Технологические процессы в машиностроении

Министерство общего и профессионального образования  Российской Федерации.

Брянский государственный технический университет

Предмет: Технологические процессы

машиностроительного производства.

Контрольная работа №1.

Вариант 1.

Студент группы З-04 ТМ1                 Малашенко Д.В.

Преподаватель                                         Давыдов С.В.

Брянск 2005 г.

1.ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

1.1Исходные материалы

Железо в чистом виде находят в земной коре редко из-за боль­шой склонности к окислению. Насчитывается около 200 различных минералов, содержащих железо. Ведущие геологи считают, что в зем­ной коре содержится примерно 5 % железа в виде окислов, карбо­натов, сульфидов и других соединений. Наиболее крупные и бога­тые окисленными соединениями железа местные скопления минера­лов называют месторождениями железных руд. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целе­сообразно перерабатывать для извлечения содержащихся  в них металлов.                                                                                                                                                                                                                        К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпа­товый железняки. Эти руды содержат много рудного вещества или соединений железа, из которого его извлекают, и относительно мало пустой породы, легко отделяющейся при переработке. Пустой поро­дой руды называют такие минералы, которые не вносят серьезных технологических осложнений в металлургическую переработку и легко отделяются от рудных минералов в процессе обогащения (см. ниже) или переходят в шлаки при плавке. В рудах обычно выделяют вредные примеси, которые осложняют металлургические процессы и, загрязняя основной металл, снижают его свойства. В железных рудах к вредным примесям относят серу, мышьяк и фосфор. Основные рудообразующие минералы железа—гематит, лимонит, магнетит.

Красный железняк (гематит) содержит железо главным обра­зом в виде Fе2О3 — безводной окиси железа. Содержание железа в крас­ных железняках составляет 45—65 % при малом содержании вред­ных примесей.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа nFе2О3*mН2О с переменным количеством гидратной влаги. Обычно бурый железняк содержит 25—50 % Fе, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным обра­зом в виде Fе3О4 (закись-окись железа), обладающей хорошо выра­женными магнитными свойствами. Магнетиты—наиболее богатые железные руды _ содержит 40—70 % железа, но восстанавливаются труднее других руд, так как являются плотными горными породами.

Для производства чугуна, кроме железных руд, требуются и дру­гие материалы. К ним в первую очередь следует отнести флюсы и кокс.

Флюсы вводят в доменную печь для того, чтобы и не допустить «зарастания» рабочего пространства печи и обеспечить плавку пу­стой породы руды и золы топлива при необходимой температуре: не слишком высокой, чтобы не тратить много топлива, и не слишком низкой, при которой окислы железа еще не успевают восстановиться. Количество и характер добавляемых флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы и определяются расчетным путем. Так как пустая порода железных руд обычно содержит крем­незем, в качестве флюса в доменных печах часто применяют извест­няк СаСО3, содержащий минимальное количество вредных примесей. Каменноугольный кокс в современном доменном производстве играет двоякую роль. Во-первых, служит топливом и обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры, и, во-вторых, обеспечивает восстановление окислов железа (см. ниже). Каменноугольный кокс содержит 82—88 % твердого углерода, 5—10 % золы, однако всегда содержит и серу (0,5—2 %).

1.2Обогащение руд

Обогащением называют предварительную обработку руды, не из­меняющую химического состава основных минералов и их агрегат­ного состояния. Обогащением из руды отделяют часть пустой породы, в результате в оставшейся части, называемой концентратом, содержа­ние рудной массы увеличивается: Отделенную от руды пустую поро­ду, называют хвостами; если она не представляет никакой ценности, при обогащении ее отбрасывают. Обога­щением иногда удается выделить. Из руды несколько концентратов с пре­обладанием в каждом разных метал­лов. Однако не все минералы под­даются обогащению в равной степе­ни, а некоторые пока еще не удается обогащать. В технике в зависимости от характера рудных минералов при­меняют много различных способов обогащения. Наиболее известны и ши­роко применяются рудоразборка, магнитное, гравитационное и фло­тационное обогащение.

Простую рудоразборку применяют очень давно; в некоторых местах еще можно встретить рудоразборку на конвейере: по цвету, блеску или форме кусков (иногда при специальном освещении) отбирают либо крупные куски богатой руды, либо пустую породу.

Магнитное обогащение применяют к минералам, имеющим большую магнитную восприимчивость. Такие минералы отделяют магнитом или электромагнитом от других минералов.

Аппараты, применяемые для магнитного обогащения, называют магнитными сепараторами. Если необходимо обогащение крупных кусков (120—150 мм), используют магнитные сепараторы, работаю­щие в воздушной среде. Для мелких кусков (менее 8 мм) применяют как сухую, так и мокрую магнитную сепарацию. Магнитные сепара­торы, работающие в водной среде, часто дают лучшие результаты. Во вращающемся барабане размещен непод­вижный электромагнит. Куски немагнитного материала, попав на поверхность барабана, падают с него в первой четверти оборота, а магнитные минералы  задерживаются до выхода их из поля маг­нитного сердечника. Материал, упавший в промежутке, обычно подвергают переочистке.

Магнитную сепарацию с успехом применяют для обогащения бедных железных руд, имеющих вкрапления магнетита, а также для очистки или сортировки металлических отходов (стружки, опил­ки, лом).

Гравитационное обогащение основано на различии в плотности и скорости падения зерен минералов в жидкостях и на воздухе. Про­стейший его вид — промывка водой железных: руд для отделения песчано-глинистой пустой породы. Однако большего эффекта можно достичь, применяя отсадочные машины, концентрационные столы и другие аппараты.

Отсадочная машина  — это сосуд с жидкостью, ниже уровня, которой установлено металличе­ское решето; на него и подается пульпа, смесь жидкости и мелких твердых частиц, содержащая обога­щаемую породу. Действием диафраг­мы, а иногда и перемещением ре­шета  в его отверстиях и между кусочков руды создается пульсирую­щий поток воды, изменяющий на­правления 100—4000 раз в минуту с амплитудой 0,5—8 см. При этом зер­на тяжелого минерала оседают на дно решета и, проваливаясь через его от­верстия, собираются в бункере, а куски легкого минерала уносятся го­ризонтальным потоком жидкости. От­садка бывает эффективнее, если раз­меры кусков руды одинаковы. Обыч­но отсадку руды ведут в серии по­следовательно включенных машин с решетками, расположенными каска­дом, что обеспечивает перемещение пульпы из одной машины в дру­гую самотеком. Эти машины успешно применяют при обогащении руд цветных металлов.

 Обогащение флотацией для железных руд пока применяют редко, но чаще  для бедных руд цветных металлов и обязательно для комплексных руд, содержащих несколько металлов, а также суль­фидных руд, содержащих ~ 1 % меди, непосредственно плавить которые очень дорого.

Сущность флотации состоит в избирательном прилипании неко­торых минеральных частиц, взвешенных в водной среде, к поверх­ности пузырьков воздуха, с помощью которых эти минеральные ча­стицы поднимаются на поверхность. Через пульпу пропускают пу­зырьки воздуха. Вследствие различной смачиваемости частицы одних минералов, плохо смачиваемые водой (или другой жидкостью, в кото­рой протекает обогащение), прикрепляются к пузырькам воздуха и, поднимаясь с ними на поверхность, образуют минерализованную пену и тем самым отделяются от других, хорошо смачиваемых мине­ралов, которые тонут и остаются в пульпе.

Для флотационного обогащения необходимо: а) тонко измельчить руду до размеров частиц, меньших 0,1 мм, что дает возможность полу­чить кусочки руды, состоящие из одного минерала, и значительно уменьшить количество сростков нескольких минералов, а также позволяет мелким пузырькам воздуха поднимать на поверхность тяжелые минералы; б) получить в пульпе много мелких пузырьков воздуха и создать условия для образования на поверхности пульпы устойчивой пены.

