Výběr materiálu a techniky zpracování pro běžné mechanické díly

 

V oblasti strojírenství a výroby je výběr vhodných materiálů a vhodných technik zpracování zásadní pro zajištění výkonu, kvality a hospodárnosti mechanických dílů. Tento článek poskytuje hloubkovou analýzu principů výběru materiálů, typů materiálů a technik zpracování běžných mechanických dílů s cílem nabídnout cenné poznatky pro strojní inženýry a příbuzné profesionály.

 

 

IZásady výběru materiálu

 

Výběr materiálů pro mechanické díly vyžaduje komplexní zvážení mnoha faktorů, včetně požadavků na výkon, zpracovatelnost a ekonomickou efektivitu. Mezi hlavní zásady výběru materiálu konkrétně patří následující:

 

1. Požadavky na výkon

Materiál musí nejprve splňovat specifické požadavky na výkon za provozních podmínek součásti, jako je pevnost, tvrdost, odolnost proti opotřebení, odolnost proti korozi a odolnost proti únavě. To vyžaduje, aby konstruktér důkladně porozuměl pracovním podmínkám součásti, včetně sil, s nimiž se setká, pracovního prostředí (jako je teplota, vlhkost a vystavení určitým látkám) a jakýchkoli zvláštních požadavků (jako je tepelná vodivost). elektrická vodivost a magnetické vlastnosti).

 

2. Zpracovatelnost

Zpracovatelnost materiálu přímo ovlivňuje snadnost výroby, efektivitu výroby a náklady. Dobrá zpracovatelnost zahrnuje faktory jako kujnost, svařitelnost a obrobitelnost, které pomáhají snižovat obtížnost výroby a náklady a zvyšují efektivitu výroby.

 

3. Ekonomická efektivita

Při splnění požadavků na výkon a zpracovatelnost je důležité vybrat materiály, které jsou co nejefektivnější z hlediska nákladů, aby se minimalizovaly celkové náklady na produkt. To vyžaduje, aby konstruktéři komplexně zvážili ceny materiálů, náklady na zpracování a následnou údržbu a používání.

 

 

▲ Kroky pro výběr materiálu u mechanických dílů

 

 

II Běžné typy materiálů

 

Mezi běžně používané materiály pro mechanické díly patří zejména následující kategorie:

 

1. Ocel

Ocel je jedním z nejčastěji používaných materiálů pro mechanické díly, který se vyznačuje vysokou pevností, dobrou plasticitou a houževnatostí a také vynikajícím výkonem při obrábění. V závislosti na aplikaci a požadavcích na výkon lze ocel rozdělit mimo jiné na běžnou uhlíkovou konstrukční ocel, vysoce kvalitní uhlíkovou konstrukční ocel, legovanou konstrukční ocel a litou ocel.

 

2. Litina

Litina má dobrou slévatelnost, tlumení vibrací a odolnost proti opotřebení, ale její pevnost a houževnatost jsou relativně nízké. Proto se litina často používá k výrobě dílů, které nesou statické zatížení a opotřebení třením, jako jsou lůžka a pouzdra obráběcích strojů.

 

3. Neželezné kovy

Neželezné kovy, jako je měď a slitiny mědi, hliník a slitiny hliníku, mají nižší hustotu a dobrou elektrickou a tepelnou vodivost, díky čemuž jsou široce používány v elektrických, elektronických a leteckých oborech. U mechanických dílů se neželezné kovy často používají k výrobě lehkých konstrukčních dílů, kluzných ložisek atd.

 

4. Technické plasty

S rozvojem vědy o materiálech se stále více rozšiřuje použití technických plastů v mechanických dílech. Technické plasty jsou lehké, odolné proti korozi a mají dobré izolační vlastnosti, díky čemuž jsou vhodné pro výrobu nenosných, korozivzdorných nebo izolovaných dílů.

 

 

III Analýza obráběcích procesů

 

Procesy obrábění mechanických dílů jsou rozmanité, běžně zahrnují soustružení, frézování, vrtání, broušení, kování a vstřikování. Pro různé materiály a tvary součástí jsou vhodné různé procesy obrábění, které budou dále uvedeny samostatně.

 

1. Soustružení

Soustružení je způsob obrábění, kdy je obrobek upevněn v rotujícím přídržném zařízení a nástroje postupně odřezávají materiál z obrobku, aby se dosáhlo požadovaného tvaru a velikosti. Soustružení je vhodné pro výrobu válcových dílů, jako jsou hřídele a pouzdra. Přesnost a drsnost povrchu soustružení závisí na volbě nástroje a nastavení řezných parametrů.

 

2. Frézování

Frézování je metoda obrábění, která řeže materiál z povrchu obrobku pomocí rotačního nástroje k výrobě plochých povrchů, konkávních a konvexních povrchů, ozubených kol a dalších složitě tvarovaných dílů. Frézování lze rozdělit na typy, jako je čelní frézování, vertikální frézování, čelní frézování, frézování ozubení a frézování obrysů, přičemž každý typ je vhodný pro jiné potřeby obrábění.

 

3. Vrtání

Vrtání je metoda obrábění, která řeže materiál z obrobku pomocí rotujícího vrtáku pro vytvoření otvorů požadovaného průměru a hloubky. Vrtání se běžně používá k výrobě dílů typu otvorů, jako jsou otvory pro šrouby a otvory pro ložiska. Přesnost a účinnost vrtání závisí na výběru vrtáků, nastavení řezných parametrů a provedení opatření chlazení a mazání.

 

4. Broušení

Broušení je metoda obrábění, která postupně odřezává nebo brousí materiál z povrchu obrobku pomocí brusných nástrojů pro dosažení požadovaného tvaru, velikosti a kvality povrchu. Broušení je vhodné pro obrábění dílů s vysokými požadavky na přesnost a kvalitu povrchu, jako jsou formy, přesné mechanické díly a nástroje. Přesnost a kvalita povrchu broušení závisí na volbě brusných nástrojů, nastavení parametrů broušení a způsobu upínání obrobku.

 

5. Kování

Kování je metoda zpracování kovů, která lisováním tvaruje kovové materiály zpracované za tepla do požadovaných forem. Kování je vhodné pro výrobu dílů se složitými tvary a vysokými požadavky na mechanickou výkonnost, jako jsou ozubená kola a hřídele. Kování může zlepšit vnitřní organizační strukturu materiálů, zvýšit pevnost a houževnatost dílů.

 

6. Vstřikování

Vstřikování je proces, při kterém se roztavený plast vstřikuje do formy a tuhne za účelem výroby požadovaných dílů. Vstřikování je vhodné pro výrobu velkého množství složitě tvarovaných plastových dílů, jako jsou pouzdra na mobilní telefony a automobilové komponenty. Přesnost a kvalita povrchu vstřikování závisí na konstrukci formy, výkonu vstřikovacího stroje a volbě plastových materiálů.

 

 

IV Detailní návrh typických procesních tras luku a šípu

 

Díly hřídele

 

Běžně používané materiály pro části hřídele se velmi liší, primárně vybrané na základě faktorů, jako je pevnost, tuhost, odolnost proti opotřebení, vyrobitelnost a ekonomické úvahy. Níže jsou uvedeny některé běžné materiály pro díly hřídele a jejich vlastnosti:

 

1. Uhlíková ocel

• Vysoce kvalitní uhlíková konstrukční ocel:Jako jakosti 35, 45, 50 atd. mají tyto oceli celkově vysoké mechanické vlastnosti a jsou široce používány. Mezi nimi je nejběžněji používaná ocel 45 kvůli jejímu dobrému výkonu. Pro další zlepšení jeho mechanických vlastností se často provádí normalizační nebo kalení a temperování.
• Obyčejná uhlíková konstrukční ocel:Tyto oceli jako Q235, Q275 atd. jsou vhodné pro hřídele, které nesou relativně nízké nebo méně kritické zatížení.

