СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШПОНОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F16B3/00 B23P11/00 B24B39/00 

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

Плотные, нормальные и свободные унифицированные соединения (посадки) шпонок на валах и в отверстиях (во втулках) обеспечиваются точным изготовлением стандартных размеров шпонок и шпоночных пазов на валах и в отверстиях, зависящих от диаметра вала (см. Схиртладзе, А.Г.. Метрология, стандартизация и сертификация / А.Г. Схиртладзе, Я. М. Радкевич. - Старый Оскол: ТНТ, 2015. - 540 с.). Известные способы ремонта изношенных шпоночных соединений на валах и в отверстиях, заключающиеся в обработке пазов под шпонку увеличенного стандартного размера, значительно снижают прочность валов и втулок, а так же требуют применения высокоточного металлорежущего оборудования.

Известны способы электромеханической обработки деталей машин (Аскинази Б. М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой / Б.М. Аскинази. - М: Машиностроение, 1989. - 200 с. и 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 электрода-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. Разновидностью электромеханической обработки является электромеханическое восстановление деталей машин, которое позволяет эффективно без добавочных материалов на 0,3-0,4 мм увеличивать (восстанавливать) наружные и уменьшать внутренние размеры деталей за счет высадки поверхности и последующего ее сглаживания. При электромеханической высадке за счет перераспределения металла на контактной поверхности образуется канавка с выступами (при обработке тел вращения имеет винтовую геометрию). При электромеханическом сглаживании выступы уменьшаются до необходимого размера. Принципиальное отличие высадки от сглаживания состоит в различии контактных напряжений. В первом случае обработка производится электродом-инструментом, ширина поверхности контакта которого численно меньше подачи примерно в три раза (ролик или пластина с углом при вершине 60°, движущийся с шагом 1-3 мм/об), а во втором случае обработка производится электродом-инструментом, ширина контакта которого значительно превышает подачу (ролик или пластина с радиусом при вершине 60 мм, движущийся с шагом 0,1-0,3 мм/об). Однако эти способы применяются только для тел вращения.

Известен способ электромеханического восстановления деталей прецизионных сопряжении (патент РФ №2459694) включающий электромеханическую высадку поверхности с образованием на ней канавок и последующее электромеханическое сглаживание высаженных канавок путем одновременного нагрева поверхностного слоя детали пропусканием электрического тока через зону контакта сглаживающего инструмента с деталью и механического воздействия на него сглаживающим инструментом, отличающийся тем, что канавки на поверхности детали выполняют кольцевыми с шагом 0,5…2 мм с созданием подобия лабиринтного уплотнения.

Однако этот способ не применим для обработки шпоночных пазов на валах и в отверстиях.

Известен способ электромеханической подготовки стальных и чугунных поверхностей изделий под нанесение покрытий (патент РФ №2325260 - принят за прототип), преимущественно тел вращения, включающий высадку поверхности одним инструментом и последующее сглаживание другим инструментом с их подачей - шагом s=1-3 мм/об, отличающийся тем, что сглаживание осуществляют инструментом с углом при вершине 119-121°, со скоростью 0,03-0,06 м/с, давлении Р=200-300 МПа и плотности тока 250-350 А/мм², причем траектория движения сглаживающего инструмента отстает от траектории высаживающего инструмента на 0,45…0,55 шага.

Однако данный способ также не применим для восстановления боковых поверхностей шпоночных пазов, кроме того геометрия высаженной поверхности будет способствовать закусыванию (заклиниванию) шпонки при ее установке в шпоночный паз.

Известен способ получения шпоночного соединения на валах (патент РФ №2749648 - принят также за прототип) 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.

Использование такой электромеханической осадки приводит к получению в верхней части шпоночного соединения плотного контакта шпонки со шпоночным пазом за счет пластической деформации и перераспределения металла с одновременным упрочнением боковой поверхности шпоночного паза твердостью до 9 ГПа.

Однако долговечность таких соединений увеличивается незначительно из-за. недостаточной эффективности осадки и раздачи верхней части шпоночного паза, а также в виду того что в нижней боковой части шпоночного соединения остается зазор.

Достигаемый технический результат по заявленному изобретению - это повышение долговечности шпоночных соединений увеличением площади контакта шпонки с боковой поверхностью шпоночного паза путем перераспределения и упрочнения металла паза применением различных способов электромеханической обработки с использованием шпонки, установленной в шпоночный паз.

Указанный технический результат достигается за счет того, что вначале путем высадки и последующего сглаживания электродами-инструментами, траектории движения которых совпадают, получают канавку с выступами в боковой поверхности вдоль шпоночного паза на расстоянии 1,5-4 мм от канавки до дна паза, при этом минимальное значение этого расстояние больше размера фаски шпонки на 0,9 мм, затем устанавливают шпонку в шпоночный паз и осуществляют электромеханическую осадку металла шпоночного паза электродом-инструментом, расположенным под углом 46-50° к вертикальной плоскости.

Способ осуществляется следующим образом. Вначале получают канавку в боковой поверхности вдоль шпоночного паза. Канавку образуют путем электромеханической высадки и последующего электромеханического сглаживания электродами-инструментами, траектории движения которых совпадают.

На фиг. 1 представлена (на примере вала 1) схема расположения профильной канавки в боковой поверхности вдоль шпоночного паза. В результате электромеханической высадки и последующего электромеханического сглаживания на боковой поверхности шпоночного паза образуется высаженный профиль высотой h. Расстояние l между канавкой и дном шпоночного паза составляет 1,5-4 мм, при этом минимальное значение этого расстояние больше размера фаски шпонки s на 0,9 мм.

На фиг. 2 представлена схема установки шпонки в шпоночном пазу. Шпонка 2 устанавливается на дно шпоночного паза вала 1 (или отверстия). В нижней части по ширине шпоночного соединения в зависимости от размеров шпонки и высаженной боковой поверхности шпоночного паза может образоваться небольшой зазор или натяг. В верхней части по ширине шпоночного соединения остается зазор.

На фиг. 3 представлена схема получения шпоночного соединения в верхней его части. На специальной оправке (не показана) крепится электрод-инструмент 3 для электромеханической обработки (осадки) шпоночного паза. Инструмент прижимается сверху под углом 46-50° к вертикальной плоскости на определенном расстоянии от края шпоночного паза вала 1.

При пропускании электрического тока через место контакта электрода-инструмента происходит мгновенный нагрев и осаживание верхней поверхности шпоночного паза с раздачей в сторону шпонки. Деформация металла шпоночного паза в сторону шпонки ограничивается наличием шпонки.

Перемещение места контакта электродов-инструментов с поверхностью детали или отключение электрического тока при выполнении различных способов электромеханической обработки (высадки, сглаживания и осадки) приводит к быстрому охлаждению нагретых участков вглубь детали за счет ее массы, в результате чего происходит упрочнение поверхностного слоя боковой поверхности шпоночного паза.

Сила тока, усилие прижатия электродов-инструментов к поверхности детали, скорость перемещения электродов-инструментов вдоль шпоночного паза или время электромеханического воздействия, угол прижатия осаживающего электрода-инструмента к вертикальной плоскости, расстоянии от края паза до осаживающего электрода-инструмента, материал и форма электродов-инструментов принимаются исходя из задач и требований технологического процесса.

Диапазон величины расстояния от профильной канавки в боковой поверхности вдоль шпоночного паза до его дна l=1,5-4 мм связан с наличием у шпонки фаски s, стандартный размер которой зависит от геометрических размеров шпонки. Расположение канавки на расстоянии менее 1,5 мм от дна шпоночного паза усложнено из-за геометрии высаживающего электрода-инструмента. Расположение канавки на расстоянии более 4 мм от дна шпоночного паза (для больших размеров ширины шпонок, например 100 мм) не обеспечивает устранение зазора в нижней боковой части шпоночного соединения.

Расположение осаживающего электрода-инструмента для электромеханической обработки сверху под углом 46-50° к вертикальной плоскости обеспечивает увеличение составляющей силы сдвига нагретых объемов металла в сторону шпоночного паза. Это позволяет увеличивать площадь контакта в верхней части шпоночного соединения без использования больших усилий прижатия электродов-инструментов к детали. Расположение осаживающих электродов-инструментов сверху под углом более 50° к вертикальной плоскости не желательно, так как может привести к соскальзыванию электрода-инструмента с осаживаемой поверхности, что не позволяет эффективно сдвигать нагретые объемы металла в сторону шпонки.

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 долговечность шпоночных соединений за счет увеличения площади контакта шпонки с боковой упрочненной поверхностью шпоночного паза путем улучшения эффективности осадки и раздачи верхней части шпоночного паза, а также устранения зазора в нижней боковой части шпоночного соединения.

Изобретение относится к получению шпоночного соединения. Осуществляют высадку и последующее сглаживание электродами-инструментами, траектории движения которых совпадают. При этом получают канавку с выступами в боковой поверхности вдоль шпоночного паза на расстоянии 1,5-4 мм от канавки до дна паза. Минимальное значение указанного расстояния больше размера фаски шпонки на 0,9 мм. Осуществляют установку шпонки в шпоночный паз и электромеханическую осадку металла шпоночного паза электродом-инструментом, расположенным под углом 46-50° к вертикальной плоскости. В результате улучшается эффективность осадки и раздачи верхней части шпоночного паза, а также устраняется зазор в нижней боковой части шпоночного соединения. 3 ил.

Способ получения шпоночного соединения, включающий электромеханическую высадку поверхности с образованием на ней канавки с выступами высаживающим электродом-инструментом и последующее электромеханическое сглаживание этих выступов сглаживающим электродом-инструментом, установку шпонки в шпоночный паз и последующую электромеханическую осадку шпоночного паза путем нагрева осаживающим электродом-инструментом, установленным сверху, и пластической деформации металла с обеспечением осадки и раздачи металла шпоночного паза в сторону шпонки, при этом раздача металла ограничена шпонкой, отличающийся тем, что вначале высадку и последующее сглаживание осуществляют электродами-инструментами, траектории движения которых совпадают, при этом получают канавку с выступами в боковой поверхности вдоль шпоночного паза на расстоянии 1,5-4 мм от канавки до дна паза, причем минимальное значение указанного расстояния больше размера фаски шпонки на 0,9 мм, затем установку шпонки в шпоночный паз и электромеханическую осадку металла шпоночного паза осуществляют электродом-инструментом, расположенным под углом 46-50° к вертикальной плоскости.