Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Рис. 1.18. Вал ротора электродвигателя:

а – общий вид вала ротора; б – эскиз вала

Исходные данные Таблица 1.18

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ

Рекомендуемая последовательность основных этапов выполнения домашнего задания и их примерное содержание подробно рассмотрены на примере выполнения задания по выбору стали и упрочняющей термической обработки для условного изделия – хорошо всем известного строительного топора.

Задание МД-0, вариант (в). Пользуясь марочником сталей и сплавов, выбрать марку стали для изготовления тяжёлого строительного топора, предназначенного для работы в условиях климатических температур (от +40 до – 60°С) (рис. 2.1). Производство топоров массовое.

Рис.2.1 Эскиз строительного топора:

1 – обух; 2 – лезвие; 3 – топорище; 4 - клин

Исходные данные для выполнения задания (табл.2.1 вариант в): основные размеры топора, твёрдость рабочего лезвия топора HRC на высоте до 25 мм от края полотна, ударная вязкость KCU при –60 ⁰С, твердость обуха топора в зоне крепления рукоятки НRC.

Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую термическую обработку строительного топора, которая обеспечит его работоспособность в предлагаемых условиях.

Таблица 2.1

Рекомендуемые этапы выполнения домашнего задания

ЭТАП 1. Определение особенностей работы изделия при эксплуатации, их анализ в соответствии с условиями задания. На этом этапе важно определить характер напряженного состояния металла в изделии (статическое, циклическое или ударное нагружение), уровень силового воздействия и установить наличие проблемных зон изделия, таких как зоны трения, зоны возможного коробления при термической обработке и т.д. По результатам такого анализа может быть установлен тот главный фактор, который будет определять работоспособность изделия, а значит, будет основным критерием при выборе стали. Существенное значение при выборе материала, кроме того, будет иметь также характер производства изделия (массовое, серийное, единичное). Такой многофакторный анализ позволяет точнее сформулировать требования к материалу, из которого изделие может быть изготовлено, и разработать алгоритм поиска нужной стали.

Строительный топор – это массовый ручной плотницкий инструмент, предназначенный для обработки древесины за счёт ударного

нагружения (рубки). В этой связи лезвие топора должно быть острым и сохранять свою геометрию в ходе длительной эксплуатации, т.е. обладать износостойкостью в сочетании с достаточной ударной вязкостью. Важно, чтобы при необходимости лезвие топора можно было заточить. Вполне очевидно, что в зоне лезвия должна быть обеспечена высокая твёрдость стали, причём не методами поверхностной упрочняющей обработки, а путем закалки на требуемый уровень твердости с получением структуры мартенсита (по условиям задачи 53-56 HRC).

В противоположность лезвию, основное полотно и обух топора должны, главным образом, сопротивляться небольшим ударным нагрузкам, поскольку рабочее сечение металла там больше, а напряжения существенно меньше. Следует иметь в виду, что топор – ручной инструмент: при его эксплуатации в принципе уровень рабочих нагрузок на изделие не может превышать развиваемого человеком усилия, которое обычно сопоставимо с его массой (~100 кг). Применительно к стальному обуху топора можно считать такие нагрузки весьма небольшими (по условиям задания уровень твёрдости менее 45 HRC). Значит, работоспособность изделия вполне может обеспечить сталь с уровнем условного предела текучести σ_0,2 > 300 МПа и ударной вязкостью KCU > 20 Дж/см². Известно [2], что наилучшее сочетание достаточного упрочнения и вязкости стали обеспечивает выполнение закалки с последующим высоким отпуском (применяемый термин – улучшение).

Таким образом, краткий анализ условий работы топора показывает, что выбираемая сталь должна иметь разные механические свойства в отдельных зонах, что может быть достигнуто только с помощью комбинированной термической обработки.

Следует также учитывать, что топор – изделие весьма сложной геометрии, имеет участки разнотолщинности в зоне обуха (концентраторы напряжения), кроме того, необходимо сохранить его плоскостность в

тонком сечении при проведении термической обработки. Эти обстоятельства показывают, что при проведении упрочняющей термической обработки топора нельзя будет использовать особо скоростное охлаждение (в воде).

Проведённый анализ задания показывает, что при весьма сложной геометрии топора выбираемая сталь должна иметь: высокую твёрдость в зоне лезвия, причём во всём объёме лезвия, и сочетание прочности и вязкости – в зоне обуха. В такой ситуации очевидно, что для выбора стали, предназначенной для изготовления топора, в качестве решающего (определяющего) фактора следует рассматривать требование высокой твёрдости рабочего лезвия (53…56 HRC), которая должна обеспечить необходимый уровень износостойкости топора при длительной работе. Хорошо известно, что уровень максимальной твёрдости, достигаемый в стали при её упрочняющей термической обработке (при закалке), определяется содержанием в ней углерода. Поэтому вначале следует провести поиск такой концентрации углерода в стали, которая может гарантировать достижение в ней при закалке требуемого уровня твёрдости 53-56 HRC. А затем для найденного содержания углерода провести поиск уже конкретной марки стали с учётом легирующих компонентов и качества выплавки, которая подойдёт по прокаливаемости, а после термической обработки будет гарантировать выполнение всех других условий задания.

Таким образом, в данном задании выбор стали для изготовления топора необходимо осуществлять в два этапа, т.е. на этапе 2 и этапе 3.

Примечание: если по результатам анализа условий работы изделия и особенностей его геометрии сразу становится очевидным направление поиска стали, необходимой для его изготовления (например, среди цементуемых, улучшаемых или азотируемых сталей), то можно переходить уже непосредственно к 3 этапу выполнения задания.