 

2. Legovaná ocel

Legovaná ocel má vysoké mechanické vlastnosti, ale je poměrně drahá, běžně se používá pro hřídele se speciálními požadavky. Například hřídele pracující při vysoké rychlosti, velkém zatížení nebo vysokých teplotách často používají legovanou ocel ke splnění specifických požadavků na výkon. Mezi běžné legované oceli patří 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA atd., které po nauhličování, kalení a dalších tepelných úpravách mohou výrazně zvýšit odolnost hřídelí proti opotřebení, rázovou houževnatost a únavovou pevnost.

 

3. Litina

Tvárná litina:Díky dobrému odlévacímu výkonu se snadno odlévá do složitých tvarů a má dobré tlumení vibrací a nízkou citlivost na koncentraci napětí. Často se používá k výrobě hřídelí složitých tvarů. Zejména tvárná litina ze vzácných zemin a hořčíku vyvinutá v Číně byla široce používána při výrobě důležitých dílů hřídelí v automobilovém průmyslu, průmyslu traktorů a obráběcích strojů díky své vynikající houževnatosti, snížení tření a pohlcování vibrací.

 

4. Vysoce pevná litina

Má také dobré vlastnosti odlévání a tlumení vibrací, díky čemuž je vhodný pro výrobu hřídelí složitých tvarů.

 

 ▲ 38CrMoAIA Příklad

 

 

Součásti převodovky

 

Výběr materiálů převodovky je složitý proces, který vyžaduje zvážení různých faktorů, včetně požadavků na zatížení, rychlost, podmínky prostředí, požadavky na hluk a vibrace a ekonomické úvahy.

 

1. Kovaná ocel

Kovaná ocel se vyrábí kovacím procesem a má vynikající vlastnosti ve srovnání s běžnou ocelí. Kovaná ocelová ozubená kola mají vysokou pevnost, vysokou odolnost proti opotřebení a dobrou odolnost proti nárazu, což z nich činí jeden z nejčastěji používaných materiálů pro výrobu ozubených kol. Mezi běžné materiály kované oceli patří ocel 45, jejíž mechanické vlastnosti lze dále zlepšit tepelným zpracováním.

 

2. Litá ocel

Ocel litá se běžně používá pro výrobu větších ozubených kol, protože ozubená kola s velkým průměrem nejsou vhodná pro kování. Ozubená kola z lité oceli mají dobrou pevnost a houževnatost, ale jejich vnitřní struktura nemusí být tak hustá jako kovaná ocel a může vyžadovat tepelné zpracování pro zlepšení jejich výkonu.

 

3. Legovaná ocel

Legovaná ocel se vyrábí přidáním určitého množství legujících prvků do běžné oceli, což má za následek vyšší pevnost a tvrdost. Ozubená kola z legované oceli se často používají v aplikacích, které nesou větší zatížení a pracují při vyšších rychlostech.

 

4. Šedá litina

Šedá litina je poměrně křehká a má špatnou odolnost proti nárazu a opotřebení, ale má dobré vlastnosti proti zadírání a důlkové korozi. Proto se ozubená kola ze šedé litiny běžně používají v situacích, kdy je provoz plynulý, otáčky jsou nízké a výkon není vysoký.

 

5. Tvárná litina

Tvárná litina je zpracována speciálním procesem tepelného zpracování, který způsobuje, že se grafit v její vnitřní struktuře distribuuje do kulovitého tvaru, což zlepšuje pevnost a houževnatost litiny. Ozubená kola z tvárné litiny mají dobrý komplexní výkon a jsou vhodná pro aplikace s vyššími požadavky na výkon.

 

6. Nekovové materiály

Plasty, práškové kovy atd.:Za určitých zvláštních okolností, jako je malé zatížení, nízké otáčky nebo když je požadováno snížení hluku a vibrací, lze k výrobě ozubených kol použít nekovové materiály. Tyto materiály jsou lehké, produkují nízkou hlučnost a snadno se zpracovávají, ale jejich nosnost a odolnost proti opotřebení jsou horší než u kovových materiálů.

 

Například ozubená kola používaná v automobilech nebo traktorech.

 

▲ 20CrMnTi Příklad

 

Součásti nářadí

 

Výběr materiálů pro nástroje je rozhodující pro jejich výkon a životnost. Při výběru materiálů nástroje je třeba vzít v úvahu různé faktory, včetně účelu nástroje, vlastností zpracovávaných materiálů, řezných podmínek a ekonomických úvah. Níže jsou uvedeny některé běžné materiály nástrojů:

 

1. Vysokorychlostní ocel

 

Vlastnosti:

• Vysoká pevnost a dobrá houževnatost umožňující ostré řezné hrany.
• Dobrá zpracovatelnost, snadné kování a strojní zpracování.
• Dělí se na běžnou rychlořeznou ocel a vysoce výkonnou rychlořeznou ocel. Běžná rychlořezná ocel má nižší řezné rychlosti, zatímco vysoce výkonná rychlořezná ocel se vyrábí zvýšením obsahu uhlíku a vanadu a přidáním prvků, jako je kobalt a hliník, což má za následek vyšší odolnost.

 

Aplikace:

• Obecně se používá pro nástroje složitého tvaru, jako jsou spirálové vrtáky, závitníky, výstružníky, frézy na ozubení a tvarovací nástroje, často vyrobené z rychlořezné oceli.

 

2. Slinutý karbid

 

Vlastnosti:

• Extrémně vysoká tvrdost, s tvrdostí dosahující 74–82 HRC při pokojové teplotě a tepelnou odolností až 900–1000 stupňů, nabízí vynikající řezný výkon.
• Vysoké řezné rychlosti, schopné překročit 100 m/min při řezání uhlíkové oceli.
• Má však špatnou houževnatost, slabou odolnost proti nárazu a vibracím a hrany se nesnadno brousí do extrémní ostrosti s horší obrobitelností.

 

Klasifikace a aplikace:

• Slinutý karbid je klasifikován podle GB{0}} do typů P, M a K. P-typ se používá pro zpracování dlouhých třísek černých kovů; Typ M se používá pro zpracování černých kovů a neželezných kovů; Typ K je pro zpracování krátkých třísek černých kovů, neželezných kovů a nekovových materiálů.

 

3. Nerezová ocel

 

Vlastnosti:

• Snadná údržba, silná odolnost proti korozi, vhodné pro použití ve vlhkém nebo korozivním prostředí.
• Jeho tvrdost a ostrost však nemusí být tak vysoká jako u oceli s vysokým obsahem uhlíku a většinou je dražší.

 

Aplikace:

• Používá se v domácích kuchyňských nožích, lékařských chirurgických nástrojích a dalších situacích vyžadujících časté čištění a hygienickou údržbu.

 

4. Vysoce uhlíková ocel

 

Vlastnosti:

• Vysoká tvrdost a dobrá ostrost, vhodné pro přesné obrábění a řezání.
• Je však náchylný na rez a vyžaduje pravidelnou údržbu a péči.

 

Aplikace:

• Používá se v holicích strojcích, outdoorových nožích a dalších aplikacích vyžadujících vysokou tvrdost a ostrost.

 

 

▲ Převodové desky

 

 

▲ Popis hlavního procesu Gear Hobs

 

 

V Závěr

 

Výběr materiálů a metod zpracování pro běžné mechanické díly je složitý a systematický proces, který vyžaduje zvážení více faktorů. Při výběru materiálů by měly být volby založeny na výkonu, zpracovatelských schopnostech a ekonomických aspektech dílů; při volbě metod zpracování by se mělo rozhodovat podle tvaru, velikosti, požadavků na povrch dílů a vlastností materiálů. Racionálním výběrem materiálů a technik zpracování lze optimalizovat výkon, kvalitu a hospodárnost mechanických dílů.