (основа), 5 % белого феррохромового шлака, 5 % жидкого стек-ла, 0,5% пенообразователя (ДС-РАС, контакт Петрова), 0,1%стабилизатора пены, 1,5% воды. Отвердение смеси происходитблагодаря взаимодействию (СаО)2- SiO2, входящего в белый шлак,с жидким стеклом (раствор Na2O • /wSiO2). Поверхностно-актив-ный пенообразователь вводят для образования пузырьков пены,которые снижают коэффициент трения между зернами песка испособствуют его легкому перемещению, т. е. обеспечивают жидко-подвижность смеси, вследствие чего она легко заполняет стерж-

'146

невые ящики и не требует уплотнения. После заполнения стержне-вого ящика или опоки ЖСС затвердевают в течение 30... 50 мин безтепловой сушки.

Технологический процесс приготовления формовочных сме-сей включает предварительную подготовку свежих исходных ма-териалов, подготовку оборотной смеси, регенерацию оборотнойсмеси и собственно приготовление рабочей смеси.

На рис. 4.3 приведена схема подготовки материалов и приго-товления формовочной смеси в механизированном смесеприго-товительном отделении. После выбивки залитых форм на выбив-ной решетке 1 смесь для разрушения комьев пропускается междувалками 2 и подается на магнитный сепаратор 3, где из нее извле-кают куски металла, попавшие в смесь при выбивке форм. Затемсмесь просеивается на полигональных ситах 4 и подается в бунке-ры 7, установленные над смесителем 8. Наиболее часто для пере-мешивания компонентов смеси применяются бегуны с вертикаль-ными или горизонтальными катками. Свежий песок со склада по-дается в барабанные сушила 10, затем направляется в устройстводля просеивания песка 9 и далее засыпается в бункеры 7, откудачерез дозирующее устройство периодически подается в смеситель 8.Глина перемешивается с водой в лопастных смесителях 5 и в видесуспензии насосом 6 подается по мере надобности в смеситель 8.

147

Формовочная смесь выдерживается в бункерах-отстойниках 13 дляусреднения количества влаги, после чего разрыхляется в аэрато-рах 12 и ленточным транспортером подается в бункеры 11, уста-новленные над формовочными машинами. Залитые формы послеохлаждения отливок до заданной температуры поступают на вы-бивную решетку 7, и цикл повторяется.

Важной операцией приготовления смеси является хорошее пе-ремешивание всех ее составляющих, что необходимо для их рав-номерного распределения по всему объему. В процессе перемеши-вания глина или связующие обволакивают зерна песка, разруша-ются комки отдельных составляющих и равномерно распределя-ется влага. Хорошо перемешанная смесь обладает высокими тех-нологическими свойствами (высокой прочностью и газопроница-емостью). Для приготовления песчано-глинистых формовочныхсмесей используют смесители — бегуны. Применяют бегуны пери-одического и непрерывного действия.

В бегунах периодического действия смешивание составляющихформовочной смеси осуществляется порциями (замесами), кото-рые периодически загружаются в бегуны, перемешиваются, а за-тем выгружаются в виде однородной массы.

В смесителях непрерывного действия загрузка, перемешивание ивыгрузка ведутся одновременно. Такие смесители применяют в ус-ловиях механизированного производства. Следует отметить, что длястержневых смесей схема подготовки исходных материалов проще,так как в их состав не входит оборотная смесь. Для приготовлениястержневых смесей используют свежий сухой песок и связующее,которые также перемешивают в смесителях. В холоднотвердеющиесмеси катализаторы вводят непосредственно перед заполнениемстержневого ящика, для чего смесь дополнительно перемешиваютс катализатором в лопастных или шнековых смесителях.

4.1.4. Литниковые системы и прибыли

Литниковая система. Литейную форму заливают расплавом че-рез литниковую систему.

Литниковая система — совокупность связанных между собойканалов и полостей, по которым расплав плавно поступает в ра-бочее пространство литейной формы. Исключение составляет за-ливка открытых форм, предназначенных для производства про-стых неответственных отливок (плиты, грузы и т.п.). Литниковаясистема должна обеспечивать непрерывное поступление расплавав форму и питание отливки для компенсации ее усадки, предот-вращать разрушение формы, попадание в нее шлака и воздуха соструей расплава.

Основными элементами литниковой системы при производ-стве отливок в песчано-глинистых и некоторых других формах

148

являются: литниковая чаша (воронка), стояк, шлакоуловитель,питатели и прибыли (рис. 4.4).

Литниковая чаша 3 является металлоприемником, в которыйиз ковша или плавильного агрегата заливают расплав. Литниковаячаша служит для ослабления динамического напора свободно па-дающей струи металла, предотвращения его разбрызгивания, за-держки шлака от попадания его в литниковую систему и обеспе-чения непрерывного питания каналов всей литниковой системы.

Стояк 4 представляет собой вертикальный канал в виде усе-ченного конуса с сужением книзу, пропускающий жидкий ме-талл из чаши в шлакоуловитель и создающий в форме металло-статическое давление.

Шлакоуловитель 8 представляет собой горизонтальный каналтрапециидального сечения, формуемый по модели в верхней опокев плоскости разъема формы. Шлакоуловитель предназначен длязадержки шлака и других неметаллических включений и распре-деления расплава по питателям.

Питатели 7 — щелевидные каналы, примыкающие непосред-ственно к полости литейной формы и направляющие в нее рас-плавленный металл от шлакоуловителя или стояка. Количествопитателей и их расположение зависят от конструкции отливки 9.

Для лучшего задержания шлака в литниковой системе и обес-печения ее постоянного заполнения расплавом применяют сужа-ющиеся литниковые системы с определенным соотношением пло-щадей поперечных сечений основных элементов:

где — соответственно площади поперечных сеченийстояка, шлаковика и питателей.

В верхних частях средних и крупных отливок выполняют выпоры2 — вертикальные каналы с расширением кверху, служащие длявывода из формы воздуха, газов, всплывающих неметаллическихвключений и для наблюдения за ходом заполнения формы.

При производстве отливок из сплавов, имеющих большую усад-ку (сталь, алюминиевые сплавы и др.), вместо выпоров ставят

149

вой системы. В литниковых системах, применяемых при изготов-лении отливок из чугуна, стали и большинства медных сплавов,наименьшим является сечение питателей у входа их в полостьформы.

151

прибыли 1, назначение которых — питать расплавом отливку вовремя ее затвердевания и тем самым предотвращать образованиеусадочных раковин в местах отливки, затвердевающих в послед-нюю очередь.

Иногда в нижней части стояка выполняют зумпф 5, представ-ляющий собой углубление сферической формы, принимающийна себя динамический удар от заливаемого сплава и снижающийвероятность размыва формы в месте ее разъема. Для регулирова-ния скорости заливки формы расплавом иногда применяют мест-ное сужение — литниковый дроссель 6.

При массовом производстве отливок широко применяют лит-никовую систему с фильтровальной сеткой в виде стержня с от-верстиями для прохода металла. Ее устанавливают под стояком наразъеме формы или на дне литниковой чаши над стояком. Назна-чение сетки — тормозить движение металла и задерживать вклю-чения шлака, попавшего из ковша.

В зависимости от конфигурации и размеров отливки, рода сплаваи способа литья применяют литниковые системы различных ти-пов (рис. 4.5). В отдельных случаях к одной полости формы подво-дят несколько литниковых систем различных типов. Элементылитниковой системы могут иметь различные конфигурацию и со-отношения сечений каналов между собой.

Верхняя литниковая система (рис. 4.5, а) наиболее проста. Ееприменяют для отливки мелких деталей небольшой высоты. С уве-личением высоты происходит размывание формы струей распла-ва, его разбрызгивание и окисление, увеличивается количествонеметаллических включений в теле отливки.

Нижнюю (сифонную) литниковую систему (рис. 4.5, б) приме-няют для средних и толстостенных отливок значительной высоты.Она обеспечивает спокойное заполнение формы расплавом.

Литниковая система с подводом сбоку (рис. 4.5, в) воплощает всебе черты первых двух названных литниковых систем, ее наибо-лее часто используют при машинной формовке.

Ярусная литниковая система (рис. 4.5, д, ё) обеспечивает по-следовательное питание отливки снизу вверх, и ее применяют,как правило, для изготовления крупных отливок. Недостаткамиярусной литниковой системы являются сложность в изготовлениии значительный расход металла. Ее разновидность — вертикально-щелевая система (рис. 4.5, г), которая предназначена главным об-разом для получения отливок из сплавов цветных металлов. Наи-более сложные отливки получают с применением комбинирован-ной литниковой системы (рис. 4.5, ж).

Сечение каналов литниковой системы определяют расчетом поформулам гидравлики, в которые введены обобщенные опытныекоэффициенты. Расчет начинают с определения суммарной пло-щади наименьшего поперечного сечения в узком месте литнико-

150

Каналы литниковой системы не должны быть длинными, таккак при заливке формы металл быстро остывает, густеет и еготекучесть уменьшается, что может привести к браку отливок понедоливу.

Скорость заполнения формы металлом зависит от поперечногосечения питателей литниковой системы. Слишком большое сече-ние каналов литниковой системы приводит не только к перерас-ходу металла, но и к обвалу формы, особенно верхних ее частей,что происходит вследствие сильных ударов расплава о ее стенки.Кроме того, под действием этих ударов размеры формы могутувеличиться.

На скорость заливки расплава влияет также давление расплавав литниковой системе: чем выше стояк, тем быстрее форма за-полняется металлом.

Площадь сечения питателей определяют по формуле

где т — масса отливки, кг; — коэффициент расхода металла(для чугунного литья 0,27...0,55; стального — 0,3...0,41; цветныхметаллов и сплавов — 0,6...0,7); — время заливки, с; Нр — рас-четный напор расплава, см:

где Ны — максимальный напор (по уровню расплава в чаше надуровнем питателя), см; Нп — высота отливки над уровнем питате-ля, см; #0 — полная высота отливки, см.

Прибыли. Для получения отливок без усадочных раковин и по-ристости, которые могут образовываться в результате уменьше-ния объема расплава при его затвердевании, в форме делают спе-циальные полости — прибыли.

Прибыли размещают у массивных частей отливки, где объем-ная усадка проявляется наиболее значительно. Прибыли различа-ют по их геометрической форме, месту расположения, условиямпитания расплавом отливки и т.д. Выбор рациональной прибылизависит от формы, размеров, массы отливки, усадки сплава идругих условий.

Открытые прибыли прямого питания применяют для питаниякрупных стальных отливок, иногда в них доливают металл по мереснижения его уровня. Такая прибыль служит также выпором, в неемогут всплывать частицы формовочной смеси и другие включения.

Во многих случаях применяют закрытые прибыли, имеющиеразличную конфигурацию (шаровая, полушаровая и др.) и даю-щие некоторую экономию металла. В закрытых прибылях, работа-ющих под атмосферным давлением, создаются благоприятныеусловия для образования усадочных раковин и обеспечения полу-

152

цения плотной отливки. Атмосферное давление в таких прибыляхсоздают с помощью установки в их полость специальных газопро-ницаемых стержней.

В полость прибыли, работающей под газовым давлением, в спе-циальном патроне помещают заряд из газотворного вещества(обычно мел с добавками кокса). Патрон устроен так, что послеобразования на поверхности прибыли тонкой твердой корочкиметалла из патрона начинают выделяться газы, которые создаютдавление и вытесняют незатвердевший расплав из полости при-были в тело отливки.

Для получения легкоотделяемых прибылей применяют раздели-тельные стержни-пластины (диафрагмы), которые изготавливаютиз шамотно-глинистых смесей и устанавливают на границе междуполостью формы и прибылью. Такие прибыли питают отливку черезотверстие в диафрагме. Положительным является тот факт, чтоприбыль соединена с телом отливки через небольшую перемычкув диафрагме, наличие такой перемычки значительно упрощаетпроцесс отделения прибыли от отливки.

4.1.5. Свойства литейных сплавов

Для производства отливок применяют специальные литейныесплавы (см. подразд. 1.3). Существуют различные способы класси-фикации литейных сплавов: по химическому составу, структуреметалла, свойствам, назначению и т.д. Литейные сплавы, кромезаданных прочностных и физико-химических свойств, должныобладать определенным комплексом литейных свойств, характе-ризующих способность расплава заполнять литейные формы ипозволяющих получать качественные отливки. Такими свойствамиявляются жидкотекучесть и усадка, склонность к образованиюгорячих и холодных трещин, ликвация и др.

Жидкотекучесть — способность расплава течь по каналам ли-тейной формы, заполнять ее полости и точно воспроизводить кон-туры отливки. На жидкотекучесть сплавов влияют многие факто-ры: температура плавления сплава, его физическая природа и хи-мический состав, температурный интервал кристаллизации спла-ва, технология изготовления формы, продолжительность залив-ки, конструкция литниковой системы, наличие неметаллическихпримесей в расплаве и т.д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постояннойтемпературе (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкоте-кучестью по сравнению со сплавами, образующими твердые ра-створы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вяз-кость сплава, тем ниже его жидкотекучесть. С увеличением по-верхностного натяжения сплава его жидкотекучесть понижается итем больше, чем тоньше канал литейной формы. С повышением

153

температуры заливки расплава и формы жидкотекучесть улучша-ется. Увеличение теплопроводности материала формы снижаетжидкотекучесть. Например, песчаную форму расплав заполняетлучше, чем металлическую (из-за более высокой теплопроводно-сти последней).

Жидкотекучесть различных сплавов определяется с помощьюспециапьных технологических проб, изготовленных в песчано-гли-нистой форме, и условно выражается длиной заполненной частиканала пробы, имеющего форму спирали или прутка. Вначале рас-плав заливают в чашу пробы, отверстие в которой закрыто графи-товой пробкой. После подъема пробки расплав плавно заполняетпробу. Для удобства подсчета длины заполненной части спираль-ной пробы она имеет деления через каждые 50 мм. Чем длиннеезаполненная часть спирали или прутка, тем больше жидкотеку-честь сплава.

Жидкотекучесть зависит от перегрева расплава, характеризую-щего разницу в температурах заливки расплава в форму и его тем-пературы плавления. Сплав с невысокой температурой плавлениялегче расплавить и перегреть до температуры, необходимой длялучшего заполнения формы. Чем выше температура перегрева спла-ва, тем лучше его жидкотекучесть, а следовательно, и заполне-ние формы расплавом.

Однако высокий перегрев ведет к поглощению сплавом значи-тельного количества газов (водорода, азота и др.), снижающихего литейные свойства. При охлаждении сплава одна часть газоввыделяется из него, другая часть остается в затвердевающей от-ливке, в результате чего в ней могут образоваться газовые ракови-ны и пористость.

Плавка в среде инертных газов и вакуумных печах уменьшаетгазонасыщенность отливки. Кроме того, следует учитывать, что чемвыше температура заливки сплава в песчаные формы, тем большевероятность образования пригара. Высокая температура заливкирасплава приводит также к получению крупнокристаллическойструктуры и снижению механических свойств отливки. Поддержа-ние оптимальной температуры перегрева расплава уменьшает ве-личину указанных дефектов в получаемой отливке.

Усадка — свойство металлов и сплавов при затвердевании иохлаждении уменьшаться в линейных размерах и объеме. Усадоч-ные процессы в отливке начинают протекать после заливки рас-плава в литейную форму с момента образования тонкой поверх-ностной корки металла вплоть до полного затвердевания и охлаж-дения отливки. Величина усадки зависит от рода сплава, его хи-мического состава, температуры и способа заливки, конструкциилитейной формы и отливки, скорости охлаждения отливки и дру-гих технологических факторов. Различают линейную и объемнуюусадки.

154

Линейная усадка — уменьшение линейных размеров отливки впроцecce ее охлаждения. Линейную усадку определяют из со-

отношения

где — размеры полости формы и отливки при температуре

20 'С-Объемная усадка — уменьшение объема сплава при его охлаж-

дении в литейной форме при формировании отливки. Она при-близительно равна утроенной линейной усадке:

Объемную усадку определяют из соотношения

где Vф, VОтЛ — объемы полости формы и отливки при температуре20 С.

При охлаждении отливки происходит механическое торможе-ние усадки, т.е. усадка отливки становится затрудненной. Это вы-зывает в ней внутренние напряжения, которые могут привестик деформированию и даже разрушению отливки. Механическоеторможение возникает вследствие трения между отливкой и фор-мой, а также из-за того, что усадке препятствуют выступающиеэлементы отливки. Чем больше величина усадки сплава, тем боль-ше внутренние напряжения.

Литейные напряжения в отливке могут вызываться также теп-ловыми явлениями, которые возникают в результате различнойскорости охлаждения отдельных частей отливки. Эти напряжениятем выше, чем меньше податливость формы и стержней. Если ве-личина напряжений превысит предел прочности литейного спла-ва в данном участке отливки, то в ее теле образуются горячие илихолодные трещины.

Горячие трещины возникают в отливках в процессе кристалли-зации и усадки металла при переходе из жидкого состояния втвердое. К образованию горячих трещин ведут резкие переходы оттонкой части отливки к толстой, острые углы, выступающие ча-сти и др. Появлению горячих трещин способствует также высокаятемпература заливки, приводящая к увеличению перепада темпе-ратур в отдельных частях отливки и росту в них теплосиловых на-грузок. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеютокисленную поверхность.

Для предупреждения возникновения горячих трещин в отлив-ках необходимо создавать условия, обеспечивающие одновремен-ное затвердевание разных по толщине частей отливок, по воз-можности снижать температуру заливки расплава, увеличиватьподатливость литейных форм.

Холодные трещины возникают в области упругих деформаций,когда отливка полностью затвердела. Тонкие части отливки ох-

лаждаются и сокращаются в размерах быстрее, чем более массив-ные. В результате в отливке появляются напряжения, которые ивызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего об-разуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации. Веро-ятность появления холодных трещин выше у отливок из сплавов спониженными теплопроводностью и пластичностью, значитель-ной усадкой при низких температурах. Для предупреждения обра-зования в отливках холодных трещин желательно применять сплавыс высокой пластичностью, соблюдать равномерное охлаждениеотливки по всему ее объему.

Коробление — изменение формы и размеров отливки под влия-нием напряжений, возникающих в ней при охлаждении. Короб-ление увеличивается при усложнении конфигурации отливки иповышении скорости ее охлаждения, которая вызывает нерав-номерное охлаждение отдельных частей отливки и их различнуюусадку. Коробление может быть вызвано сопротивлением литей-ной формы процессу усадки отдельных частей отливки. Для пред-упреждения коробления отливок необходимо увеличивать подат-ливость формы, создавать рациональную конструкцию отливкии т.д.

Объемная усадка приводит к образованию в отливке усадочныхраковин и пористости, расположенных в наиболее массивных еечастях.

Усадочные раковины — сравнительно крупные полости, распо-ложенные в местах отливки, затвердевающих в последнюю оче-редь. Усадочные раковины образуются в отливках из чистых ме-таллов, сплавов эвтектического состава и сплавов с узким интер-валом кристаллизации.

Усадочная пористость — скопление пустот, возникающих в от-ливке в результате усадки в тех местах, которые затвердевали по-следними без доступа к ним расплава.

Получить отливку без усадочных раковин возможно за счетнаправленной кристаллизации, которая позволяет создать усло-вия, при которых затвердевание отливки идет от ее тонких частейи заканчивается в наиболее массивных. Для этого применяют при-были, холодильники (наружные и внутренние) и т.д.

Для непрерывного подвода расплава в наиболее массивные ча-сти отливок в конструкцию формы вводят прибыли, которые за-полняются расплавом и обеспечивают его доступ к участкам от-ливки, затвердевающим последними (см. подразд. 4.1.4). При пра-вильном соблюдении технологии усадочные раковины выводятсяв прибыльную часть отливки, которая после выбивки отливкиудаляется.

Снизить вероятность образования усадочных раковин и порис-тости в отливках позволяет установка в литейную форму наруж-ных или внутренних холодильников.

156

Наружные холодильники устанавливают в форму с внешней сто-роны массивных частей отливки. Из-за высокой теплопроводно-сти и большой теплоемкости холодильника отвод теплоты от мас-сивной части отливок происходит интенсивнее, что способствуетвыравниванию времени затвердевания массивной и тонкой час-тей отливки.

Внутренние холодильники располагают внутри полости формы,образующей массивные части отливки. Эти холодильники изго-товляют из того же сплава, что и отливку. При заполнении формывнутренние холодильники частично расплавляются и сваривают-ся с основным металлом.

Ликвация. Одним из дефектов в отливках является ликвация —физико-химическая неоднородность состава сплава в микрообъе-мах или в отдельных частях отливки или слитка. В литейных спла-вах различают дендритную и зональную ликвацию.

Дендритная или внутрикристаллическая ликвация — это разви-тие химической неоднородности в отдельных микрообъемах (ден-дритах) сплава. Она образуется при медленном затвердеванииотливки.

Зональная ликвация — химическая неоднородность сплава в раз-личных частях затвердевающей отливки. Разновидность зональнойликвации — ликвация по плотности, при которой происходит ме-ханическое разделение компонентов сплава, имеющих различнуюплотность. Такой ликвации подвержены, например, высокосвин-цовистая бронза, при медленном охлаждении которой свинецопускается в нижние части отливки. Ликвация по плотности мо-жет быть частично устранена перемешиванием расплава перед за-ливкой и быстрым его охлаждением в форме.

Зональная ликвация может быть прямой и обратной. При пря-мой ликвации центральные слои отливки обогащены примесями,понижающими температуру плавления сплава. При обратной лик-вации в центральных частях отливки содержится меньшее коли-чество легкоплавких примесей, а в поверхностных — большее.

Дендритная ликвация может быть частично или полностью ус-транена длительной выдержкой отливки при высоких температу-рах (отжиг). Устранить зональную ликвацию с помощью терми-ческой обработки невозможно.

4.2. Плавка литейных сплавов

4 . 2 . 1 . Плавка чугуна

Чугун плавят в вагранках, электрических (индукционных) ипламенных печах. Плавильные печи должны обеспечивать полу-чение металла требуемого химического состава, малый угар,

157

После разогрева холостой колоши в вагранку загружают пер-вый слой металлической шихты, состоящей из чушкового чугунаи металлического лома. Масса металлической колоши составляет10... 15% часовой производительности вагранки. На эту колошузагружают известняк в количестве около 5 % всей металлозавалки.Известняк при нагревании в вагранке разлагается на известь СаОи диоксид углерода СО2. Известь, являясь флюсом, нейтрализует(связывает) кремнезем, который вносится в вагранку с золой коксаи песком или образуется при окислении кремния, а СО2 входит в

159

низкий удельный расход топлива и электроэнергии, заданнуютемпературу металла, минимальное насыщение его вреднымипримесями и газами. Литейные печи должны быть приспособ-лены к режиму работы цеха и иметь необходимую производи-тельность.

Вагранки. Наибольшее применение для получения чугуна в ли-тейных цехах нашли шахтные печи непрерывной плавки — ваг-ранки. Простые по устройству и обслуживанию, вагранки требуютнебольшого расхода топлива и имеют производительность500... 25 000 кг/ч жидкого чугуна. В вагранке во время плавки мож-но менять шихту и получать чугун заданного химического составас температурой на желобе до 1 450 °С.

Вагранка имеет цилиндрическую форму, опирается на фунда-мент 1 (рис. 4.6) и чугунные колонны 2. Кожух 8 вагранки изготов-лен из листовой стали толщиной 8...20 мм. Стены 7 вагранки вы-ложены огнеупорным шамотным кирпичом. Кожух и стены уста-новлены на массивную откидывающуюся чугунную или стальнуюплиту 3. Лещадь 4 вагранки набивают формовочной смесью с на-клоном в сторону летки 14.

Воздух, нагнетаемый вентилятором 6, поступает в вагранкучерез воздушное кольцо и фурмы 5. Современные вагранки чащеимеют два ряда фурм, расположенных в шахматном порядке. Ниж-нюю часть вагранки от лещади до воздушных фурм (как и в дом-не) называют горном.

Шихту загружают в вагранку через окно 10 бадьей 13 с помо-щью загрузочных кранов или скиповых подъемников определен-ными порциями — колошами. Пространство над горном до загру-зочного окна называют шахтой печи. Футеровку верхней частишахты предохраняют от ударов кусками шихты чугунные блоки 9.Продукты горения и частицы раскаленного кокса удаляются че-рез дымовую трубу 12 и искрогаситель 11.

Вагранка обычно имеет копильник 15 для сбора жидкого чугу-на, из которого он выпускается через летку 17 непрерывно илипериодически в ковш 18. Шлак выпускают через летку 16.

Построенную или отремонтированную вагранку в начале экс-плуатации хорошо просушивают газовыми горелками. Затем в горнв несколько приемов насыпают кокс выше фурм на 700...800 мми включают слабое дутье, в результате чего кокс разогревается.Слой кокса, загруженный на лещадь вагранки перед началом плав-ки, называют холостой колошей. Она служит для поддержаниязагруженных на нее впоследствии рабочих колош и разогрева ваг-ранки. Верхняя часть холостой колоши находится в плавильномпоясе вагранки. Здесь развивается максимальная температура и про-исходит расплавление металла. Высота холостой колоши влияетна температуру, скорость плавления и химический состав выпус-каемого чугуна.

158

состав отходящих газов. В результате взаимодействия кремнезема иизвести снижается температура плавления шлака и увеличиваетсяего жидкотекучесть.

Далее в вагранку подают первую рабочую колошу кокса, со-ставляющую 8... 12 % от массы металлической колоши. Она опус-кается по мере сгорания кокса холостой колоши и расплавлениянаходящихся ниже нее материалов. Шихту поочередно загружаютв вагранку до завалочного окна, и далее в процессе работы ваг-ранки она поддерживается на этом уровне.

Вагранку можно разделить на несколько зон в зависимости отразвивающихся в них температур и протекающих процессов: верх-няя часть вагранки, плавильная зона и горн.

В верхней части вагранки твердая шихта нагревается, из топли-ва выделяются влага и летучие вещества, известняк частично раз-лагается на СаО и СО2. При соприкосновении с холодной шихтойгазы несколько охлаждаются, но химический состав их изменяет-ся незначительно.

В плавильной зоне происходит плавление металлической ших-ты, расположенной в верхней части холостой колоши. Образую-щийся жидкий металл стекает на лещадь вагранки. По пути онпроходит через слой раскаленного кокса, в результате чего про-исходит реакция

СО, + Ск 2СО

Диоксид углерода СО2 поступает в холостую колошу вагранкииз зоны фурм, где происходит горение кокса в кислороде воздухапо реакции

Скокса + О2 = СО2

Эта реакция идет с выделением большого количества теплоты,способствует перегреву металла и образованию жидкого шлака.

Стекающий на лещадь жидкий металл при контакте с раска-ленным коксом растворяет в себе некоторое количество углеродаи серы. Вблизи фурм, где имеется свободный кислород воздуха,наблюдается частичное окисление металла. В результате частичновыгорают железо, марганец и кремний, оксиды которых перехо-дят в шлак, стекающий в горн.

В горне процесс окисления металла прекращается, так как сюдане проникает кислород дутья. При этом жидкий металл несколькоохлаждается и дополнительно насыщается углеродом и серой.

Во время плавки чугуна в вагранке содержание в нем кремнияуменьшается примерно на 15%, марганца на 20%, содержаниеуглерода и фосфора практически остается постоянным, а содер-жание серы увеличивается на 30...60%.

В вагранках с копильником сокращается продолжительностьсоприкосновения чугуна с раскаленным коксом, в результате чего

получается чугун с меньшим содержанием углерода и серы, одна-ко при этом жидкий чугун несколько охлаждается, что не всегдажелательно.

В некоторых случаях футеровку вагранки выполняют из магнези-тового кирпича, что позволяет вести плавку на основных шлаках итем самым снизить интенсивность перехода серы из кокса в чугун.

Ваграночный процесс поддается регулированию, следователь-но, его можно автоматизировать и вагранку включить в автомати-ческие линии по производству отливок.

Повышения температуры жидкого чугуна, снижения расходатоплива и роста производительности вагранки можно достигнутьподогревом воздушного дутья и обогащения его кислородом.

Подогрев дутья в современных вагранках осуществляется за счетиспользования физической теплоты отходящих газов, теплотыреакции горения оксида углерода. При этом температура дутьядостигает 400...500 "С.

Для экономии кокса применяют коксогазовые вагранки, в ко-торых 50 % кокса заменяют природным газом. В таких вагранкахпри подогретом дутье можно получить чугун, перегретый до1 450... 1 500°С.

При плавке чугуна с кислородным дутьем увеличивается про-изводительность вагранки, повышается температура выпускаемо-го чугуна на 80... 100 °С и снижается расход кокса до 50 %.

Индукционные печи. В литейном производстве для плавки чугу-на применяют индукционные печи без сердечника и с сердечни-ком. Наибольшее распространение получили индукционные печибез сердечника. Для подогрева жидкого чугуна применяют индук-ционные канальные печи с сердечником. Индукционные печивместимостью 40; 60 т и более используют в дуплекс-процессе свагранкой.

Подготовка индукционной печи к плавке. Футеровка печи набив-ная и обычно кислая. Исходные материалы для набивки футеровки:48 % (по объему) кварцевого песка (с величиной зерна 1,5...5 мми содержанием SiO2 не менее 95 %; минимальным содержаниемА12О3 и Fe2O3), 50 % молотого кварца КП-3 (с величиной зерна неболее 1,55 мм) и 1,8% борной кислоты (Н3ВО3).

Кварц сушат при 150...250 °С и просеивают через сито. Моло-тый кварц и борная кислота должны быть сухими. Футеровочнуюмассу приготовляют в сухом состоянии в смесителе, а затем про-сеивают. Смесь необходимо быстрее использовать для набивки,так как борная кислота поглощает влагу. После набивки футеров-ку сушат. Недостаток набивной футеровки — большая трудоем-кость изготовления. Для футеровки индукционных печей большойвместимости применяют огнеупорный кирпич.

Загрузка. Шихту в тигель загружают осторожно без ударов ивозможно плотнее. Размеры кусков шихты должны обеспечивать

160 Безпа 1 6 1

хорошую плотность загрузки. Этим достигается быстрое расплав-ление металла и минимальный расход электроэнергии. Зона наи-большей температуры во время плавки находится в нижней частитигля, поэтому тугоплавкие ферросплавы загружают на дно тигляВ печи небольшой вместимости шихту загружают вручную, боль-шой вместимости — бадьей.

Плавка. В начале плавки 5... 10 мин печь работает на понижен-ной мощности до прекращения скачков тока генератора, затеммощность доводят до максимальной. Плавку ведут при закрытомтигле. Когда шихта частично расплавится, твердые куски осажи-вают ломиком, предварительно выключив печь; затем печь догру-жают оставшейся мелкой шихтой. Стальной лом присаживаютобычно в жидкую ванну, ферросплавы — в ванну, хорошо нагре-тую до 1 430... 1 450°С. Для науглероживания чугуна на под печивводят крупный электродный бой (1 ...2 %) и мелкий бой на зер-кало металла после скачивания шлака. Шлак скачивают при вы-ключенном токе.

4.2.2. Плавка стали

Наибольшее применение для плавки литейной стали получилиэлектродуговые и индукционные печи.

Электродуговые печи. Электродуговой процесс плавки сталиведут в печах с основной или кислой футеровкой и применяютдля мелкого и среднего литья. Вместимость печей колеблется впределах 3... 10 т, а на заводах тяжелого машиностроения достига-ет 50 т. Выбор процесса плавки зависит от марки стали и требуе-мого содержания в металле серы и фосфора.

Печи с основной футеровкой используют при изготовлении от-ливок ответственного назначения из любых марок стали. В нихможно получать сталь с низким содержанием серы и фосфора.Подробно процесс плавки стали в печах с основной футеровкойописан в подразд. 2.3.6.

Для плавки стали в печах с кислой футеровкой применяют толь-ко чистые по содержанию серы и фосфора шихтовые материалы.При кислом процессе электроплавки достигается большая стой-кость футеровки, что снижает ее стоимость, уменьшаются расходэлектроэнергии и продолжительность плавки, сталь лучше рас-кисляется. Кислая футеровка имеет большую термостойкость, чемосновная, поэтому печь можно эксплуатировать с перерывамичто отвечает условиям работы литейного цеха (в одну или двесмены). Поэтому в литейных цехах кислый процесс электродуго-вой плавки применяют чаще основного.

При кислом процессе футеровку печи выкладывают из динасо-вого кирпича. Иногда применяют металлический водоохлаждае-мый свод. Подготовка печи к плавке начинается сразу после вы-

пуска предыдущей плавки и заключается в очистке пода, заправ-ке откосов и стен новыми материалами. Для заправки применяюткварцевый песок, содержащий более 96 % SiO2 и менее 1 % при-месей.

Загрузка. Шихту загружают в следующем порядке: на под укла-дывают половину мелкой шихты, в зону действия электродов по-мешают среднюю и крупную шихту, которую сверху засыпаютостатками мелкой шихты. Углерода в шихте должно быть на0,2...0,3 % больше нижнего предела требуемого содержания его вготовой стали. Количество кремния и марганца в шихте подбира-ют таким, чтобы после расплавления в стали было 0,03...0,1 % Siи 0,12...0,2% Мп.

Плавление. Главная особенность кислого процесса электроплав-ки состоит в том, что плавка ведется под кислым шлаком, содер-жащим до 65 % кремнезема. Под таким шлаком фосфор и сера неудаляются, поэтому содержание серы и фосфора в шихте должнобыть минимальным — ниже на 0,1 % содержания, допускаемого вполучаемых отливках.

После расплавления определенного количества шихты, кото-рое проводят максимально быстро (50...70 мин), наводят оборот-ный шлак от предыдущей плавки, состоящий из 38...45% SiO,,22...28% FeO, 18...26% MnO, 6...7% CaO.

Окислительный период. Для выгорания углерода проводят кипе-ние ванны. Поскольку шлак после расплавления содержит до 50 %оксидов железа и марганца, то при хорошем нагреве ванна заки-пает без присадки железной руды. Кислый шлак вязкий и затруд-няет выделение оксида углерода СО. Для понижения вязкости шла-ка в печь вводят небольшое количество извести (8... 10 % от массышлака). Добавка извести повышает также окислительную способ-ность шлака, так как более сильный оксид (СаО) вытесняет изсиликатов FeO. Для интенсификации кипения в ванну малымипорциями вводят железную руду. По мере окисления углерода со-держание FeO в шлаке уменьшается. При содержании в шлакеболее 50 % SiO2 и около 20 % FeO с повышением температурыначинается восстановление кремния из шлака и футеровки за счетУглерода и марганца. Когда содержание FeO в шлаке достигнет15 %, скорость восстановления кремния составляет 0,01 % в мин.

В период кипения ванны (25...30 мин) вследствие окисленияУглерода и других примесей содержание углерода в стали умень-шается на 0,15...0,2 %. Для предупреждения восстановления крем-ния в период кипения в шлак добавляют известняк, понижаю-щий концентрацию SiO,.

Раскисление. После получения шлака светло-зеленого или свет-ло-голубого цвета приступают к раскислению стали, применяяметод осаждения. Предварительное раскисление проводят ферро-силицием в печи за 1... 10 мин до выпуска стали, если содержание

162 163

кремния ниже заданного, или силикомарганцем за 5...7 мин довыпуска стали, а окончательное — присадкой алюминия в ковшпри выпуске стали.

Индукционные печи. Процесс плавки стали в тигельных ин-дукционных печах имеет следующие особенности: возможностьплавки в любой газовой среде, состав которой можно контроли-ровать; отсутствие электрической дуги или какого-либо тепло-носителя, способного науглероживать металл или насыщать егогазами; непрерывное перемешивание ванны с жидким метал-лом, что ведет к выравниванию его химического состава, облег-чает дегазацию и всплывание неметаллических включений; про-стота регулирования температуры металла. Вместе с тем в индук-ционных тигельных печах мала интенсивность взаимодействияшлаков с ванной металла, в результате чего ограничены воз-можности управления процессом плавки путем изменения со-става шлака.

Указанные возможности наиболее полно можно использоватьпри плавке легированных сталей для получения отливок ответ-ственного назначения, поэтому индукционную тигельную плавкушироко применяют именно в этой области.

Индукционные печи могут иметь основную или кислую футе-ровку. Печи с основной футеровкой используют для плавки высо-колегированных сталей с повышенным содержанием марганца,титана, алюминия. В индукционных тигельных печах процесс плав-ки протекает в условиях недостатка кислорода, окислительныепроцессы плавки затруднены, поэтому при выборе шихты исхо-дят из того, что плавка будет сводиться в основном к переплавушихты. Во время плавки шихту периодически осаждают, повышаяплотность укладки нерасплавившихся кусков. После расплавленияшихты наводят шлак, который защищает металл от окисления иснижает угар элементов.

При кислой футеровке шлак наводят из смеси шамота, чисто-го кварцевого песка и боя стекла, а при основном — из 70 %обожженной извести, 20% плавикового шпата и 10% магнезито-вого порошка. Легирующие элементы (ферромолибден, никель,медь) вводят в печь одновременно с шихтой. Другие легирующиедобавки вводят в такой последовательности: феррохром, ферро-силиций, ферротитан. Сталь раскисляют в печи ферромарганцем,ферросилицием и в ковше — алюминием (200 г на 1 т стали).

4.2.3. Плавка алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы при расплавлении легко окисляются,растворяют газы и вредные примеси. На поверхности расплаваобразуется прочная оксидная пленка, которая предохраняет егоот дальнейшего окисления. Сплав может загрязняться оксидом

злюминия, не растворяющимся в расплавленном алюминии, иего можно удалить только рафинированием. Алюминиевые сплавыинтенсивно растворяют газы, главным образом водород, в резуль-тате чего в отливках может образоваться пористость. Поэтому дляплавки алюминиевых сплавов важное значение имеет правиль-ный выбор шихтовых материалов и плавильного агрегата.

Алюминиевые сплавы плавят в печах различных конструкций.В цехах мелкосерийного производства (до 30 т отливок в месяц)применяют тигельные печи, работающие на газе или электриче-стве, или отражательные печи небольшой вместимости; в цехахмассового производства — газовые или электрические отражатель-ные печи, печи сопротивления или индукционные печи вмести-мостью до 5 т.

Плавку алюминиевых сплавов производят в чугунных тиглях,внутреннюю поверхность которых окрашивают огнеупорной крас-кой или футеруют, что необходимо для предохранения тиглей отрастворения и насыщения алюминиевого сплава железом во вре-мя плавки. Тигель после окраски обжигают при 500...600 °С в тече-ние 3... 5 ч. Для стационарных печей, кроме чугунных, применяютграфитовые тигли вместимостью 150...300 кг.

Для примера рассмотрим плавку сплава АК12. Плавку реко-мендуется вести на чушках силумина, имеющих паспортные дан-ные химического состава сплава, а при их отсутствии — с приме-нением лигатуры алюминий-кремний. В состав шихты входят си-лумин, алюминий первичный, лигатуру алюминий-кремний(12... 15 % Si), 35... 50 % отходов собственного производства, 15 %переплава из стружки.

Шихта должна быть чистой, сухой, без загрязнений маслом,мазутом и т.п. Шихтовые материалы перед загрузкой в расплавподогревают до 100... 150 °С.

Тщательно просушенный и прокаленный тигель нагревают до600... 700 "С. Затем в него загружают отходы собственного произ-водства, после расплавления которых загружают чушки силуминаили алюминия (при плавке на лигатуре). Затем вводят лигатуруалюминий-кремний и сплав тщательно перемешивают. Темпера-туру доводят до 680...700°С и рафинируют сухими хлористымисолями (ZnCl2 или МпС12) в количестве 0,1... 0,2 % от массы спла-ва. Рафинирующее действие солей основано на их реакции с алю-минием, в результате которой выделяется газообразный хлорис-тый алюминий (А1С13). Частицы оксидов, неметаллические вклю-чения и газы выносятся пузырьками А1С13 на зеркало расплава изатем переводятся в шлак. После рафинирования расплав выдер-живают в течение 5...8 мин, так как за это время в нем уже успе-вают всплыть пузырьки газов и оксидные плёны.

Рафинирование сплавов производят продувкой аргоном или сприменением покровных флюсов. Флюсы, покрывающие ванну с

164 165

расплавом, защищают его от воздействия среды печи, способ-ствуют очищению расплава от оксидных включений и дегазируютего. В качестве покровных флюсов применяют хлориды натрия икалия, которые в соотношении 1 : 1 образуют легкоплавкую эв-тектику. Их насыпают в количестве 2...3% от массы шихты наповерхность чушек сразу после их загрузки в печь. По мере испа-рения флюса его периодически добавляют. После расплавленияшихты на поверхность расплава дополнительно вводят флюсы вколичестве 0,5... 1 % от массы шихты, а в конце плавки — фтори-стый натрий, способствующий сгущению флюса. После этого об-разовавшийся флюс снимают и сплав разливают.

Дегазацию алюминиевых сплавов осуществляют обработкой ихультразвуком. При прохождении ультразвуковых волн через рас-плав в нем возникают упругие колебания частиц. Вследствие инер-ции скорость их возвратно-поступательного движения будет раз-личной, что приводит к временному разрыву сплошности жидко-го расплава и образованию в нем микрополостей с глубоким ва-куумом. В эти полости устремляются растворенные в сплаве газы,в том числе водород, где из них образуются пузырьки. При обрат-ном движении частиц происходит сжатие пузырьков, но газ об-ратно в расплав уже не переходит. При последующих разрывахсплошности расплава рост пузырьков продолжается до моментаудаления их в атмосферу.

Наиболее совершенным способом получения качественныхсплавов является их плавка и заливка в вакууме. Сущность этогоспособа заключается в том, что с понижением давления над зер-калом расплава растворимость водорода в сплаве уменьшается. Приэтом водород, до этого находившийся в ионизированном или ато-марном состоянии, переходит в молекулярное состояние, прикотором образуются пузырьки, всплывающие на поверхность рас-плава. При заливке в вакууме сплав не окисляется, что позволяетпроводить заливку с разрывом струи для создания лучших усло-вий последовательного затвердевания отливок. Сплав перед залив-кой вакуумируют в специальной камере, в которой вакуум-насо-сом поддерживается разрежение 0,13... 1,3 кПа. Продолжительностьвакуумирования 10... 15 мин. Вакуумную плавку проводят в специ-ально оборудованных индукционных печах.

Модифицирование является необходимой технологической опе-рацией для сплавов с высоким (более 6 %) содержанием крем-ния, при котором они кристаллизуются в виде двойной эвтекти-ки а + Si. Грубые пластинчатой формы частицы кремния снижаютмеханические свойства сплавов, особенно относительное удлине-ние при растяжении 5. Для модифицирования применяют флюс ввиде соединений натрия, которые вводят в расплав в виде смесей(NaF, NaCl, Na2AlF6), например: 67% NaF и 33 % NaCl. Присодержании в сплаве 0,09...0,1 % Na кремний кристаллизуется в

виде мелких округленных частиц, что способствует повышениюмеханических свойств отливок.

После модифицирования флюс удаляют и расплав разливают вформы. Для исключения выгорания натрия в расплаве время смомента окончания модифицирования и до конца его разливкине должно превышать 30 мин. Если в течение этого времени за-ливка не закончена, оставшуюся часть сплава необходимо моди-фицировать вторично.

Наилучшие результаты достигаются при использовании уни-версальных флюсов, обеспечивающих одновременное модифици-рование и рафинирование алюминиевых сплавов.

4.2.4. Плавка медных сплавов

Медные сплавы плавят в пламенных, дуговых и индукционныхпечах. К недостаткам плавки в пламенных печах следует отнестибольшой расход топлива и высокий угар металла, поэтому плавкулучше выполнять в дуговых и индукционных печах. При плавке вдуговой печи угар меди составляет 0,4...0,7% от массы шихты, апри переплаве стружки — 1... 1,5 %.

В качестве шихтовых материалов применяют медь марок МО,Ml, М2; цинк (Ц1, Ц2, ЦЗ); олово (01, 02); свинец (Cl, C2);стандартную бронзу и латунь; отходы собственного производства;переплавленную стружку бронзы и латуни, а для раскисления —фосфористую медь.

Шихту для плавки бронзы рекомендуется составлять из 40 %отходов собственного производства и 30 % чушек из переплавастружки; для переплавки латуни — из 30...40 % отходов собствен-ного производства, остальное — чистые материалы и лигатуры.

Для высококачественных отливок из бронзы применяют шихтус большим содержанием свежих материалов, а для менее ответ-ственных отливок — шихту из вторичной бронзы.

Плавка оловянных бронз. Перед началом загрузки плавильнуюпечь тщательно очищают от шлака и остатков металла, затем фу-теровку печи нагревают до 600... 700 °С (вишнево-красного цвета).Если в состав сплава предыдущей плавки входили вредные дляоловянной бронзы примеси (кремний, алюминий и др.), то необ-ходимо провести промывочную плавку.

Вначале в печь загружают медь. Если всю медь нельзя загрузитьсразу, то ее загружают частями по мере расплавления. Никель,если он входит в состав шихты, загружают вместе с медью. В пери-од плавления происходит окисление еще твердой медной шихтыс образованием на ее поверхности оксида меди СuО. После рас-плавления шихты расплав покрывают слоем шлака, содержащимбольшое количество СuО. Для предохранения расплава от окисле-ния на его поверхность насыпают древесный уголь.

166 167

Наиболее эффективными при плавке оловянных бронз в печахс основной футеровкой являются флюсы, имеющие состав-41...47% SiO2, 25...32% МпО, 11...14% А1,О3, 10...15% Na,O;или 50 % SiO2, 30 % Na2B2O7, 20 % СаО. Расход флюсов на плавкусоставляет 2...2,5 % от массы шихты.

При плавке бронзы в печах с кислой футеровкой применяютфлюсы, состоящие из буры Na2B2O7 или из смеси буры и 10... 30 %кварцевого песка.

Далее расплав доводят до 1 200 °С и раскисляют 0,3... 1 % фос-фористой меди. Затем медь перемешивают, удаляют из нее шлак ив расплав в несколько приемов загружают шихту, состоящую изотходов собственного производства и чушек из переплава струж-ки. Каждую порцию шихты вводят в печь после расплавления пре-дыдущей. Перед загрузкой шихтовые материалы подогревают до100... 150 °С.

Затем расплав нагревают до 1 160... 1 200 °С и вводят в него цинк,затем расплав перемешивают и добавляют олово и свинец, еслипоследний входит в состав шихты. Расплав вновь нагревают до1 250... 1 280°С и выдерживают при этой температуре 5... 10 мин,после чего берут пробу. При отсутствии оксидов и пузырей в про-бе расплав выпускают из печи в подогретые ковши и далее разли-вают в формы при температуре 1 150... 1 170°С.

Плавка безоловянных бронз. В качестве шихтовых материалов,кроме указанных для плавки оловянных бронз, применяют марга-нец металлический; железо в обрезках листов (без масла и загряз-нений); алюминий первичный; лигатуры, в которые могут вхо-дить железо, марганец, никель, алюминий; отходы собственногопроизводства; фосфористую медь.

Для выплавки, например, сплавов БрА9Ж4Л, БрА10ЖЗМц2Ли БрА10Ж4Н4Л вначале на под печи, нагретой до 700 "С, загру-жают медь и железо, затем просушенный древесный уголь длязащиты металла от окисления. Во время плавки ванну все времядержат под покровом древесного угля или флюса, состоящего ихсмеси: 90 % битого стекла и 10 % полевого шпата. Плавление ших-ты должно проводиться интенсивно. После расплавления шихты иподогрева до 1 200 °С ее раскисляют 0,1... 0,2 % фосфористой медиДалее вводят лигатуру медь-марганец или металлический марга-нец, а затем последовательно лигатуры медно-алюминиево-железную и медно-алюминиевую. Такой порядок ввода лигатурнприменяют при изготовлении любого сплава.

Если в сплав вводят чистые металлы: никель, марганец и железо, то вначале загружают железо, затем марганец и никель. Всечистые металлы вводят в сплав перед лигатурами. Металлы и лигатуры перед загрузкой подогревают.

Алюминий вводят в несколько приемов, перемешивая сплавпосле введения каждой порции. Перед выпуском сплава отливают

технологические пробы на усадку и изгиб. Далее расплав нагрева-ет до 1 200 °С и выпускают в подогретые ковши.

Плавка кремнистой латуни. Для плавки кремнистой латуни,например ЛЦ16К4, применяют чушки из этой латуни, возвратсобственного производства, переплав стружки кремнистой лату-ни и лигатуры.

После подогрева печи загружают и расплавляют чушки из ла-туни, удаляют шлак, загружают возврат собственного производ-ства и переплав стружки ЛЦ16К4. После расплавления возвратарасплав нагревают до 1 120... 1 150°С, перемешивают, удаляютшлак и отливают технологические пробы на излом. При необхо-димости подшихтовывают сплав по кремнию медно-кремниевойлигатурой.

Для рафинирования медных сплавов используют флюсы, со-держащие фтористые и хлористые соединения, при взаимодей-ствии которых с расплавами медных сплавов вьщеляются вредныепары и газы. Поэтому плавка, рафинирование, разливка медныхсплавов должны производиться при работающей приточно-вы-тяжной вентиляции, а рабочие должны иметь средства индивиду-альной защиты дыхательных органов и глаз.

4.3. Технология изготовления литейных форми стержней

4.3.1. Изготовление песчаных форм

Наиболее сложной и трудоемкой операцией получения отлив-ки является процесс изготовления формы — формовка. Изготовле-ние форм, стержней и сборка формы — наиболее ответственныеэтапы этого процесса.

Формы изготовляют и собирают в формовочных отделенияхлитейного цеха, стержни — в стержневом отделении, после чегопоследние подают в формовочное отделение на сборку формы.

В зависимости от применяемой модельной оснастки различаютформовку по моделям (извлекаемым и неизвлекаемым, разъем-ным и неразъемным); по шаблонам (вращения и протяжным); поящикам (вытряхным и разборным). По виду применяемой опоч-ной оснастки различают формовку в почве и кессонах, в опоках ибезопочную, в стержнях. По способу упрочнения формы различа-ют формовку с упрочнением смеси уплотнением, тепловой суш-кой, химическим твердением, физическими способами (магнит-ными силами, вакуумом и т.д.).

В зависимости от степени механизации различают два видаформовки: ручную и машинную. На машиностроительных заводахРучную формовку применяют для получения одной или несколь-

168 169

ких отливок, например, в условиях опытно-экспериментальногопроизводства, при изготовлении уникальных отливок, а также дляизготовления единичных отливок, идущих на замену вышедшихиз строя литых деталей. Машинную формовку применяют в усло-виях серийного и массового, реже единичного производства, аавтоматическую — в условиях массового производства.

Наименее распространена формовка по моделям в почве ишаблонная формовка.

Основной способ изготовления форм в литейном производ-стве — машинная формовка. Доля ручной формовки составляетменее 8 % от суммарной массы отлитых заготовок и непрерывносокращается.

Ручная формовка связана с тяжелой трудоемкой работой и имеетнизкую производительность. Этот способ формовки имеет неко-торое применение для получения отдельных мелких и среднихотливок или небольшой их партии. Более важное значение ручнаяформовка имеет в производстве крупных отливок (в почве, кессо-нах), при которых формы трудно или невозможно изготовить ме-тодами машинной формовки.

Ручная формовка осуществляется в открытых и закрытых фор-мах в почве и в опоках.

Открытая формовка в почве производится в условиях единично-го или мелкосерийного производства для быстрого изготовлениянебольших по размерам и малых по массе отливок с плоской по-верхностью, к качеству и внешнему виду которых не предъявляет-ся больших требований (плиты, колосники, грузы, каркасы и т.д.).

Формовку осуществляют в ямах, которые делают в земляномполу цеха, или кессонах — глубоких ямах в полу цеха, выложен-ных кирпичом, с применением газоотводных формовочных по-стелей. В зависимости от массы и высоты отливки используют мяг-кие и твердые постели. Мягкие постели применяют для формовкиплоских отливок небольшой высоты, твердые постели — для круп-ных отливок большой высоты.

В ряде случаев закрытую форму, изготовленную в почве, передзаливкой металла просушивают, для чего применяют переносныесушила.

Формовка в опоках широко используется при ручном и ма-шинном способах изготовления песчано-глинистых форм. В зави-симости от конфигурации отливки, ее размеров и сложности при-меняют следующие способы формовки: в двух опоках по разъем-ной и неразъемной модели; в трех и более опоках; по модели сотъемными частями, стопочная формовка и др.

Формовку по разъемной модели проводят в двух опоках (рис. 4.7).Вначале по чертежу детали (рис. 4.7, а) проектируют чертежи от-ливки и изготовляют ее разъемную модель (рис. 4.7, б). Далее поодной части модели изготовляют нижнюю полуформу 3(рис. 4.7, г)-

170

Для этого на подмодельную плиту устанавливают половину моде-ли / (без шипов) и нижнюю опоку 4. Для предотвращения прили-пания формовочной смеси к поверхности модели на модель нано-сят разделительное покрытие. Затем опоку заполняют разрыхлен-ной и просеянной формовочной смесью. При изготовлении отли-вок, на которых возможно образование пригара, на модель снача-ла наносят слой облицовочной формовочной смеси толщиной20... 30 мм. После легкого уплотнения смеси руками вокруг моде-ли опоку заполняют наполнительной смесью. При ручной фор-мовке смесь в опоку засыпают слоями по 50... 75 мм. После уплот-нения предыдущего слоя засыпают следующий слой такой же тол-щины. Это обеспечивает равномерное уплотнение смеси по высо-те отливки. Верхние слои смеси уплотняют трамбовкой. Излишексмеси над верхним срезом опоки удаляют линейкой. Далее зафор-мованную опоку переворачивают на 180° и устанавливают на мо-дельную плиту разъемом вверх. На заформованную половину мо-дели по шипам устанавливают другую половину модели 2.

На свободной площади поверхности разъема формы размеща-ют в соответствии с разработанной технологией модели элемен-тов литниковой системы. Затем на нижнюю полуформу 3 (см. рис.4.7, г) по центрирующим штырям устанавливают верхнюю опо-

171

отделения. Существует два вида стопочной формовки: этажная иступенчатая.

При э т а ж н о й ф о р м о в к е (рис. 4.8, а) заформованные опо-ки в количестве 10—12 штук устанавливают друг на друга. Формыизготавливают таким образом, чтобы в одной опоке была получе-на нижняя полуформа с одной стороны и верхняя с другой. Опо-ки соединены общим стояком, через который в них одновремен-но поступает заливаемый металл. При этом продолжительность про-цесса заливки сокращается, а масса литниковой системы умень-шается. В то же время из-за большого давления столба металларазмеры деталей в нижних опоках могут искажаться.

При с т у п е н ч а т о й ф о р м о в к е (рис. 4.8, б) каждая опокаимеет самостоятельную литниковую систему. Опоки устанавлива-ют друг на друга в виде ступеней. Каждая вышележащая формасдвинута относительно нижней формы на ширину литейной чаши.

Безопочная формовка предназначена для получения мелких от-ливок и осуществляется машинным способом на высокопроизво-дительных полуавтоматических установках (200 — 300 форм/ч) вУсловиях массового производства. Этот способ формовки можновыполнять по различным вариантам. Следует отметить, что тер-мин «безопочная формовка» является условным, так как отсут-ствие опок практически имеет место только при заливке формыРасплавом.

173

ку 6. Для предотвращения слипания смеси верхней и нижней по-луформ поверхность их разъема посыпают тонким слоем сухогокварцевого песка или графита. Верхнюю полуформу 5 изготовля-ют так же, как и нижнюю. Вентиляционные каналы в полуформевыполняют накалыванием уплотненной смеси душником.

После удаления излишка смеси и оформления вентиляцион-ных каналов верхнюю полуформу снимают с нижней, перевора-чивают на 180° и устанавливают на модельную плиту разъемомвверх. Из обеих полуформ извлекают полумодели отливки и моде-ли элементов литниковой системы, предварительно слегка их рас-качав. При отсутствии модели чаши или воронки перед извлече-нием модели стояка вокруг него оформляют гладилкой приемнуюполость литниковой системы.

Затем форму собирают, для чего вначале в нижнюю полуфор-му 3 устанавливают стержень (рис. 4.7, е), изготовленный в стерж-невом ящике (рис. 4.7, в). При этом знаковые части стержня вхо-дят в соответствующие знаковые части (гнезда) полуформ. Послеустановки стержней нижнюю полуформу по штырям накрываютверхней. Для исключения всплывания при заливке верхней полу-формы обе опоки скрепляют скобами (болтами) или сверху на-гружают грузом.

Далее форму заливают расплавом и после выбивки из нее из-влекают отливку (рис. 4.7, д) вместе с элементами литниковойсистемы.

Формовку с отъемными частями модели используют для получе-ния отливок сложной конфигурации. Формы должны иметь по двеи более плоскостей разъема, что облегчает выемку отъемных час-тей модели при формовке. Разъемы в форме совпадают с разъема-ми отъемных частей модели. В данном случае формовку произво-дят в трех и более опоках.

Формовка по неразъемной модели имеет несколько вариантов:формовка по неразъемной модели с плоским основанием и фор-мовка с отъемными частями модели. Рассмотрим для примера пер-вый вариант.

Формовка по неразъемной модели с плоским основанием являетсянаиболее простым вариантом и реализуется только при соблюде-нии двух условий: совпадение одной из плоскостей модели с плос-костью разъема формы и извлекаемость модели из полуформы безразрушения последней. В этом случае модель полностью распола-гается в одной из полуформ. Выемку модели из формы производятпри помощи подъемника, который вставляют в специальное от-верстие в модели. Формовку полуформ и все последующие техно-логические операции выполняют так же, как и при формовке поразъемной модели.

Стопочную формовку (рис. 4.8) применяют для получения мел-ких отливок. Она не требует больших площадей формовочного

172

Рассмотрим формовку в двух опоках с двухсторонней модельнойплитой (рис. 4.9). Для формовки используют двухсторонние мо-дельные плиты, которые для уменьшения массы изготовляют изсплавов на основе алюминия. Модели отливки устанавливают намодельной плите 5 (рис. 4.9, г) с двух сторон: на одной сторонемонтируют одну часть модели отливки 6, на обратной стороне —.другую 8. Одновременно на обеих сторонах плиты монтируют мо-дели элементов литниковой системы 7.

Процесс формовки осуществляют следующим образом. Произ-водят сборку опок (рис. 4.9, а), для чего на верхнюю опоку 3 поштырям 2 устанавливают модельную плиту 5 и нижнюю опоку 7.Затем изготовляют нижнюю полуформу (рис. 4.9, б). Далее накла-дывают подопочный щиток 4, поворачивают полученную сборкуна 180° и производят формовку верхней полуформы (рис. 4.9, в).После этого снимают верхнюю полуформу и удаляют модельнуюплиту 5 (см. рис. 4.9, г). Затем в нижнюю полуформу устанавливаютстержень 10 (рис. 4.17, д) и накрывают верхней полуформой. Пос-ле этого собранную форму освобождают от опок и передают на заливку, где на нее для предохранения от разрушения надевают

жакет 9 и накладывают груз 11. Опоки по внутреннему периметруимеют уклоны, благодаря чему они легко снимаются с полуфор-мы. Для изготовления форм этим способом требуется ограничен-ное число опок, что дает значительную их экономию. Поэтомуэтот способ формовки часто называют безопочной формовкой.

Применение машинной безопочной формовки во много раз уве-личивает производительность труда, улучшает качество форм, аследовательно, и отливок, снижает брак, облегчает условия рабо-ты формовщика. Совершенствование формовочных машин приве-ло к созданию полуавтоматических и автоматических формовоч-ных установок, поточных и автоматических линий.

Схема изготовления безопочных форм с вертикальным разъе-мом показана рис. 4.10.

На формовочном автомате в камере 3 (рис. 4.10, а) изготовля-ется безопочная форма с вертикальным разъемом, где две ее про-тивоположные стенки представляют собой полумодели 5 и 6. На-полнение формовочной смесью 2 пространства между полумоде-лями (камера 3) осуществляется методом надува из бункера 7. Посленадува формовочная смесь прессуется между зафиксированнойполумоделью 6 и подвижной полумоделью 5, которая соединенас плунжером 4 гидроцилиндра.

После прессования полумодель 6 удаляется путем откидыва-ния вверх, а другая полумодель движением плунжера 4 проталки-вает изготовленную полуформу 7вперед (рис. 4.10, б). В этот пери-од бункер 1 для предотвращения высыпания из него формовоч-ной смеси закрывается задвижкой 8. Затем плунжер 4 вместе сполумоделью 5 возвращается в исходное положение, а полумо-дель допускается и занимает фиксированное вертикальное поло-

175

жение, вновь образуя с бункером / камеру 3. Цикл повторяется, аобразовавшаяся новая полуформа вплотную сдвигается с преды-дущей (рис. 4.10, в), образуя литейную полость 12.

Литейная форма 11 представляет собой пакет, состоящий изсомкнутых двухсторонних безопочных полуформ 7. Полость фор-мы 12 между полуформами заливается расплавом 10 из ковша 9(см. рис. 4.10, в) или из автоматической заливочной установки.

При машинной формовке наиболее часто применяют следую-щие схемы уплотнения формовочных смесей: прессование, встря-хивание, встряхивание с подпрессовкой, пескодувно-прессовыйи пескометный способы.

Уплотнение прессованием может осуществляться по различнымсхемам, выбор которых зависит от размеров и формы моделитребуемой степени и равномерности уплотнения формовочнойсмеси и других условий. Рассмотрим работу формовочных машинс верхним и нижним прессованием (рис. 4.11).

В машинах с верхним прессованием (рис. 4.11, а) уплотняющеедавление действует сверху. На столе 7 формовочной машины за-крепляют модельную плиту б с моделью 5, устанавливают опоку 4высотой Я с наполнительной рамкой 3. Опоку и рамку заполняютформовочной смесью из бункера. При подъеме стола прессующаяколодка 2, установленная на траверсе 1 пресса, входит в напол-нительную рамку, запрессовывая смесь в опоку. Высота наполни-тельной рамки И определяет вытесняемый объем формовочнойсмеси, а следовательно, и степень ее уплотнения в опоке. Послезавершения прессования стол с модельной оснасткой опускают висходное положение.

В машинах с нижним прессованием (рис. 4.11, б) формовочнаясмесь уплотняется столом 7с моделью 5. Стол перемещается вер-тикально относительно наполнительной рамки 3. Перед прессова-

нием модель 5 с модельной плитой 6 расположена ниже верхнейплоскости наполнительной рамки 3. Снизу опоки делается запасформовочной смеси (высотой h) для прессования. Когда опоканаполнена формовочной смесью, над ней устанавливают непо-движную траверсу /. При подъеме стола 7 смесь из наполнитель-ной рамки 3 впрессовывается в опоку снизу модельной плитой 6.Давление при прессовании составляет 300...500 кПа.

Недостатком рассмотренных способов прессования являетсянеравномерность уплотнения в них формовочной смеси по высо-те формы Я. Установлено, что при верхнем прессовании плот-ность смеси р наибольшая в верхней части формы и уменьшаетсяпо мере удаления от прессовой колодки, достигая наименьшейвеличины у поверхности модели (см. рис. 4.11, а). Это объясняетсятрением смеси о стенки опоки в процессе уплотнения.

При нижнем прессовании плотность смеси р наибольшая уповерхности модели, что обеспечивает получение более качествен-ной рабочей поверхности формы (см. рис. 4.11, б). Несмотря наэто, наиболее широко применяют способ верхнего прессования,так как при нижнем прессовании вследствие попадания формо-вочной смеси между столом 7 и наполнительной рамкой 3 быст-ро изнашиваются трущиеся поверхности машины. Кроме того,затруднена переналадка формовочных машин на другой размеропоки.

Неравномерность уплотнения смеси возрастает с увеличениемвысоты опоки. Поэтому уплотнение прессованием применяют дляизготовления полуформ в невысоких опоках (до 250 мм). Этот не-достаток может быть устранен при применении других схем прес-сования, например заменой плоской прессующей колодки про-фильной, использованием профильной засыпки смеси в опоку,прессованием смеси гибкой резиновой диафрагмой или примене-нием многоплунжерной головки. В последнем случае формовочнаясмесь в опоке уплотняется большим числом прессующих плунже-ров. При этом каждый плунжер уплотняет только находящийсяпод ним участок формы независимо от соседних.

Прессование под высоким давлением (до 4 МПа) — прогрессив-ный способ формовки, позволяющий изготовлять полуформы стребуемой степенью уплотнения в высоких опоках (до 350 мм),повышенной точностью по размерам и гладкой поверхностью. Привысокой степени уплотнения повышается теплопроводность сме-си, что способствует улучшению структуры металла в отливке.

Вибропрессование — производительный и экономичный методформовки, представляющий собой сочетание двух процессов уп-лотнения — прессования и вибрации. При вибрации резко умень-шается работа внешнего и внутреннего трения, что способствуетвыравниванию и повышению степени уплотнения смеси по всемупериметру формы.

177

Уплотнение встряхиванием получило широкое применение влитейном производстве. На встряхивающих машинах уплотнениеформовочной смеси происходит в результате многократно повто-ряемых встряхиваний. Принципиальная схема уплотнения смесина пневматической встряхивающей формовочной машине пока-зана на рис. 4.12.

Встряхивание осуществляется при подаче сжатого воздуха че-рез впускное отверстие 5 (рис. 4.12, а) и канал 4 встряхивающегопоршня 2 в нижнюю полость цилиндра 1, в результате чего встря-хивающий поршень 2 вместе с опокой 3 начинает подниматьсявверх (верхнее положение стола). При этом впускное отверстие 5перекрывается боковой поверхностью поршня, а нижняя его кром-ка открывает выхлопные окна 7 (рис. 4.12, б), в результате чеговоздух выходит в атмосферу. Так как давление под поршнем сни-жается, то стол падает на торец 6 цилиндра / (нижнее положениестола) и при ударе формовочная смесь в опоке уплотняется (рис.4.12, в).

