Контрольная работа по дисциплине "Производственные технологии"

Министерство образования  Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра электротехники и технологии

 

 

 

 

Контрольная работа №1 по предмету

" ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск, 2оо8

 

Содержание

1. Превращения закаленной стали при отпуске и старении. Виды, режимы и назначение отпуска

2. Классификация и  общая характеристика процессов  формообразования и упрочняющее-чистовой обработки

3. Задача. Определите глубину проникновения электрического поля в алюминиевый и железный проводники на частотах 400 и 10⁵ Гц. Считать: для AL - µ=1, ρ=0,028 мкОм*м, для Fe - µ=1000,  ρ=0,1 мкОм*м

4. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Превращения закаленной стали при отпуске и старении. Виды, режимы и назначение отпуска.

 

 

 

Отпуск  стали - это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся  в нагреве стали до определённой температуры, выдержки и охлаждении. Цель отпуска стали - снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и  пластичности.

Различают низкий, средний и высокий отпуск. Низкий отпуск проводится при температуре 150-200 градусов Цельсия. В результате снимаются внутренние напряжения, происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости  и износостойкости. Низкому отпуску  подвергают режущий и мерительный  инструмент, а также детали, которые  должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.

При среднем  отпуске нагрев производится до 350-450 градусов Цельсия. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при  значительном увеличении упругости  и сопротивляемости действию ударных  нагрузок. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск производится при 550-650 градусов Цельсия. При этом твёрдость и  прочность снижаются значительно, но очень сильно возрастают вязкость и пластичность, однако создаётся  оптимальный вариант для конструкционных  сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей, которые  подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая  из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкционных  сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем  они больше, тем длиннее выдержка. Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течении 0,5-2,5 часа. Для измерительных  инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15 часов.

Наряду  с горячей обработкой стали, применяется  также обработка холодом.

Обработка холодом состоит в том, что  закаливаемые детали на некоторое время  погружают в среду имеющую  температуру ниже 0 градусов Цельсия.

Производить обработку холодом нужно сразу  после закалки. Такой обработке  подвергают измерительный инструмент, части точных механизмов, детали шарикоподшипников. Обработка холодом не уменьшает  внутренних напряжений, поэтому после  неё необходим отпуск.

Термомеханическая обработка относится к комбинированным  способам и представляет собой пластическую деформацию металла с закалкой. Как  при закалке, так и при пластической деформации повышение прочности  всегда связано с уменьшением  пластичности. Преимуществом является то, что при большом увеличении прочности характеристики пластичности снижаются незначительно, а ударная вязкость в 1,5-2 раза выше по сравнению с той же маркой стали после закалки низким отпуском. Термомеханическая обработка делится на два способа: высокотемпературный и низкотемпературный.

При высокотемпературном - сталь нагревают и подвергают деформации. Сразу после деформации сталь подвергается закалке, после  закалки производят низкий отпуск.

При низкотемпературном - сталь нагревается и охлаждается, после чего её деформируют. После  деформации следует закалка. После  закалки следует низкий отпуск.

Низкотемпературная  обработка получила незначительное применение. Наиболее часто применяют  высокотемпературную обработку. Её удобство в том, что заготовки  сразу после окончания горячей  обработки давлением: ковки или  проката, могут подвергаться закалке  без специального нагрева, используя  только тепло после горячего деформирования. Преимущество этого процесса состоит  в экономии топлива, для нагрева  под закалку, сокращение времени  изготовления деталей, повышении механических свойств, увеличение прочности, ударной  вязкости при незначительном снижении пластичности.

Старение  применимо к сплавам, которые  были подвергнуты закалке без  полиморфного превращения. Пересыщенный твёрдый раствор в таких сплавах  термодинамически неустойчив и склонен  к самопроизвольному распаду. Старение заключается в образовании путём  диффузии внутри зерен твердого раствора участков, обогащенных растворённым элементом (зон Гинье — Престона) и (или) дисперсных частиц избыточных фаз, чаще всего химических соединений. Эти зоны и дисперсные частицы  выделившихся фаз тормозят скольжение дислокаций, чем и обусловлено  упрочнение при старении. Стареющие  сплавы, поэтому называют дисперсионно-твердеющими. Основные параметры старения — температура и время выдержки. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы распада пересыщенного твёрдого раствора, и сплав быстрее упрочняется. Начиная с определённой выдержки, при достаточно высокой температуре происходит перестаривание — снижение прочности сплава. Причиной перестаривания является коагуляция дисперсных выделений из раствора, которая заключается в растворении более мелких и росте более крупных частиц выделившейся фазы. В результате коагуляции расстояние между этими частицами возрастает и торможение дислокаций в зёрнах твёрдого раствора уменьшается. Одни сплавы, например дуралюмины, после закалки сильно упрочняются уже во время выдержки при комнатной температуре (естественное старение). Большинство сплавов после закалки нагревают, чтобы ускорить процессы распада пересыщенного твёрдого раствора (искусственное старение). Иногда проводят ступенчатое старение с выдержкой вначале при одной, а затем при другой температуре. Старение применяют главным образом для повышения прочности и твёрдости конструкционных материалов (алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов и некоторых легированных сталей), а также для повышения коэрцитивной силы магнитно-твёрдых материалов. Время выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава и температуры старения колеблется от десятков мин до нескольких суток.

Отличие отпуска от старения связано, прежде всего, с особенностями субструктуры мартенсита, а также с поведением углерода в мартенсите закалённой стали. Для мартенсита характерно большое число дефектов кристаллического строения (дислокаций и др.). Атомы углерода быстро диффундируют в решётке мартенсита и образуют на дислокациях сегрегации, а возможно и дисперсные частицы карбида сразу после закалки или даже в период закалочного охлаждения. В результате закалённая сталь оказывается в состоянии максимального дисперсного твердения или в близком к нему состоянии. Поэтому при выделении из мартенсита дисперсных частиц карбида во время отпуска, прочность и твёрдость стали или вообще не повышаются, или достигается лишь незначительное упрочнение. Уменьшение же концентрации углерода в мартенсите при выделении из него карбида является причиной разупрочнения мартенсита. В итоге отпуск сталей, как правило, приводит к снижению твёрдости и прочности с одновременным ростом пластичности и ударной вязкости. Отпуск безуглеродистых железных сплавов, закалённых на мартенсит, может приводить к сильному дисперсионному твердению из-за выделения из пересыщенного раствора дисперсных частиц интерметаллических соединений. Причина упрочнения при этом та же, что и при старении. Термины "отпуск" и "старение" часто используют как синонимы.

Как известно  механические свойства среднеуглеродистых сталей регламентируются только после их нормализации, а также  после закалки и отпуска. В условиях производства детали машин различного назначения  изготавливают из металлопроката поставляемого в нормализованном состоянии. Поэтому в зависимости от условий работы заготовки деталей машин подвергают закалке с последующим отпуском при температурах 200-550⁰ С. В данном интервале температур протекают различные фазовые превращения, благодаря которым механические свойства изменяются в широких пределах. Так, после закалки и отпуска при 500⁰С образуется микроструктура сорбита отпуска, обладающая высокой пластичностью, но относительно небольшой статической прочностью. После отпуска при 200⁰С микроструктура состоит из мартенсита, обладающего повышенной хрупкостью. Так как большинство деталей машин работают в условиях как статических, так и динамических нагрузок, то они должны обладать наряду с высокой прочностью и относительно высокой пластичностью. В этой связи выбор температуры отпуска должен производиться исходя из условий работы конкретной детали, т.е. температура отпуска должна обеспечивать возможность получения оптимального сочетания прочности и пластичности необходимого для надежной работы детали.

Несмотря  на широкое применение закалки с  последующим отпуском для различных  деталей машин в условиях их массового  производства, температура отпуска  назначается исходя из твердости, предусмотренной  техническими условиями чертежа конкретной детали. При этом, в технических условиях чертежа детали твердость устанавливается без учета колебаний углерода в химическом составе стали в пределах, предусмотренных соответствующим ГОСТом  и таких элементов как марганец, сера, фосфор и др. Причем установленная твердость может соответствовать двум разным микроструктурам, например, малоуглеродистому мартенситу и трооститу, а каждой из этих структур свойственна определенная прочность и пластичность. Поэтому более правильно выбор температуры отпуска необходимо осуществлять исходя из конкретной микроструктуры или по экспериментальным данным характеризующих зависимость механических свойств от температуры отпуска.

