Выбор стали для изготовления шпинделей для опор качения и скольжения станков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Иркутский государственный технический университет

Кафедра машиностроительных технологий и материалов

Курсовая работа

Выбор стали для изготовления шпинделей для опор качения и скольжения станков

Иркутск 2014

Введение

Машиностроение является основой технического и научного прогресса в различных отраслях производства. Совершенствование машиностроения связано с развитием станкостроения, поскольку металлорежущие станки вместе с некоторыми другими видами технологических машин обеспечивают изготовление любых новых видов оборудования

Современное машиностроение предъявляет высокие технико-экономические требования к показателям станков:

1. максимальная производительность при обеспечении заданной точности и шероховатости обработанной поверхности;

2. точность работы, которая зависит от геометрической и кинематической точности станка, температурных деформаций станка, жесткости деталей и стыков, износа деталей и возможности его компенсации, правильности установки и эксплуатации станка, конструкции и точности зажимных приспособлений и т. д.;

3. простота, легкость и безопасность обслуживания и управления, удобство ремонта.

сталь свариваемость флокеночувствительность хрупкость

1. Условия эксплуатации детали

Шпиндельный узел является одним из основных конструктивных элементов металлорежущих станков. Повышение технического уровня металлорежущих станков в первую очередь связано с совершенствованием характеристик и расширением функциональных возможностей высокоскоростных прецизионных шпиндельных узлов, широко применяемых в настоящее время. Применение высокоскоростных шпиндельных узлов в приводе главного движения обеспечивает более высокую производительность и качество изготавливаемых деталей.

Широкое применение в конструкциях опор высокоскоростных шпиндельных узлов получили радиально-упорные шарикоподшипники, способные воспринимать как радиальные нагрузки, так и осевые.

Одним из факторов, ограничивающим применение высоких скоростей резания при обработке, является устанавливаемый предварительный натяг подшипников, в большей степени это относится к конструкции передней опоры шпиндельного узла, непосредственно приближенной к консоли вала-ротора. Завышенная величина натяга приводит к чрезмерному нагреванию подшипников, а это ведет к их «заклиниванию» и преждевременному выходу из строя, что отрицательно сказывается на надежности и долговечности всего шпиндельного узла. Слишком малая величина предварительного натяга способствует снижению точности формы обрабатываемой поверхности, увеличению амплитуды вибраций и шероховатости обрабатываемой поверхности, что также отрицательно сказывается на качестве и производительности обработки изделий на станке.

Выбор величины предварительного натяга осложняется тем, что конструктор назначает монтажное значение натяга, т. е, то значение, которое устанавливается во время монтажа и регулирования опор шпиндельного узла. Во время работы в зависимости от величины и режима нагрузки, частоты вращения шпинделя, смазки, условий охлаждения стенок корпуса шпиндельного узла, либо вследствие износа тел и дорожек качения подшипников величина натяга резко изменяется и значительно отличается от установленной при монтаже. Для прецизионных и скоростных шпиндельных узлов станков, где требуется точная регулировка величины зазора-натяга, это явление существенно.

Как правило, устанавливаемая величина предварительного натяга рассчитывается на усредненные режимы работы шпиндельного узла и не регулируется в процессе работы ни от степени износа подшипников, ни от режимов резания, ни от нагрева опор. Кроме того, недостатками многих шпиндельных узлов являются завышенная величина предварительного натяга (с учетом спектра жестких режимов работы), его неуправляемое изменение в зависимости от температурного режима работы подшипников и износа их элементов. При этом увеличение температуры подшипника в зависимости от режимов и продолжительности работы обычно приводит к увеличению натяга, что может вызвать ухудшение динамических характеристик, а также ускоряет износ, т.е. уменьшает срок службы шпиндельного узла.