В момент, когда канал 4 встряхивающего поршня окажетсяпротив впускного отверстия 5 цилиндра 7, сжатый воздух сновавойдет в его полость (см. рис. 4.12, в). Это повлечет за собой новыйподъем встряхивающего стола и новый его удар о торец цилиндраи т.д. Встряхивающий стол совершает 120 — 200 ударов в минуту,а высота подъема стола машины составляет 25...80 мм.

Уплотнение формовочной смеси в опоке при встряхиваниипроисходит под действием сил инерции смеси. Продолжительностьдействия удара при уплотнении смеси несравнимо меньше, чемпри прессовании. Поэтому за время одного удара полного уплот-

нения смеси не происходит. Практически уплотнение смеси в опокеосуществляется за 30 — 60 ударов.

Уплотнение смеси встряхиванием менее производительно посравнению с прессованием и сопровождается шумом. Однако встря-хивание дает возможность осуществлять формовку в больших поплощади и высоте опоках, изготовлять формы для очень сложныхотливок с высокими ребрами и глубокими впадинами.

При уплотнении смеси на встряхивающих машинах наиболь-шая плотность набивки наблюдается около модели и у плоскостиразъема формы, в то время как верхние слои смеси уплотняютсянедостаточно. Дополнительное уплотнение верхних слоев осуще-ствляют допрессовкой.

Встряхивание с допрессовкой осуществляется двумя механиз-мами — встряхивающим и прессовым, последовательная работакоторых обеспечивает требуемую плотность смеси в форме.

Пескометное уплотнение смеси осуществляется основной рабо-чей частью пескомета — метательной головкой, схема работы ко-торой показана на рис. 4.13. В металлическом кожухе 2 с частотой1 400... 1 500 мин"1 вращается горизонтальный вал, на конце кото-рого насажен ротор с прикрепленной к нему сменной лопаткой(ковшом) 4. С помощью ленточного транспортера / в головку по-дается формовочная смесь, которая подхватывается вращающимсяковшом и с большой силой в виде пакетов 3 выбрасывается в опо-ку (или стержневой ящик) через выходное окно. Порции смеси,ударяясь о слои, ранее поступившие в опоку, уплотняют смесь. Принепрерывном перемещении головки пескомета по площади опокисо скоростью 0,3...0,6 м/с обеспечивается равномерное, не завися-щее от высоты полуформы уплотнение смеси.

179

Пескометы могут быть передвижными и стационарными. Ониприменяются для механизации процесса уплотнения смеси приизготовлении средних и крупных форм (а также стержней) прилюбой серийности производства. Эти высокопроизводительныемашины могут набивать с производительностью 5...35 м3/ч смесиопоки или стержневые ящики в зависимости от их конструкции имодели.

4.3.2. Изготовление и сушка стержней

Для производства отливок наиболее часто используют разовыепесчаные стержни, упрочняемые тепловой сушкой. Технологияизготовления стержней во многом аналогична производству форм.Однако она имеет свои особенности, связанные с тем, что призаливке расплава в форму стержни находятся в более тяжелых ус-ловиях, чем литейные формы, и в большинстве случаев вся ихповерхность, кроме знаков, омывается расплавом. По этим при-чинам стержни должны обладать высокими показателями проч-ности, огнеупорности, газопроницаемости, податливости и, крометого, они должны легко выбиваться из отливки после ее остыва-ния и извлечения из формы. Эти свойства обеспечиваются арми-рованием, вентиляцией, сушкой и окрашиванием стержней.

Армирование — установка проволочных или литых каркасоввнутри стержня при его изготовлении с целью повышения егопрочности. Каркасы для стержней должны отвечать следующимтребованиям: обеспечивать достаточную прочность и жесткостьстержня, не пружинить и не отставать от стержневой смеси, непрепятствовать усадке отливки, не мешать устройству в стержняхвентиляционных каналов, легко удаляться из отливки при выбив-ке стержня.

Для мелких и средних стержней используют каркасы из прово-локи диаметром 6... 8 мм, а для связывания отдельных частей кар-каса — более тонкую проволоку. В крупных стержнях из песчано-глинистых смесей применяют литые каркасы (рамки) из чугуна истали с залитой в них проволокой диаметром до 10 мм.

В каркасах для крупных и средних стержней делают подъемы, закоторые стержни подвешивают на подъемном кране при транс-портировании и установке их в форму.

При заливке формы ее стенки и стержни нагреваются и выде-ляют большое количество газов. Особенно сильно прогреваютсястержни.

Вентиляцию стержней осуществляют через газоотводные кана-лы, устроенные внутри стержней различными способами: нака-лыванием стержней вентиляционной иглой, заформовыванием встержнях стальных прутков или труб с последующим их извлече-нием, установкой восковых шнуров (воск при сушке стержня вы-

я в л я е т с я , шнуры вынимаются) и соломенных жгутов, выгора-юших при заливке металла, и т.д.

Сушка придает стержню высокую прочность за счет химичес-кого превращения находящихся в них связующих веществ, при-водит к испарению влаги и выгоранию части органических ве-ществ и тем самым повышает газопроницаемость и податливостьстержней.

Сушку стержней производят в камерных печах периодическогодействия. В условиях массового производства применяют болееудобные вертикальные и горизонтальные конвейерные сушила.Продолжительность сушки и ее температура зависят от массы иконфигурации стержня, а также от марки входящих в состав стерж-невой смеси связующих веществ.

В процессе сушки стержни медленно нагревают до 100 °С, пос-ле чего температуру повышают до уровня, определяемого типомсвязующего вещества, а затем снижают до 50... 70 °С. Песчано-гли-нистые стержни сушат в течение 2... 12 ч при 200...280°С. Круп-ные стержни сушат на фасонных сушильных плитах с мелкимиотверстиями, выполненными в шахматном порядке. Такие сушиль-ные плиты из чугуна или алюминиевых сплавов называют драйе-рами.

Стержни из смесей на жидком стекле для придания им проч-ности продувают в течение 5... 10 мин углекислым газом, кото-рый подается через отверстия в стенках стержневого ящика иливо внутреннюю полость стержня.

При использовании химически твердеющих смесей сушка стерж-ней не требуется, так же, как и при производстве их по горячимящикам. Следует отметить, что твердение смеси в стержневых ящи-ках (холодное и горячее) способствует повышению размерной точ-ности отливок, снижает время технологического цикла изготов-ления стержней (в результате исключения времени на их сушку)и считается перспективным процессом, особенно для цехов круп-носерийного производства.

Крупные и сложные стержни часто изготовляют в ящиках ввиде отдельных частей, которые после сушки соединяют (склеива-ют). Такой процесс называют спариванием стержней. При этом щелимежду частями стержня заделывают специальными замазками.

Окрашивание стержней производят после сушки с применени-ем противопригарной графитовой (при изготовлении отливок изсерого чугуна) или на основе пылевидного кварца (для стальныхотливок) краски, которая улучшает качество поверхности стерж-ня и предупреждает образование пригара на отливке.

Способы изготовления стержней. На рис. 4.14 изображена схемапроцесса ручного изготовления стержня детали «тройник» поразъемному ящику. Вначале половины стержневого ящика 1 и 2(рис. 4.14, а) наполняют стержневой смесью и уплотняют трам-

180 181

бовкой 3 (рис. 4.14, б). Затем в смесь устанавливают проволочныйкаркас 4 несколько ниже плоскости разъема стержня (рис. 4.14, в).После набивки половин ящика специальным инструментом (ланце-том или гладилкой) прорезают газоотводные каналы 5 (рис. 4.14, г),а затем спаривают (соединяют) половины ящика, предварительносмазав поверхность разъема половин стержня раствором глины (рис.4.14, д). Отделив стержень от стенок ящика ударами деревянногомолотка, осторожно снимают верхнюю половину ящика (рис. 4.14, е).После того как на нижнюю половину ящика будет наложена фа-сонная сушильная плита (драйер) 6 (рис. 4.14, ж), комплект пере-ворачивают на 180°, после чего снимают вторую половину ящика.Далее стержень 7отделывают (удаляют лишнюю стержневую смесь,исправляют мелкие дефекты и т.п.) и направляют в сушильнуюпечь.

Мелкие стержни с постоянным сечением по длине изготовля-ют на мундштучной машине. В этом случае форма и размеры сече-ния стержня определяются параметрами сечения выходного от-

182

верстия — мундштука. На мундштучных машинах стержневая смесьвыдавливается шнеком (или поршнем) через сменный мундштук.Стержень выходит из мундштука в виде непрерывной массы, ко-торую разрезают на куски нужной длины. Эти машины просты по

устройству, надежны в эксплуатации и производительны. СпособПрименяют в условиях серийного и массового производства про-стых стержней.

Подавляющую часть стержней как простой, так и сложной кон-фигурации изготовляют в стержневых ящиках. Очень крупныестержни, имеющие форму вращения, иногда формуют с помо-щью шаблонов.

Небольшие цилиндрические стержни изготовляют в разъем-ных стержневых ящиках, которые набивают стержневой смесью сторца. По оси набитого стержня накалывают вентиляционный ка-нал, после чего ящик разбирают и стержень ставят на драйер.

Стержни сложной конфигурации изготовляют в вытряхныхящиках, которые после набивки стержня накрывают драйером иповорачивают на 180°, после чего корпус ящика снимают строговертикально вверх, а вставки-вкладыши отодвигают от стержня вразные стороны.

В настоящее время широко применяют машинную формовкустержней на прессовых, пескометных, пескодувных, пескострель-ных, встряхивающих и других машинах. Изготовление стержней встержневых ящиках с использованием встряхивающих, прессо-вых и пескометных машин почти не отличается от аналогичногопроцесса уплотнения форм.

Для массового и крупносерийного производства стержней мас-сой до 10 кг применяют пескодувные стержневые машины, а длястержней массой до 160 кг — пескострельные стержневые машины(рис. 4.15). Производительность машин достигает 100 — 200 мелкихстержней в час. В большинстве случаев эти машины являются по-луавтоматами и механизируют не только уплотнение смеси в ящи-ке, но также смыкание и размыкание стержневого ящика.

Принципиальная схема работы головки пескодувной машиныпоказана на рис. 4.15, а. Стержневой ящик 4 устанавливают нарабочий стол машины, которым его поджимают к рабочему ре-зервуару /, основанием резервуара является надувная плита 3 сотверстиями. Резервуар заполняется стержневой смесью из бунке-ра, расположенного на машине. Передвижение резервуара к бун-керу и обратно происходит по рольгангу с помощью пневматиче-ского толкателя. Для надува ящика стержневой смесью рабочий ре-зервуар устанавливается под клапан дутья, расположенный в верх-ней части резервуара. Затем производится надув смеси в стержневойящик. Смесь разрыхляют в рабочем резервуаре вращением мешал-ки 2. Избыточный воздух из стержневого ящика удаляется в атмо-сферу через специальные вентилируемые заглушки — венты 5, ко-

Ш

торые имеют щели размером 0,3...0,5 мм, необходимые для про-пускания воздуха. Готовый стержень извлекают из стержневогоящика, помещают на сушильную плиту или драйер и сушат обыч-ным образом.

Пескодувные машины работают по принципу интенсивногосмешивания потока воздуха со стержневой смесью. На процессуплотнения стержня расходуется очень много воздуха, что явля-ется недостатком этих машин. Кроме того, для их работы нужнастержневая смесь с малой сырой прочностью, что ведет к ограни-чению размеров изготовляемых стержней. Поэтому в производ-стве наибольшее применение получили пескострельные стержне-вые машины.

Пескострельный процесс является разновидностью пескодувно-го процесса. В отличие от пескодувных в пескострельных стержне-вых машинах сильного смешивания воздуха со стержневой сме-сью не происходит. Сжатый воздух оказывает практически мгно-венное действие на столб стержневой смеси в рабочем резервуареи как бы выстреливает ее в стержневой ящик. С этой целью в такихмашинах площадь поперечного сечения вдувного канала надув-ной плиты делается больше, чем у пескодувных. Для обеспечениямгновенного большого расхода воздуха в комплект пескострель-ной машины входит ресивер.

Принципиальная схема надува стержня через головку пескост-рельной машины показана на рис. 4.15, б. Из бункера 8 заданное

184

количество стержневой смеси подают в рабочий резервуар /. Пос-ле этого шибер 6 перекрывает отверстие бункера. В рабочий резер-вуар с зазором вставлена гильза 7 с горизонтальными 9 и верти-кальными /2 щелями шириной 0,4...0,9 мм каждая. При надувечерез эти щели в гильзу поступает воздух. Вертикальные щели слу-жат для некоторого сжатия столба стержневой смеси в гильзе попериметру. Это уменьшает трение смеси о стенки гильзы и пред-отвращает зависание смеси. Горизонтальные щели предназначеныдля «выстреливания» стержневой смеси через конусную насадку13 из рабочего резервуара в стержневой ящик. При включениидутья быстродействующим клапаном 10 сжатый воздух из ресиве-ра 11 устремляется в рабочий резервуар /, а оттуда через щели вгильзу 7. Из стержневого ящика воздух выходит через венты 5 вконусную насадку 13, а из нее через отверстия в ней и надувнойплите — в атмосферу.

Машины такого типа работают в паре с поворотно-протяжны-ми машинами, на которых кантуют стержневые ящики и извлека-ют из них стержни.

Процесс изготовления стержней по «горячим» ящикам заключа-ется в том, что стержневая смесь с быстротвердеющим связую-щим с помощью пескодувной или пескострельной машины вду-вается в металлический стержневой ящик, предварительно нагре-тый до определенной для данного связующего температуры. Подвоздействием теплоты связующее затвердевает, придавая проч-ность стержню. После непродолжительной выдержки (2...3 мин),в зависимости от марки связующего и размеров стержня, ящикраскрывают и извлекают из него затвердевший стержень.

При изготовлении стержней из ЖСС жидкую стержневую смесьне позднее чем через 2 мин после приготовления в смесителе за-ливают в стержневой ящик, где она через 30...60 мин затвердева-ет, приобретая высокую прочность.

Изготовленные стержни отделывают, красят, зачищают зна-ки, подвергают тепловой сушке (если необходимо) и после ком-плектации отправляют на участок сборки форм.

4.3.3. Сборка и заливка форм расплавом

Сборка форм — важная технологическая операция, в значи-тельной мере определяющая геометрическую правильность и точ-ность размеров получаемой отливки.

Сборку формы начинают с установки нижней полуформы наровную площадку литейного плаца (при мелкосерийном произ-водстве крупных отливок) или тележку заливочного конвейера(при крупносерийном производстве).

Сырые формы собирают до начала процесса осыпания фор-мовочной смеси в форме. Полости форм и стержни обдувают

185

сжатым воздухом для удаления сора и пыли. Стержни устанавли-вают в форму в последовательности, указанной в технологичес-кой карте. Если стержень не может быть установлен в устойчивоеположение в форме по знакам, то его закрепляют металлически-ми подпорками — жеребейками. Жеребейки изготовляют из лис-тового железа, стальных и чугунных заготовок. Поверхность же-ребеек должна быть свободной от ржавчины, что необходимодля хорошего сваривания их с расплавом при нахождении в телеотливки.

Правильность установки и постоянство зазора между стерж-нем и формой контролируют шаблонами и щупами, которыевходят в состав модельного комплекта. Если необходимо, одно-временно со стержнем в форму устанавливают внутренние холо-дильники, а в литниковую систему — фильтрующую сетку. Точ-ное спаривание опок обеспечивается при помощи тщательно об-работанных стальных штырей и центрирующих отверстий в при-ливах опок.

Для предотвращения подъема верхней полуформы при заливкеи образования заливов металла по разъему формы все полуформыскрепляют с помощью скоб и болтовых соединений. В массовомпроизводстве мелких и средних форм применяют автоматическуюустановку груза на верхнюю полуформу. Грузы укладываются наформу механизмами — грузоукладчиками, работающими синх-ронно с литейным конвейером. После заливки и затвердеванияотливки грузоукладчик снимает груз с формы и передает его научасток нагружения форм. При заливке форм с небольшими от-ливками массы верхней полуформы часто бывает достаточно длякомпенсации возникающей подъемной силы, в таком случае на-гружение форм не производится.

На автоматических линиях сборка форм производится меха-низмами: стержнеукладчиками (манипуляторами), устанавлива-ющими отдельные стержни или блок стержней в форму; сборщи-ками — устройствами для установки верхней полуформы на ниж-нюю.

Для установки стержней в форму при сборке все большее при-менение находят роботы, позволяющие автоматизировать этотпроцесс.

Заливку форм в механизированных цехах осуществляют на кон-вейерах или рольгангах, иногда на специальной площадке. Рас-плав заливают в форму с помощью ковшей или заливочно-дози-рующих устройств. Конструкция ковшей, их вместимость и другиеособенности зависят от массы отливки и свойств заливаемого сплава

Литейные ковши (рис. 4.16) имеют сварной металлический ко-жух, футерованный изнутри огнеупорным материалом. Вмести-мость ковшей колеблется в диапазоне от 25 кг до 10 ти болееРазличают ковши поворотные и стопорные. В свою очередь, пово-

186

ротные ковши бывают обычными с носком, чайниковыми и ба-рабанными.

Обычный ковш с носком (рис. 4.16, а) заполняют расплавом,как правило, из больших раздаточных чайниковых, стопорныхковшей или чайниковых копильников. Для получения чугунныхотливок обычные ковши не применяют из-за сложности улавли-вания шлака.

Чайниковые ковши (рис. 4.16, б) чаще применяют для разливкичугуна. Они оборудованы перегородкой 2, задерживающей шлакпри наклоне ковша в процессе заливки. Чугун имеет более низкуютемпературу разливки по сравнению со сталью, вследствие чегошлак на его поверхности более вязкий, что уменьшает вероят-ность его попадания в форму.

Барабанные ковши (рис. 4.16, в) лучше, чем обычные и чайни-ковые, сохраняют температуру металла и совершенно безопасныв работе, так как их центр тяжести при повороте не перемещает-

187

ся в горизонтальной плоскости. Недостатком этих ковшей явля-ется затрудненный ремонт футеровки и неудобства при очисткешлака.

Стопорные ковши (рис. 4.16, г) применяются для разливки ста-ли. Из них расплав вытекает через специальное отверстие в дни-ще, которое закрывается стопором 7, а шлак после окончанияразливки остается на дне ковша (см. подразд. 2.3.7).

Перед заполнением металлом ковши следует хорошо просу-шить и прогреть, так как из плохо просушенных ковшей воз-можны выбросы жидкого металла. Кроме того, расплав в сырыхковшах насыщается газами, быстро охлаждается, образуя настыли.

Заливочно-дозирующие устройства одновременно выполняютфункции дозирования и заливки порции заливаемого расплава вформу. По принципу действия их подразделяют на электромеха-нические, пневматические, электромагнитные и комбинирован-ные. Дозирование производится как по массе, так и по объемуметалла. Заливочно-дозирующие устройства используются при за-ливке форм сплавами цветных металлов (на основе цинка, свин-ца, алюминия и др.).

4.3.4. Охлаждение, выбивка и очистка отливок

Охлаждение отливок. После затвердевания отливку выдержива-ют в форме, в которой она охлаждается до температуры выбивки.Чем выше температура выбивки, тем короче технологический циклизготовления отливки и больше производительность формовоч-но-заливочного участка. Однако высокая температура выбивкинежелательна из-за опасности разрушения или нарушения гео-метрических размеров отливки и образования в ней дефектов уса-дочного характера.

Вблизи температуры кристаллизации сплавы имеют низкиепрочностные и пластические свойства, поэтому опасность разру-шения отливок особенно велика. Кроме того, на воздухе отливкиостывают быстрее, чем в форме. При этом неравномерность ох-лаждения массивных и тонких сечений отливки усиливается иуровень внутренних напряжений в ней возрастает. Ранняя выбив-ка может привести к образованию трещин, короблению и сохра-нению в отливке высоких остаточных напряжений.

Длительная выдержка отливки в форме с целью охлаждения еедо низкой температуры с экономической точки зрения нецелесо-образна, так как удлиняет технологический цикл изготовленияотливки. Поэтому выбивку стремятся производить при максимальновысокой допустимой температуре. Выдержка зависит от природысплава и конструкции (сложности) отливки. Стальные отливкирекомендуется выдерживать в форме до температуры 500... 700 °С,чугунные — до температуры 400...500°С.

188

Продолжительность выдержки в форме определяется толщи-ной стенки отливки, свойствами залитого сплава и литейной фор-мы, заданной температурой выбивки и может быть рассчитанаили определена экспериментально.

Для сокращения продолжительности охлаждения отливок иног-да используют методы принудительного охлаждения. Например,формы, залитые на конвейере, охлаждают обдувкой их воздухомв охладительных галереях. Остывание крупных отливок интенси-фицируют установкой в форму змеевиков или труб, по которымпропускают воздух или воду и т.д.

Во многих случаях применяют высокотемпературную выбивкус последующим, более медленным, чем на воздухе, охлаждениемотливок, например, в колодцах, коробах, вместе с комом смесии т. д.

Выбивку форм выполняют на механических выбивных решет-ках различных типов (рис. 4.17), которые по принципу действияклассифицируют на эксцентриковые (рис. 4.17, а), инерционные(рис. 4.17, 6) и инерционно-ударные (рис. 4.17, в).

Решетка 2 с выбиваемой формой 1 с помощью привода 4 иопорной пружины 3 совершает колебательное движение. В каждомцикле колебаний решетки форма подбрасывается вверх и затем,падая, ударяется о решетку (см. рис. 4.17, а, б) или опорнуюраму 5 (см. рис. 4.17, в). В момент соударения под действием силинерции форма разрушается. Выбитая из опоки формовочная смесьпроваливается через решетку и системой конвейеров передается кместу ее переработки для повторного использования.

На поточных и автоматических линиях отливки удаляют изопоки выдавливанием вместе с комом смеси, а затем освобожда-ют от смеси на выбивных решетках. Этот метод применяется толь-ко для опок, не имеющих крестовин.

ках или обрубкой на прессах. Для отрезки прибылей от мелкихстальных отливок используют ленточные пилы, ножовочные идисковые станки. В условиях массового производства отрезка при-былей и, реже, литников может производиться на токарных стан-ках, работающих с поперечной подачей. Для отделения прибы-лей от крупных отливок используют ацетилено-кислороднуюрезку.

Большинство сплавов цветных металлов отличается вязкостью,что исключает применение ударов по отливке из-за возможногоее коробления. В таких случаях для отделения от отливки литни-ков, прибылей и других элементов широко используют ножовоч-ные и ленточные пилы. Иногда отделение элементов литниковойсистемы производят на токарных станках или прессах.

Очистка отливки заключается в улучшении чистоты ее поверх-ности путем удаления пригара и дальнейшей обработки различ-ными методами.

Выбивка форм сопровождается выделением большого количе-ства газов, теплоты, пыли и сильным шумом. Поэтому решеткиоборудуются пылегазоулавливающими и звукоизолирующими си-стемами.

Комплексное решение многих проблем может быть достигнутовыбивкой форм в гидравлических камерах, где струя воды диамет-ром 5...20 мм под давлением 5... 10 МПа размывает формовочнуюсмесь. Этот метод хорошо вписывается в схему мокрой регенерацииоборотной смеси, и, кроме того, в нем одновременно сочетаютсявыбивка форм, удаление из отливок стержней и очистка поверхно-сти отливок от пригара. Для выбивки форм используют герметич-ные камеры, в которые формы закатывают на тележках.

При производстве отливок в разовых формах стремятся исклю-чить операцию выбивки стержней, для чего в них применяют лег-ко выгорающие связующие, а сами стержни стараются изготов-лять полыми и тонкостенными. В этом случае удаление стержня изотливки происходит одновременно с ее выбивкой из формы. Еслиже выбивка стержней необходима, то ее осуществляют в гидрав-лических камерах, пневматических вибрационных или электро-гидравлических установках.

Электрогидравлический способ выбивки стержней и очисткиотливок заключается в использовании электрогидравлическогоэффекта, возникающего при высоковольтном разряде в воде междуспециальным электродом и поверхностью отливки. При этом вжидкости возникают ударные волны, которые разрушают стерж-ни и очищают поверхность отливки от пригоревшей к ней формо-вочной смеси. Электрогидравлические установки используют какв единичном, так и в серийном производстве. Наиболее целесооб-разно их применение при выбивке стержней из средних и круп-ных отливок. Преимущества данного способа выбивки следующие:высокая производительность и эффективность выбивки, исклю-чение тяжелого ручного труда, снижение запыленности атмосфе-ры в литейных цехах.

Обрубка. Для отделения от отливки литников, выпоров, при-былей и заливов по разъему формы и в местах сопряжения стерж-невых знаков с формой применяют обрубку. Основными фактора-ми, определяющими выбор способа обрубки, являются вязкостьсплава, из которого изготовлена отливка, масса отливки и серий-ность производства.

Для отливок из серого и белого чугунов, отличающихся хруп-костью, удаление литников не представляет трудности и произ-водится ударом молотка по литнику. В отдельных случаях могутбыть использованы пневматические зубила, а в массовом произ-водстве — «отламывание» на прессах.

В стальных отливках литники обычно отделяют резкой ножо-вочными полотнами, ленточными пилами на специальных стан-

190

Принципиальные схемы основных методов очистки отливок изачистки заливов по знаковым частям и разъему формы показанына рис. 4.18. Очистку можно производить галтовкой, дробеметнойвибрационной и электрохимической обработкой, а зачистку-абразивными кругами и электроконтактным методом. Выбор обо-рудования для очистки зависит от размеров отливок и серийностипроизводства.

Очистку галтовкой применяют для средних по массе отливок(до 50 кг), для чего в барабан 1 (рис. 4.18, а), футерованныйвнутри броневыми листами, загружают отливки 2 и высоко-прочные «звездочки» из белого чугуна. После этого включаютпривод 3 вращения барабана. Перекатываясь, отливки трутсядруг о друга и о звездочки, в результате чего они очищаются отпригара. В массовом производстве применяют барабаны непре-рывного действия (проходные), в серийном — периодическогодействия.

Для очистки средних и крупных отливок из стали и чугунашироко применяют дробеметные барабаны или камеры (рис. 4.18,б). В дробеметные барабаны отливки 2 загружают через окно за-грузки-выгрузки 7 на пластинчатый транспортер 6. При движе-нии транспортера отливки 2 перекатываются, подставляя раз-личные поверхности под струю стальной или чугунной дроби 5,подаваемой дробеметной головкой 4. Дробь вместе с отработан-ной смесью 8 собирается в воронке днища и после отделения отсмеси на магнитном сепараторе подается в оборотную системуустановки. Для отливок массой свыше 50 кг вместо барабановприменяют камеры, куда отливки подаются подвешенными накрюках. По ходу движения отливок расположены дробеметныеголовки.

При дробеструйной очистке (рис. 4.18, в) дробь 5подается струейвоздуха или воды на отливки 2, установленные на поворотномстоле 9. Этот метод менее эффективен по сравнению с предыду-щим.

Для мелких отливок, полученных, как правило, методом литьяпо выплавляемым моделям, применяют вибрационную, химичес-кую или электрохимическую очистку. В первом случае (рис. 4.18, г)отливки 2 загружают в ящики 11 вместе с абразивом (корундом)10 и с помощью механического вибратора 12 подвергают вибра-ции. Метод эффективен для сглаживания случайных выступов не-больших размеров на наружной поверхности отливок.

Для удаления пригара из внутренних и труднодоступных поло-стей отливки 2 применяют электрохимическую очистку (рис. 4. 18, д)путем погружения отливки в расплав 13 каустической соды, на-гретый до 400...500"С. Иногда подключают электрический токплотностью до 0,05 А/м2. Очистка осуществляется за счет раство-рения пригара в виде SiO2 в растворе щелочи и образования сили-

катов. Эффективность очистки возрастает при изменении поляр-ности тока.

Зачистка отливок применяется в массовом производстве и ис-пользуется в качестве одной из последующих операций после очи-стки, например дробеметной. Она выполняется абразивными кру-гами 14 (рис. 4.18, е), между которыми пропускается установлен-ная на специальном приспособлении отливка 2.

При электроконтактной зачистке отливок 2 вместо абразивно-го круга используется стальной диск 15 (рис. 4.18, ж). В ходе обра-ботки происходит оплавление заусенцев, заливов, выступов иудаление их в виде искр.

4.3.5. Контроль качества отливок

Контроль качества отливок осуществляют с целью обнаруже-ния в них дефектов, разработки мер по их предотвращению иустранению. В литейных цехах применяют предварительный и ис-полнительный методы контроля качества отливок.

Предварительный контроль включает в себя проверку свойствшихтовых и формовочных материалов, формовочных и стержне-вых смесей, качества изготовления модельной и литейной техно-логических оснасток, а также отдельных стадий процесса получе-ния отливок (изготовления форм и стержней, сборки форм и под-готовки их к заливке и т.д.).

Исполнительный контроль заключается в приемке отливок.С учетом требований технических условий на получаемую продук-цию отливки сортируют на группы: годные, дефектные (подлежа-щие исправлению) и окончательный брак, направляемый на пе-реплавку.

Для определения качества отливок применяют следующие ме-тоды контроля: визуальный, при котором все отливки осматрива-ют невооруженным глазом или с помощью лупы; магнитный,люминесцентный или цветной для выявления на поверхности от-ливок мелких трещин и раковин; ультразвуковой и радиографи-ческий (рентгено- и гаммаграфия) для выявления внутреннихДефектов в отливках. С помощью этих методов, не разрушая изде-лия, выявляют размеры дефекта и глубину его расположения отповерхности отливки. Процессы дефектоскопии в массовом про-изводстве автоматизированы.

Дефекты в отливках подразделяют на наружные (песчаные ра-ковины, заливы, перекос, пригар, несоответствие размеров иКонфигурации отливки, горячие и холодные трещины и др.) ивнутренние (усадочные и газовые раковины, шлаковые включе-ния и др.). Некоторые виды дефектов показаны на рис. 4.19.

Газовые раковины (рис. 4.19, а) — пузыри воздуха или газов,которые остались в теле отливки после заливки литейной формы

192 1 9 3

расплавом. Газовые раковины образуются из-за недостаточной га-зопроницаемости, повышенной влажности или переуплотненияформовочной смеси при формовке и др. Возникновение в отлив-ках газовых раковин предупреждают равномерным уплотнениемсмеси, искусственной вентиляцией формы через каналы, выво-дом газов из стержней и др.

Песчаные раковины (рис. 4.19, б) — чаще всего открытые раз-личной формы пустоты в теле отливки, частично или целикомзаполненные формовочной смесью. Такие дефекты образуются вотливке вследствие обвалов частей формы из-за недостаточнойпрочности формовочной смеси, смыва частей формы струей за-ливаемого расплава, в результате небрежной сборки форм и подругим причинам. Образование песчаных раковин предупреждаютдополнительным укреплением свисающих и выступающих частейформы с помощью железных крючков, шпилек, а также плавнымподводом металла в форму.

Заливы (рис. 4.19, в) — тонкие, различные по величине и фор-ме выступы на отливке. Такие дефекты чаще всего образуются поразъему формы и вдоль стержневых знаков. Причинами образова-ния заливов являются недостаточное нагружение формы передзаливкой, наличие зазоров между знаками стержней и контурамиполости формы и т.д. Образование заливов предупреждают на-дежным креплением полуформ при подготовке к заливке, очист-кой плоскости разъема от мусора и формовочной смеси во времясборки формы и др.

Несоответствие размеров и конфигурации отливки (рис. 4.19,г)чертежу возникает из-за перекоса половин формы или стержня, в

194

результате применения моделей неправильных размеров и т.д.Перекос вызывает смещение одной части отливки относительнодругой и образуется главным образом при неправильном центри-ровании опок.

Перекос стержня вызывает разностенность отливки (рис. 4.19, д)и появляется вследствие неправильной установки стержня илинедостаточно прочного его крепления в форме.

Пригар — дефект в виде трудно отделяемого слоя на поверхно-сти отливки, образовавшегося вследствие физико-химическоговзаимодействия формовочного материала с расплавом и его ок-сидами в процессе литья. Такой дефект образуется из-за недоста-точной огнеупорности формовочной смеси, наличия в ней посто-ронних примесей, плохого качества литейных красок. Предупре-дить образование пригара можно применением облицовочныхсмесей с повышенной огнеупорностью, покрытием рабочей по-верхности формы припылами (графит, тальк, пылевидный кварци др.).

Трещины горячие и холодные — разрывы в теле отливки, возни-кающие при заливке формы чрезмерно перегретым расплавом,из-за неправильной конфигурации литниковой системы и при-былей, неправильной конструкции отливки, неравномерной усад-ки отливки, низкой податливости форм и стержней и др.

Кроме указанных, встречаются следующие виды брака отли-вок: несоответствие ГОСТам или техническим условиям (ТУ) хи-мического состава сплава; несоответствие механических, физи-ческих свойств сплава и его структуры.

Несоответствие химического состава полученной отливки за-данному даже при отсутствии наружных и внутренних дефектовявляется неисправимым браком. Остальные указанные виды бракатакже практически неисправимы. Такие отливки подлежат отбра-ковке и дальнейшему переплаву.

Исправление дефектов. Отливки, имеющие допустимые дефек-ты и не подлежащие отбраковке, подвергаются дополнительнымоперациям по их исправлению. Основными из них являются: за-делка поверхности замазками или мастиками, пропитка различ-ными составами, газовая и электрическая заварка.

Заделка дефектов замазками или мастиками — декоративноеисправление мелких поверхностных отливок, например раковин.Она производится перед покраской отливок для придания имтоварного вида. Перед заполнением мастикой дефектные местаочищают от грязи и обезжиривают. После заполнения раковинмастикой исправленное место заглаживают, подсушивают и за-тирают.

Пропитывание составами устраняет пористость в отливках, ра-ботающих под давлением жидкостей и газов. С этой целью имею-щие незначительную течь отливки погружают на 8... 12 ч в водный

195

раствор хлористого аммония (нашатыря). Проникая в промежуткимежду зернами металла, раствор образует оксиды, которые заку-поривают поры отливки. Для устранения течи в отливках из спла-вов цветных металлов их пропитывают бакелитовым лаком.

Заварку применяют для исправления мелких дефектов на не-обрабатываемых поверхностях отливок (раковины, отверстиятрещины), а чаще — для исправления дефектов в местах отли-вок, испытывающих большую рабочую нагрузку. Для получениякачественной заварки применяют присадочный материал, ко-торый по своим свойствам не отличается от свойств материалаотливки.

При заварке дефектное место нагревают и затем расплавляю;на его поверхности пруток присадочного материала пламенемкислородно-ацетиленовой горелки (газовая сварка) или с помо-щью сварочного аппарата (электрическая сварка). Для избежанияпоявления трещин в отливках их нагревают до температур в ин-тервале 350... 600 °С и после заварки медленно охлаждают до ком-натной температуры. Для улучшения обрабатываемости отливкиподвергают термической обработке — отжигу.

4 . 4 . Специальные способы литья

4 . 4 . 1 . Литье в оболочковые формы

Современное машиностроение предъявляет к отливкам высо-кие требования, которые не могут быть удовлетворены изготовле-нием их только в песчаных формах, получаемых обычной фор-мовкой. Поэтому необходимо значительную часть отливок полу-чать другими, более эффективными — специальными способами.

Отличительными особенностями отливок, изготовляемых спе-циальными способами литья, являются, как правило, их болеевысокая точность, лучшее качество поверхности, меньшие вели-чины припусков на механическую обработку. Удовлетворять этитребования возможно, применяя металлические, оболочковыекерамические и другие формы.

Название данного вида литья исходит из того, что литейнаформа представляет собой оболочку толщиной 6... 10 мм, изго-товленную из кварцевого песка, с применением связующего -порошковой синтетической смолы. Такая форма способна при заполнении расплавом выдержать достаточно высокое динамическое и статическое давление.

Высокая прочность оболочек получается благодаря добавке имелкому кварцевому песку в качестве связующего материала фе-нольной смолы (пульвербакелита) в виде порошка в количеств-4... 6 %. Пульвербакелит — смесь термореактивной фенолформаль-

196

дегидной смолы и 8 % уротропина, которая при температуре свы-ше 200 °С полимеризуется. При нагревании такой смеси смола оп-лавляется, обволакивает (плакирует) песчаные зерна и при даль-нейшем нагревании затвердевает.

Плакированную смесь приготовляют горячим и холодным спо-собами. В первом случае мелкозернистый песок нагревают до 150 °Си смешивают в бегунах со смолой, которая, расплавляясь, плаки-рует песок тонкой пленкой. После охлаждения до 60 °С в смесьдобавляют уротропин, который придает смоле способность к тер-мическому твердению. При холодном плакировании пульвербаке-лит растворяют в спирте или ацетоне и перемешивают с холод-ным песком.

Способы изготовления оболочковых форм и стержней много-образны, но среди них можно выделить наиболее распространен-ные: свободная засыпка смеси на поверхность модели или в по-лость стержневого ящика; подача смеси методом надува в полостьящика или на поверхность модели; заполнение ящика смесью подвоздействием центробежных сил; диафрагменное уплотнение смесина поверхности модели.

В качестве примера приведем бункерный способ полученияоболочковых полуформ с использованием свободной засыпкисмеси (рис. 4.20). Смесь 4 (рис. 4.20, а) находится в бункере 3,который вращается на цапфах 2. В бункере закрепляется разогре-

тая модель 1. После этого бункер поворачивается на 180° и смесьпадает на поверхность модели (рис. 4.20, б). Благодаря тепловомувоздействию модели на смесь образуется оболочка 5. После крат-ковременной выдержки (30...45 с) бункер вновь занимает исход-ное положение. Неспекшаяся смесь осыпается, а на поверхностимодели остается образовавшаяся оболочка (рис. 4.20, в). После этогоиз бункера вынимают модельную плиту вместе с оболочкой ипереносят в печь, где их нагревают при температуре 260...300 °С втечение 30...60 с для достижения полного упрочнения оболочки.Съем оболочки (полуформы) с модели осуществляют толкателя-ми б (рис. 4.20, г), рамкой 7 (рис. 4.20, д) или сжатым воздухом,подаваемым под модель из резервуара 8 (рис. 4.20, е). Аналогич-ным способом можно изготовлять стержни.

Готовые полуформы соединяют между собой (с предваритель-ной установкой в них стержней) склеиванием, сжатием грузом.стяжкой струбцинами и скобами. Для предотвращения смещенияполуформ на их поверхность наносят фиксирующие элементы —выступы или впадины. После соединения формы устанавливают вконтейнеры и засыпают опорным материалом — металлическойдробью или формовочной смесью и затем заливают расплавом.

В оболочковые формы могут заливаться практически все спла-вы, однако отливки из углеродистой стали имеют недостаток -получаются с обезуглероженным поверхностным слоем. В то жевремя отливки из алюминиевых, магниевых и медных сплавовэкономически целесообразнее изготовлять в кокиле или литьемпод давлением.

Метод литья в оболочковые формы является производитель-ным и поддается автоматизации: при его использовании легкорешаются проблемы выбивки и очистки отливок. Оболочковаяформа легко разрушается благодаря выгоранию связующей смоль-при высоких температурах, а фрагменты формы с помощью виб-рации свободно отделяются от отливки.

При литье в оболочковые формы расход формовочных материалов составляет 5 % (в 20 раз меньше) от объема материалов, ис-пользуемых при литье в песчано-глинистые формы. Газопроница-емость оболочковых форм в 5 —6 раз выше, чем сырых песчано-глинистых. Формы транспортабельны, прочны, легки, не гигрос-копичны и могут храниться длительное время. Благодаря хорошейповерхности отливки объем работ по обрубке и очистке сокраща-ется на 50%, на 40...50% снижается объем механической обра-ботки (припуски на механическую обработку невелики и составляют 0,5... 1,5 мм).

К недостаткам способа относятся большое выделение токсич-ных газов, содержащих фенол, что требует мощной вентиляциизатрудненная регенерация формовочной смеси; коробление круп-ных форм и в связи с этим нерентабельность получения крупно-

198

габаритных отливок; высокая стоимость модельной оснастки из-за ее большой точности и высокой чистоты поверхности.

4.4.2. Литье по выплавляемым моделям

Сущность способа литья по выплавляемым моделям состоит втом, что модель отливки изготовляют из такого материала, кото-рый можно выплавить без разрушения формы и таким образомполучить неразъемную форму, которая обеспечивает высокую гео-метрическую точность получаемых отливок. Чаще всего для моде-ли используют легко выплавляемую композицию, состоящую изпарафина, стеарина и воска, температура размягчения которойоколо 30°С, а плавления — 5О...6О°С.

Последовательность изготовления формы при литье по вы-плавляемым моделям показана на рис. 4.21. Модель или звено мо-делей 2 отливки (рис. 4.21, а) изготовляют в разборной металли-ческой пресс-форме / путем заливки или запрессовки в ее по-лость модельной массы. Затем модели собирают в блоки 3 (рис.4.21, б), изготовленные из того же самого материала и состоящиеиз звеньев моделей, центральная часть которых образует моделипитателей и стояка. На поверхность модельного блока окунаниемнаносят слой жидкой смеси — суспензии 4 (рис. 4.21, в), состоя-щей из пылевидного огнеупорного материала, например кварцаили корунда, и связующего — коллоидного раствора SiO2. Полу-ченный слой смеси (менее 1 мм) обсыпают (рис. 4.21, г) зернис-тым огнеупорным материалом 5 (песком, шамотом), а образовав-шуюся оболочку сушат в парах аммиака б (рис. 4.21, д). При сушкеоболочка становится прочной. Затем наносят новый слой сус-пензии и снова обсыпают огнеупорным материалом. В результатена поверхности блока моделей получают многослойную оболоч-ку (4 — 6 слоев). После окунания оболочки в емкость с горячейводой 7(рис. 4.21, <?) из нее удаляют (выплавляют) модель. Полу-ченную многослойную оболочковую форму устанавливают (зафор-мовывают) в контейнере из жаростойкой стали, заполненномогнеупорным материалом 8 (рис. 4.21, ж) из сухого кварцевогопеска, мелкого боя использованных оболочковых форм и другихогнеупорных материалов.

Для удаления из оболочковой формы влаги и остатков мо-дельной массы ее прокаливают при 900... 1 000 °С в печах 9(рис.4.21, з) и далее прокаленную форму 11 заливают расплавом 10(рис. 4.21, и).

После извлечения блока отливок из охлажденной формы егоповерхность очищают от оболочки, которая легко отделяется отнаружной поверхности отливок, но остается в их полостях. Изэтих мест оболочка удаляется в процессе выщелачивания, прикотором щелочь, взаимодействуя с оболочкой, образует раствор

199

силиката натрия. После выщелачивания отливки промывают вподогретой воде и сушат. Далее блоки с отливками осматривают ипри необходимости подвергают термической обработке. Отливкиотделяют от литниковой системы, отрезая различными механи-ческими способами.

Литье по выплавляемым моделям является видом литья, по-зволяющим получать точные и сложные фасонные отливки с тол-щиной стенки от 0,5 мм из любых сплавов, в том числе из стали ижаропрочных сплавов. Преимущества способа: возможность изго-товления деталей из сплавов, не поддающихся механической об-работке; получение отливок с точностью размеров до 13 — 11-гоквалитетов и шероховатостью поверхности Ra 2,5... 1,25 мкм, чтов ряде случаев исключает дополнительную обработку резанием;возможность изготовления сложных деталей, которые при литьеобычными способами пришлось бы собирать из отдельных частей(отливок).

Литье по выплавляемым моделям применяют как в единич-ном, так и в серийном и массовом производстве. Наиболее целе-сообразно таким способом изготовлять отливки из труднообраба-тываемых сплавов, мелкие и сложные по конфигурации отливки,а также крупные отливки, к которым предъявляются высокие тре-бования по точности размеров и чистоте литой поверхности. К недо-статкам способа можно отнести его многооперационность.

4.4.3. Литье в кокиль

Сущность литья в кокиль состоит в том, что расплав заливаютне в песчаные, а в металлические формы (кокили), внутренниеполости которых соответствуют внешним очертаниям отливок. Принеобходимости получения в отливках отверстий или внутреннихполостей применяют стержни: песчаные (для отливок из стали ичугуна) и металлические (для отливок из сплавов цветных метал-лов).

201

рис. 4.21. Последовательность изготовления многослойной оболочковойформы при литье по выплавляемым моделям:

а — изготовление модели; б — сборка моделей в блоки; в — нанесение на блоксуспензии; г — обсыпка блока моделей огнеупорным материалом; д — сушкаоболочки; е — выплавление модели; ж — установка формы в контейнере сопорным материалом; з — прокаливание формы в печи; и — заливка формырасплавом; 1 — пресс-форма; 2 — звено моделей; 3 — блок моделей отливок слитниковой системой; 4 — слой суспензии; 5 — огнеупорный материал; 6 —пары аммиака; 7— емкость с горячей водой; 8— опорный материал; 9— печь;

10 — расплав; 11 — прокаленная форма; Q — подвод теплоты

Отливки, изготовляемые литьем в металлические формы, имеютвысокие механические свойства и равномерное мелкозернистоестроение.

По конструкции кокили могут быть неразъемными (или вы-тряхными) и разъемными: с горизонтальной, вертикальной икомбинированной плоскостями разъема.

Кокили изготовляют из чугуна или стали, они обычно состоятиз нескольких частей. Перед заливкой расплава кокиль всегда по-крывают теплоизоляционной краской или обмазкой. Перед рабо-

той (заливкой расплава) кокили подогревают пробными заливка-ми или газовыми горелками (иногда электрическими нагревате-лями) до температуры 250...350°С. Для регулирования охлажде-ния кокилей в процессе работы в наружных стенках форм уста-навливают металлические штыри или предусматривают водяноеохлаждение. Срок службы кокилей определяется их стойкостью,т.е. количеством заливок, после которых на их рабочей поверхно-сти появляются дефекты (трещины, сетка разгара и др.). Для уве-личения стойкости кокилей их рабочую поверхность иногда ано-дируют, борируют или хромируют.

Основные операции литья в кокиль представлены на рис. 4.22.Перед заливкой расплава кокиль очищают от загрязнений, прове-ряют надежность крепления и точность центрирования подвиж-ных частей и нагревают. Затем на поверхность рабочей полости иметаллических стержней наносят слой огнеупорного покрытия (рис.4.22, а) и, если необходимо, устанавливают песчаные или кера-мические стержни (рис. 4.22, б). После этого половины кокилясоединяют (собирают) и заливают расплав (рис. 4.22, в). При уста-новке кокиля в кокильной машине его половины соединяют иотводят друг от друга с помощью специального механизма. Частов процессе затвердевания отливки металлические стержни кокиля«подрывают», т. е. частично извлекают из отливки (рис. 4.22, г),что необходимо для уменьшения обжатия отливкой металличес-кого стержня и обеспечения его свободного извлечения из отлив-ки. После охлаждения отливки до заданной температуры кокильраскрывают (рис. 4.22, д), окончательно извлекают металличес-кий стержень и удаляют отливку из кокиля. Далее из отливки вы-бивают песчаный стержень, обрезают литники, прибыли, выпо-ры и контролируют ее качество.

В кокилях изготовляют более половины производимых отливокиз алюминиевых и магниевых сплавов, а также часть простых тол-стостенных чугунных и стальных отливок массой от несколькихкилограммов до нескольких тонн.

Стойкость кокилей позволяет получать в каждом из них по не-сколько сот тысяч отливок из легкоплавких сплавов, 1,5 — 5 тыс.чугунных и 40 — 700 мелких стальных отливок.

Стоимость металлических форм относительно велика, а изго-товление сложно, поэтому их применение экономически выгод-но лишь при серийном и массовом производстве.

4.4.4. Литье под давлением

Литье под давлением — один из высокопроизводительных спо-собов изготовления отливок из сплавов цветных металлов, харак-теризуемый высокой точностью размеров и качеством поверхно-сти, позволяющий уменьшить толщину стенок отливок и соот-

203

ветственно их массу, значительно сократить расходы на обработ-ку резанием. Отливки получают в стальных пресс-формах, быстрозаполняемых расплавом под поршневым давлением. После запол-нения пресс-формы расплав затвердевает, образуя отливку. Затемпресс-форма открывается и из нее с помощью толкателей извле-кается отливка.

Наибольшее распространение получили поршневые машины схолодной и горячей камерами прессования. Машины с холоднойкамерой прессования, в свою очередь, подразделяют на машиныс горизонтальной и вертикальной камерами прессования.

Схема работы машины с горизонтальной камерой прессованияпредставлена на рис. 4.23. Дозу расплава заливают в камеру прес-сования 3 (рис. 4.23, а) и далее поршнем 2 его запрессовывают впресс-форму 1 (рис. 4.23, б), состоящую из подвижной и непод-вижной полуформ. Для образования в отливке полости применя-ют металлические стержни 4. После затвердевания отливки пресс-

форма раскрывается (рис. 4.23, в) и отливка удаляется из неетолкателями 5 (рис. 4.23, г). На применяемых машинах давлениепоршня на расплав составляет 40...200 МПа; масса отливок дос-тигает 45 кг.

Машина с вертикальной камерой прессования (рис. 4.24) разви-вает давление на жидкий металл до 300 МПа. Во время заливки вкамеру прессования 3 (рис. 4.24, а) дозы расплава 2 пята (ниж-ний поршень) 8 перекрывает литниковый канал 7. При рабочемходе прессующего поршня 1 пята опускается вниз, открывая лит-никовый канал 7, и расплав запрессовывается в пресс-форму,состоящую из неподвижной 4 и подвижной 5 полуформ и стерж-ня 6 (рис. 4.24, б). Далее плунжер и пята совершают движениевверх, при этом пята отрезает от литника пресс-остаток 9 и уда-ляет его из камеры прессования. Одновременно с этим пресс-форма раскрывается, отливка 10 (рис. 4.24, в) удаляется из нее спомощью толкателей, а плунжер и пята возвращаются в исход-ное положение.

Машины с горячей камерой прессования применяют для литьясвинцово-сурьмянистых, цинковых и других сплавов, имеющихневысокую температуру плавления и неагрессивных к материаламтигля и камеры прессования. Благодаря небольшому охлаждениюсплава при заполнении пресс-формы на таких машинах можнопроизводить очень мелкие детали — массой до нескольких грам-мов.

Машины с горячей камерой прессования развивают давлениена металл 10...30 МПа. Предельная масса получаемых отливоксоставляет 25...30 кг. Машины имеют очень высокую производи-

205

тельность — до нескольких тысяч отливок в течение 1 ч при рабо-те в автоматическом режиме.

Схема работы машины с горячей камерой прессования пока-зана на рис. 4.25. Особенностью ее устройства является то, чтокамеру прессования 1 (рис. 4.25, а) располагают в обогреваемомтигле 3 с расплавом. При верхнем расположении плунжера (порш-ня) 6 через заливочное отверстие 2 расплав заполняет камерупрессования. При движении плунжера вниз он перекрывает от-верстие 2 и сплав под давлением начинает течь через обогревае-мый канал 4, заполняя полость пресс-формы 5 (рис. 4.25, б). Послезатвердевания отливки плунжер возвращается в исходное поло-жение, остатки металла из канала сливаются в камеру прессова-ния, пресс-форма раскрывается и отливка 7удаляется из нее тол-кателями 8 (рис. 4.25, в).

При литье под давлением расплав заполняет пресс-форму сочень большой скоростью (доли секунды). При этом происходитбыстрое закупоривание вентиляционных каналов пресс-формы,что ведет к задержке в ее полости воздуха и газов, образующихсяот сгорания смазки. В затвердевшей отливке появляется газоваяпористость, при этом тонкие по сечению литники затвердеваютраньше самой отливки и ее питание расплавом прекращается дозавершения усадки. Поэтому отливки имеют специфический де-фект — газоусадочную пористость. Это приводит к снижению плот-ности отливок и их пластичности. Отливки нельзя подвергать тер-мической обработке, так как при нагреве из-за расширения внут-ренних газоусадочных пор поверхность отливки может значитель-но видоизмениться (вспучиться).

206

Для устранения газоусадочной пористости разработаны специ-альные технологии. К ним относится, например, применение ва-куумирования полости формы.

4.4.5. Центробежное литье

Центробежное литье — способ изготовления отливок, при ко-тором заполнение формы расплавом и его затвердевание проис-ходят в поле действия центробежных сил. Схемы получения отли-вок центробежным литьем при вращении формы показаны на рис.4.26. Наиболее часто используют два варианта, при которых рас-плав заливается в форму: с горизонтальной и вертикальной осямивращения. В первом случае получают отливки в виде тел вращенияразличной длины, во втором — отливки в виде тел вращения ма-лой длины и фасонные. Формы приводятся во вращение машина-ми, называемыми центробежными.

Наиболее распространен способ литья во вращающиеся метал-лические формы с горизонтальной осью вращения (рис. 4.26, а).При этом способе отливка формируется в поле центробежных сили имеет свободную поверхность, не соприкасающуюся с поверх-ностью формы. Формообразующей для отливки служит внутрен-няя поверхность формы (изложница). Расплав из ковша 3 залива-ют во вращающуюся форму 5 через заливочный желоб 2. Расплав 1растекается по внутренней поверхности формы и под действиемцентробежных сил образует пустотелый цилиндр. После затверде-

вания металла и прекращения вращения отливка 4 извлекается изформы.

При получении отливок в форме с вертикальной осью враще-ния (рис. 4.26, б) расплав из ковша 3 заливают в форму 5, укреп-ленную на шпинделе 6, приводимом во вращение от электродви-гателя 7. В процессе вращения формы 5 расплав 1 под действиемцентробежных сил отбрасывается к ее стенкам и затвердевает. Послезатвердевания расплава машину останавливают и извлекают от-ливку 4.

Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурацииизготовляют с использованием стержней в песчаных формах свертикальной осью вращения (рис. 4.27). Таким способом отлива-ют, например, венцы зубчатых колес. Расплав из ковша через за-ливочное отверстие и стояк 1 (рис. 4.27, а) поступает в централь-ную полость 2 формы, образованную стержнями 3 и 4, а затемчерез щелевые питатели (под действием центробежных сил) — врабочую полость формы. Избыток металла 5, выполняющий функ-цию прибыли, питает отливку при затвердевании.

Мелкие фасонные отливки изготовляют по варианту, показан-ному на рис. 4.27, б. При этом используют, например, песчануюформу, состоящую из верхней 2 и нижней / полуформ. Части формустанавливают на вращающийся стол 6 и крепят на нем. При не-обходимости применяют стержни 5. Рабочие полости формы 3должны располагаться симметрично относительно оси вращениядля обеспечения балансировки формы. Расплав заливают черезцентральный стояк 4, из которого по радиальным каналам онпопадает в полость формы.

При центробежном литье обычно используют металлическиеформы, которые предварительно подогревают, после чего на ра-бочую поверхность формы наносят покрытие. Применение покры-тий повышает стойкость форм, снижает скорость охлаждения от-ливок, что весьма важно для борьбы с отбелом в чугунных отлив-ках, уменьшает вероятность образования в отливках спаев и тре-шин. В качестве покрытий используют краски или облицовки изсыпучих материалов. Кроме металлических используют формыпесчаные, оболочковые, формы по выплавляемым моделям икомбинированные.

Скорость вращения формы оказывает большое влияние на за-твердевание и охлаждение отливки. При неправильном выборе ско-рости в формируемой отливке могут появиться специфическиедефекты — спаи, трещины и ликвация (химическая неоднород-ность).

Существуют различные формулы для расчета частоты враще-ния изложницы п (мин"1). Например, для литья на машинах сгоризонтальной осью вращения частоту определяют по формуле

где — плотность сплава отливки, кг/м3; г — внутренний радиусотливки, м.

Центробежное литье обеспечивает получение плотных отливоки облегчает выход на свободную поверхность шлаковых и газовыхвключений. Перемешивание металла в процессе литья препятствуетнаправленному росту кристаллов, что способствует образованиюв отливке мелкой и плотной структуры.

Вместе с тем центробежные силы оказывают и отрицательноевлияние, приводящее к химической неоднородности (ликвации)в различных зонах формирующихся отливок, особенно при про-изводстве их из высоколегированных сплавов. В чугунных отливкахвелика вероятность появления отбела из-за того, что центробеж-ные силы препятствуют усадке отливки и образованию зазорамежду ней и формой, что приводит к ускорению теплоотвода ототливки к форме.

ГЛАВА 5

СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

5 . 1 . О б щ и е с в е д е н и я

5 . 1 . 1 . Классификация способов сварки

Сварка представляет собой процесс получения неразъемныхсоединений металлических деталей в узлы и конструкции. По своейприроде сварка является сложным и разнообразным металлурги-ческим процессом. Образование сварных соединений происходитв большинстве случаев в узкой зоне плавления соединяемых дета-лей с последующей кристаллизацией этих зон и образованием свар-ного шва.

Широкое применение сварки объясняется ее технико-эконо-мическими преимуществами (снижение стоимости продукции,экономия металла и сокращение производственного цикла) посравнению с другими способами соединения металлических де-талей. Например, при переходе от клепаных конструкций к свар-ным, замене тяжелых литых деталей более легкими — сварны-ми. Сварка позволяет получать рациональные конструкции, ис-пользуя различные профили сортового проката. Большую эко-номию дает также использование сварки при ремонтных рабо-тах, восстановлении изношенных деталей и исправлении бракаотливок.

Принято все существующие способы сварки делить на две боль-шие группы: сварка плавлением и сварка давлением.

Сварка плавлением характеризуется соединением частей ме-талла в жидком состоянии без приложения давления. При сваркедавлением соединение частей металла в единое целое происходитпод действием давления для осадки металла, остальные призна-ки, в том числе состояние металла, не принимаются во внимание.Приложение давления даже при наличии расплавления в зонесварки позволяет отнести способ к группе сварки давлением, на-пример, при электрической контактной сварке (точечной и роли-ковой шовной).

Сварка, кроме того, подразделяется по виду энергии, исполь-зуемой для нагрева металла при сварке. По этому признаку всеспособы сварки можно объединить в четыре основные группы:электрические, механические, химические и лучевые.

210

В зависимости от способа подачи присадочного металла и флю-сов к месту сварки, осадки деталей и управления источником теп-лоты различают ручной, полуавтоматический и автоматическийспособы сварки.

В промышленности, в частности при производстве сварныхтруб, а также в строительстве — при прокладке трубопроводныхмагистралей, наибольшее применение нашла электросварка, ис-пользующая электрическую энергию для нагрева и плавленияметалла.

В механических способах сварки преобладающее значение име-ет механическая энергия, которую используют при холодной, прес-совой, кузнечной сварке, а также сварке трением.

При химических способах сварки для нагрева металла использу-ется энергия экзотермических химических реакций, из которыхнаибольшее значение имеют газовая и термитная.

Сварка лучевая, или диффузионная, обеспечивает высокуючистоту процесса, в которой источник энергии расположен назначительном расстоянии от объекта сварки. К лучевым относятсятакие способы сварки, как электронно-лучевая, лазерная и др.

5.1.2. Сущность процесса сварки

Соединение, полученное при сварке, характеризуется непре-рывной структурной связью и монолитностью строения, достига-емыми за счет образования атомно-молекулярных связей междуэлементарными частицами соединяемых тел. Неразъемное моно-литное соединение, образуемое при сварке, называется сварнымсоединением.

Процесс образования соединения при сварке происходит в тристадии. На п е р в о й с т а д и и достигается физический контакт,т.е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстоя-ние, необходимое для межатомного взаимодействия. На в т о р о йс т а д и и происходит химическое взаимодействие, которое закан-чивается процессом образования прочного соединения. Эти двестадии характерны для микроучастков соединяемых веществ. Про-цесс сварки завершается т р е т ь е й с т а д и е й —диффузией.

Для качественного соединения материалов необходимо обес-печить контакт значительной части стыкуемых поверхностей и ихактивацию. Активация состоит в том, что поверхностным атомамтвердого тела сообщается некоторая энергия, необходимая дляпреодоления связей между ними и повышения энергии поверх-ностных атомов до уровня энергетического барьера схватывания,т.е. для перевода их в активное состояние. Такая энергия можетбыть сообщена в виде теплоты (термическая активация), упру-гопластической деформации (механическая активация) и другихвидов воздействия на соединяемые материалы.

211

При сварке плавлением образование сварного соединения(рис. 5.1) происходит в результате сближения атомов твердых телвследствие смачивания их поверхностей жидким металлом (рас-плавом), а активация поверхности твердого металла — путем со-общения ее частицам тепловой энергии. Металл элементов соеди-няемых деталей (рис. 5.1, а) в месте сварки доводится подводи-мой тепловой энергией Quo жидкого состояния. При этом проис-ходит локальное расплавление и основного (свариваемого) ме-талла деталей по кромкам соединяемых элементов. Сварка можетосуществляться за счет расплавления основного металла или ос-новного и дополнительного {присадочного) металлов. В практикепреимущественное применение находит второй вариант. В про-цессе сварки основной и дополнительный металлы самопроиз-вольно и без приложения внешних сил сливаются в общую сва-рочную ванну (рис. 5.1, б), которая смачивает оставшуюся твердуюповерхность соединяемых элементов. При этом происходит сбли-жение атомов металла сварочной ванны и основного металла дорасстояний, при которых возникают атомно-молекулярные связи.В процессе расплавления металла устраняются неровности соеди-няемой поверхности, частично удаляются органические вещества,адсорбированные газы, оксиды и другие загрязнения, мешающиесближению атомов. Межатомному сцеплению способствует повы-шенная подвижность атомов, обусловленная высокой температу-рой расплавленного металла.

По мере удаления источника нагрева расплав остывает и про-исходит его кристаллизация (рис. 5.1, в), которая начинается награнице раздела между твердым (основным) металлом и распла-вом сварочной ванны. Зародышевыми центрами кристаллизацииявляются оплавленные зерна основного металла, на которых, как

212

на своеобразной подложке, начинают расти первичные столбча-тые кристаллы сварного шва. Кристаллы растут по нормали к по-верхности охлаждения в глубь жидкой ванны и имеют вид денд-

ритов разной величины.При сравнительно малой величине сварочной ванны (большая

скорость сварки) образующиеся столбчатые кристаллы успеваютпрорасти до встречи друг с другом в области центральной линиисварного шва (рис. 5.1, г). Когда сварочная ванна большая и еекристаллизация медленная, в центральной части сварного швапоявляется небольшая зона равноосных кристаллов (рис. 5.1, д).После завершения кристаллизации сварочной ванны образуетсямонолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий вединое целое ранее раздельные детали.

5.2. Электрическая дуговая сварка

5.2.1. Сварочная электрическая дуга и ее свойства

Электрическая дуговая сварка в настоящее время является важ-нейшим промышленным видом сварки металлов и занимает почислу действующих установок, занятого персонала предприятийи стоимости выпускаемой продукции первое место среди другихспособов сварки.

Одним из источников теплоты при сварке плавлением явля-ется сварочная электрическая дуга (или просто сварочная дуга),которая представляет собой мощный временной электрическийразряд между проводниками в ионизированной атмосфере га-зов и паров металла, сопровождаю-щийся большим выделением теплотыи света. Сварочная дуга образуется меж-ду электродом и основным металлом(изделием) или между двумя элект-родами, имеющими разность потенци-алов.

Сварочная дуга постоянного тока(рис. 5.2) состоит из катодного пятна2, которое образуется на электроде 1,столба дуги 3 и анодного пятна 4 нааноде (изделии) 5. При изменении по-лярности катодом является изделие, аанодом — электрод. Дуга переменноготока характеризуется тем, что проис-ходит постоянное многократное изме-нение направления тока со сменой ка-тода на анод и обратно.

213

Рис. 5.3. Статическая характеристи-ка сварочной дуги

лись в определенной зависимости друг от друга. Графическое изоб-ражение этой зависимости при работе в статическом режиме (со-стояние установившегося равновесия) называется статической иливольт-амперной характеристикой сварочной дуги (рис. 5.3).

Кривую статической характеристики можно условно разделитьна три области. В области I увеличение тока до 80 А вызываетрезкое падение напряжения дуги. Дугу с падающей характеристи-кой в сварочной технике практически не используют вследствиеее неустойчивости.

В области II статическая характеристика носит жесткий харак-тер. Увеличение тока от 80 до 800 А не изменяет напряжения дуги,и оно остается практически постоянным. Дугу с такой характери-стикой применяют в сварочной технике для ручной и автомати-ческой сварки.

Дугу с возрастающей статической характеристикой (область III)применяют в автоматических и полуавтоматических сварочныхмашинах при сварке под флюсом и в защитных газах.

5.2.2. Строение сварного шва

Строение сварного шва после затвердевания и структурные пре-вращения в зонах его термического влияния показаны на примереэлектродуговой сварки трубы из малоуглеродистой стали (рис. 5.4).

Сварной шов / образуется в результате перехода в жидкое со-стояние присадочного и частично основного металла с образова-нием жидкой ванны, которая затем затвердевает, соединяясь сосновным металлом. Металл шва имеет крупнозернистое строе-ние. По химическому составу он отличается от основного и приса-дочного металлов из-за их частичного выгорания в процессе свар-ки и легирования некоторыми элементами из флюса или электрод-ного покрытия. В отличие от основного металла сварной шов име-ет типичную структуру литой стали, быстро затвердевшей в усло-виях интенсивного теплоотвода в прилегающий твердый металл.

