Odabir materijala i tehnike obrade uobičajenih mehaničkih dijelova

 

U području mehaničkog dizajna i proizvodnje, odabir odgovarajućih materijala i odgovarajućih tehnika obrade ključan je za osiguranje performansi, kvalitete i isplativosti mehaničkih dijelova. Ovaj članak daje detaljnu analizu načela odabira materijala, vrsta materijala i tehnika obrade za uobičajene mehaničke dijelove, s ciljem pružanja vrijednih uvida inženjerima strojarstva i srodnim stručnjacima.

 

 

INačela odabira materijala

 

Odabir materijala za mehaničke dijelove zahtijeva sveobuhvatno razmatranje više čimbenika, uključujući zahtjeve performansi, mogućnost obrade i ekonomsku učinkovitost. Konkretno, glavna načela odabira materijala uključuju sljedeće:

 

1. Zahtjevi izvedbe

Materijal prvo mora zadovoljiti specifične zahtjeve performansi u radnim uvjetima dijela, kao što su čvrstoća, tvrdoća, otpornost na trošenje, otpornost na koroziju i otpornost na zamor. To zahtijeva da dizajner ima temeljito razumijevanje radnih uvjeta dijela, uključujući sile s kojima će se susresti, radno okruženje (kao što je temperatura, vlažnost i izloženost određenim tvarima) i sve posebne zahtjeve (kao što je toplinska vodljivost električna vodljivost i magnetska svojstva).

 

2. Mogućnost obrade

Mogućnost obrade materijala izravno utječe na jednostavnost proizvodnje, učinkovitost proizvodnje i troškove. Dobra mogućnost obrade uključuje čimbenike kao što su sposobnost kovanja, zavarljivosti i obradivosti, koji pomažu smanjiti poteškoće i troškove proizvodnje te poboljšati učinkovitost proizvodnje.

 

3. Ekonomska učinkovitost

Uz ispunjavanje zahtjeva performansi i obradivosti, važno je odabrati materijale koji su što je moguće isplativiji kako bi se ukupna cijena proizvoda svela na minimum. To zahtijeva od dizajnera da sveobuhvatno razmotre cijene materijala, troškove obrade i kasnije troškove održavanja i korištenja.

 

 

▲ Koraci za odabir materijala u mehaničkim dijelovima

 

 

II Uobičajene vrste materijala

 

Uobičajeno korišteni materijali za mehaničke dijelove uglavnom uključuju sljedeće kategorije:

 

1. Čelik

Čelik je jedan od najčešće korištenih materijala za mehaničke dijelove, karakteriziran visokom čvrstoćom, dobrom plastičnošću i žilavošću, kao i izvrsnim performansama strojne obrade. Ovisno o zahtjevima primjene i performansi, čelik se može podijeliti na obični ugljični konstrukcijski čelik, visokokvalitetni ugljični konstrukcijski čelik, legirani konstrukcijski čelik i lijevani čelik, među ostalima.

 

2. Lijevano željezo

Lijevano željezo ima dobru sposobnost lijevanja, prigušivanje vibracija i otpornost na trošenje, ali njegova čvrstoća i žilavost su relativno niske. Stoga se lijevano željezo često koristi za proizvodnju dijelova koji podnose statička opterećenja i trošenje trenjem, kao što su kreveti i kućišta alatnih strojeva.

 

3. Neželjezni metali

Obojeni metali, kao što su bakar i bakrene legure, aluminij i aluminijske legure, imaju manju gustoću i dobru električnu i toplinsku vodljivost, što ih čini naširoko korištenim u električnim, elektroničkim i zrakoplovnim područjima. U mehaničkim dijelovima, obojeni metali se često koriste za proizvodnju lakih konstrukcijskih komponenti, kliznih ležajeva itd.

 

4. Inženjerska plastika

S razvojem znanosti o materijalima, primjena inženjerske plastike u mehaničkim dijelovima postaje sve raširenija. Inženjerska plastika je lagana, otporna na koroziju i ima dobra izolacijska svojstva, što je čini prikladnom za proizvodnju nenosivih dijelova, otpornih na koroziju ili izoliranih dijelova.

 

 

III Analiza obradnih procesa

 

Postupci strojne obrade mehaničkih dijelova su različiti, a obično uključuju tokarenje, glodanje, bušenje, brušenje, kovanje i injekcijsko prešanje. Za različite materijale i oblike dijelova prikladni su različiti procesi obrade, koji će biti posebno predstavljeni u nastavku.

 

1. Okretanje

Tokarenje je metoda strojne obrade pri kojoj je obradak fiksiran u rotirajućem uređaju za držanje, a alati postupno odsijecaju materijal od obratka kako bi se postigao željeni oblik i veličina. Tokarenje je pogodno za izradu cilindričnih dijelova, kao što su osovine i rukavci. Točnost i hrapavost površine tokarenja ovise o izboru alata i podešenju parametara rezanja.

 

2. Glodanje

Glodanje je metoda strojne obrade koja reže materijal s površine izratka korištenjem rotirajućeg alata za izradu ravnih površina, konkavnih i konveksnih površina, zupčanika i drugih dijelova složenog oblika. Glodanje se može podijeliti na vrste kao što su čeono glodanje, okomito glodanje, čeono glodanje, glodanje zupčanika i konturno glodanje, pri čemu je svaka vrsta prikladna za različite potrebe obrade.

 

3. Bušenje

Bušenje je metoda strojne obrade koja izrezuje materijal iz obratka pomoću rotirajućeg svrdla kako bi se oblikovale rupe potrebnog promjera i dubine. Bušenje se obično koristi za proizvodnju dijelova s ​​rupama, kao što su rupe za vijke i rupe za ležajeve. Preciznost i učinkovitost bušenja ovise o izboru svrdla, postavkama reznih parametara te provedbi mjera hlađenja i podmazivanja.

 

4. Brušenje

Brušenje je metoda strojne obrade koja postupno reže ili brusi materijal s površine izratka pomoću abrazivnih alata kako bi se postigao željeni oblik, veličina i kvaliteta površine. Brušenje je prikladno za strojnu obradu dijelova s ​​visokim zahtjevima za preciznošću i kvalitetom površine, kao što su kalupi, precizni mehanički dijelovi i alati. Preciznost i kvaliteta površine brušenja ovise o izboru abrazivnog alata, podešenju parametara brušenja i načinu stezanja izratka.

 

5. Kovanje

Kovanje je metoda obrade metala koja prešanjem oblikuje toplo obrađene metalne materijale u željene oblike. Kovanje je prikladno za proizvodnju dijelova složenih oblika i visokih mehaničkih zahtjeva, kao što su zupčanici i osovine. Kovanjem se može poboljšati unutarnja organizacijska struktura materijala, povećavajući čvrstoću i žilavost dijelova.

 

6. Injekcijsko prešanje

Injekcijsko prešanje je proces u kojem se rastaljena plastika ubrizgava u kalup i skrućuje za proizvodnju potrebnih dijelova. Brizganje je prikladno za proizvodnju velikih količina plastičnih dijelova složenih oblika, kao što su kućišta za mobitele i automobilske komponente. Preciznost i kvaliteta površine injekcijskog prešanja ovise o dizajnu kalupa, performansama stroja za injekcijsko prešanje i izboru plastičnih materijala.

 

 

IV Detaljni projekt tipičnih ruta procesa luka i strijele

 

Dijelovi vratila

 

Uobičajeno korišteni materijali za dijelove osovine uvelike variraju, primarno odabrani na temelju čimbenika kao što su čvrstoća, krutost, otpornost na habanje, mogućnost izrade i ekonomska razmatranja. Ispod su neki uobičajeni materijali za dijelove osovine i njihove karakteristike:

 

1. Ugljični čelik

• Visokokvalitetni ugljični konstrukcijski čelik:Kao što su stupnjevi 35, 45, 50, itd., ovi čelici imaju visoka ukupna mehanička svojstva i široko su korišteni. Među njima je čelik 45 koji se najčešće koristi zbog svojih dobrih svojstava. Kako bi se dodatno poboljšala njegova mehanička svojstva, često se provode postupci normalizacije ili kaljenja i temperiranja.
• Obični ugljični konstrukcijski čelik:Kao što su Q235, Q275 itd., ovi su čelici prikladni za osovine koje nose relativno mala ili manje kritična opterećenja.

 

2. Legirani čelik

Legirani čelik ima visoka mehanička svojstva, ali je relativno skup, obično se koristi za osovine s posebnim zahtjevima. Na primjer, osovine koje rade pod velikim brzinama, teškim opterećenjem ili uvjetima visoke temperature često koriste legirani čelik kako bi zadovoljile specifične zahtjeve performansi. Uobičajeni legirani čelici uključuju 20Cr, 20CrMnTi, 40CrNi, 38CrMoAlA itd., koji nakon pougljičenja, kaljenja i drugih toplinskih obrada mogu značajno povećati otpornost na habanje, udarnu žilavost i čvrstoću na zamor osovina.

 

3. Lijevano željezo

nodularno željezo:Zbog dobre izvedbe lijevanja, lako se lije u složene oblike i ima dobro prigušivanje vibracija i nisku osjetljivost na koncentraciju naprezanja. Često se koristi za proizvodnju osovina složenih oblika. Posebice, nodularno željezo od rijetkog zemnog magnezija razvijeno u Kini naširoko se primjenjuje u proizvodnji važnih dijelova vratila u automobilskoj industriji, industriji traktora i alatnih strojeva zbog svoje izvrsne udarne žilavosti, smanjenja trenja i svojstava apsorpcije vibracija.

 

4. Lijevano željezo visoke čvrstoće

Također ima dobra svojstva lijevanja i prigušivanja vibracija, što ga čini pogodnim za proizvodnju osovina složenog oblika.

 

 ▲ 38CrMoAIA Primjer

 

 

Dijelovi zupčanika

 

Odabir materijala za prijenosnike složen je proces koji zahtijeva razmatranje različitih čimbenika, uključujući zahtjeve za opterećenjem, brzinu, uvjete okoline, zahtjeve u vezi s bukom i vibracijama i ekonomska razmatranja.

 

1. Kovani čelik

Kovani čelik izrađuje se postupkom kovanja i ima superiorna svojstva u usporedbi s običnim čelikom. Zupčanici od kovanog čelika imaju visoku čvrstoću, visoku otpornost na trošenje i dobru otpornost na udarce, što ih čini jednim od najčešće korištenih materijala za proizvodnju zupčanika. Uobičajeni materijali od kovanog čelika uključuju čelik 45, čija se mehanička svojstva mogu dodatno poboljšati toplinskom obradom.

 

2. Lijevani čelik

Lijevani čelik se obično koristi za proizvodnju većih zupčanika jer zupčanici velikog promjera nisu prikladni za kovanje. Zupčanici od lijevanog čelika imaju dobru čvrstoću i žilavost, ali njihova unutarnja struktura možda neće biti tako gusta kao kovani čelik i može zahtijevati toplinsku obradu kako bi se poboljšala njihova izvedba.

 

3. Legirani čelik

Legirani čelik dobiva se dodavanjem određene količine legirajućih elemenata običnom čeliku, što rezultira većom čvrstoćom i tvrdoćom. Zupčanici od legiranog čelika često se koriste u aplikacijama koje podnose veća opterećenja i rade pri većim brzinama.

 

4. Sivi lijev

Sivi lijev je relativno krt i ima slabu otpornost na udarce i habanje, ali ima dobre sposobnosti protiv žuljanja i rupičaste strukture. Stoga se zupčanici od sivog lijeva obično koriste u situacijama u kojima je rad miran, brzine niske, a snaga niska.

 

5. Nodularni lijev

Nodularno željezo tretira se posebnim postupkom toplinske obrade, čime se grafit u njegovoj unutarnjoj strukturi raspoređuje u sferni oblik, što poboljšava čvrstoću i žilavost lijevanog željeza. Zupčanici od nodularnog lijeva imaju dobre sveobuhvatne performanse i prikladni su za primjene s višim zahtjevima za performansama.

 

6. Nemetalni materijali

Plastika, metalni prah itd.:U određenim posebnim okolnostima, kao što je malo opterećenje, mala brzina ili kada je potrebno smanjenje buke i vibracija, nemetalni materijali mogu se koristiti za proizvodnju zupčanika. Ovi materijali su lagani, proizvode nisku buku i lako se obrađuju, ali njihova nosivost i otpornost na trošenje su lošiji od metalnih materijala.

 

Na primjer, zupčanici koji se koriste u automobilima ili traktorima.

 

▲ 20CrMnTi Primjer

 

Dijelovi alata

 

Odabir materijala za alate ključan je za njihovu učinkovitost i vijek trajanja. Prilikom odabira materijala za alat moraju se uzeti u obzir različiti čimbenici, uključujući svrhu alata, svojstva materijala koji se obrađuju, uvjete rezanja i ekonomska razmatranja. Ispod su neki uobičajeni materijali za alate:

 

1. Brzorezni čelik

 

Karakteristike:

• Visoka čvrstoća i dobra žilavost, što omogućuje oštre oštrice.
• Dobra obradivost, lako se kovati i strojno obraditi.
• Podijeljen na obični brzorezni čelik i visokoučinkoviti brzorezni čelik. Obični brzorezni čelik ima manje brzine rezanja, dok se visokoučinkoviti brzorezni čelik proizvodi povećanjem sadržaja ugljika i vanadija i dodavanjem elemenata kao što su kobalt i aluminij, što rezultira većom izdržljivošću.

 

Prijave:

• Općenito se koristi za alate složenih oblika, kao što su spiralna svrdla, nareznici, razvrtala, rezači zupčanika i alati za oblikovanje, često izrađeni od brzoreznog čelika.

 

2. Cementirani karbid

 

Karakteristike:

• Ekstremno visoka tvrdoća, s tvrdoćom koja doseže 74–82 HRC na sobnoj temperaturi i otpornošću na toplinu do 900–1000 stupnjeva, što nudi izvrsne performanse rezanja.
• Velike brzine rezanja, koje mogu premašiti 100 m/min pri rezanju ugljičnog čelika.
• Međutim, ima slabu žilavost, slabu otpornost na udarce i vibracije, a rubovi se ne mogu lako izoštriti do ekstremne oštrine, uz lošiju obradivost.

 

Klasifikacija i primjene:

• Cementirani karbid klasificira se prema GB2075-87 u vrste P, M i K. P-tip se koristi za obradu dugih čipova crnih metala; M-tip se koristi za obradu crnih metala i obojenih metala; K-tip je za obradu kratkih strugotina od crnih metala, obojenih metala i nemetalnih materijala.

 

3. Nehrđajući čelik

 

Karakteristike:

• Jednostavan za održavanje, jaka otpornost na koroziju, pogodan za korištenje u vlažnim ili korozivnim okruženjima.
• Međutim, njegova tvrdoća i oštrina možda neće biti tako visoke kao čelik s visokim udjelom ugljika, a obično je i skuplji.

 

Prijave:

• Koristi se u kućanskim kuhinjskim noževima, medicinskim kirurškim instrumentima i drugim situacijama koje zahtijevaju često čišćenje i održavanje higijene.

 

4. Čelik s visokim udjelom ugljika

 

Karakteristike:

• Visoka tvrdoća i dobra oštrina, pogodna za preciznu obradu i rezanje.
• Međutim, sklon je hrđanju i zahtijeva redovito održavanje i njegu.

 

Prijave:

• Koristi se u britvama, vanjskim noževima i drugim primjenama koje zahtijevaju visoku tvrdoću i oštrinu.

 

 

▲ Ploče za kuhanje zupčanika

 

 

▲ Opis glavnog procesa ploča za kuhanje

 

 

V Zaključak

 

Odabir materijala i metoda obrade za uobičajene mehaničke dijelove složen je i sustavan proces koji zahtijeva razmatranje više čimbenika. Prilikom odabira materijala, izbori bi se trebali temeljiti na performansama, mogućnostima obrade i ekonomskim aspektima dijelova; pri odabiru metoda obrade, odluke se trebaju donositi prema obliku, veličini, površinskim zahtjevima dijelova i karakteristikama materijala. Racionalnim odabirom materijala i tehnika obrade, performanse, kvaliteta i ekonomičnost mehaničkih dijelova mogu se optimizirati.