Основы проектирования и конструирования

дубликаты - документы идентичные с подлинником, выполненные на любом материале, пригодном для многократного снятия с них копий, и заверенные подписью лица, ответственного за выпуск документов;

копии - документы идентичные с подлинником или дубликатом, предназначенные для использования при разработке, изготовлении, эксплуатации и ремонте изделия.

Номенклатура видов конструкторских документов, разрабатываемых на изделие в зависимости от стадии разработки и видов изделий, и их коды приведены в ГОСТ 2.102-68, ГОСТ 2.601-68, ГОСТ 2.602-68 и ГОСТ 2.701-84.

При определении комплектности конструкторских документов на изделие следует различать:

основной конструкторский документ;

основной комплект конструкторских документов;

полный комплект конструкторских документов.

Основной конструкторский документ в отдельности или в совокупности с другими записанными в нем конструкторскими документами полностью и однозначно определяет данное изделие и его состав. Основными конструкторскими документами являются:

чертеж детали - для деталей,

спецификация - для специфицированных изделий (комплексов, сборочных единиц, комплектов).

Изделие, примененное по конструкторским документам, записывается в документы других изделий, составной частью которых оно является, за обозначением своего основного конструкторского документа. Считается, что такое изделие применено по своему основному конструкторскому документу.

Обязательными для организации производства рабочими конструкторскими документами являются:

чертеж детали - для деталей;

спецификация - для комплексов и комплектов;

спецификация и сборочный чертеж - для сборочных единиц.

Основной комплект конструкторских документов изделия объединяет конструкторские документы, относящиеся ко всему изделию в целом. Таким образом, в основной комплект конструкторских документов могут входить не только оригинальные документы, т.е. впервые разработанные на данное изделие, но также заимствованные и групповые документы, распространяющиеся на данное изделие. Конструкторские документы составных частей в основной комплект конструкторских документов изделия не входят.

Сведения о документах основного комплекта приводятся:

для специфицированных изделий - в спецификации изделия в разделе "Документация",

для деталей - в технических требованиях чертежа детали и в разделе "Документация" спецификации изделия, составными частями которого они являются.

Полный комплект конструкторских документов изделия в общем случае составляется из документов основного комплекта КД на данное изделие и основных комплектов КД на все составные части данного изделия, примененные по своим основным КД, сведения о которых приведены в разделах "Сборочные единицы" и "Детали" спецификации данного изделия.

5.2. Обозначение изделии и конструкторских документов. Классификатор ЕСКД

Обозначения изделий конструкторских документов играют чрезвычайно важную роль при оперативной обработка технико-экономической информации. Он составляют неотъемлемую часть языка описания производственного процесса. Особенно актуальна задача корректного обозначения конструкторских документов в условиях широкого использования электронно-вычислительной техники. Для эффективного использования электронно-вычислительной техники необходим единый формализованный информационно-поисковый язык, создаваемый на основе использования Единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации (ЕСКК).

Одним из элементов ЕСКК является система обозначения изделий и конструкторских документов машино- и приборостроения. Однако в действовавшем до последнего времени в промышленности стандарте (ГОСТ 5294--60 "Система чертежного хозяйства. Обозначение чертежей и других технических документов изделий основного производства") отсутствовало единство в обозначении изделий. Он допускал использование двух систем обозначения: предметной и обезличенной.

В предметной системе в обозначении содержится только информация о входимости составных частей изделия, к которой затем привязывается простая порядковая нумерация составных частей (сборочных единиц и деталей).

В обезличенной системе в обозначении отсутствует информация о входимости одной составной части изделия в другое и, в итоге, в законченное изделие. Здесь основным компонентом является классификационная характеристика, содержащая информацию о наиболее существенных характеристиках изделия (признаки классификации).

Отсутствие единства, а также распространение ГОСТ 5294-60 только на изделия основного производства привело к разработке множества локальных отраслевых, заводских и других классификаторов изделий, используемых в системах обозначений.

В таких условиях предприятия даже одной отрасли промышленности не могли эффективно пользоваться конструкторской документацией других предприятий без изменения ее обозначений, что вызывало дополнительные затраты.

Кроме того, отсутствие единой классификации не позволяло присваивать одинаковые классификационные характеристики однородным изделиям и осуществлять широкое заимствование, унификацию и стандартизацию, сокращение номенклатуры проектируемых и изготовляемых изделий и их составных частей. Наличие различных систем классификации и структур обозначения нарушало единство информационного языка, ослабляло обмен информацией, снижало эффективность функционирования АСУ и взаимодействие отдельных звеньев народного хозяйства. При отсутствии единства обозначений не обеспечивался ожидаемый экономический эффект и от ЕСКД, внедренной в сферах разработки, производства, эксплуатации и ремонта изделий.

При решении основных конструкторских задач приходится иметь дело с поиском и заимствованием конструкторских документов по. их обозначениям, что может быть успешно достигнуто при наличии, лишь единой системы обозначения изделий и документов и единого классификатора изделий.

Для исправления сложившегося положения Госстандарт совместно с промышленными министерствами и ведомствами разработал государственный стандарт на обезличенную классификационную систему обозначения изделий и конструкторских документов и Классификатор ЕСКД.

За основу разработки этих документов были приняты следующие принципиальные положения:

полный отказ от предметной системы, не обеспечивающей единства обозначения, ограничивающей возможности тематического поиска документов и изделий и препятствующей унификации, стандартизации и заимствованию изделий;

распространение единой системы обозначения на изделия основного и вспомогательного производства всех отраслей промышленности.

