Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов:технология изготовления заготовок и деталей. Книга 2

    ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ серия основана в 1 996 г.




A.M. Адаскин, А.Н. Красновский, Т.В. Тарасова

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ, НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

УЧЕБНИК

КНИГА 2 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ

2-е издание, исправленное и дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим советом ФГБОУ ВО «МГТУ “СТАНКИН”» в качестве учебника для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направлениям подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов»

znanium.com
электронно-библиотечная система

Москва
ИНФРА-М
2024

УДК 620.1(075.8)
ББК 30.3я73

     А28




      Рецензенты:
         Ю.Ф. Набатников — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горного оборудования, транспорта и машиностроения Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»;
         Л.Г. Алехин — кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики МИРЭА — Российского технологического университета




       Адаскин А.М.
А28 Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов : учебник : в 2 кн. Книга 2. Технология изготовления заготовок и деталей / A.M. Адаскин, А.Н. Красновский, Т.В. Тарасова. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 241 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/1143897.


          ISBN 978-5-16-016430-4 (общ.)
          ISBN 978-5-16-019533-9 (кн. 2, print)
          ISBN 978-5-16-108723-7 (кн. 2, online)


          В книге 2 представлены технологии изготовления заготовок и деталей из металлических материалов: литье, сварка, обработка давлением и резанием. Даны основы технологии нанесения гальванических покрытий. Рассмотрены технологии изготовления деталей из неметаллических материалов: пластических масс, резины, стекла, а также композиционных материалов. Показаны технологии, совмещающие изготовление композиционных материалов и деталей из них.
          Учебник дополнен двумя главами, отражающими тенденции развития техники и технологии (глава 28 «Наноструктурные материалы. Свойства. Технологии получения. Области применения», глава 29 «Аддитивное производство»).
          Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
          Для бакалавров и магистрантов, обучающихся по укрупненным группам направлений подготовки 15.00.00 «Машиностроение» и 22.00.00 «Технологии материалов». Может быть использован при обучении аспирантов машиностроительных специальностей, а также при повышении квалификации инженерно-технических работников машиностроительных предприятий.


УДК 620.1(075.8)
ББК 30.3я73



ISBN 978-5-16-016430-4 (общ.)
ISBN 978-5-16-019533-9 (кн. 2, print)
ISBN 978-5-16-108723-7 (кн. 2, online)

© Адаскин A.M., Красновский А.Н., 2016 © Адаскин A.M., Красновский А.Н.,

Тарасова Т.В., 2021, с изменениями

ОГЛАВЛЕНИЕ









Введение......................................................................6
Часть III. Технология изготовления заготовок и деталей........................9
  Глава 18. Технологические свойства металлов и сплавов.......................9
    18.1. Технологические требования к материалам для литья (литейным сплавам).10
    18.2. Обрабатываемость материалов давлением. Холодная и горячая обработка давлением................................................................11
    18.3. Свариваемость металлов.............................................16
    18.4. Обрабатываемость резанием..........................................18
  Глава 19. Литейное производство............................................20
    19.1. Основы литья.......................................................20
    19.2. Литье в одноразовые формы..........................................20
      19.2.1. Литье в песчаные формы.........................................20
      19.2.2. Литье по выплавляемым моделям..................................26
      19.2.3. Литье в оболочковые формы......................................28
    19.3. Литье в многоразовые формы.........................................30
      19.3.1. Литье в кокиль.................................................31
      19.3.2. Литье под давлением............................................32
      19.3.3. Центробежное литье.............................................33
    19.4. Электрошлаковое литье..............................................34
    19.5. Оборудование литейных производств..................................35
  Глава 20. Обработка давлением..............................................37
    20.1. Основы обработки давлением.........................................37
    20.2. Горячая обработка давлением........................................38
      20.2.1. Нагрев заготовок...............................................38
      20.2.2. Ковка..........................................................39
      20.2.3. Штамповка......................................................41
    20.3. Холодная обработка давлением.......................................46
      20.3.1. Листовая штамповка.............................................46
      20.3.2. Объемная штамповка.............................................49
    20.4. Материалы для штампового инструмента...............................50
    20.5. Оборудование для обработки металлов давлением......................53
  Глава 21. Сварка...........................................................55
    21.1. Классификация видов сварки.........................................55
    21.2. Сварка плавлением..................................................55
      21.2.1. Структура сварного соединения при сварке плавлением. Термическая обработка сварных заготовок................................56
      21.2.2. Электродуговая сварка..........................................57
      21.2.3. Электрошлаковая сварка.........................................59
      21.2.4. Газовая сварка.................................................60
      21.2.5. Сведения об электронно-лучевом, ионно-лучевом и лазерном нагреве для сварки.............................................................61
    21.3. Термомеханические и механические методы сварки.....................62
    21.4. Резка металлов.....................................................65

Оглавление

Глава 22. Пайка и склеивание материалов.....................................68
  22.1. Пайка металлов......................................................68
    22.1.1. Технология пайки................................................68
    22.1.2. Обработка деталей после пайки...................................71
  22.2. Склеивание материалов...............................................72
Глава 23. Обработка резанием................................................75
  23.1. Особенности обработки резанием......................................75
  23.2. Основы обработки резанием...........................................75
    23.2.1. Геометрические параметры режущего инструмента...................75
    23.2.2. Режимы резания..................................................78
    23.2.3. Процесс резания.................................................80
  23.3. Оценка точности обработки и качества поверхности....................84
    23.3.1. Точность размеров и формы.......................................84
    23.3.2. Оценка качества поверхности.....................................91
  23.4. Инструментальные материалы..........................................93
    23.4.1. Материалы для лезвийного инструмента............................93
    23.4.2. Материалы абразивных инструментов..............................100
  23.5. Технология обработки на металлорежущих станках.....................102
    23.5.1. Технология лезвийной обработки.................................102
    23.5.2. Абразивная обработка...........................................110
  23.6. Металлорежущие станки..............................................114
Глава 24. Основы электрофизических и электрохимических методов обработки...117
  24.1. Электроэрозионная обработка........................................117
  24.2. Электрохимическая обработка........................................118
  24.3. Анодно-механическая обработка......................................120
  24.4. Ультразвуковая обработка...........................................120
  24.5. Лучевая обработка..................................................121
  24.6. Плазменная обработка...............................................122
Глава 25. Технология нанесения гальванических покрытий.....................123
  25.1. Физико-химические основы нанесения гальванических покрытий.........123
  25.2. Подготовка поверхностей деталей под покрытие.......................123
    25.2.1. Требования к поверхностям......................................123
    25.2.2. Технология подготовки поверхности..............................124
  25.3. Технология нанесения покрытий......................................125
    25.3.1. Влияние на качество поверхности технологии нанесения покрытий..125
    25.3.2. Гальванические покрытия: свойства, область применения..........126
Глава 26. Изготовление деталей из неметаллических материалов...............131
  26.1. Изготовление деталей из пластических масс и резины.................131
    26.1.1. Особенности изготовления деталей из пластических масс и резины.131
    26.1.2. Технология изготовления объемных (трехмерных) деталей..........132
    26.1.3. Технология изготовления деталей из листового материала.........135
    26.1.4. Оборудование для переработки пластмасс.........................137
    26.1.5. Штамповка и обработка резанием пластмасс и резины..............138
  26.2. Изготовление деталей из стекла.....................................138
Глава 27. Технология изготовления деталей (заготовок) из композиционных материалов ...141
  27.1. Технология изготовления композитов с полимерной матрицей...........141
    27.1.1. Формообразование прессованием в формах.........................142
    27.1.2. Контактное формование..........................................145
    27.1.3. Формообразование давлением. Технологии RTM (Resin Transfer Moulding) и Light RTM..................................147
    27.1.4. Вакуумное формование...........................................149
    27.1.5. Намотка........................................................152
    27.1.6. Пултрузия......................................................158
    27.1.7. Технология изготовления деталей и заготовок из препрегов и премиксов .... 160
    27.1.8. Технология изготовления сборных конструкций из композитов с полимерной матрицей..................................................161

Оглавление

5

    27.2. Технология изготовления деталей из углерод-углеродных композитов......165
    27.3. Изготовление деталей из композитов с металлической матрицей.......166
      27.3.1. Технология изготовления деталей и заготовок из дисперсно-упрочненных композитов...................................166
      27.3.2. Технология изготовления деталей и заготовок из волокнистых композитов.............................................167
      27.3.3. Метод пропитки................................................169
      27.3.4. Метод направленной кристаллизации.............................170
      27.3.5. Получение деталей из псевдосплавов............................171
  Глава 28. Наноструктурные материалы. Свойства. Технологии получения. Области применения........................................................173
    28.1. Наноструктурные материалы. Принципиальные особенности.............173
    28.2. Классификация наноструктурных материалов..........................175
      28.2.1. Нульмерные наноматериалы (0D).................................175
      28.2.2. Одномерные наноматериалы (1D).................................177
      28.2.3. Двухмерные наноматериалы (2D).................................181
      28.2.4. Трехмерные наноматериалы (3D).................................182
    28.3. Технологии получения наноматериалов...............................184
      28.3.1. Зондовые технологии...........................................185
      28.3.2. Золь-гель методы..............................................188
    28.4. Технологии получения наноматериалов разной размерности............192
      28.4.1. Технологии получения OD-материалов............................192
      28.4.2. Технологии получения Ю-материалов.............................194
      28.4.3. Технологии получения 2D-материалов............................197
      28.4.4. Технологии получения 3D-материалов............................199
    28.5. Нанокомпозиты и технологии их изготовления........................202
    28.6. Свойства и области применения наноразмерых материалов.............203
      28.6.1. Машиностроительные материалы..................................203
      28.6.2. Функциональные материалы......................................205
      28.6.3. Стабильность структуры и свойств наноматериалов...............207
  Глава 29. Аддитивное производство ........................................210
    29.1. Характеристика аддитивного производства...........................210
    29.2. Классификация аддитивных технологий...............................214
    29.3. Технологии и оборудование аддитивного производства изделий из полимерных материалов................................................215
      29.3.1. Фотополимеризация в ванне. Стереолитография (SLA — Stereolithography).
      Цифровая светодиодная проекция (DLP — Digital Light Processing)...........215
      29.3.2. Экструдерное осаждение (FDM Fused Deposition Modeling)............216
      29.3.3. Струйное нанесение материала. Технология PolyJet (многоструйная)..217
      29.3.4. Струйное нанесение связующего вещества. Струйная трехмерная печать (3DP)......................................218
      29.3.5. Листовое ламинирование пластиковых листов (PSL — Plastic Sheet Lamination)..........................................219
      29.3.6. Селективное лазерное спекание (SLS)...............................220
    29.4. Технологии и оборудование аддитивного производства изделий из металлических материалов.............................................221
      29.4.1. Металлопорошки для аддитивного производства. Характеристики. Технология получения..................................................221
      29.4.2. Технологии селективного лазерного и электронно-лучевого плавления.224
      29.4.3. Технологии лазерной и электронно-лучевой наплавки.............227
    29.5. Область рационального применения аддитивных технологий............230
Темы рефератов и докладов...................................................233
Тест........................................................................234
Правильные ответы к тесту...................................................238
Библиографический список....................................................239

Введение









   Книга 2 представляет третью часть учебника «Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов», посвященную технологиям изготовления заготовок и деталей, являющихся «предметами труда» по терминологии ГОСТ 3.1109-82 «Единая система технологической документации (ЕСТД). Термины и определения основных понятий».
   Заготовка — промежуточный продукт производства, из которого изготавливают детали. В качестве заготовок может использоваться продукция металлургических комбинатов (прутки, профильный прокат, трубы, слитки), а также предприятий, производящих неметаллические и композиционные материалы (например, препреги и премиксы).
   Чаще, однако, эта продукция является исходной для получения заготовок на машиностроительных предприятиях (например, получение штамповки определенной формы из прутка). Производство именно таких заготовок рассматривается в третьей части книги. Любое изделие является заготовкой до тех пор, пока оно не приобрело форму, размеры и свойства, определенные технической документацией — чертежом детали. Только после этого заготовка превращается в деталь. Деталь — сборочная часть узла или машины (агрегата).
   Содержание и последовательность действий, позволяющих получить заготовку, деталь, являются технологическим процессом — это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. Технологический процесс может быть отнесен к изделию, его составной части или к методам обработки, формообразования и сборки (ГОСТ 3.1109-82 «Единая система технологической документации (ЕСТД). Термины и определения основных понятий»).
   Главная задача, решаемая при разработке технологического процесса изготовления детали, заключается в достижении технических требований, определяемых условиями эксплуатации и заданных конструкторской документацией.
   При этом необходимо обеспечить меньшую трудоемкость изготовления детали (заготовки), лучшее использование материала (наибольший коэффициент использования материала — КИМ), минимизировать энергетические затраты.
   Это сложная задача, по-разному решаемая для производств разного типа. Так, например, создание специальной оснастки (например, штамповой) целесообразно в крупносерийном производстве и неэффективно в условиях единичного производства.
   В современном машиностроительном производстве используются разнообразные методы формообразования заготовок и деталей машин: литье; обработка давлением; механическая обработка; физические и химические методы, используемые для получения заготовок и деталей из металлических, неметаллических и композиционных материалов. В учебнике рассмотрены эти технологии, а также определены области их рационального применения.

