КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Основными характеристиками материалов являются:

- прочность, определяемая пределами прочности , текучести или , выносливости σ_-1, ползучести , характеризующим деформацию ε за определённый промежуток времени при температуре Т для жаропрочных сплавов, а также удельными прочностными показателями, отнесёнными к плотности ρ;

- предел контактной выносливости для базового числа циклов смены напряжений N_HO, а также твёрдость по Бринеллю HB или Роквеллу HRC_э;

- жёсткость, определяемая модулем упругости Е;

- ударная вязкость KCU (отношение работы разрушения образца определённого поперечного сечения к площади сечения в месте разреза);

- пластичность материала, характеризуемая относительным удлинением δ и сужением ψ;

- износостойкость, показателем которой является интенсивность изнашивания J_h=h/s, где h-величина износа

s-путь трения (она зависит от твёрдости поверхности и допускаемого давления [p];

- фрикционные свойства (коэффициент трения f, скорость скольжения v_s, допускаемое давление [p];

- плотность ρ в г/см³.

К специальным характеристикам материала относятся: теплостойкость, хладноломкость, теплопроводность и др.

Технологическими свойствами материала являются: литейные, обрабатываемость резанием, возможность сварки или пайки, возможность изменения формы пластической деформацией, а качества материала - термической или термохимической обработкой.

Конструкционные стали (ρ=7,8 г/см³, С<0,7%) делятся на углеродистые и легированные. Из малоуглеродистых сталей детали выполняются из сортового или листового проката. Эти сорта хорошо свариваются. Качественные углеродистые стали С<0,3% отличаются пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются и куются, однако не подвергаются закалке. Увеличение содержания С приводит к повышению прочностных характеристик при одновременном снижении пластичности.

Легированные стали применяются в случаях, когда от изделия требуется высокая прочность, или специальные свойства (теплостойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость, износостойкость). К ним относятся хромистые стали (ШХ15), хромоникелевые стали (20ХНЗА), в том числе с добавками Мо (40ХНМА) или W (25ХНВА), которые обладают высокими механическими и технологическими свойствами, а также хромоникелевые нержавеющие стали (12Х18Н10Т). Марки, механические характеристики и области применения некоторых сортов сталей приведены в соответствующих авиационных ОСТах.

Титан и его сплавы обладают высокой прочностью, вязкостью, малой плотностью (ρ=4,5 г/см³) при высокой коррозионной и повышенной термостойкости. Ряд сплавов титана обрабатывается давлением, сваривается аргонно-дуговой и контактной сваркой, обрабатывается резанием. К недостаткам следует отнести низкую теплопроводность и модуль упругости (11,5х10⁴ МПа), плохие антифрикционные свойства. Сплавы титана легируются Al, Mn, Cr, Fe и др.

По технологии изготовления титановые сплавы делятся на деформируемые и литейные, а по механическим характеристикам – на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. Например, сплавы ВТ6, ВТ8, ВТ14 могут упрочняться термической обработкой. Сплавы ВТ5 имеют высокий предел ползучести, хорошо свариваются, обрабатываются резанием и работают при низких температурах.

Литейные титановые сплавы имеют хорошие литейные качества и используются для изготовления заготовок и фасонных отливок. Ввиду склонности к поглощению газов и взаимодействию с формовочными материалами плавку и разливку ведут в вакууме или среде нейтральных газов.

Для соединений трубопроводов используют муфты с памятью формы из сплава ТН1К.

Алюминиевые сплавы (ρ=2,7 г/см³) обладают хорошей коррозионной стойкостью, обрабатываются резанием и давлением, паяются, имеют высокие удельные прочностные показатели. Ряд сплавов обладает литейными свойствами.

Сплавы алюминия делятся на деформируемые и литейные, а по основным компонентам на силумины (Al-Si) и дюралюмины (Al-Cu-Mn).

Силумины АЛ4 и АЛ5-1 имеют повышенную прочность. АЛ3 и АЛ6 обладают хорошими литейными свойствами и средней прочностью. Сплав ВИ-11-3 имеет высокую коррозионную стойкость, хорошие литейные качества, повышенную прочность, сваривается аргонно-дуговой сваркой и обрабатывается резанием.

Деформируемые алюминиевые сплавы поставляются в виде листового проката, проволоки, фасонного профиля и прессованных труб. Их выполняют повышенного качества (А), мягкими отожжёнными (М), полунагартованными со степенью обжатия 40% (П) и нагартованными (Н) (80%).

В зависимости от состояния поставки дюралюмины имеют различные свойства. Они могут обладать высокой или низкой пластичностью, хорошо свариваться, подвергаться ковке или штамповке. Например, Д16 повышенной прочности

в отожжённом состоянии имеет среднюю пластичность и низкую обрабатываемость, а в закалённом и нагартованном состояниях - обрабатывается уже удовлетворительно.

Для ковки и горячей штамповки используются сплавы марок АК4, АК6, АК8.

Магниевые сплавы обладают малой плотностью (ρ=1,7

г/см³), высокой удельной прочностью, хорошими литейными свойствами. Однако, они склонны к поверхностному окислению. Поэтому необходима защита поверхности в виде покрытий. Эти материалы делятся на деформируемые (МА1, МА2, МА5) и литейные (МЛ2, МЛ3, МЛ4). Деформируемые сплавы обычно поставляются в виде горячепрессованных профилей, плит и полос.

Медь и её сплавы отличаются высокой электро- и теплопроводностью, диамагнитными свойствами, хорошим сопротивлением коррозии, пластичностью. Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, кроме Zn.

Бронзы обладают хорошими литейными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, а бериллиевые бронзы - и упругими. Латуни - сплавы на основе меди и цинка имеют высокие механические и технологические свойства. Они

поставляются в виде прутка, лент, полос, проволоки, труб, а литейные - в чушках.

Композиционные материалы представляют собой неоднородную структуру, полученную из 2-х или более компонентов. Матрица обладает непрерывностью по всему объёму, наполнитель распределён дискретно по объёму и является усиливающим или армирующим. По форме включений в композитах используются гранулы, короткие волокна, непрерывные волокна (нити) и слои из тканых материалов

По конструктивному признаку различают материалы хаотически армированные, образованные в результате соединения полимерной матрицы с гранулами, не ориентированными короткими и длинными волокнами, одномерно- двумерно- и пространственно армированные.

В качестве наполнителя чаще всего используют борные, стеклянные, углеродные и органические волокна.

Механические свойства композита определяются прочностью и ориентацией включений, жёсткостью матриц и прочностью связей на границе их раздела.

Матрица обеспечивает монолитность и форму изделия, а также фиксирует взаимное расположение включений. В их качестве используются полимеры (отверждённые эпоксидные полиэфирные или другие термоактивные смолы, а также термопластичные материалы) и металлы (Al, Ti, и др.).

Пластические массы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять её после охлаждения. Помимо полимера они могут содержать различные наполнители, пластификаторы и стабилизаторы. Наполнители бывают порошкообразные, волокнистые, слоистые и др. вещества.

Их добавляют в состав пластмасс для придания им требуемых эксплуатационных характеристик. Связующим материалом служат высокомолекулярные соединения. Так высокомолекулярные вещества, образующие сетчатую, пространственную структуру, которая возникает путём соединения друг с другом линейных молекул под действием температуры и давления на последней стадии формирования изделия называются реактопластами.

К распространённым пластмассам относятся:

полиэтилен (ПЭВД, ПЭНД)–продукт полимеризации этилена;

поливинилхлорид (ПВХ) –продукт полимеризации хлористого винила;

фторопласт (Ф-4) – является производным этилена;

полиакрилаты (ЛТП-1) – пластики на основе производных акриловой и метакриловой кислот (плексиглас);

полиамиды (ПА-610) – литьевые пластмассы, допускающие наполнение стекловолокном, графитом, тальком (капрон, нейлон, перлон);

поликарбонаты (ПК) получаются воздействием фосгена на дифенилпропан в щелочной среде.

Лекция 3.

ОСНОВЫКОНСТРУИРОВАНИЯ.

При проектировании изделия решают следующие задачи: 1. выбор рациональной кинематической и силовой схемы конструкции;

2. обеспечение показателей ТЗ – мощности, скорости, производительности, стоимости и т.п.;

3. повышение надёжности и ресурса;

4. снижение материалоёмкости (за счёт применения материалов с высокой удельной прочностью, в том числе и композитов, упрочнения деталей, компактности механизмов выравнивания напряжений при выборе размеров и формы деталей, получение заготовок с минимальными припусками под обработку после литья, ковки, высадки и штамповки;

5. малое энергопотребление и высокая износостойкость;

6. обоснованное назначение шероховатости и точности (допусков и посадок), обеспечение взаимозаменяемости деталей, использование стандартизации и унификации;

7. исключение попадания грязи, пыли и влаги на подвижные детали механизмов, защита от коррозии;

8. включение элементов (регулировочных устройств и лючков) для обеспечения технического обслуживания, ремонта и контроля;

9. выполнение эргономических требований к изделию;

10. учёт производственно-технологических требований.

