Выбор марки стали для изготовления вала

Санкт-Петербургский государственный  политехнический университет

Кафедра материаловедения

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

Дисциплина: Материаловедение

                                Тема: Выбор марки стали для изготовления вала

 

 

 

        Студент  гр. 2041/1                              Высоцкий П.С.

        Преподаватель            Скотникова М.А.

 

                                                                «__»______________2012 г.

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

1. Задание

Заводу необходимо изготовить валы для электродвигателей диаметром 50 
мм, удовлетворяющие следующим требованиям по механическим свойствам: 
Ϭ_0,2 = 500 МПа, ψ=30%.

2. Чертеж детали

Рис. 1. Чертеж детали

3. Анализ чертежа, назначение детали

Вал в электродвигателе является наиболее нагруженной деталью, передающей крутящий момент исполнительному механизму. 
От прочности и жесткости вала зависят надежность и качество работы электрической машины. Валы имеют ступенчатую форму с уменьшающимися по диаметру ступенями к обоим концам. Конструкция валов (рис. 1) зависит от характера работы двигателя. Вал тягового электродвигателя более нагружен, поэтому переход от одной ступени к другой выполнен плавным, в форме радиуса, называемого галтелью. Этим достигается снижение концентрации напряжений в местах перехода. У вала электродвигателя единой серии в местах перехода ступеней имеется небольшое занижение диаметра, предназначенное для выхода круга при шлифовании. Для крепления пакета сердечника на валу предусмотрена шпоночная канавка. У валов небольшого диаметра вместо шпоночной канавки делают рифление. Валы электрических машин изготавливаются из углеродистой стали марки 45 (ГОСТ 1050 - 60). Для наиболее нагруженных валов применяется легированная сталь марки 20ХНЗА или 30ХГСА. 
Для получения мелкозернистой структуры заготовки валов подвергают термообработке (нормализации). Вал является наиболее точной деталью электродвигателя машины.

Вал — деталь машины, предназначенная для передачи крутящего момента и восприятия действующих сил со стороны расположенных на нём деталей и опор. Валы являются основными деталями для передачи вращательного движения и крутящего момента в конструкциях машин и механизмов. В процессе работы материал валов испытывает сложные деформации - кручение, изгиб, растяжение и сжатие. Поэтому, чтобы обеспечить нормальную работу деталей, передающих движение на вал, и сборочной единицы в целом, валы должны быть жесткими. Валы очень разнообразны как по форме, так и по размерам, однако по технологическим признакам их можно привести к двум исходным формам: гладкому и ступенчатому валам.

Прямые гладкие валы постоянного  диаметра имеют наиболее простую  геометрическую форму, но их применение весьма ограничено. Наиболее распространены в машиностроении ступенчатые валы, основными технологическими параметрами  которых являются: общая длина  вала, количество ступеней, неравномерность  их перепада по диаметрам, диаметр наибольшей ступени, наличие шлицев и их форма.

Жесткость конструкции вала определяется геометрической формой (отношением длины вала к диаметру); увеличение жесткости вала за счет уменьшения длины не всегда возможно.

Наиболее технологичными являются валы с возрастающими или  убывающими диаметрами ступеней. Участки вала, имеющие один и тот же номинальный диаметр, но разные посадки, должны быть разделены канавками, четко разграничивающими обрабатываемые поверхности от необрабатываемых, при этом желательно, чтобы обрабатываемые участки вала имели равные или кратные длины, а перепады ступеней вала были бы невелики.

Конструкция вала должна допускать  обработку ступеней на проход и обеспечить удобный подход и выход режущего инструмента.

Исходя из требуемых механических характеристик, можно заключить, что  рассматриваемый вал является деталью  ответственного назначения, работающей в тяжелых условиях.

4. Выбор материалов

4.1 Общие требования к предъявляемым материалам:

Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием

форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических,

циклических и ударных  нагрузках, при низких и высоких  температурах в

контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к

материалам, основные из которых: эксплуатационные, технологические и

экономические.

