Разработка технологии производства надфилей

Министерство  образование Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Расчетно- графическое задание

По  курсу «Технология конструкционных  материалов»

Тема  №1 «Разработка технологии производства надфилей»

Факультет                                   механико- технологический

Группа   ТХ-801

Студент                                       Рыжевалова Н.О.                                                            

Преподаватель                Никулина А.А.

Новосибирск

2011

Вариант № 16

1. Выберите материал для изготовления поддона картера ДВС.
2. Опишите металлургическую технологию изготовления этого сплава.
3. Опишите технологию изготовления листа из этого сплава.
4. Опишите технологию изготовления поддона из листа.

1)Картер ДВС

Картер является настоящей  “несущей конструкцией” двигателя, внутри которой находятся разные органы кривошипного механизма, а также, в большинстве случаев, и гильзы цилиндров, как вставные, так и  цельные. Картер, закрытый снизу поддоном, а сверху головной частью, кажется довольно-таки простым компонентом, состоящим из чугунной или алюминиевой отливки, но, на самом деле, все обстоит иначе. Картеры современных моторов проектируются с помощью широкого применения компьютеров, часто прибегая к методу законченных элементов для определения деформаций, возникающих под нагрузками, действующими на данные элементы, с целью получения конструкции, одновременно легкой, с соответствующей прочностью, и, в то же время, позволяющей свести до минимума звука излучение, что является наиболее чувствительной потребностью в секторе дизелей. 
Выполнение картера для современного автомобильного двигателя значительно обязывает также и специалистов литейного производства, которые имеют дело с отливками значительных размеров, с часто трудноразрешимыми технологическими проблемами, и которым приходится немало трудиться, чтобы удовлетворять требования проектировщиков, одновременно сохраняя цены на приемлемом уровне.

История развития

 
Действительно, в самом  начале своей истории картер был  компонентом очень простой конструкции, поскольку представлял из себя опорную “раму” для подшипников коленчатого вала и для цилиндра (вал и шатун работали в открытом виде!) или же своего рода коробку очень простой формы. 
Почти все первые двигатели Отто были одноцилиндровыми, что способствовало упрощению картера; но в скором времени начали появляться и распространяться двигатели с двумя и более цилиндрами. 
Уже в 1889 году Мейбах и Деймлер применили для одного из своих автомобилей двухцилиндровый V-образный двигатель объемом 565 см3, а через год выполнили четырехцилиндровый однорядный двигатель. 
В первые годы нашего века казалось достаточно устойчивым решение, предусматривающее изготовление картера из алюминиевой отливки (в то время также в Италии этот компонент часто определяли французским термином “bati” /рама/), состоящей из верхнего и нижнего “кожуха” (но последний часто ограничивался простым поддоном). Цилиндры состояли из индивидуальных отливок из чугуна, но с годами из чугуна стали применяться двойные отливки, а позже и отливки, включающие весь “ряд” цилиндров. Закрепление на “раме” производилось с помощью низкого фланцевания и серии коротких шпилек с гайкой. В авиационных двигателях часто применялись цилиндры из стали с зазорами для воды, которые находились между гильзой и внешней “рубашкой” из листового металла, соединяемых сваркой (до конца тридцатых годов такое решение нередко применялось также для двигателей гоночных автомобилей). Параллельно с системой “bati” (рамы) из алюминия с отдельными цилиндрами, развивалось также решение, предусматривающее выполнение картера и блока цилиндров из одной чугунной отливки. Эта схема решительно взяла верх, как с конструктивной, так и с экономической точки зрения.

Моноблок

 
Но, наряду с чугунным картером, со временем стали производиться  все более интересные и многочисленные попытки создания узлов “картер + блок цилиндров” из алюминиевой отливки, со вставными, как “мокрыми”, так и “сухими” гильзами. Кажется, что первые попытки в этом направлении уходят корнями аж в десятые годы, но первый, действительно построенный и использованный в соревнованиях двигатель относится к 1929 году, это год, в котором Витторио Жано представил свою Альфа 6С 1750. Что же касается действительно многочисленного серийного производства, то оно относится к 1937 году – это производство машины Ланча Априлия V4 с головной частью и “блоком”, изготовленными из алюминиевого сплава (но нельзя забывать и американскую шестнадцати цилиндровую 1931 года!). Во всяком случае, только в пятидесятых и шестидесятых годах двигатели с картером из алюминиевого сплава и с чугунными вставными гильзами начали получать действительно широкое распространение в автомобильном серийном производстве. Несмотря на более высокие расходы на изготовление, по сравнению с решением, предусматривающим чугунный картер с цельными гильзами, эта схема позволяла получать гораздо более легкий двигатель и использовать для гильз чугун с отличными характеристиками сопротивления истиранию и коррозионной стойкости. Действительно, понадобилось много лет на то, чтобы достигнуть достаточной долговечности гильз в двигателях с чугунным блоком и цельными гильзами. В тридцатые годы, необходимость в повторной расточке гильз возникала обычно уже после 30.000 *40.000-километрового пробега, а в шестидесятые годы такая необходимость нередко стала возникать только после 100.000-километрового пробега; в настоящее время проблемы не возникают даже при двойном и более сроке эксплуатации. Проблема заключалась в плохих характеристиках используемых чугунов, для которых основным запрашиваемым качеством являлась высокая жидко текучесть.

Современная ситуация

 
Сегодня применяются чугуны с перлитной матрицей с графитом в виде пластинок средних размеров. В любом случае следует учитывать, что даже в настоящее время  некоторые чугунные картеры дизельных  двигателей (в которых коррозия может  все ещё представлять серьезную  проблему, учитывая высокое содержание серы в газойле) снабжены вставными  “сухими” гильзами (очевидно, применяется  другой чугун, стойкий к травлению). 
Естественно, получению возможных на сегодняшний день длительных пробегов в основном способствовали улучшения в секторе смазок (более эффективные установки и масла с улучшенными характеристиками) . 
Картеры из алюминиевого сплава тоже могут снабжаться чугунными вставными “сухими” гильзами (например, в некоторых двигателях японского проектирования), но обычно в автомобильной промышленности предпочитается использование вставных “мокрых” гильз, т.е. омываемых снаружи охлаждающей жидкостью. Когда применяются гильзы с нижней опорой, то употребляются картеры открытого типа (“open-deck”), когда же применяются гильзы с бортиком для верхней опоры, то употребляются картеры закрытого типа (“closed-deck”) (картеры этих двух типов могут существовать и при использовании цельных или вставных “сухих” гильз). 
После многолетней работы над этим решением, как в Германии, так и в США, в 1969 году фирма Дженерал Моторс представила Шевроле Вега серийного производства с картером двигателя из алюминия с цельными гильзами без поверхностной наплавки. Примененный материал – это сплав Рейнольде 390 с 17% кремния, который отливался методом “Acurad”. Гильзы после отшлифовки подвергались химическому травлению, которое выявляло кристаллы первичного кремния, получая таким образом, рабочую поверхность для пистонов и сегментов, обладающую превосходными характеристиками. Несмотря на то, что Дженерал Моторс перестала пользоваться таким решением, эпоха картера, полностью выполненного из алюминиевого сплава и включающего блок цилиндров, началась. В настоящее время по этому пути идет преимущественно немецкая промышленность, для выполнения престижных автомобилей (Мерседес-Бенц, Порш), в то же время это решение все чаще применяется в мотоциклетной области.

2) Алюминиевые  сплавы 

Алюминиевые сплавы легко окисляются при расплавлении, насыщаются водородом (содержание водорода может достигать 0,5-,0 см²сна 100 г металла) и другими неметаллическими включениями.

Основные окислители - кислород и  пары воды. В зависимости от температуры, парциального давления кислорода и  паров воды, а также кинетических условий взаимодействия при окислении  образуется оксид алюминия (Аl₂ O₃) и субоксиды (Al₂ O и AlO).

В обычных условиях плавки термодинамически устойчивой фазой является оксид алюминия γ - Аl₂O₃, который не растворяется в алюминии и не образует легкоплавких соединений.

Кроме оксидов алюминия в расплавах  могут присутствовать: оксид магния (MgO), магнезиальная шпинель MgAl₂O₄, нитриды алюминия, магния, титана (AlN_, Mg₃N₃, TlN0, карбиды алюминия (Al₂C), бориды алюминия и титана (AlB₂. TlB₃) и др.

Большинство легирующих элементов (Сu, Si, Mn) не оказывают влияния на процесс окисления алюминия; щелочные и щелочно - земельные металлы (К, Na, Li, Ba, Ca, Sr, Mg), а также цинк увеличивают окисляемость алюминия из-за образования рыхлых оксидных плен.

Порядок загрузки шихтовых материалов: чушковый алюминий, крупногабаритные отходы, отходы литейных и механических цехов (литники, некачественные отливки, брикетизированная стружка и т.п.), переплав, лигатуры (чистые металлы). Компоненты шихты вводят в жидкий металл при температуре, ^оС: 730 (не выше) - стружку и мелкий лом; 740-750 - медь, при 700-740 - кремний, 700-740 - лигатуры; цинк загружают перед магнием к концу плавки. Температура нагрева литейных алюминиевых сплавов не должна превышать 800-830 ^оС.

Обязательной операцией является рафинирование от неметаллических  включений и растворенного водорода.

Основным источником водорода являются пары воды, оксидные пленки на шихтовых материалах, легирующие элементы и  лигатуры. Максимальная скорость плавки и минимальная длительность выдержки в печи перед разливкой способствуют повышению его чистоты.

Уменьшение компактности и увеличение удельной поверхности шихтовых материалов оказывают существенное влияние  на степень загрязнения алюминиевых  сплавов неметаллическими включениями  и водородом.

При плавке алюминиевых сплавов, содержащих кремний, следует предусмотреть  меры от загрязнения сплавов железом. Перед плавкой необходимо очистить печь (тигель) от остатков шлака предыдущей плавки. Чугунный тигель и плавильный инструмент очищают от следов расплава и окрашивают защитной краской.

При плавке алюминиевых сплавов, содержащих магний, медь и марганец, вначале  в печь загружают чушковый алюминий и силумин, затем лигатуры и чушковые отходы. Магний вводят после рафинирования  при 720-730 ^оС с помощью окрашенного колокольчика, после чего сплавы модифицируют и разливают.

Плавку сложнолегированных алюминиевых  сплавов с высоким содержанием  магния проводят только в графитовых тиглях в связи с минимально допустимым содержанием вредных примесей железа и кремния.

Применяемый плавильно - разливочный инструмент должен быть из графита или титана.

При использовании для приготовления  сплавов возврата собственного производства порядок плавки должен быть следующий: расплавление чистого алюминия и  лигатуры Аl - Be; введение при 670-700 ^оС возврата собственного производства. После расплавления возврата порядок загрузки остальных составляющих шихты и режимы плавки сохраняются такими же, как и при приготовлении на чистых металлах. Температура перегрева сплавов не должна превышать 750 ^оС.

3)Прокатка цветного металла

Операция прокатки  заключается в том, что металл обжимается между вращающимися валками прокатных станов.

Прокатка — самый массовый способ обработки металлов давлением. Количество выпускаемого металлургическими заводами прокатанного металла служит одним из важнейших показателей уровня развития металлопромышленности в стране.

Прокаткой получают рельсы, строительные балки разнообразного сечения, листы разной толщины, прутковый материал, трубы, т. е. основную продукцию для развития многих видов промышленности, строительства и транспорта.

Схема прокатки показана на рис. 1.

Как следует из схемы, два валка, установленных на расстоянии h(щель), вращаясь в разные стороны, захватывают благодаря трению заготовку, имеющую высоту Н, которая проходит между валками по направлению стрелки. Впроцессе прохода между валками высота заготовки Н уменьшается до h, а длина увеличивается. Величина Н-hназывается абсолютной величиной сжатия, а отношение  (H-h)/H* 100%  —  степенью обжатия, или относительным обжатием.  

Рис 1.  Схема процесса прокатки 

Рис. 2.   Валки для прокатки металла:

а — листа,   б — профилей  

На рис. 2 показаны    валки  для прокатки листов и профилей.  Группа валков, установленных в станине, образует так называемую  клеть.

Несколько оборудованных  специальными вспомогательными устройствами соединенных между собой клетейсоставляют   прокатный   стан.

Станы, в зависимости от изготовляемой продукции, бывают листопрокатные (производство листов), сортопрокатные (производство балок, прутков, полос), трубопрокатные (производство труб), рельсобалочные и  специальные.

Прокатные станы различаются также в зависимости от того, в каком состоянии обрабатывается металл — в горячем или холодном.

