Tavallisten mekaanisten osien materiaalin valinta- ja käsittelytekniikat

 

Mekaanisen suunnittelun ja valmistuksen alalla sopivien materiaalien ja prosessointitekniikoiden valinta on ratkaisevan tärkeää mekaanisten osien suorituskyvyn, laadun ja kustannustehokkuuden varmistamiseksi. Tämä artikkeli tarjoaa syvällisen analyysin tavallisten mekaanisten osien materiaalinvalintaperiaatteista, materiaalityypeistä ja käsittelytekniikoista. Tavoitteena on tarjota arvokkaita näkemyksiä koneinsinööreille ja vastaaville ammattilaisille.

 

 

IMateriaalin valintaperiaatteet

 

Mekaanisten osien materiaalien valinta edellyttää useiden tekijöiden kattavaa harkintaa, mukaan lukien suorituskykyvaatimukset, prosessoitavuus ja taloudellinen tehokkuus. Erityisesti materiaalin valinnan pääperiaatteet sisältävät seuraavat:

 

1. Suorituskykyvaatimukset

Materiaalin on ensin täytettävä erityiset suorituskykyvaatimukset osan käyttöolosuhteissa, kuten lujuus, kovuus, kulutuskestävyys, korroosionkestävyys ja väsymiskestävyys. Tämä edellyttää, että suunnittelijalla on perusteellinen käsitys osan työolosuhteista, mukaan lukien siihen kohdistuvat voimat, työympäristö (kuten lämpötila, kosteus ja altistuminen tietyille aineille) ja mahdolliset erityisvaatimukset (kuten lämmönjohtavuus). , sähkönjohtavuus ja magneettiset ominaisuudet).

 

2. Käsiteltävyys

Materiaalin prosessoitavuus vaikuttaa suoraan valmistuksen helppouteen, tuotannon tehokkuuteen ja kustannuksiin. Hyvä prosessoitavuus sisältää muun muassa muokattavuuden, hitsattavuuden ja työstettävyyden, jotka auttavat vähentämään valmistuksen vaikeutta ja kustannuksia sekä parantamaan tuotannon tehokkuutta.

 

3. Taloudellinen tehokkuus

Suorituskyky- ja prosessoitavuusvaatimukset täyttäessä on tärkeää valita materiaalit, jotka ovat mahdollisimman kustannustehokkaita tuotteen kokonaiskustannusten minimoimiseksi. Tämä edellyttää, että suunnittelijat ottavat kokonaisvaltaisesti huomioon materiaalihinnat, jalostuskustannukset sekä myöhemmät huolto- ja käyttökustannukset.

 

 

▲ Mekaanisten osien materiaalin valinnan vaiheet

 

 

II Yleiset materiaalityypit

 

Mekaanisten osien yleisesti käytetyt materiaalit sisältävät pääasiassa seuraavat luokat:

 

1. Teräs

Teräs on yksi yleisimmin käytetyistä mekaanisten osien materiaaleista, jolle on tunnusomaista korkea lujuus, hyvä plastisuus ja sitkeys sekä erinomainen koneistussuorituskyky. Sovelluksesta ja suorituskykyvaatimuksista riippuen teräs voidaan jakaa muun muassa tavalliseen hiilirakenneteräkseen, korkealaatuiseen hiilirakenneteräkseen, seostettuun rakenneteräkseen ja valuteräkseen.

 

2. Valurauta

Valuraudalla on hyvä valuvuus, tärinänvaimennus ja kulutuskestävyys, mutta sen lujuus ja sitkeys ovat suhteellisen alhaiset. Siksi valurautaa käytetään usein staattista kuormitusta ja kitkakulumista kantavien osien, kuten työstökoneiden alustojen ja koteloiden valmistukseen.

 

3. Ei-rautametallit

Ei-rautametalleilla, kuten kuparilla ja kupariseoksilla, alumiinilla ja alumiiniseoksilla, on pienempi tiheys ja hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus, minkä vuoksi niitä käytetään laajasti sähkö-, elektroniikka- ja ilmailualalla. Mekaanisissa osissa ei-rautametalleja käytetään usein kevyiden rakenneosien, liukulaakereiden jne. valmistukseen.

 

4. Tekniset muovit

Materiaalitieteen kehittyessä teknisten muovien käyttö mekaanisissa osissa on yleistymässä. Tekniset muovit ovat kevyitä, korroosionkestäviä ja niillä on hyvät eristysominaisuudet, joten ne soveltuvat ei-kantavien, korroosionkestävien tai eristettyjen osien valmistukseen.

 

 

III Koneistusprosessien analyysi

 

Mekaanisten osien työstöprosessit ovat monipuolisia, ja niihin kuuluu yleensä sorvaus, jyrsintä, poraus, hionta, taonta ja ruiskuvalu. Eri materiaaleille ja kappalemuodoille soveltuvat erilaiset työstöprosessit, jotka esitellään erikseen alla.

 

1. Kääntäminen

Sorvaus on koneistusmenetelmä, jossa työkappale kiinnitetään pyörivään kiinnityslaitteeseen ja työkalut leikkaavat asteittain materiaalia pois työkappaleesta halutun muodon ja koon saavuttamiseksi. Sorvaus soveltuu sylinterimäisten osien, kuten akselien ja holkkien, valmistukseen. Sorvauksen tarkkuus ja pinnan karheus riippuvat työkalun valinnasta ja leikkausparametrien asetuksista.

 

2. Jyrsintä

Jyrsintä on koneistusmenetelmä, jossa materiaalia leikataan työkappaleen pinnasta pyörivällä työkalulla tasaisten pintojen, koverien ja kuperoiden pintojen, hammaspyörien ja muiden monimutkaisen muotoisten osien valmistamiseksi. Jyrsintä voidaan jakaa tyyppeihin, kuten tasojyrsintä, pystyjyrsintä, päätyjyrsintä, hammaspyöräjyrsintä ja muotojyrsintä, ja jokainen tyyppi sopii erilaisiin koneistustarpeisiin.

 

3. Poraus

Poraus on työstömenetelmä, jossa materiaalia leikataan työkappaleesta pyörivällä poranterällä halutun halkaisijan ja syvyyteen reikien muodostamiseksi. Porausta käytetään yleisesti reikätyyppisten osien, kuten pultinreikien ja laakerien reikien valmistukseen. Poran tarkkuus ja tehokkuus riippuvat poranterän valinnasta, leikkausparametrien asettamisesta sekä jäähdytys- ja voitelutoimenpiteiden toteutuksesta.

 

4. Hionta

Hionta on työstömenetelmä, jossa asteittain leikataan tai hiotaan materiaalia työkappaleen pinnasta hiomatyökaluilla halutun muodon, koon ja pinnan laadun saavuttamiseksi. Hionta soveltuu osien, joilla on korkeat tarkkuus- ja pinnanlaatuvaatimukset, kuten muotit, tarkkuusmekaaniset osat ja työkalut, työstämiseen. Hionnan tarkkuus ja pinnan laatu riippuvat hiomatyökalujen valinnasta, hiontaparametrien asettamisesta ja työkappaleen kiinnitysmenetelmästä.

 

5. Takominen

Takominen on metallin työstömenetelmä, joka muotoilee kuumakäsitellyt metallimateriaalit haluttuihin muotoihin puristamalla. Takominen soveltuu monimutkaisten muotojen ja korkean mekaanisen suorituskyvyn vaativien osien, kuten hammaspyörien ja akselien, valmistukseen. Takominen voi parantaa materiaalien sisäistä organisaatiorakennetta, mikä lisää osien lujuutta ja sitkeyttä.

 

6. Ruiskupuristus

Ruiskuvalu on prosessi, jossa sula muovi ruiskutetaan muottiin ja jähmettyy tarvittavien osien valmistamiseksi. Ruiskuvalu soveltuu suurten määrien monimutkaisten muoviosien, kuten matkapuhelinkoteloiden ja autokomponenttien valmistukseen. Ruiskuvalun tarkkuus ja pinnan laatu riippuvat muotin suunnittelusta, ruiskuvalukoneen suorituskyvystä ja muovimateriaalien valinnasta.

 

 

IV Tyypillisten jousi- ja nuoliprosessireittien yksityiskohtainen suunnittelu

 

Akselin osat

 

Akselin osiin yleisesti käytetyt materiaalit vaihtelevat suuresti, ja ne valitaan pääasiassa lujuuden, jäykkyyden, kulutuskestävyyden, valmistettavuuden ja taloudellisten näkökohtien kaltaisten tekijöiden perusteella. Alla on joitain yleisiä akselin osien materiaaleja ja niiden ominaisuuksia:

 

1. Hiiliteräs

• Laadukas hiilirakenneteräs:Näillä teräksillä, kuten laatuluokilla 35, 45, 50 jne., on hyvät yleiset mekaaniset ominaisuudet ja niitä käytetään laajasti. Niistä 45-teräs on yleisimmin käytetty hyvän suorituskyvyn vuoksi. Sen mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi edelleen suoritetaan normalisointi- tai karkaisu- ja karkaisukäsittelyjä.
• Tavallinen hiilirakenneteräs:Nämä teräkset, kuten Q235, Q275 jne., sopivat akseleille, jotka kantavat suhteellisen pieniä tai vähemmän kriittisiä kuormia.

 

2. Seosteräs

Seosteräksellä on korkeat mekaaniset ominaisuudet, mutta se on suhteellisen kallista, ja sitä käytetään yleisesti akseleissa, joilla on erityisvaatimukset. Esimerkiksi akselit, jotka toimivat suurella nopeudella, raskaalla kuormituksella tai korkeissa lämpötiloissa, käyttävät usein seosterästä tiettyjen suorituskykyvaatimusten täyttämiseksi. Yleisiä seosteräksiä ovat 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA, jne., jotka hiiletyksen, sammutuksen ja muiden lämpökäsittelyjen jälkeen voivat parantaa merkittävästi akselien kulutuskestävyyttä, iskunkestävyyttä ja väsymislujuutta.

 

3. Valurauta

Pallorauta:Hyvän valusuorituskykynsä ansiosta se on helppo valaa monimutkaisiin muotoihin ja sillä on hyvä tärinänvaimennus ja alhainen jännityskeskittymäherkkyys. Sitä käytetään usein monimutkaisten muotoisten akselien valmistukseen. Erityisesti Kiinassa kehitettyä harvinaisten maametallien ja magnesiumin pallografiittista rautaa on käytetty laajalti tärkeiden akselin osien valmistuksessa auto-, traktori- ja työstökoneteollisuudessa sen erinomaisen iskunkestävyyden, kitkan vähentämisen ja tärinänvaimennusominaisuuksien ansiosta.

 

4. Erittäin luja valurauta

Sillä on myös hyvät valu- ja tärinänvaimennusominaisuudet, joten se soveltuu monimutkaisen muotoisten akselien valmistukseen.

 

 ▲ 38CrMoAIA Esimerkki

 

 

Vaihteiston osat

 

Vaihteiston materiaalien valinta on monimutkainen prosessi, joka edellyttää useiden tekijöiden huomioon ottamista, mukaan lukien kuormitusvaatimukset, nopeus, ympäristöolosuhteet, melu- ja tärinävaatimukset sekä taloudelliset näkökohdat.

 

1. Taottu teräs

Taottu teräs valmistetaan taontaprosessin kautta ja sillä on erinomaiset ominaisuudet verrattuna tavalliseen teräkseen. Taotuilla teräshammaspyörillä on korkea lujuus, korkea kulutuskestävyys ja hyvä iskunkestävyys, joten ne ovat yksi yleisimmin käytetyistä materiaaleista hammaspyörien valmistuksessa. Yleisimmät taotut teräsmateriaalit sisältävät 45-teräksen, jonka mekaanisia ominaisuuksia voidaan edelleen parantaa lämpökäsittelyn avulla.

 

2. Valettu teräs

Valettua terästä käytetään yleisesti suurempien hammaspyörien valmistukseen, koska halkaisijaltaan suuri hammaspyörät eivät sovellu takomiseen. Valettujen teräshammaspyörien lujuus ja sitkeys ovat hyvät, mutta niiden sisäinen rakenne ei välttämättä ole yhtä tiheä kuin taottu teräs ja saattaa vaatia lämpökäsittelyä suorituskyvyn parantamiseksi.

 

3. Seosteräs

Seosteräs valmistetaan lisäämällä tietty määrä seosaineita tavalliseen teräkseen, mikä parantaa lujuutta ja kovuutta. Seosteräksisiä hammaspyöriä käytetään usein sovelluksissa, jotka kantavat suurempia kuormia ja toimivat suuremmilla nopeuksilla.

 

4. Harmaa valurauta

Harmaa valurauta on suhteellisen hauras ja sillä on huono iskunkestävyys ja kulutuskestävyys, mutta sillä on hyvät ryppyjä ja kuoppia estävät ominaisuudet. Siksi harmaita valurautahampaita käytetään yleisesti tilanteissa, joissa toiminta on sujuvaa, nopeudet ovat alhaiset ja teho ei ole suuri.

 

5. Pallorauta

Pallorautaa käsitellään erityisellä lämpökäsittelyprosessilla, jolloin grafiitti sen sisäisessä rakenteessa jakautuu pallomaiseen muotoon, mikä parantaa valuraudan lujuutta ja sitkeyttä. Pallorautavaihteilla on hyvä kokonaisvaltainen suorituskyky ja ne soveltuvat sovelluksiin, joissa suorituskykyvaatimukset ovat korkeammat.

 

6. Ei-metalliset materiaalit

Muovit, metallijauheet jne.:Tietyissä erityisolosuhteissa, kuten kevyessä kuormituksessa, alhaisessa nopeudessa tai kun tarvitaan melun ja tärinän vaimennusta, vaihteiden valmistukseen voidaan käyttää ei-metallisia materiaaleja. Nämä materiaalit ovat kevyitä, tuottavat vähän melua ja ovat helppoja käsitellä, mutta niiden kantokyky ja kulutuskestävyys ovat metallimateriaaleja huonompia.

 

Esimerkiksi autoissa tai traktoreissa käytettävät vaihteet.

 

▲ 20CrMnTi Esimerkki

 

Työkalun osat

 

Työkalujen materiaalien valinta on ratkaisevan tärkeää niiden suorituskyvyn ja käyttöiän kannalta. Työkalumateriaaleja valittaessa on otettava huomioon useita tekijöitä, kuten työkalun käyttötarkoitus, prosessoitavien materiaalien ominaisuudet, leikkausolosuhteet ja taloudelliset näkökohdat. Alla on joitain yleisiä työkalumateriaaleja:

 

1. High-Speed ​​Steel

 

Ominaisuudet:

• Suuri lujuus ja hyvä sitkeys mahdollistavat terävät leikkausreunat.
• Hyvä työstettävyys, helppo takoa ja koneistaa.
• Jaettu tavalliseen pikateräkseen ja korkean suorituskyvyn nopeaan teräkseen. Tavallisella pikateräksellä on alhaisemmat leikkausnopeudet, kun taas korkean suorituskyvyn nopeaa terästä tuotetaan lisäämällä hiili- ja vanadiinipitoisuutta ja lisäämällä kobolttia ja alumiinia, mikä parantaa kestävyyttä.

 

Sovellukset:

• Käytetään yleensä monimutkaisiin muotoisiin työkaluihin, kuten kierreporakoneisiin, hanoihin, kalviin, hammaspyöräleikkureihin ja muototyökaluihin, jotka on usein valmistettu pikateräksestä.

 

2. Sementoitu kovametalli

 

Ominaisuudet:

• Erittäin korkea kovuus, kovuus saavuttaa 74–82 HRC huoneenlämmössä ja lämmönkestävyys jopa 900–1000 astetta, tarjoaa erinomaisen leikkaussuorituksen.
• Suuret leikkausnopeudet, jotka voivat ylittää 100 m/min hiiliterästä leikattaessa.
• Sillä on kuitenkin heikko sitkeys, heikko iskunkestävyys ja tärinänkestävyys, eikä reunoja ole helppo teroittaa äärimmäiseen terävyyteen ja huonompi työstettävyys.

 

Luokittelu ja sovellukset:

• Sementoitu kovametalli luokitellaan GB2075-87 mukaan P-, M- ja K-tyyppeihin. P-tyyppiä käytetään mustien metallien pitkien lastujen käsittelyyn; M-tyyppiä käytetään mustien metallien ja ei-rautametallien käsittelyyn; K-type on tarkoitettu mustien metallien, ei-rautametallien ja ei-metallisten materiaalien lyhyiden lastujen käsittelyyn.

 

3. Ruostumaton teräs

 

Ominaisuudet:

• Helppo huoltaa, vahva korroosionkestävyys, sopii käytettäväksi kosteissa tai syövyttävissä ympäristöissä.
• Sen kovuus ja terävyys eivät kuitenkaan välttämättä ole yhtä korkeat kuin korkeahiilisen teräksen, ja se on yleensä kalliimpaa.

 

Sovellukset:

• Käytetään kotitalouksien keittiöveitseissä, lääketieteellisissä kirurgisissa instrumenteissa ja muissa tilanteissa, jotka vaativat säännöllistä puhdistusta ja hygieniahuoltoa.

 

4. High-Carbon Steel

 

Ominaisuudet:

• Korkea kovuus ja hyvä terävyys, sopii tarkkuuskoneistukseen ja leikkaukseen.
• Se on kuitenkin herkkä ruostumaan ja vaatii säännöllistä huoltoa ja hoitoa.

 

Sovellukset:

• Käytetään partakoneissa, ulkoveitsissä ja muissa sovelluksissa, jotka vaativat suurta kovuutta ja terävyyttä.

 

 

▲ Gear Hobs

 

 

▲ Gear Hobs Pääprosessin kuvaus

 

 

V Johtopäätös

 

Tavallisten mekaanisten osien materiaalien ja käsittelymenetelmien valinta on monimutkainen ja systemaattinen prosessi, joka vaatii useiden tekijöiden huomioon ottamista. Materiaalia valittaessa valintojen tulee perustua osien suorituskykyyn, prosessointiominaisuuksiin ja taloudellisiin näkökohtiin. työstömenetelmiä valittaessa päätökset tulee tehdä osien muodon, koon, pintavaatimusten ja materiaalien ominaisuuksien mukaan. Järkevällä materiaalivalinnalla ja käsittelytekniikoilla voidaan optimoida mekaanisten osien suorituskykyä, laatua ja kustannustehokkuutta.