3 Індивідуальні завдання (Завдання та методичні рекомендації)

Питання індивідуального (творчого) завдання

1 Встановіть вид і орієнтовну марку матеріалу для виготовлення вказаного виробу. При цьому слід врахувати його собівартість, умови експлуатації (міцність, твердість, пластичність, пружність, в'язкість, зносостійкість), корозійну і теплову стійкість і ін.

2 Вкажіть, як маркується вибраний матеріал. Поясніть позначення.

3 Використовуючи довідкову літературу, встановіть орієнтовний хімічний склад вибраного матеріалу і складіть відповідну таблицю.

4 Встановіть, яку будову у зрівноваженому стані має вибраний матеріал, і дайте характеристику його структурним складовим.

5 Використовуючи довідкову літературу, встановіть конкретні механічні властивості ( , , HB) для вибраного матеріалу у зрівноваженому стані.

6 Використовуючи навчальну літературу, ознайомтесь з основними способами виробництва конструкційних матеріалів. Приведіть конкретні відомості про технологію одержання вибраного матеріалу.

7 Ознайомтесь з основними способами виготовлення заготівок виробів (ливарне виробництво, обробка тиском, зварювання, обробка різанням). Виберіть і обґрунтуйте спосіб виготовлення даного виробу.

8 Встановіть, яке устаткування і інструменти необхідні для виготовлення заготівок, дайте їм коротку характеристику.

9 Використовуючи навчальну літературу, встановіть яку структуру і механічні властивості ( , НВ) повинні мати вироби при його експлуатації.

10 Встановіть, які операції термічної і хіміко-термічної обробки необхідно виконати для набуття заданих механічних властивостей виробом. Виберіть і обґрунтуйте режими операцій термічної обробки (температура нагріву, середовище, в якому охолоджують) при виготовленні виробу.

11 Використовуючи навчальну літературу, опишіть перетворення, що відбуваються в матеріалі виробу при виконанні операцій термічної обробки.

12. Встановіть, які основні операції механічної обробки застосовуються при виготовленні цього виробу, і дайте їм коротку характеристику.

Вихідні дані варіантів завдань

Варіанти творчого завдання представлені переліком найбільш розповсюджених в машинобудуванні деталей та виробів. Для кожного з виробів далі у методичних рекомендаціях приведені короткі відомості про їх призначення, будову, особливості експлуатації, рекомендовані для їх виготовлення матеріали.

Таблиця 3.1 – Вихідні дані варіантів творчого завдання

№ варіанту	Виріб	№ варіанту	Виріб
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132	Вал Гвинт Бурав Болт Бородок Верстатні лещата Вісь Викрутка Вороток Вкладиш Втулка Втулка перехідна Гайка Гайковий ключ Гусениця (гусеничний ланцюг) Гребний гвинт Головка циліндра Гострогубці (кусачки) Долото столярне Долото теслярське Зенкер Зенківка циліндрична Зенківка конічна Зубило Індикаторний глибиномір Індикаторний нутромір Калібр-пробка Калібр-скоба Калібр різьбовий Калібр конічний Канавочник (російська) Кернер Колесо зубчасте Ковадло Колінчастий вал Кранець Круглогубці Кувалда тупоноса Кувалда гостроноса Кутомір Кутові мірні плитки Косинець перевірочний Крейцмейсель Лінійка вимірювальна Матриця Маховик Мітчик циліндричний Мітчик конічний Мітчик гайковий Мітчик гайковий із зігнутим хвостовиком Мітчик комбінований Молоток з круглим бойком Притир регульований різьбовий Притир для обробки зовнішньої конічної поверхні Притир спеціальний Плоскогубці Протяжка зовнішня Протяжка внутрішня Правильна плита Рихтувальна бабка Прихвати плиткові Прихвати вилкоподібні Прихвати коритоподібні Прихвати зігнуті Прихвати універсальні Пружина Пуансон Розгортка циліндрова Розгортка конічна Розгортка комбінована Рашпіль Різець прохідний Різець різьбовий Різець підрізний Різець прорізний Різець відрізний Різець фасонний Різець розточувальний Різець галтельний (радіусний) Ручні слюсарні лещата Рейсмус Ресори Розгортка ручна Розгортка машинна Свердло спіральне Свердло оснащене твердим сплавом	18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 167 162 163 164 165 166 167	Гайковий ключ накидний (глухий) Гайковий ключ для круглих гайок Гайковий ключ торцевий з внутрішнім квадратом Гайковий ключ торцевий із зовнішнім квадратом. Гайковий ключ розсувний Гайковий ключ трубний Гайковий ключ важільний Гайковий ключ накидний Гайковий ключ односторонній Гайковий ключ двохсторонній Молоток із тонкого листового металу Молоток з квадратним бойком Молоток зі вставками з м’якого металу Ножівка по металу Ножиці ручні Надфіль Напилок тупоносий Напилок гостроносий Напилок квадратний Напилок тригранний Напилок напівкруглий Напилок круглий Напилок ромбічний Напилок ножівочний Ніж рубанка Ніж фуганка Ніж шерхебеля Натяжка Обтиски Палець поршневий Паяльник Підтримка Плашка метрична Плашка дюймова циліндрична Плашка трубна Плашка трубна конічна Плашка призматична (клуп) Підкладка призматична Підкладка клиновидна Поршень Притир плоский Притир гладкий Притир нерегульований Притир регульований Притир нерегульований різьбовий Свердло центрувальне Свердло перове Свердло комбіноване Слюсарні лещата Стамеска Станина Струбцина Стулові ножиці Маточина (втулка) Труби Транспортир Токарний центр Філь’єр Фланець Фрези циліндрові Фрези кутові Фрези напівкруглі, увігнуті, дискові Фрези дискові двосторонні Фрези однокутні Фрези шліцьові дискові Фрези пазові дискові Фрези кінцеві Фрези шпонкові Фрези напівкруглі, опуклі Фрези відрізні Фрези фасонні Фрези Т-подібні Цвях Циркуль Рисувалка Чекан Ланцюг Центропошукач Циліндр Штангензубомір Щуп

Методика виконання індивідуального завдання

Аналізуючи зміст питань, що включені у творче завдання, слід звернути особливу увагу на наступне. Виконання контрольного завдання потребує від курсантів ретельної попередньої підготовки. Ознайомившись із запропонованим виробом, перш за все необхідно встановити, в яких умовах буде працювати цей виріб та з якого матеріалу доцільно його виготовити (див. Коротку характеристику виробів). Для того, щоб правильно і змістовно відповісти на це питання, необхідно мати чітку уяву про основні механічні і технологічні властивості найбільш розповсюджених конструкційних матеріалах та способи їх визначення.

Особливу увагу слід звернути на собівартість виробу, що пропонується. Найбільш складними являються відповіді, що стосуються будови та складу вибраного матеріалу. Як відомо, самими розповсюдженими конструкційними матеріалами являються сталі та чавуни, в той же час вони мають найнижчу собівартість. Отже, по можливості слід віддавати їм перевагу.

При описанні будови сталі та чавуну бажано привести діаграму стану залізо-цементит, показати на ній розташування структурних складових і залежність конкретних механічних властивостей від будови сплаву.

Описуючи технологію виробництва конструкційних матеріалів необхідно звернути увагу на сучасні способи металургійних процесів, розкрити їх переваги, наприклад, можна запропонувати безперервне розливання сталей, сучасні способи рафінування сталей та ін.

Як правило, для виготовлення деталі перш за все необхідно одержати її заготівку. Це виготовлення відливок, поковок, зварних вузлів і ін. Потім проводять кінцеву обробку, як правило, на металорізальних верстатах. На це слід звернути особливу увагу.

Впровадження в практику високопродуктивних методів формо-утворення деталей суттєво знижує собівартість продукції.

Як відомо, термічна обробка являється заключною операцією, в результаті якої відбувається зміна структури, а отже, і механічних властивостей металу у вибраному напрямку. За допомогою термічної обробки можна одержати як підвищену твердість і міцність, так і високу пластичність і в’язкість.

отже, термічна обробка може бути як зміцнювальною, так і навпаки, такою, що знижує міцністні властивості матеріалу. Дуже важливо розібратися в суті змін структури і властивостей, що відбуваються в сталі при термічній обробці. На практиці термічна обробка звичайно складається з таких послідовних операцій, як нагрівання сталі до необхідної температури залежно від вмісту вуглецю, витримка протягом певного часу при цій температурі та наступне охолодження з відповідною швидкістю. В залежності від температури нагрівання, часу витримки та швидкості охолодження деталі в ній утворюються різні структурні складові, яким відповідають певні механічні властивості. Тому розрізняють такі види термічної обробки, як відпал, нормалізація, загартування та відпускання.

Далі як приклад розглянемо орієнтовну відповідь на поставлені питання для виробу "Слюсарний молоток".

1 При виборі матеріалу для виготовлення заданого виробу (слюсарний молоток) перш за все необхідно встановити, в яких умовах він працює і які навантаження діють на нього.

Відомо, що слюсарний молоток працює при нормальних температурах і атмосферних умовах і, отже, слюсарний молоток в процесі роботи не нагрівається до високих температур і не піддається атмосферним руйнуючим впливам.

Слюсарний молоток призначений для завдання ударів по оброблюваній заготівці. Отже, матеріал, з якого він виготовляється, повинен мати: високу твердість, щоб в процесі роботи він не деформувався; достатню ударну в'язкість, щоб при завданні ударів не руйнувався; низьку пластичність.

Достатньо велике значення при виборі матеріалу для виробу, що виготовляється, має його собівартість. Тому необхідно, щоб виготовлений виріб був порівняно дешевим.

Враховуючи викладене вище, можна зробити наступний висновок: самим придатним матеріалом для виробу, що виготовляється, є вуглецева сталь, наприклад, вуглецева інструментальна сталь У8.

2 Інструментальні вуглецеві сталі маркуються буквою У і цифрами, що вказують приблизний вміст вуглецю в сталі в десятих долях відсотка. Отже, в сталі У8 міститься близько 0,8 % С.

3 До складу вуглецевих сталей крім заліза і вуглецю входять наступні постійні домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор і ін. Причому, кремній і марганець додають в сталь при її виплавці з метою розкислювання. Їх кількість зазвичай складає 0,5 %. Вони не погіршують властивостей сталі. Сірка і фосфор, що є шкідливими домішками, потрапляють в сталь при її виплавці із залізняку, палива і флюсів. Їх кількість у сталях, зазвичай, не перевищує 0,6 %. Нижче приведений хімічний склад вуглецевої інструментальної сталі марки У8.

Марка металу	Вміст компонентів, %
	С	Mn	Si	S	P
				не більше
У8	0,75 - 0,84	0,20 - 0,40	0,15 - 0,35	0,30	0,035

4 Так як у вибраній сталі знаходиться приблизно 0,8 % С, то вона, згідно діаграмі стану залізо-цементит, є евтектоїдною сталлю, що має структуру перліту. Перліт – механічна суміш, що складається із зерен фериту і цементиту, і має наступні механічні властивості: ≈ 900 МПа, ≈10 %, НВ2000 МПа. У свою чергу ферит – це твердий розчин впровадження вуглецю в α-залізі. У ньому не більше 0,1 % вуглецю. Він пластичний ( 30 %), має низьку міцність ( 300 МПа) і твердість (НВ800 МПа). Цементит є хімічною сполукою заліза з вуглецем (Fe₃C), містить 6,67 % С, дуже твердий (НВ8000 МПа), не пластичний ( 0 %) і внаслідок високої крихкості має низьку міцність.

5 Оскільки слюсарний молоток виготовлений із сталі, що має структуру перліту, властивості цієї сталі у зрівноваженому стані такі ж, як і у перліту, тобто 900 МПа, ≈ 10 %, НВ2000 МПа.

6 Як відомо, сталь в основному виплавляють з чавуну. Суть переділу чавуну в сталь полягає в тому, що з нього видаляється надлишок вуглецю, кремнію і марганцю, а також інших домішок. Особливо важливо при цьому видалити шкідливі домішки, зокрема сірку і фосфор, які різко знижують механічні властивості сталей.

В процесі переділу чавуну в сталь його вуглець, з'єднуючись з киснем, перетворюється на газ (оксид вуглецю СО₂), який звітрюється. Інші домішки переходять в оксиди та інші сполуки, які разом з флюсами утворюють на поверхні металу шлак.

Як правило, початковими матеріалами для отримання сталей є білий (передільний) чавун, скрап (сталевий і чавунний лом), металева стружка і т.п.

Як окислювач використовується кисень, залізна руда, окалина; як флюс застосовують кварцовий пісок, вапняк, боксит.

В даний час в металургії, в основному, застосовуються наступні способи отримання сталі: киснево-конвертерний, мартенівський, в електропечах.

Стисло зупинимося на відомих способах виробництва сталі.

Суть киснево-конвертерного способу полягає в тому, що в конвертер, що має грушовидну форму, заливається рідкий чавун, через який продувається кисень. В результаті взаємодії рідкого чавуну і кисню вуглець окислюється (вигоряє), і чавун перетворюється в сталь.

На відміну від киснево-конвертерного способу отримання сталі в мартенівську піч крім рідкого чавуну можна додати скрап, залізну руду, окалину. Окислювачем вуглецю також є кисень, який поступає в піч разом з повітрям, що подається, або із залізної руди та окалини. Джерелом тепла в мартенівському процесі може бути як рідке, так і газоподібне паливо.

Початковими матеріалами для плавки в електропечах найчастіше є сталевий лом, залізна руда і окалина. Джерелом тепла є електрична енергія.

Вибрану нами для виготовлення слюсарного молотка вуглецеву інструментальну сталь марки У8 можна виплавити будь-яким з вищеназваних способів виробництва сталі. Проте, враховуючи високу собівартість сталі, що отримують в електропечах, доцільно застосовувати киснево-конвертерну або мартенівську сталь.

