8. Выбор конструкционных материалов

Материалом валов и осей в конструкциях РЭС часто выступают углеродистые и легированные стали, обладающие высокой прочностью. В малонагруженных механизмах валы, неподвергающиеся термообработке, изготавливают обычно из углеродистых сталей 20 (твердость НВ = 145 МПа, предел прочности _в =400Мпа) и сталей 45 (твердость НВ = 229 МПа, предел прочности _в =598Мпа). Для полимерных зубчатых колес материалом валов или осей могут служить не только стали, но и различные марки латуней и алюминиевые сплавы. Валы, подвергающиеся воздействию больших нагрузок, термообрабатывают , поэтому материалом их являются легированные стали 20Х (твердость НВ = 200 МПа, предел прочности _в =784Мпа) и 40Х (твердость НВ = 290 МПа, предел прочности _в =981 МПа). При использовании углеродистых сталей 20 (ГОСТ 1050-74) и сталей 45 (ГОСТ 1050-74), легированных сталей 40X (ГОСТ 1051-73), 40XH, 30XГСА, 30XH3A (ГОСТ 4543-71), 12XH3A часто выполняются требования по обеспечению защиты от воздействия вибраций и ударов. Конструкционная легированная сталь ( ГОСТ 4543-71) содержит примеси легирующих элементов, каждый из которых имеет условное буквенное обозначение: Х – хром, М – молибден, С- кремний, Н – никель, Г – марганец и т.д. Применение легированных конструкционных сталей эффективно при использовании различных методов термической и термохимической обработки. Из инструментальных сталей Y81A (ГОСТ 1435-74) и Y10A выполняют небольшие валы и оси, обладающие очень повышенной вибропрочностью. Из сталей 08кп (твердость НВ = 131 МПа, предел прочности _в =324МПа) и сталей 10 (.твердость НВ = 143 МПа, предел прочности _в =334 МПа) изготавливают корпусные детали, обладающие высокой пластичностью, штампуемые и свариваемые детали, а также различные детали, изготавливаемые гибкой. Из сталей 08, 08кп и сталей 10, подлежащих цементации поверхности (насыщение поверхностного слоя стали углеродом для увеличения в процессе последующей закалки поверхностной твердости) изготавливают валики, зубчатые колеса, корпуса, шайбы, болты, винты и втулки.

Наиболее распространенными материалами для деталей корпуса являются литые сплавы марок АЛ2, АЛ4, АЛ7, АЛ9 (ГОСТ 2585-75), сплавы Д16 (ГОСТ 4784-74) и магниевые сплавы марок МЛ3, МЛ5. К сплавам алюминия с медью, называемые дуралюминами, относятся Д1 (предел прочности _в =380 МПа), Д16 (предел прочности _в =380 МПа) и В95 (предел прочности _в =380 МПа). Эти сплавы обычно упрочняют термической обработкой и используют для изготовления корпусов блоков, стоек и несущих конструкций РЭС. Литейные сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами, к которым относятся АЛ2, АЛ4, АЛ9 (предел прочности _в = 300МПа) используются для изготовления литых деталей механизмов РЭС и обладают повышенной коррозионной стойкостью, необходимыми литейными свойствами. Термообработка таких деталей состоит в закалке с последующим искусственным старением. Из таких сплавов делают корпуса механизмов, стоек, литых лицевых панелей, плоских и объемных конструкций. Из таких материалов могут изготавливаться верхнее и нижнее основания корпуса для крепления осей и валов.

Назначение корпусов защита от механических, климатических и радиационных воздействий и непосредственное крепление передач. Основные ГОСТы материалов даны в /4/ .

В качестве материалов зубчатых колес используются также марки сталей 30(.твердость НВ = 179 МПа, предел прочности _в =490 МПа), 35(.твердость НВ = 207 МПа, предел прочности _в =530 МПа), 40 (.твердость НВ = 217 МПа, предел прочности _в =569 МПа) 45, 20X, 40XA, 40XH. (.твердость НВ = 300 МПа, предел прочности _в =981 МПа) Из сталей марок 20, 35 ( ГОСТ 1050-74 ), 45 изготавливают зубчатые и фрикционные колеса, используя термообработку в виде нормализации и улучшения. Для сталей 40X ,40XH ,35XM используют закалку токами высокой частоты по контуру зубьев. Эти марки сталей имеют повышенные механические характеристики. Детали, изготавливаемые из сталей 30,35 ковкой, штамповкой и резаньем с достаточной вязкостью без упрочнения термообработкой идут для производства осей, валов, шестярен, винтов, болтов, гаек и втулок. Детали, испытывающие ударные нагрузки, изготавливают из низкоуглеродистых сталей марок 15(.твердость НВ = 149 МПа, предел прочности _в =373 МПа) , 20(.твердость НВ = 163 МПа, предел прочности _в =412 МПа), 15X. Их поверхностное упрочнение достигается закалкой или цементацией. Для повышения стойкости зубьев против износа в механизмах РЭС рекомендуется применять разные материалы для колеса и шестерни (табл.8.1). Так как шестерня делает больше оборотов, то ее зубья должны быть тверже.

Медь марок М1 и М3 используется для изготовления деталей в виде заклепок, экранов, шин, рам ячеек, но в конструкциях механизмов РЭС применяют чаще сплавы меди: латунь и бронзу. Латунь представляет сплав, в котором основными компонентами являются медь и цинк. Латунь обладает достаточно высокими механическими, технологическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью.

Таблица 8.1

Материалы, рекомендуемые для пары зубчатых колес

Вид пере-дачи	Окруж-ная скоро-сть v, м/с	Сте-пень точ-нос-ти	Шероховатость, мкм	Шестерня,вид материала	Колесо, вид мате-риала
Прямо-зубая	До 6	7,8	Ra=0,63…2,5	Сталь 55 Сталь 45	Сталь 45 Сталь35
Прямо-зубая Кони-ческая	До 3	8	Ra=1,25…2,5	Сталь 45 Сталь 35 Сталь 15	Сталь 35 Сталь 20 Дюралю-миний Д16Т
Прямо-зубая Кони-ческая	До 1	8 9	Rz=10…..20	Сталь 15 Сталь15 Сталь35	Д16Т Латунь – ЛС59-1 Латунь ЛС59-1

Детали, изготавливаемые из литейных латуней Л59-1, ЛК80-3-3, ЛМцС58-2-2 (ГОСТ 15527-70), используются для изготовления зубчатых колес с ослабленными требованиями по прочности и для составления сборочных колес. Червячные колеса чаще изготавливают из бронз. Бронзой называют сплав меди с различными элементами, кроме цинка и некоторых сплавов с марганцем и никелем. Бронза, кроме меди как основного компонента может содержать олово, свинец, алюминий, беррилий, железо, кремний и т.д. Бронзу обозначают Бр., а ее компоненты буквами: А-алюминий, Б –беррилий, Ж- железо, К- кремний, Мц- марганец, О – олово и т.д.

В червячных передачах колеса делают из оловянных бронз типа Бр0Ф 10-1 (предел прочности _в =300МПа при литье в кокиль и _в =200МПа при литье в землю), Бр0НФ 10-1 (предел прочности _в =300МПа при центробежном литье), Бр0ЦСН-7-5-1 (ГОСТ 613-79), но чаще безоловянистых типа БрАЖ9-4 (ГОСТ 18175-78). Детали из бронзы БрАЖ9-4 (предел прочности _в =500МПа при литье в кокиль и _в =400МПа при литье в землю) представляют часто раздельные колеса, входящие в сборочную единицу червячного колеса. Бериллиевая отожженная бронза Бр.Б2 (предел прочности _в =500МПа ) обладает высокими механическими свойствами, антифрикционными и упругими свойствами идет на изготовление пружин для этих сборочных колес и контактов.