В зависимости от количества валков прокатные станы бывают двухвалковые, трехвалковые, многовалковые. Станыназываются реверсивными, если прокатка производится как в одном, так и в обратном направлении.

За последние два десятилетия  советские конструкторы создали  много прокатных станов с высокойпроизводительностью и очень  большой скоростью прокатки. Стан для прокатки тонкой ленты может выдать до 35 м/сек готовой продукции. Металл движется здесь со скоростью 125 км/ч, т. е. со скоростью самого быстрого поезда.

Прокатные станы большой мощности, предназначенные для предварительной обжимки крупных слитков, называются блюмингами и слябингами. Блюминги с диаметром валков от 840 до 1150 мм позволяют получать продукцию в виде обжатых слитков сечением от 140 х 140 до 450x450 мм. Такие обжатые слитки квадратного сечения(блумсы) весят до 10—12 т  и более.

Слябингаминазываются мощные станы для прокатки листовых заготовок толщиной до 250 мм и длиной до 5 м. Какблюминги, так и слябинги обладают огромной производительностью от 1,5 до 2 млн. 1 слитков в год.

Необходимость получения  больших слитков объясняется  тем, что растущая потребность в металле заставляет увеличивать размеры печей, разливка же стали из больших печей в мелкие изложницы сопровождается трудностями и невыгодна экономически.

Виды проката. Металл, подвергнутый обработке прокаткой, называется прокатом. Прокат делится на следующие основные виды: листовой, сортовой, трубы.

Листовой    прокат    различается:

-по качеству исходного  материала, т. е. в зависимости  от того, какая сталь подвергалась прокатке — обыкновенная или повышенного качества;

- по способу изготовления — прокаткой в горячем или в холодном состоянии;

- по толщине листов: тонкий  листовой прокат — до 4 мм, толстый — более 4 мм;

- по отделке поверхности — глянцевый, матовый, полированный, с покрытиями.

Из стального листового проката наиболее широко применяют следующие виды:

- сталь листовая кровельная в отожженном состоянии;

- сталь листовая декапированная, т. е. мягкая и пластичная, с повышенным сопротивлением коррозии после отжигаи травления, употребляемая как заменитель цветных металлов;

- сталь черная полированная — после отжига и полировки, применяемая как облицовочный материал;

- белая жесть — тонкие листы мягкой стали, покрытые оловом.

Сортовой  прокат различают по форме и размерам поперечного сечения, по отделке поверхности и термической обработке, которой подвергался данный вид проката, т. е. отожженный прокат, без отжига, нормализованный и т. д.

Из сортового проката наиболее широко применяют:

- рельсы, швеллеры (крупный сорт);

- балки углового, таврового, двутаврового профиля, полосы (средний сорт);

- арматурное железо, прутки, катанка (мелкий сорт).

Сортовой прокат имеет самые разнообразные фасонные профили (рис. 3).

В промышленности все чаще применяют профильный листовой прокат, а также прокат с периодически изменяющимся по длине профилем. Такой прокат применяют в качестве заготовки для штамповки, что позволяет уменьшить отходы металла и значительно снизить трудоемкость при изготовлении изделий.  

Рис. 3. Основные виды профилей проката: а — квадратная сталь,   б — круглая сталь, nbsp; в — полосовая сталь, nbsp; г — треугольная, опальная, полукруглая, сегментная, д — угловая сталь неравнобокая и равнобокая, е — швеллеры, ж — двутавровая сталь, э — тавровая сталь, и — рельсы, к — зето вая сталь, л — колонная сталь  

Бесслитковая  прокатка.

Способом, показанным на рис. 4, прокатывают жидкий металл, который  из ковша  1 через желоб 2 направляют в воронку 4 между двумя вращающимися валками 3, охлаждаемыми водой.

Попадая в воронку, металл затвердевает и изменяет форму, как и при обычной прокатке. 

Рис. 4. Схема бесслитковой прокатки 

Трубный  прокат.

Особой отраслью прокатки является  производство  труб, которые широко используют в машиностроении, строительстве зданий, в разведочном бурении, для водо-, нефте- и газопроводов и т. д.

Огромной потребностью народного  хозяйства в производстве труб вызвано изобретение станов сверхвысокой скорости. Самой высокой в мире скоростью обладают агрегаты печной сварки труб, работающие на Челябинском и Таганрогском металлургических заводах. Ежеминутно Стан выдает 500 м водопроводных труб.

Трубы изготовляют сварными и бесшовными.

Сварные  трубы  получают путем прокатки заготовок на полосы и последующей их сварки.

Ширина полос должна соответствовать диаметру изготовляемых труб. Кромки полос скашивают на кромкострогальных станках так, чтобы при наложении одной кромки на другую толщина стенок сварной трубы была одинаковой. Затем следует нагревание полос, загибка их в трубу, протягивание через воронку на волочильном станеи сваривание.

В последнее время применяется  новый, более производительный метод — спиральная сварка, при которой полосасвертывается спиралью и соприкасающиеся кромки свариваются с помощью специального сварочного аппарата. 

Рис. 5.   Схема   прокатки    заготовки для получения бесшовных труб:

А —заготовка, В — цилиндрический стержень, М и N — валки 

Изготовление  бесшовных труб  состоит из двух операций:

получения отверстия в болванке с помощью конических валков и оправки (рис. 5); последующей прокатки полученной заготовки, нагретой до 1100—1200° С на специальном стане. Тонкостенные трубы изготовляют волочениемзаготовок на подвижных или неподвижных оправках.

Трубы различают не только по способу производства, но и по ряду других признаков: по материалу, диаметру, толщине стенок, по длине, термической обработке, состоянию поверхности (без покрытий и с покрытиями), по химической стойкости и назначению.

4)Горячая объемная штамповка

Горячая объемная штамповка – способ обработки металлов давлением, при котором изделию придается необходимая форма при помощи специального инструмента – штампа.

Образуемая в  результате объемной штамповки деталь называемая поковкой.

При объемной штамповке  металл деформируется одновременно по всему объему, а течение его  происходит в полости штампа, очертания  и размеры которой соответствуют  будущей детали.

По сравнению  с ковкой штамповка имеет ряд  преимуществ.

 1. Имеет более высокую производительность;

 2. Обеспечивает меньший расход материала;

 3. За счет более высокой точности позволяет значительно сократить объем последующей обработки резанием.

Недостатки:

1. Для объемной  штамповки паковок требуется  гораздо большее усилие деформирования;

2. Штамп дорогостоящий  инструмент и пригоден только  для изготовления одной, конкретной  паковки.

Поэтом горячая  объемная штамповка экономически целесообразно  применению в крупносерийном и массовом производстве при изготовлении паковок  от нескольких грамм до 20 килограмм.

Штампы – это массивные стальные формы, состоящие из двух частей в которых имеются полости. Эти полости называются ручьями. Верхняя часть штампа закрепляется на подвижной части кузнечной машины, нижняя – на неподвижной. При смыкании обеих частей штампов образуется ручей, формы и размеры которого соответствуют изготавливаемому изделию. В зависимости от степени сложности изделия используют штампы одноручьевые или многоручьевые. Штамповка паковок сложной конфигурации производится в многоручьевых штампах, ручьи которого подразделяются на заготовительные и штамповочные (чистовые и черновые).

В заготовительных  ручьях происходит предварительное, а в штамповочных – окончательная форма изменения заготовки.

Различают штамповку  в открытых и закрытых штампах.

При штамповке в  открытых штампах в плоскости  их разъема часть металла вытекает в облойную щель – получается заусенец (облой), что служит гарантией полного заполнения полости металлом.

Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что  полость штампа в процессе деформирования остается закрытой. Зазор между подвижной  и неподвижной частями штампа при этом постоянный и небольшой. Образование заусенца в нем не предусмотрено.

После штамповки  изделий производят ряд завершающих  операции: обрезку облоя, прошивку отверстий, правку, термическую обработку (отжиг или нормализацию), очитку от окалины, контроль качества паковок.

Список литературы:

1. Эволюция конструкции двигателя http://doktor-kuzov.ru [электронный ресурс];
2. Приготовление алюминиевых сплавов http://www.alfametal.ru [электронный ресурс];
3. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей ВУЗов / А.М. Дольский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под ред. А.М. Дольского. – М.: Машиностроение, 2005. – 448с.
4. Технология производства ЭВМ / А.П. Достанко, М.И. Пикуль, А.А. Хмыль: Учеб. – Мн. Выш. Школа, 2004 – 347с.
5. ГОСТ 21631-76 Листы алюминиевые