Конкурентоспособная конструкция должна иметь высокое качество при низкой цене, а её технические параметры – иметь резерв развития. При проектировании учитываются результаты фундаментальных исследований, передовые конструкторские разработки, прогрессивные процессы обработки и анализируется опыт эксплуатации прототипов.

Использование стандартизации и унификации деталей и узлов улучшает качество изделий, делает конструкцию более технологичной, а её производство - экономичным.

Стандартизация – это регламентирование типоразмеров и конструкций, что ускоряет проектирование (особенно САПР) и облегчает изготовление. В зависимости от сферы действия используют ГОСТы, ОСТы и СТП.

Унификация – это приведение объектов одинакового функционального назначения к единообразию по принятому признаку и рациональное сокращение числа этих объектов.

Унификация состоит в применении в конструкции одних и тех же элементов и деталей.

Прочная и жёсткая деталь не должна разрушаться и подвергаться недопустимым деформациям. Так опасной деформацией является большой прогиб вала, вызывающий перекос зубчатого колеса, образование ямок на дорожках подшипников качения.

Обеспечение прочности проверяется расчётом по допускаемым или разрушающим напряжениям, а также по запасам прочности. Для ответственных конструкций обычно проводят стендовые или натурные испытания.

При конструировании узлов и деталей минимальной массы с необходимой прочностью принимают в расчёт следующие рекомендации:

- создание изделия с рациональной силовой схемой (передача силы по кратчайшему пути, что возможно при растяжении, сжатии и сдвиге, но не изгибе), примеры даны на рис.1;

- рациональная форма сечения (для балок - двутавр или полый прямоугольник, кольцевое сечение для валов при нагружении изгибающим или крутящим моментами и т.п.);

- уменьшение нагрузки за счёт увеличения числа звеньев, передающих силы и моменты;

- применение композитов с ориентированными волокнами по линии приложения нагрузки;

- снижение концентрации напряжений конструктивными или технологическими методами (в первом случае следует избегать резких переходов формы и скачков нагрузки, во втором случае циклическая прочность увеличивается при создании в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия и увеличения его твёрдости);

- упрочнение детали в наиболее нагруженных местах, например поверхность зуба колеса выполняют более прочной по сравнению с сердцевиной;

- удаление материала в малонагруженных участках.

Повышение жёсткости возможно путём:

- применения материалов с более высоким модулем упругости или удельной жёсткостью;

- замены деформации изгиба на растяжение-сжатие;

- использования рёбер или перегородок;

- увеличения площади контакта при локальной деформации;

- увеличение жёсткости наиболее податливого элемента (например, упругой прокладки при сжатии).

Точность деталей и их взаимного положения определяется назначенными допусками и посадками. Для обеспечения точности взаимного расположения деталей в конструкции предусматривают специальные элементы – центрирующие, фиксирующие, компенсирующие и др. Они должны иметь простую форму и свободный подход для режущего и мерительного инструмента.

Базирование – это требуемое расположение детали относительно выбранной системы координат. В качестве базы используют поверхность, ось или точку. Отклонение фактического положения детали от требуемого называют погрешностью базирования. Например, при сопряжении вала со ступицей для l/d<0,8 в качестве базы используют бурт вала, а при l/d>0,8 - его цилиндрическую поверхность.

Центрирование и фиксация деталей. Работоспособность изделия зачастую определяется необходимой соосностью деталей, которая характеризуется величиной смещения номинально совпадающих осей цилиндрических поверхностей

Для её обеспечения необходимо использовать только одну пару поверхностей, выполняя в другом сопряжении зазор между деталями.

Для фиксации деталей также следует использовать одну поверхность. Так крышка базируется по плоскости основания корпуса и фиксируется с помощью двух штифтов. Призматическую шпонку фиксируют по рабочим граням, предусмотрев зазоры по торцам, а также между верхней плоскостью шпонки и пазом под шпонку в ступице.

Наиболее технологична конструкция, в которой используется метод полной взаимозаменяемости. Однако, наряду с ним приходится применять способы компенсации, например, установку регулировочных колец, сильфонов.

К другим методам конструирования относятся:

метод совмещения; метод «матрёшки», когда один элемент конструкции расположен внутри другого; метод наоборот (замена вращения винта на вращение гайки); блочный принцип (установка подшипникового узла в стакан).