/
Author: Никитин Б.П. Беспалько В.П. Жиделев М.А.
Tags: учебное пособие технология машиностроения трудовое обучение машиноведение
Year: 1957
Text
РУКОВОДС I ВС) ПО МАШИНОВЕДЕНИЮ
В. П. БЕСПАЛЬКО, М. А. ЖИДЕЛЕВ и Б. П. НИКИТИН
РУКОВОДСТВО
ПО МАШИНОВЕДЕНИЮ
ЧАСТЬ I
ПОСОБИЕ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ
VIII КЛАССА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
УЧЕБНО-ПЕДАГОГ ИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МИНИСТЕРСТВА ПРОСВЕЩЕНИЯ РСФСР
Москва — 1957
Книга „Руководство по машиноведению", часть I написана коллективом авторов—сотрудников Института иетодов обучения Академии педагогических наук РСФСР.
Главы 1—IV и XIII написаны Б. П. Никитиным, V— XI — М. А. ^Киселевым, ХИ — В. П. Беспалько.
ВВЕДЕНИЕ
Машиностроение является одной из ведущих отраслей народного хозяйства нашей страны, основой ее индустриализации; машиностроительные заводы снабжают машинами, станками и инструментами многочисленные заводы и фабрики, сельское хозяйство и транспорт, армию и флот. С помощью машин и инструментов изготовляют автомобили и морские суда, строят дома и самолеты, добывают уголь и нефть, вырабатывают одежду и продукты питания.
Современная промышленность с ее могучей техникой — результат длительного исторического процесса, которому было положено начало еще в древнейшие времена, когда человек только начинал создавать орудия труда. Вначале это были простейшие каменные орудия: нож, копье и топор. Постепенно эти орудия усложнялись и совершенствовались. Появились фчстру-мен~ы и простейшие механизмы из металла: топор, лопата, колесо и рычаг. Целые периоды человеческой истории названы по имени металлов: „Бронзовый век“, „Железный век", потому что люди, открывая новые металлы, ставили их себе на службу. Большим достижением было создание первых машин — двигателей, приводимых в движение уже не рукой человека, а силами природы. Это были водяные и ветряные мельницы.
Изобретение паровой машины позволило резко увеличить производительность человеческого труда. Были созданы прядильные и ткацкие машины, станки для обработки дерева и металла.
В конце XIX в. появились электрические машины и двигатели внутреннего сгорания, возникла возможность строить мощные рабочие и транспортные машины, станки и подъемные краны, паровозы и пароходы. Всё ускоряющиеся темпы развития техники, Всё большая власть человека над силами природы привели к огромным достижениям XX в.: постройке мощных электростанций, созданию сначала винтовых, а затем реактивных самолетов и, наконец, к величайшему из открытий человеческого гения — использованию атомной энергии.
4’
Особенно широкие возможности получило развитие техники в нашей стране. Социалистический строй обеспечивает плановое развитие, неуклонный и быстрый рост всех отраслей народного хозяйства и особенно тяжелой промышленности как осноеы производства средств производства.
Использование машин дает широчайшие возможности для улучшения жизни трудящихся и облегчения их труда. В нашей стране непрерывно увеличивается применение машин для замены трудоемких и тяжелых работ как в промышленности, так и в сельском хозяйстве. Угольный комбайн пришел на смену отбойному молотку в труде шахтера, трактор облегчил тяжелый труд пахаря. Все шире и шире осуществляется переход от ручного физического труда к управлению машинами. Теперь редко можно встретить трудовой процесс, где бы не находили применения машины На любой фабрике и заводе, на стройке и в колхозе, на транспорте и в быту — всюду мы видим моторы, механизмы, машины. Поэтому трудно представить себе советского человека, незнакомого с принципами устройства, изготовления и применения машин.
Машины изготовляются из металлов, древесины, пластических масс и других материалов. Металлы и их сплавы являются основными материалами для изготовления машин, и поэтому знания об их свойствах и способах обработки совершенно необходимы Необходимо зиать, как устроены инструменты и машины по обработке материалов, каковы правила их использования
Все машины, несмотря на их большое разнообразие, представляют собой только различные сочетания сравнительно немногих механизмов, которые состоят из элементарных частей: валов, осей, колес, рычагов, подшипников и т. п., называемых деталями машин
Машина представляет собой совокупность механизмов. Наука, изучающая назначение, устройство и работу механизмов и машин, называется машиноведением. Она основывается на законах математики, механики, физики. Изучение основ машиноведения поможет учащимся после окончания школы скорее встать в строй кадровых рабочих фабрик и заводов и принять участие в дальнейшем совершенствовании производственных процессов, стать активными борцами за технический прогресс в промышленности.
ГЛАВА I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ
Все вещества состоят из химических элементов. Насчитывают более сотни элементов и среди них несколько десятков металлов, названных так благодаря некоторым общим для них свойствам. Из свойств металлов наиболее характерны металлический блеск, электро- и теплопроводность, большой удельный вес. Некоторые из металлов обладают высокой прочностью, ковкостью, упругостью и твердостью.
В чистом виде металлы редко применяются в технике, потому что свойства, которыми они обладают, не удовлетворяют потребности производства и, кроме того, в чистом виде металлы получить очень трудно. В производстве чаще употребляются сплавы различных металлов, которых в настоящее время насчитывается более пяти тысяч.
Сплавы обладают различными необходимыми сочетаниями свойств. Одни имеют высокую прочность (сталь) — из иих изготовляют детали машин, другие обладают высокой твердостью (твердые сплавы) — они используются для изготовления режущих инструментов (резцы, фрезы, сверла), третьи, наряду с большой прочностью, имеют малый удельный вес (сплавы алюминия и магния) и поэтому широко применяются в авиации, моторостроении и в быту.
Все металлы делятся на две группы: черные и цветные.
Черными металлами называют сплавы железа (Ее) с углеродом (С) — чугуны и стали различных марок. Железа в них содержится от 95 до 99,8%, углерода — от 0,2 до 4,3%. В состав черных металлов входят и некоторые другие элементы: кремний, фосфор, сера. Черные металлы представляют собой наиболее распространенный и дешевый материал, из которого изготовляются машины. Уровень производства черных металлов является важнейшим показателем развития народного хозяйства страны, ее экономической и оборонной мощи. В 1960 г., к концу шестой пятилетки, в нашей стране будет выплавляться около 70 млн. т стали в год, т. е. почти в двадцать раз больше, чем
6
в дореволюционной России. По уровню производства черных металлов СССР занимает второе место в мире и приближается к передовой капиталистической стране — США.
К цветным металлам относятся алюминий, медь, свинец, олово, цинк, магний, хром, никель, вольфрам и другие. Цветные металлы гораздо реже встречаются в природе, их труднее добыть, и поэтому они дороже черных металлов. Но они обладают рядом замечательных свойств, которых не имеют черные металлы. Например, медь и алюминий обладают высокой электропроводностью и поэтому служат почти единственными материалами для изготовления проводов в электропромышленности. Хром и никель почти не окисляются на воздухе и служат надежной защитой от коррозии (ржавление). Ими покрывают стальные и другие изделия (хромирование, никелирование) или вводят в состав стали в таком количестве, что она становится нержавеющей.
§ I. Чугун
Чугун—сплав железа с большим количеством углерода (3—4%), содержащий примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугун плавится при более низкой температуре (1100—1200°), чем железо (1540°), и хорошо отливается в формы благодаря своей текучести.
Чугун выплавляется из железной руды в доменных печах. Материалами для производства чугуна являются железные руды, кокс (топливо) и флюсы (материалы, облегчающие процесс плавки и отделения пустой породы).
Железо в чистом виде в природе не встречается. Железная руда — химическое соединение железа с кислородом (окислы) в смеси с другими элементами. Для выплавки чугуна используют богатые руды, содержащие 30—70% железа — магнитный, красный и бурый железняки.
Железную руду перед плавкой разбивают в дробильных машинах на мелкие куски. Затем руда промывается зодой для удаления пустой породы, не содержащей железа. Чтобы удалить из руды воду, серу и углекислоту, ее обжигают. Мелкие куски руды спекают в бруски прямоугольной формы (брикеты). Все эти процессы подготовки руды к плавке называются обогащением руды, т. е. увеличением содержания железа и удалением пустой породы. Иногда применяют магнитное обогащение, при котором частицы, содержащие железо, отделяются от пустой породы сильными электромагнитами.
Топливом для выплавки чугуна является кокс. Кокс получают из каменного угля прокаливанием без доступа воздуха. При прокаливании из угля удаляются органические соединения и остается почти чистый углерод в виде пористых кусков серого цвета. Кокс имеет высокую теплотворную способность (до
6
7000 ккал[кг) и развивает при горении высокую температуру
Третьим материалом для выплавки чугуна являются флюсы. Флюсы образуют легкоплавкие соединения с пустой породой и золой топлива, которые всплывают наверх и отделяются от чугуна (шлак). В качестве флюса чаще всего
применяется известняк.
Доменная печь (рис. 1) представляет собой вертикальную конструкцию высотой в 30—35 м, выложенную изнутри огнеупорным кирпичом (шамотом). Через засыпной аппарат (3) в верхнюю часть, называемую колошником, в печь загружается слоями шихта, т. е. кокс, руда и флюсы, взятые в определенном соотношении.
Во время работы печи в ней образуется доменный газ, имеющий большую теплотворную способность до 1 000 ккал[кг и используемый как топливо. Для выпуска доменного газа служат газоот-воды (2).
Шахта печи имеет форму усеченного конуса, расширяющегося книзу, что облегчает опускание шихты при плавке. Через специальные отверстия — фурмы в печь под давлением 1,5 атмосферы вдувается горячий воздух, имеющий температуру до 800°. Чугун образуется в средней части печи, называемой распаром (рис. 1), и опускается на дно горна. Время от времени чугун выпускается из домны через летку (1) в специальный ковш или разливается в формы на литейном дворе (чушковый чугун). Шлак выпускают поверх чугуна через вторую летку (5).
Рис. 1. Разрез доменной печи:
1 — летка; 2 — газоотвод; 3 — засыпной аппарат, 4 — фурмы;
6 — шлаковая летка.
Он может использо-
ваться как строительный материал. На схеме доменного цеха (рис. 2) указаны расположение и путь материалов в процессе работы доменной печи.
Различают серый (литейный), белый (передельный) и ковкий
чугуны.
Серый чугун имеет в изломе темно-серый Цвет и крупнозернистое строение. Он легко обрабатывается режущими инструментами. Из серого чугуна отливают станины станков и машин, трубы и другие изделия. Основными недостатками серого чугуна являются его хрупкость и плохая свариваемость; он не годится для изготовления деталей, подвергающихся ударам, растяжению, изгибу.
7
Белый чугун имеет в изломе белый цвет. Он трудно обрабатывается режущими инструментами из-за высокой твердости. Белый чугун употребляется главным образом для переработки в сталь и ковкий чугун.
Ковкий чугун получают из белого чугуна специальным отжигом, который изменяет его структуру и повышает пластичность. Ковать его нельзя, как и серый чугун, но название „ков-
Рис 2. Схема доменного цеха.
кий“ указывает на то, что по механическим свойствам он занимает промежуточное положение между серым чугуном и стальным литьем. Ковкий чугун широко применяют в машиностроении и автотракторной промышленности (задний мост автомобиля, трактора).
§ 2. Сталь
Сталь — сплав железа с углеродом, которого содержится в ней до 1,7 — 2,О"/о. Механические свойства стали дают возможность ковать, прокатывать, закаливать, сваривать ее и обрабатывать резанием.
Сталь получают из передельных чугунов выжиганием углерода в мартеновских, конверторных и электрических печах путем продувки жидкого чугуна горячим воздухом. Кислород воздуха окисляет углерод и другие примеси чугуна, которые при этом сгорают.
Мартеновская печь (рис. 3) состоит из подины (1), на которую через окна (9) загружается чугун и лом черных металлов, свода (2), плавильного пространства (3) и головок (4 и 5), со
8
единяющих это пространство с регенераторами (би 7) с помощью каналов (8) В регенераторах происходит предварительный подогрев газа и воздуха, чтобы получить в печи температуру 1700°. Регенераторы (6 и 7) работают поочередно. Одни нагреваются уходящими из печи газами (7), другие отдают тепло газу и воздуху, идущим в печь (6). Через 10—15 минут производится перекидка клапанов, и их роли меняются. Мартеновский процесс бывает двух видов- рудный и скрап-процесс.
Рудный процесс применяется там, где есть доменные печи. Мартеновская печь загружается жидким чугуном
' Рис. 3. Мартеновская печь:
1 — подина; 2 — свод, 3 — плавильное пространство; 4 и 5 — головки! 6 и 7 — регенераторы, 8 — каналы 9 — загрузочные окна.
прямо из ковша, с добавкой стального лома и руды (10%). Топливом служит смесь доменного и коксового газов или отходы нефти.
Скрап-процесс применяется при переплавке отходов металла (стружка, лом и прочее), который называется скрапом. В шихту к большей части скрапа добавляется чушковый чугун
В мартеновских печах выплавляют обыкновенную и высококачественную сталь. Плавка в мартеновских печах длится 6—8 часов.
Конвертерный способ Конвертер (рис. 4) представляет собой стальной сосуд, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Сосуд поворачивается на цапфах (1, 2), наклоняясь посредством шестерни (3) и зубчатой рейки (4), которые приводятся в движение поршнем (5). Воздух под давлением около 2 атмосфер подается к отверстиям (6) сосуда. Для заливки расплавленного чугуна конвертер наклоняется, затем подается дутье, и конвертер переводится в вертикальное положение. Выгорание примесей идет очень бурно и быстро, так как воздух пронизывает весь жидкий металл. Через 4—5 минут окисленные примеси переходят в шлак
9
и из конвертера начинает вырываться с шумом яркий сноп пламени, что означает начало выгорания углерода. Затем пламя
Рис. 4. Конвертер:
1 и 2 — цапфы; 3— шестерни; 4 — рейка, 5— поршень; 6— отверстия сосуда.
Рис. 5. Электродуговал печь:
1 — огнеупорный материал; 2—свод. 3— угольные влек-троды„ 4 — загрузочное окно.
S — желоб.
уменьшается, стихает шум и появляется бурый дым от горящего железа. Это означает окончание процесса плавки. В сталь добавляют ферросплав (чугун с большим содержанием марганца или кремния) и разливают ее в изложницы (формы). Весь цикл плавки длится 30—40 минут. Конвертерный способ дешев и производителен, но дает сталь ниже по качеству, чем мартеновский, и из-за быстротечности не позволяет с достаточной полнотой регулировать ход плавки.
Электрические печи (электродуговые и индукционные) служат для получения высококачественных сталей. Электроду-говая печь (рис. б) представляет собой
стальной кожух, выложенный изнутри огнеупорным материалом (1). Через свод печи (2) проходят три угольных или графитовых электрода (3), перемещающихся по вертикали для регулировки дуги. За-
грузка шихты производится через окно (4), выпуск готовой стали — через желоб (5). Электрическая дуга, образующаяся между электродами и металлом, разви-
10
вает температуру до 3500°, поэтому плавка идет быстро. Электропечи расходуют много электроэнергии, но зато металл в
процессе плавки не соприкасается с горячими газами и воздухом и получается высокого качества. Готовая сталь переносится подъемным краном к месту разливки в разливочном ковше (рис. 6). После выпуска стали отверстие (2) закрывается огнеупорной пробкой (1), перемещаемой рукояткой (3). Сталь разливают в чугунные изложницы (рис. 7), имеющие коническую форму для обтегчения выемки слитка. Проушины (1) или цапфы (2) изложниц служат для их подъема после затвердевания стали. Слитки
Рис. 6. Разливочный ковш: 1 — пробки; 2 — отверстие; 3 — рукоятка.
стали часто еще в горячем состоянии направляют в прокатные цехи для получения сортового или фасонного проката.
Рис, 7. Изложницы: а — заливаемые снизу, б — заливаемые сверху, в — схема заливки изложниц снизу.
§ 3. Марки сталей
Наличие углерода и других примесей в стали определяет ее сорт. Различают конструкционные (до 0,7% С) и инструментальные (свыше 0,7% С) стали.
Конструкционные стали в свою очередь разделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали делятся на обыкновенную и качественную.
Обыкновенную углеродистую сталь обозначают марками Ст. О, Ст. 1, Ст. 2 и т. д. до Ст. 6. Малое содержание углерода в этих
ы
сталях придает им мягкость, пластичность и непрочность. Они применяются для изготовления замков, дверных ручек, крючков, оконных и дверных петель, заклепок и других неответственных деталей.
Качественную углеродистую сталь обозначают марками Ст. 10, Ст. 15, Ст. 20 и т. д. до Ст. 60. В этих сталях содержание углерода указывается в сотых долях процента. Марка Ст. 50, например, означает, что содержание углерода в стали составляет в среднем 0,5%. Качественные углеродистые стали применяются для изготовления частей машин.
Инструментальными называются стали, содержащие от 0,7в/„ до 1,7% углерода, которые благодаря своей твердости употребляются для изготовления инструментов. Различают углеродистые инструментальные стали: У7, У8, У9, У10, У12, У13 и высококачественные У7А, У8А и так далее до У13А. В марке инструментальной стали буква У обозначает углерод, цифра—его количество в десятых долях процента, буква А — высококачественную сталь.
Из инструментальных сталей изготовляются слесарные и кузнечные инструменты. Для инструментов, подвергающихся ударам и толчкам, берут инструментальные стали с небольшим содержанием углерода, так как они обладают большей вязкостью и менее хрупки. Например, сталь У7А идет на изготовление зубил, кернеров, бородков, отверток и т. д. Из сталей У12, У12А, У13, У13А изготовляют напильники, сверла, метчики, шаберы.
У г леродистые стали с увеличением содержания углерода не только увеличивают свою прочность и твердост ь, но и значительно теряют пластичность и вязкость, становятся более хрупкими. Режущие инструменты из углеродистых сталей при нагревании свыше 180° начинают терять твердость. Поэтому ответственные части машин и инструменты изготовляются из легированных сталей, сохраняющих свою твердость и при нагреве до более высоких температур. Легированная сталь содержит, кроме железа и углерода, еще и другие химические элементы, улучшающие ее качества. Марки легированных сталей зависят от их химического состава. Например, марка 30 ХН2 означает хромоникелевую сталь с содержанием углерода 0,30%, хрома око го 1% и никеля около 2%. Двузначное число указывает содержание углерода в сотых долях процента, буквы обозначают легирующие элементы: X — хром, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Г — марганец, С — кремний. Если содержание легирующего элемента превышает 1%, то за его буквенным обозначением ставится число, указывающее количество этого элемента в процентах.
Хром придает стали хорошую сопротивляемость износу, а с увеличением количества углерода в стали — высокую твердость. Хромистую сталь широко применяют в авиационной и автомобильной промышленности для изготовления зубчатых колес, шарикоподшипников, коленчатых валов.
12
Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали, не снижая ее пластичности. Хромоникелевая сталь идет на изготовление деталей, выдерживающих большую нагрузку (шатуны, поршневые пальцы автомобильного двигателя).
Вольфрам придает стали твердость и увеличивает ее стойкость при нагревании (резцы, метчики).
Легированные инструментальные стали используются главным образом для изготовления штампов, применяемых при обработке металлов давлением, и режущих инструментов. Для токарных и строгальных резцов, сверл и фрез применяют быстрорежущую сталь, содержащую значительное количество вольфрама (до 18%) и поэтому не теряющую своей твердости даже при нагревании до температуры 600е
§ 4. Цветные металлы
Из цветных металлов наибольшее распространение получи ти алюминий, медь, свинец, олово, цинк, никель, магний, вольфрам Применение цветных металлов непрерывно растет.
Рис. 8. Ванна для получения алюминия:
1 — расплавленный алюминий, 2 — угольная обкладка 3 — кирпичная обкладка; 4—угольные блоки; 5— шина» 6~ корка, 7 — шины, 8 — электролит.
Руды цветных металлов, за исключением алюминия, очень бедны и содержат только 1—5% чистого металла. Поэтому их приходится подвергать обогащению, т. е. удалять пустую породу и тем самым увеличивать концентрацию металла в руде.
Алюминий — самый распространенный в природе металл в земной коре его содержится более 7% Но в чистом виде алюминий не встречается, его добывают из различных руд бокситов, алунитов и каолинов. Из этих руд сначала выделяют глинозем, который разлагают электролитическим путем, и получаю i в
13
результате чистый алюминий. Для добычи алюминия требуется большое количество электроэнергии, и поэтому широкое производство алюминия началось только после создания мощных электростанций.
Получение алюминия из глинозема производится в ванне (рис. 8), которая представляет собой стальной кожух, выложенный огнеупорным кирпичом (3). Угольная обкладка (2) служит катодом, к ней подведены шины (7). Аноды в виде угольных блоков (4) подвешены к шине (5). Электролит (8), имеющий температуру 950°, покрыт сверху застывшей коркой (6). Алюминий в расплавленном состоянии (1) собирается на дне ванны — катоде, а на аноде выделяется кислород.
Чистый алюминий — мягкий серебристо-белый металл, легкий по удельному весу (2,7 Г/слг3) и обладающий высокой электропроводностью. Это свойство позволяет применять его для изготовления электрических проводов и заменять тяжелую медь, являвшуюся до последних лет единственным материалом для этих целей.
В сплаве с медью, магнием, марганцем и другими металлами, общее содержание которых не превышает 6—8%, аллюминий образует твердый и прочный сплав, который, называется дуралюмин. Дуралюмин благодаря своей легкости в производстве часто заменяет сталь. Он широко применяется в самолетостроении и моторостроении.
Медь в чистом виде тяжелый металл (уд. вес 8,9 Г/см3) красноватого цвета, обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления меди 1083° С. Медь употребляется для изготовления проводов, обмотки электрических машин, обмотки моторов и электрических изделий, а также для приготовления медных сплавов — латуней и бронз.
Добыча меди из руд сложна. Руду, содержащую обычно, кроме меди, и другие металлы, измельчают на специальных мельницах и подвергают обогащению, т. е. удаляют пустую породу. Полученный медный концентрат обжигают в печах для удаления примесей и плавят в отражательной печи. Промежуточный продукт— „штейн" заливают в расплавленном виде в конвертер, где продувкой воздухом из него удаляются железо и сера. Полученная в конвертере черновая медь содержит около 2"/0 примесей и поэтому подвергается электролитической очистке. Только после этого медь становится чистой и пластичной и из нее можно изготовлять электрические проводники.
Свинец — тяжелый металл (уд. вес 11,94 Г/см3) темно-серого цвета. Он очень мягок, легко поддается резанию и в свежем срезе имеет чистый серебристый блеск. Через некоторое время свежий срез покрывается темной пленкой окисла, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Поэтому в свинцовую оболочку заключают телефонные и электрические кабели. Свинец легко плавится (1цлавлени» = 327° С) и поэтому употребляется для изготовления
14
плавких предохранителей (пробки, вставки, трубчатые предохранители). Из свинца изготовляют пластины аккумуляторов, охотничью дробь. Он входит составной частью в припои, служащие для пайки изделий и проводов, в баббиты, идущие на изготовление вкладышей подшипников, и во многие другие сплавы.
Олово — мягкий, серебристо-светлый металл, плавящийся при температуре 231°,9. При изгибе кусочка олова он издает характерный „хруст". Трудность добычи олова делает его дорогостоящим металлом, поэтому в чистом виде употребляется редко, но некоторые его. качества делают его незаменимым во многих сплавах.
Олово употребляется для изготовления припоев для пайки в радиотехнической и электротехнической промышленности, на изготовление антифрикционных сплавов — баббитов для заливки подшипников скольжения. Кроме того, олово применяют для полуды, т. е. для покрытия железных и медных изделий с целью предохранения от ржавления, например, белая жесть для консервных банок.
Магний — металл светло-серого цвета. Он является самым легким из промышленных металлов. Его удельный вес 1,74 Г[см\ Температура плавления 651°. В чистом виде магний почти не применяется, так как обладает низкими механическими свойствами и легко окисляется (может гореть на воздухе ослепительно ярким белым пламенем). В качестве конструкционного материала применяется в виде сплавов с алюминием, цинком и марганцем. Наибольшее распространение имеют литейные сплавы для фасонного литья. Главное достоинство магниевых сплавов — их легкость при сравнительно высокой прочности. Применяются магниевые сплавы в авиации и приборостроении для изготовления . радиоаппаратуры, пишущих и счетных машин, оптических приборов и т. д.
§ 5. Сплавы цветных металлов
Цветные металлы в чистом виде применяются в производстве очень редко. Широкое применение имеют сплавы цветных металлов, так как они дают необходимые сочетания свойств. Свойства сплавов тем резче отличаются от свойств входящих в них металлов, чем прочнее их соединение (механические смеси, твердые растворы одного металла в другом и химические соединения).
К общим свойствам сплавов следует отнести:
во-первых, более низкую температуру плавления, чем температура плавления входящих в сплав металлов, и даже часто более низкую, чем у самого легкоплавкого из них. Например, оловяно-свинцовый припой, содержащий 90% олова и 10% свинца, плавится при температуре около 190°, тогда как t° плавления олова 231°,9, свинца 327°;
во-вторых, удельное сопротивление электрическому току более высокое, чем у составляющих сплав металлов. Поэтому
15
проволоку для реостатов и нагревательных приборов делают очень часто из сплавов (нихром, никелин и др);
в-третьих, высокую механическую прочность, которая часто бывает выше прочности входящих в состав сп пава металлов, что также широко используется во многих областях техники.
Наиболее распространенными сплавами являются латунь, бронза, дуралюмин, баббиты.
Латунь — сплав меди с цинком. В качестве добавок применяются и другие металлы: железо, марганец, свинец, кремний. Латунь маркируется буквой Л и цифрой, которая указывает содержание меди в %. Процентное содержание легирующих частей указывается цифрами через черточку, а содержание цинка не указывается совершенно. Например, марка Л МЦ 55-3 обозначает марганцевую латунь1, содержащую 55% меди, 3"/0 марганца и 42°/о цинка. Из латуней изготовляют трубки автомобильных радиаторов, краны, детали часовых механизмов и т. п.
Бронза — сплав меди с особом или алюминием и кремнием с добавками свинца, цинка, марганца, железа. Маркируют бронзы буквами Бр, к которым добавляют начальные буквы названий других металлов, входящих в сплав, и цифры, указывающие процентное их содержание. Например, Бр А5 означает алюминиевую бронзу, содержащую 5% алюминия. Бронза идет на изготовление монет, лент, полос. Из бронз, обладающих антифрикционными качествами, изготовляют вкладыши подшипников, а из бронз, обладающих стойкостью против воздействия морской воды, отливают винты морских судов.
Дуралюмин — сплав алюминия с медью, обладающий легкостью и прочностью. Из дуралюмина, обрабатываемого литьем, изготовляют поршни и другие детали автомобильных и авиационных двигателей. Сплавы алюминия, обрабатываемые только литьем, обозначают буквой JJ,например, А.Л12, АЛ\0. Сплавы,обрабатываемые давлением, обозначаются буквой Д. например, Д1, Д16.
Баббиты — сплавы олова и свинца с сурьмой (10—17п/о) и • медью (1,5—6%). Баббитами заливают подшипники, работающие при больших нагрузках. Благодаря своей мягкости и низкому коэффициенту трения они предохраняют шейки валов от износа и облегчают смазку трущихся поверхностей. Цифры в обозначении баббитов показывают процент содержания самого ценного компонента— олова. Например, в баббите Б83 содержится 83% олова.
§ 6. Неметаллические материалы
Из неметаллических материалов в машиностроении применяют древесину, пластические массы, резину, асбест, масла, краски и некоторые другие.
1 Легирующие примеси указываются в марках латуней и бронз русскими буквами: ж — жетезо мц — марганец, с — свинец, к — кремний.
16
СТАЛЬ
Углеродистая
0,15-0,2024,0
ВИД И ЦВЕТ ИСКР
Соломенно-жёлтый
Белый
Тоже
Хромистая 11-13% С г
Кремнистая
1,5 -2% Si
Тёмнокрасный
Светложёлтый
Рис. 13. Таблица проб стали на искру.
Тоже
Быстрорежущая 10-18% w
Вольфрамовая 1-1,3%W
Тёмнокрасный
Жёлтый
Хромо-никелевая
3 % Ni и 1%Сг
Древесина — хороший строительный материал, получаемый из стволовой части деревьев. Главные достоинства древесины — прочность, дешевизна и малый удельный вес (от 0,35 до 0,75 Г/см3). По сравнению с металлами древесина имеет малую твердость и хорошо поддается различным видам обработки: пилению, строганию, резанию, раскалыванию Древесина имеет волокнистое строение. Прочность древесины неоднородна Вдоль волокон она гораздо выше, чем в поперечном направлении, и зависит от породы деревьев, которые делятся на твердые и мягкие.
К твердым породам относятся дуб, бук, ясень и клен, к мягким — сосна, ель, липа, осина, ольха.
Свежесрубленная древесина содержит до 40—60% влаги, обладает пони» 2нной прочностью, и поэтому перед обработкой ее высушивают на воздухе или в сушильных камерах.
По качеству и назначению древесину разделяют на деловую и топливо. Деловая древесина в свою очередь делится на круглую (бревна, подтоварник, жерди) и пиленую (доски, пластины, брусья). В машиностроении применяют чаще всего пиленую древесину. Из досок делают обшивку железнодорожных вагонов, кузовов грузовых автомашин и т. п.
Чтобы повысить прочность древесины, из нее изготовляют фанеру — переклейку. Склеивая три или несколько слоев лущеной фанеры так, чтобы направление волокон различных слоев пересекалось, получают более прочный материал, чем доски.
Древесные детали соединяют между собой склеиванием, а также гвоздями, шурупами, болтами и „в шип“ (шиповая вязка).
Недостатками древесины являются малая по сравнению с металлами прочность, подверженность гниению, способность легко воспламеняться и впитывать в себя влагу. Предохранение древесины от гниения достигается пропитыванием различными веществами (креозот). Имеются также способы повышения огнестойкости древесины н уменьшения ее гигроскопичности.
Пластические массы: карболит, текстолит, плексигласе, гети-накс, лигнофоль — материалы, полученные из веществ органического происхождения. При малом удельном весе (1—2 Г {см3) они имеют прочность, прозрачность (органическое стекло плексигласе), высокие диэлектрические свойства (карболит, текстолит), фрикционные илн антифрикционные качества, химическую стойкость.
Пластмассы состоят обычно из наполнителя (древесная мука, слюда, текстильные и асбестовые волокна, бумага, ткань, древесина) и вяжущего вещества (смола). В стальных пресс-формах вяжущее вещество расплавляется, склеивает частицы наполнителя и образует пластичную массу, заполняющую форму. Пластичность этих материалов при повышенной температуре позволяет изготовлять из них детали наиболее производительными методами (прессованием). Детали, изготовленные прессованием из пластических масс, имеют точные размеры, красивый внешний внд и не требуют дальнейшей механической обработки.
17
Пластмасса, содержащая ткань, называется текстолитом и идет на изготовление бесшумных шестерен, втулок, панелей, вкладышей подшипников. Из гетинакса, содержащего бумагу и обладающего прекрасными электроизоляционными качествами, изготовляют детали электрооборудования, в том числе высоковольтного. Лигнофоль получается прессованием пластмасс и древесины и употребляется для изготовления уплотнительных прокладок, вкладышей подшипников и др. Из карболита изготовляют электрическую арматуру — выключатели, розетки, штепсельные вилки, патроны для ламп, детали приборов и др.
Плексигласе находит широкое применение в авиации для остекления кабин самолетов, а также в автомобилестроении и приборостроении.
Резииа — материал, обладающий высокой эластичностью (удлинение при растяжении достигает 700—800%) и прочностью. Это делает резину незаменимой для изготовления пневматических шин на автотранспорте, гибких шлангов, ремией, прокладок и т. п. Изготовляют резину из натурального и синтетического каучука, смешивая его с серой и наполнителями (сажа, мел, каолин) и подвергая нагреванию до температуры около 140° (вулканизация).
При большом содержании серы в каучуке (до 45%) из него получают эбонит — прекрасный электроизолирующий и химически стойкий материал, из которого изготовляют банки для аккумуляторов, изоляционные трубки, детали электрических приборов и т. п.
Асбест (горный лен)—материал, основными особенностями которого являются огнестойкость (выдерживает температуру до 1500°), тепло и электроизолирующие свойства, сочетающиеся с достаточной гибкостью волокон. Кроме того, асбест не поддается воздействию кислот и щелочей. Из асбеста изготовляют огнеупорные прокладки, тормозные леиты и диски, а также его используют в нагревательных устройствах в качестве изолятора (электрические паяльники, плитки) и для приготовления строительных материалов (асбошифер, асбофанера).
Масла. Для уменьшения трения между подвижными соприкасающимися деталями работающей машины, а также для охлаждения трущихся частей и удаления продуктов износа деталей применяют смазочные масла. Создавая между трущимися частями машины тонкую пленку, они уменьшают потери работы на трение и износ деталей, увеличивают срок службы машины. Различают масла компрессорные, турбинные, цилиндровые и другие. В зависимости от назначения масла бывают жидкими и загущенными с различными свойствами: вязкостью, стабильностью, температурами плавления, застывания, воспламенения, наличием механических примесей.
Краски служат для придания изделиям красивого вида и предохранения от коррозии. Наиболее часто применяются мас
13
ляные краски и нитрокраски, высыхающие в течение всего нескольких часов. Поверхность изделия перед окраской обязательно должна быть хорошо очищена от окислов, воды, масла и грязи. Слой краски на изделие наносится кистью или краскопультом (краскораспылитель).
Контрольные вопросы
1. Какие металлы и сплавы наиболее широко применяются в машиностроении?
2. Каким способом получается чугун?
3. Перечислите основные свойства чугуна.
4. Чем отличается сталь от чугуна?
5. Преимущества и недостатки различных способов получения стали.
6. Назовите наиболее распространенные марки стали и кратко охарактеризуйте их.
7. Что такое легированные стали и каковы их свойства?
8. Назовите цветные металлы, применяемые в машиностроении.
9. По каким признакам можно отличить олово от свинца?
10. Как отличаются сплавы от чистых металлов по температуре плавления, электропроводности, удельному весу?
11. Назовите характерные особенности алюминиевых сплавов.
12. Почему медь и ее сплавы широко применяются в электропромышленности?
13. Перечислите преимущества и недостатки древесины как строительного материала.
14. Чем объяснить широкое применение в машиностроении пластических масс?
15. Назовите основные качества резины и укажите, где оиа применяется.
ГЛАВА II
СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПОСОБЫ ИХ ИЗМЕНЕНИЯ
§ 7. Основные свойства металлов
Все материалы обладают рядом свойств, которые различаются как физические, механические, химические и технологические.
К физическим свойствам металлов относят удельный вес, температуру плавления, цвет, электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании, магнитные свойства и некоторые другие. В зависимости от усло
19
вий работы или эксплуатации деталей некоторые из этих свойств приобретают решающее значение и служат основанием для выбора материала при изготовлении и использовании детали. Например, удельный вес и прочность — важные качества для материала в самолетостроении, где нужны легкие и прочные детали. Температура плавления имеет большое значение для деталей, работающих при высоких температурах, например нити накаливания в электрических лампах, футеровка плавильных печей и т. п. Поэтому детали самолета изготовляют из сплавов алюминия и магния, а для изготовления нитей накаливания употребляется вольфрам и т. д.
Из химических свойств металлов главным образом важна коррозионная стойкость, а также окисляемость и растворимость.
Очень важную роль в определении пригодности металла как материала для деталей машин и механизмов играют его механические свойства. К механическим свойствам относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и Хрупкость.
Прочность — способность материала сопротивляться воздействию сил, ие разрушаясь и не изменяя допустимой формы.
Примером прочного материала служит сталь. Стальные изделия с трудом разрушаются и изменяют форму. В противоположность стали ртуть не обладает прочностью. При обычной температуре она находится в жидком состоянии и не сохраняет формы.
Твердость — способность материала противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Самым твердым из известных нам веществ является алмаз. Высокой твердостью обладают различные сорта стали и так называемые твердые сплавы. Твердость — главнейшее свойство материалов, из которых изготовляют режущие инструменты.
Упругость — способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших это изменение. Примером упругого тела может служить стальная пружина, которая после прекращения сил воздействия восстанавливает свою прежнюю форму.
Пластичность — способность материала изменять свою форму под воздействием сил не разрушаясь и не восстанавливать прежней формы после прекращения действия сил. Примером пластичного металла может служить свинец. Это качество по своей сущности противоположно упругости.
Вязкость — способность материала выдерживать механические воздействия (удары) не разрушаясь. Очень вязка, например, малоуглеродистая сталь, употребляемая для неответственных деталей.
Хрупкость — качество, противоположное вязкости, способность тела легко разрушаться при механических воздействиях (ударах). Примером хрупкого метал па является чугун.
20
Технологические свойства металлов и сплавов представляют собой сочетание различных механических и физических свойств, проявляющихся в процессах изготовления деталей машин.
К технологическим свойствам металла относятся возможность обработки резанием, литьем, прокаткой, ковкой, волочением, способность свариваться и подвергаться термообработке.
Для определения свойств металлов и сплавов пользуются: механическими испытаниями, которыми устанавливают их прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость;
физическими измерениями удельного веса, температуры плавления, тепла и электропроводности;
химическим анализом, который определяет качественный и количественный состав сплава;
металлографическим анализом, позволяющим получить данные о структуре и свойствах металла с помощью микроскопа и рентгеновского аппарата;
технологическими пробами, дающими возможность определить пригодность металла для данного вида обработки.
§ 8. Испытание механических свойств
Прочность металлов испытывается главным образом растяжением. Для этой цели изготовляют образцы стандартной формы и размеров, а затем закрепляют их в захватах разрывной машины (рис. 9,2 и 3). Машина имеет записывающее устройство (4), которое вычерчивает диаграмму зависимости удлинения образцов от величины нагрузки (рис. 10). С ростом нагрузки образец сначала растягивается строго пропорционально ее величине (прямая линия ОГТ). При снятии нагрузки образец снова принимает первоначальную длину. При увеличении нагрузки пропорциональность растяжения начинает нарушаться и наступает момент, когда нагрузка не растет, а образец продолжает удлиняться (точки TTt). Говорят, что металл в это время „течет1*. При дальнейшем увеличении нагрузки образец продолжает удлиняться, но его удлинение уже не пропорционально величине нагрузки. Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец, показывает его прочность (точка D). Пределом прочности (апг) называется наибольшее напряжение, выдержанное образцом, который выражается отношением разрывающего усилия (Рв) к площади поперечного сечения образца (До) в мм2:
Предел прочности называют иногда временным сопротивлением разрыву. Для лучших сортов стали временное сопротивление разрыву достигает выше 100 кГ[ммъ, а для большинства конструкционных сталей лежит в пределах 30—70 кГ/мм\
21
Испытание на твердость производят вдавливанием в плоскую поверхность материала стального закаленного шарика нли алмазного конуса.
Широко распространенным испытанием металла на твердость является метод Бринеля. "
По методу Бринеля шарик диаметром (D) 10 мм, Ъмм или 2,5 мм вдавливается в образец силой (Р) в 3000, 750, а иногда и 187,5 к Г (рис. 11). Величина отпечатка зависит от твердости испытываемого материала, диаметра шарика и нагрузки.
^8
3
Рис. 9. Разрывная машина типа Р-5:
I — образец; 2 и з— зазвагьц а — записывающее устройство.
Твердость по Бринелю (Не) выражается удельным давлением, при котором начинает происходить разрушение кристаллов металла и вдавливание шарика в поверхность образца, т. е. отношением величины нагрузки (Р) к площади сферического отпечатка (S):
НБ =1^кГ1мм‘.
Площадь сферического отпечатка вычисляется по формуле:
—мм^
где d — диаметр отпечатка.
22
Чем тверже материал, тем меньше будет отпечаток от шарика. Чтобы не производить каждый раз вычисления, составлены специальные таблицы, в которых .по диаметру отпечатка находят величину твердости материала по шкале Бринеля.
Работа на прессе Бринеля, показанная на рисунке 11, не сложна. Образец (6) с чисто обработанной поверхностью уста-
Рис. 10. Диаграмма растяжения.
а — диаграмма; б — образец до растяжения, в — образец воое растяжения.
навливается на столик пресса (7) н вращением рукоятки (8) поднимается до легкого соприкосновения с шариком (5). Через трубку (1) насосом нагнетается масло, которое давит на поршень (9) с шариком и поршень (10) на коромысле (2). Грузы (4) позволяют точно установить размеры нагрузки, манометр (3) указывает давление масла. После 10—20 секунд выдержки нагрузку снимают, выпускают масло и измеряют на образце диаметр отпечатка.
Испытание на вязкость важно для деталей, работающих в условиях ударной нагрузки. Его производят на маятниковом
23
между опорами постоянно npi
копре (рис. 12, а). Специально изготовленный образец (б) имеет квадратное сечение и надрезан в середине длины. Расстояние (и всех испытаниях. Груз (Q) поднимается на некоторую высоту (Н), с которой он свободно падает, совершая удар по образцу. При ударе по образцу (3) часть энергии расходуется на разрушение, а остаток ее подни-
S)
Рис„ 11. Схема испытания материала на твердость:
7— трубка' 2 — коромысло; 3 — манометр’ 4— грузы; 5— шарик; 6— образец' 7— столик; 8— рукоятка, 9 — поршень, 10—поршень.
мает груз на меньшую высоту (А). Стрелка (2), вращающаяся на оси с трением, служит для автоматической отметки этой вы
а) ej
Рис. 12. Схема испытания материала на маятниковом копре, а — копер' 1 — груз, 2 ~ стрелка; 3 — образец; б — установка образца.
соты. Разность высот определяет величины работы, затраченной на разрушение. Ударная вязкость (ак) находится по формуле:
ак= —— к Гм) см2,
24
где F— площадь сечения образца в месте излома. Она выражается величиной работы разрушения, приходящейся на единицу площади сечения образца.
§ 9. Пробы металлов
Металлы и сплавы можно различать по внешнему виду, например чугун от стали, сорта чугуна между собой. Благодаря большому содержанию углерода серый чугун в отличие от белого (передельного) имеет темно-серый цвет. Углерод в сером чугуне находится в виде мельчайших чешуек графита, и поэтому свежеобработанная поверхность чугуна пачкает руки
Значительно труднее различать стали разных марок. Наиболее распространенный признак отличия — величина зерен (кристаллов) в месте излома. Крупные зерна бывают у сталей с малым содержанием углерода. С повышением процентного содержания углерода в стали ее строение становится мелкокристаллическим
Другой, более верный, но также довольно грубый способ различия марок сталей состоит в пробе „на искру". Для этого стальной образец затачивают на наждачном круге. Мелкие частички стали нагреваются и, отделяясь от образца, светятся и сгорают в воздухе. По длине, цвету и форме снопа искр опытный глаз может определить марку стали. При взятии этой пробы важно соблюдать следующие требования: выдерживать постоянной силу нажатия образца на наждачный круг, сохранять одинаковую площадь его соприкосновения с наждачным кругом и производить пробу разных сталей на одном и том же наждачном круге. Если эти условия выполнены, довольно ясно видно различие искр испытываемых образцов стали. На рисунке 13 приведена таблица, позволяющая приблизительно определять марку стали. Обращают на себя внимание различия формы „звездочек" и „утолщения" на концах искр, их цвет и длина.
Чем больше в стали углерода, тем быстрее происходит сгорание частичек стали в воздухе. Увеличивается количество „звездочек" на концах искр, укорачивается пучок искр, которые принимают темно-красный цвет. Опытный специалист может определить таким путем наличие углерода в стали с точностью до 0,2%
Приближенную пробу стали на твердость можно произвести даже при опиливании напильником. В тех случаях, когда сталь идет на изготовление деталей путем гибки или листы ее соединяются швом („железные" крыши, баки, ведра), производят испытание „на изгиб". При этом металлическую полосу или край листа сгибают до соприкосновения прилежащих сторон. В месте сгиба, особенно по наружному краю, не должно образовываться трещин и разрывов. При холодной штамповке деталей берут пробу на выдавливание. При иных способах технологической обработки производят соответствующие пробы.
25
например „на свариваемость", „на отбортование" труб, „на обжатие" и т. д.
Точные данные о химическом составе образца стали или ее механических свойствах может дать только полный анализ с помощью приборов в заводской лаборатории. В школьной мастерской редко можно найти сортовую сталь с указанием ее марки, и поэтому пробы „на изгиб" и „на искру" являются наиболее доступными в школьных условиях.
§ 10. Термическая обработка металлов
В процессах обработки металлов и сплавов их свойства не остаются постоянными, а изменяются и иногда весьма значительно. Эти изменения приводят к повышению или уменьшению твердости металла или к изменению других свойств. Намеренное изменение свойств металлов производится термической обработкой.
Термической обработкой металлов и сплавов называют изменение их свойств путем нагревания, выдержки и охлаждения. Изменение внутреннего строения металлов приводит к изменению их механических свойств: твердости, прочности, пластичности, вязкости.
Не все металлы в одинаковой степени поддаются термической обработке. Некоторые из них почти не изменяют свои свойства при термической обработке, другие изменяют их очень мало, третьи — весьма значительно. Наиболее чувствительна к термической обработке сталь. Низкоуглеродистые стали, содержащие менее 0,3% углерода, слабо изменяют свои свойства, среднеуглеродистые—уже заметно, а инструментальные — очень сильно.
Широко применяют следующие виды термической обработки стали: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.
Отжигом называется процесс нагревания стального изделия до температуры 750 — 860° (критическая точка), а затем очень медленного его охлаждения в течение нескольких часов, часто вместе с нагревательной печью. При отжиге устраняются внутренние напряжения в металле, возникшие ранее от неравномерного остывания, и уменьшается твердость. Отжиг бывает необходимым и потому, что в процессах литья, прокатки и ковки охлаждение стальных изделий происходит неравномерно по толщине металла, они получаются у поверхности более твердыми и с трудом поддаются обработке резанием.
Нормализация отличается от отжига только тем, что стальное изделие остывает на воздухе, причем значительно быстрее, чем при отжиге. Нагрев изделий производится до тех же температур, что и при отжиге. При нормализации сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру, но ее прочность и твердость получаются несколько выше, чем при отжиге. Нормализации подвергаются, например, малоуглеродистые мягкие стали
26
(конструкционные). По сравнению с отжигом нормализация более экономичная операция, так как не требует охлаждения печи.
Закалкой называется процесс нагревания стальных изделий до температуры 750 — 790° (или несколько выше), выдержки при этой температуре, в течение которой происходит перестройка структуры металла, и быстрого охлаждения. При закалке резко возрастает твердость стали, ее прочность, но снижается вязкость. Многие ответственные детали машин, изготовляемые
из стали, подвергают закалке, например коленчатые валы,
шарикоподшипники и почти все инструменты.
Температура нагрева стали для закалки зависит от ее химического состава. На рисунке 14 приведен график изме-
"с woo
нения температур закалки (заштрихованная часть) для сталей с различным содержанием углерода.
Нагревание изделий для закалки производят в камерных газовых или электрических печах или в соляных печах-ваннах. Электрические печи (муфельные), удобны тем, что нагрев в них производится равномерно и металл не соприкасается с потоком газов, образующихся при сгорании топлива. Кроме
того, в них легко регулировать температуру нагрева. Наиболее
"О 0,2 0,4 0,6 О,В f,0 f,2 f.4 f,6
Рис. 14. Интервал температур нагрева сталей для закалки.
совершенными являются электрические печи-ванны, где в качестве материала, нагревающего детали, служат расплавленные соли (поваренная соль, хлористый калий, сода и другие)! находящиеся в огнеупорном тигле. Детали в такой ванне очень быстро нагреваются, совершенно не соприкасаются с атмосферой и легко могут быть нагреты лишь частично.
Выдержка деталей при температуре нагрева продолжается от нескольких минут до получаса, в зависимости от толщины детали. Чем массивнее деталь, тем большее время необходимо для выравнивания температуры по всей толщине металла. По истечении времени выдержки деталь опускают в охлаждающую среду: воду, масло или растворы солей в воде. Решающее значение в процессе закалки имеет быстрота охлаждения. Чем больше необходимость повысить твердость детали, тем быстрее нужно производить ее охлаждение. Наибольшую быстроту дает 10-процентный раствор поваренной соли в воде, несколько меньшую — вода и малую — машинное масло. Во избежание коробления и неравномерной закалки рекомендуется погружать детали
27
в охлаждающую жидкость быстро и после погружения перемещать их в ней.
Если по назначению детали необходимо сделать твердой топвко ее поверхность, то прибегают к способу поверхностной закалки. В этом случае быстро нагревают до необходимой температуры только тонкий, поверхностный слой и закаливают его, а сердцевина детали остается вязкой и мягкой. Такой нагрев можно сделать с помощью газовой горелки, развивающей 'высокую температуру, или токами высокой частоты. Этот способ позволяет легко регулировать глубину и равномерность прогрева и отличается высокой производительностью.
Отпуск. Для уменьшения хрупкости закаленную сталь подвергают отпуску. Отпуск заключается в повторном нагреве, но уже до более низких температур, чем при закалке, с последующим охлаждением. Различают низкий отпуск — нагрев до температуры 200 — 330°, средний — до 500° и высокий — до 700°. Наиболее часто применяют низкий отпуск. Низкий отпуск производят в масляных и соляных ваннах, а часто и на воздухе. В последнем случае температуру отпуска легко контролировать по появлению цветов побежалости. Так называется похожая на радугу гамма цветов, появляющаяся на зачищенной до блеска поверхности.куска стали при нагревании. Каждому цвету соответствует своя температура. Более высокая температура соответствует и более глубокому отпуску.
По прилагаемой таблице можно довольно точно определить температуру нагрева.
Цвет побежалости Температура в °C
Светло-желтый 290
Соломенно-желтый 940
Коричнево-желтый 260
Корнчнево-красный . 265
Пурпурно-красный 275
Фиолетовый 285
Васильково-синий 295
Светто-синий 315
Серый 330 и выше
Нагретую до необходимой температуры отпуска деталь охлаждают в воде и тем самым прекращают отпуск на требуемой ступени.
Цементация. Для повышения твердости поверхности деталей из малоуглеродистых сталей производят цементацию — науглероживание поверхностного слоя на глубину от нескольких десятых долей до 1—2 мм. Увеличение содержания углерода в стали, помимо повышения износоустойчивости деталей, позволяет производить их закалку.
28
Различают цементацию твердыми карбюризаторами (веществами, содержащими углерод) и газовую цементацию.
В первЬм случае детали укладывают в железный ящик и засыпают смесью древесного угля с углекислыми солями. Ящик ставят в печь и выдерживают там в течение 5—10 часов при температуре 850—950°. Углерод проникает в поверхностный слой детали и тем самым повышает поверхностную твердость
Газовую цементацию также производят при высокой температуре, но карбюризатором служит чаще всего метан, углерод которого входит в химическое соединение с железом. Газовая цементация протекает в два-три раза быстрее, легче поддается регулировке и намного производительнее цементации твердыми карбюризаторами.
После цементации детали, как правило, подвергают закалке и отпуску.
§ 11. Защита металлов от коррозии
Коррозией называется процесс разрушения металлов и сплавов под воздействием внешней среды. Типичными примерами коррозии является ржавление стали, разъедание подводных ча стей судов морской водой, разрушение деталей химическом аппаратуры год влиянием растворов солей и кислот, от действия высокой температуры и т. д.
Известно, что от коррозии ежегодно пропадает до 10% всех добываемых металлов. Это огромные потери, и борьба с ними приобретает серьезное значение. Для борьбы с коррозией применяют следующие способы:
Легирование — процесс сплавления стали с другими металлами, значительно улучшающими ее свойства. Коррозионная стойкость стали возрастает, если в ее состав входят не поддающиеся окислению на воздухе металлы. Таким путем получают нержавеющую сталь, в которой легирующими элементами являются хром (12—18%) или никель (4 — 8%)
Оксидирование — нагрев стального изделия и охлаждение в минеральном масле. На поверхности стали образуется тонкая пленка окисла черного цвета, защищающая ее от ржавления Такое покрытие называется оксидированием или воронением стали. Оксидирование часто применяется для покрытия оружия: пистолетов, охотничьих ружей и т. п.
Металлическое покрытие. В целях экономии стойких от коррозии металлов ими покрывают металлические изделия только поверхностным тонким слоем. Для покрытия стальных изделий широко применяются цинк (оцинкованное железо) и олово (луженая жесть). Это покрытие осуществляется погружением деталей с тщательно очищенной поверхностью в расплавленный металл или гальваническим способом с помощью постоянного электрического тока (никелирование, хромирование).
2d
Окраска. Самый простой и распространенный способ .предохранения металлов от коррозии — это покрытие их красками, лаками и эмалями. После высыхания растворителя изделие оказывается защищенным слоем краски или эмали, который, кроме защиты от коррозии, придает металлу желаемый цвет.
Смазка. Предохранение металлических изделий от коррозии хорошо осуществляет слой густого масла, которое выполняет эту роль так же, как краски, но в отличие от них легко может быть удалено в случае необходимости. Смазка маслом широко применяется для защиты от коррозии станков, инструментов, оружия и т. д.
Контрольные вопросы
1. Какими общими свойствами обладают металлы?
2. Какими способами определяют основные механические свойства металлов?
3. Расположите по степени убывания твердости следующие металлы: олово, медь, свинец, чугун, алюминий, сталь.
4. Определите предел прочности медной проволоки (измерением минимального груза, разрывающего образец проволоки диаметром 0,4—0,5 мм).
5. Для чего применяют отжиг и нормализацию стали?
6. В чем сущность и назначение закалки и отпуска стали?
7. Охарактеризуйте основные способы защиты металлов от коррозии.
ГЛАВАIII
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ЛИТЬЕМ И ДАВЛЕНИЕМ
Для изготовления деталей машин и механизмов металлы и их сплавы подвергают различным видам обработки. Форма н размеры изготовляемых деталей, требования, предъявляемые к ним, и свойства металла определяют виды обработки.
В машиностроении широко распространены следующие виды обработки металлов: литье, давление (ковка, штамповка, прокатка, волочение), резание (точение, фрезерование, сверление, строгание и другие), сварка, лайка и термообработка.
Литье является одним из древнейших способов изготовления деталей. Литье заключается в том, что расплавленный металл заливают в специальную литейную форму, в которой он, остывая, затвердевает н сохраняет ее очертания. Деталь, полученная таким образом, называется отливкой. С помощью литья изготовляют отливки из чугуна, стали, алюминия, бронзы, латуни и других металлов и сплавов.
Процесс получения отливки состоит из следующих операций:
1. Изготовление модели и стержневых ящиков.
30
2. Изготовление стержней и их сушка.
3. Формовка по модели.
4. Заливка формы металлом.
5. Выбивка и очистка отливки.
Рис. 15. Модельный комплект и отливка:
а — модель; б — форма; в — стержневой вщик, г — стержень, д — отливка; е — деталь^ 1 и 2 — опока; 3 — литник; 4 — штырь; <5 — выпор.
Модель (рис. 15, а), изготовляют из дерева или из металла (очень редко). Она представляет собой разъемную копию той
31
детали, которую необходимо отлить. Размеры модели делают несколько больше размеров детали. Это вызывается усадкой металла, т. е. уменьшением его размеров при остывании, которое колеблется в зависимости от сорта металла от 0,3 до 3,9%. Наибольшую усадку дают стали (1,4 — 2%), наименьшую — алюминиевые и магниевые сплавы (0,3 — 1,2%).
§ 12. Изготовление литейной формы
Литейная форма (рис. 15 б) представляет собой две опоки — металлические ящики без дна (1 и 2), заполненные формовочной землей, с пустотой, имеющей форму детали для отливки, и от-
Рис 16. Инструменты дтя ручной формовки:
1 — трамбовка; 2 — карасик; У—подъемник 4 — крючок; 5— ; ла лижа; о — душник, 7 — лопата.
верстиями (3) для заливки формы жидким металлом (литники). Положение опок фиксируется штырями (4). Формовочная земля состоит из смеси речного песка (до 90 — 95%), глины (2—10%) и связывающих веществ (формовочная смесь). Формовочная земля
32
моде,™.
ваетд должна быть пластичной, достаточно прочной после утрамбовки, осты8!|; огнеУпоРн°й и газопроницаемой. Формовку по модели производят,
Рис. 17. Изготовление литейной формы.
а — ж — последовательные стадии заполнения формы: з — отливка, 7 — подмодечьная доска;
2 i-7 — модель втулки, 3 — опока, 5—модель литника, 6—модель выпора, 7 — стержень'.
В стержневом ящике формуют стержни (рис. 15, г), которые затем высушиваются. Стержни служат для образования пустот в отливке.
2 В. П. Беспалько 33
I
Для ручной формовки применяются следующие инструменты (рис. 16): трамбовка (1), лопата (7), карасик (2), гладилка (5), крючок (4), душник (6), подъемник (3).
Последовательность операций при изготовлении литейной формы втулки показана на рисунке 17. На подмодельную доску (1) кладут половину модели (2) и ставят нижнюю опоку (3). Модель припудривают припылом из ликоподия, чтобы к ней не приставала формовочная земля, и обсыпают через сито (рис. 17,6) облицовочной смесью, лучшей по качеству, чем формовочная земля, слоем в 20 — 30 жм. Слой этот уплотняют руками и обсыпают наполнительной смесью (рис. 17, в) (формовочной землей) с таким расчетом, чтобы после утрамбовки опока была заполнена вровень с краями, и выравнивают землю линейкой.
Для выхода газов воздуха и паров воды, при заливке в сырых формах накалывают отверстия душником (рис. 17, г).
После этого нижнюю полуформу накрывают второй подмодельной доской и переворачивают ее. Первую подмодельную доску снимают, присыпают поверхность разъема разделительным песком, чтобы полуформы при соединении не слипались. Затем на заформованную половину модели накладывают вторую ее часть (4). Направляя шипы в отверстия нижней опоки, ставят верхнюю опоку (рис. 17,6), и фиксируя ее штырями, вставляют модели литника (5) и выпора (6) (рис. 17, е). Заполняют верхнюю опоку формовочной землей в том же порядке, как и нижнюю.
После утрамбовки земли, накалывания отверстий и прорезки карасиком литникового канала верхнюю опоку снимают, ввинчивают подъемники, делают „расколотку“ (расталкивание) половин моделей, чтобы от них отстала формовочная земля, и вынимают их из формы.
Гладилками и карасиками подправляют форму, крючками удаляют осыпавшуюся землю и внутреннюю полость формы покрывают формовочной краской или припыливают молотым древесным углем, чтобы формовочная земля не приставала к металлу. После этого в форму укладывают стержень и собирают ее (рис. 17, ж).
Для ускорения формовочных работ теперь все шире применяют формовочные машины. Уплотнение формовочной земли, ее прессование и встряхивание производится механическим путем. Механизировано и изъятие моделей из формы. Применение формовочных машин повышает производительность труда рабочих в 10—20 раз, намного упрощает и облегчает процесс формовки.
§ 13. Получение отливок
Заливку металла производят как в сырые, так и предварительно высушенные формы.
Сушку форм и стержней применяют при сложных отливках, где требуется высокая их прочность и хорошая газопрони
34
цаемость. Сушка производится в сушильных камерах и шкафах. Собранные и подготовленные к заливке формы устанавливают в литейном цехе в порядке, удобном для заливки.
Предназначенный для литья металл расплавляют в специальных печах. Например, чугун плавят в вагранках — печах, которые напоминают по устройству маленькую доменную печь. Для плавки сталей применяют малые бессемеровские конвертеры, а для легированных сталей — дуговые и индукционные электрические печи. Для плавки алюминиевых и цинковых сплавов, требующих более низкой температуры, широко применяются электропечи сопротивления, где нагревание производится спиралями сопротивления.
Металл для литья нагревается несколько выше температуры плавления, что улучшает его текучесть и обеспечивает хорошее заполнение формы. Например, нормальной считается температура заливки чугуна 1250—1300°, тогда как его температура плавления — 1100°.
Для измерения температуры нагрева металла служат оптические и термоэлектрические пирометры, позволяющие вести строгий контроль за ходом плавки.
Из печей расплавленный металл выпускают в ковши, которыми его разливают по формам. Для небольших отливок применяют ручные ковши емкостью в 20 — 50 кг, для крупных — большие ковши, передвигаемые при помощи кранов.
Жидкий металл заливается в формы через литники непрерывной струей, чтобы отливка получилась однородной. Воздух и образующиеся от соприкосновения формы с расплавленным металлом газы уходят через выпоры и отверстия, сделанные душником. Форму наполняют до тех пор, пока металл не покажется в выпорах и прибылях. Это делается для того, чтобы в отливках не получались усадочные раковины.
После полного охлаждения и затвердевания металла отливки выбивают из форм, а стержни из отливок. Выбивку производят вручную или с помощью пневматических вибраторов и выбивных решеток. Иногда применяют гидравлическую выбивку — выбивку струей воды под давлением до 100 ат.
Литники и выпоры удаляют после выбивки отливок из форм ударами молотка или обрезают дисковыми пилами. В отливках из прочных легированных сталей их срезают газовой или электрической резкой.
Очистку отливок от пригоревшей земли производят во вращающихся барабанах, куда вместе с отливками загружают „звездочки" — фасонные отливки из белого чугуна. При вращении барабана и отливки звездочки, задевая об отливку, счищают с нее приставшую землю. Крупные отливки очищают от земли пескоструйными аппаратами, в которых струя сжатого воздуха бьет песком по отливке.
2«
35
§ 14. Специальные методы литья
Процессы литья непрерывно совершенствуются. Теперь, кроме обычной заливки, о которой мы говорили, все шире применяют литье в металлические формы (кокильное литье). Кокильное литье позволяет получать отливки, выполненные с большой точностью и высокой чистотой поверхности, так что эти отливки уже не требуют последующей обработки. Кроме того, металлические формы могут служить для производства многих тысяч отливок, в то время как земляные — только для одной отливки.
Одним из широко применимых способов кокильного литья является литье под давлением, при котором расплавленный металл заливает форму не столько под давлением силы тяжести, сколько под давлением сжатого воздуха. Благодаря этому заполнение форм происходит очень быстро, металл не успевает при этом охладиться и легко проникает в полости очень сложных форм. Этим методом изготовляют мелкие фасонные детали из сплавов цветных металлов (электроарматура, радиодетали, детали приборов и т. п).
Для получения отливок, имеющих форму тел вращения (трубы, снаряды), применяют центробежное литье. В этом случае отпадает необходимость в стержнях и благодаря действию центробежных сил обеспечивается хорошее заполнение формы.
Наиболее высокую точность дает литье по выплавляемым моделям, которое называют поэтому прецизионным (точным). Сущность его состоит в том, что формовку производят по точно изготовленной восковой модели, которую затем выплавляют. Отливки, полученные этим методом, не требуют последующей механической обработки.
§ 15. Ковка
Обработка металлов давлением основана на способности металлов изменять свою форму под действием силы не разрушаясь, не давая трещин и разрывов (пластичность). В нагретом состоянии у металлов увеличивается пластичность, и они легко поддаются ковке. Обработке ковкой подвергают главным образом стальные изделия.
Ковка, наиболее древний способ обработки металла давлением, состоит в следующем: стальная заготовка нагревается в горне или нагревательной печи до температуры выше 900°, при которой металл становится пластичным. После этого ударами молота металлу, лежащему на наковальне, придается необходимая форма. Изделие, полученное в результате ковки, называют поковкой.
Различают ручную и машинную ковку. Ручная ковка применяется для мелких ремонтных работ. Машинная ковка — ковка
36
на молотах и прессах. Она во много раз производительнее ручной и позволяет обрабатывать очень крупные детали.
Основные операции ковки: вытяжка, осадка, гибка, прошивка отверстий, рубка, кузнечная сварка.
Вытяжка (от слова „вытягивать") представляет собой увеличение длины поковки за счет уменьшения ее поперечного сечения. Для этого заготовку после каждого удара молота поворачивают с таким расчетом, чтобы она, сохраняя при ковке форму своего сечения, удлинялась до необходимой величины. Для ускорения операции вытяжки иногда применяют разгонку.
Рис. 18. Примеры операций свободной ковки:
а и б — высадка, в — вытяжка г — рубка; д — прошивка; е — сварка; ж — выглаживание; з — обжимка.
Осадка — операция, обратная вытяжке. При ней длина поковки уменьшается, а поперечное сечение увеличивается. Если осадка делается не по всей длине, а только в некоторой части, ее называют высадкой.
Гибка применяется при изменении контура заготовки. Например, при изготовлении кольца из прямого стержня или при сгибании полосы под углом.
Прошивкой называют операцию получения сквозных отверстий в теле заготовки. В зависимости от формы применяемого бородка можно получить круглые, квадратные, прямоугольные и другие отверстия.
Рубка — отделение части металла от целой заготовки — производится за один или за два удара молотом. Во втором случае сначала заготовку надрубают с одной стороны, а затем, перевернув ее на 180е, окончательно разрубают.
37
Кузнечная сварка металлов производится с предварительной подготовкой свариваемых деталей (подгонка и осадка), которые затем нагревают до ярко-белого цвета (1350—1450°) и соединяют ударами молота. Чтобы удалить из шва окалину, место сварки посыпают бурой, затем очищают от образовавшегося шлака и, наложив друг на друга свариваемые концы, производят частые и легкие удары.
Кузнечной сварке поддается только малоуглеродистая сталь, содержащая углерода до 0,35%.
На рисунке 18 приведены примеры операций свободной ковки: высадка на конце (а) и в середине заготовки (б), вытяжка (в), рубка (г), прошивка отверстий на кольце (б), сварка внахлестку (е), выглаживание гладилкой (ж) и в обжимках (з). (Пунктиром показана начальная форма заготовки (а, б, е) и инструменты (г, д, ж, з).
Рис. 19. Инструменты для ручной ковки:
На рисунке 19 показаны инструменты ручной ковки.
1 — наковальня весом 100—150 кг;
2 — шперак — подставка, вставляемая в отверстие наковальни и служащая для обработки мелких заготовок;
3 — формы, гнезда и отверстия, которые служат для калибровки в них заготовок;
4 — ручник — молоток кузнеца, весом до 2 кг;
5 — кувалды — молоток молотобойца;
38
6—клещи для удержания нагретых заготовок с плоским? и круглыми губками;
7 — гладилка для выравнивания поверхности плоских поковок;
8— подбойка для гибки полос под углом;
9—пробойники для прошивки отверстий;
10 — обжимка — з "я образования цилиндрических поверхностей иа поковке;
11 — зубило с подставкой для разрубания;
12 — пружинная|Акимка для выглаживания цилиндрических поковок; мь
13 — разгонка, о^^В.ающая операцию вытяжки.
Ручная ковка имее^^^ую производительность и неприемлема для крупных поковок, поэтому кузнечные цехи современных заводов оборудованы молотами и прессами.
Свободная ковка на молотах и прессах позволяет делать поковки любых форм. Однако свободней ковка не выгодна в массовом производстве при изготовлении тысяч одинаковых деталей, потому что при изготовлении каждой детали производится большое количество ударов молотом. В этом случае свободная ковка заменяется штамповкой.
§ 16. Штамповка
Рис. 20. Схема штамповки в одноручьевом штампе:
1 и 2 — штамп; 3 — поковка; 4 — ручей.
Штамповка в десятки раз производительнее свободной ковки и, кроме того, дает более высокую точность и чистоту поверхности. Нередко после штамповки детали не требуют дальнейшей обработки. Но для штамповки требуется изготовление стальных форм (штампов), и эти затраты могут оправдаться только при выпуске большого количества поковок.
Штамп представляет собой два стальных кубика или бруска (рис. 20), имеющих полости, точно воспроизводящие форму изделия, которые называются ручьями (4). Верхняя часть штампа (1) крепится к бабе молота, нижняя (2) — на наковальне. Заготовка (3) предварительно нагревается в горне до температуры ковки и помещается в нижнюю часть штампа.
Одним или несколькими ударами молота она заполняет ручей штампа и принимает необходимую форму (б).
Штамповка с предварительным нагревом заготовок называется горячей в отличие от холодной, когда этот нагрев не произво-
39
дится. Если деталь имеет сложную форму, то штамповка производится в многоручьевом штампе, где заготовка для обработки последовательно перекладывается из одного ручья в другой, пока не примет необходимой формы.
Заготовка обычно берется несколько большей по объему, чем требуется для поковки. Поэтому на штампованных деталях получается заусенец, образовавшийся от избытка металла и выдавленный в заусенечную канавку штампа. Отход металла на заусенец составляет в среднем около 20%. Заусенец затем обрезают специальным штампом на обрез!юу^ррессе.
Холодная штамповка применяется гл.-^ш образом для изготовления изделий из тонких полос и /тов стали, алюминия,
Рис. 21. Схема вырезки:
1 — пуансон. 2 — съемник;
3— заготовка, 4 — матрица-
Рис. 23. Гибка.
Рис. 22. Схема вытяжки при холодной штамповке: I — матрица, 2— пуансон; 3 — прижимы.
меди, латуни и других металлов толщиной до 6 — 8 мм, обладающих достаточной пластичностью.
Основные операции холодной штамповки: вырезка, вытяжка и гибка. Части штампа для вырезки (рис. 21) называются пуансоном (1) и матрицей (4). Между пуансоном и матрицей помещается лист или полоса заготовки (3). При движении пуансона вниз его острые края вырезают деталь и выталкивают срезанную часть в отверстие матрицы. При подъеме пуансона остаток листа или полосы упирается в съемник (2) и снимается с пуансона. Рабочий вручную удаляет остаток листа или полосы и помещает новую заготовку. Расширение отверстия в матрице книзу (0,5—1°) делается для того, чтобы срезанная часть не могла задержаться в матрице.
На рисунке 22 показана вытяжка при холодной штамповке. Таким способом изготовляется алюминиевая посуда и другие сосуды, открытые сверху.
Чтобы не рвать лист или полосу, края пуансона (2) закруглены внизу. Такое устройство имеет и верхний обрез отверстия матрицы (1).
40
Прижим (3) служит для того, чтобы края заготовки не морщились. Зазор между пуансоном и матрицей должен быть И1 10 — 30% больше толщины листа заготовки, иначе боковые стенки изделия будут тоньше дна.
Гибка полосы штамповкой показана на рисунке 23. Размер заготовки показан пунктиром.
Холодная штамповка обычно производится на кривошипных эксцентриковых, фрикционных прессах.
§^7. Прокатка и волочение
Прокатка — один^^ важнейших способов обработки метал ia давлением. Им обрабатывается более 75% всей получаемой ста -и. Прокаткой получают из слитков стали или цветных металлов
8 9
Рис. 24. Виды профилей проката:
/ — круг; 2 — квадрат* 3 — по юса; 4 — угольник, 5 — тавр* 6 — двутавр;
7 — корытный; 8— рельс, 9— зетовым.
сортовые материалы круглого, квадратного, полосового и фасонного профиля (тавровый, корытный, зетовый), а также листы и трубы. На рисунке 24 приведены некоторые профили проката: круглый, квадратный, полосовой, угловой, тавровый, двутавровый, корытный, рельсовый, зетовый.
41
Прокатка металлов осуществляется на специальных машинах, называемых прокатными станами. В прокатном стане металл про-
пускается в нагретом или холодном виде между вращающимися в разные стороны стальными или чугунными валками. Прижатый
к валкам слиток увлекается силой трения, возникшей между
валками и слитком. Валки
Рис. 25 Схема прокатки.
обжимают слиток и придают ему требуемый профиль. На рисунке 25 показана схема прокатки.
Первичную прокатку слитков делают на мощных станах, называемых блумингами. На блумиигах получают квадратные заготовки — блумы — с сечением от 150X 150 до 450 X X 450 мм. Листовые заготовки изготавливаются на слябингах. Блумы и слябы идут на переработку в сортовой и профильный прокат в сортовых станах. Валки сортовых станов делаются калиброванными, с ка-
навками (ручьями) по окружности. На рисунке 26 показаны валки для прокатки тавровой балки из квадратного профиля. Прокатка тавровой стали осуществляется за 6 пропусков через все калибры, начиная с первого. В каждом из калибров профиль металла все более и более приближается к тавровому сечению балки и, наконец, приобретает это сечение.
Нагревание металла до необходимой температуры (1000—1200°) перед прокаткой производится в пламенных или электрических нагревательных печах. На рисунке 27 изображена схема камерной нефтяной пламенной печи с рекуператором (1), в котором воздух, идущий в печь, предварительно нагревается уходящими
I ! О t а 8
Ч
h «е
42
продуктами горения. Таким путем удается использовать около половины всего количества тепла, уходящего из печи. Все ра-
бочее пространство печи (2) имеет примерно одинаковую температуру. Пламенные печи имеют тот недостаток, что пламя ока-
зывает окислительное действие на заготовки. От этого недостатка свободны электрические индукционные печи, находящие теперь все большее применение. В электрических печах нагрев заготовок осуществляется равномернее, так как печь имеет различную температуру по своей длине и металл
1 — заготовка, 2 — калиброванное отверстие: 3 — волочильная доска.
перемещается постепенно из менее нагретых частей
печи к более нагретым. Печи, в которых топливо не соприка-
сается с металлом, называются методическими.
43
Холодная прокатка применяется обычно только для получения тонких изделий толщиной менее 2 мм: лент для изготовления лезвий к безопасным бритвам, ученических перьев и т. п.
Для изготовления проволоки малых диаметров и точных размеров (от 0,1 до 4 мм), а также тонких труб применяется волочение. Волочение (рис. 28) заключается в протягивании заготовки (1) через калиброванные отверстия (2) в волочильной доске (3). При этом диаметры отверстий — „глазки" — постепенно уменьшаются. Размеры отверстий уменьшены с таким расчетом, чтобы не произошел обрыв проволоки. Для уменьшения диаметра проволоки необходима многократная протяжка через отверстия волочильной доски. Волочильные доски делают со вставными „глазками" (фильерами), которые изготовляются из твердых сплавов, а для проволоки диаметром менее 0,25 мм — даже из алмаза. Для уменьшения трения фильеры непрерывно смазываются струей масла.
Контрольные вопросы
1. В чем состоят преимущества литья перед другими видами обработки металлов?
2. Как изготовляется земляная литейная форма?
3. Как производится заливка форм металлом?
4. Какой обработке подвергается вынутая из формы отливка?
5. Кратко охарактеризуйте различные методы литья.
6. Назовите известные вам виды ковки. В чем их отличие друг от друга?
7. Какие инструменты применяются при ручной ковке?
8. Какие операции ковки вы знаете, и как они выполняются?
9. В чем состоят преимущества ковки в штампах?
10. Назовите основные операции холодной штамповки и объясните их сущность.
11. Каково назначение прокатки?
12. В каких случаях применяют волочение?
ГЛАВА IV
СВАРКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ
Среди способов неразъемного соединения металлических деталей сварка занимает ведущую роль в машиностроении и все более вытесняет соединение клепкой. Преимущества сварных соединений заключаются в экономии металла, времени и рабочей силы, в упрощении конструкций деталей и в облегчении труда
44
рабочих. В настоящее время широко применяются два вида сварки: электрическая и газовая. Электрическая сварка делится на электродуговую и электроконтактную.
§ 18. Электродуговая сварка и резка металлов
Электродуговую сварку впервые осуществили в конце XIX в. русские инженеры Н- Н. Бенардос и Н. Г. Славянов. Наибольшее распространение получил способ электродуговой сварки металлическим электродом Н. Г. Славянова. На рисунке 29 показан этот способ, по которому к свариваемым деталям (4 и 5) и металлическому электроду (1) через электродержатель (2)
1 — электрод; 2 — держатель; 3 — электрическая дуга, 4 и <5 свариваемые детали; 6 — шов, 7 — провода.
подводится переменный, а в некоторых случаях и постоянный электрический ток напряжением 30—60 в- Ток поступает от генератора или трансформатора мощностью не менее 5—10 кет и достигает нескольких сот ампер. В результате выделяется большое количество тепла. Прикосновение электрода к деталям приводит к образованию электрической дуги (3) с температурой 5000—6000°. Тепло электрической дуги расплавляет кромки свариваемых деталей, при этом металл электрода заполняет углубление разделки между деталями и образует шов (6).
Электроды для сварки покрывают обмазкой из мела, жидкого стекла или некоторых других веществ, которые повышают устойчивость горения дуги. Кроме того, обмазка служит защитой шва от окисления благодаря чему из металла не выгорает углерод. Диаметр электродов для сварки выбирается в зависимости от толщины свариваемых листов. Чем толще свариваемый металл, тем больше диаметр электрода.
Чтобы защитить глаза от ослепительного света электриче ской дуги, а кожу от брызг расплавленного металла, сварочные
45
работы выполняют в брезентовой одежде, в рукавицах и в шлеме или со щитком, имеющим темные стекла.
Питание дуги электрическим током осуществляется специальными сварочными генераторами или понижающими трансформа-
Рис. 30. Схема сварочного аппарата:
I — трансформатор, 2 — реактор, 3 — сердечник; 4 — рукоятка.
торами, которые обеспечивают резкое падение напряжения при возрастании силы тока. Благодаря этому ток короткого замыкания, неизбежный при зажигании дуги, не является опасным
для исправности генератора или трансформатора.
На рисунке 30 показана схема сварочного аппарата типа СТЭ. Основная его часть — понижающий трансформатор (1). Кроме первичной (П) и вторичной (В) обмоток, аппарат имеет реактор (2), который делает дугу устойчивой (она не гаснет), а изменение воздушного зазора (а) позволяет регулировать силу сварочного тока. Перемещение сердечника (3) производится рукояткой (4) вручную.
На рисунке 31 представлены типы сварных соедине-
Рис 31. Типы сварных соединений.
ний: стыковое, внахлестку, тавровое, угловое.
При стыковом соединении необходима подготовка кромок свариваемых деталей, чтобы получить шов, имеющий не менее 80% прочности целого изделии.
46
На рисунке 32 показана подготовка шва для тонких изделий (до 2 мм). Кромки свариваемых листов отогнуты под углом 90° (отбортовка), и шов накладывается сверху. Для сварки листов толщиной 2—5 мм применяется бесскосное соединение. Расплавленный металл шва заполняет просвет между листами. Изделие толщиной 5—15 мм требует подготовки кромок в виде Кобразных скосов. В этом случае металл шва заполняет образовавшееся углубление и соединяет изделия по всей тол-
Рис. 32. Подготовка кромок под сварку.
щине. Чтобы сварить изделия толщиной более 15 мм, применяют А'-образные скосы. V- и Х-образные скосы делают ручным или пневматическим зубилом и на станках. При других видах соединений такую подготовку делают в зависимости от толщины свариваемых частей.
В производстве, кроме сварки, применяется электродуговая резка металлов. Электродуговая резка металлов производится графитовым или угольным электродом с толстой обмазкой. Дугу питают током от сварочного генератора или трансформатора. Электродуговая резка дает очень неровный срез, мало экономична и трудно выполнима при большой глубине разреза. Поэтому ее применяют чаще всего для разделки лома и
47
отрезания прибылей и литников в отливках. Электродуговой резкой можно разрезать детали не только из стали, но и из чугуна и цветных металлов. В этом основное ее преимущество.
§ 19. Электроконтактная сварка
В электроконтактной сварке для нагревания свариваемых изделий используют теплоту, выделяющуюся в точке наибольшего сопротивления электрической цепи. Такой точкой является точка соприкосновения деталей, подлежащих сварке, так как в ней из-за неплотности прилегания детали площадь контакта
Рис. 33. Схема точечной сварки:
1 — свариваемые детали, 2 — электроды, 3 — место сварки.
неизбежно меньше площади сечения деталей. Существуют три вида контактной сварки: стыковая, точечная и шовная
При стыковой сварке к свариваемым деталям подводят ток напряжением 1—3 в от понижающего трансформатора. Детали сближают до соприкосновения. Через несколько секунд температура в месте стыка достигает температуры плавления металла (сварочного жара) и тогда, выключив ток, детали сдавливают друг с другом.
При точечной сварке соединяемые части деталей (рис. 33, 1) зажимаются между электродами (2), к которым подведен ток напряжением 2—10 в. Место контакта свариваемых частей вследствие большого сопротивления нагревается до температуры сварки, и под действием силы сжатия (Р) детали свариваются в точке (3) Электроды (2) изготовляются из медного сплава с большим поперечным сечением и благодаря высокой электро-и теплопроводности не привариваются к деталям. В сечении электрода плотность тока при точечной сварке может достигать
48
500—700 а'мм2. Аппараты точечной сварки очень высокопроизводительны и дают до 250—2000 точек сварки в час.
Шовная сварка применяется только для соединения тонких листов (до 1,5—2 мм) из низкоуглеродистой и нержавеющей стали, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов. Шовная машина подобна аппаратам для точечной сварки, с отличием в том, что ее электроды представляют собой вращающиеся ролики, между которыми пропускаются свариваемые листы. Главное преимущество шовной сварки — образование не только прочного, но и герметичного шва.
§ 20. Газовая сварка и резка
и присадоч-в пламени сгорающего в ки-
6
Рис. 34. Схема ацетичекового генератора.
1 — корпус, 2 — вода, 3 — колокая;
4 — реторта; <5 — кран, 6 — ко ч-пак, 7 — трубка.
При газовой сварке нагревание кромок деталей кого материала, заполняющего шов, производится какого-либо газа, чаще всего ацетилена, слороде. На рисунке 34 изображена схема устройства ацетиленового генератора. Генератор состоит из корпуса (1), заполненного водой (2), колокола (3), плавающего в воде, и реторты с карбидом кальция. Трубка для выхода ацетилена под колокол накрыта колпаком(6). Количество воды,попадающей в реторту (4), регулируется краном (5) или автоматическим приспособлением. Ацетилен поступает к горелке по трубке (7). Если горелка потребляет ацетилена меньше, чем его образуется в реторте, колокол всплывает и высота его подъема указывает количество имеющегося газа.
Сварочная горелка (рис. 35) служит для сжигания горючей смеси, которая образуется кислородом, поступающим под давлением 2—3,5 атмосфер, и ацетиленом под давлением 0,1—0,5 атмосфер.
В инжекторе струя кислорода увлекает за собой ацетилен и образует смесь, горящую в виде языка пламени у мундштука. Схема строения пламени приведена на рисунке 36. Наивысшую температуру (3200°) имеет восстановительная или сварочная зона (2), окружающая в виде синеватого ореола ослепительно-белое ядро (1). Зона (3) называется окислительной.
В зависимости от направления движения горелки различают левую и правую сварку. Левая сварка удобна для соединения листов и деталей малой толщины (до 5 мм), правая — для более толстых (свыше 5 мм). Угол наклона оси мундштука изменяется в зависимости от толщины свариваемого метал та. При сварке
49
листов толщиной 1—2 мм он равен 20°, а при сварке листов толщиной 15 мм и выше — 80°.
Присадочный материал в виде стального прутка опускается в ванночку, образующуюся при прогреве шва, и, расплавляясь, заполняет это углубление. Подготовка кромок свариваемых де-
талей осуществляется так же как и для электродуговой сварки (см. рис. 32).
Хорошо поддаются сварке малоуглеродистые конструкционные стали (до 0,3% С). Труднее свариваются легированные и высокоуглеродистые стали.
Кислород
Рис. 37. Схема газовой резки металлов:
1 — кольцевой канал; 2 — центральный канал;
3 — кислород; 4 — пламя.
I — ядро, 2 — сварочная зона; 3 — окисли* тельная зона.
В настоящее время разработаны методы сварки чугунов и цветных металлов. ,
Газовая резка основана на сгорании металла в струе кислорода. Резку металлов (рис. 37) производят специальной горелкой —
50
По направлению навинчивания различают правую резьбу, при которой гайка навертывается на болт слева направо, по часовой стрелке, и левую резьбу, при которой гайка навертывается на болт справа налево, против часовой стрелки (рис. 41).
Для соединения деталей машин широкое применение получили болты разных типов (рис. 42), которые различаются по диамет-
Треуголкная (метрическая)
ПраВзя резьба
Мая резьба
Рнс. 41. Виды резьб.
Прямоугольная
Тралеци^дидная
рам и длине резьбы, общей длине и размерам головки (ее ширине и высоте).
Государственный общесоюзный стандарт (ГОСТ) устанавливает строго определенные размеры болтов и гаек, чтобы обеспечить их взаимозаменяемость в различных машинах и сооружениях. В Советском Союзе приняты такие стандартные размеры
НолтМк с корежат! гав-к/зииео шплинтом
Рис. 42. Типы болтовых соединений.
шестигранных головок болтов и гаек: 7 мм, 9 мм, 10 мм, 11 мм, 12 мм, 14 мм, 17 мм, 19 мм, 22 мм и т. д. Соответственно этим размерам гаек и головок болтов изготавливаются и гаечные ключи.
В зависимости от назначения болтов их головки, кроме шестигранных, могут быть квадратными, прямоугольными,
55
полукруглыми (с усом и с квадратным подголовком), цилиндрическими и потайными (рис. 43).
Болты небольшого размера с цилиндрической, полукруглой потайной или полупотайной головками с прорезями (шлицами) для отвертки, а также с головкой, имеющей накатку, называются винтами.
Стержни, не имеющие головок, с резьбой иа обоих концах называются шпильками (рис. 42). Шпильки ввертывают в отверстия с резьбой при помощи специальных ключей.
Гайки для болтов, так же как и болты, могут иметь различные формы. Наиболее распространены шестигранные гайки
С полукруглой головкой С цилиндрической головкой
С потайной головкой
С полупотайной головкой
С квадратной гол о Окоп и буртиком
С головкой под отвертку
Рис. 43. Типы головок болтов п винтов.
стандартных размеров под обычные гаечные ключи. Применяются также гайки квадратные, круглые, цилиндрические, корончатые, прорезные и гайки-барашки (рис. 44). Гайки-барашки можно завинчивать и отвинчивать усилием руки, без ключа. Для того чтобы не измять поверхность скрепляемых деталей, под головки болтов и гайки подкладывают шайбы (рис. 45).
Резьбовые соединения не должны развинчиваться при движениях, толчках и ударах, которым подвергаются детали машин во время работы, и поэтому очень важно предохранить их от самоотвиичивания. Для этого применяются различные гаечные замки, например разрезная (пружинная) шайба, которая благодаря своей упругости держит гайку в затянутом состоянии; корончатые, прорезные гайки, в прорези которых закладывается шплинт, пропускаемый через отверстие в болте (рис. 42); контргайки, которые затягивают основную гайку и предохраняют ее от само-отвертывания. Резьбовые соединения деталей являются разъем-
56
ними, так как их можно разъединять, если требуется поставить новую деталь, сделать исправление и т. д.
Завинчивание и отвинчивание гаек и болтов производится гаечными ключами. На рисунке 46 показаны простые (открытые) и универсальные (или раздвижные) гаечные ключи.
Барашек
Рис. 44. Формы гаек.
Простые ключи бывают односторонними и двусторонними. Размеры зева должны соответствовать стандартным размерам гаек. В производстве приняты следующие размеры зева для двусторонних ключей (в миллиметрах): 5X7; 7X9; 9 ХИ; 12 X14; 14X17; 19X22 и т. д.
Ключи изготавливают из инструментальной, углеродистой, а иногда и легированной сталей. Головки ключей, чтобы получить достаточные твердость, упругость и жесткость, подвергают
57
закалке. Размер зева ключа должен точно соответствовать размеру гайки или головки болта, чтобы не смять их рабочие грани.
Усилия на ключ должны соразмеряться с величиной винта и шагом его резьбы. Слишком
Разрезная (пружинная)
Плоская
Рис. 45.
Шайбы.
большое усилие может сорвать резьбу, особенно мелкую, или смять рабочие грани головки болта или гайки.
Кроме простых гаечных ключей, в производстве широко применяются торцовые ключи — трубчатые или цельные, которые также бывают односторонними и двусторонними (рис. 46). 11оворотное усилие торцовому ключу передается с помощью воротка, который вставляется в отверстие ключа. При ремонте и сборке машин приме-радиусные (для круглых гаек) гаеч-
няются также накидные и ные ключи (рис. 46).
Отвертывание и завертывание винтов с прорезью (шлицем) в головке производится отвертками (рис. 47). Рабочая часть от-
вертки называется лезвием, ширина и толщина которого должны соответствовать размерам шлица. Рабочую часть отвертки, также как и головки гаечных ключей, подвергают закалке.
58
I
§ 23. Шпоночные и шлицевые соединения
Чтобы закрепить на валах или осях механизмов и машин такие детали, как маховик, зубчатое колесо или шкив, применяют шпонки. На рисунке 48 показаны клиновые, призматические, сегментные, тангенциальные шпонки. Для установки шпонок на валу и во втулке закрепляемой детали делают углубления — шпоночные канавки по формам и размерам шпонок (й, I, Ь).
Клиновые шпонки держатся благодаря силам трения. Так как установка клиновых шпонок требует иногда больших усилий, их устанавливают ударами молотка. Клиновая шпонка вы-
перекос детали иа валу, что является ее
зывает некоторый
Лризматемая
Сегментная
f
Т
Тангенциальная
Д—
Рис. 48. Шпонки.
существенным недостатком. Клиновые шпонки, установленные в канавках вала и втулки, называются врезными. Иногда врезные шпонки изготавливаются с головками, которые облегчают выталкивание шпонки из паза при разборке соединения.
Врезную шпонку применяют для соединения деталей, которые передают большие вращательные усилия. Если эти усилия не слишком велики, то на валу вместо канавки делают просто плоскость (лыску). Такую клиновую шпонку называют шпонкой на лыске.
Призматические шпонки изготавливаются всегда врезными. Они вкладываются в канавку иа валу или во втулку свободно (но без качки) и легко вынимаются при разборке. Призматические шпонки употребляются и тогда, когда требуется перемещение детали (например, зубчатого колеса) вдоль вала, на котором она помещается. Такая шпонка укрепляется в канавке вала с помощью винтов. Чтобы деталь могла легко скользить по валу и в то же время обеспечивалась точность подвижного соединения, призматическая шпонка должна быть точной по размерам.
Кроме клиновых шпонок, имеющих форму продольных клиньев, для скрепления деталей нередко применяют металлические попе-60
речные клинья, например шатуны велосипеда закреплены с помощью клиновых болтов-клинков. Клинья используют также для закрепления муфт на валу, соединения деталей паровых машин и т. п. Клин с небольшим углом уклона иногда называют чекой.
Обычно чека применяется для таких соединений деталей, которые требуется часто разбирать или подтягивать.
Для скрепления деталей применяются также штифты (рис. 49), цилиндрические или конические стержни, которые плотно подгоняются к отверстиям в деталях. Примерами могут служить соединения винта с подвижной губкой слесарных параллельных тисков, маховиков и рукояток с винтами токарного станка. Нередко штифты применяются для таких соединений, где требуется достигнуть строго определенного положения собираемых деталей; такие штифты называются установочными и применяются при сборке узлов станков, двигателей внутреннего сгорания и других машин.
Шлицевые соединения применяются в передаточных механизмах для соединения валов с зубчатыми
колесами и муфтами, например, в коробках скоростей металлорежущих станков и автомобилей. Шлицевое соединение напоми-
Рис. 49. Штифты
нает шпоночное, только вместо одной канавки по всей окружности вала делается несколько канавок и выступов (шлицев) прямоугольного, треугольного или фасонного профиля. Точно такие же шлицы делаются в ступице детали. Благодаря шлицам
легко достигается продольное перемещение детали по валу.
Хотя шлицевые соединения более сложны по своему устройству и способам изготовления, чем соединения шпоночные, их преимущества бесспорны: они обеспечивают точное расположение детали на валу, позволяют передавать очень большие вращающие усилия, долговечны и износоустойчивы.
Для того чтобы шлицевое соединение работало безотказно, необходимо держать в чистоте и систематически смазывать трущиеся части движущихся деталей.
В некоторых машинах детали шлицевого соединения туго насаживаются друг на друга, т. е. соединение делается непод-
вижным, например сошка и вал механизма рулевого управления автомобиля.
§ 24. Заклепочные и сварные соединения
Заклепочные соединения применяются для неразъемного скрепления деталей (рама машины, мосты и т. п.). В заклепочных соединениях детали соединяют „внахлестку" (друг на друга) или с помощью дополнительных накладок „встык" (рис. 50).
61
Для этого размечают места для заклепок, просверливают или пробивают отверстия. В отверстия закладывают заклепки — цилиндрические стержни из мягкой стали, меди или алюминия в зависимости от материала склепываемых деталей и требований к прочности соединения. Головки заклепок могут быть полукруглыми, потайными или полупотайными (рис. 51).
Заклепка должна быть такой, чтобы ее конец выступал над поверхностью склепываемых деталей на длину, равную примерно
Шов О нахлестку
Шов Встык с наклаЗкоО
Рис. 50. Заклепочные соединения.
полуторам диаметрам заклепки. Это необходимо для того, чтобы расклепыванием образовать вторую, „замыкающую" головку.
Крупные стальные заклепки (диаметром более 10—12 мм) предварительно нагреваются и расклепываются в горячем виде. Заклепки малых размеров или изготовленные из мягкого материала расклепываются без нагревания.
В процессе клепки под головку заклепки, вставленной в отверстие, подставляют поддержку — стержень с углублением по форме головки, опирающийся на массивную и прочную опору, например стальную плиту. Затем наносят равномерно удары
С круглой головкой
С потайной головкой
Рис. 51. Виды заклепок.
-М-Н-------L------I
С полупитайной головкой
молотком по выступающему концу заклепки и образуют предварительную форму головки. Окончательную форму замыкающей головке придают с помощью специальной оправки-обжимки, которая имеет полукруглое углубление.
При большом объеме работ по клепке вместо молотка применяют механизированные инструменты: пневматические молоткн или электрические клепальные машины.
Место полученного заклепочного соединения называют швом. Если соединяемые части должны выдерживать большую нагрузку (мосты, здания и т. п.), то шов делается прочным. Там, где требуется не только большая прочность, но и высокая гер-
62
неточность соединения (паровые котлы, цистерны, баллоны, содержащие газ или жидкость под давлением), применяют прочноплотные швы.
Заклепка в шве подвергается боковым сдвигающим усилиям (рис. 52), которые могут срезать заклепку, если будут достаточно большими. Кроме того, если заклепка ставится в горячем виде, на нее действуют и растягивающие силы, так как она при остывании делается короче и сильно сжимает склепываемые части.
При выполнении заклепочных соединений надо правильно выбрать форму шва, расположение и количество отверстий, размеры и материал заклепок, чтобы соединение выдерживало испытываемые нагрузки.
Заклепочные соединения имеют ряд недостатков: процесс их выполнения довольно трудоемкий (разметка, сверление отверстий, склепывание), требующий сравнительно сложного оборудо-
вания; сами соединения не- Рис. 52. Усилия в заклепочном соеди-достаточно прочны, так как нении,
отверстия ослабляют сечение материала; соединения получаются громоздкими и тяжелыми. Поэтому вместо склепывания все шире применяются сварные соединения.
Сварные соединения выполняются гораздо быстрее чем заклепочные, и с применением довольно простой аппаратуры. Прочность сварных швов значительно выше швов заклепочных при том же расходе материала. Поэтому применение сварки позволяет получать конструкции более легкие и прочные, чем при склепывании.
§ 25. Валы и оси
Части машин и механизмов могут вращаться, двигаться поступательно или колебаться, передавая свое движение и усилия другим деталям. Наиболее распространенным движением является вращательное, при котором осуществляется вращение различных деталей на валах и осях.
Вал представляет собой тело вращения цилиндрической, конической и другой формы, опирающееся на две или несколько опор. На валу закрепляются шкивы, зубчатые колеса, маховики и т. п. Некоторые из этих деталей, называемые ведущими, получают вращательное движение от постороннего источника энергии (двигателя). К другим деталям вращение передается валом. Они называются ведомыми. Таким образом, вал при своем движении
63
Момент сопротивления
Рис. 53. Передача вращающего момента.
вращающий х момент
обязательно передает усилие (вращающий момент), а поэтому испытывает деформации кручения и изгиба (рис. 53).
Валы (рис. 54) по форме разделяются на прямые или изогнутые (коленчатые), целые или составные (собранные из нескольких частей), сплошные или полые (пустотелые).
Широкое распространение получили коленчатые валы. Они применяются в двигателях внутреннего сгорания, в паровых машинах, поршневых насосах (компрессорах). Длинные валы, например гребные валы кораблей, из-за сложности их
изготовления делают составными (разъемными). Полые, или трубчатые, валы применяют тогда, когда необходимо умень-
Коленчатый
Рис. 54. Виды валов.
шить их вес или пропустить через внутреннее отверстие вала другие дехали. Например, шпиндели токарных, револьверных и
64
других станков делаются полыми. В их отверстия вставляются прутки обрабатываемого металла.
Рис. 55. Виды осей.
Шип
Рис 56. Цапфы.
Если вал не передает вращательного движения, а только поддерживает вращающиеся части, его называют осью. Таким образом, ось в отличие от вала не
ШеиЬг '
испытывает кручения, а подвергается лишь изгибу.
Оси (рис. 55) делятся на неподвижные (например, оси колес велосипеда, мотоцикла, передних колес автомобиля) и подвижные,
которые вращаются вместе с закрепленными на них деталями (например, оси железнодорожных и трамвайных прицепных вагонов).
Валы и оси воспринимают во время работы большие нагрузки. Поэтому их изготавливают из углеродистой конструкционной стали, подвергают обработке давлением и проверяют на прочность. Оси и валы быстроходных и тяжелых машин изготавливают из высококачественных (ле-
гированных) сталей, а для повышения прочности еще подвергают дополнительной термической обработке.
Часть вала или оси, которая находится на опоре (например, на подшипнике), называется цапфой (рис. 56). Цапфа, находя-
Пяты
Плоская
Рис. 57. Пяты.
Кольцевая
3 В, П. Беспалько
65
щаяся на конце вала или оси, называется шипом. Цапфа, расположенная в промежутке между другими деталями, называется шейкой. Если на вал или ось действует продольная (осевая) нагрузка, то цапфа этого вала или оси называется пятой (рис. 57).
Для того чтобы цапфа не сдвигалась на опоре продольно, ее диаметр делают меньше диаметра вала, что образует упорный заплечик.
Размеры шипов и шеек выбираются с таким расчетом, чтобы они могли выдерживать большие нагрузки, быстро меняющиеся во время работы машины. Примером может служить работа валов прокатных станов, молотов и прессов.
§ 26. Подшипники
Опоры, на которые опираются шипы, шеики и пяты при вращении вала или оси, называют подшипниками или подпятниками. На эти опоры передаются усилия от движения валов или
осей и поэтому к их прочности предъявляются особые требования. Так как при движении шипа в подшипнике всегда возникает трение, шипы, шейки и пяты, а т^к же подшипники, на которые они опираются, обрабаты-
а
б
Рис. 58. Подшипники скольжения:
а — глухой; б — разъемный.
Баются с высокой точностью и чистотой. Кроме того, места соприкосновения цапф и опор регулярно смазывают.
Различают подшипники скольжения и качения. Если цапфа скользит по поверхности опоры, то такой подшипник называют подшипником скольжения. Если цапфа не скользит по поверхности опоры, а вращается вместе с частью подшипника, в таких подшипниках трение скольжения заменяется трением качения и их называют подшипниками качения.
Подшипники скольжения в зависимости от условий работы могут иметь различные формы и устройство. Если вал не несет
66
I. Для прохожде-
большой нагрузки и вращается с небольшой скоростью, подшипники изготавливаются глухими, неразъемными (рис. 58, а). Их делают по размерам вала или прямо в корпусе механизма, или вкладывают в него. Для уменьшения трения и увеличения срока работы глухих подшипников в них запрессовывают втулки из бронзы или других антифрикционных сплав ния масла в глухих подшипниках высверливаются отверстия.
Для валов, которые работают с большими нагрузками и вращаются быстро, применяют разъемные подшипники. Разъемный подшипник (рис. 58, б) состоит из корпуса (1), крышки (2), разъемного вкладыша (3), состоящего из двух половин, и болтов (4),которыми крепится крышка к корпусу. Устройство такого подшипника позволяет легко устранять зазоры между цапфой и вкладышем,образующиеся по мере износа. Вкладыши изготавливаются из бронзы или из чугуна и заливаются баббитом.
Если валы работают под переменными и большими нагрузками, вызывающими их
изгиб, применяют самоустанавливающиеся подшипники скольжения, в которых вкладыши могут поворачиваться на некоторые углы во время изгибов вала.
При вертикальной установке вала применяют подпятник. Подпятник — один из видов подшипников скольжения или качения (рис. 59). Подпятники могут быть сложными по конструкции в случаях, когда на валу имеются несколько последовательно расположенных кольцевых выступов. Их поверхности образуют так называемую гребенчатую пяту. Для того чтобы обеспечивалась бесперебойная смазка подшипников скольжения, во втулках делаются канавки и отверстия и применяются простые, фитильные, капельные или колпачковые масленки. В простых
масленках масло наливается в сосуд, имеющий набивку из шерстяных волокон или фетра, которая обеспечивает постепенную смазку. В фитильных масленках масло поднимается по фитилю и постоянно смазывает шейку. В капельных — масло капля за каплей подается через отверстие к месту трения.
Для более густой смазки (тавот, солидол, вазелин) применяют колпачковую масленку (рис. 60), которая набивается смазкой, постепенно выдавливаемой в подшипник туго навинченной крыш» кой.
Рис 59 Подпятник с подшипником каче-НИЯ.
А — пята; I — неподвижная обойма, 2 — подвижная обойма.
Рис. 60. Колпачковая масленка:
1 — колпачок; 2 — воронка; 3 — резервуар; 4 — канал.
3'
67
Для смазки подшипников применяют также специальные кольца, вращающиеся вместе с валом и непрерывно подающие масло к местам трения. Быстро вращающиеся части требуют смазку под давлением, которое образуется специальным насосом.
Подшипники качения разделяются на шариковые, роликовые и игольчатые. Они состоят из двух стальных закаленных колец, внутреннего и наружного. В кольцах имеются желобки, в которых катятся шарики или ролики. Кольца и шарики подвергаются точной обработке, закалке и шлифовке.
Ролики, применяемые в подшипниках, могут быть цилиндрической, конической и бочкообразной формы. Подшипники небольшого диаметра с длинными роликами называются игольчатыми.
Рис. 61. Подшипники качения:
I — роликовый конический; 2 — шариковый двухрядный; 3 — роликовый цилиндрический, 4 — шариковый однорядный.
Подшипники качения по своему устройству делятся на радиальные (рис. 61; 2, 3, 4), которые применяются при нагрузках, перпендикулярных оси вала, упорные (рис. 59) — для валов с продольными (осевыми) нагрузками, и радиально-упорные (рис. 61; 1) — для валов, испытывающих одновременно оба вида нагрузок.
Для валов, работающих с большой нагрузкой, применяют двухрядные подшипники (2), у которых шарики расположены в два ряда.
Для того чтобы шарики или ролики не выпадали из работающего подшипника и не мешали друг другу при качении, между ними имеются промежутки. Эти промежутки образуются специальными разделительными кольцами, называемыми сепараторами. Сепараторы изготавливаются из мягкой стали или латуни.
В зависимости от условий работы вала или оси возможны два вида движения частей подшипника. В первом случае внутреннее кольцо плотно одето на вал, и вращается вместе с ним, а наружное кольцо закреплено неподвижно на опоре (шпиндели металло-обрабатывающих станков, передаточные валы и др.). Во втором случае внутреннее кольцо неподвижно закреплено
68
на оси и не вращается, в то время как наружное кольцо скреплено с основной деталью и вращается (передние колеса автомобиля, колеса мотоцикла).
Учитывая, что внутреннее кольцо подшипника имеет меньшую стойкость, чем внешнее, более выгодным считают первый спо-
соб работы.
Для того чтобы уменьшить сопротивления в работе подшипников качения и предупредить их ржавление, необходима посто-
янная смазка. Для смазки подшипников используются жидкие
минеральные масла и густые (консистентные) смазки: тавот, солидол, кон-сталин, вазелин.
Установка подшипников скольжения и качения при сборке деталей механизма играет очень важную роль. При установке подшипника нельзя допускать перекосы, тугую затяжку или, наоборот, чересчур большое качание (л>офт) подшипника. При чрезмерной затяжке и перекосах резко возрастают силы сопротивления, в результате чего происходит сильное нагревание, а иногда и разрушение подшипника — выплавление баббита, выкрашивание шариков, поломка колец и т. д.
Рис. 62. Съемник для подшипников.
Очень важно также следить за тем, чтобы в места соприкосновения шеек
и подшипников регулярно поступала
смазка, но не попадали частицы грязи и металлические опилки.
При снятии подшипников качения и их установке нельзя ударять молотком по наружному или внутреннему кольцам, а следует пользоваться специальными съемниками (рис, 62), втулками и другими приспособлениями.
11равильность сборки и установки подшипников проверяется поворачиванием вала, которое должно происходить легко с равномерным сопротивлением и без боковых качаний.
Размеры подшипников качения строго стандартизированы. Благодаря этому подшипники качения в случае износа или поломки могут быть заменены такими же подшипниками.
§ 27. Муфты
Муфты служат для постоянного или временного соединения вращающихся валов, расположенных на одной оси, илн смещенных от нее под различными углами.
Для постоянного (жесткого) соединения соосных, т. е. находящихся на одной оси, валов применяются глухие, свертные и дисковые муфты (рис. 63).
69
Глухая муфта (1) представляет собой втулку, закрепленную штифтами или установочными винтами на обоих концах валов. Эта муфта может закрепляться и на шпонке.
Рис. 63. Виды муфт, 1 —• глухая; 2 — свсртная; 3 — упругая дисковая; 4 — универсальный шарнир»
Свертная муфта (2) состоит из двух продольных половин, соединяемых болтами. На соединяемых' валах делается шпоночная канавка для установки шпонки, которая предотвращает про' рертывание муфты.
70
Дисковая муфта (3) состоит из двух поперечных половин (дисков), установленных на шпонке и соединенных болтами. Для постоянного соединения валов, оси которых при работе могли бы немного смещаться, применяют упругую дисковую муфту. Оба диска этой муфты соединяются посредством „пальцев" с упругими резиновыми или кожаными прокладками в виде колец. Такие муфты применяют при соединении вала электромотора с валом приводимого в движение механизма.
Универсальный шарнир (4) служит для соединения валов, которые образуют между собой некоторый угол. Этот угол может изменяться во время работы. Универсальный шарнир — специальная муфта, которая состоит из двух вилок, плотно насаженных на концы соединяемых валов, и промежуточной крестовины. Цапфы крестовины входят в отверстия вилок. Такие муфты широко применяют в автомобилях (карданная передача) и других машинах.
При непостоянном соединении валов, когда необходимо их сцепление и разъединение, применяются сцепные муфты, кулачковые и фрикционные.
Кулачковая муфта (5 а, б) состоит из двух половин, которые имеют прямые или скошенные выступы (кулачки). Одна из половин закрепляется на конце одного вала наглухо, в то время как вторая половина делается подвижной и перемещается либо
71
на направляющей шпонке, либо на шлицах второго вала. Кулачковые муфты применяют в коробках передач токарного и других станков.
Фрикционная муфта (6) состоит из двух или нескольких дисков, которые насаживаются на концы соединяемых валов. Один из дисков перемещается вдоль вала по направляющим канавкам (шпоночные или шлицы) и усилием пружины плотно прижимается ко второму диску. Сцепление происходит благодаря силам трения, возникающим между прижатыми друг к другу дисками. Фрикционные муфты сцепления применяются в автомобилях и других машинах.
§ 28. Зубчатые колеса
В механизмах и машинах очень широко применяются зубчатые передачи, которые состоят из сцепленных зубчатых колес. Меньшее из двух спаренных колес иногда называют шестерней.
Z Рис. 64. Зубчатые колеса:
а — цилиндрические, 6 — конические.
/
Зубчатые колеса (рис. 64) бывают цилиндрическими (а) и коническими (б). По форме зубьев зубчатые колеса разделяются на прямозубые, или обыкновенные, и косозубые. У прямозубых колес зубья нарезаны вдоль образующей цилиндра или конуса, у косозубых — под углом к ней. Зацепление косозубых колес происходит по значительно большей поверхности соприкосновения, чем у прямозубых колес такого же размера. Поэтому косозубые шестерни применяют там, где требуется передавать большие усилия, например в подъемных машинах, прокатных станах, а также для передачи больших скоростей.
На рисунке (65) изображены винтовое колесо (1), служащее для передачи вращения между перекрещивающимися валами, и шевронное колесо (2) для передачи больших усилий.
72
Рассмотрим зубчатое колесо и определим все его основные элементы (рис. 66).
Окружность, которая ограничивает выступы зубьев, называется окружностью выступов. Обозначим ее диаметр буквой DH-Окружность, проходящая через впадины, называется окружностью впадин De.
Рис. 65. Косозубые колеса.
Для удобства расчетов и изготовления зубчатых колес используют еще одну величину D — диаметр так называемой начальной
(воображаемой) окружности, расположенной между окружностями выступов и впадин.
Расстояние между двумя одинаковыми точками двух соседних зубьев, взятое по начальной окружности, называется шагом
73
зубчатого колеса. Шаг зубчатого колеса (/) равен длине дуги начальной окружности, измеренной между центрами двух зубьев (аЬ), или дуги, измеренной между правыми крайними точками зубьев (Д] bj).
Зубчатая передача возможна лишь тогда, когда расстояние между впадинами одного колеса равно расстоянию между зубьями другого, т. е. шаг ведущего колеса должен в точности равняться шагу ведомого. Поэтому шар зубчатого колеса называют шагом зацепления.
Обозначив число зубьев колеса буквой г, установим, что длина начальной окружности будет равна числу зубьев, умноженных на величину шага, т. е.:
r.D=z-t.
Подсчитав число зубьев колеса и зная шаг зацепления, из предыдущей формулы легко найти диаметр начальной окружности:
D=~.
7t
На практике вводят так называемый модуль зацепления т, равный отношению шага к числу П
t т = —.
Использование модуля значительно упрощает расчеты зубчатых колес: он определяет их размеры. Например, с помощью модуля мы узнаем, что диаметр начальной окружности колеса равен числу зубьев, умноженному на модуль зацепления:
D=z • т.
Обозначим высоту зуба буквой h. Очевидно, что
> Du — De I
п------2 ’
где D„ и De — диаметры окружностей выступов и впадин.
Начальная окружность делит зуб на две части: головку и ножку. Обозначим высоту головки через а ножки — через Тогда высота зуба будет равна их сумме:
h = hi —|- Ац. \ ‘
Для нормальных зубьев принято высоту зуба в ыражать через модуль, причем берут высоту головки, равную Модулю (At = m), а высоту ножки, равную 1,2 модуля (As = 1,2 т). Отсюда /г = 2,2 т.
По рисунку 66 видно, что диаметр окружности выступов больше, чем диаметр начальной окружности на двойную высоту юловки зуба, т. е. на величину 2Aj = 2w.
"14
2? ж
Но так как D = m-z, то £>„ — иг 4~ 2/и или D„ — т (z -f- 2),
Dh отсюда т = —г—.
Z-f-2
Таким образом, если на практике требуется определить модуль зубчатого колеса, надо измерить его наружный диаметр и результат разделить на число зубьев плюс 2.
Для удобства изготовления зубчатых колес и их замены приняты следующие значения модуля в миллиметрах, которые представляют собой целые числа или целые с десятичной дробью: 1; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,5; 3; 3,5; 4 и т. д. до 50.
Плавная работа зубчатой передачи возможна лишь тогда, когда зубья сцепляющихся колес имеют строго определенную форму, т. е. изготовлены точно. В противном случае движение колес приведет к быстрому износу зубьев, к поломкам и выходу машины из строя.
Для того чтобы зубья колес плавно катились одно по другому, их шаг должен быть одинаковым. Зубья колес нарезаются на фрезерных, зубофрезерных и зубодолбежных станках.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
к главе V „Детали машин и их соединения".
Работа №1. Ознакомление с резьбовыми соединениями
Объект работы — металлические пластины, соединенные посредством болтов с гайками, винтов и шпилек.
1. Осмотреть резьбовое соединение на предлагаемом объекте, определить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
2. Разобрать соединение, разогнуть и вынуть шплинты; отвернуть контргайки, гайки, болты, винты; разъединить части соединения (пластины); разложить все детали по порядку на рабочем столе.
3. Определить направление, профиль и число заходов резьбы, а также ее диаметр и шаг на всех болтах и винтах. Начертить схему резьбового соединения. Назвать его части и детали и указать материалы, из которых они изготовлены. Составить перечень замеченных дефектов.
4. Собрать соединение в порядке, обратном порядку разборки; установить и завернуть болты, винты, гайки (подложив шайбы), вставить и разогнуть шплинты. Проверить правильность сборки.
Работа № 2. Ознакомление с резьбовыми соединениями
Объекты работы: велосипед (средний валик с шатунами и звездочкой, переднее и заднее колеса с осями); центробежная машина (школьная); насос Комовского; мотоциклетный мотор
75
(головка цилиндра и крышка картера); узлы станков, имеющие резьбовые соединения1.
1. Осмотреть резьбовое соединение на предлагаемом объекте, определить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
2. Разобрать соединение: разогнуть и вынуть шплинты, отвернуть контргайки, гайки, болты, винты; разъединить части соединения; разложить все детали по порядку на рабочем столе.
3. Проверить наличие и исправность деталей соединений и, если нужно, сделать исправления: исправить резьбу; опилить грани 1 айки или головки болта, прорезать шлицы и т. д. Заменить, если требуется, некоторые детали (или установить недостающие).
4. Определить направление, профиль и число заходов резьбы, а также ее диаметр и шаг на всех болтах и винтах. Начертить схему резьбового соединения. Назвать его части и детали и указать материалы, из которых они изготовлены. Составить перечень дефектов и выполненных исправлений.
5. Собрать соединение в обратном порядке: установить и завернуть болты, винты, гайки (подложив шайбы), вставить и разогнуть шплинты. Проверить правильность сборки.
Работа Ns 3. Ознакомление со шпоночными, клиновыми и шлицевыми соединениями
Примерные объекты работы: средний валик, клиновые болты и шатуны велосипеда; шкивы на валах привода станка, электродвигатели; зубчатые колеса на валах; полуоси, карданный вал автомобиля и т. д.
1. Осмотреть соединение на предлагаемом объекте, определить его тип и назначение, наметить порядок работы и выбрать необходимый инструмент.
2. Разобрать соединение (полностью или частично): отвернуть стопорные винты, 1айки, снять установочные кольца (если они имеются), выбить или вынуть шпонки, клинья, штифты и т. п. Разложить снятые части и детали по порядку на рабочем столе.
3. Проверить наличие и исправность деталей соединений и, если нужно, сделать исправления: выпрямить, опилить и зачистить 1 рани шпонок, клиньев, штифтов, поправить резьбы, шлицы, устранить заусенцы и вмятины и др., заменить, если требуется, негодные детали.
4. Начертить схему соединения (шпоночного, клинового, шлицевого), назвать его части и детали и указать материалы, из которых они изготовлены. Составить перечень дефектов и выполненных исправлении.
1 Практические работы, выполняемые учащимися, должны производиться га недействующих объектах из числа предложенных пли подобных им.
76
5. Собрать соединение в обратном порядке: установить, выверить и закрепить (на винтах, шпоиках или шлицах) шкивы, зубчатые колеса, муфты. Поставить упорные кольца, клинья; проверить правильность сборки на глаз и посредством измерений линейкой и штангенциркулем.
Работа № 4. Ознакомление с заклепочными соедииеииями
Примерные объекты работы: части физических приборов и радиоприемников (шасси); хозяйственно-бытовые металлические предметы (электроплитки). Отдельные части велосипеда и мотоцикла (крылья, багажники); ограждения к ременным, зубчатым и цепным передачам станков и др.
1. Осмотреть заклепочное соединение на предлагаемом объекте. Наметить порядок работы и выбрать необходимый инструмент.
2. Разобрать соединение: срубить зубилом или спилить напильником головки заклепок, выбить заклепки бородком. Разъединить части соединения. Разложить их по порядку на рабочем столе.
3. Проверить исправность частей соединения и, если нужно, сделать исправления: выправить изогнутые части, устранить задиры, вмятины и другие повреждения; исправить отверстия и, если требуется, разметить и просверлить новые отверстия. Заменить те части, которые не поддаются исправлению
4. Начертить эскиз заклепочного соединения с простановкой всех размеров, указать его назначение, вид применяемых заклепок и материалы, из которых они изготовлены. Составить перечень дефектов и проделанных исправлений.
5. Собрать заклепочное соединение: подобрать, вставить заклепки и расклепать их концы с образованием замыкающих головок, используя поддержки и обжимки.
Проверить правильность полученного соединения (шва).
Работа № 5. Ознакомление с деталями зубчатых передач
Объекты работы: ручная дрель; коробка скоростей мотоцикла; зубчатый редуктор (небольшого размера); сменные шестерни, коробка подач, коробка скоростей небольшого токарного станка.
1. Осмотреть объект, наметить порядок работы и выбрать необходимый инструмент.
2. Произвести разборку объекта: отвернуть болты или винты, снять крышки; вынуть шпонки и снять зубчатые колеса.
3. Проверить исправность деталей передачи и устранить неисправности (зазоры и вмятины и т. п.).
77
4. Подсчитать числа зубьев цилиндрических колес, измерить их наружные диаметры (диаметры окружностей выступов); определить модуль и шаг зацепления колес.
5. Перечислить зубчатые колеса передачи и указать их вид (цилиндрические, конические, винтовые) и форму зубьев (прямые, косые, шевронные, винтовые). Составить перечень дефектов и проделанных исправлений.
6. Собрать объект в порядке, обратном разборке.
Применяемые инструменты: гаечные ключи, отвертки, плоскогубцы, молоток, выколотка, бородок, напильники, метчики и плашки, ножовка, масштабная линейка, штангенциркуль.
Контрольные вопросы
1. Какие виды соединений деталей вы знаете?
2. Чем отличается неподвижное соединение от подвижного? Приведите примеры этих соединений.
3. Как определить шаг резьбы однозаходного и многозаход-ного винтов?
4. Какие гаечные ключи применяют при сборке и разборке резьбовых соединений?
5. Для каких целей применяются шпонки различных видов?
6. Как правильно подобрать и установить заклепку?
7. Чем отличается вал от оси? Приведите примеры.
8. Какие виды цапф вам известны?
9 Чем отличается глухой подшипник скольжения от разъемного?
10. Для чего в подшипниках скольжения применяются вкладыши?
11. Как подводится смазка к подшипникам скольжения?
12. Какие подшипники качения применяют в машинах?
13. Как различают подшипники по форме роликов?
14. Для чего применяются муфты?
15. В чем различие кулачковой и фрикционной муфты?
16. Какие виды зубчатых колес применяют в технике?
17. Что называется шагом зубчатого зацепления?
18. Как определить модуль зубчатого колеса?
ГЛАВА VI
УСТРОЙСТВО И РАБОТА МЕХАНИЗМОВ
Все механизмы и машины состоят из соединенных между собой деталей, которые находятся в движении во время работы или остаются неподвижными.
а
78
Механизм есть система взаимосвязанных тел (звеньев), служащая для передачи или преобразования движений. Если механизм или соединение нескольких механизмов будет производить полезную работу, используя подводимую к нему механическую энергию, например обрабатывать материалы или перемещать их, то его называют машиной.
Движения различных деталей и даже целых механизмов машины могут быть очень сложными. Несмотря на многообразие и сложность машин, в них много общего по конструкции деталей и механизмов, по характеру их соединений и по выполняемым движениям. Это облегчает изучение любой машины, так как в каждой новой машине уже известные механизмы соединены в каком-то новом порядке.
Рассмотрим основные вопросы устройства и действия механизмов и машин.
§ 29. Кинематические звенья, пары и цепи
Детали машин, подвижно или неподвижно соединенные между собой, называются звеньями. Два звена, образующие подвижное соединение, например винт
и гайка, поршень и цилиндр, сцепленные зубчатые колеса, называются кинематической парой.
Если одно звено может поворачиваться или вращаться по отношению к другому, то такую кинематическую пару называют шарнирной или вращательной. Примерами вращательных пар являются колесо на оси, шейка вала и подшипник скольжения, поршневой палец и шатун. На рисунке 67 показано изображение кинематических пар, где оба звена подвижны или одно звено неподвижно.
Неподвижное звено (стойка) обозначается штриховкой.
Если одно из звеньев может пе-
Рис. 67. Вращательные пары, ремещаться поступательно по отношению к другому, то такую кинематическую пару называют поступательной, например поршень, скользящий внутри цилиндра, или супцорт на станине токарного станка. На рисунке 68 показано изображение поступательных пар на кинематических схемах, когда оба звена подвижны (а) и когда одно звено неподвижно (б), т. е. является стойкой.
В приведенных примерах допускается только один вид движения: или вращение без поступательного перемещения, или
79
постулатепьное движение без вращения или поворота. Если пара обладает только одной возможностью движения, то считают, что она обладает одной степенью свободы.
о 6
I,* *,1 , tzmwi •>•
1------1 tw»
Рис. 68. Поступательные лары: а — подвижные звенья; б'— одно звено неподвижно.
Нередко звенья в механизмах имеют и вращательное и поступательное движения, т. е. обладают двумя степенями свободы. Например, муфта, насаженная на вал без шпонки, может не только скользить вдоль вала, но и вращаться на нем.
Рассматривая взаимосвязь винта и гайки, мы устанавливаем, что гайка, поворачиваясь вокруг винта, перемещается вдоль него. Однако эта пара имеет только одну степень свободы, так как оба движения являются зависимыми и строго взаимосвязаны: при каждом обороте гайка перемещается вдоль винта по резьбе на величину шага винта.
В рассмотренных нами кинематических парах звенья соприкасались своими поверхностями: во вращательных—по поверхности цилиндра или шара, в поступательных — по плоскостям. Кинематические пары, звенья которых соприкасаются своими поверхностями, называются низшими парами. Пары, звенья которых соприкасаются в точке или по линии, называются высшими.
Если одно из звеньев кинематической пары может быть смещено нт и сдвинуто относительно другого, то такие кинематические пары называются открытыми. Например, вал в открытом подшипнике (рис. 69), кроме вращения (основное движение), может перемещаться в сторону. 'I ак устроены подшипники роликов, поддерживающих резиновую ленту на эскалаторах метро. Открытая пара шипниках скольжения вагонных осей
вкладышем). Для того чтобы звенья открытой пары не разошлись, они прижимаются друг к другу давлением пружины. Применение добавочных сил в открытых парах называется силовым замыканием.
Рис. 69. Открытая пара.
применяется также в под-
ко
Закрытыми называются кинематические пары, допускающие только основное движение и исключающие какое-либо другое. Примером закрытой пары служит вал с буртиком, вращающийся в закрытом подшипнике. Благодаря буртику, упирающемуся в подшипник, исключается продольное смещение вала в подшипнике и допускается только основное движение — вращение.
3
Рис 70. Кинематические цепи:
1 — кулачковый механизм; 2 — кривошипво-шатуииый механизм;
3 — шарнирне-ролнковая цепь.
Кинематические пары делятся также на плоские и пространственные. У плоской пары звенья перемещаются в определенной плоскости, например, движение шатуна, поршня и кривошипа. У пространственной пары движения звеньев не ограничены плоскостями, например шарики в подшипниках, винт и гайка.
Таким образом, кинематические пары могут иметь несколько различных характеристик. Так, например, пара двух рычагов,
81
соединенных обыкновенным шарниром, является низшей, плоской и закрытой кинематической парой. Пара кулачок—толкатель является высшей, плоской или пространственной и открытой.
Кинематические пары соединяются между собой в механизмах и машинах. Соединение нескольких кинематических пар называется кинематической цепью.
Кинематическая цепь (рис. 70) может содержать различное число звеньев. Например, у кулачкового механизма (1) три звена, у кривошипно-шатунного (2) — четыре, изображенная часть шарнирно-роликовой цепи (3) имеет шесть звеньев; цепь велосипеда содержит ботее ста звеньев.
Если некоторые звенья цепи входят лишь в одну пару, то кинематическая цепь называется незамкнутой. Цепь, в которой каждое звено входит не менее чем в две пары, называется замкнутой.
§ 30. Общая характеристика механизмов
Механизмом называется замкнутая кинематическая цепь, совершающая заданные, вполне определенные движения под действием приложенных сил и имеющая неподвижное звено. Одно из звеньев механизма обязательно должно быть неподвижным (стойка). Поэтому шарнирно-роликовая цепь велосипеда, хотя и представляет замкнутую кинематическую цепь, не является механизмом, так как у нее отсутствует стойка и, следовательно, все звенья подвижны.
Звенья механизма, которые задают и передают движение к другим звеньям, называются ведущими, или начальными. Все остальные звенья механизма, движения которых определяются движением ведущих звеньев, называются ведомыми. Например, у велосипеда ведущие звенья — зубчатая звездочка с шатунами, ведомые — заднее и переднее колеса.
В кривошипно-шатунном механизме двигателя внутреннего сгорания, имеющем четыре звена, ведущим звеном является поршень, ведомыми звеньями — шатун и кривошип, неподвижным звеном — цилиндр.
В производстве и в быту применяется огромное количество разнообразных механизмов. По своему назначению они разделяются на механизмы, передающие и преобразующие различные виды движения. По устройству механизмы делятся на шарнирно-рычажные, зубчатые, винтовые, фрикционные, кулачковые и другие.
Любой механизм должен быть простым по устройству, прочным, износоустойчивым, дешевым при изготовлении, удобным по обслуживанию и ремонту. Поэтому при изготовлении механизмов стараются уменьшить количество кинематических пар, заменить, где возможно, поступательные пары вращательными (чтобы уменьшить трение), а также выбрать прочные и легкие материалы для их изготовления.
82
Наблюдения за работой механизмов показывают сложные пути и различные виды движения отдельных звеньев и их точек. Например, в швейной машине точки вращающегося маховичка совершают круговое движение, т. е. движутся по окружности, шток вместе с иглой совершает возвратно-поступательное движение, т. е. движется по прямой, челнок — качается, т. е. совершает колебательное движение. Машина будет правильно шить, давая ровный и прочный шов, лишь тогда, когда все ее звенья будут двигаться строго согласованно, описывая определенные пути с определенными скоростями.
Рис. 71. Шарнирный трехзвеиник.
Чтобы иметь представление о том, как определяют форму
пути и скорости движения точек механизма,
рассмотрим про-
стейший пример —• механизм четырехзвенника.
Отметим, что если мы возьмем вместо четырехзвенника шарнирный трехзвеиник (рис. 71), то никакого движения не будет
и вместо подвижной кинематической цепи получится жесткая ферма. Такие жесткие фермы широко применяют в металлических конструкциях, железнодорожных мостах, подъемных кранах, радиомачтах, опорах для проводов высокого напряжения и т. п.
Четырехзвенник(рис.72)— это шарнирный механизм, широко применяемый в разнообразных машинах. Примером четырехзвенника являются механизмы ножного привода швейной машины или точильного станка (рис. 73). Неподвижным звеном является стойка (1). Звено (2), которое вращается вокруг шарнира О, называется кривошипом. Звено (4), которое только качается около шарнира, называется балансиром,
Рис. 72. Шарнирный четырехзвенник:
1 — стойка; 2 — кривошип; 3 — шатун; 4 — балансир. а) ОА < Oi£; б) О А = О^В, в) ОА == OiB.
83
или коромыслом. Звено (3), соединенное шарнирно.с кривошипом и балансиром, совершает качательное движение и называется шатуном. Ведущим звеном является балансир. В других механизмах ведущим звеном может быть кривошип (насосы, строгальные станки) или шатун вместе с поршнем (двигатель внутреннего сгорания).
Отметим три точки А, В, С на шатуне и посмотрим, какие
траектории они опишут при вращательном движении кривошипа. Очевидно, траекторией точки А является окружность радиуса АО, равного длине кривошипа (рис. 72). Точка В будет описывать дугу окружности радиуса ОВ, равного
Рис. 73. Схема механизма ножного привода точильного станка:
I — стойка, 2 — кривошип; 3 — шатун, 4 — балансир.
длине балансира. Длина этой дуги определяется двумя крайними положениями точки В' правое, когда кривошип и шатун вытягиваются в одну прямую линию, и левое, когда балансир останавливается и начинает двигаться обратно (рис. 72 а). Оба этих крайних положения точки В балансира называются мертвыми. Траектории точек А и В кривошипа и балансира одновременно являются и траекториями концов шатуна. Траектория точки С шатуна имеет вид замкнутой кривой линии петли.
Если кривошип и балансир четырехзвен-ника взять одинаковой длины, а шатун будет равен и параллелен неподвижному звену, то получится механизм параллельных кривошипов (рис. 72 б). У этого механизма все точки А, В, С шатуна описывают совершенно одинаковые траектории (окружности). Такой механизм применяется у паровозов.
Когда кривошип и шатун (называемый спарником) вытягиваются в одну прямую линию, возникают мертвые положения, при
которых движение могло бы потерять свою определенность и паровоз мог бы остановиться или пойти в обратную сторону. Во избежание этого, делают второй такой же механизм (с противоположной стороны паровоза), так чтобы его кривошипы образовы-
вали прямой угол с кривошипами первого. Тем самым оба меха-
низма выводят друг друга из мертвых положений, и опасность
неопределенности движения устраняется.
Если в этом механизме с равными кривошипами шатун будет непараллелен неподвижному звену (рис. 72 в), оба кривошипа на-
чнут вращаться в противоположные стороны, причем один из них неравномерно. Такой механизм называется антипараллелограммом.
34
§ 31. Силы, действующие в механизмах
Звенья механизма придут в движение лишь тогда, когда на них будут действовать внешние силы, называемые движущими Так, домкрат и лебедка поднимают груз в том случае, если к ним приложена мускульная сила человека или сила двигателя. Части механизма часов движутся благодаря силе упругости пружины или весу гири. Зубчатые колеса в коробке скоростей станка вращаются под действием силы электродвигателя.
При установившемся движении механизма требуется постоянное действие движущих сил. В то же время, если это действие прекращается, механизм останавливается. Это происходит потому, что в каждом механизме действуют силы, препятствующие движению.
Важнейшими силами сопротивления являются силы трения, возникающие во вращательных и поступательных кинематических парах.
Трение в механизмах делится на два вида: трение скольжения и трение качения. При скольжении твердых тел трение вызывается тем, что неровности одного тела задевают за неровности другого. При этом происходит разрушение трущихся поверхностей, отчего и возникает сопротивление при скольжении". Известно, что при скольжении несмазанных поверхностей величина силы трения прямо пропорциональна силе давления, действующей перпендикулярно к поверхностям, т. е.
Fmp=KP
где 5тр — сила трения скольжения,
Р—перпендикулярная к поверхности тел сила нормального давления.
К — коэффициент трения скольжения.
В начале движения тел сила трения (С,„р) больше, чем при установившемся равномерном движении.
Опыты показали, что величина коэффициента трения зависит от материала трущихся поверхностей и чистоты их обработки. Уменьшение трения сопряженных тел достигается введением смазки между трущимися поверхностями. Смазка влияет не только на величину силы трения, но и на характер ее зависимости от скорости движения. Сила трения направлена всегда в сторону, противоположную действию движущей силы.
Если движущая сила больше силы трения, то движение одного тела по отношению к другому будет ускоренным (второй закон Ньютона).
Если движущая сила равна силе трения, то движение будет равномерным (по инерции).
Если движущая сила окажется меньше силы трения, то движение приостановится.
85
§ 32. Коэффициент полезного действия механизма
Как известно из физики, работа силы (F) численно равна произведению ее величины на длину пути (•$) движущегося под воздействием этой силы тела
A = F-S.
При этом направление действия силы и движения тела должны совпадать.
По основному правилу механики известно, что никакой механизм не может дать выигрыша в работе. Если пренебречь силами трения и другими сопротивлениями, то простейшие механизмы: рычаг, блок, ворот, наклонная плоскость — дают выигрыш в силе во столько же раз, во сколько получается проигрыш в пути (и наоборот).