Введение

7

   Рассмотрены «прорывные» технологии. Это нанотехнологии, позволяющие получить материалы и изделия с уникальными механическими и функциональными свойствами. Это аддитивные технологии, применяя которые можно изготовить металлические и неметаллические детали весьма сложной формы, производство которых традиционными методами весьма трудоемко или просто невозможно.
   В учебнике приведены сведения о технологическом оборудовании, на котором реализуются технологические процессы изготовления заготовок и деталей.
   Учебник предназначен для бакалавров и магистрантов высших учебных заведений, обучающихся по укрупненным группам направлениий подготовки 15.00.00 «Машиностроение», 22.00.00 «Технологии материалов», также будет интересен и специалистам машиностроительных предприятий.
   В результате освоения материала, изложенного в учебнике «Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов. Книга 2. Технология изготовления заготовок и деталей» бакалавр (магистр) должен: знать
   • технологические свойства материалов;
   • литейные свойства и материалы литейного производства;
   • технологическую пластичность в холодном и горячем состоянии;
   •     свариваемость материалов, их склонность к образованию холодных и горячих трещин;
   • обрабатываемость резанием;
   •     технологические процессы изготовления заготовок и деталей из металлических, неметаллических и композиционных материалов;
   • технологии литейного производства;
   • технологии обработки давлением;
   • технологические процессы и материалы сварки и пайки;
   • технологические операции обработки резанием;
   • основы нанотехнологий и аддитивных технологий;
   •     специальные технологии изготовления изделий из неметаллических и композиционных материалов;
   • производственное оборудование;
   • основное оборудование и его технологические возможности;
   • технологическую оснастку и инструмент;
   • требования к точности — систему допусков и посадок;
   уметь
   •     использовать конструкторскую документацию при разработке технологических процессов изготовления деталей;
   • выбирать метод получения заготовок;
   • разрабатывать технологические маршруты изготовления заготовок и деталей;
   • проектировать технологические операции изготовления и контроля деталей;
   • проектировать технологические процессы;
   •     выбирать материалы с лучшими технологическими свойствами для конкретных условий производства заготовок и деталей;
   •     выбирать инструментальные материалы для конкретных технологических процессов;
   владеть
   •     знаниями в области технологических свойств конструкционных металлических, неметаллических и композиционных материалов;

Введение

   •    знаниями типовых технологических процессов изготовления отливок, поковок, обработки резанием;
   •    принципами выбора инструментальных материалов для различных формообразующих технологических операций;
   • техникой определения линейных и угловых размеров;
   •    техникой анализа данных шероховатости обработанной поверхности (анализ данных профилограмм).

Часть III ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК И ДЕТАЛЕЙ








Глава 18




                ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ




   Выбор материала детали, в первую очередь, определяется эксплуатационными требованиями — деталь должна быть работоспособной в конкретных условиях, которые могут быть весьма разнообразными: различные нагрузки, температура, среда и т.д. В ряде случаев необходимыми являются специальные физические свойства, так, материал должен быть немагнитным или, напротив, обладать высокими магнитными свойствами, низкой или высокой электропроводностью и т.д.
   На практике деталь одного и того же назначения может быть изготовлена из разных материалов, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям. В этом случае выбор материала определится его технологическими свойствами. Например, по условиям эксплуатации деталь сложной конфигурации можно изготовить из стали или чугуна. Этот выбор определяет различные технологии — сварку для стальной или литье для чугунной детали. Решение будет принято в зависимости от серийности производства, технологических возможностей предприятия и т.д. Очевидно, если необходима только одна деталь, ее проще изготовить сваркой, т.е. из стали.
   Технологические свойства материала характеризуют поведение материалов в процессе изготовления из них заготовок и деталей. Низкая технологичность материала вызывает снижение производительности. Более того, она может являться причиной брака. В ряде случаев именно технологические свойства определяют возможность применения того или иного материала. Приведем некоторые примеры. В условиях массового производства при обработке деталей на металлорежущих станках-автоматах важнейшим требованием к материалу является хорошая обрабатываемость резанием. При этом достигается высокая производительность обработки, высокая стойкость режущего инструмента, хороший отвод стружки из зоны резания. Без соблюдения этих условий невозможна автоматизация технологического процесса. Если деталь целесообразно изготавливать методами пластического деформирования, следует выбирать материал, обладающий высокой пластичностью.
   Окончательный выбор материала для конкретных условий определяется экономическими соображениями. Из всех возможных вариантов, удовлетворяющих эксплуатационным и технологическим требованиям, естественно, выбирается наименее дорогостоящий.
   Основные технологические процессы, применяемые при изготовлении заготовок и деталей: литье, обработка давлением, сварка, обработка резанием. Рассмотрим технологические требования к материалам при реализации этих технологий.

Часть III. Технология изготовления заготовок и деталей

18.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ЛИТЬЯ (ЛИТЕЙНЫМ СПЛАВАМ)

Рис. 18.1. Спиральная технологическая проба на жидкотекучесть

     Литую заготовку — отливку — получают заливкой расплавленного металла в литейную форму. Для получения качественной отливки металл должен легко заполнять форму и точно воспроизводить ее конфигурацию. Это достигается при хорошей жидкотекучести сплава и его малой усадке. Именно эти свойства характеризуют технологичность литейных сплавов.
     Жидкотекучесть (способность металлов заполнять форму) оценивают с помощью специальных технологических проб. Используют, в частности, спиральную пробу (рис. 18.1). В пробу заливают жидкий металл, который остывает по мере того, как он течет по спирали. Тече

  ние прекращается, когда металл затвердевает. Жидкотекучесть оценивают по длине спиралевидного прутка, т.е. по величине перемещения жидкого металла. Очевид

  но, что жидкотекучесть сплава тем лучше, чем ниже температура его затвердевания. Такой металл затвердеет позже, т.е. протечет по спирали дальше.
    Анализ диаграмм состояния показывает, что наименьшую температуру затвердевания имеют сплавы эвтектического состава. Так, в системе Al — Si (рис. 18.2) — это сплав, содержащий 11,7 % Si. Сплавы с близким содержанием кремния (литейные сплавы) называют силуминами. Именно наличие эвтектики в структуре чугунов определяет их более низкую температуру кристаллизации и высокие литейные качества в отличие от сталей, в структуре которых эвтектики нет (см. рис. 10.1). Чугунное литье составляет около 70 % литья черных металлов (правда, следует учитывать, что именно из чугуна изготавливают массивные отливки — станины станков, прессов и др.).
    При затвердевании объем металла уменьшается, т.е. происходит усадка. Различают объемную и линейную усадку — это, соответственно, разница (%) в объемах и линейных размерах формы (размеры формы соответствуют размерам рас
Рис. 18.2. Литейные сплавы в системе Al - Si

плавленного металла) и твердого металла. Для определения линейной усадки используют технологические пробы. Металл заливают в формы определенных размеров (например, с квадратным сечением 20x20 мм и длиной от 130 до 400 мм). Линейная усадка составит (lф - lотл) / lфХ 100 % (lф и lотл - длина формы и отливки соответственно).
    Малая усадка весьма важна при производстве фасонного литья, т.е. изделий сложной формы. Объем сплава в этом случае должен мало изменяться (уменьшаться) при затвердевании. Это возможно, если в структуре сплава имеются фазы малой плотности, т.е. имеющие большой удель