Выбор материалов деталей машин. Назначение параметров шероховатости рабочих поверхностей, исходя из их функционального назначения

Выбор материалов для деталей и назначение параметров шероховатости представляет собой сложную многовариантную задачу конструкторской деятельности. Эксплуатационные свойства зависят от многих факторов: характеристик свойств материалов - a*; of, Е; НВ и др.; размеров и точности - d; I; В; IT; системы геометрических параметров рабочих поверхностей - макроотклонения - Н_тах, Н_р волнистости W_z; W_p; S_mw; шероховатости - R_a; R_z R_max; R_p; S_m; t_p и др., субшероховатости - R,„i S_m/, физико-химических свойств поверхностных

слоев - остаточные напряжения, характеристики наклепа и др.

Решение указанной задачи в виде структурной схемы представлено на рис.2.4.

Рис. 2.4. Структурная схема выбора характеристик рабочих поверхностей деталей машин

Решение задачи в блоках 1-3 неформализовано, т.е. не может быть алгоритмизировано и реализовано на ЭВМ. Блоки 4, 5, 6 алгоритмизированы и реализуются на ЭВМ.

В блоке 4 осуществляется поиск зависимостей (количественных) между свойствами и параметрами состояния рабочих поверхностей.

В блоке 5 выбирается материал, обеспечивающий требуемое значение эксплуатационных свойств и пределы их изменения:

• 1. При известных размерах детали выбирают материал, точность, параметры состояния поверхностного слоя.
• 2. При заданном материале определяют размеры, их точность и параметры состояния поверхностного слоя.
• 3. При известных размерах и материале определяют точность и параметры состояния поверхностного слоя.
• 4. При известных материалах, размерах и точности детали определяют параметры состояния поверхностного слоя.

Решение задач многовариантно, поэтому поиск оптимального варианта ведется по себестоимости изготовления детали.

В блоке 6 на расчет накладывают ограничения:

Анализ задач 5 блока приводит к определению набора постоян ных параметров независимых оптимизирующих параметров.

Табличный метод выбора материалов базируется на опытностатистических данных в виде таблиц.

Метод начинают с анализа функционального назначения и номенклатуры деталей (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема выбора материалов

По справочникам выбирают общие области применения чугунов, сталей, цветных, тугоплавких металлов и сплавов, композиционных и неметаллических материалов.

R- и R_tmix определяют из равенств:

1. При лезвийной обработке

2. При алмазно-абразивной обработке

3. При отделочно-упрочняющей обработке

Пр имеры расчетов

Пример 1. Спроектировать соединение вала с втулкой, передающее крутящий момент М = 0,013 Н- м. Номинальные размеры: d - 20 мм; / = 15 мм; D = 26 мм и характеристики механических свойств ?, = ?->=21 • 10⁴МПа,//|=/Ь” 0,3.

При расчетах часто используют комплексные параметры для оценки состояния поверхностного слоя, в частности П и С_г:

где t_m - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии.

_р- J??_ioo% - уровень сечения профиля,

X - коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений на износ.

где а„-временное сопротивление разрыву,

сг, -действующее значение амплитудного напряжения в рабочем слое,

t_r~ параметр фрикционной усталости при упругом контакте.

Для расчета натягов уравнение имеет вид:

После подстановки данных получим, получим:

Для посадки с натягом в соединении 020 мм по Г ОСТ 25347-82 предпочтительными являются:

N (мкм) для этих посадок может быть в пределах: 2-36; 15-49; 22-56; 28-62; 35-69.

Отверстие по 7-му квалитету изготавливают на финишной операции чистовым развертыванием, шлифованием чистовым и тонким растачиванием. Эти методы обеспечивают:

Вал диаметром 20 мм по 6-му квалитету может быть изготовлен тонким обтачиванием и шлифованием, которые позволяют получить:

Минимальные натяги, обеспечивающие передачу М. равны соответственно для посадок: 2; 15; 22; 28 и 35.

а) Получим при обработке втулки развертыванием и вала - тонким растачиванием.

Остальное можно не считать.

б) Получим при обработке втулки чистовым развертыванием и вала-тонким шлифованием.

в) Получим при обработке втулки чистовым шлифованием и вала - тонким точением.

г) Получим при обработке втулки чистовым шлифованием и вала-тонким шлифованием.

д) Получим при обработке втулки тонким растачиванием и вала - тонким точением.

е) Получим при обработке в си тонким растачиванием и вала - тонким шлифованием.

Приемлемой посадкой является:

Пример 2. Определить значение комплексного параметра поверхностного слоя и его составляющих основных отверстий корпуса эл е ктро дв и гател я.

D = 52 мм под наружные кольца подшипников для следующих условий: допустимый износ U = 0,13 мм, эксплуатация в течение 40000

часов, рабочее давление р = 15 МПа, средняя частота вращения вала п = 1500 мин

Уравнение для расчета комплексного показателя имеет следующий вид:

где х - коэффициент;

/ - интенсивность изнашивания

Принимаем проскальзывание кольца в 30° за один оборот вала. При изготовлении корпуса из алюминиевого сплава АЛ2

(о_т = 150 МПа, Е = 1 • 10⁵ МПа, ц = 0,25,« = 10⁴. = 0,2;

Комплексный показатель равен выражению:

Этот комплексный показатель получается при раскатывании. Перебором устанавливаются отдельные параметры поверхностного слоя: R_a = 0,1 мкм; S_m = 0,02 мкм; t_m = 60%; W_z = 1 мкм; Н_тах - 6 мкм; к = 1,3; Я = 1.

Таким образом, на поверхности конструктор должен указать:

При изготовлении корпуса из алюминия со стальными втулками, основных отверстий из стали 3

Это соответствует тонкому растачиванию: R_a= 1,0 мкм; S„= 0,08 мкм; t_m= 45%; W_z= 5 мкм; Н_тах= 12 мкм; к= 1; X =1,0.

На чертеже должно быть:

При изготовлении из чугуна СЧ 18

(<х_Т = 687МПа; Е = 11,8-10⁴ МПа;/и = 0,25; я = Ю¹⁰;* = 0,2)

Это соответствует чистовому растачиванию: R_a= 2,0 мкм; S_m= 0,12 мкм; t_m= 40%; W_z= 6 мкм; Н_тах= 8 мкм; к = 1; X =10.

Пример 3. Определить параметры вала (d = 40 мм) из стали 40Х (а =550 МПа,!, работающего на растяжение в условиях, обеспечивающих его усталостную прочность при действии циклической нагрузки Р = 100 кН.

Уравнение расчета параметров шероховатости имеет следующий

вид:

а) При окончательной обработке поверхности вала чистовым точением при условиях: t_m = 45%, R_a = /?_тах/6, a_lKm = 150 МПа.

Подставив в уравнение, получим: R_max/S_m = 25, это соответствует Rmax = 4, S_m = 0,16 и окончательному оформлению данных на чертеже:

б) При окончательной обработке поверхности вала шлифованием при условиях: t_m = 50%, R_a - R_max/1, о_ост = 50 МПа.

Следовательно - R_max/S_m =32. Этому соотношению при шлифовании соответствует: Л_та*=1,5, S_m = 0,047 и окончательному оформлению данных на чертеже:

в) При окончательной обработке поверхности вала накатыванием при условиях: t_m = 60%, Л_а=/?_тах/5, Оост ~ - 400 МПа и Rmz_X/S_m = 40, что обеспечивается при Л_тах = 10,0 мкм, S„, = 0,25. На чертеже проставляется: