Расчет на прочность деталей машин

3.5. Виды термической обработки

Термообработка металлов и сплавов – процесс тепловой обработки с целью изменения их структуры и свойств, заключающийся в нагреве до определенной температуры, выдержки при этой температуре и последовательном охлаждении с заданной скоростью. Основные виды термообработки приведены в табл. 10.

		Таблица 10
Виды термообработки и твердость некоторых конструкционных,
	инструментальных и легированных сталей
Марка стали	Вид термообработки.	Твердость
	Область применения	HB		HRCЭ
10	Цементация, после цементации закалка и			53…63
15, 20	низкий отпуск			49..63
35	Закалка, улучшение	245…321		36…41
45	Закалка, улучшение,	245…285		40…44
	Закалка на ТВЧ			50…54
20X	Цементация, закалка			53…63
40Х	Нормализация, закалка, улучшение	269…306		30..35
	Закалка на ТВЧ	321…378		36…41
45Х
	(для валов, зубчатых колес)	373…432		41…51
12ХН3А	Цементация, закалка и низкий отпуск			33…38
20ХН3А		290…341
	(для деталей повышенной прочности)			53…57
30ХНА
30ХГСА	Цементация, закалка и низкий отпуск	269…306		36…44
	(для деталей повышенной прочности)	313…378
	Закалка, отпуск			49…53
Х, ХВГ	Закалка на ТВЧ
				57…61
	(для деталей сложной конфигурации)
38ХН3МА	Азотирование, закалка, улучшение (для от-	311…363		35…40
	ветственных деталей)
20Х13	Цементация, закалка и низкий отпуск	126…197
30Х13		269…306		49…53
У7…У13	Отжиг, закалка ступенчатая, отпуск (для	542…635		60…64
У7А…У13А	сверл, метчиков, плашек, калибров, резьбовых
		635…773		63…66
У8Г…У13Г	калибров, разверток, протяжек)
Р9, Р18	Отжиг, закалка с высоким отпуском (для
Р6М6
	матриц, пуансонов, фрез, зенкеров, разверток,			64…65
Р9К5
	резцов)
Р9М5Ф3
60С2А	Закалка, отпуск, отжиг	398…464		43…49
70С2А	(для пружин, пресс-форм)
65Г	Закалка, отпуск (для пружин)			43…49

21

4. Трение различных материалов сопрягаемых поверхностей

Соединения деталей машин для передачи энергии при вращательном или поступательном движении часто работают с большим трением. Для снижения трения сопрягаемых поверхностей используются сочетания различных материалов, которые приведены в табл. 11 – 15, 17.

Таблица 11 Коэффициенты трения для различных материалов и скоростей

скольжения без смазки

	Коэффициенты трения
	при скорости
	скольжения V
Трущиеся материалы			V	Примечание
		V<1	от 1
	V=0
		м/с	до 20
			м/с
Алюминий по алюминию	0,80	0,70	–	Обработка чистая без
				шлифования
Алюминий по латуни	0,60	0,50	0,27	То же
Алюминий по меди	0,55	0,45	0,3	То же
Дерево по металлу	0,65	0,50	0,4	Металл обработан
Дюралюминий по фибре	0,33	0,3	–	–
Кожа по металлу	0,5	0,4	0,30	Металл чисто обработан
Латунь по латуни	0,50	0,40	0,17	Обработка чистая
Латунь по бронзе и чугуну	0,20	0,16	–	То же
Сталь по стали	0,50	0,20	0,15	Грубая обработка
То же	0,22	0,15	0,10	Чистая обработка
Сталь по алюминию	0,5	0,35	0,17	Обработка чистая удель-
Сталь по бронзе и чугуну	0,20	0,16	–	ное давление до 100 Н/см2
Сталь по бронзе	0,18	0,13	0,10	То же
Сталь по резине	0,46	0,40	–	–
Сталь по латуни	0,51	0,46	0,20	Металл чисто обработан
Сталь по меди	0,53	0,48	–	То же
Сталь по текстолиту	0,28	0,25	0,22	–
Сталь по тормозной асбе-
стовой ленте	0,40	0,37	0,35	–
Сталь по гетинаксу	0,35	0,25	0,205	–
Сталь по фибре	0,29	0,27	0,22	–
Сталь по чугуну	0,20	0,18	0,16	Обработка чистая
Чугун по бронзе	0,19	0,14	0,11	То же
Чугун по чугуну	0,25	0,20	0,17	То же
Чугун по фибре	0,31	–	–

22

Таблица 12 Коэффициенты трения для различных материалов и скорости скольжения при

смазке (трущиеся поверхности тщательно обработаны)

				Слабая				Хорошая
				смазка				смазка
Трущиеся поверхности				V до			V	V до		V более			Смазка
				1 м/с			более	1 м/с		1 м/с
							1 м/с
Алюминий по бронзе				0,16			0,11	0,10		0,05	Машинное масло
Алюминий по стали				0,15			0,08	0,06		0,03	Мыло натровое
Алюминий по чугуну				0,18			0,12	0,10		0,06	Машинное масло
Бронза по бронзе				0,14			0,09	0,07		0,04	То же
Сталь по баббиту				0,10			0,07	0,05		0,02			–
Сталь по бронзе				0,12			0,08	0,06		0,02			–
Сталь по стали				0,15			0,12	0,08		0,04	Машинное масло
Сталь по дереву				0,16			0,14	0,11		0,08	Мыло натровое
Сталь по текстолиту				0,12			0,09	0,06		0,03	Эмульсия из рас-
											тительного масла и
											воды
Сталь по чугуну				0,16			0,10	0,07		0,04	Машинное масло
Чугун по бронзе				0,10			0,07	0,05		0,04	То же
Чугун по чугуну				0,16			0,10	0,08		0,06			–
													–
		Коэффициенты трения качения											Таблица 13
Катящееся тело								Опора					Коэффициент
													трения
													качения
Колеса из мягкой стали					Стальной рельс								0,05
Каток из закаленной стали					Плоскость из закаленной стали								0,01 … 0,03
Чугунные катки					Плоскость из чугуна								0,05
Колеса грузовых автомобилей					Хорошее твердое шоссе								0,05
													Таблица 14
Коэффициенты трения в деталях, сопрягаемых с натягом
Сопрягаемые детали								Удельное давление,					Коэффициент
										Н/мм2
охватывающая		охватываемая											трения
									не менее
Сталь				Сталь					60				0,1 … 0,12
Чугун				Сталь					60				0,075 … 0,08
Чугун				Бронза					25				0,06 … 0,07

23

Таблица 15 Коэффициенты трения в деталях при запрессовке и выпрессовке

Материал детали					Род посадки
охваты-	охваты-		Смазка	Без нагрев				Смазка		С нагревом
ваемой	вающей			fn*	fв*		f *			f в	f
Сталь	Сталь		Машин-	0,06…	0,08…		0,09…	Всухую		0,35…	0,14…
30…50	30…50		ное масло	0,22	0,2		0,13			0,40	0,16
Сталь	Чугун		Машин-	0,06…	0,09…		0,07…	Всухую		0,13…	0,07…
30…50			ное масло	0,14	0,17		0,12			0,18	0,09
Сталь	Алюми-		Всухую	0,02…	0,03…		0,02…	Всухую		0,10…	0,05…
	ниевые
30…50	сплавы			0,06	0,09		0,06			0,15	0,08
* fn – коэффициент			при запрессовке;		fв –	коэффициент при				выпрессовке;

f – коэффициент при круговом движении и установившемся процессе выпрессовки.

4.1. Смазочные материалы

Смазочные материалы предназначены для уменьшения износа трудящихся поверхностей, повышения КПД и для предохранения от коррозии. Смазочные материалы разделяют на два вида: жидкие минеральные масла и пластичные смазки (консистентные) [2]. Коэффициенты трения приведены в табл. 12 – 15.

Минеральные масла разделяют на конструкционные (индустриальные, моторные, трансмиссионные, турбинные) и технические, применяемые при обработке металлов.

Индустриальные масла ГОСТ 20799-88 И-5А, И-8А, И-12А, И-20А применяются для смазывания различных механизмов и классифицируются в зависимости от вязкости. И-5А применяются для смазки высокоточных механизмов, работающих с малой нагрузкой, но с высокой частотой вращения до 20 000 мин–1. И-20А – для станков малых и средних размеров и для пневматических и гидравлических систем станков. ВНИИ НП-401 – для направляющих скольжений металлорежущих станков. Трансмиссионное автомобильное МРТУ-38-1182-65 – для редукторов, работающих со скоростью до 8 м/с. Масло приборное МПВ ГОСТ 1805-76 – для смазки контрольно-измерительных приборов.

Пластичные смазки:

–Солидол синтетический ГОСТ 4346-76 – используется для подшипников шарниров нагруженных механизмов. Графитная УСс-А, ГОСТ 3333-80 – для гру-

бых открытых зубчатых передач, домкратов. ЦИАТИМ 201 ГОСТ 6267-74 – подшипников качения скольжения шарниров при температуре –60° до +90°. ЦИАТИМ 202 ГОСТ 11110-70 – для быстро вращающихся опор. ЦИАТИМ 221 ГОСТ 9433-80 – для механизмов, работающих в агрессивных средах.

