42619

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЁРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Лабораторная работа

Физика

Изучить методы определения твердости материалов устройство и работу твердомеров. Для оценки качества азотированных и цементированных деталей знание твердости является основным. По твердости можно судить о некоторых других механических характеристиках материала – модуле упругости Е пределе пропорциональности ПР пределе текучести y пределе прочности Вударной вязкости и др. Например для конструкционных углеродистых сталей при твердости по Бринеллю НВ 1500 4500 МПа можно определить величину предела прочности В из...

Русский

2013-10-30

1.45 MB

47 чел.

 Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники»

Кафедра инженерной графики

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ

КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ДЕТАЛИ ПРИБОРОВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПАРАКТИКУМ

Минск  БГУИР  2011

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЁРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Цель работы

Изучить методы определения твердости материалов, устройство и работу твердомеров. Приобрести навыки самостоятельного проведения испытаний на твердость вдавливанием.

1.2 Основные положения

Под твердостью понимается способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела (индентора), не получающего остаточных деформаций.

Твердость является важной механической характеристикой материала. В частности, она в значительной степени определяет сопротивляемость износу и смятию. Для оценки  качества азотированных и цементированных деталей знание твердости является основным.

По твердости можно судить о некоторых других механических характеристиках материала – модуле упругости Е, пределе пропорциональности ПР, пределе текучести y, пределе прочности В,ударной вязкости и др. Например, для конструкционных углеродистых сталей при твердости по Бринеллю (НВ) 1500 … 4500 МПа, можно определить величину предела прочности В, из соотношения

В ≈ 0,345 НВ.                                                    (1.1)

Достоинством определения твердости является то, что из всех механических испытаний оно наиболее просто, быстро и легко осуществимо на простом и портативном оборудовании и не требует изготовления сложных образцов. Поэтому определение твердости широко используется для контроля качества готовых деталей без их разрушения.

В зависимости от скорости приложения нагрузки методы определения твердости делят на статические (медленное нагружение) и динамические (быстрое нагружение), а в зависимости от способа приложения нагрузки – на методы вдавливания, царапания и упругой отдачи.

Наиболее распространенными статическими методами определения твердости материалов являются методы вдавливания в испытуемый образец   стального    закалённого шарика, алмазного  конуса или алмазной пирамиды.

Числа твердости, полученные разными методами статического вдавливания инденторов, связаны между собой. Зная, например, значение твердости по Бринеллю, можно перевести его с некоторым приближением в число твердости по Роквеллу и Виккерсу, а именно  10 НВ ≈ 1 HRC ≈ 10 HV.

Из динамических методов испытания материалов на твердость получили распространение метод упругой отдачи алмазного наконечника и метод ударного вдавливания стального закалённого шарика.

Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза); твердость, определенная методом упругой отдачи, характеризует упругие свойства; твердость, определенная вдавливанием, характеризует сопротивление пластической деформации.

Приборы для определения твердости методом  упругой отдачи получили распространение из-за простоты своей конструкции и несложности в обращении.

Наиболее известны приборы, использующие нерегламентированное приложение силы удара (прибор Польди) и силу свободно падающего бойка определенного веса (прибор Шора).

Испытание на приборе Польди проводят ударом молотка по бойку, передающему удар через контрольный брусок на шарик диаметром 10 мм, который вдавливается одновременно в испытываемую деталь (или образец), находящуюся под шариком. После измерения полученных отпечатков на испытываемой детали и контрольном образце находят по таблицам приблизительное число статической твердости детали. Этот метод используют для контроля крупногабаритных изделий и деталей, установка которых на специальном приборе затруднена.

Работа  прибора  по методу Шора основана на измерении величины упругого отскока стального бойка с алмазным наконечником. При падении с одной и той же высоты боёк, попадая на поверхность материалов различной твердости, теряет некоторое количество энергии на упругопластическую деформацию образца и в зависимости от этого отскакивает на различную высоту, являющуюся показателем твердости материала. Этот прибор служит лишь для сравнительных испытаний твердых металлических сплавов с упругими характеристиками, близкими к характеристикам эталонных брусков. Кратковременность соприкосновения бойка с образцом и простота метода делают его перспективным для оценки твердости при высоких температурах (>1100°С), когда существующие материалы инденторов уже не позволяют проводить статические испытания.

Наибольшее распространение на практике получили методы измерения твердости статическим вдавливанием:
  1.  стального шарика (метод Бринелля),
    1.  стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса (метод Роквелла),
      1.  четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса),
      2.  четырехгранной алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой (метод микротвердости).

1.2.1 Измерение твердости по методу Бринелля

Сущность этого метода состоит в том, что пользуясь специальным прессом, в испытуемый материал вдавливается стальной закаленный шарик     (рис. 1.1) диаметром 10; 5 или 2,5 мм под действием заданной нагрузки F в течение определенного времени.

Число НВ, кгс/мм2, твердости по Бринеллю определяется отношением приложенной нагрузки F, действующей на шарик диаметром D  , к площади сферической поверхности полученного отпечатка, и его вычисляют по формуле

НВ = F/A,                                                     (1.2)

где F – нагрузка на шарик, кгс; (FForce (англ.) – сила);

А – площадь сферической поверхности отпечатка, мм2; (А – Area (англ.) – площадь);

Н – Hardness (англ.) – твердость;

В – Brinell (англ.) – Бринелль (автор метода).

Рис. 1.1

Площадь А, мм2, сферической поверхности отпечатка вычисляют по формуле

A = D(D – )/2,                                      (1.3)

где Dдиаметр шарика, мм;

d – диаметр отпечатка, мм.

Тогда формула (10.2) примет вид

HB=2F/( D(D – )), кгс/мм2.                (1.4)

По этой формуле определяют твердость по Бринеллю, измерив диаметр отпечатка, полученный при определенной нагрузке, и зная диаметр шарика.

Твердость по Бринеллю определяется как для мягких пластичных материалов, так и для хрупких материалов.

Для получения сравнимых результатов при измерении твердости шариками разных диаметров должен быть соблюден закон подобия, согласно которому одинаковые относительные деформации получаются при равных напряжениях.

Для получения одинаковых значений НВ одного и того же материала при использовании шариков разного диаметра необходимо постоянство отношений F/D2 и d/D. Это – основное условие геометрического подобия отпечатков при использовании шарового индентора. Однако на практике такого постоянства добиться невозможно. Выбор нагрузки должен быть таким, чтобы отношение d/D находилось в пределах 0,2...0,6. Для получения отпечатка оптимальных размеров необходимо правильно подобрать соотношение между нагрузкой F и диаметром шарика D. В зависимости от твердости материала величина  F/D2 должна быть равной 30 (при НВ >130), 10 (при НВ 35-130) или 2,5 (при НВ< 35).

Таким образом, нагрузку на шарик выбирают исходя из условия подобия

F = k  D2,                                                     (1.5)

где k – постоянная для данного материала, выбираемая в зависимости от твердости и толщины испытуемого материала.

Условия испытания с учетом скорости приложения нагрузки и длительности выдержки под нагрузкой строго регламентированы и приведены в   табл. 1.1. С их учетом выбирается диаметр шарика и величина нагрузки в зависимости от материала, твердости и толщины испытуемого образца. Необходимость выдержки под нагрузкой объясняется тем, что образование лунки, т.е. пластическая деформация металла происходит не сразу, а требует определенного времени, причем тем большего, чем металл пластичнее (мягче).

Для получения правильного отпечатка необходимо, чтобы толщина образцов (деталей) была равна не менее десятикратной глубины отпечатка. Кроме того, центр отпечатка должен быть удален от края образца не менее чем на расстояние, равное диаметру шарика, а от центра соседнего отпечатка - на расстояние, равное двум диаметрам шарика.

К достоинствам  метода Бринелля относятся: достаточная быстрота испытания, простота и надежность конструкции испытательного прибора (пресса Бринелля), отсутствие необходимости тщательной подготовки поверхности для измерения.

Основной недостаток метода Бринелля – отсутствие точного геометрического подобия отпечатков. Это делает нестрогим количественное сопоставление чисел твердости разных материалов, полученных при разных значе-
ниях
d/D.

К недостаткам  следует отнести также невозможность испытания материалов с твердостью более 450 НВ, что объясняется деформацией наконечника – стального шарика.

Таблица 1.1

Материал

Интервал твердости в числах Бринелля НВ, кгс/мм2

Минимальная толщина испытуемого
образца

S, мм

Соотношение между нагрузкой F и диаметром D шарика

Диаметр шарика D, мм  

Haгpyзка F, кгс

Время выдержки под нагрузкой Т,с

Черные металлы

<140

Более 6

От 6 до 3

Менее 3

F=10 D2

10

5

2,5

1000

250

62,5

10

Черные металлы

140-450

От 6 до 3

От 4 до 2

Менее 2

F=30 D2

10

5

2,5

3000

750

I87,5

10

Цветные       металлы, латуни

>130

От 6 до 3

От 4 до 2

Менее 2

F=30 D2

10

5

2,5

3000

750

187, 5

30

Сu, латунь, бронза, Мg - сплавы

35 – 130

От 9 до 3

От 6 до 3

Менее 3

F=10 D2

10

5

2,5

1000

250

62,5

30

Al, подшип- никовые сплавы, пластмассы

8 – 35

Более 6

От 6 до 3 Менее 3

F=2,5 D2

10

5

2,5

250

62,5

15,6

60

Метод Бринелля непригоден для измерения твердости тонких листов, лент, изделий с твердым поверхностным слоем (цементированных, полученных диффузионной металлизацией и т.п.) в силу их продавливания. Заметные следы, остающиеся после испытания на поверхности изделия, ограничивают применение метода при контроле  готовых деталей.

Устройство и работа твердомера тшп-4

Назначение и технические данные прибора

Прибор ТШП-4 (Т - твердомер, Ш - шариковый, П - переносный) предназначен для измерения твердости металлов и сплавов по методу Бринелля в диапазоне 8...450 НВ при испытательных нагрузках 250(2452); 750(7355); 1000(9807); 3000(29420) кгс(Н).

Показания индикатора при работе прибора на нагрузках:

3000 кгс (29420 Н) - 8130 делений индикатора;

1000 кгс (9807 Н) - 3346 делений индикатора;

750   кгс (7355 Н) - 2750 делений индикатора;

250   кгс (2452 Н) - 1566 делений индикатора.

Пределы допускаемой погрешности нагрузок не более 1%. 

Диаметры стальных шариков 5 0,004 и 10 0,004 мм.

Свободный ход шпинделя с наконечником 12 1,5 мм.

Усилие на рукоятке при испытательной нагрузке 3000 кгс (29420 Н)

не более 5,5 кгс (54 Н).

Масса прибора не более 29,15 кг.

Состав, устройство и принцип работы прибора

Прибор состоит из испытательной головки и струбцины с держателем. В состав сменных частей прибора входят: стол, призматический стол 5, плоский стол,  наконечник 10.

Призматический стол применяют для испытания цилиндрических деталей, плоский – для плоских деталей.

Прибор (рис. 1.2) представляет собой конструкцию, состоящую из испытательной головки 1, которая прикреплена к струбцине, состоящей из скобы 2, подъемного винта 3 с рукояткой 4, сменных столов 5 и закалённого упора 6. К струбцине винтами и гайками 7 прикреплен держатель 8.

Струбцина предназначена для испытания деталей, имеющих размер в поперечнике до 140 мм.

Нагрузку прикладывают, вращая рукоятку 9. Необходимую испытательную нагрузку контролируют по шкале встроенного индикатора часового типа.

Порядок проведения испытаний по Бринеллю

1 Образец подготовить к испытанию в виде плоскости, место пробы зачистить напильником или шлифовальным кругом. Зачищенное место должно иметь шероховатость поверхности не более Rz20. Следить, чтобы на испытываемой поверхности не было краски, окалины и т.д.

2 По табл. 1.1 найти величину нагрузки, время выдержки, зная диаметр шарика.

3 Чтобы избежать поломки прибора, образец выбрать из сырой, т.е. незакаленной стали. Если сталь закаленная, т.е. очень твердая, напильник будет скользить по ней, не оставляя царапин.

Внимание: на приборе нельзя испытывать образцы из закаленной стали!

4 Образец поместите на столик 5 (рис. 1.2). При испытании круглых деталей используйте призматический стол, при испытании плоских деталей – плоский стол.

5 Плавно вращая рукоятку 4 подъема винта, подожмите осторожно образец к упору 6. Центр отпечатка при этом должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра D шарика, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее 2D.

6 Плавно вращая рукоятку 9, подведите наконечник 10 с шариком к образцу и осторожно доведите нагрузку до нужной величины, контролируя ее по шкале индикатора часового типа и длительность нагружения в секундах по секундомеру часов.

7 После выдержки под нагрузкой снимите нагрузку, вращая рукоятку 9 в обратную сторону.

Рис. 1.2

8 Сняв нагрузку (показание индикатора должно соответствовать 1,0), дополнительно сделайте пять оборотов рукоятки 9 в сторону разгружения.

9 Вращение рукоятки 9 по часовой стрелке соответствует нагружению, против часовой стрелки – разгружению.

10 После получения первого отпечатка образец передвигают и вновь при той же нагрузке вдавливают на поверхности его ещё два отпечатка.

11 При помощи измерительного микроскопа МПБ-2 измерьте диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью до 0,05 мм при испытании шариками диаметром 5 и 10 мм и с точностью до
0,01 мм при испытании шариком диаметром 2,5 мм. За исходное показание берите среднее арифметическое двух измерений. При этом разность измерений не должна превышать 2%.

12 Микроскоп МПБ-2 (рис. 1.3) представляет собой полую металлическую трубку (корпус) 7 с плоским основанием 1, в центре которого расположено  отверстие,  которое  при измерении диаметра совмещается с  отпечатком 9.

Рис. 1.3

В боковой поверхности корпуса имеется окно 3 для освещения отпечатка 9. В обойме корпуса установлен тубус 5 с оптической системой, который перемещают вращением подвижного кольца 6 на корпусе.

Между объективом 8 и окуляром 2 оптической системы помещена прозрачная шкала 4 с ценой наименьшего деления 0,1 мм.

13 По измеренному диаметру отпечатка, известной нагрузке и диаметру шарика рассчитайте число твердости по формуле (1.3) и сверьте его по      табл. 1.2.

Обозначения  2d5 и  4d2,5  указывают, что для отыскания по табл. 1.2 числа твердости при испытании шариком диаметром 5 мм диаметр отпечатка надо умножить на 2, а при испытании шариком диаметром 2,5 мм - надо умножить на 4. Например, для отпечатка диаметром 1,65 мм, полученного при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 750 кгс, число твердости следует искать в таблице для отпечатка 3,30 мм (2∙1,65 = 3,30), оно равно 341.

Результаты испытаний и расчетов занесите в отчет по лабораторной работе.

Таблица 1.2

Диаметр отпечатка d10, или 2d5, или 4d2,5, мм

Число твердости НВ, кгс/мм2 ,

при нагрузке F, кгс

Диаметр отпечатка d10, или 2d5, или 4d2,5, мм

Число твердости НВ, кгс/мм2 ,

при нагрузке F, кгс

30 D2

10 D2

2,5 D2

30 D2

10 D2

2,5 D2

2,90

444

 ––

––

4,50

179

59,5

14,9

2,95

429

––

––

4,55

174

58,1

14,5

3

415

––

34,6

4,60

170

56,8

14,2

3,05

401

––

33,4

4,65

167

55,5

13,9

3,10

388

129

32,3

4,70

163

54,3

13,6

3,15

375

125

31,3

4,75

159

53

13,3

3,20

368

121

30,3

4,80

156

51,9

13

3,25

352

117

29,3

4,85

152

50,7

12,7

3,30

341

114

28,4

4,90

149

49,6

12,4

3,35

331

110

27,6

4,95

146

48,6

12,2

3,40

321

107

26,7

5

143

47,5

11,9

3,45

311

104

25,9

5,05

140

46,5

11,6

3,50

302

101

25,2

5,10

137

45,5

11,4

3,55

293

97,7

24,5

5,15

134

44,6

11,2

3,60

285

95

23,7

5,20

131

43,7

10,9

3,65

277

92,3

23,1

5,25

128

42,8

10,7

3,70

269

89,7

22,4

5,30

126

41,9

10,5

3,75

262

87,2

21,8

5,35

123

41

10,3

3,80

255

84,9

21,2

5,40

121

40,2

10,1

3,85

248

82,6

20,7

5,45

118

39,4

9,86

3,90

241

80,4

20,1

5,50

116

38,6

9,66

3,95

235

78,3

19,6

5,55

114

37,9

9,46

4

229

76,3

19,1

5,60

111

37,4

9,27

4,05

223

74,3

18,6

5,65

109

36,4

9,1

4,10

217

72,4

18,4

5,70

107

35,7

8,93

4,15

212

70,6

17,6

5,75

105

35

8,76

4,20

207

68,8

17,2

5,80

103

34,3

8,59

4,25

201

67,1

16,8

5,85

101

33,7

8,43

4,30

197

65,5

16,4

5,90

99,2

33,1

8,26

4,35

192

63,9

16

5,95

97,3

32,4

8,11

4,40

187

62,4

15,6

6

95,5

31,8

7,96

4,45

183

60,9

15,2

В отчёте также должны быть указаны материалы и толщина образцов, диаметр шарика, величины нагрузок, продолжительности выдержки под нагрузкой, диаметры отпечатков.

14 Диаметры полученных отпечатков должны находиться в пределах от 0,2 до 0,6 диаметра шарика, в противном случае испытание недействительно.

15 Запишите обозначение полученной твердости. Если твердость определена при F=3000 кгс, T= 10 с, D = 10 мм, то перед её числом ставят только символ НВ. Например, НB 167. При других условиях число твердости обозначают, например, так:

HВ 5/250/30-80. Это значит, что твердость 80, измерена шариком             D = 5 мм при нагрузке   F = 250 кгс и продолжительности выдержки   T = 30 с. Размерность числа твердости кгс/мм2 в её обозначении не указывают.

1.2.2 Измерение твердости по методу Роквелла

Сущность этого метода состоит в том, что твердость определяют по глубине вдавливания в испытуемое изделие алмазного конуса с углом у вершины 120° или стального  шарика  диаметром  1,588 мм (1/16") под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной F0 = 10 кгс и общей F, равной 60, 100 и 150 кгс  (предварительная плюс основная).

При измерении твердости металлов по Роквеллу наконечник вдавливается в испытуемый образец сначала под предварительной нагрузкой F0 = 100 Н, которая не снимается до конца испытаний. Это обеспечивает повышенную точность испытаний, исключает влияние вибраций. Затем на образец подается дополнительно основная нагрузка (500; 900; 1400 Н). После снятия основной нагрузки, при сохранении действия предварительной по глубине вдавливания определяют число твердости по Роквеллу (HR). Оно выражается в условных единицах, чем больше глубина, тем меньше число твердости.

Разность глубин внедрения под нагрузками F0 и F характеризует твердость.

На практике число твердости по Роквеллу отсчитывают по шкале индикаторного прибора (стрелочного индикатора часового типа).

Достоинствами  метода Роквелла по сравнению с методом Бринелля являются высокая производительность (отсчет чисел твердости прямо по шкале прибора) и сохранение качественной поверхности изделия после испытания (малые размеры отпечатка), что позволяет контролировать твердость готовых деталей.

Применение алмазного конуса позволяет измерять твердость закаленной  стали и других очень твердых сплавов.

Пользуясь методом Роквелла, можно измерить твердость сравнительно тонких изделий  или  поверхностных слоев толщиной до 0,4 мм (шкала А) и до 0,7 мм (шкалы В, С).

Основным  недостатком  метода Роквелла является то, что твердость по Роквеллу - ещё более условная характеристика, чем твердость по Бринеллю. Наличие различных шкал твердости, определяемой без геометрического подобия отпечатков, условный и безразмерный численный результат испытания, сравнительно низкая чувствительность делают метод Роквелла лишь средством быстрого упрощенного технического контроля.

Недостатком  метода является также необходимость тщательной подготовки поверхности – шлифования. На прибор Роквелла, где глубина отпечатка мала и её измеряют с точностью до 0,002 мм, могут оказывать влияние загрязненность, вибрация и другие условия производства.

Метод Роквелла не рекомендуется применять для неоднородных по структуре сплавов (например серых чугунов). Этим методом нельзя установить твердость хрупких изделий и изделий, имеющих на поверхности раковины и посторонние включения, а также тонких изделий, например, меньше    0,7 мм по шкалам В, С или 0,4 мм по шкале А.

Устройство и работа твердомера ткп-1

Назначение и технические данные прибора

Прибор ТКП-1 предназначен для измерения твердости металлов и сплавов по методу Роквелла при отсутствии вибрации при испытательных нагрузках:

предварительной 98,07 Н (10 кгс);

испытательных 588,4; 980,7; 1471 Н (60, 100, 150 кгс).

Пределы допускаемой погрешности нагрузок:

предварительной 3%,

испытательных    1%.

Расстояние от центра испытательного наконечника до стенки струбцины не менее 70 мм.

Расстояние от нижнего торца упора до поверхности плоского стола в крайнем нижнем положении не менее 145 мм.

Масса прибора 7,1 кг.

Состав и устройство прибора

Прибор состоит из испытательной головки, струбцины и кронштейна   (рис. 1.4). Испытательная головка 1 со сменными нагрузочными стаканами 2 предназначена для приложения и снятия предварительной и испытательной нагрузок и замера твердости по шкале индикатора 3.

Рис. 1.4

Нагрузочный стакан 2 служит для установки внутри него пружин, создающих предварительную и испытательные нагрузки. В комплект прибора входят три сменных нагрузочных стакана для воспроизведения нагрузок 588,4; 980,7; 1471 Н.

Испытательная головка 1 устанавливается в струбцине 4, имеющей винт подъемный 5, со сменными столами 6.

С помощью подъемного винта 5, который вращают кнопкой 7, испытуемый образец, установленный на столе 6, прижимают к упору 8.

Упор 8 применяют для предохранения алмазного наконечника, находящегося внутри этого пустотелого упора, от повреждения.

Кронштейн 9 служит для закрепления струбцины с испытательной головкой на специальном лабораторном столе или верстаке.

Рис. 1.5

Нагрузки прикладывают и снимают поворотом рукоятки 10. Схема положения рукоятки 10 показана на рис. 1.5, где 1 – исходное положение; 2 – приложение предварительной нагрузки, установка стрелки индикатора на "0"; 3 – приложение испытательной нагрузки, выдержка под нагрузкой; 4 – снятие испытательной нагрузки и показания твердости; 5 – возвращение в исходное положение.

