CC BY
15Технологические свойства станин металлорежущего оборудования
сч о сч
о ш т
X
<
т о х
X
Мишин Никита Сергеевич
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана. ketkong@mail.ru
Фролов Владимир Андреевич
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана. vladimir.frolov.99@mail.ru
Рассмотрены основные технологические характеристики и эксплуатационные свойства станин, получаемых литьем, технологического оборудования. Представлены виды процессов, протекающих в металлорежущем станке при производстве заготовок, и даны их технологические характеристики. Проведен анализ наиболее частых поверхностных и внутренних дефектов при литье станин, таких как пригар, газовые раковины, коробление, ситовидная пористость, усадочная пористость, а также подробно описаны виды трещин и методы их предупреждения. Представлены причины дефектов, а также способы их устранения и сокращения брака выпускаемой продукции. Предложен алгоритм изготовления литой станины для технологического оборудования, основанный на обобщенном методе описания закономерностей формирования и протекания процессов, происходящих при затвердевании расплавленного металла при изготовлении литой станины технологической машины. Ключевые слова: технологическое оборудования, металлорежущий станок, надежность, станина, отливка, дефекты, алгоритм, диагностика, технологическое свойства.
Высокий уровень надежности технологического оборудования, способствует повышению эффективности производства и качества выпускаемой продукции.
Стабильная работа технологического оборудования обусловлена различными факторами, протекающими в процессе обработки, например, надежность технологического оборудования — способность сохранять технологические и эксплуатационные свойства машины в течение всего периода эксплуатации. Все процессы, из-за которых технологическое оборудование теряет свои эксплуатационные свойства, можно разделить по скорости их протекания для конечного анализа изменения степени надежности. Виды процессов, протекающих в технологическом оборудовании, представлены на рис. 1.
Внешние Воздействия (нагрузки, химическое действие среды, температура и тд.)
1 г 1 1
Быстропро-текающие процессы Процессы средней скорости Медленно протекающие процессы
1
Е
Технологическое оборудование
_I_
Выходные характеристики и параметры
Рис. 1. Виды процессов, протекающих в технологическом оборудовании.
Быстро протекающие процессы - процессы, которые возникают во время непосредственно обработки изделия. Измеряются долями секунд. К таким процессам относят колебания узлов и механизмов, изменение сил трения в подвижных соединениях.
Процессы средней скорости - процессы, возникающие в течение непрерывной работы оборудования. К этой категории относятся тепловые деформации, износ режущего инструмента и коррозия.
Медленно протекающие процессы - процессы, протекающие за весь период эксплуатации станка.
К ним относят изнашивание, ползучесть материалов и др.
Современное технологическое оборудование -сложная технологическая система, состоящая из различных узлов и механизмов, как правило это станина, шпиндельная бабка, коробка скоростей и подач, плиты, суппорты и т.д.
Станина - один из основных и наиболее важных элементов несущей системы станка. Качество изготовления станины влияет на большинство количество эксплуатационных характеристик технологической машины, таких как жесткость, прочность и др. Станина должна обеспечивать правильно взаимное положение узлов и частей станка на базирующих поверхностях, а также воспринимать усилия от процессов резания.
Основной процесс, влияющий на технологические параметры станины является износ направляющих. В процессе износа происходит неизбежное изменение геометрии элементов станины, что в свою очередь снижает геометрическую точность станка.
Самый распространенный метод получение станин - литье. Основным материалом для изготовления станин является серый чугун. Серый чугун обладает особенностями, такие как поглощение вибраций, стойкость к усилиям на сжатие и др.
Достижение необходимых структуры и твердости - одна из важных задач в производстве литых станин, которая влияет на их эксплуатационные характеристики. Это достигается путем выбора состава металла и способа охлаждения отливок.
Скорость охлаждения оказывает большое влияние на качество станины. Существуют различные методы изменения скорости охлаждения участков отливки, такие как нагрев формы или использование различных формовочных смесей. Эти методы применяют для уменьшения температурных напряжений. Так же для этого применяют внутренние и наружные холодильники. Благодаря таким холодильникам достигается необходимая графитовая структура чугуна.
При автоматическом управлении процессом охлаждения отливки значительно уменьшаются остаточные напряжения. Основным регулирующем параметром такой системы является разность температур основных элементов отливки.
Не менее важной задачей повышения эксплуатационных характеристик станин является уменьшение брака. Главным аспектом для сокращения брака в ходе работы металлорежущего станка является анализ и определение его причин, а также его заблаговременное предупреждение. Дефекты, вызывающие брак в процессе литья, можно разделить по внешнему виду, размерам, местоположению. К таким дефектам относят пригар, различные раковины, пористость, коробление, трещины и др.
Пригар - специфический трудноотделяемый слой на поверхности отливки, возникший при взаимодействии расплавленного металла с материалом формы. Этот дефект образуется преимущественно на отливках из сплавов с высокой температурой плавления при заливке в песчаные формы. Вначале процесса образования пригара расплавленный метал попадает в поры литейной формы, после происходит взаимодействие окислов металла и формовочных материалов. Для предотвращения пригара необходимо создать условия, которые будут противодействовать спеканию формовочных материалов и уменьшать силы сцепления между пригарной коркой и отливкой.
Газовые раковины - дефект в виде полости, образованный из-за нарушения газового оттока при взаимодействии жидкого металла с материалом формы. Газовые раковины, образовавшиеся за счет плохого качества металла, чаще всего имеют малые размеры и разбросаны по всей массе отливки. Газовые раковины, образовавшиеся за счет дефектов форм и неправильной технологии заливки, концентрируются чаще всего на отдельных определенных участках формы и находятся на небольшой глубине от поверхности или стержня. Методы их предупреждения связаны с источником газообразования.
В тех частях отливок, где следует ожидать образования раковин, в формах устраивают соответствующие прибыли, из которых в период усадки отливка питается жидким металлом. Металл в прибыли должен затвердевать в последнюю очередь. Для устранения пористости применяют холодильники, ускоряющие затвердевание металла в соответствующих зонах. Усадочные раковины можно устранять изменением конструкции формы, уменьшая скопления металла в отдельных ее частях. Так же возникновение в отливках газовых раковин исключают равномерным уплотнением смеси, устройством искусственной вентиляции формы путем наколов каналов иглой, выводом газов из стержней, установкой в форму охлажденных (не горячих) стержней и др.
Коробление - может проявляться в различных формах, наиболее характерам является появление вогнутости или выпуклости на плоских поверхностях отливок. Появляется из-за искажения конфигурации отливки под влиянием напряжений, возникающих при охлаждении отливки или вследствие деформации модельной оснастки. Для предотвращения коробления в технологическом процессе изготовления металлических станин предусматривают специальные операции, снижающие напряжения, создающие более равномерное распределение напряжений по объему станины или упрочняющие материалы.
х
X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
сч о сч
о ш Ш X
<
т о х
X
Ситовидная пористость - скопление удлиненных тонких раковин, расположенных в подповерхностном слое отливки и ориентированных перпендикулярно к ее поверхности. Обычно их появление вызвано повышенным содержанием водорода в кристаллизующемся слое металла.
Для предупреждения данного дефекта необходимо раскислить сплав с избытком раскисляющих добавок, который попадает в расплав в определенный период. Еще одним действенным методом является уменьшение пути расплавленного материала в форме посредством сокращения размеры литниковой системы.
Усадочная пористость - представляет собой скопление мелких пор в тепловых узлах. Она образуется из-за недостаточного питания отливки при усадке металла во время его затвердевания.
В сплавах, затвердевающих в интервале температур, растущие от поверхности отливки кристаллы глубоко вдаются в жидкий металл. В них образуется промежуточная двухфазная зона, состоящая из твердого и жидкого металла. Пока растущие от поверхности кристаллы не встретятся, верхние слои жидкого металла или боковые прибыли компенсируют усадку металла. Однако после срастания растущих кристаллов объемы жидкого сплава между ними изолируются один от другого и дополнительный подвод жидкого металла прекращается. При затвердевании жидкого сплава в таких условиях в изолированном пространстве образуются мелкие усадочные раковины-поры. Скопление мелких усадочных раковин и называют усадочной пористостью.
Основным методом предотвращение усадочной пористости является регулирование затвердеванием, недостаток расплавленного материала в отливке компенсируется методом непрерывного подвода дополнительного расплавленного металла. Также широко распространен способ уменьшения усадочной пористости путем удлинения периода, в течение которого может развиваться усадочная раковина. Приложение к жидкому сплаву, находящемуся в прибыли, внешнего давления может заставить его продолжать питать двухфазную область и после начала роста твердых кристаллов на границе усадочной раковины при условии, что этот рост не успел вызвать образования сплошной твердой корки.
Трещины. Данный дефект можно разделить на три разных типа:
1) Горячая трещина - дефект в виде разрыва или надрыва тела отливки по границам кристаллов, поэтому она имеет извилистую или ломаную форму и неровную окисленную поверхность. Горячие трещины образуются вследствие затрудненной усадки в интервале температур затвердевания сплавов и располагаются чаще всего во внутренних углах сходящихся стенок или других подоб-
ных узлах отливки. Для предупреждения возникновения горячих трещин в отливках необходимо создавать условия, способствующие формированию мелкозернистой структуры, обеспечивать одновременное охлаждение тонких и толстых частей отливок, увеличивать податливость литейных форм, по возможности снижать температуру заливки сплава.
2) Холодная трещина - дефект в виде разрыва тела затвердевшей отливки, отличается сравнительно гладкой светлой поверхностью и, как правило, имеет прямолинейную форму. Дефект образуется в твердом металле в местах наибольшего воздействия внутренних напряжений, т.е. в зонах перехода от толстых сечений к тонким. Для предупреждения образования в отливках холодных трещин необходимо обеспечивать равномерное охлаждение отливок во всех сечениях путем использования холодильников, применять сплавы для отливок с высокой пластичностью, проводить отжиг отливок и т. п.
3) Межкристаллическая трещина - дефект в виде разрыва тела отливки. Возникает при охлаждении отливки в форме на границах первичных зерен аустенита в температурном интервале распада.
На основе рассмотренных факторов, а также требований, которые предъявляются к станинам, представлен алгоритм их изготовления, см. рис.2.
Рис.2.Алгоритм изготовления литой станины.
В заключении можно сказать, что предотвратить проблемы и избежать дефектов при литье можно еще на стадии проектирования изделия. Для этого необходимо провести анализ и применить необходимый метод борьбы с дефектами, что в свою очередь улучшит технологические свойства станины технологического оборудования. Также в настоящее время, существует большое количество программного обеспечения, которое
позволяет автоматически на стадии проектирования выявить проблемы и предложить метод их устранения.
Литература
1. Проников А.С. Параметрическая надежность машин. — М: Машиностроение, 2002. — 592с.
2. Мухин А.В., Спиридонов О.В., Схиртладзе А.Г., Харламов Г.А. Производство деталей металлорежущих станков: Учебное пособие для машиностроительных специальностей вузов. — М: Машиностроение, 2001. — 560с.
3. Черпаков Б.И., Вереина Л.И. Технологическое оборудование машиностроительного производства. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 416 с.
4. Технология литейного производства: Специальные виды литья: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Э.Ч.Гини, А.М.Зарубин, В.А.Рыбкин; Под ред. В.А.Рыбкина. — М.:Издательский центр «Академия», 2005. — 352с.
5. Чернышев Н.А., ЕвстигнеевА.И., Евлампиев А.А. Литейные дефекты. Причины образования. Способы предупреждения и исправления. - М.: 2008. —282 с.
6. Давыдов Н.И. Литейное противопригарные покрытия. -М.: Машиностроение, 2009. —240 с.
7. Ягопольский А.Г., Куцая А.Ю., Савохина О.М., Зайцев А.Н. Повышение эксплуатационных характеристик литых станин и корпусных деталей на стадии их изготовления. Известия высших учебных заведений. Машиностроение.
Technological properties of the mill of metal-cutting equipment. Mishin N.S., Frolov V.A.
Bauman Moscow State Technical University
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90
The main technological characteristics and operational properties of the castings obtained by casting, technological equipment are considered. The types of processes occurring in a metal-cutting machine during the production of blanks are presented, and their technological characteristics are given. The analysis of the most frequent surface and internal defects in the casting of the mill, such as burn, gas sinks, warping, sieve porosity, shrinkage porosity, and also describes in detail the types of cracks and methods of their prevention. The causes of defects are presented, as well as ways to eliminate them and reduce the defective products. An algorithm for manufacturing a cast bed for technological equipment is proposed, based on a generalized method for describing the patterns of formation and flow of processes occurring during solidification of molten metal during the manufacture of a cast bed of a technological machine. Keywords: technological equipment, metal-cutting machine, reliability, bed,
casting, defects, algorithm, diagnostics, technological properties. References
1. Pronikov A.S. Parametric reliability of machines. - M: Mechanical
Engineering, 2002. - 592s.
2. Mukhin A.V., Spiridonov O.V., Skhirtladze A.G., Kharlamov G.A.
Production of metal-cutting machine parts: A textbook for engineering
specialties of universities. - Moscow: Mechanical Engineering, 2001--
560s3.
Cherpakov B.I., Vereina L.I. Technological equipment of machine-building production. - Moscow: Publishing center "Academy", 2005- - 416 p.
4. Technology of foundry production: Special types of casting: Textbook for
students. higher. studies. institutions / E.C.Gini, A.M.Zarubin, V.A.Rybkin; Edited by V.A.Rybkin. - M.: Publishing Center "Academy", 2005. - 352s.
5. Chernyshev N.A., EvstigneevA.I., Evlampiev A.A. Foundry defects.
Reasons for education. Methods of prevention and correction. - M.: 2008. -282 p.
6. Davydov N.I. Foundry anti-stick coatings. -M.: Mechanical Engineering,
2009. -240 p.
7. Yagopolsky A.G., Kutsaya A.Yu., Savokhina O.M., Zaitsev A.N. Improving
the performance characteristics of cast mills and body parts at the stage of their manufacture. News of higher educational institutions. Mechanical engineering.
X X О го А С.
X
го m
о
м о м
