Вибір матеріалів і методи обробки для загальних механічних частин

 

У сфері механічного проектування та виробництва вибір відповідних матеріалів і відповідних методів обробки має вирішальне значення для забезпечення продуктивності, якості та економічної ефективності механічних частин. Ця стаття містить поглиблений аналіз принципів вибору матеріалів, типів матеріалів і методів обробки для звичайних механічних частин, щоб запропонувати цінну інформацію для інженерів-механіків і відповідних професіоналів.

 

 

IПринципи вибору матеріалу

 

Вибір матеріалів для механічних частин вимагає комплексного розгляду багатьох факторів, включаючи вимоги до продуктивності, технологічність та економічну ефективність. Зокрема, до основних принципів вибору матеріалу можна віднести наступне:

 

1. Вимоги до виконання

Матеріал, перш за все, повинен відповідати конкретним вимогам щодо робочих характеристик деталі, таким як міцність, твердість, зносостійкість, стійкість до корозії та стійкість до втоми. Це вимагає від розробника глибокого розуміння умов роботи деталі, включаючи сили, з якими вона зіткнеться, робоче середовище (таке як температура, вологість і вплив певних речовин) і будь-які особливі вимоги (такі як теплопровідність). , електропровідність і магнітні властивості).

 

2. Переробність

Можливість обробки матеріалу безпосередньо впливає на простоту виготовлення, ефективність виробництва та вартість. Хороша оброблюваність включає такі фактори, як кування, зварюваність і механічна обробка, які допомагають зменшити складність і вартість виробництва, а також підвищити ефективність виробництва.

 

3. Економічна ефективність

Задовольняючи вимоги до продуктивності та технологічності, важливо вибирати матеріали, які є максимально рентабельними, щоб мінімізувати загальну вартість продукту. Це вимагає від дизайнерів всебічного розгляду цін на матеріали, витрат на обробку та подальших витрат на обслуговування та використання.

 

 

▲ Етапи вибору матеріалу для механічних деталей

 

 

II Поширені типи матеріалів

 

Зазвичай використовувані матеріали для механічних частин в основному включають такі категорії:

 

1. Сталь

Сталь є одним із найбільш часто використовуваних матеріалів для механічних деталей, що характеризується високою міцністю, хорошою пластичністю та в’язкістю, а також відмінними характеристиками обробки. Залежно від застосування та вимог до продуктивності сталь можна розділити на звичайну вуглецеву конструкційну сталь, високоякісну вуглецеву конструкційну сталь, леговану конструкційну сталь і литу сталь тощо.

 

2. Чавун

Чавун має хорошу здатність до лиття, гасіння вібрацій і зносостійкість, але його міцність і в'язкість відносно низькі. Тому чавун часто використовується для виготовлення деталей, що витримують статичні навантаження і знос від тертя, наприклад, станини та корпуси верстатів.

 

3. Кольорові метали

Кольорові метали, такі як мідь і мідні сплави, алюміній і алюмінієві сплави, мають меншу щільність і хорошу електро- і теплопровідність, що робить їх широко використовуваними в електротехніці, електроніці та аерокосмічній галузі. У механічних частинах кольорові метали часто використовуються для виготовлення легких конструкційних компонентів, підшипників ковзання тощо.

 

4. Інженерні пластмаси

З розвитком матеріалознавства застосування інженерних пластмас у механічних частинах стає все більш поширеним. Інженерні пластмаси легкі, стійкі до корозії та мають хороші ізоляційні властивості, що робить їх придатними для виготовлення ненесучих, корозійностійких або ізольованих деталей.

 

 

III Аналіз процесів обробки

 

Процеси обробки механічних деталей різноманітні, зазвичай включають токарну роботу, фрезерування, свердління, шліфування, кування та лиття під тиском. Різні процеси обробки підходять для різних матеріалів і форм деталей, які будуть представлені окремо нижче.

 

1. Точіння

Токарна обробка — це метод обробки, при якому заготовка фіксується в обертовому утримувачі, а інструменти поступово відрізають матеріал від заготовки для досягнення бажаної форми та розміру. Токарна обробка підходить для виготовлення циліндричних деталей, таких як вали та втулки. Від вибору інструменту і налаштування параметрів різання залежить точність і шорсткість поверхні точіння.

 

2. Фрезерування

Фрезерування — це метод механічної обробки, який зрізає матеріал з поверхні заготовки за допомогою обертового інструменту для виготовлення плоских поверхонь, увігнутих і опуклих поверхонь, зубчастих коліс та інших деталей складної форми. Фрезерування можна розділити на такі типи, як торцеве фрезерування, вертикальне фрезерування, торцеве фрезерування, зубофрезерування та контурне фрезерування, причому кожен тип підходить для різних потреб обробки.

 

3. Свердління

Свердління — це метод обробки, який вирізає матеріал із заготовки за допомогою обертового свердла для формування отворів необхідного діаметру та глибини. Свердління зазвичай використовується для виготовлення деталей типу отворів, таких як отвори під болти та отвори під підшипники. Точність і ефективність свердління залежить від вибору свердла, налаштування параметрів різання, а також виконання заходів охолодження та змащення.

 

4. Шліфування

Шліфування — це метод механічної обробки, який поступово зрізає або шліфує матеріал з поверхні заготовки за допомогою абразивних інструментів для досягнення бажаної форми, розміру та якості поверхні. Шліфування підходить для обробки деталей з високими вимогами до точності та якості поверхні, таких як форми, прецизійні механічні деталі та інструменти. Точність і якість поверхні шліфування залежать від вибору абразивного інструменту, налаштування параметрів шліфування і способу затиску заготовки.

 

5. Кування

Кування - це метод обробки металу, який формує гарячеоброблені металеві матеріали в бажані форми шляхом пресування. Кування підходить для виготовлення деталей складної форми з високими вимогами до механічних характеристик, таких як шестерні та вали. Кування може покращити внутрішню організаційну структуру матеріалів, підвищуючи міцність і міцність деталей.

 

6. Лиття під тиском

Лиття під тиском — це процес, під час якого розплавлений пластик вливають у форму та твердіють для виготовлення необхідних деталей. Лиття під тиском підходить для виготовлення великої кількості пластикових деталей складної форми, таких як корпуси мобільних телефонів і автомобільні компоненти. Точність і якість поверхні лиття під тиском залежать від конструкції прес-форми, продуктивності машини для лиття під тиском і вибору пластикових матеріалів.

 

 

IV Детальний проект типових технологічних маршрутів лука та стріл

 

Частини валу

 

Матеріали, які зазвичай використовуються для деталей валів, дуже різноманітні, в основному вибираються на основі таких факторів, як міцність, жорсткість, зносостійкість, технологічність і економічні міркування. Нижче наведено деякі загальні матеріали для деталей валу та їхні характеристики:

 

1. Вуглецева сталь

• Високоякісна вуглецева конструкційна сталь:Такі сталі марок 35, 45, 50 тощо, ці сталі мають високі загальні механічні властивості та широко використовуються. Серед них сталь 45 найчастіше використовується завдяки хорошим характеристикам. Для подальшого підвищення його механічних властивостей часто проводять нормалізаційні або загартування та відпуск.
• Звичайна вуглецева конструкційна сталь:Ці сталі, такі як Q235, Q275 тощо, підходять для валів, які витримують відносно низькі або менш критичні навантаження.

 

2. Легована сталь

Легована сталь має високі механічні властивості, але відносно дорога, зазвичай використовується для валів з особливими вимогами. Наприклад, на валах, що працюють на високій швидкості, під великим навантаженням або в умовах високої температури, часто використовується легована сталь, щоб відповідати певним вимогам до продуктивності. Звичайні леговані сталі включають 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA тощо, які після науглерожування, загартування та інших термічних обробок можуть значно підвищити зносостійкість, ударну в’язкість і втомну міцність валів.

 

3. Чавун

Ковкий чавун:Завдяки хорошим характеристикам лиття його легко відливати в складні форми, він має гарне гасіння вібрації та низьку чутливість до концентрації напруги. Часто використовується для виготовлення валів складної форми. Зокрема, рідкоземельно-магнієвий ковкий чавун, розроблений у Китаї, широко застосовувався у виробництві важливих деталей валів в автомобільній, тракторній та верстатобудівній промисловості завдяки чудовій ударній в’язкості, зниженню тертя та поглинанню вібрації.

 

4. Високоміцний чавун

Також має хороші властивості лиття та гасіння вібрації, що робить його придатним для виготовлення валів складної форми.

 

 ▲ Приклад 38CrMoAIA

 

 

Частини передач

 

Вибір матеріалів для редуктора є складним процесом, який вимагає врахування різних факторів, включаючи вимоги до навантаження, швидкість, умови навколишнього середовища, вимоги до шуму та вібрації та економічні міркування.

 

1. Кована сталь

Кована сталь виготовляється за допомогою процесу кування та має кращі властивості порівняно зі звичайною сталлю. Ковані сталеві шестерні мають високу міцність, високу зносостійкість і хорошу ударостійкість, що робить їх одним з найбільш часто використовуваних матеріалів для виготовлення шестерень. Звичайні ковані сталеві матеріали включають сталь 45, механічні властивості якої можна покращити термічною обробкою.

 

2. Лита сталь

Лита сталь зазвичай використовується для виготовлення більших шестерень, оскільки шестерні великого діаметру не підходять для кування. Литі сталеві шестерні мають хорошу міцність і в'язкість, але їхня внутрішня структура може бути не такою щільною, як кована сталь, і може потребувати термічної обробки для покращення їх роботи.

 

3. Легована сталь

Легова сталь виготовляється шляхом додавання певної кількості легуючих елементів до звичайної сталі, що призводить до підвищення міцності та твердості. Редуктори з легованої сталі часто використовуються в програмах, які витримують великі навантаження та працюють на вищих швидкостях.

 

4. Сірий чавун

Сірий чавун є відносно крихким і має погану ударостійкість і зносостійкість, але він має хороші властивості проти задирів і виїмок. Тому редуктори із сірого чавуну зазвичай використовуються в ситуаціях, коли робота плавна, швидкості низькі, а потужність невелика.

 

5. Ковкий чавун

Ковкий чавун обробляється за допомогою спеціального процесу термічної обробки, завдяки чому графіт у його внутрішній структурі розподіляється у сферичній формі, що покращує міцність і міцність чавуну. Зубчасті колеса з ковкого чавуну мають гарну повну продуктивність і підходять для застосування з вищими вимогами до продуктивності.

 

6. Неметалеві матеріали

Пластмаси, порошкові метали тощо:За певних особливих обставин, таких як невелике навантаження, низька швидкість або коли потрібне зниження шуму та вібрації, для виготовлення передач можна використовувати неметалеві матеріали. Ці матеріали легкі, малошумні, легко обробляються, але за несучою здатністю та зносостійкістю поступаються металевим матеріалам.

 

Наприклад, шестерні, які використовуються в автомобілях або тракторах.

 

▲ Приклад 20CrMnTi

 

Частини інструменту

 

Вибір матеріалів для інструментів має вирішальне значення для їх продуктивності та терміну служби. При виборі інструментальних матеріалів необхідно враховувати різні фактори, включаючи призначення інструменту, властивості матеріалів, що обробляються, умови різання та економічні міркування. Нижче наведено деякі поширені інструментальні матеріали:

 

1. Швидкорізальна сталь

 

Характеристики:

• Висока міцність і хороша в'язкість, що дозволяє отримати гострі ріжучі кромки.
• Хороша оброблюваність, легко кувати та обробляти.
• Поділяється на звичайну швидкорізальну сталь і високоефективну швидкорізальну сталь. Звичайна швидкорізальна сталь має нижчу швидкість різання, тоді як високоефективна швидкорізальна сталь виробляється шляхом збільшення вмісту вуглецю та ванадію та додавання таких елементів, як кобальт і алюміній, що забезпечує більшу довговічність.

 

Застосування:

• Зазвичай використовується для інструментів складної форми, таких як спіральні свердла, мітчики, розгортки, зубчасті фрези та інструменти для форми, часто виготовлені зі швидкорізальної сталі.

 

2. Цементований карбід

 

Характеристики:

• Надзвичайно висока твердість, яка досягає 74–82 HRC при кімнатній температурі та термостійкість до 900–1000 градусів, що забезпечує чудову продуктивність різання.
• Висока швидкість різання, здатна перевищувати 100 м/хв при різанні вуглецевої сталі.
• Однак він має низьку в’язкість, слабку стійкість до ударів і вібрації, а краї нелегко заточити до надзвичайної гостроти з поганою оброблюваністю.

 

Класифікація та застосування:

• Цементований карбід класифікується відповідно до GB2075-87 на типи P, M і K. П-тип використовується для обробки довгої стружки чорних металів; М-тип використовується для обробки чорних металів і кольорових металів; К-тип призначений для обробки короткої стружки чорних металів, кольорових металів і неметалевих матеріалів.

 

3. Нержавіюча сталь

 

Характеристики:

• Простий в обслуговуванні, висока стійкість до корозії, підходить для використання у вологих або корозійних середовищах.
• Однак її твердість і гострота можуть бути не такими високими, як у високовуглецевої сталі, і вона зазвичай дорожча.

 

Застосування:

• Використовується в побутових кухонних ножах, медичних хірургічних інструментах та інших ситуаціях, що вимагають частого чищення та догляду за гігієною.

 

4. Високовуглецева сталь

 

Характеристики:

• Висока твердість і хороша різкість, придатні для точної обробки та різання.
• Однак він схильний до іржі і потребує регулярного догляду та догляду.

 

Застосування:

• Використовується в бритвах, вуличних ножах та інших застосуваннях, що вимагають високої твердості та гостроти.

 

 

▲ Варильні панелі

 

 

▲ Опис основного процесу конфорок

 

 

V Висновок

 

Вибір матеріалів і методів обробки для звичайних механічних частин є складним і систематичним процесом, який вимагає врахування багатьох факторів. При виборі матеріалів вибір повинен базуватися на характеристиках, можливостях обробки та економічних аспектах деталей; при виборі методів обробки рішення слід приймати відповідно до форми, розміру, вимог до поверхні деталей і характеристик матеріалів. Завдяки раціональному вибору матеріалів і технологій обробки можна оптимізувати продуктивність, якість і економічну ефективність механічних частин.