На узком участке оплавления 2, представляющего собой гра-ницу сварного шва с основным металлом, кристаллизуются зер-на, принадлежащие основному и наплавленному металлу. ЭтотУчасток очень мал, и его можно различить только на микрошлифе.Одновременно рядом со сварным швом образуется область еготермического влияния 3, в которой в результате быстрого нагрева

215

Для возникновения и горения дуги необходима ионизация д-гового пространства между электродом и изделием. Воздух в обыч-ном состоянии не является проводником. Проводимость воздухапоявляется в результате его ионизации в дуговом пространстве вовремя зажигания дуги, происходящего в момент касания элект-рода с изделием. При этом электрическая цепь замыкается и из-запоявившегося короткого замыкания происходит быстрый разог-рев электрода. После отвода электрода на некоторое расстояниеот изделия с его разогретого торца под действием электрическогополя начинается термоэлектрическая эмиссия электронов. Столк-новение быстро движущихся по направлению к аноду электроновс молекулами газов и паров металла приводит к ионизации меж-электродного пространства. По мере разогрева ионизированногостолба и повышения кинетической энергии атомов и молекул про-исходит дополнительная ионизация за счет их соударения. В резуль-тате ионизации дуговое пространство становится электропровод-ным и возникает устойчивый дуговой электрический разряд.

Высокая температура и большая концентрация теплоты сва-рочной дуги позволяют почти мгновенно расплавлять небольшиеобъемы металла электрода и изделия.

Тепловая и световая энергия из сварочной дуги выделяетсянеравномерно. На аноде выделяется примерно 43 % теплоты засчет бомбардировки его электронами, имеющими более высокуюкинетическую энергию по сравнению с бомбардирующими катодионами. На катоде выделяется около 36 % общего количества теп-лоты сварочной дуги. Остальная теплота (=21 %) выделяется стол-бом дуги.

Температура электрической дуги зависит от материала элект-родов. При использовании угольных электродов температура накатоде составляет 3 200 °С, на аноде — около 3 900 °С; при приме-нении металлических электродов она ниже и равна соответствен-но 2 400 и 2 600 °С. В центре дуги, по ее оси, температура достигает6 000... 7 000 °С.

При электродуговой сварке на нагревание и расплавление ме-талла расходуется 60...70 % теплоты электрической дуги. Осталь-ное ее количество (30...40%) рассеивается в окружающем про-странстве.

Обычно с электрода в сварочную ванну в виде капель стекаетдо 90 % расплавленного металла электрода, а остальной металлне достигает сварочной ванны из-за частичного окисления, раз-брызгивания и испарения в окружающую среду.

Устойчивое горение дуги, необходимое для высокого качествасварки, достигается при ее длине 3...5 мм. Величину проплавле-ния свариваемого металла называют глубиной сварки.

Для обеспечения устойчивого горения сварочной дуги необхо-димо, чтобы ее основные параметры (ток и напряжение) находи-

214

и охлаждения происходит лишь изменение структуры металла присохранении его химического состава. Область термического влия-ния подразделяется на зоны I —V, характеризующие структурныеизменения в основном металле на различном расстоянии от свар-ного шва, а также распределение в нем температуры в процессесварки.

При сварке соседний со сварным швом участок сильно перегре-вается, образуется зона перегрева I, в которой при охлажденииформируется крупнозернистая структура. Металл этой зоны обла-дает пониженными механическими свойствами (наибольшей хруп-костью) и является самым слабым местом сварного соединения.

В зоне II температура металла не превышает 1 100 °С. Здесь на-блюдается структура нормализованной стали с характерным мел-козернистым строением. Металл в этой зоне имеет более высокиемеханические свойства.

В зоне III происходит неполная перекристаллизация стали.В этой зоне наряду с крупными зернами феррита, образуются мел-кие зерна феррита и перлита. Металл этой зоны также обладаетболее высокими механическими свойствами.

216

В зоне IV структурные изменения в стали не происходят, еслиона перед сваркой не подвергалась пластической деформации; еслиподвергалась — на этом участке наблюдается рекристаллизация.

В зоне синеломкости V сталь не претерпевает видимых струк-турных изменений. Структура металла не отличается от структурыосновного металла, однако в связи с низкой пластичностью этогоучастка в момент сварки на нем могут образоваться трещины.

Основной металл, не попавший в зону высоких температур, непретерпевает структурных изменений.

Структурные изменения основного металла в зоне термичес-кого влияния незначительно отражаются на механических свой-ствах малоуглеродистой стали. Однако при сварке некоторых кон-струкционных сталей в этой зоне возможно образование закалоч-ных структур, которые резко снижают пластические свойства свар-ных соединений и часто являются причиной образования трещин.Размеры зоны термического влияния зависят от способа сварки,ее технологии и рода свариваемого металла.

Во время плавления основной и присадочный металлы сильноперегреваются, достигая температур, близких к температуре ки-пения, в ряде случаев наличие газовой среды вокруг плавящегосяметалла ведет к его окислению, взаимодействию с другими газа-ми путем их растворения. Все это изменяет химический составнаплавленного металла, приводит к появлению в нем оксидов идругих неметаллических включений, а также образованию пор итрещин. Чем чище от примесей наплавленный металл, тем вышемеханические свойства сварного шва.

Для повышения качества сварного шва создают специальнуюгазовую среду, защищающую жидкий металл от воздействия воз-духа, жидкую ванну раскисляют и прикрывают специальнымишлаками.

5.2.3. Виды сварных соединений и швов

При изготовлении различных металлических конструкций при-меняют сварные соединения, которые подразделяются на несколь-ко типов, определяемых взаимным расположением свариваемыхДеталей: стыковые, нахлесточные, тавровые и угловые.

Стыковыми называют соединение двух элементов, примыкаю-щих друг к другу торцевыми поверхностями. Виды стыковых свар-ных соединений показаны на рис. 5.5. Соединения различаются повиду предварительной подготовки кромок, зависящей от толщи-ны свариваемых листов. При толщине до 3 мм применяют сваркус отбортовкой кромок (рис. 5.5, а). Листы толщиной 3...8 мм сва-Ривают без подготовки (разделки) кромок с одной или с двухсторон листа (рис. 5.5, б). Для листов толщиной 14... 16 мм приме-нима односторонняя разделка кромок (рис. 5.5, в). При большой

217

толщине листа рекомендуется двухсторонняя (V- или Х-образная)разделка кромок (рис. 5.5, г). Листы толщиной больше 20 мм сва-ривают, применяя одно- или двухстороннюю чашеобразную раз-делку кромок (рис. 5.5, д, е).

Нахлестанные соединения (рис. 5.6, а) характеризуются нали-чием перекрытия кромок свариваемых листов. Разновидностямитаких соединений являются прорезные (рис. 5.6, б) и электроза-клепочные соединения (рис. 5.6, в).

Тавровым (рис. 5.6, г) называют соединение, в котором торецодного элемента примыкает к боковой поверхности другого эле-мента и приварен к ней угловыми швами.

Угловым называют соединение двух элементов, расположенныхпод углом и сваренных в месте примыкания их краев (рис. 5.6, д).

Из перечисленных сварных соединений наиболее надежнымии экономичными являются стыковые.

Сварные швы металлических конструкций различаются по рядупризнаков.

По протяженности сварные швы бывают непрерывными и пре-рывистыми. В основном все швы непрерывные, но в зависимостиот требований к сварным конструкциям иногда применяют и пре-рывистые швы. Такие швы, называемые прихватками, выполняютдля предварительного закрепления свариваемых элементов кон-струкций при их сборке.

По внешней форме различают сварные швы выпуклые и вогну-тые. Как правило, все швы выполняют выпуклыми.

В зависимости от объема наплавленного металла стыковые и уг-ловые сварные швы могут быть однослойными и многослойны-ми, по характеру требований, предъявляемых к сварным швам, —прочными, плотными и прочноплотными.

5.2.4. Виды электродуговой сварки

В зависимости от материала и количества электродов, а такжесхемы подключения электродов и заготовки в цепь электрическоготока различают несколько способов электродуговой сварки (рис. 5.7).

Наиболее широкое применение нашел способ сварки дугой пря-мого действия — между электродом и изделием (рис. 5.7, а). В элек-трическую цепь подключены электрод и свариваемые заготовки.Электрическая дуга 3 горит между электродом 2 и свариваемыми

заготовками 4. Сварной шов получается за счет плавления элект-рода или присадочного прутка /. Возможны три варианта сваркипеременным током, постоянным током при прямом включении(заготовка является катодом), постоянным током при обратнойвключении (заготовка является анодом). При этом способе сваркуудельная мощность нагрева поверхности изделия намного вышеа зона разогрева вокруг места сварки — меньше.

При сварке дугой косвенного действия изделие нагревается иплавится главным образом от излучения столба дуги, электричес-ки не связанного со свариваемым металлом (рис. 5.7, б). Электро-ды 2 включены в цепь переменного тока. Дуга 3 горит между элек-тродами. Процесс нагрева легко регулировать, приближая илиотводя дугу от изделия, при этом удельная мощность нагрева по-верхности изделия невелика. Поэтому нагрев изделия такой дугойотносительно медленный и мягкий. Сварку дугой косвенного дей-ствия в настоящее время практически не применяют.

При сварке трехфазной дугой (рис. 5.7, в) дуга 3 горит междуэлектродами 2 и заготовками 4.

На практике применяют способы дуговой электросварки пря-мого действия с неплавящимся и плавящимся электродами. Припервом способе, разработанном русским инженером Н.Н.Бенар-досом, сварку обычно производят угольным или вольфрамовымэлектродом по схеме, приведенной на рис. 5.7, а. Неплавящийсяэлектрод 2, закрепленный в держателе, обычно присоединяют котрицательному полюсу генератора, свариваемое изделие 4 — кположительному полюсу. Сварку производят либо путем расплав-ления только основного металла свариваемого изделия, либо сприменением присадочного металла / обычно в виде проволоки.

Второй способ сварки (плавящимся электродом) был разрабо-тан Н. Г. Славяновым, при этом электрод плавится и расходуется впроцессе сварки (см. рис. 5.10).

Различают сварку по виду сварочной дуги — закрытая, защи-щенная и открытая.

Наиболее эффективна сварка при использовании закрытой дугис погружением ее в жидкость или в гранулированные стекловидныефлюсы для защиты металла от воздействия окружающей среды.

Широкое применение получила сварка защищенной электричес-кой дугой, при этом металл изолируется от воздействия окружаю-щей среды слоем шлака или оболочкой газа. Шлак образуется вокругдуги за счет применения электродов с наружным слоем покрытия(обмазки), которое плавится при нагревании. Иногда в зону сваркиподают инертные газы, изолирующие дугу от внешней среды.

Неответственные изделия обычно сваривают открытой дугойбез защиты от воздействия воздуха.

Дуговую электрическую сварку можно осуществлять как напостоянном, так и на переменном токе. Достоинство сварки на

220

постоянном токе — повышенная устойчивость дуги и возможностьиспользования прямой и обратной полярности для регулирова-ния степени нагрева свариваемого изделия. При работе на посто-янном токе свариваемое изделие обычно присоединяют к поло-жительному полюсу (аноду), а электрод — к отрицательному по-люсу (катоду).

Горение дуги при сварке на переменном токе менее устойчиво,чемм при постоянном, так как стабильность ее горения периоди-чески нарушается. Это происходит из-за того, что ток промыш-ленной частоты 100 Гц изменяет свое направление, в результатечего происходит деионизация газов столба дуги. С увеличениемсилы тока и введением в дуговой промежуток легкоионизируемыхвеществ или наложением токов высокой частоты устойчивостьгорения дуги резко возрастает. Недостатками сварки на перемен-ном токе является также сравнительно низкий коэффициент мощ-ности cos сварочного поста при сварке электродом с тонкойобмазкой.

Однако сварка на переменном токе нашла более широкое при-менение в связи с тем, что используемое для нее оборудованиезначительно дешевле, имеет меньшую массу и небольшие габари-ты, т.е. более мобильно и проще в эксплуатации. Кроме того, ко-эффициент полезного действия сварочных трансформаторов пе-ременного тока составляет 0,8...0,85, а агрегатов постоянноготока — 0,3...0,6. При сварке на переменном токе расход электро-энергии на 1 кг наплавленного металла также ниже (3...4 кВт- ч)по сравнению со сваркой постоянным током (6... 10 кВт- ч).

5.2.5. Источники питания электрической дуги

Параметры источников питания. Источники питания электри-ческой дуги характеризуются рядом параметров при работе на ус-тановившихся режимах: холостом ходу, рабочей нагрузке и ко-ротком замыкании. Такими параметрами являются номинальныйсварочный ток, пределы регулирования сварочного тока, напря-жение холостого хода, номинальное рабочее напряжение, про-должительность работы источника, коэффициент полезного дей-ствия.

Номинальный сварочный ток Iсв определяет расчетное значениесварочного тока источника. Для большинства источников пита-ния дуги его величина находится в пределах 50... 1 000 А.

Пределы регулирования сварочного тока указывают минималь-ные и максимальные значения тока, которые могут быть исполь-зованы при сварке. В большинстве случаев за максимальный токпринимают номинальный ток. Отношение максимального тока кминимальному показывает кратность регулирования (обычно со-ставляет не менее трех).

221

Напряжение холостого хода в значительной мере определяетусловия зажигания и повторного возбуждения дуги. В зависимостиот назначения источника тока напряжение холостого хода можетменяться в пределах 30... 120 В.

Номинальное рабочее напряжение характеризует напряжениена зажимах источника под нагрузкой. Для источников питаниядуги с номинальным сварочным током А номинальноерабочее напряжение составляет

Для более мощных источников питания . Источникипитания дуги рассчитаны на определенную нагрузку, при кото-рой они работают длительное время без перегрева.

Коэффициент полезного действия характеризует потери энер-гии в самом источнике, %:

где — мощность дуги; Nc — мощность, потребляемая из сети.Для различных источников питания составляет 45...98 %.Источники питания. При сварке на постоянном токе электри-

ческая дуга питается от сварочных машин, имеющих в качествеисточника тока сварочные генераторы или выпрямители, а присварке на переменном токе — от сварочных трансформаторов.

В сварочной машине для дуговой сварки на постоянном токе вкачестве источника тока имеется сварочный генератор с электро-двигателем, приводящим генератор во вращение, регулятор токаи другие механизмы. Если используется приводной электродвига-тель, то генератор называется сварочным преобразователем.

При выполнении сварочных работ на объектах, где нет побли-зости источника электрической энергии, применяют передвиж-ные сварочные агрегаты, состоящие из сварочного генератора по-стоянного тока и двигателя внутреннего сгорания. Генератор идвигатель устанавливают на общей раме и соединяют эластичноймуфтой.

Сварочные генераторы по устройству и внешним характеристи-кам (рис. 5.8) отличаются от обычных генераторов, применяемыхдля силовых установок и освещения. Сварочный генератор дол-жен обладать хорошими динамическими свойствами, т.е. обеспе-чивать получение крутопадающей характеристики (кривая 2) вотличие от характеристики обычного генератора тока (кривая 1),Такая форма внешней характеристики генератора обеспечиваетего взаимосвязь со статической (кривая 3) и падающей (кривая4) характеристиками дуги. Кривая 2 пересекает кривую статичес-кой характеристики в двух точках — в точке А, где происходитвозбуждение дуги, и в точке Аи где обеспечивается устойчивоегорение дуги.

222

Длина дуги в процессе сварки непостоянна. При этом источни-ком с крутопадающей характеристикой обеспечивается постоян-ство силы тока.

При изменении длины электрической дуги на сила токаизменяется на величину при характеристике 2 сварочногогенератора и на при падающей характеристике дуги 4.Следовательно, устойчивость дуги в первом случае будет больше.

Сварочные генераторы применяются для ручной дуговой свар-ки покрытым электродом, сварки под флюсом и сварки в защит-ных газах.

Принципиальные электрические схемы сварочных генераторовпоказаны на рис-5.9.

Генераторы изготовляют по двум схемам: с независимым воз-буждением (НО) и последовательной размагничивающей обмот-кой (РО) (рис. 5.9, а), с параллельной намагничивающей и по-следовательной размагничивающей обмотками (рис. 5.9, б).

В первой схеме (см. рис. 5.9, а) намагничивающая обмотка не-зависимого возбуждения питается от постороннего источникапостоянного тока, во второй (см. рис. 5.9, б) — параллельная на-магничивающая обмотка, или, иначе, обмотка самовозбужденияпитается от основной и вспомогательных щеток.

При протекании тока в генераторе образуется намагничиваю-щий поток Фн. Изменяя ток намагничивания в цепи возбужденияс помощью реостата R, плавно регулируют напряжение холосто-го хода и, следовательно, режим работы генератора.

В процессе сварки, когда сварочный ток проходит через после-довательную размагничивающую обмотку, создается размагничи-вающий поток Фр, направленный навстречу потоку Фн. Результи-рующий поток уменьшается, одновременно снижается напряже-ние на клеммах генератора, т.е. обеспечивается рабочее напряже-ние дуги.

Наилучшими характеристиками обладают генераторы с само-возбуждением, имеющие параллельную намагничивающую и по-следовательную размагничивающую обмотки (рис. 5.9, б). Эти ге-нераторы можно включать при сварке на малых (120...350 А) ибольших (350...600 А) токах. Большое распространение получилиоднопостовые сварочные генераторы с внешней падающей харак-теристикой.

Сварочный преобразователь состоит из сварочного генераторапостоянного тока и трехфазного асинхронного двигателя, соеди-ненных между собой эластичной муфтой. Агрегат предназначендля питания одной электрической дуги.

Сварочные трансформаторы применяют для ручной дуговойсварки покрытыми электродами, сварки под флюсом и в некото-рых защитных газах. Эти трансформаторы являются однофазнымипонижающими, преобразующими высокое напряжение электри-ческой сети (220 и 380 В) в низкое напряжение сварочной цепи —напряжение холостого хода. Трансформаторы имеют в основномкрутопадающие и пологопадающие внешние вольт-амперные ха-рактеристики.

Для регулирования сварочного тока и улучшения устойчивостигорения дуги в цепь трансформатора последовательно включаютиндуктивное сопротивление, называемое регулятором, и реактив-ную катушку — дроссель. Главное назначение регулятора — обеспе-чение получения падающей внешней характеристики сварочногоаппарата и возможность регулирования силы сварочного тока.

224

В настоящее время выпускают сварочные аппараты переменно-го тока различных типов.Аппараты типа СТЭ состоят из понижающего трансформатора

и отдельного регулятора тока. Первичная обмотка трансформато-ра включается в сеть переменного тока (220; 380 или 500 В), а вовторичной обмотке индуктируется ток напряжением 55...60 В. Ре-гулятор тока представляет собой катушку самоиндукции (дрос-сель) с железным сердечником, состоящую из подвижной и не-подвижной частей. Обмотка катушки включена последовательно всварочную цепь.

Аппараты типа СТН со встроенными регуляторами состоят изобщего магнитопровода с тремя обмотками: первичной, вторич-ной и реактивной. Взаимодействием обмоток создается основноймагнитный поток. Магнитный поток, создаваемый реактивнойобмоткой, имеет противоположное основному потоку направле-ние, вследствие чего напряжение на электрической дуге пред-ставляет собой разность напряжений вторичной обмотки трансфор-матора и реактивной катушки. Сварочный ток регулируется пере-мещением пакета, набранного из листового железа. Аппараты типаСТН применяют для рабочего тока 500; 1 000; 2 000 А и использу-ют для питания дуги при ручной или автоматической сварке.

Трансформаторы со встроенными регуляторами применяюттолько как однопостовые электросварочные машины. В качествемногопостовых сварочных аппаратов обычно используют трехфаз-ные трансформаторы с вторичным фазовым напряжением присоединении вторичной обмотки звездой на 65...70 В. В этом случаекаждый сварочный пост снабжают отдельным регулятором тока.Мощность трансформатора должна соответствовать суммарноймощности сварочных постов с учетом коэффициента одновремен-ности их работы.

Сварочные выпрямители применяют для ручной дуговой сваркипокрытыми электродами, механизированной дуговой сварки подфлюсом и в защитных газах. Выпрямители состоят из следующихэлементов: трансформатора, выпрямительного пускорегулирую-Щего блока, измерительной и защитной аппаратуры.

В выпрямителях используются трехфазные понижающие транс-форматоры, аналогичные по принципу действия однофазным сва-рочным трансформаторам. Внешняя вольт-амперная характерис-тика выпрямителей определяется аналогичной характеристикойтрансформатора.

Выпрямительные блоки собираются по трехфазной мостовойсхеме из полупроводниковых вентилей: неуправляемых (диодов)и управляемых (тиристоров).

Выпрямители, имеющие жесткую характеристику, состоят изтрансформатора с нормальным рассеянием, нерегулируемого блокавыпрямителей и специального дросселя насыщения, который

2 2 5

включается во вторичную цепь между трансформатором и выпря-мительным блоком. Такую конструкцию имеют сварочные выпря-мители ВДГ-302. Регулирование напряжения в них плавно-ступен-чатое. Ступенчатое регулирование осуществляется за счет секцио-нирования первичной обмотки, плавное — за счет изменения токав обмотке управления дросселя. Эти выпрямители применяютсядля сварки в углекислом газе.

Универсальными являются выпрямители, которые имеют ре-гулируемый тиристорный блок, позволяющий обеспечивать жест-кую, пологопадающую и крутопадающую характеристики. Тирис-торный блок используется в качестве регулятора тока. К универ-сальным относятся сварочные выпрямители ВДУ-305 и ВДУ-506,применяемые для ручной дуговой сварки покрытыми электрода-ми, сварки в углекислом газе и под флюсом.

Несмотря на то что сварку чаще ведут с использованием пере-менного тока, источники питания дуги постоянного тока (выпря-мители и генераторы) обладают следующими преимуществамиперед источниками переменного тока: более устойчивое горениедуги из-за отсутствия затуханий, связанных с изменением поляр-ности переменного тока; высокое качество сварки благодаря вы-сокой стабильности дуги постоянного тока; возможность приме-нения всех выпускаемых промышленностью марок электродов, вто время как для сварки переменным током электроды некоторыхмарок непригодны; малая чувствительность к колебаниям напря-жения в сети.

5.2.6. Электроды, сварочные материалы и флюсы

Чтобы получить однородное по структуре, составу и свойствамсварное соединение, детали следует сваривать электродами изподобных или одинаковых с ними материалов. Важно отметить.что при расплавлении и затвердевании эти материалы перемеши-ваются. При охлаждении сварного шва усадка всех материалов,идущая с образованием временных и остаточных напряжений,должна быть одинаковой. Иначе в сварном шве могут образовать-ся трещины не только в процессе сварки, но и через некотороевремя. Эти трещины могут проявить себя при появлении нагрузкив различных конструкциях, например в трубопроводах, что весь-ма опасно.

При проведении электросварочных работ применяют плавя-щиеся и неплавящиеся электроды.

Плавящиеся электроды (в зависимости от назначения и хими-ческого состава свариваемого металла) могут быть изготовленыиз различных материалов: стали, чугуна и других сплавов, в томчисле и цветных. Их применяют без покрытия наружной поверх-ности или с покрытием (обмазкой).

226

Плавящиеся электроды разделяются по следующим признакам:применение, назначение, материал, вид покрытия и его толщи-на, характеристика получаемого шлака, механические свойствасварного шва и его пространственное положение, род и поляр-ность применяемого тока.

По применению электроды подразделяют на следующие груп-пы: для ручной, полуавтоматической, автоматической сварки инаплавки. Если диаметр электрода составляет 0,3...2 мм, то элек-тродная проволока применима для шлангового сварочного полу-автомата, 1,6...6 мм — для ручной сварки и 2...5 мм — для авто-матической сварки под флюсом. Для наплавки можно применятьпроволоку больших диаметров. К электродной проволоке для по-луавтоматической и автоматической сварки предъявляют строгиетребования по химическому составу, чистоте поверхности и ка-либровке ее сечения.

Электроды для ручной дуговой сварки и наплавки представля-ют собой металлические стержни из сварочной проволоки (ГОСТ2246—70) диаметром 1,6... 12 мм, покрытые слоем смеси порош-ков со связующим веществом (обмазкой) толщиной 1...3 мм иимеющие длину 350...450 мм. Один конец электрода на длине30...40 мм оставляется голым (без обмазки), что необходимо дляего контакта с электрододержателем.

По назначению металлические электроды подразделяют на сле-дующие группы: для сварки конструкционных и легированныхсталей, чугуна, цветных металлов и сплавов и для наплавочныхработ.

Электроды, предназначенные для сварки сталей, между собойразличаются следующим образом: У — для сварки углеродистых инизколегированных сталей ( „ 600 МПа); Л — для сварки леги-рованных сталей ( > 600 МПа); Т, В — для сварки высоколегиро-ванных и с особыми свойствами сталей; Н — для наплавки слоевметалла с особыми свойствами.

Материал электродов. Для электродов выпускается более 70 ма-рок сварочной проволоки: низкоуглеродистой, легированной ивысоколегированной. Производство электродов ведется в соответ-ствии с ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467-75, ГОСТ 10051-75 и ГОСТ10052-75.

Например, для сварки углеродистой стали электроды изготов-ляют из мягкой стальной проволоки, содержащей 0,08...0,12 % С;содержание фосфора и серы допускается до 0,04 %. Для сваркилегированной стали электроды изготовляют из низколегирован-ной стальной проволоки, содержащей до 0,22 % С.

В зависимости от химического состава материала электродових подразделяют на три группы: из сталей углеродистых (Св-08,Св-10ГС и т. д.), легированных (Св-18XM9, Св-10Х5М, Св-20ХГС)и высоколегированных (Св-07Х18Н9Т, Св-07Х25Н20 и т.д.). Пер-

227

вые две буквы «Св» указывают на назначение проволоки — сва-рочная, для изготовления электродов. Следующие за буквами двецифры и буквы с цифрами аналогичны принятым обозначениямкачественных машиностроительных сталей.

Пример маркировки электродов. Марка электрода обозначается ввиде дроби и содержит кодированную информацию о его свароч-но-технологических характеристиках. Например, для электродовтипа Э46А (ГОСТ 9567—75) марки УОНИ-13/45 диаметром 3 мм.для сварки углеродистых и низколегированных сталей (У), с тол-стым покрытием (Д), 2-й группы, с установленной ГОСТ 9467—75 группой индексов 43 2, указывающих характеристики наплав-ленного металла и металла шва, с основным покрытием (Б), длясварки во всех пространственных положениях (1), на постоянномтоке обратной полярности (О) полное обозначение имеет вид

В технической литературе и документации применяют сокра-щенное обозначение электродов, например Э46А марки УОНИ-13/45-3,0-2 (ГОСТ 9567-75) или Э46А-УОНИ-13/45.

Электроды одного типа могут иметь разные марки, в зависи-мости от того, какие вещества использовали для их покрытия.

Неплавящиеся электроды могут быть угольными, графитовымии вольфрамовыми.

Угольные электроды (ГОСТ 4425—72) изготовляют из элект-ротехнического угля, а графитовые (ГОСТ 4426—71) — из прессо-ванного графита, полученного синтетическим путем. Графитовыеэлектроды имеют большую электропроводность и при высоких тем-пературах сгорают относительно медленно. Кроме того, они мягчеугольных и легко режутся, позволяя получать электроды разнойформы. Повышение плотности протекающего тока в 2 — 3 разазначительно снижает расход графитовых электродов. Обычно элек-троды выпускают цилиндрической формы диаметром 5...25 мм идлиной 200...300 мм. Для сварки сталей их концы имеют конус-ность 60...70°, для сварки цветных металлов и сплавов — 20...40 .

Более широко распространены вольфрамовые электроды, изго-товленные из чистого вольфрама или вольфрама, легированноготорием, лантаном или иттрием. Легирование электродов необхо-димо для увеличения стойкости электрической дуги при высокойплотности тока и облегчения ее зажигания. Диаметр вольфрамо-вых электродов (0,5... 10 мм) выбирается в зависимости от необ-ходимой силы сварочного тока. В соответствии с ГОСТ 23949—80выпускаются вольфрамовые электроды марок: ЭВ-4 (чистый воль-фрам), ЭВЛ (с оксидом лантана), ЭВИ-1 (с оксидом иттрия);ЭВТ-15 (с диоксидом тория).

228

В зависимости от вида покрытия в марку электрода добавляютбуквы: А — кислые, Б — основные, Ц — целлюлозные, Р — рути-ловые, П — прочие. Если в покрытии есть железный порошок(более 20 %) — в обозначение марки добавляют букву Ж.

Электроды с тонким слоем покрытия (0,1...0,2 мм), обеспечи-вающие лишь устойчивое горение дуги, применяют только дляизготовления неответственных конструкций. Такие обмазки назы-вают ионизирующими покрытиями. Они состоят из мела или пота-ша, калиевой селитры, углекислого бария, титанового концент-рата, силиката калия, полевого шпата и др. Швы, выполненныеэтими электродами, обладают пониженными механическими свой-ствами вследствие активного влияния атмосферы на расплавлен-ный металл.

Покрытия электродов должны обеспечивать не только устой-чивое горение дуги, но и надежную защиту зоны сварки от воз-действия кислорода, азота и водорода воздуха путем образованияшлаковых оболочек на поверхности капель электродного металлаи расплава шва.

Шлаковая защита уменьшает скорость охлаждения и затвер-девания сплава шва, способствует выходу из него газовых и не-металлических включений. Шлаки должны помогать удалению изсварочной ванны вредных примесей (серы и фосфора), сводитьк минимуму количество хрупких неметаллических включений,быстро затвердевать и легко отделяться от поверхности шва. Дляэтого при ручной сварке применяют электроды с покрытиями,имеющими специально подобранный состав и наносимыми наповерхность электродных стержней толстым слоем (не менее0,5 мм).

В состав покрытия электродов входят шлакообразующие, газо-образующие, раскисляющие, легирующие и связующие составля-ющие.

Шлакообразующими веществами покрытий являются: титано-вый концентрат, марганцевая руда, каолин, мрамор, мел, квар-цевый песок, доломит, полевой шпат и др.

Газообразующие вещества в покрытии электрода предохраняютрасплав от воздействия кислорода воздуха. В качестве таких ве-ществ в покрытие вводят органические соединения — древеснуюмуку, декстрин, целлюлозу, крахмал и т.п.

Раскисление металла сварочной ванны осуществляется элемен-тами, обладающими большим сродством к кислороду, чем желе-зо. К ним относятся марганец, титан, кремний, алюминий и уг-лерод. Они вводятся в состав покрытия, как правило, в виде лига-тур (FeMn, FeSi, FeTi и др.).

При необходимости в обмазку добавляют легирующие элемен-ты для получения соединения с определенными физико-механи-ческими свойствами. Наиболее часто для этого применяют хром,

229

никель, молибден, марганец, титан. Эти элементы вводятся как впокрытие, так и в стержень электрода.

Для закрепления покрытия на стержне электрода используютсвязующие компоненты (жидкое стекло, желатин, декстрин, пласт-массы и т.п.).

Состав электродного покрытия устанавливают в соответствиис химическим составом металлов электродного стержня и изде-лия. В зависимости от этого покрытия подразделяются на кислые иосновные.

Кислые покрытия марок ЦМ-7, ОМА-2, ОММ-5 содержат рудыжелеза, марганца и кремнезем. В последнее время они почти неприменяются, так как в сварном шве образуется кипящая сталь спониженной ударной вязкостью. Кроме того, при сварке выделя-ются токсичные продукты.

Основные покрытия содержат карбонаты кальция, магния,плавиковый шпат (УОНИ-13/45, АНО-7, АНО-8 и др.). В свар-ном шве образуется спокойная сталь, имеющая высокую ударнуювязкость при отрицательных температурах. Недостаток покры-тий — пористость шва из-за повышенного содержания водорода.Поэтому электроды с таким покрытием перед сваркой следуетпросушить при температуре не ниже 300... 350 °С, а кромки тща-тельно очистить от ржавчины.

Наиболее распространены покрытия на базе рутила (TiO2):МР-3, ОЗС-4, АНО-4 и др. Следует отметить, что обозначениемарки электрода дается разработчиком и не содержит никакойхарактеристики электрода и технологии сварки. Поэтому марки-ровка этих покрытий не стандартизирована.

Применяют также органические целлюлозные покрытия ма-рок ВСЦ-4 и ВСЦ-4А, содержащие кроме целлюлозы древеснуюмуку и другие добавки. При использовании этих покрытий проис-ходит большое разбрызгивание металла (до 20%), в результатечего в ходе сварки меняется химический состав шва, поэтому ука-занные покрытия имеют ограниченное применение (например,при сварке магистральных трубопроводов).

Покрытия приготовляют следующим образом. Вначале компо-ненты покрытия дробят, просеивают и смешивают со связующи-ми веществами (жидкое стекло и др.). На специальном прессе по-лученными веществами обволакивают стержень, после чего егопрессуют и калибруют по толщине. Далее полученные электродысушат при температуре 300...400 °С (для органических покрытий -150... 180 °С). После полного удаления влаги их тщательно упако-вывают и хранят в сухих помещениях.

Порошковые проволоки. Для сварки все чаще находят примене-ние трубчатые порошковые проволоки (ГОСТ 26271—84), состо-ящие из металлической оболочки и порошкообразного наполни-теля (сердечника). Они применяются при сварке изделий из низ-

230

коуглеродистых, низколегированных и легированных сталей, атакже чугунов, цветных металлов и сплавов. Порошковые прово-поки могут быть самозащитными (ПС) или требующими защиты(ОПП, чаще углекислым газом.

В самозащитных проволоках расплавленный металл защищаетсяс помощью газов, выделяющихся при сгорании сердечника. В со-став сердечника входят газо- и шлакообразующие материалы,флюсы, ферросплавы и металлические порошки. Металлическийпорошок, как правило, соответствует типу электрода.

Наиболее часто применяемые марки самозащитных проволок:ПП-АНЗ, ПП-АН. Сварку ведут на постоянном токе обратнойполярности.

Требующие защиты порошковые проволоки марок ПП-АН8, ПП-АН9 ИЛИ более прочная проволока марки ПП-АН54 (с рутиловымпорошком и флюоритом) применяются при сварке с защитойуглекислым газом или смесью газов.

Пример обозначения порошковой проволоки (ГОСТ 26271—84):

ПП-АНЗ 3,0 ПС44-А4Н,

где ПП — порошковая проволока; АНЗ — условное обозначениеизготовителя; 3,0 — диаметр проволоки, мм; ПС — самозащит-ная; 44 — предел текучести (а 0 2 > 440 МПа); А — категория посоставу и ограничению по углероду, сере и фосфору; 4 — уровеньударной вязкости; Н — для сварки в нижнем положении.

Порошковые проволоки эффективнее сплошных, особенно приавтоматической сварке, при которой необходима большая глуби-на проплавления и самоотделение шлака при охлаждении. Болееактивное раскисление металла шва позволяет повысить его плас-тичность и ударную вязкость, уменьшить величину деформаций всварном шве. Порошковая проволока выпускается в широком ди-апазоне по диаметру, сложности сечения, жесткости и составу.

Для сварки чугунов используют специальные порошковые про-волоки с обозначением ППЧ-1 и др. Они содержат более 4,5 % С,3,3...4,2% Si, 0,5% Мп, 0,5% Ti и 0,6% А1. Разработана порош-ковая проволока для автоматической сварки чугунных деталей,содержащая 5 % Мп, 3 % Си, 2 % Fe, 0,3 % РЗМ (редкоземельныхметаллов), остальное — Ni. Однако такая проволока достаточнаДорогая. Наравне с проволокой используют сплошные чугунныепрутки марок А, Б, ПЧ1, ПЧ2 и др.

Для сварки алюминиевых сплавов применяют сплошные при-садочные проволоки на основе алюминия с добавлением Мп, Si,Ti, Mg (до 3 %).

При автоматической сварке низкоуглеродистых сталей успеш-но применяются сплошные проволоки без защиты. Введение в со-став проволоки из сталей Св-15СТЮЦА и Св-20ХГСТЮ церия,Циркония, титана, алюминия снижает содержание фосфора и серы

231

в сварном шве и предотвращает его от загрязнений неметалличе-скими включениями, в основном оксидами.

Флюсы. Для защиты сварного шва при автоматической и полу-автоматической сварке применяют флюсы. Флюс представляетсобой порошок с размерами зерен 1... 3 мм. По способу изготовле-ния флюсы подразделяют на плавленые и керамические.

Плавленые флюсы получают расплавлением шихты в пламен-ных или электрических печах с последующей грануляцией. Наи-большее применение нашли плавленые высокомарганцевые флю-сы ОСЦ-45 и АН-348 в сочетании с проволокой: Св-08, Св-10Св-08ГА и др.

Шлак, полученный из флюса, и электродная проволока долж-ны обеспечивать устойчивое горение дуги, требуемый химичес-кий состав и механические свойства шва, а также легкую отделя-емость шлаковой корки от поверхности шва и предотвращать об-разование пор и трещин.

Технология изготовления керамических флюсов подобна изготов-лению покрытий качественных электродов. Компоненты, входящиев состав флюса, тщательно размалывают и в установленной про-порции перемешивают с жидким стеклом. Приготовленную одно-родную массу протирают через сито и получают флюс в виде влаж-ных крупинок размером 1 ...3 мм. После просушивания и последу-ющего прокаливания при температуре 600...700°С крупинки уп-рочняются, и флюс становится пригодным для использования.

Керамические флюсы позволяют легировать металл шва раз-личными элементами без использования специальных присадоч-ных проволок. Однако недостаточная механическая прочность игигроскопичность этих флюсов затрудняют их использование впроизводстве сварных конструкций.

Для сварки используют бескислородные флюсы, которые мо-гут быть как плавлеными, так и керамическими. Их получают и:компонентов, не содержащих кислород. Составляющими флюсоьявляются фтористые и хлористые соединения. Флюсы успешноприменяют для сварки конструкций из высоколегированных ста-лей и титановых сплавов.

Применение качественных электродов необходимо при произ-водстве металлических конструкций, подвергающихся динамиче-ской нагрузке и работающих в условиях высоких давлений, пришироком диапазоне температур или в коррозионной среде, чтоимеет место при работе установок по производству нефтепродук-тов и при эксплуатации оборудования газонефтепроводов.

5.2.7. Ручная электродуговая сварка

Способы сварки. Ручную электродуговую сварку можно выпол-нять металлическими (плавящимися) электродами, угольными

232

электродами без защиты (покрытия), а также угольными или воль-фрамовыми электродами в среде защитных газов.

Схема ручной электродуговой сварки покрытым электродом по-казана на рис. 5.10. Под воздействием сварочной дуги 11 стерженьэлектрода 2 плавится, его металл в виде капель 4 поступает всварочную ванну 5. В процессе сварки плавится покрытие элект-рода 1, образующее защитную газовую атмосферу 9 вокруг дуги ижидкую шлаковую ванну 8 на поверхности расплавленного ме-талла. Перемещение сварочной дуги способствует кристаллизацииметалла и формированию сварного шва 6 на поверхности заготов-ки 3. Расплавленное покрытие электрода всплывает на поверх-ность сварочной ванны и, застывая, образует твердую шлаковуюкорку 7.

Электрическую дугу зажигают прикосновением конца элект-рода к металлу свариваемого изделия с последующим быстрымотводом электрода на расстояние 3...4 мм. При этом в цепи принапряжении 20...25 В протекает рабочий (сварочный ток), силакоторого зависит от длины дуги и марки электрода. Длину дуги /д

(мм) определяют по формуле

/д = 0,5(4, + 2),

где d3 — диаметр электрода, мм.Длина дуги влияет на качество сварного шва и его геометри-

ческую форму. Чем короче дуга, тем выше качество наплавленно-го металла. При большой длине дуги ослабляется защита свароч-ной ванны и металл шва интенсивно насыщается кислородом иазотом воздуха. С увеличением длины дуги также возрастает ин-тенсивность разбрызгивания металла, а в самом шве повышаетсявероятность появления пор.

Для поддержания постоянства дуги при сварке электрод в про-цессе плавления непрерывно подают в сварочную ванну. Одно-Временно его перемещают вдоль оси шва, при необходимости со-вершая поперечные колебания для получения шва заданной ши-

233

рис. 5.10. Схема ручной электроду-говой сварки покрытым электродом:

1 - покрытие электрода; 2 — стерженьэлектрода; 3 — заготовка; 4 — каплиметалла; 5— сварочная ванна; 6— свар-ной шов; 7— шлаковая корка; 8— жид-кая шлаковая ванна; 9 — защитная га-зовая атмосфера; 10 — электроны; 11 —

сварочная дуга

рины. При сварке тонких изделий и первых слоев многослойногошва электрод ведут без поперечных колебаний.

Для правильного формирования шва при сварке электрод не-обходимо держать наклонно по отношению к поверхности свари-ваемого металла (под углом 15...20° от вертикали). Изменяя уголнаклона электрода, можно регулировать глубину расплавленияосновного металла, изменять скорость сварки и охлаждения на-плавленного металла.

Сварку встык без разделки кромок соединяемых деталей произво-дят преимущественно сквозным проплавлением шва с одной сто-роны детали (листа). В этих случаях рекомендуется применять под-кладки (стальные или медные). Иногда, если это возможно, с об-ратной стороны производят подварку шва узким слоем (валиком).

При сварке встык шва с V-образной разделкой кромок дугу зажи-гают вблизи скоса кромок и наплавляют валик металла. В зависи-мости от толщины листа и диаметра электрода шов выполняют заодин или несколько проходов.

Сварку Х-образных швов с целью уменьшения деформации по-лучаемой конструкции производят переменным наложением сло-ев с обеих сторон свариваемых деталей.

При многослойной схеме сварки вначале приваривают корень шваи затем заполняют разделку слоями (валиками). При этом каждыйслой очищают. Число слоев определяют исходя из диаметра элек-трода. Толщина слоя равна (0,8... 1,2)<£,-

Для повышения качества сварки при выполнении ее угловымишвами изделие часто располагают так, чтобы место сопряженияполки и стенки находилось в нижнем положении. Такая схема свар-ки называется сваркой «в лодочку». В таком случае жидкому ме-таллу некуда течь и можно работать с большой сварочной ванной,размывая ее поперечными колебаниями электрода. Ток устанав-ливают максимально возможным для данного электрода. Соответ-ственно производительность сварки будет максимальной.

По положению в пространстве швы подразделяют на нижние,вертикальные и потолочные. Для сварки наиболее удобны швы внижнем положении.

Вертикальные швы можно выполнять двумя способами — сни-зу вверх и сверху вниз. При сварке снизу вверх сварочную ваннуперемещают вверх постепенно. В таком случае она лежит на ужезатвердевшем металле. Ток при выполнении вертикальных швовна 10... 15 % ниже, чем при сварке в нижнем положении.

При сварке сверху вниз сварочная ванна висит за счет поверх-ностного натяжения жидкого металла. При этом основная задача —не допустить стекания металла ванны на еще нерасплавленныйосновной металл впереди дуги, иначе он не сварится с основнымметаллом по кромке шва. Это выполнимо только немногими мар-ками электродов при высокой квалификации сварщика.

234

При сварке швов, расположенных горизонтально на вертикаль-ной плоскости, разделку делают лишь на верхнем листе. При этомдугу возбуждают на нижней кромке, а затем постепенно перехо-дях на скошенную кромку верхнего листа.

Многими электродами можно выполнять сварные швы в пото-дочном положении. В этом случае перенос металла с электрода наизделие, т.е. снизу вверх обусловлен действием электромагнитныхсил. Сварочная ванна удерживается силами поверхностного натя-жения и поэтому должна быть небольшой. С этой целью свароч-ный ток уменьшают на 20...50 % по сравнению со сваркой в ниж-нем положении и работают короткой дугой.

При сварке тонких листов шов накладывают в виде узкого ва-лика (шириной 0,8... 1,5 диаметра электрода), а при сварке тол-стых листов применяют уширенные валики. Для выполнения та-ких швов концом электрода совершают три движения: поступа-тельное вдоль линии шва и поперечно-колебательные движения.Последние улучшают прогрев кромок шва, замедляют остываниеванны наплавленного металла, устраняют непровар и обеспечи-вают получение однородного шва.

Показатели процесса сварки. Для получения сварного соедине-ния требуемых размеров, формы и качества устанавливается ре-жим сварки, определяющий основные показатели процесса свар-ки. К этим показателям при ручной дуговой сварке относятся: маркаэлектрода, его диаметр, сила и род сварочного тока, напряжениезажигания дуги, производительность сварки.

Электроды. Химический состав свариваемого металла опреде-ляет тип и марку электродов.

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины сва-риваемого металла и положения шва в пространстве.

При нижнем положении шва диаметр электрода можно опре-делить, руководствуясь соотношением диаметра электрода и тол-щины свариваемого металла:

Толщина свариваемого металла, мм .... 1...2 3...5 5...10 10...24Диаметр электрода, мм 2...3 3...4 4...5 5...6

Сварку швов в вертикальном и потолочном положении выпол-няют электродами диаметром, как правило, не более 4 мм.

Важной характеристикой режима сварки является сила свароч-ного тока /св (А), которую для сварки в нижнем положении элек-тродами диаметром 3...6 мм из малоуглеродистой стали можноопределить из выражения

/св = (40...60)dэ,

где dъ — диаметр электрода, мм.

235

Сила сварочного тока влияет не только на глубину провара, нои на форму шва. При ширине шва, равной 3 — 4 диаметрам элект-рода, форма шва оптимальна.

Обычно ручную сварку ведут током свыше 50 А. При свароч-ном токе более 100 А напряжение горения дуги UR зависит толькоот ее длины /д и определяется по формуле

где — коэффициент, характеризующий падение напряжения наэлектродах (при стальных электродах = 10... 12, при угольных == 35...38); — коэффициент, характеризующий падение напря-жения на 1 мм длины столба дуги ( = 2...2,5).

Вид и полярность тока определяют в зависимости от выбран-ной марки электродов.

Напряжение зажигания дуги для постоянного тока равно40...60 В; для переменного — 50...70 В.

Полное время сварки (ч) определяют по формуле

где — основное время горения дуги, ч; к — коэффициент за-грузки сварщика, равный 0,4...0,8, в зависимости от вида произ-водства и характера выполняемой работы.

Основное время горения дуги (ч) можно определить по формуле

где тн — масса наплавляемого металла, г; / — сварочный ток, А;кн — коэффициент наплавки, равный количеству электродногометалла в граммах, наплавленному в течение 1 ч, приходящегосяна 1 А сварочного тока с учетом марки электрода, потери металлана угар и разбрызгивание; для тонкообмазанных электродов =- 7...8 г/(А- ч); для толстообмазанных = 10... 12 г/(А- ч) и выше.

Массу наплавляемого металла определяют по формуле

где кр — коэффициент расплавления (8... 14 (г/А-ч)); /св — сва-

рочный ток, А.Скорость сварки vCB (м/ч):

где L — длина шва, м.Расход электродов на угар и разбрызгивание составляет до 25 %

всей массы электродов. Расход электроэнергии при ручной сваркена постоянном токе составляет примерно 7 кВт • ч/кг, а на пере-менном — 3,5 кВт- ч/кг наплавленного металла.

При сварке угольным электродом на постоянном токе прямойполярности расход электрода незначителен, а при сварке на об-ратной полярности наблюдается науглероживание ванны.

236

Для изделий с толщиной листов до 3 мм сварку угольным элек-тродом производят без присадочного материала; для изделий излистов толщиной более 3 мм — с подачей присадочного прутка взону Дуги.

Кроме дуги прямого действия можно пользоваться дугой кос-венного действия (см. рис. 5.7, б). В этом случае применяют дваугольных электрода, укрепленных в специальном держателе.

Производительность сварки угольным электродом без при-садки металла при толщине стального листа 1 ...3 мм достигает50...60 м/ч. Диаметр угольного электрода может быть в пределах10...25 мм при силе тока 200...600 А.

Сварку и наплавку покрытыми электродами выполняют на пе-редвижных или стационарных постах. Стационарный пост для руч-ной дуговой сварки — это участок производственной площади,огороженный брезентовыми шторами, перегородками или щитка-ми, предназначенными для защиты окружающего персонала в пер-вую очередь от светового излучения дуги. На посту должны бытьисточник сварочного тока, сварочный стол со встроенной систе-мой газоотсоса, ящики для хранения инструмента и электродов,электрододержатель. Кроме этого, пост может быть оснащен необ-ходимыми технологическими приспособлениями и оснасткой.

5.2.8. Автоматическая и полуавтоматическая дуговаясварка

В настоящее время широко применяют автоматическую и по-луавтоматическую сварку плавящимся металлическим электродомпод слоем флюса или в среде защитных газов.

Современные автоматы позволяют при автоматической сваркеподдерживать длину дуги в пределах 0,2... 0,3 мм, что невозможнообеспечить при ручной сварке. Автоматическая сварка дает болеестабильное качество шва. При автоматической сварке под слоемфлюса производительность повышается в 2 —8 раз по сравнениюс ручной дуговой сваркой, а при сварке на повышенных режи-мах — в 15 — 20 раз. Повышение сварочного тока позволяет свари-вать металл значительной толщины без разделки кромок и увели-чить количество наплавляемого металла.

При автоматической сварке дуга горит под слоем расплавлен-ного флюса, который насыпается на изделие равномерным слоемтолщиной 30... 50 мм. В результате этого дуга горит не на воздухе,а в газовом пузыре, находящемся под расплавленным при сваркефлюсом, что достаточно для устранения разбрызгивания жидкогоМеталла и нарушения формирования шва даже при больших токах.Это позволяет повысить сварочный ток в 4 —8 раз по сравнениюс током, получаемым при сварке открытой дугой, что ведет ксохранению хорошего качества шва при высокой производитель-

237

ности процесса сварки. Сварку под флюсом ведут при силе тока винтервале 1 000... 1 200 А, что практически невозможно при свар-ке с открытой дугой.

При автоматической сварке расход электродного металла в 2раза меньше по сравнению со сваркой покрытыми электродами;сварку изделий толщиной до 20 мм можно производить без разде-ла кромок, при этом потери металла на угар и разбрызгиваниеминимальны — не более 2 % от массы расплавленного электрод-ного металла. Дуга под слоем флюса более устойчива, чем присварке открытой дугой.

Схема автоматической сварки под флюсом показана на рис. 5.11.В сварочной машине (рис. 5.11, а) электрод в виде проволоки

8, намотанной на бобину в кассете 7, подается роликовым меха-низмом 6 в зону сварки. Сварочная дуга 2 зажигается между заго-товкой 1 и сварочной проволокой. Источник питания 9 обеспечи-вает постоянное напряжение сварки и высокочастотное импульс-ное напряжение зажигания дуги. Напряжение на сварочную про-волоку передается через контактный мундштук 5. Вся зона сваркизакрыта слоем флюса 3, подаваемого из бункера 4.

Схема формирования сварного шва происходит в рабочей зонемашины (рис. 5.11, б). При горении дуги 2 между заготовкой исварочной проволокой 8 образуется ванна жидкого металла 11,закрытая сверху расплавленным шлаком 10 и слоем нерасплав-ленного флюса 3. Сварочная ванна состоит из металла расплав-

238

денных кромок свариваемых металлических элементов и электрод-ной проволоки. Пары и газы, образующиеся в зоне сварки, от-тесняют жидкий металл в сторону, противоположную направле-нию сварки. У основания дуги остается тонкий слой жидкого ме-талла. Разбрызгивание и угар металла минимальны благодаря за-крытой полости, в которой горит дуга. После перемещения сва-рочной дуги происходит формирование сварного шва 13. Одно-временно затвердевает шлаковая ванна, образуя легко удаляемуюшлаковую корку 12. Нерасплавившийся слой флюса отсасываетсяв бункер 4 и вновь используется при сварке.

Для автоматической сварки используются сварочные автоматы,включающие механизм подачи электродной проволоки в зону дуги(автоматическая головка) и механизм перемещения головки илиперемещения изделий. Сварочный автомат, у которого головка за-креплена на самоходной тележке, имеющей самостоятельный при-вод, называют сварочным трактором. Он имеет следующие основ-ные узлы: самоходную тележку, кассету для электродной проволо-ки, пульт управления, бункер для флюса и сварочную головку смундштуком. Источником питания дуги служит трансформатор.Автомат может производить сварку, перемещаясь по специальнымнаправляющим в виде рельсов или непосредственно по изделию.Для регулировки головки относительно свариваемого изделия всварочном автомате предусмотрены настраивающиеся устройства.Автомат передвигается вдоль свариваемого изделия при помощиэлектродвигателя постоянного тока с регулируемым числом обо-ротов, что позволяет изменять скорость сварки.

Автоматические головки разделяют на два типа: с плавящимсяи неплавящимся электродом (угольным, вольфрамовым). Автома-тические головки с плавящимся электродом имеют две разновид-ности — с регулируемой и постоянной скоростями подачи элект-родной проволоки. Наибольшее применение получили системы,основанные на свойстве саморегулирования сварочной дуги (ав-томатические головки с постоянной скоростью подачи проволо-ки) и системы с регулируемыми напряжением дуги и скоростьюподачи электродной проволоки.

Полуавтоматическая сварка под флюсом отличается от автома-тической тем, что перемещение электродной проволоки вдоль шваосуществляется вручную.

С помощью шлангового автомата можно выполнять сварку сты-ковых, тавровых и нахлесточных соединений, коротких и криво-линейных швов, недоступных сварке обычными автоматами. Приэтом подача флюса в зону сварки производится сжатым воздухомчерез шланг, в котором находится сварочная проволока.

К электродной проволоке при сварке под флюсом предъявля-ется повышенные требования по химическому составу, чистотеповерхности и калибровке сечения. Отклонение размеров прово-

239

лежи по диаметру нарушает нормальную работу подающих роли-ков автоматической головки и ухудшает качество шва, а загряз-ненная и ржавая проволока вызывает пористость в металле шва

Автоматическая и полуавтоматическая сварка под слоем флюсапозволяет сваривать заготовки из стали и сплавов на основе медиалюминия, титана и других сплавов с толщиной листа 2... 100 мм'

Автоматическая сварка широко применяется в массовом и се-рийном производстве, а также при проведении ремонтных и мон-тажных работ с получением длинных прямолинейных и кольце-вых швов. Полуавтоматической сваркой получают сплошные, пре-рывистые и криволинейные швы. Однако этот вид сварки распро-странен меньше, так как наблюдение за процессом и его конт-роль затруднены.

5.2.9. Сварка в среде защитных газов

Для защиты металла при ручной и автоматической сварке отвоздействия кислорода и азота воздуха наравне со сваркой подслоем флюса применяют сварку с газовой защитой сварочной ван-ны от контакта с окружающей средой. Наибольшее промышлен-ное применение имеют аргонодуговая сварка и сварка в атмосфе-ре углекислого газа. Сварка этими способами может производить-ся плавящимися и неплавящимися электродами с применениемпеременного и постоянного тока.

При аргонодуговой сварке с неплавящимся электродом (рис. 5.12)через специальную горелку, в которой установлен вольфрамовый

электрод 3, через мундштук 2 пропус-кают нейтральный газ — аргон (илигелий), создающий защитную оболоч-ку 5. Электрический ток к электродуподается токопроводом /. Возбужде-ние электрической дуги 4 происходитмежду электродом и свариваемым из-делием 7. Для заполнения разделкикромок изделия в сварочную зону вво-дят присадочный пруток 8, химиче-ский состав которого близок к химиче-скому составу металла изделия. В ре-зультате плавления присадочного прут-ка образуется сварочная ванна 6.

Для аргонодуговой сварки приме-няют электроды диаметром 2...6 мм-Аргон подается в горелку под давле-нием 0,03...0,05 МПа.

Сварка неплавящимся электродомв инертных газах может быть ручной,

240

полуавтоматической и автоматической. При сварке на перемен-им токе применяют прутки из чистого вольфрама диаметром0,5...8 мм, а для сварки постоянным током прямой полярности —прутки диаметром 1 ...7,5 мм из вольфрама марки ВЛ-15 с содер-жанием лантана до 1,5 %. Благодаря добавке лантана повышают-ся эмиссионная способность электрода и устойчивость горениядуги.

Вид тока в технологии сварки неплавящимся электродом име-ет очень большое значение. Сварка на постоянном токе прямойполярности отличается большей стабильностью процесса и луч-шим формированием сварного шва.

При сварке сплавов на основе алюминия и магния рекоменду-ется использовать переменный ток, так как в полупериоды, когдаизделие является катодом, происходит разрушение тугоплавкойпленки оксидов и очищение поверхности свариваемого изделия врезультате ее катодного распыления.

Сварку в инертных газах неплавящимся электродом можно про-изводить с присадкой и без присадки за счет расплавления кро-мок металла свариваемого изделия.

Сварку плавящимся электродом в инертных газах применяют дляизготовления ответственных изделий из высоколегированной ста-ли, алюминия, магния и других металлов и сплавов, активно вза-имодействующих с кислородом и азотом воздуха. Этим способомможно сваривать изделия без скоса кромок, используя тонкуюэлектродную проволоку толщиной до 5 мм. Желательно, чтобы усвариваемых изделий большой толщины были V-образные кром-ки с углом разделки 30...50°.

В процессе сварки необходимо поддерживать минимальныйвылет электрода из сопла горелки, что улучшает его защиту иповышает стабильность процесса сварки. Однако чрезмерное умень-шение вылета затрудняет наблюдение за сварочной ванной и вы-зывает загрязнение сопла горелки брызгами металла.

Сварку плавящимся электродом в инертных газах выполняютна автоматах и полуавтоматах с постоянной скоростью подачи элек-тродной проволоки. При этом используют тонкую проволоку диа-метром 0,5...2 мм, имеющую химический состав, близкий к со-ставу металла изделия. Для питания дуги применяют источникипостоянного тока с жесткой или возрастающей внешней характе-ристикой и с обратной полярностью, что повышает стабильностьгорения дуги и уменьшает разбрызгивание металла. Это обуслов-лено тем, что вольт-амперная характеристика дуги с высокой плот-ностью тока в электроде располагается в области III (см. рис. 5.3)и имеет возрастающий характер.

Режим дуговой сварки плавящимся электродом в среде инерт-ных газов обычно устанавливают в зависимости от типа сварногосоединения, толщины и марки металла.

241

Дуговая сварка в среде углекислого газа аналогична сварке в сре-де инертных газов. Здесь в качестве защитного газа для сваркинизкоуглеродистых, низколегированных и некоторых высоколе-гированных сталей используют дешевый и недефицитный угле-кислый газ. Дуга горит между изделием и электродной проволо-кой, подаваемой через специальную газоэлектрическую горелкув которую из баллона поступает углекислый газ, предварительнопрошедший через осушитель. Для устранения пористости в на-плавляемом металле сварку производят постоянным током обрат-ной полярности. При этом достигается высокая производитель-ность (с расходом электродов до 80 кг/ч) при среднем расходеуглекислого газа 8...20 л/мин.

При сварке в среде углекислого газа происходит интенсивноеокисление металла, так как газ по отношению к металлам притемпературе свыше 1 000 °С становится сильным окислителем.Окислительное действие углекислого газа обычно нейтрализуетсяблагодаря применению низкоуглеродистой сварочной проволоки(Св-08Г2С) с повышенным содержанием марганца и кремния,необходимых для раскисления металла.

Сварку в среде углекислого газа выполняют на автоматах и по-луавтоматах, установленных на специальных постах. Сварку ведутс использованием плавящегося, а иногда и неплавящегося (уголь-ного, графитового) электрода. В качестве плавящегося электродаиспользуют преимущественно сварочную проволоку диаметром0,5... 3 мм.

Параметры технологического режима сварки в среде углекис-лого газа выбирают в зависимости от толщины изделия и маркисвариваемой стали, с учетом положения шва в пространстве. Свар-ка, как правило, проводится на обратной полярности.

Сварку стыковых швов изделий малой толщины лучше выпол-нять на медных подкладках, а нахлесточных — без подкладок. В томи другом случаях существенное значение имеет качество сборкиизделия под сварку.

Изделия из толстого металла рекомендуется сваривать элек-тродной проволокой диаметрами 1,6 и 2 мм. При этом дости-гается удовлетворительное формирование шва с глубиной про-вара до 7 мм, что позволяет производить двухстороннюю свар-ку встык без скоса кромок на изделиях толщиной до 12 мм. Длясварки изделий большей толщины рекомендуется разделка кро-мок.

Автоматическую сварку стыковых швов производят при верти-кальном расположении электрода, а угловых швов тавровых со-единений — при наклоне электрода к вертикальной стенке подуглом 25... 30°. Сварку стыковых швов с разделкой кромок выпол-няют без поперечных колебаний электрода, но в особых случаях ис поперечными колебаниями.

242

Полуавтоматическую сварку швов в нижнем положении про-изводят с наклоном электрода на 5... 15° вперед или назад по от-ношению к вертикали. При сварке изделий из тонкого листа по-перечные колебания электродов не совершаются. Сварка швов ввертикальном положении производится сверху вниз.

Швы, выполняемые в среде углекислого газа, в большей сте-пени подвержены образованию пор и трещин по сравнению сошвами, выполненными ручной дуговой и автоматической свар-кой под флюсом.

Сварка порошковой проволокой в среде углекислого газа позволя-ет соединять изделия из углеродистых и легированных сталей. На-личие порошкообразных компонентов ведет к улучшению внеш-него вида шва за счет образования шлака и снижения разбрызги-вания металла из сварочной ванны, при этом можно вести сваркуна повышенных режимах.

Надежность защиты сварочной ванны, а следовательно, и ка-чество сварного шва при многих способах сварки определяетсяусловиями ее проведения. В цехе, как правило, обеспечиваетсястабильная защита сварочной ванны, в то время как при монтаж-ных работах на открытом воздухе газовая защита может быть на-рушена окружающими воздушными потоками.

5.3. Газовая сварка и резка металлов

5.3.1. Сущность процесса газовой сварки

Газовая сварка — одна из разновидностей термической сваркии представляет собой процесс, при котором место соединенияизделий нагревают до расплавления газовым пламенем, образую-щимся при сгорании какого-либо горючего газа, а также паровбензина, бензола, керосина и т.п., в атмосфере технически чис-того кислорода. Сварочную ванну образуют расплавленные метал-лы соединяемых заготовок и присадочный материал, который вво-дят в пламя газовой горелки.

Схема процесса газовой сварки и распределение температургазосварочного пламени показаны на рис. 5.13. Металл сваривае-мой заготовки / (рис. 5.13, а) расплавляется высокотемператур-ным газовым пламенем 4 газовой горелки 3. Зазор между сварива-емыми элементами заполняется расплавленным металлом изде-лий и присадочным материалом 2.

В качестве горючего газа наиболее широко применяют ацети-лен (С2Н2), так как он обеспечивает получение пламени с болеевысокой температурой горения — 3 200 °С. Наряду с ним приме-няется природный газ, пропан-бутановая смесь и другие горючиегазы.

243

Ацетилен представляет собой углеводородное химическое со-единение. Его получают из карбида кальция (СаС2) путем взаи-модействия с водой в ацетиленовых генераторах:

СаС2 + 2Н,0 = С2Н2 + Са(ОН)2

При этом из одного килограмма СаС2 выделяется 0,23...0,28 м3

газообразного ацетилена.Присадочный материал вводят в зону сварки в виде проволо-

ки, прутков или полосок, нарезаемых из металла такого же соста-ва, что и свариваемый, или близкого к нему. Если формированиешва возможно за счет расплавления кромок основного металла,то присадочный металл, как правило, не применяют.

Газовая сварка в сравнении с дуговой обеспечивает более плав-ный нагрев и медленное охлаждение изделий, что в основном иопределяет области ее применения.

Газовой сваркой можно соединять почти все металлы, исполь-зуемые в технике. Некоторые металлы и сплавы, в том числе чу-гун, латунь, медь, свинец и др., легче поддаются газовой сварке,чем электродуговой. Преимуществом газовой сварки является ито, что она не требует сложного оборудования и источника элек-трической энергии. В настоящее время газовая сварка широко при-меняется при монтаже металлоконструкций и трубопроводов изтонкостенных труб, сантехнических работах, сварке сплавов наоснове меди, ремонтной сварке изделий из чугуна.

Ацетиленокислородное пламя состоит из трех зон и характеризу-ется графиком распределения температур газосварочного пламе-

• 244

ни (рис. 5.13, б) в зависимости от расстояния от края мундштукагазовой горелки. Во внутренней части пламени (ядре) 5 происхо-дит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовойсмеси, поступающей из мундштука. В зоне 6, называемой свароч-ной зоной, происходит сгорание ацетилена за счет первичногокислорода, входящего в состав газовой смеси:

С2Н2 + О2 = 2СО + Н2О

Температура в этой зоне наиболее высокая, эта зона обладаетвосстановительными свойствами. Зона 7, в которой за счет атмо-сферного кислорода протекает вторая стадия горения ацетилена,называется окислительной зоной или факелом. В результате пол-ного сгорания ацетилена образуется углекислый газ и пары воды:

Реакция идет с большим выделением теплоты Q.Газовое пламя называют нормальным в том случае, если соот-

ношение газов О2/С2Н2 = 1. Таким пламенем сваривают большин-ство изделий из сталей. При увеличении содержания кислородаО2/С2Н2 > 1 пламя приобретает голубоватый оттенок и имеет ядроострой формы. Такое пламя является окислительным, и его ис-пользуют только при сварке латуни, так как при таком характерепламени избыточный кислород образует с цинком тугоплавкиеоксиды, пленка которых препятствует дальнейшему испарениюцинка. При избытке ацетилена С2Н2/О2 > 1 пламя становится коп-тящим, удлиняется и приобретает красноватый оттенок. Такоепламя называется науглероживающим, его применяют для сваркичугуна и сплавов цветных металлов.

5.3.2. Технология газовой сварки

Качественный шов при газовой сварке обеспечивается правиль-ным подбором мощности горелки, видом сварочного пламени,способом сварки, углом наклона горелки, применением соответ-ствующего присадочного материала и флюса.

Мощность сварочного пламени оценивают по расходу ацети-лена А (м3/ч), который вычисляется по формуле

A = ks,

где 5 — толщина свариваемых кромок, мм; к — коэффициент, оп-ределяемый экспериментально и зависящий от физико-химиче-ских свойств свариваемых металлов; для коррозионно-стойкой ста-ли к = 70...80; для углеродистых сталей, чугунов и алюминиевыхсплавов к= 100... 120; для меди к= 160...200; для алюминия к=75.

