книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

где А — требования прочностных свойств по ГОСТу, принима­ емые за 100% ;

С — прочностные свойства плоских образцов.

Значения технологического коэффициента запаса прочности для наиболее слабого места в отливках из чугуна и алюмини­ евых сплавов приведены в работе [21].

Требования, предъявляемые к заготовкам технологией про­ изводства. Технология получения и качество заготовок, посту­ пающих для обработки в механических цехах, являются важней­ шими факторами, определяющими общий технолгический уро­ вень производства и продуктивность механической обработки. Применение заготовок, полученных методами точного литья и точной обработки давлением, обеспечивает значительную эко­ номию в использовании металла и снижение себестоимости про­ дукции. Применение методов получения точных заготовок не только сокращает объем механической обработки, но и обеспе­ чивает возможность выполнения ее высокопроизводительными методами.

Внедрение автоматизации при изготовлении деталей и сбо­ рочных единиц машин невозможно без соблюдения постоянства размеров заготовки, стабильности физико-механических свойств ее материала и наличия минимальных припусков на обработку. Неточность размеров и отклонения от заданной геометрической формы у заготовок отрицательно сказываются на работоспособ­ ности зажимных устройств и установочных приспособлений, вы­ зывают нарушение заданных режимов резания, перегрузку и вибрации режущего инструмента и рабочих органов станка, яв­ ляются причиной поломки инструмента и приводят к браку (в результате одностороннего расположения припуска). Окалина в поверхностном слое поковок пли корка у отливок нарушают нормальные условия работы инструмента, снижают произво­

до 0,2 мм на размер 100 мм отпадает необходимость в обдироч­ ных операциях и можно сразу выполнять шлифовальные опера­ ции.

Каждая заготовка, поступающая на автоматизированную об­ работку, должна отвечать следующим обязательным требова­ ниям. Поверхность заготовки должна быть чистой и не иметь трещин, пригаров, спаев, ужимин, плен, наплывов и других ме­ ханических повреждений. Стальные отливки и поковки должны быть предварительно термически обработаны, что обеспечивает нормализацию структуры материала и снятие внутренних на­ пряжений.

Неравномерность твердости на одной заготовке не должна превышать НВ 25. На поверхностях, принимаемых за базовые, не должно быть заусенцев, литников, прибылей, выпоров, ли­ тейных и штамповочных уклонов. В особых случаях целесооб­ разно предусмотреть на заготовке для удобства ее установки при обработке на станках и автоматических линиях технологи­ ческие базы в виде специальных выступов или бобышек.

Способы производства заготовок. Одним из способов про­ изводства заготовок является литье. Характеристика различных способов литья по данным М. А. Калинина приведена в табл. 19. Литье в песчаные формы является универсальным ме­ тодом как в отношении применяемых литейных материалов, так и в отношении веса и габаритных размеров деталей. Нецелесо­ образно отливать в песчаные формы очень мелкие детали слож­ ных конструктивных форм. При литье в песчаные формы самой трудоемкой операцией является изготовление формы. Повыше­ ние производительности труда при формовке достигается меха­ низацией процесса и правильным выбором рода формы (сырая, подсушенная или сухая). Так, набивка 1 м3 формовочной смеси вручную занимает 1,5—2 ч. Применение пневматической трам­ бовки сокращает это время до 1 ч, а пескометом — до 6 мин. Встряхивающие машины ускоряют набивку по сравнению с ручной в 15 раз, а прессовые— в 20 раз. Трудоемкость фор­ мовки на поточной линии на 20% ниже, чем при обычной песко­ метной формовке, и на 60% ниже, чем при ручной.

Процесс изготовления отливок в песчаные формы хотя и механизирован, но еще недостаточно автоматизирован. В ЦНИИТМАШе создана новая прогрессивная технология ли­ тейного производства, заключающаяся в том, что в песчаные смеси вводят химические добавки, под действием которых сме­ си переходят в «жидко-подвижное» состояние. Это позволяет вместо набивки и уплотнения смеси, как делалось по старой технологии, осуществлять заливку жидкой смеси в стержневые ящики или на модели. Такая технология повышает производи­ тельность труда, снижает трудоемкость изготовления стержней и форм в 3—5 раз, исключает ручной труд и позволяет полно­ стью механизировать, а при необходимости автоматизировать изготовление стержней и форм независимо от их размеров, формы и номенклатуры.

Литье в оболочковые формы целесообразно применять глав­ ным образом при получении отечественных фасонных отливок. Для снижения расхода дорогой смолы применяют двухслойные формы, в которых из смеси с большим содержанием смолы из­ готовляют только внутреннюю оболочку с толщиной стенки 1,5—2 мм. Оболочковые химические твердеющие формы (тол­ щина стенки формы 10—20 мм) позволяют использовать деше­ вые материалы: песок, жидкое стекло и углекислоту. Стеклян­ ные оболочковые формы позволяют получить очень точные

отливки с низкой шероховатостью поверхности из латуни, угле­ родистых и нержавеющих сталей, а также из алюминиевых, ко­ бальтовых и хромистых сплавов.

Литье в металлическую форму (кокиль) экономически целесообразно при величине партии не менее 300—500 шт. для мелких отливок и 30—50 шт. для крупных отливок. Количество деталей в партии при серийном производстве может быть сни­ жено путем уменьшения затрат на изготовление формы, унифи­ кацию и нермализацию деталей форм, уменьшение числа стерж­ ней. В случае применения форм с литыми рабочими поверхно­ стями (производится только механическая обработка поверхно­ стей сопряжения), когда допускаются невысокая точность и пониженный класс чистоты поверхности отливки, серийность для мелких отливок может быть снижена до 100—200 шт.

Литье по выплавляемым моделям является экономически целесообразным при получении литых деталей очень сложной формы из любых сплавов. Применение этого способа позволяет во многих случаях заменять сборочные единицы нескольких де­ талей одной цельнолитой деталью. Литье по растворяемым мо­ делям (изготовляемым из легкоплавких и растворимых в воде солей, например, калийной или натриевой селитры) может быть широко использовано в серийном производстве с применением групповой отливки деталей. Модели легко удаляются из формы растворением в воде; модельный состав не является дефицит­ ным.

Литье под давлением применяется в основном для производ­ ства фасонных отливок из цветных сплавов. При использовании форм-блоков со сменными вкладышами способ можно считать целесообразным при производстве 100—500 отливок. Использо­ вание групповых форм-блоков с вкладышами из красной меди обеспечивает рентабельность получения отливок при партии все­ го в 100—200 деталей. При получении небольших партий отли­ вок пресс-формы целесообразно изготовлять из алюминия спо­ собом штамповки жидкого металла по эталону деталей, что в 8— 10 раз сокращает трудоемкость изготовления пресс-формы по сравнению с механической обработкой и последующей ручной доводкой.

Центробежное литье получило распространение при изготов­ лении литых заготовок, имеющих форму тел вращения. Способ применяется также при отливке фасонных заготовок, не являю­ щихся телами вращения. Этот способ становится целесообраз­ ным и при мелкосерийном производстве в случае применения сменных изложниц.

При конструировании отливок (с учетом оптимальной долго­ вечности) надо обратить внимание на некоторые вопросы, отно­ сящиеся к технологичности конструкции литых заготовок. Необходимо установить, какую роль играет отливка в машине, и на основании этого решить, не целесообразнее ли заменить от­

ливку сварной, кованой, штампованной заготовкой или изгото­ вить деталь из прессованного порошка; соединить несколько де­ талей (не обязательно литых) в одну отливку, это имеет боль­ шое значение при массовом и крупносерийном производстве.

Устанавливая форму и размеры отливки, необходимо ста­ раться получить компактную заготовку без значительных вы­ ступающих частей, которые могут задерживать усадку во время остывания. Следует избегать соединения в одну отливку круп­ ных деталей простой формы с массивными стенками и мелких деталей повышенной точности.

Соединение в одну отливку мелких деталей повышенной точ­ ности может быть прогрессивно, если изготовление комбиниро­ ванных отливок производить способами литья под давлением и но выплавляемым моделям.

При конструировании крупных отливок необходимо также принимать во внимание технологические возможности цехов: литейных (производительность и размер плавильных печей, су­ шил и т. д.), механических (размеры металлообрабатывающих станков), а также условия монтажа и транспортирования (гру­ зоподъемность кранов, размеры железнодорожных вагонов и т. д.). При конструировании стальных отливок следует учиты­ вать возможность изготовления деталей комбинированным спо­ собом, путем сварки в одно целое нескольких отливок и частей из труб, листового или фасонного проката.

Другим способом производства заготовок является ковка и штамповка. Поковки могут быть получены ковкой в подкладных штампах, штамповкой в закрепленных штампах и специальны­ ми методами. Значительная экономия металла при изготовле­ нии некоторых деталей достигается при применении совмещен­ ной штамповки и использовании отходов. Если от детали не тре­ буется мелкозернистая структура, а механические свойства удовлетворяют требованиям независимо от температуры окон­ чания штамповки, то заканчивать штамповку следует при по­ вышенной температуре. Для деталей, например, из углеродис­ той стали эти требования позволяют повысить производитель­ ность труда на 10—15%, сократить машинное время на 25— 30%, повысить стойкость штампов и облегчить заполнение ручья.

Точность деталей, выполняемых объемной холодной штам­ повкой, может быть получена в пределах 2—5-го класса, а шеро­ ховатость поверхности— до 8-го класса. Точность листовой штамповки в совмещенном штампе от ±0,02 до ±0,08 мм, в по­

Ковка на ротационно-ковочной машине сводится к периоди­ ческому обжатию и вытягиванию по уступам предварительно

нагретой или холодной прутковой или трубной заготовки при помощи последовательных и быстрых ударов несколькими (двумя — четырьмя) бойками. Ковка применяется как для го­ рячей, так и для холодной обработки. При холодной обработке точность колеблется от ±0,02 до ±0,2 мм и шероховатость по­ верхности соответствует 8—10-му классам; при горячей обра­ ботке точность от ±0,05 до ±0,3 мм и шероховатость поверх­ ности в пределах 1—2-го классов.

Процесс горячей штамповки сводится к нагреву заготовки для придания металлу необходимой пластичности и последую­ щему деформированию его. В результате нагрева резко снижа­ ются прочностные характеристики и возрастают характеристики пластичности металла, подлежащего деформированию. Процесс горячей штамповки осложняется тем, что деформируемая заго­ товка, соприкасаясь с массой холодного металла штампа, осты­ вает, теряет пластичность. Поэтому процесс пластического деформирования должен осуществляться в возможно более ко­ роткий промежуток времени. Для этого принимается ряд техно­ логических и конструктивных мер. Стенки штамповок должны иметь по возможности большую толщину, сопряжения сте­ нок должны быть плавными, следует избегать резких из­ менений направлений течения металла при заполнении ручьев штампа.

Форма детали, предназначенной для штамповки, должна до­ пускать возможность разделения ее по максимальному сечению на две, желательно равные части. Это сечение при проектирова­ нии штампа обычно принимают за плоскость разъема. Соблюде­ ние этого технологического требования при проектировании де­ тали упрощает конструкцию штампов. Формы всех этих элемен­ тов проектируемой детали должны быть увязаны с наиболее выгодной линией разъема. Таким образом, для получения тех­ нологичной штампуемой детали надо обеспечить, чтобы ее конструкция способствовала облегчению течения металла по ручьям штампа. В этом случае не будет возникать больших пре­ пятствий к его перемещению в пластичном состоянии и резких нарушений теплового равновесия.

Как показывают эксперименты, когда металл в процессе де­ формирования заполняет углубления, образуются естественные радиусы. Эти естественные радиусы для стальных заготовок на­ ходятся в пределах г = 8 -г- 10 мм. При заполнении металла в штампе с радиусами г ^ 8 -г 10 мм необходимое давление не зависит от этого радиуса, но резко возрастает с его умень­ шением.