ЭТАП 2. Выбор концентрации углерода, гарантирующей достижение требуемого уровня твёрдости при закалке стали.

Требуемый уровень твёрдости лезвия топора (53-56 HRC) – весьма высокий для сталей, поэтому поиск следует начинать с концентрации углерода 0,4%. С использованием «Марочника сталей и сплавов» [1] необходимо проанализировать углеродистые конструкционные качественные стали, отличающиеся только концентрацией углерода, и сопоставить максимальную твёрдость, которую можно получить в них при закалке. Такие сведения для большинства сталей можно найти в соответствующих таблицах прокаливаемости, если ориентироваться на минимальное расстояние от торца образца (обычно это 1,5 мм). Одновременно следует обратить внимание на уровень прокаливаемости этих углеродистых сталей в масле, поскольку сложная геометрия топора диктует необходимость соблюдения плоскостности его рабочей зоны, а, значит, исключает применение при закалке резкого охлаждения в воде. Данные проведённого анализа представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Твердость и прокаливаемость углеродистых сталей в зависимости от

содержания в них углерода

Из представленных данных можно сделать следующие предварительные выводы:

1. сталь, предназначенная для изготовления топора, должна содержать не менее 0,55 % углерода, что должно гарантировать получение

в рабочем лезвии необходимого уровня твёрдости после упрочняющей термической обработки;

1. углеродистая сталь для изготовления данного топора явно не подходит, поскольку в таком случае не гарантируется сквозная прокаливаемость стали в масле в максимальном сечении в зоне обуха (задано 12 мм);

2. сталь для заданного изделия может быть легирована весьма небольшим количеством легирующих элементов, поскольку уровень прокаливаемости углеродистой стали в масле уже близок к требуемому (в среднем около 10 мм). С учетом условия задания о массовом характере производства топора, это должны быть недорогие легирующие компоненты, например, кремний и хром, количество которых, по- видимому, может быть не более 1% [2].

Таким образом, проведенный на этом этапе анализ показывает, что для изготовления строительного топора целесообразно использовать низколегированную сталь с содержанием углерода (0,55…0,60%). С учётом этого вывода на следующем этапе выполнения задания должен быть проведён поиск конкретной марки стали.

ЭТАП 3. Выбор конкретной марки стали, которая по всем параметрам будет соответствовать требованиям задания. Эта задача также является весьма многофакторной. Поскольку типичный класс сталей для изготовления заданного изделия в принципиальном плане был определён на этапе 2 (или 1), значит, диапазон концентрации углерода в стали известен. На этом этапе предстоит определить оптимальный комплекс легирующих элементов и количество каждого компонента, исходя из требований по прокаливаемости стали. Условия охлаждения при закалке диктуются не только максимальным сечением детали, но и особенностями её геометрии, возможным короблением или поводкой. При

выборе марки стали важно учитывать также характер производства изделия (наличие или отсутствие дефицитных компонентов), степень его ответственности (качественная или высококачественная сталь требуется в конкретном случае).

С использованием «Марочника сталей и сплавов» следует провести поиск низколегированной стали с повышенным содержанием углерода (0,55…0,60%), способной прокаливаться в масле на глубину не менее 12 мм. Стали с повышенным содержанием углерода, как известно, представлены в группе пружинных и в группе инструментальных сталей. Поскольку в работе топора используются ударные нагрузки и решающее значение имеет высокая износостойкость рабочей кромки, поиск нужной марки должен быть проведен именно среди инструментальных сталей, для которых эти факторы – важнейшие эксплуатационные параметры.

По сочетанию требований, сформулированных на этапе 2 (содержание углерода в диапазоне 0,55…0,60% и небольшое количество легирующих элементов), подходит несколько сталей различного назначения. Наиболее типичные стали этой группы представлены в таблице 2.3: сталь 6ХС, используемая для рубильных ножей и пневматических зубил, сталь 6ХВГ (для пуансонов и штампов), сталь 60ХГ (для прокатных валков). Очевидно, что валковые стали для топора применять не стоит, так как они не предназначены для ударного нагружения.

Анализируя данные, приведенные в таблице 2.3, можно сделать вывод, что из двух указанных штамповых сталей (6ХС и 6ХВГ) предпочтение следует отдать стали 6ХС, как более экономно легированной (что важно для массового производства), не содержащей дефицитный вольфрам. Эта сталь, как следует из «Марочника сталей и сплавов», применяется именно для изготовления ударного инструмента, она гарантирует возможность получения при закалке требуемого уровня

твёрдости 53…56 HRC и может выдерживать ударные нагрузки до 21Дж/см² при температурах до –60 ^оС.

Сведения о прокаливаемости в масле для этой стали в «Марочнике» отсутствуют, поэтому допустимо использовать эту характеристику стали такой же системы легирования, но с меньшим содержанием углерода 33ХС. Очевидно, что по прокаливаемости сталь 6ХС безусловно будет удовлетворять требованиям задачи. Аналогичное решение можно найти и по стали 6ХВГ.

Таблица 2.3

Свойства и применение выбранных сталей

Таким образом, с использованием «Марочника сталей и сплавов» выбрана сталь 6ХС, которая по уровню достигаемой твёрдости и по прокаливаемости в масле вполне удовлетворяет требованиям задания. Её химический состав по основным компонентам приведён в таблице 2.4.

Характеристики

Список файлов книги