Основы проектирования.Технологичность / Лекция 2_Основы проектирования.Технологичность

Технологичность

Прочность.

Предельное состояние материала конструкции характеризуется следующими параметрами:

Статическая прочность.

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%;

Усталостная (или циклическая) прочность.

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

Длительная прочность

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

Технологичность

Прочность.

Ударная прочность.

ударная прочность. Характеризуется удельной ударной вязкостью материала аξ(кси). 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 рещины. Чем выше эта характеристика, тем лучше материал воспринимает динамические нагрузки.

Удельные характеристики материалов:

удельная прочность σlim/ρ, равная отношению предельного напряжения к удельному весу материала. Она меет размерность единицы длины, часто – километра, и числено равна длине вертикально подвешенной проволоки з рассматриваемого материала, которая разрушилась бы под действием собственного веса. Применение материалов высокой удельной прочностью снижает массу детали и конструкции. В некоторых случаях в качестве уточненной ценки используют степенной показатель, т.е. (σlim /ρ)n ;

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

Технологичность

Жесткость.

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 очек 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 войств. В качестве удельных показателей часто используют удельную жесткость Е/ρ или жесткостно-стоимостной показатель Е/(ρ C). С ростом величин этих показателей возрастает эффективность использования материала.

Для характеристики материалов изделий, к которым предъявляются высокие ребования по жесткости и прочности (например, пружины), применяют обобщенный

показатель (σ 0,2 E)/ ρ2.

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 ечения.

Технологичность

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.

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.

Технологичность

Трение.

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

Внешнее трение. Возникает между поверхностями пары контактирующих деталей и арактеризуется коэффициентом трения f. Его величина имеет существенный разброс, зависит от онкретного 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 оставлять фрикционную пару. В такой паре коэффициент трения должен быть достаточно ысок (f > 0,2...0,3) и постоянен в широком диапазоне относительных скоростей, температур, авлений и других факторов. Фрикционные материалы также должны быть износостойкими вследствие трения потеря массы вещества за период работы незначительна) и сопротивляться хватыванию (слипанию) по поверхности контакта. Работа сил трения связана с большим епловыделением. Следовательно, фрикционные материалы должны быть теплостойкими и, по озможности, теплопроводящими (отводящими тепло из зоны контакта), (композитные материалы).

Технологичность

Трение.

В подвижных соединениях деталей для уменьшения износа и потерь на трение онтактирующие поверхности должны образовывать антифрикционную пару, т.е. пару материалов с малой величиной коэффициента трения скольжения одной детали относительно ругой, 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 хватыванию (бронза, баббиты).

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 тороны, наличие внутреннего трения способствует поглощению вибраций и подавлению езонансных колебаний.

Технологичность

Температурные свойства.

Теплостойскость характеризуется жаропрочностью, жаростойкостью, хладноломкостью и термпостабильностью.

Материалы, работающие при повышенных или высоких температурах, должны быть еплостойкими 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 емператур, должны быть термостабильными. Это понятие объединяет два свойства. Первое – способность материала не изменять размеров или формы детали вследствие емпературной 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 емпературным коэффициентом модуля упругости (ТКМУ).

Технологичность

Обеспечение технологических требований к конструкции

Технологические требования определяют трудоемкость и практическую реализуемость ехнического решения, предложенного конструктором. В первую очередь, они учитывают ледующие 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.

Технологичность

Отливаемые материалы должны обладать хорошими литейными свойствами: 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, емпературные деформацию и напряжения, искажающие форму детали;

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

Способы получения отливок:

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;