Основні поняття та визначення
Вступ
Основну частину виробничих процесів в сучасній господарській діяльності виконують машини і механічні пристрої. На них людина переклала важку та рутинну роботу. Машини перетворюють енергію, матеріали або інформацію, виконують роботи по їх переміщенню в просторі.
Ручна робота стає все менш привабливою. Механічні помічники заполонили всі сфери нашого життя. Вони проникли навіть у побут. Сучасний будинок чи квартира насичені різними машинами та пристроями. Прибирання, прання, приготування різних страв не обходиться без механічних помічників. Вони полегшують роботу, зменшують фізичні навантаження. Але щоб керувати ними необхідно розуміти закони, за якими вони працюють. Народне прислів'я - "Не помажеш - не поїдеш" - досить влучно описує процес відносин між механізмом і користувачем. Всі механізми потребують технічно правильної експлуатації та періодичного технічного обслуговування. Раціональне використання, своєчасне та правильне обслуговування механізмів можливе лише у випадку розуміння законів, за якими вони працюють. Саме це і буде предметом нашого дослідження.
Якщо охопити поглядом історію створення і розвитку машин, то можна помітити послідовність, з якою творці рухалися від елементарного до досить складного. Найперші механізми з'явилися в глибоку давнину. В період зародження Християнства вже активно використовувалися механізми для підйому води, бойові машини та інші технічні пристрої. Основне завдання перших машин полягало в заміні або збільшенні (важіль) сили людини. Такі машини і сьогодні працюють. Звичайно, вони мають сучасний вигляд, значно більшу потужність, і роботу вони виконують значно більшу, але принцип їх роботи не змінився.
Початок XVII століття ознаменувався появою машин нового типу, яким творці почали надавати такі властивості, як майстерність та уміння. Ці машини зайняли важливе місце у житті та розвитку суспільства. Саме вони дали перевагу в розвитку окремих народів. Машини почали переймати на себе роботу майстрів. Збільшився випуск продукції, що неодмінно позначилося на загальному рівні суспільного добробуту.
Машини постійно удосконалювалися. Вони освоювали все більші і більші потужності, виконували все складнішу і складнішу роботу. На початку 50-х років ХХ століття з’явилися абсолютно нові машини - логічні. Їх ми зараз називаємо інформаційними. Машини цього типу "навчилися" виконувати логічні операції. Ці машини сприяли стрімкому розвитку суспільства. Сьогодні кожна установа використовує інформаційні пристрої, і це дає можливість швидко і своєчасно виконувати необхідні роботи.
Сучасне життя характеризується створенням великої кількості побутових (“домашніх”) механічних помічників. Вони перейняли досить великі об’єми "домашньої" роботи: прання, миття посуду, приготування страв тощо. Працюють вони і на культурній ниві: дозвілля та багато чого іншого забезпечується роботою спеціальних машин та механізмів. Життя кожної людини так чи інакше пов’язане з різного роду машинами. Тому стає нагальною проблема - оволодіти елементарними знаннями про будову типових машин, принципи їх роботи та умови експлуатації. Особливо важливі ці знання для майбутніх вчителів, які виступають наставниками для дитини на шляху до світу насиченого технічними пристроями.
Роботу машин та механізмів вивчає досить велика кількість природничих та технічних наук. Базовими природничими дисциплінами безперечно є фізика і математика. Серед технічних наук сучасні механізми та машини вивчають теоретична та прикладна механіка. Теоретична механіка досліджує рух матеріальних твердих тіл в просторі (її елементарні основи - статика, кінематика, динаміка вивчаються в курсі загальної фізики). Прикладна механіка використовує висновки теоретичної механіки для вирішення практичних задач, які пов’язані з розрахунком та конструюванням різних механічних пристроїв. Прикладна механіка поділяється на більш спеціалізовані науки: теорія машин та механізмів, опір матеріалів, деталі машин та механізмів.
Технічна механіка - це наука, яка вивчає будову, геометричні, кінематичні та силові характеристики механізмів та машин, умови їх проектування та експлуатації.
Основні поняття та визначення
Різноманітні механічні пристрої, які створюються людиною, можна умовно поділити на дві великі групи:
· пристрої, частини яких не можуть здійснювати руходна відносно одної (споруди, будівлі, мости, телевізійні вежі, радіовежі, резервуари для рідин або газів);
· пристрої, частини яких знаходяться в русі одна відносно іншої (механізми та машини).
До другої групи пристроїв відносяться механічні, гідравлічні, пневматичні а також електричні способи передачі руху. Курс технічної механіки присвячений вивченню механічних способів передачі руху.
Кожна машина складається з трьох основних частин: двигун, передаточний механізм, робочий орган. Кожен прилад складається з датчика, передаточного механізму і лічильного пристрою. В обох випадках передаточний механізм використовується для перетворення руху, зміни величини та напрямку швидкості виконавчого органу.
Механізми за будовою та призначенням досить різноманітні. Але принцип роботи більшості з них однаковий або схожий. Це дозволяє розробити загальні методи їх дослідження. Курс технічної механіки присвячений вивченню будови, принципів проектування та методів використання найбільш розповсюджених механізмів, їх деталей та матеріалів, з яких вони виготовляються.
Матеріали в машинобудуванні
Кожна галузь виробництва для вирішення своїх завдань використовує відповідну, притаманну лише їй, групу матеріалів.
Основними матеріалами, які застосовуються в машинобудуванні, є метали та їх сплави. В залежності від використовуваних хімічних речовин розрізняють чорні та кольорові метали. В основі чорних металів лежить залізо. Всі інші метали належать до групи кольорових металів. І чорні і кольорові метали об’єднує спільна будова – вони відносяться до кристалічних тіл. Саме будова кристалічної гратки визначає фізико-механічні властивості металів.
Розвиток індустрії призвів до того, що чисті метали в переважній більшості випадків перестали задовольняти сучасні вимоги машинобудівного виробництва. Тому частіше до чистих металів вводять певні додаткові компоненти, в результаті чого утворюються сплави. Сплави також мають кристалічну структуру. Додаткові компоненти, введені до металу, змінюють фізико-механічні властивості основного металу в бажаному напрямку. Сплави мають кращі фізико-механічні характеристики, ніж метали. Це дозволяє розширити зону використання металів.
З метою покращення фізико-механічних характеристик металів та сплавів застосовують ряд техніко-технологічних прийомів.
Окрім металів все ширше використовуються полімерні матеріали. Пластмаси, гума, ебоніт, деревина, порошкові матеріали сьогодні використовуються там, де раніше окрім металів та сплавів нічого іншого не могло бути.
Вибір матеріалів обумовлюється врахуванням конструкційних вимог, умов експлуатації, фізико-механічними характеристиками матеріалів, економічними та рядом інших характеристик.
Класифікація матеріалів
За природою матеріали поділяють на метали та неметали. Метали, речовини, які мають кристалічну гратку. До неметалів відносять матеріали, які не мають кристалічної будови. До неметалів відносяться: деревина, пластмаси, гума, ебоніт, графіт, лаки, фарби, клей, фарфор, мармур, войлок, текстоліт, мастильні матеріали та ін. Неметалеві матеріали за походженням можуть бути як природними так і штучними.
В залежності від використання розрізняють конструкційні, футуровочні, прокладочні, ущільнюючі, мастильні та лакофарбові та ін. матеріали.
В окрему групу виділені композиційніматеріали. Вони характеризуються присутністю декількох композитів, що суттєво відрізняються за властивостями, не розчиняються або мало розчиняються один в одному. Але при цьому в конструкції вони взаємно доповнюють один одного.
Метали
Чорні метали
Залізо – метал сріблястого кольору. На планеті існує лише один злиток чистого заліза – стовп в Індії, якому налічують декілька віків. Всі намагання виготовити подібний виріб, не мали результату. Хімічним шляхом можна отримати залізо з чистотою 99,999%. Технічні сорти заліза містять 99,8-99,9% Fe. Температура плавлення чистого заліза 1539°С.
В чистому вигляді залізо використовується досить рідко. В переважній більшості випадків використовують сплави заліза з вуглецем та іншими елементами, які надають металу необхідних фізико-механічних властивостей.
Основним компонентом, що використовується для покращення властивостей заліза, є вуглець. В залежності від кількості вуглецю в залізі розрізняють сталі (вуглецю до 2,14%) та чавуни (вуглецю більше 2,14%). Технологічно з залізної руди спочатку отримують чавун, а вже з нього – сталі.
Чавуни
Сплав заліза (92%) з вуглецем (2,14 – 5 %) називають чавуном. Чавунам притаманні високі ливарні якості і дещо гірші ніж у сталей пластичні властивості. В залежності від структури чавуни поділяють на сірі, білі та ковкі.
Білі чавуни є первинним продуктом переробки руди. Вони характеризуються досить високою твердістю та крихкістю. Ця група чавунів погано обробляється методами різання. З білих чавунів деталі виготовляють методом лиття.
Сірі чавуни мають середню міцність, малу ударну в’язкість, найкращі ливарні властивості, гарно обробляються різанням і гасять коливання. В машинобудуванні вони отримали найбільш широке використання.
Ковкі чавуни високопластичні, гарно обробляються різанням і мають велику густину. Вартість виготовлення деталей з ковкого чавуна на 30 - 100% більша ніж із сірого.
З чавунів малої міцності виготовляють деталі, що сприймають невеликі навантаження. Чавуни високої міцності використовують для виготовлення станин, поршнів та подібних виробів. Чавуни, які мають графітні вкраплення, мають високу міцність та пластичність. Крім того їм притаманні антифрикційні властивості.
Для позначення чавунів використовують прописні літери кирилиці.
СЧ-20 – сірий чавун, 20 МПа – міцність на розтяг.
ВЧ 100-2 Високоміцний чавун, 100 МПа – міцність на розрив, 2 – відносне подовження зразка.
КЧ 45-6 – ковкий чавун, 450 МПа - міцність на розрив, 6% - відносне подовження.
Сталі
Зменшивши вміст вуглецю в чавуні до величин £ 2,14% отримуємо сталь. Сталі, в сплаві яких присутні лише залізо і вуглець, називають вуглецевими.
В залежності від вмісту вуглецю, сталі поділяють на: технічне залізо (вміст вуглецю до 0,02%); доевтектоїдні сталі (від 0,02 – до 0,8% С); евтектоїдні сталі (0,8 %); і заевтектоїдні сталі (від 0,8 – до 2,14% С). Сталі цих груп відрізняються структурою сплаву. Вміст вуглецю в сталях визначає фізико-механічні характеристики металу. Враховуючи потреби промисловості, металургія виплавляє далеко не весь спектр сталей.
Сталі, які використовують для виготовлення конструкцій машин та механізмів отримали спеціальну назву конструкційні.
Маркування сталей здійснюється прописними літерами кирилиці та цифрами. Цифра вказує відсотковий вміст вуглецю в залізі.
Конструкційні сталі поділяють на: сталі звичайної якості (С до 0,25%) і якісні (С в межах від 0,45 до 0,8%).
Для невідповідальних деталей машин та механізмів, корпусів та різного роду металевих конструкцій виплавляють низькоякісні вуглецеві сталі з вмістом вуглецю від 0,03 до 0,05 % (сталі звичайної якості). Такі сталі позначають Ст 5, Ст 4, Ст 3. Число вказує соті долі відсотка (0,05; 0,04; 0,03).
Для більш відповідальних деталей використовують вуглецеві сталі з вмістом вуглецю 0,35; 0,4; 0,45% (якісні сталі). Такі вуглецеві сталі позначають словом “Сталь” після якого вказується відсотковий вміст вуглецю в залізі. (Сталь 35; Сталь 40; Сталь 45). Використовується й інше позначення (40, 45, 35).
Окрім конструкційних, металургія виплавляє інструментальні сталі. Вміст вуглецю 0,8% і більше. Вони позначаються У8, У8А, У10. Інструментальні сталі використовують для виготовлення інструментів.
Вуглецеві сталі сьогодні не можуть повністю задовольнити вимоги конструкторів. Для покращення фізико-механічних характеристик вуглецевих сталей до їх складу додають спеціальні добавки, легуючі елементи. Це дозволяє отримати бажані фізико-механічні характеристики нових матеріалів. Такі сталі отримали назву леговані. Легуючим елементом можуть бути різні метали.
В результаті легування у сталей підвищується міцність, твердість, в’язкість, жаростійкість, вібростійкість та інші позитивні зміни.
Хімічний склад легованої сталі є основою для маркування. Прийняті такі літерні позначення: Х – хром; Н – нікель;Г –марганець;С – кремній;Т – титан;В – вольфрам; М –молібден; Ф – ванадій; Ю – алюміній; Д – мідь; К – кобальт; Р – бор. Якщо в кінці назви марки стоїть літера А, це означає, що сталь високоякісна, в якій менше шкідливих домішків.
Кольорові метали
Окрім чорних в машинобудуванні використовують кольорові метали та їх сплави. Особливо ця група матеріалів використовується у приладобудуванні.
До кольорових металів належать мідь, алюміній, магній, цинк, свинець, олово, титан, нікель, кобальт та сплави цих металів: латунь, бронза, бобіт та ін.
Кольорові метали поділяють на: благородні, важкі, легкі та рідкоземельні. До благородних відносять метали з високою корозійною стійкістю: золото, платина, паладій, срібло, іридій, родій, осмій. Їх використовують у вигляді сплавів в електротехніці, електровакуумній техніці, приладобудуванні, медицині, для виготовлення прикрас та ін.
До важких відносять метали з великою густиною: свинець, мідь, нікель, кобальт, марганець, сурма, олово, хром, вісмут, ртуть, миш’як. Важкі метали використовують в якості легуючого елементу.
До легких відносять метали з густиною до 5гм/см2: літій, калій, натрій, рубідій, церконій, кальцій, магній, берилій, алюміній, титан. Їх також використовують для легування металів, в піротехніці, фотографії, медицині.
До рідкоземельних відносять метали з особливими властивостями: вольфрам, молібден, титан, талій. Використовуються вони в сплавах як легуючий елемент.
Мідь
Чистій міді притаманні висока пластичність, електропровідність, теплопровідність, корозійна стійкість. З чистої міді виготовляють електричні провідники, кабелі, деякі деталі для електротехнічних машин.
Мідь гарно обробляється тиском, витягується в тонкі листи та проволоку.
75 % міді використовується для виготовлення сплавів. Сплави міді поділяють на дві групи: латуні та бронзи.
Латуні
Сплави міді та цинку називають латунями. Коли в сплаві міді з цинком останнього менше 20%, такий сплав називають томпак. Позначають латунь літерою Л і цифрами, які вказують процентний вміст цинку в міді.
Крім основних компонентів сплави можуть містити: алюміній, залізо, марганець, свинець, нікель та інші легуючі елементи. Вони визначають фізико-механічні властивості сплаву.
Латуням притаманні гарні механічні властивості, корозійна стійкість. Вартість латуней перевищує вартість якісної сталі в 5 - 6 разів.
Бронзи
До бронз відносять сплави міді з оловом та іншими легуючими компонентами, крім цинку. Розрізняють олов’янисті бронзи і без олов’янисті. В безолов’янистих – олово замінено свинцем, алюмінієм, залізом, марганцем, кадмієм, берилієм або іншими елементами.
Олов’янисті бронзи мають високі антифрикційні та ливарні властивості. Їм притаманна висока корозійна стійкість. Бронзи використовують для виготовлення деталей, які зазнають зусиль тертя (вкладиші, вінці черв’ячних коліс). Вартість бронзи перевищує вартість сталі в 10 разів.
Принцип позначення бронзи подібний до латуней.
Алюміній
Алюміній має гарні пластичні властивості, електро- та теплопровідність, високу корозійну стійкість. На повітрі алюміній покривається тонкою плівкою окислу, що захищає внутрішні шари від подальшого окислення. В чистому вигляді використовується в електротехнічній і харчовій промисловості.
Алюмінієві сплави
Сплав алюмінію з легуючими елементами дозволяє утворити цілий ряд матеріалів основною характеристикою яких є легкість. Такий матеріал став незамінним у авіаційній промисловості та ряді інших виробництв. В значній мірі популярності матеріалу сприяли відмінні ливарні та пресові характеристики.
Найвживанішими алюмінієвими сплавами стали силумін та дуралумін.
Дуралюміни (алюмінієво-магнієві, алюмінієво-мідні сплави) використовують для виготовлення деталей, які важко навантажені. Їм притаманна досить висока міцність. З дуралюміну виготовляють листи, стрічки, труби, проволоку, заклепки.
Силуміни (алюмінієво-кремнієві сплави) використовують для виготовлення середньонавантажених деталей складної конфігурації. Силумінам притаманні висока ливарна якість. Їх використовують для відливання складних за формою деталей. Матеріал використовується для виготовлення деталей приладів.
Вартість алюмінієвих сплавів перевищує вартість сталей в 4 рази.
Антифрикційні матеріали
Антифрикційні матеріали використовуються для виготовлення підшипників ковзання. Вони повинні мати низький коефіцієнт тертя, неоднорідну структуру, що сприяє затриманню мастила, високу міцність на стиск і на стирання, пластичність, досить високу прироблюваність, високу твердість.
Бобіти
Найкращими антифрикційними сплавами є бобіти – сплави на олов’яній або свинцевій основі. Бобіти поділяють на олов’янисті, олов’яно-свинцеві та безолов’янисті. Бобіти позначають літерою Б з числом, яке вказує відсотковий вміст олова у сплаві (Б83).
Для заливки вкладишів підшипників використовують легкоплавкі антифрикційні сплави на олов’яній основі. Вони, в порівнянні з іншими антифрикційними матеріалами, мають найменший коефіцієнт тертя, гарно притираються, створюють можливість працювати при досить високих швидкостях. Вартість бобітів в декілька разів перевищує вартість бронз. Саме це обмежує їх використання.
Біметали
Крім перерахованих металів і сплавів, набули поширення біметали та поліметали, які складаються з двох або декількох різних за хімічним складом металів чи сплавів, які не утворюють між собою сплав або хімічну сполуку. Використання біметалів суттєво знижує вартість деталей, при цьому досягається необхідна фізико-механічна характеристика виробу.
Композиційні матеріали
Композиційні матеріали почали використовуватися в машинобудуванні досить недавно. Їх основна перевага - це можливість створити матеріал, характеристики якого задаються на стадії проектування. Такі матеріали утворюються в результаті поєднання хімічно різнорідних компонентів. Використання армуючих матеріалів дозволяє отримати матеріали з регульованими властивостями.
Пластмаси
Пластмаси – велика група штучних матеріалів, отриманих на основі синтетичних або природних високомолекулярних з’єднань. Основою пластмас є природні або штучні полімери.
Пластмаси поділяються на термопласти та реактопласти. Перші (вініпласт) під дією температури можуть змінювати свою форму, другі (текстоліт) такої властивості не мають.
Існує інший поділ: прості та композитні. Прості пластмаси складаються лише з смол. Складні мають також: в’яжучу складову, наповнювач, пластифікатор, барвник, мастильну речовину, каталізатор та інші добавки. В якості в’яжучої речовини використовують природні та штучні смоли, бітум, асфальт, цемент. В якості наповнювачів використовують деревну муку, бавовнянопаперові або льняні волокна, деревний шпон, азбестне або скляне волокно, крейду, графіт, каолін, гліцерин, мило та ін.
Для збільшення пластичності та текучості пластмас використовують пластифікатори.
В залежності від їх складників поділяють на прес-порошки, волокніти, шарові, ливарні пластики та листові термопластмаси. Прес-порошками називають пластмаси, отримані з порошкоподібних вихідних матеріалів. Волокнітами називають пластмаси, отримані з волокон.
В залежності від в’яжучої речовини розрізняють фенопласти і екопласти.
Як правило, пластмаси мають в’яжучу компоненту і наповнювач. В’яжуча компонента впливає на еластичність матеріалу. Наповнювачі визначають механічні характеристики матеріалу. Наповнювачі можуть бути як органічними, так і неорганічними речовинами.
Пластмаси за механічними характеристиками наближаються до металів, а за корозійностійкими – переважають їх. Вони мають меншу вагу, стійкі до дії підвищених та низьких температур та характеризуються хімічною стійкістю. Використання пластмас як замінників металів призводить до здешевлення виробів.
В залежності від в'яжучої речовини розрізняють фенопласти, амінопласти і епоксипласти. Від того, як веде cебе в'яжуча речовина під час нагрівання, пластмаси поділяють на термопластичні і термореактивні.
Термопластичні пластмаси, під час нагрівання розм'якшуються і плавляться, а після пресування під час охолодження - тверднуть, не втрачаючи здатності до розчинення і повторної переробки.
Термореактивні пластмаси, нагрівшись до певної температури, вступають в незворотну хімічну реакцію. Повторному формуванню вони не підлягають. Тому браковані деталі після подрібнення використовують як наповнювачі для виробництва прес-порошків.
Полістирол - прозорий безбарвний полімер з високим рівнем водостійкості. Він стійкий до агресивних середовищ, радіоактивного випромінювання, має високі електроізоляційні характеристики Поряд із гарними механічними властивостями, полістирол вдало поєднує в собі низьку густину, твердість та інші якості, в результаті чого його застосовують у високочастотних установках, в радіотехніці, в хімічному апаратобудуванні. До хиб полістиролу відносять малу теплостійкість (80°С).
Поліетилен - найбільш легка термопластична пластмаса, отримана полімеризацією газоподібного етилену. Поліетилен має високу кислотостійкість, діелектричну витривалість, твердість і еластичність, що зберігається при температурах до -60°С. Поліетилен застосовують загалом як ізоляційний матеріал для високочастотних кабелів, деталей радіоапаратури у вигляді тонких плівок (до 0,04-0,05 мм), ізоляційних прокладок, пакувального і захисного матеріалу, виготовлення водопровідних і нафтопровідних труб, ємкостей, що працюють в агресивних середовищах. З нього виготовляють зубчаті колеса для приладів і верстатів, які працюють в умовах невеликих навантажень. Висока твердість, напівпрозорість, нетоксичність, інертність дозволяють застосовувати поліетилен для виготовлення посуду, який не б’ється.
Політетрофторетилен - матеріал із високими діелектричними властивостями, повністю не змочується водою і не набухає, має високу термічну і хімічну стійкість, а за стійкістю до агресивних середовищ перевершує золото і платину. Твердість політетрофтор-етилена невисока. Він текучий на холоді і тому використовується для виготовлення деталей методом холодного пресування з наступним спіканням. Політетрофторетилен використовують як ізоляційний матеріал у техніці надвисоких частот і для виготовлення хімічно стійких деталей. Тонкі плівки (0,02-0,04 мм) використовують для пазової ізоляції електричних машин і для виготовлення плівкових конденсаторів.
Політрифторхлоретилен під час нагрівання розм'якшується і плавиться, на холоді текучість відсутня; він має високі механічні характеристики у порівнянні з політетрофторетиленом. Політрифторхлоретилен пере-робляють у деталі методом гарячого пресування, прес-литтям, спринцуванням; він використовується в техніці для виготовлення особливо відповідальних деталей як матеріал, що зв'язує, а для виготовлення складних деталей (каркасів, котушок індуктивності).
Поліамід - зносостійкий матеріал із щільністю 1130 кг/см3 і температурою розм’якшування 240-260 °С. Цей матеріал має високу хімічну стійкість до дії кислот, лугів, вуглеводнів і масла. Його використовують для виготовлення зубчатих коліс, деталей лічильних машин та інших деталей, що зазнають зусиль тертя. Деталі з поліаміда в 2-3 рази легші і дешевші, ніж деталі з олов'яного сплаву.
Капрон - тверда речовина білого або ясно-жовтого кольору, отримана в результаті поліконденсації капролактану. Капронові деталі мають високу поверхневу твердість і міцність на згин та удар, мають малий коефіцієнт тертя, ковзання і зносу, стійкі до жирів, олії та лугів. До хиб капрону варто віднести значну усадку (до 2%) і схильність до старіння при підвищених температурах. Капрон застосовують для виготовлення зносостійких деталей та використовують як ізоляційний матеріал для виготовлення арматури, каркасів і т.д.
Вініпласт - продукт, отриманий із поліхлорвінілової смоли, - жорсткий, стійкий до води, спирту, мінеральних мастил, майже до всіх лугів і кислот, гарний діелектрик. Світлочутливість і схильність до повзучості в нормальних умовах є його хибою. Вініпласт застосовують для виготовлення деталей, що піддаються дії агресивних речовин, тому що він має високу стійкість до дії кислот, лугів, розчинів солей, бензину, мастильних речовин і т.д. Листи і труби з вініпласту використовують як футуровку ванн і резервуарів, а також для виготовлення типографного шрифту, кліше та ін. При спеціальній обробці пластифікаторами і речовинами, що полегшують розчинність смол, утворюється еластичний матеріал - полівінілхлоридний пластикат. З нього виготовляють прокладочні і підстилкові матеріали. Вініпласт і пластикат можна зварювати.
Поліметилметакрилат (плексиглас або органічне скло) є продуктом переробки складних органічних сполук поліметакрилових смол. Це прозорий ізоляційний матеріал, що добре протистоїть ударам, у 2 рази легше звичайного силікатного скла, має достатню твердість і міцність, антикорозійні властивості і стійкий до багатьох мінеральних і органічних розчинників. До його хиб варто віднести низьку теплостійкість. Поліметилметакрилат застосовують для остеклення приладів, апаратури, виготовлення друкарських схем та ін.
Волокніти - пластмаси, отримані обробкою волокнистих наповнювачів і термореактивної смоли. Деталі з волокніту пресують гарячим способом на основі таких наповнювачів, як бавовняне, азбестове і скляне волокно з фенолформальдегідними, аніліноформальдегід-ними, меламіноформальдегідними, полісилоксановими й іншими смолами, які виступають в ролі в'яжучих речовин. Волокніти мають підвищену питому ударну в’язкість.
В залежності від наповнювача розрізняють: волокніт (бавовняні очеси), азбоволокніт (азбестове волокно), скловолокніт (скляне волокно). Волокніти застосовують для виготовлення деталей машин, що працюють на удар. Азбестоволокніти використовують для виготовлення деталей із високою теплостійкістю (200 - 250 °С) та гарними фрикційними властивостями, таких як гальмівні колодки, фрикційні муфти, диски зчеплення та ін. Деталі, які виготовлені із скловолокнітів харакетризуються висою теплостійкістю (350°С), корозійною стійкістю, стійкістю до багатьох агресивних середовищ. Окрім цього вони водонепроникні та мають гарні електроізоляціоні властивості. З стекловолокніту виготовляють деталі, що працюють як діелектрики, корозійностійкі та високоміцні труби, масловідсіки, човни, вагони.
Шаруваті пластмаси - матеріали, виготовлені пресуванням термореактивної смоли з аркушевими наповнювачами. В залежності від наповнювача розрізняють: текстоліти, асбестотекстоліти, гетинакси, склотекстоліти і древослоїсті пластики.
Текстоліти одержують пресуванням наповнювача (багатошарової бавовняної тканини) разом з в'яжучою речовиною, частіше усього бакелітом. Текстоліт має високі електроізоляційні та фрикційні властивості, зносостійкість. Випускають текстоліт у вигляді листів (товщиною 0,5-50 мм), плит і стержнів. Його застосовують для панелей апаратів, виготовлення підшипників, зубчатих коліс та ін. На деталях із текстоліту можна нарізати різьбу.
Асбестотекстолітна відміну від текстоліту має наповнювач - азбестову тканину, у результаті чого матеріал набуває підвищеного коефіцієнту тертя, високої теплостійкості і здатності витримувати великі тиски. Основне призначення асбестотекстоліту - використання в якості теплоізоляційних облицювань для різноманітних деталей машин спеціального призначення.
Гетинакс або бакелітова фібра є шаруватою пластмасою, у якій наповнювачем є папір. Гетинакс має гарні діелектричні властивості із задовільною механічною міцністю. Випускають гетинакс у вигляді листів товщиною 0,2-50 мм і застосовують для виготовлення зубчатих коліс, плит, прокладок і як ізоляційний матеріал. Хиба гетинаксу - його гігроскопічність.
Склотекстоліт – високоміцна шарувата пластмаса. Технологія виготовлення подібна до текстоліту, лише в якості наповнювача використовують скляну тканину. Склотекстоліт випускають у вигляді листів товщиною 0,5-30 мм; застосовують у загальному машинобудуванні, електро- і радіотехніці для виготовлення особливо навантажених деталей, тому що цей матеріал має високу витривалість, пружність, теплостійкість; це прекрасний діелектрик.
Деревослоїсті пластмаси відрізняються від шаруватих тим, що в них наповнювач складається з тонких листів лущеної деревини (деревного шпону), що так само, як і пластмасові наповнювачі, з’єднані між собою синтетичною смолою при високій температурі і тиску. Можна отримати сополімери з високими теплоізоляційними властивостями і пористі пластики з високими тепло- і звукоізоляційними властивостями, що не бояться вологи і морозу. Такі порівняно нові матеріали відносять до класу газонаповнених пластмас.
Пластмаси виробляють різноманітними способами - це звичайне аркушеве пресування, лиття під тиском, видування, штампування, зварювання й обробка різанням. Вибір способу залежить від хімічних і фізичних властивостей матеріалів.
Гума
Гума – пружний, водонепроникний, ізоляційний матеріал, що має широке застосування. Гуму одержують із каучуку шляхом вулканізації, при цьому каучук із домішкою сірки (4 – 10 %) і наповнювачів спеціально обробляють при температурі 140 °С. Промисловістю виготовляється ебоніт або тверда гума. Він має гарні електроізоляційні властивості, має високу стійкість проти дії кислот, лугів, мастил, їдких парів і газів. Ебоніт достатньо тривкий; має чорний колір; його застосовують як ізоляційний матеріал у вигляді трубок для захисту провідників у місцях їхнього перетину і проходів крізь стіни, у вигляді ізоляційних прутків при електромонтажних роботах.
Асортимент деталей із гуми обраховується десятками тисяч назв. Використовується багато видів гуми: м'яка вулканізована, невулканізована, губчаста, армована тканинами і металевою сіткою і т.д. Її застосовують для автомобільних, літакових покришок, шлангів, ременів, прокладок, чопів і т.д. За сособом виготовлення гуму поділяють на штамповану, формовану, клеєну, а по застосуванню - на гуму загального призначення, теплостійку, морозостійку, масло- і бензостійку, кислото- і лужностійку, для роботи в дизельному й іншому паливі, для харчової промисловості і медицини. Для переробки гумової суміші і напівфабрикатів застосовують лиття під тиском, пресування, безупинне видавлювання та ін.
Мастильні матеріали
До мастильних матеріалів відносять речовини, що зменшують тертя й охороняють метал від корозії.
Мастильні матеріали можуть бути рідкі, тверді і консистентні. Рідке мастило буває: мінерального, рослинного і тваринного походження.
Найпоширенішим є мінеральне масло - продукт, отриманий із нафти або кам'яного вугілля. Промисловість виготовляє: вазелінове, машинне, циліндрове та ін.
Рослинне масло отримують шляхом переробки маслянистих культур. До рослинних масел відносять: бавовняне, касторове, лляне і реп'яхове.
До тваринних масел відносять жири: риб'ячий, тюленячий та китовий, сало різноманітних тварин. Ці масла мають малу в’язкість і найкращу маслянистість.
Часто застосовують суміш мінеральних масел із тваринними та рослинними маслами.
Рідке мастило застосовують для деталей, які працюють на високих швидкостях. Поряд із рідкими в таких умовах можуть застосовуватися тверді масла, що складаються з мінеральних масел, змішаних з милом. Звичайно це солідол, тавот, технічний вазелін та ін.
Консистентні масла можуть містити, крім мила, наповнювачі, наприклад: графіт, тальк, слюду. До них відносяться: мастило для приладів АФ-70 (мастило УНМА), технічний вазелін УН (універсальна низькоплавке мастило), консерваційне мастило та ін.
Вид мастильних матеріалів вибирають в залежності від умов роботи, виду тертя, конструкції тертьових деталей, навантаження, нагрівання, а також матеріалу частин, що труться. Так, індустріальні масла застосовують для мащення механізмів різного обладнання: суднові – для мащення ходових частин машин суден; турбінні - для мащення підшипників турбін; моторні - для мащення двигунів внутрішнього згорання стаціонарного типу; авіаційні - для мащення авіаційних двигунів; циліндрові - для мащення парових машин; мастильний мазут, напівгудрон і гудрон - для мащення букс вагонів та інших механізмів.
Основними характеристиками рідких мінеральних масел є: в’язкість, температура спалаху та застигання, стабільність, вміст домішок. Мінеральне масло має різноманітну в’язкість: сама нижча - 17 - 22 Па, а сама висока - 60 - 75 Па. Це ж стосується і температур спалаху та застигання, чим і пояснюється широке їх використання.
В’язкістю мастила називають здатність пручатися переміщенню одного шару відносно другого. Температура, при якій виділяються пари мастила і утворюють із навколишнім повітрям суміш, що здатна спалахнути, називають температурою спалаху. Температурою застигання називають температуру, при якій мастило стає нерухомим. Спроможність мастила опиратися окисленню на повітрі при підвищених температурах, називається стабільністю мастила. Вміст механічних та інших домішок визначається у відсотках, і чим їх менше в мастилі, тим вища його якість.
Основними характеристиками консистентних мастил є: пенетрація, температура каплепадіння, що корелюється роботою і вмістом домішок.
Пенетрація - число сотих долей сантиметра занурення в мастило градуйованого конуса протягом 5 с при визначеній температурі.
