1.1.6 Порядок проектирования

1. Составляется расчетная схема. Упрощается форма детали, распределенные нагрузки по возможности заменяются сосредоточенными или распределенными по более простому закону. Часто вместо всей детали рассматриваются только заведомо слабые участки.

2. Определяются силы, действующие на конструкцию в процессе работы.

3. Выбирается материал, и, учитывая все факторы, влияющие на прочность конструкции, определяются допускаемые напряжения.

4. Определяются размеры детали по условиям прочности (жесткости, износоустойчивости и т.п. – если необходимо).

5. Выполняется чертеж с указанием всех размеров, классов точности, шероховатости и прочих сведений, необходимых для изготовления.

Очень часто проектирование ведут по другому методу: на основании опыта проектирования и рекомендаций, предварительно задают размеры и форму деталей, исходя из их назначения, характера соединения с другими деталями и общей компоновки сборки, а затем производят проверочный расчет, при котором определяют фактические напряжения и действительные коэффициенты запаса прочности.

1.2 Краткие сведения о машиностроительных материалах

Детали машин изготавливают из металлических и неметаллических материалов. Выбор материала зависит от назначения детали и способа ее изготовления. При этом учитывают требования прочности и жесткости детали при минимальном весе, а также требования технологичности.

Наиболее распространенными материалами в машиностроении являются стали различных марок, чугуны, бронзы, а также неметаллические материалы: пластмассы, резина, дерево.

Стали. Сталь – сплав железа с углеродом, содержание которого доходит в инструментальных сталях до 1,7%, в конструкционных – до 0,8%, а также с другими естественными или специально вводимыми легирующими элементами: марганцем, кремнием, хромом и др.

Свойства углеродистой стали зависят, в первую очередь, от содержания в ней углерода. Чем больше углерода, тем прочнее, тверже и менее пластична сталь. Механические свойства (особенно усталостная прочность) повышаются при объемной или поверхностной термической или химико-термической обработке.

Стали делятся:

• по применению – на конструкционные и инструментальные;

• по химическому составу – на углеродистые и легированные (содержащие легирующие элементы);

• по качеству – на углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380), углеродистые качественные конструкционные (ГОСТ 1050), легированные конструкционные (ГОСТ 4543) и низколегированные конструкционные (ГОСТ 5058).

Стали углеродистые обыкновенного качества в основном используются для изготовления сортового и листового проката. Стали углеродистые конструкционные качественные используются для изготовления мало- и средненагруженных деталей. Малоуглеродистые сорта (< 0,3%) отличаются хорошей пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются и куются, однако не подвергаются закалке. Увеличение содержание углерода ухудшает обрабатываемость, но увеличивает механическую прочность.

Легированные стали применяют в случаях, когда от изделия требуется высокая прочность или такие специальные свойства, как теплостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость, износостойкость и пр. Эффективность этих сталей повышается после термической обработки.

Хромистые стали (15ХА, 38ХА, ШХ15) обладают повышенностью прочностью и износостойкостью. При содержании хрома более 12%, стали обладают коррозионной стойкостью.

Хромоникелевые стали (12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН3А) сочетают высокую прочность и износостойкость с повышенной вязкостью, хорошо подвергаются закалке. Стали с молибденом или вольфрамом (18Х2Н4ВА, 40ХНМА, 25ХНВА) обладают высокими механическими свойствами, их применяют для ответственных деталей, например, валов редукторов, турбин, компрессоров, шестерен, ответственных болтов и шпилек.

Хромомарганцево-кремнистые низколегированные стали марок 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХГСА обладают повышенной прочностью и умеренной вязкостью. Они используются в сварных конструкциях и при обработке резанием. Стали с содержанием углерода более 0,25%, хорошо подвергаются отпуску и закалке. Для азотируемых деталей применяются хромоалюминиевые стали (38Х2ЮА) и стали с добавками молибдена (38Х2МЮА) и ванадия (40ХФА).

Хромоникелевые коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали имеют высокую коррозионную стойкость (20Х13, 40Х13). Жаростойкие стали (10Х17Н13М2Т, 12Х18Н9Т) обладают стойкость против химического разрушения поверхности.

Чугуны. Для получения литых заготовок применяют чугуны. Чугуны делятся по химическому составу, структуре и технологии получения на:

• серые чугуны – содержат до 3,6% углерода, главным образом в виде свободного пластинчатого графита, и отличается хорошей обрабатываемостью;

• белые чугуны – содержат до 4% углерода в связанном состоянии (в виде химического соединения железа с углеродом), отличается высокой твердостью и плохой обрабатываемостью на станках;

• ковкие чугуны – получают из белых чугунов длительной выдержкой при высокой температуре (томлением), характеризуется высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью и более высокой по сравнению с другими видами чугуна пластичностью.

Основное применение имеют серый и ковкий чугун.

Сплавы цветных металлов хорошо обрабатываются, при литье хорошо заполняют форму.

Сплавы на медной основе отличаются высокой электропроводностью и теплопроводностью, диамагнитными свойствами, хорошим сопротивлением коррозии, пластичностью. К сплавам на медной основе относятся:

• бронзы – сплав меди с оловом и другими элементами (свинец, алюминий и др.), обладают высокими антифрикционными качествами и применяются для изготовления деталей, работающих на истирание (венцы червячных колес, вкладыши подшипников скольжения, направляющие скольжения);

• латуни – сплав меди с цинком – немагнитны, обладают высокими механическими и технологическими свойствами, применяются для изготовления арматуры, втулок, пружин и др.

Алюминиевые сплавы отличаются малым объемным весом, высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются резанием и давлением, паяются. Ряд сплавов обладает хорошими литейными свойствами. Для некоторых марок алюминиевых сплавов удельные показатели прочности выше, чем у сталей. По технологическим свойствам различают сплавы алюминия литейные и деформируемые, а по основным компонентам – силумины – сплав алюминия с кремнием (до 14%) и дюралюмины – сплав алюминия с медью (до 5,5%) и марганцем.

Магниевые и алюминиево-магниевые сплавы – сплавы магния и алюминия с медью, никелем, кремнием, цинком и др. – отличаются малой плотностью и высокой удельной прочностью, хорошими литейными свойствами.

Баббиты – сплав олова (до 83%), свинца, сурьмы и меди, используется в подшипниках скольжения в качестве антифрикционного материала;

Пластмассы имеют малый объемный вес, обладают высокими тепло- и электроизоляционными, а также антикоррозионными свойствами, хорошей технологичностью, сравнительно невысокой стоимостью. Недостаток большинства видов пластмасс – старение (снижение прочностных свойств в течение времени), ползучесть, анизотропность.

Для придания необходимых эксплуатационных свойств в состав пластмасс могут вводиться наполнители (графит, тальк, асбестовые волокна, ткани и др.).

Резина и эластомеры на основе каучуков обладают хорошими демпфирующими свойствами, технологичностью (можно получать детали практически любой конфигурации). Недостаток деталей из резины – низкая долговечность из-за старения (особенно при низких температурах и под воздействием открытого солнечного света), низкая стойкость при воздействии масла, кислот, щелочей.