Для флотации применяют комплекс машин, позволяю­щих быстро и многократно повторять процесс флотации, и разные реагенты, вводи­мые в пульпу, для усиления или подавления отдельных физических свойств ее эле­ментов. Различают следующие флотационные реагенты: вспениватели, делающие пузырьки пены устойчивыми, не лопающимися, препятст­вующие их коалисценции, т. е. объединению мелких пу­зырьков в крупные (сосновое масло и другие вещества, по­лучаемые при перегонке дре­весины и каменного угля); коллекторы (собиратели), уменьшающие смачиваемость определенной группы минералов водой и облегчающие их сцепление с пузырьками воздуха. В качестве коллекторов используют слож­ные органические вещества.

При флотации часто применяют также депрессоры (подаватели), предотвращающие действие коллектора на некоторые минералы. По­давателями служат неорганические электролиты, например цианистый натрий NаСN, известь СаО, которую применяют при флотации медно-цинково-пиритных руд. При так называемой селективной флотации, когда из руды необходимо выделить концентраты нескольких метал­лов, применяют и многие другие химические вещества. Общий расход флотационных реагентов невелик, он составляет 50—300 г на 1 т руды. Для механизации отдельных трудоемких подготовительных и вспомогательных этапов флотационного обогащения используют раз­личные машины, облегчающие эти операции, например для измельче­ния руды (дробилки и мельницы), разделения ее на мелкие и круп­ные фракции (грохоты и классификаторы), аппараты для разделения пульпы на жидкость и твердые частицы (сгустители и фильтры), собственно флотационные машины и многие другие. Рассмотрим лишь один из типов машин, в которых проводится собственно флотация. В машины непрерывно подается пульпа, состоящая из воды, мелких частиц руды и уже внесенных в пульпу необходимых флотационных реагентов. Сверху по трубам  нагнетается воздух, который обеспечивает хорошее перемешивание пульпы благодаря аэролифтным трубам. Циркулирующая пульпа в смеси с пузырьками воздуха собирает в верхней части машины пену, непрерывно удаляемую через боковые пороги, высоту кото­рых можно регулировать накладными планками. Оставшаяся пульпа сливается через отверстие в боковой стенке машины и попадает в ее соседнюю секцию, так как флотационная машина состоит из 4-20 камер (секций).

                                                  1.3 Подготовка материалов к доменной плавке.

Доменная печь  работает нормально, если она за­гружена кусковым материалом оптимального размера. Слишком крупные куски руды и других материалов не успевают за время их опускания в печи прореагировать, и часть материала расходуется бесполезно; слишком мелкие куски плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для газов, что вызывает различ­ные затруднения в работе печи. Эксперименты и практический опыт показали, что наиболее удобны для доменной плавки куски разме­ром 30—80 мм в поперечнике. Поэтому добываемые на рудниках куски руды просеивают через так называемые грохоты, и куски более 100 мм в поперечнике подвергают дроблению до необходимых раз­меров. При дроблении материалов и при добыче руды в рудни­ках, наряду с крупными кусками образуется и мелочь, тоже не при­годная к плавке в шахтных печах. Возникает необходимость окускования этих материалов до нужных размеров.

В металлургии наиболее широко применяют агломерацию (спе­кание), проводимую на больших ленточных агломерационных маши­нах непрерывного действия. Исходными материалами для агломерации служат рудная мелочь и колошниковая пыль — отход доменного производства. Эти материалы смешивают с небольшим количеством (8—12 %) мелкого кокса, так называемым кокситом, имеющим в поперечнике менее 3 мм, или каменноуголь­ной мелочью. Часто в шихту добавляют мелкий, недостаточно спек­шийся агломерат.

 Слегка увлажненную (5—6 % влаги) и хорошо перемешанную шихту загружают на колосниковую решетку машины слоем 200— 300 мм и затем поджигают с поверхности под камерой зажигания, расположенной над лентой. Под колосниковой решеткой имеются камеры, в которых создается небольшой вакуум, обеспечивающий просасывание воздуха через слой агломерационной шихты и пере­мещение зоны горения коксита с поверхности шихты в ее нижние слои. В зоне горения развивается высокая температура (до 1500 °С), вследствие чего образуется небольшое количество жидкой фазы, которая  склеивает   куски   руды   после   перемещения   зоны   горения и охлаждения материала.

В результате образуется ноздревато-пористый черно-серый про­дукт спекания - агломерат. Производительность крупных агломера­ционных машин достигает 2,5 тыс. т агломерата в сутки.

В последнее десятилетие часто производят так называемый офлю­сованный агломерат, получаемый путем дополнения в агломерацион­ную шихту мелких кусочков флюса (обычно известняка). В процессе агломерации известняк СаСО3 разлагается, выделяя СО2 и участвуя в образовании агломерата. Офлюсованный агломерат еще в боль­шей степени, чем обычный, увеличивает производительность домен­ных печей (на 10—25 %) и уменьшает расход кокса на доменную плавку (на 7—20 %).

Окускование рудной мелочи проводят и другими способами. В ме­таллургии нередки случаи брикетирования — простейшего способа окускования порошковых материалов путем прессования их смеси с какими-либо связующими материалами (глиной, жидким стеклом, смолой и т. п.). Вынутые из прессов брикеты в зависимости от харак­тера связующего сушат на воздухе или обжигают для придания им необходимой прочности.

С 50-х годов в черной металлургии применяют метод окускова­ния — производство окатышей. Суть этого способа заключается в перемешивании рудной мелочи и пыли с небольшим количеством дешевого тонкоизмельченного связующего, обычно глины или извести. После небольшого увлажнения (до 8—10 %) эту смесь помещают в смеситель типа пустотелого барабана или наклонной неглубокой чаши. Рудная шихта, вращаясь в барабане (чаше), пересыпается с места на место, слипается, образуя круглые окатыши размером 25—30 мм.

Затем окатыши сушат или обжигают, чтобы сделать их доста­точно прочными для применения в крупных доменных печах. Обжиг в восстановительной атмосфере позволяет частично восстановить окислы железа и повысить тем самым производительность доменных печей.

1.4  Выплавка чугуна

Получение чугуна из железных руд осуществляется в доменных печах. Доменные печи являются крупнейшими современными  шахт­ными печами Большинство действующих доменных печей имеет полезный объем 1300—2300 м3 —объем, занятый загруженными в нее материалами и продуктами плавки. Эти печи имеют высоту примерно 30 м и выплавляют в сутки до 2000 т чугуна.

В России работает несколько доменных печей с полез­ным объемом 2700 м3 и 3200 м3. В мире работает пока немного печей объемом более 2600 м3. В 1974 г. в нашей стране вступила в строй первая доменная печь объемом 5000 м3. Эта печь существенно отли­чается от печей, построенных ранее. В ней выпуск продуктов плавки производится через четыре летки, повышена температура дутья, предусмотрены подача шихты наклонными ленточными транспорте рамп, а также другие конструктивные изменения, облегчающие труд доменщиков и повышающие производительность печи.

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верх­нюю часть печи, называемой колошником, агломерата, кокса и флю­сов, располагающихся в шахте печи слоями. При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горя­чий воздух, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмеши­вающихся жидких слоя _ чугун и шлак.

На рисунке показана схема доменной печи объемом 2700 м3. Два наклонных подъемника с опрокидывающимися скипами вместимостью до 17 м3 доставляют агломерат, кокс и другие добавки на высоту 50 м к засыпному устройству доменной печи, состоящему из двух поочередно опускающихся конусов.