Возьмем для примера простейший механизм — неподвижный блок с перекинутой через него веревкой. К одному концу веревки блока подвешен груз весом Q, поднимаемый на высоту h (рис. 74).
При поднятии груза, совершается работа Д, —Q • h, которую можно назвать полезной. Если бы отсутствовали всякие сопротивления, то для поднятия груза
нужно было бы вытянуть второй конец веревки на длину h с силой Р, равной Q. В этом случае затраченная работа была бы одинаковой с работой полезной.
Однако' мы знаем, что в действии каждого механизма имеются вредные сопротивления, на преодоление которых нужно совершить дополнительную работу Д. В данном случае этими сопротивлениями являются сила трения блока на оси, жесткость веревки, которая не может быть совершенно гибкой, трение веревки о желоб блока.
Отсюда следует, что, для того чтобы привести этот груз в движение, поднять его и преодолеть силы вредного сопротивления, требуется произвести работу Д, —-Д,-}-Ас, т. е. приложить к веревке блока силу, большую, чем вес груза.
Чем совершеннее механизм, тем меньше в нем силы вредного сопротивления и больше его полезное действие. Эффективность механизма определяется коэффициентом полезного действия (к. п. д.) — отношением полезной работы (Д„) ко всей затраченной (Д): А
Полезная работа из-за вредных сопротивлений всегда меньше затраченной и поэтому к. п. д. всегда меньше единицы.
86
Равенство работ или моментов сил — основное правило механики— верно лишь при отсутствии вредных сопротивлений:
А„ — А3, т. е. Q h — P • h.
На самом деле рычаг всегда имеет силы сопротивления (трение в шарнире), а поэтому полезная и затраченная работы не будут равны. Опыт показал, что к. п. д. наиболее совершенных рычагов может быть достигнут 0,99, т. е. приближается к единице.
Контрольные вопросы
1. Что называется кинематическими звеньями, парами, цепями?
2. Какие виды кинематических пар вам известны и как они обозначаются на схемах?
3. Что такое механизм и чем он.отличается от машины? Приведите примеры.
4. Начертите схему кривошипно-балансирного механизма и объясните, как движутся точки его звеньев.
5. Какие силы действуют в механизмах?
6. В чем заключается основное правило механики? Объясните на примере.
7. Что такое коэффициент полезного действия механизма и как определяется его величина?
ГЛАВА VII
МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
В различных машинах и механизмах чрезвычайно распространено вращательное движение. Вращение может передаваться на расстоянии, посредством гибких связей — ременные, канатные, цепные передачи, или непосредственным соприкосновением — фрикционные и зубчатые передачи. В ременных и фрикционных передачах используются силы трения, а в зубчатых и цепных передачах — механическое зацепление. В каждом из этих видов передач имеется ведущее звено, которое сообщает движение, и ведомые звенья, которые получают движение от ведущего.
§ 33. Ременная передача
Ременная передача (рис. 75) служит для передачи вращательного движения между валами, находящимися на расстоянии друг от друга посредством ремня, одетого на шкивы. Если ремень
87
натянут с достаточной силой, то при его движении не будет проскальзывания и ведущее звено (вал 1) будет передавать вращение ведомому звену (вал 2) Оба вала будут вращаться в одну сторону. Такая передача называется прямой, или открытой (1).
Если требуется изменить направление вращения ведомого шкива по отношению к ведущему, применяют вместо открытой перекрестную передачу (2), при которой увеличиваются углы охвата шкивов (а и р).
Рис. 75. Ременная передача:
1 — прямая, 2 — перекрестная.
Скорость вращения вала со шкивом измеряется числом оборотов (я), которые делает вал в единицу времени (обычно в минуту).
Если диаметр ведомого шкива (О) равен диаметру ведущего (d), то скорость вращения ведомого шкива (я2) равна скорости вращения ведущего шкива (л,).
Если диаметр ведомого шкива больше диаметра ведущего шкива, то скорость вращения ведомого шкива будет меньше скорости вращения ведущего шкива. Иначе говоря, скорости вращения шкивов обратно пропорциональны их диаметрам:
п,__D
пг d *
88
Это равенство верно лишь для идеальной передачи, когда ремень не скользит и не вытягивается. В практике из-за скольжения и растяжения ремня происходит потеря скорости вращения ведомого шкива, равная 2—3%.
Отношение диаметра ведомого шкива к диаметру ведущего D ~
шкива -д или отношение числа оборотов ведущего шкива к числу
Рис. 76. Ступенчатые шкивы.
оборотов ведомого шкива называется передаточным числом («) ременной передачи:
•__D ___
d п3
Отметим, что передаточное число характеризует отношение скоростей вращения в направлении действия усилий (т. е. от ведущего звена к ведомому).
Умение определить передаточное число необходимо при настройке станков на скорость. Изменение числа оборотов ведомого вала при постоянной скорости ведущего вала осуществляется ступенчатыми шкивами (рис. 76), которые располагают так, чтобы при одной и той же длине ремня можно было получить различные скорости вращения ведомого вала. Для этого следует переместить ремень с одной ступени на другую. Постоянство длины ремня обеспечивается равенством сумм диаметров ступеней шкивов, расположенных друг против друга.
89
В шкивах с тремя ступенями получается три различных передаточных числа:
т. е. три скорости вращения ведомого вала при неизменной скорости вращения ведущего вала (л). Отсюда
Рис. 77. Ременная передача между несколькими валами.
Ременные передачи со ступенчатыми шкивами широко применяются в приводах токарных, сверлильных, фрезерных и других станков.
Для передачи вращательного движения между несколькими валами применяется ряд последовательно действующих ременных передач. На рисунке 77 показаны три вала, соединенные между собой двумя ременными передачами.
Обозначим диаметры ведущих шкивов буквами d3, d3, диаметры ведомых — Dit D-2, а скорости вращения валов — nt, п<>, п3 и определим передаточные числа от первого вала ко второму;
Л
«1 .
п3 ’
от второго вала к третьему:
_ «2 ‘2---
«а
90
Отсюда общее передаточное число (z) от первого (ведущего) вала К последнему (третьему) равно отношению числа оборотов
Рис. 78. Натяжной ролик.
первого шкива к последнему и определяется по формуле:
51
O' . ns III . n2
Так как пх = 1Х'Пъ а л3= А, то —=z1-na:-A или
/j Zig
nx __ii .fr-is
w3 n^. ’
отсюда i=it Z2=^‘ -'P3-.
Таким образом, чтобы получить общее передаточное число для всех последовательно соединенных валов, надо перемножить между собой частные (или промежуточные) передаточные числа. Другими словами, общее передаточное число равно произведению диаметров всех ведомых шкивов, поделенному на произведение диаметров ведущих шкивов.
Необходимым условием правильной работы ременной передачи является достаточное трение между ремнем и шкивом, что достигается натяжением ремня с помощью натяжного ролика (рис. 78,1). При недостаточном трении между ремнем и шкивами происходит проскальзывание ремня, которое вызывает изменение передаточного чиста. Это один из главных недостатков ременной передачи. Для увеличения трения между ремнем и шкивом применяют специальные пасты, которыми натирают ремень, а также на шкивах делают канавки в форме клина (рис. 79), в которых помещается клиновидный ремень. Клиноременная передача широко применяется в приводах металлорежущих станков, автомобилях и других машинах.
В настоящее время ремни изготавливают из прорезиненной ткани, которые по своей прочности, износоустойчивости, эластичности и дешевизне превосходят применявшиеся ранее кожаные, а также текстильные (хлопчатобумажные и шерстяные) ремни.
§ 34. Фрикционная передача
Во фрикционных передачах вращательное движение передается от ведущего вала к ведомому валу посредством плотно прижатых друг к другу гладких колес цилиндрической или конической
Рис 80 фрикционная передача с цилиндрическими колесами.
Рис. 81. фрикционная передача с коническими колесами.
В2
формы (рис. 80 и 81). Фрикционная передача применяется в швейных машинах, лебедках и винтовых прессах.
Чтобы фрикционная передача могла работать без скольжения, т. е. чтобы получить необходимую величину силы трения (сцепление), нужны достаточная сила нажатия колес друг на друга (F) и ко- |gg
эффициент трения между ними (К):
Рис. 82. Повышение трения фрикционной передачи.
Рис. 83. Фрикционная передача между пересекающимися валами.
жей, резиной, прессованной бумагой, древесиной и другими
материалами, которые дают достаточное сцепление со сталью
или чугуном, а также делают специальные канавки или выступы на колесах (рис. 82).
Цилиндрические колеса применяют для передачи движения между валами, расположенными на одной оси или параллельно. Для передач движения между пересекающимися валами
Рис. 84. Фрикционная дисковая передача.
применяются колеса ко-
нической (см. рис. 81) и цилиндрической формы (рис. 83).
Часто для фрикционной передачи применяют не колеса, а два или несколько дисков, плотно прижимаемых друг к Другу
93
торцовыми поверхностями (рис. 84), например муфта сцепления автомобилей.
Основной характеристикой фрикционной передачи, так же как и ременной, является передаточное число, величина которого определяется отношением чисел оборотов ведущего и ведомых колес нли обратным отношением их диаметров:
._ «1 D
1 п2 d '
Заметим также, что строго это равенство соблюдается только при идеальном фрикционном сцеплении, т. е. при отсутствии проскальзывания колес.
Для изменения передаточного числа фрикционной передачи применяют устройство, позволяющее перемещать одно из колес
вдоль вала по шпоночной или шлицевой канавкам (см. рис. 84). Как видно из рисунка, при приближении ведущего колеса к оси ведомого происходит уменьшение диаметра ведомого колеса и уменьшается передаточное число и, наоборот, прн удалении ведущего колеса от оси ведомого передаточ-
Рис. 85. Вариатор.
ное число увеличивается. Такое плавное регулирование скорости ведомого колеса называется бесступенчатым, а сам механизм — вариатором скоростей.
Конструкции вариаторов бывают различными, например вариаторы с цилиндрическим колесом, с коническими барабанами или дисками и другие (рис. 85).
Фрикционные передачи получили большое распространение в технике благодаря простоте конструкции, легкости изготовления и плавности в работе.
Недостатком фрикционной передачи является большая нагрузка на валы, оси и подшипники из-за больших усилий нажатия колес, а также невысокий коэффициент полезного действия (до 0,85) из-за проскальзывания. Из-за этих недостатков в точных механизмах фрикционную передачу не применяют.
§ 35. Зубчатая передача
В зубчатых передачах вращательное движение передается с помощью зубчатых колес. Зубчатые передачи могут быть с наружным зацеплением, когда зубья нарезаны на внешних поверхностях колес (рис. 86), и с внутренним зацеплением, когда зубья
94
одного из колес нарезаны на его внутренней поверхности (рис. 87). Как и все передачи вращательного движения, зубчатый механизм характеризуется передаточным числом.
п2 ’
где л* — число оборотов ведущего колеса,
«а — число оборотов ведомого колеса.
Как нам уже известно, зубчатые колеса (цилиндрические) характеризуются начальными окружностями. Пользуясь ими, зубчатую передачу обозначают на кинематических схемах в виде двух касающихся начальных окружностей, тем самым как бы
Рис. 86. Зубчатая передача с наружным зацеплением.
Рис. 87. Зубчатая передача с внутренним зацеплением.
заменяют зубчатые колеса фрикционной передачей. Отсюда передаточное число зубчатой передачи
где D — диаметр начальной окружности ведомого колеса, d —диаметр начальной окружности ведущего колеса.
Передаточное число зубчатой передачи можно выразить с помощью числа зубьев сцепляемых колес.
Обозначим число зубьев ведущего колеса буквой Zit а ведомого Za. Как известно из главы „Детали машин",
Zi-t, a 2it£) = Za-Z, где t — общий шаг зубчатого зацепления.
и Z Z
Отсюда = или / = -^-,т. е. передаточное число зубчатой передачи давно отношению числа зубьев ведомого колеса к числу зубьев ведущего.
95
Зубчатая передача не допускает проскальзывания зубчатых колес, а поэтому обеспечивает постоянство передаточного числа. В этом ее большое преимущество по сравнению с ременной и фрикционной передачами и ее применяют там, где требуется строго определенное соотношение скоростей вращающихся колес при больших передаваемых усилиях — в большинстве современных машин-двигателей и машин-орудий.
Для того чтобы зубчатая передача работала с равномерным износом зубьев, не рекомендуется применять слишком большие,
Рис. 88. Многоступенчатая передача.
или, наоборот, малые передаточные числа. Считают, что передаточное число не должно быть больше 8 и менее ~. Однако на практике нередко требуется передавать движения с гораздо большими передаточными числами. В этих случаях применяют несколько пар зубчатых колес, соединенных между собой последовательно, т е. делают многоступенчатую передачу.
На рисунке 88 показан ведущий вал (1), на котором закреплено ведущее колесо с числом зубьев Z,.
На промежуточном валу (II) закреплены колеса с числом зубьев Z2 и Z3.
На ведомом валу (III) закреплено ведомое колесо с числом зубьев Z4. Обозначим скорости вращения валов иь л2, л3.
96
В рассматриваемой нами многоступенчатой передаче передаточные числа равны:
72 < Z^
от первого вала ко второму z1 = -^—= -^-;
. 72 о Za
от второго вала к третьему i.2 =— =-7-* Из
Общее передаточное число многоступенчатой передачи так »е, как и для ременной передачи, равно произведению частных (или промежуточных) передаточных чисел:
Отсюда получаем:
Z2 Z, l~~ z 23 •
Следовательно, чтобы получить общее передаточное число, надо произведение чисел зубьев ведомых колес разделить на произведение чисел зубьев ведущих колес.
Следует отметить, что с увеличением числа промежуточных передач возрастает трение между зубьями, в подшипниках и других деталях, а следовательно, уменьшается коэффициент полезного действия механизма. Поэтому при больших передаточных числах невыгодно применять многоступенчатые передачи и используют другие механизмы.
Заметим, что в зубчатой передаче из двух колес ведомое колесо вращается в сторону, противоположную вращению ведущего колеса Изменение направления вращения ведомого колеса по отношению к ведущему осуществляется промежуточными колесами. При этом на каждом четном валу (по счету от ведущего и включая его) направление вращения противопоюжно ведущему, а на каждом нечетном — одинаково с ведущим валом. Легко заметить, что промежуточные колеса, изменяя направленье вращения, не изменяют передаточного числа. Такие колеса называются „паразитными11. Они часто применяются в машинах.
Для примера рассмотрим трензель токарного станка, который служит для изменения направления подачи (рис. 89).
Ведущее колесо трензеля Zx закреплено на шпинделе, а ведомое Z4 — на передаточном валике. На планке трензеля свободно вращаются два промежуточных „паразитных*1 колеса Z2 и Z3, постоянно сцепленные между собой. Посредством рукоятки план-j у вместе с колесами Z2 и Z3, равными между собой, можно повернуть на некоторый угол вокруг оси колеса Z4.
В первом положении (а), когда рукоятка трензеля повернута влево, вращение передается от Zi к Z3, от Z3 к Z2 и от Z2 к Z4.
Так как сцеплено 4 колеса, то ведомое колесо будет вращаться в сторону, противоположную ведущему колесу.
Для того чтобы изменить направление подачи, переводят рукоятку трензеля в правое положение (б). При этом колесо Z3 выйдет из зацепления, и сцепленными будут только три колеса: Zj, Z2 и Z4.
4 в. п. Беспалько
97
Теперь ведомое колесо будет вращаться в ту же сторону, что и ведущее.
Ввиду высокого к. п. д., надежности работы и постоянства передаточного ,числа зубчатая передача позволяет передавать большие усилия, необходимые для преодоления сопротивлений в машине.
Для того чтобы зубчатая передача хорошо выполняла свое назначение, необходимо строго выдерживать расстояние между осями валов (сцепление) и не допускать перекосов между колесами. Поэтому большое значение имеет не только точное изготовление деталей зубчатой передачи, но и правильная их сборка и установка валов в подшипниках, закрепление колес на валах н их сцеп пение.
§ 36. Применение зубчатых передач
Механизм со сменными зубчатыми колесами, заключенный в кожух или корпус, называется коробкой передач (или коробкой скоростей).
Назначение коробок передач заключается в том, чтобы изменять передаточные числа и направления вращения ведомого вала посредством включения различных пар зубчатых колес. Коробки передач применяются в самых разнообразных машинах: в металлорежущих станках, автомобилях, тракторах, экскаваторах, в прокатных станках и т. д.
98
Схема простой коробки скоростей токарного станка изображена на рисунке 90. Три вала: ведущий (1), промежуточный (2) и ведомый (3) — вращаются в подшипниках, установленных в корпусе коробки. На ведущем валу (1) может скользить с помощью специальной вилки с рукояткой по шпонке или на шлицах блок из трех соединенных между собой шестерен Zb Z2 и Z3.
На промежуточном валу (2) неподвижно закреплены (это обозначено на схеме знаком X) пять зубчатых колес: Z4; ZB; ZG; Z, и Z8.
При перемещении каретки на валу (1) могут сцепляться между собой колеса Zt и ZB или Z2 и ZG (как показано на схеме), или Z3 и Z,. В результате при передаче от ведущего к промежуточному валу получаются три передаточных числа:
. _ _ Z. . _ Z,
zi—Z?’
На ведомом шпинделе (3) свободно вращаются зубчатые колеса Z9 и ZI0, постоянно сцепленные с колесами промежуточного вала Z4 и Z8. Колеса Z9 и Zlo имеют на торцах кулачковые выступы — венцы (4 и 6), с которыми может сцепляться кулачковая муфта (5), скользящая на шпонке или на шлицах по валу (3).
4*
99
Муфту можно по желанию приводить в зацепление с колесом Z,, или с колесом ZI(I посредством специальной вилки с рукояткой.
В левом положении муфты передаточное число от промежуточного вала к ведомому равн
- * ^10
z4 = , в правом — 1Ъ = .
Таким образом, данная коробка скоростей позволяет получить шесть различных передаточных чисел или шесть скоростей вращения ведомого вала при постоянной скорости вращения ведущего вала.
Рис. 91. Устройство перебора: а — перебор выключен, б — перебор включен.
На токарных станках иногда используется так называемый зубчатый перебор (рис. 91). На ведомом валу (1) (шпинделе) токарного станка свободно вращается трехступенчатый шкив и жестко соединенное с ним зубчатое колесо Zt. На шпинделе жестко закреплено зубчатое колесо Z2.
Перебор представляет собой промежуточный вал (2) с закрепленными ' на нем зубчатыми колесами Z3 и Z4. Этот вал может передвигаться посредством рукоятки так, что колеса Zt и Z3, а также Z2 и Z4 могут приходить в зацепление.
Когда колеса расцеплены — перебор выключен (рис. 91, а), вращение передается от шкива к шпинделю. При этом шкив и зубчатое колесо Z2 соединены защелкой (пальцем) (3). Когда включен перебор (рис. 91, б), защелку (3) отводят, шкив н колесо Z2 разъединены, а вращение передается через две пары зубчатых колес с общим передаточным числом
Таким образом, механизм перебора в сочетании с ременной передачей и трехступенчатыми шкивами дает возможность получить также шесть скоростей вращения шпинделя.
100
В современном производстве часто применяются реверсивные механизмы, которые дают возможность при одном и том же направлении вращения ведущего вала изменить движение ведомого вала в противоположных направлениях, т. е. получать реверсирование. Примером реверсивного механизма служит уже знакомый нам трензель токарного станка (рис. 89).
Рис. 92. Реверсивный механизм.
На рисунке 92 показан реверсивный механизм, состоящий из сцепленных конических зубчатых колес, так как ведущий и ведомый валы взаимно-перпендикулярны. На ведущем валу (1) свободно вращаются два одинаковых конических зубчатых колеса Zu имеющие на торце кулачковые выступы. Эти колеса постоянно сцеплены с третьим колесом, тоже коническигл Z», жестко закрепленным на ведомом валу (2). На ведущем валу с помощью рукоятки скользит на шпонке или на шлицах кулачковая муфта (4), вращающаяся вместе с валом. Муфта может быть сцеплена или с правым, или с левым колесом. Этй положения муфты изменяют направления вращения ведомого вала.
§ 37. Червячная передача
Червячная передача представляет собой сочетание зубчатого червячного колеса с винтом, так называемым червяком, оси которых скрещиваются под прямым углом (рис. 93).
„Червяк" представляет собой винт с трапециевидной резьбой. Он может быть однозаходным и многозаходным. Зубья червячного колеса по своей форме и шагу соответствуют резьбе червяка. Червячное зацепление в разрезе имеет точно такую же форму, как зацепление между зубчатым колесом и рейкой в реечном механизме.
Чаще всего в червячных передачах ведущим звеном является червяк, а ведомым — червячное колесо. Обозначим число зубьев червячного колеса Z2 При полном обороте червяка с одноза-ходной резьбой, червячное колесо повернется на один зуб.
101
Если червяк имеет Z| заходов, то при его одном обороте червячное колесо повернется на Zt зубьев.
Поэтому, чтобы повернуть червячное колесо на один оборот, червяк должен сделать оборотов.
Отсюда получаем передаточное число червячной передачи:
__ и, _
7h ~ Zt ’
где и, — скорость вращения червяка (ведущего звена),
Z, — число заходов его резьбы,
п2 — скорость вращения червячного колеса (ведомого звена), Z2 — число его зубьев.
Рис. 93. Червячная передача.
Рис. 94. Глобоидальный
червяк.
Червячная передача дает высокие передаточные числа по сравнению с зубчатой. Например, число зубьев колеса Z2 = 50, число заходов у червяка Zx = 2, тогда
'=f=™=25-
Таким образом, там, где требовалась бы многоступенчатая передача, достаточно одной червячной передачи сравнительно небольших размеров. При небольшом диаметре червяка, малом числе заходов (один, два) и больших червячных колесах винтовая передача становится необратимой, самотормозящейся, т. е. допускает передачу усилий только в одном направлении — от червяка к колесу. Это свойство самоторможения широко используется в грузоподъемных механизмах.
В червячной передаче нитка червяка скользит по зубьям колеса, а следовательно, трение велико. Поэтому к. п. д. червячной передачи сравнительно невысок (до 0,5, или 50%).
Кроме того, из-за большого давления червяка на колесо происходит быстрый износ зубьев. Поэтому червячную передачу используют для передачи небольших усилий.
102
Для повышения к. п. д. и износоустойчивости передачи стараются увеличить площадь соприкосновения зубьев колеса и ниток червяка. С этой целью поверхность червяка делают не цилиндрической, а образованной вращением дуги начальной окружности колеса, так называемой глобоидальной (рис. 94). Такие червяки применяются в механизмах рулевого управления автомобилей. Для уменьшения трения, червячные колеса или их зубчатые венцы изготавливают из бронзы или из чугуна, которые обла хают антифрикционными свойствами. Червяки, которые испытывают наибольшую нагрузку во время работы передачи, делают из стали.
§ 38. Цепная передача
Передачу вращательного движения между удаленными друг от друга валами, кроме ременной передачи, производят цепной передачей (рис. 95). Цепная передача представляет собой замкнутую металлическую шарнирную цепь, которая соединяет два зубчатых колеса, называемых звездочками.
Рис. 95. Цепная передача.
Как и в других передачах, передаточное число цепной передачи равно отношению скоростей вращения ведущего и ведомого колес, или обратному отношению числа их зубьев:
•__ ____ ^2
и. —
Наиболее распространенные цепи трех видов: роликовые, зубчатые и крючковые.
Роликовая цель (рис. 96) состоит из шарнирно соединенных пластинок (1, 2), между которыми устанавливают ролики (3), свободно вращающиеся на втулке (4). Эта втулка запрессована в отверстие внутренних пластинок и ш юорачивается на валике (5).
Расстояние между двумя одинаковыми точками звеньев (например, валиками) называется шагом цели (/). Шаг цепи должен равняться шагу зубчатого колеса (звездочки).
103
Роликовые цепи в зависимости от формы соединенных зубчатых колес могут быть однорядными и многорядными. Так как валики (5) плотно запрессовываются в отверстия наружных пластинок, то для снятия или установки цепи необходимо ее размыкание. Для этого на одном из звеньев делают замок в виде пружинной пластинки.
Втулочно-роликовые цепи широко применяются на велосипедах, мотоциклах, в станках и других машинах. Звездочки (зубчатые колеса) для цепных передач изготавливаются так, чтобы форма их впадин соответствовала форме и размеру ролика цепи, а шаг зуба равнялся шагу цепи (рис. 95).
Рис. 96. Роликовая цепь.
Зубчатая (пластинчатая) цепь состоит из пластин с зубцами, которые соединены между собой втулками и шарнирно укреплены на общем валике. Звездочки для зубчатых цепей отличаются от звездочек для втулочно-роликовых цепей и похожи на обычные зубчатые колеса.
Крючковые цепи являются разборными, а потому допускают быструю замену звеньев, снятие и установку цепи. Эти цепи широко применяются в сельскохозяйственных машинах.
Цепные передачи обеспечивают постоянство передаточного числа и, обладая большой прочностью, позволяют передавать большие усилия. Поэтому цепные передачи применяют в грузоподъемных механизмах (тали, лебедки) и двигателях. Цепи больших размеров используются для перемещения грузов, например в эскалаторах метро, в конвейерах и т. п.
104
При разборке и сборке цепных передач нужно обращать внимание на то, чтобы не было бокового биения звездочек, чтобы они находились строго на одной линии, без перекосов или смещений. Важно следить за исправностью цепи, чтобы она не была слишком вытянутой и не имела боковой „качки" в звеньях, иначе будет происходить „набегание1 11 и соскакивание цепи на ходу. Необходимо регулярно смазывать цепь и <;леди1ь за правильностью ее натяжения.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
к главе VII „Механизмы передач вращательного движения"
Работа № 1. Ознакомление с устройством механизма ременной передачи центробежной машины
Центробежная машина (с ременной передачей) состоит из стойки (станины), большого и маленького шкивов, соединенных ремнем, оси большого шкива и валика малого шкива.
1. Осмотреть машину, выяснить ее устройство, наметить порядок работы и выбрать необходимый инструмент.
2. Разобрать машину: снять ремень, отвернуть винт стопорного кольца, снять кольцо и большой шкив. Отвернуть гайку оси и снять ось; вывернуть крючок, вывернуть стопорный винт малого шкива, вынуть ось и снять шкив.
3. Начертить схему центробежной машины; измерить диаметры шкивов; определить передаточное число передачи. Перечислить звенья механизма и кинематические пары. Составить перечень деталей и указать материалы, из которых они изготовлены; составить перечень неисправностей (дефектов).
4. Собрать центробежную машину, отрегулировать ход шкивов и натяжение ремня; испытать машину в действии.
Работа № 2. Ознакомление с устройством механизма ременного привода сверлильного станка
1. Осмотреть привод, выяснить его устройство, наметить содержание и последовательность работы и выбрать необходимые инструменты.
2. Разобрать привод: снять ремень, предварительно ослабив его натяжение, если есть соответствующее устройство; отвернуть стопорный винт (или болт) вынуть шпонку и снять ведомый шкив; если имеется натяжной ролик, освободить крепление стойки (или рычага), снять ролик.
3. Проверить наличие и исправность деталей привода, если нужно, исправить винты и болты: прорезать шлицы, опилить грани шпонок; проверить состояние ремня и, если нужно, перешить его.
105
Осмотреть крепление ведущего шкива на валу электродвигателя и выяснить неисправности.
4. Начертить схему привода ременной передачи сверлильного станка; измерить диаметр шкивов, определить передаточные числа на всех ступенях (если шкивы ступенчатые); составить пере' чень деталей и обнаруженных неисправностей (дефектов).
5. Собрать разобранные части привода, проверить правильность установки шкивов и роликов, натянуть ре.мень. Испытать действие привода во время работы станка.
Работа № 3. Ознакомление с устройством и работой механизма цепной передачи велосипеда
1. Осмотреть цепную передачу, выяснить ее устройство, наметить порядок работы, выбрать необходимые инструменты и приспособления.
2. Разобрать передачу: отвернуть гайки задней оси и обоих натяжных устройств (растяжек), установленных на задней оси; продвинуть заднее колесо вперед до упора в прорези рамы и ослабить цепь; найти замок цепи, снять пружинную пластинку и вынуть соединительную часть звена. Отвернуть гайку клинового болта (клинка), осторожно выбить болт и снять правый шатун вместе со звездочкой.
3. Проверить наличие и исправность деталей цепной передачи и, если нужно, сделать исправления: заменить отдельные части или звенья цепи (предварительно опилив и выбив валки звеньев); установить новые звенья и осторожно заклепать выступающие концы валков; исправить и опилить болт шатуна (клинок), нарезать резьбу, исправить гайку. Проверить легкость хода и отсутствие боковой качки у вала большой звездочки и, если нужно, подтянуть или ослабить подшипник.
4. Начертить схему цепной передачи; подсчитать число зубьев обеих звездочек и определить передаточное число.
Составить перечень деталей и обнаруженных дефектов. Перечислить звенья механизма и кинематические пары.
5. Собрать цепную передачу: установить правый шатун со звездочкой и закрепить его болтом. Поставить цепь и замкнуть ее замковым звеном; отрегулировать посредством гаек натяжных устройств натяжение цепи так, чтобы не было перекоса заднего колеса по отношению к раме; затянуть гайки оси заднего колеса. Испытать действие передачи во время ее работы.
Примечание Практическая работа .Ns 3 может быть проведена и на небольшом мотоцикле с цепной передачей. В отличие от велосипеда у мотоцикла будут сняты кожух цепной передачи и крышка коробки скоростей. Ведущая звездочка сниматься не будет, так же как не будет выполняться регулировка ведущего вала. Незначительное отличие бу дет в регулировке натяжения цепи посредством растяжек.
106
Работа № 4. Ознакомление с устройством зубчатой и червячной передачи
Разборка и сборка ручной дрели, центробежной машины с червячной передачей, молочного сепаратора и т. п.
1. Осмотреть объект, определить характер зубчатой передачи, наметить порядок работы и выбрать требуемый инструмент.
2. Разобрать механизм полностью или частично, в зависимости от характера объекта; отвернуть винты, болты и снять крышки кожуха (корпуса) передачи; вынуть шпонки и, если возможно, снять шестерни и колеса.
3. Проверить наличие и исправность деталей и, если требуется, сделать исправления.
4. Начертить схему зубчатой передачи данного механизма; подсчитать числа зубьев колес, ниток червяка, определить передаточные чрсла.
Если колеса цилиндрические с прямым зубом, — измерить наружный диаметр, подсчитать числа зубьев, определить модуль и шаг зацепления.
5. Определить вид передачи (зубчатая, винтовая, червячная), тип зубчатых колес (цилиндрические, конические, винтовые, червячные), форму зубьев (прямые, косые, шевронные).
Составить перечень деталей и обнаруженных дефектов.
Перечислить звенья механизма и кинематические пары.
6. Собрать механизм, выполнив возможные регулировки. Проверить механизм в действии.
Работа № 5. Ознакомление с устройством коробки скоростей токарного станка
1. Отвернуть винты крышки корпуса коробки скоростей и открыть (снять) крышку. Осмотреть общее расположение валиков, зубчатых колес, муфт и других частей коробки.
Перемещая рукоятки переключения скоростей, проследить, как перемещаются шестерни и муфты коробки.
Определить, сколько скоростей вращения шпинделя можно получить, пользуясь данным механизмом.
2. Начертить упрощенную кинематическую схему механизма. Подсчитать числа зубьев шестерен и определить передаточные числа на каждой передаче (скорости).
Указать вид зубчатых колес, форму зубьев. Для цилиндрических колес измерить наружные диаметры и определить модуль и шаг зацепления.
3. Составить перечень основных частей механизма коробки скоростей и указать их назначение.
Перечислить звенья и кинематические пары механизма.
4. Закрыть крышку коробки скоростей и завернуть винты.
107
Работа № 6. Ознакомление с устройством коробки передач автомобиля*
1. Осмотреть коробку передач, выяснить ее назначение и общее устройство, способ крепления на шасси автомобиля; наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
Примечание. Коробка передач служит для изменения усилий, передаваемых от вала двигателя к ведущим колесам и соответствующего изменения скоростей движения.
Основные части коробки передач: корпус (картер), крышка с механизмом переключения; первичный и вторичный валы; промежуточные шестерни и передвижные каретки; шариковые и роликовые подшипники; качающийся рычаг (кулиса).
2. Разобрать коробку (частично): отвернуть болты верхней крышки, снять крышку (вместе с рычагом и механизмом переключения); отвернуть болты на боковой крышке и снять крышку.
3. Разобрать механизм переключения (частично), перемещая рычаг в сторону от его среднего (нейтрального) положения, проследить за перемещением ползунов с вилками; отвернуть колпачок на верхней части крышки и вынуть рычаг; выяснить, как передаются усилия от рычага к ползунам с вилками и от них к шестерням коробки.
4 Найти в корпусе коробки первичный и вторичный валы, блок шестерен, передвижные каретки с шестернями. Выяснить, как установлены валы в подшипниках. Передвигая каретки, проследить, как вращаются первичный и вторичный валы на различных передачах.
Осмотреть детали; выяснить дефекты и если возможно, устранить их.
5. Определить вид зубчатых колес, подсчитать чиста зубьев, определить передаточные числа на каждой передаче (скорости). Измерить наружные диаметры и определить шаг зацепления для одной-двух пар шестерен.
6 Начертить упрощенную схему коробки передач. Составить перечень деталей и обнаруженных дефектов.
Перечислить звенья и кинематические пары механизма.
7. Собрать коробку передач, установив на свои места рычаг, верхнюю и боковую крышки коробки. Проверить правильность сборки.
Работа № 7. Ознакомление с устройством редуктора
1. Осмотреть редуктор, выяснить его общее устройство, наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
Примечание. Основные части редуктора: металлический корпусе двумя (илиболее) крышками; ведущий, ведомый и
1 Составлена применительно к конструкции коробки передач автомобиля ГАЗ-51.
10В
промежуточные валы с зубчатыми колесами, червяками, червячными шестернями, подшипниками (скольжения и качения) и др.
2. Разобрать редуктор (частично): отвернуть болты или винты, снять крышки. Вынуть шпонку, отвернуть стопорные винты, осторожно выбить ведомый вал, снять и вынуть червячное, зубчатое и другие колеса.
Вынуть шпонки, отвернуть винты и вынуть ведущий вал. Снять червяк и зубчатые колеса.
3 Собрать части редуктора в порядке, обратном разборке.
Вращая ведущий вал, проследить, как вращаются промежуточный и ведомый валы.
4 Опоеделить вид зубчатых и других ко тес, подсчитать передаточное число.
5. Начертить схему механизма редуктора. Составить перечень деталей и обнаруженных дефектов. Перечислить звенья и кинематические пары механизма.
6. Установить на место крышки редуктора и закрепить их винтами (болтами).
Проверить правильность сборки механизма.
Работа № 8. Ознакомление с устройством механизма рулевой передачи автомобиля 1
Г. Осмотреть механизм, выяснить его общее устройство и способ крепления на шасси автомобиля, наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
Примечание. Рулевая передача служит для передачи усилия от рулевого колеса к приводу передних колес.
Основные части рулевой передачи: рулевая колонка; рулевой вал с рулевым колесом и червяком; корпус (картер) механизма передачи; рулевая сошка; вал сошки с роликом; роликовые и шариковые подшипники.
2. Разобрать механизм: отвернуть гайку и снять сошку со шлицев вала (легкими ударами молотка по выступам сошки); отвернуть колпачковую гайку, отвернуть болты боковой крышки картера, вывернуть боковую крышку с регулировочной муфтой; вынуть вал сошки с двухгребневым роликом; отвернуть болты нижней крышки картера, снять крышку; вынуть упорный роликовый подшипник рулевого вала; отвернуть болты верхней крышки картера; снять рулевую колонку вместе с рулевым валом.
3. Внимательно осмотреть все части и детали, выяснить дефекты, обратив особое внимание на состояние подшипников, роликов и червяка. Если возможно, устранить небольшие дефекты
4. Начертить схему механизма рулевой передачи. Определить форму червяка, характер резьбы, число заходов. Составить пе
1 Составлена применительно к конструкции рулевой передачи автомобиля ГАЗ-51.
109
речень деталей и обнаруженных дефектов. Перечислить звенья и кинематические пары механизма.
5. Собрать механизм рулевой передачи в порядке, обратном порядку разборки. Обратить внимание на правильную регулировку легкости хода.
6, Определить (приближенно) передаточное число червячной передачи механизма: установить рулевое колесо, а следовательно, и вал сошки, в одно из крайних положений, заметить его; вращать рулевое колесо до второго крайнего положения сошки; измерить угол поворота вала сошки (транспортиром по меловым меткам) и угол поворота рулевого колеса; определить передаточное число (как отношение полученных углов поворота).
Применяемые инструменты: отвертки, гаечные ключи, напильники, ножовка, метчики и плашки, слесарный молоток, выколотка, бородок, масштабная линейка, штангенциркуль, транспортир, шило.
Контрольные вопросы
1. Каковы преимущества и недостатки ременной передачи?
2. Как определить передаточное число многоступенчатой ременной передачи?
3. Каково соотношение между вращающими моментами ведущего и ведомого валов ременной, зубчатой и других передач (с учетом к. п. д)?
4. Какие вы знаете виды фрикционных передач, и где они применяются?
5. Каково выражение передаточного чиспа зубчатой передачи (в отличие от ременной и фрикционной передач)?
6 Как определить передаточное число многоступенчатой зубчатой передачи?
7. Как определить передаточное число червячной передачи?
8. Что такое реверсивные зубчатые механизмы, и как они устроены ?
9. Какие виды цепных передач вы знаете, и где они применяются?
ГЛАВА VIII
МЕХАНИЗМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ
Применяемые в технике разнообразные механизмы преобразуют один вид движения в другой. Например, вращательное движение ведущего звена преобразуется в поступательное или в сложное движение по кривым линиям в пространстве.
ПО
Рассмотрим наиболее распространенные механизмы преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот — винтовой, кривошипно-шатунный и кулисный механизмы.
§ 39. Винтовой механизм
Винтовой механизм обычно имеет стойку, винт и гайку. В зависимости между собой эти звенья, образуются пары:
три звена: неподвижную от того, как соединяются различные кинематические
Рис 97 а, б
где ведущими
механизмы,
Винтовые звеньями являются:
а — непере мешающийся винт; б — перемещающийся винт.
1. Ведущим звеном (рис. 97 а) явпяется винт (1), имеющий глат-кую шейку, вращающуюся в подшипнике стойки (2). При этом винт не имеет возможности перемещаться постулате пьно, т. е. образует со стойкой вращательную пару.
Гайка (3), связанная с винтом винтовой парой, может перемещаться поступательно вдоль стойки, но не вращается, т. е. образует со стойкой поступательную пару.
В механизме этого вида вращательное движение винта преобразуется в поступательное движение ползуна, скрепленного с гайкой. При одном обороте винта ползун перемещается поступательно на величину шага винтовой линии. Такое устройство имеют механизмы поперечных и верхних салазок суппорта токарного станка.
2. Ведущим звеном является винт (рис. 97, б) (1), образующий винтовую пару со стойкой (2), с которой скреплена неподвижная гайка.
111
Винт посредством гладкой шейки шипником ползуна (3) и образует
на конце соединяется с под-с ним вращательную пару. Ползун перемещается поступательно по направляющим стойки (поступательная пара). В механизме этого вида вращательно-поступательное движение винта преобразуется в поступательное движение ползуна. Такой механизм применяется в винтовых прессах и слесарных параллельных тисках (рис. 97 в).
3. Ведущее звено —ступенчатый винт (рис. 97 г) (1), образующий винтовую пару со стойкой (2). Вторая часть винта (более тонкая) образует винтовую пару с гайкой (3), которая может скользить вдо ль направляющих стойки, т. е. является
Рис 97 в, г, д. Винтовые механизмы, где ведущими звеньями являются: е - (наверху) перемещающийся винт слесарных тисков; г — дифференциальный винт; д — ганка.
ползуном. Резьба основного винта имеет больший шаг винтовой линии (Sj), чем вторая резьба (S4).
В этом механизме вращательное движение винта преобразуется в поступательное движение гайки (ползун). За каждый оборот
112
h!h llftj Ж w
Im
181-5 Inf
Hj.il»
ttt
Рис. 98 Циркуль-измеритель.
винта гайка будет перемещаться на величину, равную разности шагов обеих нарезок (S,—Ss), при условии, если обе нарезки имеют одинаковое направление, например обе правые.
Если обе нарезки будут мало отличаться по своему шагу, то и перемещение ползуна (гайки) при вращении винта будет очень небольшим.
Этот механизм называется дифференциальным винтом. Он дает возможность с большой точностью изменять расстояние между по азу ном и стойкой, что бывает необходимо в измерительных инструментах н приборах.
4. Ведущим звеном является гайка (рис. 97, д), а винт (1) — ведомое звено. Если сообщить гайке вращательное движение, чтобы она ие могла перемещаться продольно, то гайка (3) образует вращатель-ну ю пару со стойкой (2) При этом винт будет перемещаться поступательно при условии, если он не имеет возможности вращаться.
1аким образом, вращательное движение гайки преобразуется в поступательное движение винта.
Механизм такого вида применяется в винтовых домкратах, в некоторых слесарных параллельных тисках, у которых винт жестко скреплен с подвижной задней губкой (ползуном), а гайка посредством рукоятки вращается в подшипнике стойки.
Чем больше угол подъема винтовой линии резьбы, тем меньше трение на винте, т. е. тем выше его коэффициент полезного действия. Расчеты показывают, что при угле подъема винтовой линии равном 40е, к. п. д. равен 0,75. С другой стороны, винты с большим углом подъема (а) нарезки не дают самоторможения. Для тою чтобы получить самотормозящиеся винты (слесарные тиски, домкраты), берут малые углы подъема винтовой линии (до 5е). При этом получается значительное уменьшение к. п. д. (до 0,4).
К. п. д. у винтов с треугольной резьбой значительно ниже, чем у винтов с прямоугольной или трапециевидной резьбой, так как последние обладают меньшим коэффициентом трения.
Поэтому винты и болты с треугольной резьбой применяют для неподвижных соединений деталей, в то время как прямоугольную резьбу используют для винтовых механизмов в домкратах, тисках, станках и т. д.
Если угол подъема винта больше угла трения, то винт не окажет самоторможения и винтовой механизм станет обратимым, т, е. при поступательном движении гайки винт может вращаться.
•li
SI fl. №
113
Примером служит ручная винтовая дрель, где сверло вращается вместе с винтом при поступательном перемещении гайки.
Если, наоборот, перемещать поступательно винт, то гайка получит вращение, скорость которого будет зависеть от скорости движения винта. Примером является заводной детский волчок.
Винтовые механизмы используются в самых разнообразных устройствах. Соединением винтов с правой и левой резьбами можно получить стяжные устройства, применяемые при сцеплении вагонов, для натяжения тросов и оттяжек спортивных снарядов, такое же устройство применяется у чертежного циркуля-измерителя (рис. 98).
Винтовые домкраты, так же как и тиски, иногда делают с неподвижной гайкой, скрепленной со стойкой и с поворачивающимся винтом. На конце винта делается упорный диск (чашка), который образует с винтом вращательную пару.
домкратах (рис. 99) часто делают нарезками. Один из этих винтов основным, а второй (меньший)
В автомобильных винтовых два винта — с правой и левой (большего диаметра) является ввертывается в него. При каждом обороте большого винта груз поднимается на высоту, равную сумме шагов резьбы обоих винтов.
§ 40. Кривошипно-шатунный механизм
Кривошипно-шатунный механизм является примером шарнирного четырехзвенника. Он получается из кривошипно-балансирного механизма (см. рис. 71), если заменить балансир (4) ползуном.
Ползуц шарнирно соединен с шатуном (3) и скользит по направляющим стойки (1).
Кривошипно-шатунный механизм (рис. 100) состоит из четырех звеньев: стойки (1), кривошипа (2), шатуна (3) и ползуна (4).
Если ведущим звеном является ползун (4), то механизм преобразует возвратно-поступательное движение ползуна во вращательное движение кривошипа, например механизм паровой машины, двигатель внутреннего сгорания.
Шатун и кривошип располагаются по одной прямой (угол 0 или 180°), поэтому движение в мертвых точках может стать неопределенным.
