Проектирование деталей, узлов и механизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ, УЗЛОВ И МЕХАНИЗМОВ

ГЛАВА 1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ДЕТАЛЯМ И УЗЛАМ МАШИН. СТАДИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН

1.1 Общие сведения о деталях и узлах машин и основные требования к ним

Машины, механизмы, приборы, аппараты, приспособления инструменты и другие изделия основного и вспомогательного производств машиностроительных предприятий изготовляют из деталей. Деталью принято называть элемент конструкции изготовленный из материма одной марки без применения сборочных операций (например, болт, гайка, вал и т.д.)

Совокупность деталей, соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями (завинчиванием, сваркой и т д) и предназначенных для совместной работы, называют сборочной единицей {узлом). Простейший узел является составной частью более сложного узла, который, в свою очередь, оказывается узлом изделия, комплекса и т. п. Характерными примерами узлов являются (по мере нарастания сложности) подшипник, узел опоры, редуктор и т.п.

Изготовление конструкций и узлов из деталей позволяет использовать различные материалы, облегчает их изготовление, эксплуатацию и ремонт, обеспечивает возможность их нормализации и стандартизации, изготовления на специализированных заводах и т.д.

В каждой машине число деталей исчисляется сотнями, тысячами, а в крупных машинах, например в самолете - миллионами. Несмотря на различное конструктивное оформление и назначение машин, детали и узлы в них в основном одинаковые (типовые, нормальные и стандартные). К их числу относятся различные соединения (резьбовые, сварные, шлицевые и др.), передачи (зубчатые, винтовые, гибкой связью и др.) и их детали, валы, муфты и опоры, уплотнения и устройства для смазывания, пружины и др.

В связи с этим в промышленно развитых странах признано целесообразным сконцентрировать вопросы расчета, проектирования и конструирования деталей и узлов общемашиностроительного применения в разделе науки «Машиноведение и детали машин», а их изучение сосредоточить на этапе общеинженерной подготовки в курсах «Детали машин» и «Прикладная механика» в нашей стране, «Элементы машин» и «Основы проектирования машин» за рубежом.

Детали и узлы машин, как и машины в целом, должны удовлетворять следующим основным требованиям: 1) работоспособности; 2) надежности; 3) технологичности; 4) экономичности; 5) эстетичности.

Работоспособность. Работоспособностью называют состояние деталей, при котором они способны нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными нормативно-технической документацией (техническими условиями, стандартами и т. п.).

Надежность. Под надежностью понимают свойство изделия (детали, узла, машины) выполнять функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного промежутка времени или требуемой наработки. Термины и определения по надежности указаны в ГОСТ 13377-75.

Надежность является общей проблемой для всех отраслей машиностроения и приборостроения. Любая современная машина или прибор, какими бы высокими характеристиками они не обладали, будут обесценены при ненадежной работе.

Надежность изделия зависит от необходимой наработки, которая может исчисляться в часах работы станка, налета самолета и т.д., в километрах пробега автомобиля, - гектарах обработанной земли для сельскохозяйственной машины и т. д. Надежность зависит от всех этапов создания и эксплуатации изделий. Ошибки проектирования, погрешности в производстве, упаковке, транспортировке и эксплуатации изделия сказываются на его надежности.

Отметим, что отказы деталей машин в основном являются невосстанавливаемыми и связаны, как показала практика, с разрушениями (статическими, малоцикловыми и усталостными), изнашиванием и недостаточной жесткостью. Поэтому задачи обеспечения прочности, жесткости и износостойкости деталей машин являются основными в проблеме их надежности.

Работоспособность и надежность деталей машин оцениваются определенными условиями и показателями -- критериями. Важнейшими из них являются: 1) прочность; 2) жесткость; 3) износостойкость; 4) виброустойчивость и др.

При расчете и проектировании деталей обычно используют один или два критерия, а остальные критерии удовлетворяются заведомо или не имеют практического значения для рассматриваемых деталей.

Технологичность. Технологичными называют детали и узлы, требующие минимальных затрат средств, времени и труда в производстве, эксплуатации и ремонте. Технологичность деталей обеспечивается: очерчиванием их простейшими поверхностями (цилиндрическими, коническими и др.), удобными для обработки механическими и физическими методами;

применением материалов, пригодных для безотходной обработки (давлением, литьем, прессованием, сваркой, лазерной и т. п.) и ресурсосберегающей технологии;

системой допусков и посадок и другими средствами и методами.

Детали и узлы машин должны быть конструктивно гибкими, т. е. приспособленными к гибкому автоматизированному производству (ГАП). Для этого их конструкции должны характеризоваться также высокой преемственностью и высоким уровнем стандартизации и унификации конструкционных элементов, материалов, расчетов и технологий, возможностью «сращивания» систем автоматизированного проектирования и

производства и др.

Экономичность. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт.

Экономичность деталей и узлов достигается оптимизацией их формы и размеров из условия минимума материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости производства, за счет максимального коэффициента полезного действия в эксплуатации при высокой надежности; высокой специализацией производства и т. д.

Эстетичность. Совершенство и красота внешних форм деталей, узлов и машины в целом существенно влияют на отношение к ней со стороны обслуживающего персонала.

Красивый внешний вид деталям, узлам и машине придают форма и внешняя отделка конструкции (декоративная полировка, окраска, нанесение гальванических покрытий и окисных пленок и т. д.).

1.2 Прочностная надежность деталей машин (методы оценки)

Прочность -- способность детали сопротивляться разрушению -- оценивается несколькими способами: а) с помощью допускаемых напряжений; б) запасами прочности; в) статистическими запасами прочности.

Наибольшее распространение получил метод расчета по допускаемым напряжениям, согласно которому наибольшее напряжение дmax некоторой точке нагруженной детали не должно превышать определенной величины, свойственной данному материалу и типу детали.

