СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШПОНОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ВАЛАХ Российский патент 2021 года по МПК F16B3/00 B23P11/00 

Изобретение относится к области металлообработки, в частности к методам изготовления, восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин электромеханической обработкой, направлено на повышение долговечности шпоночных соединений на валах в условиях массового и ремонтного производства.

Плотные соединения (посадки) шпонок на валах обеспечиваются точным изготовлением стандартных размеров шпонок и шпоночных пазов на валах, зависящих от диаметра вала (см. Схиртладзе, А.Г. Метрология, стандартизация и сертификация / А.Г. Схиртладзе, Я.М. Радкевич. - Старый Оскол: ТНТ, 2015. - 540 с.). Для получения плотных соединений шпонка по ширине делается на десятки микрометров больше ширины шпоночного паза, что позволяет получить натяг при сборке шпонки с валом, как правило, с помощью пресса.

Недостатками таких технологий является необходимость закалки вала по шпоночному пазу до необходимой твердости. Процессы закалки отличаются сложностью и большими затратами энергии, большим термическим влиянием на деталь, что приводит к значительным деформациям изделий. Кроме того после закалки необходимо применять дополнительные методы финишной механической обработки для получения точных размеров шпоночного паза.

Известны способы электромеханической обработки деталей машин на металлорежущих станках (Яковлев С.А. Влияние электрофизических параметров на электромеханическую обработку деталей машин: монография / С.А. Яковлев. - Ульяновск: УВАУ ГА (И), 2014. - 129 с.) при которых через зону контакта деформирующего электрод-инструмента (ролика или пластины) и детали проходит ток большой плотности (10⁸-10⁹ А/м²) и низкого (1-6 В) напряжения, вследствие чего на контактирующей поверхности изделия выделяется большое количество тепла, происходят высокоскоростной нагрев локального микрообъема поверхности с одновременным его пластическим деформированием и последующее интенсивное охлаждение за счет отвода тепла внутрь детали, что приводит к повышению твердости, прочности и износостойкости.

Однако данные способы не позволяют обеспечить нужное соединение шпонки на валу.

Известен способ получения шпоночного соединения на валах, включающий установку шпонки в шпоночный паз вала с зазором, нагрев шпоночного паза электродом-инструментом для электромеханической обработки и пластическую деформацию металла (патент РФ №2713887 - принят за прототип), отличающийся тем, что электрод-инструмент устанавливают вертикально и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 0,3…1,5 мм от края паза с обеспечением осадки и раздачи металла вала в сторону паза, при этом раздача металла ограничена шпонкой.

При обработке по данному способу происходит образование плотного соединения шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза твердостью до 9 ГПа.

Недостатком такого способа является необходимость приложения больших усилий прижатия инструмента к детали для эффективной осадки и раздачи металла в сторону паза. Другим недостатком является необходимость применения больших электрических токов, которые в свою очередь обеспечивают более высокую пластичность металла, что направлено также на более эффективную осадку и раздачу металла.

Достигаемый технический результат по заявленному изобретению - это повышение эффективности и снижение энергоемкость процесса при получении плотного шпоночного соединения на валах с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза за счет перераспределения металла применением электромеханической обработки с использованием шпонки, установленной в шпоночный паз.

Указанный технический результат достигается за счет того, что электрод-инструмент устанавливают сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 1…2,5 мм от края паза.

На фиг. 1 представлена схема установки шпонки в шпоночном пазу. Шпонка 2 устанавливается на дно шпоночного паза вала 1 и прижимается к одной из боковых поверхностей шпоночного паза, образуя зазор. Величина зазора может составлять десятки микрометров, для изношенных шпоночных пазов величина зазора может достигать до 2 мм.

На фиг. 2 схематично представлена схема получения шпоночного соединения на валах. Способ осуществляется следующим образом. На специальной оправке (не показана) крепится инструмент 5 для электромеханической обработки шпоночного паза. Инструмент прижимается сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости на расстоянии 1…2,5 мм от края шпоночного паза вала 1 с усилием Р и перемещается вдоль шпоночного паза со скоростью ν.

Инструмент для электромеханической обработки 5 подсоединен с помощью токоподводящих кабелей 4 к источнику питания - силовому модулю для ЭМО 3, образуя с деталью общую электрическую цепь. При замыкании электрической цепи происходит мгновенный нагрев (током до 2500 А) в месте контакта инструмента 5 с поверхностью шпоночного паза выше температуры выше фазовых превращений и механическое воздействие этим инструментом находящимся сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости с усилием Р. Это позволяет инструменту 5 в горячем состоянии более эффективно осаживать поверхность шпоночного паза с раздачей в сторону шпоночного паза. Деформация металла в сторону шпоночного паза ограничивается наличием шпонки.

При движении инструмента вдоль шпоночного паза со скоростью ν источник термомеханического воздействия удаляется, что приводит к последующему охлаждению нагретых участков вглубь детали за счет ее массы, в результате чего происходит упрочнение поверхностного слоя боковой поверхности шпоночного паза.

Сила тока, усилие прижатия инструмента Р к детали, скорость ν перемещения инструмента вдоль шпоночного паза, угол прижатия инструмента к вертикальной плоскости, расстоянии от края паза до инструмента, материал и форма инструмента принимаются исходя из задач и требований технологического процесса.

Расположение электрод-инструмента сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости обеспечивает оптимальное увеличение составляющей силы сдвига нагретых объемов металла в сторону шпоночного паза. Это позволяет получать качественные шпоночные соединения без использования больших усилий прижатия инструмента к детали.

Увеличение силы сдвига при электромеханической обработке электрод-инструментом под углом 10…45° к вертикальной плоскости не требует использования повышенных токов для увеличения пластичности металла по сравнению с прототипом.

Перемещение электрод-инструмента вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 1…2,5 мм от края паза позволяет сдвигать в сторону паза более значительные объемы металла, что увеличивает эффективность и позволяет получать шпоночных соединений с предварительными зазорами до 2 мм.

При обработке по данному способу происходит образование плотного соединения шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза твердостью до 9 ГПа, повышается эффективность и снижается энергоемкость процесса электромеханической обработки за счет применения меньшего тока и усилия прижатия инструмента к детали.

Изобретение относится к области металлообработки, в частности к методам изготовления, восстановления и упрочнения поверхностей деталей машин электромеханической обработкой, направлено на повышение долговечности шпоночных соединений на валах в условиях массового и ремонтного производства. Сущность: шпонку устанавливают в шпоночный паз с зазором. Нагрев и пластическую деформацию шпоночного паза вала осуществляют электродом-инструментом для электромеханической обработки. Электрод-инструмент устанавливают сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 1…2,5 мм от края паза с обеспечением осадки и раздачи металла вала в сторону паза. Раздача металла вала ограничивается шпонкой. Технический результат: повышение эффективности и снижение энергоемкости процесса при получении плотного шпоночного соединения на валах с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза. 2 ил.

Способ получения шпоночного соединения на валах, включающий установку шпонки в шпоночный паз вала с зазором, нагрев шпоночного паза электродом-инструментом для электромеханической обработки и пластическую деформацию металла с обеспечением осадки и раздачи металла вала в сторону паза, когда раздача металла ограничена шпонкой, отличающийся тем, что электрод-инструмент устанавливают сверху под углом 10…45° к вертикальной плоскости и перемещают вдоль шпоночного паза по его поверхности на расстоянии 1…2,5 мм от края паза.