Детали машин и станков, изготавливаемые литьем

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Усвоение дисциплины «Выбор материалов и технологий в машиностроении» позволит логически подойти к завершению образования на последнем уровне высшего профессионального образования и получить квалификацию в соответствии с полученным профилем, дающую знания и навыки для успешной будущей профессиональной деятельности.

Целипрактических занятий:

– изучение научных основ и усвоение методов выбора материалов и технологий, а также оценки эффективности использования материалов в изделиях машиностроения;

– научить студента выполнять требования технической документации на производство работ;

– научить студента грамотно подходить к обоснованию технической, экологической безопасности и экономической эффективности работ;

– научить умению проводить технико-экономический анализ с обоснованием принимаемых решений.

Задачиосновываются на необходимости получения выпускником знаний, умений, навыков в соответствии с требованиями ФГОС ВПО на основе которых формируются соответствующие компетенции.

Студент должен знать:

1. Основные группы машиностроительных материалов различных классов и области их рационального применения.

2. Основные факторы, отрицательно влияющие на физико-механические свойства материалов в процессе эксплуатации.

3. Особенности и взаимосвязь свойств конструкционных материалов и закономерности их изменения в процессе эксплуатации.

4. Материаловедческие основы выбора конструкционных материалов и технологий их обработки.

5. Методологию математического моделирования на ЭВМ и оптимизации выбора конструкционных материалов и технологий их обработки.

6. Методы прогнозирования работоспособности материала в заданных условиях эксплуатация.

7. Основные принципы упрочнения машиностроительных сталей и сплавов.

8. Технологические режимы термической, термомеханической, химико-термический и других видов обработки машиностроительных материалов;

9. Современные методы исследования макро, микро- и тонкой структуры материалов, заготовок и машиностроительных деталей;

10. Основное и дополнительное технологическое оборудование для получения заготовок, изделий и их упрочнения.

Студенты должны уметь:

1. Произвести обоснованный выбор материалов для деталей машин, приборов и конструкций.

2. Предложить современные высокоэффективные технологии обработки материалов для изготовления заготовок, полуфабрикатов или готовой детали.

3. Выбрать технологию упрочнения и дать развернутое обоснование своего выбора.

4. Использовать закономерности, отражающие зависимости механических, физических, физико-механических и технологических свойств современных материалов от химического состава, структурного состояния и видов обработки;

5. Осуществлять в каждом конкретном случае оптимальный выбор материала; выбирать оптимальное оборудование для проведения операций термической, химико-термической и других видов упрочняющей обработки сталей и сплавов;

6. Разрабатывать технологические процессы изготовления изделий, их упрочнения и экономически обосновывать целесообразность разработанного процесса.

7. Составлять неформальное описание и модели собственных рассуждений при выборе материалов и технологий обработки и поиске информации по специальной и справочной технической литературе.

8. Довести полученное знание до своих сокурсников и студентов более низких ступеней обучения.

9. Систематизировать знания по существующим маркам материалов и их свойствам для различных требований надежности и условий эксплуатации.

10. Формализовывать полученные знания по теории выбора материалов в различных видах моделей представления знаний, используемых системами искусственного интеллекта.

11. Разрабатывать действующую базу знаний экспертной системы определения марки материала и технологии изготовления по требуемым характеристикам готового изделия, его условий эксплуатации и требований надежности.

Студенты должны иметь навыки:

1. Работы на ПК с различными специализированными программными продуктами для построения дерева решения и структуры базы знаний оптимального выбора материалов.

2. Работы на ПК с программными продуктами по оптимизации выбора материалов исходя из условий нагружения, воздействия внешней среды и других факторов, возникающих в конкретных условиях эксплуатации.

3. Разработки технологических маршрутов получения заготовок и обработки деталей с пооперационной детализацией отдельных процессов, отраженных в технологических картах.

4. По выбору вида упрочняющих технологий и назначения режимов термической, химико-термической и других видов упрочняющей обработки для придания свойств изделиям в зависимости от конкретных условий эксплуатации с применением карт сопровождения технологического процесса.

5. Ранжирования требований, предъявляемых к конструкционным материалам.

Рабочей программой предусмотрено 30 часов на проведение практических занятий (0, 835 з. е.). Практические занятия проводятся в соответствие с графиком учебного процесса и самостоятельной работы (Приложение 1). График выполнения практических занятий в течение семестра с указанием сроков выполнения и защиты приведен в табл. 1

Таблица 1

В результате проведения практических занятий студент должен реализовать следующие общенаучные (ОНК), инструментальные (ИК), профессиональные (ПК) компетенции:

1. Знание основных видов современных конструкционных материалов различной природы и назначения, закономерностей формирования свойств в зависимости от химического, фазового состава, и взаимосвязи структуры с механическими, химическими, физическими, технологическими и другими свойствами. (ОК-1).

2. Знание основных принципов оптимизации выбора материалов с учетом влияния условий эксплуатации, накопленных повреждений в рабочем режиме, в режиме хранения и транспортирования, износа материала в рабочем режиме (ИК-1).

3. Знание круга задач искусственного интеллекта, методов решения задач искусственного интеллекта, основных принципов и подходов в построении систем искусственного интеллекта (ИК-2).

4. Знание методологий проектирования баз знаний, способов построения различных видов моделей знаний по теории выбора материалов и технологий изготовления. Знание структуры, свойств и режимов функционирования экспертной системы определения марки материала по требуемым характеристикам готового изделия, его условий эксплуатации и требований надежности (ИК-3).

5. Владение навыками работы со специальной и справочной технической литературой, в том числе, и с программными продуктами для выбора необходимых материалов и методов их обработки с целью получения заданных эксплуатационных свойств (ПК-1).

6. Знание современных способов термической, химико-термической, термомеханической, индукционной, лучевой и др. обработки сплавов; основного и вспомогательного оборудования для проведения термической и химико-термической обработки (ПК-1).

7.Знание современных способов получения заготовок, основного и вспомогательного оборудования для получения заготовок методами литья, горячей и холодной пластической деформации, сваркой, обработкой резанием, электрофизическими и др. методами (ПК-2).

8. Владение методами исследования макро-, микро- и тонкой структуры материалов, методами механических испытаний полуфабрикатов и
деталей (ПК-1).

9. Знание методов прогнозирования структуры и характеристик материалов, полуфабрикатов и деталей, особенностей всех этапов жизненного цикла изделий от исследовательской разработки до их производства и эксплуатации, основ классификации материалов и технологических процессов их получения и обработки (ПК-2)..

Отчеты по практическим занятиям и курсовая работа оформляются в соответствии с требованиями СТО 4.2-07-2008. Система менеджмента качества [19].

СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Для того чтобы получить практические навыки выбора материалов и технологий, а также применения систем искусственного интеллекта предлагается научиться различным подходам к построению базы знаний и Практические занятия преследуют достижение следующих целей обучения:

закрепление теоретического материала, излагаемого на лекционных занятиях;

получение практических навыков методологи выбора материалов;

получение практических навыков построения деревьев свойств;

получение практических навыков разработки баз знаний;

изучение технологий инженерии знаний;

получение практических навыков наполнения пустой оболочки экспертной системой знаниями в виде различных моделей представления знаний.

В качестве инструментального средства в методических указаниях используются пустые оболочки экспертных систем, которые ориентированы на различные модели представления знаний.

Методические указания содержат методические рекомендации по выполнению 7 практических работ различной сложности.

Практические работы № 1–3 предназначены для получения практических навыков методологи выбора материалов и технологий получения изделий и их термической обработки. Практические работы № 4–7 предполагает выполнение студентом предложенной работы из области по выбору материалов и технологий. Для каждой практической работы указаны необходимый теоретический материал, ее цель, последовательность выполнения, предоставляемая студентом отчетность. Там, где это необходимо, приведены примеры и описана пошаговая последовательность действий.

