2. Машиностроение. Основные понятия и определения

2.1. Машины и механизмы

Механизм - это система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел требуемые движения других тел. Механизмы, входящие в состав машины, весьма разнообразны — одни из них представляют собой сочетания только твердых тел (рычаги, зубчатые колеса), другие содержат жидкие и газообразные тела (рабочую жидкость — масло в гидроцилиндре, сжатый воздух в пневмосистеме), третьи содержат электрические, магнитные и другие устройства. Соответственно такие механизмы называются гидравлическими, пневматическими, электрическими и т. д. Все механизмы классифицируются по функциональному назначению. Насчитывается шесть функциональных разновидностей механизмов на все существующие машины! Вот они:

Механизмы двигателей и преобразователей преобразуют различные виды энергии в механическую работу, механическую работу в различные виды энергии.

Передаточные механизмы (привод) передают движение от двигателя к технологической машине или к исполнительным механизмам. Практически всегда вал двигателя вращается с большей частотой, чем вал технологической машины. Механизмы привода передают движение от вала двигателя к валу машины таким образом, чтобы вал технологической машины вращался с нужной частотой. Передаточные механизмы (один или несколько) применяются почти на всех существующих машинах и станках.

Исполнительные механизмы — это те механизмы, которые непосредственно воздействуют на обрабатываемый объект. Они изменяют форму, состояние, положение, свойства обрабатываемых объектов. Исполнительные механизмы металлообрабатывающих станков, например, превращают заготовки в детали заданной формы.

Механизмами управления, контроля и регулирования называются различные механизмы и устройства для контроля размеров объектов обработки, например, механические щупы, следящие за фрезой в процессе обработки и сигнализирующие об отклонении фрезы от за данной программы обработки: регуляторы, реагирующие на отклонение скорости вала машины и устанавливающие заданную скорость. К этим же механизмам относятся и измерительные механизмы для контроля размеров, давления, уровня жидкостей и т. д.

К механизмам подачи, транспортирования, питания и сортировки обрабатываемых тел и объектов относятся механизмы винтовых конвейеров, скребковых и ковшовых элеваторов для транспортирования и подачи сыпучих материалов, механизмы загрузочных бункеров для штучных заготовок, механизмы подачи пруткового материала в высадочных (кузнечно-прессовых) и токарных автоматах, механизмы сортировки готовой продукции по размеру, массе, форме и т. д.

Механизмы автоматического счета, взвешивания и упаковки готовой продукции применяются во многих машинах. Необходимо иметь в виду, что такие механизмы могут быть исполнительными, если они входят в специальные машины, предназначенные для этих операций. Так, в машинах для расфасовки чая механизмы взвешивания и упаковки являются исполнительными механизмами. В шарикоподшипниковой промышленности применяют специальные машины для упаковки собранных шарикоподшипников, в которых механизмы упаковки также являются исполнительными.

Несмотря на разное функциональное назначение, механизмы различных видов имеют много общего в строении, кинематике и динамике. Например, узлы совершенно различных машин — поршневого двигателя, кривошипного пресса и привода ножа косилки основаны на кривошипно-шатунном механизме. Механизмы, передающие движение от двигателя самолета к винту, механизмы дифференциала автомобиля и многие другие основаны на зубчатых передачах. Поэтому для исследования и конструирования механизмов различного функционального назначения применяют общие методы, базирующиеся на основных принципах современной механики.

Машина — это механизм или сочетание нескольких механизмов. Целью создания машины является увеличение производительности и облегчение физического труда человека. В некоторых случаях машина может облегчать не только физический труд человека, но и умственный. Например, счетно-решающие машины помогают человеку в проведении необходимых математических операций любой сложности, информационные машины обрабатывают большое количество информации — сведений из любых областей знания, производства, и в короткое время извлекают по требованию человека из недр своей колоссальной памяти необходимые данные для использования и т. д. Созданные человеком машины могут управлять производственными и другими процессами по определенным, заранее составленным программам.

Машины могут работать и осуществлять требуемые движения своих органов с помощью устройств, в основе которых лежат различные принципы воспроизведения движения, производства работы и преобразования энергии. Современные машины обычно представляют собой совокупность многих устройств, в основу работы которых положены принципы механики, теплофизики, электротехники и электроники.