114
Для того чтобы кривошип из мертвой точки не повернулся, например, вниз, вместо того, чтобы повернуться вверх, на валу кривошипа закрепляют тяжелые колеса (маховики), которые благодаря своей инерции выводят его из мертвых точек. В машинах с несколькими цилиндрами кривошипы располагают [так, чтобы они выводили друг друга из мертвых точек.
Если ведущим звеном является кривошип, то механизм преобразует вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение ползуна (поршня). Например, механизм поршневого насоса, привода механической ножовки.
В этих машинах вал кривошипа получает вращательное движение от двигателя и передает его через шатун ползуну (поршню), который производит требуемую работу: сжимает газ, режет металл и т. п.
Рис. 100. Кривошипно-шат}нный механизм.
Для того чтобы кривошипно-шатунный механизм мог работать» радиус кривошипа должен быть меньше длины шатуна, так как только при этом условии вал сможет проворачиваться, т. е. совершаться полный цикл движения.
Длина шатуна должна быть больше,.чем радиус кривошипа, в пять раз.
Решающее значение для увеличения к. п. д. механизма, имеет тщательная обработка цилиндра и ползуна и применение смазки. Поэтому цилиндры и поршни двигателей, компрессоров и других машин регулярно смазывают при работе.
§ 41. Эксцентриковые и кулисные механизмы
Возьмем кривошипно-шатунный механизм и будем увеличивать диаметры цапфы кривошипа и внутреннего кольца шатуна, пока они не станут больше двойного радиуса кривошипа, тогда кривошип превратится в плоский диск (2), называемый эксцентриком (рис. 101). Такой механизм называется эксцентриковым. Звено (3), шарнирно соединенное с эксцентриком (2) и ползуном (4), называется эксцентриковой тягой.
115
Эксцентриковый механизм, так же как н кривошипно-шатунный, имеет четыре звена: стойку, эксцентрик, тягу и ползун, которые соединены между собой четырьмя низшими парами — тремя вращательными и одной поступательной.
Эксцентриковые механизмы применяются в паровых машинах (золотники), в двигателях внутреннего сгорания, в прессах для штамповки изделий и т. д.
Рис 101. Эксцентриковый механизм:
I — стойка. 2 — эксцентрик, 3 — эксцентриковая тяга; 4 — ползун.
Приведем пример преобразования механизма по способу замены стойки. Сделаем стойкой кривошип (2) кривошипно-шатунного механизма (см. рис. 100), т. е. закрепим это звено неподвижно и дадим возможность направляющей (4) ползуна свободно поворачиваться вокруг центра (рис. 102 я).
Оставим шатун (3) шарнирно соединенным с кривошипом (стойкой) и ползуном и сделаем его ведущим звеном. Таким образом, шатун превратится в кривошип.
Предположим, что длина шатуна больше радиуса кривошипа, тогда шатун, вращаясь по часовой стрелке, приведет во вращение ползун и, следовательно, его направляющую. При этом ползун будет перемещаться поступательно вдоль направляющей.
Такой механизм имеет четыре звена: стойку (2), кривошип (3), кулисный камень — ползун (4) и кулису (1). Этот механизм получил название кулисного с вращающейся кулисой Если кулису
116
заменить цилиндром, а камень — поршнем, то получим механизм вращающегося цилиндра, применяемый в насосах и компрессорах.
Как видно из рисунка, за один полный оборот кривошипа (а следовательно, кулисы или цилиндра) камень (или поршень) сделает полное двойное движение, причем его ход, как н прежде, равен расстоянию между мертвыми точками, т. е. 2г, где г—-расстояние между шарнирами стойки (прежний радиус кривошипа).
Таким образом, механизм вращающейся кулисы получился в результате преобразования кривошипно-шатунного механизма н
Рис. 102. Кулисные механизмы: а — с вращающейся кулисой, б — с качающейся кулисой.
по характеру относительного движения звеньев совершенно по-добен ему.
Для того чтобы кулиса поворачивалась, длина кривошипа (3) должна быть больше расстояния между шарнирами стойки (г). Если увеличивать расстояние между шарнирами (г) и уменьшать длину кривошипа (/), то при г=1 механизм потеряет определенность движения и работать не будет.
Если сделать г больше I (рис. 102, б), т. е. длину кривошипа значительно уменьшить по сравнению с расстоянием между шарнирами, то мы получим новый механизм, у которых кулиса уже не сможет вращаться, а будет лишь качаться при вращении кривошипа. Этот механизм называется кулисным механизмом с качающейся кулисой. Он также состоит из четырех звеньев — стойки (2), кривошипа (3), кулисы (1) и камня (ползуна) (4).
117
Ведущим звеном является кривошип, равномерно вращающийся вокруг оси О. При этом кулиса отклоняется на наибольший угол, когда кривошип приходит в крайние положения, т. е. когда он становится перпендикулярным оси кулисы (ползуна). Качающуюся кулису применяют в паровых машинах паровоза, в строгальных и других станках. По этому принципу работает поперечно-строгальный станок с качающейся кулисой (рис. 102, б). Кулиса (1), поставленная вертикально, имеет на верхнем конце прорезь, в которую входит шарнир ползуна, с укрепленным на
Рис. 102 о. Механизм с поступательно-движущейся кулисой.
нем резцом. Ведущее звено (кривошип) (3) вращается равномерно против часовой стрелки. При этом камень (4) находится в верхнем положении и перемещает верхний конец кулисы, а вместе с ней н ползун станка справа налево, причем резец проходит рабочий ход, т. е. снимает стружку. Когда камень идет вниз, верхний конец кулисы идет обратно, слева направо, вместе с ползуном и резцом, т. е. проходит холостой ход, так как стружка не снимается. Так как кривошип вращается равномерно, то на рабочий ход затрачивается в 2—3 раза больше времени, чем на холостой ход. Возможность сократить скорость холостых ходов — основное преимущество кулисного механизма по сравнению с кривошипно-шатунным.
Если в механизме качающейся кулисы шарнирную пару кулиса— стойка заменить парой поступательной, то получится механизм поступательно-движущейся кулисы (рис. 102, е). Здесь
118
ведущее звено — вращающийся кривошип (2), ведомое — кулиса (3), которая перемещается прямолинейно посредством направляющего стержня (5), образующего поступательную пару со стойкой (1). Ход кулисы равен удвоенной длине кривошипа.
§ 42. Кулачковые механизмы
Кулачковый механизм используют тогда, когда нужно совершить сложное движение, например замкнуть или разомкнуть
контакты, передвинуть заготовку или резец на станке и т. п.
Кулачковый механизм (рис. 103) состоит из трех звеньев: неподвижной стойки (1), кулачка (2) и толкателя (3). Кулачок упи-
рается в плоскую часть толкателя, называемую башмаком, или в специальный ролик, который делают для уменьшения трения. Ведущим звеном является кулачок, который, вращаясь, касается ведомого звена (толкателя) в точке или по линии, образуя с ним высшую пару. Вращательное (или качательное) движение кулачка преобразуется в прямолинейное (или качательное) движение толкателя.
Во время работы толкатель своим башмаком или роликом должен постоянно прижиматься к кулачку с помощью пружины или других устройств. Такой вид соединения кулачка и толкателя называют силовым замыканием. Если кулачок и толкатель постоянно соединены и не могут разомкнуться благодаря самой конструкции механизма, этих устройств не требуется. На рисунке 104
Рис 103 Принципиальное устройство кулачкового механизма.
показан кулачок
в форме эксцентрика, который вращается в специальной рамке, образуя с рамкой кинематическую
Рис. 104. Эксцентрик.
пару.
Постоянное кинематическое замыкание получается и у пространственного кулачкового механизма (рис. 105). Он состоит из стойки (1), кулачка (2) в форме цилиндра с фасонным вырезом или пазом, в который входит палец ползуна (3). При вращении кулачка стержень (штанга) толкателя будет
перемещаться вправо или влево в соответствии с направлением выреза на кулачке.
Такие кулачки используют в токарных и револьверных автоматических и полуавтоматических станках. В некоторых швей-
ных и текстильных машинах применяют сердцевидный кулачок
119
(см. рис. 103). Благодаря такой форме и равномерному вращению кулачка толкатель также движется равномерно, причем в точках, где кулачок имеет выступ н впадину, толкатель изменяет направление движения на противоположное. В этих точках происходит удар толкателя, который может достигать значитель-
Рис. 105. Пространственны ! кулачковый механизм.
ной силы при больших скоростях кулачков. Чтобы избежать этих вредных ударов, профилю кулачка придают плавные очертания, округляя его резкие выступы и впадины. Этим достигается плавность движения толкателя.
Если в работе механизма требуется за один оборот кулачка сделать несколько движений толкателя, то применяют кул чки
Рнс 106. Многократные кулачки.
с несколькими выступами, называемые многократными (рис. 106). Такие многократные кулачки применяют, например, в механизме прерывателя многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.
Кулачковые механизмы очень удобны тем, что они позволяют сообщить любое движение толкателю, которое требуется при работе механизма, — равномерное или с ускорением, плавное или
120
прерывистое. В связи с тем, что кулачок касается толкателя на очень небольшой площадке, он испытывает очень большие давления. Поэтому его изготавливают из углеродистой или легированной стали и подвергают термической обработке.
§ 43. Специальные механизмы
Для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот, кроме кривошипно-кулисных и кулачковых
механизмов, нередко применяется
Реечный механизм (рис. 107) состоит из цилиндрического зубчатого колеса (1), прямой зубчатой рейки (2) и стойки.
Реечный механизм представляет собой преобразованный зубчатый механизм из двух цилиндрических колес, причем одно из них имеет как бы бесконечно большой диаметр, т. е. его окружность превращается в
реечный зубчатый механизм.
Рис. 107. Реечный механизм.
зубчатую рейку.
В реечном механизме при вращении зубчатого колеса рейка движется прямолинейно-поступательно. Этот механизм при-
меняется в сверлильном станке для подачи сверла, в токарном — для продольного перемещения суппорта.
Рис. 108. Храповой механизм.
Для того чтобы получить прерывистое движение в одном направлении, применяют храповой механизм.
Храповой механизм (рис. 108) состоит из четырех основных звеньев: стойки (1), храповика (зубчатого колеса) (4), рычага (2), собачки (3).
121
Зубья храповика скошены в одну сторону. Храповик насажен на ведомый вал механизма. На одной оси с валом шарнирно закреплен рычаг (2), который поворачивается (качается) под действием приводной штанги (6). На рычаге (2) с помощью {шарнира закреплена деталь (3), называемая собачкой. Выступ собачки имеет форму, соответствующую впадине между зубцами храповика.
Во время работы храпового механизма приходит в движение рычаг (2), собачка (3) упирается в зуб храповика и толкает его вперед, вследствие чего храповик, а с ним и ведомый вал поворачиваются. Когда рычаг (2) поворачивается направо, собачка свободно скользит по закругленной части зубьев храповика и под действием своего веса или специальной пружины заскакивает во впадину следующего зуба, толкая Л его вперед.
, <\J !1/^ \ Для того чтобы храповик с ве-
V—\ домым валом не поворачивался об-
f___I 'Ц, ратно при холостом ходе рычага
А /TL. I Зо с с°бачкой, ставят дополнительно
стопорную собачку (5), шарнирно
О ч/ТрО закрепленную на неподвижной оси Ю н прижатую к храповику пружиной.
Рис. 109. Механизм прерыви- Гакой храповой механизм преоб-стого движения. разует качательное движение в пре-
рывисто-вращательное. Он применяется в поперечно-строгальном станке для поперечной подачи. Храповой механизм применяется не только для преобразования движения, но и как стопорное устройство в лебедках и дру. гих подъемных машинах. В этом случае он состоит лишь из храповика, задерживающей (стопорной) собачки и стойки.
Для того чтобы механизм работал более надежно, иногда делают несколько собачек, прижимаемых к храповику сильными
пружинами.
Храповой механизм используется также во втулке свободного хода велосипеда На ведущем звене — звездочке, приводимой в движение цепью, имеется несколько шарнирно закрепленных собачек. При рабочем ходе, когда звездочка вращается быстрее колеса, собачки упираются в храповик, прочно скрепленный со втулкой заднего колеса, и приводят его в движение. При свободном ходе звездочка неподвижна, а колесо с храповиком вращается. При этом собачки проскакивают по зубьям храповика.
Для передачи прерывистого вращательного движения могут применяться неполные зубчатые колеса, имеющие небольшое число зубьев на одном из колес (рис. 109). Например, в механизмах счетчиков километража на мотоциклах и автомобилях ведомые колеса имеют по 10 зубьев, а ведущие по одному. Поэтому колесо, отсчитывающее единицы километров, должно повернуться 10 раз, чтобы колесо десятков километров повернулось один раз.
122
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
к главе VIII «Механизмы преобразования движения»
Работа № 1. Ознакомление с устройством и работой винтового механизма автомобильного домкрата с двойным винтом
1. Осмотреть домкрат, выяснить его устройство, наметить порядок работы и выбрать необходимые для работы инструменты.
2. Разобрать домкрат: вывернуть внутренний винт (малого диаметра); вывернуть наружный винт (большого диаметра) с рукояткой и собачкой; отвернуть болт крепления собачки и снять собачку.
3. Проверить наличие и исправность деталей и, если необходимо, сделать исправления.
4. Определить профиль и направление резьбы на обоих винтах, количество заходов, измерить шаг резьбы и длину винтов и рукоятки.
5. Начертить схему домкрата; перечислить звенья механизма и указать кинематические пары. Составить перечень деталей и обнаруженных дефектов. Указать, из какого материала сделаны детали.
6. Собрать винтовой домкрат и поднятием груза проверить его действие.
Работа № 2. Ознакомление с устройством и работой винтового механизма слесарных параллельных тисков
1. Осмотреть тиски, выяснить их устройство, наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
2. Разобрать тиски: отвернуть вииты прижимной планки, снять планку и освободить от нее винт; поворачивая рукоятку, вывернуть винт тисков. Вынуть подвижную губку тисков. Отвернуть винт поворотного устройства (если оно имеется); отвернуть винты и снять маточную гайку. Отвернуть винты и снять обе накладные губки.
3. Проверить исправность деталей и, если необходимо, сделать исправления.
4. Определить направление и шаг резьбы винта и количество ее заходов.
б. Начертить схему тисков, перечислить звенья механизма и указать кинематические пары. Составить перечень деталей и обнаруженных дефектов, указать материалы, из которых изготовлены детапи.
Собрать тиски и зажимом заготовки проверить их действие.
123
Работа № 3. Ознакомление с устройством задней бабки токарного станка
1, Осмотреть заднюю бабку, выяснить ее устройство и способ крепления на станке, наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
Примечание. Основные части задней бабки: корпус, плита (основание), пиноль (шпиндель), маховичок, прижимная планка с болтом, зажимное устройство, центр.
2. Снять заднюю бабку со станка: отвернуть гайку прижимного болта; вынуть прижимную планку, отодвинуть и снять заднюю бабку.
3. Разобрать заднюю бабку: отвернуть и снять рукоятку зажимного устройства; удалить центр из конического отверстия пиноли поворотом маховика против часовой стрелки; выдвинуть пиноль из корпуса задней бабки, вращая маховичок по часовой стрелке; отвернуть гайку крепления маховичка к винту пиноли, снять маховичок, вынуть шпонку; отвернуть винты закрепляющей шайбы, снять шайбу и вынуть винт пиноли; осторожно (пользуясь выколоткой) выбить болт и втулку зажимного устройства; отвернуть болты крепления корпуса задней бабки к плите; снять плиту.
4 Внимательно осмотреть все детали, проверить их состояние, выяснить дефекты и, если нужно, сделать посильные исправления.
5. Определить профиль и направление нарезки винта, количество заходов. Измерить шаг резьбы и диаметр маховичка.
6. Начертить схему задней бабки, перечислить звенья механизмов и указать кинематические уары.
Составить перечень деталей и указать, из какого материала они сделаны; составить перечень дефектов.
7. Собрать заднюю бабку в порядке, обратном порядку разборки; установить заднюю бабку на станину токарного станка и закрепить ее.
Работа № 4. Ознакомление с устройством и работой кривошипно-шатунного механизма
Частичная разборка и сборка недействующего одноцилиндрового мотоциклетного мотора.
1. Осмотреть мотор, выяснить его общее устройство, наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
2. Отвернуть болты и снять головку цилиндра; отвернуть гайки (или болты), отсоединить цилиндр от картера и осторожно, чтобы не сломать кольца, снять цилиндр.
124
3. Осмотреть поршень (с кольцами и пальцем), шатун и другие детали, проверить их исправность; измерить длину шатуна; указать виды подшипников.
4. Поставить цилиндр на место, осторожно вставляя поршень, чтобы не сломать кольца; завернуть гайки. Поворачивая коленчатый вал, определить расстояние между мертвыми точками (хад поршня) и найти радиус кривошипа; измерить диаметр цилиндра.
5. Начертить схему механизма, перечислить звенья и указать кинематические пары. Составить перечень деталей и указать материалы, из которых они сделаны
6. Поставить на место головку цилиндра и завернуть болты
Работа № 5. Ознакомление с устройством и работой кулачковых механизмов
Частичная разборка и сборка кулачковых механизмов швейной машины, двигателя внутреннего сгорания, прерывателя автомобиля и других недействующих объектов.
1. Осмотреть объект, определить характер кулачкового механизма и его назначение, наметить порядок работы и выбрать требуемые инструменты.
2. Выполнить частичную разборку: снять крышку клапанной коробки у двигателя; отвернуть винты, снять кулачки с кулачкового механизма двигателя, швейной машины и т. п.
3. Поставить детали на место и, медленно поворачивая кулачковый вал, проследить, как двигаются толкатели, клапаны, водила и другие детали кулачковых механизмов. Измерить ход толкателя (клапана) и определить профиль кулачков.
4. Начертить схему механизма, перечислить звенья и указать кинематические пары. Составить перечень деталей и указать материалы, из которых они изготовлены.
Работа № 6. Ознакомление с устройством и работой меха> измов прерывистого движения: храпового механизма и универсального шарнира
Частичная разборка и сборка механизмов на недействующих объектах (привод станка, лебедка и др ).
1. Осмотреть объект, определить характер механизма и его назначение, наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
2. Если возможно, выполнить частичную разборку механизма на данном объекте.
3. Медленно приводя в движение ведущие звенья, проследить, как движутся промежуточные и ведомые звенья механизмов. Измерить углы между валами и углы поворота рычагов; подсчитать количество зубьев на зубчатых колесах; определить передаточные числа.
125
4. Начертить схему механизма, перечислить звенья и указать кинематические пары. Составить перечень деталей и указать материалы, из которых они изготовлены.
5. Поставить детали на место и проверить исправность действия механизма.
Применяемые инструменты: гаечные ключи, отвертки, пас-сатижы, плоскогубцы, слесарный молоток, метчики и плашки, ножовка, выколотки, масштабная линейка, штангенциркуль.
Контрольные вопросы
1. Для чего применяется винтовой механизм?
2. Приведите примеры винтового механизма с ведущим винтом.
3. Чем отличается механизм с ведущим кривошипом от механизма с ведущим ползуном (поршнем)? Приведите примеры.
4. Почему шатун кривошипно-шатунного механизма должен быть значительно длиннее кривошипа’
5. Чем отличается эксцентриковый механизм от кривошипношатунного?
6. Как получить механизм с вращающейся кулисой из кривошипно-шатунного?
7. Чем отличается механизм с качающейся кулисой от механизма с вращающейся кулисой?
8. Где применяются кулачковые механизмы? Приведите примеры.
9. Какие вы знаете формы профиля кулачков?
10. Где применяется зубчатый реечный механизм?
11. Для чего применяются храповые механизмы? Приведите примеры.
12. Как устроен механизм счетчика километража у автомобиля или мотоцикла.
ГЛАВА IX
УСТРОЙСТВО И РАБОТА МАШИН
§ 44. Общая характеристика машин
Машиной называется механизм или система механизмов, предназначенная для преобразования энергии или выполнения работы. Все машины делятся на две группы; машины-двигатели и машины-орудия (рабочие машины).
К машинам-двигателям относятся машины, преобразующие какой-либо вид энергии в энергию механическую. Машины-двигатели подразделяются на первичные и вторичные. К первичным
126
относятся машины-двигатели, использующие силы природы: энергию ветра, воды, солнца, топ айва, — ветряные, гидравлические и тепловые. Вторичные машины-двигатели используют уже полученную энергию, например электродвигатели и пневматические двигатели.
Использование и преобразование энергии в первичных и вторичных двигателях основано на законе сохранения и превращения энергии. Действие этого закона можно проследить на работе теплового двигателя, в котором внутренняя (химическая) энергия топлива при сгорании преобразуется во внутреннюю энергию газа, а последняя в процессе работы — в механически ю энергию поршня или рабочего колеса.
Машины-орудия (рабочие машины) используют механическую энергию двигателей для выполнения полезной механической
Рис. НО. Двигательный, передаточный и исполнительный механизмы велосипеда и автомобиля.
работы по обработке материалов и перемещению грузов. В соответствии с этим все рабочие машины подразделяются на технологические, т. е. обрабатывающие (станки и машины по обработке материалов), транспортные (автомобили, тепловозы, паровозы, самолеты, теплоходы и др.), грузоподъемные (подъемные краны, лебедки и т. п.) и транспортирующие (транспортеры, насосы и ДР-)-
Важно отметить, что транспортные и транспортирующие машины могут перемещать, перевозить и перегружать не только твердые, но и сыпучие тела, а также жидкие и газообразные.
Принципиальное устройство машин заключается в том, что любая машина состоит из двигательного, исполнительного и передаточного механизмов (рис. ПО).
Двигательный механизм служит для приведения машины в движение. Так, у велосипеда двигательным механизмом являются педали с шатунами и звездочкой, приводимые в движение ногами человека; у швейной машины — ее ножной привод, у токарного станка — привод со ступенчатыми шкивами и зубчатым перебором, у автомобиля — двигатель внутреннего сгорания.
Все большее распространение получают машины, представляющие собой сочетание машины-двигателя и машины-орудия. Примерами могут служить паровая машина на паровозе, двигатель
127
внутреннего сгорания, установленный на автомобиле, тепловозе, самолете. На трамвае, троллейбусе, электропоезде двигателями являются электродвигатели, получающие электрическую энергию из сети.
На современных металлорежущих станках электродвигатели входят в их двигательный механизм, образуя со станком одно целое, причем на больших станках устанавливают два или несколько эчектродвигателей, обеспечивающих движения резания и подачи. Такая сложная машина, как шагающий экскаватор для приведения в движение различных механизмов (передвижение по земле, подъем и опускание стрелы, подъем и перемещение груза и т. д.), имеет при себе целую электростанцию и несколько десятков электродвигателей.
Передаточные механизмы служат для передачи движения от двигательного механизма к исполнительному. Примерами передаточных механизмов являются цепные передачи велосипеда и мотоцикла, ременная, цепная, фрикционная и зубчатые передачи в металлорежущих станках, молотах и прессах и т. д.
Передаточные механизмы часто бывают сложными по устройству, так как они не только передают движение, но и регулируют его, изменяя скорость и направление движения рабочих органов.
В современном токарно-винторезном станке для передачи движения от двигателя к шпинделю служит коробка скоростей, а для передачи движения к резцу — механизмы подачи (трензель, коробка подач, ходовые винт и валик, механизм фартука).
В автомобиле к механизмам передачи относятся сцепление, коробка скоростей, главная передача и дифференциал. В подъемных кранах и экскаваторах к передаточным механизмам относятся системы рычагов, блоков с троссами и т. д.
Исполнительный механизм приводит в движение рабочий орган машины, выполняя операции, ради которых создана машина. Например, у швейной машины исполнительным механизмом является шток с иглой и челнок, а игла — рабочим органом.
В металлорежущих станках исполнительными механизмами являются устройства для приведения в движение режущих инструментов и обрабатываемого материала. Например, суппорт и шпиндель у токарного станка, шпиндель и стол у сверлильного и фрезерного станков; стрела у экскаватора и подъемного крана; механизмы перемещения гусениц и колес у самоходных машин.
Исполнительный механизм вместе с рабочим органом выполняет основную работу и является основным в машине. Исполнительные механизмы — это в прошлом ручные орудия труда, которые затем были превращены в механизм машины.
Кроме двигательных, передаточных и исполнительных механизмов, большое место в современных машинах занимают механизмы управления двигателем и другими механизмами и частями машины.
128 ч
Чтобы повысить производительность машин, сделать их более легкими и удобными в управлении, происходит постоянное улучшение их конструкций и автоматизация. Это освобождает рабочего от выполнения различных операций по установке и закреплению материалов и инструментов, по передвижению (подаче) резца, по включению и выключению двигателя и пр. Автоматизация машин в нашей стране быстро развивается. В производстве используются разнообразные станки-автоматы, создаются автоматические линии станков, которые не только выполняют обработку сложных изделий, но и контролируют их качество. Контроль за работой автоматических линий производится опытными механиками по специальным приборам на пульте управления.
Важнейшее место в современных станках-автоматах занимает комбинирование операций, которые раньше выполнялись на различных станках. Таким образом, вместо отдельных машин появляются так называемые комбайны. Комбайны широко применяются и в сельском хозяйстве (зерновой, свекольный, кукурузный), где они выполняют несколько различных операции, уборку, обработку и сортировку зерна или овощей.
В угольной промышленности горные комбайны выполняют и зарубку, и навалку, и перемещение угля. В металлообрабатывающей промышленности также применяются комбайны, которые называются агрегатными станками и используются для поточных автоматических линий.
Машины, применяемые в современной промышленности, отличаются большой скоростью работы, а следовательно, высокой производительностью. Так, в современных паровых турбинах, соединенных с генераторами электрической энергии (турбогенераторы) скорость рабочего вала доходит до 4000 об/мин. Благодаря этому достигается огромная мощность турбины (до 150000 кет) при небольших размерах и весе.
Высокую производительность при сравнительно небольшой затрате энергии и материала имеют современные станки-автоматы. Так, например, болторезный автомат может изготовить несколько сот болтов в час, в то время, как на токарно-винторезном станке даже опытный токарь может сделать таких болтов не более 10 штук в час. Горный комбайн „Донбасс" при обслуживании его тремя рабочими вырубает за смену до 800 т угля, в то время как при зарубке отбойным молотком один человек давал около 15 т в смену.
Огромный шагающий экскаватор ЭШ 14/25 имеет мощность 7000 кет. В течение одной минуты он вынимает 25 т (14 куб. м) земли и переносит эту массу на расстояние до 150 м. Эта сверхмощная машина заменяет труд 10 тысяч землекопов, которые работают вручную.
В различных производствах применяются очень маленькие машины, производящие обработку мелких деталей, например стан
5 В, П. Беспалько
129
ки для изготовления деталей часов, и машины-гиганты, имеющие огромные размеры и мощность и производящие обработку очень крупных изделий, например гигантские карусельные станки, позволяющие обтачивать заготовки диаметром более 10 М, или удлиненные токарные станки, на которых обтачивают валы длиной более 20 м и весом несколько тонн.
К современной машине предъявляются высокие требования, основными среди которых являются высокая производительность, быстроходность, легкость в управлении.
Очень важно, чтобы машина была небольшой по размеру и занимала немного места, была сравнительно легкой по весу и удобной для перемещения, требовала для изготовления как можно меньше материалов. Поэтому инженеры, создающие машины, стремятся облегчить их части, сделать их меньшими по размерам и в то же время повысить их прочность и износоустойчивость. •
§ 45. Силы, действующие в машинах
Во время работы машины на ее движущиеся части действуют различные силы, которые вызывают ускорение или замедление их движения. Эти силы подразделяются на движущие силы и силы сопротивления движению.
Движущие силы вызывают движение частей машины, необходимое для выполнения работы. Величина работы движущей силы зависит от ее направления и будет наибольшей, когда угол между направлением силы и направлением перемещения равен нулю.
Кроме движущих сил в машине всегда действуют силы сопротивления, направленные против сил движущих.
Силы сопротивления, действующие в машине, подразделяют на силы полезного и вредного сопротивления.
Силы полезного (рабочего) сопротивления есть противодействие со стороны тех тел, на которые направлены движущие силы. Например, в металлорежущих станках — сопротивление резанию, в подъемном кране — вес поднимаемого груза и т. п.
Силы вредного сопротивления — главным образом силы трения в движущихся частях машины, на преодоление которых затрачивается часть мощности машины.
Чем меньше вредные сопротивления, т. е. чем большая часть энергии движения затрачивается на полезные сопротивления, тем больше полезная работа машины.
Во время работы некоторые части машины движутся неравномерно, т. е. с ускорениями. Примером является ползун (поршень) кривошипно-шатунного механизма, который за каждый оборот кривошипа два раза изменяет направление и скорость своего поступательного движения. Из курса физики известно, что если одно тело (например, шатун) действует на другое (например,
130
ползун), имеющее массу т, с движущей силой F и сообщает ему ускорение а, то сила равна произведению массы на ускорение: F—m-a, а так как действие равно противодействию, то второе звено (ползун) действует на первое (шатун) с равной и противоположно направленной силой:
— F=m • а.
Эти силы, возникающие в частях машины, будут тем больше, чем тяжелее ползун (поршень) и чем больше его ускорение. Они передаются от поршня к шатуну, а от него — на коленчатый вал двигателя, воздействуя на подшипники. При этом детали механизма подвергаются износу, а иногда, при очень больших ускорениях, и поломкам. Поэтому в быстроходных машинах, например в турбинах, вал которых делает до 3000—4000 об/мин, во избежание поломок рабочие звенья стараются сделать легкими и прочными.
Рис. 111. Схема жидкостного трення.
§ 46. Трение в машинах
При трении двух несмазанных поверхностей, т. е при „сухом" трении, сила трения равна произведению силы, сжимающей тела и направленной перпендикулярно к их поверхностям (Р), на коэффициент трения (Ki).
Fmp = KtP.
При сухом трении трущиеся поверхности звеньев быстро изнашиваются и разрушаются. Кроме того, сухое трение сопровождается сильным нагреванием частей, которое может привести к выплавлению подшипников и выходу из строя всей машины.
Для того чтобы не допускать сухого трения движущихся частей машины, применяют смазку (рис. 111). Если слой смазки будет достаточно велик, то поверхности трущихся тел своими неров
ностями не будут задевать друг друга и силами трения станут силы сопротивления внутри жидкости при сдвиге их слоев — так называемое внутреннее трение жидкостей. В результате поверхности твердых тел будут изнашиваться значительно меньше л резко уменьшится вредное сопротивление — трение в частях машины.
5»
131
Трение при смазке (жидкостное трение) возникает иначе, чем сухое трение. Сила трения при смазке будет тем больше, чем больше площадь поверхности соприкосновения тела, и возрастает с увеличением скорости движения одного тела по другому, а уменьшается при увеличении расстояния между телами, т. е. при увеличении толщины слоя смазки.
Силу жидкостного трения выражают формулой:
Ртр-ж. == Р>
где К?— коэффициент жидкостного трения,
Р — сила, действующая перпендикулярно к трущимся поверхностям (сила давления).
Коэффициент жидкостного трения (К2) значительно меньше, чем коэффициент (Кг) трения сухого. На практике принимают значение коэффициента К2 равным в среднем от 0,01 до 0,05 (в 10—20 раз меньше коэффициента сухого трения).
На величину силы жидкостного трения оказывает влияние также состояние трущихся поверхностей, их отделка и Чистота. Важно, чтобы масло хорошо прилипало к поверхностям, чтобы не было разрыва масляной пленки. Если масло потеряло вязкость, его надо немедленно заменить, предварительно промыв трущиеся части машины. Заметим, что при чрезмерно больших давлениях произойдет выдавливание смазки и трение резко возрастет.
Сила жидкостного трения направлена против движения (как и при сухом трении). При этом, если без смазки сила трения покоя значительно больше, чем трение при движении, то для жидкостного трения — наоборот: когда тела неподвижны, т. е. скорость V=0, сила трения тоже равна нулю (при условии, если между поверхностями имеется слой смазки).
Таким образом, при достаточной смазке машина легко может быть пущена в ход, в то время как при сухом трении для пуска машины требуются значительные усилия.
Применение масла приносит пользу лишь тогда, когда между трущимися поверхностями образуется тонкая пленка смазывающей жидкости, имеющая форму клина (рис. 112 а). Для цилиндрических поверхностей такой клин образуется благодаря небольшому зазору между ними, образовавшемуся из-за разности в диаметрах цапфы и подшипника. Если обе части имеют плоские поверхности, то на одной из них (обычно верхней, т. е. ползуне) делают небольшие скосы или уступы, чтобы образовался клиновидный слой масла (рис. 112 б).
Оказывается, что в слое смазки, имеющем форму клина, при быстром движении трущихся частей образуется большее давление масла, доходящее до 150—200 кГ/см'1 в наиболее узком месте клина. Благодаря этому высокому давлению масла цапфа или ползун, несмотря на большую нагрузку от внешней силы, слегка приподнимаются и как бы „плавают" в масле.
132
Если масло не имеет достаточной вязкости или скорость движения частей будет очень мала, смазка будет выдавливаться из промежутка между частями и масляная пленка не образуется. При этом неровности поверхностей частей машины будут задевать друг за друга, т. е. трение резко увеличится, так как оно будет полусухим. При полусухом трении резко возрастет износ машины и поэтому для создания масляной пленки при небольшой скорости частей при пуске машины после длительной остановки принудительно подают смазку с помощью специальных насосов.
Практика показала, что наибольший износ частей происходит при пуске особенно в холодном состоянии, когда масляная пленка еще отсутствует. Если по условиям работы машину при
о
Рис. 112. Масляный клин для сопряжения: а — цилиндрических поверхностей; б — плоских поверхностей.
ходится часто останавливать и снова пускать в ход, т. е. она работает при полусухом трении и применение смазки себя не оправдывает, вместо подшипников скольжения с жидкой смазкой применяют подшипники качения. В подшипниках качения шарики или ролики катятся по подшипниковым кольцам и если бы оба тела были идеально твердыми и гладкими, тогда качение происходило бы без трения. Приближенным примером качения без трения может служить стальной закаленный шарик, который от легкого толчка долго катится по гладкому стеклу. Практически каждое тело под действием другого тела испытывает изменение формы (деформацию). Шарик, как бы тверд он ни был, будет слегка сплющиваться, а поверхность основания — продавливаться в месте соприкосновения с кольцом.
На рис. 113 радиус окружности углубления обозначен г, а глубина й; радиус шарика — /?, сила, действующая на шарик перпендикулярно поверхности, представляющая собой вес шарика, и внешнюю нагрузку — Р, сила, направленная горизонтально по оси шарика, — Г'. Очевидно, для того чтобы „приподнять" шарик над то 1Кой А, т. е. перекатить его дальше,
133
требуется к телу приложить усилие, равное силе сопротивления (трения) при качении:
F=K3-P,
где Кз = ^ —коэффициент трения качения.
Трение качения значительно меньше трения скольжения и шариковые или роликовые подшипники дают трение в среднем в 25 раз меньше, чем подшипники скольжения со смазкой. Поэтому они получили большое распространение в технике.
Нужно отметить, что ввиду очень маленькой поверхности соприкосновения трущихся тел шарики и опорные кольца подшипников подвергаются большим давлениям, из-за чего ускоряется их износ.
Рис. 113. Трение качения.
Поэтому подшипники качения не применяют в машинах, части которых подвергаются большим ударным нагрузкам, особенно меняющимся во время работы, например в молотах, прокатных станках, прессах и т. п. Здесь вместо них применяют подшипники скольжения, как более надежные и менее подвергающиеся износу.
Для уменьшения давления, а следовательно и износа, вместо шариковых применяют роликовые подшипники, а вместо однорядных — многорядные.
Для перемещения тяжелых грузов, например станков, при небольших расстояниях, ровной и прочной поверхности пола используют цилиндрические катки, которые подкладывают под перемещаемый груз. На каждый каток при этом придется какая-то часть общего веса груза, и чем больше будет катков, тем меньшую нагрузку испытает каждый из них.
При таком передвижении груза сила Г будет приложена не к центру цилиндра, а сверху (по касательной), т. е. ее плечо будет не R, как показано на рисунке 113, а в два раза больше, т. е. 27?. Поэтому потребуется сила в два раза меньшая, чем в том случае, когда F направлена по центру. Иначе говоря, перемещать грузы 134
на перекатывающихся катках в два раза легче, чем на теле/кке, у которой такие же колеса укреплены на осях. В то же время передвижение на катках имеет свои неудобства по сравнению с тележкой, так как приходится переставлять катки.
Тележки на колесах предназначаются для перевозки грузов на большие расстояния. При их передвижении следует учитывать не только трение качения между колесами о поверхность дороги, но также трение цапф валов или осей в подшипниках. Чтобы определить зависимость между нагрузкой Р на оси, перпендикулярной к поверхности дороги, и общей силой сопротивления движения, применяют формулу:
РС=К^Р,
где Fc — сила сопротивления, Р — общая нагрузка и М4 — общий (так называемый приведенный) коэффициент трения. При передвижении на колесах иногда приведенный коэффициент называют коэффициентом тяги.
§ 47. Коэффициент полезного действия машины
Коэффициент полезного действия машины зависит от к. п. д. составляющих ее механизмов. Различают полный и механический коэффициенты полезного действия машины. Полный коэффициент полезного действия есть отношение полезной работы ко всей затраченной, т. е.
А.
1J ПОЛИ. — .
-Лз
Полный коэффициент учитывает все потери, которые происходят в машине в процессе превращения энергии. Это могут быть потери на отдачу тепла в цилиндрах паровой машины или двигателя, а также всевозможные механические потери, в том числе на трение. У тепловых машин полный к. п. д. очень низок, например у паровой машины он равен 0,15—0,20, у двигателя внутреннего сгорания — 0,30, а у электрического двигателя, где потери очень невелики — 0,85—0,90. Вполне понятно, что конструкторы стараются создавать такие машины, которые давали бы наименьшие потери энергии, т. е. наибольший к. п. д. Повышение полного к. п. д. приведет к экономии угля, нефти, электроэнергии и др. Высокий к. п. д. электрических машин приводит к экономии топлива и металлов, идущих на изготовление этих машин.
Механический коэффициент полезного действия машины есть отношение полезной работы к механической работе движущих сил, т. е.
135
Коэффициент полезного действия может быть выражен не только как отношение работ, но и как отношение мощностей.
Механический к. п д возрастает при увеличении мощности машины. Так, например, паровая турбина мощностью 1000 кет имеет к. п. д. 92"/,„ в то время как к. п. д. турбины мощностью 50000 кет равен 97°/0. Этим и объясняется стремление строить крупные машины с большей мощностью вместо нескольких мелких машин. Так, например, на Куйбышевской ГЭС устанавливаются турбогенераторы мощностью 105000 кет каждый.
Выясним более подробно, как зависит механический к. п. д. всей машины от коэффициентов полезного действия ее отдельных механизмов.
Пускай машина состоит из трех механизмов: двигательного, передаточного и исполнительного. К. п. д. двигательного механизма т)1, передаточного механизма ц2 и исполнительного механизма Цз-
Пам известно, что общий механический к. п. д. машины равен А
Т| = —. Работа, совершенная первым механизмом и переданная второму равна А1 = тц1 Аав. от второго к третьему — Л2 = т)3 • At, и от третьего механизма — А„ = г13- Аг.
Подставляя в последнюю формулу значения работы, получим:
Ап = Vj Л — т)з • ц2 Ai = % • 1)3 - T)i Д>0 или
= • V.
т. е. общий механический коэффициент полезного действия машины равен произведению отдельных коэффициентов полезного действия составляющих ее механизмов.
Так как к. п. д. отдельных механизмов всегда меньше единицы, то их произведение (общий механический коэффициент) — величина, меньшая к. п. д. каждого из механизмов.
Отсюда следует, что невыгодно вводить в машину множество различных механизмов, так как это неизбежно приведет к уменьшению ее к. п. д., т. е. понижению ее эффективности и экономичности.
В современных машинах для повышения их механического к. п. д. вводят гидравлические, пневматические и электрические приводы. Так, например, в больших металлообрабатывающих станках устанавливают отдельные электродвигатели для приведения в движение разных узлов вместо передач специальными механизмами, как это делали прежде.
136
§ 48. Закон сохранения и превращения энергии в применении к машине
Для того чтобы пустить машину в ход, необходимо приложить к ней внешние движущие силы. Работа движущих сил (Айв) при пуске затрачивается на приведение в движение частей машины, т. е. на сообщение ей кинетической энергии (IFJ, на преодоление вредных сопротивлений (Ао) и совершение полезной работы (А„) (преодоление полезных сопротивлений). На основе закона сохранения энергии мы можем написать уравнение движения машины во время ее пуска:
Age — Wk Ц- Ап -j- Де.
Таким образом, при пуске работа движущих сил (Д08) должна быть больше полезной работы на величину, равную кинетической энергии приводимых в движение частей машины. Этим объясняется необходимость затраты большей движущей энергии при пуске тяжелых машин (разгоне или разбеге).
Чтобы ускорить время разгона (пуска) машины, снимают полезное сопротивление, т. е. делают Д„ = 0 (холостой ход). Тогда работа движущих сил, помимо разгона частей машины, идет лишь на преодоление вредных сопротивлений, т. е. А.,я = Wk--A, (уравнение холостого хода). Тем самым дают двигателю сначала поработать на холостом ходу, а потом уже включают нагрузку (полезное сопротивление). Так делают при пуске двигателей автомобиля, экскаватора, теплохода и других машин.
Когда машина пущена в ход и ее движение становится установившимся, уже не требуется затраты энергии движущих сил на приведение в движение ее частей (W к). При таком движении машины работа движущих сил (Аав) затрачивается только на преодоление полезных и вредных сопротивлений. Отсюда можно написать уравнение установившегося. движения машины:
Адв== Ап - - Ав.
В работающей машине при установившемся ее движении, скорости движения отдельных ее частей, а следовательно, и кинетическая энергия, могут все время изменяться в течение одного периода или цикла работы. Так, например, в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания за один цикл поршень делает четыре движения, причем скорость его делается равной нулю и достигает наибольшей величины четыре раза. Однако это изменение кинетической энергии за рабочий цикл происходит так, что общее изменение кинетической энергии при установившемся движении равно нулю.
Для того чтобы остановить машину, прекращают действие движущих сил, т. е. делают работу движущих сил (А)0) равной
137
нулю. Некоторое время машина еще будет продолжать свою работу за счет инерции, но ее части будут двигаться все медленней. При этом ранее накопленная кинетическая энергия (IV^) движущихся частей будет расходоваться на преодоление сопротивлений. Отсюда уравнение движения машины при остановке:
= Л +
Полная остановка произойдет тогда, когда вся кинетическая энергия израсходуется. Для того чтобы быстрее остановить машину, применяют добавочные сопротивления — тормоза. Но и без тормоза машина остановится, если прекратить воздействие на нее движущих сил и снйть полезную нагрузку. В этом случае кинетическая энергия движущихся частей машины будет расходоваться на преодоление вредных сопротивлений, которые, как известно, неизбежны (Wk — A^.
В этом и причина того, что многочисленным изобретателям не удалось изобрести вечный двигатель, который бы работал не потребляя энергии.
§ 49. Уравновешивание машины
На тело, движущееся по окружности, действует центростремительная сила, направленная к центру окружности, которая тем больше, чем больше масса тела и скорость его движения по окружности.
Согласно законам механики само вращающееся тело действует на тело, удерживающее его на окружности вращения с силой, которая называется центробежной.
Например, на части обода маховика при его вращении действуют центростремительные силы; в свою очередь части маховика действуют с равными и противоположно направленными центробежными силами на ступицу маховика, которые передаются подшипникам и станине.
При изготовлении частей машин часто получается смещение центра тяжести. Например, при смещении центра тяжести на 1 мм у маховика весом 100 кГ, вращающегося со скоростью 2000 o6Jmiih, центробежная сила достигнет величины 400 кГ. Таким образом, смещение центра тяжести маховика на 1 мм создает вредную центробежную силу, действующую на подшипники и опоры в 4 раза больше, чем вес маховика. Если же взять тяжелые роторы турбины, которые вращаются со скоростями, равными нескольким тысячам оборотов в минуту, то центробежные силы даже от небольшого смещения оси вращения могут стать огромными и привести к тяжелым авариям машин.
Поэтому при изготовлении быстро вращающихся частей машины и их установке нужна очень большая точность. На практике не всегда бывает возможно изготовить такую деталь с большой
138
Ww ’««tf pH К1Ц
точностью, например отлить и обточить на станке маховик, а тем более точно установить его на валу машины. Поэтому применяют уравновешивание (балансировку) вращающихся частей. Например, для уравновешивания маховиков небольшой ширины применяют статическую балансировку. Для статической баланси-
»ali «Mi,
pnu И ц. opsi(if
Рис. 114. Схема статической балансировки.
IM®
ящ же вфв
ио® pi®
шИ шк Ив еяи яр дЬ й «В ас IfSf fes
ровки (рис. 114) берут две точно изготовленные статьные линейки (3) и устанавливают их в строго горизонтальном положении параллельно друг другу так, чтобы между ними оставался некоторый промежуток. Проверяемый маховик, колесо или шкив (I) плотно одевают на валик (2), который ставят с диском на узкие ребра линеек (ножи). Валик при этом сможет легко перекаты
ваться по линейкам под действием даже очень небольшой силы.
Известно, что всякое тело будет в устойчивом равновесии только тогда, когда центр его тяжести занимает самое низкое из всех возможных положение относительно опоры. Поэтому валик с маховиком будет перекатываться
Рис. 115. Уравновешивание маховика.
по линейкам вперед и на-
зад и после нескольких колебаний остановится в том положении.
где его центр тяжести будет находиться внизу, под его геометрическим центром. Чтобы устранить смещение, т. е. „поднять" центр
тяжести маховика до его центра, надо сделать тяжелее его верхнюю часть или облегчить нижнюю. С этой целью или помещают добавочный грузик (1) на верхней половине махо
139
вика (рис. 116), или высверливают отверстие в нижней половине так, чтобы валик с диском оставался в равновесии в любом положении, т. е. не двигался бы колебательно на линейках (безразличное равновесие). Валик испытывает сопротивление качению, которое невозможно устранить даже самой точной обработкой, поэтому после статической балансировки остается все-таки некоторое смещение, которое устранить невозможно. На практике удается уменьшить смещение до величины 0,1 мм, что вполне достаточно для большинства небыстроходных машин. Для машин быстроходных вращающиеся части (маховики, роторы) требуют более точной балансировки, со смещением не более 0,001 мм.
Кроме статического уравновешивания, применяют так называемое динамическое уравновешивание. Так коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания имеют обычно несколько кривошипов, от которых во время вращения возникают силы, которые будут изгибать вал и передаваться через шейки вала на подшипники.
Величина этих сил, оказывающих вредное действие на части машин, будет тем больше, чем быстрее происходит вращение, чем больше вес кривошипов и расстояние между ними.
Эта неуравновешенность появляется во время движения, поэтому ее называют динамической неуравновешенностью частей. Если ее не устранить, то вал будет вибрировать (дрожать), подшипники будут быстро изнашиваться и машина выйдет из строя.
Для динамического уравновешивания на коленчатых валах устраивают дополнительные противовесы на каждом кривошипе с тем расчетом, чтобы силы, действующие на подшипники от кривошипов, были бы уравновешены, а также стараются ставить кривошипы как можно ближе друг к другу.
Для точного динамического уравновешивания длинных и быстро вращающихся частей, применяют балансирные станки.
Различные части машин, иногда очень тяжелые, часто движутся поступательно (например, поршни и ползуны). Поступательно движущиеся звенья также стараются уравновесить путем симметричного расположения частей, а также применения соответствующих противовесов.
Например, у двигателей внутреннего сгорания делают несколько цилиндров вместо одного, располагают кривошипы под углом друг к другу, устанавливают добавочные противовесы.
Уравновешивание звеньев машины имеет огромное значение для повышения ее быстроходности и равномерности хода, уменьшения износа частей и повышения производительности и экономичности.
В то же время иногда применяются и такие машины, работа которых основана на использовании неуравновешенности их ча
140
стей и появляющемся в результате этого колебательном движении. Таковы, например, вибрационные механизмы для плотной укладки бетона, а также сортирующие вибрационные машины — грохоты.
§ 50. Регулирование машин
При установившемся движении части машины двигаются равномерно, с неизменными скоростями. Равномерность движения может нарушаться периодически, т. е. через равные промежутки времени, движущие силы то возрастают до наибольшей величины, то уменьшаются до нуля. Это происходит, например, в двигателе внутреннего сгорания, когда поршень движется быстрее всего под действием давления газов при сгорании-расширении и медленнее при остальных, так называемых вспомогательных тактах — всасывании, сжатии, выпуске.
Неравномерность движения частей машин является причиной их износа.
Для устранения неравномерности движения применяют маховые колеса, имеющие значительную массу, которые прочно закрепляются на главном валу машины.
Маховики изготавливают с тем расчетом, чтобы их основная масса располагалась на ободе, т. е. в точках, наиболее удаленных от оси.
Во время работы машины могут происходить изменения внешней нагрузки (полезного сопротивления), сопровождающиеся изменением установившегося движения машины.
Предположим, что паровая машина или двигатель внутреннего сгорания приводят в движение электрический генератор и несколько потребителей тока. Если уменьшилась работа полезного сопротивления, то работа движущих сил станет больше работы сил сопротивления и двигатель начнет быстро увеличивать число оборотов, т. е. равномерность хода нарушится. Обратное явление произойдет при увеличении полезного сопротивления, когда, например, включаются дополнительные электродвигатели, т. е. ход машины начнет замедляться.
Очевидно, необходимо регулировать действие движущих сил так, чтобы при изменениях нагрузки поддерживать равномерность хода машины. Для этой цели служат автоматические регуляторы скорости. Примером простейшего регулятора является центробежный регулятор, который применяется для регулирования работы паровых машин, двигателей внутреннего сгорания и т. п.
При увеличении числа оборотов двигателя регулятор уменьшает доступ горючей смеси или пара, в результате чего автоматически уменьшается скорость вращения вала двигателя. При уменьшении числа оборотов действие регулятора будет обратным.
141
Наряду с центробежными регуляторами применяются также регуляторы с гидравлическими, пневматическими, электрическими и другими устройствами. Например, в зависимости от высоты уровня воды (напора) на плотине гидроэлектростанции применяется автоматическая регулировка угла поворота лопастей рабочего колеса турбины, благодаря чему поддерживается постоянная скорость вращения ротора турбогенератора.
Помимо регулирования скорости, т. е. поддержания установившегося движения машины, на практике бывает необходимым регулировать и другие величины, характеризующие ее работу. Например, в насосе, который качает воду, в зависимости от расхода воды потребителями, регулируется ее подача в резервуар, т. е. автоматически изменяется производительность машины.
В современном производстве, где работают сложные системы машин, применяют сложные регулирующие устройства, в которых используются механические силы, тепловые и электромагнитные явления.
§ 51. Понятие об устойчивости машин
Уравновешивание необходимо для устойчивости любых машин: и для работающих на одном месте (станки), и для перемещающихся (транспортные машины).
Так, передвижной подъемный кран весом Р, поднимающий груз Q (рис. 116, а), испытывает действие двух противоположно направленных сил. Одна из них, вес груза Q, создает момент
Mi = Q-L,
где L — плечо груза, т. е. расстояние по горизонтали между точкой опоры А и линией действия этого груза. Этот момент Afi стремится опрокинуть кран, поэтому его называют опрокидывающим моментом. Вторая сила Р— вес крана, приложенный к его центру тяжести, создает момент
Мг=Р-1,
где I — плечо силы Р, т. е. расстояние (по горизонтали) между точкой опоры А и центром тяжести. Этот момент ЛД удерживает кран на месте, поэтому его называют удерживающим. Устойчивость крана, как и любой другой машины, определяется отношением удерживающего момента к моменту опрокидывающему. Эту величину иногда называют коэффициентом устойчивости. Для крана коэффициент устойчивости равен
Л4. _ Р I
Mt ~ Q ' L •
Отсюда, чем тяжелее кран, чем дальше удален его центр тяжести от передней опоры и чем меньше вылет стрелы, т. е. плечо, тем больше его устойчивость. Вот почему краны имеют тяжелые противовесы со стороны, противоположной его стреле
142
и их грузоподъемность строго ограничена, а также для работы краны устанавливаются в строго горизонтальном положении.
В поршневом двигателе, установленном на фундаменте вертикально (рис. 116 0, давление пара или газов передается поршню,
Рис. 116. Схема действия сил: а — на подъемный кран; б — в поршневом двигателе.
который давит с силой Р на поршневой палец вертикально вниз. Разложим силу на две составляющие: Pt, действующую вдоль шатуна, и N, направленную перпендикулярно к стенке цилиндра. Сила Pt сообщает рабочее движение кривошипу, в то время
143
как составляющая N давит на цилиндр, а следовательно, на станину (стойка) двигателя. При этом создается момент Mi=N-h, опрокидывающий двигатель в сторону, противоположную вращению кривошипа, через крайнюю точку опоры В. Плечо h, т. е. высота поршня над фундаментом, берется средним, соответствующим наибольшему значению N.
В многоцилиндровых вертикальных двигателях, имеющих большой ход поршня (h), этот опрокидывающий момент достигает значительной величины. Для создания устойчивости станину
двигателя прочно закрепляют на фундаменте болтами, создающими силу Q с удер-
Рис. 117. Устойчивость автомобитя.
кивающим моментом Af.2 = Q- L, который значительно больше, чем опрокидывающий момент. Кроме того, общий вес двигателя также помогает удержать его на месте. Отсюда видно, что для большей устойчивости вертикальных машин необходимо увеличивать расстояние между крайними точками опоры и применять прочное крепление станины фундаментными болтами.
Значительно сложнее сделать устойчивыми движущиеся машины (автомобили, локомотивы и т. д.). Например, в работе автомобиля учитывают возможность появления опрокидывающего момента из-за перекоса на неровностях дороги, а также добавочных сил на крутых поворотах, от повышения центра тяжести при сильной перегрузке и т. п.
На рисунке 117 (1) показано устойчивое положение автомобиля с нормальной нагрузкой на ровной дороге, когда сила тяжести не выходит за площадь опоры, и опасное положение 117 (2), когда сила тяжести проходит по границе площади опоры.
Контрольные вопросы
1. Что называется машиной?
2. Чем отличается машина-двигатель от рабочей машины? Приведите примеры.
3. Из каких основных механизмов состоит любая машина? Приведите примеры.
Ш
4. Расскажите о силах, действующих в машинах.
5. Приведите примеры, подтверждающие закон равенства действия и противодействия в работе машин.
6. В чем различие сопротивления качению на катках и на колесах?
7. Как определить полный коэффициент полезного действия машины? Приведите примеры.
8. Что называют холостым ходом машины?
9. Для чего применяют торможение?
10. Как производится статическое уравновешивание вращающихся частей машины?
11. Для чего применяют динамическое уравновешивание движущихся частей машины?
12. Как производят регулирование движения машин?
13. От чего зависит устойчивость машин?
ГЛАВА X
НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ МАШИН
§ 52. Молоты и прессы
Молоты и прессы относятся к кузнечно-прессовому оборудованию. Эти рабочие машины широко применяются для горячей и холодной обработки металлов давлением (ковка, штамповка).
Молоты предназначены для придания обрабатываемой заготовке необходимой формы посредством сильных ударов, т. е. кратковременным воздействием очень больших сил, величина которых определяется в основном весом падающих частей молота.
Молоты используются не только для обыкновенной (свободной) ковки, но и для ковки в специальных формах (штампах).
Паро-воздушные молоты работают за счет энергии сильно сжатого пара или воздуха (до 4—7 атмосфер).
Основные части молота этого типа (рис. 118): тяжелая вертикальная станина (1) (стойка), отлитая из чугуна и прочно закрепленная на фундаменте, рабочий (паровой или воздушный) цилиндр (2), поршень (3) со штоком и закрепленной на нем тяжелой ударной частью, называемой бабой (4), которая скользит по направляющим станины; баба заканчивается верхним бойком. На фундаментной плите неподвижно устанавливается массивная наковальня-шабот (5) с нижним бойком (6), на котором помещается обрабатываемая заготовка.
Пар или сжатый воздух от компрессора направляется в цилиндр и поднимает поршень вместе со штоком и бабой (холостой ход). В верхнем положении пар или воздух подается в верхнюю часть
145
цилиндра и поршень опускается вниз, причем верхний боек с большой силой ударяет по заготовке, лежащей на нижнем
5 6
Рис. 118. Паро-воздушный молот, цилиндра. Если открыты краны, жение воздуха передается в раС
бойке наковальни, производя работу, необходимую для изменения формы изделия: ковку, штамповку, пробивку отверстия и др.
Паро-воздушные молоты используются для ковки заготовок весом до 2 т. Вес падающих частей этих машин может быть от 500 до 5000 кг.
На рисунке 119 показаны пневматический молот (а)и его кинематическая схема {б). Внутри рабочего (1) и компрессорного (2) цилиндров двигаются поршни. Верхние и нижние полости цилиндров соединены трубками с кранами (3 и 4) воздухораспределительной системы. Движение передается от электромотора (5) через кривошип (6) к поршню рабочего то попеременное сжатие и разря-очий цилиндр, которое приводит
15)
Рис. 119. Пневматический молот:
а — устройство, б — кинетическая схема' 1 — рабочий цилиндр; 2 — компрессорный цилиндр, 3 н 4 — краны, «5 электродвигатель; 6 — кривошип, 7 — баиа, д’ — заготовка, 9 — педаль, IQ — боек.
146
в движение поршень, заставляя бабу молота (7) с верхним бойком (10) ударять по заготовке (8) Нижний боек закреплен в шаботе (1). Если нажать на педаль (9), краны открываются и молот работает, если отпустить, — краны перекроются и молот оста-
Рис. 120. Схема фрикционного молота с доской.
новится в том положении, в котором он находился в этот момент.
Молоты этого типа делаются значительно меньших размеров, чем паро-воздушные, с весом падающих частей от 100 до 1000 кг. Наибольший вес заготовок для ковки 75 кг. Интересно отметить, что сжатый воздух здесь используется как привод от электродвигателя к ударным частям благодаря чему обеспечивается плавность работы, наряду с износоустойчивостью и простотой механизма.
Фрикционный молот работает за счет использования сил трения между ведущими роликами и доской, на которой укрепляется баба с бойком (рис. 120). Схема такого молота с доской уже рассматривалась нами при изучении фрикционных механизмов. Вес падающих частей таких молотов может быть от 500 до 4500 кг. Движение в фрикционном молоте передается ремнем от ведущего шкива, зацепленного на валу двигателя.
Кроме указанных молотов, применяются также кривошипные, рессорные и рычажные молоты. Падающие части молотов имеют обычно небольшой вес (до 250 кг) и отличаются быстро
ходностью: делают от 150 до 500 ударов в минуту. Фрикционные молоты применяют для обработки изделий из тонкого ли-
стового металла.
Прессы, в отличие от молотов, производят не ударное воздействие на обрабатываемую заготовку, а действуют на нее давлением. Их применяют для прессования и формовки материалов (например, пластмасс), для гибки и правки, резки, выдавливания и вытяжки листового металла, а также для соединения деталей под большим давлением (прессовые посадки). По виду привода и способу действия прессы разделяются на гидравлические и механические.
В гидравлическом прессе (рис. 121) компрессор сжимает рабочую жидкость (масло) до 250—300 атмосфер и подает ее к рабочему цилиндру (8) и цилиндрам подъема траверсы (7).
В цилиндре под давлением масла перемещается рабочий поршень-плунжер (6), который соединен с подвижной траверсой-ползуном (5), перемещающейся по направляющим колоннам. Ползун давит с огромной силой на заготовку (3), помещенную на основной плите (1). Современные гидравлические прессы могут развивать огромные силы давления — до 30000 тонн.
Кривошипный пресс изображен на кинематической схеме, (рис. 122). Он работает как кривошипно-шатунный механизм. Ве
147
дущим звеном, приводимым в движение электродвигателем, является кривошип (6). Кривошип передает усилие через шатун ведомому звену —ползуну (8), который и производит рабочее давление на заготовку. Разновидностью кривошипного пресса является эксцентриковый пресс, у которого вместо криво-
шипа имеется эксцентрик.
Винтовой пресс работает как винтовой механизм (см. рис. 97). Рабочий винт шар-
Рис. 121. Схема гидравлического пресса:
I — плита, 2 — нижний штамп; 3 — заготовка, 4~ верхний штамп, 5—траверса, 6 — плунжер; 7 — цилиндры подъема траверсы, 8 — рабочий цилиндр
него пресса:
1 — электродвигатель; 2 — ременные передачи; 3—маховик; 4— зубчатая передача; 5 — фрикционная муфта; 6—коленчатый вал; 7 — шатун; 8 — ползун; 9 — тормоз; 10 — шабот.
нирно соединен с ползуном, производящим необходимое давление. Винт получает движение от электрического привода. Во время рабочего хода винт ввинчивается в гайку станины, и ползун опускается. На холостом ходу винт, вывинчиваясь из гайки, поднимает ползун. Привод, винт и ползун смонтированы на массивной чугунной станине, прочно укрепленной на фундаменте.
Ручные, винтовые, реечные и рычажные прессы применяются для ручной обработки, а потому развивают очень небольшие силы давления (до 300 кг). Их используют для штамповки, гибки и резки тонкого листового металла, а также для переплетных, столярных и других работ.
148
§ 53. Подъемно-транспортные машины
Грузоподъемные машины применяются на заводах, строительствах, в речных и морских портах, крупных складах и служат для подъема различных грузов и их перемещения на расстояния. Наиболее простые из этих машин — полиспасты — грузоподъемные механизмы, представляющие собой соединение подвижных и неподвижных блоков. Полиспасты применяют как самостоятельные механизмы для подъема небольших грузов, для натяжения проводов и как механизмы сложных машин, например подъемного крана и экскаватора.
Лебедки — машины для подъема или перемещения небольших грузов, приводимые в движение мускульной силой рабочего или двигателем. Основные части ле
бедки (рис. 123): станина (1), на которой укрепляется рабочий вал с барабаном (2). Для получения усилия в лебедке применяют одноступенчатую или многоступенчатую зубчатую передачу (3). Для того чтобы груз не мог опускаться сам, служит предохранительное устройство в виде храповика с собачкой (4) или тормоза. Лебедки являются частью двигательных механизмов кранов, подъемников и экскаваторов.
Для подъема грузов на небольшую высоту и удержания этих грузов (подвешивания) при ремонтных и сборочных работах
2 3
Рис. 123. Лебедка:
1 — станина, 2 — барабан; 3 — зубчатая передача; 4 — храповой механизм.
применяются ручные или механические тали с приводом от электро-
двигателя или компрессора.
В ручной тали используется простая цепь, которая входит в углубление тягового колеса. Это колесо передает вращательное движение через простую зубчатую или червячную передачу тяговой звездочке, шарнирно соединенной с крюком, на котором подвешивается поднимаемый груз. В электротали в качестве привода используется электродвигатель, который через редуктор вращает барабан со стальным канатом (троссом). Канат соединен с подвижным блоком. К обойме подвижного блока прицепляется крюк для поднимания груза. Электроталь, которая может быстро перемещаться вдоль подвешенного рельса посредством тележки на колесах, называется тельфером. С помощью электротали можно поднимать и перемещать грузы весом до 5 т.
В талях применяют передачи, обеспечивающие самоторможение, а также специальные тормозные устройства.
149
Домкраты (см. рис. 99) — переносные механизмы, с помощью которых можно поднимать грузы на небольшую высоту. Эти механизмы широко используют на строительных и ремонтных работах для подъема зданий, станков, автомобилей, локомотивов и других машин.
Домкраты бывают винтовые, гидравлические и реечные с ручным или электрическим приводом.
Грузоподъемность винтовых домкратов с ручным приводом достигает 20 т. Винтовой домкрат с электрическим приводом может поднимать грузы до 120 т и поэтому применяется для подъема паровозов и вагонов и передвижки зданий.
Гидравлический домкрат работает так же, как гидравлический пресс, но в отличие от него плунжер домкрата действует вверх. Эти домкраты приводятся в движение вручную (для небольших грузов) или от электродвигателя (для больших грузов до 500 т).
В реечном домкрате основной рабочий орган — зубчатая рейка, которая приводится в движение зубчатой передачей от рукоятки или рычага. Домкраты этого типа могут поднимать грузы до 10 т на высоту 0,25—0,4 м.
Рис 124 а Гусеничный кран.
Подъемные краны применяют для подъема, перемещения и спуска больших грузов. В зависимости от назначения краны
150
бывают самых разнообразных конструкций и размеров, но несмотря на эти различия все они состоят из трех основных частей: опоры (стойки) в виде рамы, фермы или башни на платформе, подъемного устройства в виде лебедки и механизмов управления для перемещения груза, передвижения и поворота всего крана.
На заводах, складах применяют консольные краны состоящие из вертикальной колонны (стойки) и одной поперечной поворот-
Рис. 124 б. Строительный кран.
пой балки (консоли), на которой закрепляется блок или таль, работающие от электромотора. Грузоподъемность консольных кранов сравнительно небольшая (до 5 т).
Крупные заводские мостовые краны перемещаются на колесах по рельсам, укрепленным вдоль верхней части стен цеха. Тележка катится по мосту вдоль здания. На тележке установлен подъемный механизм — электролебедка. Кран управляется из специальной кабины, укрепленной на мосту. В кабине сосредоточены приборы для пуска и остановки электродвигателей, которые производят подъем груза и передвигают тележку и мост крана. Грузоподъемность мостовых кранов может быть до 500 т.
На железнодорожных платформах устанавливают поворотные подъемные краны, передвигающиеся по путям. Эти краны работают от электромоторов, паровых машин илй от двигателей
151
внутреннего сгорания. Грузоподъемность их может достигать 200 т.
Некоторые краны, например гусеничные и автомобильные (рис. 124, а), имеют дополнительное оборудование (лопаты, скребки), которое позволяет им разрабатывать грунт, поднимать и перемещать сыпучие материалы и т. п., грузоподъемностью до 20—50 т.
Для механизации монтажных, погрузочно-разгрузочных работ на строительстве зданий применяются строительные (башенные) краны рис. 124 б, имеющие опорой высокую башню, которая может передвигаться по рельсовым путям. Подъемная стрела вращается вокруг башни, что расширяет возможности работы такого крана. Кран управляется машинистом из кабины, вмонтированной в башню. Строительные краны имеют большую грузоподъемность (до 40 т); они сравнительно легко и быстро могут быть собраны и разобраны и благодаря этому получили широкое распространение на наших стройках.
Конвейеры - машины для непрерывного перемещения самых разнообразных грузов на заводах, строительствах, угольных шахтах, в сельском хозяйстве и т. п. Их применяют для перемещения деталей и узлов машин, передвижения руды и угля, камня и песка, кирпича и досок, зерна и овощей и других предметов.
Ленточные конвейеры (рис. 124, в) перемещают грузы как горизонтально, так и в наклонном направлении. Основные части ленточного конвейера: барабан, приводимый в движение двигателем, система промежуточных роликов и лента из прорезиненной ткани или других материалов. Для грузов больших размеров применяются плоские ленты; для сыпучих трузов (песок, уголь) — ленты в форме лотка.
Рис. 124 в. Ленточный конвейер.
Пластинчатые конвейеры предназначены для тяжелых грузов, оказывающих большое давление на опоры. Эти опоры делаются в виде прочных пластин, прикрепленных к металлическим роли
152
ковым цепям. Цепи приводятся в движение зубчатыми колесами-звездочками, соединенными через редуктор с электродвигателем. Подобного вида конвейер, называемый эскалатором, применяется на станциях метрополитена для перевозки людей.
При непрерывно поточном производстве в цехах заводов применяют конвейеры, на которых изделия перемещаются непосредственно цепями. Иногда вместо пластин конвейеры оборудуются тележками, крюками, ковшами и т. д. Для подачи угля в топку паровоза применяют винтовой конвейер („стокер"), у которого основной рабочий орган — бесконечный архимедов винт, заключенный в закрытый кожух.
Вертикально установленный конвейер с ковшами для подъема сыпучих или полужидких материалов или полками для штучных грузов называется элеватором. Элеваторы широко распространены для перемещения зерна.
§ 54. Транспортные машины
Для перевозки людей и грузов применяются самые разнообразные машины, которые могут передвигаться по земле, воде и воздуху: мотоциклы, автомобили, локомотивы, пароходы, теплоходы и самолеты. Кратко познакомимся с наиболее распространенными видами наземных транспортных машин.
Мотоциклы — двухколесные или трехколесные самоходные повозки. Основные части мотоцикла; двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине, который приводит в движение всю машину; силовая передача (передаточные механизмы), передающая вращательное движение от двигателя к ведущему колесу, в которую входят механизмы сцепления, коробка скоростей, главная передача (цепная или карданная); ходовая часть, которая состоит из рамы и колес; механизмы управления: руль и тормозное устройство.
Автомобиль — самодвижущаяся четырехколесная повозка для перевозки людей и грузов. Основные части автомобиля: двигатель внутреннего сгорания, установленный на раме; силовая передача, которая служит для передачи вращающего момента от вала двигателя к ведущим колесам; ходовая часть — тележка, на которой установлены все узлы и кузов автомашины, состоящая из рамы, осей, рессор и колес; механизмы управления автомобилем.
По своему назначению автомобили разделяются на пассажирские (легковые и автобусы), грузовые и специальные (автокраны, автопогрузчики, автомастерские, пожарные и т. п.).
Локомотив — самоходная машина, применяющаяся на железнодорожном транспорте для передвижения поездов. Основные типы локомотивов — пассажирские и грузовые. В зависимости от двигателей, установленных иа локомотивах, их разделяют на паровозы, тепловозы и электровозы.
153
Паровоз состоит из экипажной части, куда входят рама, колеса и рессоры, и котла, состоящего из цилиндрической части, топки и дымовой коробки. Котел служит для получения пара, приводящего в движение паровую машину. Паровая машина — двигатель паровоза. Обычно на паровозах устанавливают две паровые машины. Работа-паровой машины производится поршнем, который через шток и дышло (шатун) передает движение на кривошип ведущих колес паровоза.
Паровозы очень распространены в народном хозяйстве, так как они просты и удобны по уходу и обслуживанию, но в то же время они очень неэкономичны, так как их полный к. п. д. равен в среднем 4—5%. В связи с этим в нашей стране прекращен выпуск новых паровозов и расширено производство других типов локомотивов.
Тепловоз имеет следующие части: двигатель внутреннего сгорания, передаточное устройство от двигателя к ведущим колесам и ходовую часть, а также холодильную установку для водяного охлаждения двигателя. У нас применяются тепловозы главным образом с электрической передачей. На одном валу с двигателем внутреннего сгорания установлен электрический генератор, вырабатывающий электрический ток. Этот ток через систему зубчатых колес приводит в движение электромоторы, которые вращают ведущие колеса. Наряду с электрической передачей в тепловозах используются также и другие виды передач: непосредственная от двигателя к колесам, гидравлическая и механическая.
По сравнению с паровозами тепловозы имеют высокий к. п. д. (до 30“Л). Наибольшая сила тяги при трогании с места тепловоза достигает 32000 кГ. Большим преимуществом тепловоза является малое количество расхода воды.
Электровоз — локомотив, получающий электрическую энергию по воздушным1проводам (контактная сеть). Электрический ток питает мощные электродвигатели локомотива, которые через зубчатые передачи приводят в движение его ведущие колеса. Современный электровоз имеет большую мощность (до 3500 л. с.) и развивает силу тяги до 35 СЮО кГ при скорости до 85 км)час. Полный коэффициент полезного действия электровоза равен в среднем 15%. Электровоз — чрезвычайно удобная и сравнительно простая по конструкции и управлению машина. Эти локомотивы широко применяются для пассажирских и грузовых перевозок на железных дорогах, а также на заводах, шахтах и рудниках. В нашей стране широко развивается электрификация железных дорог, создаются новые мощные и тяжелые электровозы.
§ 55. Дорожно-строительные машины
Работы по устройству новых автомобильных дорог, а также по ремонту действующих получили широкий размах в нашей стране, занимающей огромные территории. Для этой цели при
154
меняются разнообразные машины, многие из которых мы неоднократно наблюдали.
Прежде чем построить дорогу, необходимо выполнить подготовительные работы: вырубить лес, удалить кустарник и пни и т. д. Для этих работ используются кусторезы, корчеватели пней (приспособления, прикрепляемые к трактору), скреперы — устройства для поднятия, перемещения и выгрузки грунта, бульдозеры— тракторы со щитом для копания и перемещения грунта на небольшие расстояния (до 100 м), непередвижные, самоходные
б
Рис. 125. Дорожно-строительные машины: а — бульдозер, б — скрепер.
и шагающие экскаваторы (механические лопаты), а также грейдеры, катки, трамбовки, автомобили-самосвалы и другие машины.
При постройке дороги с асфальтобетонным покрытием применяется целый комплекс различных машин, в том числе: смеситель асфальтобетона, перемешивающий щебень и песок с битумом; укладчик асфальтобетона — самоходная машина на гусеничном ходу, равномерно укладывающая асфальтобетонную смесь на ширине до 3,5 м.
Для механизации работ по постройке дорог с цементно-бетонным покрытием применяют распределители бетонной смеси, которые укладывают бетон на ширине до 7 м с толщиной слоя в 30 см, и вибрационные бетоноукладчики, выполняющие работу по уплотнению бетонной смеси по всей ширине дороги с толщиной слоя в 0,5 м.
Для ремонта дорог и поддержания их в чистоте применяют ремонтеры, дорожные утюги, моторные катки, снегоочистители,
155
снего и пескоразбрасыватели, снегопогрузчики и другие механизмы и машины.
Разнообразные машины применяются при строительстве и ремонте железных дорог: балластеры, служащие для укладки слоя балласта (щебень, песок, гравий) на путях, путеукладчики, служащие для механизированной укладки рельсов (вместе со шпалами), путевые струги, служащие для нарезки боковых канав вдоль пути (кюветы), их очистки, а также очистки пути от снега и льда.
Все эти машины передвигаются локомотивом и производят работу посредством сжатого воздуха или другого источника энергии на локомотиве.
Кроме названных, на железных дорогах применяют множество других машин и механизмов, служащих для ремонта путей, контроля за их состоянием и ухода за ними.
Контрольные вопросы
1. Для чего применяются молоты?
2. Как устроен приводной пневматический молот?
3. Как устроен гидравлический пресс?
4. Назовите основные виды грузоподъемных механизмов.
5. Как устроен реечный домкрат?
6. Что такое электроталь и каково ее назначение?
7. Назовите основные виды подъемных кранов.
8. Приведите примеры применения конвейеров.
9. Какие типы мотоциклов вам известны?
10. Из каких основных частей состоит автомобиль?
11. Какие недостатки имеет паровоз по сравнению с тепловозом и электровозом?
12. Назовите основные виды дорожно-строительных машин.
ГЛАВА XI
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ
Металлорежущие станки имеют очень широкое распространение в производстве. Назначение этих машин — снимать с заготовок слой металла специальными режущими инструментами для того, чтобы получить изделие требуемых размеров и формы.
При обработке металлов резанием механизмы станков имеют два основных движения: резания и подачи, при которых происходит перемещение режущего инструмента и заготовки. В зависимости от вида инструмента и характера его движений, а также движений обрабатываемого материала различают следующие
156
основные процессы холодной обработки металлов резанием (рис 126):
Точение (а), когда обрабатываемый материал вращается (движение резания), а резец движется поступательно (движение подачи). Этот вид обработки металлов осуществляется на токарных станках.
Строгание (б), когда резец и заготовка движутся поступательно. Строгание производится на строгальных станках.
Сверление (в), когда заготовка неподвижна, а движения резания и подачи осуществляются сверлом. Сверление производится на сверлильных и токарных станках.
Рис. 126. Процессы обработки металлов резанием.
Фрезерование (г), когда режущий инструмент (фреза) вращается (движения резания), а заготовка движется поступательно (подача). Фрезерование производится на фрезерных станках.
Шлифование (д), когда режущий инструмент (шлифовальный круг) вращается, а заготовка движется поступательно (плоское шлифование) или тоже вращается и одновременно движется поступательно (круглое шлифование). Шлифование производится на плоско- и круглошлифовальных станках.
Мы перечислили наиболее распространенные виды обработки металлов резанием, хотя имеется еще очень много различных способов обработки. В производстве используется много видов различных металлорежущих станков. Кратко познакомимся с наиболее распространенными из них.
§ 56. Токарные станки
Токарно-винторезный станок (рис. 127) служит для обтачивания наружных цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, растачивания отверстий, подрезания торцов и уступов и нарезания резьбы.
Неподвижным звеном станка является станина, для устойчивости закрепленная на фундаменте. На станине установлены
Рис. 127. Токарно-винторезный станок и его кинематическая схема:
1 — станина, 2 — передняя бабка; 3 — шпиндель; 4 — коробка скоростей, Ь — задняя бабка, б — суппорт, 7 — резцедержатель, 8 — гитара, 9 — коробка подач.
основные узлы токарного станка: передняя бабка с коробкой скоростей, задняя бабка, коробка подач с ходовым винтом и ходовым валиком, суппорт с фартуком.
158
служит
Ряс.
токарного
128. Станина станка.
шпинделе для уста-
Станина (рис. 128) — массивное чугунное основание в виде двух продольных стенок, соединенных поперечными ребрами, установленная на прочных тумбах. Верхние части этих стенок станины называются направляющими. По направляющим станины перемещаются задняя бабка и суппорт, поатому направляющие должны быть строго параллельны. Направляющие станины могут иметь призматический и плоский профили.
Передняя бабка (рис. 127, 2) служит для установки, заготовки и сообщения ей вращательного движения. От передней бабки движение передается и к механизму подачи. В корпусе передней бабки обычно располагается коробка скоростей, которая для изменения скоростей вращения шпинделя. Она состоит из зубчатых колес, валиков и муфт сцепления.
Шпиндель — главный валкоробки скоростей, на котором устанавливаются патроны для крепления обрабатываемых заготовок. Шпиндель установлен в корпусе передней бабки на двух подшипниках. Он имеет сквозное отверстие для пропускания длинных прутков заготовок. Передний конец отверстия в имеет коническую форму новки центров.
Коробка скоростей получает вращательное от электродвигателя ремня, приводного шкива (1), который вращается на валу (2). Фрикционная муфта позволяет сцеплять шкив с валом. Вал (2) имеет направляющую шпонку, по которой скользит блок зубчатых колес (4). С помощью рукоятки (5), находящейся на стенке корпуса передней бабки, движение передается механизму зубчатой рейке, соединенной с вилкой (6). Эта вилка перемещает блок (4) вправо или влево благодаря чему одно из зубчатых колес блока сцепляется с одним из трех колес, неподвижно закрепленных на валу (7). Так как эти колеса имеют различные числа зубьев, то получаются три различные скорости вращения вала (7) при одном и том же числе оборотов приводного шкива и вала (2). На шпинделе (8) вращаются зубчатые колеса (9) и (10), постоянно сцепленные с колесами вала (7). Колеса (9) и (10) имеют торцевые выступы (кулачки), с которыми сцепляется кулачковая муфта (11). Эта муфта перемещается вправо или влево вдоль направляющей шпонки на шпинделе посредством рукоятки (3). В зависимости от положения муфты шпиндель может иметь две различные скорости вращения при каждой из трех скоростей вращения вала (71. Таким образом, можно получить шесть различных скоростей шпин
1а9
(рис. 129) движение посредством
деля при одном и том же числе оборотов приводного вала, переключением рукояток в различные положения, которые указаны на табличке, помещенной на коробке скоростей.
Задняя бабка (рис. 130) служит для закрепления в центрах длинных деталей, обтачивания конусов и установки некоторых режущих инструментов (сверла, развертки и т. п.).
Задняя бабка состоит из основания — плиты (1), на котором установлен корпус (2). Основание имеет тот же профиль, что у
Рис. 129. Коробка скоростей.
направляющих станины, и закрепляется на станине с помощью прижимной планки (8) рукояткой (9).
Заднюю бабку по мере необходимости можно перемещать вдоль направляющих. Для обработки конических деталей в центрах корпус задней бабки с помощью винта (10) можно сдвигать относительно основания в поперечном направлении.
В корпусе задней бабки помещается пиноль (3) с коническим отверстием, в которое вставляются центр или режущие инструменты. Перемещение пиноли осуществляется винтом (4), который вращается маховиком (5) и перемещает гайку, скрепленную с
160
пинолью. В пиноли имеется шпоночная канавка, которая скользит вдоль направляющей шпонки, закрепленной в корпусе, и тем
Рис. 130. Задняя бабка:
1 — плита; 2— корпус; 3 — пиноль, 4—винт, 5—маховичок;
6 — винт; 7 — рукоятка; 8 — планка, 9 — винт; 10 — винт.
самым предотвращает вращение пиноли. Закрепление пиноли в нужном положении производится винтом (6) с рукояткой (7).
Рис. 131. Схема передачи движения от шпинделя к коробке подач. Движения ходового винта:
а — прямое; б — обратное.
Коробка подач является основным узлом механизма подачи у современных станков. Ее назначение — изменять пере-
с; б)
6 В. П. Беспалько
161
даточное число вращательного движения от шпинделя к суппорту.
Механизм подачи служит для сообщения режущему инструменту движения продольной подачи вдоль оси шпинделя и поперечной подачи — перпендикулярно к этой оси.
На рисунке 131 показана передача вращательного движения от шпинделя трензелю. От трензеля движение передается сменным зубчатым колесам, сцепление которых осуществляется
Рис 132. Механизм коробки подач:
1— ведущий вал: 2— шпоночная канавка, 3—шестерня, 4— вилка; 5 — ось, 6—шестерня 7 — блок шестерен. 8 — ведомый вал, 9 — рычаг, 10 — корпус; 11 и 12 — шестерни включения ходового валика, 13 — ходовой валик, 14 — муфта включения ходового винта, 15— ходовой винт.
с помощью механизма гитары. Механизм гитары соединен с валиком коробки подач зубчатыми колесами.
Рассмотрим одну из конструкций коробок подач типа зубчатого конуса с накидными шестернями (рис. 132). Вдоль шпоночной канавки (2) валика скользит шпонка зубчатого колеса (3), которое свободно вращается по отношению к вилке (4). На оси верхней части вилки имеется зубчатое колесо (6), находящееся в постоянном зацеплении с колесом (3). На валу (8) коробки подач закреплен ряд зубчатых колес (обычно 10 колес), так называемый зубчатый конус (7). Посредством рычага (9) с рукояткой, жестко соединенного с вилкой (4), можно перемещать вилку вдоль валика (1) и поочередно сцеплять зубчатое колесо (6) с одним из колес зубчатого конуса.
162
Для того чтобы зацепление было правильным и наде?кным, вилка удерживается в каждом из положений посредством штифта рукоятки, западающего в одно из отверстий на корпусе коробки подач. Таким образом, механизм коробки подач позволяет пол\ -чить 10 различных передаточных чисел, т. е. скоростей вращения вала (8).
Вдоль правого конца вала (8) может скользить по направляющей шпонке зубчатое колесо (11), имеющее кулачковые выступы на торце.
Рис. 133. Суппорт токарного стайка.
Ходовой винт (15) имеет на конце кулачковую муфту (14). При перемещении зубчатого колеса (11) посредством вилки и рукоятки вправо оно сцепляется с муфтой кулачками. При этом вращательное движение от коробкн подач будет передаваться ходовому винту (15). Под ходовым винтом находится ходовой валик (13), на конце которого закреплено зубчатое колесо (12) Если передвинуть колесо (11) влево, то оно разъединится с муфтой (14) и войдет в зацепление с колесом (12). В этом случае движение будет передаваться ходовому валику, а ходовой винт будет неподвижным. Такое устройство исключает возможность передачи одновременного вращения ходовому винту и ходовому валику.
Суппорт (рис. 133) служит для установки на нем режущих инструментов (резцы) и перемещения их относительно обрабаты-6- 163
ваемой заготовки. Нижняя часть суппорта называется продольными салазками (1). Продольные салазки суппорта перемещаются по направляющим станины (продольная подача).
На верхней части продольных салазок суппорта имеются направляющие (2), по которым перемещаются поперечные салазки (3). Поперечные салазки перемещаются перпендикулярно направляющим станины (поперечная подача). Для перемещения поперечных салазок служит винт, соединенный с гайкой, который вращается рукояткой (4).
На верхней части поперечных салазок суппорта имеется поворотный круг (5), закрепляемый двумя винтами с гайками (6). Поворотный круг имеет направляющие (7) для верхних салазок суппорта (8) Верхние салазки суппорта перемещаются по направляющим винтом с рукояткой (9). Благодаря поворотному кругу верхние салазки могут быть установлены под любым углом относительно направляющих станины.
На верхних салазках суппорта закреплен резцедержатель (10) — четырехгранная резцовая головка, которая поворачивается вокруг вертикальной осн (11) на требуемый угол и закрепляется в нужном положении рукояткой (12). Такой резцедержатель позволяет закрепить одновременно четыре резца, а для установки требуемого резца требуется только повернуть резцедержатель.
Фартук суппорта (рис. 134) служит для размещения механизмов, преобразующих вращательное движение ходового валика или ходового винта в поступательное движение суппорта (меха
164
ническая подача), а также для перемещения суппорта вручную. Для ручной продольной подачи в фартуке имеется зубчатое колесо (1), которое сцепляется с зубчатой рейкой (2), укрепленной на станине. При вращении маховичка (3) движение передается через зубчатые колеса (4 и 5) к колесу (1), которое катится по рейке (2) и перемещает суппорт.
Вдоль шпоночной канавки (6) ходового валика (7) скользит шпонка червячного винта (8), который вращается вместе с валом. С помощью муфты с рукояткой (9) червяк может входить в зацепление с червячным колесом (10), на одном валу с которым находится зубчатое колесо (11), сцепленное с колесами (5) и (1), а следовательно, и с рейкой (продольная механическая подача).
Механическое перемещение суппорта при нарезании резьбы производится ходовым винтом (12), который сцепляется с маточной гайкой.
Маточная гайка (13) помещается в корпусе фартука. Она разрезана на две половины. С помощью рукоятки (14) поворачивается диск (15), соединенный с обеими половинами гайки. При перемещении рукоятки обе половины гайки сближаются и охватывают винт. Прн вращении ходового винта его вращательное движение преобразуется в поступательное перемещение фартука, а вместе с ним и суппорта (подача для нарезания резьбы).
Для поперечной механической подачи в фартуке имеется система зубчатых колес. Она состоит из конического колеса (16), вращающегося на шпонке вместе с ходовым винтом, и сцепленного с ним конического колеса (17), которое передает движение колесу (21) через цилиндрические колеса (17, 19 и 20). Колесо (21) посредством рукоятки (22) можно сцепить с колесом (23). Это колесо (23) закреплено на винте поперечных салазок суппорта и таким образом осуществляется механическая поперечная подача резца.
Кроме указанных основных частей и механизмов, у токарного станка имеются и некоторые другие устройства и механизмы. Например, для плавного включения и выключения шпинделя при работающем электродвигателе применяется фрикционная муфта сцепления.
Современные токарно-вннторезные станки имеют сложное устройство, позволяющее производить обтачивание на огромных скоростях резания. Они оборудуются сложными механизмами, позволяющими производить быструю установку и закрепление заготовок и резцов, пуск и остановку станка, автоматическое измерение изделий и другие операции.
Из других видов токарных станков наибольшее распространение получили токарно-револьверные, лоботокарные, карусельные и другие станки.
Токарно-револьверный станок (рис.135, а), в отличие от токарно-винторезного, предназначен для обработки деталей небольших
165
размеров, но в больших количествах, например винты, гайки и т. п. У этого станка передняя бабка устроена значительно проще, чем у токарно-винторезного, отсутствует коробка подач. На месте задней бабки установлена поворотная, так называемая револьвер
Рис. 135. Специальные токарные станки: а — токарно -револьверный, б — лоботокарный,
«ста _iCt . Си
ная головка (1), в которую закрепляются сразу несколько различных инструментов: резцы, метчики, сверла и т. п. Это избавляет от необходимости переставлять инструменты в резцедержателе, так как для этого достаточно отвести головку, повернуть ее снова подвести к заготовке.
Все это значительно экономит время и обеспечивает точность установки инструментов. Такая конструкция позволяет значительно 1G6
иь Й(И
|1Ж0[ «прав: 'Ш. Чао
«р»
',иапр
i
повысить производительность токарно-револьверного станка в сравнении с токарно-винторезным.
Станки для обработки коротких заготовок очень больших диаметров называются лоботокарными или лобовыми (рис. 135, б). у этих станков направляющие поверхности станины расположены поперек станка и резец производит торцовую („лобовую") обработку. Станок имеет очень массивную переднюю бабку, способную
5
Рис. 135 в.
Карусельный токарный станок.
удерживать и вращать тяжелые заготовки, закрепленные в приспособлении, называемом планшайбой.
Карусельный станок (рис. 135, в) представляет собой вертикальный лоботокарный станок. Он снабжен револьверной головкой (1), которая вместе с суппортом (2) перемещается по вертикальным направляющим (движение подачи). Горизонтальное положение планшайбы, вместе с которой вращается заготовка (движение резання), позволяет обрабатывать изделия огромного размера, до 12 м диаметром.
В производстве применяется также ряд специальных токарных станков, предназначенных для обработки изделий определенной формы, например колесотокарные — для обтачивания колес железнодорожных вагонов, осетокарные — для обтачивания осей и т. п.
167
§ 57. Фрезерные станки
Фрезерные станки служат для обработки плоских, призматических н криволинейных поверхностей, а также для нарезания зубьев на зубчатых колесах, спиральных канавок на режущих инструментах (сверла, зенкера и т. д.).
Наибольшее распространение имеют горизонта льно-фрезерные и вертикально-фрезерные станки.
Рис. 136а. Горизонтально-фрезерный станок:
1 — станина, 2 — консоль; 3 — шпиндель; 4 — хобот, 5 — стол;
6 — коробка скоростей; 7 — поперечные салазки, 3 — вал привода механизма коробки подач.
Горизонтально-фрезерный станок (рис. 136, а) имеет следующие основные узлы: станина (1), консоль, или кронштейн (2), шпиндель (3), хобот (4), стол (5), коробка скоростей (6), поперечные салазки (7), вал привода механизма коробки подач (8).
Станина изготовляется из чугуна и имеет коробчатую форму. Она предназначена для крепления всех частей станка и поэтому по своей конструкции должна быть очень прочной и жесткой. В верхней части станины имеются тщательно обработанные горизонтальные направляющие для хобота. Передняя поверхность ста-
16S
нины представляет собой точно обработанные вертикальные направляющие, по которым перемещается консоль.
Благодаря коробчатой форме станины внутри нее "располагаются электродвигатель, механизмы привода, коробки скоростей, механизм подачи, шпиндель. Станина своей нижней частью опирается на фундамент и прикрепляется к нему с помощью фундаментных болтов.
Консоль (кронштейн) представляет собой жесткую массивна ю опору для стола. Консоль отливается из чугуна и тщательно обрабатывается так, чтобы она могла легко перемещаться по вертикальным направляющим станины. На верхней части консоли имеются направляющие для салазок, по которым стол перемещается в поперечном направлении.
Стол фрезерного станка служит для перемещения (подачи) обрабатываемой заготовки. Он состоит из верхнего (продольного) стола (5) и салазок поперечного стола (7).
Салазки перемещаются вместе с продольным столом по направляющим консоли в поперечном направлении с помощью винтового механизма. Гак осуществляется поперечная подача.
В верхней части салазок имеются продольные направляющие, вдоль которых, также с помощью винтового механизма, перемещается верхний (продольный) стол. Так производится продольная подача.
Для вертикальной подачи, т. е. перемещения заготовки вверх или вниз, служит винтовой механизм, с помощью которого передвигается вся консоль по вертикальным направляющим станины.
Шпиндель фрезерного станка представляет собой полый стальной вал, служащий для закрепления фрезерной оправкн с дисковой фрезой или длинного стального стержня с резьбой на конце, так называемого „натяга“ с торцовой фрезой и для сообщения режущему инструменту (фрезе) вращательного движения (движения резания).
В передней части отверстие шпинделя имеет коническую форму, чтобы в него плотно входила коническая часть фрезерной оправки. Этим достигается точная установка фрезы относительно шпинделя и прочное ее закрепление.
Хобот служит для того, чтобы поддерживать второй конец фрезерной оправки, закрепленной в шпинделе. Расстояние фрезы от шпинделя при ее установке зависит от ширины обрабатываемой заготовки.
Чтобы закрепить оправку на требуемом расстоянии от шпинделя, хобот может быть передвинут вдоль горизонтальных направляющих станины и закреплен в нужном положении.
Для обработки со снятием большой стружки хобот скрепляют с консолью посредством металлических пластин (поддержек). Этим достигается большая жесткость закрепления инструмента и устойчивость станка при работе.
109
Коробка скоростей фрезерного станка дает возможность изменять число оборотов шпинделя при неизменной скорости вращения вала электродвигателя. Ее принципиальное устройство аналогично устройству коробки скоростей токарного станка.
В коробке скоростей помещается также реверсивный механизм, состоящий из нескольких зубчатых колес. Благодаря ему дости-I ается изменение направления вращения шпинделя (обратный ход).
Рис 136 6. Всртикатьно-фрезерный станок.
Коробка подач фрезерного станка предназначена для изменения скорости механической подачи стола во всех трех направлениях
Этот механизм состоит из цилиндрических и конических зубчатых колес и кулачковых муфт сцепления. Он помещается внутри консоли станка. Механизм коробки подач имеет независимое дви-/кение, не связанное с движением шпинделя.
Движение к коробке подач передается от общего электродвигателя через зубчатые колеса и посредством раздвижного (телескопического) карданного вала.
170
У современных фрезерных станков коробка подач получает движение от дополнительного электродвигателя, который специально обслуживает только механизмы подачи. Через коробку подач вращательное движение может быть передано к каждому из трех винтов для осуществления механической продольном, поперечной и вертикальной подач. Комбинируя положения рукояток, управляющих коробкой подач, можно получать различные скорости подач.
Механические подачи стола включаются посредством кулачковых муфт. Когда механические подачи выключены, подача стола в каждом из трех направлений осуществляется вручную с помощью рукояток и маховичков.
Вертикально-фрезерный станок (рис. 136, б) устроен так же, как и горизонтальный, отличаясь от него вертикальным расположением шпинделя и отсутствием хобота и подвески. Различное расположение шпинделей горизонтально и вертикально-фрезерных станков вызывает некоторую разницу и в применяемых фрезах и в способах обработки.
Горизонтально-фрезерные станки, у которых стол, кроме поступательного перемещения в трех направлениях, может еще и поворачиваться на некоторый угол вокруг вертикальной оси, называют универсально-фрезерными. Для измерения угла поворота стола служит специальное кольцо с делениями, называемое лимбом.
Кроме фрезерных станков с одним шпинделем, в производстве применяются многошпиндельные фрезерные станки, продольнофрезерные, а также специальные фрезерные станки для нарезания резьб (резьбофрезерные), для нарезания зубьев на шестернях (зубофрезерные) и другие.
§ 58. Другие виды металлорежущих станков
Кроме токарных и фрезерных станков, широкое распространение в производстве получили строгальные, сверлильные, шлифовальные и другие станки, а также различные станки-автоматы. Рассмотрим назначение и устройство некоторых из них.
Строгальные станки делятся на продольные и поперечные.
Продольно-строгальные станки (рис. 137) предназначены для строгания заготовок больших размеров, например станин станков. Стол продольно-строгальных станков продольно перемещается вместе с заготовкой (движение резания), а резцы, закрепленные в суппорте, перемещаются поперечно (движение подачи).
Основные части продольно-строгального станка: массивная чугунная станина (1) с продольными направляющими, по которым движется стол, имеющий прорези (пазы) для закрепления заготовок. На вертикальных колоннах (2) по направляющим поверхностям перемещается вниз или вверх поперечная траверса (3). На траверсе имеются направляющие для суппорта с резцедержателем (4). Перемещение стола производится электродвигателем
171
с помощью ременной передачи, коробки скоростей и зубчатой рейки । или посредством гидравлического привода. Для движения подачи служат специальные зубчатые и винтовые механизмы с приводом от общего или отдельного электродвигателя. Продольно-строгальные станки могут обрабатывать изделия длиной до 12 м одновременно с трех сторон (верхней и двух боковых).
Поперечно-строгальные станки в отличие от продольных имеют небольшие размеры и предназначены для строгания коротких заготовок (не более 600 мм). Стол поперечно-строгального станка вместе с заготовкой перемещается поперек по направляю-
Рис. 137. Продочьно-сгрогальный станок:
I — станина, 2 — колонна; 3 — траверса, 4 — суппорт.
щим станины (движение подачи), а ползун вместе с суппортом и резцом движется возвратно-поступательно по направляющим, имеющим форму „ласточкина хвоста“ (движение резания). Для приведения в движение ползуна служат коробка скоростей и кулисный механизм. Как уже указывалось, кулисный механизм позволяет изменять длину и скорость рабочего хода ползуна (резца) и быстро отводить ползун назад (холостой ход).
С коробкой скоростей соединен механизм подачи стола. Подача производится посредством зубчатых колес и винтовых пар во время холостого хода ползуна.
Нужно отметить, что несмотря на достигаемую точность обработки, строгальные станки (особенно поперечно-строгальные) все больше вытесняются фрезерными, шлифовальными и другими станками, обработка на которых оказывается более выгодной, так как она происходит непрерывно, автоматизируется и дает высокую производительность.
уппорт ВЖВД.
Разновидностью строгальных являются долбежные станки, у которых ползун с резцом движется вертикально.
Сверлильные станки, служащие для получения отверстий в изделиях, подразделяются на вертикально-сверлильные, радиально-сверлильные и горизонтально-сверлильные.
Вертикально-сверлильный станок (рис. 138, с) состоит из вертикально расположенной станины, стола, перемещающегося по направляющим станины, и шпинделя, в который вставляется сверло. Для изменения скорости вращения шпинделя служат ступенчатые шкивы или коробка скоростей.
Подача, т. е. вертикально-поступательное перемещение вращающегося шпинделя вместе со сверлом, производится с помощью зубчатого колеса и зубчатой рейки вручную или автоматически, посредством механизма подачи. Просверливаемые заготовки закрепляются прямо на столе станка или в приспособлениях (тисках).
' Для одновременного сверления нескольких отверстий применяются многошпиндельные сверлильные станки, в которых одновременно работают несколько режущих инструментов. Рис. 138 а. Вертикальный настотыю-
Радиально-сверлильный сверлильный станок.
станок (рис. 138, б) предна-
значен для обработки крупных заготовок, которые трудно перестанавливать для сверления различных отверстий.
Радиально-сверлильный станок имеет массивную цилиндрическую колонну (1), по которой может перемещаться вверх и вниз, а также поворачиваться вокруг нее траверса (2) с продольными направляющими. Вдоль этих направляющих передвигается шпиндельная головка (3) с закрепленным в ней сверлом. Благодаря такому устройству сверло перемещается в любом направлении без изменения положения обрабатываемого изделия. Станок имеет коробки скоростей и подач, приводимые в движение от электродвигателя. Поворачивание траверсы, ее поднятие и опускание производится отдельным электродвигателем. Для ручной подачи сверла служит маховик.
173
Для специальных работ в производстве применяются горизонтально-сверлильные станки с горизонтальным расположением шпинделя.
Шлифовальные станки подразделяются на плоскошлифовальные, служащие для обработки плоскостей, и круглошлифовальные— для обработки поверхностей вращения. Эти станки предназначены для снятия небольшого слоя металла особым режущим
Рис 138 6 Радиачьно-сверлильный станок:
I — колонна, 2 — траверса, 3 — шпиндельная головка.
инструментом — шлифовальным камнем. Благодаря исключительно высокой твердости этих камней на шлифовальных станках можно производить обработку изделий из твердых металлов, с_ большой точностью.
Плоскошлифовальные станки в зависимости от расположения шпинделя делятся на горизонтальные и вертикальные.
Горизонтальный плоскошлифовальный станок состоит из чугунной станины, шлифовальной бабки и подвижного горизонтального стола, который перемещается по направляющим станины.
Во время работы станка стальное изделие удерживается на столе станка с помощью сильных электромагнитов, вмонтированных на столе станка. Шпиндель вместе с шлифовальным
174
кругом (камнем) получает вращение от электродвигателя через ременную передачу. Подача стола осуществляется обычно с помощью гидравлического привода. Масляный иасос получает движение от отдельного электродвигателя и гонит масло под давлением до 7 кГ1см° в рабочий цилиндр, в котором скользит поршень, прочно скрепленный с подвижным столом станка. Под давлением масла поршень перемещает стол в одну сторону до крайнего положения, после чего специальный реверсивный кран автоматически перекрывает отверстия дтя подачи масла и оно начинает поступать с другой стороны цилиндра, перемещая поршень и стол в противоположном направлении. Для поперечной подачи имеется винтовой механизм, который автоматически перемещает
Рис. 139. Круглошлифовальный станок.
в поперечном направлении шлифовальную бабку вместе с камнем. Продольная и поперечная подачи могут производиться также и вручную.
Круглошлифовальный станок (рис. 139) устроен несколько сложнее плоскошлифовального. Кроме шлифовальной бабки, установленной на направляющих станины, и подвижного стола с гидравлическим приводом, он имеет переднюю и заднюю бабки, закрепляемые на столе.
В центрах этих бабок устанавливаются цилиндрические заготовки, которые благодаря электродвигателю и механизму ременных передач (установленным в передней бабке) получают вращение со скоростью до 300 об)мин. Таким образом, во время работы станка вращаются шлифовальный круг (с большей скоростью) и заготовка, которая вместе со столом имеет еще и возвратно-поступательное движение. Кроме того, посредством механизма поперечной подачи шлифовальная бабка вместе с камнем перемещается в поперечном направлении.
Устройство механизмов подачи стола и поперечной подачи у плоскошлифовальных и круглошлифовальных станков примерно
Но
одинаковы. Благодаря такому сочетанию вращательных и поступательных движений достигается равномерность и точность обработки на шлифовальных станках.
Для шлифования внутренних поверхностей (отверстия) применяют вну триш лифова ль н ы е станки. Разновидностью круг-лошлнфовального станка является бесцентровый станок, на котором шлифуемое изделие не закрепляется в центрах, а лежит между двумя вращающимися шлифовальными кругами, при этом одно из них, медленно вращающееся, служит для круговой подачи, а обработка изделия производится другим, быстро вращающимся кругом.
Для точной отделки зубьев шестерен применяются зубошлифовальные станки. Камни на этих станках имеют профиль, точно соответствующий впадине между зубьями, или шлифуют эти зубья по точно заданным кривым.
Разновидностью шлифовальных станков являются заточные станки, применяемые для точной заточки режущих инструментов-резцов, фрез, сверл, разверток и других.
В обработке металлов резанием все более широкое применение находят автоматические станки, в которых все движения по обработке металла, а также по управлению станком совершаются автоматически, т. е. без непосредственного участия человека. Вмешательство человека необходимо лишь тогда, когда нужно устранить неисправность: сменить износившийся инструмент, выполнить регулировку (наладку) станка.
В производстве применяются токарные, сверлильные, резьбонарезные, фрезерные, шлифовальные и другие станки-автоматы.
Особенно широко распространены токарные автоматы, которые бывают одношпиндельными и многошпиндельными. Онн применяются для массового производства несложных изделий, обычно небольшого размера: болтов, гаек, колец, втулок и т. п.
Станки-автоматы имеют следующие основные механизмы: питательно-зажимное устройство, которое служит для перемещения установки и закрепления этих заготовок в зажимных приспособлениях (в патронах); механизмы для осуществления движения резания (главного движения) с устройствами для изменения скорости и направления движения; механизмы для осуществления движения подачи, отвода и подвода режущих инструментов.
Кроме перечисленных, в автоматах имеются сложные механизмы управления, которые управляют станком вместо человека и производят ею остановку в случае неисправности.
Важную роль в станках-автоматах играют так называемые копировальные устройства, которые обеспечивают высокую точность изготовляемого изделия В станках-автоматах применяются механические, гидравлические, пневматические, фото-электрические и другие копировальные устройства.
В новейших марках станков-автоматов широко применяются контролирующие, сигнализирующие, счетные и другие устройства,
176
благодаря которым обнаруживаются неполадки в работе станка и брак в изготовляемых изделиях, а также ведется учет готовой продукции.
В нашей стране все шире внедряются в производство разнообразные станки-автоматы, создаются автоматические поточные линии и даже целые заводы. Применение станков-автоматов обеспечивает повышение производительности труда и улучшает качество изделий, выпускаемых промышленностью.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
к главе XI „Металлорежущие станки”
Работа № 1. Ознакомление с токарным станком
1. Осмотреть станок и найти его основные узлы. Рассмотреть двигательный и передаточный механизмы, проследив, как движение от электромотора передается на привод, а от него к шпинделю и суппорту.
2. С помощью рукояток коробки скоростей установить различные скорости вращения шпинделя; при каждой установке пустить и остановить станок; отметить положение рукояток и соответствующие скорости шпинделя, пользуясь таблицей.
3. Пользуясь рукояткой коробки передач, установить различные скорости подачи (ходового валика); при каждой установке пустить и остановить станок.
Медленно поворачивая шпиндель на десять оборотов вручную, измерить продольное перемещение суппорта и вычислить подачу на один оборот.
4. Рассмотреть механизм для нарезания резьбы: промежуточные шестерни, ходовой винт, маточную гайку фартука. Измерить шаг ходового винта. Сделать пробную установку для нарезания резьбы, включить станок и проследить, как перемещается суппорт.
5. Рассмотреть и выяснить общее устройство принадлежностей к токарному станку: патронов, хомутиков, центров, люнетов и т. п.
6. Составить упрощенную кинематическую схему токарного станка.
Работа № 2. Ознакомление с устройством передней бабки токарного станка
I. Отвернуть винты крепления и открыть крышку корпуса передней бабки. Осмотреть механизмы передней бабки, наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
177
2. Разобрать (частично) механизмы передней бабки: снять крышки подшипников (или отвернуть гайки и стопорные кольца) вала привода и шпинделя. Отсоединить вилки переключения скоростей, отвернуть стопорные винты колец и муфт, снять, если возможно, вал привода и шпиндель.
3. Внимательно осмотреть все механизмы, части и детали, выяснить дефекты, обратив особое внимание на состояние подшипников, шеек вала и шпинделя, зубьев колес и муфт.
4. Определить вид зубчатых колес, подсчитать числа зубьев, передаточные числа на каждой скорости.
5. Начертить упрощенную схему передней бабки, перечислить звенья и указать кинематические пары.
Составить перечень деталей и обнаруженных дефектов.
6. Собрать переднюю бабку, обратив особое внимание на регулировку подшипников валов и шпинделя. Проверить правильность сборки и регулировки, закрыть крышку и завернуть винты.
Примечание. Указанная работа выполняется на небольшом или среднем недействующем станке простой конструкции. Если станок не имеет закрытой передней бабки с коробкой скоростей, к разборке подшипников и снятию шпинделя следует добавить разборку механизмов перебора, а также механизмов трензеля и сменных шестерен (гитары).
Работа № 3. Ознакомление с устройством суппорта токарного станка
1. Осмотреть суппорт, выяснить его устройство и способ установки на станке, наметить порядок работы и выбрать необходимые инструменты.
2. Разобрать суппорт (частично): отвернуть рукоятку крепления резцедержателя и снять его; отвернуть стопорный винтик и снять винт верхних салазок: отвернуть винт клина верхних салазок и вынуть клин; снять верхние салазки; отвернуть гайки крепления болтов и снять основание (направляющие) верхних салазок; отвернуть винт упора поперечных салазок и снять упор; отвернуть винт клина поперечных салазок; вынуть клин и снять поперечные салазки; выбить штифт, крепящий рукоятку винта, отвернуть контргайку и гайку, снять лимб; отвернуть болты фланца, снять фланец и вывернуть винт поперечных салазок суппорта.
3. Внимательно осмотреть все детали, проверить их наличие, выяснить дефекты.
4. Определить профиль и направление нарезок винтов, количество заходов. Измерить шаг резьбы винтов.
5. Начертить схему верхних и поперечных салазок суппорта (вместе с резцедержателем), перечислить звенья и указать кинематические пары.
Составить список деталей и указать, из какого материала они сделаны; составить перечень дефектов.
178
6. Собрать поперечные и верхние салазки суппорта, устанавливая детали и части в порядке, обратном порядку разборки.
Проверить правильность сборки и установки частей суппорта.
Работа № 4. Ознакомление с фрезерным станком
1. Осмотреть станок и найти его основные узлы. Рассмотреть двигательный и передаточный механизмы, проследив, как движение от электромотора передается к коробке скоростей и к шпинделю, а также к механизму подач стола.
2. С помощью рукояток коробки скоростей, пользуясь таблицей, установить различные скорости вращения шпинделя. При каждой установке пустить и остановить станок.
3. Пользуясь рукоятками механизма подач, установить различные величины подачи стола (сначала продольной, а затем поперечной); при каждой установке пустить и остановить станок. Медленно поворачивая шпиндель (вручную), измерить перемещение стола и определить подачу на один оборот шпинделя.
4. Рассмотреть механизм вертикального перемещения стола, определить величину подачи за один оборот рукоятки. Выяснить устройство для поворота стола станка, если оно имеется.
5. Рассмотреть и выяснить общее устройство принадлежностей к фрезерному станку (тисков, оправок, поворотного стола, делительной головки и др.).
6. Составить упрощенную кинематическую схему фрезерного станка.
Применяемые инструменты: гаечные ключи, отвертки, молоток, выколотка, ножовка, метчики, масштабная линейка, штангенциркуль.
Контрольные вопросы
1. Что называется движением резания и движением подачи металлорежущего станка? Приведите примеры.
2. Из каких основных узлов состоит токарно-винторезный станок?
3. Как устроена коробка скоростей токарного станка?
4. Как устроен механизм подачи токарно-винторезного станка?
5. Можно ли одновременно включить ходовой винт и ходовой валик станка?
6. Опишите устройство фартука токарного станка.
7. Как устроен резцедержатель станка?
8. Какие существуют виды сверлильных станков?
9. Из каких основных узлов состоит горизонтально-фрезерный станок?
10. Для чего применяются строгальные станки? Приведите примеры.
11. Как устроен плоскошлифовальный станок?
ГЛАВА XII
шерхебеля мы познакомились с
Рис. 140. Режущий к тин.
АуеАия грань
СтрцЖка
Задняя грань
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
§ 59. Процесс резания и элементы резца
Всем хорошо известны приемы резания материалов с помощью ножа или ножниц. Нож врезается в материал и, действуя как узкий острый клин, разделяет его на две части. Направление действующей силы и движение резания проходит точно посредине ножа, так что на обе его грани действуют одинаковые силы сопротивления материала. Такой вид резания принято называть разрезанием.
Ножницы представляют собой два противоположно направленных лезвия, которые создают в материале деформацию сдвига, а затем вызывают срез. Действующие силы и движение резания (среза) направлены так, что наибольшее усилие испытывает лишь одна из граней каждого лезвия ножниц. В отличие от первого этот вид резания называют срезыванием. Важной особенностью обоих видов резания материалов является отсутствие стружки.
При строгании дерева с помощью рубанка или тьим видом резания посред
ством снятия стружки.
Мы заметили, что резец (заостренный клин) срезает слой материала с поверхности обрабатываемого предмета и отгибает его своей передней гранью, образуя стружку. Этот вид резания получил огромное распространение при обработке металлов и выполняется на разнообразных станках различными инструментами. В результате снятия стружки получают детали требуемых форм и размеров. Удаляемый с заготовки слой металла называют припуском на обработку.
Несмотря на многообразие видов инструментов, применяемых при резании металлов, в их конструкции имеется много общего.
Обычно режущий инструмент работает как заостренный клин, перемещается относительно поверхности заготовки и снимает с нее стружку. Режущей части придают специальную форму, которая осуществляет резание. На рисунке 140 мы видим, что режущий клин имеет заострение, образованное двумя гранями — передней и задней. Принцип работы режущего клина сохраняет большинство режущих инструментов.
Рассмотрим констр} кцию токарного резца.
180
Рис. 141. Токарный резец.
1 — передняя грань, 2 — главная задняя грань, 3 — вспомогательная задняя грань,_#—главная режущая кромка о — вспомогательная режущая кромка; 6 — вершина р зца
Токарный резец (рис. 141) состоит из режущей части (головки) и тела. В головке резца различают переднюю грань (1), г.о которой сходит стружка, и две задние грани: главную (2) и вспомогательную (3). Этими гранями резец обращен к обрабатываемой заготовке. Линии пересечения передней и задней граней называются режущими кромками. Одна из них, главная (4), производит снятие слоя металла, вторая — вспомогательная (5).
Точка пересечения главной и вспомогательной режущих кромок называется вершиной резца (6).
Пересекая главную режущую кромку перпендикулярной ей плоскостью, получаем в сечении следующие главные углы резания (рис. 143):
а — задний угол — угол между главной задней гранью и плоскостью реза-
ния, т. е. плоскостью, касательной к поверхности резания и про-
ходящей через главную режущую кромку резца.
7 —- передний угол — угол между передней гранью резца и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания и проходящей через главную режущую кромку.
₽ — угол заострения — угол между передней гранью и главной задней гранью.
8 — угол резания — угол между передней гранью и плоскостью резания. Легко видеть, что 8 = а-|-₽, т. е. угол ре
зания равен сумме заднего угла и угла заострения. Поверхность, образуемая главной режущей кромкой, называется поверхностью резания (рис. 142).
у — угол в плане, образованный главной режущей кромкой и направлением подачи.
Величины углов резца имеют большое значение для успешного резания металлов. Выбору этих углов, а это значит правильной заточке резца, уделяется большое внимание Многие наши
Рис. 142. Поверхность резания (1).
токари-новаторы, благодаря правильному подбору углов резца, прежде всего переднего и заднего углов, добились выдающихся достижений в повышении производительности труда.
Величина переднего угла существенно влияет на работу, затрачиваемую на снятие стружки. Передний угол также зависит от свойств обрабатываемого материала и качеств режущего инструмента. Так, наименьшая работа на снятие стружки затрачи
181
вается при переднем угле, равном 45°. Однако резец с таким передним углом оказывается недостаточно прочным при резании твердых металлов, и поэтому передний угол в этом случае уменьшают до 10—15°. Если к тому же материалом режущей части резца служит хороший твердый сплав, то передний угол приходится делать еще меньше, равным 5—0°, нли даже отрицательным, т. е. угол резания становится тупым.
Задний угол оказывает громадное влияние на режущую способность резца. В процессе резания резец своей задней гранью касается поверхности резания При этом возникает трение, приводящее к усилен-1 \ ному износу резца и повышению темпе-
—1 ратуры режущей кромки, что и приво-
i Дит к ее быстрому разрушению и выходу у резца из строя. Для уменьшения трения
67 задней грани о поверхность резания зад-
ний угол стремятся сделать возможно Рис 143. Углы резания, большим, но это, как и при уменьшении переднего угла, влечет за собой ослабление режущей части резца Поэтому величина заднего угла находится в пределах 6—15° и зависит от инструмента и условий его работы.
Выбор переднего и заднего углов для заточки инструмента производится по специальным таблицам.
§ 60. Характеристика режущих инструментов
Для обработки материалов резанием применяются разнообразные режущие инструменты: резцы, фрезы, сверла, развертки и т. д.
Для того чтобы инструмент резал, его твердость должна быть выше твердости обрабатываемого материала. Кроме того, режущий инструмент должен обладать достаточной температуростойкостью и износостой- -----------
костью. ур —-----
Температуростойкость — способность ин-
струмента сохранять свою твердость и ре- Рис. 144. Резец с nia-жущие качества при высоких температурах, стинкой. возникающих при резанни.
Износостойкость инструмента означает изменение формы и размера инструмента в процессе резания.
Режущие инструменты изготовляют из углеродистой инструментальной стали, легированной инструментальной стали, быстрорежущей стали, твердых сплавов и минерало-керамических сплавов.
Режущие инструменты, изготовленные из твердых сплавов, работают при высоких скоростях резания. Они имеют высокую температуростойкость (до 1200°) н износостойкость. Твердые
182
Рис 145- Токарные резцы:
J — проходной 2 — подрезной, 3 — отрез <ой, 4 — расточной, 5 — резьбовой
сплавы получают на специальных заводах методом спекания по-рошков некоторых металлов и сплавов. Наиболее распространены марки твердых сплавов ВК-6, ВК-8, Т-5К10, Т-15К6 и другие (в которых В означает — вольфрам, К — кобальт, Т — титан).
В последнее время для изготовления режущих инструментов при
Рис. 146 Левый (1) и правый (2) резцы.
Рис. 147. Фрезы:
1 — цилиндрическая, 2 — дисковая, 3 — торцовая, 4 — фасонная.
[]о чистс -I резцы JHH и 4 да.
Срезы (I „гяенты ।способ да наци обработк
меняются минерало-керамические сплавы, обладающие высокими режущими качествами и дешевизной. Основой этих сплавов служит глинозем, спекаемый с различными добавками.
В целях экономии материалов из твердых сплавов н минера-ло-керамнкн изготовляются пластинки, которые припаиваются к телу резца или другого инструмента (рис. 144).
M4S Рабе
даювые 4 ось в обрабат тую кро ;?'фрезер W 3J& щиа (рис цг спир« кгей Свер
Рис 148. Сверча:
1 — хвостовик, 2 — тело, 3 — режущая часть; 4 — ленточка.
Токарные резцы (рис. 145), в зависимости от их назначения, делятся на проходные (1) — для наружной обработки поверхностей тел вращения; подрезные (2) — для обработки торцовых поверхностей; отрезные (3) — для разрезания заготовок и отрезания изделия от заготовки; расточные (4) — для обработки отверстий; резьбовые (5) — для нарезания резьбы.
В зависимости от направления резання различают правые (1) и левые (2) резцы (рис. 146).
Эоно & Ди в ш част ашт кап напр час Ин J РСВДИ!
®РЫ(РИС ' йторне
184
По чистоте получаемой после обработки поверхности различают резцы черновые, служащие для предварительной обработки изделия, и чистовые, служащие для окончательной обработки из
делия.
Фрезы (рис. 147) — многолезвийные вращающиеся режущие инструменты. В зависимости от вида обрабатываемой поверхно
сти и способа обработки фрезы делятся на цилиндрические(I) — для обработки широких плоско
Рис. 150. Зенкер.
грань
Рис. 149. Рабочая часть сверла.
стей, дисковые (2) — для обработки канавок и разрезания, торцовые (3), ось вращения которых при фрезеровании перпендикулярна обрабатываемой поверхности и фасонные (4), имеющие режущую кромку фасонного профиля.
При фрезеровании в резании металла одновременно участвует несколько зубьев.
Сверла (рис. 148) представляют собой режущие инструменты, имеющие спиральную форму и предназначенные для получения отверстий. Сверло состоит из рабочей части (3) и хвостовика (1),
Рис. 151. Развертка.
которым оно закрепляется в патроне, если хвостовик цилиндрический, или в шпинделе станка, если хвостовик конический.
Рабочая часть сверла (рис. 149) состоит из режущей части, спиральных канавок для отвода стружки и ленточек, которые служат для направления и центрирования сверла в отверстии.
Режущая часть сверла имеет две режущие кромки, образованные, как и у резца, пересечением передней и задней граней. Между режущими кромками расположена перемычка.
Зенкеры (рис. 150) и развертки (рис. 151) —режущие инструменты, которые служат для более точной и чистой обработки
185
отверстий после сверления нли для небольшого увеличения диаметра уже имеющегося отверстия. При этом зенкером производят черновую обработку, а разверткой — чистовую.
§ 61. Элементы теории резания
В процессе резания клин резца, с силой врезаясь в металл, отделяет от него стружку, которая образуется в результате движения заготовки и режущего инструмента. При обработке на токарном станке движение заготовки называется главным движением, а движение режущего инструмента — движением подачи.
доение ^еза н н ' По ве пяриогс цмдеда
Величи з прочно
В пров «н на 1 ®глуб( рисунк яа пол< о обраб< ) а после
>рема зОТОВКИ зет стрс я продс я в ми а подача Гроизвед ана пода 5 тнимаа вы се Подача и, ыиетр
Сила резания, преодолевающая сопротивление металла снятию стружки, зависит от твердости обрабатываемого материала, величины срезаемой стружки, состояния резца и других причин.
При токарной обработке сила резания приложена к режущей кромке резца и может быть разложена на три составляющие: Рх, Ру, Pz (рис. 152).
Рх совпадает с направлением продольной подачи, показывает, какая часть силы резания расходуется на подачу резца, т. е. на врезание его в деталь в направлении продольной подачи, и называется усилием подачи.
Ру направлена вдоль поперечной (радиальной) подачи, показывает, с какой силой резец воздействует на заготовку, и называется радиальным усилием.
Pz действует в направлении скорости резания, показывает, какйя часть силы резания расходуется непосредственно на от-186
О
^Глубина
Ни при CBI
'Йв ре
деление стружки, и называется вертикальным усилием резания или просто усилием резания.
По величине усилия резания (Рг) производят расчет мощности токарного станка и крутящего момента основной его части — шпинделя.
Величина усилия подачи Рх является основной для расчета на прочность механизма подачи станка.
В процессе резания резец сначала углубляется в тело заготовки на величину толщины снимаемого слоя t, которую называют глубиной резания. Как видно из рисунка 153, глубина резания равна половине разности диаметров обрабатываемой поверхности до и после обработки:
D — d 2 •
Рис. 153. Глубина резания и подача.
t
Рис. 154. Глубина резания и подача при сверлении.
Одновременно каждому обороту заготовки вокруг оси соответствует строго определенная величина продольного перемещения резца в миллиметрах, т. е. величина подачи (S).
Произведение глубины резания на подачу характеризует раз-
мер снимаемой стружки и называется сечением стружки. От величины сечения стружки зависит усилие резания.
Подача при фрезеровании измеряется перемещением заготовки в миллиметрах, приходящимся на один оборот фрезы (So) или на один ее зуб (5г), а также перемещением заготовки в миллиметрах в минуту (Sm). При этом S0=Sz-Z, где Z — число зубьев фрезы.
Sm=S9-n—SzZ-n,
где п — число оборотов фрезы в минуту.
Глубина резания при фрезеровании измеряется в плоскости, перпендикулярной оси фрезы, и равна толщине слоя, снимаемого за один проход.
Подача при сверлении (рис. 154) измеряется величиной перемещения сверла вдоль оси за один его оборот (S).
Глубина резания (/) при сверлении равна половине диаметра сверла:
187
Путь, пройденный режущей кромкой относительно поверхности обрабатываемой заготовки за единицу времени, называется скоростью резания. Для станков с вращательным движением заготовки или инструмента скорость резания, определяется по формуле:
М!М1М>
vjir'. D — диаметр детали до обработки в миллиметрах, п — число оборотов заготовки или инструмента в минуту.
Для станков с поступательным главным движением резца или заготовки (например, строгального) скорость резания определяется формулой:
V=-|WT м!мин-
§62
Прежде1
jtfflOCTB увеиты •говку У<
г
где L — длина хода в миллиметрах, t — время в минутах, затрачиваемое на один ход.
1
Рис. 155. Виды стружки:
1 — сливная, 2 — надлома.
г
Стружка, которая образуется прн резании, может иметь различный вид в зависимости от свойств материала заготовки, характера заточки резца, величин подачи и скорости резания. Различают три вида стружки: сливную, скалывания и надлома.
Сливная стружка (рис. 155,7) образуется при обработке вязких металлов (конструкционная сталь, латунь) на больших скоростях резания и малых подачах резцом, который заточен с большим передним углом. Сливная стружка похожа на металлическую ленту, гладкую и блестящую с одной стороны и матовую с другой.
Стружка надлома (рис. 155,2) образуется в результате обработки хрупких металлов (чугун). В отличие от первой цельной стружки от металла откалываются отдельные кусочки металла.
Стружка скалывания образуется прн обработке твердых металлов (углеродистые стали) на больших подачах и малых скоростях резания резцом, который заточен с малым передним углом. Эта стружка имеет зазубрины и как бы состоит из отдельных стружек, соединенных между собой по плоскостям скалывания. По форме она представляет нечто среднее между первой и второй стружкой.
188
Рис
/-корпус
колесо со Cf
ШСТруК! «шемых W по < *, цангов мовые п Иулач Шжым «Чью с; itswycTji Ч*впым
§ 62, Приспособления для работы на станках
Прежде чем выполнять работу на станке, необходимо произвести ряд предварительных операций: выбрать необходимые принадлежности и установить заготовку, установить резцы и другие инструменты, настроить станок на подачу и скорость резания. Заготовку устанавливают в патроне или в центрах —в зависимо-
Рис. 156. Токарный самоцентрирующий патрон:
I — корпус; 2 — планшайба; 3 — кулачок; 4 — коническое зубчатое колесо со спиральной ленточкой для кулачков, 5 — зубчатое колесо с отверстием для ключа, 6 — ключ.
сти от конструкции заготовки, расположения, формы и точности обрабатываемых поверхностей.
Патроны по способу крепления деталей разделяются на кулачковые, цанговые и поводковые.
Кулачковые патроны в свою очередь делятся на двухкулачковые, трехкулачковые и четырехкулачковые, самоцентрирующие и с независимым перемещением кулачков.
С помощью самоцентрирующих патронов обрабатываемая за-• готовка самоустанавливается по центру (центрируется). Наиболее распространенным самоцентрирующим патроном является токар-
189
ный трехкулачковый патрон (рис. 156), который состоит нз корпуса (1), привернутого к планшайбе (2) тремя винтами.
Рис. 157 Четырехкулачковый патрон:
1 — корпус, 2 — кулачок; 3 — гайка, 4 — винт.
5 еда rp'ffl 33 jjTpfflEJK
Планшайба (фланец) навинчивается на шпиндель. В пазах корпуса патрона установлены трн кулачка (3), которые передвигаются
я трем. Д шджиос ж пат fete распр эркулачк!
Рис. 158. Цанговые патроны:
а — для крепления за наружную поверхность- 1—гайка; 2 — цанга;
3 — хвостик, 4— стопор, б — для крепления за внутреннюю поверхность. I — цанга, 2 — клин, 3 —хвостовик.
равномерно в радиальном направлении прн помощи спирали на тыльной стороне конического зубчатого колеса (4), которое приводится во вращение при помощи одного из трех конических
e-Опр
^.в пазы К< 51 их при г я» при и ’’“рехкулач «юцие иек
190
зубчатых колес (5), установленных в корпусе (1) патрона
В самоцентрирующем патроне правильно могут быть установлены заготовки, имеющие цилиндрическую или граненую внутреннюю или наружную поверхность, если число этих граней
кратно трем. Для установки заготовок, имеющих нецилйндриче-ские поверхности, а также нечетное число граней, применяют кулачковые патроны с независимым перемещением кулачков. Наиболее распространенным патроном указанного типа является четырехкулачковый патрон (рис. 157), который состоит из кор-
Рис. 160. Поводковые патроны:
а — открытый; б — безопасный: 1 — корпус, 2 — поводок.
пуса (1), в пазы которого входят четыре кулачка (2) и закрепляются в них при помощи гаек (3). Кулачки могут перемещаться вдоль пазов при помощи винтов (4) независимо друг от друга.
В четырехкулачковых патронах удобно обрабатывать заготовки, имеющие некруглые установочные поверхности, заготовки
191
с неконцентричными цилиндрическими поверхностями, а также заготовки, требующие для обработки большого зажимного усилия.
Цанговые патроны (рис. 158) применяются для крепления деталей за наружную (а) или внутреннюю (б) цилиндрическую поверхность или для крепления инструментов с цилиндрическим хвостовиком (сверла, фрезы).
Цанги (рис. 159) — разрезные закаленные втулки, которые благодаря конусу (1) и разрезам (2) имеют возможность сжиматься или разжиматься. Цанговые патроны обеспечивают высокую точность центрирования детали. Сжимание цанги производится с помощью натяга (стержня с резьбой) или специального патрона.
Поводковые патроны (рис. 160) служат для приведения во вра-
щательное движение заготовки, закрепленной в центрах или на оправке. Поводковый патрон (планшайба) имеет закрепленный в корпусе (1) поводок (2), который передает вращение от шпинделя станка к обрабатываемой заготовке, закрепленной в центрах. Длинные и тонкие детали обрабатываются в несколько установок.
Для установки заготовки в центрах на ее торцах делают центровые отверстия (рис. 161). При этом необходимо следить, чтобы задняя бабка была закреплена на станине без смещения, а вылет пиноли был наименьшим.
U-Z —
Рис 161. Центровое отверстие.
90“ 60“
JtTJl
цебод
И Л tov ft гаек к кдаи
вдаа
3® и, №!□
и’вма
гаы м
Ita к sirufif 1?.- । иввгесо beiiepi «мега
Рис. 162. Обработка деталей в центрах: а — основные размеры токарного станка, б — установка детали в центрах.
I
Jlpn установке детали в центрах (рис. 162) хомутик (рис. 163) необходимо выбирать так, чтобы его зажимной болт (1) или хвостовик (2) не выступали за поводковый патрон. Этим предотвращается возможность захвата одежды работающего н повреждения рук. Перед установкой центров необходимо тщательно протирать конические отверстия шпинделя передней бабки и пиноли задней бабки станка н центра, так как пыль и грязь мешают точной установке деталей в центрах.
Перед установкой детали ее центровые отверстия следует заполнить смазкой, а также периодически добавлять смазку 192
1111^
Рис. 163.
I — зажимной
Хомутики:
болт; 2 — хвостовик.
в центровое отверстие заднего центра, отводя пиноль с центром от детали.
Деталь считается правильно зажатой в центрах, если ее можно рукой свободно поворачивать, но она не должна качаться в поперечном и осевом направлении.
Центры (рис. 164) устанавливаются в конические отверстия в шпинделе передней и пиноли задней бабок. Центры разделяются на неподвижные (рис. 164, а) и вращающиеся (рис. 164,6).
Неподвижные центры, установленные в пиноль задней бабки, сильно изнашиваются, поэтому их изготовляют из стали У8 и У9 и закаливают.
Вращающиеся центры изнашиваются значительно меньше, так как установлены на подшипниках в специальном корпусе и, следовательно, вращаются вместе с деталью.
Рабочая часть центра —- конус (/) — имеет угол 60°, хвостовик (2), вставляемый в центровое отверстие, также делается коническим.
Для поддержания длинных и тонких заготовок при обработке, чтобы они не гнулись под действием усилий резания, применяют специальные промежуточные опоры — люнеты. Люнеты делятся
Рис. 164. Центры-
а — неподвижные; б — вращающиеся: 7 — конус; 2 — корпус и хвостовик, 3 — подшипники.
на неподвижные, устанавливаемые на направляющих станины, и ,т(0м подвижные, закрепленные на суппорте и перемещающиеся вме-Эж сте с ним.
(его в г>
**§ 63. Примеры обработки на токарном станке
mij® При обтачивании цилиндрических поверхностей заготовка вращается вокруг своей оси, а резец движется вместе с суппор-W том по направляющим станины параллельно оси заготовки, снн-
, си) мая с нее определенный слой металла (припуск на обработку).
7 В. П. Беспалько
193
При черновом обтачивании работа производится со снятием больших припусков на больших подачах, следовательно, на поверхности получаются следы грубой обдирки.
Припуск может быть снят с одного прохода, т е. за одно движение резца вдоль детали или за несколько проходов. Выбор числа проходов зависит от требуемой точности обработки и чистоты поверхности.
При обтачивании цилиндрических поверхностей рекомендуется припуск на черновую токарную обработку снимать за один проход, т. е. он должен быть равен глубине резания (Z).
Настройка станка на подачу заключается в выборе такой скорости продольного перемещения резца относительно обрабатываемой поверхности, чтобы были обеспечены наилучшие условия резания и чистота обработанной поверхности.
Подача выбирается по специальной таблице, некоторые данные из которой приводятся ниже:
Таблица подачи (лг.и/об) при продольном черновом обтачивании резцами из быстрорежущей стали
Глубина резания в им Диаметр обрабатываемой детали в мм
до 18 j от 18 до 30 от 30 до 50 от 5-0 до 80
1 2 0,2 0,2—0,4 0,4—0,7 0,3—0,6 0,6—1 0,5—1 0,8—1,2
Для настройки станка на выбранную подачу надо изменить положение передвижного блока шестерен в коробке подач. Фиксатор рукоятки блока должен быть установлен против значения на шкале коробки подач, соответствующего выбранной подаче. Изменить подачу можно также путем смены шестерен гитары.
При настройке станка на скорость резания ее величина подбирается по таблицам в зависимости от величин глубины резания, подачи, а также обрабатываемого материала, например:
Таблица скорости резания в м]мин. при черновом продольном обтачивании поверхностей резцами из быстрорежущей стали
Глубина резания в мм Подача (пм/об) Обрабатываемый материал
стаоь углеродистая чугун серый
0,23 53 24
1 0,30 52 26
0,50 44 23
ОДО 37 23
194
По выбранной скорости резания подсчитывается число оборотов, с которым должен вращаться шпиндель, по формуле;
VI000 ,, п = об/мин.
Затем требуемое число оборотов шпинделя станка устанавливается при помощи переключения шестерен в коробке скоростей соответствующими рукоятками.
Чистовое обтачивание цилиндрических поверхностей производится подобно черновому обтачиванию и отличается от последнего режимами резания (t, S, V).
Уменьшением глубины резания и подачи, а также увеличением скорости резания при чистовом обтачивании достигается большая чистота и точность обрабатываемых поверхностей. Для чистового обтачивания применяют также проходные резцы, имеющие закругление вершины с большим радиусом, чем резцы для чернового точения.
Обтачивание цилиндрической поверхности с прямым уступом состоит из обточки цилиндрической поверхности и подрезания торца или уступа, которое производится ручной и механической продольной или поперечной подачей. Для подрезания применяется подрезной, а иногда и отрезной резцы.
Вытачивание канавок и отрезание производится отрезным резцом, соответствующим ее ширине. Широкие канавки прорезают комбинацией поперечной и продольной подач.
Режим резания для вытачивания канавок и отрезания выбирают по соответствующим таблицам, причем, чем шире резец, тем больше может быть подача. При вытачивании и отрезании канавки вручную резец должен плавно без рывков перемещаться в радиальном направлении.
Скорости резания в м!мин при вытачивании канавок резцами из быстрорежущей Стали также выбираются по таблицам, например:
Обрабатываемый материя т Подачи [мм/об)
0.05 0 10 0,15 0J20 025
Сталь с охлаждением ... 43 31 24 20 17
Чугун без охлаждения .... 30 24 22 19 17
Отрезной резец имеет оттянутую рабочую часть (см. рис. 145), длина которой зависит от диаметра отрезаемой детали. Отрезной резец следует устанавливать строго на линии центров. При отрезании большое влияние на состояние резца оказывает равномерность подачи. Резкое увеличение подачи приводит к поломке резца. Отрезание деталей следует производить как можно ближе к патрону — этим устраняются ьибрации станка и облегчаются условия работы резца.
7
195
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
к главе XII „Обработка металлов резанием
if*
Я
Работа 1. Подготовка токарного станка к обработке деталей в патроне
I. Выполнить упражнения по управлению станком:
а) включить двигатель станка и произвести его остановку;
б) переключением рукояток коробки скоростей получить,
Ilffi (ре
пользуясь таблицей, все возможные скорости вращения шпинделя; записать их и зарисовать положение рукояток,
в) пустить и остановить станок; включить механическую продольную подачу cj ппорта; включить поперечную механическую подачу;
г) переключить передачи в коробке подач; получить все возможные продольные подачи, пользуясь таблицей, записать их и зарисовать положение рукояток.
2. Установить, выверить и закрепить цилиндрическую заготовку в трехкулачковом, патроне (Д-20—25 мм)
3. Установить и закрепить в резцедержателе проходной резец и проверить правильность его установки по центру.
4. Снять пробную стружку при скорости вращения шпинделя 500 об/мин (или ближайшей к эюй скорости) и глубине резания в 1 мм ручной подачей на механической продольной подаче, равной 0,2 мм.
5 Запустить станок и, пользуясь ручной подачей, осторожно подвести резец к заготовке, сделать небольшую риску. С помощью лимба прорезать следующую риску на расстояние 10 мм от первой. Повторить эту операцию несколько раз (насколько позволит длина заготовки), проверяя расстояние между рисками линейкой.
6. Определить число оборотов шпинделя при скорости резания 30 м в минуту, пользуясь формулой V= .
7. Установив выбранные скорости, подачу и глубину резания, включить продольную механическую подачу суппорта и снять стружку по всей длине заготовки с глубиной резания, несколько большей глубины рисок.
Проверить длину и диаметр обработанной поверхности линейкой, кронциркулем и штангенциркулем.
8. Вынуть заготовку из патрона; снять резец из резцедержателя; убрать станок (смести стружку), протереть и смазать натравляющие станины; привести в порядок рабочее место.
и,
при аию да ин
Э чв
Работа 2. Подготовка токарного станка к обработке деталей в цеитргх
1. Отвернуть трехкулачковый патрон и осторожно снять его со шпинделя токарного станка.
*' а ъ '•in t£g
W6
»»
'Wife; Л l!.T,V llOfc
liWjllj
1®цщ; I Я1Й1Й
S3®.,
[ЮДЯОйрК fine® fcf®
Untjai w н
2. Навернуть поводковый патрон на шпиндель. Проверить крепление пальца (поводка) патрона. Установить центр в шпиндель станка.
3. Установить центр в пиноли задней бабки. Отвернуть гайку болта прижимной планки задней бабки и передвинуть бабку на станине на расстояние, соответствующее длине заготовки. Закрепить бабку прижимной планкой.
4. Одеть хомутик на передний конец цилиндрической заготовки, имеющей центровые отверстия. Смазать задний центр солидолом. Установить заготовку в переднем и заднем центрах, перемещая пиноль задней бабки так, чтобы заготовка могла свободно вращаться в центрах без качки в продольном и поперечном направлениях. Закрепить пиноль задней бабки.
5. Подвести к поводку хомутик и закрепить его так, чтобы было обеспечено надежное вращение детали (хомутик не должен проворачиваться на детали и соскакивать с поводка).
6. Установить и закрепить в резцедержателе проходной резец, проверив правильность его установки по центру.
7. Настроить станок на скорость резания 25 М)Мин.
8. Включить механическую подачу и снять стружку на установленной глубине резания по всей длине заготовки.
Проверить диаметр обработанной поверхности штангенциркулем.
9. Снять заготовку, вынуть центр Отвернуть поводковый патрон и вновь установить трехкулачковый патрон. Отвести и заднюю бабку. Привести в порядок рабочее место: снять резец, смести стружку, протереть и смазать направляющие станины.
Работа 3. Черновое и чистовое обтачивание наружных цилиндрических поверхностей
пни
,ИЯ
jfflS'
1. Установить и закрепить в резцедержателе проходной резец, проверив правильность его установки по центру.
2. Установить, выверить и закрепить заготовку в патроне или в центрах.
3. Выбрать по таблице скорость резания и подачу для чернового обтачивания (У=30—50 м!мин) при глубине резания, равной 1 мм. Настроить станок.
4. Произвести предварительное обтачивание заготовки. Проверить размеры штангенциркулем.
5. Произвести чистовое обтачивание заготовки до заданных на чертеже размеров детали. При чистовом обтачивании скорость резания должна быть значительно больше, а подача и глубина резания меньше, чем при чистовом точении.
Проверить длину и диаметр обработанной заготовки линейкой и штангенциркулем.
6. Снять готовую деталь и резец. Привести в порядок рабочее место: убрать стружку, протереть и смазать направляющие станины.
197
Работа 4. Подрезание торцов и уступов
1. Установить, выверить и закрепить заготовку в патроне.
Установить и закрепить в резцедержателе проходной и подрезной резцы.
2. Выбрать режим работы станка и обточить (по эскизу болта) цилиндрическую поверхность. Проверить размеры, указанные на эскизе, линейкой и штангенциркулем.
3. Подрезать торец и уступ детали согласно размерам на эскизе ручной подачей.
4. Снять фаску на конце детали шириной 1 мм под утлом 45°.
5. Вынуть деталь из патрона. Установить и закрепить в патроне обработанную част£> для обтачивания с другой стороны по тем же размерам.
6. Произвести те же операции (3, 4, 5) для обработки второй стороны заготовки (заготовка на два болта).
7. Снять готовую деталь и резцы.
8. Привести в порядок рабочее место: смести стружку, протереть и смазать направляющие станины.
Работа 5. Вытачивание канавок и Отрезание
1. Установить, выверить, закрепить в патроне деталь, изготовленную на предыдущих работах по обтачиванию цилиндрических поверхностей и подрезанию торцов.
Установить в резцедержателе подрезной, проходной и отрезной резцы.
2. Разрезать заготовку пополам посредине отрезным резцом.
3. Г [одрезать торцы деталей на заданную длину подрезным резцом и снять фаски шириной 1 мм под углом 45°.
4. Снять готовую деталь и резцы.
5. Привести в порядок рабочее место: смести стружку, протереть и смазать направляющие станины.
Работа 6. Подготовка фрезерного станка к работе и упражнения по фрезерованию
1. Выполнить упражнения по управлению фрезерным станком:
а) пустить двигатель станка и остановить его;
б) переключить передачи в коробке скоростей для получения следующих чисел оборотов шпинделя (или близких к ним): 35, 60, 150, 350.
Зарисовать положение рукояток управления коробкой скоростей на выбранных скоростях;
в) пустить двигатель станка и включить механическую продольную подачу стола; включить механическую вертикальную подачу стола,
198
г) переключить подачи в коробке подач для получения следующих продольных подач стола: 0,2 мм[об, 0,3 мм[об, 0,5 мм[об, 1 мм!об и следующих вертикальных подач- 0,1 мм[об, 0,2 мм[об, 1 мм[об. Зарисовать положение рукояток управления коробкой подач.
2. Установить на оправку фрезу: освободить хобот горизонтально-фрезерного станка, вынуть оправку из шпинделя, установить и закрепить на ней фрезу и снова вставить оправку в шпиндель, подвести хобот с центром ко второму концу оправки и закрепить его.
При установке торцовой фрезы да вертикально-фрезерном станке вставить фрезу хвостовиком в шпиндель.
3. Установить, выверить и закрепить в станочных тисках заготовку (брусок, пластинку и т. п.).
4. Выбрать по таблицам подачу и скорость резания для снятия^ слоя металла в 1 мм, рассчитать подачу на один оборот шпинделя (S), число оборотов (») и скорость резания (V).
Установить рукоятки коробки передач и подач в соответствующее положение.
5. Подвести вертикальной подачей заготовку к фрезе, установить глубину резания, включить станок. Произвести пробное снятие стружки.
6. Выключить станок, снять деталь и фрезу. Привести в порядок рабочее место: убрать станок и смазать направляющие и стол станка.
Работа 7. Фрезерование плоскостей
1. Ознакомиться с чертежом детали, определить ее размеры и произвести разметку заготовки (подкладка для резцов, молоток с квадратным бойком и т. п.)
2. Установить, выверить и закрепить заготовку в тисках или на столе фрезерного станка.
Установить и закрепить режущий инструмент (цилиндрическую или торцовую фрезу)
3. Выбрать по таблицам величины скорости резания и подачи (для заданной преподавателем глубины резания). Настроить станок на подсчитанные режимы.
4. Произвести фрезерование плоскости ручной и механической подачей, снять с заготовки слой металла до получения нужных размеров детали.
5. Сделать перестановку заготовки для фрезерования второй плоскости, параллельной первой. Проверить правильность установки поверочной линейкой и штангенциркулем.
6. Произвести фрезерование второй плоскости. Проверить правильность обработки линейкой и штангенциркулем.
7. Переставив заготовку, произвести фрезерование двух других плоскостей (граней) под прямым утлом к двум первым.
199
Проверить правильность обработки штангенциркулем н угольником 90°.
8. Снять обработанную деталь и фрезу. Привести в порядок рабочее место: смести стружку, протереть и смазать направляющие и стол станка.
Работа 8. Фрезерование пазов и канавок; отрезание на фрезерном станке
1. Ознакомиться с чертежом детали, определить ее размеры и произвести разметку заготовки.
2. Установить, выверить и закрепить заготовку в тисках, на столе или на призме.
3. Установить и закрепить режущий инструмент (дисковую, [• торцовую или фасонную фрезу).
4. Выбрать по таблицам величины скорости резания и подачи (для подсчитанной по чертежу глубины резания). Настроить станок на выбранные режимы.
5. Произвести фрезерование пазов или канавок и отрезание ручной и механической подачей, проверяя правильность обработки по чертенку с помощью линейки, штангенциркуля или шаблона.
6. Снять обработанною деталь н фрезу. Привести в порядок рабочее место.
Применяемые инструменты и принадлежности
Резцы проходные, подрезные, отрезные, патроны трехкулачковые и поводковые, центры передние и задние, хомутики, фрезы цилиндрические, торцовые, дисковые, фасонные, призмы, прижимные планки, масштабные и поверочные линейки, штангенциркули с точностью до 0,1 мм, шаблоны, угольники 90°, щетки, масленки.
Контрольные вопросы
1. Назовите основные элементы (грани и кромки) токарного резца.
2. Какие главные углы резания имеет резец?
3. Какие виды резцовхприменяют для токарной обработки?
4. Назовите основные виды фрез и приведите примеры их использования.
5. Как определить величину подачи прн токарной обработке, фрезеровании и сверлении?
6. Какая разница между глубиной резания и припуском?
7. Как определить величину скорости резания при обтачивании, фрезеровании и сверлении?
8. Какие виды стружек вы знаете?
9. Назовите основные принадлежности для работы на токарном н фрезерном станках.
200
10. Как установить заготовку в патроне и в центрах на токарном станке?
11. Как правильно установить проходной подрезной и отрезной резцы на токарном станке?
12. Расскажите ход выполнения обработки цилйндрическ й поверхности с уступом
13. Как произвести фрезерование четырех плоскостей (гране и) заготовки, образующих между собой прямые углы?
14. Какие режущие инструменты применяются при обработке металлов на токарном, фрезерном и других металлообрабатывающих станках?
ГЛАВА XIII
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛА
Каждая машина состоит из деталей, изготовляемых из одного куска металла. Разъемное или неразъемное соединение нескольких деталей называется узлом, или сборочной единицей Например, вал с закрепленной на нем шестерней, резцедержатель с винтами и т. п.
Узлы и детали объединяются в группы—часть машины, имеющую самостоятельное название. Например, су ппорт токарног о станка, механизм рулевого управления автомобиля.
Из групп, узлов и деталей собирается сложное изделие—• машина в целом (станки, приборы, автомобили и т. д.).
Процесс создания сложного изделия состоит из ряда последовательных задач: конструирования, изготовления деталей и их сборки.
Первую задачу решает конструкторское бюро завода Конструкторы получают проектное задание и разрабатывают технический проект нового изделия с тем расчетом, чтобы оно было лучше прежних образцов и удовлетворяло новым, более высоким требованиям.
После того, как технический проект утвержден, конструкторское бюро приступает к выполнению рабочих чертежей на изготовление каждой детали изделия в отдельности и на сборку этих деталей. _
На сборочных чертежах указывается взаимное расположение деталей и порядок сборки.
Для того, чтобы чертежи могли быть прочитаны всеми и одинаково поняты, их выполняют в строгом соответствии с требованиями „Государственного общесоюзного стандарта" (ГОС1). Набор чертежей для одного изделия называется рабочим проектом. Рабочие чертежи поступают в технический отдел завода, где их размножают в необходимом количестве Отсюда они передаются в цехи для изготовления деталей и сборки изделий.
201
§ 64. Технологический процесс
Г-. I ш
Процесс изготовления детали делится на операции, т. е. определенные виды обработки, производимые одним режущим инструментом, например цилиндрическое обтачивание, подрезание торцов, свер пение, растачивание, отрезание, нарезание резьбы и другие.
Чтобы изготовить деталь машины по рабочему чертежу, необходимо предварительно разработать технологический процесс обработки, т. е. установить способы изготовления детали (операции), выбрать станки и инструменты, определить последовательность операций и режимы резания. Решая ату сложную задачу, технологи завода выбирают такие операции, чтобы качество детали отвечало всем требованиям, предъявляемым техническими условиями (точность, чистота, прочность и т. п.), чтобы 1 на деталь расходовалось как можно меньше материала, труда и времени. и
Если деталь сложна и проходит длинный ряд операций, сначала, например, в литейном или кузнечном цехе, затем в меха-ническом и после этого в термическом, то для нее составляют ч™* технологические или операционные карты. В этих картах пере- I числяется последовательность операций, указываются рабочий и "-м()й контрольный инструменты, приспособления. й™
Обработку детали от начала до конца редко поручают одному й » рабочему. Гораздо чаще рабочий выполняет одну-две операции И»
на своем станке, а для выполнения следующих деталь передают синая
другим рабочим. Такой метод обработки деталей называется шим
операционным и его широко применяют на заводах, так как он Мул
резко сокращает затраты времени: рабочий не расходует время «, по на смену режущего инструмента, на наладку станка, использует у опа приспособления для быстрой и точной установки деталей и вы- 'взаимс
полняет одну операцию на большом количестве одинаковых иевд[
деталей. При операционной работе рабочему не обязательно иметь таыеяь высокую квалификацию, так как наладку (настройку) станка перед цров де началом работы делает рабочий высокой квалификации — наладчик.
Быстрота и точность работы при изготовлении деталей и Йзность
сборке изделий зависит от того, как рабочие организуют свой ра
труд, каково их отношение к порученному делу. Рабочие социа- -Мре~
листического производства ищут пути дальнейшего повышения Нзрисув
производительности труда: изменяют режимы обработки (напри- «тия (S
мер, скоростное резание), применяют более совершенные ннстру- ^йствите
менты, рационализируют технологический процесс, изготовляют *|И (т । приспособления, ускоряющие работу, рационально организуют свое рабочее место, например, размещают заготовки и готовые
детали, контрольные, измерительные и режущие инструменты, так . Г|,, чтобы они были под руками и могли быть быстро применены.
Большое значение для повышения производительности труда имеют 'Lf бережное отношение к инструментам и оборудованию, хороший повседневный уход за станком, чистка и смазка оборудования,
202
своевременное устранение неисправностей, а также экономное расходование материалов, сырья и электроэнергии.
Для учета и оценки уровня производительности труда рабочих все операции нормируются (т. е. устанавливается время на их выполнение) и расцениваются в зависимости от сложности и трудоемкости. Рабочий получает заработную плату пропорционально количеству выполненной работы Принцип материальной заинтересованности рабочего в выполнении и перевыполнении производственного плана — важное условие постоянного развития производства и роста производительности труда.
§ 65. Взаимозаменяемость. Допуски и посадки
Невозможно изготовить деталь абсолютно точно, по размерам, указанным на чертеже. Она всегда будет немного меньше или больше этих размеров. Например, при изготовлении двух валов диаметром 16,0 мм получили диаметр первого вала 16,05, а второго 15,95 мм. Фактические размеры детали называются действительными.
Сборка изделий из-за отклонений в размерах бывает затруднительной и детали приходится подгонять друг к другу, т. е. обрабатывать дополнительно. Чтобы избежать этого, в современном машиностроении и приборостроении существует система взаимозаменяемости. Благодаря этой системе любая деталь, изготовленная для сборки узла или изделия, устанавливается на место без дополнительной обработки и подгонки. Взаимозаменяемость деталей упрощает изготовление новых и ремонт износившихся машин, позволяет удешевить производственные процессы, поэтому она имеет огромное значение для народного хозяйства. Для взаимозаменяемости требуется, чтобы детали, особенно сопрягаемые размеры, от которых зависит соединение деталей, были изготовлены с определенной степенью точности. Для сопрягаемых размеров деталей (рис. 165) устанавливают границы, между которыми должны находиться действительные размеры.
Разность между наибольшим (Об) и наименьшим (D„) допустимыми размерами детали называется допуском, а сами размеры — предельными.
На рисунке 165 показаны допуск первого вала (S,), допуск отверстия (Sc) и допуск второго вала ($»), (густая штриховка)
Действительные размеры первого вала меньше номинального размера (т. е. указанного на чертеже), и поэтому он войдет в отверстие с зазором (просвет). Такое соединение называется подвижной посадкой.
Величина зазора (рис. 165) может быть различной- ее наименьшее значение — 3 мин- = DM — de, а наибольшее — 3 макс == = Пб-^.
Наоборот, если наименьший допустимый диаметр второго вала больше наибольшего допустимого диаметра отверстия (D,),
203
то он может войти в отверстие только под давлением и посадка будет неподвижной. Она называется натягом.
Разность И мин. = dM — De называется наименьшим натягом.
Разность Н макс. — d'i—DM наибольшим натягом.
Допуски и посадки подразделяются на систему отверстия и систему вала, а также по величине допусков — на классы точности, по величине зазоров и натягов — на ряд посадок.
В системе отверстия постоянными остаются размеры отверстия, а различные посадки осуществляются за счет изменения размеров валов.
Отверстие
Рис. 165 Схема полей допусков.
В системе вала постоянными остаются размеры вала, а размеры отверстии изменяются.
По ГОСТу установлено 10 классов точности: 1, 2, 2а, 3, За, 4, 5, 7, 8 и 9. Шестой класс пока не установлен. Наивысшим по точности является 1-й класс: допуски в нем выражаются в нескольких микронах. Он применяется только в точном приборостроении для наиболее ответственных сопряжений, так как выдержать такие допуски трудно и обработка деталей по этому классу точности очень дорога.
Наибольшее распространение в станкостроении и машиностроении получил 2-й класс точности, применяемый для ответственных сопряжений. В сельскохозяйственном машиностроении и вагоностроении, где не требуется высокой точности, применяют За, 4 и 5-й классы. Наименее точные классы 7, 8 и 9-й применяют при установлении допусков на поковки и отливки.
Величина зазоров и натягов определяет вид посадки. Количество их различно в каждом ичассе точности. Например, во втором классе точности системы отверстия 12 посадок. Посадки
201
«Sit, ащц.. л
-*n ж
разделяются на подвижные и ГОСТу буквами:
а) подвижные:
широкоходовая..............— Ш
легкоходовая .... ... —Л
ходовая................. . — X
движения .... . — I
скользящая ... . —С
неподвижные и обозначаются по
б) неподвижные:
плотная . .... —П
напряженная . . —Н
тугая . . —Т
глухая . —I
лсгкопрессоваи . — ПЛ
прессовая . — ПР
горячая................. . — ГР
205
На чертежах допуски и посадки имеют свои обозначения по ГОСТу. На рисунке 166 приведены некоторые примеры этих обозначений в системе отверстия и в системе вала.
Отверстие в системе отверстия обозначается буквой А с индексом, указывающим класс точности. На рисунке 166, а указано, что необходимо сделать отверстие номинальным диаметром 100 мм по третьему классу точности (А3).
В таблице „отклонений основных отверстий" по ГОСТу можно найти допустимое отклонение для диаметра отверстия от 80 до 120 мм. Оказывается, оно равно 0,070 мм. Значит, отверстие может иметь наименьший допустимый размер 100,000 мм н наибольший 100,070 мм.
Вал в системе вала обозначается буквой В с индексом, указывающим на класс точности. Индекс не ставится только при обозначении посадок 2-го класса точности, как наиболее часто встречающихся. Поэтому рисунок 166, б означает вал диаметром 130 мм, изготовленный по второму классу точности.
Допуски вала в системе отверстия и отверстия в системе вала обозначаются буквами посадок. На рисунке 166,8 приведено обозначение скользящей посадки третьего класса точности, а на рисунке 166 г обозначение тугой посадки 2-го класса.
Чтобы не затруднять рабочего поисками допусков в таблицах, разрешается указывать их на чертежах (рис. 166,6). Если одно из отклонений равно нулю, то его не проставляют (рис. 166, ё).
В сборочных чертежах, где показываются сопряженные ват и отверстие, наверху пишут букву, относящуюся к отверстию, а внизу — к валу (рис. 166, ж, з).
§ 66. Чистота обработки поверхности
Кроме точности изготовления, большое значение имеет чистота поверхности детали. Она особенно важна для трущихся деталей: чем чище поверхность, тем меньше микроскопические неровности детали и она менее изнашивается при работе.
В зависимости от величины микроскопических неровностей поверхности по ГОСТу установлено четырнадцать классов чистоты, которые поделены на четыре группы, обозначаемые треугольниками (каждая группа содержит несколько классов).
Необработанные поверхности обозначают знаком cv. Чтобы облегчить взаимозаменяемость деталей и сократить затраты труда и материалов, размеры валов, отверстий и различных изделий стандартизованы. Например, в промежутке от 0,5 до 500 мм стандарт предусматривает только 120 размеров диаметров валов. Стандартизованы также резьбовые соединения, и поэтому болты изготовляются только по предусмотренным ГОСТом диаметрам. Например, для метрической резьбы в интервале от 3 до 20 мм используются диаметры 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 мм. Подобным же образом стандартизованы профили проката и многие другие детали.
206
Классы чистоты поверхности
Обозначение групп чистоты Операции, при которых достигается указанная чистота поверхности
V ^Черновое точение, строгание, фрезерование, опиливание Драчевым напильником.
W Чистовое точение, строгание, фрезерование, опиливание личным и бархатным напильником
VVV Шлифование
Притирка, полировка. § 67. Технические измерения
Изготовление взаимозаменяемых деталей с требуемой точностью возможно при наличии точных измерительных инструментов. Измерительные инструменты делятся на многомерные (универсальные), с помощью которых определяют различные размеры детали (линейка, штангенциркуль, микрометр), и одномерные, т. е. измеряющие определенные размеры деталей (скобы, калибры, шаб тоны).
Контрольно-измерительные операции сводятся к измерению длин (наружные и внутренние диаметры, расстояния между различными точками и поверхностями) и углов. Для измерения дгин служат линейки, рулетки, штангенциркули, глубиномеры, микрометры, щупы, измерительные плитки и индикаторы. При измерении углов пользуются угольниками, угломерами, инструментальными микроскопами.
Линейки применяются для грубых измерений длины. Они изготовляются из стальной ленты, имеют обычно миллиметровые деления (иногда до 0,5 мм) и при условии правильного пользования ими позволяют производить измерения с точностью до 0,5 мм. Для измерения больших длин применяют складные метры и рулетки.
Штангенциркули (рис. 167) дают значительно большую точность измерений (0,1—0,02 мм). Они широко применяются в машиностроении для измерения наружных и внутренних размеров деталей, а также глубины отверстий.
Штангенциркуль состоит из штанги (6) с основной шкалой, имеющей миллиметровое деление и губки (1 и 2). По штанге может передвигаться рамка (5) с губками (3 и 9) и глубиномером (7). Винт (4) служит для закрепления рамки на штанге.
Отсчет размеров производится по миллиметровой линейке на штанге и шкале на рамке, называемой нониусом (8). Целое число миллиметров отсчитывается на основной шкале (миллиметров ги
207
.линейка) до нулевого деления нониуса, доли миллиметра — на нониусе.
На рисунке 167 показан штангенциркуль, измеряющий с точностью до 0,1 мм. Нониус штангенциркуля устроен следующим образом: десять делений шкалы нониуса имеют длину 9 мм или 19 мм, отсюда каждое деление нониуса меньше миллиметрового деления штанги на 0,1 мм. Если длина измеряемой детали равна целому числу миллиметров, то нулевое деление нониуса точно совпадает с соответствующим этой длине миллиметровым делением на штанге. Если же длина детали несколько более целого числа миллиметров, то нулевое деление нониуса не совпадет с миллиметровым делением на штанге Таким образом, при измерении предмета количество целых миллиметров указывается нуле-
Деталь
выы делением нониуса, а деление нониуса, совпадающее с одним из делении на штанге, определяет количество десятых долей. На рисунке 167 приведен пример отсчета размера 27,7 мм. нулевое деление нониуса показывает 27 мм, а с делением на штанге совпадет седьмое деление нониуса. Следовательно, размер, полученный на штангенциркуле, равен 27,7 мм.
Микрометры (рис. 168) дают еще более высокую точность измерений (до 0.01 мм).
Микрометр состоит из скобы (1), во втулке которой (7)'вращается однозаходный микрометрический винт (4). Этот винт вращается в гайке (3), имеющей шаг резьбы 0,5 мм, поэтому за один оборот он перемещается на 0,5 мм На боковой поверхности втулки (7) нанесены деления через 0,5 мм каждое. Окружность I и пьзы (5), соединенной с винтом, разделена на 50 равных частей, поэтому поворот ее на одно деление перемещает винт на 0,01 мм. Измеряемая деталь помещается между пяткой (2) и винтом (4) и вращением трещотки (6) зажимается между ними. Отсчет размеров в миллиметрах с точностью до 0,5 мм делается по обрезу
208
гильзы на втулке, а сотых долей — по делениям на гичьзе. На рисунке 168 б и в показаны примеры отсчетов размеров по микрометру 18,05 мм'и 6,87 мм.
Микрометры изготовляются для измерения деталей длиной от 0 до 25 мм, от 25 до 50 мм и так далее до 1000 ми.
Индикаторы служат для проверки „биения" (эксцентричности) деталей, параллельности поверхностей и отклонений от заданных размеров. Устройство их и работа показаны на рисунке 169, где представлены общий вид (а) и кинематическая схема (в)
J Я» । й «." ЬерД'
ю ио *
' б 87мм
Рис. 168. Микрометр:
1 — скоба; 2 — пятка; 3 — гайка, 4 — винт; 5 — гильза; 6— трещотка, 7 — втулка.
индикатора, дающего точность отсчета 0,01 мм. Главной частью индикатора является измерительный стержень (1) с зубчатой рейкой (2). При движении измерительного стержня начинают вращаться укрепленные на оси зубчатые колеса Zx и Z2. Колесо Z, приводит во вращение стрелку индикатора, укрепленную на зубчатом колесе. Спиральная пружина и зубчатое колесо Z4 возвращают измерительный стержень в первоначальное положение. Передаточные числа зубчатых колес подобраны так, что при перемещении стержня на 0,1 ми стрелка индикатора передвигается на одно деление. Более точные индикаторы измеряют с точностью до 0,002 и 0,001 мм.
Малые промежутки (зазоры) между поверхностями собранных деталей измеряются щупам и. Щупы представляют собой наборы плоско-параллельных стальных пластинок из 8—16 штук различной толщины (от 0,03 до 1 мм). Такими щупами измеряют зазоры между клапанами и толкателями в автомобильных и авиационных двигателях и т. п. На рисунке 170 изображен щуп № 1 с пла-
209
»
станками от 0,03 до 0,1 мм толщиной. При измерении гц^ешить должна проходить в зазор между деталями с легким Вполне
/ неиз-
Для проверки размеров большого количества одинаковых деталей универсальные измерительные инструменты уже неудобны,
в
инстру-
отверстий
так как на их установку и отсчет размеров уходит слишком много времени. В этих случаях применяют специал1 ные мерительные менты калибры.
Для контроля размеров цилиндрических служат предельные калибры — пробки. Одна сторона калибра (рис. 171, а) имеет наименьший допустимый размер и обозначается буквами „Пр.“, т. е. „проходной". Под действием силы собственного веса она должна проходить в отверстие. Вторая сторона имеет наибольший допустимый размер и обозначена буквами „Не", отверстие контролируемой деташ
т. е. „непроходной". Если проходит „проходная" сторона калибра и не проходит „непро-
210
При изготовлении первого образца изделия выявляются и исправляются недостатки конструкции изделия и технологии его производства. Поэтому при изготовлении сложных машин (автомобиль, самолет, станок) сначала выпускается опытный образец. Его испытывают в работе, выявляют достоинства и недостатки и вносят необходимые изменения и дополнения в проект.
Прежде чем пустить изделие в серийное или массовое производство, после опытного образца выпускают небольшую опытную серию. Испытание целой серии машин дает еще более полное представление о новой машине и позволяет совершенствовать ее конструкцию и технологический процесс Только после этого машина пускается в серийное производство.
Таким образом, практика дает полную и правильную оценку каждой новой конструкции машин, результатов труда конструкторов и рабочих.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
к главе XIII „Изготовление изделий из металла"
Работа 1. Изготовление молотка с квадратным бойком сомасно чертежу и технологической карте.
Норма времени на изготовление—10 уроков.
Рис. 174. Молоток с квадратным бойком.
215
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА
на изготовление слесарного молотка с квадратным бойком
Наименование яздечня Слесарный молоток
Материал Сталь У 7
Размер заготонк i 16 х >6 х >4
№ one рации Содержание работы Цистр репс у щи 11 и разметочный уменг измерительным и контрольны! Оборудование
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 Разметить заготовку по длине . ... . . Отрезать заготовку ... Опилить торцы с подгонкой по длине .... . Разметить заготовку: наклонные плоскости, отверстие под рукоятку Опилить наклонные плоскости носка . . .- Просверлить отверстия в контуре под рукоятку .... Прорубить перемычку для отверстия иод рукоятку.... Расличить отверстие под рукоятку . Опилить боковые грани по размеру и под угольник .... Закруглить носок и боек молотка Снять фаски внутри отверстия под рукоятку Снять фаски на углах 1 X 45° по чертежу Зачистить поверхность молотка чертилка ножовка напильник драчевый чертилка, линейка, кернер напильник драчевый сверло 08 крейцмейсель напильники плоский и круглый напильник драчевый напильник круглый напитьник ЛИЧНОЙ напильник личной, наждачная бу- ма! а линейка угольник 90° шаблон штанген- циркуль штангенциркуль, угольник 90°, шаблон —« верстак ТИСКИ плита раз- меточная тиски сверлильный станок тиски ' 1 • _ 1 я я
216
Работа 2. Изготовление разметочного циркуля по черте-'чмМи жам и технологической карте. Норма времени на изготовление — 18 уроков.
25
|м?| '7Ч7Ж--3 \1Ш(г }шЗ\т 2 1
]лф; шайба
,шт ~|
|л4{ гранитной 8инт /15 | /шт |су#[ л/ / 2 ]
Ий ^$й
|tf3| О~сь
\lwmpi3\Ml г |
Рис. 175. Циркуль разметочный (продолжение).
21R
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА
на изготовление разметочного циркуля
Наименование изделия Циркуль разметом ый
Материал Сталь У7
Размер заготовки Поковки ножек цирку чя
№ операции Содержание работы Инстр режущим и разметочный ZMCHT измерительный и контрольный Оборудование
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Огрихтовать поковки ножек циркуля .... Опилить под линейку пто-скости соприкосновения ножек и подогнать замок Разметить и просверлить отверстие для оси, одновременно в обеих ножках Соединить временной заклепкой обе ножки Опилить боковые плоскости по размеру . Произвести потную разметку ножек циркуля, иакернить центры отверстий для винта и заклепки . » Оппчпть циркуль по контуру (по разметке) Просверлить отверстие для заклепки 7 диаметром 4 мм и для прижимного винта под резьбу М5 Нарезать резьбу в правой ножке М5 Зачистить обе ножки и снять фаски 2 X 45° Изготовить детали: прижимной виит М5, планку, ось, шай-бу, заклепку 4 х 15 X молоток напильник чертилка, кернер, сверло 0 6 напильник циркуль, чертилка, кернер напильник сверла 04,0, 04,2 метчики М5 напильник личной, наждачная бу- мага напильники, (ерка, сверла линейка угольник линейка, штангенциркуль линейка, угольник линейка, штангенциркуль штангенциркуль угольник 45° линейка, штангенциркуль рихтовочная плита тиски свертильный станок ТИСКИ разметочная плита тиски сверли тьный станок тиски тиски тиски, сверлильный станок
219
Продолжение
Х> операции
12
13
14
Наименование изделия
Материал
Циркуль разметочный
Сталь У7
Размер заготовки
Содержание работы
Снять временную заклепку и произвести окончательную зачистку всех деталей . . , .
Собрать циркуль по чертежу. При расклепывании оси и заклепки планки обеспечить подвижность частей..........
Зачистить заклепку и ось (предварительно спилив их заподлицо) ...................
Поковки ножек циркуля
Инструмент
режущими измерительный рез меточный и контрольный
личной напильник, наждачная бумага
линейка, штангенциркуль
Оборудование
ТИСКИ
молоток
напильник, наждачная бумага
Работа 3. Разработать проект наглядного учебного пособия „Штангенциркуль". Масштаб 6:1 или 10:1 (действующая модель из дерева). Выполнить чертеж общего вида и рамки штангенциркуля. Составить технологические карты на изготовление отдельных деталей штангенциркуля.
Работа 4. Разработать проект механического лобзика для школьного технического кружка. Электромотор мощностью 30 - 50 вт (от швейной машины или подобный). Длина хода лобзика 50 — 70 мм (уточнить из расчета использования полной длины пилкн лобзика). Механический лобзик должен иметь приспособление для укрепления к столу.
Проект должен предусматривать возможность изготовления станка в школьных мастерских.
Проект должен содержать:
1. Чертеж общего вида станка, а также чертежи узлов и деталей с указаниями материалов, из которых они изготовляются.
2. Описание устройства и действия механического лобзика.
3. Указания по изготовлению деталей и сборки станка.
4. Инструкцию по эксплуатации станка.
Работа 5. Разработать конструкцию модели разрывной машины дня определения временного сопротивления разрыву образцов из металла, дерева, пластмасс и других материалов.
Максимальное усилие разрыва 100 кГ. Усилие должно регистрироваться стрелкой динамометра. Зажимы должны обеспечить захват образцов круглого (диаметром от 0,1 до 5 мм), квадрат-
220
ного (до 5X5 мм) и прямоугольного сечения (до ОДХЮ**)-Длина образцов 10 — 50 мм.
Приложение нагрузки должно регулироваться и осуществляться за время не менее 1 сек. После разрыва образца не должно происходить вредных ударов частей машины.
Проект должен предусматривать изготовление модели в школьных мастерских и содержать:
1. Чертеж машины и отдельных узлов и деталей, в двух-трех проекциях.
2. Описание устройства и принципа действия машины.
3. Перечень технических данных машины.
4. Инструкцию по изготовлению деталей и сборке машины.
5. Инструкцию по эксплуатации разрывной машины.
Контрольные вопросы
1. Что называется технологическим процессом?
2. Для чего вводятся нормы выработки?
3. В чем сущность взаимозаменяемости деталей в машинах?
4. Для чего введены классы точности?
5. Что такое зазор и натяг?
6. Что называется допуском’
7. Что такое классы чистоты поверхности?
8. Какие измерительные инструменты вы знаете?
Приведите примеры их использования
9. Расскажите о процессе конструирования машин.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................... 3
Глава I. Общие сведения о машиностроительных материалах. . .
§ 1 Чугун ..............................................
§ 2. Сталь.............................. ...............
§ 3. Марки сталей.............. ....................
§ 4. Цветные металлы........... ........................
§ 5 Сплавы цветных металлов.............................
§ 6. Неметаллические материалы......................
Контрольные вопросы..................................
Глава 11. Свойства металлов и способы их изменения...........
§ 7 Основные свойства металлов .........................
§ 8 Испытание механических свойств .....................
§ 9. Пробы металлов........ ............................
10. Термическая обработка металлов.............. ......
§11. Защита металлов от коррозии.................... .
Контрольные вопросы..................................
Глава 111. Обработка металлов литьем и давлением.............
§ 12 Изготовление литейной формы.................
§ 13 Получение отливок...................
§ 14 Специальные методы литья .......................
§ 15. Ковка..............................................
§ 16 Штамповка...........................................
§ 17. Прокатка н волочение...............................
Контрольные вопросы......................... ... .
Г л а в а IV. Сварка и пайка металлов........................
§ 18. Электродуговая сварка и резга............... ...
§ 19. Электроконтактная сварка .............. ...........
§ 20 Газовая сварка и резка.............. ...............
§ 21. Пайка металлов Контрольные вопросы ......................................
5
6
8
11
13
15
16
19
19
19
21
25
26
29
80
30
32
34
16
36
39
41
41
44
45
51
52
Глава V. Детали машин и их соединения .......................... 52
§ 22. Резьбовые соединения.............................. .... 53
§ 23 Шпоночные и шлицевые соединения . .... 60
§24 Заклепочные и сварные слентчепн . 61
§ 25. Валы и оси .... ... ............63
222
§ 25. Подшипники.............
§ 27. Муфты ...
§ 28. Зубчатые колеса . . Практические работы . Контрольные вопросы .
Глава VI Устройство и работа механизмов .
§ 29 Кинематические звенья, пары, цепи ....
§ 30. Общая характеристика механизмов.....
§ 31. Силы, действующие в механизмах . .
§ 32. Коэффициент полезного действия механизма Контрольные вопросы..........................
Глава VII. Механизмы передач вращательного движения . .
§ 33 Ременная передача ..................
§ 34 Фрикционная передача .... ...
§ 35. Зубчатая передача ...
§ ЗЬ Применение зубчатых передач . .
§ 37. Червячная передача...........
§ 38. Цепная передача..............
Практические работы .........
Контрольные вопросы............. . .
Глава VIII. Механизмы преобразования движения
§ 39. Винтовой механизм ...............
§ 40. Кривошипио-шатуиный механизм .......
§41. Эксцентриковые и кулисные механизмы . .
§ 42. Кулачковые механизмы.............
§ 43. Специальные механизмы...............
Практические работы ............. .
Контрольные вопросы...............
Глава IX. Устройство и работа машин.....................
§ 44. Общая характеристика машин.................... -
§ 45. Силы, действующие в машинах ...................
§ 46. Трение в машинах...................• •
§ 47. Коэффициент полезного действия машины
§ 48. Закон сохранения энергии в применении к машине ....
§ 49. Уравновешивание машин..........................
§ 50. Регулирование машин.............................-
§ 51. Понятие об устойчивости машин.....................
Контрольные вопросы................................
Глава X. Некоторые виды машин...................... -
§ 52. Молоты и прессы .... .......................
§ 53. Подъемо-транспортные машины....... ...............
§ 54. Транспортные машины............. .................
§ 55. Дорожно-строительные машины.......................
Контрольные вопросы..................................
Глава XI. Металлорежущие станки. ..........................
§ 56. Токарные станки .... ..........................
§ 57. Фрезерные станки..................
§ 58. Другие виды металлорежущих станков . Практические работы...............................
Контрольные вопросы................................
Глава ХИ Обработет^йета л лов резанием......................180
§ 5^ Процесс резания и элементы резца............. . . . . 180
$ 60. Характеристика режущих инструментов . .............182
§ 61. Элементы тсорни резания...................... . . .186
§ 62 Приспособления для работы на станках ... . . ...... 189
§ 63 Примеры обработки на токарном станке...............193
Практические работы ... ...............196
Контрольные вопросы ................... 200
1 тава ХИ! Изготовление изделий из металла................ 201
§ 64. Технологический процесс . . .......... ............202
(Г Взаимозаменяемость Допуски и посадки ...............203
§ 6b Чистота обработки...................................206
§ 67 Технические измерения ... . . . . ......207
§ б*. Приемы конструирования . .......................211
Практические работы . . ................... .215
Контрольное вопросы............................... 221
Беспалько Владимир Павлович, ^Киделев Михаи i А /ександрозич, Никитин Борис Пав ювич
РУКОВОДСТВО ПО МАШИНОВЕДЕНИЮ, Ч. I
Редактор А. А Поляков
Художественный редактор П. В. Любарский Технический редактор А В. Максаев
Корректор М. В. Голубева * ф ф
Сдано в набор 29. I. 1957 г. Подписано к печати 6 V 1957 г. Ь0х92,/1ц. Печ. л. 14. Уч.-изд. л. 13,81 Тираж 600000 экз.
А 03745
ф * ф
Учпедгиз. Москва, Чистые пруды, 6.
Министерство культуры СССР. Главное управление полиграфической промышленности. 2-я типография „Печатный Двор* . имени А. М. Горького. Ленинград, Гатчинская, 26.
Цена без переплета 1 ру б. 80 коп. Переплет 75 коп.