Для выполнения практических занятий студент должен получить номер варианта задания у преподавателя, если разделение по вариантам предусмотрено данной работой.

Практические задания

Построить дерево свойств для:

1. Малонагруженного вала диаметром 50 мм, работающего с небольшой частотой вращения. По расчету сталь должна иметь предел текучести не менее 350 МПа.

2. Для вала 50 мм, работающего в таких же условиях, но который должен иметь предел текучести не менее 600 МПа. Объяснить, почему для изготовления валов данного типа применять сталь обыкновенного качества нежелательно.

3. Тяжело нагруженных валов диаметром 80 мм. Предел текучести стали для обеспечения необходимого коэффициента запаса прочности должен быть не менее 750 МПа.

4. Валов, работающих в тех же условиях, но имеющих диаметр 100 мм.

При выборе марки стали и способа упрочнения учесть, что к валам не предъявляются требования повышенной износостойкости поверхности и сопротивления смятию.

5. Для двух валов диаметром 40 мм. В одном случае шлицевые поверхности и спорные шейки вала должны иметь твердость 46¸52НRС. а в другом – 52¸58НRС. При выборе стали учесть, что размеры вала, определенные из расчета на жесткость, обеспечивают достаточный запас прочности, поэтому требования к прочности стали не регламентируются.

6. Для валов диаметром 50мм, работающих при высоких напряжениях. Предел текучести должен быть не менее 800 МПа. Кроме того, вал должен иметь высокую износостойкость и сопротивление смятию в опорах. Твердость поверхности опорных шеек вала должна составлять 58¸60 НRС.

7. Для зубчатых колес высокой степени точности диаметром 60 мм и модулем т=3, высотой 60 мм. Колеса работают в условиях действия высоких напряжений (максимальные напряжения изгиба 400¸500 МПа) и повышенного износа. Твердость на поверхности должна быть 58¸60 НRС, а ударная вязкость не ниже 0,7¸0,8МДж/м². Указать оптимальную глубину упрочненного слоя.

8. Для зубчатых колес сложной формы и высокой степени точности, работающих (без переключения) при высоких напряжениях в условиях повышенного износа. Диаметр колеса 100 мм, высота 30 мм, модуль 2 мм.

9. Для зубчатых колес (максимальные напряжения изгиба менее 250 МПа) диаметром 80 мм, толщиной 25 мм, модулем 3 мм. Изготовление шестерен массовое. Причем одни шестерни этого типа работают без переключения и должны иметь предел прочности не менее 600 МПа, а вторые – в условиях переключения и поэтому должны иметь более высокий запас прочности – не менее 800 МПа.

10. Для зубчатых колес коробки скоростей высокоточного координатно-расточного станка. Диаметр колеса 100 мм, высота 30 мм, модуль 3 мм. Зубчатые колеса работают при высоких скоростях и должны сохранять свои размеры в процессе эксплуатации. Предел текучести стали должен быть не менее 750МПа, ударная вязкость – не менее 0,8 МДж/м².

11. Для зубчатых колес коробки скоростей тяжелого токарного станка, работающих без значительных динамических нагрузок (непереключаемые) при малых расчетных напряжениях изгиба (менее 250 МПа). Диаметр колеса 100 мм, толщина 40 мм, модуль 6 мм. Предел текучести должен быть не менее 500 МПа. Необходимо также обеспечить минимальную деформацию при упрочняющей обработке.

Червяки, червячные колеса

Червячные силовые пары (червяк, червячное колесо) применяются во многих механизмах для передачи движения, так как отличаются плавностью и бесшумностью и возможностью получения большого передаточного отношения в сравнении с зубчатыми передачами. Червячные пары применяются практически во всех типах станков и должны обеспечивать нормальную работу передачи без замены в течение срока службы станка до капитального ремонта. Так как червячные передачи работают при высоких скоростях скольжения, необходимая долговечность винтовых поверхностей червяков обеспечивается высокой стойкостью против заедания, усталостного выкрашивания и износа.

Кроме того, материал для изготовления червячной пари должен обладать высоким пределом прочности на изгиб, т. к. обеспечивает большие передаточные отношения. Выбор материала червяка и червячного колеса зависит от скорости скольжения, напряжений изгиба и характера цикла (длительный без перерывов или кратковременный с частыми перерывами). Червяки, работающие при высоких скоростях скольжения (от 5 до 30 м/сек) и длительное время без перерывов, должны иметь высокую твердость поверхностного слоя не менее 58НКС (механизмы подач станков).

Для червяков, работающее кратковременно при скоростях скольжения менее 5 м/сек, допускается снижение поверхностной твердости до 48¸50НRС (транспортные устройства станков). Для изготовления червяков наиболее часто применяются следующие марки сталей: цементуемые – 20, 15Х, 20Х, 20ХФ, 18ХГТ, 12ХНЗА; азотируемые – 38Х2МЮА, ЗОХЗМФ; среднеуглеродистые стали – 40,45,40Х, 50Х; и другие стали.

Для изготовления червячных колес используются сплавы с высокими антифрикционными свойствами (малым коэффициентом трения в паре с другим металлом), что позволяет обеспечить высокую стойкость против заедания. Для этой цели используют оловянные бронзы Бр.ОФ10-1; Бр.05ЦНС5; Бр.ОФ6,5-0,15; алюминиевые бронзы Бр.АЖ-9-4 и др. При высоких скоростях скольжения (более 5 м/сек) используют бронзы с более высокими антифрикционными свойствами (оловянные), при скоростях менее 5 м/сек – более прочные алюминиевые бронзы, антифрикционные свойства которых ниже. При низких скоростях скольжения (менее 2 м/сек) материалом для червячных колос может служить серый чугун.

– для червяка редуктора диаметром 35 мм, длительно работающего при высокихскоростях скольжения (8 м/сек). Предел прочности сердцевины детали должен быть не менее 600 МПа;

– для червячного колеса того же редуктора предел прочности материала должен быть не менее 250 МПа.

– для изготовления червячного колеса толщиной 40 мм и диаметром 150 мм, работающего при низкой скорости скольжения (0,5 м/сек) и кратковременном включении. Расчетные напряжения изгиба,возникающие в зубьях червячного колеса, достигают ЗОМПа и не должны по требованиям расчета превышать 0,075s_изг (s_изг – предел прочности материала на изгиб) при симметричной реверсивной нагрузке.

– для червяка диаметром 25 мм для условий работы червячной пары, Предел прочности сердцевины должен быть не менее 650 МПа.

Пружины

Практически во всех механизмах машин и станков применяются пружины: спиральные (витые), тарельчатые, кольцевые,пластинчатые. Наиболее важной характеристикой пружинных материалов является предел текучести (или предел упругости) по которому проводится расчет пружин. Для пружин сжатия-растяжения расчет ведется по пределу текучести при кручении, для пружин кручения – по пределу текучести на изгиб.

Коэффициент запаса прочности выбирается в зависимости от условий работы пружины. Для пружин, работающих при постоянной нагрузке или периодических нагрузках с плавным изменением ее величины, расчет ведется с коэффициентом запаса прочности не менее 2.

В случае работы пружины при периодической ударной нагрузке или циклической пульсирующей нагрузке, коэффициент запаса прочности принимают 2–2,5 (для ответственных пружин). Для пружин, работающих при повышенных температурах (до 300°С), применяют стали, легированные хромом, ванадием, вольфрамом. При выборе марки стали для пружин из прутка большого сечения (силовые крупногабаритные пружины) необходимо учитывать прокаливаемость стали.

Наиболее часто для изготовления пружин используют следующие марки стали: 65, 70, 65Г, 55ХГ, 55ГС, 55С2, 60С2, 50ХМ, 60С2ХФА, 65С2ВА и другие стали.

– для цилиндрических пружин сжатия в станках-автоматах. Пружины работают при динамических нагрузках и имеют диаметр 85 мм и высоту 200мм, диаметр проволоки – 16 мм. Допускаемое напряжение при кручении – 400 МПа (0,3s_в).

– для изготовления цилиндрических пружин сжатия диаметром 7 мм и высотой 16мм из проволоки диаметром 1 мм. Пружина работает при статической нагрузке в ответственном узле машины, выход из строя которого приводит к остановке всей машины. В процессе работы возможен нагрев до 200° С. Допускаемое напряжение при кручении должно быть–650МПа (0,5s_в).

Детали, работающие в условиях повышенного износа
и высоких контактных напряжений

В машинах и станках используются детали, которые должны обладать повышенной износостойкостью и высокой контактной выносливостью: направляющие втулки; кулачки; копиры; кольца подшипников качения; гильзы; и др. Так как в зоне контакта могут возникать большие контактные напряжения (до 250МПа), высокая износостойкость и контактная выносливость обеспечивается при твердости поверхности не менее 58 НRС.Глубинаупрочненного слоя зависит от действующих нагрузок и размеров детали. Как правило, она должна составлять не менее2+1,5 мм. При использовании азотирования – до 0,5 мм.

– для деталей контактно-нагруженных сочленений используют: подшипниковые стали – ШХ15, ШХ15СГ; инструментальные стали – У8А, У10А, 8ХФ, 8ХС, ХВГ, ХВСГ, 7ХГ2ВМ; цементуемые стали – 20, 20Х, 18ХГТ,25ХГТ, 12ХНЗА, 20ХНЗА; азотируемые – ЗОХМФ, 38Х2МЮА; и другие стали.

– для тяжелонагруженных колец подшипника качения диаметром 400 мм и толщиной 50 мм. Подшипник работает при высоких динамических нагрузках материал должен иметь ударную вязкость в сердцевине не менее 0,8МДж/м² и предел прочности не менее 850МПа.

– для тел качения и колец подшипника легкой серии 200 и для роликового подшипника тяжелой серии 2415.Указать особенности производства сталей, предназначенных для изготовления подшипников качения.

– для кулачка, работающего в условиях повышенного изнашивания и высоких контактных нагрузках. Толщина кулачка 30 мм, твердость сердцевины должна быть не менее НRС 56¸58НRС, на поверхности – неменее 58¸62НRС.

Детали машин и станков, изготавливаемые литьем

Наиболее часто в машиностроении и станкостроении литьем изготавливают детали сложные по конфигурации (корпусные детали, станины станков), работающие при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках, а также неответственные детали: крышки, фланцы, кронштейны,заглушки и т. п. Основные требовании к материалу этих изделий – хорошие литейные свойства, небольшая стоимость, минимально необходимый запас прочности и твердости, установленный конструктором. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют чугуны с графитом.

– для изготовления массивной станины кузнечного молота сложной формы. Чугун должен иметьповышенные механические свойства: предел прочности на растяжение не менее 400 МПа и относительное удлинение не менее 5%.

– для изготовления станины шлифовального станка. Предел прочности должен быть не менее 250МПа. К станине предъявляются повышенные требования по стабильности геометрической формы. Указать режим термической обработки, обеспечивающий предупреждение деформации (коробления) станины в процессе механической обработки и эксплуатации.

Защиты практических работ предполагают определенную подготовку (прочтение соответствующих лекционных тем и выполнения соответствующих заданий на лабораторных занятиях). Отчет по практической работе должен быть представлен в электронном и бумажном виде.