Регулирование величиной натяга подшипников в процессе эксплуатации значительно расширяет функциональные возможности высокоскоростных шпиндельных узлов. Установка в опорах шпиндельного узла требуемого натяга с возможностью осуществления его управления в процессе эксплуатации позволяет существенно снизить тепловыделение в опорах узла, а следовательно, уменьшить тепловые деформации станка, затраты на охлаждение узла и потери энергии на трение в подшипниках. Это позволяет при сохранении высокой нагрузочной способности узла получить высокий квалитет точности обработки, а также использовать более высокие скорости резания. Таким образом, одновременно может решаться две задачи - повышение производительности при сохранении высокой точности обработки деталей на станке.

2. Причины повреждений и разрушений шпинделей в процессе эксплуатации

В процессе эксплуатации металлообрабатывающих станков очень важно, чтобы шпиндель, установленный на них, не мог перегреваться. Кроме этого, является важным то, чтобы металлическая стружка не могла проходить через уплотнения и не могла повреждать компоненты шпинделя.

При линейном расширении колесики для измерения времени могут сместиться относительно датчика станка настолько сильно, что станок не сможет знать верное положение шпинделя, а значит и инструментов. В результате станок может остановиться, что особенно плохо при его работе в автоматическом режиме. Другой возможной проблемой может быть потеря привязок положений инструмента к положению рук манипулятора для перемены инструмента. Руки манипулятора для перемены инструмента работают в унисон с тягой шпинделя для укрепления инструментов. Если их движения не будут согласованны, то манипулятор может врезаться в инструменты. Повреждение может получить манипулятор, инструменты, а также и шпиндель.

Шпиндель может также повредиться смазочно-охлаждающей жидкостью, которая проникает через уплотнение и достигает подшипников. Проникновение смазочно-охлаждающей жидкости в шпиндель является одной из основных причин его выхода из строя. В этом случае у шпинделя есть два главных «врага» - система подачи смазочно-охлаждающей жидкости высокого давления и система подачи смазочно-охлаждающей жидкости с большим количеством сопл.

3. Эксплуатационные требования

Основными критериями работоспособности шпиндельных узлов являются: геометрическая точность, жесткость, быстроходность, долговечность, динамические характеристики. Точность вращения шпинделя оценивается величиной радиального или торцевого биения его базовых поверхностей. Величина этого биения зависит от класса точности станка и регламентируется соответствующим ГОСТ. Так, например, для токарных станков нормальной точности допуск радиального и торцевого биения составляет 5…8 мкм.

Жесткость шпиндельного узла определяется упругими перемещениями переднего конца шпинделя под действием сил резания и также регламентируется ГОСТ. Нормативное значение жесткости для станков классов Н и П составляет (50…70) н/мкм. Максимальное значение жесткости шпиндельного узла в основном определяется податливостью его опор.

Быстроходность шпинделей оценивается произведением диаметра шпинделя d в передней опоре на частоту вращения n. Для шпиндельных узлов на подшипниках качения показатель быстроходности dґn составляет (2,5…3) 10⁶ мм^.об/мин.

Долговечность шпиндельных узлов оценивается ресурсом работы в часах без потери первоначальной геометрической точности.

Динамические характеристики шпинделей оцениваются амплитудами вибраций на потенциально-неустойчивых формах колебаний. Устойчивость динамической системы шпиндельного узла тем выше, чем выше первая собственная частота колебаний. Частоты собственных колебаний шпинделей изменяются в широких пределах (100…600)Гц и приводят к возбуждению автоколебаний при резании. Поэтому для обеспечения устойчивого резания приходится умышленно снижать режимы и производительность резания.

Для изготовления шпинделей применяют лигистые стали.

4. Выбор группы материалов конкретного функционального назначения

Сталь 40 применяется: для изготовления листового проката 4-14 мм 1-2 категории, предназначенного для холодной штамповки; коленчатых валов, шатунов, зубчатых венцов, маховиков, зубчатых колес, болтов, осей и других деталей после улучшения; валов и надставок валов гидрогенераторов; деталей средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации (длинные валы, ходовые валики, зубчатые колеса) после поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ; деталей трубопроводной арматуры после закалки и отпуска; горячекатаного полосового профиля с уклоном для сельскохозяйственных машин; кованых заготовок валов компрессорных машин и газовых турбин (из стали 40А); проволоки, применяемой для изготовления спиц мотоциклов и велосипедов.

