Машиностроительные материалы и термическая обработка

Расчет и проектирование деталей машин начинается с выбора материала и назначения термической обработки. Для изготовления деталей в машиностроении широко используют стали и чугуны, а также медные, алюминиевые, магниевые, титановые и другие сплавы, композиты и пластические массы.

Стали – сплав железа с углеродом (до 2 %) и другими металлами, поддающийся ковке. По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются механически, термически и химико-термически.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали наиболее распространены в промышленности, их доля составляет примерно 80 % от общего объема выплавки. Углеродистые стали подразделяются на три группы:

· обычного качества;

· качественные общего назначения (конструкционные);

· специальные (инструментальная, котельная, трансформаторная и др.).

Свойства углеродистой стали изменяются в зависимости от содержания в ней углерода. Чем его меньше, тем сталь пластичнее.

Наибольшее распространение в машиностроении получили углеродистые стали обычного качества ввиду их невысокой стоимости. Из них изготовляют гайки, болты, оси, валы, металлоконструкции. В зависимости от назначения и гарантированных механических свойств углеродистые стали обычного качества подразделяются на три группы А, Б и В.

А – без уточнения химического состава. Обозначаются от Ст 0 до Ст 6. Чем больше число в обозначении марки стали, тем больше содержание углерода.

Б – поставляется с гарантированным химическим составом. Пример обозначения: БСт 3.

В – поставляют с гарантированным химическим составом, а также механическими свойствами. Обозначаются ВСт 2, ВСт 5 и т.д.

Качественные (конструкционные) углеродистые стали выпускают с соблюдением более строгих технических условий по составу, примесям, ведению плавки и т.д. Обозначаются – от сталь 08 до сталь 85. Цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Конструкционные стали условно подразделяют на низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,25 %), среднеуглеродистые (0,3 %... 0,55 %) и высокоуглеродистые (0,6 % ...0,85 %).

Благодаря их высокой пластичности низкоуглеродистые конструкционные стали применяют для изготовления деталей путем пластического деформирования и сварки.

Среднеуглеродистые стали более прочные и менее пластичные. Хорошо обрабатываются на металлорежущих станках и используются для изготовления широкого спектра деталей.

Высокоуглеродистые стали применяют для изготовления деталей, испытывающих большие напряжения, таких как пружины, рессоры и т.д.

Легированные стали выплавляют с добавлением легирующих элементов для улучшения их технических свойств (механических, коррозионных, тепловых и т.д.). Легированные стали обозначаются цифрами и буквами, например: 40Х, 18ХН10Т, 12ХНЗА, 18ХТТ и др. Цифры вначале обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Буквы обозначают легирующий элемент: В – вольфрам, Г – марганец, Н – никель, М – молибден, Т – титан, X -хром, Ю – алюминий. Цифры после легирующего элемента обозначают содержание этого элемента в процентах. При содержании легирующей добавки менее 1,5%цифра не ставится.

Основная часть легированных сталей выплавляется качественной с содержанием примесей фосфора и кремния до 0,035 %. Высококачественные легированные стали с пониженным содержанием вредных примесей до 0,025 % обозначаются в конце буквой А.

Легированные стали условно подразделяют на низколегированные (с общим содержанием легирующих элементов до 3 %), среднелегированные (от 3 % до 5,5 %) и высоколегированные (свыше 5,5 %).

Легированные и качественные углеродистые стали имеют высокую прочность (временное сопротивление от 800 до 1400 МПа) и являются основными материалами для изготовления различных ответственных деталей машин, таких как зубчатые колеса, валы и т.д.

Чугун – сплав железа с углеродом с содержанием углерода свыше 2 %, плохо поддающийся ковке. Чугун обладает высокими литейными свойствами и хорошо обрабатывается резанием.

В зависимости от структуры различают серый, белый и ковкий чугуны. Наиболее широко в промышленности используются серые чугуны. Пример обозначения: СЧ28. Цифра после аббревиатуры серого чугуна обозначает предел прочности при растяжении в МПа, поделенный на 10.

Термическая обработка применяется для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности, вязкости и др.). Выполняют термообработку заготовок либо готовых деталей. Любой вид термической обработки состоит из трех стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течение требуемого времени и охлаждения с заданной скоростью. К основным видам термической обработки относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг характеризуется медленным охлаждением, часто вместе с нагревательной печью. Отжиг применяют для снижения твердости и лучшей обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых и легированных сталей, а также для снятия остаточных напряжений после сварки.

Нормализация отличается от отжига охлаждением на воздухе. Применяется для получения однородной структуры с более высокой твердостью, чем после отжига.

Закалка характеризуется высокой скоростью охлаждения в воде, масле или солевых растворах. В результате закалки металл получает мелкозернистую однородную структуру с высокой твердостью, прочностью, коррозионной стойкостью, но пониженной пластичностью и более трудно обрабатывается резанием. Закалка подразделяется на объемную и поверхностную.

Отпуск состоит из нагрева до температуры ниже интервала фазовых превращений, Применяется после закалки для улучшения обрабатываемости резанием и уменьшения остаточных термических напряжений.

Механические передачи

Механической передачей или просто передачей называют механизм, служащий для передачи механической энергии на расстояние от двигателя к рабочему органу машины с преобразованием скоростей и крутящих моментов. Необходимость передач обусловливается различными скоростями движения вала двигателя и рабочего органа машины. Для большинства машин частота вращения n₁ вала двигателя больше частоты вращения n₂ рабочего органа.

Важнейшим параметром передачи является передаточноеотношение.

Передаточное отношение – это отношение угловой скорости ω₁ ведущего вала к угловой скорости ω₂ ведомого:

(4.98)

Условимся в дальнейшем параметрам ведущего звена присваивать индекс 1, а параметрам ведомого элемента – индекс 2.

Независимо от вида передачи все они имеют ряд общих параметров, которые используются при проектировании и расчете.

Окружнаяскорость

(4.99)

где ω — угловая скорость, рад/с; D – диаметр звена передачи, м; п – частота вращения, об/мин; V- окружная скорость, м/с.

Окружная сила – сила, действующая на звено, вызывающая его вращение и направленная по касательной к траектории точки ее приложения:

, (4.100)

где F_t –- окружная сила, Н; Т –крутящий момент, Н×м, D [м].

Мощность Р при поступательном движениивыражается формулой:

(4.101)

в которой используются следующие единицы измерений: мощность – [Вт], окружная сила – [Н] и скорость – [м/с].

При вращательном движении мощность равна:

(4.102)

В формуле (3.5) Р –мощность, [Вт]; Т– крутящий момент [Н×м] и w – угловая скорость [рад/с].

Часто, зная передаваемую мощность и угловую скорость, приходится определять крутящий момент:

(4.103)

Поскольку в технике обычно мощность выражают в киловаттах, а частота вращения n в об./мин., то для определения крутящего момента, выраженного в Н·м, используют зависимость:

(4.104)

где Р – в [кВт], а n – в [об/мин]. Формула (4.7) получена из (4.6) с учетом того, что 1 кВт = 10³Вт и w=πn/30, Т - [Нм].

Коэффициент полезного действия передачи представляет собой отношение полезной мощности на ведомом звене к затраченной мощности ведущего звена, т.е.

(4.105)

Отметим, что коэффициент полезного действия всегда меньше единицы и общий КПД последовательно соединенных передач равен произведению КПД каждой передачи.

Предварительные сравнения различных типов передач по коэффициенту полезного действия можно приводить с помощью табл. 4.3.

Зубчатые передачи

Зубчатые и червячные передачи широко распространены в различных областях машиностроения и являются основными видами передач, применяемых в современных машинах. Большое распространение зубчатых и червячных передач объясняется рядом существенных преимуществ их по сравнению с другими видами. Отметим основные преимущества: компактность, возможность осуществления постоянного передаточного отношения, высокий КПД, долговечность, надежность в работе, простоту облуживания, использование для изготовления экономичных материалов.

По условиям эксплуатации зубчатые и червячные передачи могут быть открытыми и закрытыми. Закрытые передачи размещают в металлическом корпусе, заполненном до определенного уровня маслом. Если закрытая зубчатая передача представляет собой самостоятельный монтажный узел, то она называется редукторной передачей или редуктором.

В зависимости от взаимного расположения осей вращения ведущего и ведомого валов различают следующие основные виды зубчатых и червячных передач:

· Передача вращения между валами с параллельными осями осуществляется цилиндрическими колесами с прямыми, косыми и шевронными зубьями (рис. 4.1). В прямозубых цилиндрических колесах (рис. 4.1. а) зубья располагаются параллельно осям вращения. В косозубых колесах (рис. 4.1. б) зубья расположены по винтовым линиям правого или левого направления. В шевронных зубчатых колесах (рис. 4.1. в) зубья располагаются также по винтовым линиям, но имеют на каждой половине колеса противоположное направление. Применением косозубых и шевронных колес достигается повышение плавности, бесшумности и увеличение нагрузочной способности зубчатых передач, что позволяет их использовать при более высоких скоростях вращения, чем прямозубые цилиндрические колеса.

Таблица 4.3

Ориентировочные значения основных параметров передач вращательного движения

Вид передачи	Передаточное отношение	КПД при номинальной нагрузке	Относительные размеры*	Относительная стоимость*
Часто встречающиеея	Наибольшее
Цилиндрическая зубчатая	Прямозубая Косозубая	3-5 3-6		0,95-0,98 0,95-0,98	0,9	0,95
Коническая зубчатая Винтовая зубчатая	2-4 1-4		0,9-0,97 0,8-0,9	1,2 1,4	1,3 1,3
Червячная	Однозаходная Двухзаходная Четырехзаходная	30-800 15-40 10-20		0,5-0,65 0,7-0,8 0,8-0,98	0,5 0,5 0,5	0,7-0,8 0,7-0,8 0,7-0,8
Ременная	Плоскоременная Клиноременная	2-4 2-6		0,92-0,96 0,9-0,95	2-2,5	0,9 0,8
Цепная	2-4		0,9-0,94	1,5-2,5	0,9
Фрикционная	2-4		0,75-0,9	1,5-2	0,9

* Относительные размеры и стоимость передач сопоставимы при одинаковых передаточных отношениях и передаваемой мощности.

Рис. 4.1

Рис. 4.2

· Передача вращения между валами с пересекающимися осями осуществляется коническими колесами с прямыми и непрямыми (косыми, круговыми, спиральными) зубьями (рис. 4.2). Применение непрямозубых колес также увеличивает плавность и нагрузочную способность передач и допускает более высокие скорости вращения по сравнению с прямозубыми.

Рис. 4.3

· Передача вращения между валами со скрещивающимися осями осуществляется червячной, червячно-спироидной, гипоидной передачей. Наибольшее распространение среди перечисленных передач получила червячная передача с цилиндрическим архимедовым червяком (рис. 4.3). Ведущим звеном червячной передачи является червяк, имеющий цилиндрическую форму и представляющий собой однозаходный или многозаходный винт с трапецеидальной или близкой к ней нарезкой. Ведомое звено передачи – червячное колесо, имеющее вогнутую форму профиля и зубья, расположенные по винтовым линиям. Червячная передача позволяет получить большие передаточные отношения (до 300). Недостаток сравнительно низкий КПД (0,50…0,85).