В положении приложения предварительной нагрузки рукоятку 10 фиксируют шариковые фиксаторы. Чехол 11 предохраняет индикатор 3 от случайных повреждений.

Подготовка прибора к работе

При подготовке прибора к работе надо учитывать следующее: прибор предназначен для испытания изделий высотой не более 145 мм. Место испытания на твердость должно быть чистым, шероховатость поверхности изделия должна быть не более Rа1,25 мкм, т.е. полученная шлифовкой. На испытуемой и опорной поверхностях не допускаются трещины, следы грубой обработки, царапины, выбоины, а также грязь и смазка, влияющие на точность показаний.

При работе на приборе надо следить, чтобы опорная поверхность изделия плотно и устойчиво прилегала к опорному столу. Изделие не должно качаться, сдвигаться или деформироваться (прогибаться, пружинить).

На опорной поверхности изделия недопустимы следы от предыдущих испытаний шариком или алмазным конусом.

Толщина образца должна быть не менее восьмикратной глубины отпечатка.

На приборе не разрешается  испытывать:

– неоднородные по структуре сплавы (чугун и др.);

– хрупкие изделия и изделия, имеющие на поверхности раковины, следы грубой обработки и другие дефекты;

– изделия, которые могут пружинить или деформироваться под нагрузкой (например тонкостенные трубы), так как деформация исказит результаты испытания;

– изделия толщиной меньше чем восьмикратная глубина отпечатка ;

– криволинейные поверхности при радиусе кривизны менее 15 мм.

На приборе не допускается испытывать изделия с твердостью по шкале С более 70 единиц, т.к. может разрушиться алмазный индентор, и с твердостью менее 20 единиц, т.к. алмаз слишком глубоко проникает в изделие (более 0,16 мм) и результаты искажаются.

Алмазным конусом по шкале А испытывают изделия из твердых сплавов и изделия с поверхностной термообработкой.

В группу по шкалам А и С входят также цементированные изделия. Шкала А применяется на практике редко.

Стальным шариком по шкале В определяют твердость мягких металлов с наибольшей твердостью 100 единиц и наименьшей твердостью 25 единиц.

Расстояние центра отпечатка от края образца или центра другого отпечатка при испытании по шкалам А и С должно быть не менее 3 мм, а по шкале В – не менее 4 мм. Шкалу, нагрузку и вид наконечника выбирают по приведенной ниже табл. 1.3 в зависимости от твердости образца.

Таблица 1.3

Обозначение шкалы

Вид наконечника

Нагрузка,    F, Н

Обозначение твердости по Роквеллу

Допустимые пределы шкалы

В

Стальной шарик

980,7

НRB

25-100

С

Алмазный конус

1471

HRC

20-67

А

Алмазный конус

588,4

HRA

70-85

Для правильной установки изделия на приборе в соответствии с его формой надо выбирать необходимый стол. До проведения испытания следует ознакомиться со схемой положения рукоятки 10 при работе на приборе           (рис. 1.5).

Порядок проведения испытаний по Роквеллу

  1.   Вращением кнопки 7 закрепите испытуемое изделие между столом 6 и  упором 8 (рис. 1.4).
  2.   Из исходного положения поворотом рукоятки 10 на 90° приложите  предварительную нагрузку (положение 2, рис.1.5).
  3.   Вращением гайки 12 большую стрелку индикатора установите на нуль, а малую - на вертикальную риску.
  4.   Поворачивая рукоятку 10 в ту же сторону на 90° до упора, плавно прикладывайте испытательную нагрузку в течение 3 с.
  5.   Сделайте выдержку от 3 до 4 с (положение 3, рис. 1.5), а затем поворотом рукоятки 10 на 90° в обратную сторону снимите испытательную нагрузку (положение 4, рис. 1.5) и считайте (запишите в отчет) с индикатора величину твердости.
  6.   Поворачивая рукоятку 10 на 90° до упора (положение 5, рис. 1.5), снимите предварительную нагрузку.
  7.   Поворотом кнопки 7 освободите испытуемый образец.
  8.   Повторите весь цикл испытания, т.к. первый замер твердости считается недействительным. Повторите испытание 4 раза и за величину твердости возьмите среднюю величину последних двух замеров, т.к. во время первых замеров испытательная головка и струбцина обжимаются. Не забудьте о том, что расстояние центра отпечатка от края образца или от центра соседнего отпечатка должно быть не менее 3 мм (шкалы А, С) и не менее 4 мм (шкала В).
  9.   Сравните полученные значения твердости по Роквеллу с твердостью по Бринеллю по табл. 1.4.
  10.   Результаты испытаний занесите в отчет по лабораторной работе. В отчете также должны быть указаны материалы образцов, вид индикатора, продолжительность выдержки под нагрузкой.

Таблица 1.4

Твердость по

Бринеллю d=10 мм, F=3000 кгс

Твердость

по Роквеллу

Твердость по

Бринеллю D = 10 мм,

F = 3000 кгс

Твердость

по Роквеллу

Шкала

Шкала

диаметр отпечатка, мм

число твердости

С,

150 кгс

B,

100 кгс

A,

60 кгс

диаметр отпечатка, мм

число твердости

С,

150 кгс

B ,

100 кгс

A,

60

кгс

2,20

780

72

84

4

229

20

100

61

2,25

745

70

83

4,05

223

19

99

60

2,30

712

68

82

4,10

217

17

98

60

2,35

682

66

81

4,15

212

15

97

59

2,40

653

64

80

4,20

207

14

95

59

2,45

627

62

79

4,25

201

13

94

58

2,50

601

60

78

4,30

197

12

93

58

2,55

578

58

78

4,35

192

11

92

57

2,60

555

56

77

4,40

187

9

91

57

2,65

534

54

76

4,45

183

8

90

56

2,70

514

52

75

4,50

179

7

90

56

2,75

495

50

74

4,55

174

6

89

55

2,80

477

49

74

4,60

170

4

88

55

2,85

461

48

73

4,65

167

3

87

54

2,90

444

46

73

4,70

163

2

86

53

2,95

429

45

72

4,75

159

1

85

53

3

415

43

72

4,80

156

0

84

52

3,05

401

42

71

4,85

152

83

3,10

388

41

71

4,90

149

82

3,15

375

40

70

4,95

146

81

3,20

363

39

70

5

143

80

3,25

352

38

69

5,05

140

79

3,30

341

36

68

5,10

137

78

3,35

331

35

67

5,15

134

77

3,40

321

33

67

5,20

131

76

3,45

311

32

66

5,25

128

75

3,50

302

31

66

5,30

126

74

3,55

298

30

65

5,35

123

73

3,60

285

29

65

5,40

121

72

3,65

277

28

64

5,45

118

71

3,70

269

27

64

5,50

116

70

3,75

262

26

63

5,55

114

68

3,80

255

25

63

5,60

111

67

3,85

248

24

62

5,65

110

66

3,90

241

23

102

62

5,70

109

65

3,95

235

21

101

61

5,75

107

64

При измерении твердости методом Виккерса индентором служит алмазный наконечник, имеющий форму квадратной пирамиды с углом между противоположными гранями 136°. Нагрузка (5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс) выбирается в зависимости от толщины и твердости испытываемого материала. Число твердости HV определяют отношением нагрузки к площади боковой поверхности отпечатка, причем диагонали отпечатка измеряют с помощью микроскопа, встроенного в прибор.

Определение твердости по Виккерсу является более совершенным, чем определение её методами Бринелля и Роквелла. К числу основных  преимуществ  указанного метода относятся: полное геометрическое подобие отпечатков независимо от величины прилагаемой нагрузки, возможность определения твердости на азотированных, цементированных поверхностях, а также на тонких листовых материалах; хорошее совпадение твердости по Виккерсу и Бринеллю в пределах 100-450 единиц.

Метод Виккерса применяют для измерения твердости небольших деталей и инструментов, металлов высокой твердости, малых сечений и тонких наружных слоев изделий с поверхностным упрочнением (поверхностный наклёп, закалка токами высокой частоты, цементация и т.д.). Методом Виккерса можно измерять твердость деталей толщиной 0,3...0,5 мм, очень тонких толщиной 0,03...0,05 мм и твердых поверхностных слоев металла. Но к недостатку  метода следует отнести то, что поверхность детали под замер твердости необходимо тщательно шлифовать и полировать, очистить от смазки и грязи.

Под микротвердостью понимают твердость материала в его микроскопических объемах.

При измерении микротвердости в качестве индентора служит алмазная квадратная пирамида с углом между противоположными гранями 136°, которая вдавливается в материал очень малыми нагрузками (от 5 до 500 гс) и в результате получают малые отпечатки с диагоналями в несколько микрометров. Микротвердость Н определяют, как и по Виккерсу, делением нагрузки на площадь боковой поверхности отпечатка. Испытания проводят на специально подготовленном шлифе. Прибор имеет встроенный микроскоп для измерения диагоналей отпечатка.

Метод микротвердости  применяют  для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплавов, тонких поверхностных слоев, покрытий, тонких листовых материалов (фольги, проволки, ленты, малых деталей и т.д.)

1.3 Порядок выполнения работы

1 Ознакомиться с теоретическими положениями определения твердости методами Бринелля и Роквелла.

2 Изучить устройство и работу твердомеров ТШП-4 (пресс Бринелля), ТКП-1 (пресс Роквелла) и измерительного микроскопа МПБ-2.

3 Провести под руководством лаборанта испытания образцов металлов, закаленных и сырых (незакаленных) сталей, сплавов цветных металлов.

4 При проведении испытаний по методу Бринелля выполнить необходимые измерения с помощью микроскопа МПБ-2 и записать их.

5 При проведении испытаний по методу Роквелла записать показания стрелочного индикатора.

6 Составить отчет о работе.

1.4 Содержание отчета

  1.  Титульный лист.
  2.  Цель работы.
  3.  Теоретическая часть (ответ на контрольный вопрос № 1).
  4.  Экспериментальная часть (исходные, экспериментальные, расчетные и табличные данные, сведенные в табл. 7.5 (по методу Бринелля) и 7.6 (по методу Роквелла)).
  5.  Выводы.
  6.  Литература.

1.5 Контрольные вопросы

1 Что такое твердость и какие существуют способы ее определения?

2 Достоинства и недостатки измерения твердости методом Бринелля.

3 Объясните устройство и принцип работы твердомера ТШП-4.

4 Достоинства и недостатки измерения твердости методом Роквелла.

5 Объясните устройство и принцип работы твердомера ТКП-1.

6 В чем заключается определение твердости по методу Виккерса?

7 Область применения определения твердости по методу Виккерса.

8 В чем заключается отличие в определении твердости по методу Виккерса от метода определения твердости по Бринеллю?

  1.  В чем заключается определение микротвердости?

10 Какие требования предъявляются к поверхности изделий перед замером твердости различными методами?

1.6 Литература

1 Красковский Е.Я., Дружинин П.А., Филатова Е.Н. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учеб. пособие для приборостр. спец. вузов/ Под ред. Ю.А. Дружинина. 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 480 с.

  1.  Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем. – М.: Высш. шк., 1985, – 481 с.
  2.  Сурин В.М. Техническая механика: Учеб. пособие. – Мн.: БГУИР, 2004. – 292 с.

