Технология изготовления деталей из неметаллических материалов и порошков

Реферат Технология изготовления деталей из неметаллических материалов и порошков

1. Производство изделий из пластмасс

1.1 Классификация и состав пластмасс Пластмассы — материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров (смол), которые на определенной стадии производства или переработки обладают высокой пластичностью.

Полимеры — это высокомолекулярные соединения, большие молекулы которых состоят из одинаковых структурных звеньев. Макромолекулы полимеров могут иметь линейную (рис. 1, а), разветвленную (рис. 1, б) и пространственную (рис. 1, в) форму. Пространственные структуры получаются в результате химической связи отдельных цепей полимеров при полимеризации. Полимеры с линейной структурой хорошо растворяются, а с пространственной нерастворимы (при частом расположении связей полимер практически нерастворим и неплавок). В зависимости от поведения при повышенных температурах полимеры (и, соответственно, пластмассы) делятся на термопластичные и термореактивные.

а б в Рисунок 1

Термопласты при нагреве размягчаются и переходят в вязкотекучее состояние, а при охлаждении отвердевают. К ним относятся: органическое стекло, полистирол, полиэтилен, капрон, винипласт и др. Термопласты имеют линейную или разветвленную структуру молекул.

Реактопласты при нагреве вначале размягчаются, а затем при определенной температуре в результате химической реакции переходят в твердое необратимое состояние. Причиной этого является процесс полимеризации, при котором линейная структура полимера превращается в пространственную. К реактопластам относятся пластмассы на основе фенолформальдегидной, полиэфирной и других смол.

Пластмассы, состоящие из одного компонента смолы, называют простыми. Для придания пластмассе различных свойств в ее состав вводят наполнители, пластификаторы и различные добавки. Такие пластмассы относят к композиционным.

Наполнителями являются органические вещества (древесная мука, целлюлоза, ткань, бумага и другие вещества) и неорганические (графит, асбест, стекло, волокно, стеклоткань и др.).

Они служат для повышения механической прочности, теплостойкости, износостойкости и других свойств пластмасс. Пластификаторы (глицерин, касторовое масло и др.) увеличивают пластичность, эластичность и уменьшают хрупкость пластмасс. К добавкам относят:

1 Стабилизаторы — вещества, замедляющие разрушение пластмассы при воздействии тепла, света и др. (сажа, фенолы, сернистые соединения).

2 Смазки, облегчающие процесс прессования пластмасс (воск, стеарин, олеиновая кислота и др.)

3 Катализаторы (известь, магнезит и др.), ускоряющие процесс твердения.

4 Красители (сурик, охра и др.)

При изготовлении пенопластов добавляют газообразователи (разлагаются при нагреве с образованием газов). К специфическим свойствам пластмасс, благодаря которым они получили широкое распространение в промышленности, относятся: малая плотность (0,9…1,8 г/см3), высокая коррозионная стойкость, электроизоляционные свойства, антифрикционные свойства, высокая прозрачность и другие оптические свойства некоторых пластмасс, возможность переработки в изделия самыми производительными способами литьем, выдавливанием, прессованием и др., с коэффициентом использования материала 0,9…0,95.

Основными технологическими свойствами, которые необходимо учитывать при изготовлении из них изделий, являются текучесть, усадка, скорость отвердевания (реактопластов) и термостабильность (термопластов). В зависимости от физического состояния, технологических свойств и других факторов все способы переработки пластмасс в детали делятся на:

1 Переработку в вязкотекучем состоянии (прессованием, литьем под давлением, выдавливанием).

2 Переработку в высокоэластичном состоянии (пневмои вакуумформовкой).

3 Получение деталей из жидких полимеров (центробежным литьем, вихревым напылением и др.).

4 Переработку в твердом состоянии (разделительной штамповкой, обработка резанием, сваркой).

1.2 Способы переработки пластмасс в вязкотекучем состоянии

Прямое прессование — способ переработки реактопластов в детали из таблетезированного или порошкообразного материала в нагретой пресс-форме. Нагретый материал переходит в вязкотекучее состояние и при замыкании формы под действием усилия пуансона пресса заполняет ее полость. После некоторой выдержки материал неотвратимо твердеет, получается готовая деталь.

