Основные методы упрочнения материалов

Типы механических передач

зубчатые передачи (цилиндрические, конические),винтовые (винтовые, червячные, гепоидные),с гибкими элементами (ременные, цепные),фрикционные (за счет трения, применяются в плохих условиях работы

По способу передачи движения:

движение с вала на вал передается за счет сил трения (фрикционные, ременные, червячные), движение передается зацеплением (зубчатые, цепи, винту, с зубчатыми ремнями, червячные).

Упрочнение в технологии металлов – это повышение сопротивляемости материала заготовки или изделия разрушению или остаточной деформации.
Упрочнение материала заготовок и изделий достигается механическими, термическими, химическими и др. воздействиями, а также комбинированными способами (химико-термическими, термомеханическими и др.). Наиболее распространённый вид упрочняющей обработки – поверхностное пластическое деформирование (ППД) – простой и эффективный способ повышения несущей способности и долговечности деталей машин и частей сооружений, в особенности работающих в условиях знакопеременных нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные конструкции, инструменты и т.п.). В зависимости от конструкции, свойств материала, размеров и характера эксплуатационных нагрузок деталей применяются различные виды ППД: накатка и раскатка роликами и шариками, обкатка зубчатыми валками, алмазноевыглаживание, дорнование, гидроабразивная, вибрационная, дробеструйная и др. способы обработки. Часто ППД, кроме упрочнения, значительно уменьшает шероховатость поверхности, повышает износостойкость деталей, улучшает их внешний вид (упрочняюще-отделочная обработка). Упрочнение при термической обработке металлов обеспечивается, в частности, при закалке с последующим отпуском. Улучшению прочностных свойств значительно способствуют и определённые виды термомеханической обработки (в т. ч. горячий и холодный наклёп). Упрочнение химико-термическим воздействием может осуществляться путём азотирования, цианирования, цементации, диффузионной металлизации (насыщением поверхности детали алюминием, хромом и др. металлами).
Упрочнение обеспечивается также применением электрофизических и электрохимических методов обработки, ультразвуковой, электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической, электроннолучевой, фотоннолучевой, анодно-химической, электроискровой, а также воздействием взрывной волны, лазера и др. Упрочняющая обработка может быть поверхностной (например, пластическое деформирование с возникновением поверхностного наклёпа), объёмной (например, изотермическая закалка) и комбинированной (например, термическая обработка с последующим ППД). Объёмная и поверхностная упрочняющая обработки могут вестись последовательно несколькими методами

13. Основные виды термической обработки стали.

Отжигом –называется вид термической обработки,состоящий в нагреве металла,имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. При этом процессе заготовки и изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений.

Отжиг делится на полный, неполный,диффузионный, рекристаллизационный,низкий, изотермический и нормализационный. Полный отжиг применяется для снижения твердости,прочности стали, а пластичность при этом повышается.При полном отжиге в металле происходит,перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна,за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.Неполный отжиг применяется,для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали к закаливанию.Изотермический отжиг заключается,в нагреве стали до определённой температуры и относительно быстром охлаждении, также до определенных температур и последующем охлаждении на воздухе. При этом получается,более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.Диффузионный отжиг заключается,в нагреве стали до 1000-1100 градусов по Цельсию,выдержке (10-15часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит,выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Такая высокая температура необходима для ускорения диффузионных процессов. При высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура,которая устраняется последующим полным отжигом.Рекристаллизационный отжиг необходим для снятия наклёпа и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию.В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.Низкий отжиг применяют для того, что бы только снять внутреннее напряжение,которое возникает после механической обработки.Нормализация состоит, из нагрева стали,её выдержке при определенной температуре и после чего оставляют охлаждаться на воздухе.Нормализация– это более дешёвая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки.

К термической обработке стали также, относят закалку. Суть этого процесса заключается,в нагреве стали до больших температур и после чего сталь быстро охлаждают. Цель закалки – это придание стали повышенной прочности,твердости, но при этом снижается вязкость и пластичность.Закалка характеризуется двумя способностями:закаливаемостью и прокаливаемостью. Закаливаемость характеризуется определённой твёрдостью,которая сталь приобретает после закалки,атакже зависит от содержания углерода в данной стали.Стали с очень низким содержанием углерода (до0,3) закалке не поддаются и она для них не применяется.

