Прикладна механіка_ЛЕКЦІЇ. Навчальний посібник для підготовки бакалаврів напрямів 100102 Процеси, машини та обладнання агропромислового виробництва
 Скачать 6.79 Mb.
|
|
§ 24.3. Короткі відомості про машинобудівні матеріали Для виготовлення деталей машин застосовують різні матеріали – металеві, неметалеві, композиційні. Правильний вибір матеріалу деталі – важливий етап процесу конструювання і виготовлення, від якого в значній мірі залежить вага, габарити, вартість і довговічність машини. Тому загальними передумовами вибору матеріалу деталі є експлуатаційна надійність, технологічність і економічність. Дуже поширеними в машинобудуванні є метали, які розділяють на чорні і кольорові. Чорні метали (сталі і чавуни) в машинах займають більше 90 % їх ваги. Вони відносно дешеві, мають високу міцність і жорсткість. Основні недоліки чорних металів – значна питома вага і низька корозійна стійкість. Сталь (вуглецева і легована) – один із основних матеріалів машинобудування. Сталь вуглецева звичайної якості, яку поставляють за механічними властивостями, позначається так: СтО, Ст1, Ст2, Ст3, ...,Ст6. Нумерують ці сталі в порядку зростання їх твердості, границь міцності і текучості та зниження пластичності. Сталь вуглецева якісна конструкційна позначається так: Сталь 10, Сталь 15, Сталь 20, ..., Сталь 55 і т. д., де числа 10, 15, 20, ... показують приблизний вміст вуглецю в сотих частках процента. Якісна вуглецева конструкційна сталь з підвищеним вмістом марганцю позначається так: Сталь 15Г, Сталь 20Г, Сталь 50Г і т. д. Сталь легована конструкційна позначається так: Сталь 15Х, Сталь 35Х, Сталь 40ХНЗА і т. д., де перші дві цифри (І5, 35, 40) показують орієнтовний вміст вуглецю в сотих частках процента, а наступні букви і цифри показують легуючий елемент та його орієнтовний процентний 436 вміст. Так, сталь 15Х13Н7С2А містить приблизно 0,15 % вуглецю, 13 % хрому, 7 % нікелю і 2 % кремнію; буква А показує високу якість сталі, тобто зниження до мінімуму шкідливих домішок – сірки і фосфору. Фізико – механічні властивості сталей можна підвищити застосуванням об'ємної або поверхневої термічної (нормалізація, загартування, відпускання) або хіміко – термічної (цементація, азотування, ціанування) обробки, а також поверхневим зміцненням (дробострумінна обробка, обкатка загартованими роликами). Чавун широко використовується в машинобудуванні, особливо для виготовлення литих заготовок деталей. За хімічним складом, структурою і технологією виготовлення чавун поділяють на сірий (СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36 та ін.), антифрикційний (АСЧ-1, АСЧ-2, АСЧ-3 для сірого чавуну; АВЧ-1, АВЧ-2 для високоміцного чавуну), високоміцний (ВЧ 45-0, ВЧ 50-1,5 і т. п.), жаростійкий (ЖЧХ-0,8, ЖЧС-5,5 і т. ін.). Числа, що стоять після буквеного позначення марки чавуну, показують значення його механічних характеристик. Наприклад, для сірого чавуну перше число означає границю міцності при розтягу, друге – при згині (0,1 МПа), для високоміцного чавуну перше число означає В (0,1 МПа), а друге – відносне подовження в процентах при розриві. Кольорові метали (мідь, олово, цинк, магній, хром, свинець, алюміній, титан, срібло, золото, платина) у чистому вигляді в машинобудуванні застосовуються рідко. Їх використовують в основному в вигляді сплавів (латунь – мідно – цинковий сплав, бронза – безолов'яна і олов'яна, алюмінієві і титанові сплави), які мають кращі фізико – механічні властивості, ніж кожен із цих металів окремо. Кольорові метали (за винятком сплавів) використовують для покриття металевих поверхонь з метою захисту матеріалу від корозії (лудіння, цинкування), підвищення поверхневої твердості, зносостійкості й антикорозійних властивостей 437 стальних деталей (хромування) або підвищення їх жаростійкості (алітування, тобто насичення поверхневого шару сталі алюмінієм). Легкі сплави (особливо титанові) мають високу міцність при малій питомій вазі. Кольорові метали і сплави значно дорожче чорних, але їх цінні властивості, виправдовують застосування деталей із таких матеріалів в залежності від призначення і умов роботи. Неметалеві матеріали – дерево, шкіра, бавовняні тканини, гума, скло, азбест, пластмаси, композиційні матеріали. Серед неметалевих матеріалів все більше застосовуються пластмаси і особливо композиційні матеріали (склопластики, металопластики, біметали, металокераміка та багато інших). Пластмаси мають невелику питому вагу, хімічну стійкість, водо –, масло – і бензостійкість, високі електроізоляційні властивості, достатню механічну міцність, що не поступається у ряді випадків перед міцністю сплавів кольорових металів і чавуну, малу трудомісткість переробки в деталі машин та ін. Але недоліком пластмас є їх низька теплостійкість і старіння, що супроводжується поступовою зміною механічних характеристик, кольору і навіть розмірів деталей. Композиційні матеріали утворюються сполученням різнорідних компонентів і можуть мати певні високі фізико – механічні властивості, притаманні кожному із цих компонентів. Тому розробка і застосування нових композиційних матеріалів з підвищеними експлуатаційними якостями є важливим напрямком розвитку сучасного машинобудування. Із пластмас та композиційних матеріалів виготовляють корпуси апаратів і машин, баки, цистерни, кузови автомобілів, корпуси суден, шлюпок, яхт, зубчасті колеса, вкладиші підшипників, труби, лопатки компресорів, а також будівельні елементи житлових будинків і промислових споруд. 438 § 24.4. Стандартизація і взаємозамінність деталей машин Весь комплекс вимог до виготовленої сучасної техніки і обладнання може бути виконаний на основі використання принципів стандартизації, уніфікації і взаємозамінності деталей і складальних одиниць машин. Стандартизацією називається процес встановлення і застосування обов’язкових норм, правил і вимог технічних і якісних характеристик, параметрів, яким повинна відповідати вироблена продукція, її виготовлення, транспортування і зберігання. Завданнямстандартизації як у машинобудуванні, так і інших галузях виробничої діяльності, є дотримання єдиних систем документації, норм і вимог у галузі проектування і виготовлення виробів, визначення єдиної системи показників якості виробів, запровадження єдиних науково- технічних термінів, символів, одиниць вимірювання тощо. Переважна більшість виробів, що випускаються промисловими і народногосподарськими підприємствами України та іншими країнами близького зарубіжжя стандартизована. У машинобудуванні, наприклад, стандартизовані: – позначення загальнотехнічних величин, правила оформлення креслень, числові ряди лінійних розмірів; – точність і якість поверхні деталей; – матеріали, їх хімічний склад, основні механічні властивості і термообробка; – форма і розміри деталей і складальних одиниць масового застосування: болтів, гвинтів, рейок, підшипників кочення, шурупів, муфт, штифтів, пасів, ланцюгів, штифтів і т. ін.; – конструктивні елементи більшості деталей машин: модулі зубчастих і черв'ячних коліс, діаметри і ширина шківів, конструктивні 439 форми і розміри шліцьових з'єднань і т. ін. На нестандартні вироби завод – виготовлювач має розробляти окремі технічні умови, які також повинні відповідати вимогам певних стандартів. Із стандартизацією тісно пов’язана уніфікація деталей і складальних одиниць машин. Уніфікацією називається доцільне скорочення номенклатури, типорозмірів і конструктивних форм деталей і складальних одиниць, надання їм однаковості з метою можливого застосування і використання в різних машинах та народногосподарських об'єктах. Зводячи різні види промислових виробів до невеликої кількості певних типів з універсальними можливостями застосування їх у машинобудуванні, уніфікація дає змогу скоротити номенклатурний список виробів, підвищити якість виробів, зменшити затрати виробництва і збільшити можливість взаємозамінності деталей і складальних одиниць однієї машини деталями і складальними одиницями іншої. Взаємозамінністю називається властивість конструкції складової частини виробу забезпечити можливість її застосовування замість іншої без додаткової обробки, зі збереженням заданої якості виробу, до складу якого вона входить. Взаємозамінність є важливою рисою сучасного машинобудування, без якої неможливе серійне і масове виробництво. Таким чином, стандартизація, уніфікація і взаємозамінність створюють сприятливі умови для організації масового виробництва деталей і складальних одиниць на спеціалізованих підприємствах, зменшують трудомісткість і вартість виготовлення, забезпечують підвищення якості і збільшення довговічності деталей; скорочують час конструювання та освоєння нових машин; спрощують ремонт, зводячи його до заміни спрацьованих або тих, що вийшли з ладу, деталей і складальних одиниць новими, стандартними. 440 Запитання для самоконтролю 1. Що вивчають в деталях машин? 2. Дайте визначення деталі, складальної одиниці, комплексу, комплекту. 3. Назвіть деталі загального і спеціального призначення. 4. Які основні вимоги ставляться до машин і їх деталей? 5. Як можна підвищити міцність і довговічність деталі? 6. Яку конструкцію можна вважати економічною і технологічною? 7. Що таке уніфікація конструкції? 8. Які фактори впливають на вибір матеріалу деталі? 9. Як класифікують машинобудівні матеріали? 10. Для чого потрібна стандартизація і взаємозамінність деталей машин? 441 РОЗДІЛ 25 НЕРОЗЄМНІ З’ЄДНАННЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН З’єднання деталей машин і інших технічних виробів може бути нероз’ємними і роз’ємними. Нероз’ємними називаються з’єднання, які неможливо розібрати без руйнування або пошкодження деталей, що його складають. До них відносяться заклепочні, зварні, клейові, паяні та інші. На відміну від нероз’ємних з’єднань роз’ємні можливо розібрати і знову зібрати без їх руйнування. До них відносяться різьбові, шпонкові, шліцьові та інші. Розглянемо спочатку докладніше основні типи нероз’ємних з’єднань. § 25.1. Заклепочні з'єднання Заклепочне з’єднання здійснюється за допомогою клепок – конструктивних елементів, які, як правило, являють собою металеві стержні циліндричної форми із закладною головкою на кінці. Для утворення заклепочного шва стержень заклепки треба ввести в отвори, продавлені або просвердлені в з'єднуваних деталях, і ударами молотка або тисненням спеціальних клепальних машин за допомогою обтискачів розклепати виступаючий кінець заклепки (утворити замикаючу головку) (рис. 253). Переваги заклепочних з’єднань: – висока міцність і надійність з'єднання; – простота контролю якості з'єднання; – можливість з'єднання деталей із будь – яких матеріалів; – незмінність фізико – хімічних властивостей матеріалів деталей 442 з'єднання у процесі клепання; – висока працездатність при ударних і повторно – змінних навантаженнях. Недоліки заклепочних з’єднань: – неповне використання матеріалу з'єднуваних деталей внаслідок ослаблення їх заклепочними отворами; – складність технологічного процесу виготовлення клепаних конструкцій; – важкість з'єднання деталей складної конструкції; – з'єднання деталей у стик потребує застосування спеціальних накладок, що призводить до додаткового збільшення маси конструкцій. Усі ці недоліки дуже істотні, тому вони привели до різкого скорочення застосування заклепкових з'єднань і заміни їх зварними, паяними та клейовими з'єднаннями. Заклепки застосовують у з'єднаннях, для яких методи зварювання і склеювання розроблено недостатньо або вони малоефективні; у з'єднаннях деталей з різнорідних матеріалів, кольорових металів і сплавів, де нагрівання деталей недопустиме через короблення або відпускання; в особливо відповідальних з'єднаннях (унікальні ферми залізничних мостів та ін.); у з'єднаннях, які працюють при великих ударних і вібраційних (авіація) навантаженнях, та ін. Заклепки виготовляють із каліброваних прутків на спеціальних верстатах-автоматах. Найпоширеніші заклепки із сталі Ст2, Ст3, 10, 15, мідних та алюмінієвих сплавів. За формою головки розрізняють заклепки з напівкруглою головкою, які найбільш поширені (рис. 6.1, а), з потайною (рис. 6.1, б), напівпотайною (рис. 6.1, в), плоскою (рис. 6.1, г) головками. У деяких галузях машинобудування застосовують трубчасті і вибухові заклепки. 443 Рис. 6.1 Вибухові заклепки (рис. 6.1, г) застосовують при неможливості утворення замикаючої головки звичайними способами (за допомогою клепальної машини або молотка). Трубчасті заклепки, або заклепки – пістони (рис. 6.1, д), в основному застосовують для з'єднання неметалевих матеріалів (шкіра, фібра, прогумована тканина). За функціональним призначенням заклепочні з'єднання класифікують на міцні і щільні,від яких потрібна не тільки міцність, а і герметичність з'єднання. Заклепки щільних швів ставлять у гарячому стані, при остиганні вони щільніше притискують поверхні з'єднуваних деталей. На сьогоднішній час щільні шви майже повністю замінено зварюванням. За конструктивними ознаками заклепочні з'єднання бувають напускові (рис. 6.2, а), з однією (рис. 6.2, б) і двома (рис. 6.2, в) накладками; однорядні, дворядні (рис. 6.2, г), трирядні і т.д. Незважаючи на складну залежність між силами, напруженнями і деформаціями в заклепковому шві, заклепки розраховують тільки на зріз і зминання, а з'єднані деталі – тільки на розтяг (стиск) по ослабленому отворами перерізу. 444 Рис. 6.2 При розрахунку приймають такі допущення: навантаження рівномірно розподілено між усіма заклепками; концентрацію напружень біля отворів не враховують; тиски між бічною поверхнею заклепки і стінкою отвору (напруження зминання) вважають розподіленими рівномірно; напруження зрізу приймають розподіленими рівномірно по поперечному перерізу заклепки. Розрахункові формули на міцність заклепочного з'єднання мають наступний вигляд. 445 Міцність заклепок на зріз: зр зр зр i n A P , (6.1) де 4 d А 2 зр – площа зрізу однієї заклепки, n – кількість заклепок у з'єднанні, i – кількість площин зрізу однієї заклепки. Міцність з'єднання на зминання: зм зм зм n A P , (6.2) де min зм d А – площа зминання однієї заклепки, min – найменша товщина з'єднуваних деталей, n – кількість заклепок у з'єднанні. Міцність з'єднаних листів на розтяг (стиск): р р р n A P , (6.3) де зм А – розрахункова площа у небезпечному перерізі розтягнутого (стиснутого листа), n – кількість отворів у небезпечному перерізі листа. Із умови рівноміцності з'єднання крок заклепочного шва приймають d ) 6 ... 3 ( t , відстань між рядами заклепок – d ) 3 ... 2 ( , де d – діаметр заклепки. § 25.2. Зварні з'єднання У сучасному машинобудуванні і будівництві великого поширення набули нероз'ємні з'єднання, які здійснюють за допомогою зварювання. Зварювання – технологічний процес утворення нероз'ємного з'єднання деталей за допомогою місцевого сплавлення або деформування 446 із метою утворення міцних зв'язків між атомами і молекулами. На сьогоднішній день існує понад 60 методів зварювання, які поділяються на дві основні групи: зварювання плавленням (газове, аргонодугове, високочастотне, дугове та ін.) і зварювання пластичним деформуванням (холодне, газопресове, контактне, стикове, точкове та ін.). Газове зварювання – зварювання плавленням, при якому джерелом теплоти є високотемпературне полум'я горючих газів (ацетилену, водню) в струмені кисню. За допомогою газового зварювання можна зварювати тонку листову сталь, чавун, кольорові метали і сплави. Полум'я газового пальника використовують також для різання металів. Контактне зварювання – зварювання, при якому зварювані деталі розігріваються теплотою, що виділяється при проходженні електричного струму через місце контакту з'єднуваних деталей, доводяться до пластичного стану і механічно здавлюються. Електродугове зварювання – зварювання, при якому між електродом, що є присадним металом, і зварюваними деталями утворюється електрична дуга, в зоні якої формується шов внаслідок плавлення електрода. Крім перелічених видів зварювання застосовують і інші: електрошлакове – при великій товщині з'єднуваних деталей (до 2 м), ковальське, термітне, атомно-водневе, ультразвукове, тертям, електронно – променеве, дифузне, плазмове, світловим промінням та ін. Пластмаси зварюють у струмені гарячого повітря або гарячим металевим лезом, струмами високої частоти, ультразвуком. Електродугове зварювання можна виконувати вручну і автоматично. При автоматичному зварюванні непокритий електродний дріт безперервно подається в зону зварювання і дуга горить під шаром шлаку (флюсу), що забезпечує високу якість шва. Крім того, автоматичний метод зварювання в 10...20 раз продуктивніший від ручного. 447 Основні переваги зварних з'єднань по відношенню до заклепочних: – економія матеріалу (зварні конструкції в середньому легші від клепаних на 20...25 %); – щільність з'єднань (в клепаних котлах та інших резервуарах, що перебувають під тиском); – можливість з'єднувати деталі будь-яких криволінійних профілів довільної товщини; – зменшення витрат праці у зв'язку із виключенням операцій розмітки і свердління або продавлювання отворів; – менша собівартість; – безшумність технологічного процесу зварювання і можливість автоматизації. Основні недоліки зварних з'єднань: – можливість порушення фізико – хімічних властивостей з'єднуваних деталей у зоні зварювання; – висока концентрація напружень у зоні зварних швів, обумовлена як геометрією зварюваних деталей і самих швів, так і можливими дефектами зварювання. Концентрація напружень знижує міцність з'єднання, особливо при ударних і вібраційних навантаженнях. При електродуговому зварюванні в залежності від взаємного розташування деталей, що зварюються розрізняють стикові, напусткові, таврові і кутові з'єднання. Стикове з'єднання (рис. 6.3, а) двох деталей, які розташовані в одній площині (на одній поверхні), є найраціональнішим видом зварного з'єднання. Стикові з'єднання характеризуються високою міцністю і надійністю при всіх видах навантажень. 448 Рис. 6.3 У напусткових з'єднаннях (рис. 6.3, б) з'єднувані деталі розташовані паралельно і частково перекривають одна одну. Таврове з'єднання (рис. 6.3, в) – це зварне з'єднання, в якому до бічної поверхні однієї деталі виробу примикає під кутом і приварена торцем інша деталь Кутове з'єднання (рис. 6.3, г) двох деталей, розташованих під будь – яким кутом (найчастіше 90°) і зварених у місці примикання їх країв, застосовують для виготовлення захисних засобів, тари та інших виробів, деталі яких сприймають невеликі навантаження. Кутові і таврові з'єднання відзначаються простотою виконання і економною витратою матеріалу. За формою підготовки кромок листів розрізняють зварні з'єднання із відбортованими кромками (рис. 6.4, а), без скошених кромок (рис. 6.4, б, в) і зі скошеними кромками (рис. 6.4, г), односторонні (рис. 6.4, б) і двосторонні (рис. 6.4, в, г). 449 Рис. 6.4 Зварні шви також поділяються за протяжністю – на неперервні і переривчасті; по положенню у просторі – на нижні, горизонтальні, вертикальні і стельові; за зовнішньою формою – на плоскі (рис. 6.5, а), угнуті (рис. 6.5, б) і опуклі (рис. 6.5, в). Рис. 6.5 Треба відмітити, що раціональнішими є шви плоского і угнутого профілів. Угнутий профіль особливо доцільний при динамічних навантаженнях, так як забезпечує знижену концентрацію напружень. При ручному зварюванні звичайно застосовуються опуклі шви. 450 Основним критерієм працездатності швів зварних з'єднань є їх міцність. Незважаючи на нерівномірність розподілу напружень по периметру шва, при розрахунках зварних з'єднань на міцність концентрацію напружень не враховують.Такий розрахунок умовний, однак виправданий практикою експлуатації. Стикові зварні з'єднання розраховують тільки за нормальними напруженнями розтягу (стиску): с , р с , р l P , (6.4) де P – зовнішня сила розтягу (стиску) з'єднання, – товщина елементів з'єднання, l – довжина шва, с , р – допустиме напруження матеріалу шва. Напусткові зварні з'єднання розраховують тільки на зріз за дотичними напруженнями зр Небезпечним тут приймають бісекторний переріз I I шва заввишки приблизно k 7 , 0 45 cos k , де k – катет шва (рис. 6.5, а). Таким чином, розрахункову площу зрізу шва при його сумарній довжині l визначають із виразу: l k 7 , 0 А зр При цьому рівняння міцності зварного шва на зріз має вигляд: зр зр зр l k 7 , 0 P A P , (6.5) де с , р – допустиме дотичне напруження матеріалу шва. Наведені розрахункові формули (6.4) і (6.5) застосовуються для швів зварних з'єднань, навантажених осьовими силами, але не моментами. Останній випадок зустрічається рідко і тут не розглядається. 451 Допустимі напруження зварних швів приймають залежно від допустимого напруження р основного металу конструкції, способу зварювання та характеристики електродів. Орієнтовано для стальних конструкцій при статичному навантаженні: р р 0 , 1 ... 9 , 0 , р с , р 65 , 0 ... 6 , 0 Значення допустимого напруження при розтягу залежить від границі текучості Т основного матеріалу (з'єднуваних деталей) і допустимого коефіцієнту запасу міцності n : n Т р Для низьковуглецевої сталі приймають 6 , 1 ... 3 , 1 n , а для низьколегованої сталі – 7 , 1 ... 5 , 1 n . Менші значення n рекомендується брати для маловідповідальних з'єднань і при легких режимах роботи, більші – у відповідальних (крани, ферми мостів і т. д.) і при важких умовах роботи. |