» » Видно, что конструкционная прочность деталей определяется их свойствами и геометрической точностью

Видно, что конструкционная прочность деталей определяется их свойствами и геометрической точностью

803 0 websat

Видно, что конструкционная прочность деталей определяется их свойствами и геометрической точностью

При рассмотрении процесса изготовления детали и формирования ее свойств особо выделим следующие этапы: выбор исходного материала, производство заготовок, изготовление деталей методами механической обработки, упрочнение деталей (термическая или химико-термическая обработка).

На прочность и долговечность деталей автомобиля большое влияние оказывает качество используемых сталей и прежде всего постоянство химического состава, однородность микроструктуры, а также содержание примесей (серы, фосфора, мышьяка, кислорода, азота). Поэтому при использовании сталей необходимо контролировать не только их марку, но и способ производства.

Стабильность механических свойств деталей и их геометрической точности в значительной степени зависит от стабильности марочного химического состава. Однако на практике химический состав стали изменяется от плавки к плавке.

На рис. 15.6 в качестве примера приведены результаты статистической обработки химического состава более 80 плавок стали марки 18ХГТ, используемой для зубчатых колес редуктора ведущих мостов грузового автомобиля. Учитывая значительную разницу в содержании основных элементов и примесей, при построении графиков на оси абсцисс откладывали не процентное содержание элементов, а отношение среднего значения содержания для каждого интервала к среднему значению содержания этого элемента в последнем интервале, то есть к максимальному содержанию данного элемента, выражая это отношение в процентах.

Такие графики дают возможность наглядно сравнивать колебания содержания всех исследуемых элементов независимо от их содержания в стали. Для перехода от отношения к действительному содержанию како- го-либо элемента достаточно максимальное содержание элемента умножить на это отношение.

Видно, что колебания основных элементов (хрома и углерода) сравнительно небольшие (15 — 35%). Содержание же примесных элементов колеблется в очень широких пределах: никеля и меди в 14 и 12,5 раз соответственно, а серы — в 4 раза. Значительно (в 7 — 9 раз) изменяется в этой стали содержание одного из основных легирующих элементов — титана.

Такие колебания содержания химических элементов в стали, конечно же, приводят к изменениям ее технологических и эксплуатационных свойств. Здесь особо обратим внимание на изменение прокаливаемости. Расчеты по оценке прокаливаемости показали, что выявленное колебание содержания химических элементов и возможные изменения размера зерна от 6 до 10 баллов приводят к изменениям прокаливаемости (по величине критического диаметра) стали 18ХГТ до 8 раз, а стали 12Х2Н4А до 4 раз (обратим внимание на преимущество более легированной стали).

Такие изменения прокаливаемости привели к различному характеру деформации цилиндрических косозубых зубчатых колес (т=6мм, z=49): если в партии колес, изготовленных из одной плавки стали 18ХГТ, посадочное отверстие в большинстве случаев сужалось (оно изменялось от 90 до 300 мкм), то в партии колес, изготовленных из другой плавки, оно в основном расширялось, изменяясь от 150 до 300 мкм.

Кроме деформации колебание прокаливаемости вызывает изменение твердости сердцевины и толщины упрочненного слоя. Например, в девяти плавках стали 35Х, используемой для вторичных валов раздаточной коробки, содержание основных элементов находилось в пределах, заданных ГОСТом: 0,30 — 0,36% С, 0,61 — 0,86% Мп, 0,87—1,01% Сг. Однако это, атак- же неучтенное колебание различных примесей, приводит к изменению прокаливаемости в 1,5 раза, твердости в основании зубьев от 33 до 48 HRC и толщины упрочняемого слоя после нитроцементации от 0,4 до 0,5 мм. Также было установлено, что чем больше прокаливаемость, тем меньше непараллельность зубьев вторичного вала, то есть деформация зубчатого венца уменьшается.

В общем случае колебания прокаливаемости марки стали от плавки к плавке вызывают колебания ее механических свойств после окончательной термической или химико-термической обработки в 1,5 — 2 раза, а некоторых характеристик (ударной вязкости, износостойкости) — в 5 —8 раз. Это составляет значительный вклад в дисперсию долговечности деталей.

При анализе влияния поплавочного колебания химического состава определенной марки стали внимательно надо следить за изменением содержания в стали примесей, не ограничиваясь при этом рассмотрением только количества серы и фосфора; необходимо обращать внимание также и на содержание других элементов, которые в данной стали являются примесями, например меди, никеля и др.

На рис. 15.7 приведены результаты исследования зависимости контактной долговечности цементованного зубчатого колеса из стали 20Х2Н4А от суммы примесей, куда включили содержание серы, фосфора и меди. Кривая 1 этого рисунка хорошо показывает, что с увеличением суммарного содержания данных элементов долговечность колес резко уменьшается: если сумма примесей повышается от 0,12 до 0,15%, всего на 0,03%, то долговечность снижается от 160 до 35 часов, т. е. в 4,5 раза.

Отрицательное влияние примесей можно в определенной степени уменьшить путем оптимизации структуры и фазового состава зубчатых колес при химико-термической обработке. Об этом свидетельствует кривая 2 на этом же рисунке. В случае оптимизации содержания остаточного аустенита, величины зерна, толщины упрочненного слоя, твердости слоя и сердцевины можно обеспечить достаточно высокую долговечность и при повышенном содержании примесей, но только до определенного значения. Так, долговечность в 160 час можно обеспечить при содержании примесей 0,15%, когда при неоптимальной структуре она составляет только 35 час. Однако и в этом случае с дальнейшим ростом содержания примесей долговечность также резко снижается: при повышении содержания при- 604 месей до 0,17% долговечность составляет 35 час, а при 0,18% — меньше 20 час. Таким образом, улучшением качества химико-термической обработки можно в какой-то степени компенсировать влияние примесей в сумме 0,02 — 0,03% и не больше. Это еще раз подчеркивает значение качества металла, поступающего на машиностроительные заводы.

В связи с этим необходимо стремится к постоянству поставщиков, способа производства стали (если он удовлетворяет требованиям), химического состава стали. Здесь обратим внимание на непривычное требование: надо ограничивать не только верхний предел примесей, но и нижний. Например, как будет показано далее, устранение серы приводит к нежелательному результату.

Можно сказать, что материал (сталь) является носителем всех свойств детали, начиная от исходных, задаваемых химическим составом, включая свойства, приобретаемые в процессе изготовления заготовок (штамповка, термическая обработка), при упрочнении деталей и при их сборке. При этом выбранная для конкретных условий сталь должна быть технологичной на всем протяжении процесса изготовления и упрочнения деталей.

В заключение отметим, что выбор марки стали, способа ее производства требует самого внимательного рассмотрения, так как их влияние на свойства и деформацию деталей значительно и разнообразно. Прежде всего, следует обратить внимание на то, что сталь, выбираемая для конкретной детали, должна обладать достаточной прокаливаемостью, надежно обеспечивающей сквозную закалку данной детали. Это позволит снизить или даже исключить непредсказуемое влияние на стабильность свойств и геометрической точности случайных колебаний химического состава, а также влияние факторов, действующих в технологическом процессе изготовления деталей (наклеп, групповая загрузка при термической обработке и др.).

На механические свойства и геометрическую точность деталей заметное влияние оказывает стадия изготовления поковок. Такие факторы, как скорость охлаждения поковок после их изготовления, тип печи для термической обработки и ее вид (отжиг, нормализация) заметно влияют на микроструктуру поковок, ее дисперсность и равномерность. Особенности микроструктуры и точность поковок (геометрическая и массовая) влияют на величину и характер наклепа при механической обработке, что, в свою очередь, оказывает влияние на геометрическую точность готовых деталей. Например, после нормализации поковок в конвейерной печи посадочное отверстие цилиндрического косозубого колеса (т=6 мм) из стали 18ХГТ сузилось по диаметру на 45 мкм, а после нормализации в толкательной печи — только на 23 мкм.

Важность этого этапа производства заключается в том, что здесь закладываются основы надежности и долговечности деталей, так как от свойств заготовок зависят и прочностные свойства деталей и их геометрическая точность, то есть конструкционная прочность деталей. Если свойства заготовок низкие, то это, как правило, трансформируется в низкие свойства деталей, так как при последующей обработке дефекты, возникшие на стадии производства заготовок, исправить не удается. Однако это учитывается только при оценке структуры и механических свойств. В то же время это утверждение справедливо и в части обеспечения геометрической точности деталей. Следует помнить, что из неточной заготовки можно сде- , лать, как правило, только неточную деталь. Дело в том, что детали, изготовленные из неточных заготовок, обладают нестабильными размерами и точными они являются только сразу после изготовления (см. 15.5).

Такие детали никогда не будут обладать стабильностью размеров и формы. Дело в том, что при механической обработке неточных поковок и отливок в деталях формируются остаточные напряжения, которые распределяются в объеме деталей неравномерно. При хранении, транспортировке, последующих технологических операциях (например, при нагреве во время термической обработки) эти напряжения релаксируют тоже неравномерно, что вызывает неравномерное изменение размеров и формы деталей, то есть деформацию и коробление.

Например, неточность поковок для цилиндрического зубчатого колеса редуктора ведущего моста грузового автомобиля (сталь 18ХГТ, модуль 6 мм) увеличивает биение торцов в 4 раза, непараллельность торцов в 1,5 раза, эллипсность отверстия в 1,4 раза, биение МЦР — в 1,3 раза.

Поэтому при обеспечении геометрической точности деталей не следует полагаться только на применение высокоточных станков — это ошибка. Размеры и форма деталей зависят от многих факторов, действующих в производстве и, в частности, при изготовлении заготовок.

Необходимую точность и микроструктуру поковок можно обеспечить соблюдением точности массы и геометрии их мерных заготовок, стабильности температурных режимов нагрева и охлаждения поковок, правильным выбором числа переходов при штамповке и стойкостью штампа.

 

В частности, следует применять регулируемое ускорение охлаждения поковок после их изготовления и термической обработки, при этом использовать сборные емкости малых размеров, для обработки поковок одного наименования использовать однотипные печи. Все это должно обеспечивать минимальный припуск на механическую обработку, достижение оптимальной и стабильной микроструктуры поковок, в результате чего в готовых деталях будет незначительный наклеп, а значит и их деформа- 606 ция будет меньше и стабильнее.

Комментарии