В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16— 20 шт.), через которые в печь под давлением ≈ 300 кПа (3 ат) подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900—1200 °С.

Жидкий чугун выпускают каждые 3—2 ч (а в крупных печах ежечасно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскры­вают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун выносит с собой и шлак, находящийся над ним в печи. Чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяют от чугуна в желобах с помощью перекры­вающих затворов и направляют в шлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью электромагнитной пушки.

1.5Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, очень сложны и многообразны. Советские ученые, академики А. А. Банков, М. А. Павлов и другие обстоятельно занимались их изучением и создали капитальные труды по этим вопросам.  

Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разде­лить на следующие этапы: горение углерода топлива; разложение компонентов шихты; восстановление окислов; науглероживание же­леза; шлакообразование.                                                                                                                        Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900—1200 °С кислородом воздуха, поступаю­щим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции СО2 + С 5↔ 2СО.

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево при понижении.

Иногда в фурмы вводят еще природный газ или пар, который, встречаясь с раскаленным коксом, окисляет его при высоких темпе­ратурах: Н2Опар + Ств = СО + Н2.

Разложение компонентов шихты протекает различно — в зави­симости от ее состава. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, важнейшими процессами в верхней части печи являются разрушение гидратов окиси железа, окиси алюминия и разложение известняка флюса по реакции СаСО3 = СаО + СО2. Если в печь подается уже офлюсованный агломерат, эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса вос­становление железа из его окислов. Согласно теории академика А. А. Байкова восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме: Fе2О3  →Fе3О4 →FеО  →Fе.

Главную роль в восстановлении окислов играет окись углерода:

ЗFе 2O3 + СО = 2Fе304 + СО2 + <2.

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития следующей реакции вправо необходимы температура не ниже 570 °С и значи­тельный избыток СО в газах: Fе3О4 + СО ↔ЗFеО + СО2 + Q.

Затем происходит образование твердой железной губки по реакции

FеО тB + С О ↔ FетВ + С O2 + Q.

Ее развитие вправо требует еще более высокой температуры и высокой концентрации СО в газовой фазе. Но, как показывают ис­следования, в печи для этого есть необходимые условия, так как выше температуры 950 °С в газовой фазе присутствует только СО. Наряду с СО в процессах восстановления железа из окислов значи­тельную роль играет и твердый углерод. Это взаимодействие проис­ходит за счет непосредственных контактов окислов руды с восстано­вителем во время перемещения руды в печи, а также в горячей зоне печи за счет соприкосновения кусков кокса с жидкими шлаками, содержащими закись железа.

Восстановление окислов марганца происходит также ступенчато, главным образом за счет СО: Мn02→Мn2О3→Мn3О4→МnО; восстановление закиси марганца происходит почти исключительно за счет твердого углерода, видимо, при его соприкосновении с рас­плавленным шлаком по схеме                       МnО + Ств = Мn+ СО — Q, так как количество марганца в шлаке доменной печи бывает значительно больше, чем в металле. Эта реакция требует и в 2 раза больше тепла, чем восстановление железа, а поэтому повышенного расхода топлива.

Восстановление кремния в доменной печи происходит преимуще­ственно твердым углеродом с образованием силицида железа условно по следующей схеме:

SiO2+ 2С + Fе = FeSi + 2СО — Q,

но требует еще более высокой температуры и тугоплавких шлаков. Образовавшиеся силициды железа растворяются в чугуне.

Фосфор вносится в доменную печь с рудой в виде минералов                                                                                                

ЗСаО*F2О3    и    ЗFеО*F2О6-8Н2О.

При высокой температуре эти соединения восстанавливаются, фосфор взаимодействует с железом, а образующийся фосфид пере­ходит в чугун:

Р+ЗFе = Ре3Р.

Сера находится в руде и коксе в виде пирита и других устой­чивых сульфидов. Часть серы окисляется и удаляется с газами в виде 5О2, а часть — растворяется в чугуне и шлаке.

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значи­тельное количество СО:

3Fe+2CO=Fe3C+CO2

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию ка­пель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окис­лов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400 — 1450 °С. При слишком легкоплавком шлаке не успевает вос­становиться значительная часть окислов железа, которая выносится с этим шлаком из зоны восстановления. При слишком тугоплавком шлаке на стенках печи образуются большие настыли, и доменный процесс осложняется. Основные составляющие доменного шлака — кремнезем (30—45 %), окись кальция (40—50 %), глинозем (10— 25 %). Состав шлака зависит от пустой породы руды, а также от того, получают ли в доменной печи передельный чугун, литейный чугун или ферросплавы (табл. 1).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности. На большинстве заводов их грану­лируют, выливая расплавленный шлак прямо из шлаковозных ковшей в большие бассейны. Полученные таким образом шлаковые гранулы перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шла­ковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные про­дукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. С ним: вместе из печей выносится огромное количество пыли (50 кг на 1 т чугуна). Газ со­стоит из 26—32 % окиси углерода, 9—14 % двуокиси углерода и 54—58 % азота. Теплотворная способность такого газа 4000 Дж (850— 950 кал) па 1 м3, поэтому его широко используют после очистки от пыли как топливо для подогрева воздуха, идущего в доменные печи, а также в других печах металлургического завода.

Литейные коксовые чугуны (ЛК) имеют семь марок (ЛK1— ЛК7); первые марки имеют минимальное содержание углерода и максималь­ное— кремния.

Тип сплава

Угле­род

Кремний

Мар­ганец

Фосфор

Сера

Не более

Литейные чугуны

ЛК1 (ГОСТ 4832-72)

(7 марок)

3,5—4

3,21—3,6

До 1,5

0,08—1,2

0,02-0,05

ЛК7

4,1—4,6

0,81—1,2

До 1,5

0,08—1,2

0,02—0,06

Передельные чугуны

Мартеновский (М 1, 2, 3) Бессемеровский (Б 1, 2) Фосфористый (МФ 1, 2, 3) Высококачественный (ПВК 1, 2, 3)

3,5—4,5 3,5—4,5 3,2—3.5 3,2—4

0,3—1,3 0,3—1,4 0,3—1,3 0,3-1,3

0.3—1,5 0,3—0,7 1—2 0,3—1,5

0,15—0,3 0,06—0,07 1—2 0,05

0,02—0,07 0,04—0,06 0,05—0,07 0,015—0,025

Ферросплавы

Ферромарганец (ГОСТ 4755 — 70) (10 марок)

0,5—7

1—2,5

75—85

0,05—0,45

0,03

Ферросилиций (ГОСТ 1415 — 78) (11 марок)

0,1—1

19—92

До 1

0,03—0,2

     0,02

Для производства чугуна кроме доменных печей необходимо и другое технологическое оборудование. Наибольшее значение имеют воздухонагреватели. Для успешной работы современной доменной печи объемом 2700 м3 в нее требуется вдувать с помощью мощных воздуходувок ~ 8 млн. м3 воздуха и 500 000 м3 кислорода в сутки. Нагрев этой массы кислородно-воздушной смеси до температуры 900—1200 СС осуществляется попеременно в четырех цилиндрических башенных воздухонагревателях высотой 40—50 м, диамет­ром 8—10 м. Внутри воздухонагреватель разделен на две части: полую камеру горения и насадочное пространство, заполненное решет­чатой огнеупорной кладкой разной формы со сквозными вертикаль­ными каналами.

Очищенный доменный газ смешивают в горелке с воздухом, и пламя направляют в вертикальную камеру горения. Горячие продукты горения, изменив направление под куполом, опускаются сквозь насадку, отдавая ей теплоту. Охлажденные газы выпускаются через нижнюю часть воздухонагревателя в дымовую трубу. После нагрева купо­ла до температуры 1200—1400 °С подачу колошникового газа в этот нагреватель прекращают и в возду­хонагреватель снизу вверх пропу­скают воздушно-кислородную смесь, которая нагревается, проходя через горячую насадку. После охлаждения насадки первого воздухонагревателя нагрев дутья переносят в соседний, а первый снова переключают «на газ» (на нагрев).

Выпускаемый из доменной печи шлак по желобам поступает в ли­тые стальные шлаковые ковши, а чу­гун — в чугуновозные ковши вмести­мостью 80—100 т, футерованные шамотным кирпичом; их устанавли­вают на железнодорожных платфор­мах. Передельный чугун перевозят в этих ковшах в сталеплавильный цех и заливают в миксер — цилиндриче­ское хранилище жидкого чугуна, вме­щающее иногда до 2000 т. Миксер вы­ложен шамотным кирпичом; он может наклоняться, а в случае необходи­мости и обогреваться газовыми фор­сунками.

Литейный чугун отвозят к разливочной машине, где его разли­вают в изложницы, закрепленные на непрерывно движущемся наклон­ном конвейере. Чтобы ускорить охлаждение чугуна, изложницы после затвердевания в них чугуна орошаются холодной водой, и за­тем при повороте конвейера пятидесяти килограммовые чушки выпа­дают из изложниц на железнодорожные платформы.

2.

Проектно технологический раздел.

ОТЛИВКА, заготовка или деталь, получаемая в литейной форме из расплава металла, горной породы, шлака, стекла, пластмассы и т. д.

ФОРМА литейная, приспособление в литейном производстве для получения отливок. Изготовляются из формовочных материалов (разовые), огнеупорной керамики (полупостоянные — выдерживают сотни отливок) или металла (постоянные — десятки тысяч отливок).

СТЕРЖЕНЬ литейный, отъемная часть литейной формы, предназначенная для образования внутренних, а иногда наружных поверхностей отливки. Стержень устанавливают на опорные поверхности (знаки) литейной формы. Изготовляют из т. н. стержневых смесей (песчано-глинистых, песчано-масляных, самотвердеющих и др.).

МОДЕЛЬ — приспособление для получения в литейной форме отпечатка, соответствующего конфигурации и размерам отливки. Модели делают из дерева, металла, гипса, пластмасс и других материалов.

Система каналов, подводящих металл в форму, называется ЛИТНИКОВОЙ. Литниковая система состоит из стояка 14 (вертикального канала), шлакоуловителя 15 и питателя 16, через который металл поступает в полость формы. К литниковой системе относится также выпор 17 (рис. 1, <3). Выпор служит для выхода из формы воздуха и газов, а также для кон­троля заполнения формы металлом.

ФОРМОВОЧНЫМ УКЛОНОМ называется уклон, выполненный на наружной или внутренней боковой по­верхности модели (отливки) и необходимый для облегчения удаления моделей из литейной формы. Формовочные уклоны делают и на стенках стержневых ящиков, чтобы удобнее было вынимать из них стержни.

ПРИПУСКОМ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ  называют  слой   металла технологического припуска на отливке, подлежащий   удалению механической обработкой для полу­чения требуемой шероховатости поверхности и заданной точно­сти размеров.

Припуски на механическую обработку отливок назначают в соответствии с ГОСТ 26645—85 «Отливки из металлов и спла­вов. Допуски размеров, масса и припуски на механическую об­работку». ГОСТы устанавливают 22 класса точности (табл.9 с.32.) размеров и масс отливок в зависимости от способа их изготов­ления и материала (сталь, чугун, цветные металлы), наиболь­шего габаритного размера и типа производства (массовое, серийное, единичное).

Для заданного класса точности отливки уста­навливают допуски для каждого ее размера и назначают при­пуски на механическую обработку с учетом выб­ранного ряда припусков.

Учитывая, что при заливке на верхних поверхностях отливки могут скапливаться неметаллические включения (шлак, песок), допускается увеличение припуска до значения, соответствующе­го следующему ряду припусков согласно табл.

Иногда припуск на механическую обработку увеличивают, например, из-за коробления отливки, смещения плоскости разъема, на величину дополнительного припуска, назначаемо­го также в соответствии с ГОСТ 26645—85.

Отверстия небольших размеров, полученные литьем, трудно очистить от спекшейся внутри стержневой смеси, которая отрицательно влияет на режущий инструмент при механической об­работке. Поэтому литьем выполняют отверстия, диаметр кото­рых превышает 15—20 мм при массовом производстве, 25— 30 мм — при серийном и 40—50 мм — при единичном.

УСАДКОЙ называют уменьшение объёма металла или сплава при его охлаждении.

Технология  ручной  формовки.

Процесс изготовления литейных форм называется формовкой. Литейные формы могут быть разовые, полупостоянные и постоян­ные. Разовые формы изготовляют из обычных песчано-глинистых смесей, смесей с жидким стеклом и из обычных смесей на пульвер-бакелите.

Полупостоянные формы, изготовленные из специальных формо­вочных смесей или графита, могут быть использованы для получе­ния нескольких отливок (иногда до 200 и более). В постоянных (металлических) формах можно получать несколько тысяч отливок без износа формы.

Более 80% отливок производится в настоящее время в разовых литейных формах, так как в них можно выполнить практически любую по конфигурации, сложности и массе отливку из наиболее распространенных в машиностроении черных и цветных сплавов. Стоимость изготовления такой формы достаточно низкая, вот по­чему особое внимание отводится изучению вопросов изготовления разовых литейных форм.

На практике существуют следующие способы формовки: 1) в почве и кессонах; 2) в опоках, 3) безопочная, 4) по шаблону, 5) по скелетным моделям и контрольным сечениям, 6) в стержнях, 7) с применением быстротвердеющих смесей. В зависимости от сте­пени механизации процесса изготовления литейных форм разли­чают три вида формовки: ручную, машинную и автоматическую. На машиностроительных заводах ручная формовка применяется для получения одной или нескольких отливок, например в усло­виях опытно-экспериментального производства, при изготовлении уникальных отливок, а также для ремонтного литья. Машинная формовка применяется в условиях серийного и массового произ­водства отливок, а автоматическая формовка — в условиях массо­вого производства отливок или для автоматизации процесса из­готовления форм какой-либо одной отливки (специализированные автоматы).

Приспособления и инструмент для ручной формовки. При изго­товлении и отделке литейных форм применяют большое количе­ство разнообразного инструмента. В зависимости от назначения его можно разделить на две группы. Первая группа — это инструменты, применяемые для наполнения опоки смесью, уплотнения смеси и вентиляции формы (лопаты, сита, ручные и пневматические трамбовки, проволочные душники, сгребалки и т. д.), для проверки положения модели в горизонтальной плос­кости (уровень или ватерпас).

Вторая группа — это инструменты, предназначенные для вы­емки модели из формы и отделки формы: кисти пеньковые и щетки, подъемы (резьбовые, винтовые или крюки), молотки тяжелые и легкие, гладилки, крючки с лезвием разных размеров, ланцеты, ложечки, полозки разных профилей. Размеры и материалы для ручного инструмента нормализованы.

 Ручная формовка имеет ряд недостатков: рытье ям, приготовление газоотводной постели являются очень трудоемкими операциями; значительный объем ручных формовоч­ных работ; квалификация формовщиков должна быть гораздо выше, чем при формовке в опоках; тяжелые санитарно-гигиенические условия работы (пыль, высокая температура и т. д.); незначи­тельный съем годного литья с квадратного метра формовочной пло­щади. Наибольшее распространение в литейном производстве полу­чила формовка в опоках, главным образом по разъемным моделям, причем формовка чаще всего производится в двух и реже в трех и более опоках. При формовке в опоках отливки получаются более точными, чем при формовке в почве, так как центрирование опок осуществляется при помощи штырей. Формовка в опоках является более производительной, чем формовка в почве. На практике существует несколько способов формовки: 1) в двух опоках, 2) в нескольких опоках, 3) с подрезкой, 4) с применением фальшивой опоки, 5) по модели с отъемными ча­стями, 6) с перекидным болваном, 7) стопочная формовка.

