Тема 2. ДЕТАЛИ И МЕХАНИЗМЫ МАШИН. Тема детали и механизмы машин. Машины и их основные элементы
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
Надежность. Проблема надежности является одной из основных проблем в машиностроении. Свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного промежутка времени, обусловленное безотказностью и долговечностью изделий, называется надежностью. Известный авиаконструктор А.Н.Туполев говорил: «Чем дальше от доски конструктора обнаруживается ненадежность, тем она дороже обходится». Ненадежная машина не сможет эффективно функционировать, так как каждая ее остановка из-за повреждения отдельных элементов или снижения технических характеристик ниже допустимого уровня влечет за собой материальные убытки, а в отдельных случаях и катастрофические последствия. Из-за недостаточной надежности промышленность несет огромные потери. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в связи с их износом в несколько раз превышают стоимость новой машины: для автомобилей - до 6 раз, для самолетов - до 5, для станков - до 8, для радиотехнической аппаратуры - до 12 раз. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла. Надежность закладывается при проектировании и расчете машины. При изготовлении машины обеспечивается надежность; она зависит от качества изготовленных деталей, качества сборки узлов машины, методов контроля и испытания готовой продукции и других показателей технологического процесса. При эксплуатации машины реализуется ее надежность.  Показатели безотказности и долговечности проявляются только при эксплуатации, зависят от условий использования машины, системы ее ремонта и технического обслуживания.Безотказность - это свойство изделия непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного периода времени. В это понятие не включается техническое обслуживание, ремонт, подналадка. Изделие должно сохранять свои начальные параметры в допустимых пределах. Долговечность - свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение всего периода эксплуатации до предельного состояния. Здесь учитываются все ремонты, подналадки. Полная или частичная утрата работоспособности изделий называется отказом. По своей природе отказы могут быть связаны с разрушением поверхностей или самих деталей (выкрашивание, износ, коррозия, поломки) или не связаны с разрушением (ослабление предварительного натяга подшипников, засорение каналов). Отказы бывают полные или частичные, внезапные (поломки) или постепенные (изнашивание, коррозия), опасные для жизни человека или нет, устранимые и неустранимые. Показатели безотказности и долговечности изделия определяются в соответствии с теорией вероятности. Вероятность безотказной работы P(t) в течение заданного времени t(или заданной наработки) и вероятность отказа F(t) - взаимно противоположные события. Их сумма всегда равна единице. Вероятность безотказной работы находится в пределах 0 < P(t) < 1. Например, за время t= 100 ч вероятность безотказной работы составляет P(t) = 0,99. Это следует понимать так: за указанное время работы изделия вероятность отказа составит 1 %, т. е. F(t) = 0,01. Основным показателем долговечности элемента изделия является срок службы (наработка) tдо отказа. При оценке надежности изделия очень важны экономические показатели. Повышение безотказности и долговечности машин связано с дополнительными материальными затратами. Машиностроительные материалы. Детали машин чрезвычайно разнообразны, поэтому для их изготовления необходимы материалы с различными свойствами. Различают конструкционные материалы, которые используют для изготовления деталей машин, и инструментальные материалы, из которых получают режущие инструменты. При изготовлении изделий из конструкционных материалов одни детали должны обладать повышенной коррозийной стойкостью, другие - иметь сверхпроводимость, третьи - обладать особыми магнитными свойствами. В качестве конструкционных материалов используют различные металлы (алюминий, железо, медь, титан), сплавы металлов (железоуглеродистые - чугун, сталь; магниевые; медноцинковые -латуни; меднооловянные - бронзы; сплавы алюминия и др.), неметаллы (пластмассы, древесину, текстолиты, стеклотекстолиты) и композиционные материалы. Композиционные материалы являются новыми конструкционными материалами. Для их получения в основной материал добавляют наполнители, которые и определяют свойства композиционного материала. Размеры входящих компонентов колеблются от долей микрометра (для порошковых наполнителей) до нескольких миллиметров (у волокнистых наполнителей). Порошковая металлургия позволяет получать композиционные материалы, характеризующиеся жаропрочностью и износостойкостью, стабильными магнитными и другими свойствами. Порошковая металлургия дает возможность получать псевдосплавы из таких несплавляющихся металлов, как медь-вольфрам, серебро-вольфрам, которые обладают высокой электрической проводимостью и стойкостью к электроэрозионному изнашиванию; из них изготавливают электроконтактные детали. Композиционные материалы на основе пластмасс характеризуются высокой химической и коррозионной стойкостью. Они с успехом заменяют дорогостоящие цветные металлы. Композиционные материалы на основе резины существенно отличаются от металлов. Они характеризуются способностью выдерживать значительные деформации без разрушения, высокой сопротивляемостью к изнашиванию, газо- и водонепроницаемостью, диэлектрическими свойствами. Стекло, керамические, древесные и другие неметаллические материалы имеют свои специфические физико-механические и эксплуатационные свойства. Особое место в композиционных материалах занимают волокнистые материалы. В качестве волокнистых наполнителей используют проволоки из вольфрама, молибдена, волокна оксидов алюминия, бора, карбида кремния, графита. Выбор типа конструкционного материала зависит от физико-механических и эксплуатационных свойств, на которые влияет технологический процесс получения как самих материалов, так и деталей из них. Различные формы деталей машин из заготовок получают при помощи режущих инструментов. Режущие инструменты работают в условиях больших нагрузок, высоких температур, трения и износа. Поэтому инструментальные материалы должны иметь особые эксплуатационные и физико-механические свойства. Материал режущей части инструмента должен иметь большую твердость и высокие допускаемые напряжения на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Кроме того, режущий инструмент должен обладать достаточной вязкостью, чтобы воспринимать ударную нагрузку при обработке заготовок из хрупких материалов и с прерывистой поверхностью резания. Режущий инструмент должен сохранять свою твердость, а также режущие свойства при высоких температурах, поэтому инструментальные материалы должны иметь высокую теплостойкость. Важнейшей характеристикой режущей части инструмента является износостойкость. В этом случае детали, обработанные одним и тем же инструментом, будут иметь минимальный разброс размеров. В целях повышения износостойкости на режущую часть инструмента наносят специальными методами одно- и многослойные покрытия из карбидов вольфрама или нитридов титана. В качестве инструментальных материалов используют инструментальные стали, твердые сплавы, синтетические сверхтвердые и керамические инструментальные материалы, абразивные материалы. К инструментальным сталям относятся: -углеродистые инструментальные стали с содержанием углерода 1...1,3%; применяют марки У10А, У11А, У12А. Допустимые скорости резания этих сталей - 15... 18 м/мин. Из этих сталей изготовляют метчики, плашки, ножовочные полотна, сверла, зенкеры малых размеров; -легированные инструментальные стали; их получают на основе инструментальных сталей с добавлением хрома, вольфрама, ванадия, кремния и других легирующих добавок. Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к появлению трещин при закалке. Допустимая скорость резания - 15...25 м/мин. Применяются для изготовления протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток (марки 9ХВГ, ХВГ, 6ХС и др.); -быстрорежущие стали; они содержат вольфрама до 19%, поэтому после термообработки до твердости HRC3 62...65 имеют теплостойкость 600...650°С. Для изготовления режущих инструментов используют стали Р9, Р12, Р18 - резцы, фрезы, долбяки. Быстрорежущие стали с добавлением кобальта (Р9К5, Р18К10) применяют для обработки труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов в условиях тяжелого прерывистого резания. Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуют для инструментов, предназначенных для чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы). Их также применяют для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании стружки небольшого сечения. Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6МЗ) используют для инструментов, применяемых для черновой обработки, а также для изготовления протяжек, долбяков, шеверов. Поскольку быстрорежущие стали дорогие, то для экономии режущий инструмент изготовляют сборным или сварным. Хвостовик выполняют из конструкционной стали 45, 50, 40Х. Часто используют пластинки из быстрорежущей стали, которые приваривают к державкам или корпусам инструментов. Быстрорежущие стали обладают высокой износостойкостью, могут работать со скоростями резания до 100 м/мин; -твердые сплавы применяют в виде пластинок определенных форм и размеров, изготовляемых методом порошковой металлургии. Пластинки предварительно прессуют, а затем спекают при температуре 1500...1900°С. Твердые сплавы делят на три группы: вольфрамовую (ВК2, ВКЗ, ВК4 и т.д.), титановольфрамовую (Т30К4, Т15К6 и т.д.) и титанотанталовольфрамовую (ТТ7К12, ТТ10К8Б). Пластинки из твердого сплава обладают при HRC3 86...92 высокой износостойкостью и теплостойкостью 800...1250°С. Это позволяет вести обработку со скоростями до 800 м/мин. Пластинки из твердого сплава припаивают к державкам медными или латунными припоями. Недостатками твердых сплавов является низкая пластичность. Твердые сплавы группы ВК применяют для обработки хрупких металлов, пластмасс и других неметаллических материалов. Сплавы группы ТК используют при обработке вязких металлов и сплавов. Сплавы группы ТТК отличаются повышенной износостойкостью, поэтому их применяют для обработки сталей аустенитного класса (труднообрабатываемых); -синтетические сверхтвердые и керамические инструментальные материалы. Существует большое разнообразие сверхтвердых материалов (СТМ) на основе модификаций нитрида бора: эльбор (композит 0,1), гексанит-Р (композит 10) и др. Особенность пластин СТМ состоит в том, что они могут обрабатывать твердые сплавы, чугуны любой твердости, но в основном не выдерживают ударной нагрузки. Инструментальные керамические материалы (ЦМ332, силинит Р и др.) используются для чистовой и полу чистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 900 м/мин, а «черную» керамику (ВОК-60) применяют для чистовой и получистовой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных чугунов и закаленных сталей; - абразивные материалы - это мелкозернистые порошковые вещества, которые используют для изготовления абразивных инструментов: шлифовальных кругов, головок, сегментов, брусков. Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок, корунд) применяют весьма ограниченно из-за неоднородности их свойств. В промышленности применяют искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды бора, оксид хрома, синтетические алмазы, борсилокарбид, славутич, эльбор, гексагонит. Абразивные материалы имеют высокую твердость, износостойкость и теплостойкость (1200... 1800°С). Инструменты из абразивных материалов позволяют обрабатывать заготовки со скоростью резания 15... 100 м/с; в основном их используют для финишной обработки деталей, когда предъявляются повышенные требования к точности и шероховатости обработанных поверхностей. Для притирочных и доводочных работ, например для доводки инструментов из твердых сплавов, а также для шлифования заготовок из очень твердых материалов (рубинов, кварца, корунда), используют шлифовальные порошки из карбида бора. Для изготовления шлифовальных и полировальных паст применяют оксид хрома, венскую известь, трепел. Борсилокарбид используют для обработки заготовок из твердых сплавов, рубина и других сверхтвердых материалов. Эльбор (кубонит) применяют для обработки заготовок из высокотвердых материалов и конструкционных сталей. Инструменты из славутича не уступают алмазным по износостойкости и превосходят их по прочности. В промышленности используют природные (А) и синтетические (АСО, АСР, АСМ и т.д.) алмазы. Алмаз является самым твердым материалом, имеет высокую теплостойкость и износостойкость, у него практически не происходит слипания со многими материалами. Недостатком алмазов является повышенная хрупкость. Кристаллы алмазов применяют для оснащения резцов, сверл; алмазы используют для изготовления инструментов (кругов, пил, лент, брусков). Алмазный инструмент используют при тонком точении деталей из сплавов алюминия, бронз, латуней, неметаллических материалов; применяют для обработки заготовок из твердых материалов, германия, кремния, полупроводниковых и керамических материалов, жаропрочных сталей и сплавов. Обработку ведут со скоростями резания до 20 м/с. Поверхности, обработанные алмазами, имеют низкую шероховатость и малое отклонение размеров, так как алмазы имеют высокую размерную стойкость. Детали вращательного движения. В машинах много разнообразных деталей вращательного движения: зубчатые колеса, шкивы ременных передач, барабаны, звездочки цепных передач, маховики, шпиндели станков, колеса автомобилей и гидротурбин. Все эти вращающиеся детали устанавливают на валах или осях. Осью называется деталь, предназначенная только для поддержания вращающихся деталей; оси не передают крутящего момента. Чаще всего оси изготовляются прямыми и могут быть двух типов: невращающимися и подвижными, т. е. вращающимися вместе с установленными на них деталями. На расчетных схемах оси представляют балками, нагруженными изгибающими моментами, т.е. при расчетах не учитывают крутящий момент и силы трения. Валы, в отличие от осей, не только поддерживают вращающиеся детали машин, но и передают крутящие моменты, поэтому их рассчитывают на совместное действие кручения и изгиба. Если значения крутящих моментов на валу значительно больше значений изгибающих моментов, то валы считаются легко нагруженными и их рассчитывают на кручение, пренебрегая изгибом. По форме геометрической оси валы разделяют на прямые и коленчатые. Коленчатые валы применяют при необходимости преобразования в машине возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот. В таких валах совмещаются функции валов с функциями кривошипов в кривошипно-шатунных механизмах. Особую группу составляют гибкие валы, положение геометрической оси которых может изменяться в пространстве. Чаще всего оси и валы имеют две опоры, но существуют и многоопорные трансмиссионные валы, отдельные части которых соединяются муфтами. Опорные части валов и осей называют цапфами (1 на рис. 5), причем промежуточные цапфы называют шейками, а концевые -шипами. Цапфы передают на опоры радиальную нагрузку; длина цапфы под подшипники качения меньше, чем под подшипники скольжения. Для соединения вала или оси с другими деталями на поверхностях делают шпоночные пазы 4, отверстия 3; нарезают резьбу 2 и шлицы 6 (см. рис. 5). Резкие изменения сечений вала снижают его усталостную прочность. Поэтому переход от одного сечения к другому должен выполняться плавно, в виде галтелей 5. При вертикальном расположении вала осевые силы вала давят на подпятник. В больших гидроагрегатах (типа Волжской ГЭС) подпятники испытывают осевую нагрузку, достигающую 34 МН.  Рис. 5 Корпусные детали. Корпусные детали могут иметь разное назначение. Они заключают в себе механизмы машин, поддерживают их, служат базой для взаимного расположения основных узлов и, наконец, образуют контур машины или отдельных ее узлов. Корпусные детали в значительной степени определяют работоспособность и надежность машин по критериям точности работы под нагрузкой, виброустойчивости, долговечности. В стационарных машинах корпусные детали составляют 70...85% от всей массы машины. Поэтому вопрос снижения массы корпусных деталей всегда является злободневным, особенно для тяжелых станков. На рис. 6 показан тяжелый двухстоечный продольно-строгальный станок. Станина 1, стойка 2, поперечина 3, перекладина 4 и стол 5 - это все примеры корпусных деталей.  Рис. 6 К корпусным деталям относятся также корпуса коробок скоростей (автомобилей), плиты, рамы, основания, корпуса коробок передач, фундаментные плиты. Базовой деталью стационарной машины является станина. На станине закрепляются все узлы, при этом обеспечивается точность их взаимного расположения. У металлорежущего станка (см. рис.6) на станине имеются направляющие 6, по которым перемещаются узлы, несущие режущий инструмент или заготовку. Станина является одной из наиболее ответственных деталей станка, которая определяет многие его эксплуатационные качества. К конструкции станины предъявляются следующие требования: она должна иметь высокую жесткость и виброустойчивость, длительное сохранение точности, технологичность конструкции и минимальную массу, удобное взаимное расположение отдельных узлов, наличие резервуаров для смазки и охлаждения, удобство отвода стружки, наличие ниш для электродвигателя и электроаппаратуры. Для корпусных деталей критериями работоспособности и надежности являются прочность, жесткость и долговечность. Прочность является основным критерием работоспособности для корпусных деталей, подверженных большим нагрузкам, главным образом ударным и переменным. Жесткость служит основным критерием работоспособности большинства корпусных деталей. Повышенные упругие перемещения в корпусных деталях приводят к неправильной работе механизмов, снижению точности работы машины, способствуют возникновению колебаний. Долговечность по износу имеет огромное значение для корпусных деталей, имеющих плоские или цилиндрические поверхности скольжения, выполненные заодно с корпусом (без прокладок и втулок). |