245

Мощность горелки зависит от толщины и теплопроводностисвариваемого металла. По мощности пламени горелки определяютномер ее наконечника. Для сварки металла с высокой теплопро-водностью требуется наконечник с большим расходом газа.

Диаметр присадочной проволоки d выбирают в соответствии столщиной s основного металла. Для приближенного выбора диа-метра присадочного прутка при s < 10 мм можно воспользоватьсяэмпирической формулой

d=0,5s+l.

При s > 10 мм диаметр присадочного прутка принимают рав-ным 5 мм.

Применение многопламенных горелок с несколькими мундш-туками повышает производительность сварки и улучшает каче-ство шва.

Газовой сваркой можно выполнять швы в любом положении.Наиболее рациональным способом газовой сварки является со-единение встык. При этом изделие из стали толщиной до 2 ммсваривают с отбортовкой кромок без присадочного материала; прибольшей толщине изделий производят одно- или двухстороннююразделку кромок.

Значительное влияние на производительность и качество свар-ки оказывает направление движения горелки по отношению ксвариваемому шву. Различают два способа газовой сварки — пра-вый и левый.

При правом способе сварка производится слева направо, сва-рочное пламя направляется на сваренный участок шва, а приса-дочная проволока перемещается вслед за пламенем.

При левом способе сварка производится справа налево, сва-рочное пламя направляется на еще несваренные кромки металла,а присадочная проволока перемещается впереди пламени.

Правый способ сварки экономичнее левого, его производи-тельность на 20...25% выше, а расход газа на 15...20% меньше.Его целесообразно применять при сварке деталей толщиной бо-лее 3 мм и при сварке металлов с большой теплопроводностью.Сварка изделий с толщиной до 3 мм наиболее эффективна прилевом способе сварки.

Угол наклона горелки к свариваемой поверхности зависит оттолщины металла. Увеличение толщины металла требует большейконцентрации теплоты и соответственно большего угла наклонагорелки.

Горизонтальные и потолочные швы обычно выполняют, ис-пользуя правый способ сварки, обеспечивающий глубокое про-плавление сварного шва, а вертикальные швы ведут левым спосо-бом снизу вверх (для предотвращения стекания металла из сва-рочной ванны).

246

Применение флюсов улучшает качество газовой сварки за счетболee надежной зашиты сварного шва от окисления.

5.3.3. Аппаратура для газовой сварки

Ацетилен для питания сварочного поста подают из ацетилено-вых генераторов или баллонов. Переносные ацетиленовые генера-торы имеют небольшую массу и удобны в работе. Их можно ис-пользовать для питания сварочных постов на монтажных и строи-тельных площадках в любое время года, так как при взаимодей-ствии карбида кальция с водой выделяется теплота и ее достаточ-но, чтобы предотвратить замерзание воды.

По регулированию взаимодействия карбида кальция с водойацетиленовые генераторы подразделяются на несколько видов.Рассмотрим работу наиболее распространенного переносного аце-тиленового генератора (рис. 5.14) комбинированной системы «водана карбид — вытеснение». В генераторе расположена загрузочнаякорзина 8 с карбидом кальция. Вода для реакции поступает черезрегулятор 6 из бака 5, смонтированного в верхней части корпуса.Выделяющийся ацетилен проходит из реторты 7 в газосборник 2,а затем по трубе 4 через водяной затвор — в сварочную горелку.Если отбора ацетилена нет (сварка не ведется), то в газосборникеи реторте повышается давление, под действием которого водавытесняется из реторты в воздушную камеру 7, при этом регуля-тор автоматически закрывает подачу воды. При возобновленииотбора ацетилена давление снижается, вода поступает в реторту,смачивает карбид и выделение ацетилена возобновляется, при этомрегулятор снова начинает пропускать воду. Генератор снабженманометром и предохранительным клапаном 3.

В ацетиленовых генераторах применяют два типа предохрани-тельных устройств: для выпуска ацетилена в атмосферу при повы-шении давления сверх допустимого и защиты генератора от про-никновения пламени в газосборник при обратном ударе.

Обратным ударом называют проникновение фронта пламенивнутрь канала сопла горелки и распространение его навстречупотоку горючей смеси. Возможность обратного удара определяет-ся соотношением скоростей истечения смеси и ее воспламенения.Обратные удары возникают при чрезмерном нагреве горелки,малом расстоянии мундштука от поверхности нагрева, закупори-вании мундштука и других условиях. Предохранительные устрой-ства для защиты генератора от обратных ударов пламени пред-ставляют собой водяные предохранительные затворы.

По возможности сварочный пост следует укомплектовывать непереносным генератором, а баллонами с ацетиленом, так как онибезопаснее в обращении и ацетилен в них чище.

Вместимость стандартного ацетиленового баллона 40 л. Баллонзаполняется активированным древесным углем (пористая масса)и заливается ацетоном, в котором растворяется ацетилен. Это су-щественно снижает взрывоопасность газового баллона. Ацетиленхорошо растворяется в ацетоне (в одном объеме ацетона при дав-лении 0,16 МПа растворяется 23 объема ацетилена). Это позволяетпод давлением 1,9 МПа вместить в малом объеме баллона боль-шое количество ацетилена (около 5 м3). Ацетиленовые баллоныокрашивают в белый цвет с надписью красной краской «Ацети-лен».

Баллоны для хранения и транспортирования пропана и про-пан-бутановых смесей могут иметь разную вместимость. Чаще все-го используют баллоны вместимостью 50 л. В таком баллоне поме-щается около 23 кг газа при рабочем давлении 1,6 МПа. Газ вбаллоне находится в сжиженном состоянии. Баллоны для этих га-зов окрашивают в красный цвет.

Кислород поставляют потребителям в сжатом или сжиженномсостоянии. Сжатый кислород хранят и транспортируют в баллонахвместимостью 40 л, в каждом из которых помещается 6 м3 газапод давлением 15 МПа. Вентиль баллона имеет боковой штуцердля присоединения редуктора. На горловину баллона плотно на-сажено кольцо с наружной резьбой для навинчивания предохра-нительного колпака. На нижнюю часть баллона насаживают баш-мак, позволяющий ставить баллон вертикально. Кислородные бал-лоны окрашивают в голубой цвет, они имеют надпись чернойкраской «Кислород».

Для централизованного питания сварочных постов жидкийкислород поступает к ним по стационарным трубопроводам.

При работе с кислородными баллонами необходимо соблю-дать особую осторожность, так как некоторые вещества (жиры,

248

масла) в среде сжатого кислорода способны самовоспламе-няться.

Для снижения давления баллонного газа или кислорода до ра-бочего, при котором он поступает в горелку, и поддержания егона заданном уровне служат устанавливаемые на каждый из балло-нов редукторы. В зависимости от числа ступеней редуцированияредукторы бывают одно- и двухкамерные. Двухкамерные редукто-ры обеспечивают меньший перепад давления и более низкий пре-дел редуцирования. При обслуживании сварочного поста на бал-лоне укрепляется однокамерный редуктор.

Ацетилен и кислород смешивают в нужной пропорции в сва-рочных горелках, подавляющее большинство которых — инжек-торные (рис. 5.15). В горелку кислород под давлением 0,15...0,35 МПапоступает по шлангу через штуцер 8 и затем по трубке подачикислорода 7 в сопло инжектора 4. Выходя с большой скоростью изинжектора, кислород вызывает разрежение в трубке подачи аце-тилена 10, вследствие чего ацетилен засасывается через штуцер 9в смесительную камеру 13, где и образуется горючая смесь. Этасмесь после выхода из мундштука 1 образует сварочное пламя. Длярегулирования состава горючей смеси служат вентили 5 и 11, рас-положенные в корпусе 6. Наконечник 3 присоединяют к корпусугорелки при помощи накидной гайки 12, а мундштук к наконеч-нику — с помощью штуцера 2.

Горелку снабжают набором сменных наконечников, рассчи-танных на разный расход газа. Для сварки стальных листов толщи-ной 0,2...7 мм выпускают горелку малой мощности типа Г2-04;толщиной 0,5...30 мм — горелку средней мощности типа ГЗ-03.Первая из них может комплектоваться пятью сменными наконеч-никами, вторая — семью.

При зажигании сварочной горелки вначале необходимо открытьна четверть оборота вентиль подачи кислорода, а затем вентиль

249

подачи ацетилена и поджечь выходящую из наконечника смесьПосле этого приступить к регулировке сварочного пламени. Пригашении горелки вначале закрывают ацетиленовый вентиль, за-тем кислородный.

5.3.4. Огневая и электродуговая резка металлов

Огневая резка. Процесс сжигания металла в струе кислорода иудаление этой струей образующихся оксидов называется огневойрезкой. Сжигание железа в кислороде происходит с выделениембольшого количества теплоты Q по реакции

3Fe + 20, = Fe3O4 + Q

Газовая резка бывает газокислородной и кислородно-флюсовой.Газокислородная резка осуществляется с помощью обычного

газосварочного оборудования, только вместо сварочной горелкиприменяют резак, подающий газовую смесь для подогрева метал-ла и кислород для его сжигания.

Процесс газокислородной резки (рис. 5.16) начинается с на-грева металла заготовки 3 в начальной точке реза до температурывоспламенения данного металла в кислороде. Нагрев осуществля-ется подогревающим пламенем 2, которое образуется при сгора-нии горючего газа в кислороде. При достижении требуемой тем-пературы нагрева металла направляется струя режущего кислоро-

да /, которая, попадая на нагретый ме-талл, зажигает его. В процессе горенияметалла выделяется теплота, которая вме-сте с подогревающим пламенем разогре-вает нижележащие слои металла, в резуль-тате чего горение распространяется на всютолщину изделия, образуя в металле рез4. Полученные при сгорании металла ок-сиды 5, будучи в расплавленном состоя-нии, увлекаются струей режущего кисло-рода 7 резака и выдуваются из зоны резки.Если перемещать резак по заданной ли-нии с определенной скоростью, то фор-ма реза будет соответствовать заданнойконфигурации.

Таким образом, газовая резка состоитиз трех последовательных процессов: по-догрева заготовки, горения металла в сре-де кислорода и выдувания оксидов из ме-ста резки.

Газокислородным способом можно ре-зать только те металлы, у которых темпе-

250

ратypa воспламенения ниже температуры плавления, а темпера-тура плавления образующихся оксидов ниже температуры плав-

ления металла. Оксиды должны обладать хорошей жидкотекучес-тью и легко удаляться продувкой воздухом или струей кислорода.

Этим методом можно резать углеродистые стали с содержани-ем углерода до 0,7 % и низколегированные стали. При содержанииуглерода выше 0,7 % процесс газовой резки затруднен, так какПовышается температура плавления сплава. Содержание легирую-щих компонентов в сплаве не должно превышать 5 %.

Не поддаются газовой резке следующие сплавы: чугун, так кактемпература его плавления 1 150 °С, а температура воспламене-ния выше — 1 350 °С; высоколегированные хромистые и хромо-никелевые стали; сплавы цветных металлов, так как температураплавления их оксидов выше температуры плавления сплава.

Газокислородная резка может быть ручной и машинной. Дляручной резки применяют универсальный резак типа Р2А-02 (рис.5.17), имеющий комплект из шести сменных внутренних мундш-туков 12, обеспечивающих резку металла толщиной 3...5; 5...25;25...50; 50... 100; 100...200; 200...300 мм, и два наружных мундш-тука 13. Конструкция резака отличается от сварочной горелки тем,что наконечник образует прямой угол со стволом резака и имеет-ся дополнительная трубка /для подачи режущего кислорода. Мунд-штук резака имеет центральное отверстие для подачи режущегокислорода.

Машинную резку выполняют на автоматах и полуавтоматах,имеющих один или несколько резаков, позволяющих произво-дить резку по сложному контуру.

Существует три основных вида газокислородной резки: разде-лительная, поверхностная и резка кислородным копьем.

Разделительную резку применяют при раскрое листов, вырезкеотверстий и т.д.

Поверхностная резка — это грубая строжка металла. Ее приме-няют для удаления дефектов с поверхности отливок, вырезкиповерхностных канавок и т.д.

Резка кислородным копьем служит для прожигания глубоких от-верстий в заготовках.

Газокислородная резка является самым распространенным ви-дом обработки металлов газовым пламенем и находит широкоеприменение почти во всех областях металлургической и металло-обрабатывающей промышленности, в строительстве. Ее применя-ют при раскрое листовой стали, резке профильного металла, вы-резке косынок, кругов фланцев и других фасонных заготовок.

Кислородно-флюсовая резка предназначена для резки высоко-хромистых сталей и чугунов, которые не поддаются обычной кис-лородной резке. Процесс кислородно-флюсовой резки осуществ-ляется с введением в зону реакции порошкообразных флюсов,имеющих железную основу. При сгорании флюса в кислороднойструе выделяется дополнительное количество теплоты, повыша-ется температура в зоне реакции, разжижаются тугоплавкие ок-сиды. При использовании смеси железного порошка с флюсу-ющими добавками, кроме чисто термического действия порошкаи механического удаления оксидов, наблюдается и флюсование,т.е. перевод тугоплавких оксидов в более легкоплавкие соедине-ния.

Электродуговая резка. Для грубой резки металла, в основномна строительных объектах, применяется электрическая дуговаярезка. Сущность этой резки состоит в расплавлении металла элек-трической дугой от угольного или металлического электрода приповышенном на 30 % рабочем токе, в результате чего металл вы-текает из полости реза. Процесс малопроизводителен, но прост иуниверсален.

Применение металлических электродов с толстой обмазкойповышает качество резки, уменьшает ширину реза, делает болееровными кромки в месте реза.

Разновидностью электрической дуговой резки является воздуш-но-дуговая резка, при которой расплавленный металл непрерыв-но удаляется струей сжатого воздуха, поступающего в резак извоздушной магистрали. Этот способ можно использовать для раз-делительной и поверхностной резки листового и профильногопроката, удаления прибылей с отливок, головок заклепок, де-фектных участков сварных швов, трещин, раковин, а также дляразделки канавок и получения фасок. Процесс резки можно осу-ществлять в любых пространственных положениях. Качество резки(состояние поверхности реза) почти не уступает качеству газо-кислородной резки.

252

Для повышения производительности и улучшения качестварезки вместо воздуха может быть применен кислород, при этомиспользуются любые электроды. Скорость резки углеродистыхи низколегированных сталей толщиной до 30 мм составляет0,4...0,5 м/мин.

Плазменно-дуговую резку выполняют плазменной дугой и плаз-менной струей. Плазменно-дуговая резка заключается в интенсив-ном плавлении металла сжатой плазменной дугой и выдуваниирасплава газовым потоком. В качестве рабочих сред для плазмен-но-дуговой резки используют азот, аргон, сжатый воздух и их смеси.Применение плазменно-дуговой резки целесообразно для всехметаллов, особенно для цветных. Плазменно-дуговая резка — прак-тически единственный способ резки магниевых сплавов, а дляалюминиевых и медных сплавов она наиболее эффективна. Этимспособом разрезают толстые листы из алюминия и его сплавов,листы из высоколегированной стали и медных сплавов. Толщинаразрезаемого металла при ручной и полуавтоматической резкесоставляет 80... 100 мм, при автоматической — до 300 мм. В насто-ящее время применяется оборудование и для микроплазменнойрезки тонкого металла толщиной 1... 10 мм, а порой и менее 1 мм.

Основные преимущества процесса: высокая производительностьи чистота реза, снижение деформаций при резке металла малойтолщины.

Плазменной струей, полученной в столбе дугового разряда неза-висимой дуги, разрезают неэлектропроводные материалы (напри-мер, керамику), тонкие стальные листы, заготовки из алюмини-евых, медных и жаропрочных сплавов и т.д. При плазменной рез-ке используют аргон и его смесь с водородом, воздухом и други-ми газами.

Скорость резки плазменной дугой при прочих равных условияхвыше скорости резки плазменной струей. Плазменную резку вы-полняют специальным резаком — плазмотроном.

Электрическую дуговую резку и ее разновидности можно при-менять при работах под водой.

5.4. Сварка давлением (с применениемэлектрической энергии)

5.4.1. Контактная электрическая сварка

Сварка давлением — соединение заготовок, достигаемое путемсовместной пластической деформации контактирующих поверх-ностей. Пластическая деформация происходит в результате при-ложения внешнего усилия. Материал в зоне соединения, как пра-вило, нагревают для повышения его пластичности. В процессе де-

253

формации происходит смятие неровностей и разрушение оксидных пленок, в результате чего обеспечивается плотный контактмежду соединяемыми заготовками.

Одним из самых распространенных способов сварки давлени-ем с применением электрической энергии является контактнаяэлектрическая сварка.

Контактная электрическая сварка — процесс соединения ме-таллических деталей, осуществляемый при нагреве места их кон-такта электрическим током до пластического или жидкого состо-яния с приложением пластического деформирования усилиемсжатия, обеспечивающего взаимодействие атомов металла.

Контактная электрическая сварка — один из высокопроизво-дительных способов сварки. Она легко поддается механизации,автоматизации и широко применяется в машиностроении, стро-ительстве и других отраслях.

При всех видах контактной сварки металл нагревается за счетвыделения теплоты при прохождении электрического тока по сва-риваемым деталям. Количество выделяемой теплоты Q определя-ется законом Джоуля—Ленца:

где / — сварочный ток, A; R — сумма сопротивлений отдельныхучастков цепи, Ом; — время протекания тока, с.

Особенностью контактной сварки является применение крат-ковременных (доли секунды) импульсов сварочного тока боль-шой силы (иногда до 100 000 А) при напряжении 0,3... 10 В. Такойрежим сварки повышает производительность процесса, экономитэлектроэнергию, снижает возможность окисления контактирую-щих поверхностей, уменьшает зону термического влияния, по-зволяет управлять процессом тепловыделения и теплоотвода, т.е.процессами формирования сварного соединения.

Контактную электрическую сварку выполняют без примене-ния флюсов, так как нагрев электрическим током протекает быс-тро и, следовательно, период воздействия кислорода воздуха надетали невелик. При всех способах сварки давлением, кроме хо-лодной и взрывом, некоторая часть металла, примыкающая к местусоединения, нагревается до сравнительно высоких температурГлубина распространения этого нагрева зависит от теплоемкостьи теплопроводности металла соединяемых деталей. На участке ос-новного металла, непосредственно примыкающего к месту соеди-нения, могут происходить структурные изменения, характер ко-торых зависит от химического состава металла, температуры ивремени сварки, а также величины и особенностей механическо-го воздействия при том или ином способе сварки.

Величина усилия сжатия (осадки) при сварке оказывает не-посредственное влияние на возможность получения качественно-

254

го соединения. С ростом температуры нагрева места соединениядеталей необходимое усилие сжатия уменьшается.

По форме выполняемых соединений различают три основныхвида контактной сварки: стыковую, точечную и шовную (ролико-вую).

5.4.2. Контактная стыковая сварка

Контактную стыковую сварку разделяют на сварку сопротив-лением и сварку оплавлением.

При контактной сварке сопротивлением детали надежно за-крепляют, а затем сводят до соприкосновения и включают ток. Засчет разогревало пластического состояния в месте соприкоснове-ния детали взаимно сближаются, в результате чего происходитпроцесс их сварки. Этот способ может быть использован для свар-ки изделий из стали, меди и латуни небольшого компактного се-чения (круг, квадрат) — обычно до 250 мм2 (проволока, прутки,толстостенные трубы малого диаметра и др.).

Наибольшее применение имеет сварка оплавлением. Этим спо-собом можно соединять детали как компактного сечения, так и сразвитым периметром (различные профили, тонкостенные тру-бы, тонкие и широкие листы). Этот способ сварки не требует тща-тельной подготовки кромок свариваемых изделий. После включе-ния тока детали сводят до соприкосновения, в результате чего вместах их контакта при высокой плотности тока происходит оп-лавление. При последующем сближении деталей происходит оп-лавление всего стыка. Прилегающий к стыку металл нагреваетсядо пластического состояния, после чего осуществляется его осад-ка. В процессе осадки из места стыка выдавливается жидкий ме-талл, вместе с которым удаляются оксиды и загрязнения. В резуль-тате полного удаления оксидов удается получить стабильные ре-зультаты по качеству образовавшегося сварного шва.

Свариваемые детали, подлежащие стыковой сварке, должныбыть рационально сконструированы. Для обеспечения одинаково-го нагрева их форма и размеры сечения вблизи стыка должныбыть примерно одинаковыми. Допустимое различие по диаметру15 %, по толщине — 10 %.

Соединяемые торцы заготовок должны быть перпендикулярныих оси. Качество поверхности свариваемых деталей должно бытьДостаточно высоким, особенно при сварке сопротивлением, длячего обязательна механическая обработка торцов, а для сваркиоплавлением достаточна обработка торцов газовой или плазмен-ной резкой. Для улучшения электрического контакта поверхностьсоединяемых деталей на установочной длине и в местах зажимагубками машины тщательно зачищают. Зачистку выполняют ме-ханическими способами или травлением.

255

Различают два вида сварки оплавлением: с непрерывным оплов-лением и оплавлением с подогревом. Последний вид применяют длясталей, способных быстро закаливаться. Предварительный подо-грев таких сталей способствует более равномерному их нагреву инекоторому снижению скорости охлаждения (для сталей типаЗОХГСА, инструментальных сталей и др.).

При стыковой сварке деталей из сплавов цветных металлов восновном применяют сварку сопротивлением, причем плотностьтока выбирают в несколько раз больше плотности тока, применя-емой при сварке стали. Мощность стыковых машин выбирают израсчета 0,12...0,15 кВ-А/мм2 сечения свариваемых деталей. Присварке изделий с замкнутым контуром мощность увеличивают в2 раза. Напряжение сварочного тока равно 5... 15 В, а давление,создаваемое при осадке, — 15...50 МПа.

В зависимости от мощности, назначения и программы выпускаизделий применяются ручные и автоматические стыковые машины.

5.4.3. Контактная точечная сварка

Контактная точечная сварка (рис. 5.18) — способ контактнойсварки, при котором детали свариваются по отдельным ограни-ченным участкам касания. При точечной сварке детали 1 (рис. 5.18,а, б) собирают внахлест, сжимают с усилием электродами 2, ккоторым подключен источник электрической энергии (трансфор-матор). При кратковременном прохождении тока детали нагрева-ются до образования зоны взаимного расплавления деталей, на-зываемой сварочной точкой 3. Одновременно образуется прилега-ющая к ядру зона пластического состояния, в которой за счетнагрева со стороны зоны сварки происходит пластическая дефор-мация металла. После отключения тока расплавленный металл вядре быстро кристаллизуется, а затем отводятся электроды.

Электроды должны обладать высокой электро- и теплопровод-ностыо, сохранять необходимую прочность при температуре до

400°С. Их изготовляют полыми из холоднокатаной электролити-ческой меди или сплавов на ее основе. Во время сварки электродыизнутри охлаждаются водой.

Точечная сварка бывает двух- и односторонней. В первом слу-чае (рис. 5.18, а) электроды 2 подводят к двум деталям, а во вто-

ром- к одной из деталей 1 (рис. 5.18, б). Для повышения плотно-сти тока в точках касания деталей нижнюю деталь прижимают кмедной плите 4, которая одновременно выполняет роль опоры.

Циклограмма точечной сварки приведена на рис. 5.18, в. Про-цесс сварки протекает в три этапа: I — предварительный прижимзаготовок; II — разогрев до появления жидкой сварочной точки;III — осадка (прижим заготовок и выдержка).

В массовом производстве для повышения производительностиприменяют многоточечную сварку.

Рельефная сварка — одна из разновидностей точечной сварки.Для получения рельефной сварки на поверхности одной из дета-лей предварительно формируют выступ — рельеф, который огра-ничивает начальную площадь контакта деталей, в результате чегопри сварке в этой зоне повышается плотность тока и скоростьтепловыделения. При нагреве рельеф детали постепенно дефор-мируется и на определенной стадии сварки образуется соедине-ние, как при обычной точечной сварке. Часто на поверхности де-тали выполняют несколько рельефов или один протяженный вы-ступ замкнутой формы (например, в виде кольца), в результатепосле прохождения сварочного тока получают одновременно не-сколько точек или непрерывный плотный шов {контурнаярельеф-ная сварка).

5.4.4. Контактная шовная сварка

Контактная шовная сварка (рис. 5.19) — способ получениягерметичного соединения (шва) путем образования ряда пере-крывающихся по длине сварных точек. Для получения шва подго-товленные полосы толщиной до 4 мм пропускают между враща-ющимися роликами-электродами машины, через которые про-ходит электрический ток. Роликовая (шовная) сварка, как и то-чечная сварка, может быть двухсторонней (рис. 5.19, а) и одно-сторонней (рис. 5.19, б).

Роликовую сварку выполняют непрерывной, прерывистой (им-пульсной) и шаговой.

При непрерывной сварке (рис. 5.19, в) детали перемещаютсянепрерывно, а к электродам постоянно поступает ток. При этомповерхность свариваемых деталей сильно перегревается, электро-ды быстро изнашиваются, что ухудшает качество сварки.

257

При прерывистой сварке (рис. 5.19, г) детали перемещаютсянепрерывно, а ток к электродам поступает периодически.

При шаговой сварке в момент включения тока детали непо-движны. После затвердевания сваренного участка изделия проис-ходит его перемещение на определенный шаг.

Короткие швы сваривают от одного конца листа к другому, адлинные — от середины к концам. Роликовую сварку проводят напеременном токе силой 2000...5000 А, диаметр роликов можетбыть 40...350 мм, усилие сжатия свариваемых деталей роликамидостигает 6 кН, скорость сварки 0,5...3,5 м/мин.

Шовную сварку применяют для соединения деталей из низко-углеродистых и легированных сталей, алюминиевых и магниевыхсплавов, некоторых медных и титановых сплавов.

Разновидностью этого способа сварки является шовно-стыко-вая сварка для труб с продольным сварным швом. Диаметры труб,свариваемых этим видом сварки, могут быть более метра.

Машины для контактной сварки подразделяются, как и спо-соб сварки на стыковые, точечные и шовные. Они могут быть ста-ционарными и переносными. Стационарные машины бывают одно-и многоточечными, последние одновременно сваривают до 50 то-чек при производительности до 200 точек в минуту.

Сварочные машины имеют три основных узла: источник тока,прерыватель тока и механизм давления. Машины могут быть меха-низированными и автоматическими. Мощность машин достигает600 кВ -А, плотность тока не менее 120 А/мм2, вторичное напря-жение 1... 12 В, давление между электродами 20... 120 МПа.

Мощность N (кВ • А) сварочной машины определяют по формулеN=ks,

где к — коэффициент, равный 8...25 (в зависимости от сваривае-мого материала); s — суммарная толщина листов, мм.

258

Рассмотренные в подразд. 5.4.1 — 5.4.4 способы контактной свар-ки основаны на использовании импульсного тока в момент свар-

ки, что создает значительные трудности для питающей электри-ческой сети. Стремление создать для сети более благоприятныеусловия работы побудило к созданию сварки аккумулированнойэнергией — конденсаторной сварки.

Конденсаторная сварка — разновидность точечной или шовнойсварки, при которой электрическая энергия накапливается в ба-тарее конденсаторов, а затем происходит либо непосредственныйразряд конденсаторов на свариваемые элементы, либо на первич-ную обмотку сварочного трансформатора. Первый способ приме-няется для сварки проволоки и тонких стержней, второй — приточечной и шовной сварке.

При конденсаторной сварке импульс сварочного тока оченькороткий — сотые доли миллисекунды. Выделяющаяся за времяимпульса теплота не успевает отводиться на значительную глуби-ну в процессе теплопередачи. Поэтому на конденсаторных маши-нах целесообразно сваривать только тонкие материалы (до 2 мм).На таких машинах легко приваривать тонкий материал к массив-ному изделию.

Для сварки изделий толщиной менее 0,1 мм конденсаторнаясварка практически незаменима. Кратковременность сварки сво-дит к минимуму нагрев изделия, его деформацию и ширину зонытермического влияния. Поэтому такая сварка применима для со-единения деталей из многих материалов — алюминия, меди, ни-келя и сплавов на их основе, различных сталей, вольфрама, мо-либдена и др.

Относительно длительное накопление энергии в конденсато-рах позволяет резко снизить установленную мощность машины.При толщине свариваемого металла до 1 мм установленная мощ-ность конденсаторной машины в 50— 1 000 раз меньше, чем обыч-ной точечной, и может составлять 0,5...0,7 кВ -А.

С увеличением толщины свариваемого материала разница вмощности конденсаторной и обычной машин уменьшается, приэтом сварка на обычной контактной машине становится болеенадежной. Как правило, применение конденсаторной сварки длятолщины свариваемого материала более 2 мм нерационально.

Электрический режим конденсаторной сварки легко регулиро-вать в широких пределах изменением энергии, амплитуды и дли-тельности импульса.

Энергию импульса меняют переключением числа включенныхконденсаторов и ступеней сварочного трансформатора. Этот спо-соб сварки наравне с лазерной сваркой применяют для соедине-ния мелких деталей.

259

5 . 5 . К о н т р о л ь к а ч е с т в а и в и д ы б р а к а п р и с в а р к е

5 . 5 . 1 . Напряжения и деформации при сварке

Дефекты в сварных соединениях могут возникнуть по различ-ным причинам: в результате термических напряжений и последу-ющей деформации в сварном шве; при несоблюдении электри-ческих параметров работы сварочных аппаратов; при использова-нии материалов электродов, не соответствующих химическому со-ставу свариваемых изделий, и т.п. Некоторые вопросы были ужерассмотрены в данной главе. Остановимся на видах дефектов свар-ки, образующихся в результате напряжений и деформаций в свар-ном шве, и контроле качества сварных соединений.

Процесс сварки всегда сопровождается неравномерным нагре-вом изделия. Зоны металла, прилегающие к сварному шву, в про-цессе сварки нагреваются до высоких температур, а затем охлаж-даются по мере распространения теплоты в массе изделия. В ре-зультате местного нагрева и последующего охлаждения происхо-дят изменения в металле, приводящие к возникновению в немвременных и остаточных деформаций и напряжений.

Основные причины, вызывающие напряжения и деформациипри сварке, следующие: неравномерный нагрев, усадка наплав-ленного металла при переходе его из жидкого состояния в твер-дое; структурные изменения наплавленного или основного ме-талла в зоне термического влияния, сопровождающиеся измене-нием объема металла.

Напряжения, возникающие в результате изменения структурыметалла, имеют большое значение только для сталей, склонных кзакалке (особенно легированных), так как образование мартенси-та при закалке сопровождается увеличением объема металла. Этинапряжения могут суммироваться в отдельных участках сварногосоединения. При ослаблении связей между зернами в этих местахпоявляются трещины.

Величина деформаций и напряжений в значительной степенизависит также от формы деталей, их размеров и зоны нагрева присварке. Менее выраженные напряжения и деформации возникаютв деталях, простых по форме и при сварке электрической дугой.Газовая сварка вызывает повышенные деформации вследствиебольшой зоны термического влияния.

К основным мерам борьбы с напряжениями, возникающимипри сварке, относятся предварительный подогрев изделий передсваркой, замедленное охлаждение после сварки, отжиг стальныхизделий при 550...650°С, легкая проковка шва ударами молоткапри получении многослойных швов, после чего могут образовать-ся мелкие трещины, которые завариваются последующими нава-ренными слоями.

260

Для борьбы с деформацией металла при сварке рекомендуется:применять обратноступенчатый порядок нанесения швов, прикотором длинный шов делится на участки длиной 150...200 мм исварка ведется отдельными участками, что в результате препят-ствует концентрации теплоты в одном месте и уменьшает зонуразогрева изделия; деформировать детали перед сваркой в обрат-ном направлении на ту же величину, которая вызывается свар-кой; уравновешивать деформации, т.е. выбирать такой порядокналожения швов, при котором последующий шов вызывал быдеформации, обратные тем, которые получились при наложениипредыдущего шва; увеличивать отвод теплоты от свариваемого из-делия для уменьшения объема нагретого металла и соответствен-но его деформации, что достигается охлаждением частей деталипри погружении их в воду или применением медных подкладокпод деталь; жестко закреплять элементы при сварке различныхузлов в специальных приспособлениях. Последний способ, хотя иуменьшает деформацию, но увеличивает внутренние напряжения,которые устраняются последующим отжигом.

5.5.2. Дефекты в сварных соединениях и методыих контроля

Дефекты в сварных соединениях делятся на наружные и внут-ренние (рис. 5.20). К наружным дефектам относят:

отклонение изделий от заданных форм;отклонение размеров шва;смещение сваренных кромок;прожог — местное сквозное проплавление свариваемых дета-

лей (большая сила тока, недостаточная толщина металла, малаявеличина притупления кромок);

пережог — окисление металла шва и прилегающего к нему ос-новного металла (сильно окислительная среда, большая длинадуги, замедленное движение источников нагрева, интенсивныйрежим сварки);

наплывы на швах — образуются при неверно выбранных режимеи скорости сварки;

подрезы — углубления вдоль шва в основном металле (неравно-мерная подача присадочного прутка, неправильное положениеэлектрода или горелки, избыток подводимой теплоты);

наружные непровары и несплавления — отсутствие сплошногосоединения между основным и наплавляемым металлом или не-полная глубина проникновения наплавляемого металла в основ-ной металл (неверно выбран режим сварки);

поверхностные трещины — образуются при больших усадочныхнапряжениях или жестком сверх меры закреплении соединяемыхэлементов;

261

поверхностные поры — появление свищей, газовых пузырей (на-личие газов в металле, воды в обмазке электродов или флюсе,продуктов коррозии в месте сварки).

В конце шва и в месте обрыва дуги могут образовываться углуб-ления — кратеры. Кратеры необходимо заваривать, так как ониуменьшают сечение шва и могут стать местом зарождения трещи-ны. В особо ответственных случаях металл шва на участке с крате-ром следует удалять механически.

Некоторые наружные дефекты шва, получаемые при сварке,показаны на рис. 5.20, а, б.

Внутренние дефекты. Скрытые трещины и поры, внутренниенепровары (рис. 5.20, в, г) и несплавления, а также присутствиенеметаллических включений — это основные внутренние дефек-ты сварных соединений.

Трещины как наружные, так и внутренние представляют собойместное разрушение (разрыв) в сварном шве и прилегающих кнему зонах. Трещины наиболее опасны и всегда являются недопу-стимым дефектом.

Поры — округлые или вытянутые полости, заполненные газом.Они могут быть микроскопическими и крупными (4... 6 мм). Порыобразуются в швах или на границе сплавления с основным метал-лом вследствие быстрого остывания сварочной ванны, насыщен-ной газами. При этом газы не успевают достичь поверхности. Порымогут распределяться в шве отдельными группами в виде цепочкивдоль шва или в виде отдельных включений. Иногда образуютсясквозные поры, так называемые свищи.

В аппаратуре, работающей под давлением и в вакууме, поры вответственных деталях конструкций недопустимы. Однако в дру-гих конструкциях, в том числе строительных, поры не являютсясерьезным дефектом. Основная причина пор при сварке строи-

262

тельных сталей — плохое раскисление сварочной ванны. Причи-ной пористости также может быть повышенное содержание водо-рода в шве из-за использования отсыревших электродов или флю-сов, а также наличия ржавчины, влаги, масел, краски на свари-ваемых кромках или сварочной проволоке.

Неметамические включения — дефект в виде инородной части-цы в металле шва. Различают шлаковые, флюсовые, оксидные идругие неметаллические включения. Шлаковые включения, напри-мер, образуются в результате плохой очистки кромок свариваемыхдеталей, а также недостаточно полного удаления шлака при мно-гослойной сварке.

Влияние дефектов на прочность сварных соединений обуслов-лено главным образом уменьшением их рабочего сечения и кон-центрацией напряжений.

При контроле качества сварных изделий применяют следую-щие способы выявления дефектов:

• внешний осмотр и проверка шва. Этим способом выявляют под-резы, раковины, свищи, трещины, поры, незаплавленные мес-та, неравномерность шва и несоответствие его размеров;

• механические и технологические испытания свойств наплав-ленного металла и сварного соединения;

• гидравлические испытания — для деталей, работающих поддавлением;

• испытания сжатым воздухом — для определения плотности ипрочности изделия;

• керосиновая проба, при которой одну сторону соединения по-крывают мелом, а другую керосином. Если керосин смачивает мел,то это указывает на наличие внутренних дефектов сварки;

• рентгеновское просвечивание шва, основанное на различномпоглощении лучей металлом и неметаллическими веществами. Этимспособом обнаруживают поры, раковины, трещины, непровары,шлаковые включения;

• ультразвуковой метод, основанный на способности различ-ных сред по-разному отражать ультразвуковые волны. Выявляютдефекты в виде неметаллических включений в сварном шве в де-талях толщиной до 5 мм;

• магнитные методы, основанные на разности рассеивания маг-нитных потоков в дефектных и сплошных местах изделия. Выявля-ют мелкие трещины и поры шва;

• испытания аммиаком. Изделия, имеющие внутренние полос-ти, заполняют сжатым воздухом с добавлением 1 % аммиака, аШвы обертывают бумагой, пропитанной 50%-ным раствором азот-нокислой ртути. При наличии неплотности в шве на бумаге появ-ляются черные пятна;

• люминесцентный метод. Деталь погружают на 20...30 мин всмесь керосина и масла, а затем вытирают насухо и погружают в

263

порошок магнезии, прилипающей в местах появления масла (наместе трещин);

• металлографический контроль. Определяют макро- и микро-структуру металла, а также выявляют поры, трещины, раковинынепровары и другие дефекты сварного шва.

5.6. Пайка металлов и сплавов

5.6.1. Припои и флюсы

Пайка — процесс соединения металлических деталей в твер-дом состоянии с помощью присадочного сплава (припоя). Припайке плавится лишь присадочный материал, который имеет тем-пературу плавления ниже температуры плавления основного ме-талла. В этом отличие пайки от сварки.

Для получения прочного соединения необходимо, чтобы при-пой хорошо смачивал поверхность металлов, подвергаемых пай-ке, обладал хорошим взаимодействием с ними и образовывал сними растворы. Чем больше степень взаимной диффузии междурасплавленным припоем и металлами, тем выше механическаяпрочность соединения деталей. Кроме того, прочность пайки за-висит от чистоты поверхности в месте соединения деталей, длячего их поверхности предварительно очищают, обезжиривают иудаляют с них оксиды.

Пайка по сравнению со сваркой плавлением имеет некоторыепреимущества. Во многих случаях пайка экономичнее сварки. Пайкане вызывает существенных изменений химического состава и ме-ханических свойств соединяемых деталей. Остаточные деформа-ции в паяных соединениях меньше по величине, чем в сварных,что позволяет с большей точностью соблюдать размеры изготов-ляемых конструкций.

При помощи пайки можно соединять детали из углеродистой илегированной сталей всех марок, цветных металлов и сплавов, атакже из разнородных металлов и сплавов.

Пайка имеет широкое применение во всех отраслях промыш-ленности, так как с ее помощью при минимальных затратах вре-мени и средств можно восстанавливать поврежденные детали иизготовлять новые изделия. В то же время прочность паяных соеди-нений ниже сварных.

Припои должны отвечать следующим требованиям: высокаямеханическая прочность в условиях нормальных, высоких и низ-ких температур; хорошие электро- и теплопроводность; герме-тичность; стойкость против коррозии в паре с основным метал-лом; жидкотекучесть при температуре пайки; хорошее смачива-ние основного металла; определенные для данного припоя тем-

264

пература плавления и величина температурного интервала крис-таллизации.

В зависимости от температуры плавления и прочности приме-няемых припоев различают низкотемпературную и высокотемпе-ратурную пайку. В связи с этим для пайки применяют припои двухвидов: мягкие с низкой температурой плавления (до 450 °С) ималой механической прочностью соединения; твердые с высокойтемпературой плавления (500... 1300 °С) и большой механическойпрочностью соединения.

К мягким припоям относят сплавы на оловянной, свинцовой,кадмиевой, висмутовой и цинковой основах, которые применя-ют в том случае, когда паяный шов должен обеспечить герметич-ность соединения при сравнительно невысокой механическойпрочности (предел прочности шва 30... 100 МПа).

К твердым припоям относят сплавы на медной, серебряной,алюминиевой, магниевой и никелевой основах, которые приме-няют для получения прочных паяных швов, предел прочностикоторых достигает 700 МПа. Твердыми припоями можно паять медь,латунь, бронзу, сталь, чугун и другие сплавы, кроме алюминия иего сплавов.

Припой марки ПОС-90 (80...90% Sn) применяют для пайкивнутренних швов пищевой посуды и медицинской аппаратуры,т.е. в тех условиях, когда требуется высокая коррозионная стой-кость шва. Припой марки ПОС-40 используют для пайки латуни,стали и сплавов на медной основе. В этих марках припоев букваП — означает «припой», О — олово, С — свинец, а цифра —максимальное содержание олова в процентах.

Универсальным припоем для изделий из различных металловявляется припой марки ПОС-30 (30 % Sn, 2 % Sb). Припой маркиПОС-18 (18% Sn, 2% Sb) применяют для пайки свинца, цинка,оцинкованного железа, латуни. Для экономии дефицитного оловаприменяют припой марки ПОС-4-6 (4 % Sn, 6 % Sb).

Для пайки алюминия и его сплавов оловяно-свинцовые при-пои не применяют вследствие того, что свинец резко снижаеткоррозионную стойкость швов алюминиевых деталей. Пайку алю-миния и его сплавов выполняют мягкими припоями на основеолова и цинка с добавкой кадмия (55 % Sn, 25 % Zn, 20 % Cd или40 % Zn и 60 % Cd).

Легкоплавкие висмутовые припои (9,6 % Sn, 45,1 % Pb, 45,3 %Bi) плавятся при температуре 79 "С. Их применяют в тех случаях,когда не требуется высокая прочность шва, а изделие работаетпри температуре не выше 4О...5О°С.

Пайка твердыми медно-цинковыми припоями марок ПМЦ-36(34...38% Си) и ПМЦ-54 (54...56% Си) применима почти длявсех сплавов, но присутствие значительного количества цинка при-дает паяному шву хрупкость.

265

Прочные соединения получаются при пайке серебряными при-поями, причем наиболее надежное соединение образуется притолщине слоя припоя 0,03...0,08 мм.

Для пайки титана и его сплавов применяют припой на основетитаноникелевых сплавов, а также серебряные припои, напримерПСР-45 (30 % Си, 45 % Ag, 25 % Zn).

Флюсы при пайке предназначены для растворения и удале-ния оксидов с поверхности соединяемых деталей, а также дляулучшения смачиваемости и растекания припоя. В качестве флю-са обычно используют канифоль. Иногда для повышения актив-ности флюса в канифоль добавляют анилин, салициловую кис-лоту и т.д. Канифоль в чистом виде и с добавкой анилина имеетповышенную активность, не вызывает коррозии шва и металласоединяемых деталей. В качестве флюса применяют также стеа-рин, соляную кислоту, хлористый цинк, нашатырь, фосфорнуюкислоту и др.

Для пайки алюминия и его сплавов применяют специальныефлюсы, состоящие из хлористых солей калия, натрия, лития ицинка. Эти флюсы, растворяя оксиды алюминия, очищают по-верхность изделия и тем самым создают условия для протеканияследующей реакции:

3ZnCl2 + 2A1 = 2А1С13 + 3Zn

Выделение в результате этой реакции газообразного хлористо-го алюминия способствует окончательной очистке поверхностиизделия, которая при этом покрывается слоем расплавленногоцинка, обеспечивающего хорошее растекание припоя. Остаткифлюса удаляют с поверхности изделия путем тщательной про-мывки горячей водой.

При высокотемпературной пайке используют флюсы, компо-нентами которых могут быть бура, борная кислота, хлорид цин-ка, фторид калия и другие галоидные соли щелочных металлов.Например, для пайки коррозионно-стойкой стали применяютфлюс, состоящий из равных частей буры и борной кислоты, за-мешенных на водном растворе хлористого цинка. При пайке се-ребряным припоем применяют флюс из буры и добавок плавико-вого шпата, фторида калия или хлорида цинка.

5.6.2. Способы пайки

Перед пайкой мягким (низкотемпературным) припоем поверх-ность, подлежащую соединению, тщательно очищают. Кроме раз-личных способов механической очистки, иногда производят обез-жиривание в органических растворителях. Затем следует сборкадеталей с таким расчетом, чтобы зазоры между ними были неболее 0,2 мм, а затем следует сам процесс пайки.

266

При пайке твердыми (высокотемпературными) припоями ранееподготовленные к пайке и обработанные флюсом части изделийнагревают вместе с припоем до температуры его плавления.

При пайке применяют два типа соединений — внахлестку истыковое, которые являются основными. Остальные виды соеди-нения представляют комбинации основных. Стыковое соедине-ние применяется при изготовлении неответственных паяных со-единений, внахлестку — в случаях более жестких требований понесущей способности и герметичности.

По условиям заполнения зазора припоем пайку можно разде-лить на капиллярную и некапиллярную. При капиллярной пайкевначале производят сборку деталей. При нагреве припой расплав-ляется, заполняет зазор между соединяемыми поверхностями де-талей и удерживается в нем за счет капиллярных сил.

Наиболее широко используемые способы нагрева деталей пе-ред пайкой: в печах сопротивления, газопламенных печах, нагре-тым паяльником, в соляных ваннах, в расплаве припоя (погруже-нием). Достаточно часто применяют также нагрев в индукцион-ных печах токами высокой и промышленной частоты, радиаци-онный нагрев, в контактных (сварочных) машинах, в электроли-тических ваннах, газовыми горелками, паяльными лампами.

Пайка в печах производится нагревом подготовленных дета-лей, т.е. собранных с наложенным на место спая припоем. Дляпредохранения деталей от окисления и оказания флюсующегодействия в печах создают специальную газовую атмосферу.

Индукционная пайка состоит в том, что подготовленные дета-ли, подлежащие пайке, вводят в магнитное поле индуктора, пи-таемого током высокой или промышленной частоты. Энергия,необходимая для нагрева деталей и припоя до температуры пай-ки, выделяется за счет индуцируемого тока.

Пайка сопротивлением происходит за счет тепловой энергии,выделяемой при прохождении тока через паяемые детали (в ма-шинах для контактной сварки и других устройствах).

Пайка погружением производится нагревом паяемых деталей иприпоя в ваннах с расплавом солей. При пайке нагревом подго-товленные к пайке детали полностью или частично погружаютсяв расплавленный припой.

Радиационный нагрев паяемых деталей осуществляется мощ-ными кварцевыми лампами, расфокусированным электроннымлучом или мощным лазером.

При пайке горелками используют газосварочные горелки, плаз-менные горелки косвенного действия, электрическую дугу кос-венного действия, горящую между угольными электродами, а такжепаяльные лампы и паяльники.

Рабочую часть паяльников изготавливают из прутка меди, ко-нец должен иметь клиновидную форму. Особенно удобны в работе

267

паяльники с электрическим нагревом. Сам процесс мягкой пайкизаключается в нагреве паяльником до 250...300°С места соедине-ния очищенных, покрытых флюсом и плотно прижатых друг кдругу деталей при помощи паяльника. Рабочая кромка паяльникадолжна быть предварительно облужена припоем. В процессе пайкиодновременно производят подачу и расплавление припоя.

В некоторых случаях пайку металлов механизируют и автомати-зируют. К таким методам пайки можно отнести контактную пайкус нагревом токами высокой частоты, пайку электрической дугой,пайку с погружением в расплавленный припой и др.

ГЛАВА 6

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

6 . 1 . Общие сведения

6.1.1. Основные виды механической обработки металлов

Практически все детали машин и механизмов приобретаютокончательные форму и размеры, заданные чертежом, только послемеханической обработки резанием. До обработки будущая детальназывается заготовкой. В процессе обработки с нее необходимоудалить лишний металл, называемый припуском на механическуюобработку.

Обработка конструкционных материалов резанием представ-ляет собой совокупность действий, направленных на изменениеформы и размеров заготовки путем снятия с нее припуска на ме-ханическую обработку инструментом металлорежущих станков иобеспечение заданной точности и шероховатости поверхностиполучаемой детали.

В зависимости от формы и качества поверхности получаемых де-талей, предъявляемых к ним требованиям обработку заготовок мож-но производить различными механическими способами: точением,фрезерованием, строганием, сверлением, протягиванием, шлифо-ванием и др. Каждый из способов обработки осуществляется на со-ответствующем оборудовании и имеет свою область применения.

Широкое применение получила технология обработки загото-вок путем использования высокопроизводительных станков, при-способлений и современных режущих инструментов из быстроре-жущих материалов. Это позволяет значительно повысить произво-дительность, улучшить качество деталей при одновременном сни-жении себестоимости их механической обработки.

Изучение особенностей процессов, протекающих в ходе обра-ботки материалов резанием, совершенствование конструкции ре-жущих инструментов, приспособлений и металлорежущих стан-Ков особенно важно как для рационального управления процес-сами резания, так и для разработки и внедрения более совершен-ных технологических процессов производства деталей для совре-менных машин.

Методы обработки металлов резанием различаются между со-бой конструкцией используемого режущего инструмента и харак-

269

тером относительных движений, совершаемых инструментом иобрабатываемой заготовкой на металлорежущем станке. Требуе-мый контур детали получается в результате сочетания определен-ных движений инструмента и заготовки. Классификация методовобработки поверхностей деталей резанием учитывает кинемати-ческие признаки (по принципу сочетания движений заготовки иинструмента) и признаки, определяющие сущность данного ме-тода обработки — условия стружкообразования (физические осо-бенности процесса резания). В соответствии с этим принципомвсе виды обработки резанием разделяют на пять групп: точениесверление, фрезерование, шлифование и строгание. Процесс об-работки в этих группах происходит при различном сочетании дви-жений детали и заготовки.

Для осуществления процесса обработки режущему инструмен-ту и заготовке необходимо сообщить движения относительно другдруга, которые подразделяются на основные, установочные и вспо-могательные.

Движения, при которых с заготовки срезается припуск илиизменяется состояние обработанной поверхности, называютсяосновными или движениями резания. Основных движений два: глав-ное движение и движение подачи.

Отличительным признаком каждой группы являются вид инаправление главного движения или движения резания, в про-цессе которого происходит срезание припуска.

Главное движение, определяющее скорость резания, являетсялибо вращательным, либо прямолинейным. Главное движениесообщается заготовке или режущему инструменту, а в ряде случа-ев одновременно заготовке и режущему инструменту. Главное дви-жение определяет скорость отделения стружки. Скорость главногодвижения резания (рабочего движения) и подача обозначаютсясоответственно v и s.

Движения, определяющие величину срезаемого слоя, являют-ся движениями подачи. Движение подачи обеспечивает возможностьнепрерывного врезания режущего инструмента в новые слои ме-талла и снятия стружки со всей обрабатываемой поверхности. Су-ществуют следующие виды подачи: продольная (snp), поперечная(sn), круговая (sKp) и другие — окружная, тангенциальная. Основ-ные виды обработки металлов резанием показаны на рис. 6.1.

При точении (рис. 6.1, а) заготовка совершает вращательноедвижение (движение резания — Д), а режущий инструмент (ре-зец) — поступательное вдоль оси заготовки (движение подачи —Д). При точении как наружных, так и внутренних поверхностейвращения главным движением является вращение вокруг оси де-тали.

При сверлении (рис. 6.1, б) в большинстве случаев режущемуинструменту (сверлу) сообщаются одновременно два движения:

270

вращательное (движение резания — Д.), которое является глав-ным движением, и прямолинейное поступательное (движениеподачи — Д.); при этом заготовка в процессе резания остаетсянеподвижной.

При фрезеровании (рис. 6.1, в) режущий инструмент (фреза)получает вращательное движение Д., которое является главным(движение резания), а заготовка — поступательное перпендику-лярно оси вращения инструмента Д (движение подачи).

При шлифовании (рис. 6.1, г) режущий инструмент (шлифо-вальный круг) получает вращательное движение Д (движениерезания), а заготовка — прямолинейное движение подачи Д икруговое движение подачи D's (при шлифовании цилиндрическихповерхностей) и прямолинейную подачу Д (при шлифованииплоскостей). Методы шлифования характеризуются специфичес-кими особенностями работы абразивного инструмента.

При строгании на поперечно-строгальных станках (рис. 6.1, д)Движение прямолинейное возвратно-поступательное (движениеРезания Д) сообщается резцу, а движение подачи Д — заготов-ке. При работе на продольно-строгальных станках движение ре-зания сообщается обрабатываемой детали, а движение подачи —Резцу.

271

Методы точения характеризуются непрерывностью процессрезания при обработке поверхностей. Методу фрезерования ха-рактерна прерывистость процесса резания и образования струж-ки, толщина которой меняется от нуля до некоторой максимальной величины, и наоборот.

Строгание — промежуточный процесс между точением и фре-зерованием. Его можно рассматривать как частный случай точе-ния с постоянной толщиной среза, но с перерывами в работе приобработке поверхностей вращения и плоскостей, когда главноедвижение направлено вдоль образующей к обрабатываемой по-верхности.

Строгание можно рассматривать и как частный случай фрезе-рования при обработке поверхностей вращения и винтовых по-верхностей, когда главное движение направлено по касательнойк обрабатываемой поверхности.

В зависимости от характера выполняемых работ и вида приме-няемого режущего инструмента главное движение и движениеподачи определяют методы обработки заготовок и вместе с нимигруппы применяемых металлорежущих станков.

Из рассмотренных основных видов обработки металлов реза-нием следует, что при работе любого металлорежущего станканеобходимо иметь два основных вида движения: главное движе-ние (резания) и движение подачи. Кроме этих движений, такженеобходимы дополнительные движения: установочные и вспомо-гательные.

Прежде чем приступить к срезанию припуска с заготовки, не-обходимо установить режущий инструмент и заготовку в опреде-ленном взаимном положении. Те движения, которые необходимодля этого выполнить, называются установочными.

Для обеспечения процесса обработки необходимо также за-креплять и раскреплять заготовки и инструменты, включать и вы-ключать станок, измерять детали и т.д. Такие движения называ-ются вспомогательными.

6.1.2. Способы образования поверхности детали

Пространственную форму детали определяет сочетание различ-ных поверхностей. Для облегчения обработки заготовки конструк-тор стремится использовать простые геометрические поверхно-сти: плоские, цилиндрические, конические, шаровые, торовые ит.д. Геометрическая поверхность представляет собой совокупностьпоследовательных положений следов одной производящей линии»называемой образующей, движущейся по другой производящейлинии, называемой направляющей. Например, для образованиякруговой цилиндрической поверхности прямую линию (образую-щую) перемещают по окружности (направляющей).

272

При обработке поверхностей на металлорежущих станках об-разующие и направляющие линии в большинстве случаев отсут-ствуют. Они воспроизводятся комбинацией движений заготовки иинструмента, скорости которых согласованы между собой. Этидвижения как бы воспроизводят образующую и направляющуюлинии, совокупность последовательных положений (следов) ко-торых и предопределяет геометрическую поверхность.

На рис. 6.2 показаны основные методы формообразования по-верхностей при обработке резанием.

Метод следов (рис. 6.2, а) характеризуется использованием дляформообразования главного движения резания Dr и продольнойподачи Sпр. Образующей линией 1 является траектория движенияточки (вершины) резца, а траектория движения точки заготов-ки — направляющей линией 2.

При методе касания (рис. 6.2, б) функции формообразующеговыполняет продольная подача Sпр. Образующей линией /являетсярежущее лезвие инструмента, а направляющей линией 2 — каса-тельная к геометрическим вспомогательным линиям, представля-ющим траектории движения точек режущего инструмента.

При методе копирования (рис. 6.2, в) главное движение Dr яв-ляется формообразующим. Образующей линией 1 является режу-щая кромка инструмента, направляющая линия 2 воспроизводит-ся вращением заготовки.

273

Согласование продольной и круговой подач (Sпр и sKp) при ме-тоде обкатки (огибания) дает возможность получить образующуюлинию 1 (рис. 6.2, г) как огибающую кривую к ряду последова-тельных положений режущей кромки инструмента относительнозаготовки. Направляющая линия 2 воспроизводится вращениемзаготовки.

Скорости движений согласуют таким образом, чтобы за времяпрохождения круглым резцом расстояния /он делал один полныйоборот относительно своей оси вращения.

6.2. Процесс механической обработки металлов

6.2.1. Основные параметры резания металлов

В процессе механической обработки заготовки на ней различа-ют обрабатываемую поверхность / (рис. 6.3), с которой срезаетсяслой материала, и обработанную поверхность 3, с которой слойметалла уже срезан.

Поверхность резания 2, образуемая режущей кромкой инстру-мента, является переходной между обрабатываемой и обработан-ной поверхностями заготовки.

Излишек материала tmax, определяемый разностью диаметров(Д а г - d)/2 и оставляемый на заготовке, называют припуском наобработку. Он подлежит срезанию в процессе механической обра-ботки для получения необходимой формы, размеров и шерохова-тости поверхности готовой детали. Для снятия припуска назнача-ют режимы резания, которые определяют скорость главного дви-жения резания, подачу и глубину резания.

Скоростью главного движения резания v называют расстояние,пройденное точкой режущей кромки инструмента относительнозаготовки в единицу времени. При точении (главное движение ре-зания — вращательное), скорость главного движения резания v(м/с):

где Dзаг - наибольший диаметр обрабатываемой поверхности за-готовки, мм; п — частота вращения заготовки, мин"1.

Если главное движение возвратно-поступательное, а скоростирабочего и вспомогательного ходов различны, то скорость v (м/с):

где L — расчетная длина хода инструмента, мм; т — число двой-ных ходов инструмента в минуту; к — коэффициент, показываю-щий соотношение скоростей рабочего и вспомогательного ходов.

Подачей называют путь, пройденный точкой режущей кромкиинструмента относительно заготовки в направлении движенияподачи за один ход (оборот) заготовки или инструмента. Подачаобозначается буквой s и в зависимости от технологического мето-да обработки заготовки измеряется в миллиметрах на оборот —для точения и сверления; миллиметрах на двойной ход — для стро-гания и шлифования.

Подача может быть продольной, направленной вдоль оси обра-батываемой заготовки (snp); поперечной — поперек этой оси (sn);наклонной — под углом к оси (sH); круговой — по окружности обра-батываемой заготовки (sKp) и др.

Глубиной резания t (мм) называют толщину слоя металла, сни-маемого с заготовки за один проход режущего инструмента илизаготовки и измеряемого в перпендикулярном обрабатываемойповерхности направлении.

При точении цилиндрической поверхности глубина резания(см. рис. 6.3) определяется как полуразность диаметров между об-рабатываемой (Dзаг) и обработанной (d) поверхностями заготов-ки за один проход резца (мм):

Поперечное сечение срезаемого слоя за один оборот заготовкипредставляет собой параллелограмм ACDE. На этом рисунке показа-ны два последовательных положения резца относительно заготовкиза время одного полного оборота с подачей на один оборот so. Пло-щадь сечения срезаемого слоя называется номинальной площадью

(мм2) и для резцов с прямолинейной режущей кромкой:

Резание осуществляется\в результате двух движений, поэтомутраекторией движения вершины резца относительно заготовки

\ 275

будет винтовая линия. Начав резание в точке А, резец вновь встре-тится с этой образующей цилиндрической поверхности только в

точке Е. Следовательно, не вся площадь среза будет срезана сзаготовки, а только ее часть, и на обработанной поверхности ос-танутся микронеровности. Остаточное сечение площади срезае-мого слоя материала образует на обработанной поверх-ности микровыступы и микровпадины, характеризующие шеро-ховатость ее поверхности.

Шероховатость поверхности — одна из характеристик качестваповерхностного слоя заготовки, представляющая собой совокуп-ность неровностей, образующих рельеф поверхности и рассмат-риваемых в пределах определенного участка поверхности.

Шероховатость поверхности (ГОСТ 2789—73) характеризуетсясредним арифметическим отклонением профиля обработаннойповерхности Ra (мкм) в пределах определенной базовой длины ивысотой неровностей профиля по 10 точкам — (мкм). Допусти-мое значение шероховатости обработанной поверхности детали ука-зывается на ее чертеже условными обозначениями.

Чаще применяются следующие интервалы значений параметраRa для различных методов обработки: для черновой обработки100... 12,5 мкм; для чистовой обработки 6,3...0,32 мкм; для отде-лочной и доводочной операций 0,2...0,012 мкм.

Предпочтительными значениями параметра являются 400; 100;50; 25; 12,5; 6,3; 3,2; 1,6; 0,8; 0,2; 0,1; 0,05; 0,025 мкм. Наиболееприменяемый интервал значений параметра от 0,1 до 0,025 мкм.

На величину шероховатости поверхности, обработанной реза-нием, оказывает влияние большое число факторов, связанных сусловиями изготовления детали, в том числе режим резания, гео-метрия режущего инструмента, вибрация, физико-механическиесвойства материала заготовки и др.

Под точностью обработки понимают отклонение истинных раз-меров обработанной поверхности детали от номинальных, указан-ных в чертеже. Она определяется допуском на размер обрабатывае-мой поверхности, определяемой разностью двух предельных раз-меров (наибольшего и наименьшего), т.е. предельными допусти-мыми размерами. В настоящее время, согласно ГОСТ 25347—82,все номинальные размеры разбиты на три интервала: менее 1 мм,от 1 до 500 мм и от 500 до 3 150 мм. Для каждого интервала данысвои таблицы полей допусков. Стандартом также установлено20 квалитетов точности, каждый из которых имеет поля допус-ков, обозначаемые буквами латинского алфавита и цифрой.

Посадка двух сопрягаемых деталей обозначается номинальнымразмером, общим для соединяемых элементов (отверстия и вала)и дробью, в числителе которой обозначается поле допуска отвер-стия, а в знаменателе — поле допуска вала. В обозначении полядопуска отверстия указываются буква латинского алфавита и цифра.

' 276

Например, для отверстия — , для вала — и т. д. Иног-да в конце обозначения в скобках ставят предельные отклонения

указанного размера, например,Посадка выполняется в системе отверстия либо в системе вала.

В системе отверстия в числителе всегда стоит буква Н (от Н4 доН12)- Отклонения для отверстий приводятся со знаком «+». В сис-теме вала в знаменателе всегда стоит буква h (от h4 до hl2). От-клонения для размеров в системе вала приводятся со знаком «-».Пример обозначения посадки в системе отверстия: , всистеме вала: Для несопрягаемых размеров отверстий ивалов принимают 13—19-й квалитеты.

Штучное время (затрачиваемое на изготовление одной детали)складывается из машинного (основного) и вспомогательного вре-мени, а также из времени, необходимого на организационное итехническое обслуживание рабочего места и станка, а также наотдых рабочего.

Машинным или основным называют время, затрачиваемое не-посредственно на процесс резания металла. Например, основное(машинное) время Ты (мин) при токарной обработке цилиндри-ческой поверхности определяется из расчета длины пути резаниярезца:

где - путь режущего инструмента относительно заго-товки в направлении подачи, мм; 1Х — длина обработанной по-верхности, мм; — суммарная величина врезания и выхо-да (перебега) резца, мм; / — число рабочих проходов резца, необ-ходимое для снятия материала, оставленного на обработку; п —частота вращения заготовки, мин"1; snp — продольная подача, мм.

Длина врезания U резца зависит от глубины резания t и главно-го угла резца в плане

Перебег резца /3 необходим для предотвращения образованиязаусенца в конце обработки, и в зависимости от диаметра обраба-тываемой детали он принимается равным 1...3 мм.

Штучное время (на обработку одной детали) определяют поформуле

где Тв — вспомогательное время; Т о б с л — время на техническоеобслуживание станка и организационные вопросы (смазка стан-ка, удаление стружки, регулировка и подналадка станка, получе-ние чертежа обрабатываемой детали и т.д.); Т о т д — время переры-вов на отдых и личные надобности рабочего.

Зная штучное время, можно определить производительностьстанка — число деталей, изготовляемых в единицу времени. Ча-совая производительность станка А (шт./ч) определяется по фор-муле

Из формулы видно, что производительность станка можно уве-личить за счет уменьшения машинного и вспомогательного вре-мени, а также времени на обслуживание рабочего места и станка

Машинное время можно существенно сократить, воспользо-вавшись прогрессивными методами обработки и применениемвысокопроизводительного оборудования.

6.2.2. Геометрические параметры режущего инструмента

Работа любого режущего инструмента основана на действииклина, который внедряется в тело заготовки и последовательноскалывает (срезает) заданные участки припуска. В зависимости отсхемы обработки (точение, сверление, фрезерование и др.) ре-жущие инструменты будут значительно отличаться по конструк-ции, однако правила формирования их режущих элементов явля-ются практически одинаковыми. Поэтому изучение геометричес-ких параметров режущих инструментов удобно рассматривать напримере наиболее простого по конструкции токарного прямогопроходного резца.

Резец состоит из стержня I (рис. 6.4), с помощью которого онустанавливается и закрепляется на станке, и головки II, несущейрежущую часть резца. На режущей части, которая может быть са-мостоятельным телом (пластинкой), выделяют шесть элементов(поверхностей, линий, точек).

По передней поверхности / сходит стружка. Поверхности, на-зываемые задними, обращены: главная 5 к поверхности резания,вспомогательная 4 к обработанной поверхности. Главная 6 и вспо-

могательная 3 режущие кромки являются линиями пересечениясоответственно передней поверхности / с главной 5 и вспомога-тельной 4 задними поверхностями. Пересечение кромок образуетвершину резца 2, которая может быть острой или закругленной.Расположение поверхностей режущей части инструмента оказы-вает большое влияние на процесс резания, качество обработан-ной поверхности и срок службы инструмента.

Для определения углов резца исходными служат координатныеплоскости обрабатываемой заготовки (рис. 6.5): плоскость резанияи основная плоскость. Плоскость резания 1 является касательнойк поверхности резания и проходящая через главную режущуюкромку резца; основная плоскость 2 параллельна направлениямпродольной и поперечной подачи.

Резец имеет главные, вспомогательные углы и углы в плане(рис. 6.6). Все эти углы называют углами заточки.

Если провести главную секущую плоскость N—N (см. рис. 6.6)перпендикулярно к проекции главной режущей кромки на основ-ную плоскость, то можно увидеть в ней главный задний уголглавный передний угол , угол заострения и угол резания ~

Главный задний угол а образуется главной задней поверхностьюи плоскостью резания, величина этого угла может быть от 6 до 12°

Главный передний угол образуется пересечением передней по-верхности резца и дополнительной плоскости, перпендикуляр-ной плоскости резания, проведенной через главную режущуюкромку. Главный передний угол может быть положительным иотрицательным (от -10 до +20°) в зависимости от механическихсвойств обрабатываемого материала, материала резца и формыпередней поверхности.

Если провести вспомогательную секущую плоскость N1-N1перпендикулярно к проекции вспомогательной режущей кром-ки на основную плоскость, то получится вспомогательный заднийугол . Его образуют вспомогательная задняя поверхность резца иплоскость, проходящая через вспомогательную режущую кромкуперпендикулярно основной плоскости. Величина этого угла, какправило, от 8 до 10°.

К углам резца в плане относят главный угол , вспомогатель-ный угол и угол при вершине е. Эти углы влияют на стойкостьрезца и скорость резания.

Главный угол в плане — угол между проекцией главной режу-щей кромки на основную плоскость и направлением подачи. Уголизменяется в пределах от 30 до 90° в зависимости от вида обработ-ки, типа резца, твердости обрабатываемой детали и резца и дру-гих факторов.

Вспомогательным углом в плане называют угол между про-екцией вспомогательной режущей кромки на основную плос-кость и направлением подачи. Величина этого угла может быть от10 до 15°.

Угол при вершине в плане образуется проекциями главной ивспомогательной режущих кромок на основную плоскость. Чембольше этот угол, тем больше стойкость резца. Угол находят изсоотношения

Угол наклона главной режущей кромки резца (рис. 6.7) обра-зован главной режущей кромкой и плоскостью, проведенной па-раллельно основной плоскости через вершину резца. Угол счита-ется положительным, если вершина резца является самой низкойточкой режущей кромки (рис. 6.7, а), отрицательным (рис. 6.7, б),когда вершина резца — наивысшая точка режущей кромки, и рав-ным нулю, если режущая кромка параллельна основной плоско-сти (рис. 6.7, в).

280

Угол определяет направление схода стружки. При нулевомили положительном значении угла , стружка сходит в направле-нии, обратном подаче. При положительном значении угла , го-ловка резца имеет наибольшие прочностные характеристики, чтообусловливает применение такой заточки для черновых резцов,при работе которых не предъявляется высоких требований к каче-ству обработанной поверхности.

У резцов с отрицательным значением угла стружка сходит внаправлении подачи, т.е. опережает резец. Вершина такого резцаострая и имеет более низкие прочностные характеристики. Поэто-му эти резцы применяют для чистовой обработки, при которойобразуется стружка малого сечения и предъявляются высокие тре-бования к качеству обработанной поверхности. Величина углавыбирается в диапазоне от -5 до +5°.

6.2.3. Физическая сущность процесса резания

Резание металлов — сложный процесс взаимодействия инстру-мента и заготовки, сопровождающийся определенными физи-ческими явлениями, в том числе деформированием срезаемогослоя металла.

При внедрении в обрабатываемый материал режущей частиИнструмента впереди нее возникает упруго- и пластически де-формированный объем металла — зона опережающей деформацииИли зона стружкообразования которая охватывает как срезаемыйcлой, так и часть металла под обработанной поверхностью.

281

Зона стружкообразования ОАВО (рис. 6.8) имеет форму клинас вершиной на режущем лезвии инструмента. Ее нижняя грани-ца — вогнутая кривая ОА, вдоль которой происходят первые сдви-говые деформации. Верхняя граница — выпуклая кривая ВО —конечная граница зоны стружкообразования.

Левее линии ОА находится еще недеформированный материалсрезаемого слоя толщиной а. Правее линии ОВ расположен дефор-мированный металл толщиной а1 с наибольшей степенью плас-тической деформации, свойственной образовавшейся стружке.

Таким образом, проходя через зону ОАВО, зерна металла сре-заемого слоя претерпевают возрастающую деформацию.

Полагают, что деформированное состояние в зоне стружкооб-разования является плоским и срезаемый слой в процессе реза-ния претерпевает деформацию сдвига. Зона ОАВО состоит из по-верхностей, на каждой из которых сдвигающие напряжения рав-ны пределу текучести материала, уже упрочненного в результатепредшествующей деформации. Линия ОВ представляет собой по-верхность, на которой происходит окончательная сдвиговая де-формация.

Под действием сил трения зерна металла в прирезцовом слоестружки 1 после выхода их из зоны опережающей деформациипродолжают деформироваться при движении стружки по перед-ней поверхности инструмента. Степень деформации в этой зоне,как правило, значительно больше средней деформации стружки.Зона опережающей деформации проникает также за линию срезах—х, что приводит к пластической деформации слоя металла 3под обработанной поверхностью.

Лишь при больших передних углах, малой толщине срезаемогослоя и применении смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ),снижающих интенсивность трения, степень деформации по сече-нию стружки остается практически одинаковой.

282

При расчетах полагают, что сдвиговые деформации локализу-ются в очень тонком слое и совокупность поверхностей скольже-ния в зоне ОАВО можно заменить плоскостью ОЕ, называемойусловной плоскостью сдвига. Она наклонена к направлению движе-ния под углом , называемым углом сдвига.

При таком допущении процесс превращения срезаемого слояв стружку можно представить в виде процесса последовательныхсдвигов тонких слоев обрабатываемого материала вдоль условнойплоскости сдвига.

Поэтому процесс стружкообразования может подчиниться за-кономерностям простого сдвига. При этом образование стружкиначинается в том случае, когда сдвигающее напряжение на услов-ной плоскости сдвига где — предел текучести при сдвигеобрабатываемого материала.

Величина угла сдвига зависит от условий срезания и можетслужить мерой степени пластической деформации срезаемого слоя.Угол увеличивается с ростом сопротивления сдвигу обрабаты-ваемого материала в зоне стружкообразования, переднего угла,скорости резания и толщины срезаемого слоя. С увеличением угластепень пластической деформации уменьшается.

Таким образом, для того чтобы уменьшить пластическую де-формацию срезаемого слоя, т.е. удельную работу, затрачиваемуюна резание обрабатываемого материала, следует увеличивать ско-рость резания, уменьшить толщину срезаемого слоя (глубину ре-зания) и передний угол инструмента.

Знание законов пластического деформирования и явлений,сопровождающих процесс резания, позволяет повысить каче-ство обработанных поверхностей деталей машин и их надеж-ность.

Процесс образования элемента стружки можно разделить натри этапа. На первом этапе происходит упругая и пластическаядеформация, при котором будущий элемент стружки упрочняет-ся в зоне стружкообразования. На втором этапе элемент стружкисдвигается по плоскости сдвига. Это происходит в тот момент,когда напряжение в срезаемом слое превышает сопротивлениесдвигу. Третий этап заканчивается при дополнительной пласти-ческой деформации образовавшегося элемента стружки в процес-се его движения по передней поверхности инструмента.

В зависимости от свойств обрабатываемого материала и усло-вий резания образуется три вида стружки: сливная, суставчатая истружка надлома (рис. 6.9).

Сливная стружка (рис. 6.9, а) появляется при резании плас-тичных металлов и сплавов (малоуглеродистой стали, меди, алю-миния и т.п.) с большими скоростями резания и малой толщи-ной срезаемого слоя. Стружка представляет собой сплошную лен-ту с гладкой внутренней (прирезцовой) стороной. На ее внешней

2 8 3

стороне видны слабые пилообразные зазубрины. На поверхностистружки не видно границ между ее элементами.

Суставчатая стружка (стружка скалывания) образуется прирезании металлов и сплавов средней твердости (стали повышен-ной твердости, некоторых виды латуни) при малых скоростях ре-зания и большой толщине срезаемого слоя (рис. 6.9, б). Стружкапредставляет собой ленту с гладкой прирезцовой стороной, навнешней стороне которой ярко выражены элементы (зазубрины),связь между которыми не потеряна.

Стружка надлома (элементная) образуется при резании хруп-ких сплавов (чугуны, бронзы и т.п.) и состоит из отдельных эле-ментов случайной формы, не связанных между собой (рис. 6.9, в).При образовании стружки надлома обработанная поверхностьполучается шероховатой, с зазубринами и вырывами.

Сливную и суставчатую стружки называют стружками сдвига,так как их образование связано с напряжениями сдвига. Стружкунадлома иногда называют стружкой отрыва, так как ее образова-ние вызвано напряжениями растяжения.

Характер стружки зависит не только от физико-механическихсвойств обрабатываемого материала, но и от режима резания, гео-метрии режущего инструмента и ряда других причин.

Для перевода стружки из одного состояния в другое, напримерсуставчатой стружки в стружку надлома, необходимо ввести вконструкцию режущего инструмента некоторые элементы: струж-коломательные устройства, пороги, разделительные канавки и др.,применить вибрационное или прерывистое резание.

Стружка в процессе обработки заготовки может забиваться в ееполости и оставаться в них, например, в отверстиях при сверлении.Для удаления стружки из заготовок применяют различные спосо-бы, в том числе автоматическую мойку. Однако подобные меры невсегда полностью решают проблему удаления стружки из заготовоки со станка, а также ее транспортировки и дальнейшей переработки.

Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается зна-чительной деформации, одним из проявлений которой является

284

уменьшение ее длины (усадка). Усадка состоит в том, что длинастружки становится меньше длины обработанной поверхности, ахолшина — больше толщины срезанного с заготовки слоя метал-ла. Ширина стружки при этом практически не изменяется. Вели-чина усадки характеризуется коэффициентом усадки:

где L — длина обработанной поверхности; Lc — длина стружки;tc — толщина стружки; t — толщина срезаемого с заготовки слоя.

Чем пластичнее металл, тем больше коэффициент усадки. Дляхрупких материалов К=1, для пластичных металлов К = 5...7.Усадка стружки зависит от свойств обрабатываемого материала,режима резания, геометрии режущего инструмента, условий ре-зания и т.д.

6.2.4. Контактные процессы в зоне резания

При обработке пластичных материалов в определенном диапа-зоне скоростей резания на передней поверхности инструментавблизи режущего лезвия появляется слой металла в виде бугоркаклиновидной формы, называемый наростом. Это сильно дефор-мированный металл высокой твердости, структура которого от-личается от структуры обрабатываемого металла и стружки. Вели-чина нароста иногда достигает нескольких миллиметров.

Образование нароста объясняется тем, что при некоторых ус-ловиях обработки силы трения между передней поверхностью лез-вия инструмента и частицами срезаемого слоя металла становитсябольше сил внутреннего сцепления в стружке. В результате этогообразуется застойная зона частиц срезаемого металла, находяща-яся под воздействием почти равномерного всестороннего сжатия.При определенных температурных условиях эта зона задерживает-ся на передней поверхности инструмента и прочно сцепляется сней в виде нароста. Твердость нароста близка к твердости закален-ной инструментальной стали, благодаря чему он способен резатьметалл, из которого образовался. Нарост является как бы новымэлементом режущего инструмента, прочно с ним связанным испособным изменять условия обработки из-за уменьшения угларезания.

В результате действия сил трения и нормального давления приобработке резанием размеры и форма нароста непрерывно меня-ются. Частицы нароста срываются и уносятся стружкой или обра-ботанной поверхностью заготовки. Иногда нарост срывается це-ликом и тут же образуется вновь. Это можно объяснить тем, чтоон находится под действием силы трения Fтр (рис. 6.10), сил сжа-тия Рх и Р2 и силы растяжения Q. При изменении размеров наро-

\ \

ста меняются и соотношения действующих сил. Если сумма силР\ + Pj + Q > F-ф, то происходит разрушение и срыв нароста срежущей кромки инструмента.

Нарост влияет на процесс резания и качество обработаннойповерхности. Положительное влияние нароста заключается в томчто он меняет форму передней поверхности инструмента, приво-дя к увеличению переднего угла ( ) и уменьшению силы ре-зания. Нарост снижает также количество теплоты, приходящейсяна долю инструмента, удаляя от него центр максимального выде-ления теплоты, защищает инструмент от изнашивания, увеличи-вает его стойкость.

Отрицательное влияние нароста заключается в том, что онповышает шероховатость обработанной поверхности. Частицы на-роста, внедрившиеся в обработанную поверхность, приводят ктому, что в процессе работы деталей наблюдается их повышенноеизнашивание. Нарост изменяет геометрию режущего инструментаи, следовательно, размеры обрабатываемой поверхности в по-перечных сечениях и по длине заготовки, при этом обработаннаяповерхность приобретает волнистость.

В результате увеличения переднего угла инструмента изменя-ются и силы резания, приводящие к вибрации узлов станка исамого инструмента, что в конечном итоге снижает качество об-работанной поверхности. При черновой обработке, когда в про-цессе снятия толстого слоя металла возникают большие силы тре-ния и выделяется значительное количество, теплоты, явление на-ростообразования положительно, а при чистовой обработке —отрицательно.

Наростообразование зависит от физико-механических свойствобрабатываемого материала, скорости резания, геометрии режу-щего инструмента и других факторов. Наиболее интенсивно на-рост образуется, как уже отмечалось, при обработке пластичныхматериалов. При обработке же хрупких материалов нарост можети не образоваться.

Деформация металла в процессе резания не ограничиваетсязоной, непосредственно прилегающей к передней поверхностиинструмента, а распространяется и ,на удаленные слои обрабо-танной поверхности. В результате упругопластического деформи-рования поверхностного слоя повышаются его прочностные ха-

286

рактеристики и твердость, но снижается пластичность и изменя-ются физические свойства материала (явление наклепа).

На рис. 6.11 показана схема образования поверхностного слоязаготовки и распространение упрочнения (наклепа) по толщинезаготовки.

В процессе стружкообразования считается, что инструмент имеетострые режущие кромки, однако они всегда имеют радиусы скруг-ления (около 0,02 мм). Такой инструмент срезает с заготовки струж-ку, если глубина резания 1Х (рис. 6.11, а) больше радиуса скругле-ния r. В этом случае в стружку переходит часть срезаемого металла,толщина слоя которого равна t2. Слой металла, равный t1 - t2 исоизмеримый с радиусом к, упругопластически деформируется иостается под резцом. После перемещения резца относительно об-работанной поверхности происходит упругое восстановление по-верхностного деформированного слоя детали на величину упру-гого последействия hr В результате этого образуется контактнаяплощадка шириной Н между обработанной поверхностью и зад-ней поверхностью резца.

Условно поверхностный слой обработанной заготовки можноразделить на три зоны (рис. 6.11, б): I — зона разрушенной струк-туры с измельченными зернами, резкими искажениями кристал-лической решетки и большим количеством микротрещин; II —зона наклепанного металла; III — основной металл.

Наклеп характеризуется глубиной hH и степенью наклепа /:

где НВИСХ, НВП0В — твердость поверхностного слоя материала со-ответственно до и после обработки.

Глубина и степень наклепа зависят от физико-механическихсвойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, ра-

диуса скручивания вершины лезвия, режима резания. Его глубинасоставляет десятые доли миллиметра при черновой и тысячныедоли — при чистовой обработке. Чем мягче и пластичнее обраба-тываемый материал, тем большему наклепу он подвергается. Глу-бина наклепанного слоя возрастает с увеличением срезаемого слояt2 и уменьшением переднего угла

Наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательновлияет на процесс резания при последующей чистовой обработке.В этом случае инструмент работает по поверхности с повышеннойтвердостью, что приводит к его ускоренному изнашиванию. Умень-шить глубину и степень наклепа можно применением в процессерезания охлаждающих сред, увеличением скорости резания илипоследующей термической обработкой.

6.2.5. Силовое взаимодействие инструмента и заготовкипри резании

Срезание с заготовки слоя металла и его деформирование про-исходит под действием внешней силы резания, приложенной кобрабатываемой заготовке со стороны инструмента (рис. 6.12).Под действием этой силы в зоне образования стружки возника-ют реактивные силы упругой деформации РуХ и пластическойдеформации PnU действующие по нормали к передней поверх-ности резца (рис. 6.12, а), и реактивные силы Ру2 и Рп2, действу-ющие по нормали к задней поверхности резца. Наличие нормаль-ных сил приводит к возникновению сил тренияи , действующих соответственно вдоль переднейи задней поверхностей резца ( — коэффициенты трения дляпередней и задней поверхностей резца соответственно). Эту сис-тему сил приводят к равнодействующей силе резания:

Считают, что точка приложения силы резания Р находится наглавной режущей кромке инструмента. Абсолютное значение, точкаприложения и направление равнодействующей силы резания Р впроцессе обработки переменны. Это можно объяснить неоднород-ностью структуры материала заготовки и ее изменяющейся по-верхностной твердостью, непостоянством срезаемого слоя метал-ла, наличием штамповочных и литейных уклонов, изменениемглавных переднего у и заднего а углов в процессе резания.

Для расчетов используют не равнодействующую силу реза-ния Р, а ее составляющие (Pz, Py, Рх), действующие по трем вза-имно-перпендикулярным направлениям — координатным осямметаллорежущего станка (рис. 6.12, б).

Главная составляющая силы резания Pz совпадает по направле-нию со скоростью главного движений резания Dr в вершине лезвия.

/' 288

По величине Pz определяют мощность станка, необходимую дляобеспечения процесса резания, рассчитывают на прочность деталии узлы коробки скоростей, прочность режущего инструмента.

Радиальная составляющая силы резания Ру направлена по ради-усу вращательного движения резания (перпендикулярно оси заго-товки). По силе Ру определяют прогиб детали и жесткость станка.Эта сила, определяющая деформацию детали и инструмента врадиальном направлении, влияет на точность обработки.

Осевая составляющая силы резания Рх действует параллельно осиглавного вращательного движения резания. По силе Рх рассчиты-вают механизм продольной подачи станка и изгибающий момент,Действующий на стержень резца.

Равнодействующая сила резания определяется как сумма век-торов трех составляющих:

Сила Р условно расположена в центре линии касания режу-щей кромки заготовки.

2 8 9

Соотношение между Рх, Ру и Р. зависит от геометрических па-раметров инструмента, режима резания, физико-механическихсвойств обрабатываемой заготовки, степени износа резца, усло-вий обработки.

По опытным данным для резцов с главным углом в плане = 45при обработке стали 45 между силами Рх, Ру и Pz установленыследующие отношения: Px/Pz = 0,15...0,30; Ру/Рг = 0,30...0,50.

Наибольшей составляющей является сила Pz, создающая кру-тящий момент Мкр (Н * м) на обрабатываемой детали, которыйопределяют по формуле

где D — диаметр обрабатываемой заготовки, м.Чем больше площадь поперечного сечения срезаемого слоя и

выше прочностные характеристики обрабатываемого металла, тембольше величина сил резания. При увеличении скорости резаниясилы несколько снижаются за счет повышения температуры реза-ния и изменения условий трения между стружкой и инструмен-том. Влияние различных факторов на силы резания весьма слож-но, поэтому для их определения используют обобщенные эмпири-ческие формулы, учитывающие конкретные условия обработки.

В процессе резания деталь и резец испытывают упругую дефор-мацию, приводящую к их частичному сжатию (перемещению) внаправлении действия сил, которая является одной из причинпогрешностей обработки. Так сила отжимает резец книзу, а ре-зец, в свою очередь, стремится изогнуть деталь вверх. Сила от-жимает резец в направлении, противоположном продольной по-даче, и стремится снизить ее величину. Сила отталкивает резецот обрабатываемой детали и стремится уменьшить глубину реза-ния. Поэтому при чистовом проходе для получения большей точ-ности размеров детали, учитывая действие указанных сил, умень-шают толщину срезаемого слоя.

Зная составляющие усилия резания, определяют эффективнуюмощность yVpe3 (кВт), необходимую для резания:

где v — скорость резания, м/мин; п — частота вращения заготов-ки, мин"1; 5пр — продольная подача, мм/об.

Для определения мощности электродвигателя Nm (кВт) необ-ходимо учесть коэффициент полезного действия станка:

где — коэффициент полезного действия механизмов передач

станка.

290

Так, для токарно-винторезных станков = 0,8...0,9; для шли-фовальных станков = 0,8...0,85; для строгальных станков =- 0,65...0,75.

6.2.6. Тепловые процессы при обработке резанием

При снятии стружки вся работа резания превращается в экви-валентное количество теплоты. Теплообразование оказывает зна-чительное влияние на процесс резания. С одной стороны, онооблегчает деформирование материала срезаемого слоя, в резуль-тате чего уменьшается интенсивность изнашивания инструментаи повышается качество обработанной поверхности. С другой сто-роны, повышение температуры 8ОО...1ООО°С вблизи режущейкромки приводит к изменению структуры и физико-механичес-ких свойств материала инструмента, а также к потере его твердо-сти и режущей способности.

Механическая энергия, затрачиваемая на трение, деформиро-вание и разрушение материала в зоне резания, переходит в теп-ловую, и только небольшая ее часть накапливается в виде потен-циальной энергии искаженной кристаллической решетки мате-риала в зоне деформирования. В первом приближении полное ко-личество выделяющейся в единицу времени теплоты Q (Дж/с)можно определить из выражения

где Р. — главная составляющая силы резания, Н; v — скоростьрезания, м/с.

Основными источниками образования теплоты резания примеханической обработке являются зоны стружкообразования, кон-такта стружки с передней поверхностью инструмента (резца) иконтакта задней поверхности инструмента с заготовкой.

Тепловой баланс процесса резания можно представить тожде-ством

где Q2 — количество теплоты, выделяемой при упругопластичес-ком деформировании обрабатываемого материала; Qnn — количе-ство теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю по-верхность лезвия инструмента; Q3n — количество теплоты, выде-ляемой при трении задней поверхности инструмента о заготовку;Qс — количество теплоты, отводимой стружкой; Q3ar — количе-ство теплоты, отводимой заготовкой; Qи — количество теплоты,отводимой режущим инструментом; Q0Kp — количество теплоты,отводимой в окружающую среду (теплота лучеиспускания).

В ходе экспериментальных исследований установлено, что вы-делившаяся теплота распределяется неравномерно. В зависимости

291

от условий обработки стружкой отводится 25...85% всей выде-лившейся теплоты, заготовкой 10...50%, инструментом 2...8% ипримерно 1 % рассеивается в окружающую среду.

Хотя в тело резца уходит небольшая часть теплоты, температу-ра его режущих лезвий достигает 800... 1 000 °С. Это связано с темчто режущая часть инструмента непрерывно контактирует с обра-батываемой заготовкой, в то время как теплопроводность инстру-ментальных материалов невелика.

Наибольшее влияние на температуру инструмента оказываютскорость, подача и глубина резания. С повышением скорости ре-зания температура растет, но чем выше ее величина, тем медлен-нее повышается температура инструмента. Это связано с тем, чтопри высоких скоростях значительное количество теплоты отво-дится стружкой, а также уменьшается величина сил трения и пла-стических деформаций. С увеличением подачи и глубины резаниятемпература инструмента также несколько возрастает, однаконеобходимо учитывать, что с увеличением глубины резания уве-личивается длина активной части режущего лезвия инструмента,что улучшает условия теплоотвода.

С уменьшением переднего угла возрастает сила резания и,следовательно, температура резания. С уменьшением угла в планеФ удлиняется активная часть режущей кромки, за счет чего улуч-шается теплоотвод.

Распределение теплоты в процессе резания имеет большое прак-тическое значение. Чем больше теплоты уйдет со стружкой, темменьше нагревается заготовка и, следовательно, менее вероятнытепловые деформации, влияющие на точность размеров и формуполучаемой детали и структурные превращения в ее поверхност-ном слое. Чем меньше теплоты будет направлено в инструмент,тем ниже будет интенсивность его износа. С повышением темпера-туры заготовки и инструмента увеличиваются их размеры, приво-дящие к росту толщины снимаемого слоя и вероятности получе-ния бракованных деталей.

Кроме температуры в зоне резания, необходимо также знать еетемпературное поле. Температурное поле — совокупность различ-ных значений температур во всех точках определенного участкадеформированного слоя или инструмента в определенный моментвремени.

Температурные изменения в зоне резания, влияющие на раз-меры и конфигурацию обрабатываемых заготовок, необходимоучитывать при наладке станков, особенно автоматов и полуавто-матов.

Температура резания — средняя температура на поверхностиконтакта инструмента со стружкой и заготовкой. С увеличениемколичества выделяющейся теплоты температура резания повыша-ется, а с улучшением отвода теплоты снижается. При прочих рав-

292

ны,х условиях температура резания возрастает с увеличением проч-ности и твердости обрабатываемого материала и снижается с уве-личением его теплопроводности или с применением смазочно-охдаждающих технологических сред (СОТС).

Применение СОТС способствует снижению температуры реза-ния увеличению стойкости инструмента, улучшению качестваобработанной поверхности и уменьшению силы резания.

В зависимости от метода обработки, свойств обрабатываемогоматериала и инструмента, а также режимов резания используютразличные виды СОТС: твердые, жидкие, пластичные и газооб-разные.

К твердым СОТС относятся неорганические материалы (тальк,слюда, графит, бура, нитрид бора, дисульфиды молибдена, воль-фрама и титана, сульфат серебра); органические соединения (мыло,воск, твердые жиры); металлические пленочные покрытия (медь,латунь, свинец, олово, барий, цинк).

К разновидности СОТС относятся СОЖ: водные растворы ми-неральных электролитов, эмульсии; минеральные, животные ирастительные масла с добавками фосфора, серы и хлора (суль-фофрезолы); керосин и растворы поверхностно-активных веществв керосине; масла и эмульсии с добавками твердых смазывающихвеществ. СОЖ получили наибольшее применение в машинострое-нии.

К пластичным СОТС относятся густые мазеобразные продук-ты, которые получают путем загущения минеральных и синтети-ческих масел.

К газообразным СОТС относятся воздух, азот, диоксид углеро-да, кислород, пары поверхностно-активных веществ, распылен-ные жидкости и пены.

Смазочно-охлаждающие вещества отводят теплоту во внешнююсреду от мест ее образования, тем самым охлаждая режущий ин-струмент, деформируемый слой и обработанную поверхность за-готовки. Смазывающее действие сред препятствует наростообра-зованию на рабочих поверхностях инструмента, в результате чегоснижается шероховатость поверхности детали.

Указанные положительные свойства СОТС приводят к тому,что эффективная мощность резания уменьшается на 10... 15%,стойкость режущего инструмента возрастает, точность обработан-ных поверхностей повышается по сравнению с обработкой безПрименения смазывающе-охлаждающих веществ.

Выбор СОТС в каждом конкретном случае зависит от техноло-гического метода и режима обработки, физико-механическихсвойств обрабатываемого и инструментального материала. Причерновой и получистовой обработке заготовок, когда требуетсяэффективное охлаждающее действие среды, применяют водныеРастворы электролитов и поверхностно-активных веществ, мас-

293

ляные эмульсии. При чистовой обработке применяют чистые иактивированные минеральные масла. Под влиянием высоких тем-ператур и давлений эти вещества образуют на поверхности заго-товок соединения (фосфиды, хлориды, сульфиды), снижающиетрение. При обработке хрупких материалов (чугун, бронза) твер-досплавным инструментом в качестве СОТС используют газы (сжа-тый воздух, углекислый газ).

Смазочно-охлаждающие технологические средства по-разномуподаются в зону резания. Наиболее распространенной являетсяподача эмульсии через сопло на переднюю поверхность инстру-мента под давлением 0,05... 0,2 МПа. Этот метод требует большогорасхода жидкости (10... 15 л/мин). Более эффективно высокона-порное охлаждение, в процессе которого жидкость подается тон-кой струей под давлением 1,5...2 МПа со стороны задних по-верхностей инструмента (расход жидкости приблизительно равен0,5 л/мин). Если подвод жидкости в зону резания затруднен, на-пример при сверлении глубоких отверстий, то применяют внут-реннее охлаждение инструмента, для чего в нем выполняют кана-лы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

6.2.7. Износ и стойкость режущего инструмента

Режущая часть инструмента, контактируя с поверхностямистружки и заготовки, сравнительно быстро изнашивается под вли-янием высоких давлений, скоростей и температур. Основная при-чина износа режущего инструмента — трение сходящей стружкио переднюю поверхность резца и задних поверхностей резца оповерхность заготовки. Различают несколько видов износа.

Абразивный износ — результат истирания, скалывания, среза-ния и смятия неровностей на контактных поверхностях режущегоинструмента при его взаимодействии с поверхностью обрабаты-ваемой заготовки. Этот вид износа преобладает при обработке хруп-ких материалов и материалов с твердыми включениями (карби-ды, легирующие элементы, частицы нароста).

Адгезионный износ происходит в результате действия сил моле-кулярного сцепления поверхностных слоев режущего инструмен-та и обрабатываемой заготовки, он заключается в непрерывноповторяющихся процессах схватывания и отрыва мельчайших ча-стиц материала и инструмента.

Диффузионный износ наблюдается при обработке металлов исплавов твердосплавным инструментом на высоких скоростях ре-зания, при котором происходит растворение инструментальногоматериала в обрабатываемом материале, чему способствуют вы-сокая температура, большие пластические деформации и схваты-вание в зоне контакта. Этот вид износа наблюдается при темпера-турах контактных поверхностей, превышающих температуру ре-

294

кристаллизации обрабатываемого и инструментального материа-лов. В результате диффузии происходит науглероживание (графи-тизация) и снижение механической прочности твердого сплава,что ускоряет его хрупкое разрушение.

Хрупкий износ заключается в скалывании и выкрашивании ча-стиц инструментального материала, в результате чего они прива-риваются и уносятся стружкой или обрабатываемым материалом.Этот вид износа наблюдается при прерывистых процессах реза-ния, когда циклически возникающие температуры и контактныенапряжения создают динамическую нагрузку.

Окислительный износ имеет место при разрушении поверхност-ных слоев металла инструмента в результате образования окси-дов.

Инструменты, работающие на малых скоростях резания (свер-ла, зенкеры, метчики, развертки, протяжки и др.), изнашивают-ся преимущественно от истирания в результате одновременноговоздействия адгезионного и абразивного износов. Интенсивностьизноса определяется отношением твердостей материала инстру-мента и заготовки при реальных температурах резания. Интенсив-ность износа твердосплавных инструментов при высоких скорос-тях резания определяется главным образом взаимным диффузи-онным взаимодействием, которое обусловлено наличием адгезиии хрупкого износа.

При резании в условиях сухого и полусухого трения в боль-шинстве случаев преобладает абразивный износ по передней иглавной задней поверхностям резца. В зависимости от материалазаготовки, конструкции инструмента, геометрии его режущейчасти и параметров режима резания основной очаг износа образу-ется либо в виде фаски 1 (рис. 6.13) на задней поверхности шири-ной h3, либо в виде лунки 2 на передней поверхности шириной bи глубиной hл. При наличии обоих видов износа на резце образу-ется площадка, не подвергающаяся абразивному воздействиюстружки, шириной

Изнашивание по задним поверхностям наблюдается при обра-ботке твердых, хрупких и пластичных материалов с малой толщи-ной срезаемого слоя (t < 0,1 мм) на невысоких скоростях резанияИзнашивание резца по главной задней поверхности изменяет глу-бину резания, так как уменьшается вылет резца на величину h1.

Допустимой величиной износа называется такая величина ши-рины фаски h3, при которой дальнейшая работа инструмента долж-на быть прекращена вследствие возрастания усилия резания, ухуд-шения чистоты обработанной поверхности или отклонения раз-меров детали от заданных. Для токарных резцов из быстрорежу-щей стали допустимая величина h3 = 1,5... 2 мм, для резцов с пла-стинкой из твердого сплава h3 = 0,8... 1 мм, с минералокерамиче-скими пластинками h3 = 0,5...0,8 мм.

Для оценки степени износа и своевременной смены затупив-шегося инструмента существуют критерии, одним из которых яв-ляется ширина площадки инструмента/на главной задней поверх-ности.

Для инструмента с пластинками из твердого сплава характеренизнос по главной задней поверхности, а из быстрорежущей ста-ли — по передней и главной задней поверхностям.

Изнашивание инструмента приводит к росту силы трения,вызывающей повышенную деформацию заготовки и инструмента.При этом снижается точность и изменяется форма обработанныхповерхностей, увеличивается глубина наклепанного поверхност-ного слоя материала заготовки и повышается теплообразование взоне резания. Допустимому изнашиванию инструмента соответ-ствует его определенная стойкость.

Под стойкостью резца понимают время его непрерывной рабо-ты при заданном режиме резания до момента затупления. Ско-рость резания — главный фактор, влияющий на стойкость резца.Между скоростью резания v и стойкостью Т (периодом стойко-сти) резца существует зависимость:

v = А/Тт,

где А — постоянная, зависящая от свойств обрабатываемого мате-риала, режима резания, материала и геометрии резца (определя-ется по таблицам); Т — время работы резца до затупления (стой-кость резца), мин; m — показатель относительной стойкости, ха-рактеризующий интенсивность влияния стойкости на скоростьрезания.

Для резцов из быстрорежущей стали и резцов, оснащенных твер-дыми сплавами и минералокерамикой, показатель m принимаютсоответственно равным 0,10...0,12; 0,20...0,30 и 0,30-0,40, а пе-риод стойкости — соответственно: 30...60; 45...90 и 30...40 мин-

Так как величина m мала, то стойкость резцов резко падаетдаже при незначительном повышении скорости резания. Поэтому

296

обработку следует вести на расчетной скорости. На станках со сту-пенчатым регулированием частоты вращения шпинделя обработ-ку ведут на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращениязаготовки. В этом случае при небольшом уменьшении скоростиглавного движения резания стойкость инструмента будет большепринятой.

6.2.8. Материалы для режущего инструмента

Режущие инструменты работают в условиях высоких темпера-тур, значительных силовых нагрузок, интенсивного трения и из-носа. Это предъявляет ряд требований, которым должны удовлет-ворять материалы, из которых изготавливают режущие инстру-менты. Рабочая часть режущего инструмента должна изготовлять-ся, по возможности, из недефицитного материала, имеющегобольшую твердость, повышенные механические характеристики,высокие теплостойкость и износостойкость. Твердость материаларежущей части инструмента должна значительно превышать твер-дость материала обрабатываемой заготовки.

Высокие прочностные свойства и вязкость необходимы инст-рументу для сопротивления различным деформациям в процессерезания и для того, чтобы противостоять ударным динамическимнагрузкам, возникающим при обработке заготовок из хрупкихматериалов или с прерывистой обрабатываемой поверхностью.

Теплостойкость {красностойкость) является одной из самыхважных характеристик инструментальных материалов. Теплостой-кость указывает на предельно допустимые значения температур,при которых материал способен сохранять первоначальную твер-дость и режущие свойства в течение длительного времени.

Важнейшим параметром материала режущего инструмента яв-ляется и его износостойкость. Чем износостойкость выше, теммедленнее изнашивается инструмент и тем выше его размернаяточность. Это позволяет получать минимальный разброс размеровДеталей, обработанных подряд одним и тем же инструментом.

Инструментальные стали. Для изготовления режущего инстру-мента применяют углеродистые инструментальные стали марокУ10А, У11А, У12А. Твердость углеродистых инструментальных ста-лей после термообработки (закалки в воде и отпуска при темпера-туре 120... 150°С) достигает 60...62 HRC, теплостойкость —200...240°С, допустимые скорости резания — 0,2...0,3 м/с. Инст-рументом, изготовленным из этих сталей, можно обрабатыватьМатериалы с твердостью до 30 HRC. Эти стали применяют дляПроизводства напильников, зубил, метчиков, плашек, ножовоч-ныx полотен, отверток, ножниц и т.д.

Легированные инструментальные стали — это стали, содержа-щие хром, вольфрам, ванадий, кремний и другие элементы. Пос-

297

ле термической обработки твердость этих сталей составляет 62...64 HRC, теплостойкость — 220...260°С, допустимые скорости ре-зания — 0,25...0,5 м/с. Легированные стали по сравнению с угле-родистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии.Из легированных сталей марок 9ХС, 9ХВГ, ХВСГ, ХВ2, ХВ4 и др.изготовляют сложные по конфигурации инструменты: метчикиплашки, протяжки, развертки, фасонные резцы, фрезы, сверлаи др.

В быстрорежущих сталях основным легирующим элементомявляются вольфрам (6... 19 %). В их состав входят небольшое коли-чество ванадия, хрома, кобальта, молибдена. После термическойобработки твердость этих сталей составляет 62...65 HRC. Такиестали обладают повышенной износостойкостью, имеют теплостой-кость 600...650°С и работают при скоростях резания до 2 м/с.

Вся номенклатура быстрорежущих сталей подразделяется на двегруппы: быстрорежущие стали нормальной и повышенной тепло-стойкости. Из сталей первой группы (Р18, Р6М5) изготовляютрезцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, зуборезные инструмен-ты, а из сталей второй группы (Р9К5, Р18Ф2, Р9Ф5, Р18К5Ф2) -инструменты для обработки жаропрочных и титановых сплавов,коррозионно-стойких сталей и других труднообрабатываемых ма-териалов. Ванадиевые быстрорежущие стали Р9Ф5 и Р14Ф4 реко-мендуются для изготовления инструмента, предназначенного длячистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы). В настоящеевремя применяются стали с пониженным содержанием дефицит-ного вольфрама (Р6М5К5, Р2М9К8), сохраняющие удовлетвори-тельные режущие свойства.

Для изготовления инструмента, работающего в условиях чер-новой обработки, а также для производства протяжек, долбяков,фрез и др. применяют вольфрамомолибденовые стали марок Р9М4 иР6МЗ.

Режущие свойства инструмента, изготовленного из быстроре-жущей стали, можно повысить путем нанесения износостойкихпокрытий из хрома, карбидов вольфрама или титана, а также ла-зерной обработкой или электроискровым упрочнением. Так, тон-кие покрытия нитрида титана увеличивают срок службы инстру-мента в 2 —5 раз.

Твердые сплавы — это материалы, состоящие из твердых ра-створов карбидов вольфрама, титана, тантала, связанных метал-лическим кобальтом. Твердые сплавы применяют в виде пластинопределенной формы и размера, изготовляемых методом порош-ковой металлургии, т.е. прессованием и последующим спеканиемпри температурах 1 500... 1 900 °С. Получаемые пластины припаи-вают к державкам и корпусам инструментов медными или латун-ными припоями или крепят к ним механическим способом. Твер-дые сплавы обладают высокой износостойкостью, твердостью

298

(86.--92 HRA) и теплостойкостью (800... 1 200°С), позволяют ве-сти обработку со скоростями резания до 15 м/с.

Твердые сплавы разделяют на три группы: вольфрамовые, со-держащие карбиды вольфрама (ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4В, ВК6М,ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25); тшпано-вольфрамовые, содержащие карбиды вольфрама и титана (Т30К4,Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В); титанотанталовольфрамовые,состоящие из карбидов титана, тантала и вольфрама (ТТ7К12,ТТ7К15, ТТ8К6).

Основным недостатком твердых сплавов является их хрупкостьи недостаточная прочность при изгибе и растяжении. Поэтомурежущие элементы инструмента необходимо располагать так, чтобыони по возможности работали на сжатие.

Твердые сплавы первой группы (однокарбидные) наиболеепрочные, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и исполь-зуются для обработки чугунов, цветных металлов и их сплавов,неметаллических материалов. Твердые сплавы второй группы (двух-карбидные) менее прочны, но более износостойки, чем сплавыпервой группы. Они находят применение при обработке пластич-ных и вязких металлов и сплавов, углеродистых и легированныхсталей. Трехкарбидные твердые сплавы (третья группа) обладаютповышенной прочностью, износостойкостью и вязкостью, при-меняются при обработке жаропрочных сталей, титановых сплавови других труднообрабатываемых материалов.

Режущие свойства твердых сплавов в значительной степенизависят от их структуры. Так, твердые сплавы с мелкозернистой иособо мелкозернистой структурой на основе карбида вольфрама(ВК6-М, ВК6-ОМ) по своим режущим и физико-механическимсвойствам превосходят все другие сплавы этой группы.

В последние годы разработаны твердые сплавы, не содержащиедефицитного карбида вольфрама. Он заменяется карбидами тита-на с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких метал-лов. Это сплавы марок ТМ1, ТМЗ, ТН-20, КНТ-16, карбидохро-мистые твердые сплавы КХН-20, КХН-30 и др. Безвольфрамовыетвердые сплавы целесообразно применять при обработке низко-легированных сталей и цветных металлов вместо сплавов Т30К4 иТ15К6.

Твердосплавные пластинки из этих сталей крепятся преиму-щественно механическим путем к державкам инструментов илиприпаиваются с помощью медных (латунных) припоев. Крометвердосплавных пластин, в промышленности используют и мо-нолитный твердосплавный инструмент, например отрезные фре-зы, спиральные сверла, зенкеры, развертки небольших диамет-ров, фасонные резцы.

Инструменты оснащаются также пластинками с тонкими по-крытиями (толщиной 5... 10 мкм) из износостойких материалов

299

(карбида, нитрида или карбонитрида титана и др.)- Это повышаетих стойкость в 5 —6 раз.

Синтетический материал, основой которого является корунд(АЬО3) — минерал кристаллического строения, относится кинструментальному материалу — минералокерамике. Получают ко-рунд из глинозема в электропечах спеканием при температуре1 720... 1 750°С, в связи с чем его называют электрокорундом.

Оксидная керамика, в состав которой входят легирующие добав-ки MgO, ZrO2 и др., обладает высокими твердостью (90...94 HRA)и теплостойкостью (до 1 200 °С). Ее малое сродство с металламиисключает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым мате-риалом, вследствие чего при обработке не появляется нарост идостигается меньшая шероховатость обработанной поверхности (посравнению с обработкой твердым сплавом). Недостатком оксид-ной минералокерамики является ее низкая прочность и высокаяхрупкость. Инструмент, оснащенный пластинами из оксиднойкерамики, используют при чистовой и получистовой обработкедеталей из чугунов, сталей, некоторых сплавов цветных металлови неметаллических материалов со скоростями резания до 15 м/с вусловиях безударной нагрузки и без охлаждения. Достаточно ши-рокое применение получила минералокерамика марок ЦМ-332 и

В0-13.Для повышения механической прочности в оксидную керами-

ку добавляют различные тугоплавкие соединения (карбиды тита-на, вольфрама, циркония, молибдена). Такие материалы называ-ются оксидно-карбидной керамикой (марки ВЗ, ВОК-60, ВОК-63,ВШ-75), из которой изготовляются многогранные и круглые плас-тины. Пластины крепят к инструменту механическим путем илипайкой после предварительной металлизации. Инструменты из ми-нералокерамики используют для обработки деталей из ковких ивысокопрочных чугунов, труднообрабатываемых сталей и сплавов.

В последнее время широкое распространение получили синте-тические сверхтвердые материалы (СТМ) на основе твердых мо-дификаций нитрида бора. Они обладают большой твердостью, ус-тупающей лишь синтетическому алмазу, и высокой теплостойко-стью (до 1 300 °С). Резцы, оснащенные пластинками из этих мате-риалов, применяют для тонкого точения деталей из закаленных

сталей.Абразивные материалы представляют собой порошкообразные

мелкозернистые вещества, используемые для производства абра-зивных инструментов: шлифовальных кругов, лент, брусков, сег-ментов, головок и др. Естественные абразивные материалы (наж-дак, кварцевый песок, корунд) характеризуются значительнойнеоднородностью свойств и поэтому применяются редко.

Абразивные инструменты изготовляют из искусственных мате-риалов: электрокорунда, карбидов кремния, карбидов бора, ок-

300

сида хрома и других материалов. Все они отличаются высокимикрасностойкостью (1 800...2000°С), износостойкостью и твердо-стью. Так, микротвердость карбидов бора составляет 43 %, карби-дов кремния — 35 % и электрокорунда — 25 % от микротвердостиалмаза. Обработка абразивными инструментами ведется на скоро-стях 15... 100 м/с.

Самым твердым из известных инструментальных материаловявляется алмаз. Он обладает высокой твердостью, износостойко-стью, хорошей теплопроводностью, малым коэффициентом тре-ния и низкой адгезионной способностью к металлам. Алмазамиоснащают режущие инструменты (резцы, сверла и др.), их ис-пользуют для изготовления инструментов (круги, ленты, пилы идр.) и различных доводочных порошков. Обработка таким инстру-ментом характеризуется высокой размерной точностью, малойшероховатостью обработанной поверхности и повышенной про-изводительностью (скорость резания выше 20 м/с). В промышлен-ности используют природные (марки А) и синтетические (маркиАС) алмазы. Последние выпускаются следующих марок: АСБ —баллас (АСБ-5, АСБ-6); АСПК - карбонадо (АСПК-1, АСПК-2,АСПК-3). Алмазный инструмент применяют для обработки твер-дых и полупроводниковых материалов, керамики, сплавов цвет-ных металлов, жаропрочных сплавов. Недостатками алмазногоинструмента являются большая хрупкость, высокая стоимость идефицитность.

В промышленности создан ряд инструментальных материалов,которые называются композиционными (композитами). К ним от-носятся: эльбор (композит 01); белбор (композит 02); гексанит(композит 10); композит 05 (состоит из кубического нитридабора — КНБ и А12О3); композит 09 (состоит из поликристалловтвердого нитрида бора — ПТНБ). Эльбор практически служит за-менителем алмазов. Его применяют для обработки заготовок извысокотвердых материалов и конструкционных сталей. Компози-ты изготовляют в виде цилиндрических столбиков диаметром 16 мми высотой 3...6 мм, которые крепят к державкам режущего инст-румента.

6 . 3 . Обработка заготовок на токарных станках

6 . 3 . 1 . Типы и область применения станков токарнойгруппы

Станки токарной группы предназначены для обработки наруж-ных и внутренних поверхностей вращения (цилиндрических, ко-нических и фасонных), плоских торцевых поверхностей (подреза-ние торцов), нарезания наружных и внутренних резьб и некото-

301

рых других работ. На токарных станках проводятся все виды обра-ботки: обдирочная, черновая, получистовая, чистовая и тонкая.

При использовании специальных приспособлений на токар-ных станках можно выполнять ряд дополнительных операций, втом числе обкатывание и раскатывание роликами и шарикамицилиндрических поверхностей, алмазное выглаживание, накаты-вание рифлений, фрезерование, шлифование и другие операции.

В машиностроении станки токарной группы составляют 30...40 %от общего парка металлорежущих станков. В зависимости от на-значения и конструкции станки этой группы подразделяются наследующие типы: автоматы и полуавтоматы одношпиндельные;автоматы и полуавтоматы многошпиндельные; револьверные; свер-лильно-отрезные; карусельные; токарные, токарно-винторезныеи лобовые; токарные многорезцовые; специализированные; специ-альные. Каждый тип токарных станков имеет несколько моделей.

Токарные автоматы и полуавтоматы получили наибольшеераспространение в крупносерийном и массовом производстве. Онипредназначены для обработки деталей сложной конфигурациинесколькими инструментами. На полуавтоматах автоматизировантолько процесс механической обработки заготовок, а на автома-тах также процесс загрузки заготовок и выгрузки обработанныхдеталей. Токарные автоматы и полуавтоматы бывают универсаль-ными и специальными, одно- и многошпиндельными, горизон-тальными и вертикальными.

Револьверные {токарно-револьверные) станки предназначены дляобработки деталей сложной формы в условиях серийного произ-водства. Эти станки оборудованы специальными устройствами —револьверными головками (револьверными суппортами), которыеслужат для одновременного размещения нескольких инструмен-тов. Оси револьверных головок могут быть как вертикальными,так и горизонтальными.

Карусельные (токарно-карусельные) станки применяются дляобработки крупногабаритных заготовок, имеющих небольшуювысоту (L/D = 0,2...0,3). Это могут быть заготовки колес, турбин,маховиков и т. п. В отличие от токарных станков заготовка устанав-ливается на круглом горизонтальном столе — карусели с верти-кальной осью вращения. Наличие стола карусели (диаметром0,5...20 м) облегчает установку, выверку и закрепление заготовокна станке. Резцы и осевые инструменты закрепляются в револь-верной головке, расположенной на вертикальной стойке у одно-стоечных, либо на поперечине — у двустоечных станков. Кару-сельные станки выпускаются как универсальные, так и специа-лизированные.

Лобовые станки предназначены для обработки заготовок боль-шого диаметра и небольшой длины. Обрабатываемая заготовказакрепляется на планшайбе, установленной на шпинделе станка.

302

Станина станка имеет выемку под планшайбой, что обеспечиваетвозможность обрабатывать заготовки, диаметр которых большедиаметра планшайбы. На лобовых станках можно точить наруж-ные цилиндрические и конические поверхности, обрабатыватьторцы, протачивать канавки, растачивать внутренние поверхно-сти. Эти станки применяются в условиях единичного и мелкосе-рийного производства.

Токарные многорезцовые станки, применяющиеся в основном вкрупносерийном и массовом производстве, предназначены дляобработки ступенчатых валов, блоков шестерен и других сложныхдеталей. Эти станки имеют два и более суппортов, на каждом изкоторых может быть закреплено несколько одновременно работа-ющих резцов. Токарные многорезцовые станки работают, как пра-вило, в автоматическом цикле.

Специализированные и специальные токарные станки применя-ются для обработки деталей определенных типоразмеров.

Наибольшее распространение на предприятиях машинострое-ния получили токарные и токарно-винторезные станки.

Токарные станки применяются для выполнения всех видов то-карных работ, за исключением нарезания резьб. Токарно-винто-резные станки отличаются от токарных наличием ходового винта,что обеспечивает возможность нарезания резьб на наружных ивнутренних поверхностях заготовки.

Практически все токарные и токарно-винторезные станки име-ют однотипную компоновку, причем наиболее характерной явля-ется компоновка токарно-винторезного станка.

6.3.2. Устройство токарно-винторезного станка

Токарно-винторезный станок (рис. 6.14) имеет классическуюкомпоновку основных узлов и механизмов. Станина 2 с горизон-тальными направляющими служит для монтажа узлов станка иустановлена на двух тумбах. В передней тумбе 7 смонтирован элек-тродвигатель главного привода станка, в задней тумбе 17— бакдля СОЖ и насосная станция для ее подачи в зону резания.

В передней бабке 6, расположенной с левой стороны станка,смонтирована коробка скоростей 4 и шпиндель с патроном 7.Механизм коробки скоростей позволяет получать различную вели-чину оборотов шпинделя, на котором, в свою очередь, устанавли-ваются приспособления для закрепления заготовки и передачи ейвращательного движения. На лицевой стороне передней бабки рас-положена панель управления 5 механизмами коробки скоростей.

Коробка подач 3 расположена на лицевой стороне станины 2.В ней смонтированы механизмы, позволяющие передавать суппор-ту 11 с расположенными в нем резцами разные скорости перемеще-ния при обработке заготовки, в том числе при нарезании резьбы.

303

Суппорт 11, предназначенный для закрепления и переме-щения в нужном направлении резцов, состоит из несколькихчастей. Продольные салазки 8, установленные на направляющихстанины, перемещаются вдоль шпинделя, обеспечивая продоль-ную подачу. Поперечные салазки 9 перемещаются в попереч-ном направлении по направляющим продольных салазок. По-воротные салазки 12, имеющие четырехпозиционный резцедер-жатель 10, могут быть установлены под требуемым углом к осишпинделя, что необходимо при обработке конических поверх-ностей.

К продольным салазкам 8 крепится фартук 13 станка, меха-низмы которого преобразуют вращательное движение ходовоговалика 14 или ходового винта 15 в поступательное движение суп-порта относительно заготовки. Задняя бабка 16 установлена с пра-вой стороны станины и может перемещаться по ее направляю-щим. В пиноли задней бабки устанавливаются центры, поддержи-вающие длинномерные детали, а также служащие для закрепле-ния инструмента (сверл, зенкеров, разверток) при обработке от-верстий.

Конструкция задней бабки позволяет смещать ее ось в попе-речном направлении, что используется при обработке длинныхконических деталей с малым углом образующей конуса.

Главное движение и движение подачи осуществляется при по-мощи соответствующих приводов.

Для предохранения работающего на станке от травм сходящейстружкой на станке предусмотрены защитные устройства.

304

6.3.3. Режущий инструмент и технологическая оснастка

Широкий спектр работ, выполняемых на станках токарной груп-пы, определяет разнообразие применяемого режущего инструмен-та, представляющего различные типы токарных резцов.

Любой резец состоит из режущей части и тела (державки), спомощью которого осуществляется его закрепление. Конструкциярезцов предусматривает, что в зависимости от назначения онимогут иметь державку разного сечения — квадратного, прямо-угольного, круглого и специального. Различные типы токарныхрезцов представлены на рис. 6.15.

В зависимости от формы головки резца и ее положения отно-сительно державки резцы подразделяются на левые 1 и правые 2;прямые — 4, 6 и 7; отогнутые — 9 и 11; резцы с оттянутой голов-кой — 3 и 5.

По назначению резцы подразделяются на проходные — 4, 7, 8и 9, применяемые при обработке наружных поверхностей тел вра-щения, подрезные — 11 и 12, используемые для обработки тор-цевых поверхностей, отрезные — 3 и 5, предназначенные для раз-резания или отрезания готовой детали от заготовки. Если отрез-ной резец при своем перемещении не доведен до оси детали, тона ней будет образована канавка.

Расточные резцы — 13 (проходные) и 14 (упорные) применя-ются для растачивания имеющихся в заготовке отверстий.

Фасонные резцы 16 имеют специально спрофилированную ре-жущую кромку, профиль которой копируется на обрабатываемойзаготовке. В качестве одной из разновидностей фасонных резцовможно назвать резьбовые резцы для нарезания наружной 10 и внут-ренней 15 резьбы или резцы для получения профильных канавок 6.

В зависимости от качества выполняемых работ резцы подразде-ляются на черновые и чистовые. Чистовые резцы могут иметь боль-шой радиус закругления вершины резца 7, зачистную режущуюкромку или широкое режущее лезвие 8.

В настоящее время 80... 85 % всех резцов оснащены пластинамииз твердых сплавов (см. подразд. 6.2.8), которые различными спо-собами закрепляются в головке режущего инструмента. Большоераспространение получили резцы с многогранными неперетачи-ваемыми пластинами 17. После затупления очередной кромки пла-стину поворачивают следующей гранью, а после затупления всехкромок — отправляют в переработку.

Установка и закрепление заготовок для их обработки на токар-ных станках производятся с помощью различных приспособле-ний, которые подразделяют на универсальные и специальные.

Выбор того или иного приспособления зависит прежде всегоот конструкции заготовки и вида обрабатываемой поверхности,типа и модели станка, принятой схемы базирования, требуемогокачества обработки и типа производства.

Наиболее распространенными и универсальными приспособ-лениями являются центры, люнеты, патроны, планшайбы и оп-равки.

Центры применяются при обработке валов с соотношениемL/D > 4. Необходимым условием для установки заготовки в центрахявляется наличие в ней центровых отверстий с торцов. Один центрустанавливается в шпинделе, а другой — в задней бабке. По конст-рукции центры подразделяют на неподвижные и вращающиеся.

Неподвижный упорный центр состоит из конуса, на которыйопирается торец обрабатываемой детали, и конического хвосто-вика, устанавливаемого в пиноль задней бабки. При точении навысоких скоростях или больших нагрузках на деталь для уменьше-ния износа применяют центры, концы которых изготовлены изтвердых сплавов, или используют вращающиеся центры.

Для уменьшения деформаций (прогиба) заготовки в процессерезания (при L/D > 10) применяются люнеты. Они бывают под-вижными и неподвижными. Наружные цилиндрические поверх-ности прутковых деталей (валы, оси) обычно подвергают про-дольному точению в центрах с неподвижным люнетом.

Неподвижный люнет устанавливают на обе направляющие ста-нины и закрепляют между передней и задней бабками станка, врезультате чего обрабатываемая деталь охватывается тремя регу-лируемыми упорами (кулачками). При точении с большими ско-

306

ростями вместо обычных упоров в люнетах устанавливают ролико-вые или шариковые подшипники, наружные кольца которых слу-жат роликами, касающимися поверхности вращающейся детали.

Подвижный люнет крепят на каретке суппорта. Подвижныйлюнет имеет два упора, касающихся обработанной поверхностидетали и принимающих на себя давление резца.

При обработке на токарном станке тяжелой и длинномернойдетали один ее конец закрепляют в патроне, а другой поддержи-вается центром задней бабки. Это необходимо для жесткого и на-дежного закрепления детали.

Патроны достаточно широко применяют на токарных, токар-но-винторезных, револьверных и других станках при обработкезаготовок с соотношением L/D <= 4 без поддержки свободного концадетали центром задней бабки.

Патроны бывают: трехкулачковые, четырехкулачковые, цан-говые и др. Привод кулачков патронов может быть механическим,пневматическим, гидравлическим и электрическим и зависит восновном от уровня автоматизации станка.

Трехкулачковый самоцентрирующийся патрон используют длязакрепления симметричных деталей. В таком патроне кулачки имеютрадиальное перемещение в пазах корпуса патрона.

В четырехкулачковом патроне каждый из кулачков, укреплен-ных в радиальных пазах корпуса патрона, имеет независимое пе-ремещение. Эти патроны применяют для установки и закрепле-ния деталей сложной и несимметричной формы.

Обработку плоскостей пластин и других плоских деталей удоб-но проводить в патронах, оснащенных постоянным магнитом.

Планшайбу применяют при обработке несимметричных дета-лей и деталей сложной формы, закрепление которых в кулачко-вых патронах неудобно или невозможно. Планшайба навинчива-ется на шпиндель станка и представляет собой диск с радиальны-ми пазами. Обрабатываемую деталь закрепляют на планшайбе бол-тами и уравновешивают специальным противовесом.

Оправку применяют при обработке на станке заготовок типавтулок, колец, стаканов и т. п. По конструктивному исполнениюоправки бывают конические, цанговые, гидропластовые и др.

Приспособления, которые применяются для установки и за-крепления инструментов, называются инструментальными блока-ми. Применение инструментальных блоков наиболее характернодля револьверных станков и станков с числовым программнымуправлением (ЧПУ).

6.3.4. Характеристика основных методов точения

Как было сказано, при точении (обтачивании) главным дви-жением у всех станков токарной группы является вращение заго-

307

товки, а поступательным — движение (подача) режущего инст-румента. При этом ось вращения главного движения резания мо-жет быть как горизонтальной, так и вертикальной (в зависимостиот конструкции станка). Движение подачи может быть параллель-ным или перпендикулярным оси вращения заготовки (продоль-ная и поперечная подачи), а также под углом к оси вращениязаготовки (наклонная подача).

На рис. 6.16 представлены схемы основных методов обработкизаготовок на токарных станках, которые являются типовыми, таккак их можно реализовать на всех токарных станках, включая стан-ки с ЧПУ.

Наружное обтачивание цилиндрических поверхностей произ-водят прямыми (рис. 6.16, а) или отогнутыми проходными резца-ми. Для обработки нежестких валов рекомендуется использоватьпроходные резцы, у которых главный угол в плане Приобработке валов такими резцами радиальная составляющая силырезания равна нулю, что уменьшает деформирование заготовок впроцессе их обработки.

308

Наружные (рис. 6.16, б) и внутренние резьбы выполняют резь-бовыми резцами, форма режущих кромок которых определяетпрофиль нарезаемых резьб. Настройка станка для нарезания резь-бы заданного шага производится с помощью коробки подач. Настанках с ЧПУ шаг нарезаемой резьбы устанавливает система уп-равления.

Обработку длинных пологих конических поверхностей произ-водят при смещении в поперечном направлении корпуса заднейбабки относительно ее основания (рис. 6.16, в) или используяспециальное приспособление — конусную линейку. Точение ко-нических поверхностей на станках с ЧПУ осуществляют автома-тическим подбором скоростей продольной и поперечной подачи.

Сквозные отверстия в заготовках растачивают проходными рас-точными резцами (рис. 6.16, г), а глухие — упорными (рис. 6.16, д).

Точение наружных и растачивание внутренних конических по-верхностей средней длины (рис. 6.16, е, н) производят наклон-ным движением резцов при повороте суппорта.

Кольцевые канавки на поверхности заготовок получают с по-мощью отрезных резцов (рис. 6.16, ж) при поперечной подаче,фасонные поверхности (рис. 6.16, з) — фасонными резцами, ко-роткие конические поверхности (фаски) — широкими резцами(рис. 6.16, и).

Отрезку от заготовки деталей (рис. 6.16, к) осуществляют от-резными резцами с наклонной режущей кромкой, что в итогеобеспечивает получение чистого торца на самой детали. Для под-резания торцов (рис. 6.24, м) используют специальные подрезныерезцы.

Выполнение и обработку отверстий в заготовке производят свер-лами (рис. 6.16, л), зенкерами и развертками. В этом случае обра-ботку ведут при продольной подаче режущего инструмента, уста-новленного в задней бабке.

6.3.5. Технология обработки заготовок точением

Перед началом разработки технологии проводят анализ исход-ных данных, изучают рабочий чертеж детали: размеры и допуски,допускаемые погрешности формы, требуемая шероховатость об-работанной поверхности. Также изучается технологичность дета-ли, выясняются условия ее эксплуатации и программа выпуска.Детали, получаемые обработкой на станках токарной группы,должны преимущественно иметь поверхности, представляющиеформу тел вращения, и быть симметричными относительно осивращения. Обрабатываемые детали должны быть достаточно жест-кими, иметь унифицированные размеры и наиболее простую форму.Доступ режущего инструмента к отдельным поверхностям заго-товки при обработке должен быть свободным и т.д.

309

Далее выбирается тип производства в зависимости от програм-мы и такта выпуска деталей, т.е. строго определенного промежут-ка времени работы линии непрерывно-поточного производства.С тактом выпуска сверяют длительность основных операций. Еслизначения их близки, то устанавливается массовое производство.Когда такт намного больше длительности операций, то деталиизготовляют по принципу серийного производства с обработкойих партиями. Тип производства определяет выбор моделей приме-няемого оборудования, использование средств механизации иавтоматизации, способ изготовления исходной заготовки (про-катка, литье, ковка и т.д.). На выбор способа изготовления заго-товки и ее обработки оказывают влияние материал, его физико-механические свойства и структура, состояние поверхности, об-рабатываемость резанием и др.

На начальной стадии разработки технологического процессасоставляют перечень технологических переходов. Каждому методуобработки соответствуют достижимые точность получаемого раз-мера и шероховатость поверхности. Окончательная обработка по-верхности определяется рабочим чертежом детали.

В зависимости от вида обработки (черновое, получистовое,чистовое и тонкое точение) каждому из этих методов обработкихарактерен определенный диапазон достигаемых точности и ше-роховатости поверхности деталей (табл. 6.1).

На станках токарной группы черновую {обдирочную) обработкупроводят с целью уменьшения пространственных отклонений ипогрешностей формы заготовок, например поковок или отливок,имеющих точность, соответствующую 17-му или 16-му квалитету.После черновой обработки точением точность этих заготовок со-ответствует 14—11-му квалитетам, а шероховатость поверхностиRa 10...2,5 мкм.

Получистовое точение необходимо в том случае, когда при чер-новой обработке заготовки не снялся весь припуск или к нейпредъявляются повышенные требования по точности. Получисто-

Т а б л и ца 6.1

Технологические возможности методов точения

Точение

Черновое

Получистовое

Чистовое

Тонкое

Шероховатость Ra, мкм(ГОСТ 2789-73)

10...2,5

2,5... 1,25

1,25...0,32

0,32...0,16

Квалитет точности(ГОСТ 25347-89)

1 4 - 1 1

1 1 - 9

9 - 7

7 - 6

310

вое точение обеспечивает точность, соответствующую 11—9-муквалитетам и шероховатости Ra 2,5... 1,25 мкм.

Чистовую обработку проводят как окончательную или проме-жуточную под последующую тонкую обработку с целью достиже-ния 9 —7-го квалитетов точности и шероховатости Ra 1,25...0,32 мкм.

Тонкая обработка резцами рассматривается как окончательная,заменяющая шлифование. Тонкое точение обычными резцамиобеспечивает точность, соответствующую 7-му или 6-му квалите-там и шероховатости Ra 0,32...0,16 мкм, алмазными резцами —5-му квалитету и Ra 0,16...0,08 мкм.

При назначении переходов и разработке технологического мар-шрута используют справочные данные по производительности иточности различных методов обработки.

После этого приступают к расчету припуска на обработку, ко-торый должен обеспечить получение заданной точности и вели-чины шероховатости поверхности детали.

При расчетах, как правило, пользуются стандартами, катало-гами, справочниками, в то же время необходимо учитывать ре-альные возможности производства. Расчет режимов обработкипроводится в общепринятой последовательности.

Глубину резания при черновом точении выбирают в пределах2... 8 мм, в основном опираясь на силовые и прочностные харак-теристики резца и заготовки, а при чистовом точении — 0,2...1,5 мм с учетом величины шероховатости поверхности детали,получаемой после обработки.

Подача выбирается по справочникам и корректируется по пас-портным данным станка, т.е. берется ее ближайшая наименьшаявеличина из ступенчатого ряда подач.

Скорость резания определяется расчетным путем с учетом стой-кости инструмента. Корректировка скорости резания проводитсяпо паспорту станка.

Был рассмотрен традиционный метод проектирования техно-логического процесса, при котором описание объекта и его алго-ритм осуществляет технолог. Существуют еще два метода проек-тирования технологического процесса: автоматизированный (привзаимодействии человека и ЭВМ) и автоматический (ЭВМ безучастия человека). Самым распространенным и перспективнымявляется автоматизированный метод проектирования, которыйобеспечивает использование систем автоматизированного проек-тирования (САПР).

