СПОСОБ СБОРКИ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ВАЛ-ВТУЛКА Российский патент 1997 года по МПК B23P11/02 

Изобретение относится к механосборочному производству и может быть использовано при сборке соединений с натягом продольно-прессовым методом.

Одной из проблем современного машиностроения является повышение контактной жесткости соединений, под которой понимается деформация поверхностного слоя деталей под действием внешней нагрузки. Большие деформации приводят к потере точности узла, что в конечном итоге сказывается на его долговечности и надежности. Для повышения контактной жесткости соединений смещают начало деформаций в зону более высоких нагрузок путем применения упрочняющей технологии, например поверхностного пластического деформирования (ППД), при котором контактирующие поверхности деталей упрочняют шариком, роликом, алмазным выглаживанием, вводя тем самым дополнительные операции в технологический процесс.

Известны способы соединения деталей, повышающие эксплуатационные характеристики соединений, в том числе и контактную жесткость. Известен способ сборки, согласно которому после вала и втулки воздействуют на вал ультразвуковыми колебаниями, производя фрикционное упрочнение поверхностей [1] Недостатком способа является невысокая производительность, связанная с тем, что упрочнение ведут после сборки соединения, увеличивая время на операцию.

Наиболее близким по технической сущности является способ, в котором деталям сообщают при сборке ультразвуковые колебания, создающие ударные нагрузки за счет изменения диаметральных размеров соединяемых деталей и производящие благодаря этому упрочнение сопрягаемых поверхностей [2]
Недостатком его является неравномерное упрочнение поверхностей деталей, т. к. при прохождении вала в отверстие втулки ее внутренняя поверхность, располагающаяся со стороны запрессовываемого вала, получит большее упрочнение, чем противоположная, вследствие более длительного ударного контакта.

Так, при скорости запрессовки 1 мм/с и длине втулки 10 мм поверхность втулки со стороны запрессовываемого вала будет подвергаться ударным нагрузкам в течение всего времени запрессовки (10 с), а противоположная сторона всего 1 с, что при частоте ультразвуковых колебаний 2000 с^-1 составит соответственно 200000 и 20000 ударов.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение производительности и контактной жесткости соединений при сборке.

Указанная цель достигается тем, что после центрирования деталей со стороны, противоположной запрессовываемому валу, во втулку с зазором вводят вспомогательный вал на всю длину втулки, на втулку подают поперечные ультразвуковые колебания (УЗК), а на валы продольные, причем амплитуду УЗК вспомогательного вала назначают такой, чтобы изменение его поперечных размеров компенсировало сумму величин натяга в соединении, зазора, с которым введен во втулку вспомогательный вал, и амплитуды УЗК запрессовываемого вала, к запрессовываемому валу прикладывают усилие и производят запрессовку, одновременно приложив усилие к вспомогательному валу, выводят его из отверстия, причем скорость запрессовки и вывода вспомогательного вала равны.

Указанные действия позволяют получить равномерно упрочненную поверхность втулки непосредственно в момент операции сборки, что приводит к повышению контактной жесткости соединения и производительности процесса.

На фиг. 1 приведена схема, поясняющая предлагаемый способ, где приведены следующие обозначения: 1 втулка, 2 запрессовываемый вал, 3 - вспомогательный вал; на фиг. 2 изменение деформационного упрочнения по длине втулки при сборке по известному способу; на фиг. 3 изменение степени упрочнения по длине втулки по предлагаемому способу.

Способ осуществляют следующим образом (см. фиг. 1).

1. Производят центрирование вала 2 и вала 3 относительно отверстия во втулке 1.

2. Вал 3 вводят с зазором в отверстие на всю длину втулки.

3. Подают на втулку поперечные ультразвуковые колебания, а на валы продольные колебания, причем амплитуду колебаний вала 3 устанавливают равной

где d зазор между втулкой и вспомогательным валом;
D натяг в соединении;
x амплитуда ультразвуковых колебаний вала;
m коэффициент Пуассона.

4. Прикладывают к валу 2 усилие P₁, а к валу 3 усилие P₂ и производят перемещение валов с одинаковой скоростью.

Проведен анализ отличительных признаков и механизм способа.

1. Использование способа по авт. св. N 1344566 приводит к неравномерному упрочнению поверхности втулки (фиг. 2). Это связано с тем, что запрессовываемый вал 2 (фиг. 1) в момент соединения больше по времени контактирует с верхней поверхностью втулки, чем с нижней. При этом ударные нагрузки, вызванные поперечным изменением размеров вала и втулок под действием ультразвука, сообщаются верхней поверхности втулки чаще, чем нижней.

Для устранения этого использован вспомогательный вал 3, вводимый с зазором на всю длину втулки, которому сообщаются ультразвуковые колебания с амплитудой:

где d величина зазора;
x амплитуда ультразвуковых колебаний запрессовываемого вала;
D натяг в соединении.

Эта амплитуда изменяет диаметр вспомогательного вала на величину:
Dd = ξ₁μ = δ+Δ+μξ
Необходимость выдерживания такого соотношения связана с созданием одинаковых контактных давлений на поверхность втулки как со стороны запрессовываемого вала, так и вспомогательного.

2. Скорость вывода вспомогательного вала должна быть равна скорости запрессовки для того, чтобы каждая точка внутренней поверхности втулки получила одинаковое количество ударов при изменении размеров валов, что способствует одинаковой степени упрочнения (частота колебаний валов и втулки 20000 с^-1).

Производилась запрессовка вала диаметром 10 мм из незакаленной стали 45 во втулку из того же материала. Натяг в соединении составлял Δ 0,005 мм. Зазор между втулкой и вспомогательным валом составлял 0,002 мм. Амплитуда ультразвуковых колебаний втулки составляла 0,01 мм, а запрессованного вала 0,005 мм.

Вспомогательному валу сообщались колебания амплитудой
.

Скорость запрессовки составляла 1 мм/с.

Измерение микронеровности поверхности втулки после запрессовки позволило получить результаты, приведенные на фиг. 3. Поверхностная микронеровность отверстия втулки увеличилась на 25% по сравнению с запрессовкой по известному способу, причем по всей длине втулки она была постоянной и составляла 240 МПа. Таким образом, в результате применения способа удалось не только получить равномерно упрочненную поверхность, но и увеличить степень упрочнения, что ведет к повышению контактной жесткости соединения.

Использование: в механосборочном производстве при сборке соединений с натягом продольно-прессовым методом. Сущность изобретения: во втулку на всю ее длину со стороны, противоположной запрессовываемому валу, вводят с зазором вспомогательный вал. В последнем возбуждают продольные ультразвуковые колебания с амплитудой, обеспечивающей компенсацию суммы величин натяга в соединении, зазора, с которым введен во втулку вспомогательный вал, и амплитуды ультразвуковых колебаний запрессовываемого вала. Затем к вспомогательному валу прикладывают осевое усилие для обеспечения его выведения из втулки, которое производят одновременно с запрессовкой. Скорости запрессовки и вывода вспомогательного вала устанавливают равными. 3 ил.

Способ сборки соединений деталей вал-втулка методом запрессовки, включающий центрирование соединяемых деталей, сообщение им ультразвуковых колебаний и приложение осевого усилия к одной из деталей, отличающийся тем, что во втулку со стороны, противоположной запрессовываемому валу, с зазором вводят вспомогательный вал на всю длину втулки, сообщают ему продольные ультразвуковые колебания с амплитудой, обеспечивающей компенсацию суммы величин натяга в соединении, зазора, с которым введен во втулку вспомогательный вал, и амплитуды ультразвуковых колебаний запрессовываемого вала, после чего к вспомогательному валу прикладывают осевое усилие для обеспечения его выведения из втулки, которое производят одновременно с запрессовкой, причем скорости запрессовки и вывода вспомогательного вала устанавливают равными.