Детали машин и основы конструктирования

31

Технологичность тесно связана с типом производства:

•единичное производство: используется универсальное оборудование (токарно-фрезерное, сварочное и слесарное), типовые инструмент и приспособления. Ускорение работ достигается благодаря применению станков с ЧПУ, унификации, стандартизации и преемственности;

•серийное производство: целесообразно создание специального инструмента и приспособлений (формы для литья, штампов, заточка инструмента и т.п.). Эффективно применение гибких автоматизированных производств (ГАП);

•массовое производство: целесообразно создание специального оборудования и производственных процессов.

Технологичность изделия – понятие относительное, поскольку на технологичность влияют место изготовления, серийность, доступное оборудование, развитость межпроизводственных связей и многое другое.

Технологичность тесно связана с персоналом, который работает на производстве, с их уровнем культуры и образования. С ними, в свою очередь, связаны понятия производственной дисциплины и культуры производства, базирующиеся на традициях предприятияпроизводителя и страны-изготовителя, их морально-этическими нормами (ответственность, сознательность, законопослушность, гордость, уверенность в себе и т.д.).

Технологичность конструкции наиболее точно характеризуется себестоимостью изделия. Дополнительными характеристиками являются степень унификации используемых материалов и элементов поверхностей, номенклатура оборудования, степени точности и чистоты поверхностей.

Процесс конструирования взаимосвязан с выбором материала деталей будущего изделия и способа их изготовления и сборки. Поэтому успех конструирования базируется на знании конструктором видов и свойств материалов, понимании технологии получения спроектированного им изделия. Эти вопросы рассмотрены дальше.

32

5Технология материалов. Свойства материалов конструкций

5.1Общие сведения о материалах

Вмашиностроении материалы различают, прежде всего, по назначению и, как следствие,

–области применения. Это следующие группы материалов:

•конструкционные. Предназначены для изготовления конструктивных (материальных) частей технических систем;

•инструментальные. Предназначены для изготовления инструмента;

•смазочные. Применяются для обеспечения нормального функционирования машины или ее частей.

Выбирая материал детали, конструктор обязан иметь представление о следующем:

•марка, определяющая химический состав и физико-механические свойства;

•состояние и структура вещества, такие как однородность, зернистость, консистентность и т.п.;

•форма заготовки (состояние при поставке) и способ ее получения.

Конструктор не создает материал, но своим выбором должен наилучшим образом удовлетворить требования, предъявляемые к изготавливаемой из этого материала детали. В свою очередь, требования к материалам вытекают из требований ко всей технической системе. Наиболее важные из них – функциональные, технологические и экономические (рис. 5.1). Они взаимосвязаны, но выделены в отдельные группы только для удобства рассмотрения.

Рис.5.1. Характеристика конструкционных материалов

5.2 Обеспечение функциональных требований к конструкции Функциональные требования характеризуют эффективность применения технической

системы по своему назначению. Основываются на физико-механических и физикохимических свойствах материалов. Поэтому, выбирая материал, необходимо определиться, какие его свойства нам нужны и почему.

Наиболее важными свойствами материала конструкции, обеспечивающими ее надлежащее функционирование, являются следующие:

–механические, характеризующие несущую способность конструкции, т.е. способность воспринимать и передавать внешние нагрузки и воздействия, обусловленные назначением и условиями эксплуатации конструкции. Основные из них – прочность и жесткость. Именно они позволяют повысить конкурентоспособность изделия за счет снижения его массы и уменьшения габаритов;

–фрикционные,

–температурные,

34

Прочность.

Прочность определяется как способность материала детали не разрушаться при приложении внешних нагрузок. Это – обобщенное название. Условно прочность подразделяют на статическую, циклическую, длительную и ударную, а также контактную. Конкретный же вид разрушения зависит от характера и условий нагружения изделия, времени его работы.

Статическая прочность. Является определяющей при действии на деталь статических, т.е. постоянных во времени и месту приложения нагрузок. При этом срок работы (нагружения) должен быть таким, чтобы последствия от ползучести были незаметны. В качестве признака разрушения при статическом нагружении принимают либо непосредственное разрушение детали (нарушение сплошности материала), либо начало пластической деформации (наступление подвижности ранее жестких элементов конструкции из-за удлинения нагруженных деталей или образования шарниров пластичности). На практике статическое разрушение наблюдается редко и связано, как правило, с ошибками проектирования. Однако методы расчета на статическую прочность сравнительно проще, и поэтому в инженерных расчетах оценку прочности изделий обычно сводят к расчету на статическую прочность.

Усталостная (или циклическая) прочность. Является определяющей, если внешние нагрузки или условия циклически изменяются со временем, либо место приложения нагрузок не постоянно. Это – весьма распространенный вид нагружения деталей и узлов технических систем. Усталостное разрушение проявляется в постепенном развитии трещин в нагруженной детали и последующем ее внезапном разрушении. Важными требованиями к материалу детали, находящейся в таких условиях, должны быть:

-слабая чувствительность к концентрации напряжений (как, например, у пластичных материалов),

-малая величина температурного коэффициента линейной деформации (при термической усталости),

-незначительный гистерезис, т.е. минимальные потери на внутреннее трение при циклическом нагружении. Эти потери вызывают разогрев материала детали и последующее ухудшение его характеристик,

-повышенное качество и однородность материала (отсутствие микротрещин и раковин, посторонних включений как источников концентрации напряжений).

Длительная прочность. Является определяющей при действии на деталь постоянных нагрузок в течение длительного времени. Вызываемое ими разрушение подобно разрушению от статических нагрузок (хрупкое или вязко-пластичное), но наступает при меньшем уровне напряжений. На практике такая прочность принимается во внимание при работе деталей при повышенной температуре или напряженном состоянии, близком к пределу текучести. Длительная прочность опасна не только тем, что приводит к разрушению детали, но и тем, что увеличивает вследствие ползучести размеры элементов конструкции. Такое удлинение может превысить допустимые значения и перекрыть зазоры между относительно подвижными частями изделия, как, например, между лопатками турбины и стенкой корпуса.

Ударная прочность. Является определяющей при динамическом нагружении детали и характеризует ее способность воспринимать ударную нагрузку без разрушения (растрескивания или раскалывания). Ударная прочность зависит от структуры и температуры материала детали. Так, с понижением температуры ниже некоторого предела эта прочность у многих материалов заметно падает. Этот предел называется критической температурой или порогом хладноломкости. Рабочая температура детали должна быть выше этого значения Значение критической температуры хладноломкости определяется путем испытания специальных образцов на ударную вязкость (рис.5.3, 5.4).

35

Рис. 5.3. Образцы для испытаний на ударную вязкость

Рис. 5.4. Схема маятникового копра для испытания образцов на ударную вязкость

Прочность характеризуется напряжениями, действующими в материале детали: касательными и нормальными. Напряжения, в свою очередь, вызываются нагрузками и могут быть распределены по объему всей или значительной части детали, либо локализованы в ее небольшой поверхностной зоне в месте приложения этих нагрузок. Соответственно статическую и усталостную прочность часто подразделяют на объемную (например, прочность при изгибе, растяжении, кручении) и контактную (поверхностную). Контактная прочность проявляется в виде, например, смятия (обмятия) поверхностей при контакте пары деталей (статическая прочность) или контактного выкрашивания циклически нагружаемой поверхности (питтинг, усталостная прочность).

Предельное состояние материала конструкции характеризуется следующими параметра-

ми:

•предел прочности σв (при статическом нагружении);

•предел текучести σТ (для пластичных материалов при статическом нагружении). Его оценкой также служат условные пределы текучести, например, σ0,2 , характеризующий напряжения, вызывающие остаточную деформацию в образце, равную 0,2%;

•предел выносливости (при циклическом нагружении). В качестве основного случая принят симметричный цикл нагружения, которому соответствует предел выносливости σ-1 ;

•предел длительной прочности. Он соответствует напряжению, которое при заданных температуре и времени работы приводит к разрушению;

•ударная прочность. Характеризуется удельной ударной вязкостью материала аkcu. Она числено равна механической энергии, необходимой для разрушения образца из заданного материала, отнесенной к площади его поперечного сечения в месте излома. Физически эта величина характеризует способность материала поглощать энергию развивающейся в нем трещины. Чем выше эта характеристика, тем лучше материал воспринимает динамические нагрузки.

36

Достаточно распространенными являются удельные характеристики материалов:

•удельная прочность σ lim /ρ , равная отношению предельного напряжения к удельному весу материала. Она имеет размерность единицы длины, часто – километра, и числено равна длине вертикально подвешенной проволоки из рассматриваемого материала, которая разрушилась бы под действием собственного веса. Применение материалов с высокой удель-

ной прочностью снижает массу детали и конструкции. В некоторых случаях в качестве уточненной оценки используют степенной показатель, т.е. (σlim /ρ)n ;

•прочностно-стоимостный показатель σlim /(ρ C), равный отношению удельной прочности материала к стоимости его единицы массы или объема. Он дополнительно характеризует экономическую эффективность использования выбранного материала.

Вобщем случае все материалы являются анизотропными, т.е. значения их физикомеханических характеристик, в том числе и предельных напряжений, в различных направлениях отличаются. В таких случаях, приводя величину параметра, необходимо указывать и направление, для которого оно было определено. В частном случае, если характеристики во всех направлениях одинаковы (а на практике – совпадают в пределах точности измерений, расчета, исследования), материалы считают изотропными.

Расчет деталей, изготовленных из анизотропного материала, достаточно сложен, но применение подобных материалов позволяет создавать уникальные по своим свойствам изделия. Однако большинство самых распространенных конструкционных металлов и сплавов из-за усреднения свойств составляющих их кристаллов являются практически изотропными. Это обстоятельство значительно упрощает все расчеты.

Жесткость.

Жесткость изделия или отдельной детали представляет собой их способность сопротивляться изменению своей формы и размеров при действии внешних нагрузок. Она характеризуется смещением, прогибом, осадкой или углом поворота участков детали, либо относительной величиной – деформацией. Жесткость является свойством не только материала детали, но еще зависит от ее формы и размеров, вида нагружения. Так, одна и та же балка будет иметь разный прогиб в зависимости от способа ее закрепления и формы поперечного сечения, а жесткость детали, работающей на растяжение-сжатие, выше, чем детали, работающей на изгиб.

Величина, обратная жесткости, называется податливостью. Это понятие часто употребляют в тех случаях, когда по условиям работы деталь должна сильно деформироваться (например, пружины).

Жесткость, как и прочность, подразделяется на объемную и контактную.

Объемная (собственная) жесткость связана с работой большого объема детали, например, прогиб балки, деформация корпуса. Ее недостаточность может проявляться в виде повышенной податливости детали либо потери устойчивости формы детали. Потеря устойчивости может быть общая (значительное изменение формы детали или конструкции) или местная (изменение формы на небольшом участке детали, например, местное вспучивание).

Контактная жесткость является частью общей жесткости детали и связана с деформацией поверхностных слоев материала. В частности, она характеризует сближение точек поверхностей контактирующих деталей и величину площадки контакта. Контактную жесткость повышает качество обработки поверхности детали и ее твердость.

Жесткость, как свойство материала, т.е. физическая жесткость, характеризуется модулем упругости Е и модулем сдвига G. Для анизотропных материалов эти величины, как и параметры прочности,– переменные и зависят от направления рассмотрения изучаемых свойств. В качестве удельных показателей часто используют удельную жесткость Е /ρ или жесткостностоимостной показатель Е /(ρ C). С ростом величин этих показателей возрастает эффективность использования материала.

Для характеристики материалов изделий, к которым предъявляются высокие требования по жесткости и прочности (например, пружины), применяют обобщенный показатель (σ 0,2 E)/ ρ 2.

37

Жесткость, как свойство конструкции, т.е. конструкционная жесткость, зависит от формы и размеров составляющих ее деталей и характеризуется геометрическими параметрами элементов конструкции, такими как момент инерции, площадь поперечного сечения.

Твердость.

Контактная прочность и жесткость, прежде всего, характеризуется твердостью поверхности. Наиболее часто твердость измеряется по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу и Шору. Испытания проводятся на специальных приборах, называемых твердомерами (рис. 5.5).

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки на вдавливаемый в исследуемую поверхность шарик к площади отпечатка. Условия испытаний регламентируются стандартом. Твердость обозначается буквами НВ и числом твердости, например, НВ200. Предельная величина замеряемой по Бринеллю твердости составляет НВ400...500, но на практике твердость в единицах Бринелля указывают, если она не превышает НВ350.

Измерение твердости по Виккерсу основано на вдавливании алмазной пирамиды. Размер отпечатка очень мал. Способ применяется для точных измерений твердых материалов, тонкостенных деталей или в тонком поверхностном слое. Твердость обозначается буквами HV и числом твердости, характеризующим среднюю величину давления наконечника на поверхность, например, HV1000.

Рис.5.5. Твердомер для измерения твердости по методу Роквелла

Измерение твердости по Роквеллу основано на вдавливании алмазного конуса либо закаленного шарика. Замеряется глубина отпечатка, которая пересчитывается в число твердости. Твердость обозначается буквами HR. Существуют три шкалы: А, В, С,– которые различаются нормируемой величиной прикладываемой нагрузки и формой наконечника. Наиболее распространена шкала С, основанная на вдавливании конуса и обозначаемая как HRC (например, HRC55). Измерение по Роквеллу применяется для твердых материалов (HВ>300) и исследования тонких поверхностных слоев. Метод испытаний достаточно прост и нетрудоемок.

Измерение твердости по Шору применяется в особых случаях, например поверхностей из резины. Мерой твердости служит высота отскока стального шарика от поверхности исследуемого материала.

Трение.

Явление трения используется во всех технических системах. Его изучением занимается специальная наука – триботехника. Трение подразделяется на внешнее и внутреннее.

Внешнее трение. Возникает между поверхностями пары контактирующих деталей и ха-

38

рактеризуется коэффициентом трения f. Его величина имеет существенный разброс, зависит от конкретного состояния и качества обработки поверхностей, вида смазки и способа смазывания и может изменяться в несколько раз.

Для хорошего сцепления поверхностей контактирующих деталей их материалы должны составлять фрикционную пару. В такой паре коэффициент трения должен быть достаточно высок (f > 0,2...0,3) и постоянен в широком диапазоне относительных скоростей, температур, давлений и других факторов. Фрикционные материалы также должны быть износостойкими (вследствие трения потеря массы вещества за период работы незначительна) и сопротивляться схватыванию (слипанию) по поверхности контакта. Работа сил трения связана с большим тепловыделением. Следовательно, фрикционные материалы должны быть теплостойкими и, по возможности, теплопроводящими (отводящими тепло из зоны контакта).

В подвижных соединениях деталей для уменьшения износа и потерь на трение контактирующие поверхности должны образовывать антифрикционную пару, т.е. пару материалов с малой величиной коэффициента трения скольжения одной детали относительно другой, f < 0,1...0,2. Материалы этих деталей также должны быть теплопроводными (хотя и в малых количествах, но в зоне контакта тепло выделяется), износостойкими и сопротивляться схватыванию.

Внутреннее трение характеризует потери энергии при деформации деталей. Величина потерь связана с гистерезисом, и чем он больше, тем выше и потери. Эти потери, в основном, преобразуются в тепловую энергию и могут вызывать существенный разогрев деталей. С другой стороны, наличие внутреннего трения способствует поглощению вибраций и подавлению резонансных колебаний.

Температурные свойства.

Материалы, работающие при повышенных или высоких температурах, должны быть теплостойкими или жаропрочными, т.е. сохранять при рабочих температурах высокие показатели прочности и жесткости. Другим важным требованием при работе в таких условиях является жаростойкость, т.е. сопротивление материала детали коррозии при высокой температуре.

Материалы, работающие при низких температурах, должны быть стойки к хладноломкости, т.е. обладать стойкостью к разрушению при пониженных температурах (например, материалы криогенных аппаратов). Пригодность материала определяется ударной вязкостью и оценивается критической температурой хладноломкости, при которой ударная вязкость снижается вдвое по сравнению с величиной при температуре 20оС.

Материалы деталей, работающих в условиях скачков или периодического изменения температур, должны быть термостабильными. Это понятие объединяет два свойства. Первое – способность материала не изменять размеров или формы детали вследствие температурной деформации. Такое свойство характеризуется температурным коэффициентом линейной деформации α (ТКЛД). Его величина не должна превышать α < (2...4) 10-6 1/оС. Второе – способность материала сохранять постоянным, не изменяющимся с температурой модуль упругости. Такое свойство характеризуется температурным коэффициентом модуля упругости (ТКМУ).

39

5.3 Обеспечение технологических требований к конструкции

Технологические требования определяют трудоемкость и практическую реализуемость технического решения, предложенного конструктором. В первую очередь, они учитывают следующие технологические особенности.

Способ получения и форма заготовки.

Деталь всегда поступает на обработку в виде некой заготовки, которая может быть получена рядом способов.

Литье. Позволяет получить заготовки, близкие по форме и размерам к готовым деталям, достаточно сложные и громоздкие, с незначительной последующей обработкой. Литье трудоемко: необходимо изготовление модели и формы, приготовление жидкого металла, получение отливки, ее очистка и контроль на отсутствие раковин, трещин, отклонений формы, размеров и структуры и т.п.

Отливаемые материалы должны обладать хорошими литейными свойствами. К ним, прежде всего, относятся:

•высокая жидкотекучесть, т.е. способность свободно заполнять всю полость формы;

•малая усадка, т.е. уменьшение размеров и объема при затвердевании и охлаждении отливки до нормальной температуры. Влияет на образование раковин и других дефектов, температурные деформацию и напряжения, искажающие форму детали;

•сохранение однородности механических и химических свойств, внутренней структуры не смотря на разную скорость остывания отдельных участков.

Существует много способов получения отливок. Наиболее распространены следующие:

•литье в песчаные формы. Способ универсален. Возможна отливка деталей сложной формы и крупных габаритов, но литейные формы служат один раз. К недостаткам также относятся невысокое качество и точность отливок, низкая производительность, большой дополнительный расход материала на литниковую систему, плохие условия труда;

•литье в металлические формы (кокиль). Способ более производителен, обеспечивает повышенную точность и качество отливки, улучшенные условия труда. Формы используются многократно, но сложны и дороги в изготовлении, требуют применения материалов с повышенными литейными свойствами;

•литье по выплавляемым моделям. Способ обеспечивает высокую точность и хорошую чистоту поверхности отливок сложной формы, с тонкими стенками, но небольших размеров. Формы служат один раз. Технологический процесс получения отливки длится несколько суток;

•литье под давлением. Способ высокопроизводителен, обеспечивает высокую точность и чистоту поверхностей отливок разных форм, но небольших размеров. Формы многоразовые. Однако стоимость оборудования и формы очень высоки. Материал должен обладать повышенными литейными свойствами;

•центробежное литье (деталей с формой тел вращения). Возможно получение отливок больших размеров, но их точность невысока.

Обработка давлением. Позволяет получать изделия несложной формы, но с высокими механическими характеристиками. Производство малоотходное. Используемый для обработки материал должен обладать пластичностью в холодном или нагретом состоянии. Основные способы обработки давлением следующие:

•ковка. Способ универсален, но низкопроизводителен. Применяется для обработки деталей разных размеров, но простой формы. Обычно ковке подвергается нагретый материал, и после его остывания деталь коробится, появляются остаточные напряжения;

•прокатка, горячая и холодная. В первом случае размеры изделий более крупные, но механические характеристики ниже. На рис. 5.6 показаны профили типового проката. Это – прутки круглого, квадратного и шестигранного сечений, ленты (тонкие и длинные), полосы

40

(средней толщины и длины), листы и плиты (толстые, небольшой длины), фасонные профили (угольники равнобокие и неравнобокие, тавр, двутавр, швеллер, зет). Заготовки из проката получают последующей резкой и гибкой. Прокаткой также изготавливают детали с периодически изменяемым по длине профилем, например, шары;

•волочение. Этим способом изготавливают прутки специального профиля (например, трубы), проволоку (диаметром до 10...16мм), а также калибруют прокат. Заготовки получают последующей резкой и гибкой;

•объемная штамповка, горячая и холодная. Способ высокопроизводителен, позволяет получать заготовки сложной формы, точность – средняя. Нуждается в применении дорогих штампов;

•листовая штамповка. Заготовки получают из листового проката. Метод высокопроизводителен, обеспечивает среднюю точность. В зависимости от сложности формы изделия применяются дорогие пресс-форм или простые штампы;

•прессование материалов, экструзия. Материал, находящийся в вязко-пластичном состоянии, выдавливается через фасонное отверстие матрицы (фильеру). Получаемые изделия имеют высокую точность;

•гибка. Заготовки нужной формы получают из проката посредством слесарного инструмента или гибочного оборудования.

Выкраивание. Служит для получения заготовки из проката механической резкой (выпиливание, вырубка, вырезка) или вырезкой с помощью сварочного аппарата.

Сварка. Используется не только для получения заготовок, но и для восстановления бракованных или вышедших из строя деталей (например, заварка трещин, наплавка изношенных поверхностей). Сваркой неразъемно соединяют отдельные детали, создавая изделие более сложной формы. Сварка обеспечивает значительную экономию материала, но в связи с нагревом деталей возможно их коробление и появление температурных напряжений.

Соединяемые материалы должны обладать свариваемостью и сопротивляемостью образованию трещин. Известно большое число способов сварки, допускающих соединять различные материалы. Это – электрическая сварка (дуговая, электрошлаковая, контактная и т.д.), химическая сварка (газовая, термитная), механическая сварка (трением, прессовая, ультразвуком и т.д.), сварка лучевая и другие.

Неразъемные соединения деталей также возможны посредством пайки (низко- и высокотемпературными припоями) и склеивания.

Обрабатываемость.

Для придания детали окончательного вида (соответствие форме, размерам и качеству поверхностей) заготовку полностью или только по отдельным поверхностям обрабатывают. Возможна обработка со снятием и без снятия поверхностного слоя.

Механическая обработка со снятием поверхностного слоя ведется инструментом – на-

Рис. 5.6. Основные профили проката: прутки круглого (а), квадратного (б) и шестигранного (в) сечений, полоса (г), лист (д), уголок (е), тавр (ж), двутавр (з), швеллер (и), зет (к), труба (л)

пильником, фрезой, резцом, сверлом, зенкером, разверткой, протяжкой, шлифовальными кру-