Пропонуються науково-обґрунтовані рекомендації з конструювання литих деталей з конструкційного матеріалу високоміцного чавуну в автомобільних вузлах двигунах, трансмісіях (шестерні, зубчатки і картера провідних мостів), підвісках, гальмах і рульовому управлінні, колінчастих валів.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Гетьман Анатолій Антонович, Васильєва Ганна В'ячеславівна, Іванова Вероніка Анатоліївна


Область наук:
  • технології матеріалів
  • Рік видавництва: 2010
    Журнал: Техніко-технологічні проблеми сервісу
    Наукова стаття на тему 'Конструювання литих автомобільних деталей з високоміцного чавуну'

    Текст наукової роботи на тему «Конструювання литих автомобільних деталей з високоміцного чавуну»

    ?УДК 620.1

    КОНСТРУЮВАННЯ ЛИТИХ АВТОМОБІЛЬНИХ ДЕТАЛЕЙ ІЗ

    високоміцного чавуну

    1? ^ А.А. Гетьман, А.В.Васільева, В.А.Іванова

    Санкт-Петербурзький державний університет сервісу та економіки

    Сто дев'яносто дві тисячі сто сімдесят одна, Санкт-Петербург, вул. Сєдова, 55/1

    Пропонуються науково-обґрунтовані рекомендації з конструювання литих деталей з конструкційного матеріалу - високоміцного чавуну в автомобільних вузлах - двигунах, трансмісіях (шестерні, зубчатки і картера провідних мостів), підвісках, гальмах і рульовому управлінні, колінчастих валів.

    Ключові слова: високоміцний чавун з кулястим графітом, тимчасовий опір, відносне подовження, зносостійкість, кристалізація, усадочная пористість, тріщини.

    Збільшення випуску і вдосконалення виробництва виливків з високоміцного чавуну (ВЧ) один з найважливіших напрямків прогресу ливарного виробництва. ВЧ є ефективним конструкційним матеріалом, широко застосовуваним для виготовлення відповідальних деталей в різних областях техніки.

    Питома вага виливків цих чу-гунов у багатьох промислово розвинених країнах досяг рівня 15-25% всього випуску з чорних сплавів.

    Це пояснюється комплексом техніко-економічних переваг, що вигідно відрізняють ВЧ від інших широко застосовуваних конструкційних матеріалів: сірого чавуну (СЧ) і ковкого чавуну (КЧ), стали. Механічні властивості ВЧ істотно вище, ніж у СК і КЧ і і знаходяться на рівні властивостей вуглецевої сталі. Пластичні властивості ВЧ трохи нижче, ніж у сталі, однак високий межа плинності забезпечує підвищену експлуатаційну надійність деталей машин. Все це відноситься до ВЧ рядових марок. ВЧ, підданий легування або спеціальних видів термообробки, має більш високі механічні властивості.

    Ливарні властивості ВЧ по жид-котекучесті, заповнюваності, тріщини-освіти, ливарної усадки і ін. Значно краще, ніж у литої сталі, і близькі до показників СЧ.

    Для використання виливків з ВЧ замість заготовок, отриманих литтям, куванням, зварюванням і інших чорних, а іноді кольорових сплавів, досягається істотна техніко-економічна ефективність за рахунок зменшення маси заготовок і їх вартості, зниження трудомісткості механічної обробки і підвищення експлуатаційних характеристик деталей.

    Так, заміна СЧ на ВЧ дає можливість в 1,5-2 рази зменшити товщину стінок виливків, і тим самим, знизити матеріаломісткість деталей машин при одночасному підвищенні їх надійності та довговічності в 1,5-2,5 рази. Це забезпечує економію матеріалу в середньому 300 кг на одну тонну лиття.

    При заміні сталевого лиття і поковок вихід придатного збільшиться на 35%, маса виливків зменшується на 10-15% за рахунок різниці питомих ваг і зменшення припусків, в 1,5-2 рази знижується трудомісткість механічної обробки. Економія металу при перекладі сталевого лиття на ВЧ становить в середньому 130 кг на одну тонну лиття.

    ВЧ застосовується: в автомобільних вузлах - двигунах, трансмісії-ях (шестерні, зубчатки і картера провідних мостів), підвісках, гальмах і рульовому управлінні, для колінчастих валів; в сільськогосподарському машинобудуванні - деталі тракторів, Плугова лемешів, кронштейни, затискні важелі, шківи, ​​картер заднього моста. на-

    надійно в експлуатації тунельні сегменти з перлітного ВЧ для метрополітену та підземних доріг.

    ВЧ - поширений матеріал для запірної і регулюючої арматури, що працює в газовій і рідких середовищах (кислотних, сольових і лужних). Перспективний ВЧ і при використанні в атомній енергетиці для великогабаритних контейнерів для транспортування та зберігання ядернотоплівних стрижнів. Литі контейнери з ВЧ витримали виключно жорсткі і важкі випробування, що імітують умови дорожньо-

    транспортних аварій і авіакатастроф (кидання 85 тонною виливки з висоти 9 м на 1000 тонні залізобетонні блоки при температурах 400С, обстріл крупно каліберного снарядами з танків з метою нанесення литві ударів з майже швидкістю звуку і ін.) без істотних пошкоджень і забезпечив повну радіаційну безпеку при зберіганні відпрацьованих паливних стрижнів, які містять близько 50% радіоактивного ізотопу урану-235. [4,5]

    Бейніта ВЧ, що володіють високою міцністю і пластичністю (ів = 900 - 1300МПа, 5 = 5 - 15%) перспективні для лиття зносостійких деталей, що працюють в умовах циклічних навантажень (зубчасті колеса, коленвали, колісні маточини і ін.).

    На ряді підприємств накопичено і позитивний досвід застосування ВЧ. Так, понад 150 найменувань деталей металорізальних і деревообробних верстатів, корпуси патронів і верстатних лещат і ін. В ковальсько-пресового машинобудуванні більше 100 найменувань деталей виготовляють з ВЧ замість СЧ, литої сталі і прокату. Особливо ефективним є застосування ВЧ для деталей гідроапаратури, що працюють при тиску 20МПа.

    В останні роки широке застосування починає отримувати ЧВГ, у якого на відміну від ферритного ЧШГ нижче значення модуля пружності і коефіцієнта термічного розширення, але вище показники теплопровідності,

    демпфирующие властивості, термоусталостная довговічність в умовах теплових ударів; опірність необоротного формозміни в умовах високих температур; кращі ливарні властивості. Це дозволяє відливати герметичні деталі складної форми і забезпечує підвищений вихід придатного. ЧВГ доцільно використовувати, перш за все, для виливків великої маси, складної конфігурації з різною товщиною стінок.

    Існуючий обсяг виробництва виливків з ЧШГ і ЧГВ приблизно 1,0% від загального тоннажу виливків не відповідає потенційним можливостям цього матеріалу. Однією з основних причин, що стримують їх використання, є недостатнє знання конструкторами їх властивостей і можливостей застосування замість поковок, штамповок, сталевого прокату і лиття, виливків з СЧ і КЧ.

    Застосування ЧШГ доцільно в наступних основних випадках:

    - для заміни виливків з низько- і середньовуглецевих сталей з метою зниження металоємності деталей, зменшення обсягу і трудомісткості їх механічної обробки і, в ряді випадків, для підвищення їх зносостійкості;

    - для заміни поковок з метою економії прокату, збільшення КІМ, зменшення металоємності деталей, зниження обсягу і трудомісткості механічної обробки, а іноді для підвищення їх зносостійкості;

    - для заміни виливків з сірого чавуну з метою зниження металоємності деталей, підвищення їх міцності, зносостійкості, герметичності та ін. характеристик, що забезпечують збільшення довговічності і надійності машин і виробів;

    - для заміни заготовок з кольорових сплавів з метою економії дорогих дефіцитних металів, зниження металоємності, а також для підвищення довговічності виробів.

    Новий ГОСТ 7293-85 на ЧШГ і ЧВГ введений з 01.01.87г. встановлює 8 марок чавуну на основі механи-

    чеських властивостей. Марка чавуну визначається його тимчасовим опором і умовною межею текучості. При розрахунку на міцність литих деталей, дуже важливо знати механічні властивості, які не передбачені ГОСТом, для цього нами проведено відповідні перерахунки цих властивостей з визначенням тимчасового опору, умовної межі текучості і межі витривалості, при вигині, стискуванні, крученні, зрізі [1]

    Пропонуються [1] також рівняння регресії для розрахунку тимчасового опору, відносного подовження і твердості на основі кореляційної зв'язку між ними.

    Надійність технологічного процесу виготовлення литих деталей характеризується ймовірністю забезпечення заданих властивостей в процесі їх виготовлення [2,5].

    Показниками надійності технологічного процесу виготовлення литих деталей є: технологічний коефіцієнт запасу міцності - «К2» і коефіцієнт, що враховує концентрацію напруг, вплив розмірів деталі і її поверхні «К3». При визначенні першого з них слід враховувати, що розкид експериментальних даних по втоми підпорядковується нормальному закону розподілу. Тоді величина коефіцієнта К2 являє собою відношення логарифмів максимальної довговічності, отриманих при випробуванні партії однотипних литих деталей.

    Розрахований також коефіцієнт К3 не тільки стосовно до випадку малоцикловой втоми, але і до всього діапазону довговічності, аж до базового числа циклів межі витривалості при практично будь-яких коефіцієнтах асиметрії циклу. Ці коефіцієнти визначені з відносини межі витривалості матеріалу до межі витривалості конструктивних елементів різних конфігурації.