Из теории пластического деформирования известно, что дав­ ление при осадке зависит от соотношения диаметра поперечного

Анализ физико-технических процессов, сопровождающих пластическое деформирование металлов при горячей штампов­ ке, позволяет сформулировать основные требования, которые должны быть учтены при конструировании штампуемых дета­ лей для повышения их технологичности. Для сокращения меха­ нической обработки максимально возможное количество по­ верхностей штампованных деталей должно предусматриваться (при их конструировании) без последующей механической об­ работки. Допуски на изготовление штамповок из черных метал­ лов на различных видах кузнечно-прессового оборудования ус­ танавливаются ГОСТом 7505—55. Припуски и допуски на поков­ ки общего назначения, изготовляемые свободной ковкой на моло­ тах, из углеродистой и легированной стали при единичном и мелкосерийном производстве регламентированы ГОСТом 7829—70, а на поковки весом до 35 т, изготовляемые свободной

няя точность и шероховатость поверхности, требующие механи­ ческой обработки, которая значительно усложняет и удорожает изготовление машины.

В конструкциях штамповок следует избегать резких перехо­ дов по поперечным сечениям. Желательно, чтобы плоскости по­ перечных сечений по длине штамповки изменялись не более чем в отношении 1 :3. При большем перепаде надо обязательно пре­ дусматривать плавные переходы. Несоблюдение этого требова­ ния затрудняет течение металла по ручьям штампа или требует введения припусков под последующую механическую обработ­ ку. Это не только усложняет изготовление детали, но и приво­ дит к перерезанию волокон при механической обработке, что сни­ жает долговечность детали. На внутренних и внешних углах и кромках штамповки следует предусматривать достаточные ра­ диусы или галтели. В конструкциях штамповок нежелательно иметь тонкие полки, особенно расположенные в плоскости, па­ раллельной плоскости разъема. При штамповке таких деталей требуется очень большая деформирующая сила либо большое число ударов молота, что приводит к быстрому износу штампов и удлинению процесса штамповки. Желательно, чтобы конст­ рукция детали предусматривала плоскость разъема, проходя­ щую по плоской, а не ломаной или криволинейной поверхности. В плоскости разъема должны лежать два наибольших габарит­ ных размера штампуемой детали. Технические требования на поковки общего назначения диаметром (толщиной) до 800 мм из конструкционной углеродистой, низколегированной и легиро­ ванной стали, получаемые свободной ковкой и горячей штам­ повкой, регламентированы ГОСТом 8479—70. Заготовки можно получать непосредственно из проката или стальных профилей. Сортовой прокат — круглый, квадратный, шестигранный, пря­ моугольный, листовой и трубный — целесообразно применять

для изготовления гладких и ступенчатых валов с небольшой разницей диаметров крепежных изделий, деталей типа рыча­ гов, тяг, втулок и т. и.; профильный прокат целесообразно при­ менять для изготовления балок, кронштейнов, полок и т. д. Фа­ сонный прокат позволяет сократить объем обработки резанием на 30—40%, сэкономить металл и снизить трудоемкость изготов­ ления деталей на 20—30%. Периодический продольный и попе­ речно-винтовой прокат целесообразно применять для изготовле­ ния заготовок в виде многоступенчатых валов, полых профили­ рованных трубчатых заготовок, шаров.

Изготовление профиля зубьев зубчатых колес методами хо­ лодного и горячего накатывания по сравнению с изготовлением резанием позволяет повысить предел выносливости зуба путем ориентации волокон материала до 20 % ; сэкономить до 20% ме­ талла и снизить затраты на изготовление зубчатых колес на 20—25%- Для повышения надежности необходимо использовать также прогрессивный метод точной объемной горячей штампов­ ки зубчатых колес с одновременным формообразованием зубь­ ев на обычном кузнечно-прессовом оборудовании. Это позволя­ ет снизить общие затраты на изготовление конических зубчатых колес на 10—12%, а цилиндрических на 30—32%■

Изменение основных свойств металлов при формообразова­ нии заготовок давлением. На основании исследований установ­ лено, что с увеличением степени обжатия прочность и твердость увеличиваются, а пластичность и ударная вязкость уменьша­ ются.

На рис. 112 показано увеличение предела прочности ав трех углеродистых сталей с различным содержанием углерода в за­ висимости от степени обжатия. Из графика видно, что при сте­ пени обжатия 80—90% предел прочности достигает максимума. При обжатии тонкой стальной проволоки на 90—95% можно увеличить предел прочности до 250—400 кгс/см2.

Пластическое деформирование влияет не только на статиче­ ские, но и на усталостные свойства металла. Как показали иссле­ дования Н. И. Черняка, растяжение при малом относительном удлинении снижает предел выносливости (рис. 113). Для стали 45 это снижение происходит в интервале относительного удлине­

приводит к росту предела выносливости указанных сталей при­ мерно до уровня, соответствующего недеформированному состо­ янию стали.

Известно, что реальные металлы являются структурно неод­ нородными, а пластическая деформация увеличивает неодно­ родность. Это вызывает повышение свободной энергии металла и приводит к его неустойчивому состоянию. Под влиянием этого в металле возникают такие процессы, которые стремятся перевести его в состояние с наименьшим запасом энергии.

К этим процессам относятся диффузионный процесс, характери­ зующийся выравниванием химического состава, снятие упругих искажений в кристаллической решетке, называемое возвратом, рекристаллизация и др. Вследствие этих процессов металл стано­ вится более однородным как в структурном отношении, так п по

химическому составу. В некоторых металлах (в таких как оло­ во, свинец и т. д.) эти процессы происходят при нормальной температуре. В таких металлах, как железо и сталь, они проис­ ходят только при нагреве, причем процесс возврата протекает при сравнительно невысоких температурах. Наиболее устойчивой является структура рекристаллизованного металла.

Абсолютная минимальная температура рекристаллизации для всех металлов определяется по известной формуле А А. Бочвара Гр = 0,4 Гпл (Гпл — абсолютная температура плавления). Температура начала рекристаллизации деформированного ме­ талла непостоянна и зависит от степени предварительной де­ формации. Металл с малой степенью деформации рекристаллизуется при более высоких температурах, чем металл с большой степенью деформации (рис. 114).

При минимальной температуре рекристаллизации, которая называется порогом рекристаллизации, происходит наиболее резкое изменение механических свойств деформированного ме­ талла. При этом прочность резко снижается, а пластичность уве­ личивается (рис. 115). Изменение механических характеристик зависит не только от температуры нагрева, но и от продолжи­ тельности выдержки. Наиболее существенные изменения меха­ нических свойств металла происходят в начальный период рекристаллизационного отжига. Дальнейшее увеличение времени

выдержки не оказывает влияния на изменение механических ха­ рактеристик.

Характерно также, что в результате рекристаллизационного отжига металла с относительно малой степенью деформации величина зерна получается больше, чем у металла с большей степенью деформации (рис. 116). Степень деформации, дающая в результате рекристаллизации наибольший размер зерна, назы­ вается критической степенью деформаций. Крупнозернистая

Рис. 114, Изменение температуры начала рекристаллизации Гр в за­

висимости от степени предвари­ тельной деформации Ô

структура обладает неравномерными и низкими механическими свойствами, поэтому в производстве надо избегать формообра­ зования штамповок при критической степени деформации.

Подробные исследования влияния критической степени де­ формации на механические свойства и величину зерна пласти­ чески деформированной стали рекристаллизационного отжига

10—20%• Нагрев деформированного металла не только сказы­ вается на изменении статических характеристик металла, но и за­ метно влияет на изменение предела выносливости. Это имеет большое значение применительно к тем деталям, которые в про­ цессе изготовления или в условиях эксплуатации подвергаются кратковременному воздействию повышенной температуры.

Влияние рекристаллизационного отжига на предел выносли­ вости упрочненной обкаткой детали из стали 25 изучалось д-ром техн. наук проф. И. В. Кудрявцевым. Обкаткой роликами на об­ разцах создавался поверхностный наклеп на глубину более 1 мм. Испытание на выносливость производилось при изгибе с вращением. Результаты этих испытаний показали, что с ростом температуры рекристаллизационного отжига до 300° С происхо­ дит повышение предела выносливости. Отжиг при температуре 600° С снижает предел выносливости на 20% по отношению к пределу выносливости стали, отожженной при температуре 300° С. Приведенные данные о влиянии пластической деформа-