Способ закрепления на валу сопрягаемых цилиндрических деталей

Изобретение относится к способам закрепления на валу сопрягаемых цилиндрических деталей и может быть использовано для закрепления зубчатых колес, шкивов, полумуфт, втулок с целью передачи крутящего момента. Способ включает нанесение слоя функционального материала, обладающего эффектом памяти формы, на посадочные места вала. После чего проводят механическую обработку нанесенного слоя до требуемого размера, его вакуумный отжиг, охлаждение до комнатной температуры с последующим понижением температуры путем охлаждения нанесенного слоя жидким азотом и обкатку нанесенного слоя при этой температуре охлаждения роликами в радиальном направлении. Далее осуществляют посадку деталей на посадочное место вала и нагревание вала до температуры конца обратного мартенситного превращения. При этом слой функционального материала наносят путем плазменной наплавки следующей смеси порошков, мас.%: никель 56-59, алюминий 23-26, железо 16-20, имеющих размер 90-120 нм. Технический результат - исключение смешивания материала покрытия и материала вала. 1 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для сопряжения и закрепления деталей преимущественно типа зубчатых колес, шкивов, полумуфт, втулок на валу с целью передачи крутящего момента.

В настоящее время для соединения цилиндрических деталей существуют несколько способов:

- с помощью шпоночных и шлицевых соединений (А.И.Аркуша, М.И.Фролов. Техническая механика, изд. "Высшая школа", 1983 г. с.294).

Недостатки шпоночных и шлицевых соединений заключаются в ослаблении вала и ступицы шпоночными и шлицевыми пазами, наличии концентраторов напряжения в зоне шпоночных и шлицевых пазов, что приводит к снижению усталостной прочности, высоких требованиях к точности выполнения шпоночных и шлицевых пазов, необходимости в дополнительных деталях для осевой фиксации зубчатых колес, шкивов и т.п.

- с помощью промежуточной втулки, сделанной из материала с памятью формы (А.с. №1217615 (СССР-USSR), МКИ⁴ В23Р 11/02, F15В 4/09. Способ образования неподвижного соединения охватывающей и охватываемой деталей. А.И.Жабин, М.Б.Кивенсон, В.В.Трембач, Н.И.Толстяк. Крамоторский научно-исследовательский институт).

Недостатком соединения с помощью промежуточной втулки, сделанной из материала с памятью формы, является большой расход дорогостоящего материала.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является "Способ закрепления на пустотелом валу сопрягаемых деталей". Авторы: Чаевский М.И., Бледнова Ж.М., Мышевский И.С., патент №2249731.

Недостатком этого способа является перемешивание в результате аргонно-дуговой наплавки материала покрытия и материала вала. Это приводит к ухудшению свойств памяти формы, затратам времени на намотку сварочных валиков из проволоки с памятью формы с шагом, равным 1-3 диаметрам проволоки, низкой жаропрочности покрытия.

Задачей предложенного изобретения является улучшение качества наплавленного слоя, закрепляющего вал с сопрягаемой цилиндрической деталью, увеличение скорости наплавки и толщины покрытия, увеличение жаропрочности покрытия.

Техническим результатом является исключение смешивания материала покрытия и материала вала.

Поставленная задача решается предложенным способом закрепления на валу сопрягаемых цилиндрических деталей, включающим нанесение функционального материала, обладающего эффектом памяти формы, на посадочные места вала, механическую обработку нанесенного слоя до требуемого размера, его вакуумный отжиг с последующим охлаждением и понижением до низкой температуры с помощью жидкого азота, обкатку нанесенного слоя при этой температуре роликами в радиальном направлении, посадку деталей на посадочное место вала и нагревание до температуры конца обратного мартенситного превращения, отличающимся тем, что в качестве функционального материала, обладающего эффектом памяти формы, используют смесь порошков Ni, Аl и Fe с размером частиц порошка 90-120 нм, взятых при следующем соотношении компонентов, мас.%:

никель 56-59

алюминий 23-26

железо 16-20

а на посадочное место вала наносят указанную смесь порошков плазменной наплавкой при температуре плазменной струи t=5000-10000 K, токе разряда I=380-400 А, напряжении U=50-70 В, скорости микрочастиц 180-220 м/с, в качестве плазмообразующего газа используется смесь аргона и азота Ar=70-80%, N₂=20-30% или аргона и водорода Аr=80-90%, Н₂=10-20%, причем расстояние от сопла плазматрона до вала составляет 140-145 мм.

Перемешивание материала покрытия и материала вала не происходит, потому что расстояние от сопла плазматрона до вала составляет 140-145 мм. Наплавленная смесь порошков Ni-Al-Fe позволяет увеличить жаропрочность сплава за счет образования алюминием защитных оксидных пленок. Наплавленная смесь порошков Ni-Al-Fe проявляет высокотемпературный эффект памяти формы с размером частиц порошка 90-120 нм, взятых при следующем соотношении компонентов, мас.%: никель 56-59, алюминий 23-26, железо 16-20.

Основное свойство сплавов с эффектом памяти формы состоит в способности восстанавливать после деформации свою первоначальную форму при нагревании или непосредственно после снятия нагрузки. Иными словами, эти сплавы способны накапливать энергию, а затем превращать ее в работу. К этим сплавам относят сплавы Ni-Al (никелид алюминия); Ni-Al-Fe, Fe-Mn-Ga, Ni-Ti и др. Выполненные из них детали могут самостоятельно изгибаться, сжиматься, растягиваться, скручиваться, т.е. самостоятельно изменять свои размеры. Причем амплитуды таких деформаций достигают 5-10, а в ряде случаев и 30%.

Поставленная задача решается следующим образом.

Пример 1

Способ нанесения плазменной наплавкой смеси порошков Ni, А1 и Fe с размером частиц порошка 90-120 нм с обратимой памятью формы и механической обработки на нужный размер. Использование в качестве функционального материала смеси порошков, которая имеет следующий состав: 58,8 ат.% Ni, 25,1 ат.% А1, 16,1 ат.% Fe. На посадочное место вала наносят указанную смесь порошков плазменной наплавкой при температуре плазменной струи t=10000 K, токе разряда I=400 А, напряжении U=70 В, скорости микрочастиц 210 м/с, в качестве плазмообразующего газа используется смесь аргона и азота Аr=70%, N₂=30%, причем расстояние от сопла плазматрона до вала составляет 145 мм.

Затем вал подвергают вакуумному отжигу при температуре 450°С в течение 1,2 часа, по завершению которого снижают температуру до комнатной, охлаждают до низких температур с помощью жидкого азота, который в течении 15 минут поливают на поверхность вала, и при этих низких температурах проводят обкатку покрытия Ni-Al-Fe в 3-роликовом приспособлении при усилии обкатки 700 Н, продольной подаче 0,08-0,10 мм/об, скорости обкатки 94·10^-3 м/с и числе оборотов 3-10. Сразу после обкатки на посадочные места надевают сопрягаемые детали и нагревают вал до температуры конца мартенситного превращения, при которой происходит прессовая посадка сопрягаемых деталей заданной величины.

Пример 2

Способ нанесения плазменной наплавкой смеси порошков Ni, А1 и Fe с размером частиц порошка 90-120 нм с обратимой памятью формы и механической обработки на нужный размер. Использование в качестве функционального материала смеси порошков, которая имеет следующий состав: 58,3 ат.% Ni, 24,5 ат.% А1, 17,2 ат.% Fe. На посадочное место вала наносят указанную смесь порошков плазменной наплавкой при температуре плазменной струи t=9000 K, токе разряда I=390 А, напряжении U=60 В, скорости микрочастиц 200 м/с, в качестве плазмообразующего газа используется смесь аргона и водорода Аr=75%, Н₂=15%, причем расстояние от сопла плазматрона до вала составляет 140 мм.

Затем вал подвергают вакуумному отжигу при температуре 480°С в течение 1 часа, по завершению которого снижают температуру до комнатной, охлаждают до низких температур с помощью жидкого азота, который в течении 18 минут поливают на поверхность вала, и при этих низких температурах проводят обкатку покрытия Ni-Al-Fe в 3-роликовом приспособлении при усилии обкатки 1000 Н, продольной подаче 0,08-0,10 мм/об, скорости обкатки 94·10^-3 м/с и числе оборотов 3-10. Сразу после обкатки на посадочные места надевают сопрягаемые детали и нагревают вал до температуры конца мартенситного превращения, при которой происходит прессовая посадка сопрягаемых деталей заданной величины.

Пример 3

Способ нанесения плазменной наплавкой смеси порошков Ni, А1 и Fe с размером частиц порошка 90-120 нм с обратимой памятью формы и механической обработки на нужный размер. Использование в качестве функционального материала смеси порошков, которая имеет следующий состав: 56,4 ат.% Ni, 23,6 ат.% А1, 20 ат.% Fe. На посадочное место вала наносят указанную смесь порошков плазменной наплавкой при температуре плазменной струи t=8000 K, токе разряда I=380 А, напряжении U=50 В, скорости микрочастиц 220 м/с, в качестве плазмообразующего газа используется смесь аргона и азота Аr=80%, N₂=20%, причем расстояние от сопла плазматрона до вала составляет 143 мм.

Затем вал подвергают вакуумному отжигу при температуре 500°С в течение 1,5 часа, по завершению которого снижают температуру до комнатной, охлаждают до низких температур с помощью жидкого азота, который в течении 20 минут поливают на поверхность вала, и при этих низких температурах проводят обкатку покрытия Ni-Al-Fe в 3-роликовом приспособлении при усилии обкатки 800 Н, продольной подаче 0,08-0,10 мм/об, скорости обкатки 94·10^-3 м/с и числе оборотов 3-10. Сразу после обкатки на посадочные места надевают сопрягаемые детали и нагревают вал до температуры конца мартенситного превращения, при которой происходит прессовая посадка сопрягаемых деталей заданной величины.

Чтобы разъединить вал от посаженной на него детали, его охлаждают до температуры - 50°С, при этом происходит восстановление низкотемпературной формы покрытия Ni-Al-Fe, при которой прессовое соединение покрытия с валом превращается в посадку с зазором.

Примеры сведены в таблицу 1.

Таким образом, как видно из таблицы, использование в качестве функционального материала с эффектом памяти формы при плазменной наплавке на поверхность вала смеси порошков Ni, Al, Fe, имеющего состав с эффектом памяти формы, позволило увеличить жаропрочность покрытия соединения деталей, улучшить качество наплавленного слоя. При использовании плазменной наплавки не происходит перемешивание покрытия и материала подложки вала, соответственно улучшается эффект памяти формы, сокращается время получения покрытия по сравнению с аргонодуговой наплавкой.

Способ закрепления на валу сопрягаемых цилиндрических деталей, включающий нанесение слоя функционального материала, обладающего эффектом памяти формы, на посадочные места вала, механическую обработку нанесенного слоя до требуемого размера, его вакуумный отжиг, охлаждение до комнатной температуры с последующим понижением температуры путем охлаждения нанесенного слоя жидким азотом, обкатку нанесенного слоя при этой температуре охлаждения роликами в радиальном направлении, посадку деталей на посадочное место вала и нагревание вала до температуры конца обратного мартенситного превращения, отличающийся тем, что слой функционального материала наносят на посадочное место вала путем плазменной наплавки смеси порошков Ni, Al и Fe с размером частиц 90-120 нм, взятых при следующем соотношении компонентов, мас.%:

никель	56-59
алюминий	23-26
железо	16-20,

при температуре плазменной струи 5000-10000 К, токе разряда 380-400 А, напряжении 50-70 В, скорости микрочастиц 180-220 м/с и расстоянии от сопла плазматрона до вала 140-145 мм, при этом в качестве плазмообразующего газа используется смесь 70-80% аргона и 20-30% азота или 80-90% аргона и 10-20% водорода.