Разработанные ГОСТ 2.201--80 "ЕСКД. Обозначение изделий и конструкторских документов" и Классификатор ЕСКД обеспечивают:

и установление единой обезличенной классификационной системы обозначения изделий и конструкторских документов, позволяющей введение во всех отраслях промышленности единого порядка построения, оформления, учета, хранения и обращения этих документов;

возможность использования организациями и предприятиями при разработке, производстве, эксплуатации и ремонте изделий конструкторской документации, разработанной другими организациями и предприятиями, без ее переоформления;

внедрение в производство автоматизированного и облегчение ручного поиска изделий и конструкторских документов, разработку вторичных конструкторских и технологических документов с применением ЭВМ, внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР) и подготовки производства;

использование классификационных группировок для выявления объектов и определения направлений стандартизации унификации изделий.

Решение этих задач даст возможность сократить сроки и трудоемкость разработки, освоения в производстве и изготовления изделий, сократить сроки и трудоемкость технологической подготовки производства, сократить номенклатуру изделий и запасных частей к ним, увеличить серийность их производства, внедрить вычислительную технику в сферу проектирования и управления производством, повысить мобилизационную готовность промышленности.

5.3. Система обозначения конструкторских документов

Каждому изделию в соответствии с ГОСТ 2.101-68 должно быть присвоено обозначение. Обозначение изделия является одновременно обозначением его основного конструкторского документа (чертежа детали или спецификации).

Обозначения изделиям присваиваются централизованно или децентрализованно.

Централизованное присвоение обозначений осуществляется организациями, которым это поручено министерством, ведомством, в пределах объединения, отрасли.

Децентрализованное присвоение обозначений осуществляют организации-разработчики.

Обозначения изделий и конструкторских документов записываются в другие документы без сокращений, за исключением, случаев, предусмотренных ГОСТ 2.113--75. Деталям, на которые не выпущены чертежи в соответствии с ГОСТ 2.109--73, присваиваются самостоятельные обозначения по общим правилам.

ГОСТ 2.201--80 устанавливает следующую структуру обозначения изделия и его основного конструкторского документа:

	ХХХХ.		ХХХХХХ.		XXX
Код организации-разработчика
Код классификационной характеристики
Порядковый регистрационный номер

Четырехзначный символьный код организации-разработчика назначается по кодификатору организаций-разработчиков. При централизованном присвоении обозначения вместо кода организации-разработчика указывается код, выделенный для централизованного присвоения обозначения.

Код классификационной характеристики присваивается изделию и конструкторскому документу по Классификатору ЕСКД.

Порядковый регистрационный номер присваивается по классификационной характеристике от 001 до 999 в пределах кода организации-разработчика при децентрализованном присвоении обозначений, при централизованном -- в пределах кода организации, выделенного для централизованного присвоения.

Обозначение неосновного конструкторского документа состоит из обозначения изделия и кода документа:

ХХХХ.ХХХХХХ.XXX XXX

Обозначение изделия
Код классификационной характеристики

Код документа от обозначения изделия точкой не отделяется и должен содержать не более четырех знаков, включая номер части документа (при ее наличии). Структура кода документов установлена ГОСТ 2.102--68, ГОСТ 2.105--70, ГОСТ 2.601--68, ГОСТ 2.602--68 и ГОСТ 2.701--84. Например:

АБВГ.ХХХХХХ.002СБ -- сборочный чертеж;

АБВГ.ХХХХХХ.002ТО10--техническое описание, 11-я часть;

АБВГ.ХХХХХХ.002ЭЗ -- схема электрическая принципиальная;

АБВГ.ХХХХХХ.002ПЭЗ -- перечень элементов к схеме электрической принципиальной;

АБВГ.ХХХХХХ.002Э4.2 -- схема электрическая соединений блока питания, 3-я схема, выпущенная в виде самостоятельного документа схемы соединений.

ЛЕКЦИЯ 6

План лекции:

6.1. Образование производных машин на базе унификации и стандартизации

6.2. Методы создания производственных унифицированных машин

6.1. Образование производных машин на базе унификации и стандартизации

Унификация представляет собой эффективный и экономичный способ создания на базе исходной модели ряда производных машин одинакового назначения, но с различными показателями мощности, производительности т. д. или машин различного назначения, выполняющих качественно другие операции, также рассчитанных на выпуск другой продукции.

Унификация. Унификация состоит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов, что способствует сокращению номенклатуры деталей и уменьшению стоимости изготовления, упрощению эксплуатации и ремонта машин.

Унификация конструктивных элементов позволяет сократить номенклатуру обрабатывающего, мерительного и монтажного инструмента. Унификации подвергают посадочные сопряжения (по посадочным диаметрам, посадками точности размеров), резь6овые соединения (по диаметрам, типам резьб, посадкам и точности размеров, размерам под ключ), шпоночные и шлицевые соединения (по диаметрам, формам шпонок и шлицев, посадкам и точности размеров), зубчатые зацепления (по модулям, типам зубьев и точности размеров), фаски и галтели (по размерам и типам) и т. д.

Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внутренней (в пределах данного изделия) и внешней (заимствование деталей с иных машин данного или смежного завода).

Наибольший экономический эффект дает заимствование деталей серийно изготовляемых машин, когда детали можно получить в готовом виде. Заимствование деталей машин единичного производства, машин, снятых или подлежащих снятию с производства, а также находящихся в производстве на предприятиях других ведомств, когда получение деталей невозможно или затруднительно, имеет только одну положительную сторону: проверенность деталей опытом эксплуатации. Во многих случаях и это оправдывает унификацию.

