Чем руководствуются при выборе материалов для изготовления ответственных деталей

Обновлено: 19.05.2024

Необходимость экономии материальных ресурсов предъявляет высокие требования к рациональному выбору заготовок, к уровню их технологичности, в значительной мере определяющей затраты на технологическую подготовку производства, себестоимость, надёжность и долговечность изделий.
Правильно выбрать способ получения заготовки – означает определить рациональный технологический процесс её получения с учётом материала детали, требований к точности её изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска.
Машиностроение располагает большим количеством способов получения деталей. Это многообразие, с одной стороны, позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики машин за счёт использования свойств исходного материала, с другой – создаёт трудности при выборе рационального, экономичного способа получения детали.

Целью реферата является изучение: принципов выбора материалов для промышленного производств, выбора заготовок и технологии производства, а так же изучение технологий производства таких как литьё, резание и сварка.

Принципы выбора материалов для промышленного производства

Для правильного выбора и рационального использования материалов о них необходимы все сведения.
Используемый материал оказывает влияние на конструкционное решение изделий; форму и качество изделий; способ изготовления соединений и монтажа; сопротивление статическому нагружению и динамическим нагрузкам; долговечность работы изделий; массу изделия; стоимость продукции.
Выбор и рациональное использование материала — основная задача, стоящая перед его потребителем.
Правильный выбор обеспечивает выполнение поставленных требований (например, заданных технических условий, техники безопасности и т. д.); наименьшие затраты на собственно материал и на издержки, связанные с его обработкой; высокое качество (работоспособность) изделий в эксплуатации.
Выбор проводят в два этапа. Сначала выбирают ряд материалов, которые удовлетворяют предъявляемым требованиям к заданным физико-механическим, эксплуатационным, технологическим и другим свойствам и внешнему виду изделия. Затем методом технико-экономического анализа, с точки зрения минимальных затрат при производстве и эксплуатации изделия, принимают решение об окончательном выборе материала.
В процесс выбора материала учитывают:
— первичные требования, которые задаются, исходя из основных условий службы изделия (например, требования коррозионной стойкости);
— вторичные требования, которые задаются, исходя из технологических условий изготовления (например, требования к свариваемости).
При выборе материалов учитываются следующие важнейшие критерии:
— физические — структура, механические, оптические (например, цвет), акустические (например, уровень звучания), термические (например, линейное расширение), электрические (например, проводимость), магнитные (например, коэрцитивная сила) и другие свойства;
— технологические — первичное получение заготовок, обработка давлением, резанием, литьем; монтаж, нанесение покрытий и т. п.;
— химические — устойчивость против агрессивных сред (например, кислот), устойчивость против атмосферного влияния и др.;
— биологические — устойчивость по отношению к воздействию живых организмов (плесени, грибов, насекомых);
— связанные с доставкой — возможность доставки, масса, форма и состояние материала;
— экономические — цена, стоимость переработки, транспортные затраты, затраты на обслуживание, дефицитность;
— экологические — безвредность материала для окружающей среды, возможность утилизации отходов технологической обработки.
Освоение и выработка навыков оптимального выбора (назначения) конструкционного материала для изготовления того или иного изделия является одним из важнейших этапов в изучении материалов. Правильный выбор конструкционного материала основывается на всестороннем, комплексном учете эксплуатационных требований, заданного ресурса работы, минимальной материалоемкости, технологичности и окончательной себестоимости изделия. Требования, предъявляемые к конструкционным материалам, как правило, основаны на имеющемся опыте создания подобных изделий, на результатах экспериментальных определений комплекса свойств конкретных материалов и элементов конструкций из них, на данных, полученных в процессе эксплуатации аналогичных машин, конструкции, оборудования, механизма и т. д.
Эффективность любой технической системы, как одна из основных характеристик качества, показывает соответствие изделия целевому назначению, заданному ресурсу, минимальным затратам при изготовлении и эксплуатации и т. д., неразрывно связана с эффективностью конструкционного материала (материалов), из которого изготовлено изделие: деталь, конструкция, механизм, машина и др.
Под эффективностью конструкционного материала понимают способность материала к работе в заданных условиях применения при обеспечении наименьшей стоимости изготовленного из него элемента конструкции и нормально (надежно) функционирующего в течение установленного времени.
Для решения задач конструкторско-технологического характера, т. е. для выбора конструкционного материала и определения форм и размеров деталей, узлов и т. д., необходимо знание предельных состояний и критериев прочности и долговечности для заданного характера действия нагрузок, температур, влияния окружающей среды и других факторов. При этом важно учесть технологичность материала: его обрабатываемость пластическим деформированием и резанием, свариваемость, литейные свойства и др.
Исходные данные о материалах берут из справочной литературы. Однако, следует учитывать, что для изготовления детали одного и того же наименования могут быть рекомендованы различные виды и марки материалов. Поэтому при выборе материала следует исходить из учета конкретных условий работы детали и требуемых от нее свойств.
Алгоритм решения задачи по выбору материала, в зависимости от его нормируемых (требуемых) свойств, следующий:
1. Проводится анализ условий работы и возможных причин отказа детали в процессе эксплуатации. Формируются требования к материалу и намечаются технологические методы удовлетворения этих требований.
2. По справочникам или другим информационным источникам определяются марки материалов и их упрочняющие обработки, которые обеспечивают требуемый уровень конструкционной прочности. Требуемые показатели механических свойств имеют разные материалы. Поэтому для их оптимального выбора анализируют не менее 4-5-ти конкурентоспособных марок материалов. Подбор, например, сталей, для последующего их сопоставительного анализа, осуществляют в следующей последовательности. Вначале находят удовлетворительный материал из числа простых углеродистых сталей. Учитывая, что прочность стали возрастает с увеличением в ней количества углерода, но при этом прокаливаемость мала, подбирают еще и соответствующую требованиям низколегированную сталь. Уже на этом этапе в зависимости от требуемых свойств ведут отбор сталей по их характеристикам прокаливаемости Д50, Д95 или Д99. По мере ужесточения требований по механическим свойствам отбор сталей ведут с возрастанием в них содержания легирующих элементов (перлитный или мартенситный классы легированных сталей, а также специальные стали: дисперсионнотвердеющие, мартенситостареющие и др.). В состав анализируемых марок материалов включают марки, их заменяющие. Так появляется необходимый набор возможных для использования материалов.
3. Оценивают технологические свойства и производственные возможности (технологии) изготовления детали.
4. Определяют показатели экономической эффективности использования сопоставляемых материалов.
Оценка эффективности конструкционного материала определяется по известному критериальному уравнению (формула 1)
где Сэ — себестоимость элемента конструкции (детали);
Сн — тарифная ставка основных производственных работников;
Rcp — коэффициент, учитывающий долю дополнительных затрат от основной заработной платы производственных работников; tн — трудоемкость изготовления данного элемента конструкции, зависящая от массы элемента и свойств материала; См — удельная стоимость конструкционного материала или стоимость единицы массы материала данного сортамента; тм — масса материала заготовки элемента конструкции; Спр — прочие затраты, не зависящие явно от обрабатываемого материала (стоимость расходуемой энергии, топлива, воды и т. д.).
При определении экономической эффективности использования материала по удельной себестоимости элемента конструкции, т. е. расчет затрат, приходящихся на единицу массы элемента конструкции, производят по уравнению (формула 2)
где tуд.тр.= tн : mэ — удельная трудоемкость изготовления элемента конструкции;ξ отх — коэффициент, учитывающий долю отходов материала при изготовлении элемента конструкции; mэ — масса элемента конструкции.
Удельная трудоемкость tуд.тр и удельная стоимость материала См являются основными критериями эффективности конструкционного материала.
Решения конкретных уравнений удельной себестоимости элемента конструкции приводят к нахождению оптимальных значений tуд.тр и См opt. Критерий tН отражает технологичность материала и характеризует влияние физико-механических свойств на технологические возможности его использования.
При оптимальном выборе материала учитывают степень ответственности и уровень нагруженности детали. Ответственные детали или ответственные элементы конструкции — это те, повреждения которых приводят к разрушению всего изделия или к аварии, что наносит значительный ущерб людям и окружающей среде. Выбранный материал должен обеспечить назначаемый коэффициент запаса прочности, зависящий от степени ответственности и уровня нагруженности рассматриваемого элемента конструкции машины, механизма или сооружения.
В инженерной практике при выборе материалов традиционно используют методы сопротивления материалов, основанные на определении номинальных и местных напряжений. Но для наиболее ответственных элементов конструкции, работающих обычно в экстремальных условиях и при весьма больших нагрузках, выбор конструкционного материала, определение запасов прочности и долговечности осуществляется по критерию предельных нагрузок.

В методических указаниях к выполнению практической работы по "Маиериаловедению" рассмотрены основные группы марок легированных сталей, указаны их свойства, химический состав, рекомендуемые методы упрачнения. Для выполнения работы обучаюимся необходимо изучить условия эксплуатации детали, выбрать марку сплава и обосновать свой выбор.

Государственное профессиональное образовательное учреждение

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Тема: „ Выбор марки стали для разных деталей машин. Обоснование

выбора условиями работы детали в конструкций”.

Рассмотрено и рекомендовано к принятию на заседании цикловой комиссии специальных механических дисциплин

Председатель ЦК __________ А.А. Водолажченко

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2

Тема: Выбор марки стали для разных деталей машин. Обоснование

выбора условиями работы детали в конструкций.

Цель: Получить навыки в работе со справочной литературой по выбору

легированной стали для деталей в зависимости от условий работы.

1. Выучить условия работы детали или инструмента и требования, которые предъявляются к ним.

2. Выбрать марку легированной стали для изготовления детали или инструмента выполнить описание ее химического состава и механических свойств.

3. Дать обоснование выбора материала для заданной детали или инструмен-

4. Составить отчет о практической работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Для эффективного использования легированных сталей техник – механик должен понимать их положительные стороны и недостатки по сравнению с углеродистыми сталями.

1. Положительные особенности легированных сталей обнаруживаются в термически обработанном состоянии. Поэтому из легированных сталей изготовляются детали, обязательно подвергаемые термической обработке.

2. В термически обработанном состоянии (закалка + отпуск) все легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям по сравнению с углеродистыми сталями при равном содержании углерода.

3. Большинство легирующих элементов стабилизируют аустенит (увеличивают его устойчивость). В связи с этим при прочих равных условиях прокаливаемость легированных сталей выше, чем углеродистых. Поэтому нагруженные детали крупного сечения следует изготовлять из легированной конструкционной ста ли, выбирая при этом сталь такого состава, которая в заданном сечении прокаливается насквозь.

4. В связи с тормозящим действием легирующих элементов на распад аустенита выявляется и другая положительная особенность легированных сталей — возможность применения при закалке мягких охладителей (масла).

Закалка в масле в значительной степени снижает брак по закалочным трещинам и короблению. Поэтому при необходимости проведения термической обработки изделий сложной формы, даже когда эти изделия имеют небольшое сечение, применение легированных сталей предпочтительно, так как уменьшается вероятность брака.

5. Повышение запаса вязкости и сопротивления хладноломкости легированной стали после закалки и отпуска за счет легирования (особенно никелем), вследствие чего увеличивается эксплуатационная надежность деталей машин.

6. В высокоотпущенном состоянии влияние легирующих элементов на хрупкую прочность определяется тем, как эти элементы влияют на коагуляцию карбидов и на ферритную фазу. Особенно благоприятное воздействие оказывает никель, резко снижающий порог хладноломкости. Такое влияние никеля имеет место и в сложнолегированных сталях, в составе которых присутствует этот элемент.

Однако легированные стали имеют и специфические недостатки.

1. Многие легированные стали подвержены обратимой отпускной хрупкости.

2. В высоколегированных сталях после закалки имеется повышенное количество остаточного аустенита, что снижает твердость, сопротивление усталости. Для устранения А_ост требуется дополнительная обработка.

3. Легированные стали больше углеродистых сталей склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Поэтому при кристаллизации дендриты обедняются легирующими элементами, междендритный материал обогащается ими. После ковки, прокатки таких сталей образуется характерная строчечная структура и увеличивается неоднородность свойств стали вдоль и поперек направления деформирования Сталь с такой структурой обладает также плохой обрабатываемостью резанием.

Легированные стали, будучи прочными по сравнению с углеродистыми, в большинстве случаев при равном содержании углерода имеют худшую обрабатываемость резанием. Это же затрудняет обработку давлением легированных сталей. Результат ликвации сказывается и после термической обработки стали.

4. Весьма опасным пороком легированных сталей являются флокены (особенно в сталях, легированных никелем). Флокены представляют собой светлые пятна в изломе. В по перечном сечении флокены обнаруживаются в виде мелких трещин с различной ориентацией. Причиной возникновения флокенов является выделение водорода, растворенного в стали.

Ниже рассматриваются разные группы сталей по их назначению.

Основное назначение легирующих элементов в конструкционных сталях.

Ниже приводятся общие сведения о назначении легирующих элементов в сталях.

В качестве конструкционных машиностроительных сталей весьма часто используются стали, легированные хромом (0,8. 1,2 %). Эти стали имеют несколько более высокую прокаливаемость, чем углеродистые стали.

Хром способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладноломкости хромистых сталей 0. —100 ОС.

Ниже рассматривается влияние дополнительного легирования на свойства хромистых сталей.

1. Для повышения прокаливаемости хромистые стали дополнительно легируют бором (0,003 %). Такие стали имеют порог хладноломкости на уровне соответствующих углеродистых сталей +20. —60 °С, так как бор повышает порог хладноломкости.

2. Прокаливаемость повышают введением в хромистые стали марганца (В стали 40ХГР порядка 25 мм). Однако марганец содействует росту зерна, повышает порог хладноломкости до +40. —60°С.

3. Для измельчения зерна в состав хромомарганцевых сталей вводится титан (≈0,1 %). Стали I8ХГТ, 30ХГТ являются распространенными сталями для изготовления относительно небольших шестерен.

4. Введение в хромистые стали молибдена (0,15. 0,45%) повышает прокаливаемость, понижает порог хладноломкости до —20. —120 С. Молибден повышает статическую, динамическую и усталостную прочность стали; устраняет склонность к внутреннему окислению при нагреве стали в среде эндогаза.

Ванадий в хромистых сталях (0,1. 0,3 %) измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

5. Введение в хромистые стали никеля сильно повышает прочность, прокаливаемость, понижает температурный порог хладноломкости тем более, чем больше никеля в составе стали. Дополнительная добавка молибдена снижает отпускную хруп кость, к чему склонны хромистые стали, содержащие никель. Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель дефицитен и поэтому на практике ограничивают использование сталей, содержащих никель. Замена значительного количества никеля равным количеством меди не ухудшает вязкость легированной никелем стали.

6. При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получаются стали под названием хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Эта группа сталей имеет высокий комплекс свойств прочности и вязкости, хорошо сваривается, штампуется и обрабатывается резанием. Отмечается, что наличие 1,0. 1,7 % кремния в сложнолегированных сталях сопровождается повышением ударной вязкости и температурного запаса вязкости.

7. Для повышения прокаливаемости и механических свойств (вязкости) хромансили дополнительно легируют никелем (сталь 30ХСНА). Высокий комплекс прочности и вязкости имеют детали из хромансилей также после изотермической закалки. (Сталь 30ХГС после изотермической закалки при 280. 310 °С имеет s_В= 1650 МПа, s_0,2= 1300 МПа, δ=9 %, Y=40 % и КСU = 40 Дж/см 2 ). Эти стали широко используются в самолетостроении. Основным материалом в современном самолетостроении являются никелевые хромансили типа 30ХГСНА.

8. Для наиболее ответственных деталей крупного сечения применяются сложнолегированные хромоникельмолибденовые стали типа 18Х2Н4В(М)А и 40ХНМА.

9. С повышением содержания углерода во всех сталях повышается порог хладноломкости, что необходимо иметь в виду при выборе стали.

10. Присадка свинца, кальция улучшает обрабатываемость резанием.

Легированная сталь в термически обработанном состоянии имеет высокий предел текучести. Упрочнение от действия дисперсных частиц упрочняющей фазы может быть достигнуто за счет подбора состава стали и оптимальной термической обработки.

В сталях упрочняющими фазами могут быть: 1) карбиды разного состава; 2) нитриды; 3) карбонитриды; 4) интерметаллиды; 5) чистые металлы, мало растворимые в железе, например, почти чистая медь. Наиболее эффективное упрочнение достигается такими фазами, которые способны растворяться в твердом растворе (в аустените при нагреве), а потом выделяться

из него и сохраняться в мелкодисперсном состоянии при температурах обработки или использования изделия. Так, цементит, нитриды железа не относятся к таким фазам, потому что хотя они хорошо растворяются в аустените, но, выделившись из мартенсита при отпуске, склонны к коагуляции. Карбид титана не эффективен, так как он очень плохо растворяется в аустените. Эффективными упрочнителями являются VС, VN, HbС, МоС и комплексные фазы на их основе.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

К цементируемым относятся малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %. Эти стали используются для изготовления деталей, которые в процессе работы подвергаются интенсивному изнашиванию и от которых требуются высокие механические свойства (сопротивление статическим, динамическим грузкам или усталости). Для усиления прочностных свойств повышают содержание углерода в цементируемых сталях до 0,25… 0,3 %. Для достижения требуемых свойств детали из этих сталей подвергают также цианированию или нитроцементации.

Цементируемые стали в зависимости от степени упрочняемой сердцевины детали принято подразделять на три группы:

Ⅰ. Углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной.

II. Низколегированные стали со слабоупрочняемой сердцевиной.

III. Высоколегированные стали с сильно упрочняемой сердцевиной.

К третьей группе относятся также сравнительно малолегиванные стали с повышенным содержанием углерода (0,25. ..0,3 %). В табл. 10.4 приведены наиболее широко используемые марки цементируемых сталей, режимы их термообработки и механические свойства в зависимости от сечения детали, а также индекс стоимости, показывающий, во сколько раз приведенная сталь дороже стали Ст 3.

Следует отметить, что как в табл. 1 для цементируемых сталей, так и в табл. 2 для улучшаемых сталей приведены режимы термообработки по ГОСТам для контрольных образцов при приемке стали. Такая термообработка обеспечивает получение гарантируемых свойств образцов.

Реальные детали могут обрабатываться по совершенно другим режимам. Так, детали из малоуглеродистых сталей I8ХГТ, I2ХНЗА и других подвергаются цементации, закалке и низкому отпуску, а для образцов при приемке этих сталей по ГОСТу рекомендуется применять только закалку и отпуск. Для деталей фактически не применяется и двойная закалка и др.

Цементируемые стали наиболее широко используют для изготовления шестерен, так как высокая твердость в поверхностном слое повышает усталостную прочность зубьев и уменьшает осповидный износ (питтинг).

Сущность осповидного износа заключается в образовании в поверхностном слое усталостных микротрещин от циклического действия нагрузки при работе. Постепенно от поверхности зуба отделяются небольшие чешуйки металла и образуются оспины (язвы). Чем выше твердость поверхностного слоя и предела текучести сердцевины зуба, тем выше контактная выносливость и общая усталостная прочность зубьев шестерни. Чтобы избежать поломки зубьев шестерен, твердость сердцевины зуба должна быть 30. 40 НRС.

В условиях массового производства нитроцементация мало углеродистых сталей и карбонитрирование повышенно-легированных сталей имеют преимущества перед простой цементацией. Применение нитроцементации углеродистых сталей обеспечивает лучшую прокаливаемость поверхностного слоя, что позволяет получить высокую твердость и износостойкость деталей при закалке в масле, в то время как цементационный слой при закалке в масле имеет пониженную твердость переходных структур.

Для карбонитрирования хорошей является сталь 25ХГМТ.

Эта сталь равнозначна по прокаливаемости стали 12Х2Н4А и рекомендуется в качестве заменителя хромоникелевой цементируемой стали. Сталь 25ХГМТ обладает хорошими технологическими свойствами.

Сталь 25ХГМТ становится основным материалом для изготовления шестерен в автотракторной промышленности, упрочняемых карбонитрированием или закалкой. Использование карбонитрирования для сталей типа 12Х2Н4А, 20Х2Н4А приводит к резкому увеличению (до 60. . .70 %) остаточного аустенита, снижающему контактную и усталостную прочность деталей. По данным ЗИЛа, предельно допустимое содержание Ni в карбонитрированных сталях составляет 1,2 % (сталь 2ОХГНТР).

Для повышения усталостной прочности карбонитрированных деталей в ряде случаев применяется дробеструйный наклеп поверхностного слоя. Прочность деталей при этом повышается как за счет образования сжимающих напряжений, так и структурных изменений в поверхностном слое, которые проявляются в уменьшении количества остаточного аустенита.

Как отмечалось выше, устранение остаточного аустенита в легированных сталях можно достичь нагревом их перед закалкой до температуры ≈650 0 С.

В целях повышения производительности в ряде случаев можно заменить цементацию поверхностной закалкой ТВЧ с низким отпуском (180 °С) сталей типа 55ПП (0,55 % С, ПП — пониженная прокаливаемость). При этом получают твердость 61. 61,5 НRС на глубине 1. 2 мм.

УЛУЧШАЕМЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Такими сталями являются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,З. 0,5 %.

Улучшаемые стали условно разбиты на пять групп.

К Ⅰ группе относятся углеродистые стали. Ввиду малой прокаливаемости высокие механические свойства при использовании этих сталей достигаются в деталях малого сечения (до 10 мм) при закалке в воде. Стали этой группы используют также в нормализованном состоянии.

Ко Ⅱ группе отнесены стали, легированные преимущественно хромом или хромом и бором (для увеличения прокаливаемости). Эти стали имеют несколько более высокую прокаливаемость и примерно одинаковый с углеродистыми сталями уровень сопротивления хрупкому разрушению.

Для повышения прокаливаемости хромистые стали подвергаются дополнительному легированию марганцем, хромом, молибденом (стали 40ХГ, 40ХГР, З0ХГС, З0ХМ, З0ХГТ), примеси титана измельчают зерно. Эти стали относятся к Ⅲ группе. Стали, легированные марганцем, имеют пониженный запас вязкости (более высокий порог хладноломкости).

К Ⅳ группе относятся стали, в состав которых входит 1. 1,5 % Ni. Эти стали имеют повышенную прокаливаемость, низкое значение температуры хладноломкости и повышенную конструкционную прочность. Их рекомендуют для деталей сечением 40.

Стали Ⅴ группы имеют 2. З % Ni и дополнительно легированы молибденом и вольфрамом для уменьшения обратимой отпускной хрупкости при высоком отпуске. Стали имеют высокую прокаливаемость и рекомендуются для деталей сечением 70 мм.

Ниже приводятся основные требования, которыми следует руководствоваться при выборе стали для конкретного назначения. Высокие значения sт и sв характеризуют лишь одну сторону конструкционной прочности — сопротивление материала деформированию. Наряду с высокими значениями sт материал должен иметь также высокое сопротивление хрупкому разрушению S_ОТ. Изменение значений sт и sв стали в сторону повышения влечет за собой уменьшение значения S_ОТ и повышение порога хладноломкости. Склонность к хрупкому разрушению зависит также от коэффициента жесткости нагружения α. Легирование, упрочняя материал, может содействовать хрупкому разрушению, поэтому не рекомендуется стремиться к использованию сталей чрезмерно легированных. Так как легирование увеличивает прокаливаемость, то для деталей, работающих в условиях действия ударных нагрузок или больших растягивающих напряжений, следует ограничиваться такой степенью легирования, которая обеспечит при закалке получение мартенсита по всему сечению деталей.

АВТОМАТНЫЕ СТАЛИ

Автоматными называют стали обладающие повышенной обрабатываемостью резанием, которая оценивается допускаемой скоростью резания, стойкостью режущего инструмента, чистотой поверхности резания. Для количественной оценки обрабатываемости резанием используются коэффициенты К_{ТВ, СПЛ,,} К_{БЫСТР,СТ,}, которые показывают сравнительную стойкость резца из твердого сплава (тв. спл.) или быстрорежущей стали (быстр. ст.) при принятых условиях резания данной стали к стойкости резца при обработке стали 45, коэффициент обрабатываемости которой принят за единицу.

Обрабатываемость резанием сильно влияет на производительность, качество поверхности изделий и себестоимость продукции Особое значение имеет обрабатываемость на предприятиях массового производства. Поэтому разработаны стали разного состава с повышенной обрабатываемостью резанием Вначале это были стали с повышенным содержанием серы и фосфора Теперь автоматные стали дополнительно легируют свинцом, селеном, а в последние годы — кальцием. У автоматных сталей, содержащих Рb. S, Са, повышается стойкость инструмента в 1.3 раза и скорость резания на 25. 50%.

Присадка к легированным хромистым и хромоникелевым сталям свинца и кальция для улучшения обрабатываемости мало влияет на механические свойства деталей. После оптимальной термической обработки такие стали используются для изготовления нагруженных деталей в автомобильной и тракторной промышленности (стали АЦ45Г2. АСЦ30ХМ, АС20ХГНМ). Их износостойкость может быть повышена цементацией и закалкой. В табл. 4 приводятся марки И механические свойства некоторых автоматных сталей.

Т а б л и ц а 3. Кконструкционные легированные стали, применяемые в автомобилестроении и примеры изготовляемых из них деталей.

Заготовка – предмет производства, из которого различными методами путем изменения формы, размеров, физических и механических свойств материала, качества поверхности получают деталь.

Заготовки в машиностроении бывают четырех видов – бунтовые (проволока или лента, свернутые в бунт), прутковые (прутки, полосы, тяги), штучные (отливки, поковки, штучные из прутков) и порошковые (пресс-порошки, гранулы, таблетки) для получения пластмассовых, металлокерамических и керамических деталей.

Из бунтовых заготовок большой длины можно получить очень большое число деталей, меньшее число – из прутковых заготовок и только одну деталь – из штучной заготовки. Небольшие по размерам и массе детали целесообразно изготавливать из бунтовых и прутковых заготовок. Для получения высокого коэффициента использования материала необходимо применять штучные заготовки, по форме и размерам близкие к готовой детали. Из порошков и гранул получают штучные заготовки или готовые детали, дальнейшая обработка которых почти не требуется.

Основные способы изготовления заготовок приведены на рисунке 1.

Правильно выбрать способ получения заготовки – означает определить рациональный технологический процесс её получения с учётом материала детали, требований к точности её изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска. Машиностроение располагает большим количеством способов получения деталей. Максимальное приближение геометрических форм и размеров заготовки к размерам и форме готовой детали – главная задача заготовительного производства. Заданные конструктором форма, размеры и марка материала детали во многом определяют технологию изготовления. Таким образом, выбор вида заготовки происходит в процессе конструирования, так как при расчёте деталей на прочность, износостойкость или при учете других показателей эксплуатационных характеристик конструктор исходит из физико-механических свойств материала детали.

На себестоимость изготовления детали влияют конструктивные, производственные и технологические факторы. То, насколько полно в заготовке учтено влияние факторов первой и второй групп, позволяет судить о технологичности заготовки .

Под технологичностью заготовки принято понимать, насколько данная заготовка соответствует требованиям производства и обеспечивает долговечность и надежность работы детали при эксплуатации. Выпуск технологичной заготовки в заданных масштабах производства обеспечивает минимальные производственные затраты, себестоимость, трудоемкость и материалоемкость. Оптимальное решение при выборе заготовок может быть найдено только при условии комплексного анализа влияния на себестоимость всех факторов, в том числе и способа получения заготовки. В себестоимости изготовления детали значительную долю составляют затраты на материал. Наиболее широко для получения заготовок в машиностроении применяют следующие методы: литье, обработка пластическим деформированием, резание, сварка, а также комбинация этих методов. Каждый из методов содержит большое число способов получения заготовок.

Литье - получение заготовок путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки.

Обработка пластическим деформированием - технологические процессы, которые основаны на пластическом формоизменении металла.

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов и сплавов в результате образования атомно-молекулярных связей между частицами соединяемых заготовок.

Резание - получение заготовки из проката, полученного пластическим деформированием, отрезкой или вырезкой.

Выбор способа получения заготовки сложная задача. Способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим высокое качество детали, производительным, нетрудоемким. Для мелкосерийного и единичного производства характерно использование в качестве заготовок горячекатаного проката, отливок, полученных в песчано-глинистых формах, поковок, полученных ковкой. Это обуславливает большие припуски, значительную трудоемкость последующей механической обработки.

В условиях крупносерийного и массового производств рентабельны способы получения заготовок: горячая объемная штамповка; литье в кокиль, литье под давлением, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям. Применение этих способов позволяет значительно сократить припуски, снизить трудоемкость изготовления детали.

Материалы для изготовления заготовок должны обладать необходимым запасом определенных технологических свойств – ковкостью, штампуемостью, жидкотекучестью, свариваемостью, обрабатываемостью. Для деформируемых материалов необходимым технологическим свойством является технологическая пластичность. Особо жесткие требования по технологической пластичности предъявляются к сплавам, из которых детали получают холодной обработкой давлением – выдавливанием, вытяжкой, гибкой, формовкой.

Если металл обладает низкой жидкотекучестью, высокой склонностью к усадке, то не рекомендуется применять литье в кокиль, под давлением, так как из-за низкой податливости металлической формы могут возникнуть литейные напряжения, коробление отливки, трещины. Целесообразно применять оболочковое литье и литье в песчано-глинистые формы.

Для ответственных, тяжело нагруженных деталей (валы, шестерни, зубатые колеса), для которых предъявляются определенные требования к качеству металла и к физико-механическим свойствам – целесообразно использовать поковки, так как в процессе деформирования создается мелкозернистая, направленная волокнистая структура, значительно повышающая физико-механические свойства материала. Использование точных способов обеспечивает достаточную чистоту поверхности и высокую точность заготовок. Совершенствование ковки и штамповки обеспечивают параметры шероховатости и точность размеров, соответствующих механической обработке и даже финишных операций. Калибровка, холодное выдавливание обеспечивают получение готовых деталей (заклепки, гайки, болты).

Критерии выбора метода получения исходных заготовок чаще всего определяются производственной программой:

При больших объемах выпуска – следует стремиться к максимальному приближению конфигурации и размеров исходной заготовки к размерам готовой детали (коэффициент использования металла);
При малых объемах выпуска – рациональным выбором следует считать минимальные затраты.

Основными факторами влияющими на выбор исходных заготовок являются также (кроме производственной программы):

Вид обрабатываемого материала;
Конфигурация и размеры; масса;
Условия эксплуатации;
Экономичность самого метода получения исходных заготовок.

Основные методы получения исходных заготовок :

В машиностроении основную массу заготовок изготавливают в литейных цехах заливкой металла в формы, в кузнечно-прессовых цехах - обработкой на ковочных и штамповочных молотах и прессах. Главными факторами влияющими на выбор метода получения исходных заготовок являются себестоимость и годовая производственная программа..

Производство заготовок литьем

Масса отливок - до 300 т, а длина - до 20 м. Наиболее распространенным материалами литейных форм являются: песчано-глинистые и песчано-смоляные смеси, сталь, чугун, сплавы, керамика и др. Серый и высокопрочный чугун имеет высокую жидкотекучесть, что позволяет получить толщину стенки 3-4 мм. Ковкий чугун обладает склонностью к образованию трещин и значительных внутренних напряжений. Легированные стали с увеличенным содержанием марганца имеют хорошую жидкотекучесть, что затрудняет получение отливок с тонкими стенками.

Литье в песчано-глинистые формы подразделяют на три группы:

 Разовые , изготавливаемые из песчано-глинистых смесей(для черных и цветных металлов любого размера и веса;
 Полупостоянные - из огнеупорных материалов (шамот, магнезит и др.) - для получения нескольких десятков оливок
 Постоянные , изготавливаемые из металлов и сплавов

Для отливок применяют чугун, сталь, сплавымеди, алюминий и др.

Литье в оболочковые формы - обеспечивает точность размеров 13-14 квалитета и величину параметра шероховатости Ra = 6,3 мкм. Литейной формой является оболочка, состоящая из формовочных смесей с термопластичными и термореактивными связующими смолами, которые помещают в ящик с песком или дробью перед заливкой ее металлом. Требуется дорогостоящая оснастка, а сама форма используется один раз, поэтому данный метод целесообразен в массовом, крупносерийном и среднесерийном производстве, массой до 100 кг.

Литье в кокиль . Отливки (из чугуна и стали) с толщиной стенки 5 мм, 12-14 квалитета точн ости, шероховатость Ra = 12,5. 3,2 мкм и массой до 200 кг. Применяют в серийном и массовом производстве, выше производительность в 2-5 раз меньше себестоимость. К недостаткам литья относится невысокая стойкость форм при литье чугуна и стали, образование отбела чугунных отливок, что вызывает необходимость проведения дополнительной операции (отжига); возможно образование трещин в сложных отливках. Кокили изготавливают литыми из чугуна, стали, меди и алюминия; разъемными или вытряхными. Распространены многоместные кокили.

Литье по выплавляемым моделям . - отливки из сплавов цветных металлов, стали и чугуна массой от нескольких грамм до 300 кг. Применяют в массовом, крупно- и среднесерийном производстве при изготовлении мелких и сложной формы . Сущность процесса литья по выплавляемым моделям заключается в использовании точной неразъемной разовой модели, по которой изготавливается неразъемная керамическая оболочковая форма, куда и заливается расплавленный металл после удаления модели из формы путем выжигания, испарения или растворения. Этим способом можно изготавливать точные отливки из различных сплавов толщиной от 0,8 мм и более с небольшими припусками на обработку. Точность размеров отливок соответствует 8 -11 квалитетам, Ra = 2,5 мкм, припуски на обработку резанием для отливок размером до 50 мм составляют 1,4 мм, а размером до 500 мм - около 3,5 мм. Коэффициент точности отливок по массе может достигать 0,85 -0,95, что резко сокращает объемы обработки резанием и отходы металла в стружку. Использование для изготовления моделей легко удаляемых материалов (на основе парафина, канифоли, полистирола, карбамида или полистирола), не прибегая к разборке формы, дает возможность нагреть расплавленный перед разливкой металл до высоких температур, что значительно улучшает заполнение формы и позволяет получать отливки очень сложной формы практически из любых сплавов. К недостаткам можно отнести высокую трудоемкость и повышенный расход материала на литниковую систему при небольшом выходе продукции.

Литьем вакуумным всасыванием получают отливки в основном из цветных металлов и сплавов, в меньшей степени из стали и чугуна. Отливки имеют толщину стенки до 1 мм. Этот метод применяют в массовом и серийном производстве, обычно для получения отливок из дорогостоящих сплавов.

Центробежное и другие виды литья - отливки из чугуна, стали, цветных металлов и сплавов. Применяют - в массовом и серийном производстве для пустотелых и тонкостенных отливок (типа тел вращения) сложной конфигурации, например, гильз, втулок, вкладышей и т. д. Процесс осуществляют путем заливки металла во вращающуюся металлическую форму. Под действием центробежных сил частицы расплавленного металла отбрасываются к поверхности формы и, затвердевая, принимают ее очертания. Отливка охлаждается наружной стороной (от изложницы) и изнутри (со стороны свободной поверхности) за счет излучения и конвекции воздуха. Затвердевание металла под давлением приводит к уплотнению металла и повышению механических свойств, в тоже время происходит отделение газов, неметаллических примесей и вытеснение их на внутреннюю поверхность отливки, что следует учитывать в расчете припусков для изделий, имеющих внутреннюю рабочую поверхность.

Применяют и другие методы литья: непрерывное, электрошлаковое, выжиганием, штамповкой из расплава и др.

Непрерывным и полунепрерывным литьем получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых и магниевых сплавов; в массовом и серийном производстве для обеспечения поперечного сечения неограниченной длины (станины металлорежущих станков, корпуса гидро- и пневмоаппаратуры, трубы) и т. д.

Электрошлаковым литьем получают отливки из сталей и сплавов с повышенными механическими свойствами массой до 300 т; в серийном производстве для получения заготовок ответственных деталей судовых двигателей, прокатные валки, турбины и т. д.

Литьем выжиманием получают отливки из алюминиевых и магниевых сплавов; в массовом и серийном производстве для тонкостенных (до 2 мм) и значительных по габаритам (1000х3000мм) заготовок. 

Штамповкой из расплава получают отливки из цветных металлов и сплавов, стали и чугуна в массовом и серийном производстве Для изготовления фасонных отливок с толщиной стенки до 8 мм несложной конфигурации с высокими механическими свойствами.

Производство исходных заготовок пластическим деформированием

Машинную ковку производят на молотах и гидропрессах . В единичном и мелкосерийном производстве - наиболее экономичный способ получения высококачественных заготовок; может оказаться единственно возможным способом для заготовки большой массы.

Возможности: заготовки массой до 250 т простой формы; на молотах в подкладных кольцах и штампах до 10 кг, при этом толщина стенок заготовки достигает 3-2,5 мм, точность 14-16 квалитет , а величина параметра шероховатости поверхности составляет Ra = 25-12,5 мкм ; для стали, иногда цветных металлов и сплавов.

Штамповка - в условиях массового и крупносерийного производства горячая объемная штамповка рентабельнее ковки. Ограничения: до 100 кг, хотя возможно получать поковки до 3 т и выше, но чаще массой до 30 кг. Применяют для получения поковок из стали, цветных металлов и сплавов. Обычно исходной заготовкой для штамповки является сортовой прокат. Горячую штамповку проводят на молотах, горизонтально-ковочных машинах (ГКМ), кривошипных горяче-штамповочных прессах (КГШП) и винтовых прессах.

К операциям листовой формовки относят правку (рихтовку), фасонную (рельефную) штамповку, отбортовку, формовку, обжим, раздачу.

Листовая штамповка - размеры заготовок колеблются от нескольких сантиметров до 7 м с толщиной стенки 0,1-100 мм; точность - 11-12 квалитет, а при дополнительной калибровке — 9-10 квалитет.

Фасонную (рельефную) штамповку применяют для получения на плоских заготовках различных углублений и выступов, ребер жесткости и т. п. Штамповка перераспределяет объемы металла в локальной зоне. При отбортовке отверстия толщина материала у края бортов значительно уменьшается.

Высадка - частичное изменение формы детали типа прутка на специальных холодновысадочных автоматах, например, высадка головок болтов, винтов, заклепок и т. п.

Методами штамповки изготавливат металлические сплавы (сталь различных марок, сплавы цветных металлов, а также биметаллические) и неметаллические материалы (текстолит, прессшпан, резина, войлок). Металлические материалы по виду заготовок можно разделить на рулонный (шириной свыше 300 мм), ленты, листы, полосы, проволоку и круглый прокат (в бухтах), прутки и прокат различного сечения. Неметаллические материалы, как правило, поставляются в виде листов или полос.

Исходные заготовки, получаемые методом порошковой металлургии

Основными исходными материалами являются порошки железных, никелевых кобальтовых, молибденовых, вольфрамовых и других металлов. Формирование изделий осуществляют холодным прессованием в закрытых пресс-формах с последующим спеканием. Например, спеченный из порошка распределительный вал двигателя длиной 447 мм и массой 2,5 кг, позволяет не только экономить 75 % по массе по сравнению с чугунным литьем, но и повысить износостойкость вала в 7 раз.

Металлокерамические материалы . Например, бронзографит (85. 88 % меди, 8. 10 % олова, 3. 5 % графита) можно применять при изготовлении подшипников, в которых практически отсутствует дополнительный смазочный материал. Различают антифрикционные металлокерамические материалы на медной и железной основе. Свойства готовых металлокерамических изделий в значительной степени зависят от плотности спрессованных из порошка брикетов и распределения плотности по объему. Брикеты прессуют под давлением 2500. 4000 Па для бронзографита и 4000. ..5000 Па для железосульфидного материала. Спекание бронзографита проводят в течение 2. 3 ч при температуре 760. 780 °С, а железосульфидированного материала - 1. 1,5 ч при температуре 1130. 1150 °С. От сложности формы деталей зависит возможность их прессования в конечном виде или необходимость проведения после спекания дополнительной механической обработки, что в значительной степени влияет на производительность и себестоимость.

В условиях массового и крупносерийного производства экономически целесообразно получение заготовок, наиболее близко приближающихся по форме и размерам к готовым деталям. В этом случае себестоимость заготовок увеличивается, но объем механической обработки значительно сокращается.

В условиях единичного и мелкосерийного производства заготовки далеки по размерам и форме от готовой детали, т. е. имеют значительные припуски для механической обработки. Из многих возможных способов получения заготовки необходимо выбрать экономически целесообразный.

Подходы к выбору марки стали для деталей машин. Назначение, конструкция и материалы валов. Критерии их работоспособности и расчет. Анализ условий работы детали и требования, предъявляемые к материалу, графическое изображение режима термической обработки.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	22.04.2014
Размер файла	531,6 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1. Подходы к выбору марки стали для деталей машин

1.1 Механические свойства сталей

1.2 Технологические требования

1.3 Экономические требования

2. Назначение, конструкция и материалы валов

2.1 Классификация валов

2.2 Материалы валов

2.3 Критерии работоспособности и расчет валов

2.4 Стали и упрочняющая подготовка

3. Анализ условий работы детали и требования, предъявляемые к материалу

4. Обоснование, назначение и графическое изображение режимов термической обработки

Правильный выбор сталей позволяет получать надежные в эксплуатации и экономичные детали машин.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надёжности и долговечности имеет сталь, поэтому она является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам. Свойства стали зависят от её структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки, которая изменяет структуру, и легирования - эффективный способ повышения комплекса механических характеристик стали.

Выбор стали для изготовления той или другой детали и метод её упрочнения определяется в первую очередь условиями работы детали, величиной и характером напряжений, возникающих в ней в процессе эксплуатации, размерами и формой детали и т.д.

Цель: обосновать выбор марки стали для конкретной детали.

Задачи курсовой работы:

1) Описать подходы к выбору марки стали для деталей машин;

2) Проанализировать условия работы детали и требования, предъявляемые к материалу;

3) Предложить термическую обработку материала.

сталь термический вал деталь

1.Подходы к выбору марки стали для деталей машин

1.1 Механические свойства сталей

При выборе марки стали для конкретной детали необходимо исходить из следующих основных положений:

1. В первую очередь на выбор той или иной марки стали оказывают влияние характер силовых воздействий, назначение детали (требуемый уровень прочности, надёжности и долговечности детали).

2. Выбор марки сталей зависит от степени ответственности детали и условий ее эксплуатации.

3. При выборе марки стали также учитывается технология её изготовления, экономия металла (температура, окружающая среда, скорость нагружения и т.п.).

Единых принципов при выборе марки стали пока не разработано, поэтому каждый конструктор выполняет эту задачу в зависимости от своего опыта и знаний; вследствие этого при выборе марки стали случаются и ошибки, что может привести к нежелательным последствиям.

Решая эту задачу, прежде всего, необходимо знать форму, размеры и условия работы детали. Предположим, что чисто конструктивно оптимальное решение найдено. Если сила, воздействующая на деталь, известна, то можно определить уровень напряжений в наиболее опасных сечениях детали (чем сложнее конфигурация изделия, тем точность такого расчёта меньше). Так как модули упругости для всех сталей практически одинаковы (Е~2?105 МПа, G~0,8?105 МПа), то во многих случаях можно подсчитать упругую деформацию при максимальной нагрузке. При невозможности проведения таких расчётов необходимо провести натурные испытания. Если эта деформация находится в допустимых пределах, то следует перейти к основному вопросу - выбору марки стали, а если нет, то необходимо изменить конфигурацию детали: увеличить сечение, ввести рёбра жесткости и др. Следует помнить, что путём подбора марки стали упругую деформацию уменьшить практически невозможно. После этого следует перейти к оценке прочности, надёжности и долговечности детали.

Прочность характеризует сопротивление металла пластической деформации. В большинстве случаев нагрузка не должна вызывать остаточную пластическую деформацию выше определённого значения. Для многих деталей машин (за исключением пружин и других упругих элементов остаточной деформацией, меньшей 0,2 %, можно пренебречь, то есть, условный предел текучести (у0,2) определяет для них верхний предел допустимого напряжения [1].

Показателем, наиболее обобщённо характеризующим прочность материала, является условный предел текучести у0,2 , определённый на гладком образце при одноосном растяжении. В этом случае сталь имеет наиболее низкие значения у0,2 (при вязком разрушении), чем при других видах нагружения.

Рассмотрим такой пример. Имеем 3 стали с разными значениями условного предела текучести: у?0,2

Читайте также: