Výber materiálu a techniky spracovania bežných mechanických dielov

 

V oblasti strojárstva a výroby je výber vhodných materiálov a vhodných techník spracovania rozhodujúci pre zabezpečenie výkonu, kvality a nákladovej efektívnosti mechanických dielov. Tento článok poskytuje hĺbkovú analýzu princípov výberu materiálov, typov materiálov a techník spracovania pre bežné mechanické časti s cieľom ponúknuť cenné poznatky pre strojných inžinierov a príbuzných odborníkov.

 

 

IPrincípy výberu materiálu

 

Výber materiálov pre mechanické časti si vyžaduje komplexné zváženie viacerých faktorov vrátane požiadaviek na výkon, spracovateľnosť a ekonomickú efektívnosť. Konkrétne hlavné zásady výberu materiálu zahŕňajú:

 

1. Požiadavky na výkon

Materiál musí najprv spĺňať špecifické požiadavky na výkon v prevádzkových podmienkach dielu, ako je pevnosť, tvrdosť, odolnosť proti opotrebovaniu, odolnosť proti korózii a odolnosť proti únave. To si vyžaduje, aby dizajnér dôkladne porozumel pracovným podmienkam dielu, vrátane síl, s ktorými sa stretne, pracovného prostredia (ako je teplota, vlhkosť a vystavenie určitým látkam) a akýchkoľvek špeciálnych požiadaviek (ako je tepelná vodivosť). elektrická vodivosť a magnetické vlastnosti).

 

2. Spracovateľnosť

Spracovateľnosť materiálu priamo ovplyvňuje jednoduchosť výroby, efektivitu výroby a náklady. Dobrá spracovateľnosť zahŕňa faktory ako kujnosť, zvárateľnosť a opracovateľnosť, ktoré pomáhajú znižovať náročnosť výroby a náklady a zlepšujú efektivitu výroby.

 

3. Ekonomická efektívnosť

Pri plnení požiadaviek na výkon a spracovateľnosť je dôležité vybrať materiály, ktoré sú čo najefektívnejšie z hľadiska nákladov, aby sa minimalizovali celkové náklady na produkt. To si vyžaduje, aby dizajnéri komplexne zvážili ceny materiálu, náklady na spracovanie a následnú údržbu a používanie.

 

 

▲ Kroky pre výber materiálu v mechanických častiach

 

 

II Bežné typy materiálov

 

Medzi bežne používané materiály pre mechanické časti patria najmä tieto kategórie:

 

1. Oceľ

Oceľ je jedným z najčastejšie používaných materiálov pre mechanické diely, ktorý sa vyznačuje vysokou pevnosťou, dobrou plasticitou a húževnatosťou, ako aj vynikajúcim výkonom pri obrábaní. V závislosti od použitia a požiadaviek na výkon možno oceľ rozdeliť okrem iného na bežnú uhlíkovú konštrukčnú oceľ, vysokokvalitnú uhlíkovú konštrukčnú oceľ, legovanú konštrukčnú oceľ a liatu oceľ.

 

2. Liatina

Liatina má dobrú zlievateľnosť, tlmenie vibrácií a odolnosť proti opotrebeniu, ale jej pevnosť a húževnatosť sú relatívne nízke. Preto sa liatina často používa na výrobu dielov, ktoré znášajú statické zaťaženie a opotrebenie trením, ako sú lôžka a kryty obrábacích strojov.

 

3. Neželezné kovy

Neželezné kovy, ako je meď a zliatiny medi, hliník a zliatiny hliníka, majú nižšiu hustotu a dobrú elektrickú a tepelnú vodivosť, vďaka čomu sú široko používané v elektrických, elektronických a leteckých poliach. V mechanických častiach sa neželezné kovy často používajú na výrobu ľahkých konštrukčných komponentov, klzných ložísk atď.

 

4. Technické plasty

S rozvojom vedy o materiáloch sa stále viac rozširuje použitie technických plastov v mechanických častiach. Technické plasty sú ľahké, odolné voči korózii a majú dobré izolačné vlastnosti, vďaka čomu sú vhodné na výrobu nenosných, korózii odolných alebo izolovaných dielov.

 

 

III Analýza procesov obrábania

 

Procesy obrábania mechanických dielov sú rôznorodé, bežne zahŕňajú sústruženie, frézovanie, vŕtanie, brúsenie, kovanie a vstrekovanie. Pre rôzne materiály a tvary dielov sú vhodné rôzne procesy obrábania, ktoré budú uvedené samostatne nižšie.

 

1. Sústruženie

Sústruženie je spôsob obrábania, pri ktorom je obrobok upevnený v rotačnom upínacom zariadení a nástroje postupne odrezávajú materiál z obrobku, aby sa dosiahol požadovaný tvar a veľkosť. Sústruženie je vhodné na výrobu valcových dielov, ako sú hriadele a objímky. Presnosť a drsnosť povrchu sústruženia závisí od výberu nástroja a nastavenia rezných parametrov.

 

2. Frézovanie

Frézovanie je metóda obrábania, ktorá reže materiál z povrchu obrobku pomocou rotujúceho nástroja na výrobu plochých povrchov, konkávnych a konvexných povrchov, ozubených kolies a iných zložitých tvarovaných dielov. Frézovanie možno rozdeliť na typy, ako je čelné frézovanie, vertikálne frézovanie, čelné frézovanie, frézovanie ozubených kolies a frézovanie obrysov, pričom každý typ je vhodný pre iné potreby obrábania.

 

3. Vŕtanie

Vŕtanie je metóda obrábania, ktorá reže materiál z obrobku pomocou rotujúceho vrtáka na vytvorenie otvorov požadovaného priemeru a hĺbky. Vŕtanie sa bežne používa na výrobu dielov typu otvorov, ako sú otvory pre skrutky a otvory pre ložiská. Presnosť a efektívnosť vŕtania závisí od výberu vrtákov, nastavenia rezných parametrov a vykonania opatrení chladenia a mazania.

 

4. Brúsenie

Brúsenie je spôsob obrábania, pri ktorom sa pomocou abrazívnych nástrojov postupne reže alebo brúsi materiál z povrchu obrobku, aby sa dosiahol požadovaný tvar, veľkosť a kvalita povrchu. Brúsenie je vhodné na obrábanie dielov s vysokou presnosťou a požiadavkami na kvalitu povrchu, ako sú formy, presné mechanické diely a nástroje. Presnosť a kvalita povrchu brúsenia závisí od výberu brúsnych nástrojov, nastavenia parametrov brúsenia a spôsobu upínania obrobku.

 

5. Kovanie

Kovanie je metóda spracovania kovov, ktorá lisovaním tvaruje kovové materiály opracované za tepla do požadovaných foriem. Kovanie je vhodné na výrobu dielov so zložitými tvarmi a vysokými požiadavkami na mechanický výkon, ako sú ozubené kolesá a hriadele. Kovanie môže zlepšiť vnútornú organizačnú štruktúru materiálov, zvýšiť pevnosť a húževnatosť dielov.

 

6. Vstrekovanie

Vstrekovanie je proces, pri ktorom sa roztavený plast vstrekuje do formy a stuhne na výrobu požadovaných dielov. Vstrekovanie je vhodné na výrobu veľkého množstva zložitých tvarovaných plastových dielov, ako sú puzdrá na mobilné telefóny a automobilové komponenty. Presnosť a kvalita povrchu vstrekovania závisí od konštrukcie formy, výkonu vstrekovacieho stroja a výberu plastových materiálov.

 

 

IV Detailný návrh typických trás procesu luku a šípu

 

Časti hriadeľa

 

Bežne používané materiály pre časti hriadeľa sa značne líšia, primárne sa vyberajú na základe faktorov, ako je pevnosť, tuhosť, odolnosť proti opotrebovaniu, vyrobiteľnosť a ekonomické úvahy. Nižšie sú uvedené niektoré bežné materiály pre časti hriadeľa a ich vlastnosti:

 

1. Uhlíková oceľ

• Vysoko kvalitná uhlíková konštrukčná oceľ:Ako sú triedy 35, 45, 50 atď., tieto ocele majú celkovo vysoké mechanické vlastnosti a sú široko používané. Spomedzi nich sa najčastejšie používa oceľ 45 kvôli jej dobrému výkonu. Na ďalšie zlepšenie jeho mechanických vlastností sa často vykonáva normalizačné alebo kalenie a temperovanie.
• Obyčajná uhlíková konštrukčná oceľ:Ako napríklad Q235, Q275 atď., tieto ocele sú vhodné pre hriadele, ktoré znášajú relatívne nízke alebo menej kritické zaťaženia.

 

2. Legovaná oceľ

Legovaná oceľ má vysoké mechanické vlastnosti, ale je pomerne drahá, bežne sa používa pre hriadele so špeciálnymi požiadavkami. Napríklad hriadele pracujúce pri vysokej rýchlosti, veľkom zaťažení alebo podmienkach vysokej teploty často používajú legovanú oceľ na splnenie špecifických požiadaviek na výkon. Bežné legované ocele zahŕňajú 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA atď., ktoré po nauhličení, kalení a iných tepelných úpravách môžu výrazne zvýšiť odolnosť hriadeľov proti opotrebovaniu, rázovú húževnatosť a únavovú pevnosť.

 

3. Liatina

Tvárna liatina:Vďaka dobrému odlievaciemu výkonu sa ľahko odlieva do zložitých tvarov a má dobré tlmenie vibrácií a nízku citlivosť na koncentráciu napätia. Často sa používa na výrobu hriadeľov zložitého tvaru. Najmä tvárna liatina vzácnych zemín a horčíka vyvinutá v Číne bola široko používaná pri výrobe dôležitých častí hriadeľov v automobilovom, traktorovom a obrábacom priemysle vďaka svojej vynikajúcej húževnatosti, zníženiu trenia a vlastnostiam pohlcovania vibrácií.

 

4. Vysokopevnostná liatina

Má tiež dobré vlastnosti odlievania a tlmenia vibrácií, vďaka čomu je vhodný na výrobu hriadeľov zložitého tvaru.

 

 ▲ 38CrMoAIA Príklad

 

 

Časti prevodovky

 

Výber materiálov prevodovky je zložitý proces, ktorý si vyžaduje zohľadnenie rôznych faktorov vrátane požiadaviek na zaťaženie, rýchlosť, podmienky prostredia, požiadavky na hluk a vibrácie a ekonomické úvahy.

 

1. Kovaná oceľ

Kovaná oceľ sa vyrába kovaním a má vynikajúce vlastnosti v porovnaní s obyčajnou oceľou. Ozubené kolesá z kovanej ocele majú vysokú pevnosť, vysokú odolnosť proti opotrebeniu a dobrú odolnosť proti nárazu, čo z nich robí jeden z najčastejšie používaných materiálov na výrobu ozubených kolies. Medzi bežné kované oceľové materiály patrí oceľ 45, ktorej mechanické vlastnosti môžu byť ďalej vylepšené tepelným spracovaním.

 

2. Liata oceľ

Oceľová liatina sa bežne používa na výrobu väčších ozubených kolies, pretože ozubené kolesá s veľkým priemerom nie sú vhodné na kovanie. Ozubené kolesá z liatej ocele majú dobrú pevnosť a húževnatosť, ale ich vnútorná štruktúra nemusí byť taká hustá ako kovaná oceľ a môže vyžadovať tepelné spracovanie na zlepšenie ich výkonu.

 

3. Legovaná oceľ

Legovaná oceľ sa vyrába pridaním určitého množstva legujúcich prvkov do bežnej ocele, výsledkom čoho je vyššia pevnosť a tvrdosť. Ozubené kolesá z legovanej ocele sa často používajú v aplikáciách, ktoré znášajú väčšie zaťaženie a pracujú pri vyšších rýchlostiach.

 

4. Sivá liatina

Sivá liatina je pomerne krehká a má zlú odolnosť proti nárazu a opotrebeniu, ale má dobré vlastnosti proti odieraniu a tvorbe jamiek. Preto sa ozubené kolesá zo sivej liatiny bežne používajú v situáciách, keď je chod hladký, otáčky sú nízke a výkon nie je vysoký.

 

5. Tvárna liatina

Tvárna liatina je spracovaná špeciálnym procesom tepelného spracovania, ktorý spôsobuje, že sa grafit v jej vnútornej štruktúre rozdelí do guľovitého tvaru, čo zlepšuje pevnosť a húževnatosť liatiny. Ozubené kolesá z tvárnej liatiny majú dobrý komplexný výkon a sú vhodné pre aplikácie s vyššími požiadavkami na výkon.

 

6. Nekovové materiály

Plasty, práškové kovy atď.:Za určitých špeciálnych okolností, ako je nízka záťaž, nízka rýchlosť, alebo keď sa vyžaduje zníženie hluku a vibrácií, môžu byť na výrobu ozubených kolies použité nekovové materiály. Tieto materiály sú ľahké, produkujú nízku hlučnosť a ľahko sa spracovávajú, ale ich nosnosť a odolnosť proti opotrebovaniu sú horšie ako u kovových materiálov.

 

Napríklad ozubené kolesá používané v automobiloch alebo traktoroch.

 

▲ 20CrMnTi Príklad

 

Časti náradia

 

Výber materiálov pre nástroje je rozhodujúci pre ich výkon a životnosť. Pri výbere materiálov nástroja je potrebné zvážiť rôzne faktory vrátane účelu nástroja, vlastností spracovávaných materiálov, rezných podmienok a ekonomických úvah. Nižšie sú uvedené niektoré bežné materiály nástrojov:

 

1. Vysokorýchlostná oceľ

 

Charakteristika:

• Vysoká pevnosť a dobrá húževnatosť umožňujúca ostré rezné hrany.
• Dobrá spracovateľnosť, ľahké kovanie a opracovanie.
• Delí sa na bežnú rýchloreznú oceľ a vysokovýkonnú rýchloreznú oceľ. Bežná rýchlorezná oceľ má nižšie rezné rýchlosti, zatiaľ čo vysokovýkonná rýchlorezná oceľ sa vyrába zvýšením obsahu uhlíka a vanádu a pridaním prvkov ako kobalt a hliník, čo vedie k vyššej odolnosti.

 

Aplikácie:

• Všeobecne sa používa pre nástroje zložitého tvaru, ako sú špirálové vrtáky, závitníky, výstružníky, frézy na ozubenie a tvarovacie nástroje, často vyrobené z rýchloreznej ocele.

 

2. Slinutý karbid

 

Charakteristika:

• Extrémne vysoká tvrdosť, s tvrdosťou dosahujúcou 74–82 HRC pri izbovej teplote a tepelnou odolnosťou až do 900–1000 stupňov, ponúka vynikajúci rezný výkon.
• Vysoké rezné rýchlosti, schopné presiahnuť 100 m/min pri rezaní uhlíkovej ocele.
• Má však slabú húževnatosť, slabú odolnosť proti nárazu a vibráciám a hrany sa nebrúsia ľahko na extrémnu ostrosť, s horšou opracovateľnosťou.

 

Klasifikácia a aplikácie:

• Slinutý karbid je klasifikovaný podľa GB{0}} do typov P, M a K. P-typ sa používa na spracovanie dlhých triesok čiernych kovov; M-typ sa používa na spracovanie čiernych kovov a neželezných kovov; Typ K je určený na spracovanie krátkych triesok čiernych kovov, neželezných kovov a nekovových materiálov.

 

3. Nerezová oceľ

 

Charakteristika:

• Jednoduchá údržba, silná odolnosť proti korózii, vhodné na použitie vo vlhkom alebo korozívnom prostredí.
• Jeho tvrdosť a ostrosť však nemusí byť taká vysoká ako u ocele s vysokým obsahom uhlíka a zvyčajne je drahšia.

 

Aplikácie:

• Používa sa v domácich kuchynských nožoch, lekárskych chirurgických nástrojoch a iných situáciách vyžadujúcich časté čistenie a hygienickú údržbu.

 

4. Oceľ s vysokým obsahom uhlíka

 

Charakteristika:

• Vysoká tvrdosť a dobrá ostrosť, vhodné na presné obrábanie a rezanie.
• Je však náchylný na hrdzavenie a vyžaduje pravidelnú údržbu a starostlivosť.

 

Aplikácie:

• Používa sa v holiacich strojčekoch, vonkajších nožoch a iných aplikáciách vyžadujúcich vysokú tvrdosť a ostrosť.

 

 

▲ Ozubené dosky

 

 

▲ Opis hlavného procesu Gear Hobs

 

 

V Záver

 

Výber materiálov a metód spracovania pre bežné mechanické časti je zložitý a systematický proces, ktorý si vyžaduje zohľadnenie viacerých faktorov. Pri výbere materiálov by výber mal byť založený na výkone, spracovateľských schopnostiach a ekonomických aspektoch dielov; pri výbere metód spracovania by sa malo rozhodovať podľa tvaru, veľkosti, požiadaviek na povrch dielov a vlastností materiálov. Racionálnym výberom materiálov a techník spracovania možno optimalizovať výkon, kvalitu a nákladovú efektívnosť mechanických častí.