Первостепенное значение имеют эксплуатационные требования, которые

находятся в корреляции с  такими механическими и эксплуатационными

свойствами, как твёрдость, прочность, вязкость, пластичность, сопротивление усталости, износостойкость, контактная выносливость, коррозионная стойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей

трудоёмкости изготовления деталей, конструкций и инструмента. В

частности, материал должен обладать хорошей обрабатываемостью  резанием, давлением, свариваемостью, высокими литейными свойствами, иметь необходимую прокаливаемость и не иметь склонности к возникновению больших внутренних напряжений при термической обработке.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел

невысокую стоимость и  был доступен. В первую очередь  нужно стремиться

выбрать менее дорогую  сталь, углеродистую или низколегированную.

Дорогие легированные стали, содержащие никель, молибден, вольфрам,

ванадий и др., и их следует применять лишь в тех случаях, когда более дешевые стали не обеспечивают требования, предъявляемые к изделию.

Требования к материалу  часто противоречивы. Так, например, более

прочные материалы менее  технологичны, труднее обрабатываются резанием,

давлением, плохо свариваются  и т.д. решение при выборе материала  обычно

компромиссно. В массовом машиностроении предпочитают упрощение

технологии и снижение трудоёмкости в процессе изготовления детали при

некоторой потере свойств  за счет увеличения массы детали. В  специальных

отраслях машиностроения, где проблема прочности играет решающую роль,

выбор материала и последующая  технология термической обработки  должны

рассматриваться из условия  достижения только максимальных

эксплуатационных свойств. Однако не следует стремиться к более  высокой

долговечности деталей по отношению к долговечности самой  машины.

При выборе упрочняющей термической или химико-термической

обработки, особенно в условиях массового производства, предпочтение

следует отдавать наиболее экономичным и производительным

технологическим процессам, например, поверхностной закалке, газовой

цементации, нитроцементации. Обычно рассматривается возможность

применения нескольких марок  материалов и способов упрочнения. Первыми

параметрами, определяющими  выбор материала, являются механические

свойства и распределение  их по сечению.

Механические свойства стали  в первую очередь определяются

содержанием в них углерода, от которого зависит и закаливаемость стали.

Прокаливаемость же стали определяется в основном легирующими

элементами. В условиях полной прокаливаемости механические свойства

мало зависят от природы  и степени легированности. Однако не следует

стремиться к применению сталей с излишне высокой прокаливаемостью,

поскольку необходимое для  этого высокое содержание хрома, марганца и

других элементов способствует росту склонности к хрупкому разрушению.

Исключение составляет никель, повышаюший вязкость.

Детали сложной конфигурации с целью уменьшения их деформации в

процессе закалки также следует изготавливать из легированных сталей,

закаливаемых в масле или даже на воздухе.

Необходимо учитывать, что  легирующие элементы повышают

устойчивость аустенита  при отпуске, поэтому для получения  требуемой

прочности и твёрдости  легированные стали подвергают отпуску  при более

высокой температуре.

Для изделий, требующих высоких  значений вязкости и низкого порога

хладноломкости, например, работающих при низких температурах с

высокими скоростями приложения нагрузки и при наличии концентраторов

напряжений, следует применять  мелкозернистые спокойные стали,

предпочтительно легированные никелем или ванадием с азотом.

Детали, которые должны сопротивляться изнашиванию при различных

давлениях, обладать высокой  прочностью при изгибе и кручении, высокими

значениями усталостной  прочности, противостоять высоким  контактным

напряжениям, сопротивляться схватыванию и задирам в различных  условиях

изнашивания, подвергают поверхностному упрочнению. Работоспособность

таких деталей в эксплуатации зависит от свойств поверхности  и сердцевины.

Поскольку поверхностный  слой обладает меньшей пластичностью  чем

сердцевина, при больших  статических нагрузках пластическая деформация

обычно возникает под  упрочнённым слоем, что, в свою очередь, приводит к

увеличению деформации в  слое. При повышении предела текучести

сердцевины и ограниченном запасе пластичности слоя в нём образуются

трещины. Следовательно, работоспособность  деталей при статических

нагрузках зависит от предела  текучести сердцевины и запаса пластичности в

упрочнённом слое.

При циклических нагрузках  сопротивление поверхностно упрочняемых

деталей разрушению зависит  от прочности сердцевины. Повышение

прочности сердцевины способствует увеличению и контактной прочности.

Поэтому в таких условиях одно из важнейших значений при выборе стали

приобретает прокаливаемость. Однако сближение прочностных свойств слоя

и сердцевины приводит к  снижению предела выносливости деталей.

4.2 Материалы и режимы упрочняющей термической обработки для валов

Эксплуатационная стойкость  валов определяется усталостной

прочностью в условиях кручения и изгиба, контактной прочностью и

износостойкостью.

Малонагруженные,  медленно вращающиеся валы изготовляют из

недорогих сталей . Ст3, 4 и 5, 35, 40, 45. Такие валы не подвергаются

термической обработке.

Валы небольших размеров, которые должны обладать высокой

прочностью на изгиб и  кручение, а также усталостной  прочностью,

изготавливают из сталей 40Х (d вала 20..25 мм), 50Х (d=35..40мм),40ХГР

(d=50..55мм) и подвергают закалке и низкому отпуску на HRC 45..50, реже

закалке и среднему отпуску  на HRC 35..42.

Средненагруженные валы диаметром до 80..100 мм в том случае, когда

работоспособность определяется прочностью на изгиб и кручение, а не

контактной выносливостью  и износостойкостью, изготовляют  из сталей 45,

40ХН, 50Х и подвергают улучшению (σв =800..1000 Н/мм2 ).

Высоконагруженные  валы большого диаметра (100..130 мм и выше)

изготавливают из хромоникелевых, хромоникельмолибденовых глубоко

прокаливающихся сталей 50ХН, 40ХН3М и подвергают улучшению

(σв > 1000 Н/мм2). Для очень ответственных валов большого сечения

применяют стали 30ХН2ВФА, 36ХНМФА, 38ХН3МФА, 30Х2НВФА.

Упрочняют их улучшением. Валы, работоспособность которых определяется

контактной выносливостью  и износостойкостью, должны иметь  высокую

поверхностную твёрдость HRC 48..50. Такие валы небольших размеров

изготавливают из сталей 45 и 50 и упрочняют поверхностной закалкой. Если

они работают еще на изгиб  и кручение, перед поверхностной  закалкой

проводят улучшение.

Когда требуется более  высокая износостойкость и, соответственно, более

высокая поверхностная твёрдость, валы изготавливают из сталей 20ХН,

18ХГТ, 12ХН3А, которые подвергают  цементации, закалке и

низкотемпературному отпуску. Можно также использовать стали 25ХГМ,

25ХГТ с упрочнением  нитроцементацией.

В случаях, когда требуется  особо высокое сопротивление  изнашиванию,

валы изготовляют из стали 38Х2МЮА с последующим азотированием.

4.3 Выбор материала изделия

Материал рассматриваемого изделия имеет условный предел текучести, равный Ϭ_0,2 = 500 МПа и относительное сужение ψ=30%, а также обладает повышенной износостойкостью. На основе анализа требуемых характеристик и назначения изделия рассмотрим следующие марки сталей: 45, 50ХН, 58.

4.3.1 Сталь 45

 

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.42 - 0.5	0.17 -0.37	0.5 – 0.8	до 0.3	до 0.04	до 0.035	до 0.25	до 0.3	до 0.08

Химический  состав в % стали 45.

 

Температура критических  точек стали 45.

Ac1 = 730 ,  Ac3(Acm) = 755 ,  Ar3(Arcm) = 690 ,  Ar1 = 780 , Mn = 350

Механические  свойства стали 45 при Т=20^oС.

σв	σт	δ	ψ	KCU	Термообработка
МПа	МПа	%	%	кДж / м2
600	355	16	40	49	Нормализация 820 – 870о C