Требования к деталям. Основные критерии: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость. Машиностроительные материалы.

 

Машины используются в различных отраслях народного хозяйства. От назначения машины зависит и требования предъявляемые к ней. Эти требования учитывают при конструировании машины в целом и от­дельных ее деталей.

Требования, предъявляемые к деталям и узлам:

Основные:

- надежность (свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность);

- экономичность (экономичность определяют стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию).

Дополнительные:

- металлоемкость;

- техника безопасности;

- удобство обслуживания;

- унификация;

- стандартизация;

- дизайн.

 

Критерии работоспособности и расчета деталей машин:

 

Основные критерии: прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

I. Прочность – главный критерий работоспособности.

1. Статическая прочность - это прочность при постоянной или редко повторяющейся нагрузке, например при перегрузках.

Расчетные формулы:

 

 

А – площадь; F-сила; W-момент сопротивления изгибу относительно оси; []-доп-е напр-я.

2. Усталостная прочность - это прочность в условиях систематического изменения действующего напряжения.

Пример: Вращающийся вал редуктора на двух опорах несет зубчатое колесо, на которое действуют силы в зацеплении (силы от другого зубчатого колеса). На рис. 1 показана одна из сил в зацеплении. Под действием силы F, вал испытывает напряжения изгиба и его точка М в положении, показанном на рис. 1, нагружена напряжениями сжатия. При повороте вала на 180° та же точка будет нагружена напряжением растяжения, которое по модулю равно напряжению сжатия. Таким образом, при вращении вала напряжения в нем будут систематически меняться даже при постоянной силе Fr.

 

Для инженерных расчетов в каждом конкретном случае, исходя из статистических данных и опыта расчёта машин задаются графиком (циклом) изменения напряжения.

Основные циклы:

- ассиметричный.

	r>0

- пульсирующий цикл.

 

 

(зубчатые колеса)

 

- знакопеременный цикл.

 

 

(валы)

3. Контактная прочность

При давлении детали на деталь (зубчатые колеса) происходит их деформация.

Согласно закону Гука поверхность при давлении сжимается, а при прекращении давления восстанавливается. В результате многократно повторяющихся изменений напряжений происходит растрескивание поверхностей. В трещины попадает масло и вызывает дополнительное расклинивающее действие. В конечном итоге происходит разрушение поверхностей.

Впервые контактный износ изучил Герц (1881г.) и вывел формулу в общем виде определения контактных напряжений в центре контактной площадки. При этом Герц использовал цилиндры бесконечной длины, полированные и строго цилиндрической формы.

Для контакта двух цилиндров по линии:

 

 

где q - нагрузка на единицу контактной площади; Е_пр- приведенный модуль упругости; ρ_пр – приведенный радиус кривизны контактирующих поверхностей; υ- коэффициент Пуансона (для стали = 0,25..0,35).

Для стали:

Контактная прочность наиболее изучена и по ней ведут основные расчеты (зубчатые колеса, подшипники).

II. Жесткость деталей – это их способность сопротивляться изменению формы и размеров над действием нагрузок.

 

III. Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию, т.е. процессу постепенного изменения размеров деталей в результате трения.

 

IV. Теплостойкость – это способность деталей сохранять прочность при работе в условия высоких температур. Нагревание может возникать из-за разных причин из вне или из-за трения трущихся деталей, для исключения этого используют смазку или водяное или воздушное охлаждение.

 

V. Виброустойчивость. (резонанс, вибрации).

 

Материалы для изготовления деталей машин.

Выбор материалов зависит от назначения машины. Он значи­тельно влияет на качество и стоимость деталей и машины в целом. Стоимость материалов от стоимости машины составляет 60... 70%.

При выборе материала учитывают:

Необходимость обеспечения прочности и жесткости при мини­мальной массе.

Соответствие материала условиям эксплуатации (антифрикци­онные свойства, теплостойкость, износостойкость).

Стоимость и дефицитность материала.

Соответствие технологических свойств материала способу изго­товления детали.

 

Детали изготавливают из металлических и неметаллических ма­териалов.

Металлы делятся на черные и цветные.

К черным металлам относятся чугуны и стали.

Чугуны (содержат углерода свыше 2%):

1.Серый чугун ( углерод в свободном состоянии) СЧ15, СЧ20 и т.д.: из него отливают корпусные детали, махо­вики, шкивы.

Свойства:

- жесткость;

- сравнительно малая прочность;

- хрупкость (наибольший коэффициент относительного удлинения);

- антифрикционные свойства (применяют в неответственных, ненапряженных и тихоходных узлах машины);

- внутреннее трение (способность поглощать энергию при колебаниях);

- хорошие литейные свойства;

- относительная дешевизна.

В обозначении марки чугуна цифры соответствуют пределу прочности при растяжении, в кгс/мм². Прочность на изгиб в 1,5...2,2 раза больше предела прочности при растяжении.

Модуль упругости Е ≈ (4,5...5,0)100σ_В, где σ_В - предел прочности, МПа. Обычно Е ≈ 0,9∙10⁵МПа.

2. Высокопрочный чугун - ВЧ40, ВЧ35 и т.д. Углерод имеет шаровидную структуру.

Предел выносливости почти такой же, как у стали с Е ≈ (1,6...1,9)10⁵МПа.

3. Белый и отбеленный чугуны. Углерод находится в связанном состоянии, в виде карбида железа.

Свойства:

- высокая твердость;

- не обрабатываемость резцом;

- износостойкость;

- хрупкость.

4. Ковкий чугун - КЧ 30-6, где 30 - предел прочности, кгс/мм², 6 - относительное удлинение, %. Получается отжигом белого чугуна. Обладает значительным коэффициентом относительного удлинения.

 

Чугуны получили применение благодаря высокой прочности и жесткости, а также сравнительно низкой стоимости.

 

Сталь - сплав железа с углеродом, с содержанием углерода менее 1,6%. Свойства:

- прочность;

- пластичность;

- хорошо воспринимает различную термическую обработку.

1. Сталь углеродистая обыкновенного качества - ст.З, ст.5 и
др. Цифра обозначает возрастание прочности за счет увеличения
процентного содержания углерода.

2. Сталь углеродистая качественная конструкционная — сталь 25, сталь 45 и др. Цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента. Различают:

- низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25% (цементируемые);

- среднеуглеродистые (улучшаемые и закаливаемые) с содержанием углерода от 0,25% до 0,6%;

- высокоуглеродистые (закаливаемые) с содержанием углерода больше 0,6%.

3. Легированные стали - сталь 40Х, сталь 40ХН и другие, где буквами X и Н обозначены хром и никель в количестве до 1%.

Это качественная конструкционная сталь с легирующими добавками, которые существенно улучшают свойства стали. В качестве легирующих добавок чаще всего используют никель, хром, марганец и другие металлы.

Необходимые свойства стали достигаются термообработкой:

- отжиг - медленное охлаждение (вместе с печью) после нагрева и выдержки, применяют для снижения твердости и повышения обрабатываемости, для снятия остаточных напряжений;

- нормализация — нагрев выше точки фазовых превращений и охлаждение на воздухе, применяют для выравнивания структуры;

- улучшение - закалка с высоким отпуском, в результате получается более высокая прочность и твердость (до 350 НВ);

- закалка - высокая твердость и прочность, получаемые за счет высокой скорости охлаждения;

- отпуск - нагрев ниже температуры фазовых превращений, выдержка, медленное охлаждение, применяют для получения вязких свойств стали, снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости.

С целью повышения прочности (твердости) поверхностного слоя детали назначают химико-термические виды обработки: цементацию, азотирование, борирование. Эти методы позволяют насыщать поверхностный слой детали соответственно углеродом, соединениями азота, бора. Последующая термообработка дает высокие прочностные и износостойкие свойства поверхности детали. Глубина этого слоя поверхности - 0,2.. 1,0 мм.

 

Цветные металлы делятся главным образом на сплавы меди (бронза, латунь, баббит) и легкие сплавы (алюминий, магний).

Бронза – сплав меди: с оловом; или свинцом; или железом или алюминием. Хорошо работает в условиях механического изнашивания (вкладыши подшипников, венцов червячных колец).

Латунь – сплав меди и цинка. Применяется для за­ливки вкладышей подшипников скольжения.

Баббиты – сплав на основе олова, свинца.

Легкие сплавы – сплавы алюминия, магния (дюралюминий).

К неметаллическим материалам относятся дерево, резина, кожа, ас­бест, металлокерамика и пластмассы.

Новые материалы - композиты. Любое вещество, превращенное в волокно, приобретает повышенную прочность. Волокно, как арматура, пронизывает наполнитель из пластика, углерода, алюминия - это и есть композиты, композиционные материалы. Изделия из композитов как минимум в 1,5 раза легче стальных, надежность у них выше в 2...3 раза, а трудоемкость изготовления на 30% ниже. Одна тонна стеклопластика (разновидность композита) заменяет 4...5т стали.