Таблица 1.5

испытания

Материал образца

Толщина

образца,

мм

Вид

индентора

Нагрузка

F,

кгс

Длительность

испытания

Т, с

Диаметр отпечатка

d, мм

Твердость

НВ, кгс/мм2

Перевод в твердость HRC по Роквеллу по
табл. 1.4

вдоль

поперек

среднее арифм.

по форм. 1.4

по табл. 1.2

Таблица 1.6

№ испытания

Материал

образца

Вид

индентора

Нагрузка,

F,

кгс

Длительность

испытания

Т, с

Шкала

Твердость HRC

по Роквеллу

Перевод в твердость НВ, кгс/мм2 ,

по Бринеллю по табл. 1.4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИНТОВОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПРУЖИНЫ СЖАТИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

  1.  Аналитическое определение уравнения упругой характеристики, предельной нагрузки, жесткости винтовой цилиндрической пружины сжатия, ее погрешности.
  2.  Экспериментальное снятие упругой характеристики, определение жесткости, гистерезиса винтовой цилиндрической пружины сжатия.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

По назначению винтовые пружины делятся на силовые, измерительные и элементы упругих связей. Силовые пружины применяются для силового замыкания кинематических пар – прижима звеньев в фрикционных, кулачковых и храповых передачах, муфтах; для накопления механической энергии, необходимой для возврата в исходное положение или приведения в движение (пружинные двигатели) подвижных звеньев механизмов. Измерительные пружины используются в манометрах, динамометрах, термометрах и электроизмерительных приборах как чувствительные элементы устройств для измерения давлений, сил и моментов сил, температур и других параметров. Часто функцию измерительного элемента совмещают с функцией токопровода. Тонкие винтовые и спиральные пружины применяют как токоведущие упругие элементы. Пружины как элементы упругих связей используют при замене жесткой связи деталей упругой, для виброизоляции устройств и поглощения энергии удара.

Эксплуатационные свойства пружин связаны с их упругой характеристикой (рис. 2.1) – зависимостью между деформацией S и вызывающей ее нагрузкой F. Характеристика пружины  в зависимости от ее конструкции и упругих свойств может быть линейной (наиболее предпочтительной) и нелинейной. Обычно упругая характеристика ограничивается предельной нагрузкой Fпр и соответствующей ей предельной деформацией (удлинение, осадка и т.д.), при которой появляются заметные остаточные деформации или начинается разрушение.

Упругая характеристика наиболее часто представляется в графической форме, реже – в аналитической. При использовании пружин с линейной характеристикой упрощаются их расчеты, конструкции и регулировка устройств.

Влиять на упругую характеристику могут температура, вибрации и другие условия эксплуатации. К погрешностям, особенно проявляющимся в измерительных устройствах, приводят несовершенные упругие свойства материала, вызывающие упругое последействие и упругий гистерезис. Упругое последействие проявляется в запаздывании деформации пружины по сравнению с изменением прилагаемой нагрузки. На упругой характеристике         (рис. 2.1) это явление отмечено вертикальными участками.

Упругий гистерезис проявляется в несовпадении характеристик пружины при нагружении и снятии нагрузки (рис. 2.1). Величина гистерезиса S зависит от напряжений в материале элемента.

Неизменность, стабильность упругих характеристик пружин достигается правильным выбором материала, режимов его термообработки и величиной предельной рабочей нагрузки.

Упругая характеристика пружины представляется в виде зависимости перемещения S от нагрузки F:

 S = f(F).                                                           (2.1)

Качество характеристики оценивается по величине гистерезиса и упругого последействия, величине остаточных деформаций, температурным погрешностям.

Отклонение действительной упругой характеристики от расчетной зависит от трех групп факторов:

– конструктивных – неточность расчетов, вызванная незнанием истинной величины модуля упругости материала и применением приближённых формул;

– технологических – отклонение действительных размеров сечения материала от расчетных, погрешность изготовления, т.е. отклонение действительных размеров пружины от расчетных;

– эксплуатационных – отклонение условий работы элементов от расчетных.

Допуск δ на точность характеристики определяется требованиями к устройству и может колебаться от 2 до 40%.

При исследовании допуск δ вычисляют по формуле

δ=ΔFΣ/F,                                                        (2.2)

где ΔFΣ – максимальное отклонение усилия F от заданных значений                (рис. 2.1).

Погрешность γ от гистерезиса вычисляют по формуле

γ=ΔSmax/Smax ,                                                  (2.3)

где ΔSmax – максимальное значение несовпадения деформации пружины при нагружении и разгружении, мм;

Smax – наибольшая деформация, мм.

Для измерительных элементов допускаемые напряжения связывают не с прочностными характеристиками материала, а с допустимым значением гистерезиса, значение которого не выходит за пределы 0,5 ... 1,5% от величины Smax, т.е. (ΔSmax/Smax)100  (0,5 … 1,5).

Рис. 2.2

Силовое противодействие элемента упругой деформации характеризуются жесткостью. Жесткость – это нагрузка, при действии которой  упругий элемент получает единичную деформацию. Она является важнейшей характеристикой силовых упругих элементов. Для пружин с линейной упругой характеристикой жесткость k постоянна.

Жесткость k, Н/мм, с любой, в том числе с нелинейной упругой характеристикой пружины вычисляют по формуле

 k = dF/dSΔF/ΔS.                                           (2.4)

На рис. 2.2 представлен чертеж пружины сжатия. Для устойчивости против толчков и вибрации пружинам в процессе сборки сообщается предварительное нагружение (сжатие).

Здесь введены следующие обозначения:

F1, F2, F3 – сила пружины соответственно при предварительной, рабочей и максимальной деформациях, Н;

L1, L2, L3 – высота, мм, пружины, соответствующая силам F1, F2, F3;

L0 – высота пружины в свободном состоянии, мм;

D1 – наружный диаметр пружины, мм;

d – диаметр проволоки, мм;

D – средний диаметр пружины, мм;

t – шаг пружины, мм.

Для определения зависимости между усилием F и изменением длины пружины S, т.е. упругой характеристики пружины, используют интеграл Мора. Считая, что проволока работает только на кручение, можно записать

,          (2.5)

где T = F·(D/2) – крутящий момент в сечении проволоки; T1 = 1·(D/2) – крутящий момент в том же сечении от единичной нагрузки; Ip = (πd4)/32 – полярный момент инерции сечения витка, круга диаметром d; ℓраз ≈ πDi– развернутая длина проволоки пружины; i – число витков пружины.

Подставив указанные значения в выражение (2.5) и выполнив интегрирование, найдем изменение длины пружины под нагрузкой F:

S = (8D3iF)/(Gd4),         (2.6)

где G – модуль упругости материала пружины при кручении (сдвиге), для стали G = 80 000 МПа (1 МПа = 1Н/мм2).

Из выражения (2.6) следует, что деформация пружины S прямо пропорциональна действующему усилию, т.е. характеристика пружины линейна.

Жесткость k, Н/мм, для таких пружин является постоянной величиной и ее вычисляют по формуле

k = Gd4/(8∙D3i).         (2.7)

Силу F3,Н, пружины при максимальной деформации вычисляют по формуле

F3 = πd3τadm/(8∙Dk*),         (2.8)

где τadm – допускаемое напряжение кручения, МПа.

k* – коэффициент, учитывающий влияние изгибающих нагрузок.

Коэффициент k* вычисляют по формуле

,        (2.9)

где c – индекс пружины.

Индекс c пружины вычисляют по формуле

c=D/d .        (2.10)

Отклонение действительной характеристики пружины от расчетной из-за влияния конструктивных и технологических факторов вызывается наличием первичных погрешностей в виде отклонений: Δd – диаметра проволоки; ΔD – среднего диаметра пружины; Δi – числа рабочих витков; ΔG – значения модуля упругости; ΔF – величины усилия; ΔL0  – длины пружины.

Аналитически взаимосвязь первичных погрешностей ΔFΣ/F может быть представлена в виде уравнения максимального рассеивания усилия по формуле

.     (2.11)

Выражение (2.11) получено согласно теории ошибок из уравнения (2.6), решенного относительно F.

Отклонение G учитывают в виде относительной погрешности                ΔG /G < 2%. Допуски: Δd – отклонение диаметров d проволоки пружины приведены в табл. 2.1; ΔD – отклонение среднего диаметра пружины – в табл. 2.2; Δi – отклонение числа витков i – в табл. 2.3; ΔL0 – отклонение длины L0 пружины – в табл. 2.4.

Надо отметить, что как расчетные, так и реальные отклонения характеристик пружин могут быть очень большими. Доводка точности характеристики осуществляется путем изменения числа витков, начальной длины, термообработкой и т.д.                 

Таблица 2.1

Группа точности

пружины

Диаметр d проволоки, мм

0,2...0,3

0,36...0,6

0,7...1,4

1,6...3,0

2

0,020

0,025

0,040

0,080

3

0,040

0,050

0,080

0,160

Таблица 2.2

Группа точности пружины

Индекс пружины

c = D/d

Диаметр d проволоки, мм

0,2…0,3

0,36...0,6

0,7...1,4

1,6...3

2

c ≤ 5

0,12

0,15

0,18

0,48

5 < c ≤ 6,3

0,15

0,19

0,22

0,60

6,3 < c ≤ 8

0,18

0,24

0,28

0,75

8 < c ≤ 10

0,24

0,30

0,36

0,96

c > 10

0,30

0,36

0,45

1,20

3

c ≤ 5

0,24

0,30

0,36

0,96

5 < c ≤ 6,3

0,30

0,38

0,45

1,20

6,3 < c ≤ 8

0,36

0,48

0,55

1,50

8 < c ≤ 10

0,48

0,60

0,70

1,90

c > 10

0,60

0,70

0,90

2,40

Таблица 2.3

Группа точности пружины

Число витков

i

Диаметр d проволоки, мм

0,2...0,3

0,36...0,6

0,7...1,4

1,6...3

2

i ≤ 6,3

0,50

0,35

0,20

0,25

6,3< i ≤10

0,75

0,50

0,30

0,50

10< n ≤16

1,50

1

0,50

0,75

16< n ≤25

2,25

1,50

0,75

   1

i > 25

в долях полного числа

витков

0,10

0,07

0,04

0,05

3

i ≤ 6,3

1

0,75

0,35

0,50

6,3 < i ≤ 10

1,75

1

0,50

0,75

10 < i ≤ 16

3

2

1

1,50

16 < i ≤ 25

4,50

3

1,50

2,25

i > 25

в долях полного числа

витков

0,20

0,14

0,07

0,10

Таблица 2.4

Длина L0 пружины в свободном состоянии

≤ 10

10 – 16

16 – 40

40 – 60

60 – 100

> 100

Отклонение ΔL0 длины L0 пружины

0,4

0,6

1

1,2

1,5

2

В пружинах, работающих на сжатие, началом и концом рабочих витков считают соответственно начало и конец зазора между поджатыми рабочими витками.

Описание лабораторной установки

Чертеж лабораторной установки представлен на рис. 2.3. Установка состоит из червячного редуктора 1, реечной передачи 2, корпуса 3, силоизмерительной пружины 4 и двух шкал А и Б. Исследуемую пружину 5 устанавливают согласно рис. 2.3. Ручкой 6 через реечную передачу 2 задают перемещения (деформации) исследуемой пружине 5, контролируя эти деформации по шкале А. По шкале Б снимают показания силоизмерительной пружины.

Рис. 2.3

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Ознакомиться с устройством и принципом действия лабораторной установки.
    1.  Установить исследуемую пружину согласно рис. 2.3.
    2.  Задавая перемещения через 5 делений по шкале А, снимать показания силоизмерительной пружины по шкале Б.
    3.  Достигнув предельного усилия (при максимальной нагрузке выдержать исследуемую пружину в течение 5 минут), снять показания в обратном порядке (при тех же значениях по шкале А).
    4.  Построить экспериментальную упругую характеристику S=f(F), вычислить гистерезис по формуле (2.3) и жесткость k пружины по формуле (2.4).
    5.  Аналитически определить уравнение упругой характеристики по формуле (2.6), максимальную нагрузку F3 по формуле (2.8), жесткость k пружины по формуле (2.7) и теоретическую погрешность упругой характеристики по формуле (2.11). При этом следует иметь в виду, что исследуемая пружина изготовлена из проволоки 2-го класса, для которой модуль сдвига  G = 80000 МПа, а максимальное допускаемое напряжение при кручении  τadm = 0,5∙σu = 760 Мпа.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

  1.  Титульный лист.
  2.  Цель работы.
  3.  Теоретическая часть (ответы на контрольные вопросы 1 – 4).
  4.  Экспериментальная часть включает таблицу данных измерения             S = f (F), график экспериментальной упругой характеристики S = f (F), вычисление погрешности γ от гистерезиса по формуле (8.3) и максимального рассеивания усилия ΔF/F.
  5.  Выводы.
  6.  Литература.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Что такое упругая характеристика пружины?
  2.  Факторы, влияющие на действительную упругую характеристику, ее отклонение от расчетной.
  3.  Что такое жесткость пружины?
  4.  Что такое механический гистерезис?
  5.  Чем осуществляется доводка точности характеристики витой цилиндрической пружины?
  6.  Из каких материалов изготавливают пружины?

ЛИТЕРАТУРА

  1.  Красковский Е.Я., Дружинин П.А., Филатова Е.Н. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учеб. пособие для приборостр. спец. вузов/ Под ред. Ю.А. Дружинина. 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 480 с.
  2.  Ванторин В.Д. Механизмы приборных и вычислительных систем. – М.: Высш. шк., 1985, – 481 с.
  3.  Сурин В.М. Техническая механика: Учеб. пособие. – Мн.: БГУИР, 2004. – 292 с.

                    ЛАБОРАТОРНАЯ    РАБОТА  № 3      

                   Исследование подшипников качения

                                3.1 ЦЕЛЬ  РАБОТЫ  

1. Изучение основных положений по классификации и выбору опор качения ( подшипников качения).

2. Экспериментальное определение приведенного коэффициента трения и коэффициента полезного действия подшипников качения.

                         3.2 ОСНОВНЫЕ   ПОЛОЖЕНИЯ

Наиболее распространенным видом опор в механизмах являются подшипники качения, конструктивная схема которого показана на рисунке 5.1:  1 внутреннее кольцо; 2 наружное кольцо; 3 тела качения; 4 сепаратор, обеспечивающий равномерное распределение тел качения по дорожкам качения внутреннего и внешнего колец .

Широкое распространение в технике подшипников качения обусловлено тем, что подшипники качения по сравнению с подшипниками скольжения обладают рядом достоинств: малые моменты трения при обычных скоростях, малые пусковые моменты трения, высокая взаимозаменяемость, малые габариты по длине вала. Недостатками подшипников качения являются: ограниченная нагрузочная способность, снижение долговечности при высоких скоростях, большие габариты по диаметру.

           

 3.2.1 Классификация подшипников качения

Подшипники качения классифицируются по следующим основным признакам:

по направлению воспринимаемой нагрузки (радиальные, радиально-упорные, упорные);

по форме тел качения (шарикоподшипники и роликоподшипники);

по числу рядов тел качения (однорядные и многорядные);

по габаритным размерам;

по точности изготовления.

Радиальные подшипники способны воспринимать только радиальную нагрузку (рис. 3.2,б) (роликоподшипники) либо одновременно с радиальной и небольшую осевую (рис. 3.2,а).

Радиальноупорные подшипники применяются при действии одновременно радиальной и осевой нагрузок (рис. 3.2,в).

Упорные подшипники (рис. 3.2,г) предназначены для восприятия только осевых нагрузок при сравнительно небольших частотах вращения, т.к. при высоких скоростях возникают значительные центробежные силы инерции (пропорциональны квадрату скорости), действующие на шарики.

В роликоподшипниках ролики могут быть цилиндрической, конической и бочкообразной форм. По сравнению с шарикоподшипниками роликоподшипники при одинаковых размерах обладают большей нагрузочной способностью за счет уменьшения удельного давления в зоне контакта ролика с кольцом (примерно в 1,6 раза), но их предельные частоты вращения ниже.

Основным размером подшипника является диаметр d внутреннего кольца (рис. 3.3). Другие размеры (диаметр D наружного кольца и его ширина b) для одного и того же значения d могут изменятся в зависимости от выбранной серии. В зависимости от габаритных размеров устанавливаются следующие серии подшипников (рис. 3.3): сверхлегкая 1; особолегкая 2; легкая 3; легкая широкая 4; средняя 5; средняя широкая 6; тяжелая 7. С увеличением габаритов нагрузочная способность подшипников растет, а быстроходность снижается.

Точность подшипников качения определяется точностью выполнения его размеров d, D  и  b, а также кинематической точностью (величиной радиальных и боковых биений). Существует пять классов точности подшипников качения: 0, 6, 5, 4, и 2й (в порядке повышения точности). С ростом точности подшипника растет и его стоимость: стоимость подшипника одного и того же типоразмера 2го класса точности в 100 раз больше, чем  подшипника 0го класса.

Элементы  стандартных подшипников качения (кольца, тела качения) изготавливаются из специальных высококачественных сталей, называемых шарикоподшипниковыми. В случае работы подшипникового узла в особых условиях (агрессивные среды, низкотемпературные условия и т.п.) для изготовления элементов подшипника могут применяться специальные пластмассы, обеспечивающие работу подшипника без смазки.

            3.2.2 Выбор подшипников качения 

При выборе подшипников качения учитывается величина, направление и характер нагрузки (постоянная, переменная, ударная); частота вращения  подвижного кольца подшипника; требуемый срок службы в часах;  конструктивные особенности подшипникового узла; условия работы.

Критерием выбора подшипников качения является превышение табличного значения динамической грузоподъемности [С] для выбранного подшипника над расчетным значением динамической грузоподъемности Срасч для проектируемого подшипникового узла, т.е.

                                            Срасч  [C],                                             (3.1)

Расчетная динамическая грузоподъемность определяется по формуле

                                            Срасч = Q(nh)0,3,                                         (3.2)


где Q
приведенная нагрузка подшипника; n частота вращения подвижного кольца подшипника, об/мин; h долговечность подшипника в часах.

Приведенная нагрузка определяется в соответствии с выражением

                         Q = (XKkFr + YFa)KdKt,                                 (5.3)


где
X, Y  коэффициенты радиальной Fr и осевой Fа нагрузок; Kk  кинематический коэффициент, значение которого принимается в зависимости от того, какое из двух колец вращается; Kd  коэффициент динамичности (динамический коэффициент), учитывающий характер нагрузки; Kt температурный коэффициент, выбираемый в зависимости от температуры среды, в которой работает подшипник.

Значения коэффициентов X, Y, Kk, Kd, Kt приводятся в справочниках.

 3.2.3 Методика определения приведенного коэффициента трения

и коэффициента полезного действия подшипников качения

При вращении подшипника качения между его элементами возникает как трение качения (кольцо тела качения), так и трение скольжения (сепаратор тела качения). Для оценки сил трения, возникающих при вращении подшипника качения, служит  момент сил трения. Среднее значение момента сил трения шарикоподшипника  может быть вычислено по формуле

                               Мтр = Fтр Dср/2 = fnRDср/2,                             (3.4)


где
Fтр  сила трения, R  радиальная нагрузка на подшипник,  Dср = (D + d)/2  средний диаметр подшипника, fп  приведенный коэффициент трения подшипника качения.

Для экспериментального определения приведенного коэффициента трения подшипника качения рассмотрим физический маятник, в котором в качестве шарнира используется исследуемый подшипник (рис. 3.4).

Если груз G, расположенный на жестком подвесе длиной L, отвести в левое верхнее положение (I = 00) и отпустить, то вследствие наличия трения в подшипнике (сопротивлением воздуха пренебрегаем) маятник, пройдя нижнюю точку (=900), не поднимется в положение,  соответствующее наибольшему значению угла II=1800. Причем, чем больше будут потери на трение,  тем на меньший угол отклонится маятник.

Найдем выражение для приведенного коэффициента трения fп подшипника качения. Движение маятника происходит под действием составляющей Q силы тяжести G (рис. 3.4), которая равна  Q = G cos, а на подшипник действуют составляющая силы тяжести F = Gsin и нормальная составляющая силы инерции  Fи = man, где  an = V2/L  нормальная составляющая ускорения центра масс (точка А) груза, m = G/g   масса груза, g  ускорение свободного падения. Обе эти составляющие направлены по радиусу от центра вращения маятника и в сумме дают радиальную R  нагрузку на подшипник, т.е. R = F + Fи. 

Выражение для скорости V центра масс груза найдем из условия равенства для любого значения угла   суммы потенциальной П и кинетической Т энергий маятника максимальному значению его потенциальной энергии Пmax  при   = 00 , т.е.

                                                 П + Т = Пmax  ,                                 (3.5)

где П = G(L  h);  Т = mV2/2; Пmax = GL; h = Lsin  текущее значение расстояния, на которое опускается центр масс груза при колебаниях маятника.

Выражение (3.5) запишем в виде

                                                                          (3.6)

Из уравнения (3.6) найдем выражение для квадрата скорости центра масс груза

                                             V2 = 2gLsin.                                        (3.7)

Тогда полная радиальная нагрузка на подшипник определится из выражения

               .                      (3.8)

С учетом (3.8) выражение (5.4) для момента сил трения подшипника запишется

                               .                                    (3.9)

При повороте маятника на элементарный угол d, элементарная работа сил трения будет равна

                     .                               (3.10)

Тогда полная работа сил трения за один цикл движения маятника из положения в положение  будет равна

                         

                 .                                 (3.11)

                      

Вследствие потерь на трение маятник будет отклоняться на угол II  1800. Следовательно, значение потенциальной энергии маятника в положении  будет меньше, чем в положении . Эта разница П значений потенциальных энергий определяет величину потерь на трение в подшипнике за один цикл движения маятника из положения в положение , т.е. равна работе сил трения

                                           П = П - П = Атр,                                 (3.12)


где
П  потенциальная энергия маятника в положении , П  потенциальная энергия маятника в положении .

С учетом (3.11) и обозначений рис. 3.4 выражение (3.12) запишется

                       (3.13)

где  h = Lsin(1800II) разность высот подъема маятника в положениях и .

Из равенства (3.13) с учетом выражения для  h  получим выражение для определения значения приведенного коэффициента трения подшипника качения

                                  (3.14)

Коэффициент полезного действия определяется как отношение работы полезных сил к работе движущих сил, т.е.

             = Апсдс = (Адс - Авс)/Адс = 1 - ,                           (3.15)


где
Апс, Адс, Авс  работы, соответственно, полезных, движущих и вредных сил;  - коэффициент потерь.

Выражение для коэффициента полезного действия исследуемого подшипника качения найдем из отношения значений потенциальной энергии маятника в крайних положениях, т.е.

