Файл: Материаловедение.pdf

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СТЕРЛИТАМАКСКИЙ ФИЛИАЛ
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧЕРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Естественнонаучный факультет
Кафедра технологии и общетехнических дисциплин
КУРСОВАЯ РАБОТА
по теме
«Обоснование выбора конструкционных материалов и режимов их термической обработки для изготовления деталей машин» по дисциплине «Материаловедение»
В 21
Выполнил: студент группы ZМАШ11
Ханмурзин Р.Р.
ФИО
Проверил: к.т.н., доцент
Белобородова Т.Г.
Стерлитамак, 2020

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Башкирский государственный университет»
Стерлитамакский филиал
Естественнонаучный факультет
Кафедра технологии и общетехнических дисциплин
Задание на курсовую работу
по дисциплине«
Материаловедение
»
1. Тема «Обоснование выбора конструкционных материалов и режимов их термической обработки для изготовления деталей машин».
2. Студент Ханмурзан Р.Р. заочного обучения ZМАШ11 группы.
3. Задание: Выбрать стали для шпинделей токарных и шлифовальных станков с учетом того, что шпиндели работают в условиях износа, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки. Деформация шпинделей шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной. Оба шпинделя должны иметь повышенную износостойкость.
Указать структуру выбранной стали и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки.
4. Дата выдачи задания: «26» ноября 2019 года
5. Срок защиты курсовой работы «___»__________2020 года.
6. Руководитель ________________
/ Т.Г. Белобородова
(подпись) (И.О. Фамилия)
8. Студент ________________
/ ____________________
(подпись) (И.О. Фамилия)

Изм
.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
1
Разраб
.
Ханмурзин
Провер.
Белобородова Т.Г
Н. Контр.
Утв.
Лит.
Листов
СФ БашГУ, ЕНФ, ZMAШ11
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
4 1. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств
6 2. Разработка технологического процесса термической обработки стали
11
Выводы
17
Список использованной литературы
18

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
4
Введение
Цель данной работы - выбрать материалы (марку стали) для изготовления шпинделей токарного и шлифовального станков в соответствии с условиями задания, разработать технологический процесс термической обработки деталей. Указать структуру выбранных сталей и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки.
В металлообработке шпинделем называют вал (см. рис. 1), снабжённый устройством для закрепления обрабатываемого изделия (заготовки) в зажимном патроне токарного станка, либо режущего инструмента на фрезерных, агрегатных, расточных, сверлильных и др. металлорежущих станках с применением конуса Морзе. В сверлильной, фрезерной и расточной группе станков шпиндель также имеет регулируемую длину, приводимую в движение механическим или ручным способом. Для шлифовального станка это вращающийся вал.
Рис. Шпиндель
Используется подобное устройство при создании самого различного оборудования и инструментов. Как ранее было отмечено, назначение заключается в фиксации инструментов и деталей. Область применения может быть существенно расширена за счет применения различной оснастки.
Шпиндели токарных станков.
Шпиндель для токарного станка представляет собой вал с отверстием посередине
(см. рис. 2). В него, в отверстие, вставляют заготовки будущих деталей.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
5
Обычно в конструкции используется вращающийся шпиндель, который применяется для снятия стружки, вырезания пазов и придания формы заготовкам. Через него происходит передача крутящего момента с электродвигателя на деталь, а также изоляция рабочего инструмента от вибрационных нагрузок, который принимает на себя подшипник. Фиксация инструмента происходит с помощью зажимного патрона, установленного на конце шпинделя.
Шпиндель токарного станка изготавливается из высокопрочной стали, что необходимо для безопасной эксплуатации станка, долговечности детали и высокой точности выполняемых работ. Он считается главным элементом станка, так как остальные узлы и детали предназначены для обеспечения его работы.
Конструкция шпинделя зависит от множества факторов, обычно от сферы назначения, типа и устройства станка, размеров и скорости работы. Раньше основой этого узла выступали подшипники, отклонение на которых достигало 1 мкм. На сегодняшний день требования к шпинделям усилились, поэтому современные образцы изготавливаются с применением магнитных или воздушных опор. Подобное решение позволяет добиться минимального отклонения, не превышающего 0,2 мкм.
Рис. 2 Шпиндель токарного станка
Конструкция узла должна соответствовать следующим требованиям:
Точность. Подбирается исходя из модели станка, обрабатываемого материала и технологических требований.
Быстроходность. Разные типы шпинделей вращаются на разных скоростях, чем быстрее скорость обработки заготовки, тем выше качество выполненной работы.
Жесткость. Определяется соотношением величины прогиба шпинделя и уровня радиального биения. Чем данный показатель ниже, тем выше качество работы.
Долговечность. Срок эксплуатации узла, в первую очередь, зависит от качества используемого подшипника.
Виброустойчивость. Шпиндель должен быть толерантным к вибрации к внешней вибрации станка, что обеспечивает высокую точность работы инструмента.
Допустимый нагрев. Определяется максимальной температурой нагрева узла, при котором не изменяются эксплуатационные характеристики шпинделя.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
6
Несущая способность. Характеризует рекомендуемые вес и размеры рабочего инструмента.
Шпиндели шлифовальных станков.
Шпиндельные узлы предназначены для вращения шлифовального круга или обрабатываемой детали. К шпиндельным узлам предъявляются следующие требования: точность вращения - минимальное биение на переднем конце шпинделя в радиальном и осевом направлениях; жесткость - правильность положения шпинделя при действии усилий резания; виброустойчивость - способность гасить вибрации от процесса обработки; долговечность - длительное сохранение точности вращения; минимальный нагрев и температурные деформации; быстрое и надежное закрепление инструмента, приспособления или детали с их точным центрированием.
Рис. 3 Шпиндель шлифоального станка
Шпиндели нормальной точности изготавливают из сталей 45, 40Х с поверхностной закалкой до твердости HRC45-55, шпиндели высокоточных станков - из цементуемых сталей типа 20Х или азотируемых сталей типа 38ХМЮА с доведением их твердости до HRC 63-68.
Для обеспечения требований, предъявляемых к шпиндельным узлам, шпиндельные опоры должны быть достаточно жесткими, чтобы сохранить заданное положение при воздействии радиальных и осевых усилий резания, обеспечивать высокую точность вращения и минимальный нагрев.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
7 1. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств
Решающими факторами, определяющими выбор материала шпинделя, являются твердость и износостойкость рабочих шеек и базирующих поверхностей фланцев, а также стабильность размеров и формы шпинделя в процессе его изготовления и работы.
Шпиндели станков нормальной и повышенной точности (Н и П), устанавливаемые в подшипниках качения, изготовляют из сталей марок 40Х, 45, 50. В качестве основного метода упрочнения рекомендуется поверхностная закалка с индукционным нагревом до получения твердости 48...56 HRC.
Объемная закалка, обеспечивающая твердость 56...60 HRC, используется преимущественно для шпинделей сложной формы, например с конусными отверстиями небольшого размера, с фланцами, пазами для крепления сухарей и т.д., когда закалка с индукционным нагревом технологически трудна. Обычно объемной закалке подвергают только переднюю часть шпинделя. В этом случае шпиндели рекомендуется изготовлять из стали 50Х.
Если для рабочих поверхностей шпинделей требуется твердость 54...59 HRC, а объемная закалка затруднена, шпиндели изготовляют из сталей 40ХФА и 18ХГТ с последующим азотированием или из сталей 18ХГТ и 20Х с последующей цементацией. Для азотирования возможно также применение стали марки 40Х, но износостойкость в этом случае будет несколько меньше.
Шпиндели станков высокой и особо высокой точности (В и А), устанавливаемые в подшипниках качения, в связи с высокими требованиями к точности изготовления, постоянству размеров, формы и износостойкости рекомендуется выполнять из сталей марок
40ХФА и 18ХГТ и упрочнять методом азотирования. При изготовлении шпинделей несложной конфигурации допускается применение цементации с последующей закалкой и отпуском. В этом случае шпиндели изготовляют из сталей марок 18ХГТ, 12ХНЗА и 20Х.
Шпиндели, устанавливаемые в подшипниках жидкостного трения, должны иметь высокую твердость и низкую шероховатость рабочих шеек (0,08...0,04 мкм). Основной метод упрочнения шпинделей этой группы – азотирование до твердости 63...68 HRC. Рекомендуемые в качестве материала шпинделя стали типа 38ХВФЮА обеспечивают высокую стойкость азотированной поверхности против задиров. Для азотируемых шпинделей большого диаметра целесообразно использовать сталь марки 38ХЮ.
Применение сталей с повышенным или высоким содержанием углерода, типа 50, У8А, ШХ15, допускается для шпинделей тяжелых станков. Рабочие шейки и посадочные поверхности в этом

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
8 случае упрочняют поверхностной закалкой с помощью индукционного нагрева до твердости
54...62 HRC. Шпиндели относительно небольшого диаметра (до 70... 80 мм) изготовляют из цементируемых сталей марок 18ХГТ и 12ХНЗА; рабочие поверхности цементируют и закаливают до твердости 56...60 HRC.
В отдельных случаях полые шпиндели большого диаметра целесообразно изготовлять из серого чугуна СЧ15, СЧ21 или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом [4].
В зависимости от серийности в качестве заготовок для шпинделей применяют поковки, реже стальные отливки, прутковый материал и трубы. Заготовки чугунных полых шпинделей полу­чают центробежным литьем в металлические формы.
В качестве заготовок в единичном и мелкосерийном производстве применяют прокат или поковки, получаемые свободной ковкой. В этом случае имеют место большие припуски и огранка на обрабатываемых поверхностях, что затрудняет выполнение обработки на настроенных станках. В результате получают низкий коэффициент использования материала (0,3 ... 0,5).
Таким методом получают обычно заготовки для стальных шпинделей и для пинолей задних бабок тяжелых станков.
В производстве с более крупными сериями выпуска заготовки стальных шпинделей получают горячей высадкой на горизонтально-ковочных машинах или ковкой на ротационно- ковочных машинах. В первом случае расход металла по сравнению со свободной ковкой сокращается на 20% и коэффициент использования металла для шпинделя токарного станка составляет 0,5…0,7. Во втором случае коэффициент использования металла повышается до 0,8.
При этом значительно снижается трудоемкость механообработки обработки шпинделей.
Все заготовки шпинделей, полученные литьем, ковкой или штамповкой, перед механической обработкой подвергают термической обработке (нормализации, улучшению), что обеспечивает выравнивание внутренних напряжений.
Термическая обработка шпинделей после черновых операций – нормализация или улучшение, а после чистовой обработки – цементация, закалка или азотирование.
Нормализацию применяют для снятия остаточных напряжений, которые появляются после удаления поверхностного слоя металла. Улучшение дает мелкозернистую структуру и хорошую обрабатываемость, так как снижает вязкость [6].
В таблице 1 приведены механические характеристики наиболее применяемых для изготовления деталей машин сталей [5]. Таблица составлена технологами термического цеха крупного предприятия для использования в практической работе и позволяет быстро и

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
9 правильно назначить соответствующий режим термической обработки для 30-ти марок стали наиболее применяемых в машиностроении.
Таблица 1
Механические характеристики некоторых марок сталей и виды их термообработки
Согласно полученному заданию необходимо выбрать стали для шпинделей токарных и шлифовальных станков с учетом того, что шпиндели работают в условиях износа, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки. Деформация шпинделей

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
10 шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной.
Оба шпинделя должны иметь повышенную износостойкость.
Для обеспечения основных требований необходимо применять материал, обеспечивающий высокий уровень: жесткости; износостойкости; циклической прочности.
Проанализировав теоретический материал, и руководствуюямь таблицей 1 считаю, что для шпинделя токарного станка подойдет сталь 20Х, циментуемая, а для шпинделя шлифовального станка сталь 20ХН3А, циментуемая.
Рассмотрим подробнее их химические, технологические и механические свойства [3].
20Х (заменители: 15Х, 20ХН, 12ХН2, 18ХГТ) – сталь конструкционная легированная, хромистая. Применение: втулки, шестерни, обоймы, гильзы, диски, плунжеры, рычаги и другие цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении.
Таблица 2
Химический состав в % матер иала сталь 20Х, ГОСТ 4543-71
Таблица 3
Технологические свойства материала сталь 20Х
Таблица
4
Механические свойства при Т=20 o
С материала 20Х
Температура критических точек: Ac1 = 750 , Ac3(Acm) = 825.
20ХН3А (заменители: 20ХГНР, 20ХНГ, 38ХА, 15Х2ГН2ТА, 20ХГР) – сталь конструкционная легированная, хромоникелевая.
Применение: шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, муфты, червяки и другие цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.

Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
11
Таблица 5
Химический состав в % материала сталь 20ХН3А, ГОСТ 4543-71
Таблица 6
Технологические свойства материала сталь 20ХН3А
Таблица
7
Механические свойства при Т=20 o
С материала 20ХН3А
Температура критических точек материала 20ХН3А Ac1 = 730 , Ac3(Acm) = 810.
Как можно увидеь их справочных таблиц механические свойства стали 20ХН3А выше, чем у стали 20Х.