Определение времени нагрева при  отпуске рекомендуется производить по табл. 1 с учетом   геометрического показателя тела W=V/F .

Таблица 1. Зависимость продолжительности  нагрева при отпуске от величины W.
Температура oС	Среда нагрева	W	Продолжительность нагрева в мин.
100	Масло	0,5	14
		1	23
		1,5	32
200		0,5	14
		1	23
		1,5	32
300		0,5	11
		1	18
		1,5	24
300	Соль	0,5	8
		1,0	14
		1,5	19
450		0,5	2,5
		1,0	6
		1,5	10
600		0,5	1,4

Примечания: 
1. Продолжительность нагрева в пламенных печах при температуре 300—600^oС должна быть увеличена по сравнению с нагревом в соляной ванне в 4—5 раз и в электрических печах в 5—6 раз. 
2. Отпуск при температуре ниже 300^oС производить в печах не рекомендуется.

Рекомендуемые нормы выдержки при  отпуске приведены в табл. 2.

Таблица 2. Рекомендуемая продолжительность  выдержки при отпуске.
Назначение отпуска	Точность изготовления изделий в мк	Температура отпуска oС	Продолжительность выдержки в часах  при диаметре или толщине изделия  в мм
			до 10	11-20	21-40	41-60	>60
Снятие напряжений и стабилизация структуры и размеров	>2	<180	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6
	2-1		Для всех размеров 8 - 10 ч.
	<1		Для всех размеров 20 - 25 ч.

При назначении режима высокотемпературного отпуска (не ниже 300^oС) можно пользоваться специальной номограммой, приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Номограмма для определения режима высокотемпературного отпуска (А. П. Гуляев)

В этой номограмме связаны между  собой четыре параметра: содержание углерода в стали в % С, температура  нагрева t, продолжительность нагрева и твердость HRC. Когда три величины заданы, можно определить  четвертую.

 

 

 

 

 

 

 

2. Классификация и  общая характеристика процессов  формообразования и упрочняющее-чистовой обработки

 

Схема формообразования дает наименование способу и поэтому является основным признаком классификации. Например, точение – это способ обработки с помощью резца, когда заготовке сообщается вращение, а инструменту – поступательное движение вдоль и (или) поперек оси вращения заготовки. Учитывая неопределенность этого признака, часто уточняют название способа указанием вида обрабатываемой поверхности (например, нарезание резьбы резцом; круглое, плоское или внутреннее шлифование).

Несмотря  на коренные различия в природе воздействия  на заготовку, всем известным методам  и способам обработки присущ общий  признак – наличие относительного перемещения заготовки и инструмента  в процессе формообразования. При  этом форму обрабатываемой поверхности  можно рассматривать как след линии (образующей), движущейся в пространстве в соответствии с законом, который  определяется другой линией (направляющей); либо как огибающую некоторого семейства  поверхностей. В последнем случае образующей является линия соприкосновения  огибающей и огибаемой поверхностей. В процессе обработки образующую и направляющую будем различать  по следующим признакам: 1) образующая подвижна в пространстве, а направляющая неподвижна; 2) форма и размеры  образующей в общем случае переменны, а направляющей – неизменны; 3) скорость образования (генерации) образующей существенно  выше, чем направляющей.

Во времени  образующая и направляющая могут  возникать прерывисто (П), непрерывно (Н) или единовременно (Е). По этому  признаку можно выделить следующие  схемы формообразования:

1. образующая и направляющая возникают прерывисто (ПП); сюда относят фрезерование телевращения, зубофрезерование червячной фрезой, дробеструйную обработку и т.д.;
2. направляющая возникает прерывисто, а образующая – непрерывно (ПН); сюда можно отнести продольное точение, строгание, торцовое фрезерование плоскости и т.д.;
3. направляющая возникает во времени прерывисто, а образующая – единовременно (ПЕ); сюда относят фрезерование фасонных канавок, плоскостей цилиндрической фрезой и т.д.;
4. направляющая и образующая возникает непрерывно (НН); к данной схеме можно отнести поперечное точение с тангенциальной подачей;
5. направляющая возникает во времени непрерывно, а образующая – единовременно (НЕ); к этой схеме относится обработка отверстия однозубой прошивкой.