Унификация марок и сортамента материалов, электродов, типоразмеров крепежных деталей, подшипников качения и других стандартных деталей облегчает снабжение завода-изготовителя и ремонтных предприятий материалами, стандартными покупными изделиями.

Степень унификации оценивают коэффициентом унификации К_ун, который представляют как отношение:

К_ун = Z_ун / Z • 100% ,

где Z - общее число деталей изделия; Z_ун - число унифицированных деталей.

Стандартизация. Стандартизация есть регламентирование конструкции и типоразмеров широко применяемых машиностроительных деталей, узлов и агрегатов.

Почти в каждой специализированной проектной организации стандартизируют типовые для данной отрасли машиностроения детали и узлы. Стандартизация ускоряет проектирование, облегчает изготовление, эксплуатацию и ремонт машин и при целесообразной конструкции стандартных деталей способствует увеличению надежности машин.

Стандартизация дает наибольший эффект при сокращении числа применяемых типоразмеров стандартов, т. е. при их унификации. В практике проектных организаций эта задача решается выпуском о г р а н и ч и т е л е й, содержащих минимум стандартов, удовлетворяющих потребностям проектируемого класса машин.

Преимущества стандартизации реализуются в полной мере при централизованном изготовлении стандартных изделий на специализированных заводах. Это разгружает машиностроительные заводы от трудоемкой работы изготовления стандартных изделий и упрощает снабжение ремонтных предприятий запасными частями.

Степень стандартизации оценивают коэффициентом:

К_ст = N_ст / N • 100% ,

где N_ст - число стандартных деталей; N общее число деталей в изделии.

Нельзя согласиться с распространенным среди конструкторов (особенно конструкторов творческого склада) пренебрежительным отношением к стандартам. Стандартизация является существенным фактором снижения себестоимости машин и ускорения проектирования. Однако непременным условием является высокое качество стандартов, непрерывное их совершенствование.

Кроме того, применение стандартов не должно стеснять творческую инициативу конструктора и препятствовать поискам новых, более рациональных конструктивных решений. При конструировании машин не следует останавливаться перед применением новых решений в областях, охватываемых стандартами, если эти решения имеют явное преимущество.

6.2. Методы создания производственных унифицированных машин

В настоящее время существует несколько направлений решения этой задачи унификации. Не все они являются универсальными. В большинстве случаев каждый метод применим только к определенным категориям машин, причем их экономический эффект различен.

Приведенная ниже классификация методов создания производственных унифицированных машин является условной. Некоторые из этих методов тесно взаимосвязаны; провести строгую границу между ними затруднительно. Возможно сочетание и параллельное применение двух или нескольких методов.

Секционирование. Метод секционирования заключается в разделении машины на одинаковые секции и образовании производных машин набором унифицированных секций.

Секционированию хорошо поддаются многие виды подъемно-транспортных устройств (ленточные, скребковые, цепные конвейеры). Секционирование в данном случае сводится к построению каркаса машин из секций и составлению машин различной длины с новым несущим полотном. Особенно просто секционируются машины со звеньевым несущим полотном (ковшовые элеваторы, пластинчатые конвейеры с полотном на основе втулочных роликовых цепей), у которых длину полотна можно изменять изъятием или добавлением звеньев.

Экономичность образования машин этим способом мало страдает от введения отдельных нестандартных секций, которые могут понадобиться для приспособления длины машины к местным условиям.

Секционированию поддаются также дисковые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные, вихревые и аксиальные гидравлические насосы. В последнем случае набором секций можно получить ряд многоступенчатых насосов различного напора, унифицированных по основным рабочим органам.

Метод изменения линейных размеров. При этом методе с целью получения различной производительности машин и агрегатов изменяют их длину, сохраняя форму поперечного сечения. Метод применим к ограниченному классу машин (главным образом роторных), производительность которых пропорциональна длине ротора (шестеренные и центробежные насосы, компрессоры, мешалки, вальцовочные машины и т.д.).

Степень унификации при этом методе невелика. Унифицируются только торцовые крышки корпусов и вспомогательные детали. Главный экономический выигрыш дает сохранение основного технологического оборудования для обработки роторов и внутренних полостей корпусов. Частным случаем применения данного метода является повышение нагрузочной способности зубчатых передач за счет увеличения длины зубьев колес с сохранением их модуля.

Метод базового агрегата. В основе этого метода лежит применение базового агрегата, превращаемого в машины различного назначения присоединением к нему специального оборудования. Наибольшее применение метод имеет при создании дорожных машин, самоходных кранов, погрузчиков, укладчиков, а также сельскохозяйственных машин.

Базовым агрегатом в данном случае обычно является тракторное или автомобильное шасси, выпускаемое серийно. Монтируя на шасси дополнительное оборудование, получают серию машин различного назначения.

Присоединение специального оборудования требует разработки дополнительных механизмов и агрегатов - коробок отбора мощности, подъемных и поворотных механизмов, лебедок, реверсов, тормозов, механизмов управления, кабин, которые, в свою очередь, можно в значительной мере унифицировать.

Конвертирование. При методе конвертирования базовую машину или основные ее элементы используют для создания агрегатов различного назначения, иногда близких, а иногда различных по рабочему процессу. Примером конвертирования может служить перевод поршневых двигателей внутреннего сгорания с одного вида топлива на другой, с одного вида теплового процесса на другой (с цикла искрового зажигания на цикл с воспламенением от сжатия).

Бензиновые карбюраторные двигатели легко конвертируются в газовые. Для этого достаточна замена карбюратора смесителем и изменение степени сжатия (достигаемое проще всего изменением высоты поршней) и некоторые второстепенные конструктивные переделки. В целом двигатель остается таким же.