Червяки, винты делаются из сталей марок 40, 45, Y10А, 40X, 30XCA, а гайки с целью уменьшения потерь из бронз БрАЖ9-4, Бр0Ц06-6-3 (ГОСТ 613-79). В конструкциях РЭС используются сплавы титана с алюминием, оловом, марганцем, медью. Эти сплавы ВТ4, ВТ5, ВТ10 обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью и имеют преимущества перед сталью и сплавами алюминия. Сплав ВТ5 (предел прочности _в =800-950 МПа) прокатывается , штампуется и куется в горячем состоянии, удовлетворительно обрабатывается резанием. Этот сплав используют в качестве литейного материала, с заливкой в форму в среде инертных газов или вакууме, для изготовления корпусных высокопрочных деталей, несущих большие механические нагрузки при воздействии вибраций и ударов. При использовании сплава ВТ4 (предел прочности _в =800-900 МПа) для деталей простой формы допускается штамповка в холодном состоянии и по свойствам этот сплав близок к ВТ5. Сплав ВТ10 (предел прочности _в =1100-1170МПа) обладает высоким сопротивлением ползучести и высокой термической стойкостью.

К неметаллическим материалам, используемых в конструкциях механизмов относятся пластмассы и резина.

Пластмассы обладают хорошими диэлектрическими свойствами, а их механические характеристики зависят от марки материала. Пластмассы подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термореактивные пластмассы при повторном нагревании не переходят в пластичное состояние, так как в процессе изготовления входящие в нее состав смолы полимеризуются и превращаются в вещество с новыми свойствами.

К термореактивным пластмассам относятся фторопласт-4 (ГОСТ 10007-72), текстолит (ГОСТ 5-78), гетинакс (ГОСТ 2718-74), стеклотекстолит (ГОСТ 10292-74) и композиционные, в состав которых входят наполнитель в виде стекловолокна, хлопчатобумажных волокон.

Термопластичные пластмассы при нагревании размягчаются, и получаемый в результате этого материал можно использовать дпя вторичной переработки. К термопластичым относят полиэтилен ПЭВД (ГОСТ 16337-70), винипласт (ГОСТ 9639-71), полистирол ПС (ГОСТ 20282-74), полиметилакрилат (ТУ 6-05- 1344-71), фторопласт-3 (ГОСТ 13744-76), полиамиды ПА610 (ГОСТ 10589-73).

Полиамиды используютя для изготовления втулок, зубчатых колес, каркасов, корпусов и других деталей , изготовленных методом литья.

Полиэтилен и полистирол применяются для изготовления корпусных деталей, а из полиметилакрилата делают различные шкалы для РЭС.

Для изготовления зубчатых колес применяются также сополимеры формальдегида СФД (ТУ 6-05-1543-79).

Основные механические характеристики материалов приведены в табл.8.2

Таблица 8.2

Механические характеристики пластмасс

Вид пластмассы	Предел прочности, МПа при растяжении	Предел прочности, МПа при изгибе	Модуль упругости, Е *103МПа
Полиэтилен	10-15	7,5	0,2
Полипропилен	25-40	40-80	1,0
Винипласт	55	100	1,2
Полиметилакрилат	42- 70	91-110	2-3,5
Полистирол	35-40	40-90	2,7-3,1
Полиамиды	45-75	85-120	1,5-1,6
СФД	65	100-125	1,0-2,0
Фторопласт-3	30-37	50-80	1,0-2,0
Фторопласт-4	21-25	14	0,5-0,8
Текстолит	68-100	120-160	4-6,5
Гетинакс	70-100	105-125	12-21
Стеклотекстолит	165-300	-	21

Контрольные вопросы

1. В чем различие термореактивных и термо-

пластичных пластмасс и какими пределами прочности они характеризуются

2. Какими преимуществами обладают титановые

сплавы?

3. Какие материалы рекомендуется использовать

для зубчатой пары: шестерня и колесо?

4. Что используется для повышения стойкости

зуьев при применении стальных материалов?

5. Какие пределы прочности имеют дуралюмины и

силумины?