7 Заготівку для виготовлення слюсарного молотка можна виготовити або литвом, або обробкою тиском, тобто спочатку виготовити сортовий прокат (пруток, квадрат), і потім шляхом об'ємного штампування надати їй потрібну форму. Не дивлячись на значні переваги ливарного виробництва (низька собівартість, висока продуктивність і ін.), в даному випадку заготівку слюсарного молотка доцільно виготовити обробкою тиском, оскільки механічні властивості деталей, отриманих цим способом, декілька вище, і перш за все ударна в'язкість. Подальша обробка заготівки включає також такі операції, як обробка різанням і термічна обробка.

8 Сортовий прокат отримують на прокатних станах, заздалегідь нагріваючи заготівку приблизно до 1000 °С. Необхідну конфігурацію заготівки забезпечують струмки на валках прокатного стану. Сучасні струмки валків прокатного стану утворюють так звані калібри, які і визначають форму отримуваного прокату. Потім за допомогою прес-ножиць розрізають прокат (квадрат) на заготовки необхідної довжини.

Об'ємне штампування здійснюється за допомогою устаткування (молота, преса) і інструменту (штампу).

Штампувальні молоти, що приводяться в рух парою або повітрям, мають високу продуктивність і застосовуються при виготовленні порівняно невеликих заготівок. На відміну від молотів преси (гідравлічні, парогідравлічні, кривошипні і ін.) мають меншу продуктивність, але можуть у порівнянні з молотами розвивати більше робоче зусилля, що забезпечує глибше проникнення деформації в метал.

Штампи складаються з двох частин: верхньою і нижньої. Обидві частини мають порожнини, що складають струмок, який відповідає формі поковки. Для простих за формою виробів застосовуються однострумкові штампи, для складних – багатострумкові.

Враховуючи, що заготівка (поковка), що виготовляється, має невеликі розміри і просту за конфігурацією форму, доцільно вибрати штампувальний пароповітряний молот і однострумковий відкритий штамп.

9 Як уже зазначалося вище, виріб повинен мати високу твердість і достатню ударну в'язкість. Отже, необхідно провести зміцнювальну термічну обробку сталі, тобто загартування з подальшим відпусканням, щоб отримати структуру трооститу, яка утворюється при відпусканні з температурою нагріву приблизно 400 ºС. Таким чином, твердість за Роквеллом повинна бути приблизно HRC 50. І, використовуючи формулу для визначення міцності при випробуванні на розтягування ≈ 0,4 НВ та враховуючи, що НВ = 100 HRC, отримуємо ≈ 0,4 (50 100) ≈ 0,4 5000 = 2000 МПа.

10 Як відомо, метою загартування є отримання структури мартенситу, що є перенасиченим твердим розчином впровадження вуглецю в - залізі. Проте, сталь, що має структуру мартенситу, дуже крихка, і її неможливо застосовувати без відпускання, мета якого – набути необхідних властивостей. Евтектоїдна сталь, що має при нормальній температурі будову перліту, при нагріванні вище точки S отримує структуру твердого розчину впровадження вуглецю в γ-залізі, що зветься аустенітом. Подальше охолодження з великою швидкістю приводить до утворення структури мартенситу. Нагріваючи сталь після загартування, тобто проводячи її відпускання, можна отримати різноманітні структури в залежності від температури нагрівання: мартенсит, відпущений бейніт, троостит, сорбіт. Відповідно змінюються і механічні властивості. В кінцевому рахунку структура виробу може бути троостит.

11 Для отримання загартованої структури сталь У8 необхідно нагріти до температури вище за точку G на 30-50 ºС, витримати деякий час, а потім охолодити у воді. Вибір води в якості охолоджуючого середовища пояснюється тим, що вуглецеві сталі, завдяки високій критичній швидкості загартування (не менше 150 ºС), потребують швидкого охолодження, що неможливо зробити в мінеральному маслі.

Враховуючи, що виріб повинен мати достатню ударну в'язкість, слід після загартування провести середнє відпускання, тобто нагріти сталь приблизно до 400 ºС і охолодити на повітрі.

12 Остаточна обробка слюсарного молотка проводиться за допомогою металорізальних верстатів і різального інструменту. Які ж операції механічної обробки слід виконати після його штампування? Це обробка внутрішньої поверхні під ручку молотка і обробка його бойка.

Перша операція – це розсвердлювання отворів під ручку молотка. Друга операція – це розпилювання внутрішньої поверхні під необхідний розмір за допомогою напилка. Третя операція – це обробка бойка молотка на фрезерувальному верстаті.

Додаток А