Конструирование машин

Конструирование машин

Реферат

Выполнил студент группы М-118 Кухтарева А.Ю.

Запорожский национальный технический университет

Введение

Из истории технической эволюции мы знаем, что освоение некоторых субстанций приводило к скачкам в развитии техники, т. е. к техническим революциям. Действительно, всякий раз, когда техника овладевала веществом, энергией или информацией на новом уровне, происходило скачкообразное увеличение ее эффективности - появлялась возможность переложить на машины те виды деятельности, которыми прежде вынужден был заниматься человек

Конструирование машин - творческий процесс со свойственными ему закономерностями построения и развития. Основные особенности этого процесса состоят в многовариантности решения, необходимости согласования принимаемых решений с общими и специфическими требованиями, предъявляемыми к конструкциям, а также с требованиями соответствующих ГОСТов, регламентирующих термины, определения, условные обозначения, систему измерений, методы расчета и т. п.

Детали, узлы, машины изготовляют по чертежам, выполненным на основе проектов — совокупности расчетов, графических материалов и пояснений к ним, предназначенных для обоснования и определения параметров конструкции (кинематических, динамических, геометрических и др.), ее производительности, экономической эффективности. Для особо ответственных конструкций проект дополняют макетом или действующей моделью.

Стадии разработки конструкторской документации и этапы работ установлены ГОСТ 2.103-68. Он обобщает опыт, накопленный в передовых странах по проектированию машин, приборов и аппаратов.

Учитывая характер формулировки задачи и точку входа в рабочий план, мы можем выделить следующие разновидности конструирования.

Первая стадия — разработка технического задания — документа, содержащего наименование, основное назначение, технические требования, показатели качества, экономические показатели и специальные требования заказчика к изделию.

Техническое задание разрабатывают на основе требований заказчика с учетом достижений и технического уровня отечественных и зарубежных конструкций, патентного поиска, а также результатов научно-исследовательских работ и научного прогноза.

Вторая стадия — разработка технического предложения — совокупности конструкторских документов, обосновывающих техническую и технико-экономическую целесообразность разработки изделия на основе предложений в техническом задании, рассмотрения вариантов возможных решений с учетом достижений науки и техники в стране и за рубежом, патентных материалов, возможностей машиностроительных заводов отрасли и смежных отраслей. Техническое предложение утверждается заказчиком и генеральным подрядчиком.

Третья стадия — разработка эскизного проекта — совокупности конструкторских документов, содержащих принципиальные конструкторские решения и разработки общих видов чертежей, дающих представление об устройстве разрабатываемого изделия, принципе его действия, габаритах и основных параметрах. Сюда входит пояснительная записка с необходимыми расчетами.

Четвертая стадия — разработка технического проекта — совокупности конструкторских документов, содержащих окончательное решение и дающих полное представление об устройстве изделия. Чертежи проекта состоят из общих видов и сборочных чертежей узлов, полученных с учетом достижений науки и техники на уровне работы узлов. На этой стадии рассматриваются вопросы надежности узлов, соответствие требованиям техники безопасности, условиям хранения и транспортирования и т. д.

Пятая стадия — разработка рабочей документации — совокупности документов, содержащих чертежи общих видов, узлов и деталей, оформленных так, чтобы по ним можно было изготовлять изделия и контролировать их производство и эксплуатацию. На этой стадии разрабатываются конструкции деталей, оптимальные по показателям надежности, технологичности и экономичности.

Подразделение процесса конструирования на различные фазы и этапы существенно облегчав' работу на отдельных этапах, но при этом обнаруживает отчетливо видимые разрывы, преодоление которых требует использования более или менее произвольных сопоставлений. Совокупность этих сопоставлений, кроме возможности образования вариантов, создает также мысленное пространство объектов конструирования, по которому проходит много путей, ведущих к различным решениям одной и той же задачи. Можно, конечно, пытаться: действовать в этом пространстве, руководствуясь механически выполняемыми правилами (алгоритмами), однако гораздо полезнее здесь подборки испытанных решений для отдельных частных функций, например конструкторские каталоги.

Требования к конструкторским каталогам

Чтобы конструкторские каталоги были свободны от произвольности, характерной для неформальных подборок решений, имели широкий спектр применимости, а также сочетались с новыми методами конструирования, они должны отвечать следующим требованиям:

обеспечивать быструю выборку информации в удобной форме и удовлетворять запросы широкого круга пользователей;

хорошо вписываться в процесс конструирования;

не содержать противоречий как внутри одного каталога, так и между различными каталогами;

согласовываться с положениями и процедурами методического конструирования;

обладать максимальной полнотой в соответствующей области;

обеспечивать возможность расширения и изменения содержания при неизменных принципах организации материала и содержать сведения об этих принципах.