Температурою каплепадіння називають температуру, при якій з'являється перша крапля мастила під час нагрівання її у визначених умовах.
Дія мастила, що корелюється, - це дія нагрітого мастила на металевий зразок, що знаходиться в мастилі протягом визначеного часу. За розміром втрати зразком маси визначається дія, що корелює.
Мастило вибирають в залежності від умов роботи, виду тертя, конструкції деталей що труться, навантаження, нагріву, та матеріалу деталей. Так, для мащення виробничого обладнання використовують індустріальні масла.
Лакофарбові матеріали
Лакофарбові матеріали призначаються для зберігання металевих частин машин і механізмів від передчасного псування, іржавіння, а дерев'яних - від гниття і для надання естетичного зовнішнього вигляду, тепло- і електроізоляції й інших цілей. Вони у своєму складі мають плівкоутворюючі речовини, смоли, розчинники, пігменти, пластифікатори, сикативи і наповнювачі, завдяки яким вони після висихання утворюють оболонки визначеної товщини, твердості і кольору з відповідним блиском, необхідною еластичністю. В залежності від речовин, що утворюють плівку, лакофарбові матеріали можна розділити на масляні і ефіроцелюлозні. Масляні речовини, що утворюють плівку, отримують з рослинних масел, штучні - з органічних кислот, ефіроцелюлозні - з бавовни.
Смоли є важливою частиною лаків; вони надають потрібну твердість, міцність, блиск і липучість. Для цих же цілей застосовують каніфоль, асфальт та ін. Для розчинення речовин, що утворюють плівку, використовують скипидар, бензин, ацетон, спирт та ін. Їхнє призначення - розчиняти плівки, поліпшуючи цим процес фарбування поверхні. Вони повинні швидко випаровуватися з пофарбованої поверхні.
Пігменти - нерозчинні речовини у вигляді порошку, що надають поверхні визначений колір. Вони знаходяться в лакофарбових матеріалах у зваженому стані і надають плівці колір. У якості пігментів застосовують: окисли або солі кольорових металів, металеві порошки (алюмінієві, бронзові пудри) і сажу. Білі пігменти - свинцеві та цинкові білила, важкий шпат і алюмінієвий порошок. Жовті пігменти - цинковий і свинцевий крон, вохра, глинозем, пофарбовані окисом заліза. Червоний пігмент — свинцевий сурик. Синій - лазур (складне з'єднання заліза із синильною кислотою), зелений - зелений крон (хромова зелень - окис хрому), чорний—сажа.
Пластифікатори - речовини, що надають необхідну пластичність плівці й охороняють її від утворення тріщин. В якості пластифікаторів використовують складні ефіри мінеральних і органічних кислот (дибутилфталат, трикрезилфосфат та ін.) або олії. Сикативи вводять у лакофарбові речовини для прискорення процесів висихання. До них відносять: окис свинцю, марганцю, кобальту, взяті у визначеному співвідношенні. Наповнювачі - речовини, які вводяться до складу лакофарбових матеріалів для здешевлення, а іноді і підвищення тривкості. У якості наповнювачів застосовують крейду, вапно, тальк, каолін та ін.
Крім лаків та масляних лакофарбових матеріалів застосовують емалеві фарби і шпаклівки. Емалеві фарби - матеріали, отримані зі спеціального масляного лаку шляхом додавання до нього фарби і відповідних розчинників. Емалі бувають грунтові і покривні. Шпаклівки - це лакофарбові матеріали, що містять речовини, які утворюють плівку; у розчиннику пігменту і наповнювача у 2 - 3 рази більше, ніж їх міститься в емалях. Добавки зазначених компонентів надають шпаклівці потрібну густоту.
Для фарбування загрунтованих металевих поверхонь деталей машин застосовують нітроцелюлозні емалі марок НЦ-25 і НЦ-11, а для виробів, які експлуатуються на відкритому повітрі, емалі марок ХВ-1100 і НЦ-132 та ін. Для фарбування залізних і алюмінієвих приладів, а також інструментів застосовують емалі марок ГФ-1426, а синтетичні емалі марок Мч-13 - для фарбування велосипедів, мотоциклів, марки Мч-139 — для фарбування вантажних автомобілів. Для фарбування машин, приладів, виробів із різноманітних матеріалів застосовують багато інших масляно-смоляних, поліефірних, кремнійорганічних, бітумних та інших лаків і фарб.
Клеї
Клеї можуть бути тваринного, рослинного (білкового) або синтетичного походження. Клеї тваринного походження - столярний клей, міздровий, кістковий, рибний, альбуміновий, казеїновий, що застосовують для клеєння деревини, паперу, текстильних виробів і т.д.
Рослинно-канцелярський клей, гумміарабік, декстриновий, крохмальний, застосовують для клєння паперовокартонних виробів.
Клей гумовий - розчин каучуку в бензині, що застосовують для клеєння гумових, шкіряних і тканинних виробів. Столярний, крохмальний та інші клеї нестійкі до вологи і грибків.
