Выбор материала и методы обработки обычных механических деталей

 

В области механического проектирования и производства выбор подходящих материалов и подходящих технологий обработки имеет решающее значение для обеспечения производительности, качества и экономической эффективности механических деталей. В этой статье представлен углубленный анализ принципов выбора материалов, типов материалов и методов обработки распространенных механических деталей с целью предоставить ценную информацию инженерам-механикам и смежным специалистам.

 

 

IПринципы выбора материалов

 

Выбор материалов для механических деталей требует всестороннего учета множества факторов, включая требования к производительности, технологичность и экономическую эффективность. В частности, к основным принципам выбора материала относятся следующие:

 

1. Требования к производительности

Материал должен в первую очередь соответствовать конкретным требованиям к эксплуатационным характеристикам в условиях эксплуатации детали, таким как прочность, твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и усталостная стойкость. Это требует от проектировщика полного понимания условий работы детали, включая силы, с которыми она столкнется, рабочую среду (например, температуру, влажность и воздействие определенных веществ), а также любые особые требования (например, теплопроводность). электропроводность и магнитные свойства).

 

2. Технологичность

Технологичность материала напрямую влияет на простоту изготовления, эффективность производства и стоимость. Хорошая технологичность включает такие факторы, как ковкость, свариваемость и обрабатываемость, которые помогают снизить сложность и стоимость производства, а также повысить эффективность производства.

 

3. Экономическая эффективность

Соблюдая требования к производительности и технологичности, важно выбирать материалы, которые являются максимально экономически эффективными, чтобы минимизировать общую стоимость продукта. Это требует от дизайнеров всестороннего учета цен на материалы, затрат на обработку, а также последующих затрат на обслуживание и использование.

 

 

▲ Этапы выбора материала для механических деталей

 

 

II Распространенные типы материалов

 

Обычно используемые материалы для механических деталей в основном включают следующие категории:

 

1. Сталь

Сталь — один из наиболее часто используемых материалов для механических деталей, характеризующийся высокой прочностью, хорошей пластичностью и вязкостью, а также отличными характеристиками механической обработки. В зависимости от применения и требований к эксплуатационным характеристикам сталь можно разделить на обычную углеродистую конструкционную сталь, высококачественную углеродистую конструкционную сталь, легированную конструкционную сталь и литейную сталь и другие.

 

2. Чугун

Чугун обладает хорошей литейностью, гашением вибрации и износостойкостью, но его прочность и вязкость относительно низкие. Поэтому чугун часто используют для изготовления деталей, несущих статические нагрузки и фрикционный износ, например станин и корпусов станков.

 

3. Цветные металлы

Цветные металлы, такие как медь и медные сплавы, алюминий и алюминиевые сплавы, имеют меньшую плотность и хорошую электро- и теплопроводность, что делает их широко используемыми в электротехнической, электронной и аэрокосмической областях. В механических деталях цветные металлы часто используются для изготовления легких конструктивных элементов, подшипников скольжения и т. д.

 

4. Инженерные пластмассы

С развитием материаловедения применение конструкционных пластмасс в механических деталях получает все большее распространение. Конструкционные пластмассы легкие, устойчивы к коррозии и обладают хорошими изоляционными свойствами, что делает их пригодными для изготовления ненесущих, коррозионностойких или изолированных деталей.

 

 

III Анализ процессов обработки

 

Процессы обработки механических деталей разнообразны и обычно включают токарную обработку, фрезерование, сверление, шлифование, ковку и литье под давлением. Различные процессы обработки подходят для разных материалов и форм деталей, которые будут представлены отдельно ниже.

 

1. Поворот

Токарная обработка — это метод обработки, при котором заготовка фиксируется во вращающемся удерживающем устройстве, а инструменты постепенно срезают материал с заготовки для достижения желаемой формы и размера. Токарная обработка подходит для изготовления цилиндрических деталей, таких как валы и втулки. Точность и шероховатость поверхности токарной обработки зависят от выбора инструмента и настройки параметров резания.

 

2. Фрезерование

Фрезерование — это метод механической обработки, при котором с помощью вращающегося инструмента срезается материал с поверхности заготовки для изготовления плоских, вогнутых и выпуклых поверхностей, шестерен и других деталей сложной формы. Фрезерование можно разделить на такие типы, как торцевое фрезерование, вертикальное фрезерование, концевое фрезерование, зубофрезерование и контурное фрезерование, причем каждый тип подходит для различных задач обработки.

 

3. Бурение

Сверление — это метод механической обработки, при котором материал заготовки вырезается с помощью вращающегося сверла для образования отверстий необходимого диаметра и глубины. Сверление обычно используется для изготовления деталей с отверстиями, таких как отверстия для болтов и отверстия для подшипников. Точность и эффективность сверления зависят от выбора сверл, настройки параметров резания, выполнения мер по охлаждению и смазке.

 

4. Шлифование

Шлифование — это метод механической обработки, при котором материал постепенно срезается или шлифуется с поверхности заготовки с помощью абразивных инструментов для достижения желаемой формы, размера и качества поверхности. Шлифование подходит для обработки деталей с высокими требованиями к точности и качеству поверхности, таких как формы, прецизионные механические детали и инструменты. Точность и качество поверхности шлифования зависят от выбора абразивного инструмента, задания параметров шлифования и способа крепления заготовки.

 

5. Ковка

Ковка — это метод обработки металлов, при котором горячим металлическим материалам придается желаемая форма путем прессования. Ковка подходит для изготовления деталей сложной формы и высоких требований к механическим характеристикам, таких как шестерни и валы. Ковка может улучшить внутреннюю организационную структуру материалов, повышая прочность и ударную вязкость деталей.

 

6. Литье под давлением

Литье под давлением — это процесс, при котором расплавленный пластик впрыскивается в форму и затвердевает для производства необходимых деталей. Литье под давлением подходит для производства больших объемов пластиковых деталей сложной формы, таких как корпуса мобильных телефонов и автомобильные компоненты. Точность и качество поверхности при литье под давлением зависят от конструкции формы, производительности термопластавтомата и выбора пластиковых материалов.

 

 

IV Детальное проектирование типичных технологических маршрутов лука и стрел

 

Детали вала

 

Обычно используемые материалы для деталей вала широко различаются, в первую очередь их выбирают на основе таких факторов, как прочность, жесткость, износостойкость, технологичность и экономические соображения. Ниже приведены некоторые распространенные материалы деталей вала и их характеристики:

 

1. Углеродистая сталь

• Высококачественная углеродистая конструкционная сталь:Такие стали, как марки 35, 45, 50 и т. д., имеют высокие общие механические свойства и широко используются. Среди них наиболее часто используется сталь 45 из-за ее хороших характеристик. Для дальнейшего улучшения его механических свойств часто проводят нормализацию или закалку и отпуск.
• Обычная углеродистая конструкционная сталь:Такие стали, как Q235, Q275 и т. д., подходят для валов, которые несут относительно низкие или менее критические нагрузки.

 

2. Легированная сталь

Легированная сталь имеет высокие механические свойства, но относительно дорога и обычно используется для валов с особыми требованиями. Например, валы, работающие в условиях высоких скоростей, тяжелых нагрузок или высоких температур, часто используют легированную сталь для удовлетворения конкретных требований к производительности. К распространенным легированным сталям относятся 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA и т. д., которые после цементации, закалки и других термических обработок могут значительно повысить износостойкость, ударную вязкость и усталостную прочность валов.

 

3. Чугун

Ковкий чугун:Благодаря хорошим характеристикам литья, его легко отливать в сложные формы, он обладает хорошим гашением вибрации и низкой чувствительностью к концентрации напряжений. Его часто используют для изготовления валов сложной формы. В частности, редкоземельно-магниевый ковкий чугун, разработанный в Китае, широко применяется при производстве важных деталей валов в автомобильной, тракторной и станкостроительной промышленности благодаря своей превосходной ударной вязкости, снижению трения и свойствам поглощения вибрации.

 

4. Высокопрочный чугун.

Также обладает хорошими литейными и виброгасящими свойствами, что делает его пригодным для изготовления валов сложной формы.

 

 ▲ Пример 38CrMoAIA

 

 

Детали передач

 

Выбор материалов зубчатых передач — сложный процесс, требующий учета различных факторов, включая требования к нагрузке, скорости, условиям окружающей среды, требованиям к шуму и вибрации, а также экономические соображения.

 

1. Кованая сталь

Кованая сталь изготавливается методом ковки и имеет превосходные свойства по сравнению с обычной сталью. Шестерни из кованой стали обладают высокой прочностью, высокой износостойкостью и хорошей ударопрочностью, что делает их одним из наиболее часто используемых материалов для изготовления зубчатых колес. Обычные материалы из кованой стали включают сталь 45, механические свойства которой можно дополнительно улучшить за счет термообработки.

 

2. Литая сталь

Литая сталь обычно используется для изготовления шестерен большего размера, поскольку шестерни большого диаметра не подходят для ковки. Шестерни из литой стали обладают хорошей прочностью и ударной вязкостью, но их внутренняя структура может быть не такой плотной, как у кованой стали, и для улучшения их характеристик может потребоваться термическая обработка.

 

3. Легированная сталь

Легированную сталь изготавливают путем добавления к обычной стали определенного количества легирующих элементов, что приводит к более высокой прочности и твердости. Шестерни из легированной стали часто используются в устройствах, которые выдерживают большие нагрузки и работают на более высоких скоростях.

 

4. Серый чугун

Серый чугун относительно хрупкий, имеет низкую ударопрочность и износостойкость, но обладает хорошими свойствами против истирания и точечной коррозии. Поэтому шестерни из серого чугуна обычно используются в ситуациях, когда работа плавная, скорости низкие, а мощность невысокая.

 

5. Ковкий чугун

Ковкий чугун подвергается специальной термообработке, в результате чего графит в его внутренней структуре распределяется в сферическую форму, что повышает прочность и ударную вязкость чугуна. Шестерни из ковкого чугуна имеют хорошие комплексные характеристики и подходят для применений с более высокими требованиями к производительности.

 

6. Неметаллические материалы.

Пластмассы, порошковые металлы и т. д.:В определенных особых обстоятельствах, таких как небольшая нагрузка, низкая скорость или когда требуется снижение шума и вибрации, для изготовления шестерен можно использовать неметаллические материалы. Эти материалы легкие, малошумные, легко поддаются обработке, но их несущая способность и износостойкость уступают металлическим материалам.

 

Например, шестерни, используемые в автомобилях или тракторах.

 

▲ Пример 20CrMnTi

 

Детали инструментов

 

Выбор материалов для инструментов имеет решающее значение для их производительности и срока службы. При выборе инструментальных материалов необходимо учитывать различные факторы, в том числе назначение инструмента, свойства обрабатываемых материалов, условия резания и экономические соображения. Ниже приведены некоторые распространенные материалы для инструментов:

 

1. Быстрорежущая сталь

 

Характеристики:

• Высокая прочность и хорошая ударная вязкость, обеспечивающие острые режущие кромки.
• Хорошая обрабатываемость, легко поддается ковке и обработке.
• Делится на обычную быстрорежущую сталь и высокопроизводительную быстрорежущую сталь. Обычная быстрорежущая сталь имеет более низкие скорости резания, тогда как высокопроизводительная быстрорежущая сталь производится за счет увеличения содержания углерода и ванадия и добавления таких элементов, как кобальт и алюминий, что приводит к более высокой долговечности.

 

Приложения:

• Обычно используется для инструментов сложной формы, таких как спиральные сверла, метчики, развертки, зуборезные фрезы и формовочные инструменты, часто изготовленные из быстрорежущей стали.

 

2. Цементированный карбид

 

Характеристики:

• Чрезвычайно высокая твердость: твердость достигает 74–82 HRC при комнатной температуре и термостойкость до 900–1000 градусов, что обеспечивает превосходные характеристики резки.
• Высокие скорости резания, способные превышать 100 м/мин при резке углеродистой стали.
• Однако он имеет низкую вязкость, слабую ударную и вибрационную стойкость, а кромки нелегко заточить до предельной остроты, что ухудшает обрабатываемость.

 

Классификация и приложения:

• Цементированный карбид классифицируется в соответствии с GB2075-87 на типы P, M и K. П-тип используется для обработки длинной стружки черных металлов; Тип М используется для обработки черных и цветных металлов; Тип К предназначен для обработки короткой стружки черных, цветных металлов и неметаллических материалов.

 

3. Нержавеющая сталь

 

Характеристики:

• Простота в обслуживании, высокая коррозионная стойкость, подходит для использования во влажных или агрессивных средах.
• Однако ее твердость и острота могут быть не такими высокими, как у высокоуглеродистой стали, и обычно она дороже.

 

Приложения:

• Используется в бытовых кухонных ножах, медицинских хирургических инструментах и ​​других ситуациях, требующих частой чистки и поддержания гигиены.

 

4. Высокоуглеродистая сталь.

 

Характеристики:

• Высокая твердость и хорошая острота, подходят для точной обработки и резки.
• Однако он подвержен ржавчине и требует регулярного обслуживания и ухода.

 

Приложения:

• Используется в бритвах, уличных ножах и других устройствах, требующих высокой твердости и остроты.

 

 

▲ Зубчатые фрезы

 

 

▲ Описание основного процесса зубчатых фрез

 

 

V. Заключение

 

Выбор материалов и методов обработки обычных механических деталей — сложный и систематический процесс, требующий учета множества факторов. При выборе материалов выбор должен основываться на характеристиках, возможностях обработки и экономических аспектах деталей; При выборе методов обработки решения следует принимать в зависимости от формы, размеров, требований к поверхности деталей и характеристик материалов. Благодаря рациональному выбору материалов и методов обработки можно оптимизировать производительность, качество и экономическую эффективность механических деталей.