Детали машин

1. Характеристика материала  детали.

 

Стали по назначению делятся на:

1) конструкционные (в которых  содержится углерода до 0,7)

2) инструментальные с содержанием  углерода от 0,7 до 2,14

3) с особыми свойствами (всегда  легированные стали)

Моя сталь 20ХГНМ относится к конструкционным сталям.

 

Конструкционные стали по сравнению  с другими машиностроительными  материалами характеризуются высокой прочностью, пластичностью, способностью хорошо воспринимать термическую или химико-термическую обработку.

Конструкционные стали разделяют на:

1) стали углеродистые с нормальным  или повышенным содержанием марганца;

2) стали легированные: низколегированные  с суммарным содержанием легирующих  компонентов менее 2,5%, среднелегированные  с содержанием легирующих компонентов  от 2,5 до 10% и высоколегированные с содержанием легирующих компонентов более 10%.

 

Легированные конструкционные  стали разделяют на качественные, высококачественные и особо высококачественные (ГОСТ 4543-60).

 

Конструкционные стали углеродистые и легированные по содержанию углерода и способности воспринимать термическую обработку разделяют на низкоуглеродистые – цементуемые, с содержанием углерода до 0,25%, среднеуглеродистые – улучшаемые и закаливаемые, с содержанием углерода от 0,25 до 0,6%, а также высокоуглеродистые – закаливаемые, с содержанием углерода выше 0,6%.

 

Таким образом, сталь 20ХГНМ относится  к среднелегированной конструкционной стали, а по содержанию углерода к низкоуглеродистой – цементуемой.

 

Химический состав

 

Группы стали	Марка стали	C, %	Si, %	Mn, %	Cr, %	Ni, %	Mo, %
Хромомарганцевоникелевая с молибденом	20ХГНМ	0,18-0,23	0,17-0,37	0,70-1,10	0,40-0,70	0,40-0,70	0,15-0,25

 

Благодаря дополнительному легированию  хромомарганцевых сталей никелем достигается повышение прокаливаемости и прочности.

 

 

Механические свойства при Т=20^oС материала 20ХГНМ

 

sв МПа	sT МПа	d5 %	y %	KCU кДж / м2	Термообр. -
1180-1570	930	7	-	590	Закалка 860oC, масло, Отпуск 150 - 180oC, воздух,

 

 

 

 

 

Обозначения:

 

Механические свойства:
sв	- Предел кратковременной прочности, [МПа]
sT	- Предел пропорциональности (предел  текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5	- Относительное удлинение при  разрыве, [%]
y	- Относительное сужение, [%]
KCU	- Ударная вязкость, [кДж / м2]

 

Легированные стали применяют, если к деталям предъявляют требования высокой прочности специфических свойств: жаропрочности, коррозионной стойкости и т.д. Как правило эти стали подвергают термической обработке.

Низкоуглеродистые легированные стали  применяются с цементацией и  закалкой для деталей, работающих на износ, особенно в условиях начального касания по линии или в точке (зубья шестерен, кольца подшипников) и при необходимости высокой прочности сердцевины.

 

Легированные стали широко применяют  в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Эти стали применяют для тяжело нагруженных металлоконструкций.

 

 

2. Описание детали.

 

Деталь, на которой закрепляют (подвижно или неподвижно) вращающийся элемент механизма (блок, зубчатое колесо и т.д.), называют валом.

Валы предназначены для передачи крутящего момента вдоль своей  оси и для поддержания вращающихся  деталей машин. Простейшие валы имеют  форму тел вращения. Валы вращаются в подшипниках. Так как передача крутящих моментов связана с возникновением сил, передающихся на валы, например сил на зубьях зубчатых колес, сил натяжения ремней и т.д., валы обычно подвержены, кроме крутящих моментов, также поперечным силам и изгибающим моментам.

Валы классифицируются:

а) По назначению

валы передач, несущие зубчатые колеса, шкивы, звездочки, муфты и другие детали или сборочные единицы передач;

коренные валы машин, кроме деталей передач, несут еще и рабочие органы производственных машин или машин двигателей. Например, валы турбин, на которые насажены колеса или диски турбин; валы электродвигателей, на которые насажены роторы; коленчатые и кривошипные валы и т.д.

б) По форме геометрической оси

прямые, получившие самое широкое распространение в различных отраслях машиностроения;

кривошипные и коленчатые, используемые не только для передачи момента, но и для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или, наоборот, вращательного движения в возвратно-поступательное (насосы);

гибкие с изменяемой формой геометрической оси применяют в разнообразных приводах механического инструмента, например, вал зубоврачебной бормашины, а также в несиловых приводах приборов, например, спидометр и др. приборов дистанционного управления.

в) По форме и конструктивным признакам

гладкие постоянного поперечного сечения – трансмиссионные, валы гребных винтов и т.д.;

ступенчато-переменного  поперечного сечения – валы большинства передач. Сюда же можно отнести шлицевые валы, валы-червяки и валы-шестерни. Для уменьшения массы валы иногда делают полыми.

Вал обычно работает на изгиб, кручение (вал прямозубого редуктора, фрикционной, ременной и цепной передач) или на изгиб, кручение и осевое сжатие (растяжение) – вал косозубого, конического и червячного редукторов.

Соединение валов с деталями передач (шкивами, зубчатыми колесами и т.п.), насаженными на них, осуществляется с помощью шпонок, шлицев, штифтов  и т.д. Насаженные на вал детали удерживаются от сдвига в осевом направлении (косозубые, конические и червячные зубчатые колеса и т.д.) с помощью буртов или заплечиков на валу, специальных установочных колец, распорных втулок, стопорных винтов и т.д.

Так как валы, как правило, имеют  круглое (сплошное) или реже кольцевое поперечное сечение, то в качестве заготовок для их изготовления применяют круглый прокат при диаметре вала, не превышающем 200 мм, или поковки при диаметре более 200 мм. Валы кольцевого сечения могут быть изготовлены из труб.

Посадочные поверхности валов обрабатываются на токарных и шлифовальных станках по √6 ÷ √9 классу чистоты.

Для уменьшения концентрации напряжений в местах перехода от одного сечения  вала к другому рекомендуется  осуществлять плавное изменение  величины диаметра, т.е. делать переходные закругления (галтели) возможно большего радиуса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Выбор и обоснование  способа получения заготовки.

Заготовку промежуточного вала коробки передач можно получить как литьем, так и штамповкой, но выгоднее – штамповкой так как в результате получается более лучшая структура детали.

Горячая объемная штамповка  поковок осуществляется в штампах. Штамп состоит из двух разъемных частей, внутренние полости которых в собранном виде образуют ручьи. Течение металла при деформации ограничивается формой и размерами внутренней полости штампа. Получаемые поковки отличаются высокой точностью размеров, большей сложностью конфигурации, хорошим качеством поверхности и меньшими припусками и допусками.

Следовательно, горячая  объемная штамповка обеспечивает значительную экономию металла, снижает трудоемкость обработки в кузнечном цехе и при последующей механической обработке, повышает коэффициент использования металла и увеличивает производительность оборудования.

Горячую объемную штамповку  широко применяют в автомобильной, тракторной, транспортной, авиационной и других отраслях промышленности.

При получении поковок штамповкой рабочим инструментом являются штампы, т. е. бойки, в которых вырезают или изготовляют другим способом форму требуемой поковки.

Штампы для  горячей штамповки на молоте состоят из двух разъемных частей, которые в собранном виде образуют один ручей или несколько ручьев.

Верхняя и нижняя части  штампа представляют собой монолитные детали, но бывают и сборными для экономии дорогой штамповой стали.

Различают объемную штамповку на молоте в открытых и в закрытых штампах.

При штамповке  в открытом штампе поковка получается с облоем (заусенцем) по месту разъема штампа. При штамповке с облоем полость штампа хорошо заполняется металлом, так как объем заготовки берется несколько больше объема полости штампа.

На рис. 1, а показана простейшая схема облойной одноручьевой штамповки не сложной по форме поковки 1 из цилиндрической заготовки 5. Штамп состоит из двух частей: верхней 7, прикрепляемой к бабе, и нижней 5, прикрепляемой к штамподержателю и шаботу молота при помощи специальных креплений и клиньев.

Боковые поверхности ручьев штампа для облегчения выемки поковок 6 имеют уклоны α = 3÷12^°.

Рис. 1. Штампы для горячей штамповки  на молоте: а— открытый; б — закрытый

Нагретую заготовку 5 перед штамповкой укладывают в нижнюю половину штампа на торец. При ударах верхним бойком по заготовке металл заполняет ручей, формируя черновую поковку 4.

Наиболее трудно заполняются  металлом углы внутренней полости штампа. Однако при осадке в штампе тонкий слой облоя 2—3, образующийся вокруг поковки, препятствует дальнейшему значительному течению металла в облой и металл вынужден заполнять углы внутренней полости штампа. В результате поковка получается хорошо выполненной, даже при сложной конфигурации. В дальнейшем облой удаляют на обрезных штампах.

При штамповке в закрытом штампе образование облоя по месту  разъема штампа не предусматривается (безоблойная штамповка). На рис. 1, б представлена схема штамповки на молоте в закрытом штампе. Верхняя 1 и нижняя 2 половины штампа образуют закрытую полость и поковка 3 формируется в этой полости, не имея возможности выхода за ее пределы. Это обеспечивается замком, представляющим собой плотное соединение двух конических поверхностей (конусность 1—2°) верхней и нижней половин штампа.

Для получения поковок  в закрытом штампе без избытка  и недостатка металла требуется строгое равенство объема заготовки объему полости штампа. В противном случае при избытке металла штамп не закроется и поковка не будет сформирована; при недостатке металла полость штампа неполностью заполнится и поковка будет забракована.

Штамповка на молоте может осуществляться в одноручьевых или многоручьевых штампах.

Одноручьевые штампы применяют  для получения поковок несложной конфигурации: форма и размеры полости штампа здесь соответствуют форме и размерам готовой горячей поковки.

Поковки сложной формы изготовляют  в многоручьевых штампах, состоящих из заготовительных ручьев (протяжных, пережимных, гибочных, подкатных и т. д.), предназначенных для подготовки изделия к последующей штамповке, и штамповочных (черновых и чистовых) ручьев, в которых производится окончательное формирование поковки. Заготовительные, черновые и чистовые штамповочные ручьи размещают в одном или в нескольких штампах.

Что же касается детали – промежуточный  вал коробки передач, то воспользуемся протяжным и чистовым ручьями.

Протяжной ручей служит для увеличения длины отдельных  участков заготовки за счет уменьшения площади поперечного сечения. Ручей выполняют в форме бойков, образующих порог протяжного ручья, деформация заготовки в нем аналогична операции протяжки на плоских бойках при ковке. Из протяжного ручья в зависимости от конфигурации поковки заготовка может поступать в штамповочный ручей или другие заготовительные ручьи. Молоты-машины динамического, ударного действия. Продолжительность деформации на них составляет тысячные доли секунды. Металл деформируется за счет энергии, накопленной подвижными (падающими) частями молота к моменту их соударения с заготовкой. У штамповочных молотов стойки станины устанавливают непосредственно на молоте. Эти молоты всегда имеют усиленные регулируемые направляющие для движения бабы. Масса матрицы у штамповочных молотов в 20-30 раз больше массы падающих частей. Все эти конструктивные особенности обеспечивают необходимую при штамповке точность соударения штампов. Паровоздушные молоты приводятся в действие паром или сжатым воздухом давлением 0,7-0,9МПа. Строят их с массой падающих частей 630-25000кг.