Прямым прессованием получают детали средней сложности и небольших размеров.

Детали сложной формы, с глубокими отверстиями, в том числе резьбовыми, получают литьевым прессованием.

Литьевое прессование отличается от прямого тем, что прессуемый материал загружают сначала в специальную загрузочную камеру.

Под действием теплоты материя переходит в вязкотекучее состояние и под давлением пуансона выжимается из камеры в полость матрицы пресс-формы через отверстие в литниковой плите. Недостатком литьевого прессования является повышенный расход пресс-материала.

Высокопроизводительным и эффективным способом массового производства деталей из термопластов, является литье под давлением. Производительность процесса литья в 20…40 раз выше, чем при прессовании, поэтому литье — основной способ переработки пластмасс в детали.

Центробежное литье применяют для получения крупногабаритных и толстостенных деталей из термопластов (шкивы, зубчатые колеса и т. д.).

Выдавливание (или экструзия) осуществляется на специальных червячных машинах, отличается непрерывностью, высокой производительностью процесса, возможностью получения на одном и том же оборудовании большого многообразия деталей.

При получении пленок из термопластов (полиэтилена, полипропилена и др.) непрерывным выдавливанием используют метод раздува. Расплавленный материал продавливают через кольцевую щель насадной головки и получают заготовку в виде труб, которую раздувают сжатым воздухом до требуемого диаметра. Таким способом можно получить пленку толщиной до 40 мкм.

1.3 Переработка пластмасс в высокоэластичном состоянии

Используется для получения крупногабаритных изделий из термопласта (целлулоида, оргстекла и др.) методом формования пневматического и вакуумного и штамповки.

Получают изделия типа банок, бутылей, баков, изделия формы тел вращения с малой глубиной, изделия типа козырьков, обтекателей, стекол осветительных устройств из листовых заготовок.

1.4 Производство деталей из жидких полимеров (композиционных пластиков)

Возможности применения пластмасс были значительно расширены благодаря синтезу смол, находящихся при комнатной температуре в жидком состоянии и твердеющих при этой температуре при добавке отвердителя и приложении незначительного давления или без давления. В качестве основы пластмасс широкое применение получили полиэфирные и эпоксидные смолы. Это позволило создать композиционные пластики с различными наполнителями (стеклоткани, стекловолокна, хлопчатобумажные ткани и волокна, углеродные и борные волокна и т. д.). Тип наполнителя зависит от требуемых свойств пластика. К основным способам изготовления деталей из композиционных пластиков относятся: контактное формование, вихревое напыление, намотка, центробежное литье и др. Первые два служат для изготовления крупногабаритных деталей из стеклопластиков (корпусов лодок и судов, кузовов легковых и грузовых автомобилей и др.). Двумя последними получают трубы, сложные по форме, и оболочки, а также крупногабаритные детали, имеющие форму тел вращения.

1.5 Изготовление деталей из пластмасс в твердом состоянии (листов, труб, плит, прутков, профилей различного сечения)

Для этого используют разделительную штамповку и обработку резанием. Разделительная штамповка включает операции: вырубку, пробивку, обрезку, зачистку. Обработка резанием пластмасс включает в основном все виды: точение, фрезерование, сверление, нарезание резьбы, шлифование, полирование. Выполняется на обычных металлорежущих или деревообрабатывающих станках.

2. Изготовление резиновых технических деталей

Резина — продукт вулканизации натуральных и синтетических каучуков.

Натуральный каучук добывается из сока отдельных сортов растений; синтетический — из нефти, природного газа, нефтепродуктов, древесины. В качестве вулканизирующего вещества используют серу, количество ее определяет эластичность резины (мягкие резины содержат 1…3 серы, твердая — эбонит, до 30). Для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств резиновых технических деталей и уменьшения расхода каучука, в состав резиновых смесей вводят различные компоненты (сажа, тальк, хлопчатобумажные ткани, стальная сетка, стеклянная или капроновая ткань, мел), смягчители (парафин, стеариновая кислота, канифоль) для облегчения мягкости и морозоустойчивости, облегчения процесса смешивания резиновой смеси, красители, ускорители вулканизации (окись Mg, Zn).

Высокая эластичность, способность к большим деформациям, стойкость к действию активных химических веществ, малая водои газопроницаемость, хорошие диэлектрические свойства обусловили применение резины во всех отраслях народного хозяйства.

2.1 Способы формирования резиновых деталей

Процесс изготовления изделий из резины состоит из приготовления сырой резиновой смеси, формования и вулканизации.

Приготовление резиновой смеси — смешивание компонентов в смесителях до получения однородной массы — сырой резины. При этом каучук предварительно разрезают на куски и пропускают через нагретые до 40…500С вальцы для повышения его пластичности. Резиновые технические детали, в зависимости от предъявляемых к ним требований, изготавливают различными способами (непрерывным выдавливанием, прессованием, литьем под давлением, намоткой и т. д.).

Каландирование применяют для получения деталей в виде листов и прорезиненных лент. Операцию производят на многовалковых машинах — каландрах. Валки обогреваются или охлаждаются, что позволяет регулировать температурный режим. В процессе получения прорезиненной ткани в зазор между валками одновременно пропускают сырую резиновую смесь и ткань. За счет разности скоростей валков происходит втирание смеси в ткань. Полученные резиновые листы или ткань сматывают в рулон.

Непрерывное выдавливание используют для получения резиновых профилей (труб, прутков, полос и т. д.) на машинах червячного типа.

Прессование делят на горячее и холодное. Схема прессования аналогична схеме прессования пластмасс. При горячем прессовании резиновую смесь прессуют в нагретых до 140…155 0С пресс-формах на гидравлических прессах. Одновременно происходит формообразование и вулканизация. Получают фасонные детали. Холодное прессование применяют для получения деталей из эбонитовых смесей.

Литьем под давлением получают детали сложной формы в нагретых до 80…120 0С пресс-формах, аналогично литью пластмасс.

Вулканизация — завершающая операция, которая проводится в вулканизаторах (камерах) при температуре 120…150 0С в атмосфере насыщенного водяного пара при небольшом давлении. При этом происходит химическая реакция серы и каучука с образованием сетчатой структуры резины (пластичность уменьшается, прочность увеличивается).

3. Производство деталей из металлических порошков

3.1 Общие сведения о порошковой металлургии

Порошковая металлургия — отрасль технологии по производству металлических порошков, их сплавов и неметаллических веществ и изготовлению деталей из порошков. Из порошков вначале прессуют заготовки, которые подвергают последующей термической обработке — спеканию (при этом повышается прочность детали). Порошковой металлургией получают различные металлические порошки, например: железный, медный, никелевый, вольфрамовый, молибденовый, титановый и др., а также различные композиционные материалы со специальными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, которые другими методами зачастую получить невозможно.

Это материалы из металлов со значительной разницей в температуре плавления (например, W-Cu, W-Al, Mo-Cu). Это металлокерамические твердые сплавы, характеризующиеся высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью (на основе порошков карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC)). Они идут на изготовление режущего и бурового инструмента и получение износостойких слоев.

Это металлокерамические материалы с заданной пористостью: антифрикционные (бронзографитовые, железомеднографитовые и другие композиции), идущие на изготовление вкладышей подшипников, и высокопористые, для чего в порошки коррозийно-стойкой стали, алюминия, титана и др. добавляют вещества, выделяющие газы при спекании. Высокопористые материалы идут на изготовление фильтров.

Это фрикционные материалы, представляющие собой сложные композиции на медной и железной основе с добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и различных оксидов. Применяют их в тормозных узлах и узлах сцепления (в самолетостроении, автомобилестроении и др.).