Конвертирование бензинового или газового двигателя в дизель представляет более трудную задачу, главным образом ввиду присущих дизелю повышенных рабочих нагрузок, обусловленных высокой степенью сжатия и большим давлением вспышки. Следовательно, конвертируемый двигатель должен обладать значительными запасами прочности. Конвертирование в данном случае заключается в замене карбюратора топливным насосом и форсунками (или насос-форсунками), изменении степени сжатия (смена головок цилиндров, увеличение высоты поршней или изменение конфигурации их днищ).

Другим примером конвертирования является перевод работы поршневых воздушных компрессоров на другой газ (аммиак, фреон). В этом случае при переделке необходимо учитывать различие физических и химических свойств рабочих реагентов и соответственно выбирать материалы рабочих деталей.

Примером конвертирования агрегатов, сильно различающихся по рабочему процессу, может служить преобразование двигателя внутреннего сгорания в поршневой компрессор. Конвертирование в данном случае включает замену головок двигателя клапанными коробками с соответствующим изменением механизма распределения и требует значительных переделок.

Компаундирование. Метод компаундирования (параллельного соединения машин или агрегатов) применяют с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Спариваемые машины могут быть или установлены рядом как независимые агрегаты, или связаны друг с другом синхронизирующими, транспортными и другими подобными устройствами, или, наконец, конструктивно объединены в один агрегат.

Примером совмещения первого типа является парная установка судовых двигателей, работающих каждый на свой винт, а также установка двух или большего числа двигателей в крыльях самолета. Помимо повышения общей мощности (при затруднительности создания двигателя большой мощности) этот способ иногда позволяет удачно решать другие задачи. Так, параллельная установка судовых двигателей увеличивает маневренность судна, особенно на малом ходу. Установка нескольких двигателей на самолете облегчает виражирование и выруливание на земле, применение нескольких двигателей до известной степени увеличивает также надежность: при выходе из строя одного из двигателей можно продолжать рейс, хотя и с пониженной скоростью.

Примером совмещения второго типа является параллельная установка машин-орудий группами (по две-три). Ее применяют в автоматических линиях, когда производительность отдельной машины, входящей в поток, значительно уступает производительности всей линии. Такая установка требует разделения потока на два или больше потоков (соответственно числу параллельно устанавливаемых машин) с последующим соединением их в один.

Примером совмещения третьего типа является сдваивание или страивание линейных машин-орудий, т. е. объединение нескольких рабочих трактов на общей станине. В результате получается многолинейная параллельно-поточная машина с производительностью, повышенной соответственно числу трактов.

Модифицирование. Модифицированием называют переделку машины с целью приспособить ее к иным условиям работы, операциям и видам продукции без изменения основной конструкции.

Модифицирование машины для работы в различных климатических условиях сводится преимущественно к замене материалов. В машинах, работающих в условиях жаркого и влажного климата (машины тропического исполнения), применяют коррозионно-стойкие сплавы; в машинах, эксплуатируемых в областях с суровым климатом (машины арктического исполнения) -- хладостойкие материалы; системы смазки приспосабливают к работе при низких температурах.

Модифицирование стационарных машин для работы на морском транспорте (машины морского исполнения) заключается во всемерном облегчении машины путем замены тяжелых сплавов (чугуна) легкими (алюминиевыми) и введением материалов, устойчивых против коррозии во влажном морском воздухе и при соприкосновении с морской водой.

Сложнее модифицирование машин с целью их приспособления к различным операциям или изделиям. В этом случае метод модифицирования тесно связан с методом агрегатирования. Иногда в понятие модифицирования вкладывают смысл модернизации машин и улучшения их показателей.

Агрегатирование. Агрегатирование заключается в создании машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине.

Наиболее полное отражение этот принцип получил в конструкции агрегатных металлообрабатывающих станков. Такие станки создают на основе унифицированных блоков (основные блоки, механизмы синхронизации, поворотные столы, корпуса общего назначения, станины, тумбы, вспомогательные узлы, системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей).

Большая часть изделия в процессе обработки остается неподвижной. К нему с разных сторон подводят соответствующим образом настроенные блоки; операции обработки происходят одновременно, что ускоряет технологический процесс.

Основные преимущества агрегатирования: сокращение сроков и стоимости проектирования и изготовления машин, упрощение обслуживания и ремонта, возможность переналадки для обработки разнообразных деталей. Метод агрегатирования весьма перспективен. Помимо металлорежущих станков он применим для других машин-орудий.

Частичным агрегатированием является использование стандартизованных узлов и агрегатов из числа серийно выпускаемых промышленностью (редукторы, насосы, компрессоры), а также заимствование с серийно изготовляемых изделий узлов и агрегатов (коробок скоростей, механизмов переключения муфт, фрикционов и т. д.).

Комплексная стандартизация. Близок к агрегатированию метод комплексной стандартизации, применяемый для агрегатов простейшего типа (отстойники, выпарные установки, смесеприготовительные установки). Простота конструктивных форм этих агрегатов позволяет стандартизировать все или почти все элементы их конструкции. Стандартизации по типоразмерам поддаются обечайки резервуаров, днища, крышки, лазы, люки, арматура, лапы крепления, стойки. Стандартизируют также узлы (теплообменники, приводы мешалок, дозирующие устройства) и т. д.

Особенностью аппаратов этого типа является широкое применение вспомогательного покупного оборудования (насосов, фильтров, приборов контроля и управления, средств автоматизации).

Из стандартных деталей, унифицированных узлов и покупного оборудования можно компоновать аппараты:

с одинаковым рабочим процессом, но с различными размерами и производительностью;

одинакового назначения, но с различными параметрами рабочего процесса (давление, вакуум, температура);

различного назначения и с разным рабочим процессом.