Прокаливаемость– это глубина проникновения закалённой зоны (области).Прокаливаемость зависит от химического состава стали.С повышением содержания углерода прокаливаемостьувеличивается.Напрокаливаемость влияет также скорость охлаждения.Чем выше скорость охлаждения,тем больше прокаливаемость.Поэтому при закалке в воде прокаливаемость более высокая,чем при закалке в масле. Большие размеры закаливаемой детали, также приводят к значительному уменьшению прокаливаемости.

Способы охлаждения также относят к одной из операций термообработки.

Ступенчатую закалку производят путем быстрого охлаждения в соляной ванне,затем делают выдержку и охлаждают на воздухе. Ступенчатую закалку применяют для деталей из углеродистой стали небольшого сечения (8-10 мм).Для сталей,имеющих небольшую критическую скорость закалки,ступенчатую закалку применяют в основном для изделий большого сечения.При изотермической закалке, как и при ступенчатой,детали переохлаждают в среде, далее на воздухе.Преимущества этого способа закалки заключается в большей вязкости,отсутствии трещин, минимальном короблении.Изотермическую закалку применяют для изделий сложной формы.Существенную роль играют также способы погружения деталей в охлаждающую жидкость. Например длинные изделия вытянутой формы(свёрла, метчики)погружают в строго вертикальном положении,чтобы избежать коробления.

Отпуск стали– это вид термической обработки,следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определённой температуры,выдержки и охлаждении.Цель отпуска стали - снятие внутренних напряжений,повышение вязкости и пластичности.

Различают низкий, средний и высокий отпуск.Низкий отпуск проводится при температуре150-200 градусов Цельсия. В результате снимаются внутренние напряжения,происходит увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твердости и износостойкости.Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент,а также детали,которые должны обладать высокой износостойкостью и твёрдостью.При среднем отпуске нагрев производится до 350-450 градусов Цельсия. При этом происходит некоторое снижение твёрдости при значительном увеличении упругости и сопротивляемости действию ударных нагрузок. Применяется для пружин,рессор, ударного инструмента.Высокий отпуск производится при 550-650 градусов Цельсия. При этом твёрдость и прочность снижаются значительно,но очень сильно возрастают вязкость и пластичность,однако создаётся оптимальный вариант для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Применяется для деталей,которые подвергаются действию высоких нагрузок. Термическая обработка,состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.Она является основным видом обработки конструкционных сталей. Продолжительность выдержки зависит от размеров деталей: чем они больше, тем длиннее выдержка.Низкий отпуск инструментов обычно происходит в течении 0,5-2,5часа. Для измерительных инструментов проводят более длительный отпуск до 10-15часов.

Наряду с горячей обработкой стали, применяется также обработка холодом. Обработка холодом состоит в том, что закаливаемые детали на некоторое время погружают в среду имеющую температуру ниже 0 градусов Цельсия.Производить обработку холодом нужно сразу после закалки. Такой обработке подвергают измерительный инструмент,части точных механизмов,деталишарикоподшипников.Обработка холодом не уменьшает внутренних напряжений,поэтому после неё необходим отпуск.

16 назначение механических передач

Назначение передач в основном состоит в понижении или повышении частоты вращения двигателя или иного источника вращательного движения с соответствующим повышением или понижением вращающего момента. Большинство рабочих органов машин требует более низких частот вращения, что вызывает необходимость понижающих передач (редукторов). Мультипликатор — передача, повышающая частоту вращения. Кроме простого преобразования частоты вращения и вращающего момента двигателя в какое-то конкретное число раз передачи могут:

регулировать ступенчато или бесступенчато частоту вращения рабочего органа машин;

реверсировать движение, т. е. обеспечивать прямой и обратный ход;

преобразовывать один вид движения в другой (например, вращательное в прямолинейное, качательное, прерывистое и т.д.);

распределять движение между несколькими исполнительными органами машины (например, приводить в движение несколько станков или ведущих колес автомобиля от одного двигателя).