Порошковой металлургией изготавливают алмазно-металлические материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами (связка — медная, никелевая и др.), детали из жаростойких и жаропрочных материалов (на основе тугоплавких и твердых соединений: оксидов, карбидов, боридов и др.), материалы со специальными электрическими и магнитными свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлектрики, ферриты). В последнее время возрос объем применения компактных конструкционных материалов, получаемых из порошков самых различных металлов и сплавов. В связи с высокой плотностью они обладают хорошими механическими и эксплуатационными свойствами.

3.2 Получение порошков

В задачи порошковой металлургии, таким образом, входит производство порошков и получение из них заготовок или готовых деталей. При изготовлении спеченных изделий применяют порошки размером от 0,5 до 500 мкм. Получают порошки механическими и физико-химическими способами.

К механическим способам получения порошков относятся: распыление жидкого металла, размол стружки и других отходов металлообработки в вихревых или шаровых мельницах. При использовании механических способов исходный материал измельчается без изменения химического состава.

К физико-химическим способам получения порошков относятся: восстановление металлов из оксидов, осаждение металлических порошков из водного раствора, соли и др. Получение порошка при этом связано с изменением химического состава исходного сырья или его состояния.

Физико-химические способы более универсальны и более экономичны: используют отходы производства в виде окалины, оксидов и т. д. Порошки ряда тугоплавких металлов (W, Mo), а также порошки их сплавов могут быть получены только физико-химическими способами.

Металлические порошки характеризуются химическим составом, а также физическими и технологическими свойствами (текучестью, прессуемостью и спекаемостью).

3.3 Приготовление смеси и формообразование заготовок

Для получения качественных заготовок или деталей, порошки предварительно обжигают, разделяют по размерам частиц, потом смешивают. Обжиг порошка способствует восстановлению оксидов, удалению углерода и других примесей, устранению наклепа, что улучшает его прессуемость. Обжиг проводят при температуре, равной 0,5…0,6 температуры плавления в защитной или восстановительной атмосфере.

Порошки с размером частиц 50 мкм и более разделяют по группам просеиванием на ситах, более мелкие — воздушной сепарацией.

В ряде случаев в порошковую массу вводят технологические наполнители: пластификаторы, улучшающие прессуемость и обрабатываемость (раствор каучука в бензине, парафине, воске), летучие вещества и др.

Подготовленные порошки смешивают в шаровых, вибрационных мельницах и другими способами.

Заготовки из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое), экструдированием, прокаткой.

Холодное прессование делится на одностороннее и двустороннее.

В первом случае порошковая шихта прессуется пуансоном в пресс-форме с поддоном. Объем порошка при этом резко уменьшается, увеличивается контакт между частицами, происходит их механическое сцепление. Прочность заготовки повышается, а пористость уменьшается. Таким способом получают заготовки простой формы и небольшой высоты, т.к. вследствие неравномерности распределения давления по высоте заготовки она имеет различную прочность, плотность и пористость по высоте.

Для формообразования заготовок сложной формы применяют двустороннее прессование с помощью двух подвижных пуансонов. При такой схеме требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на 30…40.

Горячее прессование совмещает формование и спекание заготовок. Процесс осуществляется в графитовых пресс-формах с индукционным или электроконтактным нагревом. Благодаря высокой температуре давление можно существенно уменьшить. Горячее прессование отличается малой производительностью и большим расходом пресс-форм, поэтому используется, главным образом, при переработке жаропрочных материалов, твердых сплавов и тугоплавких металлов.

Гидростатическое прессование заключается в обжатии порошка, помещенного в эластичную (например, резиновую) оболочку с помощью жидкости под давлением до 2 ГПа.

Этим методом получают крупногабаритные заготовки типа труб, цилиндров.

Экструдирование — процесс формования заготовок путем выдавливания шихты из замкнутого объема (схема, аналогичная прямому прессованию металлов). Для этого исходный порошок замешивают с пластификатором до консистенции пластилина. Этим способом получают прутки, трубы и другие изделия.

Прокатка — один из наиболее производительных и перспективных способов переработки порошковых материалов. Осуществляется она путем обжатия порошковой шихты между валками. Этим способом получают пористые компактные ленты, полосы и листы толщиной 0,02…3 мм и шириной до 300 мм из железа, никеля, титана, нержавеющей стали и др. При этом процесс прокатки легко совмещается со спеканием и другими видами переработки. Для этого полученную заготовку пропускают через печь, а затем прокатывают с целью калибровки.

3.4 Спекание и окончательная обработка заготовок

Для повышения прочности сформованные из порошков заготовки подвергают спеканию.

Спекание производится в печах электросопротивления или индукционных в нейтральной или защитной среде при температуре 0,6…0,9 температуры плавления порошка. Процесс спекания длится 30…90 мин., при этом происходят восстановление поверхностных оксидов, диффузионные явления и образуются новые контактные поверхности.

Для повышения физико-механических свойств спеченных заготовок и повышения точности размеров их могут подвергать последующему калиброванию — повторному прессованию или экструдированию и спеканию, пропитке смазочными материалами, термической или химико-термической обработке. Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке при повышенных температурах, а также обработке резанием — точению, сверлению, фрезерованию.

Последнюю выполняют без использования смазочно-охлаждающей жидкости во избежание проникновения ее в поры и возникновения процесса внутренней коррозии металлов.

3.5 Технологические основы конструирования спеченных деталей

Сводятся к следующим требованиям:

1 Не допускать значительной разностенности во избежание коробления детали из-за усадки.

2 Избегать выступов, пазов и отверстий с перпендикулярным расположением к оси прессования.

3 Избегать острых углов в местах сопряжений, предусматривать радиусы закругления не менее 0,25 мм.

4 Наружные и внутренние резьбы получать обработкой резанием.

5 Толщину стенок детали задавать не менее 1 мм.

заготовка пластик резиновый деталь Литература Чумаченко Ю. Т.: Материаловедение. — Ростов н/Д: Феникс, 2007

А.В. Шишкин, А. Н. Черепанов, В. С. Чередниченко, В. В. Марусин; Под ред. В. С. Чередниченко; Рец.: Г. П. Фетисов, В. М. Матюнин, А. С. Басин: Материаловедение. Технология конструкционных материалов. — М.: Омега-Л, 2006

В.И. Городниченко и др.; Под ред. С. В. Ржевской: Материаловедение. — М.: Университетская книга: Логос, 2006

гл. ред. Л. Я. Дятченко: Научные ведомости Белгородского государственного университета. — Белгород: БелГУ, 2006

Кекало И.Б.: Атомная структура аморфных сплавов и её эволюция. — М.: Учёба, 2006

Ковалев В.И.: История техники. — Старый Оскол: ТНТ, 2006

М-во образования и науки РФ, БелГУ, Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН, Московский гос. ин-т стали и сплава; под ред.: Ю. Р. Колобова и др.: Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения. — Белгород: БелГУ, 2010

Московский гос. ин-т стали и сплавов (Технологический ун-т), Астраханский гос. ун-т; под ред.: Л. В. Кожитова, В. К. Карпасюка: Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микрои наноэлектроники. — М.: МГИУ, 2012

Никулин С.А.: Материаловедение и термическая обработка металлов. — М.: МИСиС, 2006

Никулин С.А.: Материаловедение и термическая обработка металлов. — М.: МИСиС, 2013

Раков Э.Г.: Нанотрубки и фуллерены. — М.: Университетская книга; Логос, 2006

Светухин В.В.: Кинетика кластеризации и препитации примесей и легирующих элементов в перспективных материалах электронной и атомной техники. — Ульяновск: УлГУ, 2006

Федеральное агентство по образованию, Ульяновский гос. ун-т: Учебный план образовательной программы профессиональной переподготовки специалистов по направлению «Коммерциализация наукоемких продуктов и технологий в сфере «Инновационная деятельность в области радиационного материаловедения». — Ульяновск: УлГУ, 2012

Федеральное агентство по образованию, Ульяновский гос. ун-т; В. В. Светухин и др.; Рец. В. М. Журавлёв: Моделирование радиационной повреждаемости металлов методом молекулярной динамики. — Ульяновск: УлГУ, 2006

Андриевский Р.А.: Наноструктурные материалы. — М.: Академия, 2005

.ur