Унифицированные ряды. В некоторых случаях возможно образование ряда произвольных машин различной мощности или производительности путем изменения числа главных рабочих органов и их применения в различных сочетаниях. Такие ряды называют семейством, гаммой или серией машин. Этот способ применим к машинам, мощность или производительность которых зависит от числа рабочих органов.

Метод обеспечивает следующие технологические и эксплуатационные преимущества:

упрощение, ускорение и удешевление процессов проектирования и изготовления машин;

возможность применения высокопроизводительных методов обработки унифицированных деталей;

уменьшение сроков доводки и освоения опытных образцов (благодаря отработанности главных рабочих органов);

облегчение эксплуатации;

сокращение сроков подготовки обслуживающего технического персонала и сроков ремонта машин, а также упрощение снабжения запасными деталями.

Классическим примером образования унифицированных машин является создание рядов четырехтактных двигателей внутреннего сгорания на основе унифицированной цилиндровой группы и частично унифицированной шатунно-поршневой группы. Сочетание цилиндров ограничивается условием уравновешенности сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс и условием равномерного чередования вспышек. Так как мощность двигателя пропорциональна числу цилиндров, то представленный ряд двигателей позволяет теоретически получить семейство двигателей с очень широким диапазоном мощностей.

ЛЕКЦИЯ 7

План лекции

7.1. Машиностроительные материалы. Свойства металлов.

7.2. Черные металлы.

7.3. Цветные металлы и сплавы.

7.4. Термическая и химико-термическая обработка стали.

7.5. Коррозия металлов и защитные покрытия

7.6. Неметаллические материалы.

7.1 Машиностроительные материалы. Свойства металлов

Расчет и проектирование деталей начинаются с выбора материала и назначения режимов обработки его, которые определяются конструктивными (обеспечение надежности), технологическими (вид производства - единичное, серийное, массовое) и экономическими соображениями. Для изготовления деталей в машиностроении широко используют стали и чугуны, алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы, а также различные неметалллические материалы.

Металлы и их сплавы являются важнейшими материалами, применяемыми для изготовления различных машин, станков, приборов, инструментов и сооружений.

Характерными признаками металлов является металлический блеск, высокая электропроводность и теплопроводность, а также пластичность, т.е. способность изменять свою форму при обработке давлением.

Технически чистые металлы имеют ограниченное применение в промышленности. Большинство наиболее распространенных металлов в технике применяется в виде металлических сплавов, которые обладают более ценными механическими, технологическими и другими свойствами, чем чистые металлы.

Свойства металлов подразделяются на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства металлов. К физическим свойствам относятся плотность, плавление (температура плавления), теплопроводность, тепловое расширение и др.

Плотность - количество вещества, содержащееся в единице объема.

Плавление - способность металла переходить из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.

Теплопроводность - способность металла с той или иной скоростью проводить тепло.

Электропроводность - способность металла проводить электрический ток.

Тепловое расширение - способность металла увеличивать свой объем при нагревании.

Химические свойства металлов. Химические свойства металлов характеризуют отношение их к химическим воздействиям различных активных сред. Основными химическими свойствами металлов являются окисляемость и коррозионная стойкость.

Окисляемость - способность металла вступать в реакцию с кислородом под воздействием окислителей.

Коррозионная стойкость - способность металла сопротивляться коррозии.

Механические свойства металлов. К механическим свойствам металлов относят твердость, прочность, вязкость, упругость и пластичность.

Твердость - способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела.

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Вязкость - способность металла сопротивляться быстро возрастающим ударным нагрузкам.

Упругость - способность металла восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия действующей нагрузки.

Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменить свою форму под действием нагрузки и сохранять полученную форму после снятия нагрузки.

Технологические свойства металлов. Технологические свойства металлов определяют их способность подвергаться различным видам обработки. Основными технологическими свойствами металлов являются ковкость, свариваемость, жидкотекучесть, прокаливаемость, обработка резанием.

Ковкость - способность металла изменять свою форму в нагретом или холодном состоянии под действием внешних сил.

Свариваемость - способность двух частей металла при нагревании прочно соединяться друг с другом.

Жидкотекучесть - способность расплавленного металла легко растекаться и хорошо заполнять форму.

Прокаливаемость - способность металла закаливаться на ту или иную глубину.

Обрабатываемость резанием - способность металла подвергаться механической обработке режущим инструментом с определенной скоростью и усилием резания.

Металлы и сплавы делятся на черные и цветные. К черным относят железо и славы на его основе (сталь, чугун и т.д.), к цветным - все остальные металлы и сплавы.

Правильный выбор конструктором материалов для изготовления машины и отдельных ее частей определяет качество будущей разработки и оптимальные технико-экономические показатели.

7.2. Черные металлы

К черным металлам относятся чугуны и стали, представляющие собой сплавы железа с углеродом, в состав которых входят еще и кремний, фосфор, марганец, сера и другие элементы.

Чугун - нековкий, железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор, сера.

Он обладает высокими литейными свойствами, определившими область его использования в качестве конструкционного материала. Хорошо обрабатывается резанием, образуя высококачественную поверхность для узлов трения и неподвижных соединений.

В чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии в виде карбида или цементита. Чугуны в которых углерод находится в виде графита, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, имеют высокие литейные качества, относительно невысокую температуру плавления (1100 - 1200⁰С), небольшую усадку (1%) и применяются для изготовления многих деталей машин и механизмов. Эти чугуны называются серыми или литейными.