                                        = П = (П  П)/ П ,                          (3.16)


где
П = GL  потенциальная энергия маятника в положении , П  потенциальная энергия маятника в положении , П = Gh  потеря потенциальной энергии на преодоление сил трения. С учетом этого получим выражение для коэффициента полезного действия в виде

        = (П  П)/ П = (GL Gh)/GL = 1 sin(1800  II).        (3.17)

Сравнивая уравнения (3.15) и (3.17) видим, что коэффициент потерь подшипника качения при выбранном способе исследования определяется выражением

                                       = sin(1800  II).                                       (3.18)

 

       

  3.3 ОПИСАНИЕ  ЛАБОРАТОРНОЙ  УСТАНОВКИ

Экспериментальная часть лабораторной работы выполняется на установке, представленной на рис. 3.5.

На основании 1 установлена стойка 2, к которой крепится валик 3. На валик вместе с обоймой 4 устанавливается исследуемый подшипник 5. К свободно вращающейся обойме жестко прикреплен маятник, состоящий из груза 6 и стержня 7. Угол отклонения маятника фиксируется по шкале 8.

         

 3.4 ПОРЯДОК  ВЫПОЛНЕНИЯ  РАБОТЫ

1. Изучить описание лабораторной работы.

2. Ознакомиться с образцами подшипников качения, представленными на стенде.

3. Используя пакет прикладных программ LAB5PODS сдать коллоквиум по лабораторной работе.

4. На установке установить исследуемый подшипник.

5. Отклонить маятник на угол =900 от нейтрального положения и отпустив, зафиксировать максимальный угол, на который он отклонится.

6. По результатам эксперимента вычислить значения приведенного коэффициента трения (3.12) и коэффициента полезного действия (3.15), предварительно измерив длину маятника и размеры исследуемого подшипника.

7. Пункты 4.5 и 4.6 повторить 2 раза.

8. Результаты исследований свести в таблицу, определив средние значения приведенного коэффициента трения и коэффициента полезного действия подшипника качения.

                3.5 СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

1. Цель лабораторной работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Схема лабораторной установки.

4. Таблица с результатами экспериментов и расчетов.

5. Выводы по результатам исследований.

                  3.6 КОНТРОЛЬНЫЕ  ВОПРОСЫ

1. Как классифицируются опоры механизмов?

2. Достоинства подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения.

3. Недостатки подшипников качения по сравнению с подшипниками скольжения.

4. Как классифицируются подшипники качения в зависимости от формы тел качения?

5. Как классифицируются подшипники качения в зависимости от направления воспринимаемой нагрузки?

6. Как классифицируются подшипники качения в зависимости от диаметра наружного кольца подшипника?

7. Как классифицируются подшипники качения в зависимости от ширины кольца?

8. Какие материалы применяются для изготовления деталей подшипников качения?

9. Что определяет точность подшипников качения?

10. Как классифицируются подшипники качения в зависимости от точности изготовления?

11. Что учитывается при выборе подшипников качения?

12. От чего зависит величина коэффициента динамической грузоподъемности подшипника качения?

13. От чего зависит величина приведенной нагрузки подшипника?

14. Что является критерием для выбора подшипника качения?

15. Что такое приведенный коэффициент трения подшипника качения?

16. В чем состоит методика определения приведенного коэффициента трения подшипника качения, используемая в лабораторной работе?

17. Как определяется коэффициент полезного действия механизма и коэффициент потерь и как они связаны между собой?

                              3.7 ЛИТЕРАТУРА

1. Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем.-М.: Высшая школа, 1991.

2. Машнев М.М., Красковский Е.Я., Лебедев П.А. Теория механизмов и машин и детали машин.-Л.: Машиностроение,1980.

3. Справочник конструктора точного приборостроения.-Л.: Машиностроение, 1989.

Лабораторная работа № 4

Допуски и посадки. Технические измерения

4.1 Цель работы

1. Изучение и практическое применение материала «Допуски и посадки» в соответствии с ГОСТ 25346-89.

  1.  Приобретение навыков работы с измерительным инструментом.

4.2 Допуски и посадки. Выбор и обозначение на чертежах

В соединении двух деталей, входящих одна в другую, различают наружные (охватываемые) и внутренние (охватывающие) элементы деталей, называемые соответственно валом и отверстием. Размеры валов и отверстий могут быть как диаметральными, так и линейными.

Основной размер отверстия и вала, определяемый из расчета на прочность или по конструктивным соображениям и служащий началом отсчета отклонений, называется номинальным размером (обозначается: d – для вала, D – для отверстия). Общий для вала и отверстия, составляющих соединение, размер называется номинальным размером соединения (d).

Размер, полученный в результате непосредственного измерения изготовленной детали, называется действительным размером (dд, Dд). Максимальное и минимальное значения размера, между которыми должен находиться действительный размер годной детали, называют соответственно наибольшим (dmax; Dmax)  и наименьшим (dmin; Dmin)  предельными размерами (рис. 4.1).

Алгебраическая разность между действительным и номинальным размерами называется отклонением. Алгебраическая разность между наибольшим и наименьшим предельными и номинальным размерами называется соответственно верхним (ES – отверстие, es – вал) и нижним (EI – отверстие, ei – вал) отклонениями. 

Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами или алгебраическая разность между верхним и нижним отклонениями называют допуском размера (ТА – отверстия, ТВ – вала). Допуск характеризует точность изготовления детали: чем он меньше, тем выше точность.

Интервал возможных значений действительного размера, ограниченный предельными размерами, называется полем допуска. Поле допуска определяется величиной допуска и его расположением относительно номинального размера.

Величину допуска в соответствии с системой допусков и посадок (ГОСТ 25346-89) устанавливают в зависимости от номинального размера и условного уровня точности, называемого квалитетом (Qualitat). Квалитет - это совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности.

Весь диапазон номинальных размеров разбит на отдельные интервалы (например, до 3 мм; свыше 3 мм до 6 мм и т.д.). Для размеров от 1 до 500 мм установлено 20 рядов основных допусков (квалитеты 01, 0, 1, 2 ...18), обозначаемых буквами IT и цифрой порядкового номера (IT1, IT2 и т. д). С увеличением порядкового номера квалитета допуски  увеличиваются. Допуски в квалитетах IT5...IT18  могут быть выражены формулой IT = ai, где а – число единиц допуска, постоянное для каждого квалитета; i – единица допуска, характеризующая закон изменения допуска от величины размера. Для размеров до 500 мм

                              ,

где – среднегеометрический размер основного интервала диаметров, мм. Числа единиц допусков а, начиная с IT6, образуют геометрическую прогрессию со знаменателем

Квалитеты IT01...IT7 предназначены для допусков калибров и подобных средств линейных измерений. Квалитеты IT3...IT12 - допуски размеров для точных соединений. Квалитеты IT12...IT18 - допуски свободных размеров и размеров менее точных соединений.

При графическом изображении поле допуска представляется в виде прямоугольника, расположенного по отношению к нулевой линии (номинальному размеру) так, что его верхняя сторона определяет верхнее отклонение, нижняя – нижнее. Величины этих отклонений (в мкм) проставляют около вершин правых углов прямоугольника.

В зависимости от расположения поля допуска по отношению к номинальному размеру ГОСТом предусмотрено по 28 рядов (типов) отклонений для валов и отверстий. Каждое отклонение обозначается латинской буквой – малой, если отклонение относится к валу, и большой, если к отверстию (рис. 4.2).

При соединении двух деталей (вала и отверстия) в зависимости от взаимного расположения полей допусков можно получать различные виды соединений.

 Посадкой называется вид соединения деталей, определяемый величиной получающихся в нем зазоров или натягов.

 Зазором S называют положительную разность между действительными размерами отверстия и вала (рис. 4.3,а) – размер отверстия больше размера вала.

 Натягом N называют положительную разность между действительными размерами вала и отверстия, вычисленную до сборки деталей (рис. 4.3,б) – размер вала больше размера отверстия.

ГОСТом установлено три типа посадок:

посадки с зазором (рис. 4.3,а) – поле допуска отверстия расположено над полем допуска вала;

посадки с натягом (рис. 4.3,б) – поле допуска вала расположено над полем допуска отверстия;

переходные посадки (рис. 4.3,в) – поля допусков перекрываются.

 

Любую посадку можно получить, изменяя положение поля допуска относительно номинального размера только у одной из сопрягаемых деталей, оставляя постоянным положение поля допуска у другой детали, называемой в этом случае основной. В качестве основных ГОСТ рекомендует выбирать отверстие (система отверстия) или вал (система вала) с примыкающими к номинальному размеру полями допусков, которые обозначаются соответственно H и h.

Поля допусков валов, положение которых характеризуется буквами от а до h, в сочетании с отверстием Н (система основного отверстия) образуют посадки с зазором; поля допусков, положение которых характеризуется буквами j, k, m, n в сочетании с отверстием H образуют переходные посадки; поля допусков от p до z в сочетании с отверстием H образуют посадки с натягами. Соответствующие рассмотренным поля допусков отверстий (А, В, С ...) в сочетании с полем допуска вала h дают те же посадки, но в системе основного вала.

При обозначении на чертежах размер, для которого указывают допуск, обозначают числом, за которым следует обозначение поля допуска и квалитет. Например, 24Js7, 17k6 и т.п. Если обозначается размер и поле допуска цилиндрической детали, то перед размером ставится знак , например, 10g6; 5H7.

Допускаются указания на чертежах предельных отклонений размеров, например,

                           

 Допуски на свободные размеры оговариваются в технических требованиях, записываемых на поле чертежа в одной из следующих форм:

  1.  Неуказанные предельные отклонения размеров: отверстий Н12, валов h12, остальных IT12/2.
  2.  Неуказанные предельные отклонения размеров: диаметров Н12, h12, остальных Js12.

 В обозначение посадки входит номинальный размер, общий для соединяемых отверстий и вала, за которым следует обозначение полей допусков отверстия и вала в виде

                                   

(или 10H7/g6, или 10H7-g6).

Допускается указание на чертежах предельных размеров (отклонений), например,

                           

При назначении допусков на размеры деталей необходимо учитывать, что с повышением точности увеличивается стоимость изделий. Поэтому при проектировании назначают такую наименьшую точность, которая обеспечит надежную работоспособность механизма и его отдельных сопряжений и не вызовет излишнего усложнения технологии обработки деталей.

      

Таблица 4.1 – Рекомендуемые посадки для типовых соединений деталей

Характер

Рекомендуемые посадки

соединения

система отверстия

система вала

1

2

3

С зазором

Медленные перемещения и повороты деталей для установки, регулировки, центрирования и т.п.:

точные

H7/h6, H7/g6,

H8/h8, H8/h7

H7/h6, H8/h8

грубые

H11/h11

H11/h11

Вращение валов в опорах скольжения со смазкой соединения, в которых требуется относительно большой зазор

H7/f7, H8/e8,

H8/d9, H9/d9,

H11/d11, H7/e8

F8/h6, F9/h8

Переходные

Неподвижные соединения с применением фиксирующих устройств, разбираемые для осмотра, ремонта и замены деталей и т.п.

H7/js6,

H7/k6,

H7/n6

Js7/h6,

K7/h6,

N7/h6

С натягом

Неподвижные соединения, не подлежащие разъему

H7/p6, H7/r6,

H7/s6

P7/h6

  

В приборостроении для ответственных соединений, к которым предъявляются высокие требования в отношении определенности характера посадок и взаимозаменяемости  деталей, применяют 6 и 7 квалитеты. При необходимости получить особо высокую точность применяют 5 и ниже квалитеты. Квалитеты 8 и 9 применяются при несколько пониженных требованиях к определенности посадок, при достаточно высоких требованиях к взаимозаменяемости деталей. Для соединений, допускающих большую величину и колебание зазоров, применяют 10 и 11 квалитеты. Квалитеты 12–18 применяются для свободных размеров, для которых допуски на чертежах не проставляются, оговариваются в технических требованиях.

Из всех возможных полей допусков размеров стандартом устанавливаются предпочтительные для применения поля допусков. Рекомендации по выбору полей допусков для типовых соединений деталей приведены в таблице 4.1, а в таблицах 4.2 и 4.3 даны значения предельных  отклонений предпочтительных полей допусков соответственно отверстий и валов.

 

Таблица 4.2 – Предельные отклонения предпочтительных полей допусков отверстий

Интервалы

Поля допусков

размеров,

H7

Js7

K7

N7

P7

F8

H8

E9

H9

H11

мм

Предельные отклонения, мкм

От 1

до 3 

+10

0

+5

-5

0

-10

-4

-14

-6

-16

+20

+6

+14

0

+39

+14

+25

0

+60

0

св.3

до 6

+12

0

+6

-6

+3

-9

-4

-16

-8

-20

+28

+10

+18

0

+50

+20

+30

0

+75

0

св.6

до10

+15

0

+7

-7

+5

-10

-4

-19

-9

-24

+35

+13

+22

0

+61

+25

+36

0

+90

0

св.10

до 18

+18

0

+9

-9

+6

-12

-5

-23

-11

-29

+43

+16

+27

0

+75

+32

+43

0

+110

0

св.18

до 30

+21

0

+10

-10

+6

-15

-7

-28

-14

-35

+53

+20

+32

0

+92

+40

+52

0

+130

0

св.30

до 50

+25

0

+12

-12

+7

-18

-8

-33

-17

-42

+64

+25

+39

0

+112

+50

+62

0

+160

0

св.50

до 80

+30

0

+15

-15

+9

-21

-9

-39

-21

-51

+76

+30

+46

0

+134

+60

+74

0

+190

0

св.80

до 120

+35

0

+17

-17

+10

-25

-10

-45

-24

-59

+90

+36

+54

0

+159

+72

+87

0

+220

0

св.120

до180

+40

0

+20

-20

+12

-28

-12

-52

-28

-68

+106

+43

+63

0

+185

+85

+100

0

+250

0

св.180

до 250

+46

0

+23

-23

+13

-33

-14

-60

-33

-79

+122

+50

+72

0

+215

+100

+115

0

+290

0

На примере рассмотрим определение предельных размеров отверстий и валов, наибольших и наименьших зазоров (натягов), а также допуски посадок для различных типов посадок и графическое изображение полей допусков для различных посадок.

Формулы подсчета предельных величин зазоров и натягов для цилиндрических соединений имеют следующий вид:

 посадка с зазором (рис. 4.3, а): 

 

 Smax = Dmax  dmin ,  Smin = Dmin  dmax ;

посадка с натягом (рис. 4.3, б):

 Nmax = dmax  Dmin ,  Nmin = dmin  Dmax ;

 переходная посадка (рис. 4.3, в):

 Smax = Dmax  dmin , Nmax = dmax  Dmin .

Рассмотрим посадки   12H7/f7, 12H7/r6, 12H7/k6 .

Размеры отверстия  12H7(0,018) у всех трех посадок одинаковы:

Dmin = 12 мм;  Dmax = 12,000 + 0,018 = 12,018 (мм). Допуск отверстия:

ТА = 12,018 12,000 = 0,018 (мм).

Рассчитаем предельные размеры и допуски валов, а также параметры соединений.

Для посадки с зазором  12H7/f7

Вал   Ø  

Соединение

dmin = 12,000 0,034 = 11,966 (мм),

dmax = 12,000 0,016 = 11,984 (мм),

TB = 11,984 11,966 = 0,018 (мм).

Smin = 12,000 11,984 = 0,016 (мм),

Smax = 12,018 11,966 = 0,052 (мм),

TS = 0,052 0,016 = 0,036 (мм).

Для посадки с натягом  12H7/r6

Вал Ø     

Соединение

dmin = 12,000 + 0,023 = 12,023 (мм),

dmax = 12,000 + 0,034 = 12,034 (мм),

TB = 12,034 12,023 = 0,011 (мм).

Nmin = 12,023 12,018 = 0,005 (мм),

Nmax = 12,034 - 12,000 = 0,034 (мм),

TN = 0,034 0,005 = 0,029 (мм).

Для переходной посадки   12H7/k6

Вал Ø      

Соединение

dmin = 12,000 + 0,001 = 12,001 (мм),

dmax = 12,000 + 0,012 = 12,012 (мм),

TB = 12,012 12,001 = 0,011 (мм).

Smax = 12,018 12,001 = 0,017 (мм),

Nmax = 12,012 12,000 = 0,012 (мм),

TS,N = 0,012 0,017 = 0,029 (мм).

где TS , TN , TS,N  допуск посадки, соответственно, с зазором, с натягом и переходной.

На рис. 4.4 графически представлены расположения полей допусков отверстия и вала для рассмотренных посадок.

Таблица 4.3 Предельные отклонения предпочтительных полей допусков валов

Интервалы

Поля допусков

размеров,

g6

h6

js6

k6

n6

p6

r6

s6

f7

h7

e8

h8

d9

h9

d11

h11

мм

Предельные отклонения, мкм

От 1

до 3

-2

-8

0

-6

+3

-3

+6

0

+10

+4

+12

+6

+16

+10

+20

+14

-6

-17

0

-10

-14

-28

0

-14

-20

-45

0

-25

-20

-80

0

-60

св.3

до 6

-4

-12

0

-8

+4

-4

+9

+1

+16

+8

+20

+12

+23

+15

+27

+19

-10

-22

0

-12

-20

-38

0

-18

-30

-60

0

-30

-30

-105

0

-75

св.6

до 10

-5

-14

0

-9

+4,5

-4,5

+10

+1

+19

+10

+24

+15

+28

+19

+32

+23

-13

-28

0

-15

-25

-47

0

-22

-40

-76

0

-36

-40

-130

0

-90

св.10

до 18

-6

-17

0

-11

+5,5

-5,5

+12

+1

+23

+12

+29

+18

+34

+23

+39

+28

-16

-34

0

-18

-32

-59

0

-27

-50

-93

0

-43

-50

-160

0

-110

св.18

до 30

-7

-20

0

-13

+6,5

-6,5

+15

+2

+28

+15

+35

+22

+41

+28

+48

+35

-20

-41

0

-21

-40

-73

0

-33

-65

-117

0

-52

-65

-195

0

-130

св.30

до50

-9

-25

0

-16

+8

-8

+18

+2

+33

+17

+42

+26

+50

+34

+59

+43

-25

-50

0

-25

-50

-89

0

-39

-80

-142

0

-62

-80

-240

0

-160

св.50

до 65

-10

0

+9,5

+21

+39

+51

+60

+41

+72

+53

-30

0

-60

0

-100

0

-100

0

св.65

до 80

-29

-19

-9,5

+2

+20

+32

+62

+43

+78

+59

-60

-30

-106

46

-174

-74

-290

-190

св.80

до 100

-12

0

+11

+25

+45

+59

+73

+51

+93

+71

-36

0

-72

0

-120

0

-120

0

св.100

до 120

-34

-22

-11

+3

+23

+37

+76

+54

+101

+79

-71

-35

-126

-54

-207

-87

-340

-220

св.120

до 140

+88

+63

+177

+92

св.140

до 160

-14

-39

0

-25

+12,5

-12,5

+28

+3

+52

+27

+68

+43

+90

+65

+125

+100

-43

-83

0

-40

-85

-148

0

-63

-145

-245

0

-100

-145

-395

0

-250

св.160

до 180

+93

+68

+133

+108

св.180

до200

+106

+77

+151

+122

св.200

до 225

-15

-44

0

-29

+14,5

-14,5

+33

+4

+60

+31

+79

+50

+109

+80

+159

+130

-50

-96

0

-46

-100

-172

0

-72

-170

-285

0

-115

-170

-460

0

-290

св.225

до 250

+113

+84

+169

+140

4.3 Измерительные инструменты

В качестве универсальных измерительных средств, предназначенных  для контроля линейных и угловых размеров деталей, применяют штангенциркули, микрометры, индикаторы, нутромеры, рычажные скобы, измерительные головки, инструментальные микроскопы, угломеры и т.д.

Выбор измерительного средства зависит от ряда факторов, основными из которых являются точность изготовления детали, требуемая точность измерения, конструктивные особенности детали и объем ее выпуска.

4.3.1 Штангенинструменты

К штангенинструментам относятся инструменты со штангой и линейным нониусом. К ним относятся штангенциркули, штангенглубиномеры, штангенрейсмасы. Все они имеют две шкалы: основную, нанесенную на штанге, с интервалом деления 1 мм, и вспомогательную шкалу, нониус, по которой отсчитываются доли делений основной шкалы. Цена деления нониуса может быть 0,1; 0,05 и 0,02 мм.

Рассмотрим нониус с ценой деления 0,1 мм. Вспомогательная шкала длиной 9 мм имеет 10 делений (рис. 4.5, а), т.е. расстояние между двумя соседними штрихами шкалы составляет 0,9 мм, что на 0,1 мм меньше расстояния между соседними штрихами основной шкалы, нанесенной на штанге. В том случае, когда нулевые деления шкалы штанги и нониуса совпадают, первый штрих нониуса отстает от первого штриха штанги на 0,1 мм, второй – на 0,2 мм, третий – на 0,3 мм, а последний десятый штрих нониуса будет совпадать с девятым штрихом шкалы штанги.

Если измеряемый размер детали больше некоторого целого числа миллиметров, то нулевое деление нониуса не будет совпадать со штрихом шкалы штанги. Дробная часть размера определяется по нониусу. Выше было сказано, что цена деления нониуса на 0,1 мм меньше цены деления шкалы штанги. Предположим, что дробная часть размера детали составляет 0,4 мм, т.е. нулевое деление нониуса смещено относительно штриха шкалы штанги, указывающего значение целого числа миллиметров, на  0,4 мм. Тогда смещение первого деления нониуса относительно следующего штриха шкалы штанги составит 0,3 мм, второго – 0,2 мм, третьего – 0,1 мм, а четвертое деление нониуса совпадет с очередным штрихом шкалы штанги.  Если дробная часть размера составляет, например, 0,8 мм, то с одним из штрихов шкалы штанги совпадет восьмое деление нониуса.

В соответствии с изложенным для определения размера с помощью штангенинструмента нужно отсчитать целое число миллиметров по шкале штанги до того места, где остановился нуль нониуса (если нуль не обозначен, то начальный штрих), затем найти, какое из делений нониуса совпадает с любым из штрихов основной шкалы. Номер совпавшего штриха укажет, сколько десятых миллиметров в данном размере.

Для повышения удобства пользования используют штангенинструменты с вспомогательной шкалой, длина которой не 9 а 19 мм (растянутый нониус). В этом случае (рис. 4.5, б) интервал деления составит 19:10=1,9 мм, что дает также отставание в 0,1 мм от каждого второго деления основной шкалы. Принцип измерения остается тот же, но деления нониуса расположены реже, и отсчет производить удобнее.