И полезность таких каталогов, и трудоемкость их составления вполне очевидны. Так, стремление к максимальной полноте требует особенно безупречной, верифицируемой терминологической структуры классификационных принципов.

Как подборки решений, так и конструкторские каталоги можно с большой пользой применять при конструировании - они часто аккумулируют сведения из многих, в том числе малодоступных, источников информации, способствуют рационализации конструирования и, наконец, часто побуждают конструктора к поиску нетривиальных решений. Кроме того, они облегчают синтез конструкций, который, no-существу, есть не что иное, как составление общего решения из малого числа оригинальных и большого числа известных частных решений. Чем элементарнее уровень этих решений, тем скорее они окажутся уже известными в технике, и тем меньше их вероятное общее число. Тем самым появляется возможность собрать постоянно встречающиеся элементарные решения, чтобы единообразно и максимально полно описать их в хорошо обозримой форме в каталоге. Каждое из этих элементарных решений будет представлять целое семейство родственных вариантов, подобно тому, как исходный профиль рейки представляет все зубчатые колеса с числом зубьев от -∞ до +∞

Элементарные решения, в нашем смысле, - это не что иное, как различные варианты реализации основных переходов - от функционального положения к идеальным функциям, от идеальных функций - к эффектам, от эффектов - к структурным элементам - носителям эффектов, от структурных элементов - к контурным (геометрическим) элементам (т. е. деталям или группам деталей), и, наконец, от деталей - к определенным способам их изготовления

Широкое использование ЭВМ на всех стадиях проектирования необходимо, чтобы избавить конструктора от выполнения трудоемких расчетов, многофакторного анализа и большого объема графических работ.

При конструировании необходимо заботиться о технической эстетике. Между понятиями красота в инженерном смысле и рациональность конструкции имеется связь.

Рациональные конструкции кажутся красивыми, и красивые конструкции оказываются рациональными.

Расчеты деталей машин при конструировании. Для предварительного определения размеров деталей применяют упрощенные условные расчеты, например, по номинальным напряжениям, позволяющие в удобной форме обобщать опыт конструирования. Эти же расчеты применяют, в качестве основных, для малоответственных деталей.

В качестве окончательных, применяют расчеты по критериям работоспособности и надежности, достаточно точно отражающим физические явления, возникающие при работе машины.

Общая структура конструкторских каталогов

Ясно, что применять конструкторские каталоги гораздо легче, если их структура единообразна и соответствующая терминология точна. Особенно хороши в этом отношении "одномерные" и "двумерные" каталоги. Группировка содержания каталога соответствует в первом случае одномерной, а во втором - двумерной классификации.

Машиностроительные материалы.

Выбор материала и термообработки деталей машин определяется конструктивными соображениями (обеспечение надежности), технологическими (единичное, серийное, массовое производство) и экономическими.

Для изготовления деталей машин широко применяют стали и чугуны, а также алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы.

С Т А Л И -

Сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2%. По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются термически, химико-термически и механически.

Общая характеристика. В зависимости от содержания углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (С ≤ 0,25 %), среднеуглеродистые (С = 0,25 ÷ 0,6%) и высокоуглеродистые (С>0,6%). С увеличением содержания углерода возрастает прочность и снижается пластичность. В обозначении марки стали среднее содержание углерода в сотых долях процента показывают первые две цифры (например, сталь 45 содержит 0,45% углерода).

Для улучшения свойств (механических, коррозионных, тепловых и др.) сталей применяют легирующие присадки (в скобках указаны буквенные обозначения присадок в марке стали): вольфрам - (В)

марганец - (Г)

медь - (Д)

молибден - (М)

никель - (Н)

бор - (Р)

кремний - (С)

титан - (Т)

хром - (X)

ванадий - (Ф)

алюминий - (Ю)

Процентное содержание в стали легирующих присадок указывают цифрами после буквы (например, сталь 12Х2Н4А содержит в среднем 0,12% углерода, 2% хрома и 4% никеля). По способу производства углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества и стали качественные конструкционные, а легированные стали — на качественные, высококачественные (в конце обозначения марки стали содержится буква А, например, ЗОХГСА) и особо высококачественные.

Из углеродистых сталей обыкновенного качества для изготовления неответственных деталей (корпусов, крепежа и др.) наиболее часто используют мартеновские стали, обозначаемые буквами Ст и номерами в порядке возрастания прочности (от СтО до Ст7, начиная со стали Ст4 номер соответствует 0,1σв min.; σв min. — минимальное значение предела прочности стали).

Легированные стали дороже углеродистых. Они, а также качественные углеродистые стали имеют высокую прочность (σв = 800 ÷ 1400 МПа) при массовой плотности ρ = 7,8 г/см3 и являются основными материалами для изготовления различных ответственных деталей машин (зубчатых колес, валов и т. п.).

Термическая обработка. Для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности и т. д.) выполняют термическую обработку заготовок или готовых деталей, которая состоит из трех последовательных стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течение требуемого времени и охлаждения с заданной скоростью.

Наиболее распространены четыре процесса термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг, характеризуемый медленным охлаждением (вместе с печью или на воздухе) после нагрева и выдержки при некоторой температуре деталей и заготовок, проводят для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых легированных сталей, а также для снятия остаточных напряжений в конструкциях после сварки или предварительной (черновой) обработки резанием. Для углеродистых и углеродистых легированных сталей проводят полный отжиг — нагрев до температуры, превышающей на 30-50 °С температуру превращения объемно-центрированной решетки железа в гранецентрированную кубическую решетку (обычно 800-900 °С), выдержку при этой температуре, медленное охлаждение до 400-600 °С вместе с печью и далее на воздухе. Для низкоуглеродистых высоколегированных сталей 12Х2Н4А, 20Х2Н4А и др., используемых для изготовления зубчатых колес, применяют низкотемпературный (высокий) отжиг при температуре 650 — 670 °С и медленное охлаждение (чаще всего на воздухе). Используют и другие виды отжига, которые отличаются от высокого отжига температурой нагрева и скоростью охлаждения.

Нормализация отличается от полного отжига характером охлаждения, которое после выдержки производят на воздухе. Ее применяют для получения однородной структуры с более высокой твердостью и прочностью, чем после отжига, для исправления структуры сварных швов, выравнивания структурной неоднородности поковок и отливок, а также для улучшения обрабатываемости резанием сталей.

Закалка отличается от полного отжига и нормализации высокой скоростью охлаждения заготовок или деталей после нагрева до температуры превращения и выдержки при этой температуре. Высокая скорость охлаждения достигается за счет использования в качестве охлаждающей среды воды, масла, водных растворов солей NaOH, NaCl и др. В результате металл приобретает мелкозернистую однородную структуру с высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, но пониженной пластичностью и более трудной обрабатываемостью резанием.

Закалку широко используют для обработки отливок, поковок, штамповок и обработанных деталей из средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей для получения высоких эксплуатационных характеристик.

Существует ряд разновидностей объемной закалки, отличающихся условиями и характером быстрого охлаждения.

Широко применяют поверхностную закалку - нагрев с большой скоростью поверхностного слоя стальной детали (токами высокой частоты, электронным лучом и др.) выше температуры превращений и последующее быстрое охлаждение с получением мелкозернистой структуры в поверхностном слое определенной толщины. При поверхностной закалке коробление (деформация) деталей меньше, чем при объемной.

Поверхностной закалке подвергают детали машин (зубья колес, кулачки, валы и др.), изготовленные из углеродистых и низколегированных сталей марок 40, 45, 50, 40Х 40ХН 45Х и др.

Высокая твердость и прочность поверхностных слоев деталей после поверхностной закалки обеспечивают им высокую износостойкость и контактную прочность.

Отпуск - нагрев до температуры ниже интервала превращений, выдержка и последующее охлаждение для повышения вязких свойств, уменьшения термических остаточных напряжений и улучшения обрабатываемости резанием. Обычно применяют после закалки (нормализации) стальных отливок, поковок, проката и механически обработанных деталей.

В зависимости от температуры нагрева различают высокий отпуск (температура нагрева 500-670 °С), средний отпуск (250-450 °С) и низкий отпуск (140-230 °С). С увеличением температуры нагрева повышается пластичность стали после отпуска.

Химико-термическая обработка. При химико-термической обработке изменяется химический состав поверхностных слоев деталей, что позволяет получить мелкозернистую структуру, высокую твердость, прочность и износостойкость деталей.

Существует ряд способов такой обработки: цементация - насыщение поверхностных слоев стали углеродом; азотирование - насыщение азотом; цианирование - одновременное насыщение углеродом и азотом; борирование - насыщение бором и др. Глубина насыщения невелика, обычно 0,2— 1 мм.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых легированных сталей 15, 20Х, 12Х2Н4А, 12ХНЗА, 18Х2Н4МА и др. Для изготовления азотируемых деталей обычно используют стали 38Х2МЮА, 38Х2Ю и др., а для цианируемых деталей - стали марок 15, 20, 45, 35Х, 40Х и др.

Ч У Г У Н Ы -

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2%. Чугуны имеют высокие литейные и невысокие пластические свойства в сравнении со сталями.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые, ковкие и серые.

Белый чугун, обладающий высокой твердостью и хрупкостью, обрабатывают резанием твердосплавным инструментом. Используют для изготовления тормозных колодок и других деталей, взаимодействующих с абразивом.

Ковкий чугун применяют для деталей, получаемых литьем, и не обрабатывают давлением из-за низкой пластичности. Он имеет высокую прочность (σв = 300 ÷ 630 МПа).

Серый чугун является основным литейным материалом в машиностроении. Его используют для изготовления деталей сложной конфигурации при отсутствии жестких требований к габаритам и массе (зубчатые колеса, валы, детали корпусов, шкивы ременных передач и т. д.). Имеет высокие литейные свойства, среднюю прочность (σв < 400 МПа), удовлетворительную износостойкость, высокую демпфирующую способность, хорошо обрабатывается резанием.

Серый чугун обозначается буквами СЧ и двухзначной цифрой, показывающей деленные приблизительно на 10 значения предела прочности при растяжении в МПа (например, СЧ 15 означает серый чугун с пределом прочности при растяжении 150 МПа).

Наибольшее применение имеют чугуны СЧ15 и СЧ20, используемые для получения отливок средней прочности, их массовая плотность ρ = 7 г/см3.

М Е Д Н Ы Е С П Л А В Ы -

Медные сплавы разделяют на латуни и бронзы.

Латуни подразделяют, в свою очередь, на двойные (сплавы меди и цинка) и многокомпонентные (содержат дополнительно свинец, кремний, марганец и др.).

Латуни имеют хорошие технологические свойства (обрабатываются давлением, резанием, литьем), достаточную прочность (σв = 250 ÷ 350 МПа), хорошее сопротивление коррозии. Стоимость латуни в 5 раз и более превышает стоимость качественной стали.

Латунь в своем обозначении содержит букву Л, например, Л59, Л62, Л90 и др.

В машиностроении основное применение имеют сложные латуни ЛКС80-3-3, ЛМцС58-2-2 и др., используемые в узлах трения, а также для изготовления арматуры и т. д.

Бронзы, кроме основы — меди, содержат компоненты, определяющие их наименование. Различают бронзы оловянистые, свинцовистые, алюминиевые, бериллиевые и др.

Бронзы имеют высокие антифрикционные свойства, коррозионную стойкость и технологические свойства (имеются в виду литейные бронзы и бронзы, обрабатываемые давлением — алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др.).

Являясь важнейшим и дорогостоящим (примерно в 10 раз дороже стали) антифрикционным материалом, бронзы широко применяют в подшипниках скольжения, в червячных и винтовых колесах и др. Бронзы обозначают буквами Бр, буквами, показывающими наличие основных компонентов кроме меди (А — алюминий, Б — бериллий, Ж — железо, К — кремний, О — олово, Ц — цинк, Ф — фосфор и др.), и цифрами, показывающими среднее содержание в % соответствующих компонентов. Например, БрАЖ9 - 4 — это обозначение марки бронзы со средним содержанием алюминия 9% и железа 4%.

Б А Б Б И Т Ы -

Баббиты — сплавы на основе олова, свинца и кальция являются высококачественными хорошо прирабатывающимися антифрикционными подшипниковыми материалами. Их обозначают буквой Б и цифрой, выражающей содержание в процентах олова, или буквой, показывающей дополнительный компонент.

Очень высокая стоимость баббитов (в 20 раз и более превышающая стоимость качественной стали) ограничивает области их использования.

А Л Ю М И Н И Е В Ы Е С П Л А В Ы -

Алюминиевые сплавы (литейные АЛ и деформируемые) имеют плотность ρ = 2,6 ÷ 2,9 г/см3 (почти в 3 раза меньшую, чем стали) и удельную прочность, приблизительно равную удельной прочности стали.

Основными литейными сплавами являются сплавы с кремнием - силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ5, АЛ9 и др.), имеющие после закалки σв = 170 ÷ 250 МПа. Обладая высокими литейными свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием, они широко применяются для изготовления сложных деталей корпусов машин.

Деформируемые сплавы марок АМц, АМг и др. (термически неупрочняемые), а также термически упрочняемые сплавы алюминия с медью и магнием (дуралюмины Д1, Д16 и др.) имеют σв = 350 ÷ 430 МПа и используются для изготовления обработкой давлением и резанием корпусов, трубопроводов, заклепок, сепараторов подшипников и других деталей машин (в особенности транспортных).

М А Г Н И Е В Ы Е С П Л А В Ы -

Основное применение благодаря малой плотности (ρ = 1,8 г/см3) и высоким литейным свойствам имеют литейные сплавы МЛ (МЛЗ, МЛ4, МЛ5 и др.), которые после термообработки дают σв = 200 ÷ 230 МПа, σт = 150 ÷ 180 МПа.

Их применяют для изготовления деталей корпусов агрегатов.

Т И Т А Н О В Ы Е С П Л А В Ы -

Сплавы титана с алюминием и медью и другими присадками (ВТЗ-1, ВТ5, ВТ9, ВТ16, ВТ22 и др.) имеют после термообработки высокую прочность (σв = 900 ÷ 1300 МПа) и малую плотность (ρ = 4,5 г/см3), высокую коррозионную стойкость. Их используют для изготовления корпусов, трубопроводов, крепежных деталей, заклепок и других деталей изделий авиационно-космической техники, судостроения, химической и пищевой промышленности.

П Л А С Т М А С С Ы -

Это материалы на основе высокомолекулярных органических соединений (смол), являющихся связующими. Они имеют 40 — 70% «несущих» компонентов (наполнителя) в виде волокон (текстильных, стеклянных, асбестовых), ткани, бумаги, муки (древесной, минеральной) и др. Благодаря малой плотности (ρ = 1,1 ÷ 2,3 г/см3), высокой коррозионной стойкости и сравнительно высокой прочности (σв = 60 ÷ 300 МПа) пластмассы применяют (часто взамен металлов) для изготовления корпусов, червячных колес и т. д.

К числу наиболее распространенных материалов относятся:

а) термореактивные слоистые пластмассы: текстолит (наполнитель — хлопчатобумажная ткань), гетинакс (наполнитель — листы бумаги), асботекстолит, стеклопластики и древопластики;

б) термореактивные пластмассы (волокнит, фенопласт и др.), используемые для изготовления прессованием рукояток, шкивов, ступиц колес и других деталей изделий бытовой техники;

в) термопластичные пластмассы (органическое стекло — плексиглас, винипласт, фторопласт и др.) используются для изготовления стекол, труб, защитных пленок и др.;

г) полиамиды (капрон, найлон и др.) применяют для формовки деталей сложной конфигурации (ремни, зубчатые колеса и др.).

Р Е З И Н А -

Материал на основе натурального или искусственного каучука имеет высокую упругую податливость (малую жесткость), хорошо гасит колебания, сопротивляется истиранию и т. д.

В зависимости от назначения резина изготовляется мягкой (для шин), пористой (для амортизаторов) и жесткой (эбонит — для изготовления электротехнических изделий).

Для повышения несущей способности резинотехнических изделий их «армируют» текстильными или стальными элементами (тканью, шнурами, лентой). Такую резину используют для изготовления автопокрышек, ремней, рукавов и др.

Список литературы

Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. -М., 1979. Т. I и П.

Биргер И.А., Шор Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. -М., 1979.-704с.

Гузенков П. Г. Детали машин. М., 1986.

Детали машин: Справочник/Под ред. Н. С. Ачеркана. -М., 1968. Т. I, II и III.

Детали машин: Атлас/Под ред. Д. Н. Решетова. -М., 1992.

Дьяченко С.К., Столбовой С.З. Детали машин (атлас). -Киев, 1964.

Детали машин /В. А. Добровольский, К. И. Заблонский, С. Л. Зак и др. -М., 1972.

Дмитриев В. А. Детали машин. -М., 1970.

Трение, изнашивание и смазка. Справочник/Под ред. И. В. Крагельского и В. В. Алисина. -М., 1978. Т. I и II.

ИвановМ. Н., Иванов В. Н. Детали машин: Курсовое проектирование.- М., 1975.

Кудрявцев В. Н. Детали машин. -М., 1980.