Требования, предъявляемые к машинам и их деталям

При проектировании новых машин к ним предъявляют следующие основные требования: высокая производительность; надежность и долговечность; простота управления, обслуживания и ухода; быст­рая окупаемость всех затрат на проектирование и изготовление машины; малые габариты, транспортабельность, соответствие эсте­тическим требованиям (красивый внешний вид).

Детали проектируемой машины должны удовлетворять следующим требованиям: обладать достаточной прочностью, жесткостью, устой­чивостью, износостойкостью, теплостойкостью; допускать возмож­ность изготовления из недорогостоящих и недефицитных материа­лов; иметь такую конструктивную форму, чтобы их можно было изготовить наиболее простыми и производительными технологичес­кими процессами, т. е. детали должны быть* технологичными; об­ладать высокой надежностью, т. е. выполнять заданные функции с сохранением эксплуатационных показателей в течение требуемой наработки (в часах, километрах или других единицах).

Прочность и усталостную долговечность детали можно повысить, используя материалы с высокими физико-механическими характе­ристиками. Обычно применение таких материалов, например высо­кокачественных легированных сталей, ограничивается их высокой стоимостью и дефицитностью;

путем конструктивного изменения формы детали. Например, для деталей, работающих на изгиб, рациональнее применять кольцевое или двутавровое сечение вместо круглого или прямоугольного;

введением термохимической обработки или поверхностного плас­тического деформирования детали (обкатка поверхности детали роли­ками или обдувка стальной дробью). Поверхностное пластическое деформирование—простой и весьма эффективный способ повышения сопротивления усталости и долговечности деталей.

Для упрочнения пружин, рессор, шатунов, зубчатых колес при­меняют дробеструйные установки; для упрочнения осей, валов, плун­жеров, торсионов—специальные станки для обкатки роликами или шариками; для упрочнения втулок, цилиндров и проушин — дорны и раскатки; для упрочнения лопаток компрессоров и турбин, пружин, валов—гидроабразивные и гидродробеструйные установ­ки.

Остановимся несколько подробнее на некоторых общих требова­ниях, предъявляемых к конструкциям машин, их сборочных единиц и деталей.

Экономичность, обеспечивающая минимальные затраты на при­обретение материалов и оборудования путем замены дефицитных материалов менее дефицитными, обладающими необходимой прочнос­тью, жесткостью и износостойкостью (замена легированных сталей уг­леродистыми или замена цветных металлов и сплавов пластмассами и синтетическими материалами и т. д.).

Технологичность, обеспечивающая быстрое и высококачественное изготовление деталей, а также монтаж и сборку сборочных единиц и всей машины при минимальных затратах средств и времени на техническую подготовку. Технологичные конструкции позволяют применять прогрессивные методы изготовления и монтажа в усло­виях данного предприятия.

Использование деталей и сборочных единиц, ранее освоенных в работающих машинах и способных выполнять соответствующие функции в машине новой конструкции.

Унификация конструкции, т. е. максимально возможная замена деталей разной формы и типоразмеров одинаковыми (болты, гайки, шайбы, подшипники, оси, валы, зубчатые колеса, шпонки и т. д.), а также применение по возможности одинаковых диаметров отвер­стий и валов, размеров фасок, галтелей; использование одинаковых классов точности и шероховатости поверхностей; одинаковых спо­собов упрочняющей технологии (закалка, цианирование, азотирова­ние, наклеп и др.) и т. д.

Упрощение конструкции, т.е. применение деталей наипростей­ших форм, изготовление которых не требует специального оборудо­вания или высокой квалификации рабочего.

Для изготовления деталей машин применяют различные матери­алы—металлические и неметаллические. Правильный выбор мате­риала для изготовления конструируемой детали имеет большое технико-экономическое значение. Общими предпосылками выбора материала детали являются эксплуатационная надежность, техно­логичность и экономичность. Наиболее распространенными матери­алами машиностроения являются сталь, чугун, алюминиевые и медно-цинковые сплавы, бронзы и различные виды пластмасс.

Сталь (углеродистая и легированная) — основной материал машиностроения. Примерная классификация стали по применению и химическому составу схема­тично изображена на рис. 1. В табл. ПЗ (см. приложение) даны физико-механи­ческие свойства сталей, получивших наибольшее распространение в машиностро­ении, с примерами их применения.

Сталь

1

Углеродистая

Легированная

I

I

Конструк­ционная

Инструмен­тальная

Конструк­ционная

Инструмен­тальная

Сталь с особыми физи­ческими свойстдами

5 £

_I

1 f

₁

0

_Г

Г.

_!

I

₁

_I

СО ^

Рис. 1

Сталь углеродистая обыкновенного качества, поставляемая по механическим свойствам, обозначается так: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ,..., Стб. Нумерация этих сталей производится в порядке возрастания их твердости, пределов прочности и текучести и снижения пластичности.

Сталь углеродистая, качественная конструкционная обозначается так: сталь 10, сталь 15, сталь 20,..., сталь 55 и т. д., где числа 10, 15, 20,..., показывают примерное содержание углерода в сотых долях процента. Качественная углеро­дистая конструкционная сталь с повышенным содержанием марганца обозначается так: сталь 15Г, сталь 20Г, сталь 30Г и т. д.

-Сталь легированная конструкционная обозначается так: сталь 15Х, сталь 35Х, сталь 40ХНЗА и т. д., где первые две цифры (15, 35, 40 и т. д.) дают примерное содержание углерода в сотых долях процента, а последующие буквы и цифры указывают на легирующий элемент и его примерное процентное содержание. Так, хромоникелекремнистая сталь 15Х13Н7С2А содержит примерно 0,15% углерода, 13% хрома, 7% никеля и 2% кремния; буква А указывает на высокое качество стали, т. е. снижение до минимума вредных примесей—серы и фосфора.

Отливки деталей любой конструкции из углеродистой и легированной сталей дополнительной обработке давлением (прокат, ковка, штамповка и т. д.) не подвергаются, а поэтому обладают меньшей прочностью.

Стальное литье обозначается так: сталь 35Л, сталь 45Л и т. д.

Физико-механические свойства сталей можно повысить применением объемной или поверхностной термической (нормализация, закалка, отпуск) или химико-термической (цементация, азотирование, цианирование и т. д.) обработки, а также поверхностным упрочнением (дробеструйная обработка, обкатка закаленными роли­ками и т. д.).

Чугун получил широкое распространение в машиностроении, особенно для получения литых заготовок деталей. По химическому составу, структуре и тех­нологии изготовления чугун подразделяется на серый (СЧ 12—28, СЧ 15—32, СЧ 18—36 и т.д.); антифрикционный (АСЧ-1, АСЧ-2, АСЧ-3 для серого чугуна; АВЧ-1, АВЧ-2 для высокопрочного чугуна и т. д.); высокопрочный (ВЧ 45—О, ВЧ 50—1,5 и т. п.); жаростойкий (ЖЧХ-0,8, ЖЧС-5,5 и т.д.). Числа, стоящие после буквенного обозначения марки чугуна, указывают значения его механичес­ких характеристик. Например, для серого чугуна первое число означает предел прочности при растяжении, второе—при изгибе (0,1 МПа) для ковкого или высо­копрочного чугуна первое число означает а_в (0,1 МПа), а второе—относительнее удлинение б в процентах при разрыве.

Цветные металлы—медь, олово, цинк, свинец, алюминий, серебро, золото, платина, хром и т. д.—в чистом виде не нашли в машиностроении большого применения. Они применяются в основном в виде сплавов (латунь—медноцинко-вый сплав, бронза—безоловянная и оловянная, алюминиевые сплавы и т. д.), которые обладают лучшими физико-механическими свойствами, чем каждый из этих металлов в отдельности. Цветные металлы (за исключением сплавов) исполь­зуют для покрытия металлических поверхностей в целях защиты материала от коррозии (лужение, цинкование и т. д.), повышения поверхностной твердости, износостойкости и антикоррозионных свойств стальных деталей (хромирование и т. д.), или повышения их жаростойкости (алитирование, т. е. насыщение по­верхностного слоя стали алюминием) и т. д.

Неметаллические материалы—дерево, кожа, хлопчатобумажные ткани, резина, стекло, асбест, войлок, пластмассы и т. д. Среди неметаллических материалов все большее применение в машиностроении находят пластмассы.

Пластмассы (текстолит, гетинакс, асботекстолит, стеклопластики, найлон, кап­рон и многие другие) обладают рядом положительных свойств: небольшой плот­ностью, химической стойкостью, водо-, масло- и бензостойкостью; высокими электроизоляционными, шумо- и вибропоглощающими свойствами; достаточной механической прочностью, не уступающей в ряде случаев прочности сплавов цветных металлов и чугуна; возможностью окрашивания в любой цвет; прозрач­ностью и малой трудоемкостью переработки в детали машин и т. д. Из пластмасс изготовляют корпуса аппаратов и машин; баки, цистерны, кузова автомобилей; корпуса судов, шлюпок, яхт; зубчатые колеса, вкладыши подшипников, трубы, лопатки компрессоров; строительные элементы жилых домов и промышленных сооружений; синтетические клеи, прочно склеивающие детали из любых материа­лов, и т. д.