Марка материала для изготовления валов

Выбор материала и термообработки валов и осей определяется их критериями работоспособности, в том числе критериями работоспособности цапф с опорами. Основными материалами для изготовления валов и осей служат углеродистые и легированные стали, благодаря их прочности, большому модулю упругости, хорошей способности к упрочнению.

Для валов и осей, подчиненных критерию жесткости и неподвергающихся термообработке применяются стали: ст.5; ст. 6. Для большинства валов применяют термически обрабатываемые стали 45, 40Х. Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали: 40ХН, 40 ХР2МА; 30ХГТ и др.

Быстроходные валы, вращающиеся в подшипниках скольжения, требуют весьма высокой твердости цапф. Их изготавливают из цементуемых сталей 12Х, 12ХН3А; 1ХХГТ.

Заготовками для стальных валов Ø до 150 мм служит круглый прокат, а для валов большего диаметра – поковки.

Шероховатость поверхности под подшипники качения назначается преимущественно по 7-8 кл. шероховатости (R_a 1,25-0,63), а подшипники скольжения в зависимости от условия работы от 7 до 9 кл. и выше (R_a 1,25-0,63-0,32).

Торцы валов обязательно выполняют с фасками.

Технология изготовления валов

Формы валов и осей. Обеспечение необходимого вращения деталей. Материалы и термическая обработка для изготовления деталей. Углеродистые и легированные стали. Выбор стали для изготовления валов двигателей. Сравнительный анализ сталей 40, 40Х, 40ХФА.

Известно, что все детали машин, конструкций, взаимодействую между собой, оказывают друг на друга силовые воздействия, воспринимают нагрузку извне. Поэтому, при конструировании различных сооружений, деталей машин и механизмов необходимо правильно выбрать материал, технологию изготовления изделия, обеспечивающие их эксплуатационную надежность и долговечность.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надёжности и долговечности имеет сталь, поэтому она является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам. Свойства стали зависят от её структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки, которая изменяет структуру, и легирования — эффективный способ повышения комплекса механических характеристик стали.

Выбор стали для изготовления той или другой детали и метод её упрочнения определяется в первую очередь условиями работы детали, величиной и характером напряжений, возникающих в ней в процессе эксплуатации, размерами и формой детали и т.д.

Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой цилиндрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т. д., и для передачи вращающего момента. [8] При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяжения (сжатия). Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение.

Вал 1 (рис.1) имеет опоры 2, называемые подшипниками. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы именуют шипами 3, а промежуточные — шейками 4.

Рис.1. Прямой вал: 1 — вал; 2 — опоры вала; 3 — цапфы; 4 — шейка

Осью называют деталь, предназначенную только для поддержания установленных на ней деталей.

В отличие от вала ось не передает вращающего момента и работает только на изгиб. В машинах оси могут быть неподвижными или же могут вращаться вместе с сидящими на них деталями (подвижные оси).

Рис.2. Конструкции осей: а — вращающаяся ось; б — неподвижная ось

Формы валов и осей весьма многообразны от простейших цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Известны конструкции гибких валов, которые предложил шведский инженер Карл де Лаваль ещё в 1889 г.

Форма вала определяется распределением изгибающих и крутящих моментов по его длине. Правильно спроектированный вал представляет собой балку равного сопротивления. Валы и оси вращаются, а следовательно, испытывают знакопеременные нагрузки, напряжения и деформации (рис.3). Поэтому поломки валов и осей имеют усталостный характер.

Читайте также: Крестовина карданного вала зил бычок

Рис. 3. Колебания изгибных напряжений оси колёсной пары в движении: а — на малой скорости; б — на эксплуатационной скорости

По назначению валы делят на валы передач (на них устанавливают детали передач) и коренные валы (на них устанавливают дополнительно еще и рабочие органы машины).

Рис.4. Типы валов: а — кривошипный вал: б — коленчатый вал; в — гибкий вал; г — телескопический вал; д — карданный вал

Форма валов и осей разнообразна и зависит от выполняемых ими функций. Иногда, валы изготавливаются совместно с другими деталями, например, шестернями, кривошипами, эксцентриками.

По геометрической форме валы делят на: прямые (см. рис. 1); кривошипные (рис.4, а); коленчатые (рис.4, б); гибкие (рис.4, в); телескопические (рис.4, г); карданные (рис.4, д). Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или наоборот (компрессоры); гибкие — для передачи вращающего момента между узлами машин, меняющими свое положение в работе (строительные механизмы, зубоврачебные машины и т. п.); телескопические — при необходимости осевого перемещения одного вала относительно другого.

Гибкие валы изготавливаются многослойной навивкой стальной пружинной проволоки на тонкий центральный стержень. Они сохраняют достаточную гибкость лишь при небольших диаметрах, так как при увеличения диаметра момент инерции сечения, а, следовательно, и жесткость резко возрастают, Поэтому при всех положительных качествах и удобстве привода, такие валы не могут передавать сколько-нибудь значительной мощности и имеют сравнительно узкое применение.

Оси обычно изготовляют прямыми. Наиболее широко распространены в машиностроении прямые валы и оси. Коленчатые и криволинейные валы относятся к специальным деталям и в настоящем курсе не изучаются.

По конструктивным признакам: гладкие валы и оси; ступенчатые валы и оси; валы-шестерни; валы-червяки.

Для осевого фиксирования деталей на валу или оси используются уступы, буртики, конические участки, стопорные кольца, распорные втулки, которые могут монтироваться в одном комплекте с другими деталями.

Наиболее удобны для сборки узлов ступенчатые валы: уступы предохраняют детали от осевого смещения и фиксируют их положения при сборке, обеспечивают свободное продвижение детали по валу до места ее посадки. Желательно, чтобы высота уступов допускала разборку узла без вынимания шпонок из вала. Диаметры посадочных участков должны быть выполнены по ГОСТ 6636-69, поскольку на эти диаметры существуют калибры массового производства.

Для обеспечения необходимого вращения деталей вместе с осью или валом применяют шпонки, шлицы, штифты, профильные участки валов и посадки с натягом.

По типу сечения валы и оси бывают; сплошные; полые; комбинированные. Применение полых валов приводит к существенному снижению массы и повышению жесткости вала при той же прочности, но изготовление полых валов сложнее сплошных. Полыми валы изготовляют и в тех случаях, когда через вал пропускают другую деталь, подводят масло.

Участки 1 осей и валов (рис.5), которыми они опираются на подшипники при восприятии осевых нагрузок, называют пятами. Опорами для пят служат подпятники 2. Посадочные поверхности валов и осей под ступицы насаживаемых деталей называют цапфами и выполняют цилиндрическими, коническими или шаровыми (рис.6). При этом принято называть промежуточные цапфы шейками, концевые — шипами. Широкое распространение в машиностроении получили цилиндрические цапфы; конические и шаровые цапфы применяют редко.

Рис. 5. Опора вертикального вала: 1 — пята; 2 — подпятник

Рис. 6. Цапфы: цилиндрические — а; конические — б; шаровые — в

1.1 Материалы и термическая обработка для изготовления деталей

Основными критериями работоспособности валов и осей являются жесткость, объемная прочность и износостойкость при относительных микроперемещениях, которые вызывают коррозию.

Читайте также: 32306769157 крестовина рулевого вала

В качестве материала для осей и валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (прокат, поковка и реже стальные отливки), так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках, а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении). Для неответственных малонагруженных конструкций валов и осей применяют углеродистые стали без термической обработки. Ответственные тяжело нагруженные валы изготовляют из легированной стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Без термической обработки применяют стали 35 и 40, Ст5, Стб, 40Х, 40ХФА, ЗОХНЗА, с термической обработкой — стали 45, 50 и др.[7]

Шейки валов, работающие на трение в подшипниках скольжения, должны иметь более твердую поверхность (НRС=50-60), что может быть достигнуто применением закалки TBЧ или цементации и закалки.

При небольших диаметрах зубчатых колес вал и шестерню выполняют как одно целое. В этом случае материал для изготовления вала-шестерни выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу шестерни.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура — время, см. рис. 7). [2]

Рисунок 7 — Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а); закалки (2, 2а); отпуска (3); нормализации (4)

К материалам для деталей машин предъявляются и экономические требования. При этом надо учитывать не только стоимость стали, но и трудоёмкость изготовления детали, её эксплуатационную стойкость в машине и другие факторы. В первую очередь нужно стремиться выбрать более дешёвую сталь, т.е. углеродистую или низколегированную. Выбор дорогой легированной стали оправдан только в том случае, когда за счёт повышения долговечности детали и уменьшения расхода запасных частей достигается экономический эффект.

Следует иметь в виду, что легирование стали должно быть рациональным, т.е. обеспечивать необходимую прокаливаемость. Введение легирующих элементов сверх этого, помимо удорожания стали, как правило, ухудшает её технологические свойства и повышает склонность к хрупкому разрушению.

2. Выбор стали для изготовления валов двигателей

Задача № 323. Завод должен изготовить три вала двигателей. Они должны иметь предел прочности не ниже 750 МПа. Однако первый вал имеет диаметр 35 мм, второй 50 мм и третий 120 мм. Выбрать сталь для изготовления валов, обосновать сделанный выбор, рекомендовать режим термической обработки и указать структуру в готовом вале.

Механические свойства стали определяются не только её составом, но зависят и от её строения (структуры). Поэтому целью термической обработки является получение необходимой структуры, обеспечивающей требуемый комплекс свойств стали.[4] Различают предварительную и окончательную термическую обработки. Предварительной термической обработке подвергают отливки, поковки, штамповки, сортовой прокат и другие полуфабрикаты. Она проводится для снятия остаточных напряжений, улучшения обрабатываемости резанием, исправления крупнозернистой структуры, подготовки структуры стали к окончательной термической обработке и т.п. Если предварительная термическая обработка обеспечивает требуемый уровень механических свойств, то окончательная термическая обработка может и не проводиться.

Проведем сравнительный анализ сталей 40, 40Х, 40ХФА.[10] Химический состав приведен в табл.1:

Химический состав сталей Таблица 1

Механические свойства при Т=20oС Таблица 2

Твердость материала: HB 10 -1 = 187 МПа

Температура критических точек Таблица 3

Анализ марки стали 40Х: Таблица 4

Механические свойства стали 40Х в зависимости от сечения

Закалка 840-860 °С, вода, масло. Отпуск 580-650 °С, вода, воздух.

Твердость материала: HB 10 -1 = 217 МПа

Температура критических точек Таблица 5

Анализ марки стали 40ХФА Таблица 6

Читайте также: Какое масло заливать в компрессор ремеза 100 литровый

Механические свойства стали 40ХФА в зависимости от сечения

Закалка 850 °С, вода. Отпуск 660 °С, воздух.

Твердость материала: HB 10 -1 = 241 МПа

Температура критических точек Таблица 7

Сталь 40ХФА — доэвтектоидная, среднеуглеродистая, низколегированная. Наилучшее сочетание прочности и пластичности, что обеспечивает хорошую работу материала при динамических нагрузках, сталь приобретает после динамической обработки, состоящей из закалки и последующего высокотемпературного отпуска. Такой вид термообработки называется улучшением и обеспечивает в данной стали структуру сорбита, являющуюся носителем оптимальных эксплуатационных свойств.

Получение структуры сорбит для данной стали можно достичь и просто отжигом ее при тех же температурах, при которых материал нагревается под закалку, с последующем охлаждением на воздухе. Такой технологический процесс называется нормализацией. Однако улучшение этих сталей в отличии от нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины, снижает порог хладноломкости.

2.1 Выбор режима термической обработки стали

Для стали 40ХФА выбрана термическая обработка (Рис.8), состоящая из закалки с последующим высоким отпуском. Температура и продолжительность закалки: доэвтектойдные стали нагревают под закалку до температуры на 30..50 °С выше температуры АС3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 830..850 °С. Исходная структура стали феррита+перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше А3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более. Иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.

Рисунок 8 — Режим термической обработки стали 40ХФА

Исходя из сказанного, продолжительность прогрева детали из данного материала выбирают следующим образом: на 1мм поперечного сечения детали — 45-75 сек в электропечах и 15-25 сек в соляной ванне (это чтобы прогреть деталь) + 15..20 % от продолжительности прогрева детали. Выбранный режим нагрева должен обеспечить полное превращение исходной феррито-перлитной структуры в аустенит. Последующее охлаждение материала произведем в масле, чтобы обеспечить скорость охлаждения больше, чем vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, т.е. в структуру закаленной стали). При скоростях охлаждения меньше vкр в углеродистой стали протекает только диффузионные процессы распада аустенита с образованием феррито-перлитной структуры различной степени дисперсности (перлит, сорбит, тростит). При высоких скоростях охлаждения (выше vкр) диффузионный распад аустенита подавляется — аустенит претерпевает только мартенситное превращение. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fea. Как правило, при закалке не весь аустенит превращается в мартенсит, и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит. (Рис.9)

Рисунок 9 — Диаграмма изотермического распада аустенита

Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки — высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала.

Отпуск заключается в нагреве до температуры ниже АС1 , выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Режим отпуска Т=650 °С в течение 1-6 часов в зависимости от габаритов изделия. Охлаждающая среда — масло. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска (Рис.10). Высокий отпуск следует наилучшее соотношение прочности и вязкости. [11]

Рисунок 10 — Структура сорбита отпуска

Для изготовления валов 35мм, 50мм и 120мм, имея предел прочности не ниже 75 МПа, может подойти стали 40ХФА.

Механические свойства стали 40ХФА после термической обработки