Условие прочности детали по допускаемому напряжению имеет вид

Такая оценка удобна, и поэтому на практике для однотипных конструктивных элементов (деталей), устоявшейся технологии их изготовления, стабильных условий нагружения разработана система допускаемых напряжений, обобщающая предшествующий опыт эксплуатации машин, приборов и аппаратов различного назначения.

Однако такой оценке прочности присущи и недостатки:

величина допускаемого напряжения носит условный характер, так как не отражает характера предполагаемого разрушения, режима нагружения и других факторов, влияющих на надежность;

допускаемое напряжение, особенно при переменной нагрузке, зависит от геометрии детали, материала, технологии изготовления, что затрудняет его использование в качестве нормативной характеристики;

величина [у] не дает представления о надежности детали в явном виде, так как в формуле (16.1) не показано соотношение действующих и предельных напряжений для материала детали (предела текучести у т, предела прочности у в, предела выносливости и др.).

В инженерных расчетаёх допускаемые напряжения используют в основном для предварительных расчетов, связанных с приближенным определением основных размеров деталей. В табл. 16.1 показаны простейшие модели формы деталей и расчетные соотношения для предварительного определения размеров деталей.

Широкое распространение получил также расчет по запасам прочности. Условие прочности в этом случае

Примечание. А - площадь поперечного сечения стержня; Wn и Wp моменты сопротивления сечений стержня при изгибе и кручении.

Величина упред отражает геометрию детали, технологию ее изготовления и условия нагружения, поэтому величина необходимого запаса прочности имеет стабильное значение.

Рис. Кривые плотности распределения переменных напряжений и пределов выносливости

Условия прочности по допускаемым напряжениям и запасам прочности связаны соотношением

При действии статических нагрузок иногда используют запас прочности по несущей способности показывающий отношение нагрузок в момент разрушения и в рабочих условиях.

В описанных методах оценки прочности носят детерминированный характер и не учитывают должным образом неизбежное рассеяние разрушающих и максимальных напряжений.

Статистические запасы прочности являются более обоснованными характеристиками прочностной надежности, в особенности для отказов конструкций с тяжелыми последствиями.

Переменные напряжения в детали в процессе работы определяют с помощью тензометрирования. Рассеяние рабочих напряжений вызвано колебаниями нагрузки при работе машины.

Предел выносливости детали определяют экспериментально на некоторой базе испытаний (обычно 107 циклов). Разброс характеристик сопротивления усталости деталей обусловлен нестабильностью механических свойств металла даже в пределах одной плавки, отклонениями в режиме термообработки, отклонениями размеров деталей в пределах допусков, микроскопическими источниками рассеяния, связанными с неоднородной структурой материала и др.

Так как разрушающее и действующее напряжения являются случайными величинами, то и запас прочности конкретной детали является случайной величиной с функцией распределения F (п):

Величины u1-q для некоторых значений уровня значимости следующие:

Статистические запасы прочности, как и обычные запасы прочности, имеют условное значение. Их используют как критерии сравнения надежности вновь создаваемых изделий с изделиями, удовлетворительно эксплуатируемыми.

Основное преимущество статистических запасов прочности перед детерминистскимл (обычными) запасами состоит в том, что сопоставление приводится к одинаковым условиям по рассеянию значений у разр и уmaх (по объему используемой информации).

1.3 Износостойкость деталей машин

Общая характеристика процесса изнашивания. Многие детали машин выходят из строя вследствие изнашивания -- разрушения поверхностных слоев трущихся тел, приводящего к уменьшению их размеров в направлении, перпендикулярном поверхности трения. Такие отказы связаны с потерей точности машин, приборов и инструментов, снижением коэффициента полезного действия машин, снижением прочности деталей из-за появления динамических нагрузок и уменьшения сечений, увеличением шума и другими негативными последствиями.

Износ вызывает существенное удорожание эксплуатации машин. Ежегодные расходы на поддержание и восстановление действующего парка некоторых машин (например, автомобилей) соизмеримы со стоимостью годового выпуска новых машин.

Существенно, что при постоянных условиях трения протекание изнашивания (по стадиям) подобно зависимости интенсивности отказов деталей от времени наработки (см. рис. 16.1).

На первой стадии происходит приработка поверхностей контакта (разрушение наиболее «уязвимых» микронеровностей и образование «равновесной» шероховатости). Затем наступает период установившегося изнашивания (вторая стадия), характеризующийся минимальной интенсивностью изнашивания для заданных условий трения. И, наконец, наступает третья стадия - катастрофический износ и резкое уменьшение размеров сечения детали.

Виды изнашивания. Механизм разрушения поверхностного слоя различный из-за многообразия изменений, возникающих в контактном слое. Различают механическое (усталостное, абразивное), молекулярно-механическое, коррозионно-механическое (окислительное, фреттинг-коррозия и т. д.) изнашивание. По характеру промежуточной среды различают изнашивание при трении без смазочного материала, изнашивание при граничном трении, изнашивание при наличии абразива. По характеру деформирования поверхностного слоя изнашивание может происходить при упругом и пластическом контакте, при микрорезании.

Абразивное изнашивание -- распространенный вид повреждения поверхности деталей транспортных, дорожных, сельскохозяйственных, горных и других машин, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы.

Абразивное изнашивание является результатом срезания и пластического деформирования микронеровностей (шероховатостей) твердыми посторонними частицами при относительном перемещении сопряженных поверхностей. Эти частицы являются обычно минеральными и имеют неметаллические атомные связи, что и обуславливает сравнительную простоту физических процессов этого вида изнашивания. Отделение частиц при изнашивании происходит при однократном или многократном воздействии абразивного тела. В результате изнашивание идет в форме процесса микрорезания, либо в виде усталостного повреждения (малоциклового -- при упругопластическом деформировании, собственно усталостного -- при многоцикловом воздействии).

Для уменьшения абразивного изнашивания снижают уровень абразивного воздействия, повышают поверхностную твердость материалов деталей (закалкой, поверхностным пластическим деформированием, напылением порошков карбидов).

