книги из ГПНТБ / Ковалев Н.А. Теория механизмов и детали машин крат. курс учебник

А л ю м и н и й применяется в виде сплавов с легирующими эле­ ментами. Эти сплавы подразделяются на литейные и деформируемые. Наилучшие литейные сплавы АЛ4, АЛЗВ, АЛ4В содержат свыше 5% кремния. Низкая температура плавления алюминиевых сплавов позво­ ляет производить отливку в металлические формы, обеспечивающую чистую поверхность и точные размеры литых деталей.

Деформируемые и термически не упрочняемые сплавы типа АМц (1,4% Мп) отличаются высокой пластичностью и пригодны для глубо­ кой вытяжки, прокатки и прессования. Типичным представителем деформируемых и упрочняемых путем закалки и старения сплавов является Д1 — дюралюмин, содержащий 4,3% Си.

Деформируемые сплавы поставляются в виде листов, труб, прут­ ков и фасонных профилей.

Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов (т. е. отноше­ ние 0 І1Чк удельному весу) делает их ценным авиастроительным мате­ риалом.

М а г н и й применяется в виде весьма легких и легкоплавких литейных и деформируемых сплавов с Mn, Al, Zn и др. Прочность этих, сплавов невелика.

своим высоким антифрикционным свойствам имеют сплавы меди с цин­ ком — латуни и особенно сплавы с оловом, алюминием и железом — бронзы. Большинство из них имеет хорошие литейные качества, обла­ дает высокой пластичностью и легко обрабатывается резанием. Их основным достоинством является высокая устойчивость против корро­ зии. Оловянистые (ОФ) и алюминиевожелезистые (АЖ, АЖН) бронзы применяют для изготовления червячных колес и вкладышей подшип­ ников скольжения.

Медь и медные сплавы являются дефицитными материалами. Поэтому, где возможно, используют различные их заменители.

А н т и ф р и к ц и о н н ы е с п л а в ы . Подшипниковые анти­ фрикционные сплавы делятся на сплавы на основе цинка (ЦАМ), алюминия (AM8) и магния (МЛ4). Из них изготовляют подшипниковые втулки и баббиты. Оловянистые (Б89) и свинцовистые (Б6) баббиты наносят в виде тонкого покрытия толщиной от нескольких десятых до 2—3 мм на поверхность трения стального или бронзового вкладыша подшипника. Они отличаются наилучшими антифрикционными свой­ ствами и значительной пластичностью и мягкостью.

Олово является дефицитным материалом.

С и н т е т и ч е с к и е м а т е р и а л ы , такие, как капрон, най­ лон, тефлон и т. д., обладают весьма ценными свойствами (высокой прочностью, пластичностью, износостойкостью и др.) и находят все большее применение в новых конструкциях.

Р е з и н а используется для деталей, а также покрытий, служа­ щих для осуществления больших упругих деформаций. Резиновые де­ тали изготовляют в пресс-формах (иногда литьем) на специализирован­ ных заводах. Благодаря большой упругости резина находит все большее применение в машиностроении. Она подвержена старе­

20

нию после определенного срока службы, в частности под действием света.

Кроме перечисленных выше, применяют также и другие конструк­ ционные материалы, например текстолит, пластики (бакелит, гетинакс и пр.), кожу, шерсть, текстиль, графит, керамику, фетр и т. п.

§ 3. КРИТЕРИИ ПРОЧНОСТИ И НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ

Часть главных размеров машины определяется ее назначением, т. е. характером той работы, для выполнения которой эта машина построена. Например, высота колонны и вылет стрелы башенного крана определяются заданной высотой подъема и величиной необхо­ димого горизонтального перемещения груза.

Другая часть главных размеров бывает обусловлена требованиями прочности и работоспособности машины. В примере с краном к разме­ рам второй группы относятся размеры поперечного сечения колонны

истрелы.

Ра с ч е т н ы е р е ж и м ы . Проверка работоспособности машины должна производиться для разных условий эксплуатации, так как трудно заранее предугадать, какие из этих условий окажутся более опасными. Может случиться, что деталь, пригодная для нормальной работы, сломается под действием собственного веса при транспорти­ ровке, монтаже или ремонте машины. С другой стороны, может ока­ заться, что она недостаточно прочна при случайных, редких, но все же возможных перегрузках, т. е. при увеличении полезной нагрузки сверх проектной. Условия эксплуатации, транспортировки и ремонта, для которых работоспособность и прочность должны быть проверены,, называют расчетными режимами. Каждому режиму соответствует своя совокупность нагружающих сил Р. Основными режимами яв­ ляются: режим нормальной работы, кратковременный перегрузочный

инекоторые технологические (транспортировка, монтаж, ремонт).

П р е д е л ь н а я н а г р у з к а . Если, не меняя размеров детали или кинематической пары, увеличивать нагружающую силу Р, то вместе с ней будут возрастать напряжения в сечениях звеньев и на поверхностях их соприкосновения. Это увеличение напряжений может вызвать различные нежелательные последствия: может появиться остаточная или чрезмерная упругая деформация, может быть потеряна устойчивость, может возникнуть опасная вибрация, перегревание, чрезмерно быстрый износ и т. п. Эти состояния машины, находящиеся на опасной границе, называют предельными. Вследствие большого разнообразия предельных состояний, встречающихся в машинострое­ нии, вместо термина прочность часто употребляют более универсаль­ ный — нагрузочная способность.

Значение расчетной силы, при которой возникает предельное со­ стояние, называют предельной нагрузкой {Р}. Для каждой детали или кинематической пары возможны различные величины предельной нагрузки, соответствующие разным по характеру предельным состоя-

21

ниям. Так, например, шатун двигателя внутреннего сгорания, если пренебречь его силами инерции, нагружен сжимающий переменной во времени силой Р. Существует предельное значение этой силы {Р^, при котором в шатуне появится остаточная деформация; при другом значении {Р}2 он потеряет устойчивость па продольный изгиб; при третьем {Р}3 после Nn циклов нагружения в нем появится трещина, которая, постепенно увеличиваясь, приведет к разрушению.

Н о м и н а л ь н а я и р а с ч е т н а я н а г р у з к и . Сущность проверки работоспособности детали или кинематической пары состоит

всравнении силы, фактически нагружающей ее при расчетном режиме,

снаименьшим из предельных значений этой нагружающей силы. Так как не всегда известна истинная величина действующих сил, то пра­ вильнее говорить о сравнении с предельным значением силы некоторой расчетной силы Рѵ, т. е. такой, которую предполагают фактически действующей в машине, когда выполняют расчет. Поясним это под­ робнее.

Для анализа движения звеньев проектируемой или уже изготов­ ленной машины приходится допускать определенную идеализацию, состоящую в том, что звенья предполагаются абсолютно недеформи­ руемыми, зазоры в кинематических парах, отсутствующими, а все размеры и формы абсолютно точными. Движение, которое существо­ вало бы в такой идеализированной модели при проектной полезной нагрузке, называют номинальным. Силы, возникающие при таком движении, нагружающие звенья, детали и кинематические пары, называют номинальной нагрузкой Ри. Для механических машин непре­ рывного действия номинальным движением считают установившееся движение при проектной номинальной скорости и проектном (обозна­ ченном в паспорте машины) значении движущих сил и сил полезной нагрузки. Однако в действительности вследствие зазоров в кинемати­ ческих парах, несовершенства и упругой деформации их поверхностей

соприкосновения и других причин номинальное движение сопровож­ дается малыми упругими колебаниями, вибрацией машины. Вследствие большой частоты этих колебаний в звеньях возникают силы инерции, которых нет в идеализированной модели и которые дополнительно нагружают сами звенья и кинематические пары. Поэтому иногда, чтобы приблизить величину расчетной силы Рѵ к фактической, в каче­ стве расчетной берут не номинальную силу Рп, а силу

где множитель К > 1 называют коэффициентом нагрузки и вели­ чину его определяют для каждого механизма в соответствии с тради­ цией, сложившейся в той или иной отрасли машиностроения, основан­ ной на опыте проектирования и постройки сходных машин, или со­ гласно результатам специальных исследований.

В л и я н и е к о н ц е н т р а т о р о в н а п р я ж е н и я . Всякое предельное состояние связано с величиной и распределением на­ пряжений. Величину напряжения в расчетных сечениях деталей ма­ шин находят по формулам курса сопротивления материалов, выведен­ ным для объектов более простой конфигурации. Резкие изменения

22

величины сечения, повороты оси бруса, скругления малого радиуса, отверстия, надрезы, пазы и другие концентраторы вызывают боль­ шое повышение напряжения в пределах небольшой части сечения, непосредственно примыкающей к концентратору.

Влияние этого местного повышения напряжения на прочность детали зависит не только от геометрической формы концентратора, но и от многих других факторов (характера напряженного состояния, коэффициенту асимметрии цикла, свойств материала, абсолютных размеров детали и состояния ее поверхности). В первом приближении влияние главнейших из этих факторов'оценивают с помощью эффек­ тивного коэффициента концентрации Ка для нормальных или Кх

для касательных напряжений.

При расчете деталей из хрупких материалов па редко возникающую максимальную нагрузку (на кратковременную перегрузку) считают,

и по этому напряжению находят предельную нагрузку по пределу прочности. Напротив, при расчете на эти условия деталей из пластич­ ных материалов принимают

так как пластическая деформация в пределах малой области, прилегаю­ щей к концентратору, не вызывает заметной деформации всей детали. Этому напряжению соответствует предельная нагрузка по пределу текучести. При расчете на выносливость для всех материалов прини­ мают

циклов применительно к сечению, содержащему концентратор. При построении этой диаграммы для детали отрезок Оа (см. рис. 1-4) дол­ жен быть взят равным не о_х, а в^/Ка-

Р а с ч е т ы на п р о ч н о с т ь и д о л г о в е ч н о с т ь . Все предельные силы по характеру вызываемых ими предельных состоя­ ний можно разделить на две группы. К первой группе относятся те виды нагрузок, которые выводят машину из строя немедленно, как только предельное значение силы будет достигнуто. В рассмотренном примере с шатуном такими силами были {Р}х и (Р}2. Если при работе нагрузка Р только один раз примет значение {Р^, появится остаточ­ ная деформация, проектные размеры шатуна изменятся и он станет непригодным для дальнейшей работы. Если Р только один раз достиг­ нет величины {Р}2, то шатун сразу согнется. Предельные нагрузки первой группы определяются статической прочностью звена или кине­ матической пары.

23

Ко второй группе относятся предельные нагрузки, подобные {P}s в том же примере. В этом случае не происходит немедленных видимых изменений в материале детали или на поверхности соприкосновения звеньев. Но при каждом повторном появлении предельной нагрузки этого типа накапливаются внутренние изменения, которые после JVtl циклов приводят к уже видимым результатам. Например, в случае переменной нагрузки развивается трещина усталости. К'этой же группе с некоторыми оговорками можно отнести и предельную силу по интенсивности износа трущихся поверхностей и некоторые другие. Нагрузки этого типа определяют срок службы, ресурс звена или кине­ матической пары.

Таким образом, необходима проверка по крайней мере по двум независимым показателям: по статической прочности и по сроку службы. Разумеется, эта проверка должна делаться только по наи­ меньшей из предельных нагрузок каждой из двух отмеченных групп, т. е. в примере с шатуном, если {Р}2 > {Я}ь то запас статической проч­ ности определяется сравнением расчетной нагрузки с {Я}2, а срок службы — сравнением ее с {Я}3.

Д о п у с к а е м а я н а г р у з к а . Однако было бы слишком неопределенным производить сравнение Р с {Р} при помощи неравен­ ства Р <; {Р}, так как если бы разница между сравниваемыми вели­ чинами оказалось слишком большой, то это означало бы, что допущен неоправданный перерасход материала. Поэтому более определенной характеристикой является отношение пр {Р}/Р, называемое запасом прочности, или запасом нагрузочной способности, допущенным в дан­ ном изделии.

Если понимать под отношением пр величину, апробированную практикой для изделий данного типа, то удобно ввести понятие допу­

Тогда сущность оценки прочности и работоспособности деталей и кинематических пар будет состоять в проверке соблюдения неравен­ ства

Л > < [ / Ч - ( Ы О )

Причем чем ближе будет это неравенство к равенству, тем лучше спроектировано изделие.

Если обозначить напряжение, соответствующее предельному со­

В тех случаях, когда существует прямая пропорциональность между нагрузкой и напряжением (о = Р -const), обе формулы (1.10)

24

Г л а в а II

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ И ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ

§ 1. ТЕХНОЛОГИЯ И ФОРМА ДЕТАЛИ

Инженер должен уметь не только создавать проекты, но и строить машины. Выполняя рабочий чертеж, он должен отчетливо представ­ лять себе как характер работы детали в изделии, так и последователь­ ность процесса ее изготовления. Этот процесс обязательно должен быть высокопроизводительным и экономичным. Иными словами, форма детали определяется не только ее назначением, но и условиями произ­

водства, она должна быть приспособлена к технологии ее изготовления, т. е. техно­ логична. Проследим эту связь в самых общих чертах.

Л и т ь е. Производство детали отлив­ кой в песок или в кокиль предъявляет к ее геометрическим формам специфические тре­ бования, связанные с процессом изготовле­ ния литейной формы.

Необходимо, чтобы разъем формы позволял беспрепятственно вынимать мо­ дель, чему должны способствовать и ли­ тейные уклоны, равные для поверхностей, параллельных направлению движения мо-' дели при ее вынимании, не менее чем 1/20. Следует стремиться максимально удешевить и улучшить формовку. Сказанное особенно относится к случаю отливки в металличес­ кие формы — кокили. Для таких отливок должно удовлетворяться еще одно требо­ вание: форма не должна мешать нормаль­ ной усадке при затвердевании отливки.

В случае центробежного литья или литья под давлением процесс заполнения формы улучшается, однако нужно помнить, что всегда литые детали

должны иметь плавные, закругленные очертания для свободного течения жидкого металла при заполнении формы, облегчающие также усадку. В то же время не следует допускать скоплений металла в местных утолщениях, при пересечении стенок и т. д., так как это грозит образованием усадочных раковин и термических тре­ щин, вызванных неодинаковой скоростью затвердевания. Толщина стенок отливки повсюду должна быть приблизительно постоянной; если же требуется где-либо иметь утолщенную часть (фланец или ступицу), то переход к этой части должен делаться постепенно и плавно.

26

Литье чувствительно к концентраторам напряжения, вблизи кото­ рых легко образуются усадочные трещины. Для снятия усадочных напряжений фасонные отливки, особенно стальные, следует отжигать. С помощью литья можно изготовлять пустотелые детали с большими и сложными полостями. При прочих равных условиях стальные литые детали оказываются менее однородными и менее прочными и надеж­ ными, чем кованые. На рис. 2-1 приведен пример литых деталей — корпус редуктора с крышкой.

С в а р к а . Сварные конструкции выполняются обычно электро­ дуговой сваркой (особо тонкостенные главным образом с применением контактной точечной сварки внахлестку) из заготовок, нарезанных из листов или профильного проката, иногда предварительно прошед­ ших гибку или штамповку. Сварные детали могут заменять литые, и наоборот. Важно, чтобы свар­ ные швы были доступны и могли быть проварены в удоб­ ном положении и в целесо­ образной последовательности (потолочные швы очень не­ удобны, вертикальные — не­ желательны) при минимуме ручной сварки, т. е. швы должны быть удобны для авто­

должно быть минимальным, в противном случае по окон­

чании сварки следует применять отжиг. Соединения тавровые и вна­ хлестку допустимы только для малонапряженных мест, работающих при статическом нагружении. Соединения, имеющие вибрационную нагрузку, должны быть только стыковыми и выполняться специаль­ ными толстообмазанными электродами, с зачисткой подрезов. На рис. 2-2 изображен сварной корпус редуктора с крышкой.

нием, ковкой и штамповкой (т. е. подвергшихся пластической деформа­ ции), характерна волокнистая структура, которая приводит к неко­ торой неоднородности физических свойств по направлению пластиче­ ской вытяжки и перпендикулярно к ней. Это не относится к деталям, изготовленным свободной ковкой, имеющим «спутанные» волокна. Прочность кованых деталей выше прочности литых и сварных. В кова­ ных' и штампованных деталях можно сделать только простейшие отверстия, но они не могут иметь большие фасонные пустоты и полости, которые легко выполнить в сварных листовых конструкциях и при фасонном литье с помощью выбиваемых стержней. При конструирова­ нии кованых и штампованных деталей нужно представлять себе необ­ ходимую форму матрицы и пуансона, а также характер пластического

27

течения обрабатываемого металла. Как и модель из литейной формы, поковка должна свободно удаляться из матрицы штампа.

Поскольку течение металла в пластическом состоянии происходит гораздо труднее, чем в жидком, необходимая форма придается поковке

близкому к окончательной форме. Но и самый последний ручей должен иметь уклоны, боль­ шие’, чем литейные. Число ручьев и нагревов не следует делать более трех-пяти, иначе по­ ковка получается дорогой.

Весьма производительна холодная штамповка из тонкого листа, при которой происходит гибка с вытяжкой и выдавливанием необходимого рельефа. Эта операция особенно подходит для производства мелких, слабо нагруженных дета­ лей (например, деталей приборов и аппаратов). На рис. 2-3 приведен пример горячей штампов­ ки, а на рис. 2-4 — холодной штамповки детали.

металлических материалов, спекающихся смесей (графитизирован-

среднее между металлической литейной формой (кокилем) и кузнечным

Деталь 1 Деталь 4

штампом. Подобно последнему пресс-форма имеет неподвижную часть (матрицу) и подвижную (пуансон). Процесс отличается от штамповки длительностью давления, сопровождающегося нагреванием формы. Влияние технологии на конструкцию изготовленных в пресс-форме деталей примерно то же, что и при литье в кокиль. Но только пуансон

28

непрерывно давит на затвердевающую массу. На рис. 2-5 показана полу­ ченная в пресс-форме деталь.

О б р а б о т к а р е з а н и е м . Обычно точность размеров и класс чистоты рабочих поверхностей деталей, изготовленных одним из опи­ санных способов, оказываются недостаточными. Такие полупродукты называют полуфабрикатами или заготовками. Чтобы заготовки стали готовыми деталями, пригодными для сборки, они должны пройти меха­ ническую обработку, т. е. обработку резанием на металлорежущих станках. Некоторые исключения допускаются только для холодно­ штампованных, пресс-формованных и литых в кокиль деталей. Наибо­ лее часто применяют следующие виды механической обработки:

а) точение на токарных или карусельных станках и токарных автоматах, пригодное для обработки цилиндрических, конических, плоских (ограниченных круговым контуром) поверхностей, галтелей и нарезания резьб;

б) фрезерование плоскостей и фа­ сонных поверхностей, а также резьб и зубьев зубчатых колес;

в) сверление, зенкование и развер­ тывание отверстий;

г) строгание плоскостей, долбле­ ние пазов и зубьев;

д) протягивание наружное и вну­ треннее;

е) шлифование плоскостей, цилиндрических поверхностей, а с по­ мощью специальных станков и зубьев. Шлифование пригодно для обработки самых твердых материалов и обеспечивает наивысшую точность формы и минимальную шероховатость поверхности по срав­ нению с перечисленными выше способами обработки, но оно уступает точению и фрезерованию в отношении производительности. Точение и фрезерование применяются обычно до твердости НВ < 350.

Для окончательной доводки. размеров и получения наименьшей шероховатости поверхности применяют различные отделочные опера­ ции: притирку, хонингование, полирование и др.

Механическая обработка предъявляет к геометрической форме детали следующие основные требования. Размеры деталей должны быть такими, чтобы их можно было установить на соответствующий станок. Они должны иметь установочные поверхности (плоские и цилиндрические), с помощью которых их можно укрепить на станке в правильном положении по отношению к инструменту. Нужно иметь возможность свободно подвести инструмент с несущим его устройст­ вом (оправкой, зажимом и пр.) к обрабатываемой поверхности. При этом инструмент должен быть правильно ориентирован относительно поверхности обработки. Врезание инструмента в поверхность должно происходить в нужном положении: например, ось отверстия должна быть перпендикулярна к поверхности, в которой сверлится отверстие.

Контур обрабатываемой поверхности должен иметь такой переход к другим поверхностям, который не мешал бы движению инструмента. Например, поверхность шлифования должна быть ограничена проточ-

29