ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Чугун, как уникальный металл, играет важную роль в современной промышленности. Его широкое применение в таких отраслях, как автомобилестроение, строительство и машиностроение, обусловлено выдающимися характеристиками, включая отличную литейность, высокую прочность и долговечность. Однако эти достоинства также создают определенные сложности при его обработке. Процесс обработки чугуна требует использования специальных технологий и навыков, и в этом обзоре мы подробно рассмотрим основные методы и особенности данного процесса. Чугун является весьма распространенным конструкционным материалом, из которого изготавливается большое количество корпусных изделий.

1. Актуальность темы

Данный материал применяется в узлах, где присутствует трение скольжения. Такая распространенность чугунов обусловлена экономическими, технологическими и в ряде случаев их эксплуатационными свойствами. Чугуны значительно дешевле сталей, они обладают высокими литейными свойствами, а также им присущи антифрикционные свойства, которые связаны с наличием в них графитовых включений [1]. Однако работоспособность чугунов в парах трения значительно ограничена действующими в них нагрузками и скоростями. При повышении нагрузок и скорости движения деталей в парах трения износостойкость чугунного элемента в них резко снижается. Снижению износостойкости также способствует коррозионное воздействие рабочей среды, которое наиболее интенсивно проявляется при возникновении сухого трения. Так как износостойкость изделий определяется свойствами их поверхностных слоев, то стойкость к износу чугунных изделий (особенно в присутствии агрессивного воздействия рабочей среды) может быть повышена путем нанесения на их поверхность покрытий, обеспечивающих высокую твердость и коррозионную стойкость поверхностных слоев изделий [2-3]. Такими покрытиями являются диффузионные титановые покрытия.

2. Состояние вопроса и задачи исследований

2.1 Общая информация о чугуне

Чугун – сплав железа и углерода с содержанием последнего от 2,14 %. В составе также содержатся постоянные примеси: кремний, марганец, сера и фосфор, в некоторых марках – легирующие добавки, улучшающие свойства. Сплав широко применятся для производства узлов и деталей станков, машин, механизмов, труб, сантехники, отопительных приборов и других технических и бытовых изделий [1-3].

Если сравнивать содержание и состояние углерода в сплаве, то по этим признакам чугун делится на три вида:

Белый. Весь углерод сосредоточен в цементите (в связанном состоянии); место излома отливает белым (отсюда и название). Материал известен высокой твердостью и хрупкостью, из-за чего практически не поддается обработке. В составе есть легирующие добавки (никель, марганец, молибден). Использование: основа для ковких чугунов, литые износостойкие детали.

Серый. Графит в сплаве находится в свободном виде, поэтому излом приобретает серый цвет. Структура металла формируется при медленном охлаждении, поэтому он получает хорошую жидкотекучесть (качественно заполняет литейную форму и воспроизводит ее), не формирует усадочных дефектов. Поэтому из него изготавливают отливки сложной формы (в том числе и крупные). Пример изделия из серого чугуна изображен на рис. 1.[4].

Отливка из серого чугуна

Рисунок 1 – Отливка из серого чугуна

Половинчатый (отбеленный). Поверхностный слой отливок обладает структурой белого чугуна (слой толщиной 12-30 мм), внутренний – сплава с графитом. Сплав имеет высокую твердость на поверхности. Применение довольно широкое, но ограниченное там, где нужна высокая износостойкость: тормозные колодки, лемехи плугов, а также валки листовых прокатных станов [1,2,5].

2.2 Основные методы повышения качества изделий из чугуна

Улучшение качества чугунных изделий требует комплексного подхода, включающего использование современных технологий, материалов и методов обработки. Вот основные способы улучшения качества чугунных изделий:

1. Использование высококачественного сырья.

2. Оптимизация процесса литья с помощью различных ПО.

3. Термическая обработка.

4. Механическая обработка.

5. Применение защитных покрытий.

6. Контроль качества.

7. Оптимизация конструкции.

8. Автоматизация и роботизация.

Использование качественного сырья — один из ключевых факторов, влияющих на качество изделий из чугуна. Вот несколько аспектов, которые стоит учитывать при выборе сырья [5,6]:

1. Химический состав. Содержание основных элементов (углерода, кремния, марганца, серы и фосфора) в чугуне напрямую влияет на его свойства. Высокое содержание углерода делает чугун более твёрдым и прочным, но менее пластичным. Кремний и марганец улучшают литейные свойства чугуна, а сера и фосфор — его обрабатываемость.

2. Наличие примесей. Примеси в чугуне могут снижать его качество. Например, повышенное содержание серы может привести к образованию трещин и раковин в отливках.

3. Размер и форма частиц. Размер и форма частиц в чугуне влияют на его плотность и прочность. Чем меньше размер частиц, тем выше плотность и прочность чугуна.

4. Однородность состава. Однородность состава чугуна обеспечивает равномерность его свойств по всему объёму отливки. Это особенно важно для изделий, работающих в условиях высоких нагрузок.

5. Отсутствие дефектов. Наличие дефектов в чугуне (трещин, раковин, пор) снижает его прочность и долговечность. Поэтому важно выбирать сырьё с минимальным количеством дефектов.

Современные технологии литья металлов играют ключевую роль в металлургической промышленности, обеспечивая высокую точность и эффективность производства. Однако для достижения стабильных и качественных результатов важны не только высокотехнологичные литьевые установки, но и использование специализированного программного обеспечения (ПО), которое позволяет моделировать, прогнозировать и оптимизировать процессы [1...7,8].

Литьевой процесс — это сложный набор взаимодействующих факторов, таких как температура расплава, материал формы, параметры заливки и охлаждения. Изменение любого из этих факторов может привести к дефектам, которые требуют дополнительных затрат на исправление или даже переработку изделия. Использование программного обеспечения позволяет специалистам:

1. Моделировать процесс литья — создавать виртуальные прототипы и визуализировать, как металл ведет себя в форме, чтобы заранее выявлять потенциальные проблемы.

2. Анализировать дефекты — прогнозировать появление дефектов, таких как усадка, пористость, холодные трещины, и вносить корректировки в процесс для их минимизации.

3. Оптимизировать параметры — подбирать оптимальные параметры процесса литья, такие как температура, давление и время охлаждения, для повышения качества и производительности.

Термическая обработка металлов представляет собой технологический процесс, направленный на изменение их структуры и свойств посредством нагрева и последующего охлаждения. Этот метод является эффективным инструментом для улучшения качества изделий из чугуна, обеспечивая им необходимые механические характеристики [9].

Основные аспекты термической обработки чугуна включают [3,9]:

1. Отжиг процесс нагрева чугуна до заданной температуры, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. Отжиг способствует снятию внутренних напряжений, улучшению пластичности и снижению твёрдости, что особенно важно для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или требующих хорошей обрабатываемости.

2. Закалка: процесс быстрого охлаждения чугуна после нагревания до высокой температуры. Закалка приводит к образованию мартенситной структуры, характеризующейся высокой твёрдостью и прочностью. Однако такая структура может быть склонна к хрупкости, поэтому после закалки часто следует отпуск.

3. Отпуск: процесс нагрева закалённого чугуна до определённой температуры с последующим медленным охлаждением. Отпуск позволяет снять внутренние напряжения, повысить пластичность и снизить хрупкость. В зависимости от температуры нагрева различают низкотемпературный (150–200 °С), среднетемпературный (350–450 °С) и высокотемпературный (500–650 °С) отпуск.

4. Нормализация: процесс нагрева и охлаждения чугуна с целью получения однородной мелкозернистой структуры. Нормализация улучшает механические свойства чугуна, повышая его прочность и пластичность.

5. Цементация: процесс насыщения поверхности чугуна углеродом. Цементация повышает твёрдость и износостойкость поверхности при сохранении мягкой и пластичной сердцевины.

Механическая обработка чугуна представляет собой сложный и многоэтапный процесс, существенно влияющий на качество готовых изделий. В этом процессе можно выделить несколько ключевых аспектов:

1. Инструменты: для обработки чугуна используются специализированные резцы, фрезы и свёрла из твёрдых сплавов или быстрорежущей стали, что обеспечивает высокую производительность и точность.

2. Режимы резания: режимы резания подбираются с учётом свойств чугуна, таких как твёрдость, прочность и пластичность, для обеспечения высокой производительности и требуемой точности и шероховатости поверхности.

3. Виды обработки: для повышения качества изделий применяются различные виды механической обработки, включая точение, фрезерование, сверление и шлифование. Выбор вида обработки зависит от формы, размеров и требований к изделию.

4. Смазочно-охлаждающие жидкости: при обработке чугуна используются смазочно-охлаждающие жидкости, которые снижают трение, охлаждают инструмент и заготовку, предотвращают образование заусенцев и трещин.

5. Контроль качества: после механической обработки проводится контроль качества изделий, включающий проверку размеров, формы, шероховатости поверхности и других параметров, что позволяет выявить дефекты и своевременно устранить их.

2.3 Основные методы повышения производительности обработки изделий из чугуна

Повышение производительности обработки изделий из чугуна требует применения современных технологий и методов, которые позволяют увеличить скорость и эффективность процесса, а также обеспечить высокое качество конечного продукта.

Одним из главных способов повышения производительности обработки является применение станков с числовым-программным управлением (ЧПУ) [10].

Главным оборудованием для механической обработки являются токарных и фрезерных станков с ЧПУ. Эти станки позволяют выполнять сложные операции с высокой точностью и повторяемостью. Они могут быть программированы для выполнения различных операций, что повышает производительность и качество обработки. Пример ЧПУ станка для обработки чугуна приведен на рис. 2.

Фрезерно-гравировальный станок с ЧПУ металло- и камнеобработка DeKart S6090

Рисунок 2 – Фрезерно-гравировальный станок с ЧПУ металло- и камнеобработка DeKart S6090

Использование станков с несколькими осями также позволяет повысить производительность а также позволяет обрабатывать сложные детали с высокой точностью и минимальными усилиями по переналадке.

Современные многофункциональные многоосевые станки способны работать с высокой скоростью и управляться автоматикой. Кроме того, они могут обрабатывать даже сложные детали, причем без переустановки.

К тому же многофункциональные многоосевые станки дают повышенную точность обработки изделий и показывают очень высокую производительность. Она достигается путем сочетания быстроты операций и отсутствия промежуточных манипуляций между ними [11,12].

В целом, многофункциональные многоосевые станки – это высокотехнологичное металлорежущее оборудование, работающее по чертежам, загруженным в управляющий модуль агрегата.

Многофункциональные многоосевые станки не требуют наличия большого числа работников, большую часть операций агрегат выполняет самостоятельно – по заданным параметрам. Таким образом, один оператор вполне может обслуживать несколько приборов: нужно только крепить и снимать заготовку, а также запускать программу по обработке.

Выбор инструментального материала также вносит весомый вклад в повышение производительности. Режущая часть токарных проход¬ных резцов в большинстве случаев выполняется из металлокерамических твердых сплавов. Выбор группы твердого сплава определяется родом и механиче¬скими свойствами обрабатываемого материала.

Обработка чугунов по сравнению с обработкой сталей характеризуется меньшими температурами резания. Поэтому при обработке чугунов используют менее теплостойкие, но более дешевые сплавы группы ВК. Предпочтение этой группе в этом случае отдается и вследст¬вие их повышенной прочности, вязкости, что чрезвычайно важно при обработке чугунов, когда образуется элементная стружка надлома и ударная пульсирующая нагрузка концентрируется на малой площадке контакта стружка инструмент в непосредственной близости от режущей кромки – наи¬более уязвимого места лез¬вия резца [12].

Для обеспечения экономической эффективной обработки необходимо применять инструменты из материалов, имеющих высокую структурную прочность и повышать обpaбатываемость заготовки применением специальных технологических методов.

Поэтому для обработки высокопрочного чугуна применяют твердосплавный инструмент, оснащенный пластинами группы Р (резания) (Т14К8, ТТ20К9, Т30К4) с износостойкими покрытиями, включающим слой оксида алюминия. Инструментальные материалы: ТТ7310, ТТ1300, ТТ6290, ТТ6030 обеспечивают повышенную стойкость и возможность работы с повышенными скоростями резания [12,13].

Из перечисленных твердых сплавов необходимо выделить новый фрезерный сплав ТТ6290, который сочетает в себе двойное покрытие (TiCN/Alumina/TiN). Такая упрочненная подложка гарантирует увеличенную и повышенную стойкость. Традиционные фрезерные сплавы для обработки чугуна работают на скоростях ниже 250 м/мин, а сплав ТТ6290 способен работать на скорости 400 м/мин.

Повышение производительности твердосплавных пластин может быть достигнута путем увеличения глубины резания, т. е. сокращение числа проходов и длительности обработки, но это приводит к снижению стойкости инструмента. При назначении режимов резания следует учитывать особенности структуры материала конкретных отливок из-за достаточно большого разброса параметров. Глубина резания выбирается больше толщины поверхностного слоя, имеющего колебания твердости вследствие различия структуры, чтобы достичь более благоприятных условий резания [13-15].

Применение специальных покрытий (например, титанового нитрида) на режущих инструментах увеличивает их износостойкость и снижает трение, что улучшает качество обработки.

Нитрид титана (TiN) — это химическое соединение, получаемое при температуре 1200°С методом азотирования титана. Покрытие TiN обладает кубической алмазоподобной структурой, что обеспечивает ему высокую твердость, низкий коэффициент трения и оптимальную химическую стойкость.

Благодаря этим свойствам, TiN активно применяется для упрочнения режущих инструментов, подшипников и штампов, а также предотвращает прилипание обрабатываемого материала к инструменту.

Существует два основных способа нанесения упрочняющего покрытия: химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и физическое осаждение из газовой фазы (PVD).

Метод химического осаждения (CVD): этот процесс происходит в специальной камере с очень высокой температурой, достигающей 1200°C. Материал покрытия подаётся в паровом агрегатном состоянии и, благодаря нагреву, вступает в реакцию с металлом, из которого изготовлен инструмент.

Метод физического осаждения (PVD): этот метод более популярен из-за его относительной дешевизны. Покрытие наносится путём испарения или распыления. Исходные твёрдые материалы переводятся в газовую фазу, затем с помощью электромагнитного поля транспортируются к режущему инструменту, нагретому до температуры, не превышающей 500°C. Ионизированный материал сталкивается и равномерно конденсируется на режущем инструменте.

Первые попытки повысить износостойкость режущего инструмента включали добавление карбида титана (TiC) в металла. Однако по мере увеличения сожания карбида титана, инструмент становился более хрупким.

Решение этой проблемы было найдено в уменьшении толщины упрочняющего покрытия.

Тончайшая плёнка TiC не изменяла внутреннюю структуру металла, при этом делая его более прочным и позволяя использовать инструмент на более высоких скоростях. Со временем стали наносить не только карбид титана, но и нитрид титана (TiN), а также оксид алюминия (Al2O3), что придавало инструменту различные полезные свойства.

Карбид титана (TiC) увеличивает срок службы твёрдосплавного инструмента и предотвращает образование сколов на режущей поверхности.

Нитрид титана (TiN) препятствует образованию заусенцев и налипанию обрабатываемого металла на режущую кромку, что улучшает качество обработки поверхности.

Оксид алюминия (Al2O3) помогает инструменту работать в условиях повышенных температур, предотвращая его перегрев, так как выступает в роли эффективного термоизолятора.

За счёт метода химического осаждения можно создавать по-настоящему уникальные покрытия с особыми свойствами. Дело в том, что технология CVD позволяет наносить покрытия в несколько слоёв. В каталогах некоторых производителей можно встретить до 18 типов покрытий для каждого инструмента.

Впрочем, минус у данного метода также имеются. Во время нанесения покрытия инструмент довольно сильно раскаляется, из-за чего в твёрдосплавных инструментах возникает риск образования хрупких фаз.

Методом физического осаждения PVD обычно наносят несколько типов покрытий, каждое из которых обладает уникальными свойствами:

1. Нитрид титана (TiN). Это универсаль покрытие, которое увеличивает срок службы инструмента в 3-4 раза. TiN выступает в качестве механического, термического и химического барьера между режущей кромкой и обрабатываемой деталью.

2. Карбонитрид титана (TiCN). Это покрытие обеспечивает высокую твердость и хорошую вязкость. TiCN характеризуется очень низким коэффициентом трения, что позволяет обрабатывать детали на высоких скоростях.

3. Алюминий титан нитрид (AlTiN). Это покрытие обладает уникальной нанокомпозитной структурой, которая значительно увеличивает твердость, термостойкость (до 900°C) и сопротивление ударным нагрузкам. AlTiN также обладает высокой коррозионной стойкостью.

4. Алюминий хром нитрид (AlCrN). Это покрытие применяется для равномерного износа и сопротивления сколам благодаря высокой термостойкости и отличной производительности в сложных условиях и прерывистых режимах резания. AlCrN эффективно работает даже без применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ).

Каждое из этих покрытий имеет свои преимущества и может быть использовано в зависимости от конкретных условий и требований к обработке.

Метод физического осаждения из газовой фазы (PVD) наносится при щадящей температуре, что благоприятно сказывается на металле, из которого изготовлен инструмент. Несильный нагрев не влияет на его прочность.

Покрытие наносится очень тонким слоем — толщина не превышает 5 мкм. Это позволяет сохранить режущую кромку максимально острой, что особенно важно при финишной обработке и при работах с высокими требованиями к точности и жесткими допусками на размеры.

Метод PVD требует дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала, однако результат легко окупается. Особенно это актуально, если инструмент с покрытием необходим для высокоточной обработки.

Таким образом, нанесение износостойких покрытий на режущий инструмент представляет собой комплексную задачу. Покрытие должно соответствовать ряду требований, включая высокую износостойкость, термическую стойкость, механические свойства и прочность сцепления с инструментальной основой.

Выбор покрытия зависит от типа обрабатываемого материала и области его применения. Важно учитывать тип химической связи материала покрытия, чтобы обеспечить его максимальную инертность к обрабатываемому материалу [16-18].

3. Цели и задачи исследования

Целью магистерской диссертации является повышение качества и производительности обработки изделий из чугуна.

Для решения поставленной цели предполагается решение следующих задач:

1. Анализ современных технологий и методов обработки чугуна.

2. Определить ключевые параметры, влияющие на качество и производительность обработки.

3. Исследовать и предложить новые технологии и методы, которые могут быть внедрены для улучшения качества и производительности обработки чугуна.

4. Разработать стратегии по снижению затрат и повышению экономической эффективности производства.

5. Оценить влияние внедрения новых технологий на общее производство.

6. Исходные данные для разработки технологии изготовления объекта производства.

7. Выбор типовой детали для разработки цифровой модели изготовления объекта производства.

8. Разработка маршрута изготовления детали.

9. Проектирование операционного технологического процесса изготовления детали в САПР ТП.

Выводы

Цели и задачи исследования направлены на комплексное изучение и оптимизацию процессов обработки чугуна с целью повышения качества и производительности. Внедрение новых технологий и методов, а также обучение персонала и контроль качества, позволят достичь высоких стандартов производства и удовлетворить требования заказчиков.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2025 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Приведены особенности чугуна его типы и способы обработки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://genlubric.ru....
  2. Описан процесс термической обработки чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://metallplace.ru....
  3. Термическая обработка изделий из чугуна ковкого [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cyberpedia.su.
  4. Технологическое обеспечение качества [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://helpiks.org.
  5. Механическая обработка чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://titan-spec.ru....
  6. Как улучшить механические свойства отливок из серого чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://steel-foundry.com....
  7. Механическая обработка чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://spravconstr.ru....
  8. Инновационные технологии в производстве чугуна и стали [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://artistovator.ru....
  9. Как избежать проблем при обработке чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tigroteh.ru....
  10. Исследование путей повышения качества чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://studopedia.ru....
  11. Повышение качества чугуна методами внепечной обработки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://uas.su....
  12. Процессы нормализации, закалки и отпуска чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nntip.ru....
  13. Исследование путей повышения качества чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://studopedia.org....
  14. Механическая обработка чугуна Особенности обработки точения и фрезерования чугунных деталей на токарных и фрезерных станках Обрабатываемость серого ковкого с шаровидным и вермикулярным графитом чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://stanki-gid.ru....
  15. Металлообработка чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://qcan.pro....
  16. Типы покрытий металлорежущего инструмента [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://tigroteh.ru....
  17. Влияние применения покрытий на режущий инструмент, используемый для обработки деталей НГО [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://apni.ru....
  18. Нанесение защитных покрытий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://peretochka.ru....