Молекулярно-механическое изнашивание происходит при высоких контактных напряжениях в зоне сопряжения деталей из однородных материалов (зубчатых и гиперболоидных передач, резьбовых соединений и др.). Оно начинается с локального пластического деформирования и разрушения окисных пленок на отдельных участках поверхности контакта, а заканчивается молекулярным сцеплением (схватыванием) материала этих участков деталей и последующим разрушением зон схватывания при относительном движении.

Процесс развития повреждений трущихся поверхностей деталей вследствие схватывания называют заеданием. Интенсивность заедания увеличивается с ростом контактных напряжений (давлений), скорости относительного перемещения, температуры в зоне контакта и других факторов.

Для предупреждения схватывания на поверхности контактирующих деталей наносят защитные покрытия и окисные пленки, подают смазочный материал в зону контакта, повышают поверхностную прочность (твердость) деталей, ограничивают контактные напряжения и скорость относительного перемещения.

Расчеты на износ для предотвращения молекулярно-механического изнашивания ведут из условий

,

где [ук] и [?к] -- допускаемые контактные напряжения и температура в зоне контакта.

При назначении значений [ук] и [?К] решающую роль играет предшествующий опыт проектирования подобных конструкций.

Коррозионно-механическое изнашивание наблюдается в машинах и аппаратах, в которых трущиеся детали вступают в химическое взаимодействие со средой. Поверхность трения деталей разрушается под действием двух одновременно протекающих процессов: коррозии и механического изнашивания.

При вибрациях в условиях контакта металла с воздухом коррозионно-механическое изнашивание протекает в форме фреттинг-коррозии (от английского fret -- подтачивать). В результате небольших циклических относительных смещений деталей разрушаются тонкие окисленные поверхностные слои металла, которые не удаляются из зоны трения и превращаются в абразивные частицы (черный порошок). Процесс окисления непрерывен на воздухе, поэтому разрушение носит прогрессирующий характер. Фреттинг-коррозия способствует разрушению заклепочных, прессовых, резьбовых, шлицевых и шпоночных соединений.

Для защиты от фреттинг-коррозии используют различные методы поверхностного упрочнения зон контакта, наносят мягкие гальванические покрытия, напыляют тефлоновые и резиновые пленки и т. п.

В химически активных средах, в жидкостях и различных газах, где процессы коррозии протекают активно, коррозионно-механическое изнашивание деталей наносит существенный ущерб. Для предотвращения коррозионно-механического изнашивания применяют коррозионно-стойкие материалы.

1.4 Жесткость деталей машин

Жесткость -- способность деталей сопротивляться изменению формы, является одной из характеристик работоспособности деталей машин. Жесткость оценивают по величине силы, вызывающей единичное перемещение (линейное или угловое) некоторой точки или сечения детали. Так, удлинение при растяжении стержня силой F

Характеристику, обратную жесткости, называют податливостью (мм/Н)

т. е. податливость равна перемещению сечения стержня (детали) под действием силы в 1 Н.

Жесткость существенно влияет на распределение напряжений в зонах соприкосновения деталей и в самих деталях и, как следствие, на их прочность и износостойкость.

На рис. 16.2, а показано распределение контактных напряжений между двумя роликами в продольном сечении,

проходящем через их оси. При увеличении диаметра малого ролика и связанного с ним увеличения его изгибной жесткости возрастает длина площадки контакта и снижается максимальное напряжение (рис. 16.2, б). Это способствует повышению износостойкости и прочности деталей, но масса ролика возрастает.

Однако влияние жесткости на распределение напряжений может быть и иным (рис. 16.3). При уменьшении радиальной жесткости малого ролика (пустотелый ролик) и его массы снижается максимальное контактное напряжение. В этом случае улучшаются условия контакта и снижается масса ролика, но увеличиваются окружные напряжения в теле малого ролика.

В приведенных примерах показаны возможные способы конструктивного улучшения условий контакта деталей за счет изменения жесткости.

Значимость вопросов жесткости деталей в проблеме их надежности возрастает в связи с непрерывным сокращением металлоемкости машин и в особенности для тонкостенных конструкций.

Жесткость влияет и на другие характеристики деталей и узлов машин (например, на вибрационную активность).

Минимальная жесткость деталей ограничивается допускаемыми значениями перемещений и углов поворота сечений

;

где [д] и [ц] -- допускаемые значения перемещения и угла поворота сечения детали.

Эти соотношения используют как для проверки жесткости деталей, так и для определения их размеров.

1.5 Стадии конструирования машин

Конструирование машин -- творческий процесс со свойственными ему закономерностями построения и развития. Основные особенности этого процесса состоят в многовариантности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемыми к конструкциям, а также с требованиями соответствующих ГОСТов, регламентирующих термины, определения, условные обозначения, систему измерений, методы расчета и т. п.

Детали, узлы, машины изготовляют по чертежам, выполненным на основе проектов -- совокупности расчетов, графических материалов и пояснений к ним, предназначенных для обоснования и определения параметров конструкции (кинематических, динамических, геометрических и др.), ее производительности, экономической эффективности. Для особо ответственных конструкций проект дополняют макетом или действующей моделью.

Стадии разработки конструкторской документации и этапы работ установлены ГОСТ 2.103-68. Он обобщает опыт, накопленный в передовых странах по проектированию машин, приборов и аппаратов.

Первая стадия -- разработка технического задания -- документа, содержащего наименование, основное назначение, технические требования, показатели качества, экономические показатели и специальные требования заказчика к изделию.

Техническое задание разрабатывают на основе требований заказчика с учетом достижений и технического уровня отечественных и зарубежных конструкций, патентного поиска, а также результатов научно-исследовательских работ и научного прогноза.

Вторая стадия -- разработка технического предложения -- совокупности конструкторских документов, обосновывающих техническую и технико-экономическую целесообразность разработки изделия на основе предложений в техническом задании, рассмотрения вариантов возможных решений с учетом достижений науки и техники в стране и за рубежом, патентных материалов, возможностей машиностроительных заводов отрасли и смежных отраслей. Техническое предложение утверждается заказчиком и генеральным подрядчиком.