–ВНИИ НП 232 ГОСТ 14068-79 – для узлов трения, работающих при температуре до 100°.

24

Моменты трения для различных трущихся пар и зацеплений определяют по формулам табл. 16.

Подшипники качения

Подшипники скольжения

										Таблица 16
	Моменты трения в подшипниках и зубчатых зацеплениях
Трущаяся пара				Момент трения, Нмм						Примечание
	Шариковые и									Fп – нормальная си-
	цилиндриче-									ла, Н;
	ские роликовые									d – диаметр вала,
										мм. Формулы спра-
		M			(0,05d 0,001F )	d				ведливы при
										n 1000 мин–1 и
				TP	n 2					умеренной смазке
										разбрызгиванием;
										при консистентной
										смазке и смазке в
										масленой ванне ко-
	Конические и									эффициенты в пер-
	сферические									вом слагаемом сле-
	роликовые						d			дует увеличить в
		M			(0,25d 0,002F )					1,5 раза
			TP		n 2

При

n

150

Fn– нормальная си-

ла, Н;

d и l – диаметр и

достаточном

MTP (3,4 10 7

d

2

ln )

d

длина подшипника,

подводе масла и

мм;

небольших кро-

2

– диаметральный

мочных давлени-

зазор, мм;

ях

n – часто вращения,

мин–1 ;

При

n

150

– динамическая

вязкость масла,

или при высоких

Па с.

кромочных дав-

d2

7

d

F

лениях

MTP (5 10

ln 0,02Fn )

n

– среднее

2

dl

удельное давление,

Н/мм2

25

Уплотнения

Зубчатые зацепления

Трущаяся пара

	войлочные	Для одного
		кольца обыкно-
		венного типа
		d=20…80 мм
		При шлифо-
		ванных зубьях

При нешлифованных зубьях

											Окончание табл.16
Момент трения, Нмм											Примечание
	MTP 0,1d 2										d – диаметр вала, мм
											Ft– окружное уси-
								d			лие, Н;
MTP (10 2 cb			10V 0,08Ft				)		0		d0 – диаметр на-
							2				чальной окружно-
											сти;
											b – ширина шес-
											терни, мм; V– ок-
											ружная скорость,
											м/с;
											– динамическая
											вязкость масла,
							d0				Па с;
	2										с=3…6 при струй-
MTP (10		cb	10V 0,1Ft )
							2				ной смазке;
											с=5…10 при смазке
											погружением на вы-
											соту зуба;
											с=10…50 при по-
											гружение на боль-
											шую глубину

Таблица 17 Значение коэффициентов трения подшипников скольжения

	Материал тру-	При сухом трение	При полусухом	При полужидкост-
			трении (недоста-	ном трении (конси-
	щейся пары	(без смазки)
			точная смазка)	стентная смазка)
	Сталь по стали	0,15	0,10	0,06
	Сталь по чугуну	0,12	0,08	0,05
	Сталь по бронзе	0,10	0,07	0,04

26

4.2.Коэффициенты трения при контакте обрабатываемого изделия

сустановочными или зажимающими элементами

Коэффициент трения при контакте обработанных поверхностей заготовок с плоскими закалёнными и шлифованными элементами приспособлений [2, 17]

f 0,1…0,2.

Коэффициент трения при контакте необработанных заготовок (отливок, поковок) с опорами, имеющими гладкую сферическую поверхность, зависит от нормального усилия и радиуса сферы. Для заготовок из серого чугуна (НВ 180)

		0,085F2
	f	n	0,18,	(4.2.1)
		r3

где Fn – нормальная сила, кН; r – радиус сферы.

Коэффициент трения при контакте заготовок с закаленными установочными элементами, снабженными рифлениями, в значительной степени зависит от нормального усилия (табл. 18).

Для заготовок из серого чугуна (НВ 180) и Стали 45

	f	0,00004p 0,2,	( fmax 0,7),		(4.2.2)
где р – удельное давление, Н/мм2.					Таблица 18
Значение коэффициентов трения при зажатии детали в кулачковом патроне
Форма рабочей поверхности		Состояние заготовки
кулачков
		Поковка		Поверхность обработана
С гладкими губками		0,4			0,25
С кольцевыми канавками		0,5			0,3…0,4
С зубчатой поверхностью		0,8…1,0			–

4.3 Определение усилия, необходимого для перемещения груза
Груз перемещается горизонтально по плоскости.
	F		F
G	F=G	G	F=Gf
а)		б)
	Рис. 4. Положение груза на плоскости

27

Коэффициент соприкосновения перемещения груза G на колесах (рис.4 а).