Применение ЭВМ повышает производительность технологиче-ских и инженерных расчетов в 10—15 раз, снижает стоимость проек-тирования в 2—4 раза и улучшает его качество в результате оптими-зации проектных разработок. Проектирование станочных операцийна ЭВМ повышает производительность операций на 20...30 % и сни-жает себестоимость обработки деталей на 10... 15 %.

311

6 . 4 . Обработка заготовок на сверлильныхи расточных станках

6 . 4 . 1 . Основные параметры резания при сверлении

Сверление — процесс получения отверстий в сплошном мате-риале заготовки. Сверлением получают сквозные и глухие отвер-стия, обрабатывают предварительно полученные отверстия путемрассверливания, зенкерования, развертывания и нарезания резь-бы с целью изменения их размеров, конфигурации, повышенияточности и снижения шероховатости поверхности.

Основными параметрами резания при сверлении, как и приточении, являются: скорость главного движения резания v, пода-ча s и глубина резания t.

Скоростью резания v при сверлении называют окружную ско-рость точки режущей кромки, наиболее удаленной от оси сверла.Скорость резания v (м/мин) определяют по формуле

где D — диаметр сверла, мм; п — частота вращения сверла, мин-1.Выбор скорости резания при сверлении зависит от механиче-

ских свойств обрабатываемого материала и материала режущейчасти сверла, диаметра сверла, величины подачи, стойкости инст-

румента, способа охлаждения, глубины сверления и других фак-торов. Например, при работе сверла, оснащенного пластинкой изтвердого сплава ВК8, скорость резания заготовки из стали состав-ляет 45...80 м/мин, а из чугуна — 50...90 м/мин.

Элементы режима резания при сверлении показаны на рис. 6.17.Подача s равна величине перемещения сверла вдоль оси за один

оборот (рис. 6.17, а). Поскольку сверло имеет две режущие кромки,то подача, приходящаяся на каждую кромку sz (мм/мин):

Глубина резания t (мм) при сверлении отверстий в сплошномматериале принимается за половину диаметра сверла:

при рассверливании

где d — диаметр обрабатываемого отверстия, мм.Площадь поперечного сечения среза, снимаемого двумя глав-

ными режущими кромками сверла за один оборот, равна удвоен-ному произведению толщины среза а на ширину среза Ь.

Ширину и толщину среза (без учета перемычки) определяютпо формулам:

Машинное время сверления Ты (мин) отверстий в сплошномтеле рассчитывают с учетом длины прохода L (рис. 6.17, б), пода-чи s и частоты вращения сверла п по формуле

где l — глубина сверления, мм; l1 и /2 — врезание и перебег свер-ла, мм.

6.4.2. Способы обработки заготовок на сверлильныхстанках

Основными способами обработки заготовок на сверлильныхстанках являются: сверление, рассверливание, зенкерование, раз-вертывание и нарезание резьбы.

Сверление — это процесс получения отверстий круглой формыв сплошном материале с помощью сверл различной конструкции.Эта операция осуществляется двумя движениями: вращательными поступательным.

Выбор того или иного способа сверления зависит от диаметраотверстия, глубины сверления, точности отверстия и расположе-ния его оси, физико-механических свойств обрабатываемого ма-

313

териала и других факторов. При сверлении скорость резания явля-ется величиной переменной, так как она изменяет свою величинупо режущему лезвию от его центра (v = 0) к периферии (vmax)Технологические возможности различных методов сверления дос-таточно широки.

Рассверливание — процесс увеличения диаметра ранее полу-ченного (исходного) отверстия сверлом большего диаметра навеличину глубины резания. Диаметр отверстия под рассверлива-ние выбирают так, чтобы поперечная режущая кромка сверла вработе не участвовала. В этом случае осевая сила уменьшается. Па-раметры режима резания и качество обработки при рассверлива-нии те же, что и при сверлении.

Зенкерование — промежуточная операция обработки предвари-тельно просверленного, литого или штампованного отверстия.Зенкерование выполняется с помощью зенкеров. Параметры ре-жима резания при зенкеровании также определены скоростью ре-зания, подачей и глубиной резания. Припуск под зенкерованиезависит от диаметра зенкера и изменяется в пределах 0,5... 3,5 мм.Зенкерованием обрабатываются цилиндрические, торцевые, ко-нические и сферические поверхности.

Зенкеры для получения цилиндрических или конических уг-лублений под головки болтов и винтов называются зенковками, адля обработки торцевых поверхностей — цековками. В связи с этимданные методы обработки довольно часто называют зенкованиеми цекованием.

Развертывание — окончательная чистовая обработка цилинд-рического или конического отверстия разверткой. Данная опера-ция обычно выполняется после зенкерования с целью полученияболее высокой точности и меньшей шероховатости поверхности.Припуск под развертывание зависит от диаметра инструмента инаходится в пределах 0,15...0,5 мм.

Нарезание резьбы на внутренних цилиндрических поверхностяхпроизводится с помощью метчика. Геометрические параметрырезьбы определяются инструментом.

6.4.3. Режущий инструмент и технологическаяоснастка

Для получения в заготовках отверстий и их обработки исполь-зуют разнообразные режущие инструменты. Основными инстру-ментами для выполнения этих работ являются сверла, зенкеры,развертки и метчики.

Сверла применяются для сверления отверстий в сплошном ма-териале или рассверливания предварительно полученных отвер-стий. Среди них различают сверла спиральные, центровочные,перовые и специальные для глубоких отверстий. Сверла изготов-

314

ляются из инструментальных сталей, оснащаются твердосплав-ными пластинками, а иногда целиком состоят из твердого сплава.Наиболее широко используют винтовые (спиральные) сверла. Ихизготовляют диаметром от 0,1 до 30 мм.

На рис. 6.18 показаны части (рис. 6.18, а), геометрические (рис.6.18, б) и рабочие элементы (рис. 6.18, в) спирального сверла.

Сверло состоит из рабочей части /) (см. рис. 6.18, а), шейки /3,хвостовика /4 и лапки /5. Сверла малого диаметра изготовляют с ци-линдрическим хвостовиком, а большого — с коническим. На рабо-чей части сверла различают режущую /2 и направляющую (1Х — /2)части. Последняя часть направляет сверло по оси и позволяет осу-ществлять его многократную переточку. По всей ее длине выпол-нены узкие направляющие ленточки, которые служат для направ-ления инструмента в отверстии. Сверло имеет две винтовые стру-жечные канавки, предназначенные для удаления стружки из об-рабатываемого отверстия. Сверла изготовляют с обратной конус-ностью, что необходимо для уменьшения сил трения об обрабо-танную поверхность и исключения схватывания (защемления)сверла в отверстии.

Шейка соединяет рабочую часть сверла с хвостовиком и необ-ходима для вывода шлифовального круга при обработке им хвос-товика и направляющих ленточек. Хвостовик предназначен для

315

закрепления сверла в шпинделе станка, а лапка служит упоромпри его выбивании из шпинделя.

Сверло состоит из двух симметричных относительно оси режу-щих зубьев, каждый из которых по сути является тем же самымтокарным резцом. Поэтому аналогично резцу режущая часть свер-ла характеризуется (см. рис. 6.18, б) передним углом , заднимуглом и (см. рис. 6.18, а) углом '. при вершине, углом наклонапоперечного режущего лезвия и углом наклона винтовой канав-ки .

Передний угол — это угол между плоскостью, касательной кпередней поверхности, и плоскостью, параллельной оси сверла.Величина угла изменяется в зависимости от положения сеченияА —А (см. рис. 6.18, б) от оси к периферии сверла. Так, если нанаружном диаметре угол равен 18... 30°, то у поперечной режу-щей кромки он приближается к нулю.

Задний угол i рассматривается в плоскости Б— Б. Это сделанодля удобства его измерения. В силу того что сверло затачивается поконической поверхности, задний угол также является перемен-ным по длине режущего лезвия и возрастает в направлении к пе-ремычке.

Главные лезвия сверла перекрещиваются под углом (см. рис.6.18, а). У стандартных сверл угол = 120°, но в основном онколеблется в пределах от 90 до 140° и зависит от твердости и проч-ности обрабатываемого материала, возрастая при их увеличении.Угол \|/ определяется между проекциями главного лезвия и пере-мычки на плоскость, перпендикулярную оси сверла ( = 50... 55°),угол образован касательной к винтовой линии канавки и осьюсверла ( =25...30°).

В процессе резания главные функции выполняет рабочая частьсверла, на которой расположены режущие элементы: главные ре-жущие кромки 1 (рис. 6.18, в), поперечная режущая кромка 2, атакже передняя 3 и задняя 4 поверхности. Сверло, как и все ос-тальные режущие инструменты, имеет вспомогательные режущиекромки, улучшающие качество поверхности обработанного отвер-стия. Этими кромками являются винтовые кромки направляющихленточек 5.

При сверлении поперечная режущая кромка сверла сама ме-талл не режет, а вытесняет его от оси под главные режущие кром-ки. Измерения показывают, что при сверлении около 65 % общегоусилия подачи приходится на внедрение поперечной режущейкромки в металл. Поэтому для обеспечения более благоприятныхусловий работы сверла производят подточку поперечной режу-щей кромки.

При сверлении глубоких отверстий (L > 5D) необходимо при-менять специальные сверла. Особенность этих сверл заключаетсяв том, что они должны обеспечивать большую точность располо-

316

жения оси отверстия, меньшее тепловыделение при резании, луч-шие условия для вывода стружки и отвода теплоты.

Для изготовления сверл используются быстрорежущие стали (Р18;р12; Р9; Р6АМ5; Р9М4К8 и др.). Для повышения стойкости сверлих режущие поверхности выполняются с нанесением износостой-ких покрытий и упрочняются термомеханическим способом.

Наряду с быстрорежущими сверлами, достаточно широко ис-пользуются сверла со вставными твердосплавными пластинами(ВК8; ВК10М; ВК15М). Эти сверла, как правило, применяютсяпри сверлении отверстий в заготовках из чугуна, закаленных ста-лей, титановых сплавов, труднообрабатываемых сплавов цветныхметаллов и неметаллических материалов. Стойкость твердосплав-ных сверл в 10 — 40 раз выше стойкости быстрорежущих.

На рис. 6.19 представлены инструменты для обработки отвер-стий на сверлильных станках.

Зенкер (рис. 6.19, а) по своей форме напоминает спиральноесверло, но в отличие от него имеет большее количество режущихлезвий. Ввиду того что зенкер предназначен для обработки ужеимеющихся отверстий, у него отсутствует поперечная режущаякромка. Наличие большого количества режущих лезвий ( =3 — 9)обеспечивает ему более высокую производительность и точностьобработки по сравнению со сверлом.

Зенкерами обрабатывают предварительно просверленные от-верстия, а также отверстия, имеющиеся в литых или штампован-

ных заготовках. Режущая часть зенкера 11 выполняет основной про-цесс резания, а калибрующая часть 15 служит для направлениязенкера в самом отверстии и обеспечения необходимой точностии шероховатости обрабатываемой поверхности. Зенкер так же, каки сверло, имеет шейку 12 и хвостовик /4 с лапкой /3.

По своей конструкции зенкеры подразделяются на цилиндри-ческие (рис. 6.19, а), конические (рис. 6.19, б) и торцевые (рис.6.19, в). Зенкеры бывают цельными (см. рис. 6.19, а, б) и насад-ными (рис. 6.19, в). Припуск на зенкерование находится в преде-лах 0,5...3,5 мм.

Развертки (рис. 6.19, г—е) представляют собой многолезвий-ный инструмент и предназначаются для окончательной чистовойобработки отверстий, предварительно обработанных сверлом изенкером.

По способу применения развертки делятся на машинные, ис-пользуемые на металлорежущих станках, и ручные. По форме об-рабатываемого отверстия они подразделяются на цилиндрические(см. рис. 6.19, г) и конические (рис. 6.19, д), а по конструкции —на цельные, со вставными зубьями и насадные. Развертки имеютеще большее число режущих лезвий (z = 5 —14), расположенных врежущей части /6, впереди которой выполнен направляющий ко-нус. Калибрующая часть /7 служит для направления развертки вотверстии и обеспечивает требуемую точность и шероховатостьповерхности. По конструкции закрепления развертки также под-разделяются на хвостовые и насадные.

Метчики (рис. 6.19, ж) применяют для нарезания резьбы вотверстиях. Чтобы правильно нарезать резьбу и избежать поломкиинструмента, метчик закрепляют в специальном патроне. Инст-румент представляет собой винт с прорезанными прямыми иливинтовыми канавками, образующими режущие кромки. Рабочаячасть метчика имеет режущий /s и калибрующий /9 участки. Про-филь резьбы метчика должен соответствовать профилю нарезае-мой резьбы.

При обработке сложных по конфигурации отверстий в рядеслучаев используются разнообразные комбинированные инстру-менты: сверло-зенкер, ступенчатое сверло и т. п. Применение такихинструментов позволяет выполнить несколько операций за одинрабочий ход. Однако использование таких специальных инстру-ментов экономически целесообразно только в условиях крупно-серийного и массового производства.

Для установки и закрепления заготовок на столах сверлильныхстанков применяют различные приспособления для сверления. Наи-более распространенными из них являются машинные тиски идругие зажимные устройства, в состав которых входят прихваты,подкладки, призмы, угольники и др. Для сверления строго коор-динированных отверстий в заготовках, обрабатываемых больши-

318

ми сериями, широко используют специальные приспособления —кондукторы.

Инструменты с коническим хвостовиком закрепляют непо-средственно в шпинделе сверлильного станка. Если размеры хво-стовика отличаются от размеров отверстия шпинделя, то в этомслучае применяют специальные переходные втулки. Для закреп-ления инструмента с цилиндрическим хвостовиком используютсверлильные трехкулачковые или цанговые патроны.

6.4.4. Типы и области применения станковсверлильно-расточной группы

Группа сверлильно-расточных станков состоит из двух подгрупп:сверлильной и расточной. К сверлильной подгруппе относятся сле-дующие типы станков: вертикально-, радиально- и горизонталь-но-сверлильные. Расточная подгруппа состоит из координатно-расточных, расточных и алмазно-расточных станков.

Сверлильные станки. Основными формообразующими движе-ниями при сверлении являются главное вращательное движениешпинделя и движение его подачи. Эти движения получает инстру-мент, закрепленный в шпинделе станка. Для изменения частотывращения шпинделя сверлильные станки снабжены коробкой ско-ростей, а для обеспечения подач — коробкой подач. Одновремен-ная передача двух движений от коробок скоростей и подач нашпиндель осуществляется с помощью специального узла — шпин-дельной головки.

На ряде станков коробки скоростей и подач размещены в об-щем корпусе, который имеет привод от собственного электро-двигателя (сверлильная головка). У других станков коробки ско-ростей и подач выполнены в виде отдельных узлов — шпиндель-ных головок и бабок. Причем одним из характерных признаков,по которым различают типы сверлильных станков, являются на-правление оси и места расположения этих головок и бабок.

Конструктивно сверлильные и шпиндельные головки могут бытьодно- и многошпиндельными. Многошпиндельные головки при-меняются для одновременной обработки нескольких отверстий водной заготовке.

Вертикально-сверлильные станки составляют основную частьпарка сверлильных станков, так как на них можно выполнитьпрактически все виды сверлильных работ. Эти станки выпускают-ся в настольном или напольном исполнениях. Настольные свер-лильные станки обеспечивают возможность сверления отверстийДиаметром до 16 мм, а напольные — до 100 мм.

На рис. 6.20 представлены общие виды одношпиндельного вер-тикально-сверлильного (рис. 6.20, а) и радиально-сверлильного(рис. 6.20, б) станков.

319

Вертикально-сверлильный станок (см. рис. 6.20, а) состоит изфундаментной плиты 11, на которой крепится станина /, в верх-ней части которой расположен электродвигатель 2, сообщающийшпинделю 7 вращательное движение, передаваемое ему черезкоробку скоростей, расположенную в консольной части станка —шпиндельной головке 3.

Вертикальное перемещение шпинделя и сверла может осуще-ствляться механически по заданному режиму от коробки подачили вручную при помощи штурвала 5. Управление коробками ско-ростей и подач осуществляют рукоятками 4. Контроль глубиныобработки производят по лимбу 6. Смазывающая охлаждающая жид-кость подается в рабочую зону с помощью электронасоса черезсопло 8.

В зависимости от формы и размеров заготовки ее закрепляютна столе 9 в машинных тисках, кондукторах или иных приспособ-лениях. При помощи рукоятки 10 стол можно перемещать по вер-тикали. В нише станка размещают электрооборудование и проти-вовес. В некоторых моделях для электрооборудования предусмот-рен шкаф 12.

Радиально-сверлильные станки (см. рис. 6.20, б) предназначеныдля обработки большого числа разнообразных отверстий в круп-

320

ных заготовках без их переустановки и имеют следующую ком-поновку. На фундаментной плите / крепится неподвижная ко-лонна 2 с поворотной гильзой 4. Разрезной хомут 3, скрепляю-щий гильзу с колонной, стягивается специальным устройством.На гильзе закреплена консоль или рукав 8, перемещающийся поней вверх или вниз при помощи электродвигателя 6, двухступен-чатого редуктора 5 и винта 7. Консоль имеет шпиндельную голов-ку 12 и шпиндель 13, который с помощью электродвигателя 9коробки скоростей 10 и коробки подач 11 получает заданное глав-ное (вращательное) движение и поступательное движение пода-чи (вдоль оси). Деталь располагается на столе 14.

Горизонтально-сверлильные станки, а также специальные стан-ки для глубокого сверления предназначены для обработки глубокихгоризонтальных отверстий, расположенных в разнообразных де-талях: валах, осях, цилиндрах и др., причем глубина обрабаты-ваемых отверстий может достигать нескольких метров.

Конструкции вертикально-сверлильных станков с ЧПУ преду-сматривают наличие у них револьверных многоинструментальныхголовок (суппортов), обеспечивающих быструю смену режущегоинструмента, и наличие трехкоординатного привода стола, по-зволяющего устанавливать заготовки относительно инструмента взаданной точке без предварительной разметки. При этом быстрыйподвод инструмента к заготовке, глубина сверления, изменениечастоты вращения и движение подачи инструмента производятсяавтоматически по командам с ЧПУ.

Расточные станки. Характерными признаками расточных стан-ков являются расположение шпинделя (горизонтальное или вер-тикальное) и вид работы, для которой они предназначены. В связис этим расточные станки подразделяют на горизонтально-расточ-ные, координатно-расточные, алмазно-расточные и специальные.

В машиностроении наиболее широкое распространение полу-чили горизонтально-расточные станки, на которых обрабатываютзаготовки крупно- и среднегабаритных корпусных деталей (кор-пуса редукторов, насосов и т.п.) путем растачивания, сверления,зенкерования, развертывания, фрезерования, обтачивания цилин-дрических и точения торцевых поверхностей.

Координатно-расточные станки предназначены для обработкиособо точных отверстий в эталонных деталях и кондукторных плитах.Современные координатно-расточные станки с оптическими де-лительными устройствами на механизмах перемещения стола,траверсы и расточной головки обеспечивают точность установкикоординатных размеров до 1 мкм.

На алмазно-расточных станках производится окончательнаяобработка отверстий алмазными и твердосплавными резцами. От-клонение поверхности отверстий от цилиндрической формы, об-работанных на этих станках, не превышает 5 мкм.

И Безпалько 62.1

6.4.5. Технология обработки заготовок сверлением

Основные положения по созданию технологического процессаобработки отверстий осевыми инструментами и расточными рез-цами аналогичны изложенным при обработке заготовок точением(см. подразд. 6.3.5). Остановимся только на технологических воз-можностях механической обработки сверлением, зенкерованиеми развертыванием.

Сверлением обрабатывают отверстия диаметром до 80 мм, при-чем именно сверлением получают отверстия диаметром до 30 мм.Отверстия большего диаметра получают рассверливанием послепредварительного сверления. Сверление применяется, как про-цесс обработки, при изготовлении точных отверстий. Сверлениеобеспечивает 13—11-й квалитеты точности и шероховатость по-верхности Ra 6,3... 2,5 мкм.

Зенкерованием обрабатывают отверстия диаметрами до 120 мм.Использование кондукторных (направляющих) втулок повышаетточность формы исходного отверстия, уменьшает смещение егооси. Зенкерование делится на черновое и чистовое. При зенкеро-вании отверстий в отливках точность соответствует 13-му и 12-муквалитетам, а шероховатость Ra 25... 12,5 мкм; в отверстиях послесверления — 11-му квалитету, Ra 6,3...2,5 мкм.

Развертывание отверстий с диаметрами до 120 мм может яв-ляться окончательной обработкой. Развертыванию могут пред-шествовать сверление, чистовое зенкерование и чистовое раста-чивание. Оно может быть предварительным, чистовым и тонким.Достигаемые при этом точность обработки и шероховатость по-верхности характеризуются соответственно следующими пара-метрами: 10 —8-й квалитеты, Ra 2,5... 1,25 мкм; 8-й квалитет,Ra 1,25...0,63 мкм; 7-й и 6-й квалитеты, Ra 0,63...0,32 мкм.

При разработке режима резания исходят из главного положе-ния: процесс резания при сверлении значительно сложнее, чемпри точении, так как при сверлении изменение скорости от мак-симального значения на наружном диаметре сверла до нуля в цен-тре создает неравномерные условия для стружкообразования. Зна-чительные силы трения стружки о сверло и сверла о поверхностьзаготовки, затрудненный отвод стружки, высокие температурыобработки и трудности процесса охлаждения инструмента — всеэто осложняет процесс сверления.

6.4.6. Особенности обработки заготовок на расточныхстанках

Расточные станки применяются для обработки отверстий вкрупных и средних заготовках корпусных деталей, требующихвысокой точности размеров и качества поверхности.

322

На расточных станках растачивают отверстия специальныминструментом. Также может производиться обработка наружныхцилиндрических и плоских (торцевых) поверхностей, уступов,канавок, конических отверстий, сверление, зенкерование и раз-вертывание отверстий, нарезание наружной и внутренней резь-бы, фрезерование всеми видам фрез.

При растачивании достигается высокая точность обработки,исправляется погрешность геометрической формы отверстия и осичернового отверстия.

К корпусным деталям при растачивании предъявляются дос-таточно жесткие требования по точности обработки: непрямо-линейность и непараллельность основных поверхностей не дол-жна превышать 0,05... 0,1 мм на всю их длину, шероховатостьповерхности Ra 6,3...0,63 мкм. Точность диаметральных размеровосновных отверстий должна соответствовать 8 —6-му квалитетам,Ra 2,5... 0,32 мкм, а иногда Ra 0,32... 0,04.

Формообразование поверхностей на расточных станках произ-водится сочетанием главного вращательного движения режущегоинструмента и движения подачи, сообщаемого инструменту илизаготовке. Во время расточки отверстий вершина резца описываеткруговую траекторию и вместе со шпинделем получает продоль-ную подачу. Иногда продольную подачу сообщают обрабатывае-мой заготовке вместе со столом, в результате чего на шпиндель ирезец передается только вращательное движение.

На расточных станках могут быть использованы все виды инст-рументов, применяемых на сверлильных станках. Кроме них су-ществует еще целый ряд инструментов, предназначенных для ра-сточных станков. К таким инструментам относятся расточные рез-цы, пластинчатые резцы, расточные головки и блоки.

Инструменты на расточных станках крепят с помощью опра-вок и патронов. Использование вспомогательного инструментаобусловлено тем, что резец нельзя непосредственно закрепить врасточном шпинделе или радиальном суппорте.

В зависимости от вида обработки используют следующие рас-точные резцы: проходные, подрезные, канавочные и резьбовые. Дос-таточно широко применяют пластинчатые резцы (с пластинамииз твердых сплавов).

Расточные головки применяют для обработки отверстий боль-шого диаметра (200...500 мм).

Расточные блоки представляют собой сборную конструкцию,состоящую из корпуса и вставных регулируемых резцов, закреп-ленных винтами. Резцы регулируют по диаметру растачиваемогоотверстия.

Для окончательной обработки отверстий после предваритель-ного растачивания их резцами применяют специальные разверткис нерегулируемыми и регулируемыми ножами. Регулируемая пла-

323

вающая развертка имеет два ножа, положение которых регулиру-ется в зависимости от заданного размера обрабатываемого отвер-стия.

Расточные станки имеют различные конструкции. В промыш-ленности наибольшее распространение получили горизонтально-расточные станки, предназначенные для обработки крупногаба-ритных деталей в условиях единичного и серийного производства.

На рис. 6.21 показан общий вид горизонтально-расточного стан-ка. На станине 11 закреплена передняя стойка 3, по направляю-щим которой может вертикально перемещаться шпиндельная баб-ка 7, на которой расположены суппорт 4, планшайба 5 и шпин-дель 6. Шпиндель, расположенный горизонтально, получает глав-ное (вращательное) движение и осевую подачу, параллельнуюплоскости стола 9. При установке длинных оправок с расточнымрезцом (борштанг) один ее конец закрепляется в шпинделе, адругой — в подвижном подшипнике (люнете) 2 задней стойки 1.Обрабатываемая деталь (крупные литые корпуса редукторов, ста-нины, массивные блоки двигателей и т.д.) закрепляется на столестанка, имеющего продольную и поперечную подачи (с помощьюсалазок 10). Движение подач на станке осуществляется вручную иавтоматически, управление станком производится с пульта 8.

Заготовки на столе расточных станков закрепляют с помощьюразличных универсальных приспособлений: угольников, призм,прижимных планок, станочных болтов и т.д.

324

5.5. Обработка заготовок на строгальных, долбежныхи протяжных станках

6.5.1. Характеристика метода строгания

Строгание — процесс обработки горизонтальных, вертикаль-ных и наклонных плоских и фасонных поверхностей, пазов, ка-навок и других выемок специальными резцами.

При строгании происходит прерывистое резание металла вслед-ствие того, что резец совершает рабочий и холостой ходы. Во вре-мя прямого (рабочего) хода с заготовки срезается стружка, а вовремя обратного (холостого) хода происходит возвращение ис-полнительных органов (стола или резца) в исходное положение,стружка не снимается.

В зависимости от конструктивного исполнения различают по-перечно-строгальные и продольно-строгальные станки.

Схема процесса строгания на поперечно-строгальном станкепоказана на рис. 6.22. На станке главное возвратно-поступательноедвижение совершает режущий инструмент, а заготовка — перио-дическое движение (подача s) поперек направления главного дви-жения. При обработке вертикальных или наклонных поверхностейпериодическое движение подачи сообщается режущему инстру-менту. Поперечно-строгальные станки применяются для обработ-ки малых и средних заготовок.

Обработка на продольно-строгальных станках характеризуетсяглавным возвратно-поступательным перемещением заготовки ипериодическим движением подачи режущего инструмента в гори-зонтальном, вертикальном или наклонном направлении.

Наличие холостого хода при строгании в период, когда заго-товка не обрабатывается, приводит к значительному увеличе-нию времени ее обработки, а ударное врезание инструмента взаготовку и непостоянство скорости резания — к невысокомукачеству обработки. С другой стороны, прерывистый характер

обработки способствует охлаждению режущего инструмента вовремя холостого хода, что повышает его стойкость и позволяетвыполнять обработку без применения смазочно-охлаждающихжидкостей.

При строгании, как и при токарной обработке, рассматриваютаналогичные элементы режимов резания: скорость резания v (м/мин);глубину резания l (мм); подачу s (мм/дв. ход); ширину b и толщи-ну а срезаемого слоя (мм).

Скоростью резания v при строгании называют скорость рабо-чего хода, при котором с заготовки срезается слой металла. Дляпоперечно-строгального станка это скорость рабочего хода ползу-на с резцом, для продольно-строгального — скорость перемеще-ния стола. В зависимости от конструкции строгального станка ско-рость резания может быть переменной или постоянной.

На поперечно-строгальных станках с кривошипно-кулисныммеханизмом скорости рабочего vv и холостого vx ходов переменны.Для этих станков среднюю скорость резания (м/мин) можно оп-ределить по формуле

где L — длина хода ползуна, мм; п — число двойных ходов ползу-на в минуту; т — отношение скорости рабочего хода к скоростихолостого хода; при средних и малых длинах хода ползуна т == 0,60...0,75.

Строгальные станки с реечным механизмом для передачи дви-жения имеют постоянную скорость рабочего хода. Для этих стан-ков скорость резания рассчитывают по формуле

Скорость резания при строгании определяют по той же форму-ле, что и при наружном продольном точении без охлаждения,но, учитывая ударную и прерывистую работу резцов, полученноезначение умножают на коэффициент строгания кс = 0,75.

По скорости резания, найденной по одной из двух предыду-щих формул, рассчитывают число двойных ходов п ползуна в ми-нуту.

Подача s представляет собой относительное перемещение де-тали (для поперечно-строгальных станков) или резца (для про-дольно-строгальных станков) в поперечном направлении за одиндвойной ход. Подача всегда производится в конце обратного (хо-лостого хода).

Глубина резания t представляет собой толщину слоя металла,снимаемого за один проход. Ее измеряют в направлении, перпен-дикулярном обработанной поверхности.

Поперечное сечение среза (мм2) принимают равным произ-ведению толщины а на ширину b срезаемого слоя:326

Машинное время Ты (мин) при строгании, т.е. время, затрачен-ное на обработку заготовки резцом, пропорционально длине иширине обрабатываемой заготовки:

где В — ширина обрабатываемой поверхности, мм; /, и /, - соот-ветственно длина и перебег резца, мм; i — число проходов.

Для повышения производительности обработки строганиемприменяются методы силового резания, при которых основноетехнологическое время уменьшается за счет увеличения подачи иглубины резания (сокращения числа проходов i).

6.5.2. Типы и область применения строгальных станков

Строгальные станки в зависимости от конструктивных и тех-нологических признаков подразделяются на ряд подгрупп: попе-речно-строгальные, продольно-строгальные, долбежные (верти-кально-строгальные) и специальные. В каждой подгруппе имеетсянесколько типов станков, отличающихся конструктивными осо-бенностями. Важным достоинством станков строгальной группыявляется их универсальность, простота конструкции и возмож-ность использования простых и недорогих инструментов.

Строгальные станки находят применение в мелкосерийном иединичном производстве (в станкостроении и тяжелом машино-строении для обработки длинномерных поверхностей заготовокстанин, корпусов, рам, колонн и т.д.).

Из строгальных станков наиболее часто применяются попереч-но-строгальные и продольно-строгальные станки.

На рис. 6.23 показаны общие виды поперечно-строгального (рис.6.23, а) и продольно-строгального (рис. 6.23, б) станков.

Поперечно-строгальный станок (см. рис. 6.23, а) состоит из ста-нины 12, в которой расположены коробка скоростей и криво-шипно-кулисный механизм, передающие движение от электро-двигателя 11 ползуну 9 и столу 3. Ползун получает главное (воз-вратно-поступательное) движение, а стол — поперечное движе-ние подачи. На конце ползуна смонтирован суппорт 5 с откиднымрезцедержателем 4.

Установка необходимого числа двойных ходов ползуна дости-гается рукоятками управления 10. Прорезь в ползуне 9 с подвиж-ным зажимом 8 служит для переустановки ползуна при настройкестанка. Регулировку глубины резания осуществляют путем подъе-ма или опускания суппорта с резцом при вращении рукоятки 6.

Обрабатываемую деталь закрепляют непосредственно на столеИли в машинных тисках. Стол получает поперечное движение че-

327

рез храповый механизм 13 и систему передач от вала кулиснойшестерни. Вертикальное перемещение стола производится враще-нием винта 1, соединенного с рукояткой, которая расположена спротивоположной стороны станка. Для более жесткого креплениястола имеется поддерживающий кронштейн 2. При строгании на-клонных поверхностей суппорт поворачивают на определенный

328

'угол. Включение и выключение станка производят нажатием кнопкина пульте 7.

Продольно-строгальный станок (см. рис. 6.23, б) имеет станину /,по бокам которой расположены две вертикальные стойки 6 и 8,соединенные поперечиной 7. По направляющим станины движет-ся стол 2, на верхней плоскости которого расположены Т-образ-ные пазы для закрепления обрабатываемой заготовки. Стол вмес-те с заготовкой совершает главное (возвратно-поступательное)движение, получаемое от электродвигателя постоянного тока спомощью червячно-реечной передачи и редуктора. На вертикаль-ных стойках расположена траверса 4, перемещаемая по направля-ющим от самостоятельного электродвигателя. На траверсе разме-щены суппорты 5 и 9 с резцами для обработки горизонтальныхплоскостей детали. Оба суппорта имеют поперечную подачу отэлектродвигателей по направляющим траверсы. Вертикальная по-дача суппортов для снятия нового слоя металла осуществляетсяперемещением траверсы.

Для обработки вертикальных плоскостей детали используютрасположенные на стойках 6 и 8 суппорты 3 и 10, которые такжесамостоятельно перемещаются вдоль направляющих стоек.

Станки такого типа применяют, как правило, для обработкикрупных заготовок с большой площадью строгания.

6.5.3. Обработка заготовок на долбежных станках

Разновидностью строгания является долбление, которое харак-теризуется главным возвратно-поступательным движением режу-щего инструмента в вертикальном направлении, периодическимперемещением заготовки в горизонтальной плоскости и при не-обходимости вращением ее вокруг вертикальной оси.

На долбежных станках производят обработку плоских и цилин-дрических поверхностей заготовок, шпоночных пазов, несквоз-ных, т.е. глухих, отверстий (для них этот метод обработки являет-ся основным).

Поверхности, обрабатываемые на долбежных станках, должныбыть небольшими, так как при их значительных размерах увели-чивается вылет (длина незакрепленной части) резца, что приво-дит к его деформации и даже разрушению.

На рис. 6.24 представлен общий вид долбежного станка. Нафундаментной плите 14 станка установлены станина 7 и стойка11. В них размещены все механизмы привода и подачи станка.Ползун (долбяк) 8 с резцедержателем 7 и резцом осуществляет сПомощью гидропривода возвратно-поступательное перемещение(вниз — рабочий ход, вверх — холостой ход) по вертикальнымНаправляющим стойки. Пуск и остановку станка производят с кно-почной панели 12, а бесступенчатое регулирование скорости пе-

329

ремещения долбяка — рукояткой 9, расположенной на коробкескоростей 10.

На горизонтальных направляющих станины расположен стол5, нижняя часть которого осуществляет поперечную, круговуюили продольную подачи либо вручную при помощи соответствен-но маховиков 2, 3 и 4, либо механически от гидропривода черезкоробку подач 13. Стол вместе с заготовкой 6 во время работырезца остается неподвижным, а в момент реверсирования движе-ния долбяка получает одну из подач (продольную, поперечнуюили круговую). Ускоренное движение стола осуществляется от от-дельного электродвигателя.

6.5.4. Режущий инструмент для обработки заготовокна строгальных и долбежных станках

Строгальные резцы по сравнению с токарными работают в болеетяжелых условиях, так как резец, врезаясь в материал заготовки.

330

испытывает ударную (динамическую нагрузку). С учетом ударногохарактера работы строгальные резцы более массивны по сравне-нию с токарными резцами. Для того чтобы режущие элементыстрогальных резцов воспринимали ударные нагрузки в начале ра-бочего хода, резцы выполняются изогнутыми назад. Расположе-ние вершины резца на нейтральной линии (на расстоянии Я/2)ведет к уменьшению изгиба и величины колебания стержня рез-ца, что, в свою очередь, приводит к минимальному разбросу глу-бины резания в процессе строгания.

Различные виды строгальных и долбежных резцов представле-ны на рис. 6.25.

По назначению строгальные резцы подразделяются на про-ходные (рис. 6.25, а), подрезные (рис. 6.25, б), отрезные (рис.6.25, в) и фасонные. Углы резцов: передний угол (= 12°), зад-ний (= 8°), главный угол в плане , вспомогательный угол вплане и угол наклона главной режущей кромки (на рисункене показан).

Долбежные резцы (рис. 6.25, г—е) выполняются изогнутымивперед, так как они работают при вертикальном перемещении идеформируют срезаемый слой металла своей нижней частью, чтоопределяет положение углов. Резцы бывают проходными (рис. 6.25, г),прорезными (рис. 6.25, д) и для шпоночных пазов (рис. 6.25, ё).

Резцы для строгальных и долбежных работ оснащаются плас-тинками из быстрорежущих сталей марок Р12; Р6МЗ; Р9М4К8Фили твердых сплавов марок ВК6; ВК8; Т15К6 и др.

331

Технологические возможности процессов строгания и долбле-ния характеризуются следующими показателями. Точность обра-ботки составляет 0,1 ...0,2 мм на 1 м длины обработанной поверх-ности; шероховатость поверхности при черновом строгании Ra25...6,3 мкм, при чистовом — Ra 6,3...0,63 мкм.

6.5.5. Характеристика метода протягиванияи типы протяжных станков

Протягиванием обрабатывают внутренние и наружные поверх-ности заготовок при помощи многолезвийного инструмента —протяжки. Протягивание относится к высокопроизводительномуметоду механической обработки, при котором скорость главногодвижения резания v составляет 0,015 ...0,40 м/с. Благодаря конст-рукции режущего инструмента за один рабочий ход им снимаетсявесь припуск на обработку.

Схема протягивания и элементы конструкции протяжки пока-заны на рис. 6.26.

Протяжка замковой частью /] (рис. 6.26, а) соединяется с пат-роном станка, который тянет ее с требуемым усилием F. Перед-няя направляющая /2 с переходным конусом обеспечивает плав-ное вхождение в обрабатываемое отверстие и центрирование понему инструмента. Практически весь припуск снимается режущейчастью /3. Зубья калибрующей части /4 повышают показатели обра-ботанной поверхности до 8 —7-го квалитетов точности и обеспе-чивают параметр шероховатости Ra 6,3... 1,6 мкм. При переточкепротяжки часть калибрующих зубьев переходит в рабочие. Задняянаправляющая /5 препятствует перекосу заготовки в момент выхо-да из нее последних калибрующих зубьев. Задний хвостовик /6, длякоторого в станке предусмотрена дополнительная опора, необхо-дим для предотвращения провисания длинной протяжки.

При протягивании осуществляется только главное движение,совершаемое протяжкой или заготовкой. Движение подачи припротягивании отсутствует, так как подача заложена в конструк-цию инструмента путем увеличения диаметра каждого последую-щего зуба протяжки на определенную величину, называемую по-дачей на зуб, т.е. каждый последующий зуб режущей части возвы-шается над предыдущим на величину sz (рис. 6.26, в). Рабочий шагt зубьев рассчитывают так, чтобы одновременно работало не ме-нее трех зубьев, а во впадине размещалась вся срезаемая стружка-

В зависимости от вида протягивания протяжки бывают круг-лые, шпоночные, шлицевые, многогранные и др. На форму идлину режущих кромок зубьев протяжки влияет схема срезанияприпуска.

При профильной схеме протягивания (рис. 6.26, б) каждый рядзубьев снимает припуск по всему периметру фигуры, подобной

332

обработанному профилю. Так, при получении квадратного отвер-стия из круглого кромки инструмента 7 имеют квадратную форму.

При генераторной схеме (рис. 6.26, г) протягивания режущиекромки очерчены элементами обрабатываемой 2 и обработанной3 поверхностей.

С целью улучшения условий резания применяют прогрессивную{групповую) схему, при которой каждая группа зубьев срезает слойв своей узкой зоне. Стружка становится толще и более узкой, чтооблегчает ее размещение во впадине и снижает осевое усилие F.В то же время изготовление протяжек, работающих по прогрес-сивной схеме, значительно сложнее.

Для обработки отверстий используют также прошивки (рис.6.26, д), работающие на сжатие и имеющие меньшую по сравне-нию с протяжками длину, что необходимо для исключения изги-ба инструмента в процессе его работы.

333

Форма режущих зубьев протяжки характеризуется рабочимшагом / (рис. 6.26, е), высотой Н, шириной Ь, радиусом канавкиr, передним и задним углами; углом заострения и подъемомзуба , где D — диаметр протяжки по кромке зуба, мм.

Протягивание, при котором происходит самоустанавливаниеинструмента и заготовки, называют свободным, а при жесткомфиксировании заготовки относительно инструмента — координат-ным. В первом случае обеспечиваются высокие точностные харак-теристики обработанной поверхности, во втором — кроме того, инеобходимая точность расположения этой поверхности.

Перед протягиванием исходное отверстие предварительновыполняют сверлением, после чего обрабатывают протяжкой дляпридания ему необходимой окончательной формы.

Преимущество обработки отверстий протягиванием заклю-чается в возможности получения различных внутренних фасон-ных профилей, обработка которых другими способами иногдасвязана со значительными трудностями. В качестве примера мож-но привести широко применяемую обработку шлицевых отвер-стий.

Протяжки могут быть цельными, сборными или составными.Их изготовляют из легированных инструментальных сталей (на-пример, из стали ХВГ), быстрорежущих сталей марок Р6М5, Р9К5.Протяжки могут быть оснащены пластинками из твердых спла-вов, например ВК8.

Обработка заготовок протягиванием производится на горизон-тально- или вертикально-протяжных станках (рис. 6.27). Последниепо внешнему виду напоминают долбежный станок.

Горизонтально-протяжные станки (рис. 6.27, а) применяют дляобработки сквозных отверстий. Протяжку передним концом за-крепляют в рабочем патроне, смонтированном на рабочих салаз-ках станины, а задним концом — во вспомогательном патроне 5.В процессе протягивания рабочие салазки перемещаются по на-правляющим основной станины 1. Салазки соединены с ползуном(штоком), совершающим возвратно-поступательное движение отсилового (главного) гидроцилиндра 2. Подвод протяжки к заго-товке и отвод от нее осуществляют с помощью вспомогательногоцилиндра, патрона и поддерживающего ролика, размещенных вприставной (вспомогательной) станине. Перед протягиванием за-готовку надевают на направляющую часть протяжки 4. При протя-гивании заготовка опирается торцом на неподвижную планшайбу3, закрепленную на опорной плите станка, в результате чего осу-ществляется процесс протягивания.

При полном цикле прямого хода осуществляется подвод про-тяжки, замедленный рабочий ход, рабочий ход для обрабатываю-щих зубьев и замедленный ход для калибрующих зубьев. При об-ратном ходе выполняют замедленный ход и отвод протяжки.

334

Вертикально-протяжной станок для внутреннего протягивания(рис. 6.27, б) состоит из станины /, тумбы 2, на которой смонти-рован стол 3. На столе в приспособлении 4 устанавливают и за-крепляют заготовку. Протяжки крепят инструментальными пли-тами к каретке 5, перемещающейся по вертикальным направляю-щим стойки 6. При ходе протяжки вниз выполняется рабочий ход,при ходе вверх — холостой. Обычно станок имеет два стола и двекаретки, работа которых согласована: одна выполняет рабочийход, другая — холостой.

Вертикально-протяжные станки часто применяют для наруж-ного протягивания. У этих станков рабочий ползун и патрон сзакрепленной протяжкой осуществляют вертикальные возвратно-поступательные движения, а сама заготовка закреплена на план-шайбе, размещенной на столе станка.

Для высокопроизводительной работы используют станки не-прерывного действия (конвейерные и карусельные). При оснаще-нии соответствующими приспособлениями для подачи и съемазаготовок они могут работать в автоматическом цикле и встраи-ваться в автоматическую линию.

Протягивание характеризуется следующими технологически-ми характеристиками: точность обрабатываемых поверхностей со-ответствует 10 —6-му квалитетам, шероховатость поверхности —Rа 1,25...0,63мкм.

335

6 . 6 . Обработка з а г о т о в о к н а ф р е з е р н ы х станках

6 . 6 . 1 . Характеристика методов фрезерования

Фрезерование — способ обработки заготовок, при котором ин-струмент (фреза) совершает непрерывное главное (вращательное)движение, а заготовка — поступательное движение подачи. Про-цесс фрезерования является высокопроизводительным и универ-сальным способом формообразования различных поверхностей взаготовках.

Особенностью фрезерования является прерывистость процессарезания. Это обусловлено тем, что при вращении фрезы каждыйзуб врезается в заготовку с ударом, а затем работает только нанекоторой части оборота и выходит из зоны резания. При даль-нейшем движении зуб не касается заготовки, что способствуетего охлаждению и более благоприятным условиям работы.

Все существующие методы фрезерования можно привести кдвум основным схемам — цилиндрическому и торцевому фрезе-рованию (рис. 6.28).

При цилиндрическом фрезеровании (рис. 6.28, а) обработка про-изводится зубьями, расположенными на цилиндрической поверх-ности фрезы 2, ось которой параллельна обрабатываемой поверх-ности заготовки /.

При фрезеровании, как и при других способах обработки, ре-жим резания характеризуется скоростью резания v, подачей s,глубиной резания t и шириной фрезерования В.

Торцевое фрезерование (рис. 6.28, 6) осуществляется фрезой, зубьякоторой расположены на торцевой поверхности фрезы. В этомслучае ось фрезы перпендикулярна обрабатываемой поверхности.

Как уже отмечалось, основной отличительной чертой процес-са фрезерования является прерывистый характер резания. При этомтолщина слоя, срезаемого каждым зубом фрезы, переменна иизменяется от некоторого минимума до максимума, и наоборот.На дуге резания одновременно работают несколько зубьев, кото-рые работают циклично и с перерывами.

В зависимости от направления вращения фрезы и поступатель-ного перемещения обрабатываемой детали различают два методафрезерования (рис. 6.29): встречное фрезерование, когда заготов-ка подается навстречу вращению фрезы, и попутное фрезерова-ние, когда направление подачи заготовки и вращения фрезы со-впадают.

При встречном фрезеровании (рис. 6.29, а) зуб фрезы срезаетслой металла (стружку) толщиной атзх от нулевой точки 1 до мак-симальной точки 2, при этом нагрузка на каждый зуб фрезы воз-растает постепенно и на выходе достигает максимального зна-чения. Такой метод фрезерования рационально применять причерновой обработке заготовок, имеющих твердую поверхностнуюкорку, так как зуб работает из-под корки. Однако при этом уси-лия резания стремятся оторвать заготовку от поверхности стола,вырвать ее из зажимного приспособления, что при больших сече-ниях стружки приводит к вибрации и, как следствие, к ухудше-

нию качества обработки. Скольжение зуба по поверхности метал-ла, упрочненного предыдущим зубом, приводит к повышенномуизносу фрезы.

Попутное фрезерование (рис. 6.29, б) наиболее благоприятноВ начале обработки зуб фрезы снимает с заготовки слой металланаибольшей величины амах, после чего в процессе резания на-грузка на зуб, как и толщина срезаемого слоя, изменяется от мак-симального (точка 2) до нулевого значений (точка /). Возни-кающая сила прижимает заготовку к столу, вибрации минималь-ны, отсутствует проскальзывание зубьев. Все это приводит к по-лучению лучшего качества обрабатываемой поверхности и мень-шему износу инструмента, несмотря на то, что он начинает обра-ботку с загрязненной, а иногда отбеленной поверхности отливокили покрытой окалиной поверхности поковок.

Скорость резания v (м/мин) при фрезеровании представляетсобой окружную скорость фрезы, измеренную по ее наружномудиаметру. Скорость резания определяют по формуле

где D — диаметр фрезы, мм; п — частота вращения фрезы, мин-1.Подачей s называют величину относительного перемещения

обрабатываемой детали и фрезы, выраженную в миллиметрах назуб, миллиметрах на оборот, миллиметрах в минуту.

При черновом фрезеровании подачу выбирают возможно боль-шей. В этом случае применяют фрезы с большим шагом или круп-ными зубьями.

При получистовом и чистовом фрезеровании величина подачиограничивается припуском на обработку, требуемой шероховато-стью поверхности детали, конструкцией фрезы и другими факто-рами. В этом случае используют фрезы с мелкими зубьями или смалым шагом.

Глубиной фрезерования (резания) t называют толщину слоя ме-талла, снимаемую с обрабатываемой заготовки за один оборотфрезы. Глубина фрезерования при черновой обработке 3...8 мм иболее, а при чистовой чаще всего равна величине припуска наобработку (обычно 0,5... 1,5 мм).

Шириной фрезерования В называют величину обработанной заодин проход поверхности заготовки. Для цилиндрических фрезширина фрезерования измеряется параллельно оси фрез, а приторцевом фрезеровании — перпендикулярно направлению по-дачи.

Площадь поперечного среза (мм2), снимаемого одним зубомфрезы (например, цилиндрической), представляет собой произ-ведение ширины фрезерования В на толщину срезаемого слоя а:

338

Толщина срезаемого слоя а в процессе фрезерования изменя-ется при встречном фрезеровании от нуля в момент врезания зубав обрабатываемую заготовку до максимального значения аmах (см.рис. 6.29, а) в момент выхода зуба из заготовки. Она измеряется врадиальном направлении.

В контакте с заготовкой одновременно находятся не один, анесколько зубьев. Суммарная площадь сечения среза, снимаемая впроцессе фрезерования в данный момент времени всеми зубья-ми, влияет на величину силы резания.

Заданные величины элементов резания будут определять ос-новное технологическое (машинное) время Тм (мин) при фрезеро-вании:

где L — общая длина прохода фрезы в направлении подачи, мм;SМ — минутная подача, мм/мин; / — длина фрезеруемой поверх-ности, мм; 1Х — путь врезания, мм; 12 — перебег фрезы; —подача на зуб, мм; — число зубьев фрезы; п — частота враще-ния фрезы, мин"1.

Величина пути врезания /, и перебега фрезы /2 рассчитываетсяв зависимости от диаметра фрезы, глубины и ширины фрезерова-ния, они обычно составляют 1 ...5 мм.

6.6.2. Виды фрез, их элементы и геометрия

Фреза — многолезвийный инструмент, у которого по окруж-ности или на торце расположены режущие зубья, представляю-щие собой простейшие резцы.

На рис. 6.30 показаны основные типы фрез, применяемых вмашиностроении.

Фрезы подразделяют по типам: цилиндрические (рис. 6.30, а, б)и торцевые (рис. 6.30, е), предназначенные для обработки плос-ких поверхностей; дисковые (рис. 6. 30, в — д), концевые (рис.6.30, ж) и угловые — для обработки пазов, канавок и шлицов;фасонные — для обработки фасонных поверхностей; модульные (рис.6.30, з) — для нарезания зубьев; червячные (рис. 6.30, и) — длянарезания зубьев цилиндрических и червячных колес.

Зуб 4 цилиндрической фрезы (см. рис. 6.30, а) имеет режущуюкромку 2; переднюю /, заднюю 3 и затылочную 5 поверхности.Между зубьями фрезы находится канавка 6. В сечении фрезы рас-сматриваются следующие углы: передний задний заострения

и резания .Передний угол служит для облегчения схода срезаемых эле-

ментов стружки и уменьшения их усадки. При обработке стали == 10...20°, чугуна = 10... 15°. Для твердых материалов угол при-нимают меньшим, чем для мягких.

339

Задний угол выбирают с таким расчетом, чтобы снизить тре-ние между затылочной поверхностью зуба и поверхностью реза-ния. Для различных фрез угол = 12...25°.

Зубья цилиндрических фрез могут быть прямыми и винтовымипод углом наклона к оси фрезы (см. рис. 6.30, б). У цилиндричес-ких фрез угол = 30...40°, у дисковых и торцевых = 10...25°.

Фреза с прямыми зубьями врезается в обрабатываемую поверх-ность сразу по всей длине зуба, что приводит к переменной (тол-чковой) нагрузке на станок и некоторому ухудшению качестваобработанной поверхности. Фрезы с винтовыми зубьями работа-ют более плавно, так как зубья фрезы врезаются в деталь посте-пенно, при этом станок нагружен равномернее.

340

Для обработки заготовок из сталей с низкой и средней твер-достью при малых скоростях резания применяют фрезы из угле-родистой инструментальной стали У12А (фрезы малых диамет-ров), а для работы при небольших скоростях резания и малыхподачах — из легированных сталей 9ХС, ХВ5 и ХВГ. Хорошиерезультаты дает использование быстрорежущих сталей Р9 и Р18.При обработке жаропрочных и коррозионо-стойких сталей при-меняют фрезы из этих же сталей с присадками ванадия и кобаль-та (Р18Ф2, Р18К5Ф2).

При черновом фрезеровании сталей применяют фрезы с плас-тинками из твердых сплавов марок ВК и ТК; при чистовом — восновном марок ТК.

Для обработки сталей используются также фрезы с твердосплав-ными неперетачиваемыми многогранными и круглыми пластин-ками с механическим креплением из износоустойчивых твердыхсплавов. Эти фрезы позволяют изменять их установку в инстру-менте или заменять непосредственно на станке.

Для черновой и чистовой обработки серого чугуна используютфрезы с твердосплавными пластинками марок ВК или минерало-керамическими пластинками марки ЦМ-332.

Корпуса фрез изготовляют из сталей марок 40; 40Х; У8 и др.Фрезы с наружным диаметром 5...32 мм из твердых сплавов вы-пускают монолитными.

6.6.3. Типы и области применения фрезерных станков

В зависимости от выполняемых работ и конструктивных осо-бенностей станки фрезерной группы подразделяют на станки об-щего назначения и специальные.

К фрезерным станкам общего назначения обычно относятсягоризонтально- и вертикально-фрезерные станки (с горизонталь-ным и вертикальным расположением шпинделя). Обрабатываемаядеталь на таких станках перемещается, как правило, в продоль-ном направлении. Среди таких станков имеются также универсаль-ные фрезерные станки, отличающиеся тем, что при фрезерова-нии ряда винтовых канавок и выполнении других видов работ столстанка можно поворачивать на определенный угол (±45... 50 °) вок-руг вертикальной оси.

К станкам общего назначения относятся также продольно-фре-зерные: односторонние с одним горизонтальным шпинделем, двух-сторонние с двумя горизонтальными шпинделями и многошпин-дельные с горизонтальными и вертикальными шпинделями.

К специальным фрезерным станкам относятся торцефрезерные,бесконсольно-фрезерные, карусельно-фрезерные с вращающи-мися столами, копировально-фрезерные для обработки различ-ных фасонных поверхностей, а также резьбофрезерные, шпоноч-

341

но-фрезерные, агрегатно-фрезерные и др. Каждый тип фрезерныхстанков имеет несколько моделей.

На рис. 6.31 показаны общие виды универсального консольно-фрезерного (рис. 6.31, а) и вертикально-фрезерного (рис. 6.31, б)станков.

Универсальный консольно-фрезерный станок состоит из фунда-ментной плиты 14 (см. рис. 6.31, а), на которой крепится станина2, в верхней части которой расположен хобот 4 с подвесками 7 и 8.С задней стороны станины смонтирован электродвигатель, кото-рый через коробку скоростей 5, расположенную в верхней частистанины, передает вращение на шпиндель 6. Коробка скоростейимеет лимб 3 с рукояткой 1. Фреза закрепляется на оправке, уста-навливаемой в шпинделе и подвесках. Коробка подач 13 снаб-жена лимбом 16 и рукояткой /5 для установки подач.

Консоль 12 передвигается по вертикальным направляющим/расположенным на станине станка. В верхней части консоли рас-положены стол 9, поворотная плита 10 и салазки 11.

Обрабатываемая деталь, закрепленная на столе, может иметьпродольное, поперечное или вертикальное перемещение. Все тривида перемещений стола с деталью (подача) осуществляются ме-

342

ханически от отдельного электродвигателя через коробку подач,расположенную в консоли, или вручную с помощью системымаховиков и рукояток.

С целью сокращения времени на подвод стола с закрепленнойдеталью к фрезе и отвод детали после окончания рабочего ходакоробка подач обеспечивает быстрые (холостые) продольные,поперечные и вертикальные перемещения стола. Стол можно на-строить на полуавтоматический или ручной цикл работы.

На вертикально-фрезерном станке (см. рис. 6.31, б) в качествережущего инструмента используют торцевые, концевые, пальце-вые, шпоночные и другие фрезы.

На фундаментной плите станка 1 крепится станина 2, в верх-ней части которой находится шпиндельная головка 5 с верти-кально расположенным шпинделем 6. Закрепляемая в шпинделефреза 7 осуществляет главное вращательное (вокруг вертикаль-ной оси) движение, передаваемое от электродвигателя 4 черезрасположенную в станине коробку скоростей и дополнительнуюпару конических зубчатых колес, находящихся в шпиндельнойголовке. Число оборотов шпинделя изменяют рукояткой 3 ко-робки скоростей.

Консоль 10 станка перемещается вверх и вниз по вертикаль-ным направляющим станины. На консоли по соответствующимнаправляющим передвигаются поперечные салазки 9, а по салаз-кам — стол 8.

Перемещение стола для осуществления подачи в продольном,поперечном и вертикальном направлениях обеспечивается отдель-ным электродвигателем 11 через коробку подач, имеющую опре-деленный набор скоростей. Коробка подач расположена в нижнейчасти консоли 10. Для всех направлений подач предусмотрены ра-бочие медленные и холостые ускоренные перемещения стола,осуществляемые через отдельные зубчатые пары.

6.6.4. Схемы обработки заготовок на фрезерных станках

Фрезерование подразделяют на несколько видов: фрезерова-ние плоских поверхностей (горизонтальных, вертикальных, на-клонных и уступов); фрезерование сложных технологических по-верхностей (пазов, канавок, шлицов и др.) и фрезерование фа-сонных плоскостей.

Схемы фрезерования плоских поверхностей показаны на рис. 6.32.Горизонтальные поверхности (рис. 6.32, а, б) обрабатывают на

горизонтально- и вертикально-фрезерных станках цилиндричес-кими и торцевыми фрезами. Заготовки в зависимости от их формыи размеров закрепляют на столе станка в машинных тисках с по-мощью подкладок, а также прихватами при использовании спе-циальных приспособлений, которые, как правило, применяются

343

Для фрезерования фасонных поверхностей в заготовках неболь-ших размеров на горизонтально- или вертикально-фрезерных стан-ках применяют фасонные фрезы, профиль которых соответствуетпрофилю изготовляемой детали (рис. 6.33, к). Фасонные заготовкиболее сложной формы обрабатывают либо набором отдельных фрез,либо с помощью специальных копиров.

Фрезерование объемных фасонных поверхностей заготовок(пресс-формы, штампы и т.д.) выполняют на специальных копи-ровально-фрезерных станках.

Фрезы в зависимости от конструкции закрепляют в шпинделяхстанков по-разному. По способу закрепления фрезы подразделя-ют на хвостовые, имеющие хвостовик конической или цилинд-рической формы, и насадные, имеющие центральное отверстие.

для закрепления заготовок, обрабатываемых в условиях серийно-го производства.

Вертикальные поверхности обрабатывают торцевыми (рис. 6.32, в),концевыми (рис. 6.32, г), дисковыми и другими видами фрез. За-готовки закрепляют на столе станка прихватами в специальныхприспособлениях, в патроне и другими способами.

Наклонные поверхности и скосы обрабатывают торцевыми (рис.6.32, д), концевыми (рис. 6.32, ё) и угловыми (рис. 6.32, ж) фре-зами. Необходимый угол наклона фрезы можно установить толькона станках, у которых шпиндельная головка поворачивается в вер-тикальной плоскости.

Комбинированные поверхности обрабатывают комбинированны-ми фрезами (рис. 6.32, з).

Для формообразования сложных поверхностей (рис. 6.33), на-пример пазов, уступов, применяют дисковые (рис. 6.33, а), кон-цевые (рис. 6.33, б), фасонные (рис. 6.33, в) и угловые (рис. 6.33, г)фрезы. Открытые пазы типа «ласточкин хвост» и Т-образные об-рабатывают концевыми фрезами (рис. 6.33, д, е).

При фрезеровании шпоночных пазов и канавок прямоугольногосечения используют концевые и специальные шпоночные фрезы(рис. 6.33, ж, з). Их обработку выполняют на вертикально-фрезер-ных станках. Иногда шпоночные канавки фрезеруют на горизон-тально-фрезерных станках дисковыми трехсторонними фрезами(рис. 6.33, и).

Шлицы обрабатывают на горизонтально-фрезерных станках про-резными дисковыми фрезами.

344

Торцевые фрезы закрепляются в шпинделе станка на короткихконцевых оправках, а концевые фрезы с коническим хвостови-ком — аналогично торцевым фрезам непосредственно или черезпереходные втулки. Фрезы с цилиндрическим хвостовиком за-крепляются в цанговом или кулачковом патроне.

Цилиндрические и дисковые фрезы чаще всего применяют нагоризонтально-фрезерных станках, поэтому они закрепляются надвухопорных центровых оправках.

Большинство фрезерных станков комплектуют делительной го-ловкой, предназначенной для разделения окружности заготовкина равные или неравные части, нарезания винтовых поверхнос-тей разной крутизны и обработки кулачков. Применяют универ-сальные (с простым и дифференциальным делением), оптичес-кие и другие делительные головки. Универсальные головки явля-ются наиболее распространенными. Они позволяют не только де-лить окружность на части, но и вращать обрабатываемую заготов-ку при фрезеровании винтовых канавок или зубьев.

6.6.5. Технологические характеристики процессафрезерования

Фрезами проводят черновую, получистовую, чистовую и тон-кую обработки. Черновое фрезерование назначают для обработкиотливок и поковок, у которых припуск на обработку более 3 мм.После чернового фрезерования плоские поверхности имеют точ-ность по прямолинейности 0,15...0,3 мм на 1 м длины и шерохо-ватость Ra 50... 12,5 мкм. Получистовое фрезерование, направлен-ное на уменьшение погрешностей геометрических форм и про-странственных отклонений, обеспечивает отклонение от прямо-линейности 0,1 ...0,2 мм на 1 м длины и Ra 25... 12,5 мкм. Чистоефрезерование дает еще большую точность: 0,04...0,08 мм на 1 мдлины и Ra 10... 1,25 мкм. Тонкая обработка выполняется торцевы-ми фрезами. При этом отклонение от прямолинейности составля-ет 0,02...0,04 мм на 1 м длины и Ra 2,5...0,4 мкм.

При выборе режима резания учитывают необходимость полу-чения заданной точности размеров и шероховатости поверхности.Для этого припуск на обработку и ширину фрезерования выбира-ют постоянными. После этого находят величину подачи.

6 . 7 . О б р а б о т к а з а г о т о в о к на ш л и ф о в а л ь н ы х станках

6 . 7 . 1 . Характеристика методов шлифования

Шлифование — процесс обработки деталей при помощи абра-зивного инструмента — шлифовальных кругов. Обработка шлифо-

346

ванием в большинстве случаев является чистовой или отделочнойоперацией, обеспечивающей высокое качество и точность обра-ботанной поверхности детали. В некоторых случаях шлифованиеприменяют для предварительной обработки (очистки) заготовокили их обдирки при снятии слоя металла. Шлифование широкоприменяется при заточке режущих инструментов. Шлифованиемможно производить обработку практически любых материалов,начиная от самых мягких и заканчивая наиболее твердыми спла-вами.

Можно выделить основные схемы абразивной обработки по-верхностей: наружное и внутреннее круглое, планетарное, врез-ное, глубинное, плоское прямолинейное и круговое, бесцентро-вое, шлифование фасонных поверхностей и др. (рис. 6.34). Привсех способах шлифования главным движением является враще-ние шлифовального круга, а характер движений подачи опреде-ляется схемой шлифования.

Наружное круглое шлифование применяется для обработки на-ружных осесимметричных поверхностей (цилиндрических, кони-ческих, канавок и т.п.).

Шлифование осуществляют в центрах способами продольнойи поперечной подач.

При наружном круглом шлифовании с продольной подачейинструмент совершает главное вращательное движение со скоро-стью vK (рис. 6.34, а), заготовка — также вращательное движение(круговую подачу) со скоростью v3, а столу совместно с заготов-кой сообщается продольное перемещение (продольная подача snp)вдоль оси.

В конце продольного перемещения шлифовальному кругу со-общается поперечное движение (поперечная подача sn) перпен-дикулярно оси заготовки для установки его на глубину резания /.Этот способ шлифования обеспечивает максимальную точностьобработки заготовки.

При внутреннем круглом шлифовании различают обычное (рис.6.34, б) и планетарное (рис. 6.34, в) шлифование. При обычномвнутреннем шлифовании все движения аналогичны движениямпри наружном шлифовании с продольной подачей. Диаметр кругаDк выбирается в зависимости от диаметра шлифуемого отверстияD3 заготовки: DK = (0,75...0,95)D3.

Планетарное шлифование применяется при обработке отвер-стий в крупных заготовках или в тех случаях, когда заготовкунеудобно вращать вокруг оси обрабатываемого отверстия. В этомслучае деталь остается неподвижной, а круг совершает все необ-ходимые для обработки движения: вращение вокруг своей оси соскоростью резания vK, круговое (планетарное) движение со ско-ростью vm вокруг оси обрабатываемого отверстия (круговую по-дачу), возвратно-поступательное движение вдоль оси отверстия(продольную подачу snp) и в конце двойного хода — поперечнуюподачу sn.

Шлифование с поперечной подачей или врезное шлифование(рис. 6.34, г) используется для обработки заготовок небольшойдлины. В отличие от предыдущих методов, в этом отсутствует про-дольная подача, а поперечная подача sn непрерывная. В некоторыхстанках для обеспечения равномерного износа шлифовальный кругполучает небольшие продольные перемещения. Метод обеспечи-вает высокую производительность, но невысокую точность и тре-бует частой правки круга. Этот метод применяется также для об-работки фасонных поверхностей небольшой длины.

При глубинном шлифовании (рис. 6.34, д) шлифовальный кругсразу устанавливается на полную глубину шлифования t и весьприпуск (0,1...0,3 мм на сторону) снимается за один проход спродольной подачей snp = 1 ...5 мм/об. Для осуществления процес-са резания круг заправляется на конус. Этот способ является вы-

348

сокопроизводительным, но не обеспечивает высокую точность об-работки.

Плоское прямолинейное шлифование осуществляется перифериейили торцом круга. Движение продольной подачи может бытьПрямолинейным — snv, sn, sB (рис. 6.34, е, ж) или круговым — sKp

(рис. 6.34, и, к). При шлифовании осуществляется вертикальнаяподача круга sB. Если ширина круга меньше ширины обрабатыва-емой поверхности, то кругу сообщают поперечную подачу в кон-це каждого продольного хода. Шлифование торцом круга (см. рис.6.34, к) более производительно, но менее точно.

Бесцентровое шлифование (рис. 6.34, з) используется в крупно-серийном и массовом производстве. Заготовка не закрепляется вцентрах, а, находясь на опоре, подается между вращающимися водном направлении ведущим и шлифующим абразивными круга-ми. Ведущий круг выполнен на эластичной основе и вращается смалой скоростью (г;вк = 10...80 м/мин) и, вдавливаясь абразивны-ми зернами в поверхность заготовки, вращает ее со скоростью v3.Шлифующий круг вращается с обычными для шлифования ско-ростями (vK = 30...40 м/с) и производит обработку поверхности.Для обработки длинных деталей ведущий круг устанавливаетсяпод углом к оси шлифующего круга ( = 1... 5°).

Достоинством бесцентрового шлифования является высокаяпроизводительность, сокращение времени на установку и снятиедеталей, легкость встраивания в автоматические линии.

Профильное шлифование осуществляют при помощи приспо-соблений или копиров. Профиль одной или нескольких деталейобрабатывают одновременно или по переходам профильным кру-гом.

Для каждого из рассмотренных видов шлифования применяютшлифовальные круги особой формы и специальные станки.

Обработка шлифованием характеризуется большими техноло-гическими возможностями. Обдирочным шлифованием получаютопорные поверхности у мелких и средних отливок, при этом дос-тигается шероховатость поверхности Ra 2,5... 1,25 мкм.

Плоское шлифование периферией круга обеспечивает шерохо-ватость поверхности Ra 6,3... 1,25 мкм (предварительная обработ-ка), Ra 1,25...0,32 мкм (чистовая обработка), Ra 0,63...0,16 мкм(тонкая обработка).

Внешние поверхности вращения могут быть подвергнуты пред-варительному, чистовому и тонкому шлифованию. Предваритель-ное шлифование обеспечивает 10 — 8-й квалитеты точности ишероховатость поверхности Ra 6,3...0,63 мкм, тонкое — 6 — 5-йквалитеты точности и Ra 0,63...0,08 мкм.

Отверстия подвергают предварительному (10 —9-й квалитетыи Ra 6,3...0,63 мкм) и чистовому (9 —7-й квалитеты и Ra 1,25...0,32 мкм) шлифованию.

349

6.7.2. Типы и области применения шлифовальных станков

Шлифовальные станки по конструктивным и технологическимпризнакам (виду выполняемой работы) подразделяют на кругло-и плоскошлифовальные, специальные, заточные и отделочные.

К круглошлифовальным относят станки для круглого шлифо-вания в центрах и станки бесцентрового шлифования; к внутри-шлифовальным — простые, планетарные, бесцентровые; к плос-кошлифовальным — продольные и карусельные, работающие пе-риферией и торцом круга; к специальным — зубо-, резьбо-, ко-пировально-шлифовальные для шлифования шлицевых валов,шаров и т.д.; к заточным — универсальные для заточки разногоинструмента и специальные для заточки определенного вида ин-струмента.

Отделочные станки по применению абразивного инструментаподразделяют на станки, работающие шлифовальным кругом,порошком и полировальными пастами (притирочные, доводоч-ные, хонинговальные, полировальные и др.).

На рис. 6.35 показаны общие виды наиболее применяемых шли-фовальных станков.

Универсальный плоскошлифовальный станок (рис. 6.35, а) пред-назначен для шлифования периферией круга различных плоскихдеталей, состоит из станины /, по направляющим которой с по-мощью гидропривода осуществляется продольная подача — воз-вратно-поступательное перемещение стола 6. Реверс стола произ-водится с помощью рычага 3 при переключении упоров, укреп-ленных на передней стороне стола. Обрабатываемую деталь за-крепляют на электромагнитной плите /5 или непосредственно настоле.

Поперечная подача осуществляется при перемещении шлифо-вальной бабкой 14 с кругом <?по горизонтальным направляющим 10.

Ручная поперечная подача шлифовальной бабки производитсямаховиком 11. Для автоматической поперечной подачи служитгидрокоробка подач, панель управления 2 которой имеет рукоят-ки для установки величины подачи.

Глубина резания устанавливается вертикальным перемещени-ем шлифовальной бабки по направляющим 13 колонны 12. Пере-

351

мещение может быть ручное с помощью маховика 4 или автома-тическое от гидропривода. Привод шпинделя шлифовальной баб-ки включается кнопкой пульта управления 5. Для защиты рабоче-го на станке предусмотрены кожухи 7 и 9.

Станок имеет главную насосную установку, обеспечивающуюработу гидравлической системы, и вспомогательную — для смаз-ки опор шлифовальной бабки, а также бак с охлаждающей жид-костью и др.

Круглошлифовальный станок (рис. 6.35, б) предназначен длянаружного шлифования в центрах. На направляющих станины 19смонтирован нижний стол 18, несущий на себе поворотный верх-ний стол 77 с установленными на нем передней 2 и задней 12бабками. В задней бабке предусмотрена рукоятка 77 для ручногозажима пиноли задней бабки. Внутри станины находятся при-водные механизмы и гидропривод. Шкаф электрооборудования 1и гидростанция 10 расположены отдельно. В станке главное дви-жение резания (вращательное) осуществляет шлифовальныйкруг, движение подачи (круговое) — вращение заготовки, за-крепленной в центрах передней и задней бабок. Движение про-дольной подачи заготовки — прямолинейное возвратно-посту-пательное движение нижнего стола. Шлифовальный круг уста-новленный на горизонтальном шпинделе шлифовальной бабки 7,также имеет поперечную подачу за счет периодического ради-ального перемещения шлифовальной бабки за один ход стола,осуществляемый с помощью механизма поперечной подачи 8.На корпусе шлифовальной бабки установлено устройство авто-матической правки круга 5. Для обработки длинномерных заго-товок используется люнет 4. Станок оборудован системой пода-чи СОЖ в зону обработки (жидкость подается при повороте ру-коятки 3).

На станке возможны: ручное продольное перемещение столапри помощи маховика 16, ручное поперечное перемещение шли-фовальной бабки с помощью маховика 6, гидравлического отводапиноли задней бабки при помощи педали 75, перемещение рабо-чих органов станка с использованием панели гидроуправления 14и рукоятки 13 подвода-отвода шлифовальной бабки. Управлениепуском насосов производится с помощью рукояток и кнопок напульте управления 9.

6.7.3. Режимы резания при шлифовании

Рассмотрим элементы режима резания на примере наружногокруглого шлифования в центрах способом продольной подачи.

Скорость резания vK представляет собой окружную скорость ра-бочей части шлифовального круга. Практически она составляет30...60 м/с и более. Ее можно определить по формуле

352

где DK — диаметр шлифовального круга, мм; пк — частота враще-ния круга, мин"1.

При шлифовании обрабатываемая деталь вращается со скоро-стью vR = 15... 50 м/мин. Скорость вращения детали vA определяет-ся по формуле

где Da — диаметр детали, мм; nд — частота вращения детали, мин-1.Вращение детали представляет собой круговую подачу.Подача snp (мм) — перемещение обрабатываемой детали за один

оборот вдоль своей оси (продольная подача).Глубина резания t (мм) — толщина слоя металла, снимаемого

шлифовальным кругом за один проход. Ее определяют по формуле

где dR — диаметр обработанной детали, мм.Глубина резания при наружном круглом шлифовании является

поперечной подачей (sn).Машинное время Тм (мин) — время, затрачиваемое непосред-

ственно на процесс резания металла шлифовальным кругом заодин проход. Машинное время определяют по формуле

где L — длина продольного хода стола, мм; — припуск на обра-ботку (половина припуска на диаметр), мм; к — поправочныйкоэффициент на дополнительные проходы с целью обеспечениязаданной точности размеров. При черновом шлифовании к == 1,1... 1,4; при чистовом к= 1,3... 1,8.

Длину продольного хода стола определяют по формуле

где l — длина заготовки, мм; m — коэффициент, учитывающийдлину перебега круга; m = 0,3...0,5; В — ширина круга, мм.

6.7.4. Инструмент и абразивные материалы

В зависимости от способа абразивной обработки, конструкциистанка, габаритов обрабатываемой детали и условий шлифованияабразивные инструменты изготовляются различными по форме иразмерам. Как правило, они имеют вид шлифовальных кругов,брусков и лент. Основным инструментом, применяемым при аб-

-'-'-'

разивной обработке, является шлифовальный круг. Абразивныекруги (рис. 6.36) в зависимости от схемы шлифования работаютпериферией или торцом, что обусловливает их конструктивныеособенности. По геометрической форме их подразделяют на сле-дующие типы: плоские прямого профиля ПП (рис. 6.36, а) длянаружного круглого, внутреннего, бесцентрового, плоского шли-фования и заточки резцов; плоские с двухсторонним коничес-ким профилем — 2П (рис. 6.36, б) и плоские с коническимпрофилем — ЗП (рис. 6.36, в) служат для шлифования резьбы,зубчатых колес и т.д.; плоские с выточкой ПВ (рис. 6.36, г) ис-пользуют для круглого шлифования с подрезкой торца; круги-диски Д (рис. 6.36, д) — для отрезных и прорезных работ; круги-кольца К (рис. 6.36, е), круги-чаши цилиндрические ЧЦ и круги-

354

чаши конические ЧК (рис. 6.36, ж, з) обычно служат для плос-кого шлифования торцом круга и др.

Основные конструктивные элементы кругов: D — наружныйдиаметр; d — внутренний диаметр (для крепления в шпинделе);В — ширина круга; а — размеры элементов круга.

Наиболее важными характеристиками, определяющими эксп-луатационные свойства абразивного инструмента, являются: видабразивного материала, его зернистость, вид связки, твердость иструктура.

Абразивные материалы, используемые для изготовления инст-румента, делятся на естественные и искусственные.

К естественным абразивным материалам относятся: алмаз,наждак, корунд, кварц, гранит. Материалы искусственного про-исхождения: электрокорунд, карборунд, карбид бора, карбидциркония, борсиликарбид, кубический нитрид бора (эльбор)и др.

В качестве абразивного инструмента используют шлифоваль-ные круги из синтетического (технического) алмаза разных ма-рок. Алмазные инструменты изготовляются не сплошными, а ком-бинированными. Они содержат алмазный слой со связкой толщи-ной до 3 мм, который закрепляется на металлическом корпусеинструмента.

Зерна абразивных материалов обладают очень высокой твердо-стью и термостойкостью, имеют острые режущие кромки и, не-смотря на хаотичное расположение в массе круга, способны ре-зать даже при больших углах резания весьма твердые металлы исплавы (чугун с отбеленным слоем, закаленную сталь и т.п.).

Механические свойства абразивных материалов характеризу-ются твердостью, плотностью, модулем упругости, пределом проч-ности на сжатие, растяжение и изгиб, прочностью при ударнойнагрузке, а также изменением этих свойств в процессе резанияпод действием высоких температур и давления.

Одним из основных показателей абразивных материалов явля-ется зернистость — средний размер зерна в поперечнике, изме-ренный в сотых долях миллиметра. Зернистость шлифовальногокруга влияет на качество получаемой поверхности: чем меньшезерно, тем выше качество поверхности. По величине зернистостишлифовальные круги подразделяются на три группы: шлифзерно,шлифпорошки и микропорошки, и им присваиваются соответству-ющие номера.

Круги с зернистостью до 80 мкм применяют для черновогошлифования, до 25 мкм — для обычного чистового шлифования,до 3 мкм — для резьбошлифования и микропорошки — для отде-лочных работ.

Для изготовления абразивного инструмента отсортированныезерна скрепляют с помощью связующего вещества (связки) в еди-

355

Пример маркировки абразивного инструмента:

Приведенная маркировка круга означает: ЧАЗ — Челябинскийабразивный завод; ЭБ — электрокорунд белый; зернистость 40;СТЗ — средней твердости третий; К5 — керамическая связка;ПП — плоский прямой; наружный диаметр 300 мм, ширина 50 мм,диаметр отверстия 65 мм; наибольшая скорость вращения 35 м/с.

В настоящее время нашли применение высокопористые шли-фовальные круги с открытой структурой на керамической основе.Эти круги имеют меньшее количество зерен, но большее по ко-личеству и размеру пор. Такие шлифовальные круги имеют болеевысокую режущую способность зерен и меньший нагрев обраба-тываемой детали за счет создания воздушных потоков в порах награнице рабочей поверхности круга.

ную массу, которой затем придают форму круга или бруска. Связ-ку для абразивных зерен изготовляют на неорганической (кера-мической, с условным обозначением К, силикатной С, магне-зиальной М) или органической основе (бакелитовой Б или вул-канитовой В). Большинство шлифовальных кругов изготовляютна керамической связке, имеющей повышенную прочность.

Под твердостью абразивного инструмента понимается сопро-тивляемость связки вырыванию абразивных зерен с поверхностиинструмента под действием внешних сил. По твердости абразив-ные круги делятся на девять классов твердости: чрезвычайно мяг-кие — ЧМ; весьма мягкие — ВМ1, ВМ2; мягкие — Ml, M2, МЗ;средней мягкости — СМ1, СМ2; средние — Cl, C2; средней твер-дости — СТ1, СТ2, СТЗ; твердые — Tl, T2, весьма твердые —ВТ1, ВТ2 и чрезвычайно твердые — ЧТ1 — ЧТ10. Цифры справа отбуквенного обозначения характеризуют возрастание степени твер-дости абразивного материала.

Правильный выбор твердости круга существенно влияет на про-цесс шлифования и прежде всего на самозатачиваемость круга.

Самозатачиваемость — выкрашивание из круга затупленныхзерен и обнажение новых зерен с острыми гранями. При выборедля шлифования слишком твердого круга зерна не будут выкра-шиваться и, следовательно, самозатачивания не произойдет. Этоприведет к «засаливанию» круга и ожогу шлифуемой поверхности.Из слишком мягкого круга зерна могут осыпаться, и он потеряетформу. Для шлифования мягких материалов обычно выбирают твер-дые круги, и наоборот.

Структура абразивных инструментов определяется количествен-ным соотношением объемов зерен, связки и пор. Условно приня-то судить о структуре по содержанию абразивного материала вединице объема инструмента, выраженному в процентах. Струк-туру материала круга обозначают номерами от 0 до 12. С увеличе-нием структуры на один номер объем зерен в круге уменьшаетсяна 2%, а объем связки соответственно увеличивается на 2% припостоянном общем объеме пор. Круги с мелкими порами (струк-туры № 1—4) называют закрытыми или плотными. Круги с эти-ми структурами применяют при круглом шлифовании твердых ихрупких материалов, когда требуется высокое качество поверхно-сти. Структуры № 5 — 8 называют средними и применяют в кругахдля наружного круглого и плоского шлифования мягких материа-лов. Круги со структурой №9—11 называют открытыми и приме-няют для скоростного шлифования.

Маркировка абразивных инструментов производится на их не-рабочей поверхности и включает: наименование завода-изготови-теля, абразивный материал, его зернистость, твердость, наиме-нование связки; в некоторых случаях структуру, форму сечениякруга, размеры и предельную скорость резания.

356

ГЛАВА 7

ПРОИЗВОДСТВО, ПРИМЕНЕНИЕ И ЗАЩИТА ТРУБ

7.1. Общие сведения

7 . 1 . 1 . Классификация труб

Трубопроводный транспорт является одним из самых эконо-мичных, он обеспечивает доставку жидких и газообразных про-дуктов на дальние расстояния с минимальными потерями про-дукта в процессе доставки его потребителям.

Увеличение объема добычи и транспортировки нефти и газапо трубопроводам, систематическое повышение мощности соору-жаемых газонефтепроводов, рост их протяженности определяютбольшую металлоемкость нефтяной и газовой промышленности,ежегодно расходующей несколько миллионов тонн стали, основ-ная масса которой идет на изготовление труб.

Необходимость стабильного обеспечения промышленностисырьем и топливом и жесткие требования к работоспособноститрубопроводов определили не только большой расход металла дляпроизводства труб, но и применение для этой цели сталей с вы-сокими механическими и эксплуатационными свойствами.

Производство стали для труб наряду с требованиями высокойнадежности в эксплуатации трубопроводов ставит вопрос о сни-жении их металлоемкости, обеспечении минимальной стоимостипри сохранении высоких технологических и эксплуатационныхпараметров.

Металлические трубы производят из углеродистых, легирован-ных и высоколегированных сталей, цветных металлов и сплавов,чугунов, а также биметаллическими из разных сочетаний метал-лов. При необходимости трубы подвергают термической обработ-ке и другим видам отделки.

Трубы изготовляют бесшовными и со швом (сварные). Их при-меняют в различных отраслях производства, транспорта и строи-тельства.

В нефтяной и газовой промышленности применяют бесшовныеи сварные трубы для бурения, крепления и эксплуатации нефтя-ных и газовых скважин, транспортирования нефти и газа. Для энер-гетического машиностроения применяют бесшовные трубы изкачественных и высококачественных сталей. Трубы и изделия из

358

них способны выдерживать высокое давление пара или жидкости,обладают заданными свойствами при рабочих температурах.

В машиностроении применяют сварные и бесшовные трубыпрактически всех типоразмеров из стали и сплавов соответствую-щих марок, производимых в стране.

В сельском хозяйстве и промышленном строительстве исполь-зуют бесшовные и сварные трубы из углеродистых и низколегиро-ванных сталей, применяемых для монтажа оросительных систем иразличного рода коммуникаций.

В химической промышленности применяют трубы со специ-альными эксплуатационными свойствами, обеспечивающими ра-боту в широком диапазоне давлений и температур.

Рост мощности трубопроводов и снижение температуры пере-качки газа вызвали необходимость разработки новых конструк-ций труб и технологии их производства, в результате чего появи-лись многослойные трубы из витых обечаек, двухслойные спира-лешовные, бесшовные трубы из полых заготовок, получаемыеметодом непрерывной разливки и др.

Трубы — главный конструктивный элемент любых трубопро-водов. Их качество, свойства металла и сварных соединений взначительной степени определяют возможные отказы, останов-ки и аварии на газонефтепроводах, а также их размеры и по-следствия.

В настоящее время стоит задача продолжения сооружения нетолько мощных и сверхмощных газонефтепроводов, но и строи-тельства широкой сети некрупных продуктопроводов, развитиясистемы промысловых и сборных сетей различных диаметров идавлений. Отсюда следует, что в зависимости от рабочих парамет-ров газонефтепроводов и промысловых сетей должны выпускать-ся различные типы труб, отличающиеся как диаметрами и конст-рукцией, так и марками применяемых сталей, способами изго-товления труб и методами их обработки.

Самая общая классификация труб имеет следующий вид:• трубы бесшовные и сварные для трубопроводов диаметром .

менее 530 мм из простых углеродистых горячекатаных и термоуп-рочненных сталей, получаемые методом горячего деформирова-ния;

• трубы для трубопроводов диаметром 530... 1 220 мм из низко-легированных сталей марки 17Г1С, получаемые методом холод-ного деформирования и последующей сварки, поставляемые внормализованном или термоупрочненном состоянии;

• трубы сварные для трубопроводов диаметром 1 220... 1 420 мм,предназначенные для работы под высоким давлением, получае-мые из сталей контролируемой прокатки и из низколегированныхтермоупрочненных сталей;

• трубы специальной конструкции и назначения.

359

Трубы малых диаметров могут проходить вторичную горячуюили холодную деформацию в целях получения более качествен-ной поверхности и повышения точности размеров.

7.1.2. Исходные материалы и заготовкидля производства труб

Для производства труб применяется углеродистая сталь обык-новенного качества, поставляемая по ГОСТ 380 — 94 с гарантиеймеханических свойств и химического состава марок: Ст2пс, СтЗкпи др. Бесшовные трубы чаще изготовляют из качественных кон-струкционных углеродистых сталей марок сталь 10 или 20 по ГОСТ1050 — 88. Кроме них, применяются низколегированные стали,например, для получения горячекатаных труб диаметром 530...1 220 мм, работающих под давлением 5,5... 6,4 МПа: 17Г1С, 13ГСи др.

При производстве бесшовных труб обычно применяется спо-койная сталь, для сварных — спокойная, полуспокойная и кипя-щая. Спокойные стали более качественные, но дороже в произ-водстве.

Для изготовления труб для магистральных газонефтепроводовприменяется несколько марок низколегированных (ферритно-пер-литных) сталей, поставляемых горячекатаными или нормализо-ванными. Для труб диаметром 530...820 мм используется горяче-катаная сталь 17Г1С, а также стали 09Г2, 10Г2С; для труб диамет-ром 1 020... 1 220 мм — простые нормализованные стали 17ПС-Уи 15Г2АФЮ, упрочненные нитридами алюминия, сталь 13Г2АФ,упрочненная нитридами ванадия, и др.

В последнее время выпускаются новые типы малоперлитныхили бесперлитных сталей, получаемых методом контролируемойпрокатки (09Г2ФБ и 08Г2ФЮ). Высокие свойства этих сталейдостигаются при минимальном легировании (микролегированиекарбонитридными элементами) за счет максимального измель-чения их структуры при прокатке и контролируемом охлажде-нии. Повышение пластичности и вязкости стали обеспечиваетсяблагодаря формированию однородной структуры и субструкту-ры, пониженному содержанию вредных примесей и неметалли-ческих включений, снижению уровня локальных внутренних на-пряжений.

В зависимости от способа производства и назначения исход-ным материалом для производства труб могут быть катаная и ко-ваная заготовки, слитки, а также заготовки, полученные центро-бежным и полунепрерывным литьем.

Более подробно применение сталей различных марок будетрассмотрено при классификации труб по их назначению и спосо-бу применения.

360

7.1.3. Сортамент труб

Трубная промышленность производит трубы широкого сорта-мента — наружным диаметром d от 0,1 до 2 500 мм и толщинойстенки s от 0,01 до 150 мм.

В соответствии со стандартами бесшовные трубы из сталей раз-ных марок изготовляют диаметром от 25 мм до 550 мм. Длинатруб l составляет обычно от 4 до 12,5 м, но может быть и другой.Например, для труб из коррозионно-стойкой стали их длина ко-леблется в пределах от 1,5 до 10 м.

Сварные трубы по сравнению с бесшовными изготовляют сболее тонкой стенкой, которая имеет меньшие отклонения потолщине.

Прочностная характеристика является основной для большин-ства видов труб. С этой целью проводятся механические испыта-ния металла готовых труб.

По категории прочности трубы подразделяют на три группы:• обычной прочности ( < 550 МПа);• высокой прочности ( = 550...750 МПа);• особо высокой прочности ( >750 МПа).Гидравлическим испытаниям подвергают только те трубы, ко-

торые предназначены для работы под давлением.

7 . 2 . Трубы для нефтяной и газовой промышленности

7 . 2 . 1 . Бурильные и обсадные трубы

Основными видами стальных труб, применяемых в бурении иэксплуатации нефтяных и газовых скважин, являются бурильные,обсадные, насосно-компрессорные и трубы для ремонта скважин.Кроме них, применяются различные трубы для обслуживанияскважин, газонефтяных комплексов и транспортировки газонеф-тепродуктов потребителю: трубы нефтегазопроводные и общегоназначения, трубы для нефтеперерабатывающей и нефтехимиче-ской промышленности, трубы различной конструкции и типо-размеров для газонефтетрубопроводов.

Кроме труб, обычным оборудованием трубопроводов являют-ся вентили, краны, задвижки и компенсаторы, предназначенныедля измерения количества транспортируемого вещества, его тем-пературы, давления и других параметров.

Соединения в трубопроводах бывают резьбовыми, выполнен-ными непосредственно сваркой или фланцевыми.

Бурильные трубы применяются для спуска в буровую скважинуи подъема на поверхность породоразрушающего инструмента, пе-редачи вращательного движения, создания осевой нагрузки на

3 6 1

инструмент (утяжеленные бурильные трубы), подвода промывоч-ной жидкости или сжатого воздуха к забою. Трубы соединяютсямежду собой при помощи бурильных замков со специальной зам-ковой резьбой. Концы труб утолщаются (для увеличения их проч-ности) наружной, внутренней или комбинированной высадкой.

Трубы изготовляют путем приваривания ниппеля и муфты зам-кового соединения к высаженным концам тела бурильной трубы.От атмосферной коррозии трубы защищают специальными кон-сервационными покрытиями.

Бурильные трубы применяют для бурения разведочных и эксп-луатационных скважин, их изготовляют бесшовными.

Согласно ГОСТ Р 50278 — 92 «Трубы бурильные с приварен-ными замками» длина поставляемой трубы в зависимости от еенаружного диаметра (d = 60,3... 139,7 мм) и толщины стенки (s =- 7,1... 12,7 мм) колеблется в пределах 8,0... 12,5 м; механическиесвойства сталей в зависимости от группы прочности (Д, Е, Л, М,Р) следующие: = 655...792 МПа, = 379...930 МПа, . == 12...16%.

Бурильные трубы применяются также для капитального ремон-та скважин, согласно ТУ 1324-138-0147016—02 они имеют следую-щие параметры: d = 63,3... 101,6 мм и толщина стенки s = 5...6,5 мм.

Обсадные трубы применяют для крепления нефтяных и газо-вых скважин в процессе их строительства и эксплуатации, дляпредохранения стенок нефтяных и газовых скважин от разруше-ния, попадания воды в скважины, для разделения друг от другагазоносных и нефтяных пластов.

Обсадные трубы соединяются между собой при помощи муф-товых или безмуфтовых (интегральных) резьбовых соединений.Резьбовые соединения обсадных труб обеспечивают:

проходимость колонн в стволах скважин сложного профиля, втом числе в интервалах интенсивного искривления;

достаточную прочность на все виды нагрузок и необходимуюгерметичность соединений колонн труб;

возможность прохождения инструмента и приспособлений дляпроведения технологических операций внутри колонн-труб.

Обсадные трубы могут изготовляться в следующих исполнени-ях: высокопрочные, хладостойкие, коррозионно-стойкие, повы-шенной эксплуатационной надежности, специального назначе-ния и др.

Согласно ГОСТ 632 — 80 «Трубы обсадные и муфты к ним» об-садные трубы изготовляются бесшовными с наружным диамет-ром 114,3...323,9 мм, с толщиной стенок 5,2... 16,5 мм и длиной6...11,7 м.

Механические свойства сталей в зависимости от группы проч-ности следующие: = 655...862 МПа, = 379...965 МПа, == 9,5... 14,3%.

362

7.2.2. Насосно-компрессорные трубы и трубы для ремонтаскважин

Насосно-компрессорные трубы применяются в процессе эксп-луатации нефтяных и газовых скважин для транспортировки жид-костей и газов внутри обсадных колонн, для ремонтных и спуско-подъемных работ.

Насосно-компрессорные трубы соединяются между собой припомощи муфтовых резьбовых соединений, которые обеспечи-вают:

проходимость колонн в стволах скважин сложного профиля, втом числе в интервалах интенсивного искривления;

достаточную прочность на все виды нагрузок и необходимуюгерметичность соединений колонн труб;

требуемую износостойкость и ремонтопригодность.Насосно-компрессорные трубы могут изготовляться в следую-

щих исполнениях и комбинациях: высокогерметичные, хладо-стойкие, коррозионно-стойкие, с высаженными наружу конца-ми, с узлом уплотнения из полимерного материала и др.

Насосно-компрессорные трубы изготовляют с условным диа-метром (Dy) 48,3... 114,3 мм и толщиной стенки 4...7 мм.

Согласно ГОСТ 633 — 80 «Трубы бесшовные насосно-компрес-сорные и муфты к ним» насосно-компрессорные трубы изготов-ляют с условным диаметром в пределах 33,42... 114 мм, с толщи-ной стенки 3,5...8 мм и длиной 9,5... 10,5 м, иногда до 11 м.

Механические свойства сталей в зависимости от группы проч-ности следующие: = 510...823 МПа, = 379...921 МПа, == 11,3...20%.

Трубы для ремонта скважин применяются для ликвидации не-герметичности (восстановления крепи) эксплуатационных обсад-ных колонн нефтяных и газовых скважин и представляют собойразновидность обсадных труб, соединенных между собой при по-мощи безмуфтовых высокогерметичных резьбовых соединений.Трубы имеют гладкопроходной внутренний и гладкий наружныйдиаметры.

Конструкция колонны и резьбовые соединения труб для ре-монта скважин обеспечивают:

проходимость в эксплуатационных колоннах скважин, в томчисле в интервалах интенсивного искривления;

возможность ремонта негерметичных эксплуатационных колонн;достаточную прочность на все виды нагрузок и необходимую

герметичность соединений колонн труб;возможность прохождения инструмента и приспособлений для

проведения технологических операций внутри колонн труб;использование насосного оборудования и газлифтных компо-

новок без потери производительности;

363

7.2.7. Трубы для магистральных трубопроводов

Современные магистральные трубопроводы — исключительнопротяженные металлические сооружения. Протяженность некото-рых из них достигает нескольких тысяч километров.

Условия работы металла труб в магистральных газонефтепро-водах высокого давления сугубо специфичны, резко отличаютсяот условий работы металла в других стальных конструкциях, чтообусловлено следующими факторами:

• эксплуатация металла труб одного и того же трубопроводавследствие его большой протяженности осуществляется в резкоотличающихся природно-климатических условиях;

• в зависимости от природно-климатических условий металлтруб работает в широком диапазоне температур: от +40 до +60 °С влетний период и до -15 "С и ниже в зимний;

• металл труб в процессе их эксплуатации испытывает мало-цикловые нагрузки, которые в отдельных случаях могут вызыватьнапряжения, достигающие предела текучести;

• в металле трубопроводов практически неизбежно наличиеконцентраторов напряжений — задиров, царапин и др. Они мо-

368

гут быть заводского, транспортного и строительного происхож-дения;

• газопроводы аккумулируют большое количество упругой энер-гии сжатого газа, в результате чего в них могут возникать протя-женные вязкие и хрупкие разрушения;

• металл газонефтепроводов практически невозможно подверг-нуть профилактическому осмотру и выполнить предупредитель-ный ремонт.

Прочность магистрального трубопровода и его эксплуатацион-ная надежность определяются в первую очередь силовыми факто-рами и качеством труб. Для магистральных трубопроводов основ-ными нагрузками являются внутреннее давление и продольныеусилия, вызванные температурным перепадом в линейной частитрубопровода вследствие различия температурных условий строи-тельства и эксплуатации.

В линейной части магистральных газонефтепроводов в основ-ном применяют трубы большого диаметра (d = 530... 1 420 мм), адля промысловых сетей и обвязки компрессорных и насосных стан-ций — трубы диаметром 114...219 мм.

Для магистральных и промысловых трубопроводов высокогодавления применяют бесшовные горячедеформированные трубыи их модификации, сварные прямошовные и спиралешовные трубыиз рулонной или листовой стали и трубы специальных конструк-ций — двух- и многослойные.

Основной объем прямошовных труб, применяемых для строи-тельства магистральных трубопроводов, производится из реза-ной горячекатаной ленты (штрипса) или листа (для труб боль-шого диаметра) путем холодной формовки заготовок на прес-сах, двухсторонной трехслойной сварки продольным швом, прав-ки и калибровки готовых труб в экспандерах (прессах-расшири-телях).

Спиралешовные трубы изготовляют на станах спиральной свар-ки. Спиральный шов и конструкция трубы обеспечивают ей высо-кую поперечную жесткость и устойчивое сохранение кольцевогосечения при воздействии поперечных нагрузок. Эта особенностьспиралешовных труб позволила применить к ним технологию тер-мического упрочнения. Такие трубы (d = 720... 1 220 мм) эксплуа-тируются под рабочим давлением 5,5... 6,4 МПа. Предел прочнос-ти материала труб достигает 650 МПа.

В настоящее время для мощных газопроводов диаметр приме-няемых труб составляет 1 420 мм при рабочем давлении 7,5 МПа.Для подводных морских газопроводов диаметр труб не превышает1 220 мм при рабочем давлении до 12 МПа.

Рабочие параметры сверхмощных газопроводов определяютсятехнико-экономическими показателями перекачки единицы объе-ма газа, а также возможностями металлургической промышлен-

369

ности изготовлять в необходимых количествах высоконадежные инедорогие трубы.

Для строительства сверхмощных газопроводов с диаметром труб1 420 мм и повышенным рабочим давлением 10... 12 МПа исполь-зуется листовая или рулонная сталь толщиной 18... 26 мм. На еезамену стала поступать более тонкая листовая сталь, применяе-мая для производства двухслойных спиралешовных и многослойныхтруб из витых обечаек. Эти трубы изготовляют из горячекатанойрулонной ленты: двухслойные при толщине 8... 13 мм, многослой-ные — при толщине около 6 мм.

Применение многослойных труб обеспечивает в значитель-ной степени «неразрушаемость» трубопровода, т.е. возникнове-ние утечек не приводит к полному разрыву трубы. При этом ус-транение утечек может проводиться в плановом порядке в удоб-ное время.

7.2.8. Чугунные трубы

Чугунные трубы изготовляются из серого и высокопрочногочугунов методами центробежного и полунепрерывного литья (см.подразд. 7.3.4 и 7.3.5). Они предназначены для применения в на-порных и самотечных системах транспортирования питьевой итехнической воды; в канализационных трубопроводах; для транс-портирования под давлением и самотеком грунтовых и атмосфер-ных сточных вод, бытовых и производственных жидкостей, неаг-рессивных к уплотнителям стыковых соединений.

Нефтепроводные чугунные трубы предназначены для эксплуа-тации в агрессивной среде, в том числе содержащей сероводород(H2S). Материал полимерного уплотнения труб стоек в этой средеи сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур от -60до +260 'С.

Достоинством чугунных труб является их коррозионная стой-кость, которая в 8— 10 раз выше, чем у стальных труб, это обес-печивает их долговечность на 50—100 лет. Трубы эксплуатируютсяв системах с рабочим давлением транспортируемой жидкости до16 МПа. Трубы из высокопрочного чугуна обладают не только от-личной коррозионной стойкостью, но и механическими характе-ристиками, близкими к аналогичным для труб из углеродистойстали (обладают пластичностью).

Трубы напорные изготовляют по ТУ 14-3-856 — 79 (из серого чугу-на) с условным диаметром 400... 1 000 мм и длиной 4...5 м, и поТУ 14-3-1848 — 92 (из высокопрочного чугуна) с Dy= 100... 1 000 мми /= 3...5 м.

Трубы нефтепроводные изготовляют из высокопрочного чугунапо ТУ 14-161-168 —96, ТУ 14-161-170 —96 с условным диаметром200...,300 мм, с толщиной стенки 10,1... 11,9 мм и длиной 3... 5,1 м.

370

Трубы нефтепроводные коррозионно-стойкие изготовляют из высо-копрочного чугуна с шаровидным графитом по ТУ 14-161-188 — 2000длиной 3...4,1 м ( D y 1 0 0 . . . 150 мм) и длиной 3 5 1 м (D == 200...300 мм). • ' У

7 . 3 . Производство труб

7 . 3 . 1 . Общая характеристика производства труб

Производство труб значительно отличается от остальных видовпрокатного производства не только по форме готового изделияно и тем, что большая часть труб является продуктом вторичногопередела проката основных видов — круглой и плоской заготовки.

Трубы классифицируют по методу производства и применения.Для производства труб из черных металлов применяют четыреосновных способа: прокатку, прессование, литье и сварку.

Качество труб, получаемых прокаткой, прессованием и свар-кой, значительно выше, чем литых труб, так как при обработкедавлением свойства материала труб улучшаются.

Бесшовные трубы по способу производства подразделяются:• на горячедеформированные, изготовляемые различными мето-

дами горячей прокатки (горячекатаные) или прессования (горя-чепрессованные) из катаной, литой или кованой заготовки'

• холоднодеформированные, получаемые из горячедеформирован-ных труб-заготовок путем прокатки в холодном состоянии (хо-лоднокатаные), волочения (холоднотянутые), в отдельных случа-ях — теплодеформированные, формируемые при температуре100...250 °С.

Сварные трубы подразделяются:• на электросварные, изготовляемые различными методами элек-

трической сварки кромок цилиндрической трубной заготовки,сформованной в холодном состоянии из исходной ленты, полосыили листов путем пластического изгиба. Эти трубы производятсяс прямым или спиральным швом (прямошовные или спирально-шовные);

• печной сварки, получаемые только прямошовным путем сдав-ливания и сварки кромок трубной заготовки, сформованной изпредварительно нагретого в печи штрипса;

• электросварные холоднодеформированные, изготовляемые изленточных заготовок.

Важной характеристикой размеров труб является также отно-шение их диаметра к толщине стенки d/s — показатель тонко-стенности. По этому показателю трубы подразделяют на особо-тонкостенные, тонкостенные, толстостенные и особотолстостен-ные. Большинство труб имеют круглое сечение, однако в некото-

371

рых случаях изготовляют профильные трубы с различным сечени-ем — квадратные, плоские и фасонные.

Бесшовные горячедеформированные трубы изготовляют диамет-ром от 16 до 630 мм, а в отдельных случаях, при использованиипроцессов расширения — винтовой прокаткой, волочением ипрессованием на особо мощных прессах, — до 1 200 мм. Эти трубыизготовляют в широком диапазоне толщины стенки — от тонко-стенных до особо толстостенных (s = 1,5...50 мм).

Горячедеформированные трубы используются в трубопроводахразличного назначения (в значительной степени для нефтепрово-дов), для бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин(бурильные, обсадные и насосокомпрессорные трубы с нарезан-ной резьбой на концах для соединения их с помощью муфт иниппелей), в энергетическом, химическом, транспортном и дру-гих отраслях машиностроения.

Холоднодеформированные трубы получают диаметром 0,2...450 ммсо стенкой толщиной 0,03...35 мм, а также больших диаметровпри использовании специальных процессов поперечной прокат-ки и волочения. Они применяются в наиболее ответственных уз-лах машин и аппаратов в различных отраслях машиностроения,приборостроения и других новых областях техники.

Электросварные трубы производятся диаметром 5...2 520 мм исо стенкой толщиной 0,2...32 мм. Они условно подразделены натрубы малых диаметров (d < 114 мм), средних (d = 114... 530 мм)и больших диаметров (d> 530 мм). Подавляющую массу труб всегодиапазона размеров получают из низкоуглеродистых и низколеги-рованных сталей, хорошо свариваемых высокоскоростными ме-тодами. Трубы малых и средних диаметров получают также из кор-розионно-стойких сталей, цветных металлов и сплавов.

Электросварные трубы используются для трубопроводов различ-ного назначения, включая магистральные газо- и нефтепроводы.

Трубы печной сварки производятся диаметром от 10 до 140 ммсо стенкой толщиной 1,8...5,5 мм. В соответствии с ГОСТ 3262 —75 трубы испытываются гидравлическим давлением 2,5... 5 МПа ииспользуются для низконапорных водогазопроводных и отопитель-ных сетей.

Прогнозируемая потребность труб различного сортамента при-ведет в ближайшей перспективе к опережающему развитию про-изводства бесшовных труб, и объем их производства сравняется спроизводством сварных труб.

Способ производства труб определяется следующими фактора-ми: видом труб (горячедеформированные, холоднодеформирован-ные или сварные, круглые или профильные); материалом труб,характеризующим его прочностные и пластические свойства; ви-дом исходной заготовки — катаная, слиток или непрерывнолитая(при производстве горячедеформированных труб); геометричес-

372

кими размерами (абсолютными или показателем тонкостенностиd/s); требованиями к качеству труб (точность размеров, состояниенаружной и внутренней поверхностей, механические свойства);технико-экономическими показателями способа производства —производительностью, маневренностью, расходным коэффици-ентом металла, себестоимостью.

Горячедеформированные трубы получают несколькими способа-ми горячей прокатки и прессованием. Каждый из способов горя-чей прокатки включает в себя три основные операции обработкидавлением: прошивку сплошной заготовки с получением толсто-стенной гильзы, раскатку гильзы в черновую трубу, калиброва-ние или редуцирование черновой трубы в готовую с окончатель-ными размерами диаметра и толщины стенки. Существенное от-личие каждому способу придает вторая операция — раскатка. Понаименованию стана, производящего раскатку, дается названиеспособу производства и трубопрокатному агрегату. Каждый из аг-регатов имеет ряд типоразмеров в соответствии с диаметрами про-катываемых труб.

Сопоставление различных способов горячей деформации отра-жает следующее:

• большое количество сорторазмеров труб может быть произве-дено разными способами. Например, трубы из углеродистых ста-лей могут быть получены на агрегатах с автоматическим, непре-рывным или другими раскатными станами. В этих случаях при вы-боре варианта решающую роль играют характеристики качестватруб, размеры партий, технико-экономические показатели про-изводства;

• трубы определенного сортамента могут быть произведены толь-ко на одном из типов агрегатов. Например, трубы из малоплас-тичных сталей и сплавов или сложного профиля могут быть изго-товлены на трубопрессовом агрегате, трубы из слитков — на агре-гате с пилигримовым станом.

Холоднодеформированные трубы получают в основном периоди-ческой прокаткой и волочением. Станы, осуществляющие эти спо-собы деформации, отличаются большим количеством типоразме-ров. Так, отечественной промышленностью изготовляются: станыХПТ (холодной прокатки труб) — от ХПТ-32 до ХПТ-450 (по мак-симальному диаметру прокатываемых труб); станы ХПТР с реду-цированием (обжатием) — от ХПТР 3-8 до ХПТР 60-120 (по ди-апазону диаметров прокатываемых труб); трубоволочильные ста-ны — линейные от 2 до 2 500 кН (по максимальному тяговому уси-лию), барабанные станы для бухтового волочения от 550 до 2 800 мм(по диаметру барабана D6ap, определяющего возможный максималь-ный диаметр dm3X протягиваемых труб: dm3X/D5ap = 1/30... 1/40).

Часть холоднодеформированных труб производится с приме-нением одной операции обработки давлением на стане ХПТ или

373

волочильном. Как правило, получение этих труб, особенно из кор-розионно-стойких сталей, тонкостенных и малых диаметров, свя-зано с многоцикличной обработкой давлением на станах ХПТ,ХПТР, оправочном и безоправочном волочильных станах в раз-личных сочетаниях, с промежуточными термическими и хими-ческими обработками.

Сварные трубы производятся с применением различных спосо-бов формовки трубной заготовки и сварки ее кромок. Выбор спо-собов зависит от размеров, материала и назначения труб. Водога-зопроводные трубы малых диаметров из низкоуглеродистых ста-лей проходят непрерывную валковую формовку в горячем состо-янии в первых клетях и печную сварку — в последующих клетяхнепрерывного формовочно-сварочного стана.

Формовка заготовок для электросварных труб производится вхолодном состоянии. Для труб малых и средних диаметров преоб-ладает формовка в непрерывных формовочных станах, большихдиаметров — в прессах, гибочных вальцах, спирально-формовоч-ных устройствах.

Для сварки труб в настоящее время наиболее распространенычетыре способа электросварки: высокочастотная; дуговая под слоемфлюса; сварка постоянным током методом сопротивления (этидва способа применяются для получения труб широкого диапазо-на размеров из низкоуглеродистых и легированных сталей, а так-же из ряда сплавов цветных металлов); газоэлектрическая сварка(аргонодуговая или плазменная) — для получения труб малого исреднего диаметров из высоколегированных сталей, а также спла-вов титана, никеля и других цветных металлов. В настоящее времяразвивается лазерная сварка труб из высоколегированных сталей,обеспечивающая повышенные по сравнению с газоэлектричес-кой скорости сварки.

Наряду с получением труб с помощью деформирования и свар-ки их производят методами центробежного и полунепрерывноголитья.

7.3.2. Производство бесшовных труб

Производство бесшовных труб осуществляют на прокатных иволочильных станах. Прокатные станы можно подразделить на тригруппы: прошивные, раскатные и отделочные.

Исходный материал для прокатки труб — круглые и граненыеслитки диаметром 250...600 мм, массой 0,6...3 т или катаные за-готовки. Из них на прошивных станах или на прошивных прессахполучают заготовки труб — трубные гильзы. Трубные заготовки из-готовляют также центробежным и непрерывным литьем и други-ми способами.

374

Качество заготовки определяет последующее качество бесшов-ных труб. В частности, при производстве труб из слитка вследствиенеоднородности его структуры качество бесшовных труб такженеодинаково. Трубы, прокатанные из головной части слитка, ча-сто имеют закаты, плену, нестабильный химический состав. Про-изводство труб из катаной заготовки всегда способствует улучше-нию свойств стали и предупреждает металлургические дефекты втрубах, улучшает качество их поверхности. Поэтому при заказетруб ответственного назначения в технических условиях на их по-ставку необходимо оговаривать тип заготовки, используемой дляпроизводства бесшовных труб.

Прошивной стан, или стан поперечно-винтовой прокатки, име-ет два косорасположенных рабочих валка 2 (см. рис. 3.8, в), враща-ющихся в одном направлении. Кроме рабочих валков стан имеетдва направляющих валка (на рисунке не показаны).

Рабочие валки прошивных станов обычно представляют собойсочетание двух усеченных конусов с промежуточным цилиндри-ческим участком. Угол наклона рабочих валков друг к другу со-ставляет 6... 12°.

Заготовка / поступает в прошивной стан под небольшим угломк каждому из рабочих валков. Некоторый наклон рабочих валковотносительно прошиваемой заготовки обеспечивает ей одновре-менное вращательное и поступательное движения.

При прокатке в центральной зоне слитка или заготовки обра-зуется разрыхленная полость, правильную форму которой прида-ет прошивень (дорн) 3, устанавливаемый на оправке между вал-ками на пути движения металла. Оправку вместе со стержнем ус-танавливают в специальном упоре. При движении вперед заготов-ка надвигается на оправку — прошивается, при этом происходитрасширение и выравнивание прошитого отверстия. Диаметр оп-равки должен соответствовать диаметру отверстия в гильзе.

После раскатки гильзы оправку извлекают из трубы. Прокаткаследующей трубы производится на новой оправке. Бывшую в ра-боте оправку смазывают и подготавливают для дальнейшего ис-пользования.

Заготовку перед прокаткой нагревают в методических печах,откуда ее выдают на рольганг. С рольганга заготовка поступает вприемный желоб, по которому с помощью толкателя она подает-ся в валки прошивного стана. При выходе из валков гильза нахо-дится на стержне и снимается со стороны его заднего конца послеоткрытия специального замка. При прокатке бесшовных труб про-шивку заготовки в гильзу осуществляют также на других типахстанов (с грибовидными и дисковыми валками).

Толстостенные гильзы, полученные на различных прошивныхстанах, прокатывают в тонкостенные трубы в горячем состояниина раскатных станах — пилигримовых, автоматических, непре-

375

рывных и трехвалковых. Тип стана определяет точность размерови качество труб.

Пилигримовый стан состоит из двухвалковой клети и подаю-щего механизма. Направление вращения валков в этом стане про-тивоположно движению заготовки. Металл обжимается в калибрепеременного сечения только за полуоборот валков. В следующийполуоборот заготовка проходит между валками без обжатия.

Схема прокатки на пилигримовом стане показана на рис. 7.1.В поступающую с прошивного стана толстостенную гильзу 2

пропускают оправку 3 подающего механизма, причем длина оп-равки больше длины гильзы. Гильза вместе с оправкой медленноперемещается подающим механизмом к валкам. Как только ме-талл достигнет валков, зев калибра / захватывает часть гильзы(рис. 7.1, а) и обжимает ее своей рабочей частью (рис. 7.1, б). Вовремя прокатки валки стремятся протолкнуть гильзу с оправкойназад, однако этому препятствует подающий механизм. Более того,сам механизм с малой скоростью непрерывно движется вперед.Конец оправки связан с поршнем пневматического цилиндра.После полуоборота валков гильза выходит из рабочей части ка-либра и становится свободной, образуя холостой калибр (рис.7.1, в). В течение следующего полуоборота приведенный в движе-ние поршень быстро толкает вперед оправку с гильзой, которыепри этом движении поворачиваются относительно своей продоль-ной оси на 90°; затем валки захватывают новую часть гильзы. По-дающий механизм в течение одного оборота валков перемещаетсявперед на расстояние 8... 25 мм. Процесс продолжается до тех пор,пока не будет прокатана вся гильза. По окончании прокатки валкиразводят и подающий механизм обратным ходом вытягивает оп-равку из трубы. Освобожденная труба отводится задним рольган-гом к горячей пиле, где отрезают так называемую пильгерную го-ловку.

376- '

Внутренний диаметр раскатанной трубы практически равендиаметру оправки, а ее наружный диаметр — диаметру калибра.На периодических станах можно получать трубы с наименьшимнаружным диаметром (45 мм).

Для получения труб меньших размеров трубы с периодическо-го стана передают на редукционный или волочильный стан.

Автоматические раскатные станы являются наиболее распрос-траненными для прокатки бесшовных труб и входят в состав про-катных агрегатов.

В зависимости от сортамента труб прокатные агрегаты с авто-матическим станом подразделяют на три типа: малые, средние ибольшие соответственно для труб диаметром до 150; 250; 630 мм.

Автоматический стан состоит из двухвалковой клети (дуо) свалками диаметром до 1 000 мм и специальных роликов обратнойподачи. Валки стана имеют ряд круглых калибров различных диа-метров. В калибр вставляют оправку, удерживаемую на месте стерж-нем, неподвижно укрепленным в упорной станине. При прокаткена автоматическом стане происходит уменьшение диаметра и тол-щины стенки трубы, определяемой просветом между калибром иоправкой. Обычно прокатка проходит в два-три пропуска с пово-ротом трубы после каждого пропуска на 90°.

Схема прокатки на автоматическом стане показана на рис. 7.2.В процессе прокатки (рис. 7.2, а) труба, пройдя через оправку / ивалки 2 стана, оказывается на стержне с задней стороны стана.Обратная подача трубы на переднюю сторону стана (рис. 7.2, б)осуществляется парой роликов 3: нижний ролик поднимается иприжимается к трубе, которая силой трения стягивается со стерж-ня и передается на переднюю сторону стана. Верхний рабочийвалок стана в это время поднимается, чтобы пропустить трубу.После передачи трубы на переднюю сторону стана валок вновь

опускается в рабочее положение. Подъем рабочего валка и сбли-жение роликов обратной подачи полностью автоматизированы.

Технологический процесс на агрегатах с автоматическим ста-ном протекает в такой последовательности. Круглые заготовкипоштучно загружают в кольцевую печь. Нагретые до 1 180... 1 240 °С(в зависимости от марки стали) заготовки по транспортномурольгангу поступают к прошивному стану, имеющему боковуювыдачу гильз. После прошивки заготовки полученная гильза понаклонной решетке перекатывается к автоматическому стану, гдев ней за два прохода доводят толщину стенки до требуемой вели-чины.

После прокатки на автоматическом стане труба получается слег-ка овальной, разностенной и с недостаточно гладкой поверхнос-тью. Для придания ей круглой формы, уменьшения разностенно-сти, полировки наружной и внутренней поверхностей трубу порольгангам подают к обкатным станам, а затем, для полученияокончательных размеров, — в калибровочный или редукционныйстан и далее на отделку (правку, разрезку на мерные длины, иногдатермическую обработку и др.).

Калибровочные станы устанавливают за обкатными, они пред-назначены для устранения овальности и получения труб заданно-го диаметра. Калибровочные станы могут иметь от одной до две-надцати клетей. В каждой клети устанавливают одну пару валков,располагаемых горизонтально, вертикально или наклонно. Наи-более широко применяют многоклетевые калибровочные станы,в которых оси каждой пары валков наклонены к горизонту подуглом 45° и по отношению к соседней паре валков под углом 90°.Валки этих станов вращаются от общего для всех клетей двигателяили могут иметь индивидуальный привод.

В многоклетевых калибровочных станах одновременно с калиб-ровкой осуществляется правка труб, в результате отпадает необ-ходимость в станах для горячей правки труб.

Редукционные станы являются непрерывными станами для го-рячей прокатки труб без оправки и предназначены для уменьше-ния их диаметра. По количеству валков, образующих калибр в каж-дой клети, различают двух-, трех- и четырехвалковые редукцион-ные станы. Валки в клетях расположены поочередно горизонталь-но, вертикально и под углом 45°. Конструкция двухвалковых ре-дукционных станов аналогична конструкции калибровочных мно-гоклетевых станов. Различие заключается лишь в размерах и коли-честве клетей (в редукционных станах их бывает по 24 и более).

Окончательная обработка бесшовных тонкостенных стальныхтруб заключается в холодной прокатке, холодном волочении илисочетании этих способов.

Обычно холодной прокаткой и холодным волочением получа-ют стальные трубы диаметром 0,2...450 мм и толщиной стенки

378

0,03... 35 мм. Вследствие особых условий холодного волочения трубкоэффициент вытяжки ц за один проход не превышает 1,8.

Холодную прокатку тонкостенных труб осуществляют на станахпериодического действия холодной прокатки труб, сокращенноназываемых станами ХПТ. Процесс холодной прокатки аналоги-чен процессу горячей пилигримовой прокатки.

Схема холодной прокатки трубы на стане ХПТ показана нарис. 7.3.

В стане в валках закреплены сменные калибры, имеющие ру-чей переменного сечения. Очаг деформации приближенно можнопредставить как усеченный конус, диаметры оснований которогоравны диаметрам заготовки и готовой трубы, а высота (длина)конуса — ходу валков.

Прокатка трубы 7 из заготовки 5 осуществляется на конуснойоправке 6 калибрами / верхнего 2 и нижнего 3 валков; оправказакреплена на стержне 4. Ручей калибров выполнен с переменнымрадиусом, начальный размер которого равен радиусу трубной за-готовки, а конечный — радиусу готовой трубы.

В исходном положении I трубная заготовка при помощи спе-циального кулачкового механизма перемещается на величину по-дачи 3... 25 мм (в зависимости от сортамента и режимов деформа-ции) из крайнего левого положения (заднее положение) в на-правлении прокатки (слева-направо), а оправка при этом остает-ся неподвижной. Затем рабочая клеть с валками передвигаетсявперед (прямой ход клети) во второе — переднее положение II.В процессе этого движения валки поворачиваются, радиус щели

между ними постепенно уменьшается, в результате чего происхо-дит обжатие (редуцирование) заготовки по диаметру. При этомстенка и диаметр трубы уменьшаются, а длина увеличивается.

Когда рабочая клеть с валками находится в переднем положе-нии, происходит поворот на 60...90° прокатываемой заготовкивместе с оправкой б и стержнем 4. После поворота заготовки клетьвозвращается в исходное положение (обратный ход) и цикл по-вторяется до тех пор, пока вся заготовка не будет прокатана втрубу меньшего диаметра.

Для процесса холодной прокатки труб характерна высокая пла-стичность металла. Это позволяет деформировать металл с 80... 90%-ной степенью деформации ( < 10) без промежуточной термичес-кой обработки и тем самым сократить цикличность при произ-водстве холоднодеформированных труб.

Холодной прокатке подвергают главным образом трубы из не-ржавеющих и высоколегированных сталей, в том числе из мало-пластичных металлов и сплавов, а также трубы ответственногоназначения. Холодной прокаткой получают трубы точных геомет-рических размеров с внутренней и наружной поверхностями вы-сокого качества.

Хотя способ холодной прокатки труб более эффективен по срав-нению с холодным волочением, однако при холодной прокаткенеобходимо часто осуществлять перевалку валков, занимающую3...4 ч, в то же время при холодном волочении смена инструмен-та занимает всего несколько минут. Поэтому в современных цехахдля производства тонкостенных труб применяют оба процесса.

Процесс волочения труб получил широкое распространениеблагодаря высокой производительности, большой точности и хо-рошему качеству получаемых труб, применению недорогого ипростого по форме инструмента. К недостаткам волочения трубследует отнести его многоцикличность, большое число вспомога-тельных операций (забивка концов, промежуточная термическаяобработка, правка, травление) и малый выход годного металлапо сравнению с холодной прокаткой.

Существуют различные способы волочения труб: без оправки,на неподвижной (короткой) оправке, на подвижной (длиннойоправке), на плавающей (самоустанавливающейся оправке). Не-которые из них показаны на рис. 7.4.

Волочение без оправки (рис. 7.4, а) применяют в том случае,когда необходимо уменьшить только диаметр трубы. При этомкоэффициент вытяжки ц за один проход (переход) составляет1,1... 1,5 (его величина определяется в основном либо устойчиво-стью профиля, либо прочностью выходящей трубы).

Волочением на неподвижной (короткой) оправке (рис. 7.4, б)одновременно уменьшают диаметр и толщину стенки трубы. Оп-равка имеет цилиндрическую форму, и ее удерживают в опреде-

380

ленном положении с помощью стержня 5, второй конец которо-го при волочении закрепляют на станине. Между оправкой и во-локой образуется кольцевая щель. Диаметр этой щели меньше на-ружного диаметра трубы, подвергаемой волочению. В то же времязазор между оправкой и волокой несколько меньше толщины стен-ки трубы. Благодаря этому труба при прохождении через кольце-вую щель обжимается по диаметру и толщине стенки. Волочениена короткой оправке ведут с вытяжкой за проход ц = 1,2... 1,7(меньшее значение вытяжки для трубы с более толстой стенкой).Деформация ограничена прочностью выходящей трубы.

Волочением на подвижной (длинной) оправке (рис. 7.4, в) такжеуменьшают диаметр и толщину стенки трубы. Длинная оправка,находящаяся внутри трубы, не закреплена в станине и перемеща-ется вместе с трубой в процессе волочения. Для ее извлеченияпосле окончания волочения применяют специальное оборудова-ние. По сравнению с волочением на короткой оправке напряже-ние в выходящей трубе в этом случае меньше, так как силы тре-ния между трубой и оправкой сонаправлены с движением трубыи благодаря этому возможны большие деформации за проход ( == 1,4...2,1 и выше). Такой способ волочения используют для уто-нения стенки трубы.

Волочением на плавающей (самоустанавливающейся) оправке так-же одновременно уменьшают диаметр и толщину стенки трубы.Короткая оправка удерживается в очаге деформации силами, дей-ствующими на нее. Этот способ волочения применяют для изго-товления труб большой длины, более 100 м. Вытяжка за проходсоставляет 1,2... 1,8.

Трубы подвергают волочению на волочильных станах различ-ного типа, из которых наиболее распространены цепные. Основ-ным классификационным признаком для типоразмера цепныхстанов является тяговое усилие. В настоящее время применяютцепные волочильные станы с тяговым усилием от 2 до 1 500 кН.Общий вид цепного волочильного стана показан на рис. 3.15, а.

381

На современных цепных волочильных станах можно протягиватьтрубы длиной 14...50 м со скоростью волочения 45... 120 м/мин

Кроме увеличения скорости волочения, главное направлениев совершенствовании цепных волочильных станов состоит в ростечисла одновременно протягиваемых на них труб (числа ниток)механизации и автоматизации всех основных и вспомогательныхопераций.

В последнее время широко применяется волочение в бунтах(мотках), надетых на барабаны (см. рис. 3.15, б). Трубы (в основномиз цветных металлов) в бунтах изготовляют со стенкой толщиной0,5... 1 мм из заготовки, имеющей стенку толщиной 2,5...3,5 мм.Волочение на барабанах производят только на плавающих оправ-ках или без оправок.

Для захвата трубы при волочении ее передний конец делаютконическим (захватка). Перед волочением трубы ее внутреннююи наружную поверхности обильно смазывают. Для этого использу-ют различные масла и эмульсии.

В процессе холодного волочения металл упрочняется. Для эф-фективного продолжения волочения наклепанные трубы после 2 —4 проходов подвергают термической обработке. Затем их травятдля удаления окалины, промывают, обрезают, изготовляют но-вые захватки и подают на последующее волочение.

7.3.3. Производство сварных труб

Процесс производства сварных труб состоит в получении заго-товки в виде свернутой полосы и сварки ее в трубу.

Сварные трубы изготовляют на трубосварочных агрегатах раз-личными способами, наиболее распространенными из которыхявляются непрерывная печная сварка, контактная электросваркаметодом сопротивления, электросварка с индукционным нагре-вом, дуговая электросварка под слоем флюса или в среде защит-ных газов и т.д.

Трубосварочный агрегат — комплекс машин и механизмов, пред-назначенных для изготовления труб, их транспортировки, различ-ных видов обработки труб, нанесения на них покрытий, складиро-вания и упаковки. В такой агрегат обычно входит несколько много-клетевых станов: формовочный, редукционный, калибровочный.

На рис. 7.5 представлена схема процесса печной сварки труб,который заключается в следующем. Горячекатаный лист (штрипс)5 непрерывно продвигается через печь, где при помощи газовыхгорелок его кромки нагреваются до 1 450 °С — температуры свар-ки, а середина штрипса — до 1 350 °С. При выходе из печи кромкиштрипса обдувают струей воздуха из сопел 4, чем обеспечиваетсяудаление окалины с кромок штрипса и повышение температурыих нагрева на 50...80"С. Первая (вертикальная) приводная пара

'382

валков 3 сворачивает (формует) штрипс в трубную заготовку безсоединения кромок. Перед второй (горизонтальной) парой вал-ков производится вторичная обдувка воздухом кромок из сопла 6.Во второй паре валков (сварочных) 2 продолжается сворачиваниештрипса до соприкосновения его кромок, уменьшение диаметратрубы (редуцирование) для создания необходимого давления накромках и происходит сварка трубы /.

Сварка кромок сформованной трубной заготовки представляетпроцесс кузнечной сварки, заключающийся в использовании спо-собности к молекулярному сцеплению сдавливаемых поверхнос-тей металлов, нагретых до высокой температуры.

Печной сваркой изготовляют водогазопроводные трубы диа-метром 10,5... 14 мм со стенкой толщиной 1,8...5,5 мм из низко-углеродистых сталей.

В последние годы был усовершенствован и получил широкоераспространение способ производства труб контактной электро-сваркой.

Основные технологические операции при производстве трубконтактной электросваркой — формовка трубной заготовки, сваркаи редуцирование (калибровка) сваренной трубы. Эти технологи-ческие операции объединены в один цикл и проводятся непре-рывно.

Исходным материалом служит холоднокатаная лента в руло-нах, а для труб больших диаметров — листовая заготовка. Получе-ние трубы из полосы-заготовки осуществляется на непрерывномформовочном стане в шести парах валков. У этого стана четвертаяпара валков расположена вертикально. Сформованная в холодномсостоянии заготовка после выхода из последней клети сваривает-ся встык в специальных электросварочных машинах.

Станы контактной электросварки труб различают по способунагрева кромок. На этих станах осуществляют сварку: радиочас-

383

тотную (ток радиотехнической частоты 450...500 кГц подводитсяконтактным или индуктивным способом); сопротивлением пере-менным током (контактный подвод тока частотой 150...450 Гц);индукционную (токами высокой частоты); сопротивлением по-стоянным током и дуговым нагревом кромок неплавящимся элек-тродом.

Преимущества радиочастотной сварки — расширение диапазо-на свариваемых металлов и сплавов, значительное увеличениескорости сварки (до 120 м/мин), уменьшение грата (наплыва свар-ного шва), возможность сварки труб из горячекатаной полосы.Сварка труб токами радиотехнической частоты характеризуетсявысокой степенью концентрации энергии при нагреве металла,который происходит за десятые или даже сотые доли секунды.Это сделало целесообразным перевод большого числа действую-щих трубоэлектросварочных станов на сварку токами высокой ча-стоты.

Способы подвода тока высокой частоты к кромкам трубнойзаготовки показаны на рис. 7.6.

Ток подводится двумя способами: контактным (рис. 7.6, а) ииндукционным (рис. 7.6, б). Для увеличения индуктивности в цепипериметра заготовки и концентрации тока в ее кромках внутрьзаготовки (трубы) вводят ферромагнитный (ферритовый) сердеч-ник.

Контактной электросваркой с нагревом кромок сваривают тру-бы диаметром 6...630 мм со стенкой толщиной 0,2... 12 мм, ис-пользуемые главным образом в качестве конструкционных (d == 168...2 19 мм) и нефтегазопроводных (d > 114 мм).

Индукционную сварку труб осуществляют при производстве во-догазопроводных и конструкционных труб диаметром 21,5... 219 мм.

В производстве труб большого диаметра применяется дуговаясварка. При помощи сварки под слоем флюса производят трубы спрямым швом диаметром 426... 1220 мм, со стенкой толщиной3... 13 мм и длиной 6... 12 м, а со спиральным швом — диаметром426...2 520 мм, со стенкой толщиной 3... 15 мм и длиной 12... 18 м.При изготовлении труб с прямым швом в качестве исходной заго-товки используют горячекатаную листовую сталь мерной длины(6... 12,5 м), а со спиральным швом — горячекатаную листовуюсталь в рулонах.

Технологический процесс производства прямошовных труббольшого диаметра состоит из трех стадий: подготовки и формов-ки листа, сварки труб и их отделки. Перед сваркой лист правят,обрезают кромки и зачищают. Далее на кромкогибочном стане листподгибают по радиусу, близкому к радиусу готовой трубы и пере-дают на стан непрерывной сварки труб.

Прямошовные трубы большого диаметра наиболее часто произ-водят сваркой под слоем флюса, схема которой показана на рис. 7.7.

Внутри свариваемой трубы 6 помещена оправка с установлен-ным на ней медным башмаком 7. Подача флюса в зону сваркиосуществляется из специальной головки 5. Медные пластины баш-мака образуют гусеницу, которая поджимает в процессе сваркижидкую ванну с внутренней стороны и препятствует протеканиюметалла. Сварка ведется двумя дугами от сварочных установок 4 сголовками, создающими одну сварочную ванну. Электроды уста-новлены под углом 60° к образующей трубы.

Наружную сварку ведут со скоростью 160 м/ч под слоем флюсамарки АН-60 (49 % марганцевой руды, 38 % кварцевого песка,13% плавикового шпата). Отсос избыточного флюса производятспециальным патрубком 3.

После окончания наружной сварки труба поступает на стандля нанесения внутреннего шва, далее на обрезку концов трубы изачистку сварных швов.

Рассмотренную технологию применяют и для производствапрямошовных труб из двух листов путем формовки их на прессахс последующей сваркой.

Спиральная сварка позволяет использовать лист одной шириныдля производства труб различного диаметра, так как диаметр тру-бы определяется не только шириной полосы, но и углом подъемаспирали. Для перевода стана спиральной сварки на изготовлениетруб другого диаметра требуется минимальное количество време-ни. Длина получаемых труб практически не ограничена. Трубы об-ладают высокой конструктивной прочностью — на 20...40 % вышепрямошовных. Спирально-шовные трубы имеют более точные раз-меры и после сварки не требуют калибровки концов. Непрерыв-ность процесса, минимальные производственные площади, не-большое количество обслуживающего персонала и высокая про-изводительность труда сделали этот способ сварки наиболее про-грессивным для получения труб большого диаметра.

Станы спиральной сварки труб высокомобильны и могут бытьустановлены непосредственно на строительной площадке. Спи-ральной сваркой могут быть изготовлены трубы с соотношениемd/s > 100. К недостаткам спиральной сварки следует отнести боль-шую протяженность сварного шва и меньшую скорость сварки.

На станы спиральной сварки труб (рис. 7.8) лист поступает врулонах / массой 8... 15 т. После разматывания из рулона и правкилист подвергается поперечной резке на ножницах гильотинноготипа. Стыковка и сварка концов двух полос совершается на сты-ковочной машине 2. Полоса вытягивается, протягивается через

непрерывные дисковые ножницы Здля обрезки кромок под свар-ку и по роликам 4 подается в формующее устройство 6.

Для сварки применяют три сварочные головки, ту же схемудуговой сварки под слоем флюса и того же состава, что и присварке труб с прямым швом. Кромки полосы при их сближении впроцессе формовки сваривают вначале внутренней сварочной го-ловкой, подаваемой штангой 5. Наружную сварку выполняют че-рез полвитка спирали в верхней точке трубы сварочным автома-том 7. Еще через полвитка в нижней точке трубы осуществляютвторую внутреннюю сварку. Наружная сварка осуществляется дву-мя электродами, один из которых питается постоянным током, адругой — переменным. Сваренную трубу 9 `режут по 8... 14 м лету-чим отрезным станком 8, оборудованным двумя механизирован-ными кислородными резаками.

Спиральные трубы подвергаются термическому упрочнению.Важным преимуществом термического упрочнения готовых трубпо сравнению с процессом их изготовления из термоупрочненнойстали является то, что упрочнение готовых труб позволяет выров-нять свойства основного металла и сварного соединения, снять ос-таточные сварочные напряжения и улучшить геометрию спираль-ного сварного соединения. Термоупрочнение труб позволяет при-менять для их изготовления низколегированную сталь типа 171 ГС.

Технология термоупрочнения состоит в нагреве труб под за-калку в проходных камерных печах, закалке труб в спреерном уст-ройстве с орошением водой внутренней и наружной поверхнос-тей, повторном нагреве труб во второй проходной газовой печидо температуры высокого отпуска, охлаждении на воздухе и принеобходимости — калибровке концов труб.

Готовые трубы проходят испытание на гидравлических прессахс манжетным уплотнением без осевого сжатия.

Многослойные трубы в отличие от спиралешовных имеют болеесложную конструкцию. Их собирают из обечаек, изготовленныхпо принципу спирали Архимеда, и сваривают между собойдвухсторонними многослойными швами. Товарная труба имеетдлину 11... 11,6 м, состоит из пяти многослойных обечаек и двухконцевых обечаек с монолитной стенкой. Равнопрочность про-дольных швов многослойных обечаек обеспечивается проваром двухслоев, не считая продольных швов внахлест на наружной и внут-ренней поверхностях трубы.

Сборка труб из двух видов обечаек заметно усложняет техноло-гию изготовления и повышает их стоимость. В то же время уста-новка по концам труб монолитных обечаек необходима для обес-печения герметичности торцов труб, повышения их поперечнойжесткости и упрощения процесса прокладки трубопроводов, атакже повышения ремонтоспособности труб при эксплуатациигазопроводов.

387

В многослойных конструкциях труб особо жесткие требованияпредъявляются к герметичности внутреннего слоя, так как незна-чительная негерметичность, например из-за наличия пор, приво-дит к накоплению сжатого газа в межслойном зазоре.

При остановке газопровода (сбросе давления) происходит вы-пучивание внутреннего слоя, что препятствует пропуску очисти-тельных поршней по газопроводу. Поэтому многослойные трубыдолжны иметь дренажные отверстия, проходящие от наружногодо внутреннего слоя трубы. Эти отверстия (d = 10... 14 мм) пред-назначены для сброса давления из межслойного зазора в случаеразгерметизации внутреннего слоя. Дренажные отверстия должныбыть законсервированы для предотвращения появления коррозиив межслойных зазорах труб из-за попадания в них влаги. В много-слойных трубах закрытие дренажных отверстий осуществляется спомощью клапанов, конструкция которых обеспечивает выход газаиз межслойного зазора, но препятствует проникновению в неговлаги.

Технология изготовления многослойных обечаек должна обес-печивать плотную намотку с межслойным зазором не более 0,1 мм.Все сварные соединения и сплошность внутреннего слоя труб дол-жны быть проконтролированы физическими неразрушающимиметодами.

7.3.4. Производство труб центробежным литьем

Для изготовления труб центробежным литьем, например изсерых чугунов, применяют интенсивно охлаждаемые металличе-ские формы (изложницы), входящие в состав труболитейных ма-шин, схемы работы которых показаны на рис. 7.9.

По сравнению труболитейных машин с неподвижной излож-ницей (рис. 7.9, б) наибольшее распространение получили ма-шины с подвижной изложницей (рис. 7.9, а). Такие машины име-ют меньшие размеры, у них отсутствует вибрация длинного зали-вочного желоба и исключается касание желобом вращающейсяформы. Уклон машины 3...50 в сторону раструбной части формыулучшает стекание расплава с желоба в изложницу.

Перед работой изложницу подогревают до температуры 200 "С.На ее рабочую поверхность наносят теплозащитные покрытия снизкой теплопроводностью (для увеличения срока службы и пред-отвращения образования отбела на наружной поверхности отлив-ки). Толщина изложницы обычно в 1,5 — 2 раза больше толщиныотливки.

При изготовлении чугунных водопроводных труб на машинах сгоризонтальной осью вращения изложницу / (см. рис. 7.9, а) уста-навливают на опорные ролики 4, закрывают кожухом 3 и прида-ют вращательное движение электродвигателем 8. Перед заливкой

388

формы для образования раструба трубы в нее устанавливают пес- •чаный стержень 7. Расплав из заливочно-дозирующего устройства6 по желобу 2 поступает во вращающуюся изложницу. При залив-ке машина перемещается по рельсовому пути 5 с равномернойскоростью, обеспечивая получение равностенной отливки. Послезатвердевания залитого чугуна трубу извлекают из изложницы.

Частота вращения изложницы в зависимости от модели трубо-литейной машины составляет 280... 1000 мин- 1. Производитель-ность центробежных труболитейных машин 40 — 50 труб в час привнутреннем диаметре 200...300 мм и длине до 6 м.

Чугунные трубы, изготовляемые в металлических формах, ча-сто имеют отбеленный слой глубиной до 3 мм и большие внут-ренние напряжения, поэтому полученные трубы отжигают.

7.3.5. Полунепрерывное литье труб из чугуна

Чугунные трубы получают также на установках полунепрерыв-ного литья (рис. 7.10).

Полунепрерывное литье труб заключается в следующем: чугунзаливают через литниковую чашу 2 в пустотелый охлаждаемыйводой кристаллизатор 3, выполняющий функции литейной фор-мы, внутрь которого вставлен пустотелый водоохлаждаемый стер-жень 1. Между внутренней стенкой формы-кристаллизатора и стерж-нем образуется зазор, в который заливается расплав из ковша 4.

389

При заливке в зазор между формой и стержнем вводят дно-за-травку 5. Затравка соединяется с расплавленным металлом и псмере кристаллизации сплава постепенно извлекается вместе с от-ливкой из кристаллизатора.

Вытягивание затравки с полученной отливкой-трубой осуще-ствляется приводными роликами или столом 6, на котором за-креплена затравка. Стол перемещается по направляющим колон-нам 7 и приводится в движение с помощью цепного привода 8.Скорость извлечения трубы из кристаллизатора должна быть та-кой, чтобы время пребывания в нем металла было достаточнымдля его затвердевания. Практически для труб с толщиной стенки10... 12 мм скорость извлечения трубы составляет 0,75... 1 м/мин.

Диаметр получаемых труб достигает 1 000 мм, длина — Ю м .Длина труб ограничивается их высотой до заливочной площадки.

Установка позволяет получать трубы без значительных откло-нений по толщине стенки и внутреннему диаметру, с примерноодинаковой прочностью и твердостью как внутренних, так и на-ружных поверхностей, с повышенной гидроплотностью и без от-бела. Качество труб (шероховатость поверхности, механическиесвойства) соответствует качеству отливок, получаемых в метал-лических формах. Недостаток труб — толщина стенки труб огра-ничена и составляет 7...30 мм.

Рекомендуемая температура заливаемого серого чугуна: для трубмалого диаметра с толщиной стенки 8... 10 мм — 1 280... 1 300"С;с толщиной стенки 12... 15 мм — 1 250... 1 280"С; для труб боль-шого диаметра с толщиной стенки более 16 мм — 1 240... 1 270 "С.

При подготовке чугуна к заливке производят его модифициро-вание с целью предупреждения поверхностного отбела. Основныемодификаторы: ферросилиций, силикокальций, силикоалюминий;чаще применяют силикокальций (30 % Са, 60 % Si и 2 % А1).

7.4. Защита труб от коррозии

7.4.1. Способы защиты труб

Объекты нефтегазовой промышленности эксплуатируются втечение продолжительного периода времени. Например, магист-ральные трубопроводы рассчитаны на несколько десятков лет эк-сплуатации. Срок эксплуатации трубопроводов во многом опреде-ляется их коррозионной стойкостью.

Коррозия металлов наносит большой ущерб всем отраслямпромышленности, в том числе связанным с нефтегазовым комп-лексом. Этот ущерб связан:

• со стоимостью изготовления металлических конструкций, при-шедших в негодность вследствие коррозионного разрушения;

391

• с безвозвратной потерей металла в виде продуктов коррозии-• с косвенными убытками (остановкой предприятий из-за не-

поставки газа, потерей перекачиваемого газа, загрязнением окру-жающей среды и т.д.).

Продлить срок эксплуатации трубопроводов можно исполь-зуя способы их защиты, которые широко применяются на прак-тике:

• изоляция поверхности газонефтепроводов от контакта с внеш-ней агрессивной средой с целью сведения к минимуму коррозииметалла;

• применение электрозащиты подземных металлических соору-жений;

• использование коррозионно-стойких материалов;• воздействие на окружающую среду с целью снижения ее аг-

рессивности.Изоляция поверхности. Основное условие борьбы с грунтовой

коррозией подземных трубопроводов и воздушной коррозией над-земных трубопродовов — предотвращение непосредственного кон-такта металла труб с агрессивной средой (первый способ защи-ты), что достигается созданием на поверхности трубопровода спе-циальной оболочки — изоляционного покрытия.

Изоляционные материалы для защиты газонефтепроводов мож-но разделить на следующие группы: полимерные, битумные, ла-кокрасочные, стеклоэмалевые, цинковые, алюминиевые и др.Покрытия на основе этих материалов называются соответственнополимерными, битумными и т.д.

Изоляционное покрытие, как правило, многослойное и можетсостоять из слоев различных материалов (например, битумно-ре-зиновые) или слоев одного материала (например, покрытие изполимерных лент, порошков или стеклоэмали, не считая грун-товки).

Тип и общая толщина изоляционного покрытия зависят откоррозионной активности грунта, характеризующегося опреде-ленным значением его электросопротивления, назначения тру-бопровода, наличия блуждающих токов и других местных усло-вий.

Для защиты труб применяют нормальный и усиленный типыизоляционных покрытий. Последний используют всегда при про-кладке трубопроводов диаметром 1 020 мм и более в солончако-вых и поливных почвах, на подводных переходах и поймах рек, напереходах через железные и автомобильные дороги и в других ус-ложненных условиях прокладки.

Выбор материала для изоляционного покрытия определяетсякомплексом предъявляемых к нему требований. Изоляционноепокрытие не должно разрушаться в процессе укладки и засыпкитрубопровода и должно надежно защищать его от коррозии в про-

392

цессе эксплуатации. Поэтому покрытие должно быть плотным,прочным, обладать хорошей сцепляемостью {адгезией) с матери-алом трубопровода, высокой теплоустойчивостью и морозостой-костью, химической стойкостью, высоким электросопротивлени-ем, не содержать водорастворимых примесей, быть стойким про-тив насыщения влагой (набухания) и т.д.

Всем этим требованиям не отвечает ни один естественный илиискусственный материал, поэтому для изоляции подбирают ма-териалы, отвечающие ряду требований, наиболее характерных длярассматриваемых условий сооружения и эксплуатации объекта. Дляизоляции металлических сооружений широко применяют битум-ные мастики, полимерные и оберточные материалы, лаки, крас-ки, эмали и т.д.

Второй способ — применение электрозащиты осуществляется вподземных металлических сооружениях, эксплуатирующихся всреде с достаточно большой электропроводностью (катодная за-щита) и при непосредственном контакте с металлом, обладаю-щим более отрицательным электродным потенциалом (протек-торная защита).

В основу протекторной защиты положен принцип работы галь-ванического элемента. Анодный процесс сопровождается перехо-дом ионов металла в электролит — грунт (разрушение протекто-ра), в то время как на катоде (трубе) происходит разряд этихионов и коррозионного разрушения трубопровода в грунте непроисходит.

Применение электрозащиты почти полностью устраняет кор-розионное разрушение труб и элементов конструкций объектов.Эффективность самой электрозащиты и ее стоимость во многомзависят от правильности выбора типа изоляционного покрытия икачества его нанесения.

Третий способ защиты предусматривает использование корро-зионно-стойких материалов путем введения в металл при его плавкекомпонентов, повышающих его коррозионную стойкость, лока-лизацию или удаление из металла вредных примесей, ускоряю-щих коррозию.

Последний способ — воздействие на окружающую среду пред-усматривает дезактивационную обработку агрессивной среды вве-дением ингибиторов (замедлителей) коррозии. Действие ингиби-торов сводится в основном к адсорбции на поверхности металламолекул или ионов ингибитора, тормозящих коррозию. К этомуспособу можно отнести удаление агрессивных компонентов изсостава коррозионной среды: деаэрация водных растворов, очис-тка воздуха от примесей и его осушка и т.д.

Далее кратко будут рассмотрены изоляционные материалы ипокрытия из них, используемые для защиты труб и металличес-ких конструкций в нефтегазовой промышленности.

393

7.4.2. Полимерные материалы

Полимерные материалы относятся к классу высокомолекуляр-ных органических соединений. По сравнению с другими материа-лами они обладают рядом преимуществ: высокими электроизоля-ционными, антикоррозионными и механическими свойствами всочетании с пластичностью, водостойкостью, легкостью механи-ческой обработки, удобством и экономичностью использования.Они применяются в виде полимерных лент или полимерных ком-позиций, наносимых на поверхность труб в порошкообразном илижидком виде в заводских или трассовых условиях. Наиболее перс-пективны заводские покрытия, обеспечивающие наиболее высо-кие эксплуатационные свойства.

Полимерные ленты предназначены для изоляции наземных иподземных трубопроводов диаметром не более 1 420 мм. Изоляци-онными свойствами в зависимости от исполнения обладают какпленка, так и клей. Использование полимерных лент упрощаеттехнологию изоляционных работ на базе и трассе, повышает про-изводительность труда по сравнению с использованием битумныхпокрытий. Поверх полимерных лент применяют материалы для ихзащиты от механических повреждений — обертки.

Грунтовки. Отечественные полимерные ленты применяют сбитумно-полимерными, полимерными и битумными грунтовка-ми ГТ-752, ГТП-820, ГТ-754-ИН и другими, которые состоят изсинтетического каучука, нефтяного битума марки БНИ-IV, тер-мореактивной фенолформальдегидной смолы и растворителя. Грун-товки используют при температуре не ниже -60 °С и не выше +80 °С.Грунтовку наносят на поверхность труб распылением или в ком-бинации с работой специальных самоходных изоляционных ма-шин, ее расход около 0,1 кг/м2. При температуре ниже +3°С по-верхность трубопровода разофевают до температуры не менее 15 °С.

Импортные полимерные ленты применяют только с импорт-ной полимерной грунтовкой.

Теплостойкие ленты. Для изоляции горячих участков трубопро-водов, например на компрессорных станциях, применяют поли-мерные ленты ЛЭТСАР-ЛПТ с защитным клеевым слоем из си-локсановой резины на основе кремнийорганических каучуков. Ихнаносят на трубопровод по специальной двухкомпонентной грун-товке ВИКСИНТ-У-4-21. Температура воздуха в месте нанесениялент должна находиться в интервале 40...60 "С.

Поливинилхлоридные ленты. Для изоляции трубопроводов изго-товляют липкие ленты из поливинилхлорида, пластифицирован-ного специальными добавками, придающими ему необходимуюэластичность и пластичность. К поливинилхлориду добавляют ста-билизаторы, повышающие стабильность его свойств в атмосфер-ных-условиях, и пигменты для его окраски в коричневый или

голубой цвет. Такие ленты толщиной 0,4 мм изготовляют различ-ных типов: ПИЛ, ПВХ-БК, ПВХ-Л.

Ленты ПВХ-БК производят с клеевым слоем из бутилкаучуко-вой композиции и наносят на трубопровод при температуре воз-духа от -35 до +50 °С. Ленты ПВХ-Л и ПИЛ выпускают с клеевымслоем на основе перхлорвиниловой смолы. Их наносят на трубо-провод при температуре воздуха +5...50°С, а с подогревом — до-35 °С. Ленты влагоустойчивы, обладают высокими диэлектриче-скими и защитными свойствами, хорошо противостоят различ-ным растворителям.

Полиэтиленовые ленты. Для получения изоляционных липкихлент применяют два вида полиэтилена: высокой (ПЭВП) и низ-кой плотности (ПЭНП). Широко известна лента ПЭЛ из поли-этилена низкой плотности толщиной 0,4 мм. Эта лента обладаетвысоким электрическим сопротивлением, лучшей прилипаемо-стью, меньшим водопоглощением, высокой химической стойко-стью и сохраняет механическую прочность в более широком ин-тервале температур, чем поливинилхлоридные ленты ПИЛ и др.Полиэтиленовую ленту можно наносить на трубопроводы при от-рицательных температурах до -40 °С.

Значительно более высокой прочностью и морозостойкостью(до -60 °С) обладают ленты полиэтиленовые дублированные (ЛДП).Их изготовляют валково-каландровым способом. Они имеют тол-щину 0,6 мм и отличаются стабильностью характеристик в интер-вале температур от -60 до +50 °С.

При изоляции стыков полимерными лентами на сварной шовдля его дополнительной защиты по грунтовке наносят один слойленты шириной 100 мм, затем стык до основного покрытия обер-тывают с натяжением и обжатием двумя-тремя слоями липкойленты. Полимерная лента на участках стыков должна плавно пере-ходить в основное покрытие, для чего делается нахлест шириной100 мм. Нахлест витков у основного защитного покрытия из лип-ких полимерных лент должен быть не менее 20 мм. При послой-ном нанесении ленты нахлесты смежных слоев не должны распо-лагаться друг над другом.

Импортные ленты. В нашей стране используют полимерные по-ливинилхлоридные и полиэтиленовые ленты, поставляемые изСША («Поликен», «Плайкофлекс», «Тек-рап»), Японии («Нит-то», «Фурукава Рапко»), Италии («Альтене»), Югославии («Пла-стизол»), Болгарии («Кил»), эксплуатируемые при температуретрубопровода не ниже -60 °С и не выше +60 °С. Применяют их вме-сте с грунтовками и защитными обертками, которые имеют такиеже наименования.

Защитные обертки. Для предохранения изоляции из полимер-ных липких лент от механических повреждений при прокладкетрубопроводов на изоляционное покрытие дополнительно нано-

394 395

сят (с помощью клея) защитные обертки из одного-двух слоеврулонного материала ПЭКОМ, ЛПП-2, ПВХ, ПДБ-БК и др. Наи-более широко применяют пленку ПЭКОМ, которая представляетсобой липкую оберточную пленку толщиной 0,3 и 0,6 мм. Ее изго-товляют из высоконаполненной смеси полиэтилена, синтетичес-кого каучука (не более 5 %), наполнителя, стабилизатора, битума(не более 10 %), модификатора. Пленку ПЭКОМ используют притемпературе эксплуатации трубопроводов от -30 до +50 °С. По-ставляют ее в рулонах длиной 125 и 180 м. Пленка имеет прочностьпри растяжении не менее 10,5 МПа; относительное удлинение неменее 50 % в продольном и поперечном направлениях; водопог-лощение за 24 ч (по массе) не более 0,1 %; температуру хрупкостиниже -30 °С.

Применяют также липкую обертку на основе полиэтилена об-щей толщиной не менее 0,6 мм со слоем клея 0,1 мм на однойстороне (ЛПП-2). Прочность обертки на разрыв составляет не ме-нее 8 МПа, относительное удлинение при разрыве не менее 100 %.

Поливинилхлоридный оберточный материал ПВХ представля-ет собой пленку из утильных отходов производства изоляцион-ной поливинилхлоридной ленты с добавлением различных на-полнителей. Обертки ПВХ изготовляют толщиной 0,7 мм, шири-ной 500 мм, длиной (в рулоне) 125 м. Прочность обертки ПВХ наразрыв составляет не менее 8 МПа, относительное удлинение неменее 80 %, морозостойкость до -10 °С; температура нанесения иэксплуатации от -10 до +40 °С.

Оберточный материал ПДК-БК — рулонный материал. Егоизготовляют из ПЭНП или ПЭВП (или их смеси), бутилкаучу-ка, битума, газогенераторной смолы или продукта окисленияЛСБ (битума или нефтяного дистиллата «черный соляр»). Оберт-ки ПДБ-БК поставляют толщиной 0,5 мм, шириной 450 и 500 мми длиной в рулоне 250 м. Ее свойства: прочность на разрыв в про-дольном направлении не менее 10 МПа, в поперечном направле-нии не менее 1 МПа; относительное удлинение в продольномнаправлении не менее 40%, водопоглощение за 24 ч не более0,5 %, температура нанесения и эксплуатации от -40 до +50 "С.

Заводские полимерные покрытия труб обладают лучшими экс-плуатационными характеристиками по сравнению с покрытия-ми, наносимыми на трассе, что обеспечивается более тщатель-ным проведением технологических операций по изоляции труб встационарных условиях и применением прогрессивных техноло-гических процессов и материалов. При этом увеличивается срокслужбы магистральных трубопроводов, устраняется сезонностьвыполнения изоляционных работ, повышаются темпы строитель-ства за счет сокращения операций очистки и изоляции трубы,значительно уменьшается загрязнение окружающей среды пристроительстве трубопроводов.

396

7.4.3. Битумные материалы

Для изоляции магистральных трубопроводов применяют спе-циальные изоляционные материалы — строительные твердые не-фтяные битумы. Их получают окислением или обработкой паромостаточных продуктов после прямой перегонки или после кре-кинга нефти или нефтепродуктов.

Битум нефтяной изоляционный имеет марки: БНИ-IV, БНИ-IV-3 и БНИ-V. Плотность нефтяных битумов составляет 1 010...1 070 кг/м3.

Битум представляет собой твердую, плавкую или вязкожид-кую смесь углеводородов и их неметаллических производных.Компонентами группового состава битума служат: вязкие ми-неральные масла 28... 52 %; смолы 18... 30%; асфальтены, кар-бены и карбоиды 18... 52 %; асфальтеновые кислоты и их ангид-риды — свыше 1,25%. Увеличение количества смол и масел вбитуме повышает его пластичность (растяжимость) и снижаеттвердость.

В состав битума входят также парафин, сера и минеральныеостатки. При содержании в битуме серы более 2 % увеличиваетсяего хрупкость. Если в битуме имеется более 4 % парафина, то умень-шается сила сцепления его с защищаемым металлом и одновре-менно повышается его хрупкость при отрицательной температуре.Битум не должен обладать водонасыщаемостью, так как она от-рицательно влияет на срок службы покрытия трубопровода в грун-товых условиях.

По своей структуре битум — полимерное вещество, имеющеедлинные цепи молекул, что объясняет его высокую пластичностьи эластичность в твердом состоянии.

На основе нефтяного битума для изоляции газонефтепроводовизготовляют мастики, грунтовки и рулонные обертки.

Битумные мастики рекомендуется применять для изоляциистальных подземных трубопроводов диаметром не более 820 мм итемпературой транспортируемого продукта не выше 40 °С. Для труббольшего диаметра или предназначенных для перекачки горячихпродуктов используют полимерные материалы и теплостойкие по-лимерные ленты.

Мастики изоляционные битумные представляют собой смесьбитума с наполнителями и пластификаторами. Наполнители яв-ляются порошками, предназначенными для улучшения физико-механических свойств изоляционных мастик.

Введение наполнителей придает мастике большую прочностьи вязкость при сохранении достаточной эластичности, делает по-крытие менее чувствительным к высоким температурам, повы-шает сопротивляемость к механическим воздействиям и несколь-ко удлиняет срок ее службы.

397

К минеральным наполнителям относятся известняк, доломит,молотый асбест и др., к органическим — дробленая резина (рези-новая крошка), получаемая дроблением старой амортизирован-ной резины (изношенных покрышек).

При проведении работ в зимнее время битумная мастика теря-ет пластические свойства и становится хрупкой. При этом снижа-ется прочность сцепления покрытия с металлом трубопровода ипрочность сцепления обертки с битумной мастикой, в результатечего в мастике могут появиться трещины. Во избежание этогодля трубопроводов, прокладываемых в осенне-зимний период,применяют изоляционные мастики с пластифицирующими до-бавками.

Пластификаторы предназначены для повышения пластично-сти изоляционных материалов при нанесении их при температу-рах до -25 °С. Пластификаторы считаются эффективными, еслипри введении их в битум (наряду с приданием мастике упругоп-ластических свойств) наблюдается минимальное снижение вяз-кости и температуры размягчения.

В качестве пластификаторов применяют нефтяные масла: осе-вое (зимнее северное), зеленое, трансформаторное, а также по-лимерные вещества (низкомолекулярный полиизобутилен П-20,полидиен и др.).

Битумно-резиновые мастики представляют собой сплавленнуюмассу из смеси битума 86...93 %, порошка резины 5... 10 % и пла-стификатора 3... 10 %. Применяют в основном мастики заводскогоизготовления типа МБР с различными температурами размягче-ния в зависимости от сезонности работ.

Количество вводимого в битумно-резиновые мастики пласти-фикатора зависит от температуры окружающего воздуха, при ко-торой будут применять мастику: при температуре до -10 °С в масти-ки вводят до 3 % пластификатора, до-15°С — 5.. .7%идо -30 °С —7... 10 % (зеленое масло). Ввод пластификатора осуществляют притемпературе 160... 170 °С по окончании подготовки мастики.

Битумно-полимерные мастики применяются для улучшенияфизико-механических свойств битума путем введения в него по-лимеров, отходов и полупродуктов различных полимеров. Свой-ства битумно-полимерных мастик в значительной степени зави-сят также от эффекта контактирования составляющих компонен-тов и марки применяемого битума. Более активное взаимодействиебитума с полимерами происходит при высокой дисперсности сы-рья (по сравнению с простым смешиванием битума с полимера-ми) и нагреве до определенной температуры.

Освоено промышленное производство битумно-полимерноймастики типа «Изобитэп», разработаны составы мастик «Изоби-тэп-Н» из битума марки БНИ-ШМ и «Изобитэп-30» из битумамарки БНД-60/90 с добавками термоэластопласта.

398

Битумные мастики готовят в битумоварочных котлах. Очищен-ный от бумаги и включений битум расплавляют в котле при тем-пературе 140... 150°С. Когда температура битума достигает 170...180°С, в него при непрерывном перемешивании добавляют на-полнитель.

Температура битумных мастик при нанесении на трубы зави-сит от температуры окружающей среды и должна быть 150... 170 °С.

Битумные изоляционные мастики служат в качестве основногозащитного слоя в противокоррозионном покрытии трубопрово-дов, а также в качестве приклеивающего состава для усиливаю-щих и защитных оберток, применяемых в виде рулонных матери-алов.

Битумная грунтовка {праймер) применяется для выравниванияповерхности труб, улучшения прилипаемости (адгезии) изоля-ционной мастики к металлу.

Известно, что поверхность металла имеет шероховатость. Еслина такую поверхность нанести горячую битумную мастику, то послесоприкосновения с более холодным, чем мастика, металлом онабыстро застынет и не заполнит все неровности поверхности. В ре-зультате адгезия мастики с металлом будет не очень высокая. Что-бы улучшить адгезию, поверхность металла предварительно по-крывают слоем жидкой грунтовки (праймера), которая целикомзаполняет все неровности. На высушенную грунтовку наносят слойгорячей мастики, которая, расплавив слой грунтовки, плотно сней соединяется, а следовательно, и с поверхностью металла.

Важнейшее условие, определяющее эффективность и срок служ-бы защитного покрытия, — качественная очистка поверхноститруб до металлического блеска с помощью специальных очистныхмашин и надежная грунтовка труб. После очистки поверхностьметалла должна оставаться шероховатой, обеспечивая надежноесцепление праймера и мастики с трубой.

Перед нанесением грунтовки поверхность трубы высушиваютс помощью специальных сушильных печей или естественной суш-кой. Грунтовку наносят на сухую поверхность вручную или специ-альными машинами. Слой грунтовки должен быть равномернымбез пузырей и подтеков. Толщина нанесенной грунтовки не долж-на превышать 0,05 мм, расход грунтовки — 0,1 кг/м2.

Битумные грунтовки изготовляют из битума, растворенного вбензине при соотношении битума и бензина 1:2 (по массе) или1:3 (по объему). В состав битумной грунтовки для летнего периодавходят битум БНИ-IV или БНИ-V, бензин неэтилированный авиа-ционный или бензины автомобильные; для зимнего периода —битум БН 50/50, БН 70/30 или БНИ-IV и бензин неэтилирован-ный авиационный.

Более высокими свойствами обладает битумно-полимернаягрунтовка типа ГП-754ИН с противокоррозионным ингибитором.

399

Для повышения механической прочности покрытий из битум-ных мастик в их конструкцию должны входить армирующие слоииз усиливающих оберток. Для этого широко используют стекло-холст, который обладает высокой прочностью и в то же времяневысокой стоимостью.

Стеклохолст — нетканый стекловолокнистый рулонный мате-риал, например, марок ВВ-Г и ВВ-К, состоящий из хаотическирасположенных стеклянных волокон, скрепленных синтетическимсвязующим. Стеклохолст обладает хорошими диэлектрическими имеханическими свойствами, малой гигроскопичностью и высо-кой химической стойкостью. Он предназначен для повышениямеханической прочности, морозостойкости и защитной эффек-тивности битумного покрытия и наносится на каждый его слой.

Стеклохолст марки ВВ-Г изготовляют шириной 400 мм, дли-ной в рулоне 150...200 м, а стеклохолст марки ВВ-К — шириной960 мм и длиной в рулоне не менее 170 м. Усилие разрыва про-дольной полоски шириной 50 мм из стеклохолста марки ВВ-Ксоставляет не менее 100 Н, а из стеклохолста марки ВВ-Г — неменее 80 Н. Стеклохолсты применяют в качестве усиливающихоберток при температуре воздуха от -30 до +30 "С. Битумная изо-ляция, армированная рулонным стекловолокнистым материалом,устойчива против бактериальной коррозии и имеет большой срокслужбы.

В качестве армирующих материалов применяют также бризол,гидроизол и другие материалы.

Бризол — битумно-резиновый изоляционный рулонный мате-риал, состоящий из битума в смеси с рубаксом, дробленой рези-ной, полиэтиленом, асбестом и пластификатором. Бризол выпус-кают рулонами с картонными сердечниками диаметром 70... 80 мм.

Гидроизол — асбестовый картон, пропитанный окисленныминефтяными битумами.

Типы битумных покрытий зависят от удельного электрическогосопротивления грунта, в котором они применяются, а послой-ный состав — от характера усложненности условий прокладкигазонефтепроводов. Применяют нормальный и усиленный типы изо-ляционных битумных покрытий, выполняемые в основном в трас-совых условиях. Для городских трубопроводов используют изоля-цию усиленного типа общей толщиной 7,5 и 9 мм для труб диа-метром соответственно менее 150 мм и свыше 150 мм (мастикунаносят в три слоя с промежуточной оберткой стеклохолстом).

Магистральные трубопроводы на трассе защищают битумны-ми покрытиями механизированным способом с помощью специ-альных машин. В период строительства трубопровода покрытиярекомендуется наносить при температуре воздуха не выше 25 °Сдля труб диаметром менее 820 мм. В отдельных случаях нанесениепокрытия допускается и для трубопроводов с диаметром трубы

400 •

1 020 мм. Для нефтепроводов диаметром не более 1 020 мм такжеиспользуют изоляционное покрытие усиленного типа «Пласто-бит-2М». Его наносят в трассовых условиях. Оно состоит из грун-товки, изоляционной мастики на основе пластифицированногобитума (3 мм), усиливающей обертки в виде поливинилхлорид-ной ленты без слоя клея (0,35 мм) и защитной обертки (0,5 мм).

При нанесении защитного покрытия на трубы оставляют не-изолированными их концы длиной 150... 200 мм для труб диамет-ром до 219 мм и 250...300 мм для труб большего диаметра.

7.4.4. Каменноугольные изоляционные материалы

Каменноугольные мастики применяют для изоляции сварныхстыков, исправления повреждений изоляции при перевозке труби при проведении капитальных ремонтов. Мастики готовят из ка-менноугольных пеков с различными добавками.

Пеки — это тяжелые остатки от перегонки каменноугольногодегтя. Отечественной промышленностью выпускаются мягкий,средний и электродный пеки с температурой размягчения соот-ветственно 45; 65; 75 °С.

Изоляционная мастика из каменноугольного пека включает всебя средний каменноугольный пек, пластификатор (каменно-угольная смола, антраценовое масло, смола пиролиза резины) инаполнитель в виде порошка резины и асбеста. Для изоляции тру-бопроводов рекомендуются следующие составы каменноугольноймастики: каменноугольный пек 85%, каменноугольный деготь10%, резиновая крошка 5%; каменноугольный пек 75%, смолапиролиза резины 15%, асбест 10%.

Пековые покрытия аналогичны по технологии нанесения по-крытиям из битумных мастик. Высокие диэлектрические свойстваи повышенная водостойкость этих покрытий по сравнению сбитумными позволяют уменьшить толщину изолирующего слоядо 2 мм или при стандартной толщине значительно увеличитьсрок службы металлических конструкций. Благодаря более высо-ким механическим свойствам пеков повышается механическаяпрочность всего покрытия. В то же время токсичность пека ограни-чивает применение каменноугольных мастик для изоляционныхработ.

7.4.5. Лакокрасочные материалы

Лакокрасочные материалы — поверхностные пленкообразующиепокрытия, при нанесении которых на какую-либо поверхностьони способны высыхать с образованием твердой эластичной пленки.Эти покрытия представляют собой сравнительно тонкий защит-ный слой. Их широко применяют для защиты от коррозии наруж-

401

ных и внутренних поверхностей газонефтепроводов, резервуаров,различных подземных, надземных и подводных строительных кон-струкций и т.д.

Процесс полимерного пленкообразования на поверхности трубызаключается в переходе растворов из расплавленных пленкообра-зователей в аморфное твердое (стеклообразное) состояние. В со-став лакокрасочных материалов входят пленкообразующее веще-ство, наполнитель, пигмент и растворитель. В качестве пленкооб-разующих веществ применяют высыхающие масла (главным об-разом растительные); группу олиф, представляющих собой пред-варительно обработанные масла; синтетические и натуральныекаучуки; синтетические и природные смолы; некоторые продук-ты переработки нефти, которые характеризуются высокой поли-меризационной способностью в обычных условиях (при неболь-шом повышении температуры) и т.д. Другую группу пленкообра-зующих веществ составляют лаки, представляющие собой раство-ры природных высокомолекулярных и синтетических полимерныхвеществ в том или ином легколетучем растворителе.

Полимерные пленкообразователи могут быть превращаемыми,непревращаемыми и смешанными. Превращаемыми пленкообра-зователями считаются такие, при использовании которых образо-вание пленки происходит в процессе реакций полимеризации,поликонденсации или обеих реакций одновременно непосредствен-но в нанесенном слое покрытия. Непревращаемыми пленкообразо-вателями считаются такие, при применении которых пленкооб-разователь наносят на защищаемую поверхность в виде раствора,который образует пленку в процессе коагуляции или испарениярастворителя. Смешанными называются пленкообразователи, дей-ствующие частично по принципу превращаемых и непревращае-мых.

В качестве полимерных пленкообразователей используют фе-нольноформальдегидные, мочевино- и меламиноформальдегид-ные смолы, полистирол, перхлорвинил и другие полимерныематериалы.

Защитные покрытия выполняют многослойными, так как по-кровный материал не может дать беспористый слой в условияхполимерного пленкообразования. Процессы испарения раствори-теля (для непревращаемых пленкообразователей) или удалениялетучих веществ (для превращаемых пленкообразователей) про-текают после образования в начальный момент внешней гелеоб-разной полимерной корочки (пленки). При этом молекулы ра-створителя или паров вынуждены проходить сквозь пленку с об-разовавшимися внутри нее мелкими порами или оставаться подней, снижая адгезию пленки к покрываемой поверхности трубы.

Лакокрасочные материалы для покрытия наружной поверхноститруб подразделяют на грунтовки, покровные эмали и лаки. Нано-

402 •*

сят их на поверхность трубопровода разбрызгиванием при помо-щи пневматических краскораспылителей под давлением 0,2...0,3 МПа. Необходимую вязкость лакокрасочным материалам при-дают при добавлении к ним соответствующих растворителей. Ра-створитель уменьшает вязкость смол и увеличивает их смачиваю-щую способность.

Для надземных трубопроводов применяют грунтовки на осно-ве фенолформальдегидной смолы с вязкостью, соответствующейвремени истечения материала из вискозиметра ВЗ-4 20...22 с: смолаФЛ-03 или ФЛ-013, растворитель — сольвент каменноугольный;смола ХС-010 на основе сополимера хлорвинила и винилденхло-рида (смола ХСВ-40), растворитель Р-4; ВЛ-08 на основе поливи-нилбутиралевой смолы, растворитель ОВЛ-08 (фосфатирующиегрунтовки) и др.

Надземные трубопроводы окрашивают покрывными эмалямии лаками вязкостью, соответствующей времени истечения мате-риала из вискозиметра ВЗ-4 17... 19 с, изготовленными на основеперхлорвиниловой смолы (эмали ХВ-124 и ХВ-125, лак ХСЛ),пентафталевой смолы (лак № 170) и др. Растворителем для пер-хлорвиниловой смолы служит Р-4. Пентафталевый лак растворя-ют сольвентом каменноугольным.

Для газопроводов, прокладываемых в условиях Крайнего Се-вера, применяют указанные грунтовки, а в качестве покровныхматериалов — перхлорвиниловый лак ХСЛ и пентафталевый лак№ 170, обладающие высокой морозостойкостью. Лакокрасочныепокрытия инертны к металлу и устойчивы в органических кисло-тах и щелочах, обладают хорошей вязкостью, гибкостью и адге-зионными свойствами.

Лакокрасочные покрытия состоят из двух-трех слоев грунтов-ки и двух слоев эмали или лака с добавлением в последний (верх-ний) слой во всех случаях 10... 15 % (по массе) алюминиевой пуд-ры ПАК-3 или ПАК-4. Общая толщина покрытия должна быть неменее 0,2 мм.

Лакокрасочные покрытия наносят непосредственно на трассеи на полустационарных установках. Для получения качественногои долговечного покрытия поверхность стальных труб тщательноочищают от окалины, ржавчины, масляных и других загрязне-ний, обезжиривают бензином и просушивают. В стационарных ус-ловиях трубы очищают дробеструйным аппаратом или химичес-ким способом (в 10...20%-ной соляной кислоте с последующейнейтрализацией щелочными растворами, промывкой водой и про-сушкой). После очистки распылением наносят грунтовку и по-кровные эмали с промежуточной сушкой каждого слоя.

Лакокрасочные материалы для защиты внутренней поверхноститруб образуют защитный слой, уменьшающий шероховатость сте-нок и гидравлическое сопротивление, что повышает пропускную

403

способность трубопровода на 8... 10 % и предохраняют металл трубот коррозионного воздействия рабочих сред.

Технологический процесс нанесения покрытий включает в себяоперации по подготовке поверхности трубы, грунтовку, нанесе-ние нескольких слоев покрытия (не менее пяти-шести) с сушкойили термообработкой каждого слоя.

Для защитных покрытий, наносимых на внутреннюю поверх-ность трубопроводов, применяют различные материалы: бакели-товый лак марки А в сочетании с алюминиевой пудрой в коли-честве 7 % и растворителем; лакокрасочные грунтовки и эмалина основе синтетических смол (перхлорвиниловой, эпоксидной,поливинилбутиралевой и т.д.). Наиболее широко известны лако-красочные покрытия на основе эпоксидных смол ЭД-16 и ЭД-20,эпоксидных лаков Э-4100, Э-4001, эпоксидных шпатлевокЭП-00-10 и др., которые обладают очень высокой адгезией к ме-таллу, термо- и химической стойкостью и другими полезнымисвойствами.

В композиционный состав лакокрасочного покрытия входятотвердитель, пластификатор, наполнитель и растворитель. Переднанесением покрытия на 100% эпоксидных веществ вводят от-вердитель (гексометилендиамин, полиэтиленполиамин и др.) вколичестве: 7 % в смесь шпатлевки ЭП-00-10 с лаком Э-400; в лакЭ-4001 - 7 %; в эмаль ОЭП-4171 - 3,5 % и в лак Э-4100 — 3 %.В качестве наполнителя добавляют, например, 0,5 % оксида хро-ма на 100% эпоксидных веществ. Растворитель (Р-40, Р-5, Р-4 идр.) вводят в количестве 20...60%, пластификатор (трикрезил-фосфат) — до 10%.

Общий слой эпоксидного покрытия должен иметь толщину325...450 мкм. Он состоит из четырех последовательно наносимыхслоев. После нанесения очередного слоя трубу поворачивают на90°. Покрытие твердеет при воздушной сушке в течение несколь-ких суток, а при нагреве до 120... 130 °С — за 2...3 ч.

7.4.6. Стеклоэмали

Стеклоэмаль представляет собой неорганическое стекло илиспекшуюся {фриттованную) силикатную массу, которую наносятна поверхность металлических труб в тонкоизмельченном состоя-нии и закрепляют на ней посредством обжига в виде тонкослой-ного покрытия. Процесс нанесения и закрепления эмалевого по-крытия на предварительно подготовленную поверхность называ-ется эмалированием.

Эмалирование труб осуществляют как с наружной, так и свнутренней стороны в заводских условиях. Эмалированные трубыобладают высокой химической и эрозионной стойкостью противдействия движущихся частиц внутри трубы. При эмалировании

404

внутренней поверхности труб пропускная способность трубопро-водов благодаря гладкости стенок возрастает на 6... 10%.

Различают два вида эмалей: грунтовые, которые наносят не-посредственно на поверхность металла, и покровные, наносимыена предварительно загрунтованные изделия.

Исходные шихты для покрытий, называемые фриттами, пред-ставляют собой сплавленные (фриттованные) стекла. Компонен-ты фритт — кварцевый песок, полевой шпат, бура, сода кальци-нированная и др.

Для получения стеклоэмалевых покрытий на стальных издели-ях из исходной фритты составляют шликер. Для этого во фриттувводят добавки в виде молотого кварцевого песка, глины, буры иводы в определенных количествах.

Фритты измельчают в шаровых мельницах мокрым способом дотакой степени помола, когда дальнейшее измельчение не дает за-метного изменения, затем в них вводят измельченные добавки дляполучения шликера. Для увеличения способности поддерживать ча-стицы во взвешенном состоянии и повышения их устойчивости вшликер вводят добавки, являющиеся хорошими электролитами,например буру, нитриты и нитраты калия и натрия и др.

Эмалирование заключается в покрытии очищенной трубы стек-лоэмалевым шликером, последующем его просушивании и оп-лавлении (обжиге).

Основной недостаток стеклоэмалевых покрытий — высокаяхрупкость, поэтому в процессе перевозки труб со стеклоэмале-вым покрытием необходимо соблюдать осторожность. Трубы с та-ким покрытием следует применять при прокладке трубопроводовв агрессивных грунтах и на высокотемпературных (горячих) участ-ках трубопроводов.

7.4.7. Цинковые и алюминиевые покрытия

Для повышения качества и долговечности защитных покрытийнадземных участков и воздушных переходов магистральных и про-мысловых трубопроводов от атмосферной коррозии используетсяразработанный ВНИИСТом газотермический способ нанесенияцинковых и алюминиевых покрытий на трубы в заводских услови-ях, а на сварные стыки и дефектные места — в трассовых услови-ях толщиной не менее 0,25 мм.

Способ представляет собой процесс металлизации распылени-ем, заключающийся в нагреве металла, предназначенного для по-крытия, до жидкого или пластичного состояния и распыленияего на защищаемую поверхность с помощью газовой струи (сжа-того воздуха). Расплавление и распыление металла для покрытиятрубопровода проводят газоэлектрическими или газопламеннымиаппаратами.

405

Процесс нанесения цинковых и алюминиевых покрытий натрубы газотермическим методом включает в себя следующие опе-рации: тщательную очистку наружной поверхности труб от ржав-чины, окалины, жира и других загрязнений; газотермическуюметаллизацию очищенной поверхности труб цинком или алюми-нием до получения покрытия заданной толщины; контроль каче-ства покрытия.

7.4.8. Защитные смазки

Для наземных трубопроводов допускается применение покры-тий из консистентной (жировой) смазки преимущественно в се-верных районах страны с температурой воздуха не ниже -60 °С.Температура эксплуатации этих участков должна быть не выше40 °С.

Консистентная смазка «ВНИИСТ-2» состоит из осевого масламаркк 3 (пластификатор) — 60%, петролатума (ингибитор кор-розии) — 20 %, защитной ингибиторной смазки НГ-204У (илиНГ-203 марки А) - 20%.

Перед применением смазку тщательно перемешивают при тем-пературе 50...80 °С с алюминиевой пудрой ПАК-3, добавляемой вколичестве до 20 % от массы смазки. Толщина покрытия поверхно-сти трубы жировой смазкой должка быть в пределах 0,2...0,5 мм.

7.4.9. Контроль технического состояния труб промысловыхтрубопроводов

Аварийность и отказы в работе промысловых трубопроводовсвязаны как с дефектами металла, полученными в процессе про-изводства труб, так и с повреждениями труб, возникающими попричине воздействия на них внутренней и внешней сред в про-цессе эксплуатации.

Техническое состояние трубопровода в условиях воздействияна него окружающих сред зависит от степени их влияния на ме-талл трубопровода и способности защитных оболочек выполнятьсвои функции.

Диагностическое оборудование промыслового трубопроводанеобходимо для оценки состояния системы «внутренняя и внеш-няя среда — защитные оболочки — металл трубопровода» с це-лью увеличения сроков эксплуатации газонефтепроводов. Для оп-ределения методов диагностирования указанной системы необхо-димо рассмотреть дефекты, возникающие в каждом из ее элемен-тов.

Состояние внешней и внутренней среды. Повышенная агрессив-ность внешней среды возникает по причинам: засоления и повы-шенного водосодержания почв, наличия блуждающих токов. Для

406

диагностирования измеряют электропроводность грунтов, опре-деляют в них солесодержание и влажность, проводят электромет-рические измерения величины блуждающих токов.

Повышенная агрессивность внутренней среды (в полости тру-бы) возникает по причинам увеличенного содержания агрессив-ных газов (О2, СО2, H2S), значительного количества механичес-ких примесей, повышенной влажности нефтяного газа, гидроди-намики потоков транспортируемых веществ (коррозионные явле-ния).

Для диагностирования промысловых трубопроводов проводятхимический анализ воды и попутного нефтяного газа, определя-ют вид и скорость коррозии по образцам-свидетелям, измеряютвлажность нефтяного газа.

Состояние защитных оболочек труб. Нарушения защиты оболо-чек могут возникнуть из-за дефектов наружной изоляции, несо-ответствия электрического поля (потенциала), создаваемого сис-темой электрохимической защиты на поверхности трубы. Для ихдиагностирования производят электрометрические измерения: спомощью локации наведенного высокочастотным генераторомэлектромагнитного поля, электрического сопротивления изоля-ции труба —земля и измерения потенциала труба —земля.

Состояние материала труб. Дефекты в трубах могут быть метал-лургическими, дефектами заводских сварных швов и швов пристроительстве и ремонте. Эти дефекты выявляются ультразвуко-вым контролем листа, контролем сварных швов в процессе стро-ительства и ремонта — методами ультразвуковой диагностики ирентгеноскопии.

Коррозионные повреждения труб при эксплуатации (основнойвид дефектов внутренней поверхности трубы) составляют 92 % отобщего количества отказов. Они контролируются в результате про-ведения ультразвуковой и магнитной дефектоскопии.

Трещины в металле труб и сварных соединениях, сульфидноекоррозионное растрескивание под напряжением (СКРН) опре-деляются акустико-эмиссионной диагностикой. Этот дефект но-сит внезапный характер и может быть обнаружен при постоянномакустико-эмиссионном контроле с выводом сигналов на диспет-черский пульт.

Микротрещины, образующиеся при некоторых видах корро-зии и приводящие к снижению несущей способности стали, мо-гут быть обнаружены при металлографическом исследовании вы-резанных образцов труб.

Определение изменений в несущей способности материала трубпроводится путем испытаний образцов труб или пересчетом зна-чений твердости.

Вероятность возникновения различных видов дефектов различ-на, поэтому поиск маловероятных дефектов на стадии эксплуата-

407

ции промысловых трубопроводов требуется вести только в техместах, где по тем или иным причинам необходимо обеспечитьнаиболее высокую степень надежности промысловых трубопрово-дов. К таким маловероятным дефектам можно отнести трещинына трубопроводах, транспортирующих рабочие среды при обыч-ных для систем нефтесбора давлениях. Ситуации, в которых воз-растает опасность появления трещин в теле трубы, связаны с транс-портированием сероводородных сред и опасностью СКРН. К ма-ловероятным дефектам можно отнести также дефекты на наруж-ной поверхности трубопровода в течение 3 — 6 лет его эксплуата-ции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анучкин М. П. Трубы для магистральных трубопроводов / М. П. Ануч-кин, В.Н.Горицкий, Б.И.Мирошниченко. — М. : Недра, 1986.

2. Батышев А.И. Проектирование и производство заготовок/А. И. Ба-тышев. — М.: Изд-во МГОУ, 2005.

3. Виноградов В. М. Технология машиностроения : Введение в специ-альность / В. М. Виноградов. — М.: Изд. центр «Академия», 2006.

4. Гини Э. Ч. Технология литейного производства : Специальные видылитья / Э.Ч. Гини, А. М. Зарубин, В. А. Рыбкин ; под ред. В. А. Рыбкина. —М. : Изд. центр «Академия», 2005.

5. Гоцеридзе P.M. Процессы формообразования и инструменты /Р. М. Гоцеридзе. — М.: Изд. центр «Академия», 2006.

6. Дриц М. Е. Технология конструкционных материалов и материалове-дение / М.Е.Дриц, М. А. Москалев. — М.: Высш. шк., 1990.

7. Жадан В. Т. Технология металлов и других конструкционных мате-риалов / В.Т.Жадан, Б.Г.Гринберг, В.Я.Никонов ; под ред. П.И.Полу-хина. — М.: Высш. шк., 1970.

8. Зарембо Е.Г. Сварочное производство/ Е.Г.Зарембо. — М.: Марш-рут, 2005.

9. Иванов В. Н. Словарь-справочник по литейному производству /В.Н.Иванов. — М.: Машиностроение, 1990.

10. Казаков Н. Ф. Технология металлов и других конструкционных ма-териалов / Н. Ф. Казаков, А. М. Осокин, А. П. Шишкова; под ред. Н. Ф. Ка-закова. — М.: Металлургия, 1975.

11. Куликов О. И. Охрана труда при производстве сварочных работ /О.Н.Куликов, Е.И.Ролин. — М.: Изд. центр «Академия», 2004.

12. Литейное производство / под ред. А. М. Михайлова. — М.: Маши-ностроение, 1987.

13. Материаловедение и технология металлов / под ред. Ю. П. Солнце-ва. — М. : Металлургия, 1988.

14. Материаловедение и технология металлов / [В.Т.Жадан и др.]. —М. : Металлургия, 1994.

15. Материаловедение и технология конструкционных материалов дляжелезнодорожной техники / под ред. Н. Н. Воронина. — М. : Маршрут,2004.

16. Обработка металлов давлением/ [Ю.Ф. Шевакин, В. Н. Чернышев,Р.Л.Шаталов, Н.А. Мочалов] ; под ред. Ю. Ф. Шевакина. — М.: ИнтерметИнжиниринг, 2005.

17. Проектирование и производство заготовок / под ред. П. И.Ящери-цына. — М.: Глобус, 2005.

18. Производство отливок из сплавов цветных металлов / [А. В.Кур-дюмов и др.]. — М. : Металлургия, 1986.

409

19. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров /[М. В. Кузнецов и др.]. — М. : Недра, 1992.

20. Скугорова Л. П. Материалы для сооружения газонефтепроводов ихранилищ/Л. П. Скугорова. — М. : Нефть и газ, 1996.

21. Специальные способы литья : справочник / под ред. В. А. Ефимо-ва. — М. : Машиностроение, 1991.

22. Справочник электрогазосварщика и газорезчика / под ред. Г. Г. Чер-нышова. — М.: Изд. центр «Академия», 2004.

23. Тарасов В. Л. Материаловедение и технология конструкционныхматериалов / В.Л.Тарасов. — М. : Изд-во МГУЛ, 2002.

24. Технология конструкционных материалов / под ред. А. М. Дальско-го. — М. : Машиностроение, 1993.

25. Технология конструкционных материалов / [О. С. Комаров и др.] ;под ред. О. С. Комарова. — Минск : Новое знание, 2005.

26. Технология литейного производства / под ред. Ю. А. Степанова. —М. : Машиностроение, 1983.

27. Технология литейного производства : Литье в песчаные формы /под. ред. А. П.Трухова. — М.: Изд. центр «Академия», 2005.

28. Технология металлов и материаловедение / под ред. Л.Ф.Усовой. —М. : Металлургия, 1987.

29. Технология металлов и конструкционные материалы / под ред.Б. А. Кузьмина. — М. : Машиностроение, 1981.

30. Технология металлов / под ред. Б. В. Кнорозова. — М. : Металлур-гия, 1978.

31. Технология металлов и сварка / под ред. П. И. Полухина. — М. :Высш. шк., 1977.

32. Технология металлов и других конструкционных материалов / подред. А. М. Дмитровича. — Минск : Вышэйш. шк., 1968.

33. Технология металлов и других конструкционных материалов /[В. В.Архипов и др.]. — М. : Высш. шк., 1968.

34. Титов Н.Д. Технология литейного производства / Н.Д.Титов,Ю.А.Степанов. — М.: Машиностроение, 1985.

35. Холодкова А. Г. Общая технология машиностроения / А. Г. Холодко-ва. — М.: Изд. центр «Академия», 2005.

36. Чекмарев А. П. Теория трубного производства / А. П.Чекмарев,В.М.Друян. — М. : Металлургия, 1976.

37. Чернышев Г. Г. Сварочное дело : Сварка и резка металлов / Г. Г.Чер-нышов. — М.: Изд. центр «Академия», 2007.

38. Черепахин А. А. Технология обработки материалов / А. А. Черепа-хин. — М.: Изд. центр «Академия», 2004.

39. Черпаков Б. И. Металлорежущие станки / Б. И. Черпаков, Т. А.Аль-перович. — М.: Изд. центр «Академия», 2006.

40. Черпаков Б. И. Технологическое оборудование машиностроитель-ного производства / Б. И. Черпаков, Л. И. Вереина. — М.: Изд. центр «Ака-демия», 2006.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 3

Глава 1. Сплавы, применяемые в машиностроении 5

1.1. Общие сведения 51.2. Деформируемые сплавы 5

1.2.1. Деформируемые стали 51.2.2. Деформируемые сплавы цветных металлов 9

1.3. Литейные сплавы 171.3.1. Чугуны 171.3.2. Литейные стали 241.3.3. Литейные сплавы цветных металлов 25

Глава 2. Производство металлов и сплавов 31

2.1. Общие сведения 312.2. Производство чугуна 31

2.2.1. Исходные материалы для доменного производства 312.2.2. Огнеупорные материалы, их свойства и применение 342.2.3. Подготовка руды к плавке 362.2.4. Устройство и работа доменной печи 392.2.5. Продукты доменного производства и их использование ...442.2.6. Технико-экономические показатели работы доменной

печи 452.3. Производство стали 45

2.3.1. Физико-химические процессы получения стали 452.3.2. Основные компоненты в сталях 492.3.3. Влияние легирующих элементов на свойства стали 502.3.4. Кислородно-конвертерный процесс 512.3.5. Производство стали в мартеновских печах 542.3.6. Производство стали в электрических печах 592.3.7. Разливка стали и строение слитка 632.3.8. Контроль плавки и способы повышения качества

стали 682.4. Производство некоторых цветных металлов 71

2.4.1. Производство алюминия 712.4.2. Производство меди 74

Глава 3. Обработка металлов давлением 78

3.1. Физико-механические основы обработки металловдавлением 783.1.1. Пластическая деформация при обработке металлов

давлением 78

411

3.1.2. Нагрев металла и нагревательные устройства 853.2. Прокатка 92

3.2.1. Общие положения 923.2.2. Сортамент прокатной продукции 953.2.3. Технология прокатного производства и калибровка

валков 963.2.4. Прокатное оборудование 98

3.3. Прессование 1023.3.1. Общие положения 1023.3.2. Схемы и технология прессования 103

3.4. Волочение 1063.4.1. Общие положения 1063.4.2. Волоки и волочильные станы 108

3.5. Ковка ПО3.5.1. Свободная ковка и ее основные операции ПО3.5.2. Оборудование и инструмент для свободной ковки 113

3.6. Объемная штамповка 1143.6.1. Горячая объемная штамповка 1143.6.2. Штамповка на молотах 1173.6.3. Штамповка на кривошипных и горячештамповочных

прессах 1183.6.4. Штамповка на горизонтально-ковочных и специальных

машинах 1213.6.5. Холодная объемная штамповка 126

3.7. Листовая штамповка 1273.7.1. Назначение и основные операции листовой

штамповки 1273.7.2. Инструмент и оборудование для листовой

штамповки 132Глава 4. Литейное производство 136

4.1. Общие сведения 1364.1.1. Способы литья и литейные формы 1364.1.2. Технологическая оснастка 1384.1.3. Формовочные и стержневые материалы 1424.1.4. Литниковые системы и прибыли 1484.1.5. Свойства литейных сплавов 153

4.2. Плавка литейных сплавов 1574.2.1. Плавка чугуна 1574.2.2. Плавка стали 1624.2.3. Плавка алюминиевых сплавов 1644.2.4. Плавка медных сплавов 167

4.3. Технология изготовления литейных форм и стержней 1694.3.1. Изготовление песчаных форм 1694.3.2. Изготовление и сушка стержней 1804.3.3. Сборка и заливка форм расплавом 1854.3.4. Охлаждение, выбивка и очистка отливок 1884.3.5. Контроль качества отливок 193

412 '-••

4.4. Специальные способы литья 1964.4.1. Литье в оболочковые формы 1964.4.2. Литье по выплавляемым моделям 1994.4.3. Литье в кокиль 2014.4.4. Литье под давлением 2034.4.5. Центробежное литье 207

Глава 5. Сварочное производство 210

5.1. Общие сведения 2105.1.1. Классификация способов сварки 2105.1.2. Сущность процесса сварки 211

5.2. Электрическая дуговая сварка 2135.2.1. Сварочная электрическая дуга и ее свойства 2135.2.2. Строение сварного шва 2155.2.3. Виды сварных соединений и швов 2175.2.4. Виды электродуговой сварки 2195.2.5. Источники питания электрической дуги 2215.2.6. Электроды, сварочные материалы и флюсы 2265.2.7. Ручная электродуговая сварка 2325.2.8. Автоматическая и полуавтоматическая дуговая

сварка 2375.2.9. Сварка в среде защитных газов 240

5.3. Газовая сварка и резка металлов 2435.3.1. Сущность процесса газовой сварки 2435.3.2. Технология газовой сварки 2455.3.3. Аппаратура для газовой сварки 2475.3.4. Огневая и электродуговая резка металлов 250

5.4. Сварка давлением (с применением электрической энергии).... 2535.4.1. Контактная электрическая сварка 2535.4.2. Контактная стыковая сварка 2555.4.3. Контактная точечная сварка 2565.4.4. Контактная шовная сварка 2575.4.5. Конденсаторная сварка 259

5.5. Контроль качества и виды брака при сварке 2605.5.1. Напряжения и деформации при сварке 2605.5.2. Дефекты в сварных соединениях и методы

их контроля 2615.6. Пайка металлов и сплавов 264

5.6.1. Припои и флюсы 2645.6.2. Способы пайки 266

Глава 6. Обработка металлов резанием 269

6.1. Общие сведения 2696.1.1. Основные виды механической обработки металлов 2696.1.2. Способы образования поверхности детали 272

6.2. Процесс механической обработки металлов 2746.2.1. Основные параметры резания металлов 2746.2.2. Геометрические параметры режущего инструмента 278

413

6.2.3. Физическая сущность процесса резания 2816.2.4. Контактные процессы в зоне резания 2856.2.5. Силовое взаимодействие инструмента и заготовки

при резании 2886.2.6. Тепловые процессы при обработке резанием 2916.2.7. Износ и стойкость режущего инструмента 2946.2.8. Материалы для режущего инструмента 297

6.3. Обработка заготовок на токарных станках 3016.3.1. Типы и область применения станков токарной

группы 30]6.3.2. Устройство токарно-винторезного станка 3036.3.3. Режущий инструмент и технологическая оснастка 3056.3.4. Характеристика основных методов точения 3076.3.5. Технология обработки заготовок точением 309

6.4. Обработка заготовок на сверлильных и расточных станках 3126.4.1. Основные параметры резания при сверлении 3126.4.2. Способы обработки заготовок на сверлильных

станках 3136.4.3. Режущий инструмент и технологическая оснастка 3146.4.4. Типы и области применения станков сверлильно-

расточной группы 3196.4.5. Технология обработки заготовок сверлением 3226.4.6. Особенности обработки заготовок на расточных

станках 3226.5. Обработка заготовок на строгальных, долбежных

и протяжных станках 3256.5.1. Характеристика метода строгания 3256.5.2. Типы и область применения строгальных станков 3276.5.3. Обработка заготовок на долбежных станках 3296.5.4. Режущий инструмент для обработки заготовок на

строгальных и долбежных станках 3306.5.5. Характеристика метода протягивания и типы

протяжных станков 3326.6. Обработка заготовок на фрезерных станках 336

6.6.1. Характеристика методов фрезерования 3366.6.2. Виды фрез, их элементы и геометрия 3396.6.3. Типы и области применения фрезерных станков 3416.6.4. Схемы обработки заготовок на фрезерных станках 3436.6.5. Технологические характеристики процесса

фрезерования 3466.7. Обработка заготовок на шлифовальных станках 346

6.7.1. Характеристика методов шлифования 3466.7.2. Типы и области применения шлифовальных станков.... 3506.7.3. Режимы резания при шлифовании 3526.7.4. Инструмент и абразивные материалы 353

Глава 7. Производство, применение и защита труб 358

,7.1. Общие сведения 358, 7.1.1. Классификация труб 358

414 Л

7.1.2. Исходные материалы и заготовки для производстватруб 360

7.1.3. Сортамент труб 3617.2. Трубы для нефтяной и газовой промышленности 361

7.2.1. Бурильные и обсадные трубы 3617.2.2. Насосно-компрессорные трубы и трубы для ремонта

скважин 3637.2.3. Трубы нефтегазопроводные и общего назначения 3647.2.4. Трубы для нефтеперерабатывающей и нефтехимической

промышленности 3657.2.5. Сварные прямошовные трубы для трубопроводов 3657.2.6. Трубы больших диаметров 3677.2.7. Трубы для магистральных трубопроводов 3687.2.8. Чугунные трубы 370

7.3. Производство труб 3717.3.1. Общая характеристика производства труб 3717.3.2. Производство бесшовных труб 3747.3.3. Производство сварных труб 3827.3.4. Производство труб центробежным литьем 3887.3.5. Полунепрерывное литье труб из чугуна 389

7.4. Защита труб от коррозии 3917.4.1. Способы защиты труб 3917.4.2. Полимерные материалы 3947.4.3. Битумные материалы 3977.4.4. Каменноугольные изоляционные материалы 4017.4.5. Лакокрасочные материалы 4017.4.6. Стсклоэмали 4047.4.7. Цинковые и алюминиевые покрытия 4057.4.8. Защитные смазки 4067.4.9. Контроль технического состояния труб промысловых

трубопроводов 406

Список литературы 409