Третья стадия -- разработка эскизного проекта -- совокупности конструкторских документов, содержащих принципиальные конструкторские решения и разработки общих видов чертежей, дающих представление об устройстве разрабатываемого изделия, принципе его действия, габаритах и основных параметрах. Сюда входит пояснительная записка с необходимыми расчетами.

Четвертая стадия -- разработка технического проекта -- совокупности конструкторских документов, содержащих окончательное решение и дающих полное представление об устройстве изделия. Чертежи проекта состоят из общих видов и сборочных чертежей узлов, полученных с учетом достижений науки и техники на уровне работы узлов. На этой стадии рассматриваются вопросы надежности узлов, соответствие требованиям техники безопасности, условиям хранения и транспортирования и т. д.

Пятая стадия -- разработка рабочей документации -- совокупности документов, содержащих чертежи общих видов, узлов и деталей, оформленных так, чтобы по ним можно было изготовлять изделия и контролировать их производство и эксплуатацию. На этой стадии разрабатываются конструкции деталей, оптимальные по показателям надежности, технологичности и экономичности.

Широкое использование ЭВМ на всех стадиях проектирования необходимо, чтобы избавить конструктора от выполнения трудоемких расчетов, многофакторного анализа и большого объема графических работ.

ГЛАВА 2. МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТОЧНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

2.1 Машиностроительные материалы

Выбор материала и термообработки деталей машин определяется конструктивными соображениями (обеспечение надежности), технологическими (единичное, серийное, массовое производство) и экономическими.

Для изготовления деталей машин широко применяют стали и чугуны, а также алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы.

Стали. Сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2 %. По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются термически, химико-тёрмически и механически.

Общая характеристика. В зависимости от содержания углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (С< 0,25 %), среднеуглеродистые (С = 0,25 .. 0,6%) и-высокоуглеродистые (С>0,6%). С увеличением содержания углерода возрастает прочность и снижается пластичность. В обозначении марки стали среднее содержание углерода в сотых долях процента показывают первые две цифры (например, сталь 45 содержит 0,45 % углерода).

Для улучшения свойств (механических, коррозионных, тепловых и др.) сталей применяют легирующие присадки (в скобках указаны буквенные обозначения присадок в марке стали): вольфрам (В), марганец (Г), медь (Д), молибден (М), никель (Н), бор (Р), кремний (С), титан (Т), хром (X), ванадий (Ф), алюминий (Ю). Процентное содержание в стали легирующих присадок указывают цифрами после буквы (например, сталь 12Х2Н4А содержит в среднем 0,12 % углерода, 2 % хрома и 4 % никеля). По способу производства углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества и стали качественные конструкционные, а легированные стали -- на качественные, высококачественные (в конце обозначения марки стали содержится буква А, например, 30ХГСА) и особо высококачественные.

Из углеродистых сталей обыкновенного качества для изготовления неответственных деталей (корпусов, крепежа и др.) наиболее часто используют мартеновские стали, обозначаемые буквами Ст и номерами в порядке возрастания прочности (от СтО до Ст7, начиная со стали Ст4 номер соответствует 0.1ув min ; ув min -- минимальное значение предела прочности стали).

Легированные стали дороже углеродистых. Они, а также качественные углеродистые стали имеют высокую прочность (ув = 800 .. 1400 МПа) при массовой плотности с= 7,8 г/см3 и являются основными материалами для изготовления различных ответственных деталей машин (зубчатых колес, валов и т. п.).

Термическая обработка. Для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности и т. д.) выполняют термическую обработку заготовок или готовых деталей, которая состоит из трех последовательных стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течение требуемого времени и охлаждения с заданной скоростью.

Наиболее распространены четыре процесса термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг, характеризуемый медленным охлаждением (вместе с печью или на воздухе) после нагрева и выдержки при некоторой температуре деталей и заготовок, проводят для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых легированных сталей, а также для снятия остаточных напряжений в конструкциях после сварки или предварительной (черновой) обработки резанием. Для углеродистых и углеродистых легированных сталей проводят полный отжиг -- нагрев до температуры, превышающей на 30 -- 50 °С температуру превращения объемноцентрированной решетки железа в гранецентрированную кубическую решетку (обычно 800-900 °С), выдержку при этой температуре, медленное охлаждение до 400- 600 °С вместе с печью и далее на воздухе. Для низкоуглеродистых высоколегированных сталей 12Х2Н4А, 20Х2Н4А и др., используемых для изготовления зубчатых колес, применяют низкотемпературный (высокий) отжиг при температуре 650-670 °С и медленное охлаждение (чаще всего на воздухе). Используют и другие виды отжига, которые отличаются от высокого отжига температурой нагрева и скоростью охлаждения.

Нормализация отличается от полного отжига характером охлаждения, которое после выдержки производят на воздухе. Ее применяют для получения однородной структуры с более высокой твердостью и прочностью, чем после отжига, для исправления структуры сварных швов, выравнивания структурной неоднородности поковок и отливок, а также для улучшения обрабатываемости резанием сталей.

Закалка отличается от полного отжига и нормализации высокой скоростью охлаждения заготовок или деталей после нагрева до температуры превращения и выдержки при этой температуре. Высокая скорость охлаждения достигается за счет использования в качестве охлаждающей среды воды, масла, водных растворов солей NaOH, NaCl и др. В результате металл приобретает мелкозернистую однородную структуру с высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, но пониженной пластичностью и более трудной обрабатываемостью резанием.

Закалку широко используют для обработки отливок, поковок, штамповок и обработанных деталей из средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей для получения высоких эксплуатационных характеристик.

Существует ряд разновидностей объемной закалки, отличающихся условиями и характером быстрого охлаждения.

Широко применяют поверхностную закалку - нагрев с большой скоростью поверхностного слоя стальной детали (токами высокой частоты, электронным лучом и др.) выше температуры превращений и последующее быстрое охлаждение с получением мелкозернистой структуры в поверхностном слое определенной толщины. При поверхностной закалке коробление (деформация) деталей меньше, чем при объемной.

Поверхностной закалке подвергают детали машин (зубья колес, кулачки, валы и др.), изготовленные из углеродистых и низколегированных сталей марок 40, 45, 50, 40Х, 40ХН, 45Х и др.

Высокая твердость и прочность поверхностных слоев деталей после поверхностной закалки обеспечивают им высокую износостойкость и контактную прочность.

Отпуск -- нагрев до температуры ниже интервала превращений, выдержка и последующее охлаждение для повышения вязких свойств, уменьшения термических остаточных напряжений и улучшения обрабатываемости резанием. Обычно применяют после закалки (нормализации) стальных отливок, поковок, проката и механически обработанных деталей.

В зависимости от температуры нагрева различают высокий отпуск (температура нагрева 500 --670 °С), средний отпуск (250-450 °С) и низкий отпуск (140-230 °С). С увеличением температуры нагрева повышается пластичность стали после отпуска.

Химико-термическая обработка. При химико-термической обработке изменяется химический состав поверхностных слоев деталей, что позволяет получить мелкозернистую структуру, высокую твердость, прочность и износостойкость деталей. Существует ряд способов такой обработки: цементация -- насыщение поверхностных слоев стали углеродом; азотирование- насыщение азотом; цианирование- одновременное насыщение углеродом и азотом; борирование -- насыщение бором и др. Глубина насыщения невелика, обычно 0,2 -- 1 мм.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых легированных сталей 15, 20Х, 12Х2Н4А, 12ХНЗА, 18Х2Н4МА и др. Для изготовления азотируемых деталей обычно используют стали 38Х2МЮА, 38Х2Ю и др., а для планируемых деталей -- стали марок 15, 20, 45, 35Х, 40Х и др.

Чугуны. Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2 %. Чугуны имеют высокие литейные и невысокие пластические свойства в сравнении со сталями.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые, ковкие и серые.

Белый чугун, обладающий высокой твердостью и хрупкостью, обрабатывают резанием твердосплавным инструментом. Используют для изготовления тормозных колодок и других деталей, взаимодействующих с абразивом.

Ковкий чугун применяют для деталей, получаемых литьем, и не обрабатывают давлением из-за низкой пластичности. Он имеет высокую прочность (ув = 300 .. 630 МПа).

Серый чугун является основным литейным материалом в машиностроении. Его используют для изготовления деталей сложной конфигурации при отсутствии жестких требований к габаритам и массе (зубчатые колеса, валы, детали корпусов, шкивы ременных передач и т. д.). Имеет высокие литейные свойства, среднюю прочность (ув < 400 МПа), удовлетворительную износостойкость, высокую демпфирующую способность, хорошо обрабатывается резанием.

Серый чугун обозначается буквами СЧ и двухзначной цифрой, показывающей деленные приблизительно на 10 значения предела прочности при растяжении в МПа (например, СЧ 15 означает серый чугун с пределом прочности при растяжении 150 МПа).

Наибольшее применение имеют чугуны СЧ15 и СЧ20, используемые для получения отливок средней прочности, их массовая плотность с= 7 г/см3.

Медные сплавы разделяют на латуни и бронзы.

Латуни подразделяют, в свою очередь, на двойные (сплавы меди и цинка) и многокомпонентные (содержат дополнительно свинец, кремний, марганец и др.).

Латуни имеют хорошие технологические свойства (обрабатываются давлением, резанием, литьем), достаточную прочность (ув = 250 .. 350 МПа), хорошее сопротивление коррозии. Стоимость латуни в 5 раз и более превышает стоимость качественной стали.

Латунь в своем обозначении содержит букву Л, например, Л 59, Л62, Л90 и др.

В машиностроении основное применение имеют сложные латуни ЛКС80-3-3, ЛМцС58-2-2 и др., используемые в узлах трения, а также для изготовления арматуры и т. д.

Бронзы, кроме основы -- меди, содержат компоненты, определяющие их наименование. Различают бронзы оловянистые, свинцовистые, алюминиевые, бериллиевые и др.

Бронзы имеют высокие антифрикционные свойства, коррозионную стойкость и технологические свойства (имеются в виду литейные бронзы и бронзы, обрабатываемые давлением -- алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др.).

Являясь важнейшим и дорогостоящим (примерно в 10 раз дороже стали) антифрикционным материалом, бронзы широко применяют в подшипниках скольжения, в червячных и винтовых колесах и др. Бронзы обозначают буквами Бр, буквами, показывающими наличие основных компонентов кроме меди (А -- алюминий, Б -- бериллий, Ж -- железо, К -- кремний, О -- олово, Ц - цинк, Ф - фосфор и др.), и цифрами, показывающими среднее содержание в % соответствующих компонентов. Например, БрАЖ9 -- А - это обозначение марки бронзы со средним содержанием алюминия 9 % и железа 4 %.

Баббиты -- сплавы на основе олова, свинца и кальция являются высококачественными хорошо прирабатывающимися антифрикционными подшипниковыми материалами. Их обозначают буквой Б и цифрой, выражающей содержание в процентах олова, или буквой, показывающей дополнительный компонент.

Очень высокая стоимость баббитов (в 20 раз и более превышающая стоимость качественной стали) ограничивает области их использования.

Алюминиевые сплавы (литейные АЛ и деформируемые) имеют плотность с = 2,6 .. 2,9 г/см3 (почти в 3 раза меньшую, чем стали) и удельную прочность, приблизительно равную удельной прочности стали.

Основными литейными сплавами являются сплавы с кремнием - силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ5, АЛ9 и др.), имеющие после закалки ув = 170 .. 250 МПа. Обладая высокими литейными свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием, они широко применяются для изготовления сложных деталей корпусов машин.

Деформируемые сплавы марок АМц, АМг и др. (термически неупрочняемые), а также термически упрочняемые сплавы алюминия с медью и магнием (дуралюмины Д1, Д16 и др.) имеют ув = 350 .. 430 МПа и используются для изготовления обработкой давлением и резанием корпусов, трубопроводов, заклепок, сепараторов подшипников и других деталей машин (в особенности транспортных).

Магниевые сплавы. Основное применение благодаря малой плотности (с = 1,8 г/см3) и высоким литейным свойствам имеют литейные сплавы МЛ (МЛЗ, МЛ4, МЛ5 и др.), которые после термообработки дают ув = 200 .. 230 МПа, ут = 150 ..180 МПа.

Их применяют для изготовления деталей корпусов агрегатов.

Титановые сплавы. Сплавы титана с алюминием и медью и другими присадками (ВТЗ-1, ВТ5, ВТ9, ВТД6, ВТ22 и др.) имеют после термообработки высокую прочность (ув = 900 ..1300 МПа) и малую плотность (с = 4,5 г/см3), высокую коррозионную стойкость. Их используют для изготовления корпусов, трубопроводов, крепежных деталей, заклепок и других деталей изделий авиационно-космической техники, судостроения, химической и пищевой промышленности.

Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных органических соединений (смол), являющихся связующими. Они имеют 40-70% «несущих» компонентов (наполнителя) в виде волокон (текстильных, стеклянных, асбестовых), ткани, бумаги, муки (древесной, минеральной) и др. Благодаря малой плотности (с = 1,1 .. 2,3 г/см3), высокой коррозионной стойкости и сравнительно высокой прочности (ув = 60 .. 300 МПа) пластмассы применяют (часто взамен металлов) для изготовления корпусов, червячных колес и т. д.

К числу наиболее распространенных материалов относятся:

а) термореактивные слоистые пластмассы: текстолит (наполнитель -- хлопчатобумажная ткань), гетинакс (наполнитель -- листы бумаги), асботекстолит, стеклопластики и древопластики;

б) термореактивные пластмассы (волокнит, фенопласт и др.),используемые для изготовления прессованием рукояток, шкивов, ступиц колес и других деталей изделий бытовой тех ники;

в) термопластичные пластмассы (органическое стекло -- плексиглас, винипласт, фторопласт и др.) используются для изготовления стекол, труб, защитных пленок и др.;

г) полиамиды (капрон, найлон и др.) применяют для формовки деталей сложной конфигурации (ремни, зубчатые колеса и др.).

Резина. Материал на основе натурального или искусственного каучука имеет высокую упругую податливость (малую жесткость), хорошо гасит колебания, сопротивляется истиранию и т. д.

В зависимости от назначения резина изготовляется мягкой (для шин), пористой (для амортизаторов) и жесткой (эбонит -- для изготовления электротехнических изделий).

Для повышения несущей способности резинотехнических изделий их «армируют» текстильными или стальными элементами (тканью, шнурами, лентой). Такую резину используют для изготовления автопокрышек, ремней, рукавов и др.

2.2 Точность изготовления деталей

Взаимозаменяемость и стандартизация. Взаимозаменяемость -- принцип конструирования и производства деталей, обеспечивающий правильную сборку и замену при ремонте независимо изготовленных деталей и узлов без дополнительной их обработки с соблюдением требований качества и экономичности 1.

1 Предложен и реализован впервые в конце XIX в. в производстве винтовок.

Взаимозаменяемость имеет народнохозяйственное значение, она позволяет повысить производительность сборки, удешевить производство изделий, обеспечить производство запасных частей и узкую специализацию производства, кооперирование производств и получить другие положительные эффекты. Взаимозаменяемость деталей и узлов может быть полной и неполной. В последнем случае правильное соединение деталей и узлов обеспечивается лишь для их части, изготовленной с высокой (надлежащей) точностью. Другую часть деталей, изготовленных менее точно, собирают путем подбора, с использованием компенсаторов и различных технологических средств.

Для обеспечения взаимозаменяемости деталей, узлов и комплексов и упорядочения их производства в масштабах предприятия, отрасли, республики, страны, группы стран существуют стандарты: предприятия -- СТП, отрасли -- ОСТ, государственные - ГОСТ, СЭВ - СТ СЭВ, международные - МС. Их соблюдение является обязательным на всех этапах производства, сбыта и эксплуатации изделий.

Размеры. Геометрические параметры деталей количественно оценивают размерами. Размеры, проставляемые на чертежах деталей или соединений, называют номинальными. Их получают из расчетов или принимают из конструктивных соображений и округляют до ближайшего из ряда по ГОСТ 6636 -- 69 «Нормальные линейные размеры».

При изготовлении деталей действительный размер лишь случайно может совпасть с заданным, так как большое число факторов (неточности изготовления инструментов, оборудования) влияет на точность и неизбежно приводит к появлению погрешностей обработки (в размерах и форме деталей). При этом под точностью понимают близость результатов изготовления предписанным значениям.

Количественные меры точности -- погрешности -- представляют собой разности полученных и предписанных значений того или иного размера.

Установлено, что для обеспечения правильной сборки и нормальной работы детали могут иметь некоторое рассеяние размеров относительно номинальных значений. Экономически целесообразные предельные отклонения размеров деталей определяются единой системой допусков и посадок, установленной ГОСТ 25347-82 и ГОСТ 25346-82.

Рис. Предельные размеры отверстия и вала, определяющие поля допусков

Допуски. Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами называют допуском. На рис. 17.1 в качестве примера показаны совмещенные по образующей цилиндрические отверстия (а) и валы (б) с номинальными и предельными величинами диаметров. ГОСТ 25346 -- 82 установлены следующие обозначения: допуск размера IT=d max - dmin; верхнее отклонение вала es = d max -- d (для отверстия ES); нижнее отклонение вала ei = d min -- d (для отверстия EI);

Величины отклонений могут быть положительными и отрицательными (первые откладываются вверх, а вторые -- вниз от нулевой линии при схематическом изображении поля допуска). Расположение поля допуска относительно нулевой линии принято обозначать буквой (или двумя буквами) латинского алфавита -- прописной для отверстий и строчной для валов (например, Н9, JS8, h8, J,7 и т. д.).