По динамике процесса формообразования различают три вида обработки: предварительную (черновую), чистовую и отделочную. Цель предварительной обработки – приблизить форму обрабатываемой поверхности к заданной. При чистовой и отделочной обработке достигаются заданные параметры качества обрабатываемой поверхности. Однако рационально по возможности использовать так называемую интеграцию обработки, т.е. сразу, без предварительной обработки получать заданные точность и шероховатость. Такая однократная обработка возможна как лезвийным, так и абразивным инструментом, но она предъявляет повышенные требования к жесткости и виброустойчивости технологического оборудования и оснастки, требует повышения мощности привода.

Использование различных методов поверхностной  закалки, связанных с высокоэнергетическим воздействием (электронно-лучевая обработка, плазменная, с ТВЧ-нагревом), не обеспечивает снижение шероховатости поверхности. Для улучшения качества поверхностного слоя широко и эффективно применяется  упрочняюще-чистовая обработка поверхностным  пластическим деформированием.

 

Устройство для упрочняюще-чистовой обработки отверстий предназначено  для повышения надежности устройства за счет обеспечения стабильности процесса обработки.

Рекомендуемая область  применения

Холодная обработка металлов и  сплавов поверхностным пластическим деформированием 

Описание

Результат выполнения конструкторской разработки.

Устройство  состоит из корпуса 1 (см. рис.), сепаратора 2, в котором установлены шарики 3, контактирующие с антифрикционным  элементом 4. Натяг регулируется регулировочным механизмом, например, выполненным  в виде вала 5, регулировочной гайки 6 и прижимной пружины 7 для прижатия вала 5 к регулировочной гайке 6.

 

Устройство работает следующим образом: регулировочной гайкой 6 настраивают необходимый  для обработки отверстия натяг  посредством перемещения вала в  корпусе устройства. Начинают обработку  детали, совершая продольное перемещение (движение подачи).

Если деталь имеет  какие-либо погрешности формы, например конусность, овальность, то консоли  корпуса 1 среагируют на эти изменения  и упруго изгибаются на требуемую  величину, сохраняя постоянную величину натяга и стабильность процесса обработки. Изменение вылета вала 5 приводит к  изменению величины консолей корпуса 1 и тем самым изменяется величина натяга при обработке. Величину натяга и соответственно усилия обработки  можно регулировать в процессе обработки, что повышает производительность и  стабильность образования регулярного  микрорельефа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Задача. Определите глубину проникновения электрического поля в алюминиевый и железный проводники на частотах 400 и 10⁵ Гц. Считать: для AL - µ=1, ρ=0,028 мкОм*м, для Fe - µ=1000,  ρ=0,1 мкОм*м

 

Алюминий  является вторым по значению (после  меди) проводниковым материалом. Это  важнейший представитель так  называемых легких металлов (т. е. металлов с плотностью менее 5 Мг/м3); плотность  литого алюминия около 2,6, а прокатанного —2,7 Мг/м3. Таким образом, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий  обладает пониженными по сравнению  с медью свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковых сечении и длине электрическое  сопротивление алюминиевого провода  больше, чем медного, в0,028 : 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый  провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его  сечение в 1,63 раза большим, т. е. диаметр  должен быть в ( 1,3 раза больше диаметра медного провода. Отсюда понятно, что  если ограничены габариты, то замена меди алюминием затруднена. Если же сравнить по массе два отрезка алюминиевого и медного проводов одной длины  и одного и того же сопротивления, то окажется, что алюминиевый провод хотя и толще медного, но легче  его приблизительно в два раза: 8,9/(2,7(1,63) (2.

