1. Служебное назначение детали

Деталь «Шпиндель» - ответственная нагружаемая деталь, относящийся к деталям класса вал. В сборочном узле, она воспринимает и передаёт движение смежным деталям, что требует от шпинделя высокой прочности и твёрдости.

Деталь в работе испытывает однонаправленные циклические нагрузке, поэтому наиболее вероятными видами разрушения могут стать истирание внутренних поверхностей глухого отверстия и боковых поверхностей или же при превышении нагрузок возможен скол фрагмента шпинделя.

Шпиндель передаёт вращательное движение. Одним из способов избежать поломок является верный выбор материала заготовки и изменения состояния структуры путём термических и химико-термических обработок, которые придадут материалу особенные и необходимые свойства.

Остановим свой выбор на низкоуглеродистой стали 30Г, которая применяется для нагруженных деталей, но предъявляются требования невысокой прочности, и её химический состав указан в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Химический состав стали 30Г (ГОСТ 4543-71)

Массовая доля элементов, %
С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	N	Cu
0,17-0,24	0,17-0,37	0,70-1,00	≤ 0,035	≤ 0,035	≤ 0,30	≤ 0,30	-	≤ 0,008	≤ 0,30

В состоянии поставки материал имеет следующие механические свойства, представленные в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Механические свойства стали 30Г

НД	Режим термообработки			Сечение, мм	Ϭв, н/мм2	Ϭ, %	Ψ, %	KCU, Дж/см2	HB
	Операция	t, °C	Охлаждающая среда
ГОСТ 4543-71	Закалка Отпуск	845-875 550-650	Вода и воздух Воздух	До 80	540	20	45	78

Твёрдость стали 30Г в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Твёрдость стали 30Г и режимы нагрева под термическую обработку

Предел выносливость, Н/мм2		Термообработка	Ударная вязкость, KCU, Дж/см2, при t, °C							Термообработка
Ϭ-1	τ-1		+20	0	-20	-40	-70	-80
360	220	Закалка с 840°С в воде, отпуск при 500-550°С	100	-	35	-	16		Нормализация с 870°С, воздух
			Химический состав: С-0,35%, Si-0,26%, Mn-0,77%, S-0,020%, P-0,023%

Легирующие элементы, присутствующие в стали оказывают различное влияние на карбидную фазу и фазовые превращения.

Марганец (M_n) – положительно действует на зерновую структуру сплава, а также способствует более хорошей прокаливаемости. Увеличивает износостойкость и прочность.

Углерод (С) – повышает прочность стали.

Кремний (S_i) – увеличивает прочность и износоустойчивость стали. Как и марганец делает сталь более стабильной и надёжной.

Молибден (M_o) – формирует карбиды, предотвращающие возникновение ломкости стали, позволяет сохранять прочность при высоких температурах. Также увеличивает устойчивость к коррозии, прочность, твёрдость, прокаливаемость, ударную вязкость и способствует лучшей обрабатываемости.

Хром (C_r) – придаёт сплаву повышенные антикоррозийные свойства, карбиды хрома увеличивают износостойкость и прокаливаемость. Чрезмерное содержание хрома в сплаве повышает его хрупкость.

Никель (N_i) – повышает прочность, ударную вязкость и коррозийную стойкость.

Сера (S) - является крайне вредной примесью в стали и оказывает резко отрицательное влияние на её свариваемость, вызывая обра­зование горячих трещин. Содержание в стали не должно превышать 0,04—0,05%. Увеличение хрупкости стали при повышенном содержании серы используется иногда для улучшения обрабатываемости на станках, благодаря чему повышается производительность при обработке.

Фосфор (Р) - является вредной примесью. Он образует с железом соединение Fe₃P, которое растворяется в железе. Кристаллы этого химического соединения очень хрупки. Обычно они располагаются по границам зёрен стали, резко ослабляя связь между ними, вследствие чего сталь приобретает очень высокую хрупкость в холодном состоянии (хладноломкость). Особенно сказывается отрицательное влияние фосфора при высоком содержании углерода. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Медь (C_u) - увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.

Азот (N) - позволяет повысить предел текучести и ударную вязкость металла.

Для получения высокой твёрдости и износостойкости поверхностного слоя металла, деталь подвергают термической обработки. Закалки при температуре 845-875^°С в охлаждающей среде вода или воздух, а отпуск при 500-550^°С на воздухе. В таблице 1.4 указаны технологические свойства стали 30Г.

Таблица1.4

Технологические свойства стали 30Г

Ковка			Охлаждение поковок, изготовленных
Вид полуфабрикатов	Температурный интервал ковки, °С	из заготовок
		Размер сечения, мм		Условия охлаждения
Заготовка	1250-800	до 400		на воздухе

После термической обработки структура поверхностного слоя представляет собой мартенсит с твёрдостью: .

В таблице1.5 указаны физические свойства стали 30Г.

Таблица1.5

Физические свойства стали 30Г

Т(Град)	Е 10-5(МПа)	106 (1/Град)	(Вт/м·град)	р(кг/м3)	С(Дж/(кг/·град)
20	2.04			7810
100		12.6	76		470
200		13.9	65		483
300		14.6	53		546
400		15	44		601
500		15.5	38		764
600		15.6
700		14.8

Где, Т-температура; Е-модуль упругости нормальный; а-коэффициент температурного расширения; ʎ-коэффициент теплопроводности; р-плотность стали 30Г; удельная теплоёмкость материала.

Для детали «Шпиндель» возьмём кругдлиной 130 мм, и высчитаем вес заготовки и детали, но в первую очередь нужно узнать объём.

(1.1)

где, V – объём материала;

–число пи;

–радиус круга, R_к – радиус кругляка, R_д – радиус детали;

–высота цилиндра, H_к – высота кругляка, H_д – высота детали.

V_к = 3.1462²130 = 156912 мм³;

V_д = 3.14 60² 120 = 135648 мм³.

Теперь можно определить массу шпинделя по формуле:

m = V p (1.2)

где, m – масса шпинделя, m_к – кругляка; m_д –детали;

V_{к, д} – объём кругляка и детали;

p – плотность стали 30Г.

m_к = V_к p = 156912 7810 = 1,3 кг;

m_д = V_д p = 135648 7810 = 1,0 кг.

Сталь 30Г по всем её характеристикам подходит для изготовления детали «Шпиндель», но только с термической обработкой.