Если вспомогательную шкалу длиной 19 мм разбить на двадцать частей, то интервал деления составит 0,95 мм. Значит, каждый штрих нониуса отстает от деления шкалы штанги на 0,05 мм и, чтобы определить число сотых, нужно номер штриха нониуса умножить на 0,05 мм.

Применяют также растянутый нониус длиной 39 мм. Интервал деления будет 39:20=1,95 мм, отставание от каждого штриха шкалы штанги также составит 0,05 мм.

 

На рис. 4.6 представлен штангенциркуль ШЦ-1 с диапазоном измерений 0–150 мм и ценой деления 0,1 мм. Штангенциркуль состоит из штанги 1 и подвижной рамки 2. Штанга и подвижная рамка имеют губки 3 для измерения размеров наружных поверхностей и губки 4 для измерения размеров внутренних поверхностей (отверстий) деталей.

Штангенциркуль имеет также глубиномер, состоящий из линейки 5, прикрепленной к подвижной рамке. Глубиномер выдвигается настолько, насколько смещается рамка, что дает возможность производить отсчет глубин непосредственно по шкале штанги и нониусу.

4.3.2 Микрометрические инструменты

К микрометрическим инструментам относятся микрометры, микрометрические нутромеры и микрометрические глубиномеры. Общим для всех микрометрических инструментов является наличие микрометрической головки, основные детали которой - микрометрический винт и гайка. Винт микрометрической головки имеет шаг резьбы 0,5 мм и изготовляется с высокой точностью. Точность отсчета всех микрометрических инструментов 0,01 мм.

 

Микрометры (рис. 4.7) предназначаются для измерения наружных размеров и состоят из скобы 1, в которой с одной стороны запрессована неподвижная пятка 2, а с другой – стебель 3. Полый стебель внутри имеет резьбу, куда ввинчивается микрометрический винт 4. К барабану привернут корпус трещетки 6 с трещеткой 7, ограничивающей усилие измерения (700 200 г). Стопор 8 служит для закрепления винта в нужном положении. Величина перемещений микрометрического винта составляет 25 мм.

Указанная ранее точность микрометров (0,01 мм) достигается следующим образом. На стебле инструмента имеется основная шкала, на которой нанесены деления через каждые 0,5 мм (равные шагу резьбы винта, что обеспечивает перемещение скоса барабана на одно деление при одном полном обороте винта,) и продольная риска вдоль образующей. Для удобства отсчета штрихи, соответствующие целым миллиметрам и полумиллиметрам, расположены по разные стороны продольной риски. Коническая часть барабана разделена на 50 частей. Поскольку за один оборот продольное перемещение барабана составляет 0,5 мм, то цена его деления будет 0,5 50 = 0,01 мм.

 Отсчет измеренного с помощью микрометра размера производится следующим образом: по положению скошенного края барабана определяют по основной шкале число целых миллиметров и полумиллиметров, к которому добавляют сотые доли миллиметра, соответствующие делению шкалы барабана, расположенному против продольной черты стебля.

В том случае, когда ни один из штрихов барабана не совпадает с продольной риской, обычно считают то деление, которое ближе к ней. В этом случае примерно можно оценить также тысячные доли миллиметра.

Перед замерами микрометр нужно проверить. Для этого вращают микрометрический винт за трещетку до соприкосновения контактных поверхностей стержня винта и пятки. При этом край барабана должен остановиться у первого деления шкалы стебля, а его нулевое деление - против продольной риски. В случае, если положение барабана не соответствует указанному, микрометр необходимо отрегулировать. Для этого, соединив контактные поверхности и застопорив микрометрический винт, отворачивают корпус трещетки, освобождая тем самым барабан, ставят барабан в нужное положение и, стараясь не сдвинуть винт, зажимают корпус. При необходимости регулировку повторяют несколько раз.

4.4 Порядок выполнения работы

  1.  Изучить описание лабораторной работы.

2. Используя пакет прикладных программ LAB4DOP сдать коллоквиум по лабораторной работе.

3. Для посадок в соответствии с заданным вариантом (таблицу 4.4) построить схемы расположения полей допусков отверстий и валов, указав на схемах предельные отклонения, взятые из таблиц 4.2 и 4.3. Рассчитать наибольшие и наименьшие размеры заданных отверстий и валов, наибольшие и наименьшие зазоры и натяги, а также допуски посадок.

4. Сделать рабочие чертежи отдельных деталей и сборочные чертежи соединений, соответствующие заданным посадкам, указав на чертежах размеры и посадки условными обозначениями полей допусков и числовыми величинами предельных отклонений

5. Ознакомиться с устройством предложенных измерительных инструментов, научиться ими пользоваться.

         Таблица 4.4 – Варианты индивидуального задания

Вариант

Типы посадок

1

22H7/h6

36H7/s6

16H7/js6

2

27H8/e8

48H7/r6

18H7/k6

3

37N7/h7

7H8/e8

25H7/r6

4

38H7/r6

12H7/e8

45H7/js6

5

22H7/e8

69H7/r6

15K7/h6

6

18E9/h8

29H7/r6

50H7/js6

7

42H7/r6

25H7/k6

18E9/h8

8

85E9/h8

35H7/s6

45H7/k6

9

5H9/h9

72H7/r6

28N7/h7

10

50P7/h6

18E9/h8

29K7/h6

4.5 Содержание отчета

  1.  Цель лабораторной работы.
  2.  Общие положения, расчетные формулы, необходимые для выполнения лабораторной работы.
  3.  Расчеты и графический материал к индивидуальному заданию.

4.6 Контрольные вопросы

  1.  Какой размер называется номинальным размером детали?
  2.  Какой размер называется действительным размером детали?
  3.  Может ли номинальный размер быть больше (меньше) наибольшего (наименьшего) предельного размера?
  4.  Может ли действительный размер быть больше (меньше) наибольшего (наименьшего) предельного размера?
  5.  Может ли верхнее отклонение размера быть отрицательным?
  6.  Может ли нижнее отклонение размера быть положительным?
  7.  Что такое допуск размера?
  8.  От чего зависит величина допуска размера?
  9.  Что такое квалитет?
  10.  Что такое поле допуска размера?
  11.  Как может располагаться поле допуска размера относительно линии, соответствующей нулевым отклонениям?
  12.  Что такое посадка?
  13.  Может ли поле допуска вала располагаться над полем допуска сопряженного отверстия?
  14.  Какое сопряжение вала с отверстием называется посадкой с зазором?
  15.  Какое сопряжение вала с отверстием называется посадкой с натягом?
  16.  Какая посадка называется переходной?
  17.  Для какого размера задана более высокая точность выполнения: 20Н7, 45N6, 100k5?
  18.  Укажите размер с наибольшим значением допуска: 20H5, 48N6, 50k5, 48N6.
  19.  Сравните точность выполнения размеров вала и отверстия в посадке 20H6/k5.
  20.  Сравните значения допусков размеров вала и отверстия в посадке 45N7/h6.
  21.  В какой системе выполнены посадки 30H7/k6, 25N7/h6?
  22.  Если значение допуска размера А больше значения допуска размера В, то что можно сказать о точности выполнения этих размеров?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20287. Сценические эффекты в современном театре 97.5 KB
  ИЗВЕКОВ СВЕТ НА СЦЕНЕ ОЧЕРКИ ПО ИСТОРИИ ОСВЕЩЕНИЯ СЦЕНЫ 1. ИСТОКИ ТЕХНИКИ ОСВЕЩЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ СЦЕНЫ Взаимоотношения между техникой сцены и художественным построением спектакля были подробно рассмотрены в первой части нашей работы Сцена где уже говорилось о том что сценическое освещение являясь одним из технических средств при постановке спектакля одновременно выполняет функцию раскрытия идейного замысла спектакля. Исходным этапом в данном случае должно служить зарождение кулисной сценыкоробки которая во многом продолжает еще...
20288. Художественные искания в западной культуре второй половины XX века 75.5 KB
  Отвергнув возможность преобразования жизни с помощью искусства представители постмодернизма приняли бытие таким какое оно есть сделав искусство предельно открытым наполнили его фрагментами реального жизненного процесса.Хеппенинг Перерастая в искусство постмодернизма €œискусство действия€ приобретает более выраженные формы. ПопАрт В 50ые в США возникло новое крупнейшее направление в современном искусстве – ПОПАРТ – популярное искусство. Бодиарт Бодиарт это искусство тела авангардное направление возникшее в 60х годах.
20289. Жанры средневекового театра 676.5 KB
  Франция Мистерия основной театральный образ Средневековья. Мистерия самая поздняя но и самая полная форма выражения средневековой театральности. Если готический собор застывший образ мироздания то мистерия модель мироздания в действии. Мистерия вбирает в себя все жанры: литургическую драму бытовую драму фарс и соти миракль и моралите.
20290. Новаторство создателей МХТ в области декорационного искусства и технологии 82 KB
  Станиславский Константин Сергеевич Алексеев 17. Опираясь на богатейшую творческую практику и высказывания своих выдающихся предшественников и современников Станиславский заложил прочный фундамент современной науки о театре создал школу направление в сценическом искусстве которое нашло теоретическое выражение в так называемой системе Станиславского. 1877 Станиславский впервые выступил на домашней любительской сцене. Станиславский сыграл десятки комедийных ролей с пением и танцами.
20291. Русская художественная культура 20-х - середины 30-х годов XX века 315 KB
  А русский авангард – своеобразный феномен искусства 20 в. но и с новым искусством стиля модерн – господствующим в это время повсеместно и во всех видах искусства от архитектуры и живописи до театра и дизайна. Русский художник теоретик искусства и писатель. Был членом объединений Мир искусства и Четыре искусства.
20292. Европейский театр классицизма 78 KB
  В основе классицизма лежат идеи рационализма которые формировались одновременно с таковыми же идеями в философии Декарта. Художественное произведение с точки зрения классицизма должно строиться на основании строгих канонов тем самым обнаруживая стройность и логичность самого мироздания. Интерес для классицизма представляет только вечное неизменное в каждом явлении он стремится распознать только существенные типологические черты отбрасывая случайные индивидуальные признаки.
20293. Свет в театре и на эстраде 56.5 KB
  Его история во многом определялась теми источниками света которые имелись в распоряжении театра в те или иные периоды его развития. особенно в его вторую половину стремительно модернизировались новыми техническими возможностями и расширяли сферу применения света как средства сценической выразительности. С точки зрения эстетической искусство сценического света в 17–18 вв.Станиславского партитуры сценического света особенно в чеховских спектаклях на сцене передавались меняющиеся состояния природы утро день вечер ночь; солнечно...
20294. Русская художественная культура середины 50-х - 60-х годов XX века 266.5 KB
  В связи с разоблачением культа личности Сталина происходило преодоление откровенно лакировочного искусства особенно характерного для 30 40х годов. Коммерциализация литературы и искусства привела к распространению произведений не отличающихся высокими художественными достоинствами. В советской культуре наблюдались две противоположные тенденции: искусства политизированного лакирующего действительность и искусства формально социалистического но по существу критически отражающего действительность в силу сознательной позиции художника...
20295. Западно-европейский театр второй половины XIX века 264.5 KB
  Театр XIX в. европейский театр растерял многие свои ценные завоевания. Повсюду в театрах для высшего общества вновь воцарилось величественное но холодное искусство классицизма утратившего после французской революции 1789 1794 гг.