Технологичность.Допуски и посадки / Лекция 2_Технологичность.Допуски и посадки

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

лужат условные пределы текучести, например, σ0,2, характеризующий напряжения, вызывающие статочную деформацию в образце, равную 0,2%;

Усталостная (или циклическая) прочность.

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

Длительная прочность

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

Ударная прочность.

ударная прочность. Характеризуется удельной ударной вязкостью материала аξ(кси). Она числено авна механической энергии, необходимой для разрушения образца из заданного материала, отнесенной к лощади 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.

Удельные характеристики материалов:

удельная прочность σlim/ρ, равная отношению предельного напряжения к удельному весу материала. Она имеет размерность единицы длины, часто – километра, и числено равна длине ертикально подвешенной проволоки из рассматриваемого материала, которая разрушилась бы под ействием собственного веса. Применение материалов с высокой удельной прочностью снижает массу етали и конструкции. В некоторых случаях в качестве уточненной оценки используют степенной

оказатель, т.е. (σlim /ρ)n ;

прочностно-стоимостный показатель σlim/(ρC), равный отношению удельной прочности материала стоимости его единицы массы или объема. Он дополнительно характеризует экономическую

ффективность использования выбранного материала.

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.

Твердость.

Контактная прочность и жесткость, прежде всего, арактеризуется твердостью поверхности. Наиболее часто вердость измеряется по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу и Шору. Испытания проводятся на специальных приборах, азываемых твердомерами.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение агрузки на вдавливаемый в исследуемую поверхность шарик площади отпечатка. Условия испытаний регламентируются тандартом. Твердость обозначается буквами НВ и числом вердости, например, НВ200. Предельная величина амеряемой по Бринеллю твердости составляет НВ400...500, о на практике твердость в единицах Бринелля указывают, сли она не превышает НВ350.

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

Измерение твердости по Роквеллу основано на вдавливании алмазного конуса либо закаленного шарика. Замеряется глубина отпечатка, которая пересчитывается в число твердости. Твердость бозначается буквами HR. Существуют три шкалы: А, В, С,– которые различаются нормируемой еличиной прикладываемой нагрузки и формой наконечника. Наиболее распространена шкала С, снованная на вдавливании конуса и обозначаемая как HRC (например, HRC55). Измерение по Роквеллу рименяется для твердых материалов (HВ>300) и исследования тонких поверхностных слоев. Метод спытаний 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 пециальная наука – триботехника. Трение подразделяется на внешнее и внутреннее.

Внешнее трение. Возникает между поверхностями пары контактирующих деталей и характеризуется коэффициентом трения f. Его величина имеет существенный разброс, ависит от конкретного состояния и качества обработки поверхностей, вида смазки и пособа 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 высок (f > 0,2...0,3) и постоянен в широком диапазоне относительных коростей, 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), (композитные материалы).

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 еплопроводными (хотя и в малых количествах, но в зоне контакта тепло выделяется), износостойкими и сопротивляться схватыванию (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 стороны, наличие внутреннего трения способствует поглощению

ибраций и подавлению резонансных колебаний.

Температурные свойства.

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).

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.

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;

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 очность 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 остоянии. Основные способы обработки давлением:

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 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

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 – напильником, фрезой, резцом, сверлом, зенкером, разверткой, протяжкой, шлифовальными кругами или брусками, притирами и другим специальным инструментом. Выбор инструмента и, следовательно, оборудования определяется видом материала, формой обрабатываемых поверхностей, потребным их качеством и точностью и, не в последнюю очередь, производственными возможностями. Это может быть слесарная обработка, точение, фрезерование, сверление, зенкерование, развертывание, протягивание, шлифование, хонингование, суперфиниш, притирка, полирование и иные виды обработки.

В зависимости от точности и качества поверхности различают следующую обработку:

обдирочная. Точность обработки составляет 16...17 квалитет, шероховатость поверхностей – более Ra80 (Rz320). Применяют для обработки грубых поковок и отливок как подготовительная операция;

черновая. Точность обработки составляет 12...14 квалитет, шероховатость поверхностей – Ra20...80 (Rz80...320). Применяют для обработки деталей с невысокими требованиями по точности и качеству поверхностей;

получистовая. Точность обработки составляет 9...12 квалитет, шероховатость поверхностей – Ra 6,3...32 (Rz20...125). Применяют для обработки деталей со средними требованиями к точности форм и расположения поверхностей;