Выбор материала деталей машин и связь с технологией изготовления

При проектировании машин весьма важно рационально выбрать материал для их деталей. При изготовлении деталей машин отливкой применяется по возможности чугунное литье из серого чугуна как самое дешевое. Чугунное литье из серого чугуна имеет широкое применение, в особенности для неподвижных тяжелых деталей, например, для станин, а также для маховиков при окружной скорости не выше 30 м/с. Не рекомендуется применять серый чугун при действии на детали машин больших крутящих моментов. В случае ударов, больших усилий, необходимости экономии массы и т.п. при изготовлении деталей машин отливкой переходят от серого чугуна к высокопрочному чугуну или к стальному литью. Высокопрочный чугун значительно прочнее серого чугуна и с успехом может заменять стальное литье и поковки из углеродистой стали. Для деталей машин простой формы в зависимости от их назначения применяют поковки из стали самых различных сортов: углеродистой обыкновенного качества, углеродистой качественной, легированной и специального назначения. Для второстепенных и мало ответственных деталей назначается низкоуглеродистая сталь. Для ответственным деталей, где требуются повышенная твердость и прочность, в зависимости от назначения деталей применяется соответственно среднеуглеродистая или высокоуглеродистая сталь. Для особо ответственных подвижных деталей машин, где наряду с высокой прочностью требуются компактность или возможно малая масса, применяют легированные стали.

В трудящихся деталях машин для уменьшения трения и износа применяют бронзу и латунь (для гаек рабочих винтов, вкладышей подшипников, зубчатых венцов червячных колес и т.д.), антифрикционные сплавы. Для трущихся деталей машин считается хорошей комбинация твердой стали по чугуну и мягкой стали по баббиту. Чем больше разница в твердости трущихся поверхностей, тем лучше; чем ближе их твердости, тем больше опасность заедания при малейшем недостатке смазки. В отличие от других материалов закаленная сталь по закаленной стали и серый чугун по серому чугуну работают хорошо. Мелкие детали сложного очертания при опасности ржавления, например, части насосов, арматура и т.п., изготовляют из латуни.

Кроме указанных материалов для изготовления некоторых деталей машин применяют сплавы алюминия, ковкий чугун, пластмассы, дерево, кожу, резину, картон, асбест, войлок и др. Сплавы алюминия применяют там, где особенно важна экономия массы машин и их деталей, например, в авиастроении. ковкий чугун применяют для некоторых деталей железнодорожных вагонов, сельскохозяйственных, текстильных и т.п. машин, пластические массы – в машиностроении. Их изготовляют из природных и искусственных высокомолекулярных органических смол (полимеров) с добавлением различных наполнителей, пластификаторов, смазок, красителей и других веществ, необходимых для возможности получения из пластмасс деталей машин и других различных изделий и для придания им определенных свойств и внешнего вида.

Пластмассы подразделяются на термореактивные и термопластичные.

Термореактивными называют такие пластмассы, которые при нагреве и одновременном давлении сначала размягчаются и частично плавятся, а затем в результате химической реакции переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние. Термопластичными пластмассами называют такие, которые при нагреве размягчаются или плавятся, а при охлаждении твердеют. Термореактивные пластмассы являются необратимыми, а термопластичные – обратимыми. Детали из термопластичных масс допускают многократное использование для переработки в другие детали.

Пластмассы по своим физическим свойствам весьма разнообразны. Из термореактивных пластмасс преимущественное распространение в машиностроении имеют текстолиты и древолиты – древеснослоистые пластики (ДПС). Текстолит и древолит представляют собой пластики, состоящие из правильно уложенных слоев ткани или тонкого (0,6…1 мм) древесного шпона, пропитанных фенольной смолой и термически обработанных под высоким давлением.

Примеры применения текстолита и древеснослоистых пластиков: зубчатые и червячные колеса, шкивы, вкладыши подшипников, сепараторы подшипников качения, втулки, ползуны, ролики, катки, детали электрооборудования и др.

Из термопластичных пластмасс наибольшее распространение в машиностроении получили полиамиды, т.е.пластмассы, полученные на основе полиамидных смол и различных наполнителей. К однородным полиамидом относится капрон.

Примеры применения полиамидов: зубчатые и червячные колеса, вкладыши, втулки, ролики, пружины, трубы, детали арматуры и др.

Резину применяют для изготовления шин (камер и покрышек) автомобилей, тракторов и самолетов, приводных ремней, лент транспортерных и элеваторных, напорных рукавов, соединительных шлангов, резиновых подвесок, буферов, амортизаторов частей подшипников; для прокладочных колец, шнуров, пластин и клапанов, деталей электротехнической и рентгеновской аппаратуры и т.п. Картон прокладочный служит для изготовления уплотняющих прокладок во фланцевых и других соединениях. Прессшпан представляет сильно уплотненный лощеный картон. Он применяется для изготовления прокладок повышенной плотности (по сравнению с картонными прокладками).

Паронит представляет собой листовой прокладочный материал, изготовленный из асбеста, каучука и наполнителей. Его применяют в виде прокладок для уплотнения мест соединений металлических поверхностей, подвергающихся воздействию воды, насыщенного перегретого пара, воздуха, инертных газов, бензина, керосина и масла. Асбест применяют для изготовления тормозных лент, фрикционных колец, фильтров, в качестве термоизоляционного материала, а также для прокладок, уплотнения сальников и т.п. Кольца фрикционные асбестовые представляют собой пропитанную и прокаленную многослойную ткань, изготовленную из асбестовой нити с включением латунной или красномедной проволоки (диаметром не менее 0,16 мм); кольца применяют в качестве накладок тормозных механизмов. Войлок технический тонкошерстный (фетр), полугрубошерстный и грубошерстный применяют для сальников, прокладок и фильтров.

Стоимость материалов, из которых изготавливают машину, составляет 30…60 % полной стоимости машины. Экономию на стоимости материалов можно получить как путем уменьшения количества потребного материала на машину, так и путем замены дорогостоящего материала более дешевым. Но не всегда дешевый материал оказывается выгоднее более дорогого. Например, чтобы изготовить небольшую шестерню из чугуна, необходимо сначала сделать модель, отформовать ее, залить чугуном и обточить полученную отливку; скорее, проще и дешевле будет отрезать диск нужной толщины от круглой стальной заготовки соответствующего диаметра и для получения шестерни обработать его на станке.

При применении литья необходимо иметь в виду, что если принять стоимость 1 т отливок из серого чугуна равной единице, то для стоимости различного вида литья ориентировочно принимают следующее соотношение: серый чугун – 1, стальное литье – 2, ковкий чугун – 2 и бронзовое литье – 8.

При проектировании деталей зубчатых передач наиболее ответственный момент в решении – правильный выбор материала для сопряженной пары зубчатых колес. В практике машиностроения зубчатые колеса для силовых передач, как правило, изготовляют из углеродистых и легированных сталей различных марок. Зубчатые колеса из чугуна находят применение только в слабонагруженных малоответственных передачах. Зубчатые колеса из цветных металлов (из бронзы) применяют главным образом при изготовлении червячных колес и в основной комбинированной конструкции: зубчатый венец изготовляют из бронзы, ступицу – из чугуна и стали. Пластмассы также применяются относительно редко и главным образом для передач, работающих в агрессивных средах. Зубчатые колеса из углеродистых конструкционных сталей применяют в менее ответственных случаях, а из легированных сталей – в средненагруженных и тяжело нагруженных передачах, работающих с большими динамическими и ударными нагрузками. Следует заметить, что зубчатые колеса из углеродистых сталей, подвергнутых только нормализации и некоторому улучшению, обладают обычно невысокой контактной прочностью. Поэтому такие колеса используют лишь в единичном и мелкосерийном производстве. Высокую нагрузочную способность имеют зубчатые колеса с твердой поверхностью зубьев и вязкой их сердцевиной. Такими они получаются при изготовлении из углеродистых или легированных сталей после проведения соответствующей термической обработки, связанной с цементацией, азотированием или цианированием, и поверхностной закалкой зубьев. При объемной закалке зубья будут обладать пониженной вязкостью сердцевины, а потому плохо сопротивляться ударным нагрузкам.

Из технологических и экономических соображений колеса малых и средних размеров выполняют из поковок или проката. Колеса диаметром более 500 мм рекомендуется изготовлять из стального литья (35Л, 40Л, 50Л), применяя их в паре с кованой шестерней. Назначая материал, нужно стремиться получить одинаковую прочность зубьев шестерни и колеса. Зубья шестерни обычно имеют меньшее значение коэффициента формы зуба и работают в передаточное число раз интенсивнее, чем зубья колеса передачи. Поэтому для шестерни необходимо назначать материал с более высокими механическими характеристиками, твердость материала на поверхности зубьев шестерне рекомендуется принимать на 20…50 единиц НВ выше твердости поверхности зубьев колеса.

Таблица 3

Сочетание твердости шестерни и колеса

Твёрдость НВ	Марка стали
	шестерни	колеса
300 350	45,50 55, 55Г 35Х, 40Х 30ХГС 40ХН 12ХНВА 45, 50 55, 55Г 35Х, 40Х 40ХН 12ХН3А,20ХН3А 18ХГТ, 18ХНВА	35, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л Ст 6, 45, 55Л 45, 50, 55Л, 40ГЛ 35Х, 40Х 40Х, 40ГЛ 40ХН 40 40, 50 50, 55 35Х, 40Х 13ХА3А, 40ХН 40ХН, 18ХГТ

Таблица 4