Выбор марки стали для изготовления вала

 

Физические свойства стали 45 при Т=100^oС.

T	E 10-5	a106	l	r	C
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)
100	2.01	11.9	48	7799	473

 

Графики рекомендуемых режимов предварительной  термической обработки стали 45.

 

 

Механические  характеристики готового изделия после улучшения, поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ и отпуска (170-180°С)

σв	σт	δ	ψ	KCU
МПа	МПа	%	%	кДж / м2
720	510	15	32	54

4.3.2 Сталь 50ХН

Рассмотрим среднеуглеродистую, доэвтектоидную, конструкционную легированную сталь 50ХН.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.36-0.54	0.17-0.37	0.5-0.8	1-1.4	до 0.035	до 0.035	0.45-0.75	до 0.3

 Химический состав в % стали 50ХН.

 

Температура критических точек стали 50ХН.

Ac₁=735, Ac₃(Ac_m)=755, Ar₃(Arc_m)=690,  Ar₁=660, Mn=300

 

 

Механические  свойства при Т=20^oС стали 50ХН.

σв	σт	δ	ψ	KCU	Термообработка
МПа	МПа	%	%	кДж / м2
980	780	9	40	690	Закалка и отпуск

 

Физические свойства стали 50ХН при Т=100^oС.

T	E 10-5	a106	l	r	C
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)
20	2.00	11.8	46	7860	500

 

 График рекомендуемого режима предварительной термической обработки стали  50ХН представлен на рис.3.

 

 

 

 

 

 

 

Для повышения износостойкости шеек вала назначим поверхностную закалку  ТВЧ

        

 

 

 

 

 

 

 

 

Механические характеристики готового изделия.

σв	σт	δ	ψ	KCU
МПа	МПа	%	%	кДж / м2
720	500	15	30	580

 

4.3.3  Сталь 58 (Прокат, ГОСТ 1050-88)

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.55 - 0.63	0.1 - 0.3	до   0.2	до 0.3	до 0.04	до 0.035	до   0.15	до   0.3	до   0.08

Химический  состав в % стали 58.

 

Температура критических  точек стали 58.

Ac1 = 720 ,   Ac3(Acm) = 785

 

 

Механические  свойства при Т=20^oС стали 58.

σв	σт	δ	ψ	KCU	Термообработка
МПа	МПа	%	%	кДж / м2
600	300	10	25	350	Нормализация

 

Физические свойства стали при Т=20^oС 58.

 

E 10-5	a106	l	r	C	R 109
МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
2.16	11.2	48	7820	487	272

 

График рекомендуемых режимов предварительной термической обработки стали 58.

 

 

 

 

 

 

 

Крупнозернистая структура  стали 58:

 

 

 

 

Для повышения износостойкости шеек вала назначим поверхностную закалку  ТВЧ.

Механические характеристики готового изделия.

σв	σт	δ	ψ	KCU
МПа	МПа	%	%	кДж / м2
750	495	12	30	580

 

Физические свойства сталей.

Физические свойства:
	T	- Температура, при которой  получены данные свойства, [Град]
	E	- Модуль упругости первого  рода , [МПа]
	a	- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ) , [1/Град]
	l	- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость стали) , [Вт/(м·град)]
	r	- Плотность стали , [кг/м3]
	C	- Удельная теплоемкость  стали (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]
	R	- Удельное электросопротивление, [Ом·м]

 

Теперь сравним полученные механические свойства выбранных сталей. Для окончательного выбора рассмотрим стоимость этих сталей круглого профиля:

Марка стали	σт, МПа	ψ, %	Цена в рублях за тонну
45	510	32	27900
50ХН	500	30	38800
58	495	30	36000

Для изготовления вала может быть выбрана сталь 45, т.к. её механические свойства наиболее близки к требуемым и она самая дешевая.

5. Технология  изготовления готового изделия

5.1 Общие требования

Заготовками стальных валов  могут быть отрезки проката, поковки, горячие штамповки и отливки. Выбор вида заготовки зависит от сложности конфигурации и размеров деталей, объема производства, а

также от требований к прочности. Для гладких валов в крупносерийном и массовом производстве применяют  калиброванные прутки круглого сечения. Так как прутки изготовляют с  высокой точностью (от 12 до7-го квалитетов с соответствующей шероховатостью поверхности), то во многих случаях отпадает необходимость в обработке наружной цилиндрической поверхности.

Ступенчатые валы с небольшой  разницей между диаметрами ступеней изготовляют обычно из прутков горячекатаной стали, стоимость которой меньше стоимости калиброванной стали вследствие использования проката меньшей точности.

Заготовки для ступенчатых, фланцевых, коленчатых, эксцентриковых и кулачковых валов с большой  разницей между диаметрами ступеней получают свободной ковкой. Заготовки, полученные горячей штамповкой, реже используют для валов, так как  это связано с изготовлением  дорогостоящих штампов, что экономически оправдывается лишь при значительных партиях деталей. При использовании методов пластической деформации коэффициент использования материала составляет не более 0,9.

В результате ковки улучшается структура и механические свойства металла, поэтому для ответственных  и тяжелонагруженных валов в качестве заготовок применяют поковки и штамповки даже тогда, когда конфигурация деталей допускает применение проката (например, для валов высокоскоростных сепараторов и центрифуг).

Валы с небольшим числом ступеней и незначительными перепадами диаметров изготовляют из штучных заготовок, отрезанных от горячекатаного или холоднотянутого прутка, а имеющие более сложную конфигурацию и с большим числом ступеней или со ступенями, значительно отличающимися по диаметрам,- из заготовок, получаемых штамповкой, поперечным прокатом или ротационным обжатием. Выбор заготовки должен быть обоснован технико-экономическими расчетами. 

В массовом и крупносерийном производстве валы изготовляют из штучных  заготовок, обеспечивающих эффективное  использование металла (коэффициент  использования металла K≥0,65…0,7 ) и значительное сокращение трудоемкости механической обработки. Штучную заготовку из прутка заменяют штамповкой, если К повышается не менее чем на 5%. Заготовка, полученная радиальным обжатием, наиболее близка по конфигурации и размерам к готовой детали, при этом K=0,85…0,95.

Заготовки небольших ступенчатых  валов диаметром до 25 мм изготовляют  холодной высадкой в сочетании с  прессованием, а именно: из штучной прутковой заготовки за несколько переходов высаживают ступенчатую часть, имеющую диаметр больший, чем исходная заготовка, а затем вытягивают ту часть, диаметр которой меньше размера исходной прутковой заготовки.

Механической обработке  поверхностей вала предшествует образование  единой базы для установки обрабатываемой заготовки вала на всех операциях. Этой базой вала являются торцевые поверхности  и центровые отверстия, от точности выполнения которых зависит и точность исполнения последующих операций.

Основной технологической  задачей, решаемой в процессе механической обработки ступенчатых валов, является обеспечение расположения осей всех обрабатываемых ступеней вала на одной  геометрической линии в целях  уменьшения радиального биения.

5.2 Технология изготовления вала

Основной технологической  задачей, решаемой при механической обработке ступенчатых валов, является обеспечение расположения осей обработанных ступеней вала на одной геометрической линии для уменьшения радиального биения.

Механической обработке  поверхностей вала предшествует образование  единой базы для установки обрабатываемой заготовки вала на всех операциях. Основными  базами вала являются торцовые поверхности  и центровые отверстия, от точности выполнения которых зависит и точность последующих операций.

К центровым отверстиям предъявляют  следующие основные требования: конусность отверстий и центров станка должны совпадать; оба отверстия должны иметь общую осевую линию; во всех деталях партии заготовок глубина центровых отверстий должна быть одинаковой, что имеет важное значение при обработке на настроенных станках; оси отверстий и центров должны совпадать. При неодинаковой глубине центровых отверстий наблюдается «просадка» центров, что является причиной погрешности базирования при установке на жесткий передний центр. Центрование валов производят на токарных, токарно-револьверных и вертикально-сверлильных станках центровочными или спиральными сверлами с последующей раззенковкой конусов коническими зенковками с углами 60 и 120°.