Синтетичний клей буває таких видів:
1) фенольний - марок БФ-2, БФ-4, призначений для гарячого клеєння металів, пластмас, деревини, кераміки, порцеляни. Клей марки БФ-6 використовують для приклеювання тканин, гуми, войлоку до металів; Клей марки ВК-32-200, ВС-350 –застосовується для склеювання дуралюміну, сталі, скло-текстоліту і пінопластів. Клеї марок УС-10М, ВС-10Т - для клеєння металів, стеклотекстоліту і текстоліту; марок КР-4, КБ-3 - для гарячого і холодного клеєння пластмас, деревини, текстильних матеріалів;
2) епоксидний - марок ЭД-5, ЭД-6 використовується для холодного клеєння металів, деревини, порцеляни, для приклеювання вулканізованої гуми до металів. Клей ВК-32-ЭМ використовується для склеювання сталі, дуралюміну між собою або з пінопластами; Клей марки Л-4 викорстовують для гарячого і холодного клеєння сталі, дуралюмину, склотекстоліту, пінопластів;
3) поліамідний - марок ППФЭ-2/10 для холодного і гарячого склеювання алюмінію, міді, деревини, поліамідних плівок, шкіри. Марки МПФ-1 - для гарячого і холодного клеєння металів і приклеювання до них неметалевих матеріалів;
4) карбамідний - марок КМ-3, К-17 - для гарячого і холодного клеєння пластмас, деревини, паперу, текстильних матеріалів;
5) гліфталевий - марок АМК - для холодного приклеювання вовняної, бавовняної і скляної теплоізоляції до металів, для клеєння скла;
6) карбінольний - для клеєння металів, скла, фібри, пластмас і мармуру;
7) поліуретановий - марок ПУ-2 - для гарячого клеєння сталі, дуралюмінія, органічного скла між собою, та пластмас і пінопластів із металами.
Рекомендується застосування синтетичного клею, що дозволяє склеювати різноманітні матеріали і забезпечує необхідну міцність. Поширення одержали карбінольні клеї БФ-2, БФ-4, БФ-20, епоксидні ЭД-5, ЭД-6, Л-4. Карбінольним (універсальним) називають клей, виготовлений на основі смоли БФ. Використання цього клею спрощує складання машин та їх ремонт, бо він утворює міцний шов на з'єднанні і можна з’єднувати різноманітні матеріали.
Перед клеєнням зачищають місця з'єднання, потім на поверхню накладають клей, деталі з'єднують і спресовують (температурний режим і час твердіння залежать від типу і якості клею). При застосуванні карбінольного клею поверхню покривають одним шаром і з'єднують після покриття через 5-10 хв., стискаючи місце з'єднання.
При використанні клею БФ кожну поверхню покривають 2 рази. Перший прошарок клею просушують на повітрі протягом 1 години, а потім 15 хв. при температурі 55-60 °С. Після охолодження поверхонь накладають другий шар клею тими ж прийомами, що і перший. Потім при температурі 82-90 °С протягом 1 г сушать і тільки після цього, видаливши розчинник, місця з'єднання стискують під пресом. Величина стиску залежить від форми і роду деталей. Міцність шва залежить від товщини шару клею. Чим тоншим буде прошарок клею, тим більша його міцність.
Допоміжні матеріали
В машинобудуванні також використовують й інші матеріали: шкіру, азбест, войлок, текстильні і паперові та ін. Так для забезпечення щільності і герметичності механізмів під час складальних операцій використовують прокладкові й ущільнювальні матеріали. Наприклад: шкіру, пароніт, войлок, клінгерит, картон, гуму та ін.
Шкіра може бути жорсткою, товщиною 3-7 мм, і м'якою, товщиною 1,5-3,5 мм. Жорстку шкіру використовують для виготовлення манжет, прокладок, привідних пасів та ін. М'яка шкіра використовується для потреб текстильної промисловості, для виготовлення мембран, фільтрів і т.д.
Пароніт - прокладочний матеріал для металевих з'єднань, що працюють при температурах до 400- 450 °С у середовищі води і пару а також в середовищі нафтопродуктів. Пароніт композиційний матеріал отриманий на основі азбесту, каучуку та наповнювачів.
Подібний за властивостями, але відмінний за компонентами композиції клінгерит. Клінгерит це композиція з азбесту, сурику, графіту, гуми й окису заліза. Його застосовують як прокладковий матеріал, що працює в умовах нагрівання, при температурі, що не перевищує 180°С.
Азбест (гірський льон) - речовина волокнистої будови, мінерального походження. Її використовують в якості вогнетривкого, термоізолюючого, жаростійкого матеріалу для ущільнення з’єднань які піддаються високим температурам, та у випадках термозахисту конструкцій від впливу високих температур.
Широке застосування мають прокладочні матеріали для звуко- і теплоізоляції. Наприклад, одним із кращих звуконепроникних матеріалів є войлок. Він використовується для виготовлення прокладок, сальників, фільтрів для очищення масел, полірувальних кіл. Войлок застосовують як ізолятор і для виготовлення прокладкових каблучок, що захищають підшипники від потрапляння пилу. Виготовляють войлок із низькосортної шерсті з додаванням рослинних волокон і клейстеру. Войлок характеризується об'ємною масою, яка рівна 0,32р/см3, коефіцієнтом теплопровідності 0,06Вт/(м• ДО).
Використовують як прокладочні матеріали гуму, свинець, аркушеву мідь та ін. Для ущільнення трубопроводів, різьбових з'єднань використовують пенькове і льняне волокно, гумові і гумо–тканинні ущільнення, манжети, каблучки з гуми і бавовняної тканини й ін.
Вибір матеріалів
Вибір матеріалів, з яких буде виготовлено деталі машини, чи механізмів є досить відповідальним етапом на етапі проектування. Вірно вибраний матеріал, значною мірою визначає якість машини в цілому. Виконуючи цю роботу, слід враховувати наступні фактори:
· відповідність властивостей матеріалу та головному критерію працездатності (фізико-механічні характеристики);
· вимоги до маси і габаритів деталей та машини в цілому;
· інші вимоги пов`язані з призначенням деталей і умовами експлуатації (корозійна стійкість, фрикційні властивості, електроізоляційні властивості та ін.);
· відповідність технологічних властивостей матеріалу, конструктивній формі і передбачуваному способу обробки деталей (штампованість, зварюваність, ливарні властивості, оброблюваність) ;
· вартість і дефіцитність матеріалу;
· естетичність та ергономічність виробу.