18 методы изготовления зубчатых колес.материалы зубчатых колес

Колеса небольших диаметров (менее 100...150 мм) изготовляют цельными из штампованных заготовок без углубления. Колеса большего диаметра (до 400...500 мм) выполняют (для уменьшения массы) с углублениями и отверстиями. В единичном и мелко-серийном производстве заготовки таких колес получают из сортового проката или поковок, полученных свободной ковкой, а в крупносерийном и массовом производстве— штамповкой.

Колеса больших диаметров (свыше 400...500 мм) изготовляют сварными или литыми. Зубчатый венец делается за одно целое с валом (вал-шестерня), если толщина обода в месте, ослабленном шпоночным пазом, будет меньше 2,5 m а также при высоких требованиях к точности центрирования колеса на вале. Валы-шестернивыполняютобычноизкованыхзаготовок.

Зубчатые передачи появились еще в глубокой древности. В античные времена зубчатые колеса были настолько хорошо известны, что их даже стали использовать в качестве орнаментов и украшений. Деревянную зубчатую передачу сменила бронзовая, а затем и железная. Первую теорию зубчатой передачи дал еще Аристотель за три с половиной века до нашей эры (рис. 2.1).

Идею косозубого зубчатого колеса высказывал еще в XVII в. знаменитый английский ученый-механик Роберт Гук. Правда было замечено, что такие колеса вызывают осевые силы но в XIX в. догадались совместить два косозубых колеса с противоположным направлением зубьев и получить шевронную передачу. Такие колеса стали применять прежде всего в прокатных станах.

Все эти виды зубчатых колес успешно применяются и сейчас; добавились только круговые, или арочные, зубья, более технологичные в изготовлении, чем шевронные (рис. 2.4). Появилось и новое удачное зубчатое зацепление, в отличие от множества других, не проявивших себя с положительной стороны, — зацепление М.Л.Новикова (1954). Зубья, по М.Л.Новикову, профилируются по дугам окружностей, причем выпуклость на одном зубе сопрягается с вогнутостью на другом. При этом зубья выполняются винтовыми, а следовательно, рабочие поверхности зубьев можно охарактеризовать как круговинтовые*(* Более подробно зубчатые передачи с зацеплением Новикова рассматриваются в п. 8.2.1.). Нагрузочная способность такой передачи в 1,5... 1,7 раза выше, чем у аналогичной по размерам и материалу эвольвентной косозубой передачи. Недостатки — чувствительность к изменению межосевого расстояния, сложность инструмента для нарезания зубьев.

Кроме цилиндрических, известен с древности и другой тип зубчатых колес — конические. Если у цилиндрических колес оси параллельны друг другу, то у конических колес они пересекаются, чаще всего под прямым углом (ортогональные конические передачи). Появление конических зубчатых колес было вызвано прежде всего потребностями мельниц. Как на ветряных, так и на водяных мельницах ось двигателя (ветрового или водяного колес) располагалась горизонтально, а ось жерновов — вертикально. Стало быть, потребовалась механическая передача, передающая вращение под углом, чаще всего прямым.

Первоначально малое зубчатое колесо как конических, так и цилиндрических передач выполнялось в виде цевочного колеса — оно и сейчас сохранилось, например в часовых механизмах. Его очень легко было изготовить примитивными инструментами, так как состояло оно из двух дисков, между которыми располагались стержни. Обычно этих стержней было шесть (поскольку на шесть частей наиболее легко разделить окружность циркулем), поэтому вначале это колесо на Руси получило название «шестержня», которое затем трансформировалось в «шестерня». Так и до сих пор называется любое малое зубчатое колесо. В паре с шестерней располагалось большое, обычно цевочное же колесо, соединенное, например, с ветро-колесом, а шестерня соединялась с подвижным жерновом. Получалась примитивная коническая передача.Впоследствии, разумеется, в силовых конических передачах зубья стали профилировать чаще всего по эвольвенте, но также и по циклоиде, профилю зацепления Новикова и другим профилям, например прямолинейным.

Конические зубчатые колеса могут иметь прямые зубья, в основном для малых частот вращения косые зубья (редко) и круговые зубья.Колеса с круговыми зубьями прочнее прямозубых, плавнее работают и, как это ни парадоксально, технологичнее их. Правда, монтаж их значительно сложнее и требует гораздо большей точности, чем монтаж прямозубых колес.

По сравнению с другими зубчатыми передачами планетарные и волновые передачи появились сравнительно недавно. Планетарную передачу предложил в 1781 г. изобретатель паровой машины Дж. Уатт, причем не совсем по ее прямому назначению, а для того, чтобы заменить кривошипно-шатунный механизм, запатентованный применительно для паровой машины другим изобретатеелем. Однако столетие спустя планетарная передача стала активно использоваться по своему прямому назначению в трансмиссиях машин. Самой «молодой» из зубчатых передач является волновая передача. Впервые такая передача была запатентована в США инженером Массером в 1959 г. и за довольно краткий срок широко распространилась во многих областях техники.

17 Зубчатые передачи.

Зубчатая передача — это механизм или часть механизма в состав которого входят зубчатые колёса. Движение пе-редаётсяс помощью зацепления пары зубчатых колёс.

Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, большее – колесом. Параметрам шестерни приписывают индекс 1, параметрам колеса – индекс 2.

Достоинства и недостатки зубчатых передач

Достоинства зубчатых передач:

• Возможность применения в широком диапазоне скоростей, мощностей и передаточных отношений.

• Высокая нагрузочная способность и малые габариты.

• Большая долговечность и надёжность работы.

• Постоянство передаточного отношения.

• Высокий КПД (87-98%).

• Простота обслуживания.

Недостатки зубчатых передач:

• Большая жёсткость не позволяющая компенсировать динамические нагрузки.

• Высокие требования к точности изготовления и монтажа.

• Шум при больших скоростях.

Классификация зубчатых передач

По передаточному отношению:

• с постоянным передаточным отношением;

• с переменным передаточным отношением.

По форме профиля зубьев:

• эвольвентные;

• круговые (передачи Новикова);

• циклоидальные.

По типу зубьев:

• прямозубые;

• косозубые;

• шевронные;

• криволинейные.

По взаимному расположению осей валов:

• с параллельными осями (цилиндрические передачи с прямыми, косыми и шевронными зубьями);

• с пересекающимися осями (конические передачи);

• с перекрещивающимися осями.

По форме начальных поверхностей:

• цилиндрические;

• конические;

• гиперболоидные;

По окружной скорости колёс:

• тихоходные;

• среднескоростные;

• быстроходные.

По степени защищенности:

• открытые;

• закрытые.

По относительному вращению колёс и расположению зубьев:

• внутреннее зацепление (вращение колёс в одном направлении);

• внешнее зацепление (вращение колёс в противоположном направлении).

Эвольвентное зацепление

Эвольвентное зацепление позволяет передавать движение с постоянным передаточным отношением.

Эвольвентное зацепление - зубчатое зацепление, в котором профили зубьев очерчены по эвольвенте окружности. Для этого необходимо чтобы зубья зубчатых колёс были очерчены по кривой, у которой общая нормаль, проведённая через точку касания профилей зубьев, всегда проходит через одну и ту же точку на линии, соединяющей центры зубчатых колёс, называемую полюсом зацепления.

Нарезание зубьев зубчатых колёс

Нарезание зубчатых колес производится методом копирования или обкатки. По методу копирования впадины между зубьями образуются инструментом, имеющим профиль впадины – диско-вой фрезой, пальцевой фрезой, протяжкой, шлифовальным кругом. Точность этого метода понижена. По методу обкатки зубья нарезают инструментом в виде рейки-гребёнки, червячной фрезы или шестерни долбяка. Нарезание происходит в процессе принудительного зацепления инструмента с заготовкой на зуборезном станке. Ме-тод обкатки даёт непрерывный, процесс нарезания, что обеспечивает повышенную производительность и точность по сравнению с методом копирования. Кроме нарезания применяют также метод накатывания зубьев, который повышает прочность на 15-20%. Точные зубчатые колёса подвергают шлифованию и притирке. Влияние числа зубьев на форму и прочность зуба

Для уменьшения габаритов зубчатой передачи применяют колеса с малым числом зубьев. Изменение числа зубьев приводит к изменению формы зуба. С уменьшением z увеличивается кривизна эвольвентного профиля, а толщина у основания и у вершины уменьшается.Точность зубчатых колес

При изготовлении зубчатых передач неизбежны погрешности, которые выражаются в отклонениях шага, соосно-сти колес, теоретического профиля зубьев, межосевого расстояния и др. Все эти погрешности приводят к повышенно-му шуму во время работы и преждевременному разрушению передачи.

Точность зубчатых передач регламентируется стандартами, в которых предусмотрено 12 степеней точности с обозначением степени в порядке убывания точности. Наибольшее распространение имеют 6, 7, 8 и 9-я степени точности.Повреждения поверхности зубьев

Все виды повреждения поверхностей зубьев связаны с контактными напряжениями и трением:

• Усталостноевыкрашивание является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передач. Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие углубления, которые растут и превращаются в раковины. Основные меры предупреждения выкрашивание: определение размеров из расчёта на усталость по контактным напряжениям; повышение твёрдости материала путём термообработки; повышение степени точности изготовления зубьев.

• Абразивный износ является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке (открытые пере-дачи и закрытые, но плохо защищённые от загрязнения; сельскохозяйственные, транспортные, грузоподъёмные ма-шины; горнорудное оборудование). Основные меры предупреждения износа: повышение твёрдости поверхности зубьев, защита от загрязнения, применение специальных масел.

• Заедание наблюдается преимущественно в высоко нагруженных и высокоскоростных передачах. В месте со-прикосновения зубьев этих передач развивается высокая температура, способствующая разрыву масленой плёнки и образованию металлического контакта. Здесь происходит сваривание частиц металла с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся наросты способствуют заеданию. Меры предупреждения заедания те же, что и против износа.

• Пластические сдвиги наблюдаются у тяжело нагруженных тихоходных зубчатых колёс выполненных из мяг-кой стали. При перегрузках на мягкой поверхности зубьев появляются пластические деформации с последующим взрывом в направлении скольжения. Пластические сдвиги можно устранить повышением твёрдости рабочей поверх-ности зубьев.

• Отслаивание твёрдого поверхностного слоя зубьев подвергнутых поверхностному упрочнению (азотирова-ние, цементирование, закалка) Этот вид разрушения наблюдается при низком качестве термообработки. Отслаиванию способствуют перегрузки.

Смазывание зубчатых передач

В процессе зацепления зубьев вследствие трения качения и скольжения происходит нагрев передачи, изнашивание зубьев, снижение КПД. Чтобы обеспечить работоспособность передачи, в зацепление колес подводят смазочный материал, который сни-жает контактные напряжения, предохраняет зубья от интенсивного истирания и коррозии, уносит продукты износа, уменьшает силу удара в зацеплении и улучшает отвод теплоты.

КПД зубчатых передач

Потери мощности в зубчатых передачах складываются из потерь на трение в зацеплении, на трение в подшипниках и гидравлических потерь на взбалтывание и разбрызгивание масла (закрытые передачи). Потери в зацеплении составляют главную часть потерь передачи, они зависят от точности изготовления, способа смазывания, шероховатости рабочих поверхностей, скорости колес, свойств смазочных материалов и числа зубьев колес. С увеличение числа зубьев КПД передачи возрастает.

Потерянная мощность в передаче переходит в теплоту, которая при недостаточном охлаждении может вызвать перегрев передачи.

Конструкции зубчатых колес

В зависимости от назначения, размеров и технологии получения заготовки зубчатые колеса имеют различную конструкцию.

Цилиндрические и конические шестерни выполняют как одно целое с валом (вал-шестерня). Это объясняется тем, что раздельное изготовление увеличивает стоимость производства вследствие увеличения стоимости поверхностей, требующих точной обработки, а также вследствие необходимости применения того или иного соединения (например, шпоночного). Насадочные шестерни применяются в случаях, когда они должны перемещаться вдоль вала или в зави-симости от условий сборки.

При диаметре da ≤ 150 мм колеса изготавливают в форме сплошных дисков из проката или из поковок.

(22)/(23)

Дата добавления: 2015-06-04