3.Технология изготовления оболочковых форм.

Современная технология изготовления оболочковых форм позволяет во многих случаях освободиться от на­полнительного слоя, что до­стигается использованием песчано-смоляных смесей, которые обеспечивают предел прочности оболочек на раз­рыв 30—35 кг/см2.

Процесс производства обо­лочек имеет некоторые осо­бенности. Плиту 1 с моделя­ми 2 устанавливают на штиф­тах и прикрепляют двумя быстродействующими зажи­мами к поворотному столу 5 машины (рис.3.1, а). Модель­ную плиту обдувают сжатым воздухом, покрывают разде­лительным составом, пере­дают в нагревательную печь 6 (рис.3.1, б) и выдерживают до заданной температуры (230—260° С). Затем печь отводится в исходное положение, а модельная плита поворачи­вается (рис.3.1, в) и соединяется с бункером 4 (рис.3.1, г), содер­жащим песчано-смоляную смесь. Бункер приподнимается и по­ворачивается на 180° (рис. 3.1, д.); в результате смесь покры­вает нагретую плиту с моделями, и выдерживается 20—30 сек до образования оболочки желаемой толщины. Бункер вместе с модельной плитой и образовавшейся на ней полутвердой оболоч­кой поворачивается в исходное положение. Излишек смеси ссы­пается в бункер. Бункер автоматически освобождается от мо­дельной плиты и затем опускается (рис. 3.1, е).

                                             Рис 3.1 Схема изготовления оболочковой полуформы.

модельной плитой и образовавшейся на ней полутвердой оболоч­кой поворачивается в исходное положение. Излишек смеси ссы­пается в бункер. Бункер автоматически освобождается от мо­дельной плиты и затем опускается (рис. 3.1е).

Модельная плита с полутвердой оболочкой поворачивается на 180' и затем накрывается печью (рис. ж) для окончательного твердения оболочки. После твердения оболочки 7 нагревательная печь отводится в сторону, бункер поднимается до плиты толкате­лей 3 и приводит их в движение при помощи штифтового или ра­мочного механизма (рис.3.1з). Затем бункер автоматически воз­вращается в нижнее исходное положение, а модельная плита обду­вается воздухом и покрывается разделительным составом для по­вторного цикла.

Для получения формы оболочковые полуформы спаривают по контрольным знакам и скрепляют зажимами или склеивают. До этого ставят стержни, как при обычной сборке форм из песчано-глинистых смесей. Готовая оболочковая форма поступает на за­ливку или на склад.

Для создания надежной опоры тонкие оболочковые формы поме­щают в контейнер и упрочняют форму засыпкой опорного материала. Однако при производстве легких и очень мелких отливок можно не прибегать к засыпке форм и ограничиться обычным соеди­нением полуформ — зажимами, другими приспособлениями или склеиванием.

Вследствие высокой газопроницаемости оболочковых форм от­ливки получаются с плотной структурой и высокими механиче­скими свойствами. После заливки формы легко разрушаются, бла­годаря выгоранию смолы, и полученные отливки без особых уси­лий освобождаются от оболочки.

Одним из основных преимуществ метода литья в оболочковые формы является возможность получения отливок, точность кото­рых соответствует точности модели. При производстве деталей из алюминиевых сплавов, бронзы и чугуна размеры, не пересекающие плоскость разъема формы, можно выдерживать с точностью от ±0,075 до ±0,25 мм на каждые 150 мм длины изделий и до ±0,38 мм на размер 150—500 мм.

Расходы на механическую обработку снижаются примерно на 25% и более в связи с исключением сложной обработки внутрен­них поверхностей; во многих случаях механическая обработка отливок может быть полностью устранена или сведена до мини­мума, поэтому зачистка отливок упрощается и выполняется быст­рее.

Размеры литниковых систем меньше, чем при литье в песчано-глинистые формы; в результате экономится значительное количе­ство металла. В оболочковых формах влага совершенно отсут­ствует, что устраняет брак, вызываемый отбелом кромок отливки и газовыми включениями. Хорошие технологические свойства оболочковых форм позволяют заливать металл при более низкой температуре по сравнению с той, которая обычно рекомендуется для каждого сплава.

При литье в оболочковые формы резко сокращается расход фор­мовочных материалов. Благодаря этому экономится значительное количество песка, фактически его требуется не более 5% от количества песка, потребляемого для изготовления песчано-глинистых форм и стержней.

Оболочковые формы прочны и негигроскопичны, поэтому их можно хранить в течение длительного времени. Таким образом, можно иметь на складе необходимый запас форм, что важно для больших плавок. Транспортировка этих форм к заливочной пло­щадке и на другие предприятия не вызывает трудностей.

Оболочковые формы должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать давление и сравнительно высокую температуру металла. В то же время в период заливки формы должны терять часть прочности, чтобы облегчить удаление затвердевшей отливки.

Литье в оболочковые формы широко применяется для изготов­ления отливок из чугуна, и стали, а также из специальных сплавов; в последнем случае, наиболее заметен экономический эффект, дости­гаемый в результате повышения выпуска продукции с единицы про­изводственной площади. Преимущества этого процесса особенно значительны в массовом производстве отливок, при котором пол­ностью оправдывается механизация и автоматизация.

На нынешнем этапе развития народного хозяйства резко обострилась экологическая обстановка во многих районах России, что не может не учитываться в процессе размещения металлургических предприятий, которые оказывают сильное воздействие на окружающую среду и природопользование, являясь крупными загрязнителями атмосферы, водоемов, лесных массивов, земель. При современных объемах производства это воздействие весьма ощутимо. Известно, что чем выше уровень загрязнений окружающей среды, тем больше затрат на предотвращение загрязнения. Дальнейший рост этих затрат в конце концов может привести к убыточности любого производства.

      На долю предприятий черной металлургии приходится 20-25% выбросов пыли, 25-30% окиси углерода, более половины окислов серы от их общего объема в стране. Эти выбросы содержат сероводород, фториды, углеводороды, соединения марганца, ванадия, хрома и др. (более 60 ингредиентов). Предприятия черной металлургии, кроме того, забирают до 20-25% воды общего ее потребления в промышленности и сильно загрязняют поверхностные воды. Из рисунка-схемы доменной печи видно, что для производства 5000т чугуна необходимо примерно:10000т агломерата, 2500т кокса, 8 млн. м3 воздуха, 600000м3 природного газа, 500000м3 кислорода технического, при этом   суточные выбросы составляют; колошниковые газы-13 млн.м3, шлака-2500 т Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тон­ны стали, в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксидов серы и до 0,05 т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как мар­ганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др. В процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бен­зола, аммиака и других токсичных веществ, которые раздражают слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, легких и органов зрения. Существенно за­грязняется атмосфера также на агломерационных фабриках, при доменном и ферросплавном производствах.

Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержа­щих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной ме­таллургии при переработке свинцово-цинковых, медных, суль­фидных руд, при производстве алюминия и др.

Тяжелые по­следствия в организме живых существ вызывает и ядовитая смесь дыма, тумана и пыли — смог.

Лондонский тип смога возникает зимой в крупных промыш­ленных городах при неблагоприятных погодных условиях (от­сутствие ветра и температурная инверсия). Температурная ин­версия проявляется в повышении температуры воздуха с высо­той в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300— 400 м от поверхности земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым, и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Нередко возникают туманы. Концентрации оксидов серы, взвешенной пыли, оксида углерода достигают опасных для здоровья человека уровней, приводят к расстрой­ству кровообращения, дыхания, а нередко и к смерти. Рассеять смог может только ветер, а сгладить смогоопасную ситуацию — со­кращение выбросов загрязняющих веществ.

В некоторых наших городах (Кемерово, Ангарск, Новокузнецк, Медногорск и др.), особен­но в тех, которые расположены в низинах, в связи с нахождением в этих городах промышленных предприятий и увеличением выбросов, содержащих оксид азота, вероятность образования фотохими­ческого смога увеличивается.

Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших концентрациях и в течение длительного времени наносят боль­шой вред не только человеку, но отрицательно влияют на жи­вотных, состояние растений и экосистем в целом.

В экологической литературе описаны случаи массового от­равления диких животных, птиц, насекомых при выбросах вред­ных загрязняющих веществ большой концентрации (особенно залповых).

По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение.

Количество загрязняющих веществ в районе машиностроительных предприятий огромно, и число их по мере развития новых технологических процессов по­стоянно растет. В этом отношении приоритет, как локальном, так и в глобальном масштабе, ученые отдают следующим загрязняющим веществам:

- диоксиду серы (с учетом эффектов вымывания диоксида се­ры из атмосферы и попадания, образующихся серной кисло­ты и сульфатов на растительность, почву и в водоемы);

- тяжелым металлам: в первую очередь свинцу, кадмию и особенно ртути (с учетом цепочек ее миграции и превраще­ния в высокотоксичную метилртуть);                                     

- некоторым канцерогенным веществам, в частности бензапирену;

- нефти и нефтепродуктам;

- оксиду углерода и оксидам азота.

Вредные ве­щества

Последствия воздействия на организм человека

Оксид углеро­да

Препятствует абсорбированию кровью кислорода, что ослабляет мыслительные способности, замед­ляет рефлексы, вызывает сонливость и может быть причиной потери сознания и смерти

Свинец

Влияет на кровеносную, нервную и мочеполовую системы; вызывает, вероятно, снижение умствен­ных способностей у детей, откладывается в костях и других тканях, поэтому опасен в течение дли­тельного времени

Оксиды азота

Могут увеличивать восприимчивость организма к вирусным заболеваниям (типа гриппа), раздража­ют легкие, вызывают бронхит и пневмонию

Озон

Раздражает слизистую оболочку органов дыхания, вызывает кашель, нарушает работу легких; снижа­ет сопротивляемость к простудным заболеваниям; может обострять хронические заболевания сердца, а также вызывать астму, бронхит

Токсичные вы­бросы (тяжелые ме­таллы)

Вызывают рак, нарушение функций половой сис­темы и дефекты у новорожденных

Загрязнения вод.

Основные источники загрязнения поверхностных и подземных вод. Процессы загрязнения поверхностных вод обу­словлены различными факторами. К основным из них отно­сятся: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечки нефти и нефтепродуктов. Наибольший вред водоёмам и водотокам причиняет выпуск  в них неочищенных сточных вод—промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусо­ром), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми от­ходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влия­ют на условия обитания рыб, состояние экосистем.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхно­стными или технологическими водами. Так, например, извес­тно, что на площадке Кольской атомной станции, расположен­ной за Полярным кругом, через 7 лет после начала эксплуата­ции температура подземных вод повысилась с 6 до 19 °С вбли­зи главного корпуса. При повышении температуры происхо­дит изменение газового и химического состава в водах, что ве­дет к размножению анаэробных бактерий, росту количества гидробионтов и выделению ядовитых газов — сероводорода, ме­тана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ус­коренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способст­вует развитию других видов загрязнения. По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышать­ся более чем на 3 °С летом и 5 °С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 12—17 кДж/м3.

 

4. ХОЛОДНАЯ ШТАМПОВКА

Штамповка, процесс обработки металлов давлением, при котором формообразование детали осуществляется в специализированном инструменте — штампе; разновидность кузнечно-штамповочного производства. По виду заготовки различают объёмную штамповку и листовую штамповку, по температуре процесса — холодную штамповку и горячую. По сравнению с ковкой штамповка обеспечивает большую производительность благодаря тому, что пластически деформируется одновременно вся заготовка или значительная её часть.

  Объёмная штамповка (или штамповка сортового металла) по сравнению с ковкой позволяет получать поковки более сложной конфигурации, требующие значительно меньшей обработки резанием для окончательного оформления детали. При объёмной штамповке течение металла ограничивается стенками полости штампа, что вызывает увеличение сопротивления деформированию тем в большей степени, чем сложнее конфигурация поковки. Нагрев заготовки позволяет примерно в 10—15 раз снизить сопротивление деформированию, а также повысить пластичность металла. Холодная штамповка сортового металла применяется для изготовления небольших деталей — массой менее 1 кг, горячая — для деталей массой 1,5¾2 т; более тяжелые поковки изготовляются ковкой. Границы между этими процессами изменяются по мере совершенствования кузнечно-прессового оборудования и увеличения развиваемого ими усилия деформирования. Поскольку стоимость штампов наряду со стоимостью металла заготовки является основной составляющей себестоимости поковки, применение объёмной штамповки экономически выгодно при серийном производстве.

  Объёмная штамповка сопровождается потерями металла с удаляемым заусенцем (облоем). Меньшие отходы даёт штамповка в закрытых штампах, однако удельные нагрузки в них больше, чем в открытых, что приводит к уменьшению стойкости штампов. Снижение отходов при штамповке в открытых штампах достигается предварительной обработкой заготовки в заготовительных ручьях, ковочных вальцах, использованием заготовок, приближающихся по форме к поковке, а также выбором рациональной формы канавки для заусенца

Упрочнение в технологии металлов, повышение сопротивляемости материала заготовки или изделия разрушению или остаточной деформации. Упрочнение характеризуется степенью упрочнения – показателем относительного повышения значения заданного параметра сопротивляемости материала разрушению или остаточной деформации по сравнению с его исходным значением в результате упрочняющей обработки, а также (в ряде случаев) глубиной упрочнения (толщиной упрочнённого слоя). Упрочнение обычно сопровождается снижением пластичности. Поэтому практически выбор способа и оптимального режима упрочняющей обработки определяется максимальным повышением прочности материала при допустимом снижении пластичности, что обеспечивает наибольшую конструкционную прочность.

  Упрочнение материала в процессе его получения может быть вызвано термическими, радиационными воздействиями, легированием и введением в металлическую или неметаллическую матрицу (основу) упрочнителей – волокон, дисперсных частиц и др.

  У. материала заготовок и изделий достигается механическими, термическими, химическими и др. воздействиями, а также комбинированными способами (химико-термическими, термомеханическими и др.). Наиболее распространённый вид упрочняющей обработки – поверхностное пластическое деформирование (ППД) – простой и эффективный способ повышения несущей способности и долговечности деталей машин и частей сооружений, в особенности работающих в условиях знакопеременных нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные конструкции, инструменты и т.п.). В зависимости от конструкции, свойств материала, размеров и характера эксплуатационных нагрузок деталей применяются различные виды ППД: накатка и раскатка роликами и шариками, обкатка зубчатыми валками, алмазное выглаживание, дорнование, гидроабразивная, вибрационная, дробеструйная и др. способы обработки. Часто ППД, кроме упрочнения, значительно уменьшает шероховатость поверхности, повышает износостойкость деталей, улучшает их внешний вид (упрочняюще-отделочная обработка). Упрочнение при термической обработке металлов обеспечивается, в частности, при закалке с последующим отпуском. Улучшению прочностных свойств значительно способствуют и определённые виды термомеханической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп). Упрочнение химико-термическим воздействием может осуществляться путём азотирования, цианирования, цементации, диффузионной металлизации (насыщением поверхности детали алюминием, хромом и др. металлами).

  Упрочнение обеспечивается также применением электрофизических и электрохимических методов обработки, ультразвуковой, электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической, электроннолучевой, фотоннолучевой, анодно-химической, электроискровой, а также воздействием взрывной волны, лазера и др. Упрочняющая обработка может быть поверхностной (например, пластическое деформирование с возникновением поверхностного наклёпа), объёмной (например, изотермическая закалка) и комбинированной (например, термическая обработка с последующим ППД). Объёмная и поверхностная упрочняющая обработки могут вестись последовательно несколькими методами

4.1 Выдавливание и высадка

Выдавливание — образование заготовки путем пластического тече­ния материала в полости штампа. Материалом для выдавливания слу­жат цветные металлы и сплавы, а также стали в виде заготовок, изго­товленных из сортового и листового проката.

Выдавливание осуществляют в штампах на механических и гидрав­лических прессах прямым, обратным и комбинированным способами (рис.4.1). При прямом способе течение металла выдавливаемой заго­товки совпадаете направлением движения пуансона, а при обратном — противоположно направлению движения пуансона. При комбиниро­ванном способе часть металла заготовки течет по направлению движе­ния пуансона, а другая часть — навстречу движению пуансона.

Усилие пресса для выдавливания определяют по формуле Р = рF, где р — удельное усилие выдавливания и F — проекция площади пуансона на плоскость, перпендикулярную направлению выдавлива­ния. При прямом выдавливании алюминия р = 4÷7 МПа (40-70 кгс/мм2), стали 10—18 МПа (100—180 кгс/мм2), а при обратном — соответственно 8—12 МПа (80—120 кгс/мм2) и 20—30 МПа (200— 300 кгс/мм2). В качестве смазок при выдавливании применяют: для алюминия — животные жиры, жировую эмульсию; для стали — дисульфид молибдена с омыливанием и т. д.

Из-за высокой стоимости штампов выдавливание целесообразно применять в условиях крупносерийного и массового производств. Оно обеспечивает высокую производительность и точность изготов­ления разнообразных деталей.

Холодная высадка — образование местных утолщений на заготов­ках, например головок заклепок (рис.4.2). Ее выполняют на холодно-высадочных автоматах.

Рис.4.1.Методы холодного выдавливания:

а — прямой;   б — обратный;   в — комбинированный; 1— пуансон;   2 — матрица; 3 — изделие; 4 — вытал­киватель;  5 — съемник

Рис.4.2. Схема штамповки на холодновысадочном одноударном   автомате

В первом переходе ролики 2 подают пруток 1 до упора 4,после чего матрица 3 перемещается на позицию высадки, отрезая от прутка мерную заготовку.

Во втором переходе ударом высадочного пуансона 5 производится высадка головки. После воз­вращения пуансона в исходное положение заклепка выталкивается толкателем 6, который также возвращается в исходное положение, а матрица вновь уходит на линию подачи. Высадку выполняют на одно-, двух - и трехударных автоматах, производительность которых дости­гает 400 изделий в минуту. По сравнению с изготовлением резанием высадка обеспечивает до 30—40 % экономии металла.

4.2 Холодная листовая штамповка

Листовая штамповка — способ изготовления плоских и объемных тонкостенных изделии из листов, полос или лент с помощью штампов на прессах пли без их применения (беспрессовая штамповка). Она характеризуется высокой производительностью, стабильностью ка­чества и точности, большой экономией металла, низкой себестои­мостью изготовляемых изделий и возможностью полной автоматизации.

Все операции листовой штамповки делят на две группы: раздели­тельные, в результате которых происходит отделение одной части заготовки от другой по заданному контуру, и формоизменяющие, пред­назначенные для получения изделия пространственной формы путем пластической деформации.

Разделительные операции. Отрезка — полное отделение части заготовки по незамкнутому контуру путем сдвига. Отрезку осуще­ствляют на ножницах различных типов и в штампах на прессах. Вы­рубка (рис.3) — полное отделение заготовки или детали от листовой заготовки по замкнутому контуру путем сдвига. Пробивка — образо­вание в заготовке сквозных отверстий и пазов с удалением материала в отход путем сдвига.

При вырубке и пробивке пуансон 2 вдавливает отделяемую часть материала в отверстие матрицы 4. Оптимальная величина зазора между инструментом зависит от 5 — толщины заготовки 3, пластических свойств материала и составляет при­мерно 6—10 % 5. Зазор при выруб­ке назначают за счет уменьшения размеров поперечного сечения пуан­сона, при пробивке — за счет увели­чения отверстия в матрице.

Из условия экономии металла ве­личина технологических перемычек между вырубаемыми изделиями соот­ветствует примерно толщине метал­ла. Величину усилия разделитель­ных операций при использовании ин­струмента с параллельными режущи­ми кромками определяют по формуле

P=LSσB,

где L — длина   линии   реза;   S — толщина   металла;     σB —предел прочности металла.

Рис.4.3.Схема вырубки (пробивки):

1 — прижим;   2 — пуансон;   3 — заготовка; 4 — матрица;    5 — отход (изде­лие);   6 — изделие    (отход)

Рис.4.4. Схемы операций:

а — гибки;   6 — вытяжки   без уто­нения стенки;  б — вытяжки  с уто­нением стенки:

1 — матрица; 2 — деформируемая заготовка; 3 — пуансон; 4 — изделие; 5 — прижим; 6 — исходная заготовка;  NN — нейтральный слой

4.3 Формоизменяющие операции. Гибка (рис.4.4, а) — образование или изменения углов между частями заготовки или придание ей кри­волинейной формы. В местах изгиба наружные слон заготовки растя­гиваются, а внутренние — сжимаются. Между ними расположен ней­тральный слой, не испытывающий ни сжатия, ни растяжения. По раз­вернутой длине нейтрального слоя, определяют длину заготовки до гибки. Гибка, осуществляется в результате упругопластической дефор­мации, при которой наряду с пластической происходит значительная упругая деформация металла. Поэтому после гибки растянутые и сжа­тые слои стремятся возвратиться в исходное положение под действием упругих сил. Вследствие этого форма детали после гибки, не будет соответствовать форме штампа на величину угла пружинения, который необходимо учитывать при изготовлении инструмента. При свободной V-образной гибке     усилие определяют по формуле (см. рис.4.4, а)

где В — ширина заготовки.

Вытяжка—образование полой заготовки или детали из плоской или полой листовой заготовки. При вытяжке без утонения стенки вырубленную заготовку давлением пуансона втягивают в отверстие матрицы (рис.4.4, 6). По ширине фланца, равном D —d, возникают радиальные растягивающие и тангенциальные сжимающие напряже­ния. Последние уменьшают диаметральные размеры заготовки, при­водят иногда к некоторому утолщению материала у верхнего, торцового

Рис.4.5. Схемы операций:

а: — отбортовки;   б — обжима;  в — формовки;

/ — изделие;   2 — заготовка;  3 — пуансон;  4 — матрица;  5 — подставка-упор;   6 — резино­вая  подушка

края изделия, а при D — d > (18÷20) S — к образованию складок, т. е. появлению брака. Чтобы утолщенный край изделия не утонялся между поверхностями пуансона и матрицы, предусматривают зазор z = (1,1÷1,3) S. Для предотвращения образования складок приме­няют прижим фланца заготовки к плоскости матрицы.

Возможность вытяжки за один переход без обрыва дна определяется коэффициентом вытяжки в — D/d, который в зависимости от механи­ческих свойств металла составляет 1,8 — 2,1. Если kв по расчету ока­жется больше допустимой величины, вытяжку выполняют за два перехода и более.

Размеры заготовки при вытяжке осесимметричных деталей опреде­ляют из условия равенства площадей детали по средней линии и за­готовки, а усилие вытяжки приблизительно равно произведению площади поперечного сечения изделия на предел прочности металла.

При вытяжке с утонением стенки (рис.4.в) зазор между матри­цей и пуансоном меньше толщины стенки исходной заготовки, которая, сжимаясь между поверхностями пуансона и матрицы, утоняется и одновременно удлиняется. Толщина дна остается при этом неизменной. За один переход толщина стенки может быть уменьшена в 1,5—2 раза. Размер заготовки определяют из условия равенства объемов металла заготовки и изделия.

Отбортовка (рис.5, а) — образование борта по внутреннему или наружному контуру листовой заготовки. При отбортовке отверстия металл в зоне деформации растягивается и утоняется. Во избежание образования продольных трещин необходимо, чтобы коэффициент отбортовки k0 = db/d0 = 1,2÷1,8. Величина k0 зависит от механических свойств металла, и относительной толщины заготовки Диаметр отверстия под отбортовку определяют по формуле

D0=D1-∏ (rM+S/2)-2h

Обжим (рис.5, б) — уменьшение периметра поперечного сече­ния полой заготовки. В очаге деформации толщина стенки изделия несколько увеличивается. Во избежание образования продольных складок в обжимаемой части необходимо соблюдать коэффициент обжима k0 = Dзаг/dизд. =1,2-1,4.

Рельефная формовка (рис.4.5,в)— образование рельефа в листо­вой заготовке с ее местным деформированием.

4.4 Инструмент и оборудование для листовой штамповки

В качестве инструмента при холодной листовой штамповке исполь­зуют штампы. Они состоят из блоков деталей и рабочих частей — матриц и пуансонов. Рабочие части непосредственно деформируют заготовку. Детали блока (верхняя и нижняя плиты, направляющие колонки и втулки) служат для опоры, направления и крепления рабо­чих частей штампа. По технологическому признаку различают штампы простого, последовательного и совмещенного действия.

В штампе простого действия (рис.4.6) за один ход ползуна выпол­няется одна операция, и поэтому его называют однооперационным. Нижней плитой штамп устанавливают на стол пресса и крепят к нему болтами или скобами. Верхнюю плиту небольших штампов крепят к ползуну с помощью хвостовика, а верхнюю плиту крупных штампов крепят к ползуну так же, как и нижнюю плиту к столу пресса. Полосу или ленту подают в штамп между направляющими линейками до упора, который ограничивает шаг подачи полосы или ленты. Для снятия высечки с пуансона служит съемник.

В штампе последовательного действия (рис.4.7) за один ход ползуна выполняются одновременно две или большее число операций в различных позициях, а заготовка после каждого хода пресса переме­щается на шаг подачи. В штампе совмещенного действия  за один ход ползуна пресса две и большее число операций выполняются в одной позиции без перемещения заготовки в направлении подачи. Штампы последовательного и совмещенного действий называют много­операционными. Они производительнее однооперационных, но сложнее и дороже в изготовлении. Их используют в крупносе­рийном и массовом произ­водствах.

Рис.4.7. Штамп последовательно­го действия  для   пробивки   и вы­рубки:

/ — упор; 2 — пуансон   вырубки; 3 —

пуансон   пробивки;    4 — матрица пробивки;   5 — матрица  вырубки

Рис.4.6.  Штамп   простого  действия для вырубки:

/ — съемник; 2 — направляющие линей­ки; 3 — упор; 4 — матрица; 5 — матрицедержатель; 6, 10 — нижняя и верхняя плиты; 7 — пуансон; 8 — пуансонодержатель; 9 — хвостовик; // — направляющая втулка; 12 — направляющая колонка

 Холодную листовую штамповку осуществляют в основном на кривошипных прессах. По технологиче­скому признаку механиче­ские прессы разделяют на прессы простого, двойного и тройного действия (соот­ветственно одно-, двух -, трехползунные). Кинема­тическая схема кривошип­ного листоштамповочного пресса простого действия во многом аналогична схе­ме кривошипного горячештамповочного пресса.

Пресс двойного действия (рис. 26.9) предназначен для глубокой вытяжки крупных деталей. Он имеет два ползуна — внутренний с при­водом от кривошипа и наружный с приводом от кулачков, закреп­ленных на валу. Вначале наружный ползун обгоняет внутрен­ний и прижимает фланец заготовки к матрице. Во время вытяжки пуансоном, закрепленным на внутреннем ползуне, наружный ползун неподвижен. По окончании вытяжки ползуны поднимаются.

Гидравлические прессы используют для холодной и горячей штам­повки крупногабаритных изделий из толстых листов. Такие прессы успешно используют также для глубокой вытяжки и других операций при изготовлении изделий из толстого листа.

Современные листоштамповочные прессы оснащены устройствами для автоматической подачи полосы или ленты в штамп, а в случае штамповки из штучных заготовок — устройствами для захвата, ориентации и подачи в штамп.

1- кулачки; 2 — наружный ползун (для прижима); 3 — вну­тренний ползун

Рис.4.9. Схема пресса двой­ного действия:

В условиях единичного и мелкосерийного производства, когда неэкономично применять сложные штампы, листовую штамповку выпол­няют не на прессах, а на специальных уста­новках. В установках для штамповки жид­костью листовой металл укладывают на жесткую матрицу; он деформируется дав­лением жидкости до 20 МПа (200 ат), по­даваемой от насоса в резиновый мешок, выполняющий роль пуансона. При этом верхнюю часть мешка прочно прижимают сверху массивной крышкой. Этот способ применяют для вытяжки полых изделий.

В установках для штамповки взрывом заготовка принимает форму штампа под действием энергии взрыва, создающего высокое давление. Взрывная волна с большой скоростью может переда­ваться на деформируемый металл либо через газовую среду, либо через воду. Этим способом осуществляют как формоизменяющие, так и разделительные операции. При штамповке взрывом труднодефор­мируемых и малопластичных в обычных условиях сплавов значи­тельно повышается их пластичность.

В электрогидравлических установках энергоносителем является высоковольтный электрический разряд в жидкости, который вызывает появление ударной волны, используемой для штамповки. В промыш­ленности используют и другие прогрессивные способы беспрессовой листовой штамповки, например магнитно-импульсный.

В цехах холодней обработки металлов давлением, в частности при листовой штамповке, во избежание травматизма рук в опасной зоне штампа устанавливают рукоотстранители, срабатывающие в момент рабочего хода ползуна пресса. Чаще используют принцип занятости рук, состоящий в одновременном нажатии обеими руками двух пуско­вых кнопок. Иногда применяют фотоэлементы, лучи которых проходят по опасной зоне; при пересечении их руками ползун пресса останав­ливается. В последнее время в таких цехах устанавливают машины-автоматы и с успехом используют промышленные роботы.

Список используемой литературы.

1.      Технология металлов и конструкционные материалы.

Б.А. Кузьмин, Ю.Е. Абраменко, В.К. Ефремов, и др. М.: Машиностроение,1981.

2.  Литейное производство.

Бауман Б. В., Благов Б. Н. М.: Машиностроение,1971.

3.      Технология кузнечно-штампового производства.

Охрименко Я. М.  М.: Машиностроение,1976.

4.      Литьё в оболочковые формы.

 Соколов Н.А. М.: Машиностроение,1969.

5. Тугарин В.Т., Манько О.Н.

Основы природопользования. Учебник. М.: Высшая школа,2000.

6. ГОСТ 3.1125-88

7. ГОСТ 26645-85