K		fd 2k	,	(4.3.1)
	P
		DK

где KP – коэффициент, учитывающий дополнительные сопротивления от трения реборд ходовых колес и торцов ступиц колеса (для подшипников скольжения KP 1,2…1,8; для подшипников качения KP 2,0…2,5);

DK – диаметр ходового колеса (средний диаметр для конического колеса);

	Коэффициент трения скольжения		f (рис.4 б), (см. табл. 11, 12).
	k –	коэффициент трения качения ходовых колес (табл. 17);
	f –	коэффициент трения в опорах вала ходового колеса (табл. 19);
	d –	диаметр оси ходового колеса.
			F
		G
		Рис. 5. Груз перемещается
		по наклонной поверхности
		F=G (sin + cos ).			(4.3.2)
		Коэффициент трения			Таблица 19
				Условия работы*
		Коэффициенты трения
			хорошие	средние	тяжелые
	f – для подшипников качения
			0,01	0,025	0,045
	f – для подшипников скольжения,		0,10	0,15	0,20
	регулярная смазка
	f – для подшипников скольжения,		0,15	0,20	0,25
	периодическая смазка
	К – для чугунных и стальных колес		0,06	0,08	0,10
	по стальным рельсам, мм

Условия работы: хорошие – работа в чистом, сухом помещении при отсутствие абразивной пыли; средние – работа в отапливаемом помещение; имеется небольшое количество абразивной пыли, нормальная влажность; тяжелые – работа в не отапливаемом помещении и на открытом воздухе; большое количество абразивной пыли, повышенная влажность и другие факторы, вредно отражающиеся на работе подшипников.

28

4.4. Коэффициенты полезного действия (КПД)

Работа механизмов оценивается коэффициентом полезного действия (КПД). Значения КПД ( ) приведенные в табл. 20 – 28, являются ориентировочными.

КПД цилиндрических передач

Таблица 20

Тип

Характер

Степень

Вид передачи

обработки

точно-

зубьев

поверхности

сти

Открытые передачи обще-

0,92…0,94

го машиностроения

Передачи типа шестерня –

0,94

рейка механизмов подач

Фрезерованная

8 (9)

Закрытые

Механизмы по-

0,97...0,98

передачи

дач

Прямые

Передачи с гус-

0,95

той смазкой

Передачи с жид-

Шлифованная,

кой смазкой

фрезерованная и

7 и 8

0,98…0,99

хорошо прира-

ботанная

Косые

Фрезерованная

8

0,97…0,98

Косые и

Шлифованная

шеврон-

и хорошо при-

7 и 8

–

ные

работанная

КПД конических зубчатых передач

Таблица 21

Тип зубь-

Характер

Степень

Вид передачи

обработки по-

ев

точности

верхности

Открытая передача с

Прямые

Фрезерованная

9

0,82…0,95

густой смазкой

Прямые

Фрезерованная

9

0,95…0,97

Закрытая передача с

Прямые и

Фрезерованная

8 и 9

0,97…0,98

жидкой смазкой

круговые

Круговые

Шлифованная и

–

0,98

притертая

29

КПД основных элементов крановых механизмов

Таблица 22

Наименование

Вид передачи и смазка

подшип-

подшип-

ники

элементов

ники

скольже-

качения

ния

Канатные блоки и ба-

–

0,94…0,96

0,96…0,98

рабаны

Промежуточные валы

–

0,95…0,97

0,97…0,99

Зубчатые, цилиндри-

Открытые

0,93…0,95

0,95…0,96

ческие передачи в сборе

В кожухе, густая смазка

0,93…0,95

0,96…0,98

с промежуточным валом

Масляная ванна

0,95…0,97

0,97…0,98

Конические зубчатые

Открытые

0,92…0,94

0,93…0,95

передачи

В кожухе, густая смазка

0,92…0,94

0,94…0,96

Зубчатые муфты

Зацепление обеспеченно

0,99

смазкой

КПД цепных передач

Таблица 23

Скорость цепи, м/с

VЦ 10

0,95…0,97

VЦ 10

0,92…0,94

КПД фрикционных передач

Таблица 24

Условия работы и виды передач

Без разгрузки валов, при нерациональной геометрии

0,6…0,7

Передача клинчатыми катками

0,88…0,9

При тщательном исполнении

0,95…0,96

При полной разгрузке валов

0,97…0,985

Вариатор с раздвижными конусными шкивами и жесткими

0,8…0,9

скальчатыми кольцами

Торовый вариатор

0,92…0,96

Колодочно-ременные вариаторы

0,8…0,95

КПД плоскоременных передач

Таблица 25

Условия работы

Нормальные,

Dmin

– рекомендуемое

0,92…0,98 ( ср=0,95)

Dmin

меньше рекомендуемого и у быстроходных пере-

0,85

дач (V>50 м/с)

30