При увеличении допуска на размер требования к точности снижаются и деталь в изготовлении будет более простой и дешевой. При одном и том же допуске деталь большего размера изготовить сложнее, чем деталь меньшего размера. Поэтому величину допуска IT назначают в зависимости от диаметра, вводя единицу допуска i = 0,45 + 0,001d, мкм, (здесь d в мм), и IT= ai.

В зависимости от числа а единиц допуска i в допуске IT стандартом установлено 19 квалитетов (классов) точности: 01, 0, 1, 2, 3, 4, ' 5, ..., 17. При этом допуски в квалитетах 01, ..., 4 предназначены для концевых мер длины, калибров, измерительных инструментов и др.; квалитеты 5, ..., 13 дают допуски для сопрягаемых размеров деталей, а в квалитетах 14,..., 17 даются допуски для несопрягаемых (свободных) размеров.

Величины верхнего и нижнего предельных отклонений указываются на чертежах тремя способами:

1. Числовыми значениями предельных отклонений; указываются мелкими цифрами (мм) за номинальным размером; отклонения, равные нулю, не проставляются. Отклонения могут иметь одинаковые или разные знаки, например: или

Условным обозначением поля допуска, состоящим из буквы и цифры, обозначающей квалитет; например, 12e8,20h10.

Одновременным указанием поля допуска и цифровых значений отклонений (в скобках), например,

Характер сопряжения (посадки) двух соосных цилиндрических деталей (охватываемой -- вала и охватывающей -- отверстия) зависит от их действительных размеров, т. е. посадка образуется сочетанием полей допусков вала и отверстия. Если диаметр отверстия больше диаметра вала, то в соединении между ними будет зазор (положительная разность диаметров), обеспечивающий свободное осевое и окружное перемещение одной детали относительно другой. Если размер отверстия меньше размера вала (отрицательная разность размеров), то в соединении образуется натяг.

Рис. Предельные размеры отверстия и вала, определяющие поля допусков

Существуют две системы образования посадок: система отверстия и система вала.

В основе системы отверстия лежит независимость размера отверстия от вида посадки, т. е. предельные отклонения данного размера отверстия одинаковы для всех посадок. Различные посадки создаются путем изменения предельных отклонений размеров вала. Отверстие в этой системе называют основным, его поле допуска обозначают буквой Н. Нижнее отклонение размера основного отверстия равно нулю, и поле допуска располагается «в тело» охватывающей детали (рис. 17.2, а).

В посадках могут сочетаться поля допусков отверстия и вала одинаковых или разных квалитетов (обычно больший допуск относят к отверстию).

Посадки в системе отверстия обозначаются последовательным написанием номинального диаметра соединения и обозначений полей допусков сначала отверстия, а затем вала, например, Ш40H7/s6, или 40H7 - s6, или 40

При образовании посадок в системе вала принимают, что размер вала не зависит от вида посадки, а различные посадки получают за счет изменения предельных отклонений отверстий (рис. 17.2, б). Поле допуска вала -- основной детали в этой системе -- обозначается буквой h. Посадки на чертежах обозначаются в той же последовательности, например, Ш 40P7/h6, 40P7 - h6, или 40

Система отверстия более распространена в машиностроении, так как при ее использовании сокращается ассортимент требуемых инструментов для обработки отверстий.

Все посадки в обеих системах разделяют на три группы: подвижные, неподвижные (прессовые или с натягом) и переходные.

Подвижные посадки (посадки с зазором, см. рис. 17.2, поля допусков 1) применяют в подвижных соединениях (подшипниках скольжения, а также соединениях, подвергаемых частой разборке и сборке).

Неподвижные посадки (посадки с натягом или прессовые, см. рис. 17.2, поля допусков 3) применяют для неподвижного соединения деталей без дополнительного крепления (см. гл. 31).

Переходные посадки -- посадки, которые в зависимости от соотношения действительных размеров отверстия и вала могут быть как с зазором, так и с натягом (см. рис. 17.2, поля допусков 2). Их применяют для центрирования сопрягаемых деталей путем неподвижного соединения с дополнительным креплением шпонками, винтами, штифтами.

Посадки назначают из расчета (см. гл. 31) или накопленного в промышленности опыта. Наиболее часто употребляются следующие посадки:

а) подвижные: Н9//9, Н7//7, H7/g6, H8/h6, H7/h6 и др.;

б) переходные: H7/js6, H7/k6, Н7/п6 и др.;

в) неподвижные: Н7/р6, H7/r6, H7/s6, H8/e8 и др.

Точность геометрической формы деталей. Точность деталей по геометрическим параметрам характеризуется не только отклонениями размеров, но и отклонениями поверхностей (табл. 17.1). При этом отклонение поверхностей определяется отклонениями формы поверхностей, отклонениями расположения поверхностей, волнистостью и шероховатостью.

Рис. Отклонения формы плоских сопрягаемых поверхностей

Отклонения формы плоских поверхностей. Отклонение формы сопрягаемых поверхностей выражаются в непрямолинейности и неплоскостности. Оценку и нормирование отклонений формы производят путем сравнения формы и расположения реальной поверхности и прилегающей (базовой или идеальной) поверхности. Под непрямолинейностью понимают отклонение от прямой линии (в прилегающей плоскости) профиля сечения реальной поверхности плоскостью, нормальной к ней, в заданном направлении.

Отклонение формы цилиндрических поверхностей оценивают в продольном и поперечном сечениях. За величину отклонений формы принимают разность наибольшего и наименьшего диаметров. Предельные отклонения формы ограничивают допусками на диаметр.

Точность взаимного расположения поверхностей. По ГОСТ 14642 -- 81 к отклонениям взаимного расположения относятся: непараллельность и неперпендикулярность

Рис. Виды отклонений расположения поверхностей

для плоскостей (рис. 17.6, б), несоосность (рис. 17.6, в), радиальное и торцовое биение для цилиндрических поверхностей (рис. 17.6, г, д), перекос осей и отклонение от правильного расположения пересекающихся и скрещивающихся осей (рис. 17.6, е -- з) и др.

Рис. Обозначение на чертежах предельных отклонений формы

Предельные отклонения формы и расположения поверхностей указывают на чертежах в виде знаков, символов (условных обозначений) и текстовых записей (рис. 17.7). Для записи отклонений используют выносную прямоугольную рамку, разделенную на две или три части. В первой части (слева) записывают знак отклонения, во второй -- числовое значение, а в третьей -- буквенное обозначение базы или другой поверхности. Базы обозначают прописной буквой или зачерненным треугольником. Направление линии измерения отклонений указывают стрелкой.

Волнистость и шероховатость. Действительные поверхности деталей машин отличаются от номинальных (заданных в технической документации) наличием неровностей, образовавшихся при обработке поверхности и обусловленных колебанием инструмента и детали в процессе обработки, дефектами инструмента, особенностями кинематики обрабатывающего станка и др. Эти периодические неровности называют волнистостью и шероховатостью. К шероховатости относят неровности, у которых отношение шага к высоте неровности менее 50, а к волнистости -- от 50 до 1000.

Показатели волнистости и шероховатости определяют по профилограммам, снимаемым профилографом.

По ГОСТ 25142 -- 82 основными параметрами для оценки шероховатости являются высота Rz неровностей профиля по десяти точкам и среднее арифметическое отклонение профиля Ra на базовой длине l см.

Отсчет этих величин - и значений у (х) ведется от базовой линии m -- m, имеющей форму номинального профиля поверхности и проведенной так, что среднее квадратическое отклонение профиля от этой линии в пределах базовой длины l минимально.

Шероховатость поверхности существенно влияет на эксплуатационные свойства деталей (снижает прочность, коррозионную стойкость, жесткость деталей, увеличивает интенсивность изнашивания и др.).

При назначении шероховатости поверхности учитывают требования к точности детали, хотя непосредственной связи между ними нет.

Часто принимают, что параметр Rz не должен превышать 0,1--0,2 допуска на размер.

Кроме параметров, характеризующих высоту микронеровностей, на работоспособность деталей влияют и другие характеристики (средний шаг по вершинам и по средней линии профиля, относительная опорная длина и др.).

Номинальные числовые значения параметров шероховатости указывают на чертежах знаками (рис. 17.9). Знак нарис. 17.9, а не регламентирует вида обработки поверхности. Знаком, показанным на рис. 17.9, б, обозначают поверхности, образуемые удалением слоя материала (точением, шлифованием и т. п.); на рис. 17.9, в -- поверхности, не обрабатываемые после литья, штамповки и других видов предварительной обработки. Сведения относительно параметров шероховатости приводятся на чертежах также с помощью знака, показанного на рис. 17.9, г. При этом на месте рамки 1 записывают параметр (параметры) шероховатости по ГОСТ 2789-73 (для Ra без символа, рис. 17.9, д; для остальных параметров после соответствующего символа, рис. 17.9, е). На месте рамки 2 записывают (при необходимости) вид обработки поверхности и другие дополнительные указания, а на месте рамок 3 и 4 соответственно базовую длину по ГОСТ 2789-73 и условное обозначение направления неровностей.

ПЕРЕДАТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Для передачи механической энергии (движения) от двигателя (электрического, теплового и др.) к исполнительному органу машины или прибора применяют различные передаточные механизмы. Их использование обычно обусловлено необходимостью согласования высокой скорости движения выходного звена двигателя и низкой скорости движения исполнительного органа машины или прибора, а также регулирования скорости движения исполнительного органа при постоянной или изменяемой скорости движения выходного звена двигателя.

Передаточные механизмы могут выполнять и другие функции: а) приводить в движение несколько исполнительных органов (с различными скоростями движения) от одного двигателя; б) преобразовывать усилия и вращающие моменты (увеличивать их на выходе при уменьшении скорости движения выходного звена и наоборот); в) преобразовывать вид движения (вращательное в поступательное и др.).

Среди передаточных механизмов основное применение имеют механические передачи.

Для передачи движения на большие расстояния (до 8 --10 м и более) в различных отраслях машиностроения широко используют передачи, в которых усилие от ведущего звена к ведомому передается с помощью гибкого звена или связи в виде ремня, цепи, стальной ленты, каната, троса и т. п. В зависимости от типа гибкого звена различают передачи ременные, цепные, ленточные, канатные и т. п.

Передачи гибкими связями используют в машиностроении в качестве силовых (для мощностей до 100 кВт, передаточных отношений* до 10, при окружных скоростях до 50 м/с), а также в приборах и аппаратах - в качестве кинематических.

По принципу работы (способу соединения гибкого звена с жестким) передачи разделяют на: 1) передачи с фрикционным сцеплением (трением) - ременные, канатные и др.; 2) передачи зацеплением -- цепные, зубчато-ременные. Иногда применяют механизмы с жестким сцеплением гибкой связи с жесткими звеньями.

Гибкая связь может передавать движение от одного ведущего звена к нескольким ведомым. Передачи могут обеспечивать фиксированное и переменное передаточное отношение со ступенчатым и плавным изменением его величины.

Основные достоинства передач гибкими связями -- плавность работы, простота конструкции и возможность работы при значительных межосевых расстояниях жестких звеньев.

Ременные передачи (благодаря неизбежному проскальзыванию ремней относительно шкивов) обеспечивают плавный пуск установок, поэтому широко используются для привода различных станков и транспортирующих установок от электродвигателей и т. п.