Алюминий  весьма активно окисляется и покрывается  тонкой оксидной пленкой с большим  электрическим сопротивлением. Эта  пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной  пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются  специальные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники. В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область  контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значением  ЭДС, причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и  алюминиевый проводник может  быть сильно разрушен коррозией. Поэтому  места соединения медных проводников  с алюминиевыми должны тщательно  защищаться от увлажнения (покрытием лаками и тому подобными способами).

 

Железо (сталь) как наиболее дешевый и  доступный металл, обладающий к тому же высокой механической прочностью, представляет большой интерес для  использования в качестве проводникового материала. Однако даже чистое железо имеет значительно более высокое  сравнительно с медью и алюминием  удельное сопротивление ( (около 0,1 мкОм-м); значение ( стали, т. е. железа с примесью углерода и других элементов, еще  выше.

При переменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно сказывается  поверхностный эффект, поэтому в  соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление  стальных проводников переменному  току выше, чем постоянному току. Кроме того, при переменном токе в стальных проводниках появляются потери мощности на гистерезис. В качестве проводникового материала обычно применяется  мягкая сталь с содержанием углерода 0,10—0,15 %, имеющая предел прочности  при растяжении (р=700—750 МПа, относительное удлинение перед разрывом (l/l = 5 —8 % и удельную проводимость ( , в б—7 раз меньшую по сравнению с медью. Такую сталь используют в качестве материала для проводов воздушных линий при передаче небольших мощностей. В подобных случаях применение стали может оказаться достаточновыгодным, так как при малой силе тока сечение провода определяется не электрическим сопротивлением, а его механической прочностью.

 

Сталь как  проводниковый материал используется также в виде шин, рельсов трамваев, электрических железных дорог (включая  «третий рельс» метро) и пр. Для  сердечников сталеалюминиевых проводов воздушных линий электропередачи (см. выше) применяется особо прочная  стальняя проволока, имеющая ар=1200—1500 МПа и (l/l = 4—5 %. Обычная сталь обладает малой стойкостью к коррозии: даже при нормальной температуре, особенно в условиях повышенной влажности, она  быстро ржавеет; при повышении температуры  скорость коррозии резко возрастает. Поэтому поверхность стальных проводов должна быть защищена слоем более  стойкого материала. Обычно для этой цели применяют покрытие цинком. Непрерывность  слоя цинка проверяется опусканием образца провода в 20 %-ный раствор  медного купороса; при этом на обнаженной стали в местах дефектов оцинковки  откладывается медь в виде красных  пятен, заметных на общем сероватом  фоне оцинкованной поверхности провода. Железо имеет высокий температурный  коэффициент удельного сопротивления. Поэтому тонкую железную проволоку, помещенную для защиты от окисления  в баллон, заполненный водородом  или иным химическим неактивным газом, можно применять в бареттерах, т. е. в приборах, использующих зависимость  сопротивления от силы тока, нагревающего помещенную в них проволочку, для  поддержания постоянства силы тока при колебаниях напряжения.

Определите глубину проникновения  электрического поля в алюминиевый  и железный проводники на частотах 400 и 10⁵ Гц. Считать: для AL - µ=1, ρ=0,028 мкОм*м, для Fe - µ=1000,  ρ=0,1 мкОм*м

Дано:

F1=400Гц   

 f2=10⁵ Гц

Al-µ=1

ρ ₁=0,028 мкОм*м

Fe- µ=1000

ρ ₂=0,1 мкОм*м

∆_1, ∆₂ - ?

 

 

ρ=1/σ   отсюда σ=1/ρ

σ₁=1/0,028=35,71

σ₂=1/0,1=10

 

 

=1/0,237=4,219

=1/62,8=0,0159

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

• http://techno.x51.ru/index.php?mod=text&txnode=223&uitxt=-1
• Махаринский Е.И. Основы технологии машиностроения: Учебник. – Мн: Выш. шк.,1997.  – с. 35.
• Технология машиностроения: В 2-х книгах. Кн. 1. Производство деталей машин: Учеб. пособие для вузов / Э.Л. Жуков, И.И. Козырь, С.Л. Мурашкин и др.; Под ред. С.Л. Мурашкина. – Под ред. С.Л. Мурашкина. – М.: Высш. шк., 2003.