Дизайн в обработке конструкционных материалов

Федеральное агенство по образованию

 

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального 

 

образования

 

«Челябинский государственный  педагогический универститет»

 

Естественно-технологический  факультет

 

Кафедра Технологии и Методики преподавания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

На тему: Дизайн в обработке конструкционных материалов

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 3 курса                                     Научный руководитель:

Очной формы обучения                                           к.п.н., доцент

Зверев  П.В.                                                                  Яковлев П.С .

__________________________                               ______________________

 

 

2012 год

Содержание:

 

 

Глава I Сложности применения дизайна в обработке конструкционных материалов

 

1.1 Конструкционные материалы, классификация свойств

 

1.2 Виды обработки конструкционных  материалов

 

Глава II Современные методы обработки конструкционных материалов

Глава III Возможности применения дизайна в обработке конструкционных материалов на уроках технологии

 

Приложения

 

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава I Сложности применения дизайна в обработке конструкционных материалов

 

    В современных условиях развития общества одним из основных факторов технологического процесса в машиностроении является совершенствование технологии производства. Коренное преобразование производства возможно в результате создания более совершенствованных средств труда, разработки принципиально новых технологий.

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

    Важным направлением научно – технического прогресса является создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используется сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные, порошковые полимерные и другие материалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Обработка этих материалов связана с решением серьезных технологических вопросов.

    Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая на практике их заданные характеристики и надежность работы с учетом экономических показателей.

   Описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряет сведения о строении и свойствах конструкционных материалов. Основные методы обработки конструкционных материалов: литье, обработка давлением, сварка и обработка резанием. Эти методы в современной технологии конструкционных материалов характеризуется многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении.

       Решать проблемы единства красоты и пользы взял на себя в 20 в. промышленный дизайнер. Не противопоставления красоты и пользы, не отождествление их друг с другом, а гармоничное единство этих качеств, вот как ставит вопрос современный дизайнер. Однако роль дизайнера как художника-творца применительно к изделию разного плана неодинаково. Так существуют объекты с преобладающими утилитарными требованиями к их оформлению.

    Это станки, приборы,  машины и т.д. При создании  этих предметов возможности в  разнообразии поиска дизайнера  более ограничена. Тут форма изделия  очень сильно тесно связана  с его технической конструкцией. В современной методике дизайна  как непременное условие достижения  эстетической выразительности изделия технологического назначения выделяется:

  а) обеспечение оптимального функционирования

  б) применение технически прогрессивных материалов, конструкций технических прогрессов

  в) наглядное выявление в форме закономерностей её функциональных и технических процессов.

    Существует и  другой вид изделий, в форме  которых художественные качества  имеют большую роль, чем в группе  выше названных объектов. Художественный  поиск форм у дизайнера здесь  более широк. Важными усл-ми  здесь являются:

   а) следовать стилю, моде образному смыслу;

  б) совершенство композиционного деления;

  в) учет технически конструктивных, технологических и прочих элементов формообразования.

   В разных изделиях  материал и конструкция по-разному  влияют на форму. В большинстве  случаев материал влияет на  форму предмета не непосредственно,  а через конструкцию. В простых  изделиях конструкция элементарна  и материал, как правило, используется  в монолите. В сложном же изделии  взаимосвязь межу материалом  и конструкцией и создаваемой  формой иная. Ибо материал работает, полностью подчиняясь конструкции.  Разные способы обработки материала,  различные технологические процессы  так же влияют на образование  формы. При использовании различных  технологий получается иная внешняя  форма, по характеру, пластике, фактуре.

  Типы конструкций,  которые используются в промышленных  изделиях, меняют на форму и  пластику и образуют 2 осн. группы:

1. пространственные, открытые  конструкции (решетчатые)

2. закрытые конструкции,  внешний контур которых типа  оболочки может быть образован  монолитной конструкцией.

Эти 2 типа конструкций влияют на форму изделия по-разному, в  открытых конструкциях на лицо прямая связь конструктивной основы с внешней  формой, в закрытых конструкциях наблюдаются  обратные явления, многие агрегаты скрыты за оболочками, кожухами и т.д. Здесь  нет прямой непосредственной связи  между конструкцией и внешней  формой. [ 3, 5, 38, 41 ]

 

1.1 Конструкционные материалы и их свойства

 

   Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами Конструкционные материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Конструкционные материалы  подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические  и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

   Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.

   В составе конструкционных материалов нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств.

   Классификация свойств конструкционных материалов:

    Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов.

Прочность (способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних сил);

Твердость (способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии);

Упругость (способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения);

Вязкость (способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения);

Хрупкость (способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации).

 

     Физические свойства характеризуют поверхность материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.

Свет (способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны);

Плотность (масса единицы объема вещества);

Температура плавления;

Электропроводность (способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток);

Теплопроводность (способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому);

Теплоёмктсть (способность материала поглощать определенное количество теплоты);

Магнитные (способность материала хорошо намагничиваться);

Коэффициент объемного  и линейного расширения.

   Технологические свойства характеризуются способностью материала подвергаться различным видам горячей и холодной обработки.

Литейные свойства;

Ковкость (важно при обработке давлением);

Свариваемость (это показатель того, на сколько материал может показать свариваемые соединения);

Обработка резанием;

Прокаливаемость;

Закаливаемость.

   Эксплуатационные свойства, характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.

   Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с другими веществами.

Растворимость (способность материала образовывать с одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);

Жаростойкость (способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной атмосферой при высоких температурах);

Коррозионостойкость (способность металлических материалов противостоять разрушению в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды (аналогичное свойство для неметаллических материалов- химикостойкость));

Окисление (способность материалов отдавать электроны, то есть окисляться при химическом взаимодействии с окружающей средой или другой материей). [ 10 ]

 

1.2  Виды обработки конструкционных материалов

 

  Обработка резанием:

   В основу режущих инструментов положен режущий клин, состоящий

из двух поверхностей, сходящихся в острую кромку. При перемещении

клина относительно обрабатываемого  материала он давит на заготовку  и

разделяет ее на две неравные части, меньшая из которых деформируется  и

превращается в стружку. Режущий клин при работе подвергается истира-

нию, тепловым воздействиям и силовым нагрузкам. Внедрение  клина в

заготовку возможно лишь при  преобладающей прочности материала клина.

     Процесс резания можно рассматривать как процесс местного сжатия

металла резцом с последующим  образованием стружки. Слой материала,

подлежащий срезанию, находится  в сложнонапряженном состоянии; уп-

ругим и пластическим деформациям  подвергаются также близлежащие

слои материала впереди  резца и под резцом.

 

  Обработка неорганических материалов:

  Характерной особенностью неметаллических конструкционных мате-

риалов (пьезокерамика, вакуумная  и конденсаторная керамика, керамика,

стекло, ферриты, полупроводники, двуокиси кремния, талька, кварца и

др.) является их низкая обрабатываемость, высокая твердость, износо-

стойкость и склонность к  разрушению при местной даже незначительной

концентрации напряжений. Обработка этих материалов режущим  инстру-

ментом затруднена, а абразивным – малопроизводительна. На обработанной поверхности деталей часто возникают сколы, трещины и микротре-

щины, которые очень трудно вывести при последующих чистовых опера-

циях.

       Широко распространенным методом механической обработки таких

материалов является обработка  алмазными кругами.

       При ультразвуковой обработке достигается высокое качество поверх-

ностного слоя, что проводит к существенному повышению износостойко-

сти и усталостной прочности  твердосплавных штампов, матриц, пресс-

форм, фильер и др. Зачастую ультразвуковой способ обработки совмеща-

ют с электрохимическим, при этом производительность обработки  повы-

шается в 10 раз, а износ  инструмента снижается в 8-10 раз.

     При механической обработке твердых неметаллических материалов,

особенно при сверлении  отверстий малого диаметра на большую  глубину,

применяется ультразвуковое резание с обработкой вращающимся  алмаз-

ным инструментом. Для этой цели используются специальные ультразву-

ковые вращающиеся головки, устанавливаемые на обычных металлоре-

жущих станках. Также возможно применение специализированных ульт-

развуковых станков (например, марки МЭ-22).

     Большинство резиновых материалов легко поддается обработке реза-

нием. Однако высокая эластичность резиновых материалов не позволяет

при обычной температуре  придать резиновому изделию соответствую-

щую конфигурацию с требуемой  точностью. Исключение составляют

эбониты и многослойно  армированные резиновые материалы. Благодаря

высокой твердости эбонита  он хорошо обрабатывается резанием на ме-

таллорежущих станках  с применением тех же режущих  инструментов, что

и для обработки конструкционных  сталей. Эбонит хорошо обрабатывает-

ся точением, фрезерованием, легко сверлится, развертывается, поддается

нарезанию резьбы, очень  хорошо полируется и т.д., однако достаточно

хрупок.

 

 Способы обработки  материалов давлением и прессованием:

   Обработка материалов давлением и прессованием предусматривает

ряд технологических методов (прямое прессование рис. 1(приложения), литьевое прессование,литье под давлением рис. 2(приложения), центробежное литье, экструзия рис. 3 (приложения), штамповка, пневмо-

и вакуумформование и др.), от которых зависит устройство и  вид техно-

логического оборудования, причем в большинстве случаев  обработка ма-

териалов осуществляется при определенной температуре.

 

Механическая  обработка материалов

   Пескоструйная обработка – это очистка поверхности деталей струей

песка (или другого материала), направленной с большой скоростью  на об-

рабатываемую поверхность. Зернам песка придают кинетическую энер-

гию сжатым воздухом, пескометным  колесом или жидкостью. Твердые  и

острые зерна врезаются  в поверхность, очищают ее от загрязнений  и ока-

лины, снимая одновременно поверхностные  частицы металла. После очи-

стки обрабатываемая поверхность  получается шероховатой, с множеством

наклепов и вмятин, величина которых зависит от материала  поверхности,давления воздуха, угла обработки  и расстояния сопла от поверхности. Если материал, производящий очистку, состоит из мягких зерен, то снимается  лишь небольшое количество металла, наклеп бывает незначительным, а иногда получается полированная поверхность.

Пескоструйная обработка  применяется для очистки отливок  и поковок,

а также подготовки поверхности  под окраску, например, для очистки  кор-

пусов судов или крупных  резервуаров.

    Водоструйная обработка поверхностей осуществляется тонкой струей

воды, выходящей из сопла  аппарата под высоким давлением (до 200 атм).

Широкое применение эта обработка  получила для очистки поверхностей

корпусов судов и крупных  резервуаров от обрастаний, прочно удержи-

вающихся субстант, старой краски (например, водоструйная установка

германской фирмы «Вома»). При обработке этим способом поверхность

становится гладкой, блестящей. Однако после обработки этим способом

поверхность подвержена быстрой  коррозии, поэтому, если есть возмож-

ность, ее просушивают и  немедленно наносят защитные покрытия.

     Голтовка – это процесс обработки поверхностей небольших деталей,

основанный на истирании  деталей, голтовочных материалов, абразивов  и

жидкости во вращающемся  барабане. При правильно подобранном  мате-

риале и режиме голтовки не только заглаживаются неровности поверхно-

стей предметов, но и последние  полируются так, что их поверхность  при-

обретает зеркальный блеск  [ 2 ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава II Современные методы обработки конструкционных материалов

 

   Постоянно растущие требования к качеству, надежности и долговеч-

ности изделий делают актуальными  создание и применение новых мето-

дов обработки упрочняющей  технологии для повышения износостойко-

сти, коррозионной стойкости, жаропрочности и других эксплуатационных

характеристик. Я рассмотрю физико-химические методы.

    Физико-механические методы имеют следующие достоинства и пре-

имущества перед процессами резания:

1) копирование формы инструмента  сложной формы сразу по всей  по-

верхности заготовки при  его простом поступательном движении;

2) обработка материалов  ведется при практической независимости  ре-

жимов обработки от твердости  и вязкости материала;

3) выполнение уникальных  операций (обработка отверстий с  криволи-

нейной или спиральной осью, изготовление очень малых отверстий, узких

и глубоких канавок и др.);

4) малые значения сил,  действующих в процессе обработки,  а при не-

которых методах – отсутствие механического контакта инструмента  и за-

готовки;

5) используется инструмент  менее твердый и менее прочный,  чем об-

рабатываемый материал;

6) высокая производительность  обработки при сравнительно высокой

точности получения размеров;

7) возможность автоматизации  и механизации процессов физико-

химической обработки, а  также многостаночного обслуживания.

Недостаток физико-химических методов: эти методы обычно более

энергоемки, чем процесс  резания, их целесообразно применять  лишь в тех

случаях, когда процессы резания малоэффективны.

    Все физико-химические методы содержат пять основных видов, каж-

дый из которых состоит  из нескольких разновидностей рис. 4 (приложения): электроразрядные; электрохимические; ультразвуковые; лучевые; комбинированные.

   В этих методах удаление припуска происходит не за счет больших

пластических деформаций (как это имеет место при  резании), а путем

электрической или химической эрозии.

    Применение физико-химических методов обеспечивает частичную или

полную автоматизацию  процессов, упрощение ручных операций, связанных с обслуживанием станка. Особенно эффективны они при изготовле-

нии таких изделий, как  штампы, пресс-формы, турбинные лопатки, каме-

ры сгорания, фасонный твердосплавный инструмент, электронная аппара-

тура и др.

 

 

 

Электроэрозионные

(электроразрядные) методы обработки

 

     Электроэрозионные методы основаны на использовании явления элек-

трической эрозии – направленного  локального разрушения электропрово-

дящих материалов в результате теплового действия импульсных электри-

ческих разрядов между  электродом-инструментом и электродом-

заготовкой. Электрод-инструмент 1 рис. 5 (приложения) и обрабатываемая заготовка 2 погружены в рабочую жидкость и соединены с генератором электрических импульсов 3. Все процессы, вызывающие обработку, протекают в межэлектродном промежутке (МЭП). При подводе к электродам электрического импульса наибольшая электрическая напряженность будет

между наиболее близкими микровыступами: происходит пробой проме-

жутка, возникают проводимость и импульсный разряд, сопровождающий-

ся очень высокой температурой (до 104 °С), вызывающей плавление и  ис-

парение металлов. Количество теплоты, выделяющейся на электродах, не-

одинаково и зависит от их полярности и энергии импульсов. Заготовку 2

соединяют с тем полюсом, на котором выделяется большая доля теплоты.

В процессе обработки электрод-инструмент 1 перемещается и с помощью

специального регулятора 4 поддерживается постоянная величина МЭП

(5…10 мкм). Рабочий процесс протекает в жидкой диэлектрической

среде (керосин, масло, дистиллированная вода).

     Рабочая жидкость при электроэрозионной обработке:

1) способствует диспергированию  продуктов эрозии, образованию

гранул шаровидной формы, препятствует осаждению продуктов  эрозии

одного электрода на другой;

2) обеспечивает стабильное  протекание процесса, удаляя продукты

эрозии и очищая межэлектродный промежуток;

3) охлаждает электроды.

   Рабочая жидкость должна иметь невысокую вязкость и безопасность в

эксплуатации, химическую нейтральность  к материалу инструмента и  де-

тали, нетоксичность и  невысокую стоимость. Общий съем металла проис-

ходит под действием большого числа электроимпульсов, следующих  с

определенной частотой.

    Величина электрической эрозии определяется химическим составом

материалов электрода-инструмента  и заготовки, составом рабочей жидко-

сти, а также энергетическими  характеристиками импульсов.

    Процесс эрозии электродов содержит три основные фазы:

1) выделение энергии в  канале разряда и передача  ее поверхностям

электродов;

2) разрушение решетки  металла (плавление, испарение);

3) эвакуация продуктов  эрозии из зоны разряда.

  Обрабатываемость материалов электроэрозионным методом зависит

от их теплофизических  свойств и условий протекания процесса. Если об-

рабатываемость нормализованной  стали принять за единицу, то для  жаро-

прочных сплавов она равна 1,3…1,4, а для тугоплавких металлов и твер-

дых сплавов лишь 0,4…0,5. Обрабатываемость закаленных сталей на

25…30% выше, чем незакаленных, из-за их меньшей теплопроводности.

    Применяются несколько кинематических схем ЭЭО.

1. Прошивание отверстий  и полостей с прямой и криволинейной  осью

– в двух вариантах:

 а) прямое копирование,  когда электрод-инструмент

находится над заготовкой; обработка бывает одно- и многоэлектродная;

б) обратное копирование с расположением заготовки над электродом-

инструментом (ЭИ). Движение подачи здесь может осуществляться заго-

товкой, при этом улучшаются условия эвакуации продуктов  эрозии и по-

вышается точность обработки.

2. Электроэрозионное шлифование, наиболее эффективное при обра-

ботке внутренних фасонных поверхностей.

3. Обработка непрофилированным  электродом 3 – движущейся тонкой

проволокой (d= 0,05…0,3 мм) –  обычно по двум координатам рис. 6 (приложения).

Эта схема позволяет вырезать сложноконтурные детали высокой  точности

при использовании коротких импульсов с малой энергией. Проволока  по-

лучает непрерывное движение посредством роликового механизма 1, 2, 6.

Обрабатываемая деталь 4 получает поперечную и продольную подачи

(или по криволинейной  траектории).

4. Формообразование путем  сочетания взаимного перемещения  обра-

батываемой детали 1 рис. 7 (приложения) и профилированного ЭИ 2 (огибание или обкатка). Такая схема используется при электроэрозионной правке фасонных алмазных кругов, обработке узких канавок (менее 0,5 мм) на стальных и твердосплавных роликах.

   Электроэрозионный метод позволяет обрабатывать отверстия с криво-

линейными осями, тонкостенные детали, узкие каналы, соединительные

отверстия в корпусах гидро- и пневмоаппаратуры. Преимущество этих

методов – отсутствие заусенцев.

   Все станки для физико-химической обработки так же, как и обычные

металлорежущие станки, делятся  на универсальные, специализированные

и специальные. Виды электроэрозионных  станков, получивших наиболь-

шее применение:

1) универсальные прошивочные  станки, работающие по схемам  пря-

мого и обратного копирования (мод. 4Г721М, 4Д721АФ3, 4Д722АФ3,

4П724Ф3М;

2) универсальные вырезные  станки (мод. 4531Ф3, 4532Ф3, 4535Ф3);

3) универсальные станки  для удаления сломанного инструмента  и

шпилек (мод. 4Б611);

4) специализированные многопозиционные  станки для перфорации

лопаток ГТД, обработки роторов  ТНА, форсунок и др.;

5) специализированные обкатные  станки для обработки кольцевых  и

винтовых ручьев переменного  сечения (МА4730А, МА4727);

6) станки для электроконтактной  обработки (МЭ301).

Наиболее широкое применение получили универсальные прошивоч-

ные и вырезные станки.

 

Электрохимические методы обработки (ЭХО)

 

    Все разновидности ЭХО основаны на использовании

процесса электролитического полирования, разработанного в 1911 г. рус-

ским химиком Е.И. Шпитальским. Электрохимическая обработка исполь-

зует процессы электролиза, т.е. химические превращения на поверхности

электродов в среде  электролита. Заготовка является анодом, а инструмент

– катодом.

В основе ЭХО лежит процесс  анодного растворения металла заготов-

ки. В рабочей среде  – электролите – молекулы вещества распадаются на

электрически заряженные частицы – ионы, каждый из которых  переносит

один или несколько  электрических зарядов, и без  внешнего электрическо-

го поля ионы в электролите  движутся хаотически. Если заготовку  и инст-

румент соединить с  источником постоянного тока (напряжением 6…12

В), то в электролите возникает  направленное движение ионов: положи-

тельные ионы (катионы) двигаются  к катоду, а отрицательные (анионы) –

к аноду. Вблизи электродов постепенно повышается концентрация ионов

противоположного знака, и на катоде начнется восстановление катионов,

а на аноде – окисление  металла, т.е. анодное растворение.

    Характер электрохимических реакций зависит от состава, концентра-

ции и температуры электролита. Наиболее распространенным электроли-

том при обработке сталей и жаропрочных сплавов является 10…20%-ный

водный раствор NaCl. Применяются  и 5…15%-ные водные растворы

азотнокислого натрия (Na2NO3) при обработке жаропрочных сплавов,