Конструкционные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зубчатые механизмы

Зубчатые механизмы - это самый распространенный и, пожалуй самый важный вид механизмов. Трудно найти такую машину, в которой нет зубчатого механизма. Они применяются в станках, в грузоподъемных машинах, автомобилях, разнообразных технологических машинах и т.д. Основные достоинства зубчатых механизмов, определившие их широкое применение, - строго постоянное передаточное отношение, большая передаваемая мощность на единицу массы, компактность, долговечность, высокий к.п.д. Недостаток - сложность изготовления и высокая стоимость.

Зубчатые механизмы предназначены для передачи вращательного движения и преобразования его параметров. Обычно двигатели обладают скоростью и моментом, как правило, не подходящим для использования в технологическом процессе. Преобразование параметров вращательного движения возможно посредством прижатых друг к другу гладких дисков, образующих фрикционные передачи. Ее недостаток - ограниченная мощность из-за большой нагрузки на подшипники, неизбежное проскальзывание, износ поверхностей, потери мощности. Практически передаваемая мощность в таких механизмах не превышает 10 - 20 квт.

Чтобы устранить отмеченные недостатки, диски снабжаются чередующимися выступами и впадинами, располагающимися с определенным интервалом. Такие выступы называются зубьями.

Зубчатым колесом называется звено с замкнутой системой зубьев, обеспечивающей непрерывность движения. Различают еще зубчатый сектор, зубчатую рейку.

Зубчатая передача - трехзвенный механизм, состоящий из двух колес и стойки.

Важнейшей характеристикой зубчатой передачи является передаточное отношение - отношение угловых скоростей колес.

Две или более зубчатые передачи образуют зубчатый механизм.

Зубчатые колеса, зубчатые передачи и зубчатые механизмы чрезвычайно разнообразны. Поэтому целесообразно ознакомиться с их простейшей классификацией.

Зубчатые колеса бывают:

а) цилиндрические и конические,

б) прямозубые, винтовые, шевронные,

в) эвольвентные, циклоидальные, цевочные, трохоидальные, круговинтовые

г) с внешним и с внутренним зацеплением

Прямозубыми называются колеса (передачи), направление каждого зуба которых совпадает с образующей начальной поверхности (цилиндра или конуса). Косозубыми называются зубчатые колеса, направление каждого зуба которых составляет некоторый постоянный угол с образующей начальной поверхности. Шевронными называются колеса, зубчатый венец которых образуется из двух рядов косых зубьев противоположного направления. Конические колеса могут быть прямозубыми, косозубыми и с круговым зубом.

Винтовые колеса могут быть с левым и с правым наклоном зуба. Винтовые колеса с винтовой линией постоянного шага называют косозубыми.

Зубчатые передачи бывают:

а) с постоянным и переменным передаточным отношением некруглые колеса),

б) плоские и пространственные,

в) с параллельными, пересекающимися и скрещивающимися осями колес.

По этому признаку различают цилиндрические, конические, гиперболоидные передачи.

В гиперболоидных передачах звенья выполняются в форме гиперболоида вращения. Гиперболоид - линейчатая поверхность, образуемая при вращении произвольно расположенной в пространстве прямой линии относительно некоторой оси. Таким образом, образующей поверхности гиперболоида является прямая линия. Два сопряженных гиперболоида перекатываются друг по другу без скольжения и касаются по прямой линии. Если их снабдить зубьями, образуется точная гиперболоидная передача. На практике используется приближенная гиперболоидная передача, образованная из цилиндрических и конических колес. В таком случае касание их происходит не по линии, а в точке. Различают винтовые, червячные и гипоидные передачи. Различают также понижающие и повышающие частоту вращения передачи (редукторы и мультипликаторы), передачи внешнего, внутреннего зацепления, реечные передачи.

По характеру своей работы передачи могут быть реверсивные и нереверсивные. Реверсивные передачи характеризуются поочередным изменением на противоположное направления движения ведущего звена.

По величине окружной скорости различают передачи - тихоходные (до 3 м/с), средних скоростей (3... 15 м/с) и быстроходные (свыше 15 м/с).

Зубчатые механизмы бывают: а) с неподвижными осями колес (рядовые) и с подвижными осями (планетарные), б) предназначенные для передачи большой мощности (силовые) и для преобразования параметров движения (кинематические), в) с одной степенью подвижности и зубчатые дифференциалы.

Зубчатые механизмы чаще по сравнению с другими видами механизмов применяются в машиностроении, приборостроении, в технических системах. Они служат для преобразования вращательного движения ведущего звена и передачи моментов сил.

Основные преимущества зубчатых передач: высокая нагрузочная способность и, как следствие, малые габариты; большая долговечность и надежность работы (на пример, для редукторов общего применения установлен ресурс ~ 30 000 ч); высокий к.п.д- (до 0,97...0,98 в одной ступени); постоянство передаточного отношения (отсутствие проскальзывания); возможность применения в широком диапазоне скоростей (до 150 м/с), мощностей (до десятков тысяч кВт) и передаточных отношений (до нескольких сотен и даже тысяч).

Среди недостатков зубчатых передач можно отметить повышенные требования к точности изготовления, шум при больших скоростях, высокую жесткость, не позволяющую компенсировать динамические нагрузки. Отмеченные недостатки не снижают существенного преимущества зубчатых передач перед другими. Вследствие этого зубчатые передачи наиболее широко распространены во всех отраслях машиностроения и приборостроения. Из всех перечисленных выше разновидностей зубчатых передач наибольшее распространение имеют передачи с цилиндрическими колесами, как наиболее простые в изготовлении и эксплуатации, надежные и малогабаритные. Конические, винтовые и червячные передачи применяют лишь в тех случаях, когда это необходимо по условиям компоновки машины. Параметры цилиндрических прямозубых колес

Рассмотрим элементы зубчатых колес находящихся в зацеплении, в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. По высоте снаружи зубья ограничены окружностью выступов диаметром da, изнутри - окружностью впадин диаметром d_f. Боковые поверхности полного профиля зуба очерчены эвольвентами противоположных ветвей. Эвольвента представляет собой траекторию произвольной точки прямой, перекатывающейся без скольжения по окружности, называемой основной. Положительная ветвь эвольвенты получается при перекатывании производящей прямой против хода часовой стрелки, отрицательная -- по ходу часовой стрелки. С увеличением радиуса основной окружности до бесконечности (зубчатая рейка) эвольвента превратится в прямую. Часть бокового профиля зуба очерчивается по переходной кривой, служащей плавным переходом от эвольвенты к окружности впадин. Наличие переходной кривой делает зуб более прочным у основания. При зацеплении одного колеса с другим появляется начальная окружность радиусом r_w. Это окружность одного зубчатого колеса, перекатывающаяся без скольжения по окружности (поверхности) второго из зацепляющихся колес. Расстояние между одноименными профилями соседних зубьев по дуге окружности называется окружным шагом и обозначается p_t. Значение этого параметра по начальным окружностям должно быть одинаковым у находящихся в зацеплении колес. Пользуясь шагом зацепленения, можно выразить длину любой окружности колеса, умножив шаг на число зубьев z:

p_tz = рd_t, (1)

где t - индекс соответствующей окружности, например,p_а, d_a или p_f, d_f.

Величина p_t выражается несоизмеримым числом, так как в правую часть условия (1) входит число р. Это затрудняет выбор размеров колес при их проектировании и изготовлении. Поэтому основным параметром принят не шаг, а отношение его к числу р. Эта величина называется модулем зацепления m_t:

m_t = p_t/р. |мм| (2)

Шаг и модуль имеют индекс той окружности, по которой они измерены. Величины модулей для снижения номенклатуры и унификации режущего и контролирующего инструмента стандартизированы. Чаще всего согласно стандартам ограничиваются следующими значениями модуля (в миллиметрах): 0,05; 0,06; 0,08; ОД; 0,12; 0,15; 0,20; 0,25; 0,3; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5; 1,0; 4,0; 5,0. Окружность, по которой модуль имеет расчетное стандартное значите, называется делительной. Диаметр ее обозначается d, она является ба зовой для определения элементов зубьев и их размеров. Шаг и модуль по делительной окружности обозначают соответственно p и m.

Диаметр делительной окружности

d = mz. (3)

Для наиболее распространенных неисправленных по высоте (нулевых) колёс начальная и делительные окружности совпадают и передаточное отношение для пары таких колес будет равно

i₁₂ =щ₁ /щ₂ = d_W2 /d_W1 = d₂/d₁ = z₂/z₁. (4)

Помимо шага по дуге окружности различают и угловой шаг (центральный угол, соответствующий шагу по дуге). За время контакта одной пары зубьев колесо повернется на угол перекрытия. Для обеспечения непрерывности передачи от ведущего к ведомому колесу необходимо, чтобы до выхода из контакта данной пары зубьев в зацепление вступила очередная пара зубьев. Это условие будет соблюдаться, если угловой шаг колеса меньше угла перекрытия. Отношение угла перекрытия к угловому шагу, называют коэффициентом перекрытия зубчатой передачи е_а. Допустимым считается значение е_а ? 1,2.

Часть зуба высотой h_a, заключенную между окружностью выступов и делительной окружностью, называют головкой зуба, а часть зуба высотой h_f, заключённую между делительной окружностью и окружностью впадин - ножкой зуба. Основные геометрические параметры зубчатого колеса - диаметры выступов d_а и впадин d_f, общая высота зуба h, высота головки h_а и ножки h_f,толщина зуба S и ширина впадин e между зубьями - выражаются через основной параметр зубчатой передачи - модуль m, по ГОСТ 9587-68.

Зубчатые передачи в приборостроении обычно используют не как силовыми для передачи значительных моментов сил, а как кинематические для получения требуемых скоростей вращения. Зубчатую передачу в этом случае не рассчитывают на прочность, модуль выбирают из стандартного ряда по конструктивным соображениям. Применение малых модулей позволяет уменьшить габариты колес и увеличить плавность передачи при сохранении габаритов за счет увеличения числа зубьев. При заданном диаметре стоимость колес с уменьшением модуля возрастает, но повышается точность работы зубчатой пары, КПД таких передач 0,94... 0,98.

Высота головки зуба h_a = h_a*m, где h_a* -- коэффициент высоты головки, который в соответствии со стандартом равен единице (h_a* = 1), а высота головки равна модулю (h_a = m). Высота ножки зуба h_f= (h_a* + c*)m, где с = c*m-величина радиального зазора (рис. 14.2) между зубьями колес, находящихся в зацеплении; с* - коэффициент радиального зазора, который зависит от величины модуля: с* = 0,5 при m? 0,5 мм, с* = 0,35 при 0,5 < m < 1 мм и с* = 0,25 при m? 1 мм. Высота зуба h = h_a + h_f = m(2 + с*). Диаметры окружности выступов и и впадин равны соответственно d_a = d + 2h_a = m(z + 2) и df = d - 2hf = m(z - 2 -2c*). Ширину зубчатого венца b принимают равной 2... 6 модулям. Окружная толщина s зуба по делительной окружности s = р/2 =рm/2. Боковой зазор в зубчатом зацеплении устанавливается в зависимости от принятого вида напряжения колес.

Траектория точек контакта пары зубьев во время зацепления у эвольвентных колес называется линией зацепления. Она является общей нормалью к боковым профилям зубьев. Угол между линией зацепления и перпендикуляром к межосевому расстоянию называют углом зацепления б, обычно б = 20°. При изменении межосевого расстояния линия зацепления изменяет свое положение. Изменяется угол зацепления, но передаточное отношение не нарушается.

Чем меньше зубьев имеют колеса, тем меньше их габариты при одном и том же модуле. Уменьшение зубьев допустимо лишь до определенного предела. Если число зубьев z будет меньше минимально допустимого z_min, то при изготовлении путем нарезания режущий инструмент срезает часть зуба, возникает подрезание зубьев у ножки (рис3). Эвольвента

Ослабленное основание зуба

Профиль зуба из-за подрезания искажается, нарушается плавность зацепления, уменьшается прочность зуба. Минимально допустимое число z_min зубьев при угле зацепления б = 20° и коэффициенте высоты головки h_a* = 1 равно 17 (z_min = 17), а при б = 15° - z_min =30. При изготовлении зубчатых колес иногда применяют зубья укороченной высоты с коэффициентом высоты головки h_a* = 0,8. Это позволяет получить без подреза меньшее число зубьев на шестернях. Так при б = 20° и h_a* = 0,8 минимально допустимое число зубьев z_min=14.

зубчатый металл конструктивный

Конструкционные материалы

При изготовлении конструктивных элементов механизмов используют черные металлы (стали и чугуны), цветные металлы и сплавы и неметаллические материалы.

К черным металлам относят железоуглеродистые сплавы на основе железа, которые в зависимости от содержания углерода делят на стали - до 2,14% углерода и чугуны - свыше 2,14% углерода.

Чугуны

Чугуны - это сплавы железа с углеродом, содержащие постоянные примеси марганца, кремния, фосфора и серы, а также при необходимости легирующие элементы.

В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный), различают серые, белые и ковкие чугуны. Чугуны также классифицируют в зависимости от назначения - на конструкционные и со специальными свойствами; и от химсостава - на легированные и нелегированные.

Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами (жидкотекучестью, малой линейной усадкой, обрабатываемостью резанием), мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционный. Из этого чугуна отливают детали сложной конфигурации, например станины станков, корпуса редукторов, блоки цилиндров и т.п.

В белых чугунах избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств - высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием - белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.

Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.

Высокопрочный чугун характеризуется шаровидной или близкой к ней формой включений графита, которую получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами. Применяют в станкостроении (станицы, шпиндели и др.), для прокатного и кузнечно-прессового оборудования.

Для улучшения прочностных характеристик и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).

Марки чугуна обозначаются буквами, показывающими назначение чугуна: СЧ - серый чугун, ВЧ - высокопрочный, КЧ - ковкий чугун; для антифрикционных чугунов в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марки нелегированного чугуна указывают на его механические свойства. Для серых чугунов цифры указывают величину предела прочности (кгс/мм²) при растяжении. Например, марка СЧ18 показывает, что чугун имеет у_ut = 18 кгс/мм² = 180 МПа. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности (кгс/мм²) и относительное удлинение при растяжении в процентах, например ВЧ60-2 - высокопрочный чугун с уut = = 600МПа и д = 2%.

Стали

Стали - это деформируемые сплавы железа с углеродом и другими элементами.

По химсоставу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки - серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор - при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ? 0,25%), средне- (0,25 < С ? 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.

В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний - более 0,8%.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ? 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми (С ? 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных - каждого элемента не более 0,035%; а в высококачественных - не более 0,025%.

По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода («кипение»). Выбор технологии раскисления определяется назначением и возможностями производства, но каждый способ имеет свои достоинства и недостатки.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6, например Ст0 - Ст6. Цифры соответствуют условному номеру марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность. Эти стали делят на три группы - А, Б и В. Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается термообработке, в марке стали группа А не указывается. Для стали группы Б гарантируется химический состав, для стали группы В - химический состав и механические свойства.

Степень раскисления обозначается индексами, стоящим справа от номера марки: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная. Например, сталь Ст2кп - сталь группы А, кипящая; БСт3пс - сталь группы Б, полуспокойная; ВСт5сп - сталь группы В, спокойная.

Углеродистые качественные стали маркируются двузначными цифрами (08, 10, 15, …, 70), показывающими среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Эти стали можно условно разделить на несколько групп. Стали 08, 10 обладают высокой пластичностью, хорошо штампуются и свариваются. Низкоуглеродистые стали 15, 20, 25 хорошо свариваются и обрабатываются резанием, после цементации и термообработки обладают повышенной износостойкостью. Наибольшее распространение получили среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45 и 50 благодаря хорошему сочетанию прочностных и пластических свойств, хорошей обрабатываемости резанием. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругостью, используются для изготовления деталей типа пружин. Прочность и твердость средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить с помощью термической обработки.

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У и цифрами, которые соответствуют содержанию углерода в десятых долях процента, например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9% углерода.

Легированными называют стали, в состав которых для придания им специальных свойств вводят легирующие элементы. Они по-разному влияют на свойства стали: марганец повышает прочность и износостойкость; кремний увеличивает упругие характеристики стали; хром повышает коррозионную стойкость, твердость, прочность, жаропрочность; никель снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость; вольфрам и молибден повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре. Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые цифры марок перед буквами указывают содержание углерода для конструкционных сталей в сотых долях процента (две цифры), а для инструментальных и специальных сталей - в десятых долях. Далее обозначение состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав стали, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание легирующего элемента в процентах. Цифры за буквой не ставятся при содержании легирующего элемента менее 1,5%. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: Т - титан, С - кремний, Г - марганец, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам и т.п. Например, нержавеющая сталь Х18Н10Т содержит 18% хрома, 10% никеля и до 1,5% титана; конструкционная легированная сталь 30ХГС содержит 0,30% углерода, а хрома, марганца и кремния до 1,5% каждого; инструментальная легированная сталь 9ХС содержит 0,9% углерода, а хрома и кремния до 1,5% каждого. В сталях 30ХГС и 9ХС кремния больше 0,8%, марганца в стали 30ХГС больше 1%. Обозначения марок некоторых специальных сталей включают впереди букву, указывающую на назначение стали. Например, буква Ш -шарикоподшипниковая сталь (ШХ15 - с содержанием хрома ? 1,5%), Э - электротехническая и т.д. Обладая хорошими механическими характеристиками, стали являются наиболее распространенным конструкционным материалом. Существенный их недостаток - большая плотность и, как следствие, небольшая удельная прочность и удельная жесткость. Стали обладают также малой коррозийной стойкостью, а применение нержавеющих сталей для подобных целей дорого. Стали поставляются как листовой и сортовой прокат в виде листов, полос, лент, проволоки, прутков круглого, прямоугольного и квадратного сечений, труб, равно и неравнобоких уголков, двутавров, швеллеров и других видов профилей разных размеров, оговоренных стандартами.

Сталь углеродистая обыкновенного качества применяют для термически необработанных деталей - это крепёжные детали(заклёпки и др.) Сталь углеродистая качественная конструкционная применяют для деталей машин, подвергаемых термообработке. Сталь легированная конструкционная применяется для особо ответственных деталей машин, где наряду с высокой прочностью требуется компактность или небольшая масса.

Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы (медь, алюминий, титан, магний) и их сплавы широко применяются в виде прутков, листов и лент для изготовления деталей механизмов. Но их применение должно быть обосновано, так как стоимость деталей из цветных металлов и сплавов значительно выше, чем из стали и пластмасс.

Медь и ее сплавы

Медь в чистом виде характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, хорошей обрабатываемостью давлением, небольшой прочностью и применяется для изготовления токопроводящих деталей. Более широкое применение получили медные сплавы: латунь и бронза. В латунях основным легирующим элементом является цинк, в бронзах - иные элементы.

Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами: А - алюминий, Н - никель, О - олово, Ц - цинк, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, Ф - фосфор, Т - титан.

Латуни делят на двойные и многокомпонентные сплавы. В двойных содержание цинка может доходить до 50%. Марки таких латуней обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах, например Л59. Для улучшения механических, технологических и коррозийных свойств в латуни вводят кроме цинка в небольших количествах различные легирующие элементы (алюминий, кремний, марганец, олово, железо, свинец). В марках многокомпонентных латуней первые цифры указывают среднее содержание меди, а последующие - легирующих элементов. Например, латунь ЛКС80-3-3 содержит 80% меди, по 3% кремния и свинца, а остальное - цинк.

Марки бронз и медно-никелевых сплавов начинаются соответственно с букв Бр и М, а следующие буквы и цифры указывают на наличие легирующих элементов и соответственно их содержание в процентах. Например, бронза БрОЦС 5-5-5 содержит олова, цинка и свинца по 5% или медно-никелевый сплав мельхиор МН19 содержит 19% никеля.

Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Широко используются оловянистые бронзы, они характеризуются высокой стойкостью против истирания, низким коэффициентом трения скольжения. Все медные сплавы отличаются хорошей стойкостью против атмосферной коррозии.

Латуни и бронзы используют в качестве конструкционных материалов. В частности, латунь Л63, отличающуюся высокой пластичностью, используют для изготовления токопроводящих и конструктивных деталей типа наконечники, втулки, шайбы, а латунь ЛК80-3Л - для изготовления литых деталей. Безоловянистые бронзы БрАЖ9-4, БРАМц9-2 обладают высокими механическими и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются, поэтому используются при изготовлении небольших зубчатых и червячных колес, втулок подшипников скольжения, ходовых гаек в винтовых механизмах. Наилучшие антифрикционные свойства имеют оловянистые бронзы.

Особое место занимает при изготовлении упругих элементов из-за высокой прочности и упругости бериллиевая бронза марки БрБ2. Она немагнитна, стойка к морозу, действию пресной и соленой воды, хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Применяют ее для изготовления ответственных деталей типа токоведущих пружинящих контактов, пружин, мембран.

Прочность медных сплавов, особенно латуней, ниже, чем сталей, а коррозионная стойкость много больше. Все латуни и большинство бронз, за исключением алюминиевых, хорошо паяются.

Алюминий и его сплавы

Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами (модуль упругости, пределы прочности у_ut и текучести у_у). Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al₂O₃, образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации - прессованию, прокатке, ковке. В зависимости от содержания Al₂O₃ (прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 - 22%) различают 4 марки САП (САП-1, САП-2, САП-3 и САП-4). Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей.

Из литейных алюминиевых сплавов наибольше распространение получили сплавы алюминия с кремнием - силумины. Они обладают хорошими литейными и средними механическими свойствами. Силумины марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей. Алюминий и его сплавы трудно паяются.

Пластмассы

Из неметаллических материалов широко используют пластмассы. Пластмассами называют материалы, получаемые на основе природных или синтетических смол (полимеров), которые при определенных температуре и давлении приобретают пластичность, а затем затвердевают, сохраняя форму при эксплуатации. Кроме связующего вещества (полимера) в состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, отвердители, красители.

Полимером служат различные смолы, которые в период формирования деталей находятся в вязкотекучем (жидком) или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации - в стеклообразном или кристаллическом состоянии.

Наполнители вводят в смолы для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости пластмассы. Наполнители могут быть в газовой (пенопласты) и твердой фазе, иметь органическое (древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань) и неорганическое (графитная, асбестовая и кварцевая мука; углеродное и стекловолокно; стеклоткань) происхождение. Механическая прочность пластмасс существенно зависит от наполнителя. Пластмассы с порошкообразными, коротковолокнистыми, длиной 2 … 4 мм, наполнителями по прочности приближаются к дуралюмину и некоторым сортам стали. Для деталей, работающих в узлах трения, широко применяют теплопроводящие наполнители, например графит.

Пластификаторы увеличивают текучесть, эластичность и уменьшают хрупкость пластмасс. Отвердители ускоряют процесс затвердевания пластмасс, красители придают пластмассам нужный цвет.

По поведению при нагреве полимеров пластмассы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты (полиэтилен, фторопласт, полистирол, полиамиды и др.) имеют свойства обратимости: при повторных нагреваниях они переходят в пластическое или вязкотекучее состояние и им можно придать необходимую форму, а затем они вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного физического состояния в другое может осуществляться неоднократно без изменения химического состава. Термопласты легко формуются и надежно свариваются в изделия сложных форм, устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Свойства термопластов сильно зависят от температуры.

Термореактивные пластмассы не переходят в пластическое состояние при повторном нагревании. Они имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твердости, модулю упругости, теплостойкости, сопротивлению усталостной прочности. Их свойства не так резко зависят от температуры. В зависимости от наполнителя различают монолитные (карболит), слоистые (текстолит, гетинакс) и композиционные пластмассы, где наполнителем используются волокна. В термореактивных пластмассах связующими являются эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.

Пластмассы являются хорошими электроизоляционными материалами. Для них характерна высокая химическая и коррозионная стойкость, малая плотность и теплостойкость. Они отличаются достаточной прочностью и упругостью. Детали, изготовленные из пластмасс, имеют блестящую гладкую поверхность разных цветов. Пластмассы значительно хуже, чем металлы, сопротивляются переменным нагрузкам; они подвержены тепловому, световому и атмосферному старению - процессу самопроизвольного необратимого изменения свойств; многие из пластмасс гигроскопичны.

Большим достоинством пластмасс является их высокая технологичность, обеспечивающая значительное сокращение производственного цикла. Изготовление металлических деталей осуществляется за десятки операций механической обработки, а пластмассовых - часто за одну технологическую операцию по формообразованию (прессование, выдавливание, литье под давлением и др.). Поэтому трудоемкость изготовления пластмассовых деталей уменьшается в 5 … 6 раз и более, а себестоимость продукции снижается в 2 … 3 раза, при этом получают очень высокий коэффициент использования материала, равный 0,9 … 0,95. Это приводит к значительному снижению материалоемкости и из-за малой плотности пластмасс (1,2 … 1,9 Мг/м³), к уменьшению массы конструкции в 4... 5 раз.

Из пластмасс изготавливают зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, ролики, корпуса, зубчатые ремни, ручки управления и другие детали. Производство пластмасс развивается интенсивнее, чем таких традиционных материалов, как металлы. Это объясняется удешевлением изготовления, улучшением ряда основных параметров механизмов: уменьшением веса и инерционности звеньев, потерь на трение, повышением быстродействия

Пластмассы - это весьма перспективный конструкционный материал, область применения которого практически не ограничена.

Неразъемные соединения

Неразъемным называют такое соединение деталей и узлов, разборка которого невозможна без повреждения деталей. Часто неразъемные соединения используют для получения деталей сложной формы и геометрии из простых дешевых элементов. К неразъемным относят сварные, паяные, заклепочные, клеевые и формовочные соединения.

Сварные соединения

Сваркой называют процесс соединения металлических и пластмассовых деталей путем установления межатомных связей между соединяемыми частями при местном нагреве, пластической деформации или одновременном действии того и другого.

Различают термическую, термомеханическую и механическую сварки. Наиболее распространенными видами сварки являются электродуговая, электронно-лучевая, газовая (термические); контактная и термокомпрессионная (термомеханические); трением, холодная и ультразвуковая (механические).

При электродуговой сварке электрической дугой в месте контакта электрода и соединяемых деталей расплавляется металл деталей и электрода и образуется прочный шов. Защитная обмазка металлического электрода образует при сварке большое количество шлака и газа, которые обеспечивают устойчивое горение дуги и защищают расплавленный металл от окисления. В месте сварки сильно окисляющихся при нагреве алюминиевых и магниевых сплавов, сплавов титана, высоколегированных сталей электрическую дугу окружают слоем инертного газа, аргона или гелия, что сильно удорожает сварку.

При газовой сварке для нагрева и плавления металлов используют теплоту газового пламени при сжигании ацетилена в кислороде. Такую сварку часто применяют для тонкостенных и легко окисляющихся деталей из металлов, обладающих различными температурами плавления, в частности, для сварки деталей из конструкционных сталей толщиной до 2 мм, меди - до 4 мм. Газовая сварка вызывает небольшие деформации и структурные изменения.

Электронно-лучевую (лазерную) сварку производят потоком электронов (частиц света) большой энергии. Этим способом обычно сваривают тугоплавкие и сильно окисляющиеся металлы и сплавы. Сварку производят в вакууме или в атмосфере аргона.

Контактная сварка - самый производительный способ сварки в массовом производстве. Различают точечную, стыковую и роликовую (шовную) контактные сварки. При точечной сварке тонкостенные детали соединяют внахлестку. Под действием давления электродов, проводящих ток к месту сварки, образуются точечные сварные соединения. Так как высокие температуры действуют на небольших участках (точках), отсутствует коробление соединяемых деталей. Точечную сварку используют при изготовлении кожухов, панелей, шасси, стоек и других деталей.

При стыковой сварке соединяемые детали сжимают и в зоне контакта при прохождении электрического тока выделяется большое количество теплоты. Стыковой сваркой соединяют детали различных форм и сечений (круг, квадрат, труба, уголок и т.д.).

Шовную сварку осуществляют вращающимися дисковыми электродами. При этом получается непрерывный сварной шов, обеспечивающий герметичное соединение тонкостенных деталей.

Разновидностью контактной сварки является конденсаторная - ток к месту сварки подается в виде короткого импульса при разряде конденсаторов. Контактная сварка позволяет сваривать разнородные материалы, детали малых толщин и сечений (сварка в «шарик» монтажных приводов) и детали различных сечений.

Термокомпрессионная сварка - это сварка под давлением с местным нагревом участка соединения за счет теплопередачи от нагретого электрода. Применяется для присоединения металлических проводников толщиной в десятки микрон к полупроводниковым кристаллам, к напыленным пленкам, т.е. при монтаже элементов микросхем.

При сварке трением нагрев в месте соединения осуществляется за счет теплоты, выделяемой в месте контакта прижатых друг к другу и вращающихся по отношению друг к другу деталей.

Холодная сварка осуществляется без нагрева соединяемых деталей за счет их сжатия с помощью механических и гидравлических прессов до появления пластических деформаций. Холодной сваркой сваривают металлы с хорошими пластическими свойствами - алюминий и его сплавы, медь и ее некоторые сплавы; никель; олово; серебро; разнородные металлы, например, алюминий и медь. Для получения прочных и плотных швов необходимо предварительно очистить поверхности контакта от окислов. Прочность соединения при точечной холодной сварке может быть выше, чем при точечной контактной сварке, но при этом значительно хуже внешний вид соединения из-за вмятин и пластической деформации.

Ультразвуковая сварка основана на создании в месте соединения деталей переменных напряжений сдвига с частотой ультразвуковых генераторов, преобразующих колебания электрических величин в механические колебания. Ультразвуковая сварка позволяет сваривать металлы с различными, в том числе неметаллическими покрытиями, пластмассы.

В зависимости от выбранного вида сварки и требований, предъявляемых к соединению, применяют различные виды соединений. В зависимости от взаимного расположения соединяемых элементов различают следующие виды сварных соединений: стыковые (рис. 1, а), нахлесточные (рис. 1, б), угловые (рис. 1, в) и тавровые (рис. 1, г). Форму кромок и размеры поперечного сечения стыковых швов определяют в зависимости от толщины свариваемых деталей и способа сварки. Угловые швы в поперечном сечении имеют форму прямоугольного треугольника. В зависимости от расположения по отношению к направлению нагрузки сварные швы делят на лобовые - шов перпендикулярен направлению нагрузки (рис. 1, д), фланговые - шов параллелен направлению нагрузки (рис. 1, е), косые и комбинированные (рис. 1, ж).

Достоинствами сварных соединений являются высокая производительность, равнопрочность, герметичность, возможность соединения различных материалов и деталей разных форм.

Недостатки сварных соединений: появление остаточных напряжений в местах сварки за счет локального нагрева, что может привести к деформации свариваемых деталей; недостаточная вибрационная и ударная прочность; необходимость проведения термической обработки для снятия остаточных напряжений; сложность контроля дефектов и качества соединения.

Сварные соединения обозначают (рис. 1, д, е, ж) прямой линией, оканчивающейся стрелкой, направленной к сварному шву. Линия соединена с полкой, над которой указывают параметры сварного шва. Если лицевая сторона сварного шва не видна, обозначение параметров помещают под полкой. Свойства сварного соединения определяются свойствами материалов или их сочетаний, включая покрытия соединяемых деталей; видом и технологическими параметрами сварки; формой и размерами шва.

Свойство материалов образовывать сварные соединения, отвечающие требованиям конструкции и условиям эксплуатации, оценивается свариваемостью. Из материалов и их сплавов свариваются хорошо, без применения особых методов малоуглеродистые конструкционные и низколегированные стали (Ст0…Ст3, 08…25, 15Х, 15Г и др.), алюминий и его сплавы (Д1, Д16, АМц, АМг3, АЛ2, АЛ4), медь и ее сплавы (М3, ЛС59-1, Л63, БрАЖ9-4, БрОФ10-1, БрОЦ4-3 и др.); свариваются ограниченно только специальными методами или при определенных режимах сварки среднеуглеродистые стали (30 … 45, 30Г, 30ХГС и др.); свариваются плохо высокоуглеродистые и высоколегированные стали 65Г, У8, У10, чугуны.

Из неметаллических материалов сварке подвергаются только термопластические пластмассы (полиэтилен, полистирол, полипропилен и др.), при этом кромки деталей разогреваются до пластического вязкотекучего состояния, а затем подвергаются сжатию. В качестве присадочного материала применяют пруток из той же пластмассы, что и свариваемые детали. Известны следующие способы сварки пластмасс: ультразвуком, токами высокой частоты, трением, газовыми теплоносителями и нагретыми инструментами.

Соединения пайкой

Пайкой называют процесс соединения металлических или металлизированных деталей с помощью дополнительного связующего материала - припоя, температура плавления которого ниже температуры плавления материала соединяемых деталей.

В расплавленном состоянии припой смачивает поверхности соединяемых деталей. Соединение происходит путем межатомного сцепления, растворения и диффузии материала деталей и припоя.

В отличие от сварки пайка сохраняет неизменными структуру, механические свойства и состав материала деталей, вызывает значительно меньшие остаточные напряжения. Прочность паяного соединения определяется прочностью припоя и сцепления припоя с поверхностями соединяемых деталей.

В качестве припоя применяют как чистые металлы, так и сплавы. В зависимости от температуры плавления припои бывают легкоплавкие (мягкие) и среднетугоплавкие (твердые). К легкоплавким мягким припоям с температурой плавления до 450 С относятся оловянисто-свинцовые сплавы с содержанием олова от 18 до 90%, например ПОС-61 (61% олова). Для понижения температуры плавления в эти сплавы вводят висмут и кадмий, а для увеличения прочности - сурьму. Твердые припои содержат в своем составе медь, цинк, никель, серебро и имеют температуру плавления выше 500 С.

Мягкие припои применяют для получения главным образом надежных электрических контактов при пайке и герметичных соединений.

Твердые припои обеспечивают достаточную прочность шва при температуре свыше 100 С, устойчивы к вибрациям, ударам и агрессивным средам.

Хорошее соединение пайкой можно получить только при чистых поверхностях спаиваемых деталей, свободных от окислов и загрязнений и при заполнении зазора между деталями припоем. Для очистки и защиты соединяемых поверхностей и припоя от окисления, улучшения смачиваемости и лучшего растекания припоя применяют флюсы. Они способствуют очищению поверхностей от загрязнений, растворяют окисные пленки, улучшают смачиваемость поверхностей припоем, обеспечивают лучшее затекание припоя в зазоры между спаиваемыми деталями. Флюсы должны обладать хорошей жидкотекучестью и иметь температуру плавления более низкую, чем у припоя, что обеспечивает их вытеснение припоем. Они делятся на химически активные (бура, хлористый цинк и др.) и химически неактивные (канифоль и спиртовые растворы). Применение первых требует тщательной промывки деталей после пайки.

Соединения пайкой могут выполняться при различных способах нагрева деталей и припоя. Наиболее распространенными видами пайки являются пайка паяльником, газовой горелкой, в печи, индукционная, пайка в жидких средах, ультразвуковая, волной припоя, лазером, электронным лучом и другие. Способ нагрева зависит от конструкции соединения, материала соединяемых деталей, требуемого количества теплоты и температуры нагрева. Качество соединения определяется величиной зазора и плотностью его заполнения припоем, прочностью припоя и прочностью связи припоя с поверхностями соединяемых деталей.

Достоинствами пайки являются простота и дешевизна технологического процесса, широкие возможности его механизации и автоматизации, возможность соединения всех металлов и разнородных материалов (металл с керамикой, стеклом, резиной), малые остаточные температурные напряжения и деформации, малое электросопротивление мест соединения. Так как непосредственная пайка при соединении металлов с неметаллами невозможна, то на поверхности неметаллических материалов создают промежуточный слой из меди, никеля, серебра, который хорошо сцепляется с поверхностью этих материалов и обеспечивает качественную пайку с металлом.

Недостатком соединений пайкой является их невысокая механическая и термическая прочность.

Различают паяные соединения внахлестку и встык. Наибольшую прочность имеет соединение внахлестку, но при этом увеличиваются габариты соединения. Соединение встык имеет малые габариты, но невысокую прочность.

Заклепочные соединения

Заклепочные соединения выполняют с помощью специальных крепежных деталей - заклепок (рис. 2, а, б) или непосредственным расклепыванием цапф деталей (рис. 2, в, г).

Заклепка представляет собой цилиндрический стержень с двумя головками, одна из которых, называемая закладной, выполнена заранее, а вторая, замыкающая, получается в процессе сборки под ударами инструмента. Соединяемые детали при этом сильно сжимаются.

Рис. 2

Форма и размеры заклепок стандартизированы. Стержень заклепки может быть сплошным или полым; головки по форме бывают полукруглые (рис. 3, а), потайные (рис. 3, б), полупотайные (рис. 3, в), плоские (рис. 3, г). Заклепки изготавливают из пластичных материалов: низкоуглеродистых сталей (Ст2, Ст3, 08, 10), меди (М1), латуни (Л62), алюминиевых сплавов. Материал соединяемых деталей может быть тверже или мягче материала заклепок. Желательно, чтобы коэффициенты линейного расширения заклепок и соединяемых деталей были равными или близкими друг другу. В противном случае при изменении температуры возникнут дополнительные напряжения, что снизит прочность соединения. Диаметр d (см. рис. 4, а) заклепки принимают примерно в 1,8 … 2,0 раза больше минимальной толщины соединяемых деталей. Стержень заклепки должен выступать над соединяемыми деталями на величину примерно 1,5d для образования замыкающей головки. Для обеспечения лучшей механической прочности и предотвращения концентрации напряжений при посадке и клепке заклепки рекомендуют минимальный зазор между заклепкой и стенками отверстия. Диаметр отверстия под заклепку принимают на 0,2 … 0,5 мм больше диаметра заклепки.

Заклепочные соединения применяют для соединения трудносвариваемых металлов и разнородных материалов; в конструкциях, подверженных действию вибрационных и ударных нагрузок; для соединения металлических деталей с неметаллическими.

Выбор формы заклепки зависит от материала и толщины соединяемых деталей.

Стальные заклепки применяют для прочных соединений, а латунные и алюминиевые - для соединений, не требующих большой механической прочности. Для соединения деталей, изготовленных из хрупких или неметаллических материалов, используют полупустотелые и пустотелые заклепки (рис. 3, д, е).

Заклепки с полукруглой головкой - самые распространенные и применяются везде, где допустима выступающая головка. Применение заклепок с потайной головкой целесообразно для деталей из прочных материалов при толщине более 2 … 2,5 мм. При меньшей толщине берут заклепки с полупотайной головкой. Для соединения мягких и эластичных материалов (винипласт, резина) необходимы большие площади головки, поэтому под заклепки ставят шайбы, прокладки. Клепка и развальцовка заклепок не должны сильно деформировать соединяемые детали.

Заклепочные соединения выполняют внахлестку (рис. 4, а) или встык с одной (рис. 4, б) или двумя (рис. 4, в) накладками и расположением заклепок в один, два или более параллельных (рис. 4 г) или шахматных ряда.

Рис. 5

Шаги между заклепками выбираются исходя из назначения соединения и удобства клепки: t = (2 … 8)d, ? = (1,35 … 2)d, m = (1,5 … 2)d. Заклепки рассчитывают на сдвиг по поперечным сечениям и на смятие по боковым поверхностям, а листы - на растяжение по ослабленным отверстиями под заклепки сечениям.

Достоинствами заклепочных соединений являются возможность соединения различных материалов, хорошая сопротивляемость вибрационным и ударным нагрузкам, удобство и надежность контроля качества соединения. К недостаткам относятся трудоемкость (разметка, сверление отверстий, закладка и клепка заклепок) и высокая стоимость; ослабление соединяемых деталей отверстиями; дополнительный расход материала на накладки.

Клеевые соединения

Склеиванием называют соединение деталей тонким слоем быстротвердеющего раствора - клея. Процесс склеивания состоит из подготовки соединяемых поверхностей деталей, нанесения клея, соединения деталей и выдержки при определенных давлении и температуре.

Клеевые соединения применяют для скрепления деталей из различных металлических и неметаллических (стекло, керамика, пластмасса) материалов в любом их сочетании. К клеевым соединениям не предъявляют требований высокой прочности, но они должны хорошо сопротивляться вибрациям, воздействию влаги, колебаниям температур. Соединения бывают чисто клеевые и клеемеханические, для повышения герметичности (клеерезьбовые, клеесварные). Клеевые соединения улучшают герметизацию, снижают стоимость изделия и позволяют проще решать задачи миниатюризации конструкций. Их часто применяют в тех случаях, когда невозможно механическое крепление соединяемых деталей, например, склеивание оптического стекла с помощью прозрачных и неокрашенных клеев, крепление полупроводникового кристалла с кристаллодержателем.

Прочность клеевого соединения зависит от способа подготовки поверхностей. Желательно, чтобы они были шероховатые. Для этого применяют механическую (абразивную) и химическую (травление в растворах) обработку. Клеевой слой для повышения прочности должен быть по возможности тонок (0,05 … 0,25 мм), тепло- и влагостойким, не подвергаться старению. Для обеспечения необходимого взаиморасположения склеиваемых деталей в конструкции предусматривают фиксирующие элементы - выступы, впадины и т.п.