Способ сборки прессовых соединений типа вал-втулка

 

Использование: в механосборочном производстве, для прессовых соединений типа вал-втулка с гарантированным натягом . Сущность изобретения: способ соединения вал-втулка путем запрессовки включает центрирование соединяемых деталей, приложение усилия к одной из соединяемых деталей и воздействие на обе детали продольными , синфазными ультразвуковыми колебаниями до момента, когда втулка занимает на валу положение, при котором усилие сборки снимают. Сборка ведется при амплитуде ультразвуковых колебаний 4-5 мкм. После этого амплитуды ультразвуковых колебаний увеличивают так, что суммарная амплитуда была бы достаточной для образования мостиков сварки между деталями , и такую обработку ведут 4-6 с. 1 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) 5 В 23 P 11/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ.

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4 о

Д». Ю

; с (21) 4839393/27 (22) 15,06.90 (46) 30.09,92. Бюл, N 36 (71) Самарский политехнический институт им. В.B.Êóéáûøåâà и Самарский филиал института машиноведения им.А.А.Благон равова (72) В.А.Николаев, Н.Д.Папшева и

Б.Л. Штриков (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1344566, кл, В 23 P 11/02, 1986, (54) СПОСОБ СБОРКИ ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТИПА ВАЛ-ВТУЛКА (57) Использование: в механосборочном производстве, для прессовых соединений типа вал-втулка с гарантированным натяИзобретение относится к механосборочному производству и может быть использовано для прессовых соединений типа вал-втулка с гарантированным натягом.

Повышение прочности прессовых соединений под действием осевой сдвигающей силы или момента является актуальной задачей современного машиностроения. Так, для повышения указанных характеристик производят сборку вала и втулки с абразивом.

Недостатком этого способа является повышенный износ сопрягаемых поверхностей в процессе эксплуатации, т.к. возникающее при этом микропроскальзывание деталей вызывает их царапание абразивом.

„„. Ж„„1764921 А1 гом. Сущность изобретения: способ соединения вал-втулка путем запрессовки включает центрирование соединяемых деталей, приложение усилия к одной из соединяемых деталей и воздействие на обе детали продольными, синфазными ультразвуковыми колебаниями до момента, когда втулка занимает на валу положение, при котором усилие сборки снимают. Сборка ведется при амплитуде ультразвуковых колебаний 4 — 5 мкм. После этого амплитуды ультразвуковых колебаний увеличивают так, что суммарная амплитуда была бы достаточной для образования мостиков сварки между деталями, и такую обработку ведут 4 — 6 с. 1 ил., 1 табл.

Другой способ повышения прочности соединений — сборка методом впрыска расплавленного металла в сопряжение вала со втулкой. Впрыскивается цинк или свинец, которые после охлаждения затвердевают и образуют простые связи, Недостатком этого способа является сложность оборудования, а также то, что физические свойства впрыскиваемого материала значительно отличаются от материалов сопрягаемь1х деталей (например, модуль упругости, твердость, коэффициент линейного расширения, температура плавления и др.), что накладывает ограничения на условия эксплуатации узла.

Ближайшим аналогом, взятым за прототип, является способ соединения деталей вал-втулка методом запрессовки, включающий центрирование соединяемых деталей, 1764921 приложения усилия к одной из соединяемых деталей и воздействие гармоническими колебаниями на вал и втулку. На вал воздействуют колебаниями ультразвуковой частоты вдоль оси соединения, и одновременно на 5 втулку перпендикулярно оси соединения, при этом фазы указанных колебаний сдвинуты по времени на половину периода.

Недостатком данного способа является незначительное повышение прочности сое- 10 динения от действия осевой сдвигающей силы или момента и большие энергозатраты.

Целью изобретения является повышение прочности прессовых соединений в осе- 15 вом направлении и под действием момента, достигаемое в процессе сборки путем активного воздействия на контактирующие поверхности вала и втулки, что приводит к образованию мостиков сварки между ними 20 и уменьшению энергозатрат при соединении деталей из различных групп металла.

Это достигается тем, что как и в известном способе соединения вал-втулка методом запрессовки, включающем цен- 25 трирование соединяемых деталей, приложение усилия к одной из соединяемых деталей, воздействуют на них ультразвуковыми колебаниями, Но при этом накладывают на вал и на втулку синфазные 30 ультразвуковые колебания, с суммарной амплитудой 4...5 мкм до момента, когда втулка займет требуемое положение на валу. Затем усилие сборки снимают и увеличивают суммарную амплитуду, причем подачу ульт- 35 развуковых колебаний ведут в течение 4...6 с, а значение суммарной амплитуды определяют из соотношения: (Кд) d 40

001 К fsan л д Е(1 а ) f где макс = ь вала + g втулки суммарная амплитуда ультразвуковых колебаний вала и втулки; (Иуд) — удельная мощность тепловыделения при трении, необходимая для образования мостиков сварки между поверхностями отнесенная к единице IlOверхности, Вт/мм;

2.

d — диаметр, по которому происходит запрессовка, мм;

К вЂ” коэффициент, учитывающий снижение коэффициента трения в контакте под воздействием ультразвука; аап — коэффициент трения при запрессовке; д — натяг при запрессовке, мм;

Š— модуль упругости материала втулки и вала, кгс/мм;

f — частота ультразвуковых колебаний; а =, d2 — наружный диаметр втулки, d

d2 мм.

Существенным отличием является то, что обе детали получают продольные синфазные ультразвуковые колебания, направленные в разные стороны, причем сборка ведется при суммарной амплитуде ультразвуковых колебаний 4.„5 мм, а при достижении втулкой требуемого положения на вале, амплитуды увеличиваются таким образом, чтобы возникающее тепловыделение от трения поверхностей вала и втулки друг о друга способствовало образованию между этими поверхностями мостиков сварки. Время обработки 4...6 с, Именно такие действия позволяют повысить прочность соединения в осевом направлении и под действием момента на 50...70 $.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа и стоячая волна распространения ультразвуковых колебаний в объекте.

На схеме выделены следующие позиции: 1 — вал, 2 — втулка, 3 — концентратор ультразвукового преобразователя вала, 4— концентратор ультразвукового преобразователя втулки, 5 — цанга вала, 6 — цанга втулки.

Последовательность действий и их физическая сущность при предлагаемом способе состоят в следующем:

Ось вала 1, закрепленного в цанге 5, являющейся частью ультразвуковой колебательной системы, совмещают с осью втулки

2, закрепленной в цанге 6, которая закреплена в концентраторе ультразвукового преобразователя 4.

На вал и на втулку подают продольные ультразвуковые колебания с суммарной амплитудой 4„,5 мкм (установлена экспериментально) и прикладывают статистическое усилие к одной из деталей (на фиг,1 к валу).

Сообщение ультразвуковых колебаний обеим деталям необходимо для снижения и у вала, и у втулки предела текучести о в

3,5...4 раза, чтобы обеспечить процесс пластического деформирования микрообъемов приповерхностных слоев металла, Вал запрессовывается во втулку. Это действие сопровождается следующими физическими явлениями. При введении в зону сопряжения дополнительной энергии ультразвуковых колебаний происходит интенсивное разрушение окисных пленок и образование вследствие этого в зоне трения ювенильных

1764921

N=PV, где P — сила, действующая в контакте;

V- скорость относительного перемещения.

Сила Р, возникающая при запрессовке цилиндрического соединения определяется по следующей зависимости

Р=тзап XРо с1 I (2

) где узап — коэффициент трения;

d — диаметр, по которому происходит запрессовка, 1 — длина втулки;

Po — напряжение в контакте вал-втулка, д (С1 + Сг)

Е1 Ег (3) поверхностей и физического контакта. Одновременно возникают циклические нормальные или сдвиговые напряжения, способствующие усталостному разрушению интерметаллических связей и, как следствие, приводящие к уменьшению сил и коэффициента трения в 2...4 раза. Указанными действиями производится подготовка поверхностей к образованию мостиков сварки, для чего нужно: обязательная очистка сопрягаемых поверхностей от отсорбированных ими веществ и окисных пленок и обеспечение контакта между ювенильными (чистыми) поверхностями; максимальное увеличение площади фактического контакта сопряженных поверхностей (это условие обеспечивается самим процессом ультразвуковой запрессовки в связи с увеличением фактического давления в контакте и пластическим деформированием микронеровностей контактирующих поверхностей).

При достижении втулкой требуемой координаты положения относительно вала действие статического усилия снимается, а суммарная амплитуда предельных ультразвуковых колебаний вала и втулки увеличивается до значений, достаточных для образования мостиков сварки в твердой фазе трением поверхностей друг о друга, В этом же направлении действует повышение температуры контактирующих поверхностей за счет диссипации энергии ультразвуковых колебаний. Произведен расчет параметров процесса.

Мощность тепловыделения при трении определяется зависимостью где д — натяг при запрессовке, (1+)2

С1= 2 -Р1; юг

5 (1 с11 )2

С2= бг — P1 (4)

10 (1 — — )

О1 2 ог где d> — диаметр отверстия в вале (если оно имеется); бг — наружный диаметр втулки;

15 ,и1,,иг — коэффициенты Пуассона соответственно вала и втулки;

Е1; Ег — модули упругости соответственно вала и втулки.

При запрессовке деталей из одного материала и отсутствии отверстия в вале зависимость (3) примет вид

Ро д.Е dq г где a = (5)

d(1 + )

25 1 — а

Тогда (3) выразится тзап K I д E 1 — а

Найдем скорость V при подаче ультразвуковых колебаний в зону соединения.

Амплитуда ультразвуковых колебаний определяется из выражения

Ь = < макс SIR <01 (7) где макс — максимальное значение амплитуды колебаний; со — круговая частота ультразвуковых колебания, N = 2x f;

40 с — вре™

Производная от выражения (7) дает значение скорости

8Š— V — (макс и со$ at (8)

-дс

Максимальное значение скорости перемещения деталей при введении в зону соединения ультразвуковых колебаний определяется как

Чмакс = ьмакс © = 2 г ьмакс (9)

Подставляя (6) и (9) в (1), получим

N=1запл2 I д E(1 — а ) (макс f (10)

Учитывая снижение коэффициента трения между деталями, при воздействии на них ультразвуковыми колебаниями в 2„,4 раза

55 (4) коэффициентом К = 0,25.„0,5 получим

N=Kfaan 1 д Е (1 — а ) (f (1 1)

Определим среднюю удельную мощность тепловыделения, отнесенную к

1764921 (12) 10

25 (14) 30 единице поверхности (площадь контакта F = лФ)

K тзап > E 1 а ьмакст

Р уд) Отсюда амплитуда ультразвуковых колебаний, необходимая для образования мостиков сварки, составит (макс 2, (13) К faan л д Е (1 — а2) f где (дауд) — необходимая для образования мостиков сварки, удельная мощность тепловыделения, отнесенная к единице поверхности выбирается для различных пар материалов по справочнику, где значения (Муд) приведены в Вт/мм . Для согласова2 ния размерностей физических величин в формуле (13) надо ввести коэффициент 0,01.

Таким образом, окончательно зависимость (13) выразится (д) <

0,01 К узап > дЕ(1 — а ) 1

В этой формуле (N>g — в Вт/мм; d — в мм; д — в мм; Е— в кг/мм; f — в 1/с; ф — в мм.

Произведем расчет для вала из стали

40Х и втулки из стали 20; d = 20 мм; d2 = 30 мм, 1 ап = 0,2, К = 0,5; Е = 2 10 кг/мм ; 1 =

=-2 10 1/сек; д=0,01 мм,,Р я выбранной пары материалов (дауд) =

=5 Вт/мм фмкс

6.20

0,0142 мм

0,01 0,6, 0,2 0,01 2 10 0,66 2 10 З,14

Для па2оы сталь ШХ 15 — сталь 45 (Муд) = 15,0

Вт/мм; ф акс = 0,043 мм.

Экспериментально установлено оптимальное время, необходимое для получения наиболее прочного соединения, Данные для приведенных выше условий показаны в таблице, Анализ результатов, приведенных в таблице; показывает, что оптимальное время находится в пределах 4...6 с. Увеличение времени воздействия ультразвуковыми колебаниями на детали существенно прочности соединения не повышает (данные колеблются в пределах ошибки измерения), а производительность процесса снижается, Аналогичное время 4„,6 с было получено для многих сочетаний пар соединяемых

55 деталей, в частности, сталь 20 — сталь 45, сталь 20 — сталь ШХ15, сталь 40Х вЂ” сталь 45, сталь 40Х вЂ” сталь 20, сталь ШХ15 — сталь

ШХ15.

Использование предлагаемого способа соединения вал-втулка по сравнению с прототипом позволит повысить прочность соединения в осевом направлении на 50...70%, а это приведет к повышению надежности всего узла.

Формула изобретения

Способ сборки прессовых соединений типа вал-втулка, включающий центрирование собираемых деталей, приложение усилия к одной из них, воздействие на детали ультразвуковыми колебаниями, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения прочности соединения и уменьшения энергозатрат при соединении деталей из различных групп материалов, в качестве ультразвуковых колебаний используют продольные синфазные разнонаправленные ультразвуковые колебания вала и втулки с суммарной амплитудой 4...5 мкм до момента, когда втулка займет требуемое положение на валу, затем усилие сборки снимают и увеличивают суммарную амплитуду, причем подачу ультразвуковых колебаний ведут в течение 4„.6 с, а значение суммарной амплитуды определяют из соотношения (Nд) б

0,01 К узап gt д Е (1 — а ) f где (макс = (вала+ втулки суммарная амплитуда ультразвуковых колебаний вала и втулки, мм;

Nva — удельная мощность тепловыделения при трении, необходимая для образования мостиков сварки между поверхностями вала и втулки (выбирается по справочнику (5), Вт/мм;

d — диаметр, по которому происходит запрессовка, мм;

К вЂ” коэффициент, учитывающий снижение коэффициента трения в контакте под воздействием ультразвука; тзап — коэффициент трения при запрессовке; д — натяг при запрессовке, мм;

Š— модуль упругости материала втулки и вала, кгс/мм2;

f — частота ультразвуковых колебаний, Гц; а = d/d2; б2 — наружный диаметр втулки, мм.

1764921

J cm

Составитель Б. Штриков

Техред М.Моргентал Корректор Н. Милюкова

Редактор Л. Народная

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3340 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5