    Коефіцієнти К2 і К3 в їх імовірнісний вираженні виступають як показники кількісної оцінки надійності технологічного процесу виготовлення литих деталей і примі-

    ються також для визначення допустимих напружень.

    показники механічних

    властивостей ЧШГ і ЧВГ істотно залежать від форми графітових включень. Для досягнення найкращих характеристик міцності і пластичних властивостей необхідно забезпечити в структурі не менше 80% графіту правильної кулястої форми. Характер впливу форми графітових включень на величину тимчасового опору і відносне подовження змінюється також залежно від металевої основи. Так, наприклад, при збільшенні частки графітових включень правильної кулястої форм від 20до 90% значення ів і 5 зростають відповідно на 10-15% і 150-300% у феритних і на 20-25% і 270-700% у перлитових ЧШГ.

    Механічні властивості ЧШГ залежать від швидкості охолодження виливків, в тому числі від товщини їх стінок. Квазіізотропія міцності властивостей ЧШГ значно вище, ніж СЧ і наближається до сталі. Зі збільшенням товщини виливки міцність ЧШГ знижується, однак це падіння не велика і складає 20% при збільшенні діаметра виливки від 30 до 250мм.

    Пластичні складу знижуються більш різко. Так, при збільшенні товщини стінок від 25 до 150 мм. Пластичні властивості знижуються приблизно в 3 рази.

    Зносостійкість ЧШГ з перлітною структурою марки ВЧ60-2 в 2,5 рази вище зносостійкості СЧ 20 в 1,5 рази

    - модифікованих чавунів СЧ 25 і СЧ 30.

    При конструюванні литих деталей з ЧШГ слід враховувати особливості його кристалізації і затвердіння, схильність до утворення усадочних дефектів, внутрішніх напрузі, неметалевих включень

    [3].

    Так вивчення процесів кристалізації високоміцного чавуну в вузлах сполучень різних конструктивних елементів показує, що у внутрішніх кутах сполучень з малими радіусами, де швидкість росту твердого шару в початковий період кристалізації низ-

    кая, як правило, утворюються утяжіни, тріщини і навіть відкриті усадочні раковини. При збільшенні радіусів заокруглення понад оптимальних зростає масивність теплового вузла і обсяг усадочною пористості в ньому.

    Швидкість просування фронту кристалізації в вузлах сполучень залежить від величини радіуса заокруглення, типу конструктивного елементу і співвідношення товщини сполучених стінок. Але роль конструкції елемента деталі і його основних геометричних параметрів має істотне значення в початковій стадії процесу затвердіння, тобто в момент можливого утворення утяжин і гарячих тріщин в кутах сполучень.

    Управління процесом просування фронту кристалізації шляхом зміни конструкції елемента виливка дозволяє підвищити щільність вузла сполучення, вельми істотно зменшує ймовірність розвитку утю-жін, тріщин усадочних раковин і пористості. Однак, визначити оптимальну конфігурацію елемента деталі в результаті тільки цих досліджень не представляється можливим, тому що механічні властивості деталей залежать від їхнього типу, розміру та характеру розташування дефектів в тепловому вузлі і в районі його впливу. Тому подальші дослідження доцільно спрямувати на вивчення механічних властивостей при статичних і циклічних навантаженнях типових Т-, Х- і 2 образних конструктивних елементів у вигляді модельних зразків. Дослідження показують, що зі збільшенням площі теплового вузла конструктивного елементу ураженого усадочною пористістю міцність знижується.

    При статичних навантаженнях величину радіуса заокруглення в сполученнях конструктивних елементів литих деталей слід приймати рівній товщині ребра. Доцільність такого вибору підтверджується і результатами вивчення місця руйнування конструктивних елементів. Основна маса зразків 56% зруйнувалися по сполучень, 18% - на деякій відстані від

    нього, 26% - в захопленнях. У всіх випадках отримана чітка залежність між розташуванням місць руйнування конструктивних елементів і величинами радіусів заокруглення в сполученнях. Отже, найбільш повно умов одно-міцності, тобто рівної ймовірності руйнування по сполучень і плоскою стінці конструктивних елементів, відповідають значення радіусів заокруглення, рівні однієї товщині ребра.

    Побудована номограма для визначення радіусів заокруглень в сполученнях конструктивних елементів литих деталей з ЧШГ [5].

    У плоских стінках з неорганізованим харчуванням усадочная пористість розподіляється більш-менш рівномірно по всьому перетину; наявність ребер на них локалізує усадкову пористість біля вузла сполучення або вписує в нього. Саме тому властивості Т-образних конструктивних елементів в порівнянні з властивостями плоских стінок нижче як при циклічно, так і статичних навантаженнях. Наявність другого симетричного ребра, тобто перехід від Т до Х- образним конструктивних елементів призводить до загальному випадку до подальшого зниження властивостей литих деталей.

    У той же час, наявність тонких ребер на силових стінах конструктивних елементів призводить до перерозподілу характеру розташування усадочною пористості і підвищення на 2040% механічних властивостей Х-образних сполучень в порівнянні з Т-і 2 - образними.

    Таким чином, для кожного сплаву і технології виготовлення виливків існує критична товщина стінки, наявність ребер на якій призводить до збільшення її міцності при товщині менше критичної або до равнопрочності вузла сполучення і силовий стінки при критичній товщині.

    Для поліпшення властивостей Х-образних конструктивних елементів, як відомо, необхідно зміщувати ребра відносно один одного. Однак величина зміщення рекомендується багатьма авторами без достатнього осно-

    вання. Так, наприклад, В.Б. Гокунь в монографії «Технологічні основи конструювання деталей машин», изд. в 1963р. рекомендує ребра зміщувати на відстань однієї товщини ребра. А П.І.Орлов в книзі «Основи конструювання машин», изд. в 1977 р рекомендує зміщати ребра на двадцять товщини ребра. Ці рекомендації суперечливі і взаємовиключні.

    Виходячи з аналізу процесу кристалізації сплавів і міцних властивостей обгрунтовано то мінімальна відстань, на яке необхідно зміщувати ребра для отримання максимальних механічних властивостей. Сформульовані умови переходу від 2-образних до більш надійним послідовно розташованим Т-образним конструктивних елементів, розуміючи під останніми елементи, в яких ребра зміщені на таку відстань, коли виключається взаємний вплив утворених ними теплових вузлів. Побудована номограма для визначення зміщення ребер в литих деталях [5].

    При правильному зміщенні ребер сприятливо змінюється характер розташування пористості, зменшується схильність до утворення утяжіни і тріщин, а механічні властивості поліпшуються на 20-40%, тобто збільшуються до значень, характерних Т-образних конструктивних елементів. При цьому зменшується розкид властивостей, а отже, в конструкціях такі вузли працюють надійніше.

    Виходячи з окремих концепцій кількісних зв'язків у системі конструкція литий деталі - структура -механічні властивості побудована узагальнена математична модель ме-

    ханических властивостей і елементів литих деталей [5].

    Механічні властивості литих деталей залежать від технологічних і конструктивних чинників, виражених відповідно коефіцієнтами «А» і «В». Визначення ступеня впливу цих факторів на механічні властивості конструктивних елементів литих деталей, звичайно представляє досить складну задачу.

    Методичні рекомендації [1] у вигляді керівного технічного матеріалу (РТМ) на конструювання елементів литих деталей з високоміцного чавуну з кулястим графітом забезпечують зниження маси литих деталей на 20-30%, скорочують шлюб виливків по утяжіни на 30-40%, по тріщинах на 50 -60%, по усадочним раковин на 60-80% і підвищують механічні властивості литих деталей при статичних і циклічних навантаженнях на 20-30%.

    література

    1. Конструювання литих деталей з високоміцного чавуну з кулястим графітом. Міністерство верстатобудівної та інструментальної промисловості. М. 1981.

    2. Гетьман О.О. Якість і надійність чавунних виливків. Вид. машинобудування. Л. 1970.

    3. Гетьман О.О. Питання методології конструювання литих деталей. Ж. Суднобудування. 1985. №12.

    4. Захарченко Е.В., Левченко Ю.Н. , Горенко В.Г., Вареник П.А. Виливки з чавуну з кулястим і вермікулярним графітом. К. Наукова думка. 1986.

    5. Гетьман О.О. Наукові основи конструювання литих деталей. ВМІІ, СПБ, 2006

    1 Гетьман Анатолій Антонович, заслужений діяч науки і техніки РФ, академік РІА, почесний працівник вищої освіти Росії, доктор технічних наук, професор. Адреса: Санкт-Петербург, вул. Стійкості д. 29 корп.2 кв.68; тел. (812) 759-57-47. e - mail:

    a. a. getman @, mail. ru

    2 Васильєва Ганна В'ячеславівна, кандидат технічних наук, доцент кафедри «Технічна механіка» СПбГУСЕ. Адреса: Санкт-Петербург, Дунайський ін. Д.34 / 16 кв.4; тел. (812) 366 -0207; e - mail: vasilevaav @, list.ru

    3 Іванова Вероніка Анатоліївна, викладач кафедри матеріалознавства і хімії военноморской інженерного інституту. Адреса: Санкт-Петербург, вул. Стійкості д. 29 корп.2 кв.68; тел. (812) 759-57-47.


    Ключові слова: високоміцний чавун з кулястим графітом / тимчасовий опір / відносне подовження / зносостійкість / кристалізація / усадочная пористість / тріщини

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити