МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МГТУ им. Н.Э.Баумана»

ФАКУЛЬТЕТ «Энергомашиностроение»

КАФЕДРА «Э2 Поршневые двигатели»

Домашнее задание по дисциплине «Материаловедение»

Вариант МД-7(б)

на тему «Выбор материала и технологии термической обработки»

Задание МД – 7 (а - д). Пользуясь «Марочником сталей и сплавов»,

выбрать марку стали для изготовления тяжело нагруженного быстроходного червяка станочного суппорта (рис.1.7). Производство редукторов серийное.

При выборе стали использовать данные согласно выданному варианту домашнего задания (табл.1.7): основные размеры червяка, твёрдость поверхности трения HRC и глубина упрочнённого слоя Δh в указанных пределах, предел текучести сердцевины σ_0,2 (не менее).

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

а б

Рис. 1.7. Быстроходный червяк:

а – общий вид червячной передачи; б – эскиз червяка

Исходные данные

ЭТАП 1. Определение особенностей работы изделия при эксплуатации, их анализ в соответствии с условиями задания.

ЧЕРВЯЧНЫЙ РЕДУКТОР - механическое устройство для передачи вращения между скрещивающимися (обычно под прямым углом) валами посредством червяка (винта) и сопряжённого с ним червячного колеса (червячная передача). Червяк представляет собой винт с трапецеидальной или близкой к ней резьбой, а червячное колесо является зубчатым колесом, зубья которого имеют особую дугообразную форму.

Червячные передачи применяют для передачи движения между перекрещивающимися валами. При вращении червяка его витки входят в зацепление с зубьями червячного колеса. Передачи используют в станках, автомобилях, подъемно-транспортных и других машинах.

Достоинства передачи: возможность получения большого передаточного числа в одной ступени и эффекта самоторможения; плавность и малошумность работы; повышенная кинематическая точность.

Недостатки червячной передачи: низкий КПД; применение для изготовления зубьев червячного колеса дорогих антифрикционных материалов; повышенные требования к точности сборки, необходимость регулировки и принятия специальных мер по интенсификации теплоотвода.

Основными причинами выхода из строя передач (в порядке убывания частоты проявления отказов) являются:

1. поломка зубьев червячного колеса или, в редких случаях, поломка витков червяка

2. Заедание при твердых материалах колес, вызывающее значительные повреждения поверхностей и последующее быстрое изнашивание зубьев частицами колеса, приварившимися к червяку. При мягких материалах колес заедание проявляется в менее опасной форме, возникает перенос («намазывание») материала колеса на рабочую поверхность червяка.

3. Усталостное выкрашивание, происходящее только на поверхности колес, выполненных из материалов, стойких к заеданию

4. Пластическая деформация рабочих поверхностей зубьев, возникающая под воздействием больших перегрузок

5. Усталостная поломка

Из условия доопределим геометрию червяка. Эта деталь стандартизована, поэтому воспользуемся формулами из детмаша:

d1 = mq – делительный диаметр
диаметр вершин витков da1 = d1 + 2m
диаметр впадин df1 = d1 – 2.4m
Расчетный шаг червяка p = m

Из формул следует, что p=17мм, что примерно равно толщине зуба червяка.

Т.к. червяк данной червячной передачи быстроходный и тяжелонагруженный, он должен:

1) Выдерживать большие контактные напряжения и трение на поверхности червяка, работать при высоких частотах, т.е. обладать высокой твердостью поверхности (по условию, 59-62 HRC с глубиной упрочнённого слоя 1.2-1,4 мм) и износостойкостью

2) Червяк подвержен высоким нагрузкам, что требуют значение условного предела текучести 900 МПа. Следует заметить, что речь идет о прочности сердцевины зубьев, а не всего червяка. Чем ближе к оси, тем меньше там возникают напряжения. Опасные точки – наиболее удаленные от нее.

3) Т.к. это деталь станка, то работать при комнатных температурах. Соответственно, особых требований по жаропрочности нет

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

Из опыта производства, червяки изготовляют из среднеуглеродистых сталей 45, 50 или легированных 40Х, 40ХН, а также цементируемых сталей 18ХГТ, 20Х с последующей поверхностной закалкой ТВЧ и шлифовкой витков.

Приблизительные оценки твердости поверхности после закалки от содержания углерода

Т.к. требуется высокая твердость поверхности 59-62 HRC, следует начать поиск со среднеуглеродистых сталей от 0.4% содержания углерода. Также рассмотрим несколько более дорогой вариант обработки – ХТО.

Максимальная толщина эффективного слоя от способа ХТО

Глубина упрочненного слоя должна составлять от 1,2 до 1,4 мм. Следовательно, рассмотрим только цементирование. Для этого вида ХТО используют низкоуглеродистые стали до 0,25% содержания С.

ЭТАП 3. Выбор конкретной марки стали, которая по всем параметрам будет соответствовать требованиям задания.

По заданию, σ_0,2 должен быть не менее 900 МПа. Это тяжелонагруженная деталь, поэтому необходимо использовать легирующие элементы (л.э.), повышающие прочность. Влияние л.э. на ряд свойств приведен в таблице.