Для средненагруженных деталей небольших размеров применяются хромистые стали 40Х. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей 40Х невелика. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым; для мелких деталей- в масле и для крупных - в воде.

Сталь 40ХН2МА применяется: для изготовления цельнокатаных колец, коленчатых валов, клапанов, шатунов, крышек шатунов, ответственных болтов и других крепежных деталей, специального крепежа, шестерней, кулачковых муфт, дисков и других тяжело нагруженных деталей; для производства валков для холодной прокатки металлов; для изготовления деталей трубопроводной арматуры; деталей авиастроения (валов ротора, коленчатых валов, валов редуктора, шатунов двигателя воздушного охлаждения, ответственных болтов, шпилек, деталей винта, массивных и силовых деталей РД), работающих при температуре до +500°.

5. Влияние химического состава на свойства стали

В стали 40 содержится 0.4% углерода - она является доэвтектойдной. Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А_с3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Исходная структура среднеуглеродистой конструкционной стали 40 до нагрева под закалку - перлит + феррит.

Критические точки для стали 40: А_С1=730єС, А_С3=790єС.

При нагреве до 700єС в стали 40 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру - перлит + феррит, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + феррит с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше А_с1, но ниже А_с3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 750°С (ниже точки А_с3) структура стали 40 - аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали - мартенсит + феррит.

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше А_с3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку - аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической - мартенсит. Нагрев и выдержка стали 40 при температуре выше 850єС приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали. Таким образом, более высокие эксплуатационные свойства будет иметь деталь, закаленная от температуры 830°С.

Сталь с маркировкой 40х - прочное и надежное металлургическое сырье. Высокопрочный сплав используется для изготовления различных металлоконструкций и деталей, рассчитанных на большую эксплуатационную нагрузку.

В состав конструкционной легированной стали 40х входят:

1. Железо

2. Никель

3. Магний

4. Фосфор

5. Сера

6. Кремний

7. Медь

8. Легирующий хром

9. Углерод

Особый состав сплава обеспечивает уникальные технические характеристики стали 40х:

1. Высокая степень устойчивости к механическим повреждениям и деформациям;

2. Устойчивость к резким перепадам температур;

3. Жаропрочность и трудно свариваемость;

4. Устойчивость к коррозии и воздействию химических веществ;

5. Эстетичный внешний вид изделий.

Для осуществления качественной сварки материал нуждается в предварительном подогреве до 300 градусов по Цельсию и дальнейшей термообработке сварного шва.

Благодаря отличным антикоррозийным свойствам, сталь 40х может эксплуатироваться в любых условиях: на открытом воздухе, в помещении, в условиях агрессивной или влажной среды.

Влияние углерода и легирующих элементов на свойства стали 40ХН2МА. С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного. Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость. Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние хрома на повышение прочности феррита меньше, чем влияние других легирующих элементов. В весьма чистых сплавах при введении в них до 3% Cr было отмечено даже небольшое снижение предела прочности. Твердость, а следовательно, и прочность феррита вначале растут незначительно. Относительное удлинение и сужение до 10% Cr несколько возрастают; ударная вязкость возрастает до 26% Cr; до этого же содержания хрома и критическая температура хладноломкости незначительно сдвигается к более низким температурам. На пластические свойства железохромистых сплавов небольшие количества кислорода, азота и углерода, а также и величина зерна оказывают очень сильное влияние. Хром относительно слабо воздействует на механические свойства стали в отожженном состоянии.

5. Технологические требования

Таблица 1 Технологические требования стали 40

Таблица 2. Технологические требования стали 40Х

Таблица 3 Технологические требования стали 40ХН2МА

Выбор конкретной марки материала

Исходя из исследования с учетом размеров детали механических и химических свойств а так же из экономических затрат, считаю целесообразно выбрать сталь 40Х.

Классификация выбранного материала

Марка: Сталь 40;

Заменитель: Сталь 35 , сталь 45 , сталь 40Г;

Классификация: Сталь конструкционная углеродистая качественная;

Применение: Трубы, поковки, крепежные детали, валы, диски, роторы, фланцы, зубчатые колеса, втулки для длительной и весьма длительной службы при температурах до 425 град.

Химический состав в % материала 40

Температура критических точек материала 40

Ac1 = 724 , Ac3(Acm) = 790 , Ar3(Arcm) = 760 , Ar1 = 680

Таблица 4 Физические свойства материала 40

Характеристика материала.Сталь 40Х

Марка: Сталь 40Х

Классификация: Сталь конструкционная легированная, хромистая

Заменитель Сталь 45Х ,сталь 38ХА ,сталь 40ХН ,сталь 40ХС ,сталь 40ХФА ,сталь 40ХГТР

Иностранные аналоги AISI 5135,AISI 5135 H,AISI 5140,AISI 5140 H

Применение оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Химический состав в % материала 40Х

Таблица 5 Технологические свойства

Марка: 40ХН2МА (40ХНМА);

Заменитель: 40ХГТ, 40ХГР, 30Х3МФ, 45ХН2МФА;

Классификация: сталь конструкционная легированная;

Примечание: коленчатые валы, клапаны, шатуны, крышки шатунов, ответственные болты, шестерни, кулачковые муфты, диски и другие тяжелонагруженные детали. Валки для холодной прокатки металлов.

Химический состав в % материала 40ХН2МА

Температура критических точек материала 40ХН2МА

Ac1= 730 ,Ac3(Acm) = 820 , Ar3(Arcm) = 550 , Ar1 = 380 , Mn = 320

Таблица 6 Физические свойства материала 40ХН2МА

Технологические свойства материала 40ХН2МА:

6. Рекомендуемая упрочняющая термообработка

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

1. Отжиг (гомогенизация и нормализация). Целью является получение однородной зернистой микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.

2. Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки, зависит от материала.

3. Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

4. Нормализация. Изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30-50 градусов выше АС3) и охлаждается на спокойном воздухе

5. Дисперсионное твердение (старение). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

6. Обработка холодом.

Отжиг применяется преимущественно для отливок, проката и поковок из углеродистой и легированной стали (например: стали марок 40, 40 Х, 45Х, 40XC, 40XH) с целью понижения твердости или уменьшения внутренних напряжений в отливках, поковках и сварных изделиях, подготовки структуры к последующей термообработке и улучшения структуры неоднородности.

Например: для улучшения обрабатываемости резанием и получения повышенной чистоты поверхности при зубодолблении, фрезеровании и протягивании шлицев у деталей, изготовленных из стали 40ХН2МА, применяется изотермический отжиг при 760 єС с быстрым охлаждением до 635 єС, при этой температуре в течении 4-6 часов и дальнейшим охлаждении на воздухе (изотермический отжиг).

Нормализация отличается от полного отжига характером охлаждения, которое после выдержки деталей при температуре процесса производится на воздухе. При этом получатся сталь несколько более высокой твердостью и мелкозернистой структурой, чем при отжиге. Нормализация используется для исправления структуры сварного шва, выравнивания структурной неоднородности получения мелкозернистой структуры.

Закалка стали -- процесс термической обработки, обуславливающий получение структур аустенита, мартенсита, троостита. Закалка применяется для отливок, поковок, штамповок и механически обработанных деталей с целью повышения твердости, прочности, износостойкости, коррозионной стойкости.

Закалка состоит из нагрева стали до температуры выше или в интервале превращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения обычно с большой скоростью (в водных растворах солей NaOH, NaCl в воде, масле, в расплавленных солях, на воздухе).

Заключение

Исходя из исследований, сделанных в ходе проведения работы, считаю целесообразным, что для изготовления шпинделей для опор качения и скольжения станков применить сталь 40Х.

Список используемых источников

1. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева / М: Издательский дом Альянс, 2009, 528 с.;

2. http://metallicheckiy-portal.ru - расшифровка стали 40, 40Х, 40ХН2МА;

3. http://window.edu.ru - расчет и проектирование шпинделей;

Размещено на Allbest.ru