Машины, механизмы, машинные узлы собирают из отдельных деталей. Деталь является наименьшей частью машины.

В машиностроении различают детали и узлы общего и специального назначения. Детали общего назначения встречаются практически во всех машинах. Это болты, винты, валы, оси, втулки, зубчатые колеса и т. п. Детали специального назначения создаются только для одного или нескольких типов машин. К ним относятся станины — основные базовые детали станков и машин, образующие совместно с корпуснымы деталями несущую систему; детали шпиндельных узлов металлообрабатывающих станков — наиболее ответственные детали станков, обеспечивающие точность обработки.

Если представить себе современное машиностроение, то число видов деталей может показаться бесконечным. В одном только автомобиле их более пятисот. А ведь у нас выпускаются и шагающие экскаваторы, и морские суда, и летательные аппараты! Для производства такого разнообразия деталей к машинам в столь огромном количестве нужна поистине колоссальная станкостроительная база. И такая база у нас имеется. Она пополняется новыми видами станков

Установлено, что при переходе к выпуску новой модели машин используют 70—80 % деталей машины, снимаемой с производства. Эти детали переходят в новую модель либо без изменений, либо с незначительными конструктивными изменениями, сохраняя основные конструктивные и технологические параметры. Поэтому в машиностроении даже в условиях быстрой смены конструкций машин можно проектировать технологические процессы изготовления деталей и узлов, средства механизации и автоматизации этих процессов на достаточно постоянных факторах, таких, как типоразмерный ряд машин данного вида.

Существует еще один фактор, на который опираются технология и конструирование деталей машин. Это научная классификация деталей машин. Классификация деталей общего назначения (а их большинство в машинах и механизмах) свела все многообразие деталей к видам, каждый вид — к десяти классам. Классы в свою очередь, делятся на несколько групп, Классифицируются детали по геометрическим признакам с учетом материалов, из которых они изготовлены, степени точности, термообработки, защитного покрытия и др. Каждая машина, узел, деталь по Общесоюзному классификатору продукции (ОКП) имеют специальный код. Классификация деталей машин позволяет для каждой группы деталей одного конструктивно-технологического вида разработать типовой технологический изготовления, с использованием универсально-специального металлообрабатывающего оборудования разных отраслях машиностроения, типовой технологической оснастки и станочных приспособлений, сэкономить время на проектирование и внедрение новой машиностроительной техники.

Ко всем создаваемым в наше время машинам предъявляются следующие требования: высокая производи-, экономичность в производстве и эксплуатации надежность (долговечность), удобство и безопасность обслуживания, эстетичность и др. Перечисленные другие важные требования, предъявляемые к качеству машин и их деталей, определяются рядом свойств. Одним из таких свойств является технологичность конструкции, которая в большой степени влияет на стоимость машины. Технологичной называют такую конструкцию, которая в производстве требует минимальных затрат. Технологичность конструкции характеризуется применением в производстве машин и их деталей прогрессивных методов изготовления, которые возможны благодаря прогрессивной же конструкции. Если конструкция деталей машин совершенна, если в ней органично сочетаются свободные размеры, необработанные поверхности с точными элементами, то такие детали можно изготовлять с минимальной обработкой» резанием, используя методы штамповки, точного литья, сварки, широко используя фасонный прокат. Такие детали и являются технологичными.

Работоспособность деталей оценивается рядом критериев — свойств, таких, как прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость. В Зависимости от условий работы детали при проектирований конструктор обращает особое внимание на те из перечисленных свойств (или их совокупность), которые в большей степени определяют функциональное назначение детали, способствуют противодействию детали предполагаемым разрушающим нагрузкам, а значит, сохранению работоспособности детали на заданное время.

Основным критерием работоспособности всех деталей является прочность, т. е. способность детали сопротивляться разрушению или пластическому деформированию под действием приложенных к ней нагрузок. Пластическое деформирование в отличие от упругого характеризуется изменением формы деталей и материалов. Понятно, что деталь, которая под действием сил изменила форму, не может более выполнять свои функции в механизме, узле машины точно так же, как и окончательно поломанная. Прочность деталей машин зависит от многих факторов. Здесь и правильность выбора ее формы при конструировании, и выбор материала и способа изготовления (литье, ковка, обработка резанием и т. д.). Все эти факторы выбирают в зависимости от степени ответственности детали, условий ее работы, размеров и определяют расчетным путем.

Жесткостью называют способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой. Для некоторых деталей жесткость является основным критерием их работоспособности. Например, жесткость валов определяет удовлетворительную работу подшипников, а также Зубчатых, червячных и других передач. Жесткость базовых деталей металлообрабатывающих делает их точность. Нормы жесткости устанавливают основе обобщения опыта эксплуатации

Износостойкостью называют способность детали сохранять необходимые размеры трущихся поверхностей от установленного срока службы. Она зависит свойств применяемых материалов, термообработки, шероховатости поверхностей, режима работы детали, в том числе, от качества смазочного материала, защищенности сопрягаемых поверхностей деталей от пыли, абразивных частиц и т. д. Изнашивание деталей снижает их прочность, меняет характер соединений вплоть до нарушения работоспособности механизма. Примеров соединений деталей машин, где изнашивание является врагом номер один, в технике много. В каждой машине имеются узла трения. Это поршневые кольца в цилиндрах двигателей и насосов, кулачки распределительных валов автомобилей и другие. При конструировании таких узлов, конструктор всегда думает об этих защите от изнашивания.

Теплостойкостью называют способность деталей работать в диапазоне заданных температур в течение заданного срока службы. Перегрев деталей в процессе работы – явление вредное и опасное. При перегреве деталей сверх расчетного снижается их прочность, изменяются размеры (тепловое расширение материалов). Кроме того, изменяется состояние подвижных соединений механизмов и машин – ухудшаются условия смазывания при перегреве смазочного материала, уменьшаются зазоры, что ведет к заеданию трущихся поверхностей и их поломке. Для обеспечения нормального теплового режима работы механизмов, прежде всего трущихся узлов, на этапе конструирования производят тепловые расчеты и предусматривают способы теплоотвода и профилактики перегрева.

Виброустойчивостью называют способность деталей и узлов работать в нужном диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонансов. Резонансные явления оказывают разрушающие действие на материалы деталей машин, вибрация создает знакопеременную нагрузку и вызывает ускоренное разрушение машин. Поэтому для создания благоприятных условий работы механизмов и машин, при конструировании учитывают разрушающие воздействия, которые оказывает повышенная вибрация, принимают меры по виброзащите конструкций.

Соблюдение перечисленных свойств и критериев работоспособности в пределах, установленных стандартами и чертежами, обеспечивает надежность конструкции в течение всего срока службы. Надежность можно определить как для машины в целом, так и для отдельных узлов и деталей. Поскольку надежность машин является одним из важнейших факторов, определяющих качество машин и станков, и поскольку она закладывается при создании машин, начиная с этапа разработки, разговор о надежности перенесем в раздел «Конструирование».

Рассматривая критерии работоспособности машин и их деталей (а работоспособность — один из основных показателей надежности), мы неоднократно ссылались на важность выбора материалов для создания деталей, обладающих теми или иными свойствами. Небольшой обзор материалов, применяемых машиностроителями для изготовления деталей машин, должен помочь конкретизации представлений о материальной базе машиностроения.

Для изготовления деталей машин применяют металлы и неметаллические материалы.

Все металлы и сплавы делят на черные (сталь, чугун) и цветные (бронза, латунь, баббит, алюминий, магний и др.). Черные металлы являются основным машиностроительным материалом. Они сравнительно дешевы, обладают высокой прочностью. Сплавы цветных металлов дороги, но не подвержены коррозии, хорошо работают в узлах трения, легко обрабатываются резанием. Обладая хорошими литейными свойствами, сплавы; алюминия позволяют получать точные отливки.

К неметаллическим машиностроительным материалам относятся пластмассы (текстолит, фторопласт, гетинакс, стеклопластики и др.). Пластмассы имеют небольшой удельный вес, не корродируют. Из многих видов пластмасс литьем под давлением, прессованием и другими способами получают детали сложной конфигурации с достаточно точными размерами. Некоторые виды пластмасс обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой виброустойчивостью. Применени пластмасс в машиностроении позволяет экономить цветные сплавы, снижать массу машины и ее стоимость.