Чугуны, в которых углерод содержится только в виде химического соединения с железом, имеют в изломе белый цвет. Они плохо обрабатываются резанием и обычно используются для получения стали. Эти чугуны называются белыми или передельными.

Кроме белого и серого чугунов для отливки деталей в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности употребляется еще и так называемый ковкий чугун, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950 - 1000⁰С. При этом чрезмерная хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун, как и серый, не куется, а название «ковкий» указывает лишь на значительную его пластичность.

Для повышения прочности чугуны легируют, т.е. вводят в их состав никель, хром, молибден, медь и другие элементы (легированный чугун), а также модифицируют, т.е. добавляют к ним магний, алюминий, кальций, кремний (модифицированный чугун).

Наибольшее применение получили чугуны следующих марок:

- отливки из серого чугуна: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20 и др. (ГОСТ 1412-79);

- отливки из ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КС37-12 и др. (ГОСТ 1215-79).

Буквы и цифры марок чугуна обозначают: СЧ - серый чугун, КЧ - ковкий чугун. Цифры после у серого чугуна указывают на предел прочности при растяжении.

Сталь - сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами.

Сталь получают из передельного чугуна его переплавкой и удалением избытка углерода, кремния, марганца и других примесей и выплавляют в мартенах, электропечах и конверторах.

Сталь, выплавленная из чугуна на металлургических заводах, в виде слитков поступает в прокатные, кузнечные или прессовые цехи, где перерабатывается на фасонный и листовой прокат, а также в поковки различной формы и размеров.

Все применяемые в настоящее время стали классифицируются по следующим признакам:

- по химическому составу - углеродистая, легированная;

- по качеству - сталь обыкновенного качества, качественная, высококачественная;

- по назначению - конструкционная, инструментальная.

Углеродистая сталь широко используется в промышленности. Основной составляющей частью, определяющей ее механические и другие свойства, является углерод. Увеличение содержания углерода в стали повышает прочность и твердость, но уменьшает вязкость и делает ее более хрупкой.

В зависимости от назначения углеродистая сталь делится на конструкционную и инструментальную.

Углеродистые конструкционные стали делятся на обыкновенного качества (ГОСТ 380-78) и качественные (ГОСТ 1050-74). В зависимости от условий и степени раскисления различают спокойные стали (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Стали обыкновенного качества маркируют буквами СТ (сталь) и цифрами 1, 2, 3, …,6 (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Чем больше это число, тем больше в ней содержится углерода. В зависимости от назначения эти стали делятся на три группы:

- группа А - стали, поставляемые по механическим свойствам без уточнения их химического состава (Ст0, Ст1кп, Ст2пс, Ст1сп, Ст2кп и др.);

- группа Б - стали, поставляемые с гарантийным химическим составом (БСт0, БСт1кп, БСт1сп, БСт2кп и др.);

- группа В - стали повышенного качества с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5),

Цифры, обозначающие марку стали, показывают среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента (например, сталь марки 45 содержит в среднем 0,45% углерода).

Низкоуглеродистые стали марок 05, 08, 10, 20, 25 применяются для малонагруженных деталей, изготовление которых связано со сваркой и штамповкой. Из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, 55 изготавливают оси, валы, зубчатые колеса и другие детали. Высокоуглеродистые стали идут на изготовление спиральных пружин, тросов и других ответственных деталей.

Инструментальная качественная сталь обозначается буквой У, после которой ставится цифра, указывающая содержание углерода в десятых долях процента, например У7, У8, У10 и т.д.

Инструментальная высококачественная сталь содержит меньше, чем качественная, вредных примесей (серы, фосфора). Маркируют ее так же, как и качественную, но с добавлением буквы А, например У7А, У8А и т.д. Применяется инструментальная углеродистая сталь для изготовления различных инструментов (ударных, режущих, измерительных и др.).

В состав легированной стали кроме углерода входят элементы, улучшающие ее свойства. К таким элементам относятся: хром, никель, кремний, вольфрам, марганец, ванадий, кобальт и др. В зависимости от вводимых легирующих элементов стали делятся на хромистые, никелевые, кремнистые, хромоникелевые, хромованадиевые и др.

Легирующие элементы придают стали, в зависимости от ее назначения, необходимые свойства.

Хром способствует увеличению прочности стали, ее твердости и сопротивляемости износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали, повышает ее коррозионную стойкость и прокаливаемость. Кремний при содержании его более 0.8% увеличивает прочность, твердость и упругость стали, снижая при этом ее вязкость. Марганец повышает твердость и прочность стали, улучшает ее свариваемость и прокаливаемость.

Легированная сталь по количеству введенных в нее легирующих элементов классифицируется на низколегированную (до 5% легирующих элементов), среднелегированную (от 5 до 10%) и высоколегированную (свыше 10%).

По назначению легированная сталь, как и углеродистая, подразделяются на конструкционную и инструментальную.

Легирующие элементы, введенные в состав стали, согласно стандарту, имеют следующие обозначения : Х - хром, В - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, К - кобальт, Г - марганец, Т - титан, С - кремний, Н - никель, Д - медь, Ю - алюминий, Р - бор, А - азот. Высококачественную сталь обозначают с добавлением в конце маркировки буквы А.

Легированная сталь маркируется сочетанием цифр и букв. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы - легирующие элементы, последующие за буквами цифры - содержание в процентах этих элементов в стали. Так, марка 40Х обозначает хромистую сталь с содержанием 0,4% углерода и 1% хрома; 12ХН3А хромоникелевую сталь, содержащую около 0,12% углерода, 1% хрома и 3% никеля и т.д.

Из конструкционной легированной стали изготавливают ответственные детали машин и различные металлические конструкции. Для улучшения механических свойств детали из этой стали подвергаются термической обработке.

К конструкционным легированным сталям относятся: хромистая (15Х, 20Х, 30Х, и др.), хромованадиевая (15ХФ, 20ХФ, 40ХФА), хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС), хромоникелевая (12ХН2, 12ХН3А и др.).

Инструментальная легированная сталь по сравнению с углеродистой обладает большой износоустойчивостью, она глубже прокаливается, обеспечивает повышенную вязкость в закаленном состоянии и менее склонна к деформациям и трещинам при закалке.

Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеродистых, потому что у них низкая теплостойкость, равная 200 - 250⁰С.

Назначение некоторых марок легированных инструментальных сталей следующее: сталь 9ХС применяется для изготовления плашек, сверл, разверток, фрез, гребенок, метчиков; стали 11Х и 13Х - для напильников, бритвенных ножей, хирургического и гравировального инструмента; сталь ХВГ - для длинных метчиков, разверток и других инструментов.

Для изготовления режущего инструмента применяется быстрорежущая сталь, которую так назвали за высокие режущие свойства. Благодаря наличию в ее составе вольфрама и ванадия эта сталь обладает высокой теплостойкостью, красностойкостью, т. е. способностью сохранять высокие твердость и износостойкость при повышенных температурах. Основные марки быстрорежущих сталей - Р9, Р12, Р18, Р6М5, Р9К5.

7.3. Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы широко применяются в промышленности, несмотря на сравнительно высокую их стоимость. К цветным металлам относятся: медь, алюминий, магний и др.

Медь - металл красноватого цвета, плотность 8,93 г/см³, температура плавления 1083°С. Наиболее ценные свойства меди - высокая электропроводность, пластичность, теплопроводность, повышенная коррозионная стойкость. Медь широко применяется в электропромышленности, а также для получения различных сплавов, используемых в машиностроении.

Основные марки меди: М00, МО, М1, М2, МЗ, М4.

Алюминий - легкий серебристо-белый металл, плотность 2,7 г/см³, температура плавления 658 °С. Он обладает высокой электропроводностью, хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, поддается обработке давлением и прокатывается в тонкую фольгу. Алюминий служит для изготовления электропроводов, посуды, фольги, а также получения многих сплавов, применяемых в промышленности. В чистом виде алюминий используется мало, так как он имеет невысокие механические свойства. Основные марки алюминия: А999, А995, А99, А97, А95.

Магний - блестящий белый металл, плотность 17,4 г/см³, температура плавления 650°С. Магний употребляется для получения легких сплавов, обладающих высокими механическими свойствами (сплавы с алюминием, марганцем, цинком). Основные марки магния: Мг1, Мг2.

Цветные сплавы. Как уже было сказано ранее, цветные металлы (медь, алюминий, магний и пр.) в чистом виде имеют ограниченное применение. Для улучшения их механических, технологических и других свойств из цветных металлов готовят различные цветные сплавы: латуни, бронзы, алюминиевые и др.

Наиболее распространенными в промышленности сплавами цветных металлов являются следующие.

Латунь - сплав меди с цинком. По сравнению с чистой медью она имеет повышенную прочность, пластичность и твердость, а также обладает большей коррозионной стойкостью и жидкотекучестью. Латунь служит для изготовления листов, проволоки, литой и штампованной арматуры, посуды и т. д.

Основные виды латуни: литейные (для фасонного литья) и обрабатываемые давлением. Латунь обозначается буквой Л и цифрой, указывающей процент содержания меди в сплаве. Например, марка латуни Л62 обозначает, что в ней содержится около 62% меди.

Наряду с простой применяется также специальная латунь, в состав которой входят железо, марганец, никель, олово и др. По прочности некоторые латуни не уступают углеродистой стали.

Специальная латунь кроме буквы Л маркируется условными обозначениями легирующих элементов: Ж - железо, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, К - кремний, С --свинец. Количество элементов указывается цифрами. Например, марка ЛС59-1 обозначает свинцовисту латунь, в которой содержится 59% меди, 40% цинка и 1% свинца.

Наиболее часто употребляются простые латуни Л62, Л68 и специальные ЛМц58, ЛС59-1, ЛО62-1 и др.

Бронза - сплав меди с оловом, свинцом, кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, жидкотекучестью и высокими антифрикционными свойствами. В зависимости от легирующих элементов, входящих в сплав, бронзы делят на оловянные, алюминиевые, марганцевые, кремниевые, свинцовые и др.

Оловянная бронза имеет повышенную коррозионную стойкость, жидкотекучесть и обладает хорошим антифрикционными свойствами. Она применяется в основном для отливки подшипников и других подобных дета лей и обозначается буквами БрО с цифрами, указывающими содержание в ней олова в процентах. Основные марки оловянной бронзы: БрО10 БрО14, БрО20.

А л ю м и н и е в а я бронза по сравнению с оловянной имеет большую пластичность, коррозионную стойкость и лучше сопротивляется износу, но обладает более низкими литейными свойствами.

Добавление в алюминиевую бронзу железа, никеля и марганца повышает ее коррозионную стойкость и механические свойства. Такая бронза используется для изготовления фасонного литья, арматуры, зубчатых колес и других деталей. Основные марки алюминиевой бронзы БрАЖ9-4, БрАЖН 10-4-4.

М а р г а н ц е в а я бронза обладает высокой пластичностью, хорошо сопротивляется коррозии, но имеет сравнительно невысокие механические свойства и служит в основном для изготовления паровой арматуры. Основной маркой, марганцевой бронзы является БрМц5.

К р е м н и е в а я бронза характеризуется высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами. Для увеличения коррозионной стойкости в нее добавляют марганец, а для улучшения антифрикционных свойств - свинец. Из кремниевой бронзы изготовляют пружинящие контакты, проволоку и т. д. Наиболее распространена бронза марки БрКМцЗ-1.

Б е р и л л и е в а я бронза обладает высокой упругостью, износоустойчивостью и твердостью. Бронза марки БрБ2 употребляется для изготовления пружин, износоустойчивых деталей и т. д.

Бронзы маркируются следующим образом: Бр - бронза, последующие буквы обозначают легирующие элементы, цифры - процентный состав олова и других элементов. Например, марка БрОЦС-5-5--5 обозначает, что в бронзе содержится 5% олова, 5% цинка, 5% свинца, остальное медь.

С и л у м и н - сплав алюминия с кремнием, обладает хорошими литейными свойствами и широко применяется для всевозможных отливок. По сравнению с алюминием имеет лучшие механические свойства и повышенную плотность. Основные марки силумина: АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ9.

Д ю р а л ю м и н - сплав алюминия с медью, магнием и марганцем, Медь и магний при термической обработке увеличивают прочность сплава, а марганец - твердость и коррозионную стойкость. Дюралюмин подвергают терми-ческой обработке для повышения его механических свойств, которые при этом приближаются к свойствам среднеуглеродистой стали. Особенно распространен этот сплав в авиационной промышленности. Основные марки дюралю-мина: Д1, Д6, Д16, Д18.

М а г н и е в ы е сплавы - сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем и другими элементами. Литейные свойства магниевых сплавов ниже алюминиевых, однако благодаря своей малой плотности они часто применяются в авиастроении, радиопромышленности и т. д. Прочность магниевых сплавов может быть повышена путем термической обработки. Основные марки магниевых сплавов: МЛ4, МЛ5.

Твердые сплавы. Твердые сплавы применяют для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки металлов с высокими скоростями резания (от 100 до 1200 м/мин и более). Твердые сплавы получают спеканием порошков вольфрама, титана, кобальта и угля при температуре 1500--1550°С. Пластинки из твердого сплава обладают твердостью НRА87 - 90, малой теплопроводностью и низким коэффициентом расширения при нагреве.

Твердые сплавы вольфрамовой группы предназначены для обработки хрупких материалов, например чугуна, бронзы и других металлов. Сплавы этой группы обозначаются буквой В: ВК2, ВКЗ, ВК6, ВК8, ВК11 и др. (2 -11% кобальта и остальное - карбиды вольфрама). В настоящее время находят широкое применение твердые сплавы с более мелкозернистой структурой - ВКЗМ, ВК6М, ВК8М. Твердые сплавы вольфрамо-титановой группы применяются для обработки стали и обозначаются буквой Т - Т15К10, Т15К6, Т14К8, Т15К6Т, ТЗОК4, Т60К6 и др. (5 - 60% карбидов титана, 6 - 10% кобальта, остальное - карбиды вольфрама).

Введение карбида тантала в твердые сплавы увеличивает сопротивление к трещинообразованию при резких сменах температуры, и прерывистом резании, повышает стойкость и позволяет применять скорости резания в 1,5 - 2 раза выше, чем при использовании инструментов и обычных сплавов. К титано-тантало-вольфрамовой группе относятся марки сплавов ТТ7К12, ТТ7К15, Т5К12В и др.

Минералокерамические твердые сплавы обладают твердостью НRА 92 - 93 и сохраняют режущие свойства при температуре до 1200°С. Этот инструментальный материал не содержит таких дефицитных и дорогостоящих материалов, как вольфрам, кобальт и титан. Его основой является спеченная окись алюминия. Из минералокерамики изготовляют пластинки двух марок: ТВ-48 (термокорунд) и ЦМ-332 (микромит), которые также применяются при различных видах обработки, где используется инструмент с механическим креплением пластинок.

7.4. Термическая и химико-термическая обработка стали

Термическая обработка стали. Термической обработкой называется процесс нагрева металла до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения с той или иной скоростью. В результате такого процесса не изменяется химический состав металла, но меняются его структура и механические свойства.

Структуру металла (его строение) можно определи по излому. На поверхности излома видно большое количество зерен, связанных между собой. Каждое такое зерно состоит из мельчайших частиц - атомов, которые, располагаясь в определенном порядке, образуют кристаллическую решетку.

В металлах чаще всего встречаются три типа расположения атомов: атомы располагаются в углах и в центре куба, образуя кубическую объемно-центрированную решетку (рис. 7.1,а); атомы располагаются по углам куба и в середине каждой его грани, образуя кубическую гранецентрированную решетку (рис. 7.1,б); атомы располагаются в углах и в центре на шестигранных основаниях призмы и три атома внутри ее, образуя гексагональную решетку (рис. 7.1,в).

Процесс перестройки атомов одного вида пространственной решетки в другой при определенных температурных условиях называют аллотропическим превращением. Аллотропические формы, в которых кристаллизуется металл, называют модификациями и обозначают , , , и т. д.

Атомы меняют свое расположение, в зависимости от температуры нагрева. При нагреве железа до температуры 910°С атомы располагаются в виде куба, образуя кристаллическую решетку -железа; восемь атомов расположены по углам решетки и один - в центре ее (рис. 7.1.а). Если нагревать железо выше 910°С, кристаллическая решетка с перегруппиро-ванными атомами превращается в куб с четырнадцатью атомами и образует решетку -железа (рис.7.1,б).