Выбор материалов и определение

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ДОПУСКАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ РАСЧЕТЕ

ПЕРЕДАЧ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ CAD / CAE СИСТЕМЫ WINMACHINE

 

Методические указания к лабораторному занятию

по курсу «Прикладная механика»

для студентов направления 220700.62

«Автоматизация технологических процессов и производств»

 

Составители О. В. Любимов

Л. М. Полетаева

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 9 от 26.03.2013

 

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

направления 220700.62

Протокол № 77 от 18.04.2013

 

Электронная копия находится

в библиотеке КузГТУ

 

 

Кемерово 2013

Цель работы. Общие положения

 

Целью лабораторной работы является:

• ознакомление с основными сведениями о конструкционных материалах, применяемых в машиностроении, в частности, для изготовления зубчатых и червячных передач и конкретными рекомендациями по их выбору;

• изучение зависимостей для определения допускаемых напряжений при расчете зубчатых и червячных передач, приобретение навыков их использования при выполнении соответствующих расчетов (с возможностью применения APM WinMachine).

Работа рассчитана на 2 часа.

Материалы, изложенные в методических указаниях, могут быть использованы для выполнения самостоятельной работы.

Расчет и проектирование деталей машин начинается с выбора материала, назначения режима его термической обработки и определения допускаемых напряжений.

Выбор материалов и термообработки деталей машин определяется:

а) необходимостью обеспечения требуемой надежности деталей в течение заданного срока службы при заданных требованиях к габаритам;

б) экономическими факторами и условиями изготовления.

Следует иметь в виду, что стоимость материалов составляет значительную часть стоимости машин, например в среднем в автомобилях 65…70%, а в грузоподъемных машинах 70…75%.

Выбирая материал, учитывают следующие факторы [1]:

• соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочности, износостойкости и др.);

• требования к массе и габаритам детали и машины в целом;

• другие требования, связанные с назначением детали и условиями её эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т.д.);

• соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и пр.);

• стоимость и дефицитность материала.

Ответственным этапом расчета является выбор коэффициентов запасов прочности (допускаемых напряжений). Заниженные значения коэффициентов запасов прочности, а следовательно, завышенные значения допускаемых напряжений приводят к разрушению детали, а завышенные значения коэффициентов запасов (заниженные значения допускаемых напряжений) – к неоправданному увеличению массы и перерасходу материала, что имеет важное значение в условиях большого объема выпуска деталей общего назначения.

Рекомендации по выбору материалов, а также по определению допускаемых напряжений вырабатывают в результате обобщения опыта проектирования и эксплуатации аналогичных конструкций.

 

Общие сведения о конструкционных материалах

 

Номенклатура материалов, применяемых в машиностроении, очень велика и охватывает [2]:

• черные металлы;

• цветные сплавы;

• неметаллические материалы.

Большинство материалов стандартизировано.

В настоящих методических указаниях дано более подробное описание материалов, применяемых для изготовления зубчатых и червячных передач – черных металлов и цветных сплавов, в частности, бронз; о неметаллических материалах приведены общие сведения.

 

Черные металлы

 

Черные металлы, подразделяемые на стали и чугуны, имеют наибольшее распространение. Это объясняется, прежде всего, их высокой прочностью и жесткостью, а также сравнительно невысокой стоимостью. Основные недостатки черных металлов – большая плотность и слабая коррозионная стойкость.

 

Чугуны

 

Чугуном называют сплав железа с углеродом (более 2% С).

Чугун обладает высокими литейными свойствами, определившими область его применения в качестве конструкционного материала; хорошо обрабатывается резанием, образуя высококачественную поверхность для узлов трения и неподвижных соединений.

По структуре различают белый и серый чугун; по химическому составу – чугуны нелегированные и легированные, содержащие хром, никель, марганец, и другие легирующие элементы.

В изделиях общемашиностроительного применения наиболее широко используют серый чугун, обозначаемый буквами СЧ и двухзначными числами – пределами прочности при растяжении и изгибе, деленными на 10, в Н/мм² (например СЧ15-32, СЧ18-36).

Его используют для изготовления литых изделий относительно сложной конфигурации при отсутствии жестких требований к габаритам и массе (зубчатые колёса, детали корпусов, шкивы ременных передач и др.).

 

 

Цветные сплавы

 

Сплавы цветных металлов довольно широко применяются в машиностроении.

В качестве составных частей сплавов используют цветные металлы – медь, цинк, свинец, олово, алюминий и некоторые другие. Эти металлы значительно дороже черных и используются для выполнения особых требований: легкости, антифрикционности, антикоррозионности и др.

Различают медные, алюминиевые, магниевые и титановые сплавы.

Наибольшее распространение нашли медные сплавы – бронзы, латуни и баббиты.

 

Бронзы

 

Бронзы – это сплавы на основе меди, в которых главными добавками являются олово, алюминий, свинец, железо и ряд других химических элементов. По основному, кроме меди, компоненту бронзы подразделяют на оловянные, свинцовые, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др.

Для бронз характерны высокие антифрикционные свойства, коррозионная стойкость, универсальная технологичность. Все бронзы хорошо обрабатываются резанием. Указанные свойства позволяют применять их в узлах трения – подшипниках скольжения, направляющих, водяной, паровой и масляной арматуре и особенно в червячных передачах и передачах винт-гайка.

Бронзы обозначают буквами Бр и условными обозначениями основных компонентов, кроме меди (А – алюминий, Ж – железо, Мц – марганец, Н – никель, О – олово, С – свинец, Ц – цинк, Ф - фосфор), и цифрами, указывающими среднее содержание соответствующих компонентов в целых единицах процентов.

Оловянные бронзы (содержание олова обычно 4…12 %) являются универсальными, хорошо работающими в любых условиях. Свинец в составе таких бронз повышает сопротивление коррозии и позволяет уменьшить содержание олова, а цинк и фосфор в основном улучшают технологические свойства. Ввиду высокой стоимости применение высокооловянных (10…12% Sn) бронз ограничено.

Алюминиевые бронзы с добавлением железа (а также иногда марганца и никеля) применяют преимущественно как антифрикционный материал при высоких давлениях, но относительно малых скоростях скольжения. Необходимо, чтобы поверхность, сопряженная с бронзой, была закалена до значительной твердости, имела достаточную точность и высокое качество обработки.

 

Латуни

 

Латуни – медные сплавы, в которых преобладающим легирующим компонентом является цинк (до 50% Zn).

Латуни характеризуются хорошим сопротивлением коррозии, электропроводностью, достаточной прочностью и особо хорошими технологическими свойствами.

Их применяют для изготовления труб, арматуры, гильз патронов, электромашиностроительных компонентов и т.д.

Сложные латуни (содержащие кроме меди и цинка свинец, кремний, марганец, алюминий, железо, никель, олово) применяют также для изготовления зубчатых венцов червячных колес. Но из-за пониженных антизадирных свойств латуни ее использование возможно лишь для передач, работающих при сравнительно невысоких скоростях скольжения (  м/с).

 

Баббиты

 

Баббиты – сплавы меди с мягкими металлами (оловом, свинцом, цинком,), представляющие собой высококачественные, хорошо прирабатывающиеся антифрикционные подшипниковые материалы низкой твердости, допускающие работу со значительными скоростями и давлениями.

Баббиты являются одним из лучших материалов для заливки вкладышей подшипников скольжения.

Высокооловянные баббиты (свыше 70% Sn) применяют в подшипниках весьма мощных и ответственных машин, например, в авиационных двигателях, прокатных станах и т.п. остальные баббиты применяют в подшипниках ответственных машин среднего и тяжелого машиностроения.

Область применения баббитов ограничивает их очень высокая стоимость (в 20 и более раз превышающая стоимость качественной стали) при сравнительно невысоких механических характеристиках.

 

Неметаллические материалы

 

К неметаллическим материалам относятся дерево, резина, кожа, асбест, пластмассы, металлокерамические материалы.

Из перечисленных материалов наиболее широкое распространение нашли пластмассы, а также металлокерамические материалы. В условиях современного массового производства развитию порошковой металлургии, методом которой получают металлокерамику, уделяется все большее внимание.

Остальные неметаллические материалы используют для многочисленных деталей невысокой напряженности, например, из резины изготовляются амортизаторы, упругие элементы муфт, ремни, уплотнения, электроизоляционные детали и т.п.; кожа, благодаря высокой прочности и эластичности, применяется для изготовления ремней, амортизационных деталей муфт, прокладок и т.п.

 

Пластмассы

 

Пластические массы представляют собой материалы на основе высокомолекулярных органических соединений, обладающие в определенной фазе своего производства пластичностью, позволяющей формовать изделия.

Современное развитие химии высокомолекулярных соединений позволяет получать материалы, которые обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, тепло- и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью.

Пластмассы обладают хорошими литейными свойствами и легко обрабатываются пластическим деформированием при сравнительно невысоких температурах и давлениях, что позволяет получать из них изделия сложной формы высокопроизводительными методами (литьем под давлением, штамповкой, вытяжкой).

Важным преимуществом пластмасс является сочетание легкости и достаточно высокой прочности.

Основные потребители пластмасс – электротехническая и химическая промышленность. Здесь из пластмасс изготавливают корпуса, панели, баки, трубы и другие детали, подвергающиеся действию кислот, щелочей и т.п. В других отраслях машиностроенияпластмассы применяют для производства корпусных деталей, шкивов, вкладышей подшипников, фрикционных накладок, втулок и т.п.

Для зубчатых колес могут быть применены: текстолит – слоистая пластмасса с наполнителем из хлопчатобумажной ткани, обладающий повышенной прочностью и износостойкостью, а также некоторые полиамиды. Однако область применения таких колес ограничивается малонагруженными и кинематическими передачами, используемыми, например, в приборостроении.

 

И червячных колес

 

Червяки изготавливают стальными вследствие большого числа испытываемых циклов нагружений, больших напряжений изгиба и кручения, высоких требований к жесткости [3].

Для червяков ответственных передач используют сталь 18ХГТ и другие недорогие стали, подвергаемые цементации с закалкой до HRC 56…63. После закалки червяки шлифуют и полируют.

Для червяков малонагруженных передач используют стали типа 40Х, 35ХМ, 40ХН, закаливаемые ТВЧ до твердости HRC 45…50, при этом предусматривают увеличенные припуски под шлифовку.

Червяки эпизодически работающих передач вспомогательных механизмов могут быть изготовлены из улучшенных сталей типа 45, 40Х.

Материалы, используемые для изготовления венцов червячных колес, приведены в табл. 3, при этом определяющим является ориентировочное значение скорости скольжения:

, м/с.

 

Таблица 3

Скорость скольжения , м/с	Материал	Способ отливки		Механические свойства
				, МПа	, МПа
£ 25	БрО10Н1Ф1	Ц		285	165
£ 12	БрО10Ф1	К		275	200
		З		230	140
£ 8	БрО5Ц5С5	К		200	90
		З		145	80
£ 5	БрА10Ж4Н4	Ц	700		460
		К	650		430
	БрА10Ж3Мц1,5	К	550		360
		З	450		300
	БрА9Ж3Л	Ц	530		245
		К	500		230
		З	425		195
£ 2	СЧ 18	З		355 МПа
£ 3	СЧ 15	З		315 МПа
Примечание. Принятые обозначения способов отливки: Ц – центробежный; К – в кокиль; З – в землю.

 

Расчет зубчатых передач

В числе основных данных, определяющих величину допускаемых напряжений для автоматизированного расчета зубчатых передач, вводят:

• частоту вращения выходного вала, мин^-1;

• требуемый ресурс передачи, час;

• число зацеплений каждого колеса передачи за один оборот ведущего колеса (для цилиндрических передач);

• термообработку каждого из колес. Учитывается четыре вида термообработки – улучшение, закалка, цементация, азотирование;

• типовой режим работы передачи (из числа описанных в 2.2.3);

• возможность реверса.

При проектировании с ограничениями (во время ввода исходной информации нажимается кнопка «Еще…») в качестве дополнительных данных для уточнения физико-механических свойств материалов могут быть заданы:

• материал каждого из колес из базы данных;

• средняя твердость (HRC) поверхности и сердцевины зубьев.

Выбор материала с соответствующей термообработкой осуществляется из базы данных [5]. Она представляет собой отдельный файл, доступный для редактирования (рис. 4).

 

 

Рис. 4

В случае несоответствия дополнительного параметра «Материал» и основного параметра «Термообработка» система выдаст информационное сообщение. При этом дополнительный параметр «Материал» в расчетах учитываться не будет.

При вводе твердости поверхности и сердцевины зубьев для пересчета единиц твердости при необходимости возможно использование рис. 2, б.

 

Расчет червячных передач

 

В числе основных данных, определяющих величину допускаемых напряжений при автоматизированном расчете червячных передач, вводят:

• частоту вращения выходного вала, мин^-1;

• требуемый ресурс передачи, час;

• материал венца червячного колеса: оловянная бронза, безоловянная бронза;

• типовой режим работы передачи (из числа описанных в 2.2.3).

В качестве источника информации о материалах венца используется база данных APM Material Data модуля APM Base [6].

 

Порядок выполнения работы. Требования к отчету

Студент осуществляет выбор материалов для передачи зацеплением в порядке, описанном в методических указаниях Отчет по выбору материалов должен быть оформлен в соответствии с требованиями ЕСКД.

 

7 Контрольные вопросы

 

1) Чем определяется выбор материалов и термообработки, и какие факторы учитывают при выборе материалов?

2) К чему приводит неправильное назначение коэффициентов запаса прочности, а, следовательно, занижение или завышение значения допускаемых напряжений?

3) Какие материалы применяют в машиностроении? Чем объяснить наиболее широкое распространение черных металлов? Какими недостатками они обладают?

4) Зачем выполняют термическую и химико-термическую обработку стали? Перечислите основные виды термообработки и химико-термической обработки стали.

5) Какие цветные сплавы наиболее распространены в машиностроении? Назовите цветные сплавы, которые используют для изготовления зубчатых и червячных колес. Расскажите, какими свойствами обладает каждый из этих сплавов.

6) Какие неметаллические материалы применяют для изготовления зубчатых и червячных колес, и каковы особенности применения таких колес?

7) На какие группы разделяют стальные зубчатые колеса в зависимости от твердости? Дайте характеристику каждой группе по технологии, нагрузочной способности и способности к приработке. Назовите, какие марки стали и виды термообработки рекомендуют для зубчатых колес проектируемых вами редукторов.

8) Каковы критерии работоспособности и виды разрушения зубьев зубчатых передач? С какими напряжениями они связаны? По каким из этих напряжений ведут проектный расчет, и по каким – проверочный?

9) От каких характеристик материала преимущественно зависят сопротивление контактной усталости зубьев зубчатых передач и допускаемые контактные напряжения?

10) Как учитывают влияние срока службы зубчатых передач при определении допускаемых напряжений? Каким коэффициентом это учитывается? При объяснении используйте кривую усталости (рис. 1).

11) Как учитывают переменность режима нагрузки при определении допускаемых напряжений?

12) Каким коэффициентом учитывают влияние двустороннего приложения нагрузки при определении допускаемых напряжений изгиба при расчете зубчатых передач, и каково его значение?

13) Что такое типовые режимы, сколько их существует? Для каких машин характерен тот или иной режим? Какой режим нагрузки является наиболее тяжелым для передачи?

14) Чем объяснить, что червяки изготавливают стальными? Какие марки сталей и виды термической и химико-термической обработки используют для червяков различных передач?

15) Какие материалы применяют для изготовления венцов червячных колес? Что является определяющим при выборе материала для изготовления венца червячного колеса?

16) Какие условия являются определяющими при определении допускаемых контактных напряжений при изготовлении венцов червячных колес: а) из оловянных бронз; б) из безоловянных бронз; в) из чугунов?

 

Список рекомендуемой литературы

 

1. Прикладная механика: учебник для вузов / В.В. Джамай, Ю.Н. Дроздов, Е.А. Самойлов и др.: под ред. В.В. Джамая. – М.: Дрофа, 2004. – 414 с.

2. Проектирование механических передач: учебно-справочное пособие / С.А. Чернавский, Г.А. Снесарев, Б.С. Козинцов и др. – М.: «Альянс», 2008. – 590 с.

3. Шелофаст, В. В. Основы проектирования машин / В. В. Шелофаст. – М.: Изд-во АПМ, 2004. – 472 с.

4. APM Trans. Система проектирования механических передач вращения: Руководство пользователя. – М.: НТЦ АПМ, 2009. – 56 с.

5. APM Base. Система управления базами данных: Руководство пользователя. – М.: НТЦ АПМ, 2009. – 34 с.

 

Составители

 

Олег Владиславович Любимов

Лилия Михайловна Полетаева

 

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ДОПУСКАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ РАСЧЕТЕ

ПЕРЕДАЧ ЗАЦЕПЛЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ CAD/CAE СИСТЕМЫ WINMACHINE

 

Методические указания к лабораторному занятию

по курсу «Прикладная механика»

для студентов направления 220700.62

«Автоматизация технологических процессов и производств»

 

 

Печатается в авторской редакции

 

 

Подписано в печать..    . Формат 